果園有機肥深施機土肥混合分層回填裝置研制

袁全春，徐麗明，牛 叢，馬 帥，閆成功，趙詩建，劉 飛，王 坤

果園有機肥深施機土肥混合分層回填裝置研制

袁全春，徐麗明※，牛 叢，馬 帥，閆成功，趙詩建，劉 飛，王 坤

（中國農業大學工學院，北京 100083）

針對果園有機肥傳統深施方式存在的肥料過于集中、利用率低等問題，該研究設計了一種土肥混合分層回填裝置。該裝置采用絞龍輸送回填土肥，并在絞龍間螺旋布置槳葉用以提高土肥混合質量，再通過前、中、后3組混合回填部件將土肥混合物依次回填至施肥溝中，實現分層回填。首先，通過理論計算確定絞龍的結構參數。進一步以混合槳葉側向角、俯仰角和轉速為因素，以有機肥比例相對標準差和顆粒結構間法向接觸力為評價指標，進行離散元仿真試驗。仿真結果表明，槳葉側向角、俯仰角和轉速分別為90°、60°和200 r/min時，有機肥比例相對標準差為40.35%，顆粒結構間法向接觸力為0.33 N，混合均勻度最高，且接觸力較小。在最優槳葉參數的基礎上，通過仿真試驗得到，混合均勻度先隨槳葉布置區域長度的增加而提高，當長度大于400 mm時趨于穩定。理論計算和臺架試驗結果表明：當前、中、后卸料口導流板傾斜角度分別為70°、65°、50°時,各層的土肥在施肥溝的整個寬度范圍內可以均勻分布，提高分層質量。有機肥比例相對標準差與仿真試驗結果的相對誤差為0.11%，表明仿真優化結果可靠，該裝置混合性能較好，可滿足土肥混合作業要求。

農業機械；裝置；有機肥；混合；分層施肥；離散元仿真

0 引 言

果園秋季深施有機肥是生產過程中重要的作業環節，影響果品品質和產量[1]。有機肥深施施肥量較大，肥料過于集中會損傷果樹根系，且肥料不易被吸收，易殘留在土壤中，造成土壤污染，將土壤與有機肥充分混合能夠提高有機肥利用率，減輕土壤污染。由于果園不同深度土壤養分不同，果樹根系分布不同，單層施肥存在肥料利用率低的問題，按需分層施肥十分必要。因此，研究土肥混合及分層施用技術具有重要意義。

目前，國內外學者對土壤和肥料的混合做了一些相關研究[2-6]。Ucgul等[7]研究了一種旋轉鏟，能夠將地表的肥料混合進土壤中，改善土壤特性；并采用數字圖像處理和離散元仿真技術，量化了旋轉鏟的混合能力。張平平[8]設計了一種果樹精量施肥機，采用螺旋絞龍將開溝拋出的土壤和肥箱排出的肥料混合后回填至溝中；并通過仿真試驗得到，絞龍轉速對混合均勻性的影響最顯著，其次是絞龍長度和螺距。劉彪[9]設計了一種果園施肥機，通過旋轉的刀盤將土壤和肥料在溝中混合；肖宏儒等[10]設計了一種雙螺旋開溝施肥機，采用螺旋葉片開溝松土，同時將從中間空心軸拋出的肥料與土壤攪拌混合。目前果園有機肥深施作業中，土肥混合方式主要有直接在溝中混合和混合后再回填至溝中2種，均是全層混施，忽視了不同土層的差異。對分層施肥的研究目前主要集中在大田化肥施用領域[11-12]，果園有機肥分層混施的研究鮮見報道。

本文擬設計一種土肥混合分層回填裝置，采用螺旋絞龍將土壤和有機肥回填至施肥溝中，在絞龍間沿螺旋線布置槳葉使土肥在回填過程中混合均勻，并通過前、中、后3組混合回填部件實現土肥分層回填施用。通過理論計算確定回填絞龍和卸料口參數，采用離散元仿真方法研究槳葉配置對混合均勻性的影響，并求解最優槳葉配置。旨在實現土肥混合分層施用，提高有機肥利用率，為有機肥精細化深施提供技術支撐。

1 土肥混合分層回填裝置整體結構及工作原理

1.1 整體結構

本文設計的土肥混合分層回填裝置位于開溝裝置的后側、排肥裝置的下側（圖1a），整體結構如圖1b和圖1c所示，分為混合回填主體和三點懸掛2部分。混合回填主體主要包括機架、前中后3組混合回填部件、限深輪和傳動鏈輪鏈條等，混合回填部件由螺旋絞龍和沿螺旋線布置的槳葉等組成。該裝置是有機肥深施機的一部分，增加三點懸掛便于單獨進行試驗。

