廖慶喜 陳 勇 張青松 王 磊 林建新 杜文斌

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引言

施肥是作物種植過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，是作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要影響因素[1-3]；目前播種作業(yè)中普遍采用條狀施肥方式，該方式化肥施用量較大、肥效利用率較低，且化肥的過(guò)量施用引起土壤板結(jié)與酸化，并導(dǎo)致環(huán)境污染等問(wèn)題[4-6]；肥料穴施技術(shù)針對(duì)單穴作物供應(yīng)單穴肥料，可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定量施肥，起到很好的節(jié)肥增產(chǎn)的效果，是提高肥料利用率、降低化肥施用量的有效方法和手段[7-8]。

施肥裝置是穴施肥技術(shù)推廣應(yīng)用的核心載體，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)穴施肥裝置開(kāi)展了深入研究。胡紅等[9]研制了一種玉米行間定點(diǎn)扎穴深施追肥機(jī)，對(duì)定點(diǎn)扎穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析與研究，實(shí)現(xiàn)了顆粒肥料的扎穴施用；王金武等[10]為實(shí)現(xiàn)液態(tài)肥料的穴式施用，開(kāi)展了非規(guī)則齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要在機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)及工作參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究；劉正道等[11]設(shè)計(jì)了一種用于顆粒狀肥料穴式施用的腔盤(pán)式精量穴施肥裝置，開(kāi)展了不同肥腔形狀對(duì)排肥性能影響的研究；萬(wàn)玲等[12]針對(duì)玉米中期追肥機(jī)械化水平低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種玉米行間滾輪式穴施排肥器；都鑫等[13]研制了一種傾斜梯形孔式穴施肥排肥器，研究了肥料落地后穴排肥量誤差、穴長(zhǎng)、穴距誤差對(duì)穴施肥性能的影響；吳南等[14]通過(guò)搖桿機(jī)構(gòu)控制鴨嘴閥開(kāi)合實(shí)現(xiàn)精量穴施肥，采用正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)得出了播種機(jī)前進(jìn)速度、鴨嘴閥旋轉(zhuǎn)角及安裝高度的最佳參數(shù)組合；李沐桐等[15]為提高肥料利用率，采用機(jī)械式識(shí)別裝置配合曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了中耕作物的精準(zhǔn)穴式施肥。上述裝置主要通過(guò)排肥器與成穴機(jī)構(gòu)的配合實(shí)現(xiàn)穴式施肥，且主要為玉米等寬行株距作物的穴施肥裝置，而目前國(guó)內(nèi)對(duì)油菜穴施肥裝置的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，缺少油菜播種的配套穴施肥裝置。

為提高肥料利用率、降低肥料施用量、實(shí)現(xiàn)油菜根區(qū)施肥，本文設(shè)計(jì)一種油菜機(jī)械式穴施肥裝置，分析確定穴施肥裝置關(guān)鍵部件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用離散元軟件EDEM確定影響穴施肥裝置排肥成穴性的關(guān)鍵參數(shù)，以期提高成穴性能，為油菜穴施肥裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

1 總體工藝方案與整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 油菜側(cè)深穴施肥工藝方案設(shè)計(jì)

長(zhǎng)江中下游地區(qū)現(xiàn)有油菜機(jī)械直播同步施肥方式為淺層混施，肥料分布于淺層土壤和土壤表面，顆?；适┯昧看螅柿侠寐实?，且播種后存在燒種現(xiàn)象[16]。研究表明，對(duì)于油菜肥料集中施用，施肥位置至關(guān)重要，同步側(cè)深施肥在增產(chǎn)的同時(shí)可顯著提高肥料利用率[17]。為提供油菜合理施肥方案，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，本文提出一種油菜側(cè)深穴施肥工藝，將肥料深施在油菜根系側(cè)位且肥料顆粒成穴狀分布，油菜苗根系與成穴肥料顆粒位置分布如圖1所示。肥料顆粒與油菜根系的位置關(guān)系可由肥料顆粒與油菜根系橫向距離a和縱向距離b控制，S為肥溝內(nèi)肥料顆粒施肥穴距，根據(jù)油菜側(cè)深施肥技術(shù)要求，a取140 mm，b取80～100 mm；基于前期人工穴施肥田間試驗(yàn)，分析確定油菜施肥穴距范圍為100～300 mm，且當(dāng)穴距為200 mm時(shí)，油菜產(chǎn)量和肥料利用率較高，故本文選取油菜施肥穴距S為200 mm。

圖1 油菜側(cè)深穴施肥工藝方案示意圖

1.2 整機(jī)總體結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

基于上述工藝方案開(kāi)展油菜機(jī)械式穴施肥裝置的研究，裝配穴施肥裝置的2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機(jī)由主機(jī)架、排種系統(tǒng)、風(fēng)泵總成、開(kāi)畦溝犁、旋耕部件、穴施肥裝置等組成，可一次完成旋耕、開(kāi)溝、播種、穴施肥、覆土等功能。穴施肥裝置通過(guò)U型卡箍固定在主機(jī)架后梁上。穴施肥裝置主要由種肥開(kāi)溝輥、播種鏟、深施肥鏟、穴施肥排肥器、導(dǎo)肥管、覆土鐵鏈等組成，播種機(jī)及穴施肥裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 播種機(jī)及穴施肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)

