固體有機肥破碎條施機設(shè)計與試驗

陳桂斌 ，王慶杰 ，李洪文 ，何 進 ，盧彩云 ，張馨悅

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部保護性耕作農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，北京 100083）

0 引 言

東北黑土區(qū)是重要的商品糧生產(chǎn)基地，然而長期無節(jié)制的開發(fā)利用使黑土層不斷變薄、變瘦和變硬[1-3]。應(yīng)用保護性耕作技術(shù)并增施有機肥是黑土地保護的重要技術(shù)手段。施用有機肥能夠培肥地力、提高農(nóng)作物品質(zhì)、改善化肥污染[4-5]，但在有機肥施用過程中存在肥料易結(jié)塊、撒施利用率低、施肥環(huán)節(jié)復(fù)雜等問題，制約了有機肥的應(yīng)用。

有機肥為含濕物料，易結(jié)塊，傳統(tǒng)鏈排式運肥裝置對于肥群的擾動效果差，在作業(yè)過程中易產(chǎn)生肥料架空等問題。同時，肥料結(jié)塊影響肥效釋放?，F(xiàn)有施肥裝置多為利用高速旋轉(zhuǎn)部件（離心圓盤、螺旋槳葉，錘片）將肥塊擊碎并拋撒至地表，但肥塊破碎效果不佳，致使撒施不均，肥料利用率低。撒施肥料后需配合翻耕或旋耕將肥料與土壤充分混合，作業(yè)成本高。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對有機肥施肥方式進行了相關(guān)研究，在固體有機肥破碎施用方面，陳桂斌等[6]針對結(jié)塊有機肥肥效釋放困難、不利于機械化作業(yè)的問題，提出差速對輥碎肥的方法；張涵等[7]針對有機肥易潮解、結(jié)塊的物理特性，設(shè)計了雙螺旋結(jié)構(gòu)，力求在輸肥的過程中攪拌碎肥；郝延杰等[8]開發(fā)了一款精準(zhǔn)有機肥施肥機，實現(xiàn)大塊肥料的二次破碎后撒施，利用液壓泵站和拖拉機后輸出傳動結(jié)合的方式為施肥機提供動力；LANDRY 等[9]利用離散元法對立式撒肥螺旋的肥料撒布情況和流動特性進行了研究；BABII 等[10]對固體撒肥機的機架結(jié)構(gòu)和外部載荷情況進行模擬，建立機架設(shè)計的數(shù)學(xué)模型；COETZEE 等[11-12]對撒施離心圓盤的肥料顆粒運動狀態(tài)，肥料分布情況及分配器的位置開展研究。在有機肥開溝條施方面，劉大為等[13]設(shè)計了一種雙旋耕刀輥并對其結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)功耗影響因素進行分析；王少偉等[14]針對山地果園的開溝需求設(shè)計并優(yōu)化了傾斜螺旋式開溝部件，并對刀片結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化；張宏建等[15]針對果園開溝施肥效率低，施肥一致性差的問題設(shè)計了一種開溝深度可自動調(diào)節(jié)的雙行開溝施肥機。在提升有機肥施肥機械化水平方面，HU等[16-17]為提高丘陵山地的固體有機肥施肥質(zhì)量，設(shè)計了一種適應(yīng)于丘陵山區(qū)的傾斜刮板式有機肥施肥機；李娟等[18]為解決含雜率高，施肥不均勻，肥料利用率低的問題，研發(fā)了一種集開溝、施肥與覆土功能于一體的自動化施肥機。在有機肥仿真模型建立方面，付靜等[19]為探明有機肥含水率對于排肥性能的影響，對不同含水率的有機肥物理參數(shù)進行測定，并利用離散元分析軟件進行參數(shù)標(biāo)定；YUAN 等[20-25]針對散體有機肥顆粒仿真模型欠缺問題，提出通過仿真試驗建立模型并結(jié)合物理試驗的尋優(yōu)方法，選用JKR 接觸模型并進行參數(shù)標(biāo)定。

上述研究為固體有機肥施肥機械化發(fā)展提供了相應(yīng)的技術(shù)與裝備支撐，但并未較好地解決固體有機肥條施肥過程中肥塊過大、破碎率低、肥料二次結(jié)塊影響排肥質(zhì)量等問題。為此，本文依據(jù)條帶耕作模式提出了螺旋槳葉與差速對輥組合的有機肥破碎條施方案，并對關(guān)鍵部件開溝施肥鏟和鎮(zhèn)壓輪的工作過程進行理論分析，建立固體有機肥離散元模型，明確螺旋槳葉參數(shù)對肥塊運動的影響，指導(dǎo)條施機肥箱和螺旋槳葉的設(shè)計優(yōu)化。最后對固體有機肥破碎條施機的性能進行田間試驗，驗證其作業(yè)性能并得到最佳工作參數(shù)。

