楊然兵 楊紅光 連政國(guó),3 張 還 郭 棟 鄭媛媛

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 青島 266109； 2.山東省主要農(nóng)作物機(jī)械化生產(chǎn)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 青島 266109；3.山東省根莖類作物生產(chǎn)裝備工程技術(shù)研究中心， 青島 266109)

0 引言

機(jī)械化施肥作為馬鈴薯種植的重要環(huán)節(jié)，其作業(yè)性能將直接影響后期產(chǎn)量。然而現(xiàn)階段我國(guó)推廣應(yīng)用的馬鈴薯種植機(jī)施肥方式較為單一，普遍存在肥料定位不精確問題[1-3]。精準(zhǔn)施肥技術(shù)是解決農(nóng)作物化肥過量施用的一個(gè)重要技術(shù)手段[4]。在歐美等國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，圍繞精準(zhǔn)施肥農(nóng)田信息采集、變量施肥分析決策、精準(zhǔn)施肥智能化作業(yè)裝備等方面開展了系統(tǒng)化研究，但針對(duì)分層施肥技術(shù)研究未見報(bào)道。

國(guó)內(nèi)近年來在精準(zhǔn)施肥技術(shù)裝備方面的研究力度不斷加大。李輝等[5]研制了一種垂直分層開溝器，姚萬(wàn)生等[6]研制了一種組合式開溝器，這兩種開溝器都可以實(shí)現(xiàn)種肥的分層播施，但是其施肥量和施肥深度不能調(diào)節(jié)。針對(duì)上述問題，王云霞等[7]研制了一種排肥量可調(diào)式玉米分層施肥器；頓國(guó)強(qiáng)等[8-10]設(shè)計(jì)了一種針對(duì)大豆的調(diào)比控位分層施肥裝置。但是由于馬鈴薯一壟二行種植模式和根系分布規(guī)律與其他農(nóng)作物(玉米、小麥和大豆等)不同，以上這些施肥裝置不能直接應(yīng)用到馬鈴薯種植機(jī)上。

本文結(jié)合馬鈴薯根系分布規(guī)律和一壟二行馬鈴薯種植特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可以實(shí)現(xiàn)肥料分層分施的開溝裝置，以減少化肥施用量和提高馬鈴薯產(chǎn)量。

1 馬鈴薯種植特點(diǎn)與施肥農(nóng)藝要求

1.1 馬鈴薯種植特點(diǎn)

我國(guó)馬鈴薯種植模式主要為壟作模式，同時(shí)又可細(xì)分為一壟一行和一壟二行。圖1所示為本設(shè)計(jì)采用的一壟二行種植模式。

圖1 馬鈴薯一壟二行種植模式Fig.1 Planting pattern of one ridge two rows for potato

1.2 馬鈴薯施肥農(nóng)藝要求

我國(guó)現(xiàn)有馬鈴薯種植機(jī)種肥播施方式主要是側(cè)位分施。如圖2所示，針對(duì)一壟二行種植模式，其播施方式為將肥料施于兩行中間，肥料與種子的相對(duì)位置主要通過橫向間距a和縱向間距b來控制，一般情況下a由二行馬鈴薯行距決定，b取5～8 cm為宜。

圖2 現(xiàn)有施肥方式Fig.2 Existing methods of fertilization

按照馬鈴薯需肥規(guī)律和根系分布特點(diǎn)，提出一種分層施肥方案。即：將化肥分成2層來進(jìn)行播施，下層播施肥料較多，上層播施肥料較少，上層肥料與下層肥料施用量比例為3∶7。其中上層肥料實(shí)現(xiàn)左、右分施，讓每側(cè)15%左右的肥料接近種薯，保證種薯生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，盡可能提高肥料利用率。其播施方式如圖3所示，肥料與種子的相對(duì)位置主要通過下層肥料與種子之間的橫向間距a、縱向間距b以及上層肥料與種子之間的橫向間距c、縱向間距d來控制，一般情況下a由二行馬鈴薯行距決定，b取5～8 cm為宜，c在3～5 cm可調(diào)，d在0～3 cm可調(diào)。