穴施肥過(guò)程中，中央齒輪箱采用側(cè)傳動(dòng)的方式，將動(dòng)力傳遞到中間軸，通過(guò)中間軸上的鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)種肥開(kāi)溝輥轉(zhuǎn)動(dòng)，種肥開(kāi)溝輥主動(dòng)擠壓旋耕后地表土壤，形成初始溝形；深施肥鏟配合種肥開(kāi)溝輥形成穩(wěn)定深度的肥溝，排肥器按照一定的時(shí)間間隔成穴的將肥料顆粒排至出肥口，經(jīng)深施肥鏟內(nèi)導(dǎo)肥管快速投入肥溝；覆土鐵鏈將肥溝兩側(cè)土壤聚攏填入肥溝內(nèi)實(shí)現(xiàn)覆土，完成穴排肥過(guò)程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 穴施肥排肥器設(shè)計(jì)與分析

2.1.1結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

穴施肥排肥器結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要包括肥箱、毛刷、殼體、卸肥板、攪肥機(jī)構(gòu)、護(hù)肥帶、排肥機(jī)構(gòu)、出肥口和導(dǎo)肥管等部件。排肥機(jī)構(gòu)主要由排肥輪、肥量調(diào)節(jié)輪等組成。

圖3 排肥器結(jié)構(gòu)示意圖

排肥器工作時(shí)，排肥軸帶動(dòng)排肥輪和肥量調(diào)節(jié)輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)排肥軸通過(guò)攪肥驅(qū)動(dòng)鏈輪將動(dòng)力傳遞到攪肥機(jī)構(gòu)上，攪肥機(jī)構(gòu)擾動(dòng)顆?；试鰪?qiáng)充肥能力和防止化肥粘結(jié)、結(jié)拱[18]，排肥輪在充肥區(qū)填充一定量的肥料后經(jīng)清肥區(qū)毛刷清肥后進(jìn)入到護(hù)肥區(qū)，在排肥器殼體、護(hù)肥帶和充肥孔的保護(hù)下由護(hù)肥區(qū)進(jìn)入排肥區(qū)，顆粒肥料在重力和離心力作用下快速脫離排肥輪，成團(tuán)的肥料顆粒通過(guò)出肥口進(jìn)入導(dǎo)肥管，經(jīng)導(dǎo)肥管落入肥溝，完成定量成穴排肥過(guò)程。通過(guò)肥量調(diào)節(jié)輪上的螺旋機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)排肥輪和肥量調(diào)節(jié)輪型孔相對(duì)重合長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)施肥量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

2.1.2排肥輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

油菜播種以穴施肥方式施肥，直播機(jī)田間作業(yè)時(shí)的施肥穴距為

(1)

式中vm——機(jī)具作業(yè)速度，m/s

n——排肥輪轉(zhuǎn)速，r/min

Z——排肥輪型孔個(gè)數(shù)

由式(1)可知，肥料顆粒在田間的穴距分布與機(jī)具作業(yè)速度、排肥輪轉(zhuǎn)速及型孔個(gè)數(shù)有關(guān)，當(dāng)穴距和作業(yè)速度一定時(shí)，型孔個(gè)數(shù)Z與轉(zhuǎn)速n成反比。同時(shí)，型孔個(gè)數(shù)也受排肥輪直徑影響，排肥輪直徑過(guò)小，肥箱與深施肥鏟干涉；直徑過(guò)大，排肥器尺寸較大，深施肥鏟伸出的左、右翼板過(guò)長(zhǎng)，易夯實(shí)溝壁，不利于后續(xù)的覆土作業(yè)。綜合考慮排肥器整體結(jié)構(gòu)尺寸和成穴要求，設(shè)計(jì)排肥輪直徑D為80 mm。

型孔的形狀和尺寸對(duì)型孔容積以及充肥、排肥環(huán)節(jié)均有顯著影響。為便于顆粒肥料易充入、連續(xù)成穴排出的要求，采用傾斜式型孔，型孔的關(guān)鍵參數(shù)主要包括型孔底槽寬度l1、型孔上沿寬度l2、型孔深度h、型孔左側(cè)壁傾角θ和型孔右側(cè)壁傾角φ，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 型孔結(jié)構(gòu)示意圖

田間作業(yè)時(shí)，油菜每穴施肥量為

(2)

式中m——每穴施肥量，g

M——施肥量，kg/hm2J——施肥行數(shù)

B——播種機(jī)作業(yè)幅寬，m

我國(guó)油菜肥料施用以緩釋復(fù)合肥為主，施肥量一般為525～675 kg/hm2[19]，穴式施肥方式可提高化肥利用率，減少施肥量，故設(shè)定排肥量范圍時(shí)適當(dāng)降低排肥量下限，施肥量范圍為450～750 kg/hm2。為滿(mǎn)足不同穴距下的施肥要求，施肥穴距范圍在100～300 mm時(shí)，根據(jù)式(2)可得每穴施肥量為1.8～9.0 g。為滿(mǎn)足每穴排肥量要求，并提高充肥穩(wěn)定性，確定型孔底槽寬度l1和型孔深度h分別為12.0、13.0 mm。

