雙螺旋式有機肥撒施機拋撒性能影響因素建模與試驗

禹振軍，熊 波，高 嬌，蔣 彬，王 新

(1.北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站，北京 100079；2.中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京 100083)

0 引言

固態(tài)有機肥撒施機是一種以拖拉機為動力，把處理后的有機肥拋撒還田的專用農(nóng)業(yè)機具[1]，應(yīng)用有機肥撒施機可以改善勞動者的工作環(huán)境，減輕有機肥撒施作業(yè)的勞動強度，提高撒施的均勻度及農(nóng)民施用有機肥的積極性，是實現(xiàn)種植業(yè)生產(chǎn)全程機械化的重要環(huán)節(jié)之一[2]。日本、歐美等國對有機肥撒施機的研究開展較早[3]，國外已經(jīng)有了針對不同糞肥的系列化播撒產(chǎn)品，可以對不同形式的有機肥進行撒施[4]；而國內(nèi)此類研究起步較晚[5]，目前主要還是采用傳統(tǒng)式的人力撒施方式進行有機肥的使用，對有機肥撒施機拋撒性能影響因素的研究剛剛開始[6]。

本文以約翰迪爾1204拖拉機作為配套動力的ADS120型雙螺旋式有機肥撒施機為研究對象，首先通過SolidWorks軟件對樣機進行建模，并通過仿真分析獲得影響撒施機拋撒性能的主要因素。之后，采用直觀分析法對撒肥量、撒肥效率、撒肥寬度3種指標通過試驗進行了研究，得出各參數(shù)的最佳組合方案，為有機肥撒施機的研制奠定了基礎(chǔ)。

1 有機肥撒施機基本特征

1.1 基本結(jié)構(gòu)

ADS120型有機肥撒施機由車架、行走系統(tǒng)、肥廂、推送系統(tǒng)、撒肥裝置、滑板、護罩、壓力控制系統(tǒng)等組成，外形尺寸為5 000mm×1 450mm×2 200mm，如圖1所示。

1.推送系統(tǒng) 2.肥廂 3.行走系統(tǒng) 4.滑板 5.護罩 6.保護罩

1.2 工作原理

工作時，利用裝載機械將有機肥裝入肥廂，拖拉機牽引撒肥機到農(nóng)田，利用液壓系統(tǒng)打開護罩、滑板，結(jié)合動力輸出軸使撒肥裝置開始轉(zhuǎn)動，啟動推送系統(tǒng)，使有機肥向撒肥裝置靠近。撒肥裝置在動力輸出軸的帶動下開始旋轉(zhuǎn)，將液壓推送系統(tǒng)推過來的有機肥不斷地拋撒在地面上，直至將肥廂內(nèi)的有機肥全部拋撒完畢；然后切斷動力輸出軸，關(guān)閉護罩，推送系統(tǒng)退回起始位置，降下滑板，至此1個工作過程完畢。

1.3 撒肥量數(shù)學模型

根據(jù)有機肥撒施機工作原理，獲得其撒肥量計算公式為

(1)

式中Q—撒肥量(kg/hm2)；

w—每平方米撒肥質(zhì)量(kg)；

Sj—檢測面積(設(shè)為1m2)。

有機肥撒施機作業(yè)效率為

(2)

式中η—作業(yè)效率；

S—撒肥面積(hm2)；

T—撒肥用時(h)。

2 ADS120型有機肥撒施機仿真建模

ADS120型有機肥撒施機的建模是在SolidWorks2016中完成的，有機肥撒施機由機架、行走系統(tǒng)、肥廂、推送系統(tǒng)、撒肥裝置、滑板及護罩等組成。

2.1 行走系統(tǒng)建模

有機肥撒施機的支撐行走系統(tǒng)由機架和行走輪組成，機架支撐肥廂和撒肥系統(tǒng)等部件可被牽引，行走輪起行走和支撐等作用。機架的建模過程較為簡單，通過草圖拉伸而成主體框架，并適當?shù)刈鲂┣谐屠鞕M梁便可得到機架的零件圖；支撐行走系統(tǒng)的行走輪由旋轉(zhuǎn)操作得到，車輪與車軸、車軸座裝配成行走系統(tǒng)，由此裝配機架和車輪車軸便可得到支撐行走系統(tǒng)的裝配圖如圖2所示。

