基于顆粒肥料運(yùn)動(dòng)模型的排肥器優(yōu)化與試驗(yàn)

劉曉東 胡 瑞 王登輝 盧 邦 王萬超 丁幼春

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

中國油菜種植面積居世界前列，常年種植面積約660 hm2，且85%集中在長江流域稻油輪作區(qū)，為我國食用油供給安全提供了重要保障[1]。精量合理施肥是降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平、減輕環(huán)境污染壓力的重要途徑[2-3]。

施肥方式主要有以外槽輪排肥器為主的條施和以離心圓盤排肥器為主的撒施。外槽輪式排肥器是目前國內(nèi)油菜播種采用的主要施肥裝置，同時(shí)國內(nèi)學(xué)者也對(duì)外槽輪排肥性能的影響機(jī)制展開了大量研究[4-8]。高麗萍等[9]構(gòu)建了不同傾斜工況下的肥料顆粒在外槽輪排肥器內(nèi)的動(dòng)力學(xué)模型，分析了機(jī)具動(dòng)態(tài)傾斜對(duì)肥料顆粒流動(dòng)特性的影響，為油菜播種同步施肥性能優(yōu)化提供了參考；施印炎等[10]建立了外槽輪式變量施肥機(jī)離散元模型，并對(duì)改進(jìn)后的外槽輪排肥器進(jìn)行了仿真分析，提高了排肥穩(wěn)定性；何亞凱等[11]設(shè)計(jì)了一種氣力輸送式多行集排追肥機(jī)，排肥性能滿足了作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；楊慶璐等[12]為提高肥料分配的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種基于外槽輪排肥器的氣力集排式分層施肥調(diào)節(jié)裝置；祝清震等[13]研究了槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)直槽輪式排肥器排肥性能的影響，為槽輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了參考。

離心式排肥器由于其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、作業(yè)幅寬大、撒肥均勻性好被廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)撒肥裝置和顆粒肥料在裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)開展了大量研究[14-20]。呂金慶等[21-22]設(shè)計(jì)了一種錐盤式撒肥裝置，通過理論分析和仿真試驗(yàn)確定了撒肥裝置的最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)一步提高了肥料拋撒均勻性；楊立偉等[23]采用三因素三水平和單因素試驗(yàn)分析了離心圓盤撒肥機(jī)排肥均勻性，為田間變量作業(yè)提供了基礎(chǔ)。但目前基于離心式的集排多路排肥裝置研究較少，離心撒肥均勻性的優(yōu)勢(shì)未能得到拓展應(yīng)用，劉曉東等[24-25]設(shè)計(jì)了一種螺旋擾動(dòng)防堵、錐體圓盤離送形式組合的集排式排肥器并取得了初步成效。為進(jìn)一步提高排肥性能，本文基于顆粒肥料在排肥器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模型，應(yīng)用仿真軟件對(duì)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行離散元仿真分析，探究各參數(shù)對(duì)排肥性能的影響，優(yōu)化參數(shù)并進(jìn)行性能驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為油菜播種施肥機(jī)械的研究設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

螺旋擾動(dòng)錐體離心式排肥器主要由上殼體、下殼體、弧形錐體圓盤等組成，安裝在2BYQ-8型油菜直播機(jī)上，排肥器上殼體通過法蘭盤與肥箱出肥口相連，上殼體與下殼體通過螺栓連接，弧形錐體圓盤與安裝在下殼體上的軸承配合，同時(shí)為提高排肥器排量，將上殼體內(nèi)出肥口設(shè)計(jì)為方形，增加出肥流量，圖1中黃線構(gòu)成的區(qū)域?yàn)轭w粒肥料的流通區(qū)域。工作時(shí)，肥箱內(nèi)的顆粒肥料通過肥箱落肥口進(jìn)入排肥器，在螺旋擾動(dòng)杯的卷攜擾動(dòng)和弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)離送作用下，顆粒肥料從排肥管排出。排肥器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 顆粒肥料運(yùn)動(dòng)分析及排肥器參數(shù)設(shè)計(jì)