1.2 工作原理

作業時，土肥混合分層回填裝置由拖拉機動力輸出軸提供動力，驅動混合回填部件旋轉。有機肥深施機開溝裝置將土壤拋至土肥混合分層回填裝置的左前側（以作業方向為前），同時排肥裝置分3路將有機肥排出，分別落至3組混合回填部件左側的喂料口處。土肥混合物進入混合回填部件，在螺旋絞龍的作用下向卸料口輸送，并在槳葉的作用下混合均勻，最終由卸料口排出落入溝中。土壤和有機肥通過前中后混合回填部件先后落入溝中，實現了有機肥分層施用，并與土壤混合均勻。

1.3 主要技術參數

結合果園秋季有機肥深施農藝要求，并實現土壤和有機肥混合及分層施肥，確定土肥混合分層回填裝置主要技術參數，如表1所示。

表1 土肥混合分層回填裝置主要技術參數

2 關鍵部件設計

2.1 回填絞龍

本文選擇螺旋絞龍輸送回填土肥混合物，并根據作業要求確定絞龍參數[13-15]。施肥溝每米的體積為0.12 m3，故每組混合回填部件每米需要輸送回填的土肥混合物最大體積約為0.04 m3；機組最大前進速度約為0.5 m/s，故每小時需要輸送回填的量約為72 m3。絞龍外徑和輸送量公式為

式中為螺旋直徑，m；為每小時的輸送量，t/h；為物料特性系數；為填充系數；為物料堆積密度，t/m3；為傾角系數；為螺距；為轉速，r/min。

物料特性系數取0.05，填充系數取1，絞龍作業時為水平狀態，故傾角系數取1，由公式（1）計算得到螺旋直徑為0.277 m，取為0.280 m。螺距取0.200 m。根據絞龍輸送能力公式（2），計算得到絞龍轉速最小為98 r/min才能達到理論輸送量。

2.2 混合槳葉

本文在螺旋絞龍間沿螺旋線布置槳葉提高土肥混合均勻度，槳葉的結構如圖2所示。參考相關文獻[16-17]，對土肥混合均勻度有影響的槳葉配置參數主要有槳葉側向角（槳葉與旋轉軸橫截面的夾角，圖示角度為90°）俯仰角（槳葉與槳葉立柱橫截面的夾角，圖示角度小于90°）、轉速、單圈螺旋線上槳葉的個數（簡稱槳葉個數）和槳葉布置區域長度。本文將通過離散元仿真試驗研究各參數對混合均勻度的影響，并求解最優的槳葉配置參數。

土肥混合分層回填裝置有3組混合回填部件，結合排肥裝置的設計，前、中、后混合回填部件的長度分別設計為700、900和1 100 mm，喂料區域和卸料區域長度均為200 mm，混合區域長度分別為300、500和700 mm。本文對前混合回填部件進行仿真試驗，求解槳葉最優配置參數。3組混合回填部件僅混合區域長度不同，混合過程及原理相同。混合均勻度隨著混合時間的增加而提高[16]，直至增加到極限值，不再變化；即在一定范圍內，混合區域內槳葉布置區域長度越大，混合均勻度越高，規律較為明確。故不重復求解最優配置參數。考慮槳葉布置區域長度增加到一定數值，混合均勻度將不再提高，為避免不必要的槳葉布置，故在最優配置參數的基礎上再研究混合區域內槳葉布置區域長度對混合均勻度的影響，確定中、后混合回填部件的槳葉布置區域長度。

2.2.1 EDEM仿真模型及仿真參數

在SolidWorks軟件中建立單組混合回填部件及殼體的簡化模型，導入EDEM軟件中；并根據需要回填的土壤和有機肥最大量，在EDEM軟件中建立寬200 mm、高200 mm的土層和寬200 mm、高50 mm的肥層，仿真模型如圖3所示。根據縮放理論[20]，將離散元參數進行相應修改后，采用大粒徑顆粒進行仿真并不影響結果。由于顆粒量巨大，為縮短仿真時間，本文將顆粒粒徑放大為6 mm，土壤和有機肥離散元參數參考相關文獻[18-19]，如表2所示。

表2 離散元參數

根據實際作業情況，仿真時時間步長為3×10-5s，數據保存間隔為0.01 s，仿真網格為3倍顆粒半徑[21-22]。混合回填部件以0.5 m/s的速度沿前進方向運動，同時以設定的轉速繞軸轉動，作業時間為2.5 s。土壤和有機肥由喂料區域進入，在混合區域混合，最后在卸料區域由卸料口排出。