圖2 行走系統(tǒng)建模Fig.2 The modeling of walking system

2.2 肥廂推送系統(tǒng)建模

肥廂推送系統(tǒng)構(gòu)成比較簡單，由撒肥廂和撒肥廂推送板組成，主要實現(xiàn)有機肥的暫時存儲和往撒肥系統(tǒng)推送有機肥。肥廂推送系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)為肥廂，肥箱的結(jié)構(gòu)和尺寸一般取決于肥料的特性、所需的裝載量及肥料的輸送方式等。肥箱的設(shè)計首先需要保證的是能夠?qū)⒎氏鋬?nèi)的物料簡易地裝滿和排空，防止物料出現(xiàn)空處或被架空；拋撒結(jié)束后，不能使肥箱中有過多的殘余物料。我國車輛國家標準規(guī)定，貨車或半掛牽引車的寬度限值為2.5 m，國內(nèi)常用的5t農(nóng)用拖車的外形尺寸為3.8m×2.0m×0.6m，去除箱板的折彎寬度等，因此本設(shè)計肥箱的容積尺寸為4.5m×1.45m×1.2m。肥廂的建模過程主要是根據(jù)草圖拉伸出主體結(jié)構(gòu)，再拉伸上面的橫梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 肥廂建模過程Fig.3 The modeling process of fertilizer box

撒肥廂推送板和滑板都是可以牽引推動的一塊板子,肥廂排料口尺寸(即滑板開度的大小)對整個撒肥效果有著很重要的意義?；彘_度決定了排料口尺寸大小，尺寸太小將會形成料拱，現(xiàn)根據(jù)設(shè)計需要來確定滑板開度。根據(jù)Jenike理論，整體流肥箱的滑板開度取決于肥料流動函數(shù)和料斗流動因數(shù)的比值，其結(jié)拱的臨界條件為

FF=Ff

其中，F(xiàn)F為流動函數(shù)，F(xiàn)F值越大，肥料流動性越好；Ff為料斗流動因數(shù)，由肥廂形狀，肥廂摩擦因數(shù)等決定。

由此可得到開度的計算公式為

近似計算有

H(θ)=(1+M)+0.05(0.5+M)θ

其中，M在此次設(shè)計中取1；γ為肥料密度。

Jenike認為，物料在料倉中發(fā)生結(jié)拱現(xiàn)象是有物料受到壓縮而引起的，而物料自由表面的抗彎抗剪的大小主要取決于肥箱結(jié)構(gòu)，因此肥廂結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理仍是影響物料流動性的重要因素。根據(jù)設(shè)計計算，撒肥推送系統(tǒng)裝配圖如圖4所示。

2.3 撒肥系統(tǒng)建模

撒肥系統(tǒng)的零部件較多，大致構(gòu)成為螺旋撒料器框架、左右旋葉片、粉碎刀和后蓋及其他一些小的連接件，如圖5所示。拋撒螺旋是有機肥撒施機的關(guān)鍵工作部件，主要功能是旋轉(zhuǎn)作用下將輸送至肥箱后方的表層物料進行打、破碎，同時將物料均勻地拋撒至田間。拋撒螺旋的設(shè)計對肥料的均勻性影響很大，需要根據(jù)一般經(jīng)驗和工作要求合理確定其結(jié)構(gòu)形式。

圖4 肥廂推送系統(tǒng)Fig.4 The push system of fertilizer box

圖5 撒肥系統(tǒng)Fig.5 Fertilization system

中間螺旋撒料器部分主要由軸左右旋轉(zhuǎn)葉片和粉碎刀組成。螺旋葉片旋轉(zhuǎn)1周所能拋撒的物料體積等于螺旋旋轉(zhuǎn)體積乘運動系數(shù)kd，根據(jù)連續(xù)螺旋葉片的運動系數(shù)，取kd=0.3，則螺旋葉片旋轉(zhuǎn)1周所能拋撤的物料質(zhì)量m為

m=ρkdR2H

式中R—葉片半徑(m)；

H—肥箱后部物料堆積高度，H=1.3m；

kd—物料的運動系數(shù)，kd=0.3；

ρ—物料的堆積密度，已知有機肥的堆積密度為ρ=760kg/m3。

豎軸螺旋式有機肥撒施機由于兩側(cè)堅軸螺旋的旋轉(zhuǎn)，其拋撒工作幅寬明顯增大，對有機肥的破碎能力也明顯増強。拋撒螺旋底部圓盤的設(shè)置大大提高了肥料拋撒的均勻性，同時拋撒螺旋的旋轉(zhuǎn)使物料呈上升趨勢。整個螺旋高度都可實現(xiàn)拋撒，防止螺旋底部堆料，該設(shè)置可有效提高工作效率、拋撒均勻性和對有機肥料的適應(yīng)性。本設(shè)計的肥箱寬度為1 300mm，設(shè)置兩根拋撒螺旋，螺旋直徑合適能提高撒肥均勻性。螺旋間距為400mm，螺旋葉片接觸面増多，可提高撒肥均勻性和拋撒的工作效率。因此，設(shè)計螺旋間距為400mm，兩側(cè)螺旋與側(cè)壁的距離為250mm。