肥料在排肥器內(nèi)運(yùn)動(dòng)主要包括螺旋擾動(dòng)杯的卷攜擾動(dòng)、弧形錐體圓盤的均勻分配以及離送錐盤的離送等過程，其均肥和離送過程是影響排肥器排肥均勻性和穩(wěn)定性的主要環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步提高排肥性能，各環(huán)節(jié)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)尚需優(yōu)化改進(jìn)。

2.1 顆粒肥料在弧形錐體圓盤上

顆粒肥料在排肥器內(nèi)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，短時(shí)間內(nèi)需要經(jīng)過多個(gè)部件，其在弧形錐體圓盤上主要包含經(jīng)過光滑的弧形錐體圓盤面所在螺旋擾動(dòng)作用區(qū)的錐頂面、螺旋擾動(dòng)杯和弧形錐體圓盤束口以及隨布置的8個(gè)與徑向呈一定夾角的離心推板約束下沿弧形錐體圓盤面的運(yùn)動(dòng)，其錐盤母線是影響各運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的主要因素。

顆粒肥料在螺旋擾動(dòng)杯的卷攜擾動(dòng)及一直處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的弧形錐體圓盤錐頂?shù)淖饔孟戮鶆蚍稚⒃阱F頂四周，并進(jìn)一步向排肥器邊緣移動(dòng)。顆粒肥料在向下運(yùn)動(dòng)過程中受力較為復(fù)雜，主要受到弧形錐體圓盤的支持力及摩擦力、上端肥料群的壓力、側(cè)邊肥料群的阻力和下端肥料群的支持力等的相互作用，構(gòu)成弧形錐體圓盤面的母線是影響肥料下移運(yùn)動(dòng)的主要因素，其弧面形狀直接影響肥料下移速度及下移功耗。根據(jù)螺旋擾動(dòng)弧形錐體圓盤結(jié)構(gòu)形式，假設(shè)肥料為等粒度顆粒，則其以弧形錐盤軸線為圓心，位于相同半徑處的顆粒肥料受到的力是相同的，將弧形錐體圓盤進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取位于弧形錐體圓盤面點(diǎn)O處的顆粒肥料作為研究對(duì)象，以點(diǎn)O處弧形錐體圓盤母線切線為y軸指向下方，以顆粒肥料受到的支持力方向?yàn)閤軸，以顆粒肥料受到的垂直于Oxy面向右的摩擦力方向?yàn)閦軸，其受力如圖2所示。

為使顆粒肥料均勻分散在錐頂四周，即確保顆粒肥料沿弧形錐體圓盤均勻分肥的條件是在各力的合力作用下，沿錐體表面快速下滑，則根據(jù)受力分析建立顆粒肥料下移的受力方程為

(1)

式中FN——弧形錐體圓盤對(duì)顆粒肥料支持力，N

G——顆粒肥料重力，N

Fg——顆粒肥料受到上端肥料群的壓力，N

Fl——顆粒肥料受到的慣性離心力，N

f——顆粒肥料與弧形錐體圓盤之間的摩擦力，N

f1——摩擦力在x軸上的分力，N

f2——摩擦力在y軸上的分力，N

Ff——顆粒肥料受到錐盤的摩擦力，N

μ——?jiǎng)幽Σ烈驍?shù)

Ft——顆粒肥料受到下端肥料群的支持力，N

m——顆粒肥料質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

ω——弧形錐體圓盤角速度，rad/s

r——顆粒肥料與弧形錐體圓盤軸線距離，mm

α——顆粒肥料在弧形錐體圓盤母線點(diǎn)O處的切線與水平面夾角，(°)

H0——弧形錐體圓盤高度，mm

R0——弧形錐體圓盤底圓半徑，mm

根據(jù)式(1)可得

(2)

