離心側(cè)拋式藕田撒肥器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張國(guó)忠，王 洋，劉浩蓬，季 超，侯群喜，周 勇

離心側(cè)拋式藕田撒肥器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張國(guó)忠1,2，王 洋1,2，劉浩蓬1,2，季 超1,2，侯群喜1,2，周 勇1,2

（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(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

針對(duì)藕田機(jī)械化施肥實(shí)際需求，該研究設(shè)計(jì)了一種離心側(cè)拋式撒肥器。通過建立單個(gè)肥料顆粒在葉片上受力的理論模型，確定影響顆粒運(yùn)動(dòng)特性的主要參數(shù)為撒肥盤轉(zhuǎn)速、葉片傾角和葉片偏角。以肥料喂入速率以及上述因素為影響因素，利用EDEM軟件進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，結(jié)果顯示以撒肥器中心為原點(diǎn)，沿拋撒方向，肥料在單個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域的分布量變化趨勢(shì)為先升高后降低。定義肥料分布最多的單個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域與撒肥器間的距離為峰值距離，以肥料分布均勻性變異系數(shù)和峰值距離為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果利用Design-Expert軟件對(duì)撒肥器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，求取峰值距離為10、21 m且均勻性變異系數(shù)最小的兩種葉片各自對(duì)應(yīng)的葉片傾角和葉片偏角分別為8.5°、17.5°和11.5°、–1.9°。以上述結(jié)構(gòu)撒肥器開展仿真與實(shí)際撒肥試驗(yàn)。仿真結(jié)果顯示：撒肥盤轉(zhuǎn)速1 250 r/min、喂入速率0.316 kg/s時(shí)，肥料分布均勻性變異系數(shù)、峰值距離、作業(yè)幅寬分別為19.43%、21 m和29 m，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果分別為21.95%、18.6 m和24.5 m。以藕田追肥中常用肥料尿素、復(fù)合肥、磷肥為對(duì)象開展撒肥性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示，撒肥盤轉(zhuǎn)速、喂入速率、肥料種類、肥料種類與轉(zhuǎn)速的交互項(xiàng)、肥料種類與喂入速率的交互項(xiàng)對(duì)肥料分布均勻性變異系數(shù)影響極顯著（<0.01），轉(zhuǎn)速、喂入速率、種類對(duì)作業(yè)幅寬影響極顯著（<0.01）。該研究結(jié)果可為藕田撒肥機(jī)械設(shè)計(jì)提供重要參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；離散元；藕田；側(cè)拋式撒肥器；峰值距離

0 引 言

蓮藕是中國(guó)種植面積最大、產(chǎn)量最高的一種水生蔬菜，具有喜肥耐肥的特性，后期需追肥2～3次[1-2]，但由于其特殊的水田環(huán)境和生長(zhǎng)后期荷葉封行，導(dǎo)致施肥機(jī)械無法下田作業(yè)，現(xiàn)階段追肥仍以人工拋撒為主，作業(yè)效率低且均勻度差[3]。

目前常用的機(jī)械施肥方式有條施和撒施[4-6]。條施配合開溝覆土使肥料利用率較高，易于精量施肥作業(yè)，其主要用于旱地作物，不適于藕田環(huán)境[7-9]。與條施機(jī)械相比，離心式撒肥器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作業(yè)幅寬大，應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)[10-12]。國(guó)外Villette等建立運(yùn)動(dòng)模型研究了肥料顆粒被拋出撒肥盤時(shí)的徑向與切向速度之比[13]。Fulton等以變量撒肥機(jī)為對(duì)象開展撒肥試驗(yàn)，考察了不同施肥量下的均勻性變化情況并分析了相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系[14]。Dintwa等對(duì)肥料顆粒在圓盤上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出單顆肥料粒在平面和錐形撒肥盤上的基本運(yùn)動(dòng)方程[15]。Olieslagers等建立了施肥量變化對(duì)肥料分布影響的數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對(duì)不同施肥量作業(yè)的肥料分布狀況進(jìn)行了預(yù)測(cè)[16]。Coetzee等利用離散元模型研究了圓盤轉(zhuǎn)速、落肥口位置及喂入速率等因素對(duì)肥料分布的影響，實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果表明仿真模型具有較好的預(yù)測(cè)效果[17]?？傮w來看，離心撒肥機(jī)主要用于旱地撒施，國(guó)外對(duì)其研究早、時(shí)間長(zhǎng)，目前其相關(guān)制造技術(shù)已較為成熟[18-19]。

