摘要：常作為基肥的固態(tài)有機(jī)肥，具有施用量大、流動(dòng)性差、易結(jié)拱等特點(diǎn)，采用臥式有機(jī)肥撒施機(jī)施肥，存在輸肥功耗大、施肥均勻性差等問題。對(duì)臥式有機(jī)肥撒施機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在肥料出口處增設(shè)釘齒式輸肥破碎輥、減壓擋板和撞擊導(dǎo)板，以減小輸肥功耗提高施肥均勻性。對(duì)臥式有機(jī)肥撒施機(jī)改進(jìn)前后的輸肥功耗進(jìn)行理論計(jì)算與對(duì)比分析，結(jié)果表明：改進(jìn)前完成一次拋撒作業(yè)鏈板輸肥功耗為2.57×105 J，改進(jìn)后完成一次拋撒作業(yè)輸肥功耗為2.05×105 J，輸肥功耗可降低20.23%。運(yùn)用EDEM軟件，以輸肥破碎輥釘齒排數(shù)、輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速、肥量調(diào)節(jié)板開度為試驗(yàn)因素，拋撒均勻性橫向變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)與響應(yīng)面試驗(yàn)；運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明：輸肥破碎輥釘齒排數(shù)為7排、輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速為147 r/min、肥量調(diào)節(jié)板開度226 mm時(shí)，拋撒均勻性橫向變異系數(shù)為14.04%，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。研究結(jié)果為臥式有機(jī)肥撒施機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：施肥機(jī)械；有機(jī)肥；變異系數(shù)；拋撒均勻性

中圖分類號(hào)：S224.22" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 09?0069?08

Improved design and test of horizontal organic fertilizer spreader

Hao Cheng， Cui Qingliang， Zhang Yanqing， Hou Huaming， Li Lang

（College of Agricultural Engineering， Shanxi Agricultural University， Jinzhong， 030801， China）

Abstract： The solid organic fertilizer， which is often used as base fertilizer， is characterized by large application amounts， poor mobility， easy arching， etc. When fertilizer is applied by a horizontal organic fertilizer spreader， there are problems such as high power consumption of fertilizer delivery and poor uniformity of fertilizer application. In this paper， the design of the horizontal organic fertilizer spreader is improved by adding a spike?tooth fertilizer delivery crushing roller， a pressure?reducing baffle， and an impact guide plate at the fertilizer outlet to reduce the power consumption of fertilizer delivery and improve the uniformity of fertilizer application. The theoretical calculation and comparative analysis of the power consumption of fertilizer delivery before and after the improvement of the horizontal organic fertilizer spreader showed that the power consumption of the chain plate for fertilizer delivery before the improvement was 2.57×105 J， and the power consumption of fertilizer delivery after the improvement was 2.05×105 J， which could reduce the power consumption of fertilizer delivery by 20.23%. Using EDEM software， a single?factor test and response surface test was conducted and the test results were analyzed with the number of rows of fertilizer?crushing roller teeth， fertilizer?crushing roller speed， and fertilizer adjusting plate opening as the test factors and the coefficient of lateral variation of spreading uniformity as the evaluation index. Design-Expert 8.0.6 software was used to optimize the test results and verify the optimized parameters. The results showed that when the number of rows of teeth of the fertilizer delivery roller was 7， the speed of the fertilizer delivery roller was 147 r/min， and the opening of the fertilizer adjustment plate was 226 mm， the lateral variation coefficient of spreading uniformity was 14.04%， and the test results were basically consistent with the simulation results. The results of the study provide a reference for the optimization of the structure and performance of the horizontal organic fertilizer spreader.

Keywords： fertilization machinery; organic fertilizer; coefficient of variation; spreading uniformity

0 引言

有機(jī)肥含有多種微量元素，可為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量[1， 2]。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可提升土壤有機(jī)質(zhì)含量、降低土壤pH值、改善土壤環(huán)境[3， 4]，符合綠色可持續(xù)的發(fā)展要求。機(jī)械化施肥代替人力拋撒，可降低農(nóng)民工作強(qiáng)度，提高有機(jī)肥的利用效率，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

