立式有機(jī)肥螺旋撒肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

呂金慶，孫玉凱，李季成，李紫輝，劉中原

立式有機(jī)肥螺旋撒肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

呂金慶，孫玉凱，李季成，李紫輝，劉中原

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

針對有機(jī)肥黏度大、流動(dòng)性差、粘結(jié)成塊后拋撒困難的問題，該研究設(shè)計(jì)了一種帶撒肥葉片的立式有機(jī)肥螺旋撒肥裝置。通過建立有機(jī)肥在拋撒過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對撒肥距離、撒肥幅寬進(jìn)行分析，確定影響撒肥效果的主要因素。以撒肥均勻度和撒肥幅寬為試驗(yàn)指標(biāo)，以螺旋軸轉(zhuǎn)速、撒肥圓盤傾斜角度、螺旋葉片螺距為試驗(yàn)因素進(jìn)行旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)。運(yùn)用Design-Expert軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，通過驗(yàn)證試驗(yàn)對優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速為385.0 r/min，撒肥圓盤傾斜角度為16.0°，螺旋葉片螺距為360.0 mm時(shí)，撒肥均勻度橫向變異系數(shù)為14%，撒肥幅寬為8.1 m，滿足有機(jī)肥撒肥機(jī)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及田間作業(yè)要求。該研究可為有機(jī)肥撒肥機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；有機(jī)肥；立式；螺旋；拋撒

0 引 言

目前，中國化肥的總產(chǎn)量和總用量均居世界首位[1-2]。但化肥營養(yǎng)元素單一，肥效迅速且不長久，長期使用還會(huì)造成土壤板結(jié)，土壤肥力下降，影響農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[3-5]。增施有機(jī)肥可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，培肥地力，增加土壤的通透性，形成虛實(shí)相間的土壤顆粒有機(jī)結(jié)構(gòu)[6-7]，保證農(nóng)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。但有機(jī)肥的黏度大，流動(dòng)性差，容易粘結(jié)成塊，成塊的有機(jī)肥在田間難以發(fā)揮作用，且易出現(xiàn)肥料架空現(xiàn)象[8]。

國外發(fā)達(dá)國家對有機(jī)肥撒肥機(jī)的研究較早，自動(dòng)化程度較高[9-11]。具有代表性的研究成果有法國CUHN公司的ProPush2044型背推式撒肥機(jī)，該機(jī)的槳葉與旋轉(zhuǎn)軸之間有一定夾角，可以獲得較大撒肥幅寬，但其拋撒均勻性較差[12]；法國庫恩公司的Protwin8150型側(cè)錘片式撒肥機(jī)，使用螺旋雙絞龍穩(wěn)定輸肥，采用快速伸縮的錘片進(jìn)行碎肥和撒肥，實(shí)現(xiàn)均勻作業(yè)[13]。但國外撒肥機(jī)價(jià)格昂貴，配件供應(yīng)不及時(shí)，進(jìn)出口手續(xù)繁雜，未能在國內(nèi)大面積推廣應(yīng)用。

國內(nèi)許多學(xué)者致力于果園等小地塊有機(jī)肥撒肥機(jī)的研究，西北農(nóng)林科技大學(xué)的譚辰[14]設(shè)計(jì)了一種撒肥距離可調(diào)的果園有機(jī)肥條鋪機(jī)，采用一對橫向安裝的可伸縮螺旋輸送器實(shí)現(xiàn)撒肥間距的調(diào)整；塔里木大學(xué)的張涵等[15]對果園固態(tài)有機(jī)肥撒肥機(jī)進(jìn)行研究，使用雙絞龍為撒肥部件，在輸肥同時(shí)進(jìn)行攪拌，防止有機(jī)肥堵塞出肥口；陳海霞[16]將雙絞龍部件置于肥箱中，同時(shí)進(jìn)行碎肥與輸肥，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，操作簡單；馬標(biāo)等[17]對臥式有機(jī)肥撒肥機(jī)進(jìn)行研究，通過調(diào)整碎肥裝置上撥爪的排列方式，增加了有機(jī)肥的破碎效果；郝延杰等[18]通過調(diào)整肥料落點(diǎn)控制罩的角度來控制有機(jī)肥的落點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)撒肥幅寬的調(diào)節(jié)。