近年來國(guó)內(nèi)對(duì)離心式撒肥機(jī)的研究逐漸增多。呂金慶等設(shè)計(jì)了一種葉片可延伸的撒肥盤，分析了肥料顆粒在撒肥盤上的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性并開展了相關(guān)試驗(yàn)[20]。胡永光等設(shè)計(jì)了一種適用于茶樹窄行距的偏置式撒肥盤并分析了行走速度、偏置角度等因素對(duì)撒肥盤性能的影響[21]。劉彩玲等采用EDEM仿真方法分析了撒肥盤轉(zhuǎn)速、喂入位置、喂入速率對(duì)撒肥性能的影響，并對(duì)撒肥機(jī)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[22]。施印炎等設(shè)計(jì)了一種勻肥罩式地表變量撒肥機(jī)，研究了排肥流量、圓盤轉(zhuǎn)速、機(jī)具行進(jìn)速度對(duì)分布變異系數(shù)和施肥量相對(duì)誤差的影響[23]。為研究離心圓盤式撒肥機(jī)撒肥均勻性，楊利偉等對(duì)基于作物實(shí)時(shí)傳感器的變量作業(yè)撒肥機(jī)協(xié)同調(diào)整方案進(jìn)行了研究[24]。

目前離心式撒肥機(jī)均采用拖拉機(jī)或高地隙底盤掛接撒肥裝置，田間作業(yè)時(shí)將肥料顆粒向后拋撒至呈一定圓心角的環(huán)形區(qū)域[11]，但藕田追肥時(shí)，離心式撒肥機(jī)不下田，沿田埂以與機(jī)具移動(dòng)垂直的方向側(cè)向拋撒肥料。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種離心側(cè)拋式藕田撒肥器，通過對(duì)肥料顆粒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定影響肥料分布規(guī)律的主要因素，同時(shí)利用EDEM離散元軟件進(jìn)行撒肥仿真試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化撒肥盤結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為藕田施肥機(jī)械設(shè)計(jì)提供參考。

1 離心側(cè)拋式藕田撒肥器結(jié)構(gòu)與工作原理

本文研制的撒肥器主要由螺旋排肥器、側(cè)拋式撒肥盤、導(dǎo)流罩、肥箱、機(jī)架等組成，如圖1所示。

肥料由螺旋排肥器排出，經(jīng)蓋板上的喂入口進(jìn)入導(dǎo)流罩內(nèi)部并下落至撒肥盤，在撒肥盤葉片作用下，肥料隨葉片回轉(zhuǎn)，同時(shí)受離心力與科氏力作用，向葉片邊緣與上方運(yùn)動(dòng)，最終肥料顆粒在葉片邊緣不同高度位置上以不同旋轉(zhuǎn)速度落向?qū)Я髡?，并沿?dǎo)流罩按照一定方向拋出。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 側(cè)拋式撒肥機(jī)構(gòu)

側(cè)拋式撒肥機(jī)構(gòu)主要由撒肥圓盤與撒肥葉片組成，當(dāng)撒肥盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，肥料顆粒隨葉片邊緣旋轉(zhuǎn)半徑增加，拋出速度呈增大趨勢(shì)，并最終呈面狀分布在作業(yè)區(qū)域，葉片形狀對(duì)肥料側(cè)拋分布狀態(tài)具有直接影響。

由圖2可知，該撒肥機(jī)構(gòu)撒肥葉片主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為最大旋轉(zhuǎn)直徑、最小旋轉(zhuǎn)直徑以及葉片傾角。最大旋轉(zhuǎn)直徑越大，則作業(yè)幅寬越大，整體結(jié)構(gòu)也會(huì)增大，肥料運(yùn)動(dòng)至葉片邊緣所需時(shí)間增加，不利于控制肥料整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；最小旋轉(zhuǎn)直徑越大，則與之間的差值越小，使肥料在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的分散程度降低，不利于肥料均勻分布，且過小將導(dǎo)致肥料在近處堆積。葉片傾角則對(duì)肥料拋送速度及位置產(chǎn)生影響。目前相關(guān)研究中，撒肥盤旋轉(zhuǎn)直徑在250～560 mm，本文設(shè)計(jì)選取最大旋轉(zhuǎn)直徑為460 mm；參考現(xiàn)有小型手持式撒肥器的尺寸，取值為190 mm，且最小旋轉(zhuǎn)直徑與撒肥盤直徑相等，葉片傾角結(jié)合理論分析與試驗(yàn)選取[24-25]。

2.2 導(dǎo)流罩

為有效控制肥料分布區(qū)域，設(shè)計(jì)了如圖3所示的導(dǎo)流罩，其內(nèi)表面與葉片邊緣曲線貼合以起導(dǎo)流作用，支座為圓柱形，與撒肥盤限位配合，提高機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

導(dǎo)流罩形狀對(duì)肥料分布產(chǎn)生直接影響。結(jié)合撒肥葉片結(jié)構(gòu)和仿真效果設(shè)置其底板傾斜角度為20°，兩側(cè)擋板間角度為15°，以減小肥料顆粒碰撞到擋板上的速度損失[26]。

