开沟施肥机叠片式排肥量调节装置设计与试验*

杨欣伦，王加一，杨健，赵立军，李强

(1. 成都农业科技职业学院,成都市,611130; 2. 潍柴雷沃智慧农业科技股份有限公司,山东潍坊,261200; 3. 重庆文理学院智能制造工程学院,重庆市,402160)

0 引言

肥料是粮食作物的“粮食”,在粮食生产中发挥着不可替代的支撑作用,是实现作物增产的关键原材料,助推了我国农业的发展[1-4]。外槽轮式排肥器是目前在水田、旱田施用化肥作业中使用最为普遍的作业部件,由于其结构简单、造价低廉、使用寿命较长等诸多优点,受到用户的欢迎[5-6]。但是,随着科技的发展,农艺要求的提高,外槽轮式排肥器施肥调节精度较差、调节不便、其转动时会把肥料颗粒压碎等问题日趋显现,已不能满足和适应精准农业的要求,尤其在精量深施肥过程中被压碎或碾压成粉状的肥料,将会影响施肥量的控制也会影响肥料的缓释[7-8]。因此,传统的外槽轮式排肥器已不能很好地服务于精量深施肥作业,设计一款新结构的排肥量调节装置迫在眉睫。

近年来,学者对排肥器的研究焦点集中在螺旋式排肥器上[9-12],主要采用仿真试验、台架试验等技术手段。宋欢[12]采用EDEM仿真研究法对排肥器进行了深入研究,并对排肥器所应用的双线螺旋结构参数进行了优化设计,使最大排肥量有明显降低,但是依然存在较大的排肥量,对于实现排肥均匀性的要求不能满足。薛忠等[9]采用仿真试验与台架试验相结合的技术手段对排肥器的稳定性、均匀性进行了优化,最终确定了最佳的排肥器转速。Kretz等[13]采用仿真试验与台架试验相结合的技术手段对排肥均匀性进行了研究,并对排肥器的螺旋参数和安装倾角进行了探究与优化。Mondal等[14]采用试验方法对排肥器进行了性能探究,得到了短距螺旋、转速和填充率的关系,为排肥器的优化设计提供一定的借鉴。Fuchs等[15]采用试验方法,对排肥器的排量进行实际监测,得到了影响排肥器排肥量的主要因素。螺旋式排肥器已经有较好地应用,但由于螺旋本身的特性,无法实现高均匀性排肥[16-18]。

鉴于此,本文针对现有果园开沟施肥机叠片式排肥量调节装置存在调节精度低、肥量调节不均匀等问题,设计了一种叠片式排肥量调节装置。其能够提高排肥调节精度、提升肥量调节均匀性,且在精量深施肥过程中能够避免肥料被压碎或碾压成粉状,保证排肥量均匀和肥料缓释作用的发挥。为相应开沟施肥机排肥器的设计与研究提供一种新的借鉴。

1 叠片式排肥量调节装置设计

1.1 总体结构

叠片式排肥量调节装置通过改变叠片相互搭接所形成开口大小,实现肥料排量的调节。当肥进入叠片式排肥量调节装置时,螺旋轴通过电机带动其上的螺旋导叶转动,防止肥料堆积并提供向下排肥的推动力。调节排肥量时,叠片之间接触紧密且运动方式为相对滑动,可以有效避免肥料被压碎。当排肥量较低时,叠片收缩,出口减小,减小肥的排量;当排肥量较大时,叠片扩张,增大排肥量,保证排肥的均匀性。叠片式排肥量调节装置作业原理三维示意图如图1所示。

图1 叠片式排肥量调节装置三维示意图

1.2 叠片式排肥量调节装置结构

叠片式排肥量调节装置,其环形底座的端面上设有多对销孔,环形底座的外壁面且在相邻两对销孔之间沿轴向设有滑轨,推拉环的端面上设有多个连接孔,推拉环的内壁面且在相邻两个连接孔之间沿轴向设有滑槽,叠片呈梯形,叠片的底部设有连接板,连接板的两端分别设有铰接孔,叠片沿中轴线偏向右侧向内折弯,叠片的两侧边分别向内和向外折弯,环形底座的滑轨嵌装在推拉环的所述滑槽内,叠片连接板两端的铰接孔分别通过销轴与环形底座的销孔和推拉环的连接孔铰接配合。叠片式排肥量调节装置结构图如图2所示。