1 固體有機肥破碎條施機結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理

1.1 作業(yè)模式

為提升地力增加土壤有機質(zhì)，減少化肥施用，本文提出在有機肥施肥條帶上種植玉米的條帶耕作模式，如圖1 所示，為適應(yīng)東北地區(qū)春玉米種植模式，所設(shè)計的條施機作業(yè)幅寬為60 cm，作業(yè)行數(shù)為2 行，作業(yè)過程中在施肥條帶內(nèi)完成肥塊破碎和條施，施肥帶設(shè)計寬度為25 cm，施肥深度為20 cm，可在秋季玉米收獲后或春季玉米播種前進行條施作業(yè)?？紤]到地表秸稈覆蓋，施肥過程可在清秸作業(yè)后進行，也可在條施機上加裝秸稈清理裝置同步進行清茬作業(yè)與施肥作業(yè)。

圖1 玉米條帶耕作模式Fig.1 Maize strip farming mode

1.2 整體結(jié)構(gòu)

固體有機肥破碎條施機主要針對有機肥易結(jié)塊、條施排肥困難等問題進行設(shè)計。該裝置的安裝位置和主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由螺旋槳葉碎肥裝置、對輥碎肥裝置、開溝施肥鏟、覆土圓盤、鎮(zhèn)壓輪等組成，整機技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 整機參數(shù)Table 1 Machine parameters

圖2 固體有機肥破碎條施機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of solid organic fertilizer crushing and striping machine

1.3 工作原理

固體有機肥破碎條施機為拖拉機牽引作業(yè)，并由拖拉機后輸出帶動雙聯(lián)泵為液壓系統(tǒng)提供動力。傳動裝置的液壓馬達將動力傳遞至螺旋槳葉碎肥裝置處帶動槳葉繞中心軸線做旋轉(zhuǎn)運動，驅(qū)使肥塊完成初步切割破碎并將肥塊沿螺旋的軸向向欄網(wǎng)處輸送，欄網(wǎng)對肥塊粒徑進行篩分，粒徑小于30 mm 的肥塊離開肥箱進入到運肥鏈排上，運肥鏈排做回轉(zhuǎn)運動將初步破碎的肥塊運送到對輥碎肥裝置施肥腔內(nèi)，通過對輥碎肥裝置輥齒的差速轉(zhuǎn)動實現(xiàn)肥塊的二次破碎。開溝施肥鏟鏟尖破土開溝并延遲回土，保證肥料能夠落入溝中，凹面覆土圓盤在壓簧仿形機構(gòu)作用下對地面仿形并強制回土，對有機肥料層進行覆土。其中，覆土角度可根據(jù)開溝施肥鏟的開溝深度和土壤環(huán)境進行調(diào)節(jié)，鎮(zhèn)壓裝置的鎮(zhèn)壓輪被動旋轉(zhuǎn)對施肥條帶內(nèi)的有機肥層和覆土層進行壓實。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

固體有機肥破碎條施機的關(guān)鍵部件主要有傳動與行走裝置，螺旋槳葉碎肥裝置，差速對輥碎肥裝置，開溝施肥裝置和鎮(zhèn)壓裝置。其中，固體有機肥的破碎和輸送為機具的核心功能，開溝和鎮(zhèn)壓為有機肥條施提供保障。

2.1 傳動與行走裝置

傳動與行走裝置對條施機的作業(yè)性能和運輸過程有重要影響。固體有機肥破碎條施機主要由液壓驅(qū)動，拖拉機后輸出軸帶動萬向節(jié)軸連接條施機的齒輪箱Ⅱ按1∶1.395 增速，將動力傳遞給兩側(cè)的液壓雙聯(lián)齒輪泵上，帶動齒輪泵高速轉(zhuǎn)動，為液壓泵站提供32 MPa 油壓，液壓馬達等執(zhí)行元件通過液壓油管連接到兩側(cè)的調(diào)速閥上，液壓馬達轉(zhuǎn)速可通過調(diào)速閥進行調(diào)節(jié)，最大輸出扭矩為770 N·m，齒輪箱Ⅰ按1.71∶1 減速，增加螺旋槳葉的作業(yè)扭矩，齒輪箱Ⅲ完成動力換向。螺旋槳葉碎肥裝置、差速對輥碎肥裝置和運肥鏈排均通過液壓馬達驅(qū)動，其中螺旋槳葉碎肥裝置配置減速增扭齒輪箱Ⅰ為螺旋槳葉軸提供動力（圖3）。

圖3 傳動裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of main transmission device

行走裝置主要由行走輪和液壓升降油缸組成，在運輸過程中油缸提升使條施機的開溝施肥鏟、仿形輪、鎮(zhèn)壓輪等離開地面，行走輪接觸地面，通過拖拉機牽引完成道路運輸；在作業(yè)過程中油缸降落，開溝施肥鏟、仿形輪、鎮(zhèn)壓輪等接觸地面，通過拖拉機牽引實現(xiàn)固體有機肥的破碎條施作業(yè)。

