玉米行間滾輪式穴施排肥器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

萬(wàn) 玲 謝東波 李 楊 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230036)

0 引言

玉米是我國(guó)三大糧食作物之一[1]。玉米在大喇叭口時(shí)期的追肥是玉米穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的重要保障措施之一，也是目前機(jī)械化作業(yè)的難題之一。在作物的穴施肥方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了許多研究。如劉正道等[2]根據(jù)穴式施肥可有效提高肥料利用率的特性，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；袁文勝等[3]為提高肥料利用率、降低生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)了一種勺輪式穴施肥排肥器；王金武等[4]針對(duì)水稻直播施肥過(guò)程中存在肥料用量大、化肥利用率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了水稻精量穴直播機(jī)。研究表明[5-8]，在現(xiàn)階段對(duì)穴施機(jī)扎穴機(jī)構(gòu)和排肥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)仍是研究的重點(diǎn)。

玉米在大喇叭口時(shí)期的追肥對(duì)提高玉米生產(chǎn)率意義重大，采取穴施肥方式可有效提高肥料利用率，減小環(huán)境污染。根據(jù)該時(shí)期的玉米施肥農(nóng)藝要求(追肥深度8～10 cm)，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了諸多研究，并設(shè)計(jì)了樣機(jī)。胡紅等[9-10]設(shè)計(jì)了一種玉米行間定點(diǎn)扎穴深施追肥機(jī)，對(duì)定點(diǎn)機(jī)構(gòu)、扎穴等進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述；吳然然等[11]根據(jù)穴施機(jī)械行走方式，采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)研制出一種玉米中期穴施肥裝置；鄭媛媛[12]針對(duì)目前玉米中期追肥技術(shù)較落后、機(jī)械化水平低的問(wèn)題，研制了一款電力驅(qū)動(dòng)的新型行間中期追肥機(jī)。相關(guān)學(xué)者對(duì)玉米中期機(jī)械施肥開(kāi)展了很多研究，但玉米中后期根系較多，且土壤硬度大，受玉米行間距限制，大型機(jī)械行走困難，對(duì)玉米中期穴施機(jī)仍然需要進(jìn)一步研究。

本文針對(duì)黃淮海地區(qū)夏玉米中期追肥問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種滾輪式穴施排肥器，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)微型玉米中期施肥機(jī)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

玉米行間穴施肥機(jī)主要由機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、蓄電池及控制器、驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)滾輪式穴施排肥器等組成，如圖1所示。機(jī)具設(shè)計(jì)有獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)，機(jī)具在田間作業(yè)時(shí)，動(dòng)力由蓄電池提供。電機(jī)及減速器經(jīng)過(guò)選型匹配，滿足穴施肥要求。田間作業(yè)時(shí)，操作者可通過(guò)調(diào)節(jié)控速把手轉(zhuǎn)動(dòng)角度從而調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電流實(shí)現(xiàn)變速。機(jī)具在施肥作業(yè)時(shí)，滾輪式穴施排肥器同步機(jī)具速度進(jìn)行穴施肥。穴施肥深度可以在作業(yè)前通過(guò)調(diào)節(jié)液壓裝置的阻尼改變。

1.2 穴施排肥器結(jié)構(gòu)

滾輪式穴施排肥器主要由固定端扁嘴、旋轉(zhuǎn)端扁嘴、前端蓋、儲(chǔ)肥盒、分離杠桿、滾動(dòng)軸承、凸輪和后端蓋等組成，如圖2所示。

1.3 工作原理

滾輪式穴施排肥器在工作時(shí)依靠液壓系統(tǒng)的壓力以及自身重力完成扎穴入土工作。在工作時(shí)，滾輪式穴施排肥器作逆時(shí)針滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，固定在穴施排肥器上的儲(chǔ)肥盒對(duì)穴施排肥器中的肥料實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)功能，其固定在機(jī)架上的凸輪及滾動(dòng)軸承被動(dòng)撥動(dòng)分離杠桿使旋轉(zhuǎn)端穴施排肥器繞旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)打開(kāi)扁嘴進(jìn)行排肥。成穴器離開(kāi)土壤時(shí)旋轉(zhuǎn)端扁嘴打開(kāi)進(jìn)行排肥作業(yè)，以減小旋轉(zhuǎn)端成穴器打開(kāi)的阻力。當(dāng)分離杠桿與凸輪軸承不接觸時(shí)，旋轉(zhuǎn)端扁嘴由于回位彈簧的作用急速回位，閉合止肥。