由式(2)可知，當(dāng)排肥器尺寸確定后，弧形錐體圓盤的轉(zhuǎn)速對(duì)分肥均勻性具有影響，為獲得低損、低耗及較好的分肥均勻性，需保證弧形錐體圓盤在低轉(zhuǎn)速下完成穩(wěn)定均勻排肥。

假設(shè)α為定值，則隨顆粒肥料與弧形錐體圓盤軸線距離r的增加，弧形錐體圓盤角速度ω在較小時(shí)即可滿足肥料的排出要求，但在顆粒肥料與弧形錐體圓盤軸線距離r較小時(shí)，需要較高的角速度才能滿足肥料的排出要求；若r較小時(shí)，此時(shí)，若α較大時(shí)，弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)速較低時(shí)也能實(shí)現(xiàn)肥料排出，根據(jù)上述分析，所設(shè)計(jì)的弧形錐體圓盤母線從錐盤邊緣處到錐頂處的切線與水平面的夾角需逐漸增加，且在無外力作用下，顆粒肥料從錐頂運(yùn)動(dòng)到錐盤邊緣的時(shí)間越短越好，可保證顆粒肥料快速將肥室充滿，形成穩(wěn)定的顆粒流從排肥器排出，增加排肥器的穩(wěn)定性。課題組前期設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)拋物面形式的弧形錐體圓盤[24]，其上顆粒肥料從頂端向下端的運(yùn)動(dòng)并不是最快的，而根據(jù)費(fèi)馬定理求解最速降線的原理可知，顆粒肥料從弧形錐體圓盤頂端向下端運(yùn)動(dòng)存在最速降線，所設(shè)計(jì)的弧形錐體圓盤母線可近似為最速降線，最速降線即擺線，顆粒肥料可以快速向下運(yùn)動(dòng)，其完全滿足弧形錐體圓盤母線的設(shè)計(jì)要求，擺線方程為

(3)

式中θ——圓的半徑所經(jīng)過的角度，rad

在保證設(shè)計(jì)的弧形錐體圓盤錐頂位置和錐盤直徑不變的情況，將x值和y值[24]代入式(3)得

(4)

利用Matlab軟件解得弧形錐體圓盤的母線方程為

(5)

通過初步仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后的弧形錐體圓盤較課題組前期設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)拋物面形式的弧形錐體圓盤排肥效果均有所提升。

2.2 顆粒肥料在錐盤上

顆粒肥料在擾動(dòng)杯卷攜擾動(dòng)及離心作用下經(jīng)弧形錐體圓盤順利進(jìn)入各肥室后，在離送推板及離心力作用下經(jīng)錐盤從排肥口排出，但顆粒肥料在錐盤離送過程中各因素對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律需進(jìn)一步通過理論分析確定，為排肥器參數(shù)優(yōu)化提供支撐。

為便于分析，忽略顆粒肥料之間的相互作用，則顆粒肥料在錐盤和離送推板上受力如圖3所示，以錐盤和弧形錐體圓盤母線交點(diǎn)旋轉(zhuǎn)構(gòu)成的圓面圓心O為原點(diǎn)，構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系Oxyz和Ox′y′z′，x軸平行于推板從弧形錐體圓盤軸心指向外緣，y軸于水平面內(nèi)與x軸垂直，z軸垂直于Oxy面指向弧形錐體圓盤頂端；x′軸平行于推板，與水平面呈δ角的錐盤離送段向外，z′軸垂直于Ox′y′面指向弧形錐體圓盤上方。

根據(jù)顆粒肥料在錐盤上的受力分析，建立顆粒肥料受力方程為

FCcosδcosγ-Ff-Gsinδcosγ=F

(6)

式中FC——顆粒肥料受到的離心力，N

F——顆粒肥料受到的合力，N

δ——錐盤離送段水平傾角，(°)

γ——推板徑向偏角，(°)

顆粒肥料受到錐盤的摩擦力為顆粒肥料與錐盤之間的摩擦力和顆粒肥料與推板之間的摩擦力之和，則有

Ff=fZ(Gcosδ+FCsinδ)+ft(Gsinδsinγ+Fk-FCsinγ)