2.2 螺旋槳葉碎肥裝置

螺旋槳葉碎肥裝置主要針對運肥過程中肥料破碎和輸送進行設(shè)計，主要由肥箱、柵網(wǎng)、槳葉、液壓馬達、傳動裝置組成，如圖4 所示。其中，液壓馬達為左、右螺旋槳葉提供動力，實現(xiàn)兩螺旋槳葉同步旋轉(zhuǎn)運肥碎肥，螺旋槳葉相較于傳統(tǒng)鏈板式運肥裝置可提升對肥群的擾動，避免肥料架空。

圖4 螺旋槳葉碎肥裝置Fig.4 Propeller blade fertilizer crushing device

槳葉作為肥箱的關(guān)鍵部件對肥塊破碎和輸送至關(guān)重要，通過前期研究確定槳葉對稱布置。對稱布置形式相較于螺旋線和螺旋與槳葉的組合布置形式具有肥料擾動大、肥塊破碎效果優(yōu)、肥箱內(nèi)肥料滯留少等優(yōu)勢。對稱布置的螺旋槳葉運肥裝置主要由槳葉、中心軸管和底座組成，4 個槳葉為一組焊接在中心軸管上，共8 組。肥塊在槳葉的作用下進行切割破碎，沿著螺旋方向軸向輸送。其中軸管長度d4為1 695 mm，槳葉回轉(zhuǎn)直徑d2為410 mm，槳葉間距d3為227 mm。經(jīng)過前期預(yù)試驗，螺旋槳葉碎肥裝置的回轉(zhuǎn)速度為0～90 r/min。

2.2.1 運肥過程分析

槳葉轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)參數(shù)對肥料輸送速度有直接影響。肥料軸向輸送速度和圓周速度均隨槳葉轉(zhuǎn)速增加而增大，而當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)速超過一定范圍時，肥料自重不能克服離心力而產(chǎn)生周向跳躍，造成肥料飛揚，不利于肥料的輸送。為明確槳葉結(jié)構(gòu)參數(shù)對運肥過程的影響，對槳葉運肥過程進行運動學(xué)分析，如圖5 所示。

圖5 槳葉運肥速度分析Fig.5 Speed analysis of fertilizer transport of blade

肥塊運動速度主要為牽連速度v1和相對速度v2矢量合成的速度v3，受肥塊與槳葉間摩擦力的影響，合成速度偏轉(zhuǎn)一定的摩擦角η，實際為ve，將絕對速度ve分解為vx、vy，根據(jù)圖5 有如下關(guān)系：

式中S為螺距，mm。

可得：

由式(2)可知，當(dāng)1-tanηtanλ≤0 時，對vx進行求導(dǎo)，并令dvx/dη=0，則肥塊的最大軸向運動速度所對應(yīng)的螺旋角λmax=π/4-λ/2。當(dāng)螺距S不變時，槳葉半徑d2/2 增大，螺旋角λ減小。此時，肥料的輸送量增大，但肥料的軸向運動速度vx減??；S與η成正比，當(dāng)S、η增大時vx也相應(yīng)增大[26-27]。設(shè)計螺旋角λ為42°[28]，當(dāng)槳葉碎肥裝置的作業(yè)速度為60～90 r/min 時[28]，摩擦角η為18°[29]，肥料輸送的最大軸向運動速度為0.587 m/s，最大周向運動速度為0.294 m/s，周向速度遠大于軸向速度，滿足設(shè)計要求。

2.3 差速對輥碎肥裝置

如圖6 所示，前期對差速對輥碎肥裝置的施肥輥進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，齒輥長度la為175 mm，齒輥直徑lb為50 mm，輥齒高度da、齒寬db、齒厚dc分別為12、8.4和9.6 mm，輥齒的排布方式為螺旋線排列[6]。兩施肥輥轉(zhuǎn)速對肥塊破碎率影響顯著（P＜0.000 1），當(dāng)上施肥輥轉(zhuǎn)速為238 r/min，下施肥輥轉(zhuǎn)速為374 r/min，兩施肥輥的中心高度差為71 mm 時，肥塊的破碎率最高[6]。

圖6 差速對輥碎肥裝置Fig.6 Differential speed double roller fertilizer crushing device

2.4 開溝施肥裝置

開溝施肥鏟是有機肥條施裝置的關(guān)鍵部件之一，其開溝效果直接影響條施質(zhì)量。開溝施肥過程如圖7 所示，鏟尖回土板實現(xiàn)延遲回土，待肥料落入所開溝中，凹面覆土圓盤完成覆土。為增加鏟尖的開溝寬度并防止開溝過程中回土過快，在鏟尖處設(shè)計回土板，在保持開溝溝型的同時延遲回土，確保開溝質(zhì)量。鏟尖結(jié)構(gòu)對開溝質(zhì)量有重要影響，因此對其作業(yè)過程進行受力分析。

開溝施肥鏟進入土壤穩(wěn)定作業(yè)后，致使土壤前端面出現(xiàn)剪切失效并起到切削土壤表層的效果，依據(jù)Soehne理論，土垡受到自身壓力與鏟尖的摩擦力、鏟尖切削力和土垡剪切力等共同作用。忽略土壤中石塊造成的切削阻力，鏟尖在水平方向和豎直方向上的受力如圖8 所示。