圖3 分層施肥方式Fig.3 Methods of separated layer fertilization

2 分層施肥開溝器設(shè)計(jì)

2.1 開溝器整體結(jié)構(gòu)

組合式分層施肥開溝器整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要由前鏟體、分土板、安裝連板、上層導(dǎo)肥管、下層導(dǎo)肥管、曲面分肥盒、V型防堵口等組成。

圖4 分層施肥開溝器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of separated layer fertilization furrow opener1.前鏟體 2.分土板 3.安裝連板 4.上層導(dǎo)肥管 5.下層導(dǎo)肥管 6.曲面分肥盒 7.V型防堵口

依據(jù)一壟二行馬鈴薯種植農(nóng)藝要求，種薯塊與肥料并非同溝分層排布，而是在兩行種薯塊中間進(jìn)行開溝施肥作業(yè)。在同溝分層施肥的基礎(chǔ)上，對(duì)鋤鏟式開溝器進(jìn)行了改進(jìn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種組合式開溝器，利用滑切式開溝器回土結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)下層肥料的覆土掩埋作業(yè)[11-12]，同時(shí)利用開溝器鑿型曲面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上層肥料沿曲面排肥盒兩個(gè)尾角側(cè)向分施。

分層施肥開溝器通過安裝連板與種植機(jī)機(jī)架特定連接部件進(jìn)行連接，并通過安裝連板上部的定位孔調(diào)節(jié)下層開溝施肥深度；為方便連接安裝，結(jié)合種植機(jī)機(jī)架尺寸，設(shè)計(jì)的安裝連接板由兩塊長(zhǎng)為150 mm、寬為40 mm、厚為18 mm的鋼板焊接而成。下層導(dǎo)肥管底部設(shè)計(jì)的V型防堵結(jié)構(gòu)，可以有效防止施肥口下部雍土；為方便加工防堵口選用與下層導(dǎo)肥管相同的方管切割加工而成，其尺寸為長(zhǎng)35 mm、高40 mm，同時(shí)為保證肥料可以順利從防堵口中下落，將V型防堵口與下層導(dǎo)肥管斜面呈130°焊接。下層導(dǎo)肥管和曲面排肥盒通過其背面焊接的帶孔連接板與上層導(dǎo)肥管后面焊接的連接板通過螺栓連接，并可調(diào)整上層施肥深度。

如圖5a所示，設(shè)計(jì)的下層施肥組件主要由下層導(dǎo)肥管、前帶孔連接板、后帶孔連接板和V型防堵口等組成。下層導(dǎo)肥管采用長(zhǎng)方管切割焊接而成，長(zhǎng)邊為280 mm，短邊為242 mm，前后兩塊帶孔連接板均由鋼板加工而成。如圖5b所示，為方便加工和安裝將分土板設(shè)計(jì)成左右兩塊，利用正面圓孔與下層施肥組件前帶孔連接板通過螺栓配合。如圖5c所示，設(shè)計(jì)的上層施肥組件主要由上層導(dǎo)肥管、帶孔連接板和曲面排肥盒組成。上層導(dǎo)肥管由外徑為32 mm、壁厚為2 mm的圓管加工而成，為方便調(diào)整和焊接其長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為130 mm。

圖5 分層施肥開溝器組件Fig.5 Assembly of separated layer fertilization furrow opener1.V型防堵口 2.后帶孔連接板 3.下層導(dǎo)肥管 4.前帶孔連接板 5.分土板 6.曲面排肥盒 7.上層導(dǎo)肥管 8.帶孔連接板

2.2 土壤在分層施肥開溝器分土板上運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

開溝器分土板作為繼前鏟體之后與土壤直接作用的部件，土壤在其上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)下層肥料的回土覆蓋和上層肥溝的創(chuàng)建均有重要影響，為此需對(duì)土壤在分土板上的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。

設(shè)計(jì)的組合式開溝器安裝在種植機(jī)排肥器下方機(jī)架上，隨著拖拉機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，開溝器前鏟體入土，并對(duì)土壤進(jìn)行切削破碎，為下層肥料創(chuàng)造適宜的肥溝；同時(shí)獨(dú)特的V型防堵結(jié)構(gòu)可以防止回土堵塞下層出肥口，下層排肥組件上安裝的分土板與前鏟體適宜的安裝位置，可有效保證下層肥料的回土覆蓋，同時(shí)也能為上層肥料創(chuàng)造良好的肥溝和提供充足的回土，對(duì)上層肥料進(jìn)行覆蓋。

