有機(jī)肥立式撒肥裝置拋撒機(jī)理分析與試驗(yàn)

呂金慶，孫玉凱，李忠遠(yuǎn)，齊 鈺，朱明芳，張 航

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

化肥對(duì)于保障糧食穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有重要作用[1]，但長期盲目使用造成農(nóng)產(chǎn)品安全、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重[2]。2015年農(nóng)業(yè)部印發(fā)《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》，提倡機(jī)械化施肥、施用有機(jī)肥，2020年實(shí)現(xiàn)化肥使用量零增長[3]。有機(jī)肥肥效長，可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[4]，為農(nóng)產(chǎn)品生長提供充足養(yǎng)分，有利于提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量[5-6]，但有機(jī)肥密度不均、流動(dòng)性差、容易黏結(jié)成塊、拋撒困難[7-8]。因此，研究一種性能優(yōu)良的有機(jī)肥撒肥機(jī)對(duì)于化肥減施和解決有機(jī)肥拋撒問題具有重要意義。

歐美發(fā)達(dá)國家對(duì)有機(jī)肥撒肥機(jī)研究較早，理論比較成熟[9]，開發(fā)自動(dòng)化程度高、性能可靠的有機(jī)肥撒肥機(jī)，并逐漸向大型化發(fā)展[10]。但國外撒肥機(jī)價(jià)格昂貴，進(jìn)出口手續(xù)繁雜，配件供應(yīng)不及時(shí)，難以在國內(nèi)大面積推廣應(yīng)用。我國有機(jī)肥撒肥機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論研究均處于試驗(yàn)階段，上海世達(dá)爾有限公司生產(chǎn)一種橫軸式廄肥撒肥機(jī)，將碎肥葉片設(shè)計(jì)成鋸齒型，提高有機(jī)肥破碎[11]；南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所馬標(biāo)等通過設(shè)計(jì)撥爪排列方式優(yōu)化橫向破碎裝置，增加有機(jī)肥破碎效果[12]；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)劉宏新等設(shè)計(jì)傾斜對(duì)置圓盤為撒肥部件，優(yōu)化分析圓盤安裝角度，極大提高撒肥幅寬[13]；中機(jī)華豐科技有限公司研發(fā)2F系列有機(jī)肥撒肥機(jī)，采用縱軸螺旋部件拋撒有機(jī)肥，增加撒肥幅寬[14]。我國現(xiàn)有有機(jī)肥撒肥機(jī)多為橫向撒肥機(jī)，采用橫軸碎肥裝置，橫軸式撒肥機(jī)撒肥幅寬小，作業(yè)效率低，不適用于我國北方大田撒肥作業(yè)，故需針對(duì)立式有機(jī)肥撒肥機(jī)結(jié)構(gòu)和相關(guān)理論開展研究。

針對(duì)上述問題，文章建立有機(jī)肥團(tuán)粒在立式撒肥裝置上的運(yùn)動(dòng)模型，分析有機(jī)肥團(tuán)粒受力情況；通過對(duì)拋出后有機(jī)肥團(tuán)粒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定撒肥性能主要影響因素，得出較優(yōu)參數(shù)水平后，田間試驗(yàn)驗(yàn)證作業(yè)效果。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

立式有機(jī)肥撒肥機(jī)由掛接裝置、支撐裝置、輸肥裝置、地輪、肥箱、立式撒肥裝置組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，尾端立式撒肥裝置為撒肥機(jī)關(guān)鍵部件。

圖1 立式有機(jī)肥撒肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Vertical organic fertilizer distributor overall structure

1.2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)

碎肥與撒肥全部由立式撒肥裝置完成，該裝置由左右兩個(gè)撒肥輥組成，左右撒肥輥結(jié)構(gòu)相同，如圖2所示，主要由撒肥盤、拋撒軸、固定梁、力平衡塊、螺旋片、直角撒肥片、碎肥片組成。螺旋片分為3層，總高度為3個(gè)螺距距離，第一層安裝8個(gè)碎肥片，僅用于碎肥，二、三兩層交替安裝碎肥片與直角撒肥片，配合螺旋片碎肥與撒肥。