為便于顆?；食淙牒团懦鲂涂?，型孔左側(cè)壁傾角θ和右側(cè)壁傾角φ應(yīng)滿(mǎn)足

(3)

式中γ——顆粒肥料休止角，(°)

R1——排肥輪半徑，mm

單個(gè)型孔體積計(jì)算式為

(4)

其中

式中V0——充肥型孔體積，mm3

S0——充肥型孔截面積，mm2

le——充肥型孔有效長(zhǎng)度，mm

ρd——顆粒肥料容重，kg/m3

綜合式(3)、(4)和顆粒肥料休止角，確定型孔左側(cè)壁傾角θ和右側(cè)壁傾角φ分別為12.53°和35°，計(jì)算可得型孔截面積S0為229.00 mm2。根據(jù)式(4)可知，每穴排肥量為1.8～9.0 g時(shí)，對(duì)應(yīng)單個(gè)型孔體積V0為1.92～9.58 cm3，則排肥輪型孔在長(zhǎng)度方向上le變化范圍為9.00～45.02 mm，確定排肥輪型孔總長(zhǎng)度為50 mm。

根據(jù)型孔幾何尺寸可得

(5)

排肥輪徑向型孔個(gè)數(shù)Z與型孔上沿寬度l2有關(guān)，增加型孔數(shù)量可降低排肥輪線(xiàn)速度，為保證型孔在充肥室內(nèi)取肥時(shí)間充足，應(yīng)增加型孔個(gè)數(shù)，根據(jù)型孔個(gè)數(shù)與型孔上沿寬度之間的關(guān)系及成穴要求，型孔數(shù)量應(yīng)滿(mǎn)足

(6)

排肥輪線(xiàn)速度vq由機(jī)具作業(yè)速度vm、施肥穴距S和型孔個(gè)數(shù)Z決定，即

(7)

由式(7)可知，型孔個(gè)數(shù)越少，排肥輪線(xiàn)速度越高，型孔與肥料顆粒接觸時(shí)間縮短，充肥性能降低[20]。綜合式(6)、(7)和滿(mǎn)足型孔結(jié)構(gòu)尺寸要求，確定排肥輪徑向型孔個(gè)數(shù)Z為4。排肥輪和肥量調(diào)節(jié)輪均采用3D打印加工，材料為ABS工程塑料。

2.1.3充肥環(huán)節(jié)力學(xué)分析

肥料顆粒在充肥室受到攪肥機(jī)構(gòu)和排肥輪型孔的擾動(dòng)，在重力、肥料群壓力和摩擦力等作用下，肥料充入型孔。將型孔內(nèi)的肥料顆粒視為一個(gè)整體，肥料群在充肥室的受力分析如圖5所示。

圖5 充肥環(huán)節(jié)受力分析

根據(jù)充肥室肥料顆粒受力情況和達(dá)朗貝爾原理，受力平衡方程為

(8)

式中me——充肥型孔有效長(zhǎng)度內(nèi)肥料顆粒質(zhì)量，kg

G——充肥型孔有效長(zhǎng)度內(nèi)肥料顆粒重力，N

FN——型孔下壁面對(duì)肥料的支持力，N

Fc——顆粒肥料離心力，N

FN1——型孔左壁面對(duì)肥料的支持力，N

FN2——型孔右壁面對(duì)肥料的支持力，N

Ff——肥料群與充肥室肥料間摩擦力，N

Fh——上層顆粒肥料水平壓力，N

Fv——上層顆粒肥料垂直壓力，N

δ——x軸與水平面夾角，(°)

μ1——顆粒肥料間摩擦因數(shù)，取0.55

g——重力加速度，m/s2

排肥器的充肥室可簡(jiǎn)化為深倉(cāng)模型，基于深倉(cāng)壓力分布理論分析可得顆粒肥料在肥料充填室的壓力比[21]為

(9)

其中

式中λ——壓力比

K——側(cè)壓系數(shù)，取0.44

σh——顆粒肥料深度Lh的垂直應(yīng)力，Pa

de——肥箱的等效直徑，m

Lh——顆粒肥料深度，m

f——靜態(tài)滑動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.5

聯(lián)立式(8)、(9)，可得

(10)

其中

q1=9 074.47le-G2-0.19meπ2n2R1

q2=FN+FN1sinθ+FN2sinφ-34.57le-G

由式(10)可知，顆粒肥料充肥角δ與型孔左側(cè)壁傾角θ、型孔右側(cè)壁傾角φ、排肥輪轉(zhuǎn)速n等參數(shù)相關(guān)。當(dāng)型孔左側(cè)壁傾角θ和右側(cè)壁傾角φ一定時(shí)，充肥角δ隨排肥輪轉(zhuǎn)速n增加而增大；當(dāng)排肥輪轉(zhuǎn)速n一定時(shí)，充肥角δ隨型孔左側(cè)壁傾角θ增大而增大，故增加型孔左側(cè)壁傾角θ會(huì)使肥料顆粒充填時(shí)間變短，降低型孔內(nèi)顆粒肥料的填充率。