臥式撒肥機(jī)撒肥區(qū)域集中，均勻性較好，但撒肥幅寬較小，碎肥效果較差。果園撒肥機(jī)主要針對果園等小地塊，目前國內(nèi)已有機(jī)型的撒肥幅寬較小，不適于北方大田有機(jī)肥施肥作業(yè)。針對上述問題，該研究設(shè)計(jì)了一種螺旋葉片，采用立式有機(jī)肥螺旋撒肥裝置與撒肥圓盤結(jié)合的方式，增大撒肥幅寬，通過動(dòng)力學(xué)分析揭示有機(jī)肥的拋撒運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出螺旋撒肥裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

撒肥機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由掛接裝置、支撐架、輸送鏈、地輪、肥箱、螺旋撒肥裝置組成。肥箱前端為掛接裝置，整個(gè)撒肥機(jī)通過掛接裝置與拖拉機(jī)相連，肥箱中有輸肥鏈，將有機(jī)肥不斷輸送至螺旋撒肥裝置，然后拋撒到田間。

螺旋撒肥裝置由橫梁和左、右2個(gè)撒肥輥組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)撒肥輥均由撒肥圓盤、螺旋軸、螺旋葉片、撒肥刀片、碎肥刀片、平衡體組成。撒肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.掛接裝置 2.支撐架 3.輸送鏈 4.地輪 5.肥箱 6.螺旋撒肥裝置

注：1為左撒肥輥的轉(zhuǎn)向；2為右撒肥輥的轉(zhuǎn)向。

Note:1is the rotating direction of the left fertilizer spreading roller;2is the rotating direction of the right fertilizer spreading roller.

1.撒肥圓盤 2.螺旋軸 3.橫梁 4.平衡體 5.螺旋葉片 6.撒肥刀片 7.碎肥刀片

1.Fertilizer spreading disc 2.Spiral axis 3.Beam 4.Balance block 5.Spiral blade 6.Fertilizer spreading blade 7.Fertilizer crushing blade

圖2 螺旋撒肥裝置

Fig.2 Spiral fertilizer spreading device

表1 撒肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

工作時(shí)，由輸肥鏈將肥箱中的有機(jī)肥輸送至螺旋撒肥裝置，2個(gè)撒肥輥同時(shí)反向相對轉(zhuǎn)動(dòng)，左撒肥輥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右撒肥輥順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，對有機(jī)肥進(jìn)行破碎、拋撒。螺旋撒肥裝置由上、中、下3部分組成，上部只安裝碎肥刀片，主要起肥塊切碎作用，一部分有機(jī)肥通過螺旋葉片直接拋撒，剩余部分通過螺旋葉片輸送至中部；中部2層螺旋葉片同時(shí)安裝碎肥刀片和撒肥刀片，一方面切碎肥箱輸送的有機(jī)肥，另一方面接收上部未拋撒的有機(jī)肥，此區(qū)間大部分有機(jī)肥被拋撒，剩余部分輸送到撒肥圓盤；下部的撒肥圓盤接收中部輸送的有機(jī)肥，全部拋撒。

2 螺旋撒肥裝置設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)撒肥機(jī)多為臥式，按有機(jī)肥拋出方向分為后拋和側(cè)拋撒肥機(jī)2種，后拋撒肥機(jī)撒肥均勻性好，但撒肥幅寬小，一般為1.5～2.2 m；側(cè)拋撒肥機(jī)撒肥均勻性較差，但撒肥幅寬較大，一般可達(dá)4～5 m。本文研究的立式有機(jī)肥螺旋撒肥裝置重點(diǎn)針對破碎效果及撒肥幅寬進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 撒肥圓盤

撒肥圓盤的作用是拋撒螺旋葉片未拋撒出去的有機(jī)肥，防止該部分有機(jī)肥直接掉落到機(jī)器上影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)有機(jī)肥的拋出點(diǎn)、初始速度一定時(shí)，斜拋運(yùn)動(dòng)的拋出距離大于平拋運(yùn)動(dòng)[19]，故將撒肥圓盤向上傾斜以獲得更大拋出距離。如圖3所示，虛線部分代表撒肥圓盤直徑增大后有機(jī)肥的拋出軌跡，則拋出有機(jī)肥的初始速度為