國(guó)外有機(jī)肥撒施機(jī)機(jī)械化、自動(dòng)化水平高，具有代表性的有法國(guó)的ProTwin8510側(cè)式撒肥機(jī)，該機(jī)采用雙攪龍式輸肥裝置，工作可靠、輸肥量大，但對(duì)于流動(dòng)性差，易結(jié)拱的肥料適應(yīng)性較差[5]；法國(guó)的ProPush2044背推式撒肥機(jī)，該機(jī)采用液壓推肥裝置，輸肥平穩(wěn)，使用壽命長(zhǎng)，但其拋撒均勻性較差[6]。國(guó)內(nèi)專家呂金慶等[7]對(duì)立式有機(jī)肥撒施機(jī)拋撒裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，將螺旋撒肥裝置與撒肥圓盤相結(jié)合，增大撒肥幅寬；張睿等[8]研制了一種雙圓盤式變量施肥機(jī)，可進(jìn)行大面積變量施肥作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。由于有機(jī)肥流動(dòng)性差，易結(jié)拱；采用臥式有機(jī)肥撒施機(jī)施肥時(shí)存在輸肥功耗大、施肥均勻性差的問題。

針對(duì)上述問題，本文對(duì)臥式有機(jī)肥撒施機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在肥料出口處增設(shè)釘齒式輸肥破碎輥、減壓擋板和撞擊導(dǎo)板；分析并計(jì)算改進(jìn)前后有機(jī)肥撒施機(jī)的輸肥功耗；利用EDEM軟件以輸肥破碎輥釘齒排數(shù)、輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速、肥量調(diào)節(jié)板開度為試驗(yàn)因素，拋撒均勻性橫向變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，得出有機(jī)肥撒施機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)，并通過實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

臥式有機(jī)肥撒施機(jī)主要由牽引架、張緊裝置、肥料箱、行走裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、輸肥裝置、螺旋拋撒裝置、撞擊導(dǎo)板等組成，如圖1所示。

傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括傳動(dòng)軸、鏈傳動(dòng)、萬向節(jié)、錐齒輪傳動(dòng)、液壓馬達(dá)、齒輪減速箱等。輸肥裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 工作原理

工作時(shí)，撒施機(jī)肥料箱內(nèi)裝滿有機(jī)肥，根據(jù)施肥量要求通過液壓系統(tǒng)提升肥量調(diào)節(jié)板至指定高度，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鏈板輸肥裝置輸送有機(jī)肥，通過傳動(dòng)系統(tǒng)將拖拉機(jī)動(dòng)力傳遞至輸肥破碎輥和螺旋拋撒裝置，輸肥破碎輥將肥料破碎并向后輸送至螺旋拋撒裝置，期間鏈板輸肥裝置停止輸肥，螺旋拋撒裝置對(duì)送來的肥料進(jìn)一步破碎并向后拋出，拋出的肥料與撞擊導(dǎo)板碰撞后均勻落至田間，待輸肥破碎輥周圍的肥料被全部送至螺旋拋撒裝置時(shí)，啟動(dòng)鏈板輸肥裝置輸送肥料填滿輸肥破碎輥周圍的空間后，再次停止輸肥，如此循環(huán)往復(fù)，直至完成施肥作業(yè)。臥式有機(jī)肥撒肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 有機(jī)肥撒施機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 釘齒式輸肥破碎輥設(shè)計(jì)

為降低輸送功耗，并提高輸肥均勻性，在排肥口前設(shè)置輸肥破碎輥。根據(jù)有機(jī)肥料物性特點(diǎn)和施肥機(jī)械常用破碎裝置形式，設(shè)計(jì)了釘齒式輸肥破碎輥，該破碎輥主要由輥筒、釘齒、轉(zhuǎn)軸等組成，如圖3所示。釘齒在輥筒周向交錯(cuò)布置（釘齒排數(shù)由后續(xù)試驗(yàn)確定）。

現(xiàn)有釘齒排列方式有螺旋法和交錯(cuò)法。分析表明，螺旋法的排列方式雖能滿足軸向的釘齒排列要求，但釘齒的總數(shù)量較少，會(huì)導(dǎo)致輸送不均勻。如果增加齒數(shù)，使得釘齒之間間距縮短，會(huì)影響到機(jī)構(gòu)的正常工作性能，故輸肥破碎輥采用交錯(cuò)排列方法布置釘齒。將釘齒排布于平面展示，如圖4所示，設(shè)輥筒半徑為r，長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，同一軸線上的釘齒間隔為d，交錯(cuò)排列的釘齒間距為d/2。

