劉文政 何 進 李洪文 魏忠彩 張振國 李學強

(1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083； 2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心， 德州 253600；3.山東希成農(nóng)業(yè)機械科技有限公司， 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯微型種薯(簡稱“微型薯”)采用馬鈴薯脫毒快速繁殖技術(shù)培育而成，種薯種植可提升馬鈴薯的品質(zhì)和產(chǎn)量[1-2]；同時，機械化種植微型薯可降低勞動強度、減少作業(yè)成本、提升生產(chǎn)效率等。因此，以微型薯為種薯且采用機械化種植方式對促進我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大[3-4]。目前，國內(nèi)普遍應用的播種機主要以切塊薯為播種對象，不適宜微型薯的機械化種植作業(yè)。我國以微型薯為播種對象的種植機械尚處于起步階段，已有的研究主要集中在播種方面[5-7]，而關(guān)于微型薯機械化施肥方面的研究較少。微型薯機械化種植、同時播施肥料作為基肥，可提升土壤養(yǎng)分，促進微型薯植株生長發(fā)育，提升作物品質(zhì)和產(chǎn)量[8-9]。

目前，國內(nèi)已開展的相關(guān)研究主要圍繞傳統(tǒng)切塊薯機械化施肥問題。呂金慶等[10]為解決傳統(tǒng)馬鈴薯播種機采用外槽輪式施肥裝置存在的施肥量不足、施肥不勻等問題，研制出螺旋推進式施肥裝置，提升了播種機的施肥質(zhì)量；楊然兵等[11]針對國內(nèi)馬鈴薯種植機普遍存在的肥料定位不精確問題，結(jié)合馬鈴薯種植農(nóng)藝特點，提出了分層施肥技術(shù)，設計出深度可調(diào)式分層施肥開溝器；孫偉等[12]針對西北黃土高原旱作區(qū)普遍采用的抗旱種植模式，設計了馬鈴薯施肥播種起壟全膜覆蓋種行覆土一體機，該機除具備開溝、播種、覆土、起壟、覆膜等功能外，還具備施肥功能。

通過在內(nèi)蒙古、陜西等地區(qū)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，種薯育種公司或農(nóng)戶對于具備施肥功能的微型薯種植機的需求較為迫切。因此，開展微型薯機械化施肥方面的研究很有必要。本文基于前期設計的微型薯播種機[13]，借鑒傳統(tǒng)切塊薯機械化施肥方面的研究，并結(jié)合微型薯種植農(nóng)藝特點，設計一種單行薯雙側(cè)位深施肥裝置。通過理論分析和仿真模擬，設計螺旋式排肥器和施肥開溝器等施肥裝置關(guān)鍵部件，并開展機具靜態(tài)性能試驗和田間試驗。

1 微型薯種植特點與施肥農(nóng)藝要求

1.1 種植特點

微型薯采用壟作種植方式，一般可分為單壟單行或單壟雙行兩類種植模式[14]。本設計采用單壟單行種植模式，其中，起壟高度不低于200 mm，播種深度為100～200 mm，株距為80～200 mm，行距為800～900 mm。

1.2 施肥農(nóng)藝要求

我國現(xiàn)有馬鈴薯播種機種肥播施以側(cè)位分施為主[11]，對于微型薯播種而言，借鑒傳統(tǒng)馬鈴薯種肥播施方式。對于單壟單行種植模式而言，為確保微型薯后期擁有充足的肥力保障其生長，其播施方式為將肥料施于單行薯種兩側(cè)，即采用雙側(cè)位深施肥的方式，肥料與薯種的相對位置關(guān)系主要由橫向間距l(xiāng)h和縱向間距l(xiāng)v來控制(圖1)。根據(jù)農(nóng)藝要求，一般取lh為30～60 mm，lv為50～80 mm。

圖1 微型種薯雙側(cè)位深施肥示意圖Fig.1 Diagram of double sides of deep fertilization for potato micro-seed

2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機結(jié)構(gòu)