2.2.2 響應面試驗設計

由圖2可知，當槳葉側向角<90°（圖中標示槳葉左低右高）時，槳葉對顆粒的作用方向沿旋轉軸向左，與螺旋絞龍的輸送方向相反；當>90°時，槳葉對顆粒的作用方向沿旋轉軸向右，與螺旋絞龍的輸送方向相同。槳葉對顆粒的作用方向與螺旋絞龍作用方向相反時更利于顆粒相對運動，提高混合均勻度[23-24]；預試驗結果表明較大的側向角可以得到較高的混合均勻度，故選擇的范圍為60°～90°。當槳葉俯仰角<90°時，槳葉對顆粒的作用方向沿絞龍直徑方向指向旋轉軸；當>90°時，槳葉對顆粒的作用方向沿絞龍直徑方向背向旋轉軸。當槳葉對顆粒有向外的作用時，由于土壤和有機肥具有一定的黏性，容易粘結在外側圓筒上。預試驗結果表明較大的俯仰角可以得到較高的混合均勻度，故選擇的范圍為60°～90°。混合回填部件的轉速越高，混合均勻度一般越高，但也可能出現偏析，同時轉速的增加導致功耗的增大[25]。根據回填量所必須的轉速，并參考觸土機具轉速，選擇轉速的范圍為160～200 r/min。預試驗結果表明單圈螺旋線上槳葉的個數為3時，混合均勻度最高，故選擇3個槳葉。綜上，試驗因素水平表如表3所示。

表3 交互試驗因素水平表

在顆粒混合的研究中[16]，常采集多個樣本，統計各樣本中目標顆粒數量占總顆粒數量的比例，并計算其相對標準差（式（3）～（4）），以表征混合均勻度；相對標準差越小，顆粒混合均勻度越高。本文以有機肥比例（樣本中有機肥顆粒數量占總顆粒數量的比例）相對標準差為評價指標，評價不同側向角俯仰角和轉速對土肥混合均勻度的影響。使用采樣的方法計算有機肥比例相對標準差，將卸料口處的顆粒劃分為若干個樣本，統計每個樣本中有機肥比例，剔除顆粒總數小于4的樣本，并計算有機肥比例相對標準差。仿真到1.5 s時顆粒可以穩定的從卸料口排出，所以在1.5～2.4 s范圍內，每隔0.1 s 計算一次有機肥比例相對標準差，取10次結果的平均值。相對標準差對樣本尺寸很敏感，當樣本尺寸小于5倍粒徑時，對結果影響較小[26]。所以，將樣本的大小設置為30 mm×30 mm×30 mm的立方體，共30個樣本。預試驗結果表明，側向角俯仰角和轉速對顆粒結構間法向接觸力影響較大，對顆粒結構間切向接觸力和顆粒間法向、切向接觸力影響較小。選擇混合區域混合回填部件與顆粒的法向接觸力作為評價指標評估裝置功耗大小，數據直接由離散元仿真軟件輸出。

2.2.3 響應面試驗結果分析

Box-Behnken響應面試驗，5個中心點，共17次試驗，試驗方案及結果如表4所示。

表4 響應面試驗方案及結果

使用Design-Expert軟件對試驗結果進行處理[27]，采用修正模型分別建立RSD和F的回歸模型，并進行顯著性分析，如表5所示。由表5可知，RSD和F回歸模型的值均小于0.01，失擬項值均大于0.05，說明回歸有效，擬合較好。影響RSD的顯著項有、和2，回歸方程如式（5）所示。影響F的顯著項有、、和2，回歸方程如式（6）所示。

RSD=387.26?4.00?12.22+0.50+0.15?

7.03+0.092?1.062（5）

F=?0.34+6.63×10-3+1.58×10-3+

1.56×10-3?4.20×10-52（6）

由表5可知，側向角與俯仰角（）、側向角與轉速（）具有交互作用，由生成的響應曲面圖（圖4）分析兩組交互因子對RSD的影響規律。各因素取較大值時，RSD較小，混合效果較好，因為增加了槳葉與顆粒的接觸面積，提高了顆粒的運動速度。RSD隨側向角的增大而減小，較大的側向角有利于混合均勻度的提高。俯仰角和轉速對RSD的影響規律均受側向角的影響，當側向角較小時，俯仰角和轉速取較小的值可以得到較高的混合均勻度；當側向角較大時，俯仰角和轉速取較大的值可以得到較高的混合均勻度。

表5 回歸模型方差分析

注：**表示極顯著，*表示顯著。

Note: ** means extremely significant, * means significant.