圖8 鏟尖作業(yè)過程受力分析Fig.8 Stress analysis during shovel tip operation

根據(jù)圖8 可知，在水平方向上：

在豎直方向上：

鏟尖在切削土壤過程中，土垡壓力以及由摩擦力所產(chǎn)生的工作阻力是鏟尖所受阻力的主要來源，在水平和豎直方向分別為

式中F1為土垡對鏟尖的水平方向阻力，N；F2為土垡對鏟尖的垂直方向阻力，N。

由圖8 可知，鏟尖作業(yè)時土垡質(zhì)量為

式中ρ為土壤密度，kg/m3。

假設(shè)鏟尖對土垡的切削為持續(xù)過程，鏟尖入土深度在150～200 mm 范圍內(nèi)保持不變，則B值恒定，在t0時間內(nèi)被加速的土垡質(zhì)量M0可根據(jù)被擾動的土壤體積進行確定：

解得：

通過式（9）可得到作業(yè)時鏟尖傾角θ與鏟尖所受到的土壤阻力之間關(guān)系，由上述分析可知鏟尖傾角θ對開溝作業(yè)過程中土壤阻力和開溝質(zhì)量有直接影響，鏟尖傾角增大可減小作業(yè)時鏟尖上方土垡的體積，從而減小土壤切削，鏟尖傾角為65°～75°時，利于鏟尖入土，且鏟尖上方的土垡體積小，受到土垡的作用力小，根據(jù)理論分析和前期研究[28]確定鏟尖傾角為73°。鏟尖的入土深度設(shè)計為150～200 mm，在此范圍內(nèi)入土深度越大在一定時間內(nèi)鏟尖上方土垡體積越大，因此鏟尖受力會增加。不同開溝深度，鏟尖的回土速度有較大的差異，會影響開溝施肥的施肥量穩(wěn)定性，后續(xù)通過田間試驗進一步確定條施肥的施肥深度。

2.5 鎮(zhèn)壓裝置

鎮(zhèn)壓裝置主要由連接架、壓力調(diào)節(jié)板和鎮(zhèn)壓輪組成（圖9），鎮(zhèn)壓輪安裝在壓力調(diào)節(jié)板上，通過改變壓力調(diào)節(jié)板的孔位調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力，其中，設(shè)計鎮(zhèn)壓傾角αz調(diào)節(jié)范圍為120°～150°，鎮(zhèn)壓傾角αz越大，鎮(zhèn)壓輪對地表的垂直鎮(zhèn)壓力越小。壓力調(diào)節(jié)板長度lj為400 mm，鎮(zhèn)壓輪長度lz為290 mm，鎮(zhèn)壓輪半徑Rz為180 mm，lz大于施肥帶寬度250 mm，滿足鎮(zhèn)壓幅寬要求。

圖9 鎮(zhèn)壓裝置Fig.9 Compaction device

鎮(zhèn)壓輪被動旋轉(zhuǎn)可將將施肥條帶內(nèi)的土塊壓碎，并對土壤有壓實和推移作用。鎮(zhèn)壓過程中土壤與鎮(zhèn)壓輪接觸處的阻力主要為前進方向的土壤壓實阻力。為明確鎮(zhèn)壓輪作業(yè)過程中的受力情況，合理調(diào)整鎮(zhèn)壓裝置的鎮(zhèn)壓傾角，對鎮(zhèn)壓輪與土壤的相互作用進行分析，如圖10 所示。

圖10 鎮(zhèn)壓過程鎮(zhèn)壓輪受力分析Fig.10 Force analysis of compaction wheel during compactiong process

根據(jù)圖10 可知，鎮(zhèn)壓輪的受力平衡方程[30]為

鎮(zhèn)壓輪克服土壤壓實阻力所消耗的功與其作業(yè)時壓實土壤所消耗的功相等，故F與土壤壓實深度H存在相關(guān)性，由式（10）～（11）可知：

式中Kc為土壤特性參數(shù)；n為壓實指數(shù)；B1為鎮(zhèn)壓輪寬度，mm。

由圖10 可知鎮(zhèn)壓輪所受的壓實阻力F為

覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)過程中，鎮(zhèn)壓輪的前進阻力主要為土壤被推移產(chǎn)生推土阻力，由于鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)形式為鋼筋輪體，表面黏附土壤較少，故土壤黏附阻力可忽略不計，鎮(zhèn)壓輪克服土壤所產(chǎn)生的推土阻力Fa為

