王金峰 付佐棟 翁武雄 王震濤 王金武 楊東澤

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

化肥是保障農(nóng)作物豐產(chǎn)的重要生產(chǎn)資料，但過度施肥造成土壤酸化板結(jié)、施肥不均勻?qū)е罗r(nóng)作物吸收不充分等問題[1]。相關(guān)研究表明，精準(zhǔn)施用化肥能夠提高肥料利用率、減輕環(huán)境污染。水田側(cè)深施肥技術(shù)可將肥料定位、定量、均勻地施于秧苗側(cè)3.0～5.0 cm，深4.0～5.0 cm處，是最高效和環(huán)保的一種施肥方式[2]，是實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效和提高作業(yè)效率的重要方法，目前已被廣泛應(yīng)用[3-4]。

排肥器是側(cè)深施肥裝置的核心部件，排肥性能直接影響施肥作業(yè)的質(zhì)量。目前，國內(nèi)外研究的排肥器形式主要有外槽輪式、螺旋式、圓盤式等。外槽輪式排肥器是最常見的施肥裝置，已進(jìn)行了大量研究，如祝清震等[5]探究了外槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)直槽輪排肥器排肥均勻度的影響規(guī)律，通過正交試驗(yàn)得出了最佳組合參數(shù)；王金峰等[6]和楊洲等[7]將直槽式排肥輪改進(jìn)為螺旋式排肥輪，分別探究了槽輪轉(zhuǎn)速與螺旋升角等對(duì)排肥均勻性和排肥量的影響；DU等[8]設(shè)計(jì)了一種交錯(cuò)排列式螺旋齒排肥輪，與直槽輪的對(duì)比試驗(yàn)表明交錯(cuò)排列式螺旋齒排肥輪提高了排肥均勻性與穩(wěn)定性；SUGIRBAY等[9]設(shè)計(jì)了一種新型外槽輪結(jié)構(gòu)，改善了外槽輪低轉(zhuǎn)速下排肥均勻性差的現(xiàn)象。螺旋式排肥器是一種利用螺旋體與肥料之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)輸送肥料的裝置，陳雄飛等[10]設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)螺旋排肥裝置，建立了排肥螺旋單圈排肥量數(shù)學(xué)模型，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了排肥裝置肥量施用的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。圓盤式排肥器是一種通過在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的刮板帶動(dòng)肥料運(yùn)動(dòng)排出的強(qiáng)排裝置，目前只有洋馬公司生產(chǎn)的側(cè)深施肥裝置上采用這種排肥器，可通過更換不同孔徑排肥盤與調(diào)節(jié)排肥盤轉(zhuǎn)速控制施肥量，具有良好的均勻性，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，肥量調(diào)節(jié)繁瑣，長時(shí)間作業(yè)時(shí)肥料易在較小的充肥區(qū)粘結(jié)，降低排肥性能[11-12]。現(xiàn)階段水田側(cè)深施肥裝置主要采用外槽輪式，但存在低轉(zhuǎn)速下脈動(dòng)性強(qiáng)和排肥量調(diào)節(jié)范圍小等問題；螺旋式排肥器因工作特性導(dǎo)致對(duì)肥料作用力較大，應(yīng)用于水田存在一定局限性；而圓盤式排肥器具有良好的排肥均勻性，因此，設(shè)計(jì)一種圓盤式排肥器，實(shí)現(xiàn)排肥均勻和肥量調(diào)節(jié)穩(wěn)定，可對(duì)水田側(cè)深施肥裝置性能提升起到重要支撐作用。

為滿足黑龍江寒地稻作區(qū)側(cè)深施肥農(nóng)藝要求，提高水田復(fù)雜環(huán)境下排肥器的均勻性、穩(wěn)定性及肥量調(diào)節(jié)能力，本文以側(cè)深施肥專用肥為研究對(duì)象，在保證足夠充肥空間的前提下設(shè)計(jì)一種充肥流暢、排肥平穩(wěn)的圓錐盤推板式雙行排肥器，闡述排肥器工作原理，對(duì)主要工作部件進(jìn)行理論與仿真分析，通過臺(tái)架試驗(yàn)探究圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、排肥口開度與排肥量和排肥性能之間的關(guān)系，以期為水田側(cè)深施肥裝置研究與技術(shù)推廣提供參考。

