滑刀開溝-氣力引射式液肥霧化側(cè)深施肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊秀麗 ，陳 彬 ，邢 航 ，甄文斌 ，齊 龍 ,2※

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2. 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

0 前言

國(guó)內(nèi)水稻施肥方式一直以表面撒施、條施、噴施技術(shù)為主，存在化肥用量高、利用率低的問題，對(duì)生態(tài)、農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展造成了阻礙[1]。水稻側(cè)深施肥技術(shù)可將肥料施在水稻秧苗根系附近并讓泥土覆蓋，最大程度提高肥料利用率，施肥量相對(duì)傳統(tǒng)施肥方式少，可降低化肥對(duì)水田周邊水系的污染，促進(jìn)水稻分蘗，提高水稻產(chǎn)量[2-3]。現(xiàn)有的水田肥料側(cè)深施機(jī)具多使用固體肥，國(guó)產(chǎn)固體肥受潮后黏度變大，易造成排肥不均、肥料堵塞等問題；液肥具有吸收利用率高、肥效好、成分配比精準(zhǔn)、利用率可達(dá)80%以上[4]。因此，開展水田液肥側(cè)深施肥機(jī)械的研究對(duì)水稻綠色生產(chǎn)具有重要意義。

液肥深施技術(shù)可分為條形深施和扎穴深施。RAHMAN 等[5]研制了一種Y 型犁刀及圓盤開溝器相結(jié)合的液肥注射式深施裝置，利用圓盤開溝器減少Y 型犁刀的工作阻力，通過Y 型犁刀控制施肥深度并增加液肥與土壤的作用面積，從而提高肥料利用率。BASSETT[6]研制了一種液肥開溝深施機(jī)，該機(jī)利用波紋圓盤開溝器開溝，肥料通過噴肥器施入溝中，最后由鎮(zhèn)土輪覆蓋壓實(shí)土壤，實(shí)現(xiàn)液肥側(cè)條深施。奚小波等[7]研制了氣爆松土注肥機(jī)，液肥在注肥機(jī)構(gòu)作用下可在深土層中無堵塞噴射，并均勻擴(kuò)散，工作效率達(dá)0.048 hm2/h。

SILVA 等[8]研制的液肥扎穴深施機(jī)，由地輪驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)從而完成扎穴注肥作業(yè)，扎穴深度為90 mm。王金武等[9]設(shè)計(jì)了一種扎穴施肥機(jī)，這種施肥機(jī)藥液噴射均勻，覆蓋性較好，噴肥針的施肥深度達(dá)18 cm，對(duì)作物的機(jī)械損傷較小。楊自棟等[10]設(shè)計(jì)了一種輪盤式液肥穴播深施機(jī),該機(jī)可實(shí)現(xiàn)等距、膜下、變量深施液肥，可調(diào)節(jié)施肥深度和施肥量，并能將液肥直接施入作物根系附近。周文琪等[11]針對(duì)深施型液肥穴施肥機(jī)存在損傷作物、穴口寬度大和噴肥效率低等問題，設(shè)計(jì)了一種深施型斜置式液肥穴施肥機(jī)，該機(jī)扎穴性能優(yōu)越，肥料噴射均勻，對(duì)作物的機(jī)械損傷小，穴口寬度、作物損傷率、施肥量和施肥深度分別為45.0 mm、0.3%、28.5 mL/次和102 mm。

由此可見，對(duì)于液肥條形深施和扎穴深施裝置國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究，并取得了良好效果。SAGLAM等[12]指出氣體肥料能夠與土壤混合更均勻，相比液肥吸收利用率更高。故本文結(jié)合機(jī)械側(cè)深施肥技術(shù)與液肥的各自優(yōu)點(diǎn)，提出液肥霧化側(cè)深施技術(shù)，利用高壓氣流引射液肥，使液肥處于霧化狀態(tài)，增加與土壤顆粒的接觸面積，使肥料與深層土壤充分混合，以減少肥料流失，提高肥料利用率。參考現(xiàn)有文獻(xiàn)設(shè)計(jì)氣力引射式霧化施肥器和滑刀式開溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用EDEM 軟件仿真優(yōu)化滑刀式開溝器，研制一種適用于水田的滑刀開溝-氣力引射式液肥霧化側(cè)深施肥裝置，該裝置采用滑刀式開溝器開溝，利用氣力引射式霧化施肥器霧化引射液肥，將液肥側(cè)深施于水稻根區(qū)附近土壤。

1 材料與方法

1.1 滑刀開溝-氣力引射式液肥霧化側(cè)深施肥裝置

1.1.1 總體結(jié)構(gòu)

滑刀開溝-氣力引射式液肥霧化側(cè)深施肥裝置主要由氣力引射式霧化施肥器、開溝部件、安裝支架組成；其中開溝部件由破土部件、推土部件、擋泥板、擋泥罩組成，如圖1 所示。

圖1 滑刀開溝-氣力引射式液肥霧化側(cè)深施肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of side-deep fertilization device with sliding-knife furrow opener and pneumatic ejector liquid fertilizer atomizer