式中φt為土壤內(nèi)摩擦角，（°）；C為粘聚系數(shù)；Na、Nt為土壤承載系數(shù)，ρ為土壤密度，kg/m3；Fa和F與鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)、土壤條件和垂直方向載荷有關(guān)，其中垂直方向上的載荷與鎮(zhèn)壓裝置壓力調(diào)節(jié)板角度調(diào)節(jié)的范圍（120°～150°）直接相關(guān)，在忽略黏附阻力的情況下鎮(zhèn)壓輪所受土壤阻力為Fa與F的矢量和[30-31]。在鎮(zhèn)壓過程中鎮(zhèn)壓傾角變化會影響鎮(zhèn)壓力的大小進而對肥料在土壤中的分布和施肥量變異系數(shù)有直接影響。當(dāng)鎮(zhèn)壓傾角αz增大時，預(yù)設(shè)壓實深度H2減小，推土阻力Fa減小，鎮(zhèn)壓輪所受土壤阻力減小。反之，當(dāng)鎮(zhèn)壓傾角αz減小時，鎮(zhèn)壓輪所受土壤阻力增大。后續(xù)通過田間試驗進一步確定鎮(zhèn)壓傾角。

3 離散元仿真分析

通過離散元仿真分析能夠降低螺旋槳葉的研發(fā)成本，提高設(shè)計效率。本文利用EDEM2020 軟件建立了結(jié)塊和散體肥料共同組成的固體有機肥離散元模型。通過堆積角和單軸壓縮試驗對肥塊參數(shù)進行標(biāo)定，以肥料顆粒質(zhì)量變化、螺旋槳葉扭矩、肥料顆粒受力和肥料顆粒平均運動速度為評價指標(biāo)，對螺旋槳葉的運肥和碎肥過程進行研究。

3.1 參數(shù)標(biāo)定

試驗材料選取經(jīng)過堆放處理的牛糞肥，腐熟時間為20 d，含水率為 42.6%，密度為583 kg/m3，如圖11a所示，發(fā)酵廄肥由散體顆粒和結(jié)塊肥料共同組成。將尺寸大于80 mm 的肥塊移出，使用 GS 86 型電動振篩機配合30、40、60 mm 孔徑篩網(wǎng)對散體肥料和結(jié)塊肥料進行篩分。隨機取樣方式為四分法取樣，取樣質(zhì)量為2 kg，測得樣品粒徑分布如表2 所示。

表2 有機肥粒徑分布Table 2 Particle size distribution of solid organic fertilizer

圖11 固體有機肥及其仿真參數(shù)標(biāo)定Fig.11 Solid organic fertilizer and its simulation parameter calibration

利用EDEM2020 軟件中的Hertz-Mindlin with bonding 模型和Hertz-Mindlin with JKR 模型分別標(biāo)定結(jié)塊肥料和散體肥料的離散元仿真參數(shù)。

肥料離散元參數(shù)標(biāo)定通過圓筒提升法物理試驗與仿真試驗相結(jié)合的方式進行，如圖11b 所示。通過堆積角來衡量有機肥本身的摩擦和流動特性。萬能材料試驗機可精準(zhǔn)控制圓筒的提升速度，保證標(biāo)定過程的準(zhǔn)確性。使用固定位置的高速攝影裝置確定最終狀態(tài)，并測定有機肥堆積角。利用Hertz-Mindlin with JKR 模型將表面能引入顆粒間相互作用，通過改變接觸模型的粘結(jié)參數(shù)調(diào)整仿真試驗的堆積角，使仿真試驗堆積角與物理試驗堆積角趨于一致，獲取有機肥離散元仿真參數(shù)。如圖11c，通過漏斗法對獲取的離散元參數(shù)進行校驗，保證離散元模型的準(zhǔn)確性。

使用內(nèi)徑為50 mm 的亞克力管制成高度為60 mm的圓柱體，通過單軸壓縮試驗與仿真試驗相結(jié)合的方式對結(jié)塊肥料進行標(biāo)定。使用 REGER 萬能試驗機以100 mm/min 的速度對試樣進行壓縮，利用肥料載荷-位移和形變對所標(biāo)定的粘結(jié)參數(shù)進行驗證。

基于上述標(biāo)定試驗結(jié)果在EDEM2020 中建立散體肥料與結(jié)塊肥料結(jié)合的離散元仿真模型，如圖11 d 所示，肥料模型主要由散體肥料和結(jié)塊肥料組成，根據(jù)肥料粒徑分布建立30～80 mm 結(jié)塊肥群，以表征結(jié)塊肥料的物理特性，使用API 函數(shù)顆粒替換隨機生成肥塊，同時建立以3.5 mm 球形顆粒組成散體有機肥群。有機肥粘結(jié)參數(shù)如表3 所示。