2.3 螺旋排肥器

為調(diào)控單位時(shí)間內(nèi)的撒肥量，本文使用螺旋排肥器為撒肥機(jī)構(gòu)進(jìn)行定量供肥[25]。螺旋排肥器直徑?jīng)Q定其單位時(shí)間的排肥能力，根據(jù)藕田追肥作業(yè)中的實(shí)際施肥量與本機(jī)作業(yè)目標(biāo)，在撒肥器移動(dòng)速度為0.42 m/s、作業(yè)幅寬20 m、750 kg/hm2的條件下，根據(jù)式（1）計(jì)算所需最大排肥量0為0.625 kg/s，利用公式（2）計(jì)算此時(shí)螺旋排肥器所需直徑為117 mm，取整為120 mm。

式中為每公頃施肥量，kg/hm2；為作業(yè)幅寬，m；機(jī)為機(jī)具行走速度，m/s。

式中為實(shí)際排肥量，t/h；進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的選取：為排肥器螺旋葉片直徑與螺距之比，取0.8[27]；為物料特性綜合特性系數(shù)，取30[27]；為排肥器傾斜系數(shù)，由于為水平放置，故取1[27]；為前期實(shí)際測(cè)得恒盛牌大顆粒尿素的堆積密度，為0.945 t/m3；為填充系數(shù)，取0.45。

3　肥料顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

傳統(tǒng)撒肥機(jī)行走方向與撒肥方向同向，作業(yè)時(shí)向機(jī)具后方撒出肥料，肥料覆蓋區(qū)為環(huán)形，利用前后撒肥區(qū)域重復(fù)覆蓋以提高肥料分布均勻程度，如圖4a所示。離心側(cè)拋式撒肥機(jī)沿田埂前進(jìn)，向側(cè)向撒肥，即肥料拋撒方向與前進(jìn)方向垂直，且施肥要求為離撒肥機(jī)側(cè)向不同距離處均有適量均勻肥料分布，如圖4b所示。由此可見，離心側(cè)拋式撒肥與傳統(tǒng)方式存在明顯不同，為提高側(cè)拋時(shí)肥料分布的均勻程度，需研究撒肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)及分布特點(diǎn)的影響規(guī)律。

以圓盤中心為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，垂直方向?yàn)檩S，撒肥盤徑向?yàn)檩S，面與圓盤面重合，如圖5所示。

為使被拋出的肥料具有連續(xù)的速度變化區(qū)間，本機(jī)構(gòu)中將撒肥葉片邊緣初步設(shè)置為半徑410 mm、圓心角20°的圓周線以對(duì)應(yīng)不同的旋轉(zhuǎn)半徑，其斜率逐漸過渡變化，可提高肥料分布均勻程度。同時(shí)為促使肥料沿葉片向上運(yùn)動(dòng)，使其在豎直方向的葉片表面分布均勻，在豎直方向與葉片表面間設(shè)置葉片傾角，經(jīng)空間坐標(biāo)變換，葉片邊緣曲線方程如式（3）所示。

肥料顆粒在葉片上的受力情況如圖5所示。

在葉片表面做加速運(yùn)動(dòng)的肥料顆粒，沿、軸方向的受力為

式中F、F、F分別為肥料顆粒在、軸方向的合力；a、a、a分別為肥料顆粒在軸方向的加速度；式（4）中各力的方向如圖5所示，其值分別為

式中為肥料顆粒在軸的坐標(biāo)；為重力加速度；為肥料與葉片間的摩擦系數(shù)。

葉片對(duì)顆粒的支持力沿各軸向的分力為

肥料顆粒受葉片對(duì)其的摩擦力沿三軸方向的分力為

聯(lián)立式（5）～（7）帶入式（4），求出肥料顆粒在坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程，如式（8）所示。

其中

由式（8）～（9）可知，肥料顆粒沿各軸向的加速度相互影響，其在葉片上的運(yùn)動(dòng)軌跡取決于圓盤轉(zhuǎn)速、葉片傾角和偏角。

4 EDEM離散元仿真優(yōu)化試驗(yàn)

肥料顆粒在離心側(cè)拋式撒肥器中受顆粒力學(xué)系統(tǒng)和多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)的共同作用，用傳統(tǒng)的研究方法很難直觀得到肥料顆粒在離心側(cè)拋式撒肥器作用下的拋撒情況，因此，采用EDEM離散元軟件進(jìn)行單因素試驗(yàn)和二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，分析肥料顆粒在不同撒肥器參數(shù)下拋撒范圍和速度分布的變化情況，為撒肥器的優(yōu)化提供依據(jù)。

