葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置設(shè)計與試驗

王金峰　高觀?！⊥踅鹞洹￠Z東偉

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

0　引言

水田側(cè)深施肥是采用施肥機械將化肥施入泥面以下5 cm、水稻苗側(cè)3～5 cm的位置，可以提高水稻產(chǎn)量和肥效利用率，減輕環(huán)境污染，是目前水田最主要的施肥方式[1]。當(dāng)今水稻機械化生產(chǎn)采用兩大栽培體系，一是以歐美為代表的水稻直播機械化栽培體系，二是以日本為代表的水稻移栽機械化栽培體系[2-3]。歐美國家水稻的種植方式為直播，普遍采用撒肥機進行施肥作業(yè)，或噴藥和施肥同步作業(yè)。日本水稻種植方式為移栽，普遍采用插秧和深施肥同步作業(yè)，機械插秧和深施肥已實現(xiàn)了系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，如久保田SPU-65型側(cè)深施肥裝置、洋馬2FC-6型側(cè)深施肥裝置、井關(guān)PZ60型插秧機配裝側(cè)深施肥裝置和東洋PD60型側(cè)深施肥裝置。以上品牌的側(cè)深施肥裝置采用機械結(jié)構(gòu)排肥和風(fēng)機吹送方式施肥，施肥量調(diào)節(jié)范圍為60～930 kg/hm2。久保田、井關(guān)和東洋公司生產(chǎn)的側(cè)深施肥裝置采用外槽輪式排肥器，也是目前側(cè)深施肥的主要排肥形式。洋馬公司生產(chǎn)的側(cè)深施肥裝置采用更換不同孔徑的排肥盤和齒輪，并調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn)速實現(xiàn)肥料的調(diào)節(jié)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝精度高，配件易磨損，且配件成本高。上述4種品牌的側(cè)深施肥裝置只能在同品牌的插秧機上配套使用，適應(yīng)性差，無法對現(xiàn)有的插秧機進行改造[4-8]。中國對水田深施技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，先后研制了20多種不同方案的水田深施機械，目前，主要采用螺旋輸送器作為施肥部件強制施肥，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施肥量調(diào)節(jié)能力差，故沒能大面積推廣和使用[2,9-12]。

針對上述問題，本文設(shè)計一種水田側(cè)深施肥裝置，通過改變?nèi)~片組合體構(gòu)成的中心通孔大小，實現(xiàn)排肥和施肥量調(diào)節(jié)。通過在插秧機上增加連接部件，將側(cè)深施肥裝置安裝在分插機構(gòu)前方的浮板位置，或獨立裝配在插秧機分插機構(gòu)的后方，與不同品牌和型號的插秧機配套使用，實現(xiàn)插秧時同步進行側(cè)深施肥作業(yè)。

1　施肥農(nóng)藝要求

水田側(cè)深施肥裝置可與插秧機配套，插秧同時進行側(cè)深施肥作業(yè)，為了適應(yīng)不同水稻品種、不同株距和不同作業(yè)時期施肥量需求，要求水田側(cè)深施肥裝置排肥量的調(diào)節(jié)范圍為60～930 kg/hm2，作業(yè)速度為0.8～1.2 m/s[2,13]。

2　水田側(cè)深施肥裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置是一種用于水稻苗側(cè)深施肥作業(yè)的裝置，主要由肥箱、螺旋鋼絲、施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)、防堵排肥機構(gòu)和施肥靴等組成，其中施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)為主要工作部件，施肥裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　側(cè)深施肥裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagrams of side deep fertilizing device1.步進電動機　2.插孔式鎖緊鋼絲　3.防堵裝置直流電動機　4.肥箱　5、7.螺旋鋼絲　6、8.聯(lián)軸器　9.肥箱直流電動機　10.毛刷鎖緊帽　11.毛刷　12.施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)　13.上施肥管14.毛刷連接桿　15.防堵排肥機構(gòu)　16.下施肥管　17.施肥靴鎖緊螺栓　18.刮肥桿　19.施肥靴　20.銷軸孔　21.施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)上殼體　22.下葉片滑動限位柱　23.下葉片銷軸　24.下葉片　25.上葉片滑動限位柱　26.上葉片銷軸　27.上葉片　28.主動齒輪　29.齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)　30.導(dǎo)向滑槽　31.施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)下殼體　32.防堵排肥機構(gòu)上殼體　33.驅(qū)動齒輪　34.齒輪環(huán)　35.防堵排肥機構(gòu)下殼體