圖2 立式撒肥裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure drawing of vertical fertilizer plant

1.3 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

工作時(shí)，由傳動(dòng)裝置帶動(dòng)左、右撒肥輥同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，二者轉(zhuǎn)向相反，左撒肥輥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右撒肥輥順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。撒肥輥主要由上、中、下3部分組成，僅安裝碎肥片為上部，主要起切碎作用，切碎后有機(jī)肥通過螺旋片拋撒出去，或通過螺旋片將有機(jī)肥輸送到中部；同時(shí)安裝碎肥片和直角撒肥片為中部，起切碎和拋撒作用；下部撒肥盤接收螺旋片輸送的有機(jī)肥，全部拋撒。撒肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 撒肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of fertilizer spreader

2 有機(jī)肥運(yùn)動(dòng)模型建立

有機(jī)肥被輸送至立式撒肥裝置，首先經(jīng)螺旋片和碎肥片切碎作用，將黏結(jié)成塊有機(jī)肥破碎，破碎后有機(jī)肥充滿立式撒肥裝置，大部分有機(jī)肥經(jīng)螺旋片和直角撒肥片直接拋撒到田間，剩余部分經(jīng)螺旋片輸送至底部撒肥盤，再拋撒。有機(jī)肥與立式撒肥裝置首先發(fā)生碰撞破碎，有機(jī)肥在立式撒肥裝置帶動(dòng)下拋撒。故分析有機(jī)肥團(tuán)粒破碎條件，再分析有機(jī)肥在撒肥裝置上受力情況以確定影響有機(jī)肥運(yùn)動(dòng)因素。

2.1 有機(jī)肥團(tuán)粒破碎條件

本文將有機(jī)肥理想化為質(zhì)量均勻團(tuán)粒，有機(jī)肥團(tuán)粒被輸送至立式撒肥裝置時(shí)，一部分進(jìn)入立式撒肥裝置，在立式撒肥裝置沖擊、推動(dòng)作用下隨立式撒肥裝置運(yùn)動(dòng)，而剩余部分則被立式撒肥裝置其余部分?jǐn)y帶，完成有機(jī)肥破碎。對(duì)有機(jī)肥團(tuán)粒破碎過程作受力分析，受力情況如圖3所示。

以先進(jìn)入立式撒肥裝置的有機(jī)肥質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)系，有機(jī)肥與立式撒肥裝置剛接觸時(shí)，摩擦力為動(dòng)力助其加速，故此時(shí)有機(jī)肥團(tuán)粒破碎條件為：

式中，F(xiàn)-撒肥片對(duì)有機(jī)肥團(tuán)粒的推力（N）；Ff-有機(jī)肥團(tuán)粒受到的摩擦力（N）；F1-有機(jī)肥之間黏附力（N）；G1-進(jìn)入立式撒肥裝置有機(jī)肥團(tuán)粒重力（N）；α-推力F與Z軸夾角（°）；θ-推力F在水平面上分力與X軸夾角（°）。

其中，根據(jù)沖量定理可得：

式中，v-有機(jī)肥團(tuán)粒加速后速度（m·s-1）；Δt-有機(jī)肥加速時(shí)間（s）；ω-螺旋片角速度（rad·s-1）；r-螺旋片半徑（m）。

