果園有機(jī)肥深施機(jī)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(shī)建，劉 飛，王 坤

果園有機(jī)肥深施機(jī)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(shī)建，劉 飛，王 坤

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

針對(duì)果園有機(jī)肥傳統(tǒng)深施方式存在的肥料過(guò)于集中、利用率低等問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)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(zhì)量，再通過(guò)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(shí)現(xiàn)分層回填。首先，通過(guò)理論計(jì)算確定絞龍的結(jié)構(gòu)參數(shù)。進(jìn)一步以混合槳葉側(cè)向角、俯仰角和轉(zhuǎn)速為因素，以有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差和顆粒結(jié)構(gòu)間法向接觸力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，槳葉側(cè)向角、俯仰角和轉(zhuǎn)速分別為90°、60°和200 r/min時(shí)，有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為40.35%，顆粒結(jié)構(gòu)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(yōu)槳葉參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真試驗(yàn)得到，混合均勻度先隨槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度的增加而提高，當(dāng)長(zhǎng)度大于400 mm時(shí)趨于穩(wěn)定。理論計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)前、中、后卸料口導(dǎo)流板傾斜角度分別為70°、65°、50°時(shí),各層的土肥在施肥溝的整個(gè)寬度范圍內(nèi)可以均勻分布，提高分層質(zhì)量。有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差與仿真試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為0.11%，表明仿真優(yōu)化結(jié)果可靠，該裝置混合性能較好，可滿足土肥混合作業(yè)要求。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；裝置；有機(jī)肥；混合；分層施肥；離散元仿真

0 引 言

果園秋季深施有機(jī)肥是生產(chǎn)過(guò)程中重要的作業(yè)環(huán)節(jié)，影響果品品質(zhì)和產(chǎn)量[1]。有機(jī)肥深施施肥量較大，肥料過(guò)于集中會(huì)損傷果樹(shù)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(jī)肥充分混合能夠提高有機(jī)肥利用率，減輕土壤污染。由于果園不同深度土壤養(yǎng)分不同，果樹(shù)根系分布不同，單層施肥存在肥料利用率低的問(wèn)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(shù)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤和肥料的混合做了一些相關(guān)研究[2-6]。Ucgul等[7]研究了一種旋轉(zhuǎn)鏟，能夠?qū)⒌乇淼姆柿匣旌线M(jìn)土壤中，改善土壤特性；并采用數(shù)字圖像處理和離散元仿真技術(shù)，量化了旋轉(zhuǎn)鏟的混合能力。張平平[8]設(shè)計(jì)了一種果樹(shù)精量施肥機(jī)，采用螺旋絞龍將開(kāi)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(guò)仿真試驗(yàn)得到，絞龍轉(zhuǎn)速對(duì)混合均勻性的影響最顯著，其次是絞龍長(zhǎng)度和螺距。劉彪[9]設(shè)計(jì)了一種果園施肥機(jī)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)的刀盤(pán)將土壤和肥料在溝中混合；肖宏儒等[10]設(shè)計(jì)了一種雙螺旋開(kāi)溝施肥機(jī)，采用螺旋葉片開(kāi)溝松土，同時(shí)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(jī)肥深施作業(yè)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(duì)分層施肥的研究目前主要集中在大田化肥施用領(lǐng)域[11-12]，果園有機(jī)肥分層混施的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文擬設(shè)計(jì)一種土肥混合分層回填裝置，采用螺旋絞龍將土壤和有機(jī)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(guò)程中混合均勻，并通過(guò)前、中、后3組混合回填部件實(shí)現(xiàn)土肥分層回填施用。通過(guò)理論計(jì)算確定回填絞龍和卸料口參數(shù)，采用離散元仿真方法研究槳葉配置對(duì)混合均勻性的影響，并求解最優(yōu)槳葉配置。旨在實(shí)現(xiàn)土肥混合分層施用，提高有機(jī)肥利用率，為有機(jī)肥精細(xì)化深施提供技術(shù)支撐。

1 土肥混合分層回填裝置整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的土肥混合分層回填裝置位于開(kāi)溝裝置的后側(cè)、排肥裝置的下側(cè)（圖1a），整體結(jié)構(gòu)如圖1b和圖1c所示，分為混合回填主體和三點(diǎn)懸掛2部分?；旌匣靥钪黧w主要包括機(jī)架、前中后3組混合回填部件、限深輪和傳動(dòng)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(jī)肥深施機(jī)的一部分，增加三點(diǎn)懸掛便于單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，土肥混合分層回填裝置由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)混合回填部件旋轉(zhuǎn)。有機(jī)肥深施機(jī)開(kāi)溝裝置將土壤拋至土肥混合分層回填裝置的左前側(cè)（以作業(yè)方向?yàn)榍埃?，同時(shí)排肥裝置分3路將有機(jī)肥排出，分別落至3組混合回填部件左側(cè)的喂料口處。土肥混合物進(jìn)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(jī)肥通過(guò)前中后混合回填部件先后落入溝中，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)肥分層施用，并與土壤混合均勻。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合果園秋季有機(jī)肥深施農(nóng)藝要求，并實(shí)現(xiàn)土壤和有機(jī)肥混合及分層施肥，確定土肥混合分層回填裝置主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 土肥混合分層回填裝置主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