1.4 成穴器運(yùn)動(dòng)特性分析

滾輪式穴施排肥器工作時(shí)，是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的合成。以滾輪式穴施排肥器滾筒軸旋轉(zhuǎn)中心O為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)軸X正向與穴施機(jī)前進(jìn)方向一致，縱坐標(biāo)軸Y正向與穴施機(jī)前進(jìn)方向垂直向上。設(shè)穴施機(jī)前進(jìn)速度為v，滾輪式穴施排肥器旋轉(zhuǎn)角速度為ω，建立坐標(biāo)系；取其中一個(gè)成穴器建立運(yùn)動(dòng)方程

xA=rcos(ωt)+vt

(1)

yA=rsin(ωt)

(2)

式中xA——滾輪式穴施排肥器A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的瞬時(shí)橫坐標(biāo),mm

yA——滾輪式穴施排肥器A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的瞬時(shí)縱坐標(biāo)，mm

r——滾輪式穴施排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，mm

t——時(shí)間，s

對(duì)式(1)、(2)求一階導(dǎo)數(shù)，可得速度

(3)

(4)

滾輪式穴施排肥器頂端絕對(duì)速度為

(5)

預(yù)設(shè)滾輪式穴施排肥器作業(yè)一周能完成6株玉米施肥，成穴器完成穴施作業(yè)主要分為5個(gè)步驟：入土、成穴、打開(kāi)、落肥、閉合離土。成穴器一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期如圖3所示。

圖3 成穴器運(yùn)動(dòng)時(shí)序圖Fig.3 Time sequence diagram of motion of hole-forming device

成穴器在分離杠桿接觸凸輪時(shí)打開(kāi)且每個(gè)成穴器均配套單獨(dú)的分離杠桿，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不存在重合和干擾。如圖4所示，位置1為成穴器扎穴后即將打開(kāi)時(shí)的位置，位置2為同一成穴器即將閉合時(shí)的位置，A、B分別為兩個(gè)位置下成穴器底座中心點(diǎn)，O為穴施排肥器中心點(diǎn)。在進(jìn)行凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，作如下要求：α>β，延遲閉合，保證肥料全部落入穴坑內(nèi)；β=20°時(shí)，分離杠桿接觸凸輪；α=25°時(shí)，分離杠桿即將脫離凸輪。即穴施排肥器轉(zhuǎn)過(guò)45°時(shí)，成穴器完成張開(kāi)至閉合過(guò)程。

圖4 成穴器工作位置分析圖Fig.4 Analytical diagram of working position of hole-forming apparatus

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 穴施排肥器半徑

黃淮海地區(qū)農(nóng)藝要求玉米行距600 mm、株距200 mm，假設(shè)滾輪式穴施排肥器運(yùn)動(dòng)一周，完成6株玉米的施肥作業(yè)，如圖5所示。當(dāng)進(jìn)行側(cè)方位施肥時(shí)，穴施排肥器每個(gè)成穴器需對(duì)靶施肥，滾輪式穴施排肥器1/6圓周長(zhǎng)應(yīng)等于玉米株距，即

(6)

式中r——滾輪式穴施排肥器半徑，mm

L——玉米株距，mm

經(jīng)求解，確定滾輪式穴施排肥器半徑為191 mm。

圖5 穴施排肥器追肥點(diǎn)定位簡(jiǎn)圖Fig.5 Positioning diagram of topdressing point of hole fertilizer applicator

2.2 施肥位置設(shè)計(jì)