2.2 減壓擋板設(shè)計(jì)

減壓擋板安裝于輸肥破碎輥的上方。有機(jī)肥撒施機(jī)滿載時(shí)，減壓擋板承接一部分有機(jī)肥，減少有機(jī)肥與輸肥破碎輥之間的接觸面積，從而減小有機(jī)肥對(duì)輸肥破碎輥的摩擦力，降低輸送功耗。根據(jù)肥料箱尺寸和實(shí)際工況，減壓擋板采用彈簧鋼，擋板長(zhǎng)1 460 mm，寬170 mm，厚度5 mm，安裝角度120°。

2.3 撞擊導(dǎo)板設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高撒肥均勻性，在螺旋拋撒裝置上方設(shè)置撞擊導(dǎo)板，引導(dǎo)拋出的肥料均勻地拋撒在工作路徑上，同時(shí)肥料與撞擊導(dǎo)板碰撞后進(jìn)一步破碎，保證撒肥均勻性。根據(jù)有機(jī)肥撒施機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)撞擊導(dǎo)板結(jié)構(gòu)如圖5所示，由直板和曲板連接組成，直板長(zhǎng)度為600 mm，曲板半徑為1 000 mm，圓心角為45°，采用45鋼制成。

2.4 功耗分析

2.4.1 改進(jìn)前功耗分析

目前臥式有機(jī)肥撒施機(jī)普遍采用鏈板輸肥裝置輸送有機(jī)肥，輸送方式為水平輸送。當(dāng)有機(jī)肥在肥料箱里穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，相鄰兩個(gè)刮板之間有機(jī)肥的受力都是相同的。將肥料箱近似為長(zhǎng)方體，有機(jī)肥受力分析圖如圖6所示。

如圖6（a）所示，沿肥料箱運(yùn)動(dòng)的有機(jī)肥受以下3個(gè)力的作用：后方刮板的推力T，有機(jī)肥運(yùn)行阻力F，刮板對(duì)有機(jī)肥的靜摩擦力F1。在有機(jī)肥前進(jìn)方向上，其受力平衡的表達(dá)式為

T+F₁=F （1）

滿載時(shí)，肥料箱內(nèi)由于有機(jī)肥重力的作用，對(duì)底板產(chǎn)生正壓力同時(shí)也對(duì)側(cè)壁產(chǎn)生側(cè)壓力。正壓力和側(cè)壓力的分布如圖6（b）所示，正壓力和側(cè)壓力的大小與有機(jī)肥的堆積高度有關(guān)[9]，正壓力Fn和最大側(cè)壓力Pmax表示為

F_n=ρ×H （2）

P_max=η×F_n=η×ρ×H （3）

式中： ρ——有機(jī)肥堆積密度，取760 kg/m³；

H——肥料箱高度，m；

η——有機(jī)肥的側(cè)壓系數(shù)，一般取0.7。

由此可計(jì)算出底板對(duì)有機(jī)肥的摩擦力w1和側(cè)壁對(duì)有機(jī)肥的摩擦力w2及有機(jī)肥運(yùn)行阻力F表示為

w₁=B?H?a?ρ?f （4）

w₂=2×1/2P_max?H?a?f=η?ρ?H²?a?f （5）

F=w_f?（w1+w2）?n?g

=wf?ρ?H?a?f（B+ηH）?n?g （6）

式中： w_f——附加阻力系數(shù)，取1.1；

B——肥料箱寬度，m；

f ——有機(jī)肥與底板側(cè)壁的摩擦系數(shù)，0.75；

a——刮板間距，m；

n——刮板間隔數(shù)，19。

在有機(jī)肥輸送過程中，鏈板與肥料箱底板相接觸產(chǎn)生摩擦力。高強(qiáng)度圓環(huán)鏈規(guī)格為14×50，按GB/T 12718—91《礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈》計(jì)算可知，輸送長(zhǎng)度為4.68 m時(shí)，刮板和鏈條總質(zhì)量為510.44 kg。則鏈板運(yùn)行所產(chǎn)生的摩擦力