通過式（1）（2）可知，有機(jī)肥破碎除與自身摩擦特性、黏性和質(zhì)量有關(guān)，還受螺旋片轉(zhuǎn)速、傾斜角度影響。

2.2 有機(jī)肥團(tuán)粒在立式撒肥裝置上的運(yùn)動(dòng)分析

有機(jī)肥團(tuán)粒在螺旋片與撒肥盤上受力情況略有不同，各取一個(gè)任意位置分析，具體見圖4。

圖4 模型建立位置Fig.4 Model setting position

2.2.1 有機(jī)肥團(tuán)粒在螺旋片上的運(yùn)動(dòng)分析

有機(jī)肥團(tuán)粒在螺旋片受力情況如圖5a所示，將其分解到空間坐標(biāo)系中如圖5b所示，其力學(xué)平衡方程為：

圖5 有機(jī)肥團(tuán)粒在螺旋片上的運(yùn)動(dòng)模型Fig.5 Motion model of organic fertilizer aggregates on spiral blades

式中，F(xiàn)N-撒肥片對(duì)有機(jī)肥團(tuán)粒的支持力（N）；FJ1-有機(jī)肥團(tuán)粒受到的離心力（N）；G-有機(jī)肥團(tuán)粒重力（N）；f-有機(jī)肥團(tuán)粒受到的摩擦力（N）；

由式（3）可求得：

式中，ax1-有機(jī)肥團(tuán)粒沿X軸加速度（m·s-2）；ay1-有機(jī)肥團(tuán)粒沿Y軸加速度（m·s-2）；az1-有機(jī)肥團(tuán)粒沿Z軸加速度（m·s-2）；μ-有機(jī)肥團(tuán)粒與螺旋片摩擦系數(shù)；ω-拋撒軸轉(zhuǎn)速（r·min-1）；g-重力加速度（m·s-2）。

將式（4）代入式（5）可求得：

其中，

式中，a1-有機(jī)肥團(tuán)粒在該點(diǎn)所受總加速度（m·s-2）。

由式（6）（7）可知，當(dāng)螺旋片外輪廓直徑一定時(shí)，有機(jī)肥團(tuán)粒在螺旋片上的運(yùn)動(dòng)除與自身質(zhì)量、摩擦系數(shù)有關(guān)外，還受拋撒軸轉(zhuǎn)速、螺旋片傾角影響。

2.2.2 有機(jī)肥團(tuán)粒在撒肥盤上的運(yùn)動(dòng)分析

有機(jī)肥團(tuán)粒在撒肥盤上受力如圖6a所示，將各力分解到空間坐標(biāo)系，如圖6b所示，其力學(xué)平衡方程為：

圖6 有機(jī)肥團(tuán)粒在撒肥盤上的運(yùn)動(dòng)模型Fig.6 Movement model of organic fertilizer pellets on spreading disc

其中，

式中，F(xiàn)N1-圓盤對(duì)有機(jī)肥團(tuán)粒的支持力（N）；FN2-圓盤側(cè)板對(duì)有機(jī)肥團(tuán)粒的支持力（N）；f′-有機(jī)肥團(tuán)粒所受總摩擦力（N）；f1-圓盤對(duì)有機(jī)肥團(tuán)粒的摩擦力（N）；f2-圓盤側(cè)板對(duì)有機(jī)肥團(tuán)粒的摩擦力（N）；FJ2-有機(jī)肥團(tuán)粒所受離心力（N）；γ-圓盤與水平面夾角（°）。

由式（8）（9）求得：

式中，ax2-有機(jī)肥團(tuán)粒沿X軸加速度（m·s-2）；ay2-有機(jī)肥團(tuán)粒沿Y軸加速度（m·s-2）；az2-有機(jī)肥團(tuán)粒沿Z軸加速度（m·s-2）。

由上式可求得，有機(jī)肥團(tuán)粒在撒肥盤上總加速度a2為

由式（10）（11）可知，當(dāng)撒肥盤直徑一定時(shí)，有機(jī)肥團(tuán)粒在撒肥盤上的運(yùn)動(dòng)除與自身質(zhì)量、摩擦系數(shù)有關(guān)，還受拋撒軸轉(zhuǎn)速、撒肥盤傾角影響，進(jìn)而影響有機(jī)肥離開立式撒肥裝置后的運(yùn)動(dòng)。

