固體有機肥破碎條施機設計與試驗

陳桂斌 ，王慶杰 ，李洪文 ，何 進 ，盧彩云 ，張馨悅

（1. 中國農業大學工學院，100083；2. 農業農村部保護性耕作農業裝備重點實驗室，北京 100083）

0 引 言

東北黑土區是重要的商品糧生產基地，然而長期無節制的開發利用使黑土層不斷變薄、變瘦和變硬[1-3]。應用保護性耕作技術并增施有機肥是黑土地保護的重要技術手段。施用有機肥能夠培肥地力、提高農作物品質、改善化肥污染[4-5]，但在有機肥施用過程中存在肥料易結塊、撒施利用率低、施肥環節復雜等問題，制約了有機肥的應用。

有機肥為含濕物料，易結塊，傳統鏈排式運肥裝置對于肥群的擾動效果差，在作業過程中易產生肥料架空等問題。同時，肥料結塊影響肥效釋放。現有施肥裝置多為利用高速旋轉部件（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，作業成本高。國內外相關學者對有機肥施肥方式進行了相關研究，在固體有機肥破碎施用方面，陳桂斌等[6]針對結塊有機肥肥效釋放困難、不利于機械化作業的問題，提出差速對輥碎肥的方法；張涵等[7]針對有機肥易潮解、結塊的物理特性，設計了雙螺旋結構，力求在輸肥的過程中攪拌碎肥；郝延杰等[8]開發了一款精準有機肥施肥機，實現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構和外部載荷情況進行模擬，建立機架設計的數學模型；COETZEE 等[11-12]對撒施離心圓盤的肥料顆粒運動狀態，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]設計了一種雙旋耕刀輥并對其結構參數和作業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計并優化了傾斜螺旋式開溝部件，并對刀片結構進行優化；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計了一種開溝深度可自動調節的雙行開溝施肥機。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量，設計了一種適應于丘陵山區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進行測定，并利用離散元分析軟件進行參數標定；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合物理試驗的尋優方法，選用JKR 接觸模型并進行參數標定。

上述研究為固體有機肥施肥機械化發展提供了相應的技術與裝備支撐，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、肥料二次結塊影響排肥質量等問題。為此，本文依據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，并對關鍵部件開溝施肥鏟和鎮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，明確螺旋槳葉參數對肥塊運動的影響，指導條施機肥箱和螺旋槳葉的設計優化。最后對固體有機肥破碎條施機的性能進行田間試驗，驗證其作業性能并得到最佳工作參數。

1 固體有機肥破碎條施機結構及作業原理

1.1 作業模式

為提升地力增加土壤有機質，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，為適應東北地區春玉米種植模式，所設計的條施機作業幅寬為60 cm，作業行數為2 行，作業過程中在施肥條帶內完成肥塊破碎和條施，施肥帶設計寬度為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。考慮到地表秸稈覆蓋，施肥過程可在清秸作業后進行，也可在條施機上加裝秸稈清理裝置同步進行清茬作業與施肥作業。

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

1.2 整體結構

固體有機肥破碎條施機主要針對有機肥易結塊、條施排肥困難等問題進行設計。該裝置的安裝位置和主要結構如圖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、鎮壓輪等組成，整機技術參數如表1 所示。

表1 整機參數Table 1 Machine parameters

圖2 固體有機肥破碎條施機結構示意圖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，并由拖拉機后輸出帶動雙聯泵為液壓系統提供動力。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運動，驅使肥塊完成初步切割破碎并將肥塊沿螺旋的軸向向欄網處輸送，欄網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，運肥鏈排做回轉運動將初步破碎的肥塊運送到對輥碎肥裝置施肥腔內，通過對輥碎肥裝置輥齒的差速轉動實現肥塊的二次破碎。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，覆土角度可根據開溝施肥鏟的開溝深度和土壤環境進行調節，鎮壓裝置的鎮壓輪被動旋轉對施肥條帶內的有機肥層和覆土層進行壓實。