1 排肥器結(jié)構(gòu)與工作原理

圓錐盤推板式雙行排肥器主要包括：導(dǎo)肥箱、擾肥桿、上殼體、圓錐轉(zhuǎn)盤、下殼體、擋肥葉片、調(diào)節(jié)板、鎖定螺母、托板、排肥管等結(jié)構(gòu)。按排肥器實(shí)際工作過程可劃分為充肥區(qū)、導(dǎo)肥區(qū)、排肥區(qū)及過渡區(qū)4個(gè)區(qū)域，為提高工作效率，排肥器對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)排肥口，因此每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)分為兩部分。導(dǎo)肥箱設(shè)置在上殼體正上方以保證兩側(cè)肥料同步下落，將轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)為圓錐狀，有利于肥料填充，增強(qiáng)肥料流動(dòng)性，避免肥料成拱，同時(shí)利用擾肥桿對(duì)肥料進(jìn)行擾動(dòng)。排肥器分解圖與4個(gè)功能區(qū)域如圖1所示。

圖1 排肥器結(jié)構(gòu)與工作區(qū)域

圓錐盤推板式雙行排肥器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作，肥料通過導(dǎo)肥箱沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的圓錐轉(zhuǎn)盤下滑至充肥區(qū)推板間隔內(nèi)完成填充，在推板作用下進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)至由上殼體弧形擋板遮擋的護(hù)肥區(qū)，于下殼體兩個(gè)排肥區(qū)被推送到排肥管內(nèi)，最后在外部氣流作用下快速吹出完成作業(yè)。排肥量可通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)板控制擋肥葉片伸出長度進(jìn)而改變排肥口有效作業(yè)面積進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 排肥器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 圓錐轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)

圓錐盤推板式雙行排肥器主要工作部件為圓錐轉(zhuǎn)盤，其設(shè)計(jì)參數(shù)將直接影響排肥性能。圓錐轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 圓錐轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

2.1.1排肥速率

排肥速率是排肥器設(shè)計(jì)的主要參考依據(jù)，其受肥料填充系數(shù)、排肥器結(jié)構(gòu)尺寸、肥料物理特性等因素影響[13]。為滿足作業(yè)效果，需保證理論排肥速率的準(zhǔn)確性。選取中化集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的水稻側(cè)深施肥專用肥作為研究對(duì)象，測(cè)得肥料體積密度為0.86 g/cm3，由于擋板較薄，忽略其所占體積，假設(shè)不考慮排肥時(shí)空氣阻力作用，排肥速率計(jì)算式為

(1)

式中q——排肥器排肥速率，g/min

D——圓錐轉(zhuǎn)盤水平外徑，m

d——圓錐轉(zhuǎn)盤水平內(nèi)徑，m

h——圓錐轉(zhuǎn)盤水平高度，m

n——圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/min

φ——填充系數(shù)

ρ——緩釋肥體積密度，g/m3

排肥器實(shí)際工作時(shí)，根據(jù)水田側(cè)深施肥總施肥量150～930 kg/hm2的農(nóng)藝要求，排肥速率為

(2)

式中qn——農(nóng)藝要求排肥速率，g/min

Q0——農(nóng)藝要求水田側(cè)深施肥量，kg/hm2

L——作業(yè)幅寬，m

v——施肥作業(yè)速度，m/s

Z——排肥器個(gè)數(shù)

農(nóng)藝要求排肥速率與排肥器排肥速率相等，結(jié)合式(1)、(2)可得

(3)

側(cè)深施肥排肥器通常搭載在6行高速插秧機(jī)上進(jìn)行田間作業(yè)，常規(guī)作業(yè)速度為1.0～1.6 m/s，作業(yè)幅寬為1.8 m[14-15]。插秧機(jī)機(jī)型、前進(jìn)速度及肥料物理特性確定后，即L、Z、v、ρ一定，由式(3)可知，排肥量主要與D、d、h、n有關(guān)。其中轉(zhuǎn)速是排肥器性能的重要影響因素，具有一定合理范圍，因此在確定排肥器相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，需同時(shí)兼顧圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。綜合考慮排肥器空間位置尺寸、肥料粒徑與內(nèi)外徑差值從而提高肥量調(diào)節(jié)范圍，確定圓錐轉(zhuǎn)盤水平外徑D為208 mm，水平內(nèi)徑d為158 mm，水平高度h為7.5 mm。

2.1.2圓錐轉(zhuǎn)盤推板設(shè)計(jì)

推板具有擾動(dòng)與推送肥料作用，可減輕肥料在圓錐轉(zhuǎn)盤底部粘結(jié)堵塞現(xiàn)象，是排肥器主要工作部分。當(dāng)每轉(zhuǎn)排肥量和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，推板數(shù)量N不僅影響肥料在相鄰?fù)瓢逯g的填充特性，同時(shí)決定著排肥器工作性能。

