蘋果園開溝施肥機排肥裝置設計與試驗

摘要：

針對現代蘋果園機施有機肥排肥不穩(wěn)定和均勻性較差等問題，結合現代蘋果園栽培模式和施肥農藝要求，設計一種牽引式施肥機械，并對其排肥裝置進行研究。以排肥量和排肥一致性為試驗指標，以刮肥板高度、刮肥板鏈條速度、擋肥板高度和機組前進速度為試驗因素，利用離散元軟件EDEM進行仿真模擬。仿真結果表明：刮肥板鏈條速度為0.2 m/s時，排肥裝置的排肥一致性效果較好，擋肥板的高度、機組前進速度和刮肥板的高度對排肥一致性影響效果不顯著，所有試驗因素對排肥量均有顯著影響。試制排肥裝置進行臺架試驗，結果表明：在鏈條速度為0.2 m/s，擋肥板的高度為0 mm時，排肥量為2.02 kg/s；排肥量的理論計算值為1.91 kg/s、仿真計算值為1.96 kg/s，與試驗值相比相對誤差分別為5.44%和2.97%；模擬試驗和臺架試驗的排肥一致性趨勢相同，肥箱中的有機肥減少時，排肥一致性變大，最大誤差為12.02%，滿足果園作業(yè)要求。

關鍵詞：蘋果園；開溝施肥機；排肥裝置；有機肥；仿真模擬

中圖分類號：S224.2

文獻標識碼：A

Design and test of fertilizer discharging device for ditching fertilizer applicator in apple orchard

Abstract：

In response to problems such as the unstable and uniformity of the organic fertilizer application in modern apple orchards， combined with the cultivation mode and agronomic requirements of fertilization in the modern apple garden， a traction fertilizer machine was designed and its fertilizer discharge" device was also studied. With the amount and consistency of fertilizer discharge as the test index， the height of scraper， the speed of scraper chain， the height of baffle and the forward speed of unit as the test factors， the simulation was carried out by using discrete element software EDEM. The simulation results showed that the speed of the blade chain was 0.2 m/s， the exhaustible consistency effect of the exhaust unit was better， the height of the fertilizer plate， the speed of the unit advancement and the height of the shell featuring plate have no significant effect on the consistency of the fertilizer discharge， and all of the test factors have a significant impact on the fertilizer discharge amount. The trial system was tried， and the results showed that when the sprocket speed was 0.2 m/s， the height of the fertilizer plate was 0 mm， the fertilizer was 2.02 kg/s， and the theoretical value of the exhaust gas was 1.91 kg/s， the simulation calculated value was 1.96 kg/s， the error value was 5.44% and 2.97%; the simulation test and the consistency trend of the meter test were the same， when the organic fertilizer in the fertilizer was reduced， the consistency was consistent， the maximum error was 12.02%， which met the requirements of orchard operation.

Keywords：

apple orchard; trench fertilizer applicator; fertilizer discharge device; organic fertilizer; simulation calculation

0 引言

果園的總面積和水果的總產量逐年遞增，水果的平均總產量提高了4.6%［1］。有效的施肥方式可促進水果產量的提高。為響應國家對肥料使用減量增效的號召，大力推廣有機肥的使用，果園對有機肥的利用開始加大研究［2］。排肥裝置主要排肥對象為有機肥，能夠穩(wěn)定的輸出有機肥，有利于果園的施肥作業(yè)。

最新的施肥技術為無人機施肥，能夠避開障礙物，適應復雜的田間環(huán)境［34］。其缺點為肥料的攜帶量較少，因此施肥機械的研究多為大型施肥機。楊偉男［5］針對有機肥的排肥機構進行設計和優(yōu)化，該排肥機主要用于大田作業(yè)，埋刮板焊接在不銹鋼材質的馬蹄鏈上，通過傳動軸帶動鏈條轉動并驅動埋刮板進行刮肥作業(yè)，排肥過程平穩(wěn)，無堵塞現象，擋肥板開度與排肥量呈線性相關。臧家俊［6］設計了一款有機肥開溝排肥施肥裝置，該裝置可在完成圍繞果樹曲線開溝作業(yè)的同時將有機肥排出并與土壤混合，排肥系統(tǒng)由弧形導肥板和齒帶撥料機構等組成，擋肥板與鏈板撥料裝置留有空隙防止肥料堵塞從而實現持續(xù)供料。國外研究人員對離心式施肥機的研究較早，Coetzee等［7］使用EDEM離散元軟件建立了離心式變量撒布機的仿真模型，用該模型模擬肥料顆粒的軌跡和動力學模型，分析顆粒物性參數和施肥器結構參數對肥料分配的影響。Campbell等［8］使用不同結構和不同控制系統(tǒng)（包括開環(huán)和閉環(huán)）組成的變量施肥機進行對比試驗，以確定這些參數對施肥機性能的影響，建立不同影響因素下肥料顆粒分布的變化規(guī)律。