馬鈴薯微型種薯種植機是在前期設計的播種機[13]基礎(chǔ)上增設施肥裝置，除具備開溝、施肥、播種、覆土、起壟等功能外，增加了施肥功能。其中，施肥裝置由4個施肥單體和種肥分施一體箱組成(圖2)；每個施肥單體包括1個螺旋式排肥器、2根導肥管和2個施肥開溝器，種肥分施一體箱則是在箱體內(nèi)添加隔板將箱體分為儲種箱和儲肥箱；4個施肥單體分別與種肥分施一體箱的儲肥箱排肥口相聯(lián)接。此外，每個施肥單體對應施肥裝置其中1個播種單體，且施肥開溝器分別布置于播種單體兩側(cè)。

圖2 施肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure sketch of fertilizing device1.螺旋式排肥器 2.導肥管 3.施肥開溝器 4.儲種箱 5.儲肥箱

2.2 工作原理

施肥作業(yè)過程可分為3個階段：充肥、分肥和排肥。地輪通過鏈傳動系統(tǒng)帶動排肥器，肥箱內(nèi)的肥料由于重力作用以及自身流動性充入排肥器，實現(xiàn)充肥；排肥器中的螺旋裝置將充入的肥料輸送分配至每個排肥口，完成分肥；輸送至排肥口的肥料從排肥口排出落入導肥管，并沿著導肥管落入施肥開溝器所開的肥溝內(nèi)，完成整個排肥過程。

3 螺旋輸送式排肥器設計

3.1 排肥器整體結(jié)構(gòu)

排肥器(圖3a)主要包括上護腔、下護腔、螺旋裝置、接肥盒等。其中，螺旋裝置由軸和螺旋葉片組成(圖3b)。上/下護腔為外觀尺寸相同的護肥腔體(圖3c、3d)，上護腔中間部位開有矩形入肥口；上/下護腔通過螺栓螺母貼合在一起，并將螺旋裝置包裹其中而形成肥腔，且肥腔兩端部形成兩個出肥口，為肥料深施于單壟單行薯種的兩側(cè)做準備。排肥器安裝于肥箱的下端，入肥口與肥箱排肥口相聯(lián)通；地輪通過鏈傳動系統(tǒng)將動力傳遞至軸，并帶動軸轉(zhuǎn)動，軸上安裝有左右對稱的兩組螺旋葉片(左螺旋葉片、右螺旋葉片)，其螺距、高度相等而螺旋方向相反。隨著軸的轉(zhuǎn)動，肥箱內(nèi)的肥料充入肥腔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)的螺旋裝置將肥料分別推送至兩側(cè)的出肥口處。

圖3 排肥器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagrams of fertilizing device1.接肥盒 2.下護腔 3.螺旋裝置 4.上護腔

根據(jù)微型薯單壟單行種植農(nóng)藝要求，肥料施于單壟單行薯種的兩側(cè)，且考慮到微型薯需肥量較大(750～900 kg/hm2)，采用傳統(tǒng)的槽輪式排肥器不能滿足需求，故借鑒螺旋輸送機設計一種排肥穩(wěn)定且排肥量大的螺旋輸送式排肥器。依據(jù)前期播種機整機設計結(jié)構(gòu)參數(shù)[13]并參照《運輸機械設計選用手冊》[15]，為確保肥料從肥箱順利充入肥腔內(nèi)，設計的排肥器矩形入肥口長度lm為160 mm，寬度wm為65 mm；根據(jù)肥箱箱體結(jié)構(gòu)并保證足夠的充肥量，設計的排肥器兩圓形出肥口之間的距離Sc為340 mm，直徑Dc為65 mm，則肥腔直徑為65 mm。螺旋葉片是排肥器的關(guān)鍵部件，一般有實體螺旋面式、帶式、齒式等多種形式，考慮到肥料為吸濕性小、不易結(jié)塊的顆粒，故螺旋葉片選用螺旋推力大、排肥效率高的實體螺旋面式。為確保螺旋裝置具有足夠的強度和剛度，螺旋葉片和軸均采用農(nóng)業(yè)機械中常用的Q235鋼制材料，螺旋葉片厚度T設計為2.0 mm，軸直徑dc設計為18 mm。通過文獻[16-17]及分析發(fā)現(xiàn)，螺旋裝置的輸肥和分肥效果受單旋向(左旋/右旋)螺旋葉片長度Sc1、螺旋外緣直徑Dc1、螺距Sd等因素的影響，以上關(guān)鍵參數(shù)將根據(jù)后續(xù)分析確定。