施肥裝置由上至下依次安裝肥箱、施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)、上施肥管、防堵排肥機構(gòu)、下施肥管和施肥靴，采用插孔式鎖緊鋼絲或施肥靴鎖緊螺栓連接。在肥箱內(nèi)安裝螺旋鋼絲，通過聯(lián)軸器固定連接。肥箱直流電動機通過聯(lián)軸器與螺旋鋼絲連接并驅(qū)動螺旋鋼絲轉(zhuǎn)動，如圖1a所示。

施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1b所示。在施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)上殼體與下殼體內(nèi)部可轉(zhuǎn)動裝配相互嚙合的主動齒輪和齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)，施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)上殼體上端外部設(shè)置步進電動機，主動齒輪固定安裝在步進電動機軸上，齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)上沿圓周方向均勻分布弧形的導(dǎo)向滑槽。在施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)上殼體與下殼體內(nèi)部，位于齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)上側(cè)從上至下依次裝配上葉片和下葉片，并沿圓周方向呈間隔交叉錯位配置，在上葉片的上下端面上分別安裝銷軸和滑動限位柱，銷軸可轉(zhuǎn)動的插裝在施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)上殼體的銷軸孔內(nèi)，滑動限位柱沿圓周方向間隔插配在相鄰的弧形導(dǎo)向滑槽內(nèi)。

防堵排肥機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1c所示。在防堵排肥機構(gòu)上殼體與下殼體內(nèi)部可轉(zhuǎn)動裝配相互嚙合的驅(qū)動齒輪和齒輪環(huán)，防堵排肥機構(gòu)上殼體上端外部安裝防堵裝置直流電動機帶動驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動。齒輪環(huán)上端與帶有毛刷的毛刷桿連接，下端與刮肥桿連接。刮肥桿圓柱面與施肥靴輸肥孔內(nèi)壁接觸。

作業(yè)時，肥箱直流電動機驅(qū)動螺旋鋼絲轉(zhuǎn)動，將化肥從肥箱內(nèi)部兩端向中央輸送。防堵排肥直流電動機驅(qū)動齒輪環(huán)轉(zhuǎn)動，并帶動毛刷和刮肥桿同步轉(zhuǎn)動，毛刷在轉(zhuǎn)動時促進肥料顆粒下落，同時使化肥無法粘附在施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)葉片表面和施肥靴內(nèi)壁。當(dāng)需要改變施肥量時，通過控制步進電動機進行正向或反向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動齒輪環(huán)轉(zhuǎn)動，在上、下葉片銷軸與施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)上殼體銷軸孔的配合控制下，滑動限位柱與齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)上的弧形導(dǎo)向滑槽滑動限位配合下，使上、下葉片分別繞銷軸孔做向圓心內(nèi)側(cè)方向或向圓心外側(cè)方向的擺動，改變其上、下葉片構(gòu)成的中心通孔大小，實現(xiàn)和完成施肥量調(diào)節(jié)[14-18]。

3　施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

當(dāng)前水田側(cè)深施肥裝置主要采用外槽輪式排肥器，但外槽輪式排肥器工作時存在脈動現(xiàn)象，施肥質(zhì)量無法達到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，因此需設(shè)計一種新型施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)。應(yīng)用“水田側(cè)深施肥肥量調(diào)節(jié)裝置計算機優(yōu)化軟件V1.0”得出施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)主要參數(shù)：齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)分度圓半徑為40 mm、齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)圓環(huán)寬度為20 mm、葉片數(shù)量為8、銷軸孔軸心點與施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)上殼體圓心的距離為35 mm、銷軸孔軸心點與滑動限位柱軸心點的距離為15 mm、齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)的角速度為68 r/s、葉片繞銷軸孔軸心點轉(zhuǎn)動的角速度為35 r/s[19-21]。

步進電動機進行正向或反向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)轉(zhuǎn)動，使上、下葉片繞著銷軸孔轉(zhuǎn)動。為保證施肥量調(diào)節(jié)的順暢，上、下葉片在安裝時采用間隙配合，因此，在工作時每個葉片僅受到肥料顆粒的壓力FN和葉片之間的摩擦力Ff，如圖2所示。