4.1 仿真模型設(shè)定

將與肥料直接接觸的撒肥盤與導(dǎo)流罩、肥料承接板三維模型導(dǎo)入EDEM軟件，肥料承接板尺寸為32 m×20 m；葉片與導(dǎo)流板材質(zhì)為ABS工程塑料，肥料顆粒與其之間的接觸為Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型；將肥料顆粒與承接板之間的接觸設(shè)置為Hertz-Mindlin with模型，以減小肥料顆粒在承接板上的滑移。

4.2 仿真參數(shù)設(shè)定

以尿素為研究對(duì)象，參考文獻(xiàn)[23-25]設(shè)置仿真參數(shù)為：顆粒直徑4 mm，密度1 575 kg/m3，泊松比0.4，彈性模量28 MPa；ABS工程材料密度1 060 kg/m3，泊松比0.394，彈性模量2.1 GPa；顆粒與顆粒間彈性恢復(fù)系數(shù)0.35，靜摩擦系數(shù)0.3，動(dòng)摩擦系數(shù)0.26；顆粒與工程塑料間恢復(fù)系數(shù)0.586，靜摩擦系數(shù)0.43，動(dòng)摩擦系數(shù)0.01。

4.3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參考美國(guó)ASAE S341.2圓盤式撒肥器靜態(tài)試驗(yàn)方法[22,26-28]0，在土壤承接區(qū)域內(nèi)設(shè)置20行32列統(tǒng)計(jì)區(qū)域，網(wǎng)格單元1 m×1 m，并將撒肥方向定義為縱向，機(jī)具移動(dòng)方向定義為橫向。參考相關(guān)文獻(xiàn)可知[20,22-23]，肥料分布不均主要在縱向，故以該方向的肥料分布均勻性變異系數(shù)為撒肥均勻性指標(biāo)，仿真試驗(yàn)后將每列網(wǎng)格內(nèi)的肥料質(zhì)量疊加形成1行32列即32個(gè)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格，根據(jù)32個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)的肥量顆粒質(zhì)量判斷作業(yè)幅寬并計(jì)算肥料分布均勻性變異系數(shù)，如圖6所示。

肥料縱向分布均勻性變異系數(shù)計(jì)算公式為

4.4 單因素仿真試驗(yàn)

為研究肥料在作業(yè)方向的分布特點(diǎn)與單個(gè)因素對(duì)肥料分布的影響規(guī)律，首先進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，改變所要考察的單個(gè)因素的值，并使其余因素在各自取值范圍的中間值附近保持不變。定義肥料分布最多的單列統(tǒng)計(jì)區(qū)域與撒肥盤的距離為峰值距離，該區(qū)域分布的肥料量為肥料分布峰值。

4.4.1 撒肥盤轉(zhuǎn)速對(duì)肥料分布的影響

試驗(yàn)條件為葉片傾角10°，葉片偏角?5°，喂入速率0.475 kg/s，為防止轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致撒肥效果較差[22,24]，結(jié)合所用直流電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，選取撒肥盤轉(zhuǎn)速的變化區(qū)間為900～1 300 r/min，增量為100 r/min，測(cè)得肥料在縱向上的分布如圖7a所示，可知，低轉(zhuǎn)速下肥料分布較集中，峰值較大；隨轉(zhuǎn)速增加，峰值降低、峰值距離增加、肥料分布范圍增大，肥料分布均勻性變異系數(shù)減小。分析其原因?yàn)椋寒?dāng)撒肥盤轉(zhuǎn)速增大，撒肥葉片邊緣上任意點(diǎn)間的速度差值將增大，使脫離葉片的肥料顆粒間的速度差值增大，最終導(dǎo)致肥料在分布區(qū)域的集中程度降低。

4.4.2 葉片傾角對(duì)肥料分布的影響

試驗(yàn)條件為轉(zhuǎn)速1 100 r/min，葉片偏角?5°，喂入速率0.475 kg/s，由于葉片傾角過大不利于肥料沿徑向移動(dòng)，過小則不利于肥料沿縱向移動(dòng)，故使其在5°～15°內(nèi)變化、增量為2.5°[22-23]。由圖7b可知，在上述范圍內(nèi)，峰值距離與葉片傾角呈正比，峰值則逐漸降低、且變化趨勢(shì)漸緩，肥料分布均勻性變異系數(shù)先減小后增大；故可利用該因素調(diào)整峰值距離。

4.4.3 葉片偏角對(duì)肥料分布的影響

試驗(yàn)條件為轉(zhuǎn)速1 100 r/min，葉片傾角10°，喂入速率0.475 kg/s，參考文獻(xiàn)[21]，使葉片偏角在?20°～20°內(nèi)變化、增量為10°。肥料分布狀態(tài)如下圖7c所示。由圖可知，葉片偏角由?20°逐漸增大到20°的過程中，肥料分布峰值先減小后增大，峰值距離變化量較小；觀察仿真過程發(fā)現(xiàn)，葉片偏角對(duì)肥料在葉片上的飛出位置與飛出速度有較大影響，當(dāng)其值較小時(shí)，肥料顆粒整體飛出速度較低，導(dǎo)致其落地點(diǎn)距離撒肥盤較近；當(dāng)葉片偏角過大時(shí)，將使部分肥料顆粒不能及時(shí)離開葉片而被擋板彈回。