3.2 運動學分析

肥料從肥箱充入排肥器后，螺旋面與肥料接觸并對肥料產(chǎn)生直接作用，即利用螺旋面的摩擦力來克服肥料自身重力，實現(xiàn)肥料的輸送和投放。因此，肥料在螺旋裝置上的運動規(guī)律對肥料的輸送和投放均有重要影響，需對其運動特性進行分析。

排肥器在輸送肥料的過程中，因肥料顆粒的運動受螺旋葉片轉(zhuǎn)動的影響，顆粒的運動并非是單純的沿軸線做直線運動，而是沿軸線和圓周旋轉(zhuǎn)方向的復合運動，并朝著靠近出肥口處的方向移動。選取右旋螺旋葉片上距軸線r處的肥料顆粒O為研究對象，如圖4a所示。其中，α為肥料顆粒O在螺旋葉片上距軸線r點處的螺旋升角，即過該點的法線與軸線的夾角[10]，存在關(guān)系式

(1)

由于肥料顆粒與螺旋葉片之間存在摩擦，則顆粒受到的螺旋葉片合力Fh方向沿著法線方向偏移一定角度β，該角是由肥料顆粒對螺旋葉片間的摩擦角φ及葉片表面粗糙程度共同決定的[16]。本文不考慮螺旋葉片粗糙程度對β角的影響，則β≈φ。

圖4 肥料顆粒運動分析Fig.4 Kinematic analysis of fertilizer particle

肥料顆粒O受螺旋葉片合力Fh(可分解為顆粒O所受到的螺旋葉片沿切向和法向方向的分力Fq、Ff)作用下，在肥腔內(nèi)做沿著軸線和圓周旋轉(zhuǎn)方向的復合運動(圖4b)，其中軸線和圓周旋轉(zhuǎn)方向的速度分別為va、vb，其合速度為vs。其中，vOB為肥料顆粒O在螺旋葉片上距螺旋軸軸線r點處的圓周線速度，則

(2)

式中nz——螺旋裝置轉(zhuǎn)速

由圖4b并結(jié)合文獻[16]得

vscosβ=vOBsinα

(3)

聯(lián)立式(2)、(3)得

(4)

則軸向和圓周旋轉(zhuǎn)方向速度va、vb為

(5)

設肥料顆粒與螺旋葉片間的摩擦因數(shù)為μ，由分析可知μ=tanβ，聯(lián)立式(4)、(5)得

(6)

由式(6)可知，影響肥料顆粒運動特性的主要因素有螺旋葉片螺距Sd、肥料顆粒與螺旋葉片間的摩擦因數(shù)μ、螺旋裝置轉(zhuǎn)速nz和顆粒肥料在螺旋葉片上距軸線距離r等；其中，r受螺旋外緣直徑Dc和軸直徑dc的限制，即dc/2

肥料顆粒在螺旋裝置攪動輸送作用下運動至輸送器末端，此時肥料從螺旋裝置上脫離，自螺旋裝置末端至排肥口之間有一定距離Sp(Sc=2Sc1+2Sp)，肥料在Sp距離段的運動處于排肥階段。選其中一粒肥料O′為研究對象(圖5)，肥料O′由于自身脫離螺旋裝置瞬間具有一定初速度v0，將沿著肥腔繼續(xù)向前(逐漸靠近排肥口)作減速運動。在接近排肥口處，因肥料顆粒間一直保持動態(tài)接觸的狀態(tài)，螺旋葉片將推力通過相接觸的顆粒傳遞至靠近排肥口處的肥料O′；在肥料的推擠作用下，因肥料顆粒間的流動特性，肥料O′最終從肥腔內(nèi)經(jīng)過排肥口掉落至導肥管內(nèi)。肥料在排肥階段將經(jīng)歷趨近排肥口的減速運動和運動至排肥口處的掉落運動兩個過程。

圖5 排肥階段分析Fig.5 Analysis of fertilizer distributing stage

以肥料O′為研究對象，取x軸與螺旋軸軸線相平行，其方向向右；y軸與出肥口橫截面相垂直，且朝著出肥口向外；z軸豎直向上。對排肥階段的第一運動過程進行分析(圖5a)，為便于觀察和區(qū)分，肥料O′設置為紅色，與其相接觸的其他肥料顆粒顏色設置為黃色且為透明體，則

(7)