2.3 有機(jī)肥團(tuán)粒拋撒過程運(yùn)動(dòng)分析

有機(jī)肥團(tuán)粒被拋出后，在空氣中主要受空氣阻力和重力作用，沿拋物線的軌跡落到地面，為簡化計(jì)算的邊界條件，設(shè)地面為水平面，兩個(gè)極限位置拋撒軌跡如圖7所示。

圖7 拋撒距離分析Fig.7 Throwing distance analysis

2.3.1 從最高點(diǎn)拋出的有機(jī)肥團(tuán)粒運(yùn)動(dòng)分析

有機(jī)肥團(tuán)粒從最高點(diǎn)被拋出后，在空氣阻力和重力作用下，拋出縱向距離為L1，分為上拋和下降兩個(gè)階段分析。

①上拋階段：將空氣阻力和重力在水平和豎直方向分解，則在豎直方向上根據(jù)牛頓第二定律可得：

式中，F(xiàn)Z1-上拋階段阻力豎直分力（N）；m-有機(jī)肥團(tuán)粒質(zhì)量（kg）；Z1-上拋階段有機(jī)肥豎直位移（m）；t1-上拋階段運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）。

拋出后有機(jī)肥團(tuán)粒所受空氣阻力為：

式中，F(xiàn)-有機(jī)肥團(tuán)粒所受空氣阻力（kg）；ρ-空氣密度（m·s-3）；A-有機(jī)肥團(tuán)粒迎風(fēng)面積（m2）；Ca-空氣阻力系數(shù)；V-上拋時(shí)速度（m·s-2）。

由式（13）可得上拋階段阻力豎直分力為：

式中，VZ1-上拋階段豎直分速度（m·s-2）。

將式（14）代入式（12）求得：

在水平方向?qū)蓚€(gè)力分解后，根據(jù)牛頓第二定律和式（13）可得：

式中，X1-上拋階段有機(jī)肥的水平位移（m）；FX1-上拋階段阻力的水平分力（N）；VX1-上拋階段水平分速度（m·s-2）。

將式（15）代入式（16）可求得上拋階段水平位移X1為：

②下降階段：將空氣阻力和重力在豎直和水平方向上分解，豎直方向受力分解為：

式中，t2-下降階段運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）；VZ2-下降階段豎直分速度（m·s-2）；Z2-下降階段有機(jī)肥團(tuán)粒豎直位移（m）；FZ2-下降階段阻力豎直分力（N）。

由式（18）求得，

下降階段水平方向受力分解為：

式中，VX2-下降階段水平分速度（m·s-2）；FX2-下降階段阻力水平分力（N）；X2-下降階段有機(jī)肥團(tuán)粒水平位移（m）。

將式（19）代入式（20）求得：

則由式（17）、（21）可求得從最高處拋撒出的有機(jī)肥團(tuán)粒水平總位移為：

式中，L1-從最高點(diǎn)拋撒出的有機(jī)肥團(tuán)粒拋撒距離（m）。

2.3.2 從最低點(diǎn)拋撒出的有機(jī)肥團(tuán)粒運(yùn)動(dòng)分析

①上拋階段：將有機(jī)肥團(tuán)粒上拋階段所受空氣阻力分解為水平方向的FX3和豎直方向的FZ3，根據(jù)牛頓第二定律在豎直和水平兩個(gè)方向上分別列出加速度微分方程，如式23所示，

式中，F(xiàn)Z3-上拋階段阻力豎直分力（N）；VX3-上拋階段肥料速度水平分量（m·s-2）；VZ3-上拋階段肥料速度豎直分量（m·s-2）；Z3-上拋階段有機(jī)肥團(tuán)粒豎直位移（m）；t3-上拋階段運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）；FX3-上拋階段阻力水平分力（N）；X3-上拋階段有機(jī)肥團(tuán)粒水平位移（m）。