為保證排肥連續(xù)穩(wěn)定，應(yīng)使肥料填充流暢且任意時(shí)刻的推板推力能將肥料順利排出。推板數(shù)量少，相鄰?fù)瓢彘g隔空間增大，肥料填充時(shí)相對(duì)移動(dòng)距離增加，有利于肥料填充；同時(shí)排肥階段肥料間流動(dòng)性增強(qiáng)，降低了肥料與排肥器間作用力，減輕肥料破碎現(xiàn)象[16]。但隨著推板數(shù)量的減少，推板間隔兩側(cè)肥料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差別增大，引起排肥穩(wěn)定性、均勻性的變化。由于排肥器設(shè)計(jì)為雙行供肥，因此設(shè)計(jì)推板數(shù)量為偶數(shù)以同步兩個(gè)排肥口的排肥性能。推板任意時(shí)刻對(duì)排肥區(qū)肥料應(yīng)存在肥料流向方向的分力，保證連續(xù)推送作用，即相鄰兩個(gè)推板夾角?≤90°，則推板數(shù)量N應(yīng)滿足

N≥4

(4)

基于物料流動(dòng)特性[17]，推板間隔至少滿足物料顆粒等效直徑的6倍從而達(dá)到流動(dòng)物料運(yùn)動(dòng)條件，即

ld>6df

(5)

式中l(wèi)d——推板間隔內(nèi)側(cè)弧長，mm

df——肥料等效直徑，取3.4 mm

在滿足上述條件下，減少推板數(shù)量能夠提高推板間隔內(nèi)肥料流動(dòng)性以及排肥連續(xù)性，因此初步設(shè)計(jì)圓錐轉(zhuǎn)盤推板數(shù)量為6。

2.1.3圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速

圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速是影響排肥器性能的主要因素之一，施肥量滿足農(nóng)藝要求條件下，合理的轉(zhuǎn)速有利于提高排肥性能。肥料在圓錐轉(zhuǎn)盤上運(yùn)動(dòng)過程中，相鄰肥料之間存在的相互作用力Fq隨時(shí)變化，但肥料顆粒尺寸相對(duì)較小，相鄰肥料之間運(yùn)動(dòng)條件近似相同，對(duì)于單個(gè)顆粒所受相互作用力可近似抵消[18]，因此忽略Fq影響。假設(shè)肥料顆粒獲得與轉(zhuǎn)盤相同的角速度，不考慮空氣阻力影響，肥料在圓錐轉(zhuǎn)盤上任意時(shí)刻受力如圖3所示。

圖3 肥料在圓錐轉(zhuǎn)盤上的受力分析

肥料顆粒隨圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)沿錐面母線下滑，速度方向時(shí)刻改變。根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，肥料顆粒受力方程為

(6)

式中m——肥料顆粒質(zhì)量，g

Fc——肥料顆?？剖狭?，N

FN——圓錐轉(zhuǎn)盤對(duì)肥料顆粒支持力，N

G——肥料顆粒重力，N

Fr——肥料顆粒離心力，N

Ff——肥料顆粒摩擦力，N

Ffx——肥料顆粒x方向摩擦力，N

Ffy——肥料顆粒y方向摩擦力，N

Fax——肥料顆粒x方向慣性力，N

Fay——肥料顆粒y方向慣性力，N

vr——肥料顆粒沿x方向運(yùn)動(dòng)速度，m/s

ax——肥料顆粒x方向加速度，m/s2

ay——肥料顆粒y方向加速度，m/s2

ω——圓錐轉(zhuǎn)盤角速度，rad/s

θ——圓錐轉(zhuǎn)盤傾角，(°)

β——摩擦力與x軸夾角，(°)

R——肥料顆?；剞D(zhuǎn)半徑，m

μ——肥料顆粒與圓錐轉(zhuǎn)盤的摩擦因數(shù)

當(dāng)肥料顆粒在x軸正方向合力大于零時(shí)，具有沿x軸正方向的加速度，可增強(qiáng)肥料填充性能并減少填充時(shí)間[19]，即ax>0，化簡式(6)，可得

(7)

肥料顆粒下滑填充過程中，應(yīng)時(shí)刻與圓錐轉(zhuǎn)盤接觸，避免因轉(zhuǎn)速過快造成肥料飛濺，即FN≥0，化簡式(6)得

(8)