由式（1）可知，當(dāng)撒肥圓盤直徑增大時(shí)，拋出的有機(jī)肥初始速度增大，則撒肥距離遠(yuǎn)，撒肥幅寬大，撒肥幅寬與撒肥圓盤直徑呈正相關(guān)。由于機(jī)具尺寸的限制，將撒肥圓盤直徑設(shè)計(jì)為900 mm；根據(jù)撒肥圓盤直徑大小，以保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行為前提，選用外輪廓直徑較大的140 mm鋼管做為中間的螺旋軸。

1.撒肥圓盤 2.螺旋軸 3.有機(jī)肥顆粒

1.Fertilizer spreading disc 2.Spiral axis 3.Organic fertilizer particles

注：為螺旋軸的轉(zhuǎn)速，r·min-1；V為有機(jī)肥拋出時(shí)的初始速度，m·s-1；r(=1, 2)為不同撒肥圓盤的直徑，mm；n(=1, 2)為不同直徑撒肥圓盤的撒肥距離，mm。

Note:is the rotate speed of the spiral axis, r·min-1; Vis initial speed of spreading, m·s-1;r(=1, 2) are different diameters of fertilizer spreading discs, mm;n(=1, 2) are spreading distance of fertilizer spreading discs with different diameters, mm.

圖3 不同直徑撒肥圓盤的撒肥距離

Fig.3 Spreading distance of fertilizer spreading discs with different diameters

根據(jù)羊糞堆肥粒徑分布情況，撒肥圓盤葉片高度>80 mm即可滿足要求，將其設(shè)計(jì)為90 mm，結(jié)構(gòu)如圖4a所示，3個(gè)撒肥圓盤葉片均布于撒肥圓盤上，兩兩間隔120°，如圖4b所示。

1.撒肥圓盤 2.支撐板 3.螺旋軸 4.撒肥圓盤葉片

2.2 螺旋葉片

螺旋葉片為螺旋撒肥裝置的關(guān)鍵部件，若使螺旋葉片輸送的有機(jī)肥全部落到撒肥圓盤上，則螺旋葉片的外輪廓直徑必須小于撒肥圓盤直徑，且由上文分析可知，螺旋葉片直徑越大，撒肥幅寬越大，將螺旋葉片外輪廓直徑設(shè)置為800 mm。

為增強(qiáng)有機(jī)肥破碎效果、增大撒肥距離，為螺旋葉片設(shè)計(jì)2種輔助刀片：碎肥刀片和撒肥刀片。碎肥刀片為長方體直板，可利用其2個(gè)平面切碎有機(jī)肥塊，結(jié)構(gòu)如圖5a所示；撒肥刀片以直角板為原型，由牛頓第二定律可知，斜拋運(yùn)動(dòng)的拋出角度為45°時(shí)，射程最遠(yuǎn)，故在撒肥刀片一側(cè)折彎45°來改變有機(jī)肥拋出角度，以增大撒肥距離，同時(shí)在折彎處切出2個(gè)直角三角形，形成的直角邊可對有機(jī)肥進(jìn)行二次切碎，其結(jié)構(gòu)如圖5b所示。

為了增加有機(jī)肥的破碎效果，在螺旋葉片邊緣切出圓弧切口，其切碎有機(jī)肥團(tuán)粒的過程如圖6a所示，在旋轉(zhuǎn)過程中，螺旋葉片沿虛線不斷切碎有機(jī)肥團(tuán)粒。碎肥刀片寬度為50 mm，撒肥刀片寬度為60 mm，預(yù)留出安裝距離，在其他部分切出圓弧切口，最終結(jié)構(gòu)如圖6b所示。螺旋軸、螺旋葉片和撒肥圓盤的總體結(jié)構(gòu)如圖6c所示。

圖6 螺旋葉片碎肥過程及撒肥輥結(jié)構(gòu)

撒肥輥上螺旋葉片共設(shè)計(jì)為3層，第一層安裝8個(gè)碎肥刀片，增加對上層有機(jī)肥的破碎性，避免輸送到中部時(shí)產(chǎn)生擁堵，碎肥刀片在螺旋葉片上下兩側(cè)交替安裝，目的是在2個(gè)平面上對有機(jī)肥進(jìn)行切碎，其平面展開圖如圖7a所示；8個(gè)撒肥刀片和8個(gè)碎肥刀片在第2層和第3層交替安裝，該部分為主要撒肥區(qū)域，其平面展開圖如圖7b所示。