結合前人對大田和果園有機肥施肥機械的研究，針對蘋果園有機肥排肥裝置進行設計，以排肥量和排肥一致性為試驗指標，以刮肥板高度、刮肥板鏈條速度、擋肥板高度和機組前進速度為試驗因素，利用離散元軟件EDEM進行仿真模擬。通過仿真模擬和臺架試驗，實現排肥裝置排肥穩(wěn)定性和排肥一致性。

1 排肥裝置結構與工作原理

1.1 機構組成

排肥裝置基于蘋果園雙側開溝施肥機，如圖1所示，由外置動力機構傳輸動力，開溝施肥機由覆土裝置、開溝裝置、分肥裝置、傳動裝置和排肥裝置等［9］組成，通過萬向節(jié)的動力傳動，可以分別為分肥裝置和排肥裝置傳輸動力，從而實現排肥施肥作業(yè)。

排肥裝置結構如圖2所示，主要由肥箱、肥料底板、傳動鏈條、刮肥板等組成。其中傳動鏈條由標準直板鏈條組成，刮肥板通過焊接的形式與直板鏈條的外鏈節(jié)固定，主要技術參數如表1所示。

1.2 工作原理

該裝置與分肥機構、開溝裝置配合完成果園的有機肥施肥作業(yè)。排肥裝置的具體工作形式為：排肥裝置的傳動軸上通過外接一個機械傳動裝置帶動鏈輪轉動，鏈輪驅動鏈條帶著刮肥板轉動并完成刮肥作業(yè)，有機肥將在擋肥板處掉落。有機肥的排肥量可以通過調節(jié)擋肥板的高度進行調整。

2 關鍵部件設計

2.1 肥箱設計

與無人施肥機相比，排肥裝置的肥箱在作業(yè)過程中，其優(yōu)勢是容積較大，肥箱在不影響有機肥流動性的情況下可以適當加大，為使仿真試驗順利進行，以肥箱的容積為0.1 m3，肥箱的尺寸（長×寬×高）為500 mm×500 mm×400 mm為宜，肥箱太大不利于仿真計算和臺架試驗。

2.2 刮肥板設計

刮肥板與排肥鏈條連接于肥箱的底部，排肥鏈條和刮肥板直接與肥料接觸并將有機肥分為上下兩層，下層的有機肥會隨著刮肥板的轉動被送到出肥口，上層的有機肥在下層有機肥刮走后會下落到下層繼續(xù)進行刮肥并形成完整的物料流，因此刮肥板是排肥裝置的主要工作零件。

刮肥板和排肥鏈相連，刮板寬度是影響有機肥排肥量的主要因素［10］，在長度和高度一定的情況下，設計四種不同安裝角度的刮肥板，通過排肥仿真試驗計算排肥量和排肥一致性，以驗證刮肥板在哪種安裝角度下排肥更穩(wěn)定效果更好。四種刮肥板如圖3所示。

將四種不同角度的刮肥板與排肥鏈裝配并進行排肥仿真和受力分析，不同的角度下刮肥量受滑動摩擦影響，以平面為基準，20°為一分度值，圍繞垂直角度90°設定四種角度：（1）α為110°安裝的刮肥板；（2）β為90°安裝的刮肥板；（3）δ為70°安裝的刮肥板；（4）γ為50°安裝的刮肥板。為了便于計算，仿真需要得到樣機模型在600 mm寬地面上的排肥量，因此刮肥板的長度定為500 mm，直板鏈條選擇C型16號單排彎板鏈條，其鏈節(jié)的高度決定刮肥板的高度為25 mm，四種刮肥板的設計只有角度的不同，其高度均為25 mm。標準彎板排肥鏈的中心距決定了肥箱的容積，彎板排肥鏈的長度為1 500 mm，與10齒鏈輪配合后的中心距為645 mm，為了仿真的排肥效果更好，肥箱設計為矩形。將四種模型放到EDEM軟件中，在肥箱上設置顆粒工廠每秒生產10 kg顆粒有機肥，持續(xù)2 s，經查找資料拖拉機的最低速度在2～6 km/h，也是拖拉機的作業(yè)速度，這里使用拖拉機的最低速度0.5 m/s，排肥裝置以0.5 m/s的機組速度作直線運動。擋肥板的高度也是影響排肥量的主要因素，為了能在長5 000 mm的地面上使得有機肥均勻分布，擋肥板的高度不宜過高，本文擋肥板高度取30 mm。對比四個不同刮肥板角度的仿真試驗效果如圖4所示。