2.1.4排肥環(huán)節(jié)力學(xué)分析

排肥時(shí)，型孔中的肥料顆粒受離心力和重力作用沿排肥輪周向和徑向依次排出型孔，將型孔中的肥料顆粒視為整體，肥料群在投肥過(guò)程的受力分析如圖6所示。

圖6 排肥環(huán)節(jié)受力分析

根據(jù)型孔內(nèi)肥料顆粒的受力情況，肥料群處于臨界投肥狀態(tài)時(shí)，受力平衡方程為

(11)

式中ε——x軸與水平面夾角，(°)

由式(11)得

(12)

式(12)表明，顆粒肥料投肥角ε與型孔右側(cè)壁傾角φ、排肥輪轉(zhuǎn)速n等參數(shù)相關(guān)。投肥位置一定時(shí)，排肥輪轉(zhuǎn)速n隨型孔右側(cè)壁傾角φ增加而降低；當(dāng)排肥輪轉(zhuǎn)速n一定時(shí)，投肥角ε隨型孔右側(cè)壁傾角φ增加而增大，表明適當(dāng)增大型孔右側(cè)壁傾角φ可增加投肥時(shí)間；同一型孔中肥料顆粒排出的時(shí)間間隔直接影響肥料落地后的穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，即型孔右側(cè)壁傾角φ應(yīng)在合理范圍內(nèi)增大，綜合考慮投肥時(shí)間和肥料休止角，取型孔右側(cè)壁傾角φ為35°。

2.2 種肥開(kāi)溝輥設(shè)計(jì)與分析

為降低深施肥鏟開(kāi)溝阻力，防止秸稈纏繞和深施肥鏟開(kāi)溝過(guò)程中土壤黏附堵塞排肥口，播種作業(yè)中采用種肥開(kāi)溝輥圓盤(pán)輥壓土壤，同時(shí)種肥開(kāi)溝輥以速度vm做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω2做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與土壤進(jìn)行相互作用，土壤被擠壓成一定寬度和深度的種溝及肥溝，同時(shí)種肥開(kāi)溝輥平整滾筒對(duì)旋耕后地表進(jìn)行整平，保證廂面的平整度，其開(kāi)溝原理如圖7所示。

圖7 開(kāi)溝原理圖

主動(dòng)式種肥開(kāi)溝輥主要包括種肥開(kāi)溝輥轉(zhuǎn)軸、平整滾筒、肥溝圓盤(pán)和種溝圓盤(pán)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。根據(jù)整機(jī)作業(yè)幅寬及油菜側(cè)深穴施肥工藝方案，結(jié)合種肥開(kāi)溝輥結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性確定種肥開(kāi)溝輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)。以現(xiàn)有播種機(jī)工作幅寬2 000 mm為基準(zhǔn)，種肥開(kāi)溝輥參數(shù)方程為

圖8 種肥開(kāi)溝輥結(jié)構(gòu)示意圖

(13)

式中L1——平整滾筒長(zhǎng)度，mm

L2——相鄰種肥圓盤(pán)間距，mm

L3——相鄰肥溝圓盤(pán)間距，mm

L4——相鄰種肥圓盤(pán)間滾筒長(zhǎng)度，mm

R——肥溝圓盤(pán)半徑，mm

r——種溝圓盤(pán)半徑，mm

ds——平整滾筒直徑，mm

S1——肥溝圓盤(pán)厚度，mm

S2——種溝圓盤(pán)厚度，mm

h1——種溝圓盤(pán)入土深度，mm

h0——肥溝圓盤(pán)入土深度，mm

根據(jù)油菜種植中施肥農(nóng)藝要求，油菜播種行距為260～280 mm[22]，播種深度為0～20 mm[23-24]，油菜穴施肥采用側(cè)位深施的方式，確定相鄰肥溝圓盤(pán)間距L3為280 mm，種溝圓盤(pán)入土深度h1為20 mm。為保證種溝圓盤(pán)擠壓出明顯的種溝溝形，種溝圓盤(pán)厚度S2取15 mm。油菜施肥深度為80～100 mm，為滿(mǎn)足油菜最大施肥深度要求，取施肥深度100 mm，則肥溝圓盤(pán)入土深度h0為100 mm。主動(dòng)式種肥開(kāi)溝輥的傳動(dòng)方式為鏈傳動(dòng)，為避免種肥開(kāi)溝輥轉(zhuǎn)軸上的驅(qū)動(dòng)鏈輪與地面間干涉，并防止平整滾筒直徑過(guò)大壓實(shí)地表土壤，綜合考慮取平整滾筒直徑ds為160 mm；將肥溝圓盤(pán)入土深度h0、相鄰肥溝圓盤(pán)間距L3、平整滾筒直徑ds等參數(shù)代入式(13)，求出相鄰種肥圓盤(pán)間距L2、肥溝圓盤(pán)半徑R和種溝圓盤(pán)半徑r分別為140、200、120 mm。