(7)

式中fZ——顆粒肥料與錐盤之間的摩擦因數(shù)

ft——顆粒肥料與推板之間的摩擦因數(shù)

Fk——顆粒肥料受到的科里奧利力，N

顆粒肥料受到的重力為

G=mg

(8)

顆粒肥料受到的離心力為

FC=mω2r

(9)

顆粒肥料受到的科里奧利力為

(10)

將式(7)～(10)代入式(6)有

(11)

式(11)中包含了坐標(biāo)系Oxyz和Ox′y′z′中的變量，因此需將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo)系表示式(11)，根據(jù)圖3可得顆粒肥料在錐盤上位移x為

(12)

根據(jù)圖3a結(jié)合式(12)有

(13)

式中l(wèi)——推板與圓心的垂直距離，mm

分別求x對(duì)時(shí)間t的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，則有

(14)

(15)

定義參數(shù)A3、A4和A5為

A3=2ftωcosδA1

(16)

A4=ω2(fZsinδ-cosδcosγ-ftsinγ)

(17)

A5=g(sinδcosγ+fZcosδ+ftsinδsinγ)

(18)

將式(14)和式(15)代入式(11)，則有

(19)

根據(jù)上述分析可知，顆粒肥料在錐盤內(nèi)的運(yùn)動(dòng)與錐盤離送段水平傾角δ、錐盤角速度ω以及推板徑向偏角γ有關(guān)。為便于分析，后續(xù)角速度均用角速度轉(zhuǎn)換后的錐盤轉(zhuǎn)速n代替。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

錐盤離送段水平傾角δ受顆粒肥料的休止角及排肥盤轉(zhuǎn)速影響，根據(jù)文獻(xiàn)[24]可知，錐盤離送段水平傾角δ≤35°，其最大值可根據(jù)顆粒肥料排出的必要條件求得，即

(20)

式中R——錐盤谷點(diǎn)到圓心的距離，mm

θ′——顆粒肥料的自然休止角，(°)

根據(jù)油菜施肥量的要求，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為3.6 km/h、機(jī)具排肥行數(shù)為8行(幅寬2.3 m)，結(jié)合文獻(xiàn)[24]中不同錐盤轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的行供肥速率，則錐盤轉(zhuǎn)速為130 r/min時(shí)可滿足525 kg/hm2的較高施肥量要求，此時(shí)可得錐盤離送段水平傾角δ為24°，且當(dāng)錐盤轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)可滿足大部分油菜低速直播施肥量需求。

設(shè)計(jì)的推板與徑向呈一定偏角γ，是為保證顆粒肥料從排肥器內(nèi)排出時(shí)減少與推板的摩擦，偏角越大越有利于顆粒肥料的排出，但當(dāng)偏角過大時(shí)，進(jìn)入肥室的通道變窄影響顆粒肥料的順利排送，且無法滿足排肥器排肥管的最大流量需求。將錐盤簡(jiǎn)化如圖4所示，CD為顆粒肥料通過的最小通道的水平距離，需滿足

(21)

式中h——推板高度，取25 mm

xC、yC——點(diǎn)C的橫、縱坐標(biāo)，mm

xD、yD——點(diǎn)D的橫、縱坐標(biāo)，mm

R3——排肥管內(nèi)半徑，取10 mm

由圖4可知，通過構(gòu)建半徑為R1的圓的方程與直線BC的方程聯(lián)立，求得點(diǎn)C坐標(biāo)為

(22)

將式(22)求得的點(diǎn)C坐標(biāo)值代入直線CD與直線AD的聯(lián)立方程組

(23)

可求得點(diǎn)D坐標(biāo)值，將點(diǎn)C、D坐標(biāo)值代入式(21)可得γ≤16°。

3 排肥器結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化與分析

顆粒肥料在錐盤內(nèi)的運(yùn)動(dòng)直接決定排肥器的排肥穩(wěn)定性和均勻性，根據(jù)上述分析，應(yīng)用EDEM仿真分析軟件分析錐盤離送段水平傾角、錐盤轉(zhuǎn)速及推板徑向偏角對(duì)排肥性能的影響，探究排肥器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