2.2.4 槳葉參數最優組合

評價指標RSD和F越小越好，利用Design-Expert的Optimization-Numerical模塊，以RSD和F最小為目標，求解槳葉參數最優組合。槳葉參數對RSD和F的影響相反，無法同時使2個評價指標達到最小值，本文以獲得較高的混合均勻度為主要目的，求解時RSD和F的比重分別為80%和20%。求得槳葉參數、和的最優組合為90°、60°和200 r/min，以此參數組合進行仿真試驗，試驗結果為RSD=40.35%，F=0.33 N，混合均勻度最高，且顆粒結構間法向接觸力較小。

2.2.5 槳葉布置長度的確定

隨著槳葉布置區域長度的增加，總槳葉個數增加，顆粒混合的時間增加，有利于提高顆粒混合均勻度。前、中、后混合回填部件混合區域的長度分別為300、500和700 mm，由于槳葉有一定寬度，在混合區域兩端各需50 mm，故槳葉布置區域長度最大值分別為200、400和600 mm。以混合區域長度為300、400、500、600和700 mm（槳葉布置區域長度分別為200、300、400、500和600 mm）分別建立混合回填部件結構模型進行仿真試驗，槳葉參數為=90°、=60°、=200 r/min、單圈螺旋線槳葉個數為3個。根據上文的方法計算RSD，試驗結果如圖5所示。RSD隨著槳葉布置區域長度的增加而減小，當>400 mm時，RSD趨于平穩。結果表明，槳葉布置區域長度的增加有利于顆粒混合均勻度的提高，但當>400 mm時，顆粒混合均勻度達到極限，不再提高。根據試驗結果，前混合回填部件槳葉布置區域長度設置為最大值200 mm，在整個混合區域內布置。中混合回填部件槳葉布置區域長度設置為最大值400 mm，在整個混合區域內。后混合回填部件槳葉布置區域長度設置為400 mm，在混合區域靠近卸料口的一側500 mm范圍內布置。

2.3 卸料口

由于施肥溝較寬，在混合回填部件的拋送作用下，土肥混合物會集中在溝的一側，形成一個斜面，導致分層施肥后在同一深度兩側施肥量不同的現象，分層質量不佳。所以，本文在卸料口處設計了導流板，使一部分土肥混合物分布在溝的另一側，同時為了提高通過性，將卸料口長度增加至200 mm，如圖6a所示。

如圖6b所示，顆粒在導流板的作用下落到溝的另一側，導流板的傾斜角度影響顆粒下落的位置，進而影響顆粒分布的均勻度。顆粒在卸料口處的運動較為復雜，簡化為顆粒在重力和摩擦力的作用下速度從0增大到時滑出卸料口，則速度的計算公式如式（7）所示；顆粒滑出卸料口后，做拋物運動，其在縱向和橫向的位移如式（10）～（11）所示。落入溝中的顆粒距施肥溝右側壁的距離如式（12）所示，聯立式（7）～（12）得到落入溝中的顆粒距施肥溝右側壁的距離與導流板傾斜角度、施肥深度的關系。

由于肥料占一定的體積，開溝所拋土壤無需全部回填，故混合回填部件距離地面有一定的高度，即=0.05 m。卸料口長度為0.2 m，為均勻分流，取D=0.1 m。混合物中有土壤和有機肥，取土壤-鋼板靜摩擦系數和有機肥-鋼板靜摩擦系數的平均值，故取0.5。施肥溝寬0.3 m，為了使顆粒分布均勻，經導流板落入溝中的混合物應均勻分布在溝的左半側，即土壤中心距離右側壁的距離為0.225 m，顆粒流的寬度約為0.1 m，故與導流板接觸的顆粒落點距施肥溝右側壁的距離P應為0.175 m。下層的施肥深度1為0.26～0.4 m，中層的施肥深度2為0.13～0.26 m，上層的施肥深度3為0～0.13 m。根據式（12），前、中、后卸料口導流板的傾斜角度分別為70°、65°和50°時能使顆粒分布均勻。

式中為顆粒和導流板的摩擦系數；為重力加速度，m/s2；為顆粒運動時間，s；P為顆粒距施肥溝右側壁的距離，m。

3 臺架試驗

3.1 卸料口拋撒性能試驗

卸料口導流板的角度影響土肥混合物落入溝中的位置，進而影響分層質量，測試按照理論計算的傾斜角度安裝的前中后卸料口導流板的拋撒性能，評價分層質量。

3.1.1 試驗條件及方法

試驗地點為中國農業機械化科學研究院土壤植物機器系統技術國家重點實驗室，試驗地土壤為砂壤土（含水率20%）；試驗中所用動力由土槽試驗臺提供，試驗機具為按照仿真優化的參數加工的土肥混合分層回填裝置樣機，作業部件轉速200 r/min，作業速度為0.5 m/s；試驗中所用的測量工具有土壤水分儀（TDR150）、轉速儀（Lotron DT-2236B）、卷尺（量程：30 m，精度：2 mm）和鋼尺（量程：500 mm，分度值：1 mm）。