式中H——圓錐轉(zhuǎn)盤高度，m

根據(jù)式(7)可知，滿足ax>0條件的最小轉(zhuǎn)速與肥料顆粒和PLA塑料圓錐轉(zhuǎn)盤之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)μ、圓錐轉(zhuǎn)盤傾角θ、摩擦力與x軸夾角β以及肥料顆粒在圓錐轉(zhuǎn)盤上的回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)。對(duì)于同一種肥料，轉(zhuǎn)速臨界值隨著肥料顆?；剞D(zhuǎn)半徑的增大而減小，其范圍由圓錐轉(zhuǎn)盤傾角決定。由式(8)可知，圓錐轉(zhuǎn)盤最大轉(zhuǎn)速僅與高度H有關(guān)(圓錐轉(zhuǎn)盤半徑確定條件下，與圓錐轉(zhuǎn)盤傾角θ視為同一變量)。相關(guān)研究表明，顆粒下落至錐面發(fā)生的涌動(dòng)現(xiàn)象與下落高度和錐面傾角有關(guān)[20]，下落高度越高即相對(duì)圓錐轉(zhuǎn)盤高度越低，H過低肥料顆粒雖可以順暢下落，但在撞擊錐面動(dòng)能損失后易在底部形成堆積，不利于肥料填充；H過高導(dǎo)致肥料顆粒在圓錐轉(zhuǎn)盤頂部卡滯堵塞，造成肥料破損的同時(shí)增加了肥料下滑時(shí)間。圓錐轉(zhuǎn)盤傾角需大于肥料自然休止角[21]，根據(jù)前期試驗(yàn)所得肥料堆積角為26.45°，綜合空間尺寸將圓錐轉(zhuǎn)盤傾角θ設(shè)計(jì)為28°，此時(shí)圓錐轉(zhuǎn)盤高度H為42 mm。將圓錐轉(zhuǎn)盤高度H代入式(8)中，計(jì)算得ω≤15.3 rad/s，即圓錐轉(zhuǎn)盤理論最大轉(zhuǎn)速n為146 r/min。

為進(jìn)一步研究圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對(duì)排肥性能的影響，同時(shí)確定圓錐轉(zhuǎn)盤最低轉(zhuǎn)速，分別分析處于導(dǎo)肥階段與排肥階段肥料顆粒力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。首先對(duì)導(dǎo)肥區(qū)推板間隔肥料進(jìn)行定性分析，如圖4中區(qū)域b所示，在y軸方向上滿足

圖4 導(dǎo)肥、排肥過程肥料模型

FN2-Fl-Fr=0

(9)

式中Fl——上層肥料顆粒的水平壓力，N

FN2——圓錐轉(zhuǎn)盤外環(huán)對(duì)肥料顆粒支持力，N

肥料在推板間隔內(nèi)符合農(nóng)業(yè)物料學(xué)中淺倉模型條件[22]，即

(10)

式中K——壓力比

Fv——上層肥料顆粒垂直壓力，N

φi——內(nèi)摩擦角，(°)

γ——重度，kN/m3

zh——肥料深度，m

結(jié)合式(9)、(10)可得

(11)

由式(11)可知，圓錐轉(zhuǎn)盤外環(huán)對(duì)肥料顆粒支持力與圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，正常作業(yè)時(shí)應(yīng)降低轉(zhuǎn)速減小支持力，從而減小肥料受力、減輕圓錐轉(zhuǎn)盤外側(cè)肥料堆積現(xiàn)象，保證肥料顆粒在排肥區(qū)流暢下落。

如圖4區(qū)域a所示，根據(jù)排肥連續(xù)性條件對(duì)該區(qū)域肥料進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定圓錐轉(zhuǎn)盤最慢轉(zhuǎn)速。肥料離開排肥區(qū)時(shí)做平拋運(yùn)動(dòng)，在xoz平面內(nèi)位移模型為

(12)

式中l(wèi)x——肥料顆粒橫移距離，m

lz——肥料顆粒下落高度，m

vk——肥料顆粒速度，m/s

t——肥料顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

為保證肥料連續(xù)排出，肥料顆粒下落單位顆粒直徑長度時(shí)，橫移距離應(yīng)大于肥料單位直徑長度與推板厚度(1 mm)之和的距離。將滿足上述條件的各參數(shù)代入式(12)，計(jì)算得ω=1.4 rad/s，即圓錐轉(zhuǎn)盤最小轉(zhuǎn)速n為13 r/min。