開溝器在工作過程中，前鏟體將土壤切碎，在種植機(jī)前進(jìn)速度作用下，分土板下部土壤回落，對(duì)底層肥料進(jìn)行覆蓋，同時(shí)前鏟體與分土板之間落差形成了上層肥溝；分土板一方面起到保護(hù)曲面排肥盒不受土壤堵塞作用，另一方面起到倒土和為上層肥料提供回土覆蓋的功能。為滿足曲面排肥盒作業(yè)需求并考慮到整個(gè)開溝器結(jié)構(gòu)尺寸，分土板側(cè)面外傾角設(shè)計(jì)為150°，其角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤的摩擦角，土壤顆?？稍谥亓Φ淖饔孟禄芈淙敕蕼蟽?nèi)；同時(shí)為保證分土板能更好地實(shí)現(xiàn)分土功能，設(shè)計(jì)分土板高度為130 mm。前鏟體上沿土壤可沿分土板側(cè)面向后運(yùn)動(dòng)。若將土壤顆粒看作散粒體，假設(shè)沒有其他外力作用的情況下，土壤顆粒只存在與分土板側(cè)面的相互作用力[13-16]，則在開溝過程中開溝器運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)。

圖6 土壤顆粒在分土板側(cè)面運(yùn)動(dòng)分力示意圖Fig.6 Motion of soil particles on side of soil partition plate

如圖6所示，以接觸面上一點(diǎn)為例，土壤顆粒主要受到分土板側(cè)面支持力FN、自身重力mg和分土板側(cè)面帶來的摩擦力FF等相互作用，其所受合力為FR。把分土板側(cè)面對(duì)土壤顆粒的支持力分解為沿接觸面方向和與速度方向相同的兩個(gè)分力FN1、FN2，土粒顆粒在接觸面上滑動(dòng)，由于切向應(yīng)力大于摩擦阻力，所以分土板接觸面對(duì)土壤有滑切作用。土壤顆粒受到合力作用，其方向如圖中所示，土壤顆粒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向也沿著此方向。此時(shí)土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(1)

式中ξ——前進(jìn)速度方向與法線夾角，(°)

ψ——土壤顆粒與分土板側(cè)面間摩擦角，一般取15°～38°

m——土壤顆粒自身質(zhì)量,kg

ζ——土壤自然休止角,(°)

土壤顆粒在分土板接觸面上位移與速度方程為

(2)

當(dāng)土壤顆粒運(yùn)動(dòng)到分土板邊緣時(shí)，此臨界位置作用在土壤顆粒上的力主要為分土板側(cè)面對(duì)土壤顆粒的摩擦力，使土壤顆粒沿著前進(jìn)速度方向運(yùn)動(dòng)；同時(shí)還有邊緣土層對(duì)接觸面土壤顆粒作用力，此時(shí)滿足

(3)

式中ψ1——土壤顆粒間的摩擦角，(°)

若把上一過程的最終狀態(tài)當(dāng)作此過程的初始狀態(tài)，則可求得

(4)

式中vo——土壤顆粒初始速度，m/s

則土壤顆粒脫離分土板側(cè)面的瞬間速度為

當(dāng)土壤顆粒運(yùn)動(dòng)到分土板邊緣后，進(jìn)入了回土過程。在回土過程中，首先是邊緣的土壤顆粒下落，緊接著是自然休止角范圍內(nèi)的土壤顆粒下落。

2.3 顆粒肥料在曲面排肥盒上運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

曲面分肥盒作為上層施肥組件關(guān)鍵部件，對(duì)上層肥料分施效果有重要影響。為探明顆粒肥料落入曲面排肥盒之后的運(yùn)動(dòng)軌跡和影響左右側(cè)分肥效果，需對(duì)顆粒肥料在曲面排肥盒上的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行分析。