圖2　葉片xOy平面受力圖Fig.2　Force diagram of blade in xOy plane

肥料顆粒的壓力和葉片之間的摩擦力之間滿足

Ff=μFN

(1)

式中μ——摩擦因數(shù)

假設(shè)肥箱滿載時肥料的重力全部作用在葉片上，每個葉片平均分擔(dān)肥料壓力，且壓力的作用點均在葉片的頂點位置，當(dāng)μ=1時，齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)的最大驅(qū)動力矩

Md=8Ffh=8FNh=Gh

(2)

式中h——葉片銷軸軸心與葉片尖點的距離，mm

G——肥箱滿載時肥料重力，N

主動齒輪和齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)相互嚙合，在輸出功率相同條件下，主動齒輪的驅(qū)動力矩

(3)

式中Zz——主動齒輪齒數(shù)

Zd——齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)齒數(shù)

肥箱滿載時肥料的質(zhì)量為15 kg，肥料的重力為147 N，葉片銷軸軸心與葉片尖點的距離為37 mm，主動齒輪齒數(shù)Zz為10，齒輪轉(zhuǎn)動環(huán)齒數(shù)Zd為80，代入式(2)、(3)可得，Mz為680 N·mm。為保證施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)工作順暢，步進電動機的輸出扭矩大于Mz即可。

4　施肥過程仿真分析

排肥時，螺旋鋼絲和毛刷受到肥料顆粒摩擦力的作用，肥料處于流動狀態(tài)，傳統(tǒng)的力學(xué)方法無法研究肥料顆粒之間、肥料顆粒與施肥裝置之間相互作用和顆粒群體的復(fù)雜流動現(xiàn)象。為確定肥箱直流電動機的扭矩和防堵裝置直流電動機的扭矩，本文采用離散元仿真軟件EDEM分析肥料運動規(guī)律，確定電動機的輸出扭矩，為裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化和試驗研究提供參考依據(jù)[22-26]。

4.1　模型建立

(1)幾何模型建立

為便于仿真模擬及計算，將與肥料顆粒運動過程中無接觸部件去除，將Creo軟件設(shè)計的側(cè)深施肥裝置以.igs格式導(dǎo)入EDEM軟件中。虛擬試驗時，根據(jù)文獻設(shè)置EDEM軟件的輸入?yún)?shù)，螺旋鋼絲采用鋼材，彈性模量2.06×1011Pa，剪切模量7.8×1010Pa，泊松比0.3，密度7.9×103kg/m3；肥箱、施肥管、毛刷鎖緊帽、毛刷、毛刷桿、齒輪環(huán)、刮肥桿和施肥靴采用有機玻璃，彈性模量2.4×109Pa，剪切模量8.6×108Pa，泊松比0.39，密度1.18×103kg/m3；施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)和防堵排肥機構(gòu)的殼體采用鋁合金，彈性模量4.83×1010Pa，剪切模量1.7×1010Pa，泊松比0.42，密度2.7×103kg/m3。

(2)肥料顆粒模型建立

虛擬試驗肥料顆粒選用尿素為研究對象，設(shè)置肥料顆粒直徑為3 mm，并服從正態(tài)分布。根據(jù)文獻[27]設(shè)置EDEM軟件的輸入?yún)?shù)，尿素剪切模量2.8×107Pa，彈性模量8.5×107Pa，泊松比0.51。尿素顆粒與有機玻璃的靜摩擦因數(shù)0.43，與鋼的靜摩擦因數(shù)為0.5，與鋁合金的靜摩擦因數(shù)為0.51，尿素顆粒之間的靜摩擦因數(shù)為0.64。

(3)其他參數(shù)設(shè)置

根據(jù)肥箱內(nèi)實際情況，設(shè)置EDEM顆粒工廠以7 500個/s的速率生成初速度為零的顆粒，總量為15 000粒。仿真總時間為10 s，時間步長為3.9×10-6s，生成顆粒總時間為2 s，2～10 s肥料顆粒下落，螺旋鋼絲和毛刷轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速均為15 r/min，水田側(cè)深施肥裝置施肥過程仿真如圖3所示。