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(jù)作業(yè)要求確定絞龍參數(shù)[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(jī)組最大前進(jìn)速度約為0.5 m/s，故每小時(shí)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(shí)的輸送量，t/h；為物料特性系數(shù)；為填充系數(shù)；為物料堆積密度，t/m3；為傾角系數(shù)；為螺距；為轉(zhuǎn)速，r/min。

物料特性系數(shù)取0.05，填充系數(shù)取1，絞龍作業(yè)時(shí)為水平狀態(tài)，故傾角系數(shù)取1，由公式（1）計(jì)算得到螺旋直徑為0.277 m，取為0.280 m。螺距取0.200 m。根據(jù)絞龍輸送能力公式（2），計(jì)算得到絞龍轉(zhuǎn)速最小為98 r/min才能達(dá)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(jié)構(gòu)如圖2所示。參考相關(guān)文獻(xiàn)[16-17]，對(duì)土肥混合均勻度有影響的槳葉配置參數(shù)主要有槳葉側(cè)向角（槳葉與旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速、單圈螺旋線上槳葉的個(gè)數(shù)（簡(jiǎn)稱槳葉個(gè)數(shù)）和槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度。本文將通過(guò)離散元仿真試驗(yàn)研究各參數(shù)對(duì)混合均勻度的影響，并求解最優(yōu)的槳葉配置參數(shù)。

土肥混合分層回填裝置有3組混合回填部件，結(jié)合排肥裝置的設(shè)計(jì)，前、中、后混合回填部件的長(zhǎng)度分別設(shè)計(jì)為700、900和1 100 mm，喂料區(qū)域和卸料區(qū)域長(zhǎng)度均為200 mm，混合區(qū)域長(zhǎng)度分別為300、500和700 mm。本文對(duì)前混合回填部件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，求解槳葉最優(yōu)配置參數(shù)。3組混合回填部件僅混合區(qū)域長(zhǎng)度不同，混合過(guò)程及原理相同。混合均勻度隨著混合時(shí)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(nèi)，混合區(qū)域內(nèi)槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度越大，混合均勻度越高，規(guī)律較為明確。故不重復(fù)求解最優(yōu)配置參數(shù)?？紤]槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度增加到一定數(shù)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(yōu)配置參數(shù)的基礎(chǔ)上再研究混合區(qū)域內(nèi)槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度對(duì)混合均勻度的影響，確定中、后混合回填部件的槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度。

2.2.1 EDEM仿真模型及仿真參數(shù)

在SolidWorks軟件中建立單組混合回填部件及殼體的簡(jiǎn)化模型，導(dǎo)入EDEM軟件中；并根據(jù)需要回填的土壤和有機(jī)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(jù)縮放理論[20]，將離散元參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改后，采用大粒徑顆粒進(jìn)行仿真并不影響結(jié)果。由于顆粒量巨大，為縮短仿真時(shí)間，本文將顆粒粒徑放大為6 mm，土壤和有機(jī)肥離散元參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)[18-19]，如表2所示。

表2 離散元參數(shù)

根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，仿真時(shí)時(shí)間步長(zhǎng)為3×10-5s，數(shù)據(jù)保存間隔為0.01 s，仿真網(wǎng)格為3倍顆粒半徑[21-22]?；旌匣靥畈考?.5 m/s的速度沿前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)以設(shè)定的轉(zhuǎn)速繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，作業(yè)時(shí)間為2.5 s。土壤和有機(jī)肥由喂料區(qū)域進(jìn)入，在混合區(qū)域混合，最后在卸料區(qū)域由卸料口排出。