如圖7所示，曲面排肥盒主要由底部曲面分肥板、后擋板、上擋板和側(cè)面護(hù)板組成，各部分零件全部采用厚度為2 mm的鋼板拼焊而成。工作過程中肥料通過與上擋板圓孔焊接的第二導(dǎo)肥管，落入底面曲面分肥板上，然后肥料實(shí)現(xiàn)左右分施，最后落入肥溝中。

圖7 曲面排肥盒結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of curved surface fertilizing box1.曲面分肥板 2.后擋板 3.上擋板 4.側(cè)面護(hù)板

顆粒肥料在下落過程中，受肥料之間相互作用力、自身重力及曲面分肥板斜面傾角等影響，其落入到底部曲面分肥板上之后的運(yùn)動(dòng)具有不確定性。為此需通過理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究分析肥料從上層導(dǎo)肥管落入底面曲面分肥盒之后的運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖8所示，以單個(gè)顆粒肥料為研究對(duì)象，其運(yùn)動(dòng)軌跡主要分為4種情況。

第1種如圖中綠色線條所示，其運(yùn)動(dòng)軌跡為A1→A2→A3→A4→A5→A6；此情況下顆粒肥料首先落到曲面分肥板上，然后彈起碰到上面后擋板，再次落到曲面分肥板上，隨著動(dòng)能減小，顆粒肥料在分肥板曲面上滑動(dòng)或滾動(dòng)，直至落入肥溝。

圖8 顆粒肥料在曲面排肥盒中運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Movement trajectory of fertilizer in curved surface fertilizing box

第2種如圖中紅色線條所示，其運(yùn)動(dòng)軌跡為B1→B2→B3→B4→B5→B6；由于受肥料間相互作用力影響，60%～70%顆粒肥料的運(yùn)動(dòng)是這種情況。此情況下顆粒肥料都是在曲面分肥板上運(yùn)動(dòng)，落入曲面分肥板上的顆粒肥料，在曲面分肥板上被彈起一下或數(shù)下，隨著動(dòng)能減小，顆粒肥料在分肥盒曲面上滑動(dòng)或滾動(dòng)，直至落入肥溝。

第3種如圖中藍(lán)色線條所示，其運(yùn)動(dòng)軌跡為C1→C2→C3→C4→C5→C6→C7→C8；由于受肥料間相互作用力的影響，只有少數(shù)顆粒肥料的運(yùn)動(dòng)是這種情況。此情況下顆粒肥料所具有的動(dòng)能較大，落入曲面分肥板上的顆粒肥料, 在曲面分肥板上被彈起碰到上擋板，然后下落，繼續(xù)在曲面分肥板上被彈起一下或者數(shù)下，隨著動(dòng)能減小，顆粒肥料在分肥盒曲面上滑動(dòng)或滾動(dòng)，直至落入肥溝；同時(shí)由于這種情況下顆粒肥料具有較大動(dòng)能，部分處于C4位置的顆粒肥料，有可能再次被彈起，碰觸到側(cè)面護(hù)板和后擋板上，然后再次被彈回曲面分肥板，進(jìn)而繼續(xù)在曲面分肥板上被彈起一下或者數(shù)下，隨著動(dòng)能減小，顆粒肥料在分肥板曲面上滑動(dòng)或滾動(dòng)，直至落入肥溝。

第4種如圖中紫色線條所示，其運(yùn)動(dòng)軌跡為D1→D2→D3→D4→D5→D6；此情況下顆粒肥料首先落到曲面分肥板上，然后彈起碰到側(cè)面擋板，再次落到曲面分肥板上，隨著動(dòng)能減小，顆粒肥料在分肥盒曲面上滑動(dòng)或滾動(dòng)，直至落入肥溝。

綜上所述4種情況，落入曲面分肥盒中的顆粒肥料，其最后的運(yùn)動(dòng)都可歸結(jié)為顆粒肥料在曲面分肥板上的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要包括滑動(dòng)和滾動(dòng)。由于顆粒肥料在曲面分肥板上的正壓力受初始速度和位置等因素影響，顆粒肥料的滑動(dòng)、滾動(dòng)以及滾-滑轉(zhuǎn)化等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也受摩擦因素和初始速度等影響，且顆粒肥料在曲面分肥板上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜。