图2 叠片式排肥量调节装置结构示意图

根据经验设计,叠片式排肥量调节装置总体高度为66.04 mm,为了保证果园0.67～1 kg/hm2的施肥量要求,经前期预试验,确定肥料入口的直径为60 mm,最小肥料出口的直径为38.26 mm,尺寸与穿过肥料出口的螺旋轴的直径相同,最大肥料出口直径为60 mm,在此范围内调节叠片式排肥量调节装置可以实现果园施肥要求。

1.3 叠片设计

本文所设计的果园开沟施肥机叠片式排肥量调节装置,主要对果树施加粉末状有机肥或颗粒肥,为了保证其流畅性,采用锥状向下流动,但在施肥过程中容易导致肥料堆聚,因此设计螺旋轴在电机带动下旋转,实现肥料的下流。电机带动螺旋轴旋转实现搅拌功能,排肥出口的大小由叠片控制,当排肥量较低时,叠片收缩,出口减小,减小肥的排量;当排肥量较大时,叠片扩张,增大排肥量,保证排肥的均匀性。叠片结构如图3所示。叠片沿中轴线偏向右侧向内折弯,其折弯线相对着中轴线偏转角度α初步确定为3°～7°,叠片的两侧边分别向内折弯(角度为γ)和向外折弯(角度为β),初步确定角度为12°～18°和8°～12°,且叠片的两侧折弯线的起点距离中轴线的距离初步确定为2～6 mm,整周确定为12片。

图3 叠片结构图

1.4 推拉环设计

本文所设计的果园开沟施肥机叠片式排肥量调节装置能够实现排肥口的宽窄调节,将此调节机构设计为推拉环形式,配合叠片的收缩与扩张,推拉环的端面上设有多个连接孔,其内壁面且在相邻两个连接孔之间沿轴向设有滑槽,推拉环结构如图4所示,肥料通过调节机构时,能够根据肥料的多少调节叠片相互搭接所形成开口的大小。叠片作业时受力状态如图5所示。

图4 推拉环结构图

图5 叠片受力状态

叠片受到肥料对其施加的作用力,将此作用力分解为法向力Fn和切向力Ft,肥料在叠片滑动同时挤压叠片,由果园公顷施肥量0.67～1 kg可以确定叠片出口的最小直径为38.26 mm,最大直径为60 mm,结合计算机辅助设计,确定叠片的调整角度为19°,因此推拉环应配合底座和叠片满足此摆动范围要求。

1.5 底座设计

底座的作用是实现叠片与推拉座的固定与连接,由于整体排肥口设置为锥形,因此底座设计为环形,为了便于与叠片、推拉环实现配合安装,环形底座的端面上设有多对销孔,其外壁面且在相邻两对销孔之间沿轴向设有滑轨,其结构如图6所示。

图6 环形底座结构图

2 台架与田间验证试验

为进一步对果园开沟施肥机叠片式排肥量调节装置进行优化设计,确定其最优的结构参数,采取室内台架试验的技术手段对调节装置结构参数加以确定,试验方案采用多因素优化试验,获得较优试验指标情况下的试验因素水平组合。

2.1 试验设计

2.1.1 试验条件

台架试验选择在崇州农业园区(东经102°54′～104°53′,北纬30°05′～31°26′)进行,试验时间为2022年9月20日—25日,试验地属于亚热带季风性湿润气候。具有春早、夏热、秋凉、冬暖的气候特点,年平均气温16 ℃,年降雨量1 000 mm左右。试验材料为大颗粒尿素,其泊松比为0.4,剪切模量为2.8×107Pa,密度为1 335 kg/m3。试验设备为CP188F微耕机,叠片式排肥量调节装置,(电机驱动,电机为名扬电机MY32GP-31ZY型行星减速电机,电机转速为98 r/min,减速比为82,直流12 V电压)。

2.1.2 因素及水平确定

折弯线相对中轴线偏转角度、叠片的两侧边向内折弯角、向外折弯角以及叠片的两侧折弯线的起点与中轴线的距离为开沟施肥机叠片式排肥量调节装置的主要结构参数,因此以折弯线相对中轴线偏转角度x1、向内折弯角x2、向外折弯角x3以及起点与中轴线的距离x4为试验因素。采用4因素5水平正交旋转组合试验方法[19],共实施31组试验。试验因素水平范围为:折弯线相对中轴线偏转角3°～7°、向内折弯角12°～18°、向外折弯角8°～12°、起点与中轴线的距离2～6 mm。试验因素水平编码表如表1所示。

表1 试验因素水平编码Tab. 1 Coding levels and factors

2.1.3 评价指标与测定方法

依据NY/T 1003—2006标准对果园开沟施肥机性能与作业效果进行评价,主要评价指标为:排量一致性变异系数Y1、排肥稳定性变异系数Y2以及排肥均匀变异系数性Y3。排量一致性变异系数Y1的测试方法如下。