2 關鍵部件設計

固體有機肥破碎條施機的關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動，拖拉機后輸出軸帶動萬向節軸連接條施機的齒輪箱Ⅱ按1∶1.395 增速，將動力傳遞給兩側的液壓雙聯齒輪泵上，帶動齒輪泵高速轉動，為液壓泵站提供32 MPa 油壓，液壓馬達等執行元件通過液壓油管連接到兩側的調速閥上，液壓馬達轉速可通過調速閥進行調節，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 傳動裝置結構示意圖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；在作業過程中油缸降落，開溝施肥鏟、仿形輪、鎮壓輪等接觸地面，通過拖拉機牽引實現固體有機肥的破碎條施作業。

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計，主要由肥箱、柵網、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，實現兩螺旋槳葉同步旋轉運肥碎肥，螺旋槳葉相較于傳統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

槳葉作為肥箱的關鍵部件對肥塊破碎和輸送至關重要，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、肥箱內肥料滯留少等優勢。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，槳葉回轉直徑d2為410 mm，槳葉間距d3為227 mm。經過前期預試驗，螺旋槳葉碎肥裝置的回轉速度為0～90 r/min。

2.2.1 運肥過程分析

槳葉轉速和結構參數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速增加而增大，而當槳葉轉速超過一定范圍時，肥料自重不能克服離心力而產生周向跳躍，造成肥料飛揚，不利于肥料的輸送。為明確槳葉結構參數對運肥過程的影響，對槳葉運肥過程進行運動學分析，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，合成速度偏轉一定的摩擦角η，實際為ve，將絕對速度ve分解為vx、vy，根據圖5 有如下關系：

式中S為螺距，mm。

可得：

由式(2)可知，當1-tanηtanλ≤0 時，對vx進行求導，并令dvx/dη=0，則肥塊的最大軸向運動速度所對應的螺旋角λmax=π/4-λ/2。當螺距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減小；S與η成正比，當S、η增大時vx也相應增大[26-27]。設計螺旋角λ為42°[28]，當槳葉碎肥裝置的作業速度為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構設計，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]。兩施肥輥轉速對肥塊破碎率影響顯著（P＜0.000 1），當上施肥輥轉速為238 r/min，下施肥輥轉速為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鍵部件之一，其開溝效果直接影響條施質量。開溝施肥過程如圖7 所示，鏟尖回土板實現延遲回土，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，在鏟尖處設計回土板，在保持開溝溝型的同時延遲回土，確保開溝質量。鏟尖結構對開溝質量有重要影響，因此對其作業過程進行受力分析。

開溝施肥鏟進入土壤穩定作業后，致使土壤前端面出現剪切失效并起到切削土壤表層的效果，依據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 鏟尖作業過程受力分析Fig.8 Stress analysis during shovel tip operation

根據圖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，鏟尖作業時土垡質量為

式中ρ為土壤密度，kg/m3。

假設鏟尖對土垡的切削為持續過程，鏟尖入土深度在150～200 mm 范圍內保持不變，則B值恒定，在t0時間內被加速的土垡質量M0可根據被擾動的土壤體積進行確定：

解得：

通過式（9）可得到作業時鏟尖傾角θ與鏟尖所受到的土壤阻力之間關系，由上述分析可知鏟尖傾角θ對開溝作業過程中土壤阻力和開溝質量有直接影響，鏟尖傾角增大可減小作業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°。鏟尖的入土深度設計為150～200 mm，在此范圍內入土深度越大在一定時間內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定性，后續通過田間試驗進一步確定條施肥的施肥深度。