隨著肥箱中有機肥的質量減少，排肥量也逐漸減少，這是因為底層的有機肥受到的壓力減小，刮肥板之間的有機肥無法得到壓實導致。

將四種不同安裝角度仿真得到的排肥量進行單因素方差分析，結果如表2所示。

從表2可以看出，該單因素試驗的P值為0.277＞0.05，且F＜F crit，表明不同安裝角度的刮肥板對有機肥的排肥量影響不顯著。排肥一致性是施肥效果的另一個試驗指標［11］，如圖5所示，l1=li（i=4～10），l1是排肥作業(yè)過程進入穩(wěn)定狀態(tài)的第一個500 mm，之后的作業(yè)過程將逐漸穩(wěn)定直到肥箱中排完有機肥，排肥一致性的計算如式（1）所示。

式中：

ω——排肥一致性；

li——單位計算長度（i≥4），mm。

經計算得到刮肥板在70°傾斜安裝時排肥一致性最佳，此時ω為0.025，排肥效果如圖5所示。

2.3 刮肥板受力分析

為了能得到穩(wěn)定的物料流，刮肥板上層的物料摩擦力應小于刮肥板的前進摩擦力，刮肥板上層的有機肥會受到下層有機肥的摩擦力、肥箱的摩擦力和重力［12］，刮肥板與顆粒有機肥的摩擦力會隨著角度的不同而有所變化，如圖6所示，70°的刮肥板會對有機肥產生一個向下的壓力［13］，可以很好地對物料進行輸送。

排肥鏈工作時，下層的有機肥受到刮肥板的推動，有機肥將以一定的速度向排肥口方向移動，上層的肥量收到摩擦力的影響會隨刮肥板進行運動［14］，取上層有機肥受到的摩擦力為f2，下層有機肥收到的摩擦力為f1進行受力分析，如圖7所示。

f2=2ah2×0.5μγλ（2）

f1=μ0γab1h2（3）

式中：

f2——上層肥料與牽引層之間的內摩擦力，N；

f1——肥料與機槽兩側壁之間的外摩擦力，N；

a——刮板節(jié)距，m；

b——肥料高度，m；

μ——肥料與肥箱側板的摩擦系數；

λ——側壓系數；

μ0——肥料與肥料的摩擦系數；

b1——刮板寬度，m。

在仿真過程中，肥料的高度為160 mm，側壓系數λ為0.43，經過計算和仿真得到了完整的物料流，當上層肥料低于2 349 mm時［15］，可形成連續(xù)的完整的物料流，如圖5所示。

3 排肥效果與試驗

為了得到刮肥板在傾斜角度20°的工況下較為穩(wěn)定的排肥效果和排肥量，設計三個對刮肥排肥有顯著影響的因素：擋肥板高度B；鏈條速度V；刮板寬度b1。刮肥板寬度大小決定了肥量，刮肥板越寬，刮的肥料越多。當施肥機正式下田作業(yè)時，鏈輪的速度由拖拉機的后輸出軸帶動，拖拉機的后輸出軸速度相對穩(wěn)定，常見的有540 r/min和720 r/min兩種速度，通過外加二級減速器獲得排肥裝置需要的速度。刮肥板上的鏈條速度是影響排肥效率的重要指標，速度太慢，施肥量無法達到作業(yè)要求，速度太快，施肥量會增加的同時也會增加鏈條和刮肥板的磨損，鏈條的運動速度取值范圍為0.1～1 m/s，根據文獻［5］的取值，給鏈條速度取值三個水平。刮肥板的寬度應該與鏈條的高度相適應，如果寬度的值比鏈條的值大，會增加排肥裝置的重量增加成本，寬度比較小也不能很好地進行刮肥作業(yè)從而造成漏肥現象，顆粒有機肥的最大直徑為7～8 mm，能有效進行刮肥作業(yè)的直板刮肥板的寬度至少應該可以刮到兩層肥料，因此刮肥板寬度最小應在15～20 mm。出肥口的高度是較難確定的一個因素，只要前兩因素在考慮成本和能耗的情況下得到最優(yōu)值，排肥裝置排肥量的多少即可由出肥口決定，根據文獻［4］，擋肥板的高度至少為100 mm才有一個基本的施肥量，且施肥量將隨著出肥口的高度變化與施肥量有一個正比關系。