圖3　EDEM施肥過程仿真圖Fig.3　Simulation diagram of fertilizing process by EDEM software

4.2　仿真分析

4.2.1螺旋鋼絲受力分析

由于螺旋鋼絲的轉(zhuǎn)速為15 r/min，在忽略離心力和軸承摩擦力的條件下，螺旋鋼絲在轉(zhuǎn)動過程中僅受到肥料顆粒的載荷。如圖4a所示，用不同顏色表示螺旋鋼絲受力大小，紅色表示力較大，藍色表示力較小。如圖4b所示，將螺絲鋼絲受力云圖提取，圓圈處表示螺旋鋼絲與肥料顆粒接觸部位受力較大。

圖4　螺旋鋼絲受力圖Fig.4　Force diagrams of spiral steel wire

將螺旋鋼絲受力數(shù)據(jù)導(dǎo)出，間隔時間為0.1 s，在10 s的仿真時間內(nèi)，螺旋鋼絲受力的最大值Fl為0.289 N。由于肥料顆粒的平均直徑dk為3 mm，則螺旋鋼絲每隔3 mm受到肥料顆粒的作用力。假設(shè)螺旋鋼絲各處受力均勻，且每隔3 mm受力均為0.289 N。

如圖4b所示，螺旋鋼絲的總長度為

L=2πra×4

(4)

式中ra——螺旋鋼絲的回轉(zhuǎn)半徑，mm

螺旋鋼絲受到的扭矩Ml為

(5)

螺旋鋼絲的回轉(zhuǎn)半徑為47 mm，將式(4)代入式(5)，確定螺旋鋼絲受到的扭矩為5 345 N·mm。為保證螺旋鋼絲轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，肥箱直流電動機的輸出扭矩應(yīng)大于Ml。

4.2.2毛刷受力分析

由于毛刷的轉(zhuǎn)速為15 r/min，在忽略離心力和肥料顆粒下落對毛刷桿、齒輪環(huán)和刮肥桿撞擊的條件下，毛刷在轉(zhuǎn)動過程中僅受到肥料顆粒的載荷，如圖5所示。

圖5　毛刷受力圖Fig.5　Force diagram of hairbrush

將毛刷受力數(shù)據(jù)導(dǎo)出，間隔時間為0.1 s，在10 s的仿真時間內(nèi)，毛刷受力的最大值Fm為0.33 N。由于肥料顆粒的平均直徑dk為3 mm，則毛刷每隔3 mm受到肥料顆粒的作用力。假設(shè)毛刷各處受力均勻，且各處受力均為0.33 N，毛刷受到的均布載荷q為

(6)

毛刷受到的扭矩Mm為

(7)

式中Lm——毛刷桿長度，mm

毛刷桿長度為40 mm，將式(6)代入式(7)，確定毛刷受到的扭矩Mm為44 N·mm。

驅(qū)動齒輪和齒輪環(huán)相互嚙合，齒輪環(huán)受到的扭矩即為毛刷受到的扭矩，在輸出功率相同條件下，驅(qū)動齒輪的力矩為

(8)

式中Zq——驅(qū)動齒輪齒數(shù)

Zc——齒輪環(huán)齒數(shù)

驅(qū)動齒輪齒數(shù)Zq為10，齒輪環(huán)齒數(shù)Zc為55，代入式(8)可得，驅(qū)動齒輪的力矩Mq為8 N·mm。為保證防堵排肥機構(gòu)工作順暢，防堵裝置直流電動機的輸出扭矩應(yīng)大于Mq。

5　臺架試驗與分析

為提高水田深施肥的施肥質(zhì)量，對施肥裝置進行試驗研究。以裝配外槽輪式排肥器的側(cè)深施肥裝置為對比對象，進行槽輪式水田側(cè)深施肥裝置和葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置施肥性能對比試驗。

5.1　試驗材料與方法

試驗材料為大顆粒包衣尿素，試驗溫度22℃，環(huán)境相對濕度35%，尿素顆粒不易潮解，尿素顆粒密度1.33×103kg/m3，肥料顆粒直徑約3 mm。試驗前，用孔徑為7 mm的篩子，將結(jié)塊的尿素顆粒篩出后，裝入肥箱內(nèi)進行試驗。