氣力引射式液肥霧化施肥器采用氣液同軸霧化機(jī)構(gòu)，通過螺栓固定連接在擋泥部件中間，利用高速氣體在氣力引射式霧化施肥器內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，從而引射液肥（前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在0.1 MPa 的供氣壓力下即可引射液肥，在0.2 MPa 的供氣壓力下即可霧化液肥，提高了施肥作業(yè)效率及均勻性），配合開溝部件實(shí)現(xiàn)開溝、施肥一體化作業(yè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液肥霧化側(cè)深施。通過變換安裝支架在水田拖拉機(jī)機(jī)架上的安裝高度，可實(shí)現(xiàn)施肥深度調(diào)整。該裝置可加裝于插秧機(jī)、直播機(jī)或水田中耕機(jī)上，同步完成側(cè)深施肥或追肥作業(yè)。

1.1.2 氣力引射式霧化施肥器

氣力引射式霧化施肥器屬于引射器或噴射器的一種，是利用高壓工作流體的射流作用在施肥器內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)而卷吸低壓流體進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換的裝置。引射器主要結(jié)構(gòu)包括：工作流體入口、工作流體噴嘴、引射流體入口、接收室、混合室（喉部）、混合流體出口等，如圖2 所示。

圖2 氣力引射式霧化施肥器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of pneumatic ejector fertilizer atomizer

噴嘴采用拉瓦爾噴管形式，收縮角α一般為18°～37°[13]。在拉瓦爾噴管收縮段，氣體運(yùn)動(dòng)遵循氣體流速與管道截面面積成反比的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，收縮角α越小，出口氣體流速越大[14]，抽吸的液體質(zhì)量越大[13]。為提高引射效率，本文取α=18°；為降低工作過程中的耗氣量，噴嘴出口直徑取d=1 mm。

接收室收縮角γ通常取為30°～45°[15]。γ影響接收室的長(zhǎng)度和氣體的噴射距離，收縮角越小，氣體噴射距離越長(zhǎng)，能量消耗越多，同時(shí)施肥器尺寸也越大。綜合考慮能耗和施肥器尺寸，本文取γ=45°。定義混合室（喉部）截面積S1與工作流體噴嘴出口截面積S2之比為面積比S，當(dāng)S=4 時(shí)引射器有較好的工作性能[16]。根據(jù)S=S1/S2=D2/d2得D=2.0 mm，本文初步選取D為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 和4.0 mm?；旌鲜议L(zhǎng)度Lh一般為D的3～7 倍，引射器則可獲得較佳的引射性能，綜合考慮D的取值和Lh的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合加工方便性，取固定值Lh=10.0 mm。

喉嘴距L為工作流體噴嘴出口與接收室收縮末端之間的距離，根據(jù)引射器的引射原理，喉嘴距L=(0.8～1.5)d時(shí)，噴射器有較好的工作性能[17]，本文初步選取L為0.5、1.0、1.5 和2.0 mm。

當(dāng)引射流體通道軸線平行于工作流體通道軸線時(shí)，引射器的能量損失最小[18]，本文采用氣體通道與液體通道同軸方式設(shè)計(jì)氣力引射式霧化施肥器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。

本文設(shè)計(jì)的氣力引射式霧化施肥器主要由集流閥塊、氣管接頭、氣管、連接管件、內(nèi)噴頭和外噴頭等組成，如圖3a 所示。外噴頭與集流閥塊通過螺紋固定連接在連接管件兩側(cè)；內(nèi)噴頭放置在外噴頭內(nèi)，通過連接管件與外噴頭凸臺(tái)之間的擠壓作用固定；氣管接頭通過螺紋連接固定在集流閥塊內(nèi)，二者之間設(shè)有密封墊圈；氣管接頭與內(nèi)噴頭之間通過連接管件的內(nèi)部氣管連接，形成中央氣體通道；氣管與連接管件之間形成環(huán)周液肥通道。

圖3 氣力引射式霧化施肥器Fig.3 Pneumatic ejector fertilizer atomizer

集流閥塊上方開有階梯狀進(jìn)氣孔，側(cè)面開有液肥進(jìn)口，液肥進(jìn)口軸線垂直且正交進(jìn)氣孔軸線；集流閥塊上開有安裝孔，保證了氣力引射式霧化施肥器的安裝固定。內(nèi)噴頭與外噴頭采用漸縮錐形結(jié)構(gòu)，二者出口孔同心，且它們之間形成相連通的液肥接收室和氣液混合室；內(nèi)噴頭具有凸臺(tái)，凸臺(tái)上開有若干個(gè)呈圓周均勻分布的液肥通孔，液肥通孔前后連通環(huán)周液肥通道與液肥接收室。氣管接頭、內(nèi)噴頭與氣管連接部分均設(shè)有寶塔接頭，保證進(jìn)氣系統(tǒng)的密閉性。氣力引射式霧化施肥器實(shí)物如圖3b 所示。

1.2 滑刀式開溝器

水稻深施肥農(nóng)藝要求施肥深度為30～80 mm，水田環(huán)境要求開溝器牽引阻力小、土壤擾動(dòng)少、不纏草、不壅土、不堵塞等，本文設(shè)計(jì)的水田滑刀式開溝器主要由破土部件、推土部件、擋泥板組成。