玉米行間穴施肥機(jī)所施肥料與玉米植株相對(duì)位置關(guān)系主要由橫向間距l(xiāng)和離地高度H來(lái)表示，如圖6所示。按照農(nóng)藝要求，玉米中期追肥應(yīng)在玉米植株側(cè)方位100 mm≤l≤150 mm穴施，施肥深度80 mm≤H≤100 mm為宜。本文采用直接定位法完成穴施，穴施機(jī)在理想工作條件下無(wú)路徑偏移，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，玉米株距保持在200 mm時(shí)，由于滾輪式穴施排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)60°即完成相對(duì)應(yīng)的玉米植株施肥動(dòng)作，操作者確定第一株施肥點(diǎn)正確位置，即可保持對(duì)靶施肥。

圖6 肥料與玉米植株相對(duì)位置關(guān)系示意圖Fig.6 Relative position schematic of fertilizer and corn plants

2.3 成穴器尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)穴施要求，選擇扁嘴型成穴器，成穴器剖面圖如圖7所示。

圖7 成穴器剖面圖Fig.7 Sectional drawing of cavity maker

采用微分法計(jì)算成穴器內(nèi)肥量，令h為成穴器高度變量，dh則為沿垂直方向的高度微單元。成穴器的總?cè)莘e為

(7)

式中V——成穴器總?cè)莘e，cm3

lb——成穴器底面邊長(zhǎng)，mm

此處取lb=25 mm，則V≈23 cm3，約為每穴需要肥量的3倍。

2.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滾輪式穴施排肥器在工作時(shí)依靠液壓系統(tǒng)的壓力以及自身重力完成扎穴入土工作。在整機(jī)設(shè)計(jì)中，需要將排肥器置于行走裝置后方以平衡穴施機(jī)行走過(guò)程中產(chǎn)生的后傾危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)的杠桿結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 穴施排肥器杠桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Structural diagram of hole fertilization

AB為穴施排肥器入土前杠桿初始位置，A端受液壓裝置驅(qū)動(dòng)，B端為穴施排肥器中心。液壓裝置驅(qū)動(dòng)杠桿繞O順時(shí)針旋轉(zhuǎn)使穴施排肥器產(chǎn)生向下位移，垂直位移應(yīng)與扎穴深度相同。假設(shè)A′B′為完成扎穴運(yùn)動(dòng)后的杠桿位置，此時(shí)應(yīng)滿足幾何關(guān)系

(8)

Δy=fsin(θ+γ)-fsinθ

(9)

式中a——液壓桿初始長(zhǎng)度，mm

Δl——液壓桿拉伸長(zhǎng)度，mm

e——液壓桿固定端距旋轉(zhuǎn)中心長(zhǎng)度，mm

c——杠桿液壓端長(zhǎng)度，m

f——杠桿穴施排肥器端長(zhǎng)度，mm

θ——杠桿與旋轉(zhuǎn)中心平面初始夾角，(°)

γ——旋轉(zhuǎn)角位移，(°)

結(jié)合上述分析和整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 穴施排肥器受力分析Fig.9 Stress analysis of hole fertilizer applicator

滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求的同時(shí)，液壓系統(tǒng)也應(yīng)提供足夠的動(dòng)力使穴施排肥器完成扎穴。在不考慮機(jī)具本身質(zhì)量的情況下，根據(jù)扎土壓力對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行受力分析得出

(10)

(11)