試驗地點為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種性能實驗室，在JPS-12型排種性能檢測試驗臺上分別安裝槽輪式水田側(cè)深施肥裝置和葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置進行對比試驗，如圖6所示。

圖6　水田側(cè)深施肥裝置試驗臺Fig.6　Test beds of side deep fertilizing device1.肥料收集器　2.葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置　3.排種性能檢測試驗臺

根據(jù)NY/T 1003—2006《施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》，施肥穩(wěn)定性是測量時間內(nèi)施肥量的變化程度，施肥均勻性為沿機具前進方向10 cm長度連續(xù)等分不少于30段，分別收集掉在各小段內(nèi)的肥料并稱量。施肥穩(wěn)定性和均勻性由施肥量均值、施肥量標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)衡量。

施肥量均值X為

(9)

式中Xi——測量施肥穩(wěn)定性時表示每次測量單位時間內(nèi)下落肥料顆粒的質(zhì)量，測量施肥均勻性時表示每小段內(nèi)肥料顆粒的質(zhì)量，g

m——測定次數(shù)

施肥量標(biāo)準(zhǔn)差S為

(10)

變異系數(shù)V為

(11)

施肥穩(wěn)定性測量為靜態(tài)測量，不考慮前進速度，槽輪式水田側(cè)深施肥裝置測量不同槽輪轉(zhuǎn)速下的施肥穩(wěn)定性，葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置測量不同開口直徑下的施肥穩(wěn)定性。

施肥均勻性測量為動態(tài)測量，槽輪式水田側(cè)深施肥裝置測量不同槽輪轉(zhuǎn)速和前進速度下施肥均勻性，葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置測量不同開口直徑和前進速度下施肥均勻性。

自制每小段長度為0.1 m，總長度為4 m的肥料收集器，并安放在排種帶上，用于施肥均勻性測量時收集水田側(cè)深施肥裝置下落的肥料。試驗時，通過調(diào)節(jié)JPS-12型排種試驗臺電動機變頻器頻率，控制排種帶(肥料收集器)相對于水田側(cè)深施肥裝置反向運動，模擬水田側(cè)深施肥裝置前進速度。

5.2　試驗結(jié)果與分析

為分析水田側(cè)深施肥裝置的施肥穩(wěn)定性、施肥均勻性和施肥能力，進行單因子試驗。

槽輪式水田側(cè)深施肥裝置選取槽輪轉(zhuǎn)速和前進速度為試驗因子，施肥量均值和變異系數(shù)為性能指標(biāo)。葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置選取開口直徑和前進速度為試驗因子，施肥量均值和變異系數(shù)為性能指標(biāo)。

(1)施肥穩(wěn)定性

施肥穩(wěn)定性測量時，肥箱為滿肥狀態(tài)，且肥量低于肥料箱容積1/4時停止試驗。用電子天平測量10 s內(nèi)下落肥料的質(zhì)量，重復(fù)5次，由式(9)～(11)計算施肥穩(wěn)定性施肥量均值和施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)。

槽輪式水田側(cè)深施肥裝置調(diào)節(jié)槽輪轉(zhuǎn)速，當(dāng)槽輪轉(zhuǎn)速分別為5、10、15、20、25 r/min時，計算施肥穩(wěn)定性施肥量均值和施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)，試驗結(jié)果如表1所示。

表1　槽輪式水田側(cè)深施肥裝置不同槽輪轉(zhuǎn)速下的施肥穩(wěn)定性Tab.1　Fertilizing stability at different rotation speeds of groove wheel for groove wheel type side deep fertilizing device

根據(jù)表1的試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，分析結(jié)果表明，槽輪轉(zhuǎn)速對施肥穩(wěn)定性施肥量均值和施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)模型顯著，應(yīng)用Design-Expert擬合出槽輪轉(zhuǎn)速對施肥穩(wěn)定性施肥量均值和施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)影響的回歸方程分別為

(12)

y2=-0.076x1+2.99

(13)

葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置調(diào)節(jié)開口直徑，當(dāng)開口直徑分別為16、19、22、25、28 mm時，計算施肥穩(wěn)定性施肥量均值和施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)，試驗結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2的試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，分析結(jié)果表明，開口直徑對施肥穩(wěn)定性施肥量均值和施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)模型顯著，應(yīng)用Design-Expert擬合出開口直徑對施肥穩(wěn)定性施肥量均值和施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)影響的回歸方程分別為