式中Fi——其他肥料顆粒對肥料O′的作用力，N

m——肥料O′的質(zhì)量，kg

g——重力加速度

a——肥料O′的加速度，m/s2

其中，a為方向和大小隨時間t變化的變量加速度，由分析知

(8)

聯(lián)立式(7)、(8)得

(9)

由式(9)可知，Sp越大，肥料顆粒受到相互間作用力的時間越長，進而增加排肥過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象的幾率，因此，應盡量減小Sp。盡量減小Sp即是盡量增大螺旋葉片長度Sc1，使得肥料在脫離螺旋裝置時離出肥口盡量近。根據(jù)肥腔結(jié)構(gòu)，最終設定Sc1=120 mm，則Sp=50 mm。

對排肥階段的第二過程進行分析(圖5b)。此時，肥料O′已從排肥口排出，肥料顆粒趨于離散狀態(tài)，假設肥料O′不與其他肥料顆粒相接觸，則其只受重力，做初速度為v1斜向下(v1速度方向與y軸夾角為θ′)的斜拋運動。不考慮空氣阻力對肥料O′的影響，則經(jīng)歷時間t1(肥料O′未與導肥管等接觸)，肥料O′沿y軸正方向和z軸負方向的速度vy1、vz1為

(10)

綜上，肥料顆粒運動特性受螺旋裝置及肥腔的共同影響，通過運動學分析確定單旋向(左旋/右旋)螺旋葉片長度Sc1=120 mm、螺旋外緣直徑Dc1=56 mm，而螺距的選取需開展進一步的研究。

3.3 離散元仿真分析

由上述分析可知，螺旋葉片螺距Sd顯著影響肥料顆粒運動特性。為選取合適的螺距Sd以使肥料顆粒在排肥器內(nèi)具有盡可能大軸向速度的同時圓周旋轉(zhuǎn)速度盡量小，采用離散元仿真分析方法，對排肥器開展排肥仿真試驗。

因肥料顆粒表面及顆粒與排肥器之間無粘附力，選用Hertz-Mindlin無滑動接觸力學模型，相關(guān)離散元仿真參數(shù)如表1所示[18]。

圖6 不同螺距下排肥器排肥情況Fig.6 Fertilizer distributing situation of fertilizer device in different pitches

表1 離散元仿真參數(shù)
Tab.1 Parameters of discrete element simulation

參數(shù)肥料螺旋裝置護肥腔泊松比0.250.280.41剪切模量/Pa1.0×1078.1×10102.18×109密度/(kg·m-3)186171351160 參數(shù)肥料顆粒間肥料-螺旋裝置/肥箱肥料-護肥腔恢復系數(shù)0.30.50.5靜摩擦因數(shù)0.60.40.6滾動摩擦因數(shù)0.300.050.15

簡化排肥器SolidWorks三維模型，僅保留上護腔、下護腔、螺旋裝置和肥箱等，將其另存為.stp格式并分別導入EDEM軟件中，同時根據(jù)表1設定仿真參數(shù)；其中，根據(jù)設計經(jīng)驗及前期分析，螺旋葉片螺距Sd取值范圍為20～50 mm。為進一步探究較合理的螺距Sd，分別取螺距Sd為20、25、30、35、40、45、50 mm以開展排肥器離散元仿真試驗。根據(jù)文獻[21-22]，設置肥料顆粒為平均直徑3.56 mm的球形顆粒，且肥料顆粒由一個單元球顆粒構(gòu)成，單元球半徑限制在0.8～1.2倍的初始半徑之間；為縮短仿真運行時間，將瑞利時步設置為30%，網(wǎng)格尺寸取5倍最小球形顆粒單元尺寸，每0.1 s保存一次數(shù)據(jù)。仿真過程中，在肥箱正上端創(chuàng)建顆粒工廠，生成的肥料顆粒以2 m/s的速度下落并隨機落入肥箱以及與肥箱相聯(lián)通的排肥器肥腔內(nèi)，仿真運行時間設定為10 s；待顆粒生成完畢后，將此時仿真文件導出，并設定初始仿真時間為0 s。以導出的文件為基礎(chǔ)，設置螺旋裝置轉(zhuǎn)速為40 r/min[10]，仿真運行時間為10 s，對不同螺距下的排肥器進行離散元模擬仿真，圖6是各螺距下對應第8秒時的排肥器排肥仿真情況。根據(jù)肥料顆粒在排肥器內(nèi)的運行速度大小，圖中采用紅、綠、藍對不同速度肥料顆粒進行區(qū)分，其中紅色表示速度較大的顆粒，綠色表示中速顆粒，藍色表示靜止或接近靜止的低速顆粒。