1.2.1 破土部件

滑刀式開溝器是利用破土部件的刀刃進(jìn)行鈍角式開溝入土，溝底平坦，有一定的寬度使肥料與溝底土壤密切接觸，其滑切部分為圓弧形刀刃，能切斷部分雜草及秸稈，減少工作過程中的牽引阻力及觸土部件夾掛雜草、秸稈等[19]?；妒介_溝器的牽引阻力與破土部件的刃口曲線有關(guān)，刃口曲線的設(shè)計(jì)主要有二次函數(shù)曲線模型、等曲率半徑曲線模型和指數(shù)函數(shù)曲線模型等。隨著作業(yè)速度遞增，開溝器牽引阻力增長(zhǎng)速率滿足規(guī)律：直線型最大、拋物線次之、指數(shù)曲線最小[20]。綜合上述研究成果，本文采用指數(shù)函數(shù)曲線模型，刃口曲線如圖4a 所示，圖中開溝器可作業(yè)深度應(yīng)大于最大施肥深度，本文取b=100 mm。刃口角示意圖如圖4b 所示，刃口曲線方程如式（1）所示[21]。由式（1）可知，滑切曲線的形狀由起始滑切角θA、終止滑切角θB和可作業(yè)深度b確定。

圖4 刃口示意圖Fig.4 Diagram of cutting edge

為探討滑切角與土壤阻力之間的關(guān)系，從而確定滑切角的取值范圍，需進(jìn)行刃口的受力分析?；妒介_溝器在土壤中作業(yè)時(shí)，刃口曲線上任意E點(diǎn)的受力分析如圖5 所示。

圖5 刃口曲線上任意點(diǎn)E 受力分析Fig.5 Force analysis at any point E on the cutting edge curve

以E為坐標(biāo)原點(diǎn)建立水平坐標(biāo)系，x、y方向上的力平衡方程為

式中μ為土壤與開溝器的摩擦系數(shù)。

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》及相關(guān)文獻(xiàn)[22]可知，只有起始滑切角θA＞φ時(shí)滑刀式開溝器才起滑切作用（φ為滑刀式開溝器與水田土壤之間的摩擦角，一般φ=10°），因此本文取θA=10°。分析圖4a 知，從刃口曲線起始點(diǎn)A點(diǎn)開始，刃口曲線AB上各點(diǎn)的滑切角逐漸增加，由式（4）可知，當(dāng)θ＜90°時(shí)，滑切角越大，土壤阻力越小。有研究表明，切割阻力隨著滑切角的增大而減小[23]，開溝器刃口曲線終止滑切角θB＜55°時(shí)，開溝器入土阻力最小[21]。綜合考慮，本文確定終止滑切角取值為10°＜θB＜55°，并等差選取θB=10°、32.5°、55°，應(yīng)用EDEM 仿真軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化。

1.2.2 推土部件

推土部件橫截面為等腰梯形的四棱柱，焊接在破土部件后方，作業(yè)時(shí)將堆積在破土部件的水田土壤推至滑刀式開溝器兩側(cè)，防止泥土瞬時(shí)回填肥溝。

推土部件的刃口角β是決定開溝器尺寸、工作阻力以及土壤擾動(dòng)的重要因素。刃口角過小會(huì)加劇刃口磨損，使刃口發(fā)生變形失效，刃口角過大會(huì)導(dǎo)致入土阻力過大，取值范圍不超過90°[24]。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》和預(yù)試驗(yàn)，綜合考慮開溝器整體寬度和水田流動(dòng)性，刃口角取值為10°＜β＜80°，等差選取β=10°、45°、80°，應(yīng)用EDEM 軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化。

1.2.3 擋泥部件

擋泥部件由擋泥板和擋泥罩組成，擋泥板上開有長(zhǎng)條形孔，氣力引射式霧化施肥器可利用螺栓在長(zhǎng)條形孔上滑動(dòng)和鎖緊，通過改變螺栓在長(zhǎng)條形孔上的安裝位置，實(shí)現(xiàn)氣力引射式霧化施肥器施肥高度的調(diào)節(jié)。擋泥部件可使氣力引射式霧化施肥器得到保護(hù)，保證其正常工作。為降低滑刀式開溝器工作過程中的開溝牽引阻力及對(duì)水田土壤的擾動(dòng)，且為裝配氣力引射式霧化施肥器留出足夠的空間，設(shè)計(jì)擋泥部件寬度為滑刀式開溝器最寬處為25 mm。

結(jié)合破土部件終止滑切角與推土部件刃口角的取值，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的滑刀式開溝器，并應(yīng)用SolidWorks軟件建立三維模型，如圖6 所示。

圖6 滑刀式開溝器三維模型Fig.6 Three-dimensional model of sliding-knife furrow opener

1.3 離散元仿真試驗(yàn)

為分析滑刀式開溝器工作過程中水田土壤顆粒整體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及開溝器的應(yīng)力分布情況，從而優(yōu)化開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)，并考慮到土壤顆粒具有一定的離散性，且水田土壤顆粒在機(jī)械部件工作過程中動(dòng)態(tài)變化，本文采用離散元法描述水田土壤模型及其在機(jī)械部件作用下的動(dòng)態(tài)變化過程，應(yīng)用EDEM 軟件對(duì)滑刀式開溝器進(jìn)行離散元仿真優(yōu)化。

1.3.1 水田土壤粒子離散元仿真模型

針對(duì)水田的流變特性，測(cè)量堆積角會(huì)存在較大誤差，本文利用EDEM 測(cè)量物料堆積角經(jīng)典方法（抽板法），結(jié)合塌落度試驗(yàn)測(cè)量水田土壤的塌落度和塌落拓展度，從而進(jìn)行水田土壤離散元模型參數(shù)標(biāo)定。

