果園廄肥深施機(jī)土肥混合覆土裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：針對(duì)果園廄肥傳統(tǒng)深施方式存在肥料過(guò)于集中、利用率低等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種土肥碰撞混合覆土裝置，主要由開(kāi)溝機(jī)構(gòu)、導(dǎo)流機(jī)構(gòu)、排肥機(jī)構(gòu)等組成；進(jìn)行了螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)內(nèi)廄肥顆粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及切削拋送過(guò)程、導(dǎo)流分層過(guò)程土壤顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定了關(guān)鍵參數(shù)范圍，并以刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、攪龍轉(zhuǎn)速和分土板偏角為因素、以土肥混合均勻度為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、攪龍轉(zhuǎn)速和分土板偏角分別為152 r·min-1、138 r·min-1和29°時(shí)土肥混合均勻度為86.39%；對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示混合均勻度為88.02%，與理論結(jié)果的相對(duì)誤差為1.89%，表明該裝置混合性能較好，可滿足土肥混合作業(yè)要求。該研究結(jié)果可為土肥混合機(jī)械設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；廄肥；混合；覆土

中圖分類(lèi)號(hào)：S224.21文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

Design and test of soil-fertilizer mixing and covering device for orchard manure deep application machine

QI" Jiangtao1，2，NIU" Yang1，2，ZHANG" Jiyuan1，2，PENG" Huijie1，2*，LI" Mingrui1，2，MENG" Hewei1，2

（1 College of Mechanical Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832000，China;

2 Key Laboratory

of Northwest Agricultural Equipment，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Shihezi，Xinjiang 832000，China）

Abstract： Aiming at the problems of excessive concentration and low utilization rate of fertilizer in the traditional deep application of orchard manure，this paper designs a soil-fertilizer collision mixing soil covering device，which is mainly composed of ditching mechanism，diversion mechanism and fertilizer discharging mechanism.The kinematics analysis of the manure particles in the screw auger fertilizer conveying mechanism and the kinematics analysis of the soil particles in the cutting and throwing process and the diversion and stratification process were carried out，and the key parameter ranges were determined.Further，the bench test was carried out with the rotation speed of the cutter head，the rotation speed of the auger and the deflection angle of the soil plate as the factors，and the uniformity of soil and fertilizer mixing as the evaluation index.The results showed that the mixing uniformity of soil and fertilizer was 86.39% when the rotation speed of cutter head，the rotation speed of auger and the deflection angle of soil separating plate were 152 r·min-1，138 r·min-1 and 29°，respectively.The optimal parameter combination was tested and verified.The results showed that the mixing uniformity was 88.02%，and the relative error with the theoretical result was 1.89%，indicating that the mixing performance of the device was good and could meet the requirements of soil and fertilizer mixing operation.The results of this study can provide an important reference for the design of soil-fertilizer mixing machinery.

Key words： agricultural machinery;barnyard manure;mixing;covering soil

在林果種植過(guò)程中，施肥不僅能加強(qiáng)果園土壤保護(hù)和改良，還能影響果品產(chǎn)量和品質(zhì)。調(diào)研結(jié)果顯示，目前果園施肥以顆粒肥為主，施用廄肥可以有效改善土壤環(huán)境，增強(qiáng)土壤肥力，提升果品質(zhì)量，同時(shí)也符合“一控兩減三基本”目標(biāo)，即降低化肥使用率，資源化利用牲畜糞便，從而達(dá)成經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)建設(shè)的有機(jī)統(tǒng)一［1-2］。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在《果菜茶有機(jī)肥取代化肥技術(shù)指導(dǎo)若干意見(jiàn)》文件中強(qiáng)調(diào)，施肥時(shí)應(yīng)當(dāng)將有機(jī)肥與土壤進(jìn)行混合，以達(dá)到最佳的施肥效果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤和肥料的混合做了一些相關(guān)研究，Kwapinska等［3］通過(guò)離散單元法模擬分析，研究了各種轉(zhuǎn)動(dòng)速率下顆粒的混雜特性，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和裝充率對(duì)混合數(shù)量和混合時(shí)間有顯著影響；Ucgul 等［4］研究了一種旋轉(zhuǎn)鏟，能夠?qū)⒌乇淼姆柿匣旌线M(jìn)土壤中，改善土壤特性；黃躍等［5］設(shè)計(jì)了一種果園開(kāi)溝施肥土肥混合回填裝置，利用EDEM軟件建立顆粒肥與土壤混合離散元模型，將不同曲率半徑的開(kāi)溝刀片對(duì)土壤與顆粒肥混合均勻度進(jìn)行了數(shù)值模擬，最終確定曲率半徑為110mm的刀片作業(yè)效果最好；袁全春等［6］設(shè)計(jì)研究了一種土肥混合回填裝置，土壤被拋至土肥混合分層裝置，土肥混合物被土肥混合分層回填裝置回填至施肥溝中，完成混合物分層回填；肖宏儒等［7］設(shè)計(jì)了一種1KS60-35X果園型雙螺旋開(kāi)溝施肥機(jī)，采用雙螺旋開(kāi)溝，作業(yè)時(shí)將從中間空心軸拋出的肥料與土壤攪拌混合；劉彪［8］設(shè)計(jì)了一種果園施肥機(jī)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)的刀盤(pán)將土壤和肥料在溝中混合。