以排肥器排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)CV1、各行排肥量一致性變異系數(shù)CV2、同行排肥量一致性變異系數(shù)CV3最小為優(yōu)化目標(biāo)，令設(shè)計(jì)變量X=(δ，n，γ)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際加工精度，建立排肥器優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

(24)

顆粒肥料在排肥器內(nèi)受到肥料之間的擠壓、摩擦以及顆粒與排肥器的摩擦等作用，難以通過理論分析建立目標(biāo)函數(shù)，通過離散元仿真分析軟件模擬顆粒肥料在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)排肥器下的排肥性能，以排肥器錐盤離送段水平傾角、錐盤轉(zhuǎn)速以及推板徑向偏角為試驗(yàn)因素，以不同時(shí)段的總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)CV1、各排肥管道排出肥料的一致性變異系數(shù)CV2和隨機(jī)選取的某一路排肥管道的同行排肥量一致性變異系數(shù)CV3作為響應(yīng)指標(biāo)，開展二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，應(yīng)用Design-Expert軟件分析各參數(shù)對(duì)排肥性能的影響，建立排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排肥量一致性變異系數(shù)及同行排肥量一致性變異系數(shù)與各參數(shù)之間的回歸方程，用于排肥器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

3.2 模型建立

將排肥器模型分為上殼體和螺旋擾動(dòng)錐體圓盤兩個(gè)模塊，材料均為高精度ABS樹脂[25]，采用SolidWorks按照1∶1的比例構(gòu)建，為確保模擬真實(shí)排肥場(chǎng)景，設(shè)置顆粒肥料生成量為50 000粒，總仿真時(shí)間為13 s，仿真模型如圖5所示。由于顆粒肥料為類球形散粒體，顆粒表面無黏附作用，因此選擇Hertz-Mindlin (no-slip)無滑動(dòng)接觸模型[19]，同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)[25-26]，顆粒肥料-顆粒肥料、顆粒肥料-排肥器的接觸參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameters setting

3.3 仿真試驗(yàn)與分析

3.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為保證顆粒肥料靜止于排肥器內(nèi)，螺旋擾動(dòng)錐體圓盤1 s后開始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為12 s，每3 s取一次該時(shí)段內(nèi)的排肥管排出的肥料質(zhì)量。為獲得各排肥管道排肥量及總排肥量，在EDEM仿真分析軟件后處理Setup Selections模塊中分別添加8個(gè)位于各排肥管出口平行于水平面的方形Grid Bin Group網(wǎng)格箱體，統(tǒng)計(jì)各排肥管道排肥質(zhì)量。根據(jù)排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，確定錐盤離送段水平傾角δ為24°～35°、錐盤轉(zhuǎn)速n為100～130 r/min、推板徑向偏角γ為0°～16°，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 因素編碼Tab.2 Factors and codes in experiments

3.3.2結(jié)果分析與回歸模型建立

根據(jù)三因素三水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案，共進(jìn)行17組試驗(yàn)，得到如表3所示的試驗(yàn)結(jié)果，X1、X2、X3為因素編碼值，利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，得到排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)CV1和各行排肥量一致性變異系數(shù)CV2的回歸方程，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

(1)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)CV1的顯著性分析

對(duì)二次回歸模型進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)的方差分析如表4所示，將不顯著項(xiàng)剔除，得到排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)的二次回歸模型為

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test scheme and result

表4 CV1回歸方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation

(25)

根據(jù)表4可知，二次回歸模型P<0.01極顯著，失擬項(xiàng)P>0.05失擬不顯著，說明擬合模型能正確反映各因素與誤差之間的關(guān)系，可以較好地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。主因素中錐盤轉(zhuǎn)速n對(duì)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)CV1影響最顯著，交互項(xiàng)中水平傾角δ和徑向偏角γ對(duì)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)CV1影響最大，根據(jù)模型回歸系數(shù)可知，各因素對(duì)CV1的影響由大到小依次為X3、X2、X1。