廣東省的水田土壤類型以砂質(zhì)黏土為主，故本文仿真試驗(yàn)中的研究對(duì)象選砂質(zhì)黏土，粒徑尺寸為微米級(jí)，在EDEM 環(huán)境中，將水田土壤仿真顆粒半徑設(shè)為1 mm；選擇Hertz-Mindlin with JKR 接觸模型描述水田土壤顆粒之間的相互作用，模型中表面能為0.073 J/m2；選擇Hertz-Mindlin 無滑移接觸模型描述水田土壤顆粒與鋼材之間的相互作用；顆粒工廠的顆粒生成方式設(shè)置為隨機(jī)生成，且實(shí)際顆粒半徑為基礎(chǔ)半徑的0.8～1.5 倍。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[25]和EDEM 顆粒材料數(shù)據(jù)庫(kù)（GEMM 數(shù)據(jù)庫(kù)）確定水田土壤顆粒模型參數(shù)，如表1 所示。

表1 水田土壤顆粒仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of soil particles in paddy fields

1.3.2 仿真模型建立和土壤顆粒參數(shù)修正

仿真計(jì)算時(shí)，根據(jù)水田實(shí)際作業(yè)環(huán)境（秧苗間距為300 mm），結(jié)合滑刀式開溝器實(shí)際尺寸、作業(yè)深度、寬度等，在EDEM 軟件中建立長(zhǎng)×寬×高為500 mm×300 mm×200 mm 的小型土槽模型，底面材料設(shè)定為鋼。將SolidWorks 軟件繪制的滑刀式開溝器三維模型導(dǎo)入EDEM 前處理器中，生成滑刀式開溝器和水田土壤離散元仿真模型，如圖7 所示。

圖7 滑刀式開溝器和水田土壤離散元仿真模型Fig.7 Discrete element simulation model of sliding-knife furrow opener and paddy soils

仿真時(shí)，待土壤顆粒充滿鋼板盒，設(shè)置一側(cè)面擋板以0.05 m/s（與實(shí)際塌落度試驗(yàn)抽板速度一致）的速度緩慢均勻提升，使水田土壤顆粒依靠重力塌落、擴(kuò)散，直至顆粒速度不再發(fā)生變化時(shí)停止仿真，仿真結(jié)果如圖8a 所示。

圖8 水田土壤塌落度試驗(yàn)Fig.8 Collapse test of paddy soils

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，進(jìn)行水田土壤實(shí)際塌落度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8b 所示，塌落度為96.7 mm，塌落拓展度為530.5 mm。通過不斷修正水田土壤顆粒之間的動(dòng)摩擦系數(shù)到0.02，仿真試驗(yàn)塌落度為101.3 mm，塌落拓展度為543.6 mm。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的塌落度、塌落拓展度數(shù)值相對(duì)誤差為4.5%和2.4%，誤差小于5%，模型可一定程度上描述實(shí)際水田土壤流變特性。

1.4 仿真試驗(yàn)

本文主要針對(duì)水稻側(cè)深施基肥和追施分蘗肥進(jìn)行研究，結(jié)合水稻農(nóng)藝要求，水稻在生長(zhǎng)初期側(cè)深施基肥深度為30～50 mm，分蘗期追施分蘗肥深度為50～80 mm；水田環(huán)境要求開溝器具有牽引阻力小、土壤擾動(dòng)少的特征。因此，在離散元仿真試驗(yàn)中，以滑刀式開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)滑切角、刃口角、入土深度為試驗(yàn)因素，以滑刀式開溝器的牽引阻力、土壤擾動(dòng)面積為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平正交仿真試驗(yàn)?？紤]到施肥時(shí)水稻的生長(zhǎng)情況及田間動(dòng)力機(jī)械作業(yè)速度，側(cè)深施基肥時(shí)滑刀式開溝器前進(jìn)速度設(shè)為1.2 m/s，追施分蘗肥時(shí)設(shè)為0.6 m/s，仿真試驗(yàn)因素及水平設(shè)置表如表2 所示。

表2 滑刀式開溝器離散元仿真試驗(yàn)因素與水平表Table 2 Table of factors and levels for discrete element simulation tests of sliding-knife furrow opener

1.5 土槽試驗(yàn)

1.5.1 氣力引射式霧化施肥器性能試驗(yàn)

為優(yōu)化氣力引射式施肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)喉嘴距、混合室（喉部）直徑以及工作參數(shù)（氣體壓力），并研究這些參數(shù)對(duì)排肥量（液肥質(zhì)量流率）和耗氣量（氣體流量）的影響規(guī)律，進(jìn)行氣力引射式霧化施肥器性能試驗(yàn)。試驗(yàn)以喉嘴距、混合室（喉部）直徑、氣體壓力為試驗(yàn)因素，以液肥質(zhì)量流率和氣體流量為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行全因素試驗(yàn)，試驗(yàn)因素及水平表如表3 所示。

表3 氣力引射式霧化施肥器性能試驗(yàn)因素與水平表Table 3 Table of factors and levels for performance tests of pneumatic ejector fertilizer atomizer