目前，果園廄肥深施機(jī)土肥混合的方式主要有溝中混合和在裝置內(nèi)混合后施入肥溝2種，這2種混合方式多為攪拌混合，而對(duì)碰撞混合的相關(guān)研究鮮有文獻(xiàn)。為此，結(jié)合農(nóng)藝與農(nóng)戶施肥要求，本文設(shè)計(jì)了一種土肥碰撞混合覆土裝置，可在開(kāi)溝作業(yè)的同時(shí)利用后拋土壤與廄肥顆粒碰撞進(jìn)行自混合并覆土，并進(jìn)行了螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)內(nèi)廄肥顆粒的及切削拋送過(guò)程、導(dǎo)流分層過(guò)程土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定關(guān)鍵參數(shù)范圍，然后通過(guò)多因素試驗(yàn)確定土肥碰撞混合覆土裝置的最佳參數(shù)組合，再進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證，旨在實(shí)現(xiàn)土肥混合，提高廄肥利用率，并為廄肥精細(xì)化深施提供技術(shù)支撐。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

土肥混合裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由開(kāi)溝機(jī)構(gòu)、導(dǎo)流機(jī)構(gòu)、排肥機(jī)構(gòu)組成，其中開(kāi)溝機(jī)構(gòu)主要由開(kāi)溝刀、開(kāi)溝刀盤(pán)組成，導(dǎo)流機(jī)構(gòu)由導(dǎo)流罩和分土板組成，排肥機(jī)構(gòu)主要由攪龍、肥箱、刮板組成。

根據(jù)果園秋季深施廄肥的農(nóng)藝要求，結(jié)合土壤和廄肥混合后覆土的工作特點(diǎn)，確定土肥混合裝置的主要技術(shù)參數(shù)（表1），以確保施肥效果。

1.2 工作原理

如圖2所示，工作時(shí)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)前進(jìn)切削土壤進(jìn)行開(kāi)溝作業(yè)，被切削土壤在開(kāi)溝刀與導(dǎo)流機(jī)構(gòu)的作用下向后方運(yùn)動(dòng)，分土板對(duì)后拋土壤進(jìn)行分流分層，形成混肥土壤和覆肥土壤，其中混肥土壤在后拋過(guò)程中與螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)輸送的肥料進(jìn)行碰撞混合，形成土肥混合物后施加至溝中，覆肥土壤經(jīng)導(dǎo)流機(jī)構(gòu)后拋覆蓋在土肥混合物上，從而完成果園廄肥施加中的混肥-覆土工作。

2 土壤、廄肥顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

2.1 螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)內(nèi)廄肥顆粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1.1 螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)內(nèi)廄肥顆粒的受力分析

選取螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)中廄肥顆粒微元體，對(duì)廄肥顆粒的運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行分析。在螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)中，廄肥會(huì)受到螺旋葉片的推動(dòng)力和摩擦力，導(dǎo)致其在攪龍槽內(nèi)形成螺旋移動(dòng)［9］。由于廄肥松散、形狀差異性較大、保持形狀的能力較差等性質(zhì)均會(huì)對(duì)輸送過(guò)程造成影響。本文對(duì)螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)內(nèi)廄肥顆粒的受力分析過(guò)程提出如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：