(2)各行排肥量一致性變異系數(shù)CV2的顯著性分析

各行排肥量一致性變異系數(shù)的方差分析如表5所示，剔除不顯著項(xiàng)，得到各行排肥量一致性變異系數(shù)CV2的二次回歸模型為

CV2=3.32+0.38X2-1.23X3+0.18X1X2+ (26)

(3)同行排肥量一致性變異系數(shù)CV3的顯著性分析

同行排肥量一致性變異系數(shù)CV3的方差分析如表6所示，同行排肥量一致性變異系數(shù)CV3的二次回歸模型為

(27)

由表6可知，擬合模型能正確反映各因素與誤差之間的關(guān)系，可以較好地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)模型回歸系數(shù)可知，各因素對(duì)CV3的影響由大到小依次為X3、X2、X1。

表6 CV3回歸方差分析Tab.6 Variance analysis of regression equation

3.3.3響應(yīng)面分析

利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將任一因素固定在零水平，排肥器性能指標(biāo)的雙因素響應(yīng)面圖如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)水平傾角δ取中間值且徑向偏角γ較小時(shí)，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)CV1較??；當(dāng)水平傾角δ固定時(shí)，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)CV1隨排肥器轉(zhuǎn)速n的增加而減小；當(dāng)水平傾角δ取值較大且徑向偏角γ較小時(shí)，各行排肥量一致性變異系數(shù)CV2較?。粡较蚱铅霉潭〞r(shí)，各行排肥量一致性變異系數(shù)CV2隨排肥器轉(zhuǎn)速n的增加而減小；當(dāng)水平傾角δ固定時(shí)，同行排肥量一致性變異系數(shù)CV3隨徑向偏角γ的減小而減小，且當(dāng)水平傾角δ取較大值、徑向偏角γ值較小時(shí)，同行排肥量一致性變異系數(shù)CV3較小。利用Design-Expert軟件中的Optimization-Numerical模塊求得各參數(shù)的最優(yōu)組合為δ=30.4°，γ=3.2°，n=130 r/min，該參數(shù)也驗(yàn)證了排肥器排肥性能隨排肥器轉(zhuǎn)速增加而提升的結(jié)論[24]。

4 排肥性能試驗(yàn)與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證所優(yōu)化排肥器的排肥性能及排肥器在不同轉(zhuǎn)速下的排肥適應(yīng)性，基于排肥器最優(yōu)參數(shù)組合，開展排肥器性能驗(yàn)證試驗(yàn)及不同轉(zhuǎn)速的排量標(biāo)定與排肥性能試驗(yàn)。

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1.1試驗(yàn)條件與方法

以史丹利復(fù)合肥為試驗(yàn)材料，應(yīng)用自制的排肥器性能試驗(yàn)臺(tái)開展試驗(yàn)，排肥器采用高精度光敏樹脂打印，排肥器性能試驗(yàn)臺(tái)如圖7所示。

試驗(yàn)參照NY/T 1143—2006《播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的試驗(yàn)方法，考察排肥器的排肥性能。試驗(yàn)時(shí)首先利用速為激光測(cè)速儀對(duì)帶負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)定，后用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源開關(guān)作為電機(jī)運(yùn)行和停止的按鈕，每次試驗(yàn)排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)30 s，并用接肥盒收集每次試驗(yàn)中排肥管排出的肥料并稱量，每次試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