參考行間施肥機試驗方法[28]，試驗前將土壤含水率調整到實際田間作業時的數值（約為20%），并開一條寬0.3 m、深0.4 m、長15 m的溝，在溝的中間等間隔放置3個取樣槽。在溝的左側、前混合回填部件喂料口對應的位置筑一條寬0.2 m、高0.2 m、長15 m的土壟，如圖7a所示。試驗時，裝置混合回填部件（圖7b）的喂料口與土壟對齊，施肥溝處于卸料口下方。作業完成取出取樣槽，如圖7c所示，每個取樣槽取10個點測量土壤高度，并記錄數據，計算變異系數。取樣槽中各測量點的土壤高度變異系數越小，表明各點土壤高度差異越小，表面越平整，卸料口拋撒的土壤越均勻，分層質量越好。

導流板的作用是使一部分土壤落入施肥溝的左側，避免集中在右側，當經導流板落入溝中的土壤中心距離右側壁的距離為0.225 m時，分流的土壤能夠均勻的分布在溝的左半部分，提高整個溝中土壤分布的均勻性。測量經導流板落入施肥溝中的土壤中心距離施肥溝右側壁的距離，計算與理論值（0.225 m）的相對誤差；3個取樣槽取平均值。

測量完成后將取樣槽中的土刮平，以同樣的方法繼續測試中卸料口和后卸料口拋撒性能。共進行3次試驗。

3.1.2 結果分析

卸料口拋撒性能試驗結果如表6所示，前中后卸料口排出的土壤高度變異系數平均值分別為16.98%、28.93%和43.42%，導流板分流的土壤下落位置相對誤差平均值分別為10.08%、11.71%和10.22%。表明卸料口導流板起到了明顯的分流作用，避免了土肥混合物集中于溝的一側，在保證不堵塞的情況下，顯著提升分層質量。

3.2 土肥混合性能試驗

3.2.1 試驗條件及方法

土肥混合性能試驗條件與卸料口拋撒性能試驗相同，試驗所用肥料為發酵羊糞有機肥（含水率0，粒徑≤10 mm），并使用氧化鐵藍色染料染色。

作業速度影響顆粒填充率，填充率隨作業速度的提高而增大，已有研究表明填充率越小，混合均勻性越好[18]。本文不再進行作業速度對混合均勻性影響的研究，以填充率最大時的速度0.5 m/s進行試驗。該裝置的前中后混合回填部件混合機理相同，且全功能試驗難以對3層土肥混合物分別取樣，無法提供數據支撐，故為了方便取樣計算，只測試較短的前混合回填部件的混合性能。

表6 卸料口拋撒性能試驗結果

與卸料口拋撒性能試驗相同，開溝筑壟；并在其上按30 m3/hm2（底層最大施肥量）的肥量均勻布置染成藍色的有機肥，如圖8a所示。試驗時，調整機具位置，使土壟正對裝置喂料區域，施肥溝處于卸料口下方。試驗完成后，在溝中選擇長0.5 m、寬0.3 m的區域，按五點取樣法用200 cm3的環刀各取樣5次，如圖8b所示。間隔2 m選擇1個區域，共選擇3個區域。

為了計算所取樣本中的有機肥比例，進而計算有機肥比例相對標準差，評價混合性能。本文根據土肥粒徑大小，將所取樣本在長280 mm、寬220 mm的盒子中平鋪，并使用圖像采集裝置（圖9a）采集土肥混合物圖像（分辨率2841×3728），采用圖像處理技術[29-30]對獲取的圖像進行圖像分割、形態學處理和有機肥區域面積比例計算等操作，獲取每個樣本中有機肥比例（圖9b），記錄數據并計算有機肥比例相對標準差，3個取樣區域取平均值。

3.2.2 結果分析

經計算得到，臺架試驗中有機肥比例相對標準差為18.03%。相對標準差對樣本尺寸大小比較敏感，仿真試驗中可以采集較小尺寸的樣本，但臺架試驗中難以采集。為了驗證離散元模型的準確性及仿真優化結果的可靠性，在以最優槳葉參數進行的仿真試驗中，設置樣本尺寸大小與臺架試驗一致，計算有機肥比例相對標準差，其值為18.01%。臺架試驗結果的相對誤差為0.11%，表明離散元模型準確，仿真優化結果可靠，根據優化的參數加工的土肥混合分層回填裝置混合性能較好。