（1）在螺旋葉片上的廄肥顆粒間沒(méi)有相互滑動(dòng)，彼此緊密接觸。

（2）廄肥在不同密度和不同含水率的條件下，廄肥顆粒與螺旋葉片、攪龍軸和螺旋攪龍殼的摩擦系數(shù)不發(fā)生變化。

（3）廄肥物料的軸向和法向應(yīng)力會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)方向的變化而發(fā)生變化。

在螺旋攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，廄肥顆粒在螺旋葉片上所受推力為F，由于廄肥顆粒與攪龍葉片壁面存在摩擦力，推力F沿螺旋線法線方向偏轉(zhuǎn)β角，將螺旋葉片展開(kāi)并進(jìn)行受力分析，如圖3所示。圖3中，螺旋攪龍的螺旋升角為α，S代表螺距，m；r代表螺旋面上廄肥顆粒與螺旋軸間的距離，mm；Ff代表切向摩擦力，N；N代表廄肥粒子受螺旋葉片的法向推力，N；F為廄肥顆粒受到的合力，N；Fr為合力F的圓周方向分力，N；Fz為合力F的軸向分力，N；β代表廄肥顆粒的外摩擦角，°。

隨著螺旋葉片上廄肥顆粒與螺旋軸軸線之間的距離r的減小，螺旋升角α?xí)鄳?yīng)增大，進(jìn)而周向分力Fr增大，當(dāng)Fr達(dá)到最大時(shí)，使摩擦力和重力無(wú)法平衡，干擾廄肥的正常運(yùn)輸［10］。

2.1.2 螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)內(nèi)廄肥顆粒的速度分析

對(duì)肥料進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖4所示。

當(dāng)螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可通過(guò)速度三角形計(jì)算出距軸線r處M的運(yùn)行速度。在不考慮摩擦力的情況下，廄肥顆粒M的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度Vn應(yīng)用向量OB表示，由于摩擦力的存在，其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度會(huì)受到摩擦力的影響而發(fā)生變化，廄肥顆粒M的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度Vn為O點(diǎn)法線方向，由矢量OB表示，當(dāng)廄肥顆粒M的絕對(duì)速度與摩擦角β發(fā)生偏離時(shí)，其相對(duì)移動(dòng)速度V就可分為軸向速度V1和圓周速度V2，可用來(lái)描述物體的運(yùn)動(dòng)特性。V1代表螺旋攪龍輸肥過(guò)程中廄肥顆粒的軸向移動(dòng)速度，V2是抑制和阻礙廄肥顆粒輸送的速度。

對(duì)顆粒M進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，可得軸向移動(dòng)速度：

V1=Vcos（α+β），（1）

式（1）中

V=Vncosρ=V0sinαcosρ，（2）

則有：

V1=V0sinαcosρcos（α+ρ）。（3）

式（3）中

V0=ωr=πn20·S2πtanα=nS60tanα，（4）

tanα=S2πr，（5）

cosα=11+S（2πr）2。（6）

將式（4）～（6）代入式（3）可得：

V1=Sn60·1-Sμ2πr1+S2πr2。（7）

同理可得圓周速度

V2=Sn60·μ+S2πr1+S2πr2。（8）

式（7）、（8）中V1為廄肥顆粒軸向移動(dòng)速度，m·s-1；V2為廄肥顆粒圓周速度，m·s-1；Vn為廄肥顆粒絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1；V為廄肥顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1；V0為廄肥顆粒線速度，m·s-1；ρ為廄肥顆粒和螺旋葉片間摩擦角，°；ω為攪龍的角速度，m·s-1；r為廄肥顆粒與攪龍軸線的距離，mm；n為攪龍轉(zhuǎn)速，r·min-1；S為攪龍葉片螺距，mm。

當(dāng)螺距保持不變時(shí)，隨著螺旋葉片半徑的增大，廄肥顆粒的軸向移動(dòng)速度V1和圓周速度V2也會(huì)相應(yīng)增大，使得廄肥顆粒在攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)垂直于輸送方向的運(yùn)動(dòng)，其中，靠近攪龍的廄肥顆粒圓周速度V2會(huì)大于軸向移動(dòng)速度V1；而靠近螺旋外側(cè)的廄肥顆粒則會(huì)出現(xiàn)軸向移動(dòng)速度V1大于圓周速度V2的情況，這將使得內(nèi)層廄肥顆粒更容易隨排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。