排肥器內(nèi)肥料沿軸向和圓周方向的平均速度是體現(xiàn)排肥器排肥性能的重要指標，考慮到單個排肥器內(nèi)肥料朝著兩側(cè)排肥口處做反方向軸向運動，選取第8秒時排肥器肥腔右半部分內(nèi)的肥料顆粒為研究對象，通過EDEM軟件后處理模塊，可得不同螺距下排肥器內(nèi)肥料沿軸向和圓周方向的平均速度，如表2所示。隨著螺距的增加，排肥器內(nèi)肥料沿軸線方向的平均速度逐漸增大，圓周方向的平均速度(螺距為35、45 mm時除外)也呈逐漸增加的趨勢。結(jié)合圖6，螺距Sd為20 mm時，因螺距較小，此時肥料運動至排肥口處的量較少，表明在螺距較小的情況下，排肥器的輸肥能力較弱。當螺距Sd大于或等于35 mm時，排肥器的輸肥能力有顯著的提升，排肥器內(nèi)的肥料沿軸向的平均速度超過12 mm/s，而圓周方向平均速度增長較為緩慢，尤其對于Sd=45 mm，肥料沿圓周方向的平均速度均低于螺距為50、40、35、30 mm的排肥器。綜合以上分析，本文選取螺旋面螺距Sd=45 mm，使排肥器具備較好的輸肥、排肥效果。

表2 第8秒時不同螺距排肥器中肥料顆粒運動速度Tab.2 Fertilizer distributing situation of fertilizer device in different pitches at 8 s

4 施肥開溝器設計

4.1 整體結(jié)構(gòu)

施肥開溝器為施肥裝置的關(guān)鍵部件，用于開置肥溝并將肥料導落至肥溝內(nèi)?；谇捌谘芯?，設計一種通過性好、不易纏草且牽引阻力小的圓盤式施肥開溝器，主要包括固定架、連接架、拉簧、開溝圓盤、施肥管、刮土板(內(nèi)、外側(cè))等(圖7)。

圖7 施肥開溝器Fig.7 Fertilizing opener1.連接架 2.銷軸Ⅰ 3.固定架 4.銷軸Ⅱ 5.圓盤護板 6.U型螺栓 7.施肥管 8.開溝圓盤 9.內(nèi)刮土板 10.圓盤支撐軸 11.外刮土板 12.拉簧 13.拉簧螺栓

固定架通過U型螺栓安裝在施肥裝置的下端；連接架前端與固定架通過銷軸Ⅰ鉸接，其后端下側(cè)通過圓盤支撐軸以一定夾角對稱安裝兩開溝圓盤。因開溝圓盤屬于與土壤直接接觸的工作部件，對其耐磨性和強度均提出較高要求，根據(jù)機械設計手冊[23]確定其材質(zhì)為NM550耐磨鋼。施肥管固定安裝在連接架的后端且處于兩開溝圓盤之間。為避免開溝圓盤在開溝過程中粘土，在開溝圓盤內(nèi)外側(cè)分別安裝刮土板，且內(nèi)刮土板V型凹面與施肥管出肥口呈半包圍狀態(tài)，以確保排出的肥料順利排落至肥溝內(nèi)；刮土板材料選用65 Mn鋼以保證其強度和韌性。為避免開溝圓盤前端上側(cè)有雜物穿入圓盤之間造成圓盤堵塞，在對應部位設置圓盤護板且固定安裝于連接架。為保障開溝圓盤在開溝過程中具備過載保護功能，在固定架和連接架之間裝連有拉簧；其中，拉簧的一端(O4)采用拉簧螺栓固定安裝在固定架上，另一端(O2)則通過銷軸Ⅱ與連接架鉸接，其材質(zhì)選用彈簧常用的65 Mn鋼。當開溝圓盤在工作過程中遭受較大沖擊力時，安裝架帶動開溝圓盤等組件以銷軸Ⅰ為圓心(O1)向上轉(zhuǎn)動(圖7b)，即圓盤繞著點O1以線段O1O3逆時針旋轉(zhuǎn)γ角。