2.3 深施肥鏟設(shè)計(jì)與分析

深施肥鏟與種肥開(kāi)溝輥相互配合形成穩(wěn)定深度的肥溝，深施肥鏟主要由鏟柄、鏟體、進(jìn)肥管、翼板和覆土鐵鏈等組成，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。深施肥鏟前壁面厚度S3與種肥開(kāi)溝輥肥溝圓盤(pán)厚度S1相等，為保證種肥開(kāi)溝輥肥溝圓盤(pán)擠壓出明顯的肥溝溝形，取肥溝圓盤(pán)厚度S1為20 mm；為防止土壤堵塞排肥口，深施肥鏟伸出的左、右翼板夾角為α，夾角α由進(jìn)肥管內(nèi)徑df確定，當(dāng)進(jìn)肥管內(nèi)徑df為32 mm時(shí)，兩側(cè)翼板夾角α為5.2°。根據(jù)穴施肥排肥器的結(jié)構(gòu)尺寸，確定進(jìn)肥管中心至深施肥鏟后壁面的距離Lb為85 mm；將肥溝圓盤(pán)厚度S1和種溝圓盤(pán)厚度S2代入式(13)，求出平整滾筒長(zhǎng)度L1和相鄰種肥圓盤(pán)間滾筒長(zhǎng)度L4分別為1 660 mm和122.5 mm。

圖9 深施肥鏟結(jié)構(gòu)示意圖

深施肥鏟與種肥開(kāi)溝輥肥溝圓盤(pán)表面形成包絡(luò)面，深施肥鏟結(jié)構(gòu)曲線(xiàn)如圖10所示。其沿機(jī)組前進(jìn)方向觸土部分主要為AB段和AF段，支撐部分為鏟體BC、CD段和鏟柄DE段。工作時(shí)，深施肥鏟與種肥開(kāi)溝輥隨機(jī)組前進(jìn)，種肥開(kāi)溝輥圓盤(pán)通過(guò)擠壓土壤形成規(guī)則的溝形輪廓，ABC段包絡(luò)圓弧與種肥開(kāi)溝輥肥溝圓盤(pán)回轉(zhuǎn)中心同心，ABC圓弧段根據(jù)施肥鏟與種肥開(kāi)溝輥肥溝圓盤(pán)的間隙確定。間隙太小導(dǎo)致土壤堵塞，增大開(kāi)溝阻力；間隙過(guò)大則導(dǎo)致穴施肥裝置重心后移。

圖10 深施肥鏟結(jié)構(gòu)曲線(xiàn)

深施肥鏟各參數(shù)之間的幾何關(guān)系為

(14)

式中R2——包絡(luò)圓弧ABC段半徑，mm

rs——種肥開(kāi)溝輥平整滾筒半徑，mm

W——種肥開(kāi)溝輥回轉(zhuǎn)中心至方管水平距離，mm

H1——種肥開(kāi)溝輥回轉(zhuǎn)中心至深施肥鏟下壁面垂直高度，mm

H2——種肥開(kāi)溝輥回轉(zhuǎn)中心至方管頂端高度，mm

δ1——深施肥鏟與種肥開(kāi)溝輥間隙，mm

δ2——支架方管寬度，mm

δ3——支架方管高度，mm

θ1——深施肥鏟圓弧ABC段圓心角，(°)

θ2——點(diǎn)E和點(diǎn)C到種肥開(kāi)溝輥回轉(zhuǎn)中心的夾角，(°)

為滿(mǎn)足油菜施肥深度要求，令H1=R=200 mm，根據(jù)整機(jī)相對(duì)位置關(guān)系得知W=170 mm，H2=323 mm，δ2=40 mm，δ3=60 mm，代入式(14)得R2=210 mm，δ1=10 mm，θ1=55.15°，θ2=51.39°。

2.4 穴施肥裝置參數(shù)匹配

為滿(mǎn)足油菜施肥深度的要求，應(yīng)合理匹配油菜機(jī)械式穴施肥裝置的關(guān)鍵參數(shù)，排肥器、種肥開(kāi)溝輥、深施肥鏟及地面的相對(duì)位置如圖11所示。

圖11 排肥器、種肥開(kāi)溝輥、深施肥鏟和地面相對(duì)位置示意圖

為減少種肥開(kāi)溝輥平整滾筒對(duì)旋耕后地表的壓實(shí)對(duì)作物生長(zhǎng)的不利影響，平整滾筒應(yīng)與地面有一定的間隙，結(jié)合圖11可得

dg=R-rs-hf

(15)