查顯濤［11］、趙亮［12］研究表明：

攪龍轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量有較大影響，轉(zhuǎn)速較高，可以增加排肥量并提高作業(yè)效率，而轉(zhuǎn)速較低，作業(yè)效率就會(huì)降低。在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，附加肥料流對(duì)廄肥顆粒運(yùn)動(dòng)的影響不顯著。當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)速超過(guò)某一臨界值時(shí)，由于離心力過(guò)大，廄肥顆粒會(huì)被甩出，并在垂直于輸送方向發(fā)生跳躍翻滾現(xiàn)象。此時(shí)攪龍的主要作用是攪拌廄肥顆粒，不能產(chǎn)生軸向輸送作用，這會(huì)導(dǎo)致廄肥無(wú)法順利排出，降低攪龍的輸送效率并加劇機(jī)具的磨損。為了確保螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)能夠順利運(yùn)行，在滿足運(yùn)輸需求的前提下應(yīng)當(dāng)根據(jù)排肥量、螺旋葉片直徑以及廄肥的物理性質(zhì)等因素，合理調(diào)節(jié)攪龍轉(zhuǎn)速，攪龍轉(zhuǎn)速的大小直接影響土肥混合效果，如果攪龍轉(zhuǎn)速較大，螺旋葉片沿周向產(chǎn)生較大的離心力，廄肥顆粒會(huì)被拋撒到螺旋葉片邊緣，同時(shí)物料軸向速度較快，物料則被迅速輸送到排肥口，完成排肥作業(yè)，降低土肥的混合效果；如果攪龍轉(zhuǎn)速較小，導(dǎo)致肥料之間的擠壓力增加，廄肥由于自身含水率較高，易自身結(jié)塊，不利于廄肥與土壤之間的混合［13-14］。因此，結(jié)合前期理論分析和相關(guān)研究，根據(jù)裝置預(yù)實(shí)驗(yàn)效果，最終設(shè)定攪龍轉(zhuǎn)速范圍為130～150 r·min-1。

2.2 土壤顆粒動(dòng)力學(xué)分析

當(dāng)土壤被開(kāi)溝刀切削時(shí)，由于承受擠壓的作用，土壤會(huì)發(fā)生擠壓變形，當(dāng)這種變形足以摧毀土壤內(nèi)在摩擦力和內(nèi)聚力時(shí)，刀片就會(huì)將土垈與土體分開(kāi)并拋出［15-16］。

為了深入研究開(kāi)溝刀拋土過(guò)程，將土垈作為質(zhì)點(diǎn)系，并以其質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)描述整個(gè)土垈的運(yùn)動(dòng)情況（圖5）。

根據(jù)圖5，假定正切面為一平面，則單位土壤顆粒由于自重G、開(kāi)溝刀對(duì)土壤的支撐力FN、摩擦力Ff和離心力Fd的共同作用，使得正切刃面與側(cè)切刃面之間存在夾角，從而影響著單位土壤微粒的受力情況，隨著切削位置的變化而發(fā)生變化。土壤顆粒離開(kāi)開(kāi)溝刀的條件為離心力大于其摩擦力和支撐力分量，即滿足如下關(guān)系式：

FNX+Ff≤Fdsinθ，（9）

FNX+f（G+Fdcosθ）≤Fdsinθ。（10）

當(dāng)θ角變大時(shí)，正壓力FN可分解為x軸方向分力FNX和y軸方向分力FNY。開(kāi)溝刀作用在土壤上的力平衡條件如下：

mv02r≥fmg+fmv02cosθr。（11）

式（11）中v0為土粒剛離開(kāi)刀片時(shí)的速度；m·s-1；g為重力加速度，m·s-2；m為土壤微粒質(zhì)量，g；f為開(kāi)溝刀與土壤之間的摩擦系數(shù)；θ為土壤微粒脫離刀片時(shí)刀片的轉(zhuǎn)角，°；r為刀片上的土壤顆粒到旋轉(zhuǎn)中心的距離，mm。