4.2 開溝圓盤設計

兩開溝圓盤以一定夾角δ對稱安裝在圓盤支撐軸上，其刃口相交于一點P，點P即為雙開溝圓盤的聚點；此外，圓盤中心O3與聚點P連線O3P、圓盤中心O3與圓盤底部端點F連線O3F間所構(gòu)成的夾角θ為聚點位置夾角(圖8)[24]，聚點P位置一般用聚點位置夾角θ來表示[25]。作業(yè)過程中，聚點應處于地表以上位置，若聚點位置較低，土壤或秸稈雜草等易涌入兩開溝圓盤與圓盤支撐軸之間的空當部位且不易疏散，造成開溝圓盤堵塞，進而導致圓盤支撐軸的磨損；若聚點位置過高(θ<90°)，在圓盤夾角δ不變的情況下，兩圓盤與溝底的接觸點間距離越大，所開肥溝溝寬則越大，肥溝底部凸起越大，施肥效果變差[26]。因此，聚點位置對施肥裝置的工作性能具有顯著影響，一般情況下，聚點位置夾角θ取值范圍為55°～75°。因考慮開溝圓盤所開肥溝底部位于種溝溝底下方，為保證開溝深度，設定聚點位置夾角θ為60°。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設計手冊，可得雙圓盤開溝裝置所開肥溝寬度b為

(11)

式中Da——圓盤直徑，mm

由式(11)可知，開溝寬度受圓盤直徑、圓盤夾角以及聚點位置的共同影響，隨著圓盤直徑、圓盤夾角以及聚點位置夾角的增大，開溝寬度也逐漸增加，肥溝底部凸起變大。

圖8 雙開溝圓盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure sketch of double ditching-disc

開溝裝置在工作過程中，圓盤開溝部件對土壤的作用較為復雜，從實際情況來看，可將其分為滾切土壤和側(cè)移推土[27]。根據(jù)力學理論，開溝圓盤與土壤之間的力可從3方面分析[28]：圓盤正壓力Fp、圓盤刃口處切削力Fc和圓盤剪切力Fs。由以上分析，土壤對圓盤的應力包括壓應力σ、切應力q和剪應力τ(圖9)。

圖9 開溝圓盤受力示意圖Fig.9 Force diagram of ditching-disc

由此可得，圓盤正壓力Fp、圓盤刃口處切削力Fc和圓盤剪切力Fs存在關(guān)系式

(12)

其中

(13)

式中Sa——開溝圓盤與土壤間接觸面積

la——開溝圓盤與地表接觸點G和溝底接觸點F間刃部弧長

Ra——圓盤半徑

θ1——圓盤中心O3與點G連線O3G和圓盤中心O3與圓盤底部端點F連線O3F間所構(gòu)成的夾角，且θ1<θ

ha——圓盤開溝深度

根據(jù)式(12)、(13)，在ha一定的情況下，圓盤正壓力Fp、圓盤刃口處切削力Fc和圓盤剪切力Fs均隨圓盤直徑Da的增加而增大。此外，在ha和圓盤直徑Da一定的情況下，當圓盤夾角δ不斷增加，開溝圓盤與土壤間的接觸面積將變大，進而導致開溝阻力增大。

綜上，開溝圓盤直徑Da、圓盤夾角θ和聚點位置夾角δ對肥溝的形態(tài)、回土量和土壤擾動情況均有直接影響，參照農(nóng)業(yè)機械設計手冊[25]以及實際生產(chǎn)經(jīng)驗，設定開溝圓盤直徑Da=350 mm，圓盤夾角θ=10°；此時，由式(11)可得雙圓盤開溝裝置所開肥溝寬度b=15.3 mm。

5 試驗

排肥均勻性和作業(yè)性能穩(wěn)定性是施肥裝置兩個主要的性能指標，其中排肥均勻性通過機具靜態(tài)性能試驗來測定[29]，作業(yè)性能穩(wěn)定性則通過田間試驗進行測試[11]。

5.1 機具靜態(tài)性能試驗

選用河南省美島之星作物高端營養(yǎng)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的聚天門冬硼酸復合肥(Mn+Zn質(zhì)量分數(shù)大于等于10%)作為試驗用肥，肥料為顆粒狀，密度為1 002.3 g/L，自然休止角為32°。