由式（23）可求得上拋階段有機(jī)肥團(tuán)粒水平位移為：

②下降階段：將有機(jī)肥下降階段所受空氣阻力分解為豎直方向的FZ4和水平方向的FX4，根據(jù)牛頓第二定律在豎直和水平方向分別列出其加速度微分方程，如式（25）所示，

式中，F(xiàn)Z4-下降階段阻力豎直分力（N）；VX4-下降階段肥料速度水平分量（m·s-2）；VZ4-下降階段肥料速度豎直分量（m·s-2）；Z4-下降階段肥料豎直位移（m）；t4-下降階段運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）。FX4-下降階段阻力水平分力（N）；X4-下降階段肥料水平位移（m）。

由式（25）可求得下降階段有機(jī)肥團(tuán)粒水平位移為：

則從最低點(diǎn)拋撒出的有機(jī)肥團(tuán)粒水平總位移為：

式中，L2-從最低點(diǎn)拋撒出的有機(jī)肥團(tuán)粒拋撒距離（m）。

2.3.3 撒肥縱向距離確定

基于以上兩個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況分析，由式（22）（24）可得該立式撒肥裝置縱向拋撒距離為：

式中，L-該立式撒肥裝置縱向拋撒距離（m）。

通過式（22）（27）（28）可知，排除有機(jī)肥團(tuán)粒自身質(zhì)量、迎風(fēng)面積影響因素，立式撒肥裝置撒肥縱向距離主要受拋撒軸轉(zhuǎn)速、螺旋片及撒肥盤與水平面夾角、拋出高度等影響。

2.3.4 撒肥幅寬分析

如圖8所示，ABCD為立式撒肥裝置的拋撒范圍，其左右對(duì)稱分布，以左撒肥輥拋撒過程為例作分析：左撒肥輥逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到固定梁下方開始攜帶有機(jī)肥，轉(zhuǎn)到固定梁上方開始拋撒，撒肥結(jié)束時(shí)，左撒肥輥轉(zhuǎn)過角度為φ，如圖8所示。右撒肥輥拋撒過程與左撒肥輥相同，二者同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)撒肥得到拋撒范圍ABCD。

圖8 撒肥過程俯視圖Fig.8 Top view of spreading process

因拋撒范圍呈左右對(duì)稱，故可求得撒肥幅寬S為：

通過圖8中幾何關(guān)系可知：

式中，β-L1與豎直方向夾角（°）；r-拋撒點(diǎn)D與圓心距離（m）。

將式（30）代入式（29）可得撒肥幅寬S為，

由式（31）可知，撒肥幅寬S除受有機(jī)肥團(tuán)粒質(zhì)量、迎風(fēng)面積影響，也受拋出速度、拋出角度、拋出高度影響。結(jié)合撒肥縱向距離分析可知，影響立式撒肥裝置撒肥效果主要因素為拋撒軸轉(zhuǎn)速、裝置傾斜角度、裝置總體高度及螺旋片螺距。

3 離散元仿真分析

為減少實(shí)際生產(chǎn)成本并提高試驗(yàn)的可控性，運(yùn)用EDEM軟件對(duì)其工作過程作仿真試驗(yàn)，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)合理性和運(yùn)行狀況，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)螺旋片螺距作單因素仿真試驗(yàn)。

3.1 仿真模型

在Solidworks軟件中將不同螺旋片螺距立式撒肥裝置三維模型建好，分別導(dǎo)入EDEM軟件中，如圖9所示，通過分析撒肥之后撒肥幅寬和黏結(jié)鍵破碎情況，確定最佳螺旋片螺距。