開(kāi)溝刀盤(pán)將土壤切碎并向后拋出，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)要滿足切削拋土的工作需求，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速越大，刀盤(pán)邊緣線速度就越大，對(duì)土壤的切削效果越好，土壤后拋速度越大［17-18］。然而，隨著速度的增加，切削和拋土的功耗也會(huì)相應(yīng)增加，從而加劇機(jī)具的損壞。當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，土壤不能被開(kāi)溝刀順利甩出，只能被動(dòng)的被下方的土壤向上頂出，容易在導(dǎo)流罩和刀盤(pán)之間造成土壤堵塞，損壞刀具［19-20］。結(jié)合預(yù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)溝拋土效果，最終設(shè)定刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為140～160 r·min-1。

當(dāng)土壤被拋出分土板時(shí)，會(huì)在空中運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，然后掉落到地面。這些土壤顆粒被分土板分為混肥土壤和覆肥土壤。利用拋射體理論來(lái)分析這種拋撒過(guò)程［21］。假設(shè)忽略風(fēng)力、土壤自身的運(yùn)動(dòng)和它們之間的相互作用，以混肥土壤為例，當(dāng)它離開(kāi)分土板時(shí)，只受到空氣阻力和自身重力的影響。按照土壤離開(kāi)分土板時(shí)z軸方向的分速度Vs的大小和方向，可以得出土壤的拋撒過(guò)程是下拋。以分土板起始端為空間坐標(biāo)系原點(diǎn)o，將廄肥深施機(jī)前進(jìn)方向的反方向作為x軸，豎直方向作為z軸，按照右手定則，選擇y軸的正方向，以此來(lái)構(gòu)建空間坐標(biāo)系。

假設(shè)分土板的轉(zhuǎn)動(dòng)僅會(huì)改變土壤的初始速度方向，不會(huì)影響它的初始位置（Wm、Sv和Hd）。Wm表示導(dǎo)流罩與分土板中心點(diǎn)間的長(zhǎng)度，m；Sv表示分土板前段到終點(diǎn)的長(zhǎng)度，m；Hd表示分土板與地面間的高程，m。將斜下拋土壤在三維空間中的拋撒運(yùn)動(dòng)分解為2個(gè)二維平面yoz平面和xoy平面。初始速度Vd沿x軸、y軸和z軸分別為Vd1、Vd2和Vd3，這些速度分別代表了后拋土壤在不同方向上的運(yùn)動(dòng)特征。在yoz平面上，土壤拋撒是土壤落地后沿y軸方向的距離（Sd）。在xoy平面上，最左/右端土壤拋撒后沿x軸方向間距（Wd）的2倍為拋撒幅寬。

根據(jù)圖6分析后可知：土壤下拋運(yùn)動(dòng)的初始速度Vd3與z軸的負(fù)向相同。隨著重力和空氣阻力的作用，拋撒的分速度Vdz會(huì)沿著z軸的負(fù)方向增加，而拋撒的分速度Vdx和Vdy則會(huì)在空氣阻力的作用下持續(xù)減小，所以土壤不斷向下運(yùn)動(dòng)，直至落地。

土壤下拋過(guò)程的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：

d2xdt2+kdxdt2=0，

d2ydt2+kdydt2=0，

d2zdt2-kdzdt2+g=0。（12）

在初始條件t=0的情況下，通過(guò)積分式可以計(jì)算出土壤在x、y、z方位上的移動(dòng)速度Vdx（t）、Vdy（t）、Vdz（t）及其位置坐標(biāo)x（t）、y（t）、z（t）。其中，Vdx（0）=Vd1，Vdy（0）=Vd2，Vdz（0）=-Vd3，x（0）=Wm，y（0）=Sv，z（0）=Hd。

土壤的運(yùn)動(dòng)速度為：

Vdx（t）=dxdt=Vd11+kVd1t，

Vdy（t）=dydt=Vd21+kVd2t，

Vdz（t）=dzdt=g+kVd3-（g-kVd3）e2gktg+kVd3+（g-kVd3）e2gkt。（13）

土壤的位置坐標(biāo)為：

x（t）=w+1kln（1+kVd1t），

y（t）=w+1kln（1+kVd2t），

z（t）=Hd+1kln2egkt1－kgVd3+1+kgVd3e2gkt。（14）

當(dāng)z=0時(shí)，代入式（14）可以計(jì)算出土壤在空中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間