y=0.746 9x-15.151（4）

式中：

y——施肥量，g/s；

x——出肥口高度，mm。

擋肥板的高度最低時，擋肥板的底部剛好和刮肥板接觸，在這個位置的擋肥板已經不能下移，因此定義此時擋肥板的高度為0 mm，刮肥板仍可以轉動進行輸送物料作業(yè)，因此排肥裝置就有了一個基本排肥量Q0［16］，以單因素試驗為例，本次使用的三維模型經過計算可得基本排肥量Q0為1.91 kg/s。果樹的株行距在（1.5～2.5）m×（4～5）m之間，不同的果園株行距不同，但差距不大，以曲陽果園為例［17］，果園的行距為4.2 m，最大冠層直徑為2.2 m，行間作業(yè)間距最小為2 m，預留出肥箱和減速器的位置，刮肥板的寬度區(qū)間在0.5～1 m為宜，刮肥板數量較多，為了方便臺架試驗選擇0.5 m刮肥板的寬度。為了得到在不同刮板高度，鏈輪速度和擋肥板開度下的排肥量和排肥一致性，對模型進行離散元仿真。

Q0=3 600b1hVρηC（5）

式中：

h——刮板高度，m；

V——鏈條速度；

ρ——物料密度，kg/m3；

η——輸送效率，η=0.5～0.6；

C——傾斜修正系數，見表3。

3.1 試驗方案

選擇鏈條速度、刮肥板高度和擋肥板高度為變量因素，排肥量和排肥一致性為試驗指標進行正交試驗，因素水平如表4所示。根據正交表所得到的試驗次數，設置9種不同的排肥裝置模型，共進行17組排肥仿真試驗。

3.2 仿真試驗與響應面分析

在離散元仿真軟件中得到的排肥量數據如表5所示，根據仿真得到的排肥量計算出排肥一致性，將排肥量和排肥一致性放到Design-Expert軟件中進行響應面分析，結果表明三種因素對排肥量影響都比較大；對排肥一致性影響較為顯著的是鏈條的速度和擋肥板的高度，但刮肥板的高度對排肥一致性不顯著，其P值為0.26，綜合排肥量表明：排肥量越大，則排肥一致性越差。響應面如圖8、圖9所示。

從圖8和圖9可以看出，隨著鏈條速度增加和擋肥板的高度增大，排肥量將有一個快速的增長，和排肥一致性的逐漸增長規(guī)律相同；排肥一致性會隨著鏈條速度的下降而有一個微小的增長，當排肥一致性高于13%時［18］，表明排肥的效果較差，達不到排肥的農藝要求，因此綜合排肥裝置的前進速度并結合果園果樹農藝要求對排肥量進行二次回歸方差分析，鏈條的速度在0.2 m/s時排肥一致性效果最好，因此確定鏈條的速度為0.2 m/s。機組的前進速度也是一個影響果樹排肥量的重要因素，為得到符合農藝要求的排肥量，為排肥裝置的速度設定一個0.2 m/s的水平區(qū)間，通過計算排肥量的回歸數學模型，得到較好的機組行進速度。

3.3 二次回歸分析

二次回歸使用的因素有刮肥板的高度和擋肥板的高度，上文通過優(yōu)化試驗確定鏈條速度為0.2 m/s時排肥一致性較好，并確定其在二次回歸仿真過程中為固定值0.2 m/s，去掉鏈條速度這一因素，加入機組前進速度；優(yōu)化試驗使用的擋肥板高度較高，得到的排肥量遠遠超過了農藝要求的施肥量，因此擋肥板的高度水平確定為10 mm、20mm、30 mm。最后得到的仿真結果如表6所示。