4 結 論

1）通過仿真試驗得到，當混合槳葉的側向角、俯仰角和轉速分別為90°、60°、200 r/min時，有機肥比例相對標準差為40.35%，顆粒結構間法向接觸力為0.33 N，混合均勻度最高，且顆粒結構間法向接觸力較小。在最優槳葉參數的基礎上進行仿真試驗得到，顆粒混合均勻度隨著槳葉布置區域長度的增加而提高，當400 mm時趨于穩定。

2）通過理論計算和臺架試驗得到，當前、中、后卸料口導流板的傾斜角度分別為70°、65°、50°時，各層的土肥混合物在施肥溝的整個寬度范圍內分布比較均勻，避免集中在溝的一側，在保證不堵塞的情況下，提高了分層質量。

3）土肥混合性能臺架試驗中，有機肥比例相對標準差與仿真試驗結果相對誤差為0.11%，表明離散元模型準確，仿真優化結果可靠，根據優化的參數加工的土肥混合分層回填裝置混合性能較好，能夠滿足有機肥深施作業中的土肥混合要求。

[1]許廣敏，吳文瑩，張柯, 等. 葡萄秋施基肥重要性及施肥方法[J]. 河北果樹，2017(6)：31.

[2]黃躍. 果園開溝施肥混肥回填裝置研究[D]. 保定：河北農業大學，2019.

Huang Yue. Research on Ditching-fertilizing-mixing Fertilizing-backfilling Device for Orchard[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[3]趙春，吳雪梅. 基于EDEM離散元法的土肥混合過程分析[J]. 中國農機化學報，2019，40(7)：178-182.

Zhao Chun, Wu Xuemei. Analysis of soil fertilizer mixing process based on EDEM discrete element method[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanizatino, 2019, 40(7): 178-182. (in Chinese with English abstract)

[4]金麗麗，姬長英，方會敏, 等. 變量施肥機連續混合裝置中肥料顆粒運動的數值分析[J]. 浙江農業學報，2015，27(2)：261-265.

Jin Lili, Ji Changying, Fang Huimin, et al. Numerical simulation of mixing process of fertilizer particles in continuous mixer of variable rate fertilizer applicator[J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2015, 27(2): 261-265. (in Chinese with English abstract)

[5]劉宏新，相斌斌，安晶玉, 等. 機械式固態肥在線均質混合系統設計與混合機理分析[J]. 東北農業大學學報，2018，49(11)：88-96.

Liu Hongxin, Xiang Binbin, An Jingyu, et al. Design and mixing mechanism analysis of on-line homogeneous mixing system for mechanical solid fertilizer[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2018, 49(11): 88-96. (in Chinese with English abstract)

[6]徐麗明，袁全春，馬帥，等. 一種有機肥深施機的水平螺旋式聚土混肥施肥裝置：ZL201821643639.1[P], 2019-07-23.

[7]Ucgul M, Saunders C, Li P L, et al. Analyzing the mixing performance of a rotary spader using digital image processing and discrete element modelling (DEM)[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2018, 151: 1-10.

[8]張平平. 果樹土肥攪拌精量控制施肥機的設計與仿真[D]. 泰安：山東農業大學，2016.

Zhang Pingping. The Fruit Trees Soil Mixing Precise Control Machinery Design and Simulation[D]. Tai’an: Shandong Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[9]劉彪. 果園有機肥旋切變深施肥機的研究與試驗[D]. 南京：中國農業科學院，2018.

Liu Biao. Research and Experiment of Orchard Organic Fertilizer Rotary Cutting and Adjustable Depth Fertilizing Machine[D]. Nanjing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2018. (in Chinese with English abstract)

[10]肖宏儒，趙映，丁文芹, 等. 1KS60-35X型果園雙螺旋開溝施肥機刀軸設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(10)：32-39.

Xiao Hongru, Zhao Ying, Ding Wenqin, et al. Design and experiment on blade shaft of 1KS60-35X type orchard double-helix trenching and fertilization machine [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 32-39. (in Chinese with English abstract)

[11]祝清震，武廣偉，陳立平，等. 基于旋耕覆土的冬小麥基肥分層定深施用裝置設計[J]. 農業工程學報，2018，34(13)：18-26.

Zhu Qingzhen, Wu Guangwei, Chen Liping, et al. Design of stratified and depth-fixed application device of base-fertilizer for winter wheat based on soil-covering rotary tillage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 18-26. (in Chinese with English abstract)

[12]楊然兵，楊紅光，連政國, 等. 馬鈴薯種植機分層施肥開溝器設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(11)：104-113.