(1)

式中:xi——每行每次平均排量,g;

i——每次试验;

x——每行每次平均排量的平均值,g;

S2——各行排肥量一致性的标准差;

Y1——排量一致性变异系数,%;

n2——测定行数。

排肥稳定性变异系数Y2的测试方法为:令果园开沟施肥机静止,不考虑果园开沟施肥机的前进作业速度,调节电机转速为98 r/min,采用秒表计时,控制时间间隔为10 s,称量10 s内肥的排出量,试验组数为5组。试验共计重复5次,取平均值为最终的排肥稳定性变异系数评价结果。

排肥均匀变异系数性Y3的测试方法为:令果园开沟施肥机正常作业速度前进,肥料自然排下,调节电机转速为98 r/min,开沟施肥机作业后,随机测量其排下5段距离的排肥质量。试验共计重复5次,取平均值为最终的排肥均匀性变异系数评价结果。

2.2 试验结果

根据4因素5水平正交旋转组合试验方法,运用Design-Expert8.0.6对试验方案进行分组与设计,每组试验重复5次,取平均值为果园开沟施肥机叠片式排肥量调节装置作业时各指标的最终评价结果。具体试验方案与结果如表2所示。

表2 试验方案与结果Tab. 2 Schemes and results of tests

2.3 排量一致性变异系数回归模型与显著性检验

排量一致性变异系数Y1方差分析如表3所示。由表3可知,对于排量一致性变异系数Y1,因素及因素之间交互作用影响的主次顺序是x12、x22、x42、x32、x3、x4、x1x2、x2、x1、x1x4、x3x4、x2x3、x2x4、x1x3,折弯线相对中轴线偏转角度的二次项x12、向内折弯角的二次项x22、起点与中轴线的距离的二次项x42、向外折弯角的二次项x32、向外折弯角x3、起点与中轴线的距离x4、折弯线相对中轴线偏转角度和向内折弯角的交互项x1x2对排量一致性变异系数Y1的影响极显著(P<0.01);向内折弯角x2、折弯线相对中轴线偏转角度x1、折弯线相对中轴线偏转角度和起点与中轴线的距离的交互项x1x4对排量一致性变异系数Y1的影响显著(0.01

Y1=1.36+0.61x1+0.62x2-1.23x3-0.93x4-

1.07x1x2-0.69x1x4+1.26x12+1.39x22+

1.15x32+1.41x42

(2)

对上述回归方程进行失拟性检验,其中P=0.070 7,排量一致性变异系数方差分析模型不显著,说明不存在其他影响排量一致性变异系数的主要因素,排量一致性变异系数和试验因素存在显著的二次关系,三次及以上关系不显著,故此方差分析可靠性较高。

2.4 排肥稳定性变异系数回归模型与显著性检验

排肥稳定性变异系数Y2方差分析如表4所示。由表4可知,对于排肥稳定性变异系数Y2,因素及因素之间交互作用影响的主次顺序是x12、x22、x42、x3、x32、x1、x4、x1x2、x2、x1x4、x3x4、x2x3、x2x4、x1x3,折弯线相对中轴线偏转角度的二次项x12、向内折弯角的二次项x22、起点与中轴线的距离的二次项x42、向外折弯角x3、向外折弯角的二次项x32、折弯线相对中轴线偏转角度x1、起点与中轴线的距离x4、折弯线相对中轴线偏转角度和向内折弯角的交互项x1x2对排肥稳定性变异系数Y2的影响极显著(P<0.01);向内折弯角x2、折弯线相对中轴线偏转角度和起点与中轴线的距离的交互项x1x4对排肥稳定性变异系数Y2的影响显著(0.01

表4 排肥稳定性变异系数方差分析结果Tab. 4 Results of coefficient of variation in fertilizer stability

Y2=0.9+0.65x1+0.4x2-0.8x3-0.61x4-

0.69x1x2-0.45x1x4+0.92x12+0.88x22+

0.72x32+0.89x42

(3)

对上述回归方程进行失拟性检验,其中P=0.094 6,排肥稳定性变异系数方差分析模型不显著,说明不存在其他影响排肥稳定性变异系数的主要因素,排肥稳定性变异系数和试验因素存在显著的二次关系,三次及以上关系不显著,故此方差分析可靠性较高。

2.5 排肥均匀性变异系数回归模型与显著性检验

排肥均匀性变异系数Y3方差分析如表5所示。由表5可知,对于排肥均匀性变异系数Y3,因素及因素之间的交互作用影响的主次顺序依次是x12、x22、x42、x3、x32、x4、x1x2、x1、x2、x1x4、x3x4、x2x3、x2x4、x1x3。