表3 有機肥料關(guān)鍵粘結(jié)參數(shù)Table 3 Key parameters of organic fertilizer

3.2 模型建立

肥料在槳葉的回轉(zhuǎn)作用下由肥箱前端逐漸向后端運動，在肥箱前、中段主要實現(xiàn)肥料破碎，后段完成肥料輸送。如圖12 所示，在肥箱內(nèi)建立肥群模型，并將肥箱分為3 部分，依次添加肥箱前段（傳感器1）、肥箱中段（傳感器2）和肥箱后段（傳感器3），傳感器尺寸均為長×寬×高（1 500 mm×1 000 mm×600 mm）。通過EDEM2020后處理模塊的Setup Selections 選項設(shè)置不同位置的傳感器對肥箱特定區(qū)域進行分析，分別導(dǎo)出仿真時間內(nèi)肥箱前、中、后3 段肥料顆粒的質(zhì)量、受力、運動速度變化以及肥料在破碎輸送過程的槳葉受力等數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析可監(jiān)測肥箱中肥料顆粒的運動和觸肥部件的受力，為肥箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。為提高仿真效率，對肥箱模型進行簡化，將不影響分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)去除，并將三維軟件Solidiworks2018 中的模型保存為stp 格式導(dǎo)入到EDEM2020 軟件中。在前處理面板中調(diào)整螺旋槳葉與肥箱間的相對位置，螺旋槳葉繞中心軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為60 r/min，槳葉與側(cè)壁的最小安裝間隙為25 mm，兩螺旋槳葉的中心間距為490 mm，柵網(wǎng)間距為30 mm，仿真時間為6 s。

圖12 螺旋槳葉仿真模型Fig.12 Simulation model of propeller blade

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真過程如圖13 所示，在1 s 時刻肥料完全落入肥箱中，在2～3 s，隨著螺旋槳葉的轉(zhuǎn)動，肥箱內(nèi)的肥料開始破碎和軸向輸送。在3～6 s，肥箱內(nèi)的肥料完成進一步破碎和軸向輸送，并有肥料離開肥箱進入到肥料收集箱內(nèi)。肥箱底部和側(cè)壁位置的肥料顆粒運動速度大能達到2.5 m/s，在靠近中心軸管位置處肥料顆粒的運動速度小為0.5 m/s 左右，主要原因是槳葉旋轉(zhuǎn)擾動使得肥料的運動速度較高。仿真過程表明，肥料箱內(nèi)肥料的輸送和破碎過程穩(wěn)定，肥料被均勻排出肥箱，沒有肥料被擊打出肥箱和肥料集中雍堵現(xiàn)象。

圖13 肥料破碎輸送仿真試驗過程Fig.13 Simulation test process of fertilizer crushing and conveying

為量化分析肥料在肥箱內(nèi)的輸送過程和肥箱內(nèi)關(guān)鍵零部件的受力，通過EDEM2020 后處理模塊分別導(dǎo)出傳感器1（碎肥階段Ⅰ）、傳感器2（碎肥階段Ⅱ），傳感器3（運肥階段）監(jiān)測0～6 s 的肥料顆粒質(zhì)量變化數(shù)據(jù)、螺旋槳葉扭矩數(shù)據(jù)、有機肥顆粒受力數(shù)據(jù)和有機肥顆粒平均運動速度數(shù)據(jù)，通過Origin2021 制圖，結(jié)果如圖14 所示。

圖14 仿真結(jié)果分析Fig.14 Analysis of simulation results

如圖14a 所示，傳感器1 的有機肥顆粒質(zhì)量逐漸減小，傳感器2 和3 的有機肥顆粒質(zhì)量逐漸增加，其中傳感器2 的有機肥顆粒質(zhì)量由91.88 kg 增加至130.01 kg，趨勢為均勻連續(xù)增加，無波動。傳感器3 內(nèi)有機肥顆粒質(zhì)量由26.90 kg 增加至62.85 kg，且增加過程同樣為均勻連續(xù)增加，無波動。仿真結(jié)果表明，對稱布置的螺旋槳葉能夠完成肥料的均勻定向輸送，且輸送過程穩(wěn)定，滿足肥料的輸送要求。

如圖14b 所示，傳感器1、傳感器2、傳感器3 內(nèi)螺旋槳葉的平均扭矩分別為52.05、58.75 和20.42 N·m。在肥塊輸送破碎過程中，傳感器中螺旋槳葉所受扭矩均是波動的，主要由于在破碎肥塊的過程中Bond 鍵斷裂需要較大的扭矩。傳感器1 和2 內(nèi)螺旋槳葉破碎扭矩大于傳感器3，且波動幅度均大于傳感器3，主要由于傳感器1 和2 位于肥箱前段，在肥料下落位置的正下方，因此傳感器1 和2 區(qū)域內(nèi)的槳葉承擔(dān)更多的肥塊破碎和輸送任務(wù)，故所受扭矩較大。在0～4 s 傳感器2 內(nèi)螺旋槳葉所受扭矩的平均值為67.88 N·m，傳感器2 內(nèi)螺旋槳葉所受扭矩大于傳感器1 和傳感器2。在0～6 s 內(nèi)傳感器1 和2 的螺旋槳葉所受扭矩差異較小，能夠滿足肥塊的破碎輸送要求，傳感器3 內(nèi)螺旋槳葉所受扭矩明顯小于傳感器1 和2，因為此區(qū)域內(nèi)螺旋槳葉對肥料的破碎較少，主要承擔(dān)肥料的輸送。因此需對傳感器1 和2 位置處的螺旋槳葉進行加固，增加槳葉與中心軸連接處的焊點，同時選用強度較高的螺栓固定槳葉，避免在碎肥過程槳葉發(fā)生形變或斷裂。