1.螺旋葉片 2. 碎肥刀片 3. 撒肥刀片

1.Spiral blade 2. Fertilizer crushing blade 3. Fertilizer spreading blade

圖7 螺旋葉片展開圖

Fig.7 Expanded view of spiral blade

為避免工作時(shí)發(fā)生干涉，設(shè)計(jì)左、右撒肥輥上層相鄰碎肥刀片之間夾角為25°。

3 撒肥距離與撒肥幅寬分析

有機(jī)肥團(tuán)粒以一定的初始速度離開螺旋撒肥裝置，沿著拋物線軌跡落到田間[20]。通過對撒肥距離和撒肥幅寬的分析，確定影響撒肥效果的主要因素。為簡化分析，設(shè)有機(jī)肥團(tuán)粒下落地面為水平面；研究主要針對有機(jī)肥在空氣中的運(yùn)動(dòng)，并不涉及有機(jī)肥在螺旋撒肥裝置上的旋轉(zhuǎn)、碰撞[21-22]。

3.1 最遠(yuǎn)撒肥距離

最遠(yuǎn)撒肥距離與撒肥幅寬相互影響，通過分析最遠(yuǎn)撒肥距離為撒肥幅寬的分析做鋪墊。螺旋撒肥裝置轉(zhuǎn)速一定時(shí)，拋出高度越高，拋撒距離越遠(yuǎn)，則由立式撒肥裝置頂端拋出的有機(jī)肥團(tuán)粒拋撒距離最遠(yuǎn)，如圖8所示，有機(jī)肥團(tuán)粒的拋撒過程分為上拋和下降2個(gè)階段。

注：FX1為有機(jī)肥團(tuán)粒上拋階段空氣阻力的水平分力，N；FZ1為有機(jī)肥團(tuán)粒上拋階段空氣阻力的豎直分力，N；FX2為有機(jī)肥團(tuán)粒下降階段空氣阻力的水平分力，N；FZ2為有機(jī)肥團(tuán)粒下降階段空氣阻力的豎直分力，N；G1為有機(jī)肥團(tuán)粒的重力，N；L1為最遠(yuǎn)撒肥距離，m；θ為裝置的傾斜角度，(°)；X1為有機(jī)肥團(tuán)粒上拋階段的水平位移，m；X2為有機(jī)肥團(tuán)粒下降階段的水平位移，m。

有機(jī)肥團(tuán)粒拋出后受重力和空氣阻力作用，其所受空氣阻力為

式中為有機(jī)肥團(tuán)粒所受空氣阻力，N；為空氣密度，kg/m3；為有機(jī)肥團(tuán)粒迎風(fēng)面積，m2；為空氣阻力系數(shù)；為有機(jī)肥團(tuán)粒速度，m/s。

3.1.1 有機(jī)肥團(tuán)粒上拋階段力學(xué)分析

結(jié)合牛頓第二定律，將有機(jī)肥團(tuán)粒上拋階段的運(yùn)動(dòng)分解為豎直、水平2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。豎直方向的運(yùn)動(dòng)方程如式（3）所示。

由式（3）可求得：

水平方向的運(yùn)動(dòng)方程如式（5）所示。

式中V1為有機(jī)肥團(tuán)粒上拋階段速度的水平分量，m/s；V1為有機(jī)肥團(tuán)粒上拋階段速度的豎直分量，m/s；1為上拋階段的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；1為有機(jī)肥團(tuán)粒上拋階段的豎直位移，m。為有機(jī)肥團(tuán)粒的質(zhì)量，kg。

將式（4）代入式（5）求得上拋階段有機(jī)肥團(tuán)粒的水平位移為

3.1.2 有機(jī)肥團(tuán)粒下降階段力學(xué)分析

將下降階段有機(jī)肥團(tuán)粒的運(yùn)動(dòng)分解為豎直、水平2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。豎直方向的運(yùn)動(dòng)方程如式（7）所示。

由式（7）可求得

水平方向的運(yùn)動(dòng)方程如式（9）所示。

式中V2為下降階段有機(jī)肥團(tuán)粒速度的水平分量，m/s；V2下降階段有機(jī)肥團(tuán)粒速度的豎直分量，m/s；2為下降階段有機(jī)肥團(tuán)粒的豎直位移，m；2為下降階段運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s。