如圖9所示，為了簡(jiǎn)化分析顆粒肥料在曲面分肥板上的滑動(dòng)與滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，選取曲面分肥板頂點(diǎn)A處的顆粒肥料為研究對(duì)象，并作為顆粒肥料初始位置，忽略顆粒肥料外形尺寸，重量為mg，曲面分肥板曲率半徑為R，曲面分肥板斜面傾角為Σ，同時(shí)假設(shè)此位置處顆粒肥料在水平方向上的速度為v。

圖9 顆粒肥料在曲面分肥板上運(yùn)動(dòng)分析Fig.9 Motion analysis of fertilizer on curved surface fertilizing plate

顆粒肥料在光滑曲面分肥板上由A滑動(dòng)到B，在此位置上還將受到摩擦力Ff作用，記摩擦因數(shù)μ=tanφ，其中φ為摩擦角，則滑落過程中受到的摩擦力Ff=μFn，且滿足

(5)

(6)

式中v0——肥料在B處位置上的速度，m/s

χ——肥料由A位置滑到B位置的角度，(°)

Fn——肥料在曲面分肥板上所受支持力，N

將式(6)代入式(5)消去支持力Fn之后，滿足

(7)

化簡(jiǎn)求得

(8)

式中β——積分變量

由上面分析可知，在不同摩擦因數(shù)和不同初速度下，顆粒肥料的下滑速度是不同的，且下滑速度也受曲面分肥板斜面傾角的影響。下滑過程中若曲面傾角較小，則此時(shí)重力勢(shì)能下降較慢，同時(shí)重力法向的分力將會(huì)引起較大摩擦力，此時(shí)顆粒肥料動(dòng)能將減??；后期滑動(dòng)過程中若出現(xiàn)重力勢(shì)能的減小超過摩擦力所做功時(shí)，則速度增加。若顆粒肥料初速度較低，則可能會(huì)出現(xiàn)肥料在曲面分肥板上停止的現(xiàn)象，但此時(shí)倘若存在微小擾動(dòng)，使下滑力稍大于摩擦力，則顆粒肥料最終還是會(huì)脫離曲面分肥板而落入肥溝。

當(dāng)顆粒肥料在曲面分肥板上滾動(dòng)時(shí)，可將顆粒肥料近似為圓形顆粒物體[17-18]，由于滾動(dòng)阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)過程影響極為復(fù)雜，且數(shù)值較小，為簡(jiǎn)化分析，忽略滾動(dòng)阻力對(duì)顆粒肥料運(yùn)動(dòng)的影響，此時(shí)顆粒肥料受到擾動(dòng)將克服摩擦力，沿曲面分肥板曲面滾動(dòng)而下，同時(shí)滾動(dòng)半徑r

(9)

(10)

(11)

當(dāng)曲面分肥板斜面傾角較小時(shí)，顆粒肥料的運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)。此時(shí)滿足關(guān)系

(12)

然而當(dāng)角度χ較大后，顆粒肥料所受正壓力Fn較小，在滑脫時(shí)減小到零，則顆粒肥料在曲面分肥板上一定會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象。

從式(9)和式(11)中消去摩擦力，并結(jié)合式(12)可以得出

(13)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量記為

J=kmr2

(14)

式中k——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)

將式(13)回代入式(9)得到摩擦力計(jì)算公式為

(15)

由式(15)可知，當(dāng)曲面分肥板斜面傾角小于arctan(μ(1+k)/k)時(shí)，顆粒肥料在曲面分肥板上運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)。此時(shí)摩擦力并不消耗能量，而是只將少量重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)所需的動(dòng)能。由式(13)可以看出，純滾動(dòng)和沒有摩擦力作用下的滑動(dòng)類似，只是在純滾動(dòng)作用下加速度減小為gsinχ/(1+k)。

當(dāng)顆粒肥料在曲面分肥板上出現(xiàn)滾-滑轉(zhuǎn)化運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于在此時(shí)摩擦力仍滿足Ff=μFn，所以與前面分析類似，若將積分邊界條件改變?yōu)槠鸹c(diǎn)χ=χR，則可以得到類似于式(8)的結(jié)果，即