氣力引射式霧化施肥器性能試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院進(jìn)行，測(cè)試平臺(tái)如圖9 所示。試驗(yàn)時(shí)，將空壓機(jī)的排氣口通過輸氣管連接到氣力引射式霧化施肥器上方的中央進(jìn)氣接口，將吸肥管一端放置在液肥箱內(nèi)，另一端連接在氣力引射式霧化施肥器側(cè)面液肥進(jìn)口上。

圖9 氣力引射式霧化施肥器試驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Test platform for pneumatic ejector fertilizer atomizer

為達(dá)到農(nóng)藝要求施肥量，氣力引射式霧化施肥器的液肥質(zhì)量流率應(yīng)與田間動(dòng)力機(jī)械前進(jìn)速度相匹配，田間動(dòng)力機(jī)械前進(jìn)速度較快時(shí)要求氣力引射式霧化施肥器有較大排肥量，速度較慢時(shí)則相反。本文將氣力引射式霧化施肥器安裝于井關(guān)PZ60 型插秧機(jī)，其前進(jìn)速度約為0.6～1.2 m/s，以氮肥為例，水稻農(nóng)藝要求最大需純氮量為90 kg/hm2，根據(jù)式（5）計(jì)算得到氣力引射式霧化施肥器最大液肥質(zhì)量流率需達(dá)10.13 g/s。

式中q為液肥質(zhì)量流率，g/s；K為氣力引射式霧化施肥器作業(yè)行距（一般為0.3 m），m；v為田間動(dòng)力機(jī)械前進(jìn)速度，m/s；Q為水稻純氮施用量，kg/hm2；ω為液體氮肥的氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%（本文氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%）。

液肥質(zhì)量流率定義為單位時(shí)間內(nèi)吸肥口所卷吸的液肥質(zhì)量。使用電子天平（精度0.1 g）稱量并記錄裝有液肥肥箱的起始質(zhì)量m1；啟動(dòng)恒壓供氣系統(tǒng)，壓力穩(wěn)定后，將吸肥管一端插入肥箱中，同時(shí)用秒表開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)t(s)結(jié)束，取出吸肥管，稱量并記錄肥箱終止質(zhì)量m2，計(jì)算液肥質(zhì)量流率q，如式（6）所示。每組試驗(yàn)計(jì)時(shí)3 min，3 次重復(fù)，然后計(jì)算3 次平均液肥質(zhì)量流率。

1.5.2 滑刀式開溝器性能試驗(yàn)

滑刀式開溝器性能試驗(yàn)的目的是通過試驗(yàn)獲得滑刀式開溝器實(shí)際牽引阻力，驗(yàn)證離散元仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)探究滑刀式開溝器不同工作參數(shù)對(duì)其作業(yè)性能的影響。試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院進(jìn)行。采用長(zhǎng)條形土槽試驗(yàn)臺(tái)，主要由不銹鋼土槽、機(jī)架、軌道、臺(tái)架、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、行走裝置、測(cè)試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，其中不銹鋼土槽和機(jī)架底部安裝有萬向輪，能夠方便移動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)安放位置，整個(gè)土槽試驗(yàn)臺(tái)尺寸長(zhǎng)×寬×高為 3000 mm×800 mm×500 mm，如圖10 所示。稻耕土取自廣東省江門市新會(huì)區(qū)崖門鎮(zhèn)，土壤類型為砂質(zhì)黏土，沙（顆粒直徑為0.02～2 mm）量占比為76.78%～79.62%，淤泥（顆粒直徑為0.002～0.02 mm）量占比為25.49%～27.3%，黏土（顆粒直徑為＜0.002 mm）量占比為0.62%～1.09%。

圖10 土槽結(jié)構(gòu)和組成Fig.10 Structure and composition of soil bin

土槽內(nèi)裝填稻耕土，用以模擬水田土壤環(huán)境，試驗(yàn)前對(duì)土壤進(jìn)行泡水處理，泥漿自然沉降1 周左右，試驗(yàn)時(shí)土壤表面無水層，為確保每次試驗(yàn)中土壤特性的一致性，每次試驗(yàn)用鏟和平地工具回收土壤。試驗(yàn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)安裝在臺(tái)架上，通過齒輪、齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)臺(tái)架水平運(yùn)動(dòng)；滑刀式開溝器和臺(tái)架之間連接測(cè)力傳感器，利用電腦程序?qū)崟r(shí)讀取滑刀式開溝器牽引阻力數(shù)值；通過調(diào)整滑刀式開溝器安裝高度實(shí)現(xiàn)入土深度調(diào)節(jié)，用以模擬滑刀式開溝器田間工作過程。

“危急值管理”是南大一附院近年來的工作亮點(diǎn)之一：根據(jù)科室不同，制定個(gè)性化的危急值范圍；建立信息系統(tǒng)-檢驗(yàn)人員-護(hù)士-醫(yī)師-管理者的危急值管理閉環(huán)；危急值系統(tǒng)與病歷系統(tǒng)對(duì)接，直接生成危急值相關(guān)病程記錄；臨床科室與護(hù)理部、信息處、檢驗(yàn)科等科室也形成了聯(lián)動(dòng)機(jī)制?！霸缭?009年，醫(yī)院就進(jìn)行了危急值監(jiān)管?！?/p>