將式（8）代入式（9）求得下降階段有機(jī)肥團(tuán)粒的水平位移為

由式（6）、式（10）求得有機(jī)肥團(tuán)粒的最遠(yuǎn)撒肥距離1（m）為

由式（11）可知，影響有機(jī)肥團(tuán)粒最遠(yuǎn)撒肥距離的主要因素為有機(jī)肥團(tuán)粒拋撒過程中的運(yùn)動(dòng)速度、豎直位移。有機(jī)肥團(tuán)粒的運(yùn)動(dòng)速度由螺旋軸的轉(zhuǎn)速、螺旋葉片的傾斜角度決定，豎直位移由撒肥裝置的高度決定，而撒肥裝置的高度主要由螺旋葉片的螺距決定。

3.2 撒肥幅寬

撒肥幅寬為立式撒肥裝置的重要作業(yè)指標(biāo)，對撒肥幅寬進(jìn)行分析以確定主要影響因素。立式有機(jī)肥螺旋撒肥裝置的撒肥幅寬和肥料拋撒范圍如圖9所示，整個(gè)拋撒范圍ABCD左右對稱，以左側(cè)為例進(jìn)行分析。左撒肥輥逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)入橫梁下方切碎并攜帶肥箱中的有機(jī)肥，轉(zhuǎn)到橫梁上方開始持續(xù)拋撒，當(dāng)左撒肥輥轉(zhuǎn)過一定角度時(shí)攜帶的有機(jī)肥全部拋撒完成，此角度為。右側(cè)的拋撒過程與左側(cè)相同。

注：S為撒肥幅寬，m；L1為有機(jī)肥團(tuán)粒的最遠(yuǎn)拋撒距離，m；S1為L1的水平分量，m；r為撒肥點(diǎn)D與圓心的距離，m；φ為L1與豎直方向夾角，（°）；β為左側(cè)撒肥輥撒肥過程中轉(zhuǎn)過的角度，（°）。

由圖9可得：

由此求得撒肥幅寬為

（13）

由式（13）可知，影響撒肥幅寬的變量中，上拋階段的有機(jī)肥團(tuán)粒的速度V1和V1、下降階段有機(jī)肥團(tuán)粒的速度V2和V2均受螺旋軸轉(zhuǎn)速和拋出角度影響，拋出角度即由立式撒肥裝置傾斜角度決定；上拋階段有機(jī)肥的豎直位移1、下降階段有機(jī)肥的豎直位移2主要受立式撒肥裝置高度影響，裝置高度由螺旋葉片螺距決定。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由撒肥幅寬分析可知，影響撒肥效果的主要因素為螺旋軸轉(zhuǎn)速、螺旋葉片螺距、立式撒肥裝置傾斜角度，因撒肥圓盤傾斜角度與立式撒肥裝置傾斜角度相等，且可直接測量，故以撒肥圓盤傾斜角度、螺旋軸轉(zhuǎn)速、螺旋葉片螺距為試驗(yàn)因素。參考同類機(jī)型[23]，選定螺旋軸的轉(zhuǎn)速為350～400 r/min；由于機(jī)具高度的限制，確定螺旋葉片螺距范圍為300～400 mm，通過更換不同螺旋葉片的撒肥輥實(shí)現(xiàn)該因素的調(diào)節(jié)；立式撒肥裝置傾斜角度的增大會(huì)增加裝置的不穩(wěn)定性，初步選擇10°～20°作為撒肥圓盤傾斜角度范圍，通過改變螺旋撒肥裝置頂端橫梁與肥箱的安裝位置來調(diào)整立式撒肥裝置傾斜角度，即撒肥圓盤傾斜角度。

以撒肥均勻度和撒肥幅寬做為試驗(yàn)指標(biāo)，其中，撒肥均勻度通過肥料的橫向變異系數(shù)來體現(xiàn)[24-25]，計(jì)算方式如式（14）所示。采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)安排試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表2所示，試驗(yàn)方案如表4所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼表