(16)

同時(shí)式(16)中滿足

由上面分析可知，顆粒肥料落入曲面分肥盒之后在曲面分肥板上的運(yùn)動(dòng)存在多種情況，且運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜。同時(shí)顆粒肥料在曲面分肥板上的滑動(dòng)、滾動(dòng)以及滾-滑轉(zhuǎn)化等運(yùn)動(dòng)形式受顆粒肥料自身特性、落入曲面分肥板上的初始速度和位置、顆粒肥料與曲面分肥板之間摩擦角和曲面分肥板斜面傾角等因素綜合影響。

3 試驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)裝置的性能，采用室內(nèi)和室外相結(jié)合的方式進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于下層排肥部分選定影響較大的排肥軸轉(zhuǎn)速和槽輪工作長(zhǎng)度為因素，下層排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)；上層排肥部分結(jié)合前面分析，選定排肥軸轉(zhuǎn)速和曲面分肥板斜面傾角為因素，上層左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行二因素五水平通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)工程樓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)用肥選擇馬鈴薯種植常用的硫酸鉀復(fù)合肥，總養(yǎng)分大于等于45%(15% N，15% P，15% K)，肥料外形為顆粒狀，肥料容重(密度)為987 g/L，肥料自然休止角為26.1°。試驗(yàn)儀器主要包括自制試驗(yàn)臺(tái)、深圳欣寶瑞儀器有限公司生產(chǎn)的DT6236B型轉(zhuǎn)速測(cè)量表、上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的數(shù)顯式電子秤(精度為0.1 g)。

3.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

將每次試驗(yàn)排肥器1 min內(nèi)排肥量進(jìn)行稱量記錄，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，計(jì)算變異系數(shù)

(17)

其中

式中X——每次排肥量，gS——標(biāo)準(zhǔn)差，g

M——測(cè)定次數(shù)

Vb——變異系數(shù)，%

3.3 試驗(yàn)方案和結(jié)果分析

3.3.1下層排肥量穩(wěn)定性試驗(yàn)

結(jié)合電動(dòng)施肥器特點(diǎn)和排肥量需求，槽輪工作長(zhǎng)度選20、30、40、50、60、70 mm 6個(gè)水平，排肥軸轉(zhuǎn)速選取15、20、25、30、35、40 r/min 6個(gè)水平，通過單因素試驗(yàn)分析各個(gè)因素變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，并計(jì)算獲取最小排肥量變異系數(shù)。通過電動(dòng)機(jī)調(diào)速器旋鈕改變排肥軸轉(zhuǎn)速，并用轉(zhuǎn)速測(cè)量表進(jìn)行速度標(biāo)定；通過電動(dòng)排肥器自帶蝶形螺母調(diào)節(jié)工作長(zhǎng)度。試驗(yàn)照片如圖10所示。

圖10 下層排肥性能試驗(yàn)Fig.10 Performance experiment of lower layer fertilizer

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算處理，結(jié)果如表1所示。當(dāng)槽輪工作長(zhǎng)度分別為20、30、40、50、60、70 mm時(shí)，下層排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)與排肥軸轉(zhuǎn)速之間關(guān)系如圖11所示。

表1 下層排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of variation coefficient of lower layer fertilizer %

圖11 不同槽輪工作長(zhǎng)度下下層排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)與排肥軸轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.11 Relationship between stability variation coefficient of fertilizer and rotation speed of manure shaft at different working lengths of grooves

通過圖11可以看出，當(dāng)槽輪工作長(zhǎng)度分別為20、30、40、60、70 mm時(shí)，下層排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)受排肥軸轉(zhuǎn)速變化影響較大，最大平均下層排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)出現(xiàn)在槽輪工作長(zhǎng)度為20 mm和60 mm時(shí)，其值均為0.93%。而當(dāng)槽輪工作長(zhǎng)度為50 mm時(shí)，下層排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)隨排肥軸轉(zhuǎn)速變化較小，最小平均變異系數(shù)為0.75%。

3.3.2上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性試驗(yàn)