4.4.4 施肥量對(duì)肥料分布的影響

試驗(yàn)條件為轉(zhuǎn)速1 100 r/min，葉片傾角10°，葉片偏角?5°，根據(jù)實(shí)際施肥需求計(jì)算，喂入速率在0.158～0.791 kg/s范圍內(nèi)變化、增量為0.158 kg/s[22]。肥料在縱向上的分布狀態(tài)如圖7d所示，可知，當(dāng)其他因素不變時(shí)，喂入速率對(duì)峰值距離無明顯影響，但對(duì)峰值大小有直接影響。

4.5 旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)

為優(yōu)化撒肥器性能，研究上述因素及其交互項(xiàng)對(duì)指標(biāo)準(zhǔn)確的影響程度，以有效作業(yè)幅寬內(nèi)的肥料分布均勻性變異系數(shù)和峰值距離為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)[29-30]。參照ASAE S341.2的定義[28]，將肥料分布量為峰值撒肥量1/2的單個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域與撒肥器的距離作為有效作業(yè)幅寬，如圖8所示。

4.5.1 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)前述單因素試驗(yàn)確定各因素水平，并采用四因素五水平旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果優(yōu)化，取試驗(yàn)臂長(zhǎng)=2，各水平編碼如表1所示；試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表1 因素水平編碼表

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

注：表示肥料分布均勻性變異系數(shù)，%；表示峰值距離，m。

Note:is variation coefficient of fertilizer distribution uniformity,%;is peak distance, m.

4.5.2試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert8.0.6軟件對(duì)表中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，并逐步去除對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響不顯著的因素，方差分析如表3、表4所示，肥料分布均勻性變異系數(shù)和峰值距離的失擬項(xiàng)分別為0.183 0和0.199 7，均不顯著。

肥料分布均勻性變異系數(shù)與各因素的回歸方程為

表3 肥料分布均勻性變異系數(shù)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）。

Note: *** means extremely significant (<0.01), ** means significant (0.01<<0.05), * means more significant (0.05<<0.1).

表4 峰值距離方差分析

峰值位置與各因素的回歸方程為

4.5.3 響應(yīng)曲面分析

利用Design expert軟件對(duì)方差分析表中交互作用顯著的項(xiàng)進(jìn)行響應(yīng)面分析，如圖9所示。

葉片偏角0°、喂入速率0.475 kg/s時(shí)，葉片傾角與肥盤轉(zhuǎn)速對(duì)肥料分布均勻性變異系數(shù)與峰值距離的響應(yīng)曲面如圖9a、9d所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，葉片傾角與分布均勻性變異系數(shù)、峰值距離呈正比；葉片傾角一定時(shí)，轉(zhuǎn)速與分布均勻性變異系數(shù)呈反比，與峰值距離呈正比，且轉(zhuǎn)速對(duì)變異系數(shù)的影響程度隨著葉片傾角減小而降低。

轉(zhuǎn)速1 150 r/min、喂入速率0.475 kg/s時(shí)，葉片傾角與葉片偏角的響應(yīng)曲面如圖9b所示。當(dāng)葉片偏角<0°時(shí)，隨著葉片傾角增大，肥料分布均勻性變異系數(shù)先下降后上升；當(dāng)葉片偏角>0°時(shí)，葉片傾角的值與變異系數(shù)呈正比；當(dāng)葉片傾角<12.5°時(shí)，變異系數(shù)隨著葉片偏角下降而升高；當(dāng)葉片傾角>12.5°時(shí)，變異系數(shù)隨著葉片偏角下降而減??；葉片傾角在12.5°附近時(shí)，對(duì)變異系數(shù)無明顯影響。

轉(zhuǎn)速1 150 r/min、葉片偏角0°時(shí)，喂入速率與葉片傾角對(duì)肥料分布均勻性變異系數(shù)與峰值距離的響應(yīng)曲面如圖9c、9e所示。當(dāng)喂入速率一定時(shí)，葉片傾角與肥料分布均勻性變異系數(shù)、峰值距離呈正比，且喂入速率越大，葉片傾角對(duì)峰值距離的影響越小；當(dāng)葉片傾角一定時(shí)，喂入速率與變異系數(shù)呈正比，且喂入速率對(duì)變異系數(shù)的影響隨葉片傾角的減小而降低；葉片傾角在7.5°～12.5°時(shí)，峰值距離與喂入速率的關(guān)系呈正比，當(dāng)葉片傾角在12.5°～17.5°時(shí)，峰值距離與喂入速率的關(guān)系呈反比。