式中F——液壓系統(tǒng)提供的壓力，N

Fx——扎土壓力，N

P——液壓系統(tǒng)載荷，MPa

d——液壓桿直徑，mm

3 性能仿真分析

3.1 成穴性能分析

為了分析成穴性能，基于Abaqus軟件構(gòu)建穴施機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，分析成穴器受力情況和入土效果[13]。將穴施排肥器三維模型導(dǎo)入Abaqus軟件，土壤模型使用900 mm×200 mm×100 mm長(zhǎng)方體模擬，成穴器底面與土壤間隔5 mm作為余量，保證底面不與土壤接觸；成穴器材料為40Cr，穴施排肥器前后端蓋為PC通用材料，土壤密度2.68 g/cm3，土壤膨脹角由彈塑性法標(biāo)定，Drucker Prager硬化類型為壓縮，土壤模型參數(shù)[14]設(shè)置如表1所示。穴施排肥器運(yùn)動(dòng)設(shè)置沿X軸負(fù)方向以2 m/s移動(dòng)，并產(chǎn)生繞Z軸沿順時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)動(dòng)。在穴施排肥器中心建立與穴施排肥器幾何模型耦合的參考點(diǎn)，對(duì)其施加X(jué)軸負(fù)向速度模擬拖動(dòng)效果，并釋放Z軸旋轉(zhuǎn)自由度。土壤沿Z軸兩側(cè)平面設(shè)置對(duì)稱約束，沿X軸兩側(cè)平面設(shè)置全自由度約束。穴施排肥器和土壤都采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元C3D8R，對(duì)土壤進(jìn)行沙漏能增強(qiáng)和網(wǎng)格加密，劃分后的裝配體網(wǎng)格如圖10所示，共包含517 237個(gè)單元，649 102個(gè)結(jié)點(diǎn)，其中土壤含有281 250個(gè)網(wǎng)格單元。采用Abaqus動(dòng)力顯式分析步模擬大位移問(wèn)題。

為了提高運(yùn)算速度，在分析步中對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行局部質(zhì)量放大，該模型主要研究對(duì)象為土壤成穴情況和成穴器受力情況，因此對(duì)穴施排肥器滾輪網(wǎng)格進(jìn)行放大，采用固定穩(wěn)定增量時(shí)間方法，將穩(wěn)定增量時(shí)間放大為3×10-5s。在Abaqus顯式分析中，前期設(shè)置了網(wǎng)格沙漏能控制單元，為了評(píng)估該控制是否得到了理想的響應(yīng)，提出沙漏能(ALLAE)與內(nèi)能(ALLIE)比值判斷法，圖11是能量比值仿真結(jié)果，當(dāng)仿真結(jié)果小于0.05時(shí)，說(shuō)明沙漏能控制良好，仿真結(jié)果可以使用。由圖11可知，仿真結(jié)果均在0.05以內(nèi)，且逐漸趨于穩(wěn)定。

表1 土壤參數(shù)Tab.1 Soil parameters

圖10 穴施排肥器-土壤裝配體網(wǎng)格Fig.10 Hole applicator-soil finite element model

圖11 沙漏能內(nèi)能比變化曲線Fig.11 Change curve of ratio of hourglass energy and internal energy

在仿真時(shí)間內(nèi)，穴施排肥器在模型土壤上成穴3個(gè)，成穴效果如圖12所示。

圖12 穴施排肥器成穴效果圖Fig.12 Effect diagram of hole forming of hole fertilizer applicator

由圖12可以看出，成穴器均可完成成穴過(guò)程，在后處理中對(duì)扎穴后的土壤切割，如圖13所示，Q點(diǎn)為仿真穴坑最低點(diǎn)；O點(diǎn)為Q點(diǎn)豎直方向與土壤平面的交點(diǎn)；P點(diǎn)為相鄰穴坑最低點(diǎn)豎直方向與土壤平面交點(diǎn)。經(jīng)過(guò)測(cè)量3個(gè)穴坑的OQ長(zhǎng)度平均值為85 mm，OP長(zhǎng)度平均值為210 mm。

圖13 穴施排肥器成穴剖視圖Fig.13 Hole forming section of hole fertilizer applicator

在Abaqus后處理中提取扁嘴型成穴器底面受力，以穴施機(jī)扎出的第1個(gè)穴坑為例，扎穴阻力如圖14所示。

圖14 扎穴阻力變化曲線Fig.14 Change curve of resistance of acupoint

由圖14可知，阻力最大為162.4 N。0.05 s左右成穴器開(kāi)始接觸土壤；在0.12 s成穴器頂點(diǎn)達(dá)到最低位置，成穴器在此時(shí)達(dá)到入土阻力最大值；在0.2 s之后的短時(shí)間內(nèi)依然持續(xù)對(duì)土壤產(chǎn)生漸增的壓力；約0.22 s成穴器離開(kāi)土壤，完全脫離地面后阻力為0。