根據(jù)離散元仿真設(shè)計(jì)結(jié)果，試驗(yàn)采用滑切角32.5°、刃口角45°的滑刀式開溝器，以滑刀式開溝器入土深度、前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素進(jìn)行全因素試驗(yàn)。每組試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)，計(jì)算滑刀式開溝器工作過程中的平均牽引阻力，試驗(yàn)因素及水平表如表4 所示。

表4 滑刀式開溝器性能試驗(yàn)因素與水平表Table 4 Table of factors and levels for performance tests of sliding-knife furrow opener

1.5.3 滑刀開溝-氣力引射式液肥霧化側(cè)深施肥裝置性能試驗(yàn)

為研究滑刀開溝-氣力引射式液肥霧化側(cè)深施肥裝置的作業(yè)性能，將氣力引射式霧化施肥器與滑刀式開溝器進(jìn)行組合并開展土槽試驗(yàn)，主要試驗(yàn)指標(biāo)為作業(yè)過程中裝置的排肥量穩(wěn)定性與施肥深度。

采用前述土槽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行裝置的開溝、施肥作業(yè)，試驗(yàn)工具有量杯、直尺、秒表、稱重器、氮肥和黑色顏料。在保證供氣壓力為0.3 MPa 的情況下，分別檢測(cè)施肥裝置入土深度為30 mm，前進(jìn)速度為1.2 m/s 和入土深度為50 mm，前進(jìn)速度為0.6 m/s 時(shí)的排肥量穩(wěn)定性和施肥深度。

排肥量穩(wěn)定性試驗(yàn)：施肥帶長(zhǎng)度設(shè)定為2.4 m，用秒表記錄施肥時(shí)間，用稱重器測(cè)量施肥量，重復(fù)6 次，計(jì)算每次單位時(shí)間內(nèi)的施肥量。

施肥深度試驗(yàn)：選取3 條施肥帶，每條施肥帶長(zhǎng)度設(shè)定為2.4 m，取20 cm 為一段，在每段中隨機(jī)取一點(diǎn)用直尺測(cè)量施肥深度，分別計(jì)算每條施肥帶的平均施肥深度。

2 結(jié)果與分析

2.1 滑刀式開溝器離散元仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過EDEM 后處理器獲得滑刀式開溝器牽引阻力、土壤擾動(dòng)面積的數(shù)值，應(yīng)用加權(quán)評(píng)分算法計(jì)算出各個(gè)因素組合的綜合加權(quán)評(píng)分，以綜合加權(quán)評(píng)分的高低判定滑刀式開溝器綜合工作性能的優(yōu)劣，根據(jù)離散元仿真結(jié)果分析各因素對(duì)滑刀式開溝器作業(yè)性能的影響，從而優(yōu)化滑刀式開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

EDEM 后處理器Analyst 獲取的滑刀式開溝器的牽引阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11 所示。從圖11 可見，隨著仿真時(shí)間推移，牽引阻力從0 呈線性逐漸增加，增加到一定值后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定一段時(shí)間后，牽引阻力急劇減小到0。這是由于開始時(shí)，滑刀式開溝器與土壤顆粒沒有相互作用，牽引阻力為0；隨著滑刀式開溝器前進(jìn)，滑刀式開溝器與土壤顆粒的作用面積逐漸增大，牽引阻力也隨之增大；當(dāng)滑刀式開溝器完全進(jìn)入土壤后，滑刀式開溝器與土壤顆粒的作用面積一定，牽引阻力趨于穩(wěn)定；滑刀式開溝器離開土壤時(shí)，滑刀式開溝器與土壤顆粒的作用面積很快減少，直至無作用，牽引阻力逐漸降為0。統(tǒng)計(jì)圖11 中較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，并計(jì)算其平均值，結(jié)果如表5 所示。

表5 滑刀式開溝器離散元仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 5 Discrete element simulation test data table for sliding-knife furrow opener

圖11 滑刀式開溝器牽引阻力-仿真時(shí)間曲線Fig.11 Curve for traction resistance and simulation time of sliding-knife furrow opener

設(shè)速度大于0.1 m/s 的土壤顆粒為被擾動(dòng)土壤，定義滑刀式開溝器最大寬度入土?xí)r其截面上土壤的擾動(dòng)量為土壤擾動(dòng)面積。在離散元仿真結(jié)果后處理中對(duì)仿真模型進(jìn)行切片處理，將水田土壤顆粒群依據(jù)速度大小進(jìn)行著色處理，藍(lán)色為速度較低的顆粒、綠色為速度較高的顆粒、紅色為速度最高的顆粒，離散元仿真結(jié)果如圖12 所示。將各工況下的離散元仿真結(jié)果輸出成尺寸、分辨率一致的圖片，導(dǎo)入Photoshop，統(tǒng)計(jì)圖中綠色和紅色部分像素?cái)?shù)值，以此來計(jì)算水田土壤擾動(dòng)面積，結(jié)果如表5所示。采用模糊數(shù)學(xué)中的映射函數(shù)對(duì)滑刀式開溝器的牽引阻力、土壤擾動(dòng)面積兩指標(biāo)進(jìn)行極差分析處理，并結(jié)合加權(quán)評(píng)分方法[26]對(duì)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，兩項(xiàng)指標(biāo)均采用降半正態(tài)分布映射，計(jì)算式如式（7）～（9）所示，結(jié)果見表5 所示。