圖9 仿真模型Fig.9 Simulation model

3.2 仿真參數(shù)設(shè)定

EDEM仿真試驗(yàn)中，物料和幾何模型力學(xué)特性為仿真成功關(guān)鍵因素。后續(xù)試驗(yàn)用肥為堆肥約40 d羊糞，為提高仿真可靠性，仿真前測定羊糞堆肥物料特性，密度為0.64 g·cm-3，將羊糞堆肥制成25 mm×25 mm×25 mm正方體試樣，通過天氏歐森萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，最后求出其泊松比為0.25，剪切模量為1×108Pa；樣機(jī)所選材料為45鋼，其密度、泊松比、剪切模量分別為7.85 g·cm-3、0.3、7.94×1010Pa；測得有機(jī)肥顆粒間靜摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)、顆粒間恢復(fù)系數(shù)分別為0.5、0.15、0.5；有機(jī)肥顆粒與鋼板之間靜摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)、恢復(fù)系數(shù)分別為0.7、0.16、0.4。

堆積有機(jī)肥顆粒間存在黏結(jié)力，本文主要研究該裝置破碎能力及撒肥幅寬，故采用EDEM模型中Hertz-Mindlin with bonding建立有機(jī)肥顆粒模型，設(shè)置該模型參數(shù)單位法向剛度、單位切向剛度、臨界法向應(yīng)力、臨界切向應(yīng)力和黏結(jié)半徑分別為5.80×108N·m-3、3.50×108N·m-3、3.29 MPa、2.92 MPa、1.26 mm。

3.3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

仿真試驗(yàn)過程分為兩部分：肥料顆粒堆積和運(yùn)動(dòng)仿真。肥箱上部設(shè)置顆粒工廠堆積，時(shí)間步長設(shè)置為9.12×10-5s，直至將肥箱全部填滿，如圖10（a）所示；堆積完成后設(shè)置一個(gè)豎直擋板，從肥箱后部推動(dòng)肥料向前運(yùn)動(dòng)，根據(jù)實(shí)際情況及后文試驗(yàn)因素選取范圍，設(shè)置推板速度為0.06 m·s-1，左、右撒肥輥轉(zhuǎn)速為385 r·min-1，左撒肥輥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右撒肥輥順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，設(shè)置裝置離地高度為950 mm，傾斜角度為15°。由于受機(jī)具高度限制，螺旋片螺距范圍選取為350～400 mm，取6個(gè)水平作試驗(yàn)，仿真過程如圖10（b）所示。

圖10 仿真試驗(yàn)Fig.10 Simulation test

試驗(yàn)后，用EDEM中尺子命令（Rular）測得撒肥幅寬，用黏結(jié)鍵斷裂數(shù)與總黏結(jié)鍵數(shù)比值得出破碎率，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

運(yùn)用曲線擬合方法分析仿真試驗(yàn)結(jié)果，縱坐標(biāo)為相應(yīng)指標(biāo)，橫坐標(biāo)均為螺旋片螺距，得到曲線如圖11所示，回歸方程如式（32）所示：

圖11 曲線擬合圖Fig.11 Curve fitting graph

由上述回歸方程可知，螺旋片螺距與撒肥幅寬和破碎率關(guān)系均近似滿足二次拋物線方程，當(dāng)螺旋片螺距為360 mm時(shí)，可得最大撒肥幅寬；當(dāng)螺旋片螺距為370 mm時(shí)，可得最佳破碎效果。當(dāng)螺旋片螺距由360 mm增加至370 mm，撒肥幅寬減少0.025%，而破碎率增加0.015%，故最終選取螺旋片螺距為360 mm。

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過EDEM仿真試驗(yàn)得出最佳螺旋片螺距后，采用物理試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)仿真條件，設(shè)置推板速度為0.06 m·s-1，撒肥輥轉(zhuǎn)速為385 r·min-1，裝置離地高度為950 mm，傾斜角度為15°，試驗(yàn)用肥為堆肥約40 d羊糞。試驗(yàn)3次后對(duì)結(jié)果取平均值，得出撒肥幅寬為7.9 m，與仿真結(jié)果一致，存在誤差，分析原因可能為實(shí)際試驗(yàn)時(shí)存在空氣阻力，影響羊糞堆肥拋撒過程，導(dǎo)致撒肥幅寬略減小；得出破碎率為81.6%，與仿真結(jié)果一致，存在誤差，因羊糞堆肥顆粒分布度較仿真試驗(yàn)差，破碎效果亦存在差異。