由上述試驗(yàn)可知，肥料分布峰值較高不利于肥料均勻分布，故擬利用單一撒肥盤安裝多角度參數(shù)葉片，使每種葉片拋撒出的肥料形成不同的峰值距離，并最終疊加在撒肥區(qū)域以降低該區(qū)域的肥料分布峰值，提高肥料分布均勻性。

4.5.4 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述回歸方程、響應(yīng)曲面分析結(jié)果可知，肥料分布均勻性變異系數(shù)與喂入速率呈正比、與轉(zhuǎn)速呈反比，綜合考慮作業(yè)效率與撒肥效果，在1 250 r/min、0.316 kg/s的條件下，以表1中葉片傾角、葉片偏角的取值范圍為約束條件，利用上述回歸模型分別求峰值距離=10 m、=21 m時(shí)的最小變異系數(shù)，結(jié)果為：當(dāng)峰值距離為=10 m時(shí)，葉片傾角、葉片偏角的值取8.5°、17.5°可獲得最小的肥料分布均勻性變異系數(shù)，其值為13.85%；當(dāng)峰值位置為=21 m時(shí)，葉片傾角、葉片偏角的值取11.5°、–1.9°可獲得最小的肥料分布均勻性變異系數(shù)，其值為17.95%。

將葉片傾角、葉片偏角分別為8.5°、17.5°的葉片安裝于撒肥圓盤組成仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，肥料分布均勻性變異系數(shù)為16.32%，有效作業(yè)幅寬為27 m；將葉片傾角、葉片偏角分別為11.5°、–1.9°的葉片安裝于撒肥圓盤組成仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，肥料分布均勻性變異系數(shù)為21.75%，有效作業(yè)幅寬為30 m。

將以上2種葉片間隔組合布置于撒肥盤組成仿真模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，肥料分布均勻性變異系數(shù)為19.43%，峰值距離為21 m，有效作業(yè)幅寬為29 m；肥料分布曲線如圖10所示。

5 撒肥器性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的撒肥器的作業(yè)性能，分別搭建試驗(yàn)臺(tái)和加工樣機(jī)進(jìn)行作業(yè)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖11所示。

5.1 臺(tái)架作業(yè)試驗(yàn)

將葉片傾角、葉片偏角分別為8.5°、17.5°和11.5°、?1.9°的2組葉片對(duì)稱安裝于撒肥盤，搭建臺(tái)架進(jìn)行實(shí)際撒肥試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為2020年12月25日，試驗(yàn)地點(diǎn)為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院試駕場(chǎng)地，試驗(yàn)當(dāng)天晴朗無風(fēng)。所用肥料分別為恒盛牌大顆粒尿素、桂湖牌復(fù)合肥、吉順牌粒狀過磷酸鈣，其主要物理特性如表5所示。參考文獻(xiàn)[24]，按每?jī)闪蟹抡娼y(tǒng)計(jì)區(qū)對(duì)應(yīng)一列收集盒的方式，共擺放16列10行，實(shí)際收集區(qū)域與仿真試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)區(qū)相同。

表5 肥料物理特性

注：均勻度指數(shù)是肥料顆粒粒徑的均勻度，其數(shù)值越大，表示顆粒均勻性越好。

Note: uniformity index is the uniformity of fertilizer particle size, the greater its value, the better the uniformity between particles.

5.1.1 單類肥料試驗(yàn)

在相同喂入速率與撒肥盤轉(zhuǎn)速下，以主導(dǎo)粒徑為4 mm的大顆粒尿素為對(duì)象開展驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖11a所示。撒肥時(shí)間與仿真試驗(yàn)相同，重復(fù)測(cè)量3次。結(jié)果顯示肥料分布均勻性變異系數(shù)分別為23.35%、22.45%、20.05%，峰值距離分別為20、18、18 m，有效作業(yè)幅寬分別為24、24、26 m，上述各指標(biāo)的均值為21.95%、18.6 m、24.5 m，與仿真結(jié)果的誤差分別為12.95%、11.42%、15.51%。分析產(chǎn)生上述誤差的主要原因是由于結(jié)構(gòu)、作業(yè)參數(shù)存在測(cè)量誤差，且實(shí)際撒肥過程中存在空氣阻力的影響。

5.1.2 不同肥料的作業(yè)性能試驗(yàn)

由于不同肥料種類的粒徑和力學(xué)參數(shù)差異較大，為研究相同作業(yè)參數(shù)下的不同肥料的實(shí)際撒施性能效果，以藕田追肥中常用上述3種肥料為對(duì)象，以撒肥盤轉(zhuǎn)速與喂入速率為因素進(jìn)行全因素試驗(yàn)[31]。試驗(yàn)因素及水平編碼如表6所示，試驗(yàn)方案、試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表6 不同肥料的作業(yè)性能試驗(yàn)因素