Yang Ranbing, Yang Hongguang, Lian Zhengguo, et al. Design and experiment of separated layer fertilization furrow opener for potato planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(11): 104-113. (in Chinese with English abstract)

[13]戚江濤，蒙賀偉，坎雜，等. 基于EDEM的雙螺旋奶牛飼喂裝置給料性能分析與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(24)：65-71.

Qi Jiangtao, Meng Hewei, Kan Za, et al. Analysis and test of feeding performance of daul-spiral cow feeding device based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 65-71. (in Chinese with English abstract)

[14]張秀麗，劉云鵬，李連豪，等. 有機肥生產中的多段式攪龍設計與性能試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(3)：49-56.

Zhang Xiuli, Liu Yunpeng, Li Lianhao, et al. Design and performance experiment of multi-segment type auger in process of organic fertilizer production[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(3): 49-56. (in Chinese with English abstract)

[15]運輸機械設計選用手冊編輯委員會. 運輸機械設計選用手冊（下冊）[M]. 北京：化學工業出版社，2000.

[16]Ebrahimi M, Yaraghi A, Ein-Mozaffari F, et al. The effect of impeller configurations on particle mixing in an agitated paddle mixer[J]. Powder Technology, 2018, 332: 158-170.

[17]Yaraghi A, Ebrahimi M, Ein-Mozaffari F, et al. Mixing assessment of non-cohesive particles in a paddle mixer through experiments and discrete element method (DEM)[J]. Advanced Powder Technology, 2018, 29(11): 2693-2706.

[18]戴飛，宋學鋒，趙武云，等. 全膜雙壟溝覆膜土壤離散元接觸參數仿真標定[J]. 農業機械學報，2019，50(2)：49-56.

Dai Fei, Song Xuefeng, Zhao Wuyun, et al. Simulative calibration on contact parameters of discrete elements for covering soil on whole plastic film mulching on double ridges[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(2): 49-56. (in Chinese with English abstract)

[19]袁全春，徐麗明，邢潔潔，等. 機施有機肥散體顆粒離散元模型參數標定[J]. 農業工程學報，2018，34(18)：21-27.

Yuan Quanchun, Xu Liming, Xing Jiejie, et al. Parameter calibration of discrete element model of organic fertilizer particles for mechanical fertilization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 21-27. (in Chinese with English abstract)

[20]Feng Y T, Owen D R J. Discrete element modelling of large scale particle systems—I: Exact scaling laws[J]. Computational Particle Mechanics, 2014, 1(2): 159-168.

[21]胡國明. 顆粒系統的離散元素法分析仿真[M]. 武漢：武漢理工大學出版社，2010.

[22]王國強. 離散單元法及其在EDEM上的實踐[M]. 西安：西北工業大學出版社，2010.

[23]Pezo L, Jovanovi? A P, Pezo M, et al. Modified screw conveyor-mixers – Discrete element modeling approach[J]. Advanced Powder Technology, 2015, 26(5): 1391-1399.

[24]Pezo M, Pezo L, Jovanovi? A P, et al. Discrete element model of particle transport and premixing action in modified screw conveyors[J]. Powder Technology, 2018, 336: 255-264.

[25]袁全春，徐麗明，馬帥, 等. 有機肥深施機肥塊破碎刀設計與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(9)：44-51.

Yuan Quanchun, Xu Liming, Ma Shuai, et al. Design and test of sawtooth fertilizer block crushing blade of organic fertilizer deep applicator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 44-51. (in Chinese with English abstract)

[26]Boonkanokwong V, Remy B, Khinast J G, et al. The effect of the number of impeller blades on granular flow in a bladed mixer[J]. Powder Technology, 2016, 302: 333-349.

[27]葛宜元. 試驗設計方法與Design-Expert軟件應用[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2015.

[28]GB/T 20346.2-2006，施肥機械試驗方法第2部分：行間施肥機[S]. 北京：中國國家標準化管理委員會，2006.

[29]袁全春，徐麗明，邢潔潔, 等. 葡萄硬枝嫁接苗木愈傷組織融合比例的視覺檢測方法[J]. 中國農業大學學報，2018，23(7)：126-132.

Yuan Quanchun, Xu Liming, Xing Jiejie, et al. Visual inspection method for the callus fusion ratio of grape hard branch grafting seedlings[J]. Journal of China Agricultural University, 2018, 23(7): 126-132. (in Chinese with English abstract)

[30]劉星星，王爍爍，徐麗明，等. 基于OpenCV的動態葡萄干色澤實時識別[J]. 農業工程學報，2019，35(23)：177-184.