4.2 試驗(yàn)方法

2020年7月22日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)北方馬鈴薯全程機(jī)械化試驗(yàn)基地進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)用肥為羊糞堆肥，堆肥時(shí)間為40 d左右，大部分已粘結(jié)成塊、成團(tuán)，對試驗(yàn)用肥進(jìn)行基礎(chǔ)物理參數(shù)測定，其含水率為38.6%，容重為636.9 kg/m3，對其粒徑大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示，羊糞堆肥粒徑從單個(gè)羊糞粒至粒徑小于80 mm的羊糞團(tuán)均存在，其中多數(shù)粒徑為30～60 mm的羊糞團(tuán)，質(zhì)量占比約為73.6%，試驗(yàn)前不對羊糞進(jìn)行粉碎處理，試驗(yàn)材料參數(shù)符合GB/T25401—2010農(nóng)業(yè)機(jī)械廄肥撒肥機(jī)試驗(yàn)方法要求[26]。

表3 羊糞堆肥粒徑分布

試驗(yàn)當(dāng)天晴朗無風(fēng)，地面平坦，坡度<5°，試驗(yàn)參照美國ASAE（American Society of Agricultural Engineers）S341.3方法進(jìn)行[27]。由文獻(xiàn)[28-29]知，有機(jī)肥輸送速度對于試驗(yàn)結(jié)果的影響小，設(shè)為0.06 m/s。撒肥試驗(yàn)測試區(qū)域?yàn)?0 m×8 m的矩形（圖10），用記號(hào)筆將整個(gè)測試區(qū)域分成若干0.5 m×0.5 m的正方形采樣區(qū)，撒肥完成后，先用卷尺對整個(gè)拋撒幅寬進(jìn)行測量，然后用電子秤對每個(gè)采樣區(qū)域內(nèi)的糞肥進(jìn)行稱量記錄，試驗(yàn)過程如圖 11所示。農(nóng)藝上對肥塊粒徑的大小沒有具體要求，理論上肥塊粒徑越小則碎肥效果越好，根據(jù)表3的粒徑分布及文獻(xiàn)[30]確定粒徑大于30 mm為不合格團(tuán)粒，驗(yàn)證試驗(yàn)部分統(tǒng)計(jì)不合格肥料團(tuán)粒的質(zhì)量占比，判定該裝置的碎肥效果。

圖10 采樣區(qū)劃分

圖11 撒肥試驗(yàn)

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并對各試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行多元回歸擬合[31]。各因素對撒肥幅寬的回歸方程為

由表5撒肥幅寬的方差分析表可知，因素和因素間的交互作用對于撒肥幅寬影響的主次順序?yàn)?、32、3、12、22、2、23、13、12，其中1、3、12、22、32影響極顯著（<0.01），2、23影響顯著（0.01≤<0.05），13影響較顯著（0.05≤<0.1），其他因素影響不顯著（>0.1）。失擬項(xiàng)=0.533 8，不顯著（>0.1），證明不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。

表5 撒肥幅寬方差分析

注：***表示極顯著（<0.01）；**表示顯著（0.01≤<0.05）；*表示較顯著（0.05≤<0.1），下同。

Note: *** means highly significant (<0.01); ** means significant (0.01≤<0.05); * means generally significant (0.05≤<0.1), the same below.

表6為橫向變異系數(shù)的方差分析表，對于橫向變異系數(shù)，因素影響的主次順序是2、3、1、32、22、12、13、23、12，其中1、2、3、32影響極顯著（<0.01）；12、22影響顯著（0.01≤<0.05）；其余因素對變異系數(shù)的影響均不顯著（0.1）。失擬項(xiàng)=0.237 9，不顯著（>0.1），證明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。各因素對橫向變異系數(shù)的回歸方程為

4.3.3 響應(yīng)曲面分析

通過方差分析表可知，螺旋軸轉(zhuǎn)速1、撒肥圓盤傾斜角度2、螺旋葉片螺距3對變異系數(shù)、撒肥幅寬均有顯著影響，但其交互作用存在不顯著項(xiàng)，利用Design-Expert 8.0.6軟件得出螺旋軸轉(zhuǎn)速、撒肥圓盤傾斜角度、螺旋葉片螺距的顯著交互作用對橫向變異系數(shù)、撒肥幅寬的響應(yīng)曲面，如圖12所示。