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2020年7月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)北方馬鈴薯全程機(jī)械化試驗(yàn)基地開展臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)用肥為堆肥約40 d羊糞。農(nóng)藝上，對(duì)有機(jī)肥粒徑尺寸無明確規(guī)定，理論上粒徑越小越好，根據(jù)肥料實(shí)際情況并參考同類文獻(xiàn)[15]，確定粒徑＞30 mm羊糞團(tuán)為不合格團(tuán)粒。通過基礎(chǔ)物理參數(shù)試驗(yàn)測得該羊糞堆肥含水率為38.6%，容重為636.9 kg·m-3，同時(shí)統(tǒng)計(jì)該部分羊糞堆肥中不合格團(tuán)粒（粒徑＞30 mm）質(zhì)量占比，約82.2%。根據(jù)美國ASAE（American society of agricultural engineers）S341.3中規(guī)定的靜態(tài)試驗(yàn)法[16]開展試驗(yàn)，設(shè)置10 m×10 m區(qū)域?yàn)槭占瘏^(qū)域。首先用卷尺測量撒肥幅寬，收集不合格團(tuán)粒用電子秤稱重，最后統(tǒng)計(jì)拋出羊糞堆肥質(zhì)量，試驗(yàn)過程如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)過程Fig.12 Test procedure

4.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

4.2.1 試驗(yàn)方案

正交試驗(yàn)為實(shí)施多因素試驗(yàn)并尋求最優(yōu)水平組合的一種高效方法，本研究根據(jù)正交試驗(yàn)[17]設(shè)計(jì)方法選用L16（45）正交表安排試驗(yàn)。由牛頓第二定律可知，斜拋運(yùn)動(dòng)拋出角度為45°時(shí)，拋出距離最遠(yuǎn)，小于45°范圍內(nèi)，角度越大距離越遠(yuǎn)[18]，但裝置傾角增大會(huì)增加裝置不穩(wěn)定性，綜合裝置穩(wěn)定性及安全性考慮選擇10°～25°為裝置傾角范圍，由于撒肥盤傾角與裝置傾角相等，且更易測量，故采用撒肥盤傾角作試驗(yàn)因素；根據(jù)實(shí)際有機(jī)肥撒肥機(jī)作業(yè)轉(zhuǎn)速及同類機(jī)型轉(zhuǎn)速[19]確定拋撒軸轉(zhuǎn)速為370～400 r·min-1；除去螺旋片螺距，拋撒高度由裝置安裝高度決定，用裝置離地高度表示，由于機(jī)具高度限制，確定裝置的離地高度為800～1 100 mm。以撒肥幅寬Y1和破碎率Y2為試驗(yàn)指標(biāo)，破碎率Y2計(jì)算方式如式（33）所示。各試驗(yàn)因素水平如表3所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示，A、B、C為因素水平值。

表3 試驗(yàn)因素水平Table 3 Experimental factors codes

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 4 Test plan and experimental data

式中，m1-拋出的不合格有機(jī)肥團(tuán)粒（粒徑＜30 mm）質(zhì)量（kg）；m2-拋出有機(jī)肥總質(zhì)量（kg）。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，采用極差分析法分析如表5所示。

由表5可知，影響破碎率試驗(yàn)因素主次順序?yàn)锳、B、C，即拋撒軸轉(zhuǎn)速、裝置離地高度、撒肥盤傾角；實(shí)現(xiàn)最佳破碎效果最優(yōu)參數(shù)組合為A3B4C3，即拋撒軸轉(zhuǎn)速為390 r·min-1，裝置離地高度為1 100 mm，撒肥盤傾角為20°時(shí)破碎效果最佳。