試驗時，拖拉機將掛接的馬鈴薯微型種薯播種機抬起一定高度，使地輪輪緣與地面相脫離，整機呈水平狀態(tài)；同時，肥箱內(nèi)倒入適量肥料，轉(zhuǎn)動地輪，使肥料完全充入排肥器內(nèi)。之后，轉(zhuǎn)動地輪21圈，因播種機分4個播種單元，對應安裝4個排肥器(分別標記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，接取每個排肥器所排出的肥料，分別測量其質(zhì)量，重復5次求平均值[30]，測量結(jié)果如表3所示。

排肥器間排肥均勻性可用排肥變異系數(shù)來表示，其計算式為[31]

(14)

表3 排肥量測定結(jié)果Tab.3 Test result of fertilizing amount g

其中

(15)

式中Sb——標準差

n——排肥器個數(shù)，n=4

mi——第i個排肥器在5次排肥試驗中的平均排肥質(zhì)量，g

結(jié)合表3和式(14)、(15)可得，排肥均勻性標準差Sb=79.58 g，變異系數(shù)為2.29%。由此表明，排肥器排肥穩(wěn)定性較好，滿足相關(guān)技術(shù)要求[32]。

5.2 田間試驗

為測試施肥裝置作業(yè)性能穩(wěn)定性，2019年5月在內(nèi)蒙古自治區(qū)牙克石市烏爾其汗煤田鎮(zhèn)育種基地開展田間試驗。試驗地長約1 200 m，寬約1 000 m；土壤類型為黑壤土，含水率約17%，地表溫度為7℃左右；試驗前進行旋耕整地作業(yè)，地表平整疏松，滿足機械化播種施肥要求；裝配有施肥裝置的微型種薯播種機以三點懸掛方式掛接于拖拉機上，選用東方紅LX1304型輪式拖拉機，標定功率為95.6 kW，機具前進速度為5 km/h；種薯品種選用早大白馬鈴薯微型種薯，肥料與前述試驗用肥相同。試驗儀器主要有地表溫度測試儀(量程-50～70℃)、量程0～15 m鋼卷尺、刨土鏟等。田間試驗如圖10所示。

圖10 田間作業(yè)性能試驗Fig.10 Performance experiment in field

試驗指標及方法參照行業(yè)標準[33-34]，主要測試指標為種肥橫向和縱向間距。機具作業(yè)后，隨機選取5個測量段；在每個測量段處用刨土鏟橫向切開土層，測定截面處每個種薯與肥料之間在水平方向和豎直方向的最小距離，每個測量段連續(xù)測定20個點，共計100個點，記錄并計算均值。通過測定得，在水平方向種肥平均橫向間距為51.2 mm，在垂直方向種肥平均縱向間距為63.5 mm。根據(jù)農(nóng)藝要求，肥料與種薯的橫向間距為30～60 mm，縱向間距為50～80 mm，由田間作業(yè)性能試驗結(jié)果可知，該施肥裝置施肥作業(yè)性能滿足農(nóng)藝要求。此外，機具作業(yè)過程中，施肥裝置中開溝圓盤等開溝部件的開溝性能較好且未出現(xiàn)纏草或堵塞現(xiàn)象。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)微型薯種植農(nóng)藝特點，設計了單行薯雙側(cè)位深施肥裝置，并對排肥器、開溝器等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了理論分析和計算。

(2)對排肥器的整體結(jié)構(gòu)進行設計，結(jié)合肥料在排肥器內(nèi)的運動學分析和離散元仿真模擬，確定螺旋裝置的單旋向(左旋/右旋)螺旋葉片長度為120 mm，螺旋外緣直徑為56 mm，螺距為45 mm。

(3)對施肥開溝器整體結(jié)構(gòu)進行設計，對開溝圓盤等關(guān)鍵部件進行了理論分析，確定了開溝圓盤的關(guān)鍵參數(shù)為：直徑為350 mm、聚點位置夾角為60°、圓盤夾角為10°。

(4)開展機具靜態(tài)性能試驗和田間試驗，機具靜態(tài)性能試驗表明，排肥均勻性變異系數(shù)為2.29%，說明排肥器排肥穩(wěn)定性較好；田間試驗結(jié)果表明，肥料與種薯間平均橫向間距為51.2 mm，平均縱向間距為63.5 mm，說明施肥裝置的整體施肥作業(yè)性能滿足要求。