由上述分析可知，圓錐轉(zhuǎn)盤極限轉(zhuǎn)速為13～146 r/min，在此范圍內(nèi)降低工作轉(zhuǎn)速有利于肥料流動(dòng)，減輕肥料顆粒因碰撞擠壓而產(chǎn)生的破碎現(xiàn)象。由式(3)可知，排肥器結(jié)構(gòu)尺寸確定后，根據(jù)最大農(nóng)藝施肥量要求及肥料填充系數(shù)，圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速達(dá)到42 r/min時(shí)，即可滿足農(nóng)藝要求的最大施肥量930 kg/hm2。由于施肥量隨轉(zhuǎn)速增加而增加，超過該轉(zhuǎn)速時(shí)，施肥量超過農(nóng)藝要求的最大施肥量，因此，確定圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速范圍為15～45 r/min。

2.2 擋肥葉片設(shè)計(jì)

按設(shè)計(jì)需求，擋肥葉片寬度與下殼體排肥口寬度應(yīng)保持一致，寬度過小時(shí)，肥料顆粒以一定角速度經(jīng)過排肥區(qū)會(huì)出現(xiàn)未及下落便被推送至過渡區(qū)的現(xiàn)象；寬度過大時(shí)，增加肥料顆粒在擋肥葉片上的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，降低排肥穩(wěn)定性，且間接減小了充肥區(qū)有效范圍，影響肥料填充。圖5為肥料在下殼體排肥口處運(yùn)動(dòng)分析簡化圖。

圖5 下殼體排肥口肥料運(yùn)動(dòng)分析

排肥口寬度Sl取值由圓錐轉(zhuǎn)盤最大轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，圓錐轉(zhuǎn)盤以最大轉(zhuǎn)速(45 r/min)工作時(shí)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可得

(13)

式中vmax——理論最大速度，m/s

根據(jù)式(13)可得

(14)

為保證肥料顆粒能夠正常排出，下殼體排肥口寬度Sl應(yīng)大于肥料豎直方向下落圓錐轉(zhuǎn)盤水平高度h與下殼厚度(3.5 mm)之和距離所需時(shí)間內(nèi)，肥料以最大轉(zhuǎn)速排出的水平位移lx，將上述條件值代入式(14)可得lx≈23.2 mm，綜合考慮設(shè)計(jì)余量與下殼體排肥口寬度要求，將Sl(即擋肥葉片寬度)設(shè)計(jì)為25 mm。

2.3 排肥管設(shè)計(jì)

肥料在排肥區(qū)排出后沿排肥管滑落，利用最速降線性質(zhì)設(shè)計(jì)排肥管縱向截面曲線可加速肥料下滑，縮短運(yùn)動(dòng)時(shí)間，最速降線參數(shù)方程為

(15)

式中k——常數(shù)ψ——參變量

其中，k是影響曲線曲率的主要參數(shù)，根據(jù)排肥口與文丘里管入口橫向相對(duì)尺寸，確定最速曲線方程為

(16)

3 離散元模型建立與仿真

為研究圓錐轉(zhuǎn)盤上推板數(shù)量對(duì)圓錐盤推板式雙行排肥器性能的影響規(guī)律，確定最佳推板數(shù)量，在理論分析基礎(chǔ)上利用離散元軟件EDEM 2018對(duì)設(shè)置有不同推板數(shù)量的圓錐轉(zhuǎn)盤進(jìn)行仿真分析。

3.1 排肥器模型建立

使用Creo 5.0軟件建立圓錐盤推板式雙行排肥器三維模型(比例1∶1)，刪除肥箱及與肥料顆粒無接觸部件簡化仿真計(jì)算量，其余模型以.stl格式導(dǎo)入EDEM軟件中，選用merge命令將圓錐轉(zhuǎn)盤與擾肥立柱模型組合，如圖6所示。根據(jù)3D打印PLA材料屬性設(shè)置排肥器模型屬性參數(shù)[12]，泊松比為0.29，剪切模量為2.2×108Pa，密度為1 110 kg/m3。

圖6 排肥器仿真模型

3.2 肥料模型建立與仿真參數(shù)設(shè)置

水稻側(cè)深施肥專用肥料顆粒為類球狀，當(dāng)肥料顆粒球形比大于90%時(shí)，可直接選擇單個(gè)球形模型進(jìn)行模擬[23]，根據(jù)前期試驗(yàn)與文獻(xiàn)[14]，肥料等效直徑滿足正態(tài)分布規(guī)律，肥料基本物理參數(shù)及相互接觸參數(shù)如表1所示。

表1 肥料顆粒模型物理特性及接觸參數(shù)