2.5 鎮壓裝置

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

圖9 鎮壓裝置Fig.9 Compaction device

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

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

根據圖10 可知，鎮壓輪的受力平衡方程[30]為

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

式中Kc為土壤特性參數；n為壓實指數；B1為鎮壓輪寬度，mm。

由圖10 可知鎮壓輪所受的壓實阻力F為

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

式中φt為土壤內摩擦角，（°）；C為粘聚系數；Na、Nt為土壤承載系數，ρ為土壤密度，kg/m3；Fa和F與鎮壓輪結構、土壤條件和垂直方向載荷有關，其中垂直方向上的載荷與鎮壓裝置壓力調節板角度調節的范圍（120°～150°）直接相關，在忽略黏附阻力的情況下鎮壓輪所受土壤阻力為Fa與F的矢量和[30-31]。在鎮壓過程中鎮壓傾角變化會影響鎮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有直接影響。當鎮壓傾角αz增大時，預設壓實深度H2減小，推土阻力Fa減小，鎮壓輪所受土壤阻力減小。反之，當鎮壓傾角αz減小時，鎮壓輪所受土壤阻力增大。后續通過田間試驗進一步確定鎮壓傾角。

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成本，提高設計效率。本文利用EDEM2020 軟件建立了結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進行標定，以肥料顆粒質量變化、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，對螺旋槳葉的運肥和碎肥過程進行研究。

3.1 參數標定

試驗材料選取經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，發酵廄肥由散體顆粒和結塊肥料共同組成。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 孔徑篩網對散體肥料和結塊肥料進行篩分。隨機取樣方式為四分法取樣，取樣質量為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標定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 模型分別標定結塊肥料和散體肥料的離散元仿真參數。

肥料離散元參數標定通過圓筒提升法物理試驗與仿真試驗相結合的方式進行，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控制圓筒的提升速度，保證標定過程的準確性。使用固定位置的高速攝影裝置確定最終狀態，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參數調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。如圖11c，通過漏斗法對獲取的離散元參數進行校驗，保證離散元模型的準確性。

使用內徑為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合的方式對結塊肥料進行標定。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-位移和形變對所標定的粘結參數進行驗證。

基于上述標定試驗結果在EDEM2020 中建立散體肥料與結塊肥料結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塊肥料組成，根據肥料粒徑分布建立30～80 mm 結塊肥群，以表征結塊肥料的物理特性，使用API 函數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。有機肥粘結參數如表3 所示。

表3 有機肥料關鍵粘結參數Table 3 Key parameters of organic fertilizer

3.2 模型建立

肥料在槳葉的回轉作用下由肥箱前端逐漸向后端運動，在肥箱前、中段主要實現肥料破碎，后段完成肥料輸送。如圖12 所示，在肥箱內建立肥群模型，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 選項設置不同位置的傳感器對肥箱特定區域進行分析，分別導出仿真時間內肥箱前、中、后3 段肥料顆粒的質量、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據。通過數據分析可監測肥箱中肥料顆粒的運動和觸肥部件的受力，為肥箱的結構設計提供依據。為提高仿真效率，對肥箱模型進行簡化，將不影響分析結果的結構去除，并將三維軟件Solidiworks2018 中的模型保存為stp 格式導入到EDEM2020 軟件中。在前處理面板中調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的轉速為60 r/min，槳葉與側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，隨著螺旋槳葉的轉動，肥箱內的肥料開始破碎和軸向輸送。在3～6 s，肥箱內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。肥箱底部和側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擾動使得肥料的運動速度較高。仿真過程表明，肥料箱內肥料的輸送和破碎過程穩定，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的輸送過程和肥箱內關鍵零部件的受力，通過EDEM2020 后處理模塊分別導出傳感器1（碎肥階段Ⅰ）、傳感器2（碎肥階段Ⅱ），傳感器3（運肥階段）監測0～6 s 的肥料顆粒質量變化數據、螺旋槳葉扭矩數據、有機肥顆粒受力數據和有機肥顆粒平均運動速度數據，通過Origin2021 制圖，結果如圖14 所示。