式中dg——種肥開(kāi)溝輥平整滾筒表面至地面垂直高度，mm

hf——肥溝深度，取100 mm

根據(jù)前述種肥開(kāi)溝輥結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算可得dg為20 mm。播種機(jī)選用IT245型旋耕刀片，旋耕深度為100～150 mm，根據(jù)種肥開(kāi)溝輥肥溝圓盤(pán)的結(jié)構(gòu)尺寸，并滿(mǎn)足施肥深度要求，取旋耕刀軸中心至種肥開(kāi)溝輥中心垂直距離dh為30 mm。為防止種肥開(kāi)溝輥與擋土板和播種機(jī)后犁產(chǎn)生干涉，結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)取旋耕刀軸中心至種肥開(kāi)溝輥中心水平距離Lt為615 mm。

深施肥鏟在工作時(shí)將部分土壤抬起并向兩側(cè)拋出，假設(shè)土體上抬過(guò)程體積守恒，排肥器離地高度hg應(yīng)滿(mǎn)足

(16)

式中hw——深施肥鏟兩側(cè)翼板寬度，取45 mm

θr——土壤自然休止角，取34°

穴施肥排肥器排肥口通過(guò)連接頭與導(dǎo)肥管相連，為預(yù)留連接頭充足的安裝空間，結(jié)合式(16)確定排肥器離地高度hg為100 mm。

3 成穴性能仿真分析

為研究穴施肥排肥器的成穴性能，本文采用EDEM開(kāi)展成穴性能仿真試驗(yàn)，分析排肥輪轉(zhuǎn)速、充肥型孔長(zhǎng)度及導(dǎo)肥管材料對(duì)穴施肥排肥器成穴性能的影響。

3.1 仿真模型

采用Creo 6.0按照1∶1的比例繪制穴施肥排肥器結(jié)構(gòu)模型，并將其導(dǎo)入EDEM 2020進(jìn)行仿真。由于肥料屬于類(lèi)球型顆粒，且球形度在90%以上，因此仿真模型可用球體代替肥料顆粒，肥料顆粒模型設(shè)置為等效直徑3.56 mm，模型直徑正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)置為0.05 mm，顆粒間及顆粒與幾何體的接觸模型選擇Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型，仿真模型如圖12所示，仿真參數(shù)見(jiàn)表2、3[25-29]。

圖12 仿真模型

表2 仿真參數(shù)

表3 接觸參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方法

排肥輪線(xiàn)速度與充肥性能有關(guān)，排肥輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了排肥輪線(xiàn)速度，為確定適宜的排肥輪轉(zhuǎn)速區(qū)間，充肥型孔長(zhǎng)度為25 mm、導(dǎo)肥管為ABS塑料管條件下，開(kāi)展排肥輪轉(zhuǎn)速為30～120 r/min，每間隔10 r/min為一個(gè)水平的轉(zhuǎn)速對(duì)肥料成穴性能影響的單因素試驗(yàn)。

作業(yè)參數(shù)主要為排肥輪轉(zhuǎn)速，充肥型孔長(zhǎng)度決定排肥裝置的單穴排肥量，導(dǎo)肥管作為穴施肥排肥器排肥口和深施肥鏟進(jìn)肥管的連接部件，肥料顆粒與不同類(lèi)型導(dǎo)肥管間的碰撞影響成穴性。為研究不同作業(yè)參數(shù)、充肥型孔長(zhǎng)度及導(dǎo)肥管類(lèi)型對(duì)穴施肥排肥器成穴性能的影響，開(kāi)展排肥輪轉(zhuǎn)速、充肥型孔長(zhǎng)度和導(dǎo)肥管材料的三因素正交試驗(yàn)，試驗(yàn)均以穴排肥量誤差和穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為試驗(yàn)指標(biāo)。

在EDEM后處理界面通過(guò)Selection Group功能在平行于傳送帶平面且位于傳送帶底部中間位置添加Geometry Bin，其寬度與傳送帶一致，高度設(shè)置為20 mm，長(zhǎng)度為傳送帶速度與數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔(0.01 s)的乘積，計(jì)算每穴肥料通過(guò)Geometry Bin所用時(shí)間；在出肥口創(chuàng)建質(zhì)量流量傳感器，記錄排肥輪轉(zhuǎn)動(dòng)階段傳感器區(qū)域內(nèi)的顆粒質(zhì)量總和。每次采集20穴肥料顆粒數(shù)據(jù)，計(jì)算不同處理下穴排肥量誤差和穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，各測(cè)試指標(biāo)計(jì)算公式為

(17)

(18)

式中qe——穴排肥量誤差，%

k——肥料穴數(shù)，個(gè)

mimax——第i穴肥料經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量傳感器過(guò)程中傳感器區(qū)域內(nèi)最大質(zhì)量，g

ms——每穴標(biāo)準(zhǔn)排肥量，g

La——穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，mm

vs——傳送帶速度，m/s

ti——第i穴肥料質(zhì)量經(jīng)過(guò)Geometry Bin過(guò)程中由0增加到最大再減小為0所用時(shí)間，s

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1排肥輪轉(zhuǎn)速對(duì)成穴性能的影響

不同排肥輪轉(zhuǎn)速對(duì)肥料顆粒穴排肥量誤差和穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的影響如圖13所示，可知穴排肥量誤差及穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度隨排肥輪轉(zhuǎn)速增加均呈先減小后增大的趨勢(shì)，表明排肥輪轉(zhuǎn)速過(guò)高不利于肥料顆粒充入型孔及肥料顆粒的集中分布，結(jié)合圖13，確定排肥輪轉(zhuǎn)速范圍為30～90 r/min。