由于肥料顆粒、PLA塑料表面無黏附作用，接觸模型均選用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型。為減少顆粒生成數(shù)量以節(jié)省仿真時(shí)間，設(shè)置顆粒生成速度為18 000粒/s，總生成量為12 000粒，顆粒起始下落速度為100 mm/s。

3.3 虛擬仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法

基于上述分析，為確定最合適的推板數(shù)量，根據(jù)前期仿真預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，在轉(zhuǎn)速為35 r/min、排肥口開度為25 mm條件下，開展推板數(shù)量對(duì)肥料填充特性定性分析與排肥性能定量分析的單因素影響試驗(yàn)，推板數(shù)量分別設(shè)置為4、6、8、10、12。肥料顆粒填充特性通過其在推板間隔內(nèi)的動(dòng)能衡量，動(dòng)能相差越大，肥料填充越不均勻，導(dǎo)致排肥性能降低。在EDEM模擬試驗(yàn)中，為了準(zhǔn)確表示不同推板數(shù)量對(duì)排肥性能的影響規(guī)律，采用質(zhì)量流量變異系數(shù)評(píng)價(jià)排肥性能[24]。通過添加Geometry Bin Group輸出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量，計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的肥料流量均勻性，變異系數(shù)越大，表明排肥器均勻性越差。

3.4 虛擬仿真過程與結(jié)果分析

在虛擬作業(yè)過程中，設(shè)置固定時(shí)間步長為1.81×10-6s，即Rayleigh時(shí)間步長的20%，總仿真時(shí)長5.5 s，每0.01 s保存一次仿真數(shù)據(jù)，單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為顆粒平均半徑的3倍。

3.4.1不同推板數(shù)量對(duì)肥料填充特性的定性分析

利用EDEM軟件后處理Selection模塊中Imported Geometry Bin Group功能，導(dǎo)入內(nèi)徑為150 mm、外徑為220 mm、厚度為9 mm、圓心角為100°的.stl格式模型文件監(jiān)測(cè)一側(cè)充肥區(qū)肥料的動(dòng)能分布情況，添加Clipping Planes以便直觀顯示仿真結(jié)果。在排肥器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)后，截取不同推板數(shù)量的圓錐轉(zhuǎn)盤任一推板轉(zhuǎn)至距離導(dǎo)肥區(qū)相同位置時(shí)充肥區(qū)的動(dòng)能分布圖，如圖7所示。

圖7 充肥區(qū)肥料動(dòng)能分布

由圖7可知，在圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，推板數(shù)量對(duì)肥料填充特性有明顯影響(圖中藍(lán)色、綠色、紅色代表肥料顆粒動(dòng)能依次增加)。當(dāng)推板數(shù)量為4時(shí)，單個(gè)推板間隔內(nèi)臨近排肥區(qū)一端肥料動(dòng)能小于遠(yuǎn)端動(dòng)能的現(xiàn)象明顯，且區(qū)域I內(nèi)靠近推板處存在肥料填充空隙，影響排肥性能；推板數(shù)量從4增至12過程中，單個(gè)推板間隔內(nèi)肥料顆粒動(dòng)能逐漸趨于一致，表明肥料顆粒狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，分布逐漸均勻；當(dāng)推板數(shù)量大于等于8時(shí)，區(qū)域I內(nèi)肥料填充空隙消失，證明肥料具有較好的填充特性。分析產(chǎn)生上述結(jié)果原因?yàn)椋寒?dāng)推板數(shù)量較少時(shí)，推板間隔變大，肥料雖易填充，但肥料之間所傳遞的推板作用力降低，造成間隔兩端肥料分布不均，與前述理論分析一致。

3.4.2推板數(shù)量對(duì)排肥性能的定量分析

不同推板數(shù)量對(duì)肥料質(zhì)量流量變異系數(shù)影響如圖8所示，兩個(gè)排肥口肥料質(zhì)量流量變異系數(shù)隨推板數(shù)量的增加均呈先減小后增大的變化規(guī)律，表明推板數(shù)量過少或過多均會(huì)降低排肥作業(yè)性能，在推板數(shù)量為8時(shí)同時(shí)取得最小值，且排肥口1與排肥口2變異系數(shù)差值最小，證明當(dāng)推板數(shù)量為8時(shí)排肥器具有最佳工作性能。

圖8 不同推板數(shù)量下排肥性能變化曲線

綜合推板數(shù)量對(duì)肥料填充特性及質(zhì)量流量變異系數(shù)影響規(guī)律，最終確定推板數(shù)量8作為圓錐轉(zhuǎn)盤最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 圓錐盤推板式排肥器臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