t=1gklnekHd+e2kHd+kgV2d3-11+kgVd3。（15）

將求得的時(shí)間t代入式（14），可以計(jì)算出土壤的拋撒范圍Sw和拋撒距離Sd。經(jīng)過(guò)分析可以得出土壤切削拋撒的初始速度、土壤拋撒初始速度與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系，而拋撒位置和角度則取決于分土板在導(dǎo)流罩內(nèi)的偏角。根據(jù)土壤拋撒距離與拋撒幅寬，可以更好地布局螺旋攪龍輸肥機(jī)構(gòu)和開(kāi)溝導(dǎo)流機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置。分土板偏角不同將會(huì)影響兩部分土的比例以及混肥土壤運(yùn)動(dòng)軌跡。分土板偏角過(guò)高，分土板與導(dǎo)流罩間距過(guò)小，則會(huì)造成土壤在分土板上方堆積，導(dǎo)致覆肥土壤無(wú)法正常排出［22-23］；分土板偏角過(guò)低，混肥土壤則不會(huì)沿分土板偏角運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重影響混肥效果?；谏鲜隹紤]并結(jié)合前期預(yù)實(shí)驗(yàn)，最終設(shè)定分土板偏角為20～40°。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件及方法

為驗(yàn)證土肥碰撞混合覆土裝置的效果，于2022年6月22日在石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院小工廠開(kāi)展田間試驗(yàn)。所用廄肥為新疆石河子新業(yè)農(nóng)牧生物發(fā)展有限公司所生產(chǎn)，采用約翰迪爾454拖拉機(jī)進(jìn)行牽引土肥碰撞混合覆土試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)中所用的測(cè)量工具有TDR150土壤水分儀、卷尺（量程30 m，精度2 mm）和鋼尺（量程500 mm，分度值1 mm）、AMB100-7R5G-T3變頻器等。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖8所示。

在本次試驗(yàn)中，由于土壤和廄肥的物理特性相似，皆為粉末狀形態(tài)，混合完成后無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算混合均勻度，所以本文將玉米作為示蹤粒子，計(jì)算玉米在土肥混合物中的混合均勻度且用以表征土肥混合均勻度。在進(jìn)行土肥混合試驗(yàn)之前，為減小試驗(yàn)誤差，將玉米和廄肥進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌稀榱吮ＷC試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，選擇一個(gè)平整、光滑的水泥地面，所選測(cè)區(qū)長(zhǎng)度為10 m，裝置穩(wěn)定地通過(guò)檢測(cè)區(qū)，完成了排肥作業(yè)。在排肥作業(yè)完成后，剔除檢測(cè)區(qū)域肥料前后各50cm的部分，剩余的部分按照10 cm的長(zhǎng)度連續(xù)等分不少于30段。對(duì)每一段玉米的質(zhì)量進(jìn)行收集和測(cè)量，評(píng)估玉米在廄肥中的混合均勻度。經(jīng)過(guò)計(jì)算，玉米在廄肥中的混合均勻度達(dá)到了98.53%，達(dá)到了示蹤粒子在廄肥中充分混合的要求，且符合實(shí)驗(yàn)的目的要求。

由于取樣測(cè)量過(guò)程中存在土壤流動(dòng)，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得混合均勻度實(shí)際值，所以為確保土肥混合結(jié)果更接近實(shí)際值，取樣之前，先拿2塊亞克力板插入溝底并將其固定（圖9），兩板間隔10 cm，將亞克力板一側(cè)的溝槽清理干凈，通過(guò)透明的亞克力板可看到土肥混合物以及覆土的整體情況。先用小鏟子將板子間的覆土取出并稱(chēng)其質(zhì)量，以此求出覆土均勻性。之后將中間的土肥混合物取出，篩分出玉米質(zhì)量，每組重復(fù)5次，求5次的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)行土肥混合均勻度M的計(jì)算。

3.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)NY/T1024—2006《畜禽飼料混合機(jī)品質(zhì)評(píng)估技術(shù)》中相關(guān)公式，按試驗(yàn)中測(cè)定和計(jì)算所得的各次測(cè)定樣本的平均值X、樣本中示蹤物質(zhì)量Xi（g）和樣本數(shù)量n，然后再計(jì)算出樣本標(biāo)準(zhǔn)差S、廄肥與土壤的混合均勻度M。