w=w_f?m₁?g?f₁" （7）

式中： m₁——鏈板輸肥裝置的總質(zhì)量，kg；

f₁——刮板鏈條與底板的摩擦系數(shù)，0.4。

由上述分析可知，鏈板輸肥裝置的輸肥功耗由有機(jī)肥運(yùn)行阻力和鏈板運(yùn)行的摩擦力產(chǎn)生。且由式（6）可知，有機(jī)肥的運(yùn)行阻力F與有機(jī)肥在肥料箱內(nèi)的堆積高度有關(guān)，假設(shè)有機(jī)肥撒施機(jī)在撒肥過程中，肥料箱內(nèi)有機(jī)肥的堆積高度呈線性變化，則完成一次拋撒作業(yè)鏈板輸肥裝置的輸肥功耗相關(guān)計(jì)算如式（8）所示。

2.4.2 改進(jìn)后功耗分析

輸肥破碎輥正常工作時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸傳遞給輸肥破碎輥的功率加載在轉(zhuǎn)軸上，其大小分別由輸肥破碎輥的空轉(zhuǎn)功率和輸送有效功率所平衡。輸肥破碎輥的功率消耗由式（13）計(jì)算。

由改進(jìn)后輸肥裝置的工作原理可知，完成一次拋撒作業(yè)的總時(shí)間由輸肥破碎輥輸送時(shí)間t2和鏈板輸肥裝置向輸肥破碎輥補(bǔ)充有機(jī)肥的時(shí)間t3組成。在理想狀態(tài)下輸肥破碎輥上方矩形區(qū)域內(nèi)的有機(jī)肥被輸肥破碎輥輸送并破碎，鏈板推動(dòng)有機(jī)肥顆粒整體向輸肥破碎輥補(bǔ)充，工作時(shí)間為t3。輸肥功耗[13]相關(guān)計(jì)算如式（23）所示。

3 撒肥均勻性仿真試驗(yàn)

3.1 仿真模型與參數(shù)設(shè)置

將Solidworks繪制的有機(jī)肥撒施機(jī)簡(jiǎn)化實(shí)體模型導(dǎo)入EDEM。在EDEM軟件中設(shè)置顆粒工廠，在肥料箱上生成有機(jī)肥顆粒。為確保有機(jī)肥顆粒能夠完全被收集，在螺旋拋撒裝置下方0.82 m處設(shè)置接肥板，其大小為18 m×12 m。仿真模型如圖7所示。

本次EDEM仿真試驗(yàn)將有機(jī)肥顆粒近似為半徑為10 mm的球形，有機(jī)肥顆粒表面與有機(jī)肥撒施機(jī)之間沒有黏附力，選用Hertz-Mindlin （no slip）接觸模型；有機(jī)肥顆粒之間存在黏附力，采用Hertz-Mindlin with JKR模型，該模型是一種具有內(nèi)聚力的接觸模型，它考慮了接觸區(qū)域內(nèi)范德華力的影響，可對(duì)強(qiáng)黏附系統(tǒng)進(jìn)行建模。參考相關(guān)文獻(xiàn)[14]設(shè)置其表面能為0.075 J/m2。其余參數(shù)為：顆粒密度1 250 kg/m3，泊松比0.315，彈性模量5.5 MPa；有機(jī)肥顆粒之間的碰撞系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.6、0.55、0.55；有機(jī)肥顆粒與有機(jī)肥撒施機(jī)之間的碰撞系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.6、0.75、0.75。仿真開始前，將肥料箱填滿，仿真時(shí)間共8 s，前3 s為有機(jī)肥顆粒生成時(shí)間，后5 s為模擬拋撒時(shí)間。

3.2 方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

仿真結(jié)束后，應(yīng)用EDEM后處理模塊中的setup selections在距離螺旋拋撒裝置中心0.2 m位置處設(shè)置Grid Bin Group，每個(gè)網(wǎng)格大小300 mm×180 mm，3 m×1.8 m的收集區(qū)域內(nèi)共有10行10列100個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，由于臥式有機(jī)肥撒施機(jī)易在拋撒幅寬方向產(chǎn)生較大誤差，因此常用橫向變異系數(shù)作為拋撒均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]。統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格中有機(jī)肥的質(zhì)量，按式（24）計(jì)算其橫向變異系數(shù)。