表6 橫向變異系數(shù)方差分析

對于橫向變異系數(shù)，當(dāng)螺旋葉片螺距為350.0 mm時(shí)，螺旋軸轉(zhuǎn)速與撒肥圓盤傾斜角度的交互作用如圖12a所示：當(dāng)撒肥圓盤傾斜角度一定時(shí)，橫向變異系數(shù)隨螺旋軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，且逐漸趨于平緩，螺旋軸轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為383.3～400.0 r/min，該范圍內(nèi)，隨著螺旋軸轉(zhuǎn)速的增大，橫向變異系數(shù)數(shù)值穩(wěn)定于14%左右。轉(zhuǎn)速超過391.7 r/min時(shí)，由響應(yīng)曲面走勢可知，橫向變異系數(shù)的減小幅度很小，螺旋軸轉(zhuǎn)速的增大會(huì)極大增加裝置的不穩(wěn)定性和各部件的加工難度，故在橫向變異系數(shù)基本相同前提下，優(yōu)先選擇該范圍內(nèi)的較小轉(zhuǎn)速；螺旋軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，橫向變異系數(shù)隨撒肥圓盤傾斜角度增大而減小，較優(yōu)的撒肥圓盤傾斜角度是16.0°～20.0°，該范圍內(nèi)，橫向變異系數(shù)數(shù)值穩(wěn)定于14%左右。

對于撒肥幅寬，當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速為375.0 r/min時(shí)，螺旋葉片螺距和撒肥圓盤傾斜角度的交互作用如圖12b所示，當(dāng)螺旋葉片螺距一定時(shí)，撒肥幅寬隨撒肥圓盤傾斜角度的增大呈先增大后減小的趨勢，較優(yōu)的撒肥圓盤傾斜角度為14.0°～18.0°；撒肥圓盤傾斜角度一定時(shí)，撒肥幅寬隨螺旋葉片螺距的增大呈先增大后減小趨勢，較優(yōu)的螺旋葉片螺距為357.1～371.4 mm。

圖12 撒肥均勻度橫向變異系數(shù)和撒肥幅寬的雙因素響應(yīng)曲面

4.3.4 參數(shù)優(yōu)化

為獲得螺旋撒肥裝置最佳撒肥性能作業(yè)參數(shù)，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對2個(gè)回歸模型進(jìn)行求解，其約束條件為

通過優(yōu)化求解得螺旋軸轉(zhuǎn)速為389.9 r/min，撒肥圓盤傾斜角度為16.3°，螺旋葉片螺距為360.9 mm，立式有機(jī)肥螺旋撒肥裝置作業(yè)效果最好，其撒肥均勻度變異系數(shù)為13.7%，撒肥幅寬為8.2 m。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

2020年8月7日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)阿城試驗(yàn)基地進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，地表平整，試驗(yàn)材料同臺(tái)架試驗(yàn)。綜合裝置的穩(wěn)定性、安全性，加工的難易程度以及調(diào)節(jié)的簡便性考慮，確定螺旋軸轉(zhuǎn)速385.0 r/min，撒肥圓盤傾斜角度16.0°，螺旋葉片螺距360.0 mm進(jìn)行試驗(yàn)，作業(yè)速度為8 km/h，試驗(yàn)過程如圖13所示。

圖13 驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)后，測得撒肥幅寬為8.1 m；稱量計(jì)算得到撒肥均勻度橫向變異系數(shù)為14%，符合GB/T25401—2010農(nóng)業(yè)機(jī)械廄肥撒肥機(jī)試驗(yàn)方法中的橫向變異系數(shù)≤30%的要求；對所有不合格團(tuán)粒（粒徑大于30 mm）進(jìn)行稱量，計(jì)算其質(zhì)量占比，最終得出該裝置的破碎率為91.2%。以未安裝輔助刀片的立式撒肥裝置做十組試驗(yàn)作為對照試驗(yàn)，其碎肥率為78.4%。經(jīng)立式撒肥裝置破碎后的有機(jī)肥分布均勻，粒徑均小于40 mm，不合格團(tuán)粒（粒徑大于30 mm）的粒徑分布范圍降為30~40 mm，質(zhì)量占比由撒肥前的82.2%降低為8.8%，碎肥效果良好。

5 結(jié) 論

針對有機(jī)肥黏度大，傳統(tǒng)機(jī)型破碎效果較差的問題，研制了一種螺旋葉片，為其安裝碎肥刀片與撒肥刀片2種輔助刀片，并探究了一種新的排列方式，設(shè)計(jì)了立式有機(jī)肥螺旋撒肥裝置。