表5 排肥均匀性变异系数方差分析结果Tab. 5 Results of coefficient of variation

折弯线相对中轴线偏转角度的二次项x12、向内折弯角的二次项x22、起点与中轴线的距离的二次项x42、向外折弯角x3、向外折弯角的二次项x32、折弯线相对中轴线偏转角度x1、起点与中轴线的距离x4、折弯线相对中轴线偏转角度和向内折弯角的交互项x1x2对排肥均匀性变异系数Y3的影响极显著(P<0.01);折弯线相对中轴线偏转角度x1、向内折弯角x2、折弯线相对中轴线偏转角度和起点与中轴线的距离的交互项x1x4对排肥均匀性变异系数Y3的影响显著(0.01

Y3=4.4+2.4x1+2x2-3.97x3-3.01x4-

3.45x1x2-2.25x1x4+4.45x12+4.42x22+

3.65x32+4.49x42

(4)

对上述回归方程进行失拟性检验,其中P=0.080 7,排肥均匀性变异系数方差分析模型不显著,说明不存在其他影响排肥均匀性变异系数的主要因素,排肥均匀性变异系数和试验因素存在显著的二次关系,三次及以上关系不显著,故此方差分析可靠性较高。

2.6 响应曲面分析

通过Design-Expert8.0.6统计软件对试验数据进行处理,得到折弯线相对中轴线偏转角度x1、向内折弯角x2、向外折弯角x3、起点与中轴线的距离x4之间显著和较显著交互作用对排量一致性变异系数Y1、排肥稳定性变异系数Y2及排肥均匀性变异系数Y3的响应曲面(确定其中的两个因素水平,对另两个因素水平交互作用进行分析),如图8所示。

图8 响应曲面分析图

对于排量一致性变异系数Y1,当向外折弯角为10°、起点与中轴线的距离为4 mm时,折弯线相对中轴线偏转角度和向内折弯角的交互作用响应曲面如图8(a)所示,当折弯线相对中轴线偏转角度一定时,排量一致性变异系数Y1随着向内折弯角的增加而呈现先减小后增大趋势,最优的向内折弯角在13.5°～15.5°范围内;当向内折弯角一定时,排量一致性变异系数Y1随着折弯线相对中轴线偏转角度的增加呈现先减小后增大的趋势,最优的折弯线相对中轴线偏转角度在4°～5°范围内;折弯线相对中轴线偏转角度和向内折弯角的交互作用中,主要影响排量一致性变异系数Y1的因素是向内折弯角。

对于排量一致性变异系数Y1,当向内折弯角为15°、向外折弯角为10°时,折弯线相对中轴线偏转角度和起点与中轴线的距离的交互作用响应曲面如图8(b)所示,当折弯线相对中轴线偏转角度一定时,排量一致性变异系数Y1随着起点与中轴线的距离的增加而呈现先减小后增大趋势,最优的起点与中轴线的距离在4～5 mm 范围内;当起点与中轴线的距离一定时,排量一致性变异系数Y1随着折弯线相对中轴线偏转角度的增加呈现先减小后增大的趋势,最优的折弯线相对中轴线偏转角度在4°～5°范围内;折弯线相对中轴线偏转角度和起点与中轴线的距离的交互作用中,主要影响排量一致性变异系数Y1的因素是起点与中轴线的距离。

对于排肥稳定性变异系数Y2,当向外折弯角为10°、起点与中轴线的距离为4 mm时,折弯线相对中轴线偏转角度和向内折弯角的交互作用响应曲面如图8(c)所示,当折弯线相对中轴线偏转角度一定时,排肥稳定性变异系数Y2随着向内折弯角的增加而呈现先减小后增大趋势,最优的向内折弯角在13.5°～15.5°范围内;当向内折弯角一定时,排肥稳定性变异系数Y2随着折弯线相对中轴线偏转角度的增加呈现先减小后增大的趋势,最优的折弯线相对中轴线偏转角度在4°～5°范围内;折弯线相对中轴线偏转角度和向内折弯角的交互作用中,主要影响排肥稳定性变异系数Y2的因素是折弯线相对中轴线偏转角度。