3.3 單因素試驗(yàn)與結(jié)果分析

輸肥破碎輥釘齒排數(shù)影響其工作穩(wěn)定性和輸送阻力，輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速影響有機(jī)肥的輸送量，肥量調(diào)節(jié)板開度影響有機(jī)肥的出料量，根據(jù)目前的研究基礎(chǔ)分析，確定輸肥破碎輥釘齒排數(shù)、輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速、肥量調(diào)節(jié)板開度為試驗(yàn)因素，仿真時(shí)間持續(xù)5 s。

3.3.1 輸肥破碎輥釘齒排數(shù)對(duì)拋撒均勻性的影響

保持肥量調(diào)節(jié)板開度為270 mm，輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速150 r/min不變，輸肥破碎輥釘齒排數(shù)在4～8排范圍內(nèi)變化，增量為1排，橫向變異系數(shù)變化規(guī)律如圖8（a）所示。由圖8（a）可知，隨著釘齒排數(shù)的增加，橫向變異系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)。釘齒排數(shù)由4排增加到6排時(shí)，釘齒數(shù)量增加，輸肥破碎輥輸肥逐漸穩(wěn)定，橫向變異系數(shù)逐漸減小，6排時(shí)橫向變異系數(shù)最小為13.91%。釘齒排數(shù)由6排增加時(shí)，輸肥破碎輥輸送阻力增加，導(dǎo)致橫向變異系數(shù)增大。

3.3.2 輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速對(duì)拋撒均勻性的影響

保持輸肥破碎輥釘齒排數(shù)為6，肥量調(diào)節(jié)板開度為270 mm不變，輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速在112.5～162.5 r/min范圍內(nèi)變化，增量為12.5 r/min，橫向變異系數(shù)變化規(guī)律如圖8（b）所示。由圖8（b）可知，輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速由112.5 r/min增加到137.5 r/min時(shí)，隨著輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速的增加，輸肥量增大，橫向變異系數(shù)減小，拋撒均勻性提高。輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速由150 r/min增大時(shí)，橫向變異系數(shù)呈上述趨勢(shì)，因此輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速選擇在137.5～162.5 r/min范圍內(nèi)為宜。

3.3.3 肥量調(diào)節(jié)板開度對(duì)拋撒均勻性的影響

保持輸肥破碎輥釘齒排數(shù)為6，輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速150 r/min不變，肥量調(diào)節(jié)板開度在45～345 mm范圍內(nèi)變化，增量為75 mm，橫向變異系數(shù)變化規(guī)律如圖8（c）所示。由圖8（c）可知，當(dāng)肥量調(diào)節(jié)板開度由45 mm增加時(shí)，由于出料量的增加，橫向變異系數(shù)減??；當(dāng)肥量調(diào)節(jié)板開度為270 mm時(shí)，此時(shí)肥量調(diào)節(jié)板開度與輸肥破碎輥高度一致，可將有機(jī)肥全部排出。肥量調(diào)節(jié)板開度繼續(xù)增加，橫向變異系數(shù)基本保持不變。因此肥量調(diào)節(jié)板開度選擇在45～270 mm范圍內(nèi)為宜。

3.4 響應(yīng)面試驗(yàn)

為優(yōu)化有機(jī)肥撒施機(jī)的工作參數(shù)，利用Design-Expert 8.0.6軟件，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以輸肥破碎輥釘齒排數(shù)、輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速、肥量調(diào)節(jié)板開度為試驗(yàn)因素，橫向變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在作業(yè)速度為6 km/h的條件下進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，水平因素編碼如表2所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表3所示。其中x1、x2、x3為因素編碼值。

3.4.1 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到橫向變異系數(shù)方差分析見表4。

由表4可知，橫向變異系數(shù)模型P值小于0.01，表明二次回歸模型極為顯著；失擬項(xiàng)P值大于0.05，表明回歸方程不失擬。模型的決定系數(shù)R2=0.969 9，說明模型擬合良好，可用來進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)測(cè)。