采用 SPSS（statistical product service solutions，SPSS）軟件對(duì)滑刀式開溝器工作在1.2 m/s 速度的離散元仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析（表5）。由極差可知：1.2 m/s 的前進(jìn)速度下，滑切角、刃口角、入土深度三個(gè)因素對(duì)牽引阻力、土壤擾動(dòng)面積和綜合加權(quán)評(píng)分的影響主次順序?yàn)槿胪辽疃?、刃口角、滑切角；刃口角、滑切角、入土深度；入土深度、滑切角、刃口角。由試?yàn)結(jié)果可知，牽引阻力隨著滑切角和入土深度的增加而增大，隨著刃口角的增加而減??；土壤擾動(dòng)面積隨著滑切角的增加而減小，隨著刃口角的增加而增大，隨著入土深度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；綜合加權(quán)評(píng)分隨著滑切角增加而上升，隨著刃口角增加呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，隨著入土深度增加而下降。以綜合加權(quán)評(píng)分評(píng)價(jià)滑刀式開溝器的工作性能，綜合加權(quán)評(píng)分最高的因素組合為滑切角32.5°、刃口角45°，在滿足農(nóng)藝要求情況下入土深度越淺越有較好的工作性能。

0.6m/s 速度下的結(jié)果極差分析滑切角、刃口角、入土深度對(duì)牽引阻力、土壤擾動(dòng)面積、綜合加權(quán)評(píng)分的影響主次順序?yàn)槿胪辽疃?、刃口角、滑切角；刃口角、入土深度、滑切角；入土深度、刃口角、滑切角。由試?yàn)結(jié)果可知，牽引阻力隨著滑切角的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，隨著刃口角的增加而減小，隨著入土深度的增加而增大；土壤擾動(dòng)面積隨著滑切角的增加同樣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，隨著刃口角和入土深度的增加而增大；綜合加權(quán)評(píng)分隨著滑切角的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，隨著刃口角的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，隨著入土深度的增加而下降。以綜合加權(quán)評(píng)分評(píng)價(jià)滑刀式開溝器的工作性能，綜合加權(quán)評(píng)分最高的因素組合為滑切角32.5°、刃口角45°，在滿足農(nóng)藝要求的情況下入土深度越淺越有較好的工作性能。

2.2 土槽試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 氣力引射式霧化施肥器性能測(cè)試結(jié)果

氣力引射式霧化施肥器性能試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示，可知在喉嘴距1 mm、混合室（喉部）直徑3.5 mm、氣體壓力0.3 MPa 時(shí)有最大排肥量11.26 g/s，滿足水稻施肥農(nóng)藝要求。

表6 氣力引射式霧化施肥器性能試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Performance test results of pneumatic ejector fertilizer atomizer

由表6 極差分析結(jié)果可知：影響氣力引射式霧化施肥器液肥質(zhì)量流率的主次順序?yàn)榛旌鲜遥ê聿浚┲睆健怏w壓力、喉嘴距；影響氣力引射式施肥器氣體流量的主次順序?yàn)闅怏w壓力、喉嘴距、混合室（喉部）直徑。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制各因素水平與液肥質(zhì)量流率和氣體流量的效應(yīng)圖，如圖13 所示。由圖13a 可見，液肥質(zhì)量流率隨著混合室（喉部）直徑和喉嘴距的增加呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，隨著氣體壓力的增加而增加，當(dāng)喉嘴距為1 mm，混合室（喉部）直徑為3.5 mm，氣體壓力為0.3 MPa 為最優(yōu)水平組合；由圖13b 可見，氣體流量隨著氣體壓力的增加而增大，隨著喉嘴距的增加而增大，但幅度不明顯，隨著混合室（喉部）直徑的增加呈現(xiàn)小范圍的上下波動(dòng)趨勢(shì)。

圖13 因素水平與液肥質(zhì)量流率和氣體流量的效應(yīng)圖Fig.13 Effect diagram of factors level versus liquid fertilizer mass flow rate and air flow rate

2.2.2 滑刀式開溝器性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

表7 為滑刀式開溝器性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見滑刀式開溝器的牽引阻力隨著入土深度和前進(jìn)速度的增加而增大，當(dāng)入土深度為30 mm、前進(jìn)速度為1.2 m/s，滑刀式開溝器實(shí)際作業(yè)過程中的牽引阻力為8.5 N，離散元仿真試驗(yàn)的牽引阻力為6.9 N，相對(duì)誤差分別為18%。當(dāng)入土深度為50 mm、前進(jìn)速度為0.6 m/s，滑刀式開溝器實(shí)際作業(yè)過程中的牽引阻力為14.4 N，離散元仿真試驗(yàn)的牽引阻力為12.2 N，相對(duì)誤差為15%。產(chǎn)生誤差的主要原因是實(shí)際土槽中的土壤條件與理想狀態(tài)有一定差距，以及測(cè)力傳感器的安裝位置并不能準(zhǔn)確測(cè)量出開溝部件實(shí)際受力大小。表8 為對(duì)應(yīng)的方差分析結(jié)果，由表8 可見，入土深度對(duì)牽引阻力的影響極其顯著(P＜0.01)，前進(jìn)速度對(duì)牽引阻力的影響顯著(P＜0.05)，入土深度的影響大于前進(jìn)速度的影響。因此，進(jìn)行實(shí)際施肥作業(yè)時(shí)，應(yīng)在滿足水稻施肥農(nóng)藝要求的條件下，選擇較淺的施肥深度，以保證開溝器的工作性能。