基于上述圓錐轉(zhuǎn)盤參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，以中化集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的水稻側(cè)深施肥專用肥為試驗(yàn)材料，于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行排肥器性能試驗(yàn)。排肥器整體結(jié)構(gòu)由3D打印機(jī)加工成型，除施肥系統(tǒng)主要裝置外，試驗(yàn)儀器有電子秤精度0.01 g和肥料收集毛刷，臺(tái)架試驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 施肥系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)裝置

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)與測(cè)定方法

施肥試驗(yàn)時(shí)，采用兩因素試驗(yàn)方法，以圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和排肥口開度為試驗(yàn)因素，因素水平如表2所示。以平均排肥量y1、雙行排肥量一致性變異系數(shù)y2、總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)y3、排肥均勻性變異系數(shù)y4為試驗(yàn)指標(biāo)，分別研究排肥量、排肥穩(wěn)定性、均勻性變異系數(shù)與圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、排肥口開度之間的線性關(guān)系。參照文獻(xiàn)[25]進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)與測(cè)定。排肥均勻性測(cè)定為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，由于膠帶加速到1 m/s需要一定時(shí)間，因此，試驗(yàn)時(shí)待膠帶運(yùn)行穩(wěn)定后將間隔為100 mm、長度為4 000 mm的肥料收集袋放置于傳送帶上，直至其完全通過排肥器下方時(shí)停止膠帶轉(zhuǎn)動(dòng)，收集測(cè)量各間隔內(nèi)肥料質(zhì)量后僅將后30段間隔數(shù)據(jù)用于排肥均勻性變異系數(shù)的計(jì)算；其余性能試驗(yàn)單次測(cè)試時(shí)間為10 s[24]，排出的肥料收集在一個(gè)收集袋中，并在電子秤上稱量。

表2 試驗(yàn)因素與水平

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與收集計(jì)算后所得各指標(biāo)如表3所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

4.3.1排肥量相關(guān)性

對(duì)不同條件下排肥器單側(cè)平均排肥量進(jìn)行線性擬合，建立了排肥量y1與圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速x1、排肥口開度x2的回歸方程。分別計(jì)算不同條件下的決定系數(shù)R2，對(duì)相應(yīng)線性關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如表4、5所示，相應(yīng)散點(diǎn)圖如圖10、11所示。

表4 不同開度排肥量與轉(zhuǎn)速回歸方程及決定系數(shù)

由表4與圖10可知，排肥口處于不同開度排肥量與轉(zhuǎn)速之間均呈良好的線性關(guān)系，排肥量隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，轉(zhuǎn)速與排肥量擬合的線性決定系數(shù)R2隨排肥口開度增加整體呈上升趨勢(shì)，說明排肥量與轉(zhuǎn)速的線性相關(guān)性增強(qiáng)，最小值為0.989 2，最大值為0.999 2。因此，可通過調(diào)節(jié)圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)排肥量。圖10顯示在不同開度下，試驗(yàn)點(diǎn)在低轉(zhuǎn)速時(shí)位于擬合曲線下方，隨著轉(zhuǎn)速的增加沿?cái)M合曲線向上移動(dòng)最后下降，但浮動(dòng)范圍較小。分析原因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增加，推板間隔內(nèi)肥料的填充系數(shù)降低，導(dǎo)致排肥量變化。

圖10 不同開度排肥量與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

由表5與圖11可知，不同圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速下排肥量與排肥口開度均呈良好的線性關(guān)系，排肥量隨開度的增加而增加，排肥口開度與排肥量擬合的線性決定系數(shù)R2隨轉(zhuǎn)速的增加整體呈上升趨勢(shì)，說明排肥量與排肥口開度的線性相關(guān)性增強(qiáng)，最小值為0.976 3，最大值為0.993 6，因此也可通過調(diào)節(jié)排肥口開度調(diào)節(jié)排肥量，但其決定系數(shù)普遍低于排肥量與轉(zhuǎn)速之間的決定系數(shù)，說明通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可更精確調(diào)節(jié)肥量。圖11顯示在不同轉(zhuǎn)速下，試驗(yàn)點(diǎn)均呈現(xiàn)排肥口開度小時(shí)位于擬合曲線下方，隨著開度的增加沿?cái)M合曲線向上移動(dòng)最后下降的趨勢(shì)；在開度為20 mm時(shí)，試驗(yàn)點(diǎn)偏移量最大，結(jié)合上述排肥量與轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果，分別如表4與圖10所示，x2=20 mm時(shí)，決定系數(shù)R2最小，且擬合曲線偏離開度為25 mm一側(cè)，分析原因?yàn)殡S著排肥口開度的增加，擋肥葉片有效工作面積逐漸減小，上方流過的肥料顆粒塌陷現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)[26]，導(dǎo)致肥料排出量多于理論值，直至排肥口處于完全工作狀態(tài)。