圖14 仿真結果分析Fig.14 Analysis of simulation results

如圖14a 所示，傳感器1 的有機肥顆粒質量逐漸減小，傳感器2 和3 的有機肥顆粒質量逐漸增加，其中傳感器2 的有機肥顆粒質量由91.88 kg 增加至130.01 kg，趨勢為均勻連續增加，無波動。傳感器3 內有機肥顆粒質量由26.90 kg 增加至62.85 kg，且增加過程同樣為均勻連續增加，無波動。仿真結果表明，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 區域內的槳葉承擔更多的肥塊破碎和輸送任務，故所受扭矩較大。在0～4 s 傳感器2 內螺旋槳葉所受扭矩的平均值為67.88 N·m，傳感器2 內螺旋槳葉所受扭矩大于傳感器1 和傳感器2。在0～6 s 內傳感器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 內螺旋槳葉所受扭矩明顯小于傳感器1 和2，因為此區域內螺旋槳葉對肥料的破碎較少，主要承擔肥料的輸送。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，大量的肥塊在此處完成破碎，槳葉與肥箱側壁“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 內槳葉和肥箱側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 區域內顆粒平均受力較小，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，與前述理論分析結果一致。傳感器1、2 和3 內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，顆粒受到沖擊后不能和其他肥料顆粒穩定碰撞減小平均速度。在1～6 s 過程內，肥料全部落入肥箱，肥料顆粒隨槳葉的旋轉發生周向和軸向運動，肥料顆粒獲得穩定的運動速度，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，肥箱側壁和肥箱底部受力明顯高于其他區域，主要由于肥料在落入肥箱的過程中對肥箱產生壓力，使得肥箱的底部受力較大，此外槳葉與肥箱側壁和肥箱底部“動定”配合共同完成肥塊破碎，因此在肥箱底部和側壁位置受到肥塊破碎時所產生的擠壓作用，受力要高于其他區域。基于上述分析，在加工過程中需要加固肥箱底部和側壁。

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，槳葉設計為齒爪形式。螺旋槳葉的受力分析表明，受力較大區域主要集中在槳葉齒爪上。槳葉在旋轉過程中對散體肥料和結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]，目前農藝環節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。

基于前述理論，機具的鎮壓傾角、作業速度和開溝深度對施肥質量有較大影響，根據前述分析，機具鎮壓傾角的調節范圍為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）均勻設計試驗表進行三因素三水平的均勻設計試驗。

采用施肥量變異系數為主要評價指標，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 的區域，重復 3 次，得到每個區域內的施肥量變異系數，計算式為

式中Mf為各個區域肥料質量，g；Yf為施肥量變異系數，為5 個區域肥料的平均質量，g。

4.2 結果與分析

田間試驗（圖18）試驗因素編碼如表4 所示，試驗結果如表5 所示。如圖18 所示，以6 km/h 的前進速度和60 r/min 的螺旋槳葉轉速對樣機進行肥料地面撒施和田間試驗。試驗結果表明，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，作業過程中未出現肥料斷條現象，施肥過程穩定，施肥量變異系數平均值為21.5%，滿足設計要求。

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

表5 田間試驗方案及結果Table 5 Field test scheme and results

圖18 作業效果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之間的參數關系。其中，鎮壓傾角和前進速度對于指標影響極顯著，各因素對施肥量變異系數影響的主次順序為B、A、C。

表6 試驗結果方差分析Table 6 Analysis of variance of test results

4.3 作業參數選取與驗證

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

5 結 論

1)依據條帶耕作模式設計了固體有機肥破碎條施機并闡述該裝置的工作原理，對關鍵部件開溝施肥鏟和鎮壓輪的工作過程進行理論分析，明晰鏟尖傾角和鎮壓傾角變化對于開溝過程和鎮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，試驗結果表明，9 組試驗的施肥量變異系數平均值為在21.5%，施肥過程穩定可靠，其最優作業參數組合為鎮壓傾角120°，前進速度5 km/h，開溝施肥深度150 mm，施肥量變異系數為15.2%，驗證結果的施肥變異系數的均值為15.9%，誤差小于5%，試驗結果可靠。