(14)

y2=-0.38x3+12.77

(15)

表2　葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置不同開口直徑下的施肥穩(wěn)定性Tab.2　Fertilizing stability at different opening diameters for adjustable blade type side deep fertilizing device

槽輪式水田側(cè)深施肥裝置施肥穩(wěn)定性試驗結(jié)果表明，隨槽輪轉(zhuǎn)速的增加，施肥穩(wěn)定性施肥量均值增加，施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)減小。葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置施肥穩(wěn)定性試驗結(jié)果表明，隨開口直徑的增加，施肥穩(wěn)定性施肥量均值增加，施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)減小。

根據(jù)NY/T 1003—2006要求施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)小于7.8%，由表1和表2可知，槽輪式和葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)達到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)施肥均勻性

槽輪式水田側(cè)深施肥裝置施肥均勻性測量時，分別考察前進速度和槽輪轉(zhuǎn)速對施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)的影響。葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置施肥均勻性測量時，分別考察前進速度和開口直徑對施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)的影響。用電子天平測量肥料收集器每小段盒子內(nèi)肥料的質(zhì)量，測量盒子的數(shù)量不少于30個，由式(9)～(11)計算施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)。

槽輪式水田側(cè)深施肥裝置調(diào)節(jié)槽輪轉(zhuǎn)速為15 r/min，當(dāng)前進速度分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m/s時，計算施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)，試驗結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，分析結(jié)果表明，前進速度對施肥均勻性施肥量均值模型顯著，對施肥均勻性變異系數(shù)模型不顯著，應(yīng)用Design-Expert擬合出前進速度對施肥均勻性施肥量均值影響的回歸方程為

y3=-1.09x2+2.036　(16)

槽輪式水田側(cè)深施肥裝置調(diào)節(jié)前進速度為1.0 m/s，當(dāng)槽輪轉(zhuǎn)速分別為5、10、15、20、25 r/min時，計算施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)，試驗結(jié)果如表4所示。

表4　槽輪式水田側(cè)深施肥裝置不同槽輪轉(zhuǎn)速下的施肥均勻性Tab.4　Uniformity of fertilization at different rotation speeds of groove wheel for groove wheel type side deep fertilizing device

根據(jù)表4的試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，分析結(jié)果表明，槽輪轉(zhuǎn)速對施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)模型顯著，應(yīng)用Design-Expert擬合出槽輪轉(zhuǎn)速對施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)影響的回歸方程分別為

y3=0.053x1+0.096

(17)

(18)

槽輪式水田側(cè)深施肥裝置施肥均勻性試驗結(jié)果表明：隨前進速度的增加，施肥均勻性施肥量均值減小，前進速度不影響施肥均勻性變異系數(shù)；隨槽輪轉(zhuǎn)速的增加，施肥均勻性施肥量均值增加，施肥均勻性變異系數(shù)減小。

根據(jù)NY/T 1003—2006要求施肥均勻性變異系數(shù)小于40%，由表4可知，槽輪式側(cè)深施肥裝置施肥均勻性變異系數(shù)均大于40%，未達到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置調(diào)節(jié)開口直徑為22 mm，當(dāng)前進速度分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m/s時，計算施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)，試驗結(jié)果如表5所示。

表5　葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置不同前進速度下的施肥均勻性Tab.5　Uniformity of fertilization at different forward speed for adjustable blade type side deep fertilizing device

根據(jù)表5的試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，分析結(jié)果表明，前進速度對施肥均勻性施肥量均值模型顯著，對施肥均勻性變異系數(shù)模型不顯著，應(yīng)用Design-Expert擬合出前進速度對施肥均勻性施肥量均值影響的回歸方程為

y3=-1.97x2+3.632

(19)

葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置調(diào)節(jié)前進速度為1 m/s，當(dāng)開口直徑分別為16、19、22、25、28 mm時，計算施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)，試驗結(jié)果如表6所示。

表6　葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置不同開口直徑下的施肥均勻性Tab.6　Uniformity of fertilization at different opening diameters for adjustable blade type side deep fertilizing device