如圖14c 所示，傳感器1、傳感器2 和傳感器3 內(nèi)肥料顆粒的平均受力分別為343.25、374.38 和224.22 N。在0～1 s 肥料顆粒受力明顯大于其他時刻，傳感器1、傳感器2、傳感器3 內(nèi)的平均受力分別為544.15，579.76和222.29 N，在此期間肥料落入肥箱，在槳葉的作用下肥塊完成初始破碎，因此顆粒受力較大。在0～6 s 傳感器1 和2 內(nèi)肥料顆粒受力遠高于傳感器3，主要原因為在傳感器1 和2 內(nèi)，大量的肥塊在此處完成破碎，槳葉與肥箱側(cè)壁“動定”配合對肥塊切割破碎，并將破碎肥料定向輸送。因此在傳感器1 和2 內(nèi)槳葉和肥箱側(cè)壁對肥料的作用力明顯高于傳感器3，肥料顆粒的擾動大，受力大。此外，傳感器3 區(qū)域內(nèi)顆粒平均受力較小，主要完成肥料顆粒的運送。

如圖14d 所示，傳感器1、傳感器2 和傳感器3 內(nèi)肥料顆粒平均運動速度分別為0.59、0.64 和0.55 m/s，與前述理論分析結(jié)果一致。傳感器1、2 和3 內(nèi)顆粒的平均運動速度從高到低為傳感器2、傳感器1、傳感器3。由于在肥料顆粒輸送過程中傳感器2 位置處肥料顆粒數(shù)量增加，而傳感器1 位置處肥料顆粒減少，因此傳感器2 位置聚集大量肥料顆粒，槳葉旋轉(zhuǎn)時對肥料顆粒的擾動增加，使得肥料顆粒的運動速度相較于傳感器1 有小幅度增加。在0～1 s 內(nèi)由于肥料顆粒與槳葉接觸，因此肥料顆粒獲得了較大的初速度，顆粒受到?jīng)_擊后不能和其他肥料顆粒穩(wěn)定碰撞減小平均速度。在1～6 s 過程內(nèi)，肥料全部落入肥箱，肥料顆粒隨槳葉的旋轉(zhuǎn)發(fā)生周向和軸向運動，肥料顆粒獲得穩(wěn)定的運動速度，且無明顯波動。

肥箱的受力如圖15 所示。傳感器1、傳感器2 和傳感器3 內(nèi)肥箱總受力的平均值分別為6 503、14 010和94 N（圖15a）。傳感器1 和2 位置肥箱的總受力遠高于傳感器3。由肥箱的受力云圖（圖15b）可知，肥箱側(cè)壁和肥箱底部受力明顯高于其他區(qū)域，主要由于肥料在落入肥箱的過程中對肥箱產(chǎn)生壓力，使得肥箱的底部受力較大，此外槳葉與肥箱側(cè)壁和肥箱底部“動定”配合共同完成肥塊破碎，因此在肥箱底部和側(cè)壁位置受到肥塊破碎時所產(chǎn)生的擠壓作用，受力要高于其他區(qū)域?；谏鲜龇治?，在加工過程中需要加固肥箱底部和側(cè)壁。

圖15 肥箱受力分析Fig.15 Stress analysis of fertilizer box

為增強槳葉對肥塊的破碎效果，槳葉設(shè)計為齒爪形式。螺旋槳葉的受力分析表明，受力較大區(qū)域主要集中在槳葉齒爪上。槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中對散體肥料和結(jié)塊肥料進行軸向輸送和破碎，如圖16 所示，對肥塊切割破碎過程中，槳葉齒爪位置受力明顯高于其他位置。因此加工的材料需進行強化處理，槳葉使用噴丸處理的Q235板材，線切割加工，并且通過噴施防腐蝕涂層提高其使用壽命。

圖16 螺旋槳葉受力分布情況Fig.16 Stress distribution of propeller blade

4 田間試驗

4.1 試驗方法

依據(jù)前述仿真試驗與理論分析，對固體有機肥破碎條施機進行樣機試制，如圖17 所示。為測試所設(shè)計的固體有機肥破碎條施機的地面撒施和田間條施性能，2022年8 月在山東省天盛機械有限公司開展地面撒施試驗和田間條施試驗。主要試驗設(shè)備有東方紅1304 型拖拉機、肥料采集盒（127 mm×67 mm×22 mm）。

圖17 試驗樣機的關(guān)鍵部件示意圖Fig.17 Schematic diagram of key components of the experimental machine

商品顆粒有機肥粒徑普遍小于10 mm[6]，目前農(nóng)藝環(huán)節(jié)并未對廄肥施用的粒徑提出要求，但在田間施肥過程中，一般認(rèn)為肥料粒徑越小越好，肥塊在破碎后有利于肥效釋放，提高肥料利用率，同時能提升條施肥均勻性，利于機械化作業(yè)。