3.4.2 交互因素對(duì)橫向變異系數(shù)的影響

由表4可知，交互項(xiàng)x2x3對(duì)橫向變異系數(shù)影響顯著，以交互項(xiàng)x2x3對(duì)橫向變異系數(shù)的影響進(jìn)行分析。由圖9可知，橫向變異系數(shù)隨輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，原因是隨著輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速的增大，其輸送到螺旋拋撒裝置的有機(jī)肥質(zhì)量增加，拋撒量增大，橫向變異系數(shù)降低；隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，輸肥破碎輥與有機(jī)肥顆粒之間的摩擦力增大，導(dǎo)致橫向變異系數(shù)增大。橫向變異系數(shù)隨肥量調(diào)節(jié)板開度的增大呈先減小后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，原因是隨著肥量調(diào)節(jié)板的開度增大，有機(jī)肥的出料量增大，橫向變異系數(shù)減小，當(dāng)肥量調(diào)節(jié)板開度為270 mm時(shí)，輸肥破碎輥輸送的有機(jī)肥可全部排出，橫向變異系數(shù)趨于穩(wěn)定。

3.4.3 參數(shù)優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

為得到最小橫向變異系數(shù)，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的Optimization功能對(duì)有機(jī)肥撒施機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合，輸肥破碎輥釘齒排數(shù)6.74排、輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速147.08 r/min，肥量調(diào)節(jié)板開度226.25 mm，橫向變異系數(shù)最小為13.27%；考慮實(shí)際情況，在輸肥破碎輥釘齒排數(shù)7排、輸肥破碎轉(zhuǎn)速147 r/min、肥量調(diào)節(jié)板開度226 mm的條件下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真驗(yàn)證試驗(yàn)值為13.64%，與回歸模型相對(duì)誤差不超過5%；該模型可以預(yù)測(cè)橫向變異系數(shù)。

3.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真最優(yōu)工作參數(shù)的可行性，考慮到田間復(fù)雜環(huán)境不便于肥料收集測(cè)量，根據(jù)施肥機(jī)械試驗(yàn)的相關(guān)國(guó)標(biāo)要求[16， 17]，在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)地開展試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)，肥料箱裝載有機(jī)肥4 t，施肥量為4 kg/m2，撒肥機(jī)前進(jìn)速度為6 km/h，鏈板輸送速度為0.05 m/s，按照仿真最優(yōu)工作參數(shù)設(shè)置撒肥機(jī)的施肥工作參數(shù)，設(shè)置輸肥破碎輥釘齒排數(shù)為7排、輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速為147 r/min、肥量調(diào)節(jié)板開度為226 mm。在撒肥機(jī)行進(jìn)道路上鋪設(shè)5 m×10 m的篷布，在篷布上繪滿500 mm×500 mm的方格，使用小掃帚、簸箕等工具將每個(gè)方格中的有機(jī)肥收集，并裝入塑料袋中，去皮稱量每個(gè)方格內(nèi)的有機(jī)肥質(zhì)量并記錄，按式（24）～式（26）計(jì)算拋撒均勻性橫向變異系數(shù)，試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

試驗(yàn)結(jié)果表明該撒施機(jī)在最優(yōu)工作參數(shù)下的拋撒均勻性橫向變異系數(shù)分別為13.98%、13.79%、14.35%，均值為14.04%，與仿真結(jié)果基本一致，滿足施肥作業(yè)要求。

4 結(jié)論

1） 對(duì)臥式有機(jī)肥撒施機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在肥料出口處增設(shè)釘齒式輸肥破碎輥、減壓擋板和撞擊導(dǎo)板，結(jié)構(gòu)可行，工作可靠。

2） 通過理論計(jì)算，臥式有機(jī)肥撒施機(jī)改進(jìn)前完成一次拋撒作業(yè)鏈板輸肥裝置的輸肥功耗為2.57×105 J；改進(jìn)后完成一次拋撒作業(yè)輸肥功耗為2.05×105 J，輸肥功耗可降低20.23%。

3） 通過單因素試驗(yàn)確定輸肥破碎輥釘齒排數(shù)、輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速、肥量調(diào)節(jié)板開度的優(yōu)化范圍；利用Design-Expert 8.0.6軟件以上述3因素為試驗(yàn)因素，拋撒均勻性橫向變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，得到橫向變異系數(shù)回歸方程和有機(jī)肥撒施機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)，在最優(yōu)參數(shù)下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：輸肥破碎輥釘齒排數(shù)為7排、輸肥破碎輥轉(zhuǎn)速147 r/min、肥量調(diào)節(jié)板開度為226 mm時(shí)橫向變異系數(shù)為14.04%，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，滿足施肥作業(yè)要求。

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