為明確入土阻力，以成穴器研究為對(duì)象，采用位移傳感器和壓力傳感器等設(shè)備，試驗(yàn)測(cè)量成穴器扎土深度與壓力關(guān)系，采集現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示。

圖15 入土阻力采集現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.15 Ground resistance collection site map

圖16 入土阻力與入土深度關(guān)系曲線Fig.16 Relationship curve between soil resistance and soil depth

研究表明[15]，土壤在0～100 mm段可視為彈性變形階段，成穴器在土壤中入土阻力如圖16所示，由于成穴器頂端橫截面積小，末端橫截面積大，所受的土壤阻力線性增大。入土阻力曲線上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的扎穴深度時(shí)，受力最大，并到達(dá)峰值后受力極速下降。根據(jù)本次入土阻力試驗(yàn)并結(jié)合成穴器入土動(dòng)力學(xué)仿真可以判斷，入土阻力小于200 N，考慮計(jì)算分析誤差及穴施機(jī)在不同環(huán)境下保持穩(wěn)定工作，液壓機(jī)構(gòu)按照1.5倍入土阻力進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)公式(11)求解得出P=2.6 MPa，因此選定液壓系統(tǒng)的最大載荷為10 MPa，確保穴施排肥器能順利完成扎入工作。

3.2 排肥性能分析

為了探究穴施排肥器的排肥性能，應(yīng)用EDEM軟件對(duì)滾輪式穴施排肥器工作部件與土壤接觸的肥料的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬分析[16]。構(gòu)建的幾何模型及顆粒工廠如圖17所示，涉及的參數(shù)[17-19]如表2所示。仿真時(shí)，選擇Hertz-Mindin(no slip) 接觸模型作為肥料顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型。在排肥器與肥箱結(jié)合處創(chuàng)建虛擬種子工廠，肥料顆粒生成模塊定義為Virtual，肥料顆粒在重力作用下落下。仿真時(shí)，添加上層土壤27 000粒，下層土壤110 000粒，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為8 s(其中前0.2 s為落粒子時(shí)間，0.4 s時(shí)靜置粒子并生成bond鍵，1 s時(shí)滾輪式成穴器開(kāi)始運(yùn)動(dòng))。在穴施排肥器模型中添加肥料數(shù)量30 000粒，并分別設(shè)置作業(yè)速度1、1.5、2 m/s進(jìn)行穴施肥作業(yè)。

圖17 幾何模型及顆粒工廠Fig.17 Geometric model and particle factory

表2 仿真模型材料接觸參數(shù)Tab.2 Simulation model material contact parameters

不同作業(yè)速度下，成穴器旋轉(zhuǎn)端工作時(shí)間仿真結(jié)果如表3所示，其時(shí)間間隙均規(guī)律增長(zhǎng)。由圖18可得：在不同作業(yè)速度下，成穴器運(yùn)動(dòng)的時(shí)間線性變化。直線的斜率是成穴器的運(yùn)動(dòng)頻率，直接反映穴施機(jī)作業(yè)效率。成穴器的運(yùn)動(dòng)頻率與整機(jī)工作速度相關(guān)，當(dāng)作業(yè)速度為1.5 m/s時(shí)，其斜率接近作業(yè)速度1 m/s時(shí)的斜率，但作業(yè)速度2 m/s時(shí)，其斜率明顯小于1.5 m/s。

表3 旋轉(zhuǎn)端成穴器工作時(shí)間Tab.3 Working time of rotating end hole generator s

圖18 不同速度時(shí)成穴器運(yùn)動(dòng)時(shí)間Fig.18 Movement time of acupoint generator at different speeds