表7 不同速度下滑刀式開溝器土槽試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Soil bin test results for sliding-knife furrow opener at different speeds

表8 滑刀式開溝器土槽試驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 8 Variance analysis table of soil bin test results for slidingknife furrow opener

2.2.3 滑刀開溝-氣力引射式液肥霧化側(cè)深施肥裝置性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

表9 為滑刀開溝-氣力引射式液肥霧化側(cè)深施肥裝置的排肥量穩(wěn)定性和施肥深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表。由表9 可知，在入土深度為30 mm、前進(jìn)速度為1.2 m/s 及入土深度為50 mm、前進(jìn)速度為0.6 m/s 時(shí)，排肥量分別為11.1 和11.5 g/s，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.242 7 和0.479 6 g/s，與最大排肥量11.26 g/s 相比，相對(duì)誤差分別為1.42%和2.13%，排肥量均維持穩(wěn)定，并能達(dá)到最大值，滿足施肥要求。在入土深度為30 mm，前進(jìn)速度為1.2 m/s 時(shí)，施肥深度為28.7 mm，相對(duì)誤差為4.4% ；在入土深度為50 mm，前進(jìn)速度為0.6 m/s 時(shí)，施肥深度為48.9mm，相對(duì)誤差為2.1%，施肥深度均滿足施肥要求?？梢姡撗b置的各項(xiàng)指標(biāo)滿足水稻液肥側(cè)深施肥作業(yè)要求。

3 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了氣液同軸結(jié)構(gòu)的氣力引射式霧化施肥器，采用全因子試驗(yàn)法進(jìn)行氣力引射式霧化施肥器性能試驗(yàn)。結(jié)果表明：影響液肥質(zhì)量流率的主次順序?yàn)榛旌鲜遥ê聿浚┲睆?、氣體壓力、喉嘴距；影響氣體流量的主次順序?yàn)闅怏w壓力、喉嘴距、混合室（喉部）直徑。當(dāng)喉嘴距為1 mm、混合室（喉部）直徑為3.5 mm、氣體壓力為0.3 MPa，耗氣量為24 L/min 時(shí)，氣力引射式霧化施肥器有最大排肥量11.26 g/s，滿足水稻施肥的農(nóng)藝要求。

2）結(jié)合水田土壤的流變特性，設(shè)計(jì)與氣力引射式霧化施肥器相配合的滑刀式開溝器，用EDEM 軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的滑刀式開溝器進(jìn)行作業(yè)過程離散元仿真分析，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)滑刀式開溝器以1.2 m/s 的前進(jìn)速度作業(yè)時(shí)，滑切角、刃口角、入土深度對(duì)牽引阻力、土壤擾動(dòng)面積和綜合加權(quán)評(píng)分的影響主次順序分別為入土深度、刃口角、滑切角；刃口角、滑切角、入土深度；入土深度、滑切角、刃口角。以0.6 m/s 的前進(jìn)速度作業(yè)時(shí)，滑切角、刃口角、入土深度對(duì)牽引阻力、土壤擾動(dòng)面積、綜合加權(quán)評(píng)分的影響主次順序分別為入土深度、刃口角、滑切角；刃口角、入土深度、滑切角；入土深度、刃口角、滑切角。在滿足水稻施肥農(nóng)藝要求的情況下，滑切角為32.5°、刃口角為45°，滑刀式開溝器有較好的工作性能。

3）以EDEM 軟件進(jìn)行離散元仿真分析優(yōu)化出的滑刀式開溝器為研究對(duì)象，進(jìn)行仿真試驗(yàn)和土槽性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：滑刀式開溝器的牽引阻力隨著入土深度和前進(jìn)速度的增加而增大。當(dāng)滑刀式開溝器入土深度為30 mm、前進(jìn)速度為1.2 m/s 時(shí)，牽引阻力實(shí)測(cè)值為8.5 N，仿真結(jié)果為6.9 N，相對(duì)誤差為18%，土壤擾動(dòng)面積仿真結(jié)果為 1 965.6 cm2；當(dāng)入土深度為50 mm、前進(jìn)速度為0.6 m/s 時(shí)，牽引阻力實(shí)測(cè)值為14.4 N，仿真結(jié)果為12.2 N，相對(duì)誤差為15%，土壤擾動(dòng)面積仿真結(jié)果為2 137.2 cm2。說明應(yīng)用EDEM 軟件進(jìn)行滑刀式開溝器離散元仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

4）進(jìn)行了滑刀開溝-氣力引射式液肥霧化側(cè)深施肥裝置土槽性能試驗(yàn)，在入土深度為30 mm，前進(jìn)速度為1.2 m/s 時(shí)，排肥量標(biāo)準(zhǔn)差為0.242 7 g/s，排肥量相對(duì)誤差為1.42%，施肥深度相對(duì)誤差為4.4% ；在入土深度為50 mm，前進(jìn)速度為0.6 m/s 時(shí)，排肥量標(biāo)準(zhǔn)差為0.479 6 g/s，排肥量相對(duì)誤差為2.13%，施肥深度相對(duì)誤差為2.1%。各項(xiàng)指標(biāo)滿足水稻液肥側(cè)深施肥作業(yè)要求。