S=∑ni=1Xi-X2n-1。（16）

式（23）中S為樣本標(biāo)準(zhǔn)差；X為各次測(cè)定樣本X1、X2……Xn的平均值，g；Xi為樣本中示蹤物質(zhì)量，g；n為樣本數(shù)量。

混合均勻度M按式（17）計(jì)算。

S=∑ni=1Xi-X2n-1。（17）

3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

對(duì)二次回歸模型進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

由方差分析結(jié)果（表3）可知，回歸模型極其顯著失擬性不顯著，說(shuō)明混和均勻度所建模型的擬合的回歸方程與實(shí)際相符，能夠?qū)旌途鶆蚨扰c各試驗(yàn)因素之間的關(guān)系進(jìn)行較好預(yù)測(cè)。

從表3的P值可以看出，分土板偏角、攪龍轉(zhuǎn)速的平方對(duì)混和均勻度影響極顯著，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與分土板偏角的交互作用、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的平方對(duì)混和均勻度有顯著影響，攪龍轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與攪龍轉(zhuǎn)速、攪龍轉(zhuǎn)速與分土板偏角的交互項(xiàng)、分土板偏角的平方對(duì)混和均勻度影響均不顯著，結(jié)合回歸方程，通過(guò)分析可知影響混和均勻度的因素主要為攪龍轉(zhuǎn)速平方項(xiàng)B2。因此，根據(jù)各因素對(duì)混合均勻度的方差分析，將不顯著因素剔除后，獲取了刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、攪龍轉(zhuǎn)速、分土板偏角對(duì)混合均勻度的回歸模型：

Y=86.28-2.42A-3.82C-4.64AC-3.99A2-6.79B2。（16）

利用Design-Expert 13軟件繪制混合均勻度響應(yīng)曲面圖，如圖10所示。

由圖10可知：攪龍轉(zhuǎn)速為0水平時(shí)，混和均勻度隨著隨著分土板偏角從低水平到高水平一直增大；刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在140～160 r·min-1的變化過(guò)程中，混肥均勻度隨著轉(zhuǎn)速增大而增加。刀盤(pán)轉(zhuǎn)速變大的過(guò)程中，土壤的后拋速度增大，使碰撞混合效果更顯著。

3.4 土肥混合裝置參數(shù)優(yōu)化

在保證土肥混合裝置各工作參數(shù)符合農(nóng)藝要求和施肥作業(yè)要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)以獲得混合排肥裝置最佳工作參數(shù)范圍，利用Design-Expert13軟件中的Optimization模塊采取多目標(biāo)優(yōu)化的功能，以混和均勻度Y最大為優(yōu)化目標(biāo)，以刀盤(pán)轉(zhuǎn)速A、攪龍軸轉(zhuǎn)速B、分土板偏角C為變量進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置約束條件為：

MaxY（A，B，C）；

140≤A≤160；

130≤B≤150；

20≤C≤40°。（17）

優(yōu)化后的最優(yōu)參數(shù)組合如表4所示。

在最優(yōu)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果的混合均勻度為88.02%，表明土肥混合裝置模型準(zhǔn)確，仿優(yōu)化結(jié)果可靠，根據(jù)最優(yōu)參數(shù)加工的土肥混合裝置混合性能較好，能夠滿足果園廄肥深施過(guò)程中土肥混合作業(yè)要求。

4 結(jié)論

（1）對(duì)廄肥深施土肥混合覆土裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，選定出開(kāi)溝機(jī)構(gòu)、分土板、攪龍為關(guān)鍵參數(shù)，這可為新疆果園土肥混合施加技術(shù)研究提供參考。

（2）對(duì)廄肥在螺旋輸肥機(jī)構(gòu)內(nèi)的運(yùn)移、輸送情況進(jìn)行了研究，得出調(diào)節(jié)螺旋攪龍轉(zhuǎn)速、螺旋葉片螺距等參數(shù)影響廄肥輸肥效率。對(duì)土壤的切削、導(dǎo)流、拋撒3個(gè)運(yùn)動(dòng)階段進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得出土壤拋撒初始速度與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，拋撒位置和角度則取決于分土板在導(dǎo)流罩內(nèi)的偏角。

（3）進(jìn)行了土肥混合覆土臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速、攪龍轉(zhuǎn)速和分土板偏角分別為152 r·min-1、138 r·min-1、29°時(shí)，混合均勻度最高為86.36%。

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