設(shè)成穴器完成一穴的施肥時(shí)間為T(mén)，圖19為一穴作業(yè)效果圖。為了研究不同作業(yè)速度下滾輪式穴施排肥器拋土特性，建立速度監(jiān)測(cè)單元測(cè)量同一穴不同工況下粒子平均速度，如圖20所示，當(dāng)作業(yè)速度為2 m/s時(shí)，粒子平均速度可達(dá)55 mm/s，且監(jiān)測(cè)單元粒子平均速度隨作業(yè)速度的增大而增大。通過(guò)建立質(zhì)量監(jiān)測(cè)單元[20-21]測(cè)量扎穴口堆積土壤的質(zhì)量，結(jié)果如圖21所示，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，不同作業(yè)速度下，由于前兩穴穴施排肥器剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，拋出土壤質(zhì)量未呈現(xiàn)規(guī)律，從第3穴到第6穴，拋出土壤質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，速度越低，堆積的土壤質(zhì)量越小，作業(yè)速度1 m/s時(shí)，拋土質(zhì)量最低僅142 g。通過(guò)監(jiān)測(cè)擾動(dòng)土壤的平均速度及扎穴口土壤質(zhì)量，可以判斷速度越小，對(duì)土壤擾動(dòng)也越小。

圖19 穴施作業(yè)效果圖Fig.19 Effect drawings of cave construction

圖20 擾動(dòng)土壤平均速度變化曲線Fig.20 Average velocity changing curves of disturbed soil

圖21 土壤質(zhì)量變化曲線Fig.21 Soil qualitychanging curves

圖22 穴施量測(cè)定示意圖Fig.22 Cave application collection

圖22通過(guò)離散元后處理模塊建立質(zhì)量監(jiān)測(cè)單元測(cè)算出每穴的肥料質(zhì)量，圖23為不同作業(yè)速度下的施肥量。不同作業(yè)速度下，前一穴獲得穴施肥量的時(shí)間與后一穴獲得穴施肥量時(shí)間重疊，這是由于建立的單元是相互獨(dú)立的個(gè)體，穴施排肥器工作時(shí)，滾動(dòng)前進(jìn)，不同的成穴器的工作是互不干擾的。通過(guò)3組數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，以1 m/s作業(yè)時(shí)穴施肥量穩(wěn)定在13 g，最大穴施肥量為13.2 g，最小穴施量為12.6 g，變異系數(shù)為5.5%，符合設(shè)計(jì)要求；1.5 m/s時(shí)穴施肥量穩(wěn)定在9 g，最大穴施肥量為9.2 g，最小穴施肥量為7.9 g，變異系數(shù)為1.6%，符合設(shè)計(jì)要求；2 m/s作業(yè)時(shí)穴施肥量最大值與最小值波動(dòng)較大，且穴施肥量不滿足7～12 g，不符合設(shè)計(jì)要求。

圖23 不同速度時(shí)穴施肥量變化曲線Fig.23 Variation curves of hole application rate at different speeds

4 田間試驗(yàn)

2020年1月15日在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程園和安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園分別開(kāi)展排肥量試驗(yàn)和田間模擬試驗(yàn)。由于該季節(jié)沒(méi)有玉米，按照農(nóng)藝要求，采用模擬玉米植株開(kāi)展試驗(yàn)，玉米行距600 mm，株距200 mm，每行20株玉米；試驗(yàn)采用含硫加鉀控緩釋尿素。試驗(yàn)時(shí)參照GB/T 20346.2—2006《施肥機(jī)械 試驗(yàn)方法 第2部分：行間施肥機(jī)》、NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》方法開(kāi)展。

4.1 排肥量試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，將施肥機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，驅(qū)動(dòng)輪置于驅(qū)動(dòng)裝置上，用實(shí)際作業(yè)速度驅(qū)動(dòng)施肥機(jī)，使施肥機(jī)按沒(méi)有打滑情況下的理論前進(jìn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)，建立外廓尺寸為500 mm×500 mm、最小深度為150 mm的肥料收集器。試驗(yàn)時(shí)，穴施機(jī)以1.5 m/s作業(yè)速度工作，稱取肥料收集器中肥料，每次試驗(yàn)測(cè)定5次，持續(xù)時(shí)間為30 s,試驗(yàn)進(jìn)行5組，結(jié)果如表4所示。