表7 臺(tái)架試驗(yàn)方案及結(jié)果

5.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表7可知，隨撒肥盤轉(zhuǎn)速增大，3種肥料的作業(yè)幅寬均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，且大顆粒尿素與復(fù)合肥的肥料分布均勻性變異系數(shù)隨撒肥盤轉(zhuǎn)速增大逐漸下降，但過磷酸鈣的變異系數(shù)變化趨勢(shì)則為先下降后上升；結(jié)合表5分析造成該趨勢(shì)的原因?yàn)檫^磷酸鈣強(qiáng)度較差且粒徑較大，導(dǎo)致其在與撒肥葉片的碰撞中易破碎成尺寸不等的碎塊，使顆粒間的均勻性差異進(jìn)一步增大，最終導(dǎo)致肥料分布均勻性變異系數(shù)增大。故應(yīng)根據(jù)肥料的種類選擇適合的作業(yè)參數(shù)。

由表8、表9可知，撒肥盤轉(zhuǎn)速、喂入速率對(duì)大顆粒尿素的肥料分布均勻性變異系數(shù)與作業(yè)幅寬影響極顯著；撒肥盤轉(zhuǎn)速的二次項(xiàng)對(duì)過磷酸鈣的肥料分布均勻性變異系數(shù)影響較顯著，撒肥盤轉(zhuǎn)速、喂入速率對(duì)其影響極顯著；撒肥盤轉(zhuǎn)速、喂入速率對(duì)復(fù)合肥的肥料分布均勻性變異系數(shù)影響顯著，撒肥盤轉(zhuǎn)速對(duì)其作業(yè)幅寬影響極顯著，喂入速率對(duì)其作業(yè)幅寬影響較顯著。

表8 變異系數(shù)方差分析

表9 作業(yè)幅寬方差分析

5.2 整機(jī)測(cè)試

調(diào)整收集盒擺放方式為6行21列、行間距與列間距均為1.2 m，以提高統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確程度。如圖11b所示，將優(yōu)化后排肥器安裝于自走式履帶底盤上，以一定速度勻速行進(jìn)，模擬藕田施肥作業(yè)情況，此時(shí)施肥盤離地高度為1.5 m。試驗(yàn)時(shí)，在距離收集區(qū)域前、后3 m處開始與停止撒肥，每次試驗(yàn)后稱取各收集盒內(nèi)的肥料質(zhì)量，均勻性變異系數(shù)計(jì)算方法與前述相同。

依據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，為探究機(jī)具速度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，開展四因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)安排如表10所示；試驗(yàn)方案及結(jié)果如表11所示。

表10 因素水平編碼表

表11 整機(jī)試驗(yàn)方案及結(jié)果

由表11可知，在機(jī)具行進(jìn)過程中，上述因素對(duì)肥料分布均勻性變異系數(shù)的影響程度從高到低依次為喂入速率、肥料種類、撒肥盤轉(zhuǎn)速、機(jī)具行走速度。

6 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)了一種離心側(cè)拋式藕田撒肥器，對(duì)單個(gè)肥料顆粒在其葉片上的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行分析，確定了影響其受力狀態(tài)的主要因素。單因素仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示肥料在撒肥縱向上的分布規(guī)律均為先升高后降低，且均存在撒肥量峰值。

2）進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)。利用Design expert軟件對(duì)正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析和響應(yīng)面分析，結(jié)果表明轉(zhuǎn)速、葉片傾角、葉片偏角、葉片傾角與喂入速率的交互項(xiàng)、葉片傾角與葉片偏角的交互項(xiàng)、葉片傾角的二次項(xiàng)對(duì)均勻度變異系數(shù)影響極顯著（<0.01），轉(zhuǎn)速、葉片傾角及其二次項(xiàng)、喂入速率的二次項(xiàng)對(duì)峰值距離影響極顯著（<0.01）。

3）利用回歸方程求取撒肥量峰值距離分別為10、21 m，對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)最小時(shí)的優(yōu)化后葉片傾角、葉片偏角分別為8.5°、17.5°和11.5°、?1.9°，將上述參數(shù)葉片對(duì)稱安裝與撒肥盤并進(jìn)行仿真優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果表明其變異系數(shù)為19.43%，撒肥量峰值距離為21 m，有效作業(yè)幅寬為29 m；臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)表明，上述各指標(biāo)的均值為21.95%、18.6、24.5 m，與仿真結(jié)果的誤差分別為12.95%、11.42%、15.51%，滿足藕田撒肥要求。