對有機(jī)肥拋撒過程進(jìn)行分析，確定了螺旋軸轉(zhuǎn)速、撒肥圓盤傾斜角度、螺旋葉片螺距為影響撒肥效果的試驗(yàn)因素，以撒肥幅寬、變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出最優(yōu)參數(shù)后，選擇螺旋軸轉(zhuǎn)速385.0 r/min，撒肥圓盤傾斜角度16.0°，螺旋葉片螺距360.0 mm進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析得出撒肥幅寬為8.1 m，撒肥均勻度變異系數(shù)為14%，破碎后的有機(jī)肥團(tuán)粒粒徑均小于40 mm，不合格團(tuán)粒（粒徑大于30 mm）的質(zhì)量占比降為8.8%，撒肥效果良好，可為有機(jī)肥撒肥機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

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Design and test of vertical spiral organic fertilizer spreading device

Lyu Jinqing, Sun Yukai, Li Jicheng, Li Zihui, Liu Zhongyuan

(,,150030,)

China has ranked first in the total output and use of chemical fertilizers in the world, as the increase of grain production. Generally, the single nutrient element of chemical fertilizer makes the fertilizer effect short and fast. If using for a long time, the fertilizer can cause soil hardening, soil fertility decline, even to decrease the quality of agricultural products. Alternatively, the organic fertilizer can be used to increase the soil organic matter and the permeability of soil, and thereby to ensure the high and stable yield of crops. However, the chemical fertilizer by adding more organic fertilizer behaves a high viscosity and fluidity, which makes it difficult to spread. In this study, a vertical spiral spreading device for the organic fertilizer was designed, in order to automatically crush organic fertilizer, and then to spread it wide. The specific processes were as follows: Firstly, the overall structure of device was preliminarily optimized. The vertical spiral spreading device for the organic fertilizer was mainly composed of the fertilizer spreading disc, spiral axis, beam, balance block, spiral blade, fertilizer spreading and crushing blade. The latter three were the key components of crushing organic fertilizer. Meanwhile, the fertilizer spreading and spiral blade were the key components of spreading organic fertilizer. A kinematic model of organic fertilizer in air was established to determine the influencing factors in the process of fertilizer spreading. The test factors included the rotational speed of spiral axis, inclination angle of fertilizer spreading disc, and screw pitch of spiral blade. The coefficient of variation and the fertilizer spreading width were set as the test indicators to evaluate the operation effect of the device, according to the fertilizer application standards. A field test was conducted at the Northeast Agricultural University in July, 2020. A rectangular area with the size of 10 m×8 m was set on the ground for data collection, and then the whole area was divided into many small squares with the size of 0.5 m×0.5 m for measurement. During the test, the fertilizer spreading width was first measured, and then the organic fertilizer was weighed, finally, where all test dataset was recorded. A Design-Expert 8.0.6 software was used to analyze the influence of each test factor and their interaction on each test indicator, and then a relationship was established between each test indicator and the regression equation of each test factor. An optimal combined range of all test factors was achieved via balancing the stability of the device and its economic considerations. A dataset was selected in the optimal range for the verification test: When the rotational speed of spiral axis was 385 r/min, the inclination angle of fertilizer spreading disc was 16°, and screw pitch of spiral blade was 360 mm, indicating that the coefficient of variation was 14.0%, and the fertilize spreading width was 8.1 m. The values were basically consistent with those of software calculation, indicating that can meet the national standards and the requirements of organic fertilizer application. The vertical spiral spreading device has good performance on spreading organic fertilizer, providing for a sound reference for the design and optimization of organic fertilizer spreader.

agricultural machinery; design; test; organic fertilizer; vertical; spiral; spread

呂金慶，孫玉凱，李季成，等. 立式有機(jī)肥螺旋撒肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(24)：19-28.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.003 http://www.tcsae.org

Lyu Jinqing, Sun Yukai, Li Jicheng, et al. Design and test of vertical spiral organic fertilizer spreading device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 19-28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.003 http://www.tcsae.org

2020-08-18

2020-10-18

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0700705)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-09-P23）；黑龍江省馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新推廣體系項(xiàng)目

呂金慶，研究員，主要從事馬鈴薯田間技術(shù)與裝備研究。Email：ljq8888866666@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.003

S224.22

A

1002-6819(2020)-24-0019-10