機肥撒施機各部分的建模過程大致如上所述，將支撐行走系統(tǒng)、肥廂推送系統(tǒng)及撒肥系統(tǒng)等3部分裝配便可以得到整機裝配圖，如圖6所示。

圖6 有機肥撒施機整機裝配圖Fig.6 Machine assembly drawing of organic fertilizing machine

3 試驗?zāi)康募凹夹g(shù)要求

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

通過對ADS120型有機肥撒施機作業(yè)速度、滑板開度、螺旋轉(zhuǎn)速的組合試驗，對ADS120型有機肥撒施機作業(yè)效率、使用經(jīng)濟性、可靠性及適應(yīng)性等技術(shù)指標進行考核，為下一步制定撒肥工藝提供技術(shù)依據(jù)。

3.2 材料與方法

3.2.1 材料與儀器設(shè)備

試驗選用發(fā)酵無害化處理后的牛糞為試驗有機肥，含水率、容重及土壤硬度如表1所示。試驗設(shè)備采用約翰迪爾1204型拖拉機為配套動力，以ADS120型有機肥撒施機為撒肥機具，組成撒肥機組。

表1 試驗條件Table 1 Test conditions

本試驗所用的電子稱、容重器、干燥箱、鋼卷尺、秒表、轉(zhuǎn)速表都是經(jīng)過中國計量院、北京市計量院檢定合格的儀器,測量范圍在規(guī)定值內(nèi)，分辨力達到試驗要求。

3.2.2 試驗方法

試驗分別以作業(yè)速度、滑板開度及螺旋轉(zhuǎn)速為變量，對撒肥量、作業(yè)效率、撒肥均勻性進行3因素試驗，每組試驗設(shè)置3個水平，每個水平重復(fù)3次并取平均值。

在1號試驗區(qū)將作業(yè)速度調(diào)整為Ⅰ檔，將撒施機滑板開度調(diào)整為0.4m，螺旋轉(zhuǎn)速調(diào)整為550r/min；在2號試驗區(qū)將作業(yè)速度 調(diào)整為Ⅱ檔，將撒施機滑板開度調(diào)整為0.8m，螺旋轉(zhuǎn)速調(diào)整為650r/min；在3號試驗區(qū)將作業(yè)速度調(diào)整為Ⅲ檔，將撒施機滑板開度調(diào)整為1.2m，螺旋轉(zhuǎn)速調(diào)整為750 r/min。

試驗選用經(jīng)無害化處理過的牛糞作為試驗用肥料，撒肥試驗前對試驗用肥料含水率、容重進行檢測；對試驗區(qū)土壤含水率、土壤硬度進行檢測；對試驗當天風向、風速進行檢測；將拖拉機、撒肥機、試驗儀器全部調(diào)整到最佳狀態(tài)。

1)試驗指標及其影響因素的確定。為檢測不同作業(yè)速度、不同滑板開度及不同螺旋轉(zhuǎn)速下撒肥機作業(yè)效率、撒肥量、均勻性，將撒肥機試驗的相關(guān)參數(shù)分別設(shè)置為：作業(yè)速度Ⅰ擋、Ⅱ擋、Ⅲ擋；撒施機滑板開度0.4、0.8、1.2m；螺旋轉(zhuǎn)速550、650、750r/min，進行撒肥機測試。

其中，撒肥量按式(1)計算、作業(yè)效率按式(2)計算、撒肥均勻性參考GB/T 25401-2010農(nóng)業(yè)機械廄肥撒施機環(huán)保要求和試驗方法，GB/T5667-2008農(nóng)業(yè)機械 生產(chǎn)試驗方法；有機肥撒施量按GB/T25246-2010畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范(規(guī)定為每公頃19t，19/15=1.27t/667hm2，大田作物按照相關(guān)要求每667hm2施1.3m3。)進行撒肥試驗，采用電子稱、轉(zhuǎn)速表、秒表檢測，每一水平檢測3次，每行程檢測3次，按式(1)和式(2)計算撒肥量、作業(yè)效率后填入表2試驗設(shè)計與結(jié)果表中。

2) 試驗設(shè)計。針對3因素試驗結(jié)果，通過正交試驗提出最佳組合方案。分析3個設(shè)計參數(shù)對作業(yè)效率、撒肥量、撒肥寬度、均勻性的影響，根據(jù)撒肥裝置轉(zhuǎn)速和肥料特性，在各因素合理變化范圍內(nèi)分別選取3個水平。通過L9(34)正交篩選，正交試驗編碼，如表2所示。

3.3 試驗時間及試驗地點

2017年8月，在北京市房山區(qū)竇店鎮(zhèn)竇店村種植基地進行3因素3水平正交試驗，如圖7所示。

表2 撒肥機試驗編碼表Table 2 Fertilizing machine test code table

圖7 田間試驗Fig.7 The field test

3.4 試驗結(jié)果分析

根據(jù)對有機肥撒施機在不同作業(yè)速度、推板速度及螺旋轉(zhuǎn)速條件下的撒肥量、作業(yè)效率、撒肥均勻性進行三因素正交試驗設(shè)計，如表3所示，試驗結(jié)果如表4所示。