由表5可知，影響撒肥幅寬試驗(yàn)因素主次順序?yàn)锳、B、C，即拋撒軸轉(zhuǎn)速、裝置離地高度、撒肥盤傾角；由極差分析結(jié)果可知，實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)撒肥幅寬最優(yōu)參數(shù)組合為A4B3C3，即拋撒軸轉(zhuǎn)速為400 r·min-1，裝置離地高度為1 000 mm，撒肥盤傾角為20°時(shí)撒肥幅寬最大。

表5 極差分析Table 5 Range analysis

對(duì)以上兩種試驗(yàn)指標(biāo)所單獨(dú)分析出的優(yōu)化條件不一致，須根據(jù)因素影響主次綜合考慮以確定最優(yōu)參數(shù)[20]。對(duì)于試驗(yàn)因素A，其對(duì)破碎率影響排第一位，此時(shí)取A3；其對(duì)撒肥幅寬影響排第一位，此時(shí)取A4。取A4時(shí)，破碎率減少0.055%，而撒肥幅寬增加0.56%，故試驗(yàn)因素A水平取A4。同理經(jīng)計(jì)算求得，試驗(yàn)因素B水平取B3。故通過極差分析可得保證作業(yè)效果最佳參數(shù)組合為A4B3C3。

4.2.3 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作方差分析及顯著性檢驗(yàn)，方差分析結(jié)果如表6所示。由表6可知，3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)破碎率均存在顯著影響，其中拋撒軸轉(zhuǎn)速和裝置離地高度為極顯著影響（P＜0.01），撒肥盤傾角為顯著影響（0.01＜P＜0.05），且各因素的影響次序從大到小依次為A、B、C，與極差分析結(jié)果一致。3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)撒肥幅寬均存在顯著影響，其中，拋撒軸轉(zhuǎn)速和裝置離地高度為極顯著影響（P＜0.01），撒肥盤傾角為顯著影響（0.01＜P＜0.05），且各因素的影響次序從大到小依次為A、B、C，與極差分析結(jié)果一致。

表6 方差分析Table 6 Variance analysis

4.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

2020年8月初在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)阿城試驗(yàn)基地田間驗(yàn)證試驗(yàn)，天氣晴朗無風(fēng)，地表平整，試驗(yàn)材料同臺(tái)架試驗(yàn)。根據(jù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，選定拋撒軸轉(zhuǎn)速為400 r·min-1，裝置離地高度為1 000 mm，撒肥盤傾角為20°開展試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖13所示。

圖13 驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.13 Verification test

試驗(yàn)后，先測量撒肥幅寬，后劃定10 m×10 m拋撒范圍統(tǒng)計(jì)稱重。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化后立式撒肥裝置破碎率為91.8%，撒肥幅寬為9.2 m，與優(yōu)化結(jié)果一致，滿足有機(jī)肥撒肥機(jī)田間作業(yè)要求。

5 結(jié)論

a.闡明立式撒肥裝置結(jié)構(gòu)及工作原理，理論分析有機(jī)肥團(tuán)粒在立式撒肥裝置的撒肥盤、螺旋片及離開立式撒肥裝置后的運(yùn)動(dòng)，得出影響撒肥效果主要因素為拋撒軸轉(zhuǎn)速、撒肥盤傾角、裝置總體高度和螺旋片螺距。

b.采用離散元仿真分析驗(yàn)證裝置合理性，通過單因素仿真試驗(yàn)得出最佳螺旋片螺距為360 mm；采用正交試驗(yàn)方法開展試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作方差分析得出各因素顯著性程度，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作極差分析，影響撒肥效果因素主次順序?yàn)閽伻鲚S轉(zhuǎn)速、裝置離地高度、撒肥盤傾角，最優(yōu)參數(shù)組合拋撒軸轉(zhuǎn)速為400 r·min-1，裝置離地高度為1 000 mm及撒肥盤傾角為20°，并以此驗(yàn)證試驗(yàn)，得出其破碎率為91.8%，撒肥幅寬為9.2 m，滿足有機(jī)肥撒肥機(jī)田間作業(yè)要求。