圖13 不同排肥輪轉(zhuǎn)速時(shí)成穴性能變化曲線(xiàn)

3.3.2各因素對(duì)成穴性能的影響

在施肥量為450～750 kg/hm2、施肥穴距為100～300 mm的條件下，每穴施肥量為1.8～9.0 g，當(dāng)油菜施肥穴距為200 mm時(shí)，根據(jù)式(2)可得每穴排肥量為3.6～6.0 g，對(duì)應(yīng)充肥型孔長(zhǎng)度為18～30 mm。試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表4。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表5。表中A、B、C為因素水平值。

表4 試驗(yàn)因素水平

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

以穴排肥量誤差、穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，方差分析如表6所示，極差分析如表7所示。

表6 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

表7 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

各因素對(duì)穴排肥量誤差的影響：排肥輪轉(zhuǎn)速對(duì)穴排肥量誤差影響顯著(P<0.05)，充肥型孔長(zhǎng)度和導(dǎo)肥管材料對(duì)穴排肥量誤差影響不顯著，主次因素為：排肥輪轉(zhuǎn)速、導(dǎo)肥管材料、充肥型孔長(zhǎng)度。各因素對(duì)穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的影響：排肥輪轉(zhuǎn)速、充肥型孔長(zhǎng)度、導(dǎo)肥管材料均對(duì)穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度影響顯著(P<0.05)，主次因素為：充肥型孔長(zhǎng)度、排肥輪轉(zhuǎn)速、導(dǎo)肥管材料。

結(jié)合極差分析和方差分析，對(duì)于穴排肥量誤差和穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度最優(yōu)方案分別為A2B3C1和A2B1C1。由于充肥型孔長(zhǎng)度對(duì)穴排肥量誤差影響不顯著，對(duì)穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度影響顯著，確定成穴性能較優(yōu)的參數(shù)組合為A2B1C1，即排肥輪轉(zhuǎn)速為60 r/min，充肥型孔長(zhǎng)度18 mm，導(dǎo)肥管為ABS塑料管，對(duì)應(yīng)的穴排肥量誤差和穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度分別為7.05%和62.45 mm。優(yōu)選參數(shù)組合下進(jìn)行EDEM仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，得出穴排肥量誤差為6.98%，穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為62.59 mm。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的合理性，開(kāi)展不同排肥輪轉(zhuǎn)速下的穴施肥排肥器成穴性能臺(tái)架試驗(yàn)。采用ABS材料3D打印排肥輪、肥量調(diào)節(jié)輪，通過(guò)調(diào)節(jié)肥料調(diào)節(jié)輪使排肥輪充肥型孔長(zhǎng)度為18 mm，對(duì)應(yīng)每穴排肥量為3.6 g，導(dǎo)肥管材料為ABS塑料管。試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院室內(nèi)土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖14所示。

圖14 臺(tái)架試驗(yàn)裝置

選取深圳市芭田生態(tài)工程有限公司生產(chǎn)的芭田新時(shí)代復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O為17∶17∶17)為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)得肥料的平均三軸尺寸為3.86 mm×3.59 mm×3.26 mm、等效直徑為3.56 mm、球形度為92.49%、休止角為32.40°、堆積密度為873 kg/m3、含水率為2.17%。設(shè)置穴施肥排肥器排肥輪轉(zhuǎn)速為30～90 r/min，每間隔30 r/min為一個(gè)水平，對(duì)應(yīng)傳送帶速度為0.4～1.2 m/s，傳送帶涂抹1 mm厚的油脂以防肥料顆粒彈跳。其它試驗(yàn)設(shè)備有：游標(biāo)卡尺、直尺和BSM-520.3型電子秤(量程為520 g，精度為0.001 g)。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)與測(cè)定方法

試驗(yàn)以穴排肥量誤差、穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)和穴距誤差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)定方法如圖15所示。

圖15 肥料顆粒分布圖

以每穴肥料堆積最密集區(qū)域?yàn)橹行狞c(diǎn)，統(tǒng)計(jì)中心點(diǎn)四周沾油的肥料顆粒數(shù)，并隨機(jī)從肥袋中選取相同粒數(shù)以替代沾油的肥料顆粒進(jìn)行稱(chēng)量，并用于計(jì)算穴排肥量誤差。量取中心點(diǎn)周?chē)柿项w粒分布的長(zhǎng)度為穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度Li，則穴排肥量誤差和平均穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度計(jì)算式為

(19)

(20)

式中ma——每穴實(shí)際排肥量，g

穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)計(jì)算式為

(21)

以相鄰兩穴肥料堆積中心點(diǎn)間的距離為穴距Si，則穴距誤差計(jì)算式為

(22)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于傳送帶長(zhǎng)度有限，每次對(duì)傳送帶上12穴肥料顆粒的成穴情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)重復(fù)3次，分別計(jì)算穴排肥量誤差、穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)及穴距誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表8所示。