表5 不同轉(zhuǎn)速排肥量與開度回歸方程及決定系數(shù)

圖11 不同轉(zhuǎn)速排肥量與開度關(guān)系曲線

綜合排肥量試驗(yàn)結(jié)果，排肥器轉(zhuǎn)速為15～45 r/min，排肥口為5～25 mm調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，排肥量范圍為122～934 kg/hm2，可滿足機(jī)具常規(guī)作業(yè)速度1.0～1.6 m/s時(shí)農(nóng)藝要求150～930 kg/hm2的施肥量。

4.3.2排肥器性能參數(shù)

在Design-Expert 6.0.10軟件中對(duì)排肥器性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多因素分析。

圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和排肥口開度對(duì)雙行排肥量一致性變異系數(shù)y2影響不顯著，結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，y2max為3.88%，y2min為1.01%，最大值滿足文獻(xiàn)[25]中各行排肥量一致性變異系數(shù)小于等于13%的要求。

圖12 雙行排肥量一致性變異系數(shù)變化曲線

由于水田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，排肥器無法始終保證水平作業(yè)狀態(tài)，導(dǎo)致兩個(gè)排肥口排肥量存在差異，因此進(jìn)行排肥器在一定傾角下的雙行排肥量一致性試驗(yàn)。根據(jù)水田攪漿平整地后高度差與東北地區(qū)常用插秧機(jī)輪距計(jì)算排肥器最大傾角為2.39°，結(jié)合上述排肥量模型試驗(yàn)結(jié)果，開展?jié)M足常規(guī)水田施肥量、排肥器傾斜3°條件下的排肥量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可知，排肥器傾斜時(shí)雙行排肥量一致性變異系數(shù)相比水平時(shí)均有增加，轉(zhuǎn)速為25 r/min、開度為15 mm時(shí)雙行一致性變異系數(shù)最大，為6.17%，滿足排肥質(zhì)量要求。

表6 排肥器傾斜狀態(tài)下雙行排肥量一致性變異系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)y3進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與排肥口開度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有顯著影響(P<0.01)，曲線擬合得到轉(zhuǎn)速和排肥口開度對(duì)總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)的回歸方程為

y3=2.970 2+0.009 61x1-0.113 45x2+

(17)

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，基于Design-Expert 6.0.10軟件中Optimization模塊，獲取總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)的最大值，即轉(zhuǎn)速為15 r/min、排肥口開度為25 mm時(shí)，y3max為3.88%，與試驗(yàn)所得3.52%相差較小，滿足文獻(xiàn)[25]中總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)小于等于7.8%的要求。

對(duì)排肥均勻性變異系數(shù)y4進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與排肥口開度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有顯著影響(P<0.01)，回歸方程為

y4=25.773 67-0.513 41x1-0.857 42x2+

(18)

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為15 r/min、排肥口開度為5 mm時(shí)，y4max為15.76%，與試驗(yàn)所得15.79%相差較小，滿足文獻(xiàn)[25]中排肥均勻性變異系數(shù)小于等于40%的要求。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)黑龍江省寒地水田側(cè)深施肥農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種圓錐盤推板式側(cè)深施肥排肥器，對(duì)其工作原理進(jìn)行闡述，建立了圓錐轉(zhuǎn)盤單圈排肥量數(shù)學(xué)模型，分析確定了排肥器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)模型建立得出圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速是影響排肥效果的關(guān)鍵因素，確定轉(zhuǎn)速為15～45 r/min。

(2)通過離散元仿真技術(shù)探究推板數(shù)量對(duì)肥料填充特性與排肥性能的影響規(guī)律，結(jié)合理論分析確定推板數(shù)量為8時(shí)，具有最佳排肥性能。

(3)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，排肥量與圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和排肥口開度均具有良好的線性關(guān)系，與圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速相關(guān)性更強(qiáng)，排肥量范圍在122～934 kg/hm2之間；圓錐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和排肥口開度對(duì)總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)與排肥均勻性變異系數(shù)有顯著影響，對(duì)雙行排肥量一致性變異系數(shù)影響不顯著，變異系數(shù)最大值分別為3.81%、15.79%、3.88%，傾斜狀態(tài)下雙行排肥量一致性變異系數(shù)最大值為6.17%，滿足水田側(cè)深施肥排肥量與排肥性能要求。