為了滿足農藝要求并能準確地得到排肥裝置的排肥量數學模型，對排肥量結果進行二次回歸方差分析，如表7所示。

根據機組前進速度得到排肥量方差分析如表7所示，去掉不顯著項，得到排肥量Q的二次回歸模型為

Q=3.96+0.083 8×h+0.962 5×B-1.9×A-0.025×hB-0.007 5×hA-0.4×BA-0.061 8h2+0.130 7×B2+0.813 3×A2（5）

通過回歸模型預測擋肥板高度為0 mm時，排肥量為1.96 kg/s，和理論計算1.91 kg/s相差2%，表明仿真值計算可靠。由表7可知，二次回歸模型P＜0.01極顯著，失擬項P＞0.05不顯著，說明擬合能很好地反映出各因素的誤差，對試驗的預測較好，擋肥板的高度B、排肥裝置的機組前進速度A以及兩者的交互作用BA極顯著，各因素對誤差的影響由大到小依次是h、B、A。

4 臺架試驗

4.1 試驗方法

試驗在河北農業(yè)大學土槽試驗臺進行，試驗場地溫度15℃，濕度12%，無風。試驗裝置：排肥裝置、顆粒有機肥、Y2-100L1-4三相異步電動機、三科2.2 kW（220 V轉380 V）變頻器、梅花聯(lián)軸器等。變頻器需要連接220 V電源，變頻器將220 V電壓轉換成380 V供給三相電機使用，同時調節(jié)頻率來控制電機的轉速。

將顆粒有機肥放入排肥裝置中，通過變頻器調節(jié)鏈條的轉速至0.2 m/s，測得在擋肥板高度在0 mm和10 mm下每秒的排肥量［19］，不同的擋肥板高度下進行3次試驗，每次計算時間為5 s，得到不同時間下的排肥量數據，排肥量通過電子推拉力計進行稱重，試驗數據如表8所示。

4.2 試驗分析

經過上述的理論計算，并對比排肥仿真數據和試驗數據，排肥量Q均會隨著擋肥板高度B和鏈條速度V增大而增大，其中擋肥板高度對排肥量的影響最大，可以通過調節(jié)擋肥板的高度調節(jié)排肥裝置的排肥量。如表8所示，不同的擋肥板高度下，排肥量有1 kg左右的差距，試驗數據和仿真得到的回歸數學模型得到的排肥量較為一致，試驗得到的顆粒有機肥重量較小，通過試驗得到誤差原因為排肥裝置的肥料底板和刮肥板有間隙，從而造成在排肥過程中有漏肥現象。

本次試驗肥箱中有機肥較少，隨著施肥作業(yè)的進行，肥箱中的顆粒有機肥逐漸減少，與圖4對比，仿真得到的排肥量和試驗趨勢相同，排肥量逐漸變小，排肥一致性也會因為肥箱中有機肥的減少出現較大誤差［20］，通過對比不同的試驗排肥量的平均值，如表8所示，在擋肥板高度為0 mm時，排肥一致性在5.5%以內；擋肥板高度為10 mm時，排肥一致性在7.5%以內，其排肥一致性隨著擋肥板高度的增加而降低。試驗誤差最大3.7%，試驗比較成功，排肥一致性小于13%，排肥一致性在合理范圍內，符合果園施肥農藝要求。

5 結論

1）" 通過實地調研北方山地蘋果園實際栽培情況，結合蘋果園有機肥施肥農藝要求，以均勻穩(wěn)定排肥和排肥一致為原則，設計出一款蘋果園用有機肥排肥裝置，確定刮肥板為主要工作部件，通過對比理論計算和仿真確定排肥量，通過調節(jié)不同擋肥板高度可以滿足山地不同蘋果園有機肥施肥要求。

2）" 排肥裝置模型仿真結果和單因素尋優(yōu)試驗，得到了該排肥裝置的主要工作部件刮板鏈條排肥穩(wěn)定速度為0.2 m/s，刮板的安裝角度為70°。刮板在此工作條件下排肥均勻且排肥一致性較高。

3）" 通過多因素水平正交試驗得到了擋肥板高度和排肥裝置實際田間前進速度的回歸預測模型，通過調節(jié)機組前進速度和擋肥板高度調節(jié)施肥量，在土槽試驗臺對該模型進行了實驗驗證，對果園開溝施肥機的設計和蘋果園的施肥作業(yè)要求作出了指導。

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