通過試驗(yàn)驗(yàn)證曲面排肥盒性能。通過前面分析，試驗(yàn)取槽輪工作長(zhǎng)度為50 mm，同時(shí)考慮到因素對(duì)排肥性能的影響程度和試驗(yàn)的可操作性，選取排肥軸轉(zhuǎn)速和曲面分肥板斜面傾角為試驗(yàn)因素，以上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)。通過更換不同傾角的曲面分肥盒來實(shí)現(xiàn)曲面分肥板斜面傾角的調(diào)節(jié)；同時(shí)利用硬質(zhì)塑料袋分別對(duì)曲面排肥盒左右側(cè)排出的肥料進(jìn)行收集與稱量。圖12所示為試驗(yàn)用5種不同曲面傾角的分肥盒，圖中1是斜面傾角為16°的曲面分肥盒；圖中2是斜面傾角為15.5°的曲面分肥盒；圖中3是斜面傾角為14°的曲面分肥盒；圖中4是斜面傾角為12.5°的曲面分肥盒；圖中5是斜面傾角為12°的曲面分肥盒。試驗(yàn)過程如圖13所示。

圖12 5種不同曲面傾角分肥盒Fig.12 Five kinds of fertilizing boxes with different angles of curved surface

圖13 曲面分肥試驗(yàn)過程Fig.13 Experiment process of curved surface fertilization

通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的曲面排肥盒當(dāng)排肥量超過3 kg時(shí)會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，因此在槽輪工作長(zhǎng)度為50 mm的條件下，不宜選擇較大的排肥軸轉(zhuǎn)速(由于上層肥料距離種薯較近，需肥量非常小，實(shí)際工作中的排肥量遠(yuǎn)小于3 kg/min)。結(jié)合前面的下層排肥性能試驗(yàn)結(jié)果和曲面分肥盒結(jié)構(gòu)特性，選取排肥軸轉(zhuǎn)速范圍為10～22 r/min，曲面分肥板斜面傾角范圍為12°～16°。試驗(yàn)因素編碼如表2所示。 為了方便轉(zhuǎn)速測(cè)量和分肥盒加工，取表中括號(hào)內(nèi)圓整值。

表2 因素編碼Tab.2 Coding of factors

試驗(yàn)共計(jì)13組，每組重復(fù)5次取平均值，結(jié)果如表3所示，表中z1為排肥軸轉(zhuǎn)速編碼值，z2為曲面分肥板斜面傾角編碼值，V2為上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Experimental project and results

利用DPS軟件對(duì)表3中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸方程、系數(shù)處理與分析，得到方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.4 Variance analysis of experiment results

注：F0.01(5,7)=7.46；F0.01(3,4)=16.69；F0.01(1,7)=12.25。

由表4知，F(xiàn)S=4.162 0F0.01(5,7)，回歸方程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好。取顯著水平=0.01，得到上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)編碼值回歸方程為

(18)

由上述回歸方程可知試驗(yàn)因素對(duì)上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)影響次序大小為：曲面分肥板斜面傾角、排肥軸轉(zhuǎn)速。

采用降維法將曲面分肥板斜面傾角置于零水平，由式(18)可得因素z1與指標(biāo)V2的數(shù)學(xué)模型為

(19)

同樣將排肥軸轉(zhuǎn)速置于零水平，由式(18)可得因素z2與指標(biāo)V2數(shù)學(xué)模型為

(20)

利用Matlab軟件，由式(19)、(20)繪制各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響曲線，如圖14所示。

圖14 單因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響曲線Fig.14 Effect curve of single factor on experiment index

由圖14可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)隨著排肥軸轉(zhuǎn)速的不斷增大，上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)呈逐漸增大的趨勢(shì)；隨著曲面分肥板斜面傾角的增大上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)呈先迅速減小后逐漸增大的趨勢(shì)。同時(shí)由式(18)可以看出，排肥軸轉(zhuǎn)速和曲面分肥板斜面傾角交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響較大。為了更好地研究?jī)梢蛩亟换プ饔脤?duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，利用Matlab軟件繪制因素影響三維等值線圖，如圖15所示。

圖15 兩因素交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響曲面Fig.15 Effect surface of interaction of two factors on experiment index