Liu Xingxing, Wang Shuoshuo, Xu Liming, et al. Real time color recognition of moving raisin based on OpenCV[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 177-184. (in Chinese with English abstract)

Development of soil-fertilizer mixing layered backfiller for organic fertilizer deep applicator in orchard

Yuan Quanchun, Xu Liming※, Niu Cong, Ma Shuai, Yan Chenggong, Zhao Shijian, Liu Fei, Wang Kun

(,,100083,)

Deep application of organic fertilizer in orchards was often confined to the excessive concentration of fertilizer, and low utilization rate in traditional agriculture. In this study, a feasible layered backfill device was designed for the mixed soil and fertilizer. An auger was used to transport the backfill soil and fertilizer. Paddles were arranged to evenly mix the soil and fertilizer. Three groups of mixed backfill components were set to realize the layered backfill. A theoretical calculation was conducted to determine the parameters of the backfill auger, according to the amount of backfill needed to be transported. Specifically, the outer diameter of the auger was 0.280 m, the pitch was 0.200 m, and the rotational speed was more than 98 r/min. Taking the sideward angle of paddle, pitch angle of paddle and rotational speed as test factors, the relative standard deviation of organic fertilizer proportion and the average normal contact force of particle structure as evaluation indexes, a response surface simulation test was carried out to obtain the regression equation. An optimal combination of mixing paddle parameters was obtained, where the minimum evaluation index was taken as the objective. The best mixing effect was achieved, where the relative standard deviation was 40.35%, and the normal contact force was 0.33 N, when the sideward angle of paddle, pitch angle of paddle and rotational speed were 90°, 60°, and 200 r/min, respectively. An attempt was also made to explore the influence of the length for the paddle arrangement area on particle mixing in the simulation test. The results showed that the uniformity of particle mixing increased with the increase in the length of the paddle arrangement area, which tended to be stable at 400 mm. The mixing paddles were arranged in the whole length of the front and middle mixing backfill parts, and only within the length of 400 mm for the post-mixing backfill part. A deflector was also designed for a better stratification effect. The reason was that the soil and fertilizer cannot be evenly distributed in the whole width range, even piled up directly in one place, particularly for the wide fertilizing ditch. A bench test was performed on the movement of particles at the discharging port, thereby evaluating the mixing performance of the device. When the optimal inclination angles of deflectors at the front, middle and back discharging port were 70°, 65°, and 50°, respectively, the soil and fertilizer in each layer was evenly distributed in the whole width of the fertilization ditch, indicating an improved stratification effect. A fertilizing ditch was opened with a width of 0.3 m, a depth of 0.4 m, and a length of 15 m. On the left side of the ditch, a ridge with a width of 0.2 m and a height of 0.2 m was set, on which the organic fertilizer was arranged. During the test, the feeding area was aligned with the ridge, and the discharging port was aligned with the ditch. After the test, three areas with a length of 0.5 m and width of 0.3 m were selected in the ditch, where 5-point sampling was used for sampling. The samples were laid flat in a box with a length of 280 mm and a width of 220 mm. Then the images were captured. An image processing was used to calculate the proportion of organic fertilizer. The relative standard deviation was 18.03%. In order to verify the accuracy of discrete element model and the reliability of the simulation optimization results, the sample size was set to be consistent with the bench test in the simulation test with the optimal paddle parameters, and the relative standard deviation of organic fertilizer proportion was calculated, which was 18.01%, the relative error was 0.11%. The results showed that the discrete element model was accurate, the simulation optimization result was reliable, and the mixing performance of the device was good, which can meet the requirements of soil fertilizer mixing operation.

agricultural machinery; device; organic fertilizer; mixing; layered fertilization; DEM simulation

袁全春，徐麗明，牛叢，等. 果園有機肥深施機土肥混合分層回填裝置研制[J]. 農業工程學報，2021，37(5)：11-19.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.002 http://www.tcsae.org

Yuan Quanchun, Xu Liming, Niu Cong, et al. Development of soil-fertilizer mixing layered backfiller for organic fertilizer deep applicator in orchard[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 11-19. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.002 http://www.tcsae.org

2020-10-29

2021-02-26

現代農業產業技術體系建設專項資金資助（CARS-29）；國家重點研發計劃（2020YFD1000204）

袁全春，博士生，研究方向為生物生產自動化。Email：yqcmail@qq.com

徐麗明，教授，博士生導師，研究方向為生物生產自動化。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.002

S224.22

A

1002-6819(2021)-05-0011-09