表8 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

表8表明，充肥型孔長(zhǎng)度為18 mm，導(dǎo)肥管為ABS塑料管時(shí)，排肥輪轉(zhuǎn)速為30～90 r/min時(shí)，穴排肥量誤差為4.56%～15.69%，穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為76.32～91.50 mm，穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)為4.53%～9.78%，穴距誤差為3.24%～7.31%。穴排肥量誤差和穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)較小，穴距誤差不大于7.31%。

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證油菜機(jī)械式穴施肥裝置整體作業(yè)性能及穴施肥效果，于2021年11月在湖北省荊州市監(jiān)利縣容城鎮(zhèn)開(kāi)展田間試驗(yàn)，如圖16所示。試驗(yàn)選用芭田復(fù)合肥，施肥深度100 mm，施肥穴距200 mm，導(dǎo)肥管為ABS塑料管，每穴理論排肥量為3.6 g，設(shè)置排肥器排肥輪轉(zhuǎn)速為30～90 r/min，每個(gè)水平間隔為30 r/min。為便于田間測(cè)量相關(guān)成穴性能指標(biāo)，拆除深施肥鏟后覆土鐵鏈，即施肥后不進(jìn)行覆土環(huán)節(jié)。

圖16 田間試驗(yàn)

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

穴施肥裝置開(kāi)溝深度的穩(wěn)定性直接影響施肥深度的穩(wěn)定性，通過(guò)測(cè)定施肥深度穩(wěn)定性變異系數(shù)來(lái)表征穴施肥裝置開(kāi)溝性能；參照NY/T 987—2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》和NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的相關(guān)試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行本次田間試驗(yàn)，選取穴施肥作業(yè)段10 m有效長(zhǎng)度測(cè)量穴排肥量誤差、穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)、穴距誤差及施肥深度穩(wěn)定性變異系數(shù)。施肥深度穩(wěn)定性變異系數(shù)計(jì)算公式為

(23)

其中

(24)

式中Hi——第i穴肥料顆粒施肥深度，mm

Ha——平均施肥深度，mm

田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表9所示。

表9 田間試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知，穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度隨排肥輪轉(zhuǎn)速增大先減小后增大，穴排肥量誤差、穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)、穴距誤差和施肥深度穩(wěn)定性變異系數(shù)隨排肥輪轉(zhuǎn)速增加而增大，成穴性能指標(biāo)變化趨勢(shì)與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相同，驗(yàn)證了臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的合理性；排肥輪轉(zhuǎn)速為30～90 r/min時(shí)，穴排肥量誤差為4.73%～16.07%，穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為85.21～101.65 mm，穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)為4.82%～10.63%，穴距誤差為3.36%～7.58%，施肥深度穩(wěn)定性變異系數(shù)為6.43%～10.85%，滿(mǎn)足油菜播種穴施肥要求。

6 結(jié)論

(1)提出了一種油菜側(cè)深穴施肥工藝方案，研制了一種機(jī)械式穴施肥裝置，進(jìn)行了排肥器、種肥開(kāi)溝輥及深施肥鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并分析了種肥開(kāi)溝輥與深施肥鏟參數(shù)之間的幾何關(guān)系；確定了穴施肥排肥器型孔和排肥輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出排肥輪直徑為80 mm，型孔個(gè)數(shù)為4，單個(gè)型孔體積調(diào)節(jié)范圍為1 920～9 580 mm3。

(2)開(kāi)展了排肥輪轉(zhuǎn)速對(duì)成穴性能影響的單因素仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，排肥輪轉(zhuǎn)速對(duì)穴排肥量誤差影響明顯，排肥輪適宜轉(zhuǎn)速為30～90 r/min時(shí)，型孔的充肥性能較好。采用三因素三水平仿真試驗(yàn)分析確定了成穴性能較優(yōu)的參數(shù)組合：排肥輪轉(zhuǎn)速為60 r/min，充肥型孔長(zhǎng)度18 mm，導(dǎo)肥管材料為ABS塑料管，對(duì)應(yīng)的穴排肥量誤差和穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度分別為7.05%和62.45 mm。

(3)優(yōu)選參數(shù)組合下的排肥性能臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，排肥輪轉(zhuǎn)速為30～90 r/min時(shí)，穴排肥量誤差為4.56%～15.69%，穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為76.32～91.50 mm，穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)為4.53%～9.78%，穴距誤差為3.24%～7.31%。田間試驗(yàn)表明，排肥輪轉(zhuǎn)速為30～90 r/min時(shí)，穴排肥量誤差為4.73%～16.07%，穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為85.21～101.65 mm，穴徑長(zhǎng)軸長(zhǎng)度穩(wěn)定性變異系數(shù)為4.82%～10.63%，穴距誤差為3.36%～7.58%，施肥深度穩(wěn)定性變異系數(shù)為6.43%～10.85%，成穴性能較好，滿(mǎn)足穴施肥要求。