根據(jù)表6的試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，分析結(jié)果表明，開口直徑對施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)模型顯著，應(yīng)用Design-Expert擬合出開口直徑對施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)影響的回歸方程分別為

(20)

y4=-1.935x3+59.706

(21)

葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置施肥均勻性試驗結(jié)果表明：隨前進速度的增加，施肥均勻性施肥量均值減小，前進速度不影響施肥均勻性變異系數(shù)；隨開口直徑的增加，施肥均勻性施肥量均值增加，施肥均勻性變異系數(shù)減小。

當(dāng)開口直徑為16 mm時，施肥均勻性變異系數(shù)達到29.32%。將施肥均勻性變異系數(shù)40%代入式(21)，獲得最小開口直徑為10 mm。由于在葉片組成的開口中間有直徑為3 mm的毛刷連接桿，所以當(dāng)開口直徑為10 mm時，毛刷連接桿和葉片之間的距離僅有3.5 mm。臺架試驗結(jié)果表明，當(dāng)開口直徑小于16 mm時，肥料下落不順暢，甚至出現(xiàn)斷條，其原因為某些肥料顆粒尺寸過大和肥料顆粒間摩擦力的作用，使得肥料顆?？ㄔ诿U和葉片之間，導(dǎo)致其他肥料顆粒無法下落。為保證肥料顆粒下落順暢，開口直徑應(yīng)大于16 mm，則式(21)中x3的定義域為x3>16 mm，式(14)、(15)、(20)中x3的定義域均為x3>16 mm。

由式(14)、(20)可知，葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置施肥穩(wěn)定性和施肥均勻性的施肥量均值隨開口直徑的增加而增加；由式(19)可知，施肥均勻性施肥量均值隨前進速度的增加而減小。當(dāng)開口直徑x3為16 mm，前進速度x2為1.2 m/s，測量施肥均勻性施肥量均值最小值為0.15 g，即長為0.1 m(每小段肥料收集盒的長度)、寬為0.3 m(水稻秧苗行距)矩形內(nèi)的施肥量平均值最小值為0.15 g，平均施肥量為50 kg/hm2；當(dāng)開口直徑x3為最大值28 mm，前進速度x2為0.8 m/s時，測量施肥量均值最大值為5.94 g，平均施肥量為1 980 kg/hm2。試驗結(jié)果表明，施肥裝置的施肥能力滿足60～930 kg/hm2的農(nóng)藝要求。

通過對槽輪式和葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置進行施肥穩(wěn)定性和施肥均勻性的測定結(jié)果可知，槽輪式水田側(cè)深施肥裝置施肥穩(wěn)定性達到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，施肥均勻性指標(biāo)未達到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，而葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置施肥穩(wěn)定性和施肥均勻性指標(biāo)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。研究結(jié)果表明：本文設(shè)計的葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置在施肥質(zhì)量上優(yōu)于槽輪式水田側(cè)深施肥裝置。

6　結(jié)論

(1)設(shè)計了葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置，應(yīng)用水田側(cè)深施肥肥量調(diào)節(jié)裝置計算機優(yōu)化軟件V1.0優(yōu)化求解施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過施肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)受力分析，確定步進電動機的輸出扭矩。

(2)建立了葉片調(diào)節(jié)式側(cè)深施肥裝置仿真模型，應(yīng)用離散元EDEM軟件進行排肥虛擬試驗，分析螺旋鋼絲和毛刷在工作時受到肥料顆粒的作用力，從而確定肥箱直流電動機和防堵裝置直流電動機的輸出扭矩。

(3)通過JPS-12型排種性能檢測試驗臺對槽輪式和葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置進行施肥性能研究，獲得了槽輪式水田側(cè)深施肥裝置的槽輪轉(zhuǎn)速和前進速度對施肥穩(wěn)定性和均勻性影響規(guī)律，葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置的開口直徑和前進速度對施肥穩(wěn)定性和均勻性影響規(guī)律。對比試驗結(jié)果表明：槽輪式水田側(cè)深施肥裝置施肥穩(wěn)定性達到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，施肥均勻性指標(biāo)未達到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，而葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置施肥穩(wěn)定性和施肥均勻性指標(biāo)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置在施肥質(zhì)量上優(yōu)于槽輪式水田側(cè)深施肥裝置，施肥能力滿足農(nóng)藝要求。

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