4.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排肥量一致性變異系數(shù)和行供肥速率與排肥器轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，隨排肥器轉(zhuǎn)速增加，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和各行排肥量一致性變異系數(shù)均下降，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于3.12%，各行排肥量一致性變異系數(shù)不大于5.29%，均較優(yōu)化前指標(biāo)有所提升，且完全滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。行供肥速率與排肥器轉(zhuǎn)速存在明顯的線性關(guān)系，為后期變量施肥提供了理論支撐，行最大供肥速率為1 600 g/min，以播種機(jī)前進(jìn)速度5.5 km/h，機(jī)具作業(yè)幅寬2.3 m，施肥行數(shù)8行為例，該供肥速率可滿足的施肥量為600 kg/hm2，完全滿足油菜施肥量要求[24]。

同行排肥量一致性變異系數(shù)與轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，隨排肥器轉(zhuǎn)速增加，同行排肥量一致性變異系數(shù)有減小趨勢(shì)，但相互之間差異很小，當(dāng)排肥器轉(zhuǎn)速較高時(shí)同行排肥量一致性變異系數(shù)相近且較低，當(dāng)排肥器轉(zhuǎn)速為100 r/min，同行排肥量一致性變異系數(shù)最高，但此時(shí)同行排肥量一致性變異系數(shù)不大于2.05%，說明排肥器排肥穩(wěn)定，滿足排肥質(zhì)量要求。

4.2 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證排肥器在田間復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性，于2021年7月29日在湖北省監(jiān)利市試驗(yàn)示范基地開展田間試驗(yàn)，排肥器田間性能試驗(yàn)如圖10所示。選用2BYQ-8型油菜直播機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，肥料為史丹利復(fù)合肥，采用東方紅LX954-C型拖拉機(jī)慢Ⅳ擋開展試驗(yàn)，拖拉機(jī)蓄電池作為排肥器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源，并利用直流電機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)排肥器轉(zhuǎn)速，開展以排肥器的排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排肥量一致性變異系數(shù)、同行排肥量一致性變異系數(shù)為指標(biāo)，排肥器轉(zhuǎn)速在100～130 r/min，每10 r/min一個(gè)水平，共4個(gè)轉(zhuǎn)速12次試驗(yàn)。根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)知，各行之間同行排肥量一致性變異系數(shù)差異較小，因此僅隨機(jī)選取某一路排肥管道進(jìn)行同行排肥量一致性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表7可知，排肥器各管道之間同行排量一致性變異系數(shù)差異較小，當(dāng)排肥器轉(zhuǎn)速為130 r/min時(shí)，同行排量一致性變異系數(shù)最??；當(dāng)排肥器轉(zhuǎn)速增加時(shí)各行排肥量一致性變異系數(shù)和排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)均減小，當(dāng)排肥器轉(zhuǎn)速較低時(shí)，各行排肥量一致性變異系數(shù)不大于6.98%，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于4.57%，同行排肥量一致性變異系數(shù)不大于3.36%，滿足田間施肥質(zhì)量要求。

表7 田間排肥性能分析Tab.7 Analysis of fertilizing performance in field

5 結(jié)論

(1)通過顆粒肥料在排肥器內(nèi)運(yùn)動(dòng)模型的建立及分析，確定了弧形錐體圓盤的母線方程及影響排肥器性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和范圍。應(yīng)用EDEM離散元仿真軟件，開展了影響排肥性能的三因素三水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，并利用Design-Expert軟件分析了各參數(shù)對(duì)排肥性能的影響規(guī)律，確定了排肥器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為水平傾角30.4°、推板徑向偏角3.2°、錐盤轉(zhuǎn)速130 r/min。

(2)排肥器臺(tái)架試驗(yàn)表明，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于3.12%，各行排肥量一致性變異系數(shù)不大于5.29%，同行排肥量一致性變異系數(shù)不大于2.05%，說明排肥器排肥穩(wěn)定，滿足排肥質(zhì)量要求；行最大供肥速率為1.6 kg/min，滿足油菜施肥量要求。田間試驗(yàn)表明，排肥器的排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于4.57%、各行排肥量一致性變異系數(shù)不大于6.98%、同行排肥量一致性變異系數(shù)不大于3.36%，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，且較排肥器優(yōu)化前排肥性能有所提升，為變精量排肥提供了技術(shù)支撐。