表4 排肥量試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果Tab.4 Test results of fertilizer discharge

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，平均穴施肥量為

(12)

式中Di——單次平均穴施肥量，g

穴施肥量偏差為

(13)

式中Dmax——單次平均穴施肥量最大值，g

Dmin——單次平均穴施肥量最小值，g

經(jīng)計(jì)算ε=11.2%。

施肥均勻性變異系數(shù)為

(14)

式中S——標(biāo)準(zhǔn)差,g

經(jīng)計(jì)算Z=4.17%。

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，在以1.5 m/s的作業(yè)速度工作時(shí)，平均穴施肥量9.01 g，平均值偏差為11.2%，施肥均勻性變異系數(shù)為4.17%。與離散元仿真最大穴施肥量相對(duì)誤差為2.1%，最小穴施肥量相對(duì)誤差為12.3%。參照農(nóng)藝要求，試驗(yàn)結(jié)果與離散元仿真結(jié)果相結(jié)合，在保證機(jī)具作業(yè)可靠性的前提下，為提高機(jī)具的作業(yè)效率，通過(guò)數(shù)值模擬仿真和試驗(yàn)可以確定，作業(yè)速度為1.5 m/s時(shí)，滿足玉米中期追肥作業(yè)要求。

4.2 施肥深度合格率測(cè)定

按照農(nóng)藝要求，玉米施肥深度需達(dá)到8 cm，即當(dāng)施肥深度大于等于8 cm時(shí)，施肥深度合格，反之即為不合格。因此施肥深度合格率可定義為取樣施肥深度合格株數(shù)與取樣玉米株數(shù)的百分比。在進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)其施肥深度進(jìn)行測(cè)定，用1.5 m/s的作業(yè)速度進(jìn)行施肥深度合格率試驗(yàn)，在圖24中B側(cè)往返作業(yè)3次，分別測(cè)其施肥深度，并記錄其實(shí)際合格施肥深度的株數(shù)，每次測(cè)試完成后，試驗(yàn)人員需加土踩實(shí)扎穴施肥處。施肥深度合格率為

圖24 田間試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.24 Field trial photos

(15)

式中K——施肥深度合格率，%

KH——實(shí)際合格株數(shù)

KQ——取樣玉米株數(shù)，為120

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，以1.5 m/s的作業(yè)速度實(shí)際作業(yè)時(shí)，施肥深度合格率為92%，施肥深度變異系數(shù)為 6.57%。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種滾輪式穴施排肥器，闡述了其結(jié)構(gòu)組成和工作原理，確定了滾輪式穴施排肥器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)?；贏baqus建立了滾輪式穴施排肥器動(dòng)力學(xué)模型，利用有限元法分析成穴器扎穴阻力，選定液壓系統(tǒng)最大載荷為10 MPa；利用離散元法分析不同速度下的拋土特性，分析得出，成穴器對(duì)土壤的擾動(dòng)隨前進(jìn)速度的增大而增大；通過(guò)穴施肥量分析，確定1.5 m/s作業(yè)速度符合要求，最大穴施肥量9.2 g，最小穴施肥量7.9 g，變異系數(shù)為1.6%。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)滾輪式穴施排肥器以速度1.5 m/s作業(yè)時(shí)，平均穴施肥量9.01 g，穴施肥量偏差為11.2%，施肥均勻性變異系數(shù)為4.17%。與離散元仿真最大穴施量的相對(duì)誤差為2.1%，最小穴施量相對(duì)誤差為12.3%，誤差在13%以內(nèi)。實(shí)際作業(yè)時(shí)，施肥深度合格率92%，施肥深度變異系數(shù)6.57%，滿足玉米中期追肥作業(yè)要求。