由圖15可知，在排肥軸轉(zhuǎn)速一定的情況下，上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)隨著曲面分肥板斜面傾角的增大呈先緩慢減小后快速增大的趨勢(shì)；在曲面分肥板斜面傾角一定的情況下，上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)隨著排肥軸轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)緩慢減小后逐漸增大的趨勢(shì)。

結(jié)合上面回歸方程，通過非線性規(guī)劃原理，創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)，并利用Matlab軟件進(jìn)行優(yōu)化[19-22]，獲得最優(yōu)參數(shù)組合。將優(yōu)化結(jié)果代入公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到試驗(yàn)指標(biāo)取最小值時(shí)各因素的最優(yōu)值，圓整結(jié)果為排肥軸轉(zhuǎn)速20.5 r/min、曲面分肥板斜面傾角15°，此時(shí)上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)為3.30%。為驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)可靠性，進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明平均上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)為3.71%，試驗(yàn)值與理論值相近，排肥量一致性變異系數(shù)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 田間排肥性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)開溝器的可靠性，將試制的分層施肥開溝器安裝在青島洪珠公司生產(chǎn)的一壟二行馬鈴薯種植機(jī)上進(jìn)行田間排肥性能試驗(yàn)。試驗(yàn)在洪珠試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)地尺寸約100 m×80 m；拖拉機(jī)為東方紅-554型拖拉機(jī)，作業(yè)擋位為低Ⅱ擋；土壤類型為壤土，地形平坦，且已旋耕；土壤含水率18%左右；肥料與前述試驗(yàn)用肥相同。試驗(yàn)儀器主要有量程0～150 mm鋼直尺，量程0～15 m鋼卷尺等。田間試驗(yàn)如圖16所示。

圖16 田間性能試驗(yàn)Fig.16 Performance experiment in field

試驗(yàn)開溝器理論開溝深度為20 cm，施肥作業(yè)完成后，任取一行15個(gè)測(cè)量點(diǎn)挖開壟面，輕輕用細(xì)毛刷在土層斷面上刷露出化肥顆粒，用鋼直尺和卷尺對(duì)開溝深度及肥料位置等進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表5所示。由表5可知，該開溝器平均開溝深度為19.1 cm；下層基肥施在離溝底很近的層面，平均深度為18.1 cm；上下層肥料平均間距為9.2 cm；上層種肥平均深度為8.9 cm；下層基肥平均寬度為2.9 cm；上層種肥左側(cè)平均寬度為2.1 cm；上層種肥右側(cè)平均寬度為2.0 cm。開溝器作業(yè)性能穩(wěn)定，滿足馬鈴薯種植開溝與施肥作業(yè)需求[23]。

表5 肥料位置測(cè)量結(jié)果Tab.5 Results of fertilizer position measurement cm

4 結(jié)論

(1)針對(duì)我國(guó)馬鈴薯種植機(jī)普遍存在的肥料定位不精確問題，結(jié)合馬鈴薯根系分布規(guī)律和一壟二行馬鈴薯種植特點(diǎn)，提出了一種基于曲面排肥與V型防堵結(jié)構(gòu)的分層施肥技術(shù)，研制了一種深度可調(diào)式分層施肥開溝器。研究了土壤與開溝部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并對(duì)肥料在曲面分肥板上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析。

(2)通過單因素試驗(yàn)，確定了排肥器最佳槽輪工作長(zhǎng)度為50 mm；在此條件下，以排肥軸轉(zhuǎn)速和曲面分肥板斜面傾角為試驗(yàn)因素，上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。建立了排肥軸轉(zhuǎn)速、曲面分肥板斜面傾角與上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)之間的回歸方程。優(yōu)化得出最佳排肥軸轉(zhuǎn)速為20.5 r/min，曲面分肥板斜面傾角為15°。

(3)最優(yōu)參數(shù)組合下的重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明，平均上層排肥盒左右側(cè)排肥一致性變異系數(shù)試驗(yàn)值與理論值相近；同時(shí)田間排肥性能試驗(yàn)結(jié)果表明，該開溝器作業(yè)流暢，排肥性能完全滿足馬鈴薯施肥作業(yè)要求。