基于前述理論，機具的鎮(zhèn)壓傾角、作業(yè)速度和開溝深度對施肥質(zhì)量有較大影響，根據(jù)前述分析，機具鎮(zhèn)壓傾角的調(diào)節(jié)范圍為120°～150°，機具前進速度為5～7 km/h，開溝施肥深度范圍為150～200 mm，使用L9（33）均勻設(shè)計試驗表進行三因素三水平的均勻設(shè)計試驗。

采用施肥量變異系數(shù)為主要評價指標(biāo)，參考GB /T 9478—2005《谷物條播機試驗方法》，在試驗完成后隨機選取5 個長度為 127 mm 的區(qū)域，重復(fù) 3 次，得到每個區(qū)域內(nèi)的施肥量變異系數(shù)，計算式為

式中Mf為各個區(qū)域肥料質(zhì)量，g；Yf為施肥量變異系數(shù)，為5 個區(qū)域肥料的平均質(zhì)量，g。

4.2 結(jié)果與分析

田間試驗（圖18）試驗因素編碼如表4 所示，試驗結(jié)果如表5 所示。如圖18 所示，以6 km/h 的前進速度和60 r/min 的螺旋槳葉轉(zhuǎn)速對樣機進行肥料地面撒施和田間試驗。試驗結(jié)果表明，在地面撒施過程中，螺旋槳葉和差速對輥共同作用使肥塊細碎，肥料粒徑范圍在0～30 mm 以內(nèi)，作業(yè)過程中未出現(xiàn)肥料斷條現(xiàn)象，施肥過程穩(wěn)定，施肥量變異系數(shù)平均值為21.5%，滿足設(shè)計要求。

表4 田間試驗因素與水平Table 4 Field test factors and levels

表5 田間試驗方案及結(jié)果Table 5 Field test scheme and results

圖18 作業(yè)效果Fig.18 Machine operation effect

如表6 所示，由方差分析可知，試驗整體模型極顯著（P＜0.01），能夠較好地評價試驗因素與評價指標(biāo)之間的參數(shù)關(guān)系。其中，鎮(zhèn)壓傾角和前進速度對于指標(biāo)影響極顯著，各因素對施肥量變異系數(shù)影響的主次順序為B、A、C。

表6 試驗結(jié)果方差分析Table 6 Analysis of variance of test results

4.3 作業(yè)參數(shù)選取與驗證

正交試驗結(jié)果表明，固體有機肥破碎條施機在作業(yè)過程中施肥量變異系數(shù)在20%左右，施肥過程穩(wěn)定可靠。為獲得固體有機肥破碎條施機的最佳工作參數(shù)，對試驗因素參數(shù)進行優(yōu)選，遵循施肥變異系數(shù)小，施肥均勻性高的原則，第1 組試驗得到其最優(yōu)參數(shù)組合為鎮(zhèn)壓傾角120°，前進速度5 km/h，開溝施肥深度150 mm，施肥量變異系數(shù)為15.2%。其中，第4 組試驗中得到較優(yōu)參數(shù)組合為鎮(zhèn)壓傾角135°，前進速度5 km/h，開溝施肥深度175 mm，施肥量變異系數(shù)為17.8%。2 組試驗結(jié)果接近，在相同試驗條件對2 組試驗結(jié)果進行重復(fù)2 次的試驗驗證，最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合和較優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合的施肥變異系數(shù)的均值為15.9%和17.2%，誤差均小于5%，試驗結(jié)果可靠。

5 結(jié) 論

1)依據(jù)條帶耕作模式設(shè)計了固體有機肥破碎條施機并闡述該裝置的工作原理，對關(guān)鍵部件開溝施肥鏟和鎮(zhèn)壓輪的工作過程進行理論分析，明晰鏟尖傾角和鎮(zhèn)壓傾角變化對于開溝過程和鎮(zhèn)壓過程所受土壤阻力的影響。

2)通過所建立的固體有機肥離散元模型，明確了螺旋槳葉參數(shù)對肥塊運動的影響。碎肥過程肥箱前段、中段的螺旋槳葉平均扭矩分別為52.05 和58.75 N·m，肥料顆粒平均受力分別為343.25 和374.38 N，遠高于運肥過程中平均扭矩20.42 N·m 和肥料顆粒平均受力224.22 N。肥料顆粒運動速度穩(wěn)定在0.6 m/s 左右，無明顯波動。

3)對固體有機肥破碎條施機的性能進行田間試驗，試驗結(jié)果表明，9 組試驗的施肥量變異系數(shù)平均值為在21.5%，施肥過程穩(wěn)定可靠，其最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為鎮(zhèn)壓傾角120°，前進速度5 km/h，開溝施肥深度150 mm，施肥量變異系數(shù)為15.2%，驗證結(jié)果的施肥變異系數(shù)的均值為15.9%，誤差小于5%，試驗結(jié)果可靠。