对于排肥稳定性变异系数Y2,当向内折弯角为15°、向外折弯角为10°时,折弯线相对中轴线偏转角度和起点与中轴线的距离的交互作用响应曲面如图8(d)所示,当折弯线相对中轴线偏转角度一定时,排肥稳定性变异系数Y2随着起点与中轴线的距离的增加而呈现先减小后增大趋势,最优的起点与中轴线的距离在4～5 mm范围内;当起点与中轴线的距离一定时,排肥稳定性变异系数Y2随着折弯线相对中轴线偏转角度的增加呈现先减小后增大的趋势,最优的折弯线相对中轴线偏转角度在4°～5°范围内;折弯线相对中轴线偏转角度和起点与中轴线的距离的交互作用中,主要影响排肥稳定性变异系数Y2的因素是折弯线相对中轴线偏转角度。

对于排肥均匀性变异系数Y3,当向外折弯角为10°、起点与中轴线的距离为4 mm时,折弯线相对中轴线偏转角度和向内折弯角的交互作用响应曲面如图8(e)所示,当折弯线相对中轴线偏转角度一定时,排肥均匀性变异系数Y3随着向内折弯角的增加而呈现先减小后增大趋势,最优的向内折弯角在13.5°～15.5°范围内;当向内折弯角一定时,排肥均匀性变异系数Y3随着折弯线相对中轴线偏转角度的增加呈现先减小后增大的趋势,最优的折弯线相对中轴线偏转角度在4°～5°范围内;折弯线相对中轴线偏转角度和向内折弯角的交互作用中,主要影响排肥均匀性变异系数Y3的因素是折弯线相对中轴线偏转角度。

对于排肥均匀性变异系数Y3,当向内折弯角为15°、向外折弯角为10°时,折弯线相对中轴线偏转角度和起点与中轴线的距离的交互作用响应曲面如图8(f)所示,当折弯线相对中轴线偏转角度一定时,排肥均匀性变异系数Y3随着起点与中轴线的距离的增加而呈现先减小后增大趋势,最优的起点与中轴线的距离在4～5 mm范围内;当起点与中轴线的距离一定时,排肥均匀性变异系数Y3随着折弯线相对中轴线偏转角度的增加呈现先减小后增大的趋势,最优的折弯线相对中轴线偏转角度在4°～5°范围内;折弯线相对中轴线偏转角度和起点与中轴线的距离的交互作用中,主要影响排肥均匀性变异系数Y3的因素是起点与中轴线的距离。

2.7 参数优化

通过对图8中6个响应曲面的分析,对因素的约束条件如下。

(5)

(6)

对其参数进行求解,参数优化结果:折弯线相对中轴线偏转角度为4.63°、向内折弯角为14.4°、向外折弯角为10.57°,起点与中轴线的距离为4.27 mm,此时理论上排量一致性变异系数为0.72%,排肥稳定性变异系数为0.39%,排肥均匀性变异系数为1.77%。

2.8 田间验证试验

对参数求解结果进行圆整,并进行田间验证试验,将优化后的参数试验结果与排肥器的行业标准进行对比,以验证优化后试验结果的可靠性。田间试验在崇州农业园区内进行,试验时间为2022年10月8日,试验地与台架试验在同一地区,故气候特点相同,所用试验材料、试验设备也与台架试验相同。

试验结果如表6所示。由表6可知,相比于参数优化结果,排量一致性变异系数提高12.5%、排肥稳定性变异系数提高7.69%、排肥均匀性变异系数提高4.52%,各项均在可接受范围内,因此台架试验可靠性较强。

表6 验证试验结果Tab. 6 Validate test results

3 结论

1) 本研究针对现有果园开沟施肥机叠片式排肥量调节装置存在调节精度低、肥量调节不均匀等问题,设计了一种新型叠片式排肥量调节装置。调节装置为叠片式,叠片呈梯形,叠片的底部设有连接板,连接板的两端分别设有铰接孔,叠片沿中轴线偏向右侧向内折弯,叠片的两侧边分别向内和向外折弯。

2) 以折弯线相对中轴线偏转角度、叠片的两侧边向内折弯角、向外折弯角以及叠片的两侧折弯线的起点与中轴线的距离为试验因素,以排量一致性变异系数、排肥稳定性变异系数、排肥均匀性变异系数为试验指标进行了4因素5水平正交旋转组合试验,试验结果表明折弯线相对中轴线偏转角度为4.63°、向内折弯角为14.4°、向外折弯角为10.57°,起点与中轴线的距离为4.27 mm时,排量一致性变异系数为0.72%,排肥稳定性变异系数为0.39%,排肥均匀性变异系数为1.77%。

3) 对优化参数进行田间验证试验,结果表明排量一致性变异系数为0.81%、排肥稳定性变异系数为0.42%、排肥均匀性变异系数为1.85%,相比于行业标准均满足要求。