4）分別以藕田常用的3種肥料對(duì)該撒肥器進(jìn)行了撒肥試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示大顆粒尿素與復(fù)合肥對(duì)撒肥器轉(zhuǎn)速的適應(yīng)范圍較大，撒肥盤高速旋轉(zhuǎn)下其作業(yè)幅寬增加、均勻性變異系數(shù)降低，施肥效果較好；過磷酸鈣在撒肥器高轉(zhuǎn)速下的破碎率較高，均勻性變異系數(shù)增大，故不適宜在高轉(zhuǎn)速下作業(yè)，試驗(yàn)結(jié)果可為3種肥料作業(yè)參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

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Design and experiments of the centrifugal side throwing fertilizer spreader for lotus root fields

Zhang Guozhong1,2, Wang Yang1,2, Liu Haopeng1,2, Ji Chao1,2, Hou Qunxi1,2, Zhou Yong1,2

(1.430070,; 2.430070,)

Mechanized fertilization has widely been one of the most important steps for the high yield of crops. In this study, a centrifugal side throwing fertilizer spreader was designed for the lotus root field. Firstly, atheoretical model was established for the force of a single fertilizer particle on the blade. The main parameters were then determined for the particle motion, such as the rotating speed of the fertilizer tray, the blade inclination angle, and the blade deflection angle. Secondly, EDEM discrete element simulation software was utilized to optimize the performance of the spreader. A single factor test was carried out, where the fertilizer feed rate and the above factors were taken as the influencing factors. The results showed that the fertilizer increased first and then decreased in a single statistical area when taking the center of the spreader as the origin along the throwing direction. Specifically, the quality of fertilizer with the most distribution in a single statistical region was called the peak value, and the distance between this region and the fertilizer spreader was called the peak distance, to accurately quantify the distribution index of fertilizer. The rotating speed of the fertilizer tray and the blade inclination angle posed a significant impact on the peak value and peak distance of fertilizer distribution, whereas, the blade deflection angle and feed rate on the peak value. An orthogonal rotation simulation test was carried out with the uniformity variation coefficient and peak distance as the evaluation indexes. It was found that there was an extremely significant influence on the uniformity variation coefficient (<0.01), including the rotating speed of fertilizer tray, the blade inclination angle, the blade deflection angle, the interaction between them, the interaction term between the inclination angle of blade and feeding rate, as well as the quadratic term of blade inclination angle. There was an extremely significant effect on the peak distance (<0.01), including the rotating speed of fertilizer tray, the blade inclination angle, and the quadratic term, the quadratic term of feeding rate. Design-Expert software was utilized to optimize the structure of the spreader. The blade structure parameters were then calculated to minimize the uniformity variation coefficient, when the peak distance was 10 and 21 m, the blade inclination, and deflection angle were 8.5° and 17.5°, 11.5° and -1.9°, respectively. Subsequently, the simulation and actual fertilizer application were carried out to evaluate the performance of the fertilizer spreader with the optimal structural parameters. The simulation results show that the uniformity variation coefficient, peak distance, and working width were 19.43%, 21 m, and 29 m, respectively, when the rotating speed of the fertilizer tray was 1 250 r/min, and the feeding rate was 0.316 kg/s. By contrast, the specific parameters in an actual contrast test were 21.95%, 18.6 m, and 24.5 m, respectively, where the errors with the simulation were 12.95%, 11.42%, and 15.51%, respectively. A performance test of fertilizer spreader was carried out with large particle urea, compound fertilizer, and phosphorus fertilizer commonly used in lotus root field topdressing. The results showed that the operation effect of large particle urea was better at 1 300 r/min, feeding rate of 0.15 kg/s, and operation width of 24 m. At this time, the uniformity variation coefficient was 24.56%. The analysis of variance showed that the rotating speed of fertilizer tray, feeding rate, fertilizer type, and the interaction term between fertilizer type and feeding rate presented an extremely significant impact on the coefficient of variation (<0.01). The rotating speed of fertilizer tray, feeding rate, and type presented an extremely significant impact on the operation width (<0.01). The finding can provide an important reference for the design of fertilizer spreading machinery in the lotus root field.

agricultural machinery; discrete element; lotus root field; side throwing fertilizer spreader; peak distance

張國(guó)忠，王洋，劉浩蓬，等. 離心側(cè)拋式藕田撒肥器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(19)：37-47.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.005 http://www.tcsae.org

Zhang Guozhong, Wang Yang, Liu Haopeng, et al. Design and experiments of the centrifugal side throwing fertilizer spreader for lotus root fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 37-47. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.005 http://www.tcsae.org

2021-03-10

2021-08-22

國(guó)家特色蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)資助項(xiàng)目（CARS-24-D-02），湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目（T201934）

張國(guó)忠，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與測(cè)控。Email：zhanggz@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.005

S224.21

A

1002-6819(2021)-19-0037-11