表3 試驗設(shè)計Table 3 Test design

表4 試驗結(jié)果Table 4 Test results

1) 撒肥量試驗分析。從表3與4試驗設(shè)計與結(jié)果表分析可以得出：各因素對撒肥量試驗指標的影響按主次順序為作業(yè)速度、螺旋轉(zhuǎn)速、推板速度；最優(yōu)組合為A1C3B3，即作業(yè)速度第1水平3km/h、螺旋轉(zhuǎn)速第3水平130r/min，推板速度第3水平0.06m/s。綜合分析，作業(yè)速度對試驗中各指標的影響最大。

從撒肥量主效應(yīng)(見圖8)可以看出：作業(yè)速度因素由于水平的變化，上升、下降的幅度差異大，該因素對撒肥量指標影響大，是撒肥量主要影響因素。

圖8 撒肥量主效應(yīng)圖Fig.8 The main effect diagram of fertilizer quantity

2) 撒肥效率試驗分析。從表3與4試驗設(shè)計與結(jié)果表分析可以得出：各因素對撒肥效率試驗指標的影響按主次順序為作業(yè)速度、螺旋轉(zhuǎn)速、推板速度；最優(yōu)組合為A3C3B2，即作業(yè)速度第3水平7km/h，螺旋轉(zhuǎn)速第3水平130 r/min，推板速度第2水平0.04m/s。綜合分析表明，作業(yè)速度對試驗中各指標的影響最大。

同時，從撒肥效率主效應(yīng)(見圖9)可以看出：作業(yè)速度因素由于水平的變化，上升、下降的幅度差異較螺旋轉(zhuǎn)速、推板速度兩因素變化大，該因素對撒肥效率指標影響大，是撒肥效率主要影響因素。

3)撒肥寬度試驗分析。從表3與4試驗設(shè)計與結(jié)果表分析可以得出：各因素對撒肥寬度試驗指標的影響按主次順序為螺旋轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、推板速度；最優(yōu)組合為C3A3B3，即螺旋轉(zhuǎn)速第3水平130 r/min、作業(yè)速度第3水平7km/h，推板速度第3水平0.06m/s。綜合分析表明，螺旋轉(zhuǎn)速對試驗中各指標的影響最大。

圖9 撒肥效率主效應(yīng)圖Fig.9 The main effect diagram of fertilizer efficiency

從撒肥寬度主效應(yīng)圖10可以看出：螺旋轉(zhuǎn)速因素由于水平的變化，上升、下降的幅度差異較作業(yè)速度、推板速度兩因素變化大，該因素對撒肥寬度指標影響大，是撒肥寬度主要影響因素。

圖10 撒肥寬度主效應(yīng)圖Fig.10 The main effect diagram of fertilizer breadth

4 結(jié)論

1)采用直觀分析法對撒肥量、撒肥效率、撒肥寬度3種指標通過試驗進行了分析，結(jié)果表明：影響撒肥量試驗指標的因素由大到小依次為作業(yè)速度、螺旋轉(zhuǎn)速、推板速度；最優(yōu)組合為A1C3B3，即作業(yè)速度第1水平3km/h、螺旋轉(zhuǎn)速第3水平130r/min、推板速度第3水平0.06m/s。影響撒肥效率試驗指標的因素由大到小依次為作業(yè)速度、螺旋轉(zhuǎn)速、推板速度；最優(yōu)組合為A3C3B2，即作業(yè)速度第3水平7km/h、螺旋轉(zhuǎn)速第3水平130r/min、推板速度第2水平0.04m/s。影響撒肥寬度試驗指標的因素由大到小依次為螺旋轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、推板速度；最優(yōu)組合為C3A3B3，即螺旋轉(zhuǎn)速第3水平130r/min、作業(yè)速度第3水平7km/h、推板速度第3水平0.06m/s。

2)根據(jù)方差分析驗證了直觀分析的結(jié)論，分析了各因素的顯著性。通過撒肥量方差分析可知，作業(yè)速度的主效應(yīng)是最顯著的，與撒肥量主效應(yīng)圖8分析的結(jié)果相一致。通過撒肥效率方差分析可知，作業(yè)速度的主效應(yīng)是顯著的，與撒肥效率主效應(yīng)圖9的分析的結(jié)果相一致。通過撒肥寬度方差分析可知，螺旋轉(zhuǎn)速的主效應(yīng)是最顯著的，與撒肥寬度主效應(yīng)圖10的分析的結(jié)果相一致。