2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由圖2可知，當(dāng)槳葉側(cè)向角<90°（圖中標(biāo)示槳葉左低右高）時(shí)，槳葉對(duì)顆粒的作用方向沿旋轉(zhuǎn)軸向左，與螺旋絞龍的輸送方向相反；當(dāng)>90°時(shí)，槳葉對(duì)顆粒的作用方向沿旋轉(zhuǎn)軸向右，與螺旋絞龍的輸送方向相同。槳葉對(duì)顆粒的作用方向與螺旋絞龍作用方向相反時(shí)更利于顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)，提高混合均勻度[23-24]；預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明較大的側(cè)向角可以得到較高的混合均勻度，故選擇的范圍為60°～90°。當(dāng)槳葉俯仰角<90°時(shí)，槳葉對(duì)顆粒的作用方向沿絞龍直徑方向指向旋轉(zhuǎn)軸；當(dāng)>90°時(shí)，槳葉對(duì)顆粒的作用方向沿絞龍直徑方向背向旋轉(zhuǎn)軸。當(dāng)槳葉對(duì)顆粒有向外的作用時(shí)，由于土壤和有機(jī)肥具有一定的黏性，容易粘結(jié)在外側(cè)圓筒上。預(yù)試驗(yàn)結(jié)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°?；旌匣靥畈考霓D(zhuǎn)速越高，混合均勻度一般越高，但也可能出現(xiàn)偏析，同時(shí)轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致功耗的增大[25]。根據(jù)回填量所必須的轉(zhuǎn)速，并參考觸土機(jī)具轉(zhuǎn)速，選擇轉(zhuǎn)速的范圍為160～200 r/min。預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明單圈螺旋線上槳葉的個(gè)數(shù)為3時(shí)，混合均勻度最高，故選擇3個(gè)槳葉。綜上，試驗(yàn)因素水平表如表3所示。

表3 交互試驗(yàn)因素水平表

在顆?；旌系难芯恐衃16]，常采集多個(gè)樣本，統(tǒng)計(jì)各樣本中目標(biāo)顆粒數(shù)量占總顆粒數(shù)量的比例，并計(jì)算其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差（式（3）～（4）），以表征混合均勻度；相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差越小，顆?；旌暇鶆蚨仍礁?。本文以有機(jī)肥比例（樣本中有機(jī)肥顆粒數(shù)量占總顆粒數(shù)量的比例）相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同側(cè)向角俯仰角和轉(zhuǎn)速對(duì)土肥混合均勻度的影響。使用采樣的方法計(jì)算有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，將卸料口處的顆粒劃分為若干個(gè)樣本，統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣本中有機(jī)肥比例，剔除顆?？倲?shù)小于4的樣本，并計(jì)算有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差。仿真到1.5 s時(shí)顆粒可以穩(wěn)定的從卸料口排出，所以在1.5～2.4 s范圍內(nèi)，每隔0.1 s 計(jì)算一次有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，取10次結(jié)果的平均值。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)樣本尺寸很敏感，當(dāng)樣本尺寸小于5倍粒徑時(shí)，對(duì)結(jié)果影響較小[26]。所以，將樣本的大小設(shè)置為30 mm×30 mm×30 mm的立方體，共30個(gè)樣本。預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，側(cè)向角俯仰角和轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒結(jié)構(gòu)間法向接觸力影響較大，對(duì)顆粒結(jié)構(gòu)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(qū)域混合回填部件與顆粒的法向接觸力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)估裝置功耗大小，數(shù)據(jù)直接由離散元仿真軟件輸出。

2.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)，5個(gè)中心點(diǎn)，共17次試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

使用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理[27]，采用修正模型分別建立RSD和F的回歸模型，并進(jìn)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(xiàng)值均大于0.05，說(shuō)明回歸有效，擬合較好。影響RSD的顯著項(xiàng)有、和2，回歸方程如式（5）所示。影響F的顯著項(xiàng)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(cè)向角與俯仰角（）、側(cè)向角與轉(zhuǎn)速（）具有交互作用，由生成的響應(yīng)曲面圖（圖4）分析兩組交互因子對(duì)RSD的影響規(guī)律。各因素取較大值時(shí)，RSD較小，混合效果較好，因?yàn)樵黾恿藰~與顆粒的接觸面積，提高了顆粒的運(yùn)動(dòng)速度。RSD隨側(cè)向角的增大而減小，較大的側(cè)向角有利于混合均勻度的提高。俯仰角和轉(zhuǎn)速對(duì)RSD的影響規(guī)律均受側(cè)向角的影響，當(dāng)側(cè)向角較小時(shí)，俯仰角和轉(zhuǎn)速取較小的值可以得到較高的混合均勻度；當(dāng)側(cè)向角較大時(shí)，俯仰角和轉(zhuǎn)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(shù)最優(yōu)組合

評(píng)價(jià)指標(biāo)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(biāo)，求解槳葉參數(shù)最優(yōu)組合。槳葉參數(shù)對(duì)RSD和F的影響相反，無(wú)法同時(shí)使2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)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(shí)RSD和F的比重分別為80%和20%。求得槳葉參數(shù)、和的最優(yōu)組合為90°、60°和200 r/min，以此參數(shù)組合進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為RSD=40.35%，F=0.33 N，混合均勻度最高，且顆粒結(jié)構(gòu)間法向接觸力較小。

2.2.5 槳葉布置長(zhǎng)度的確定

隨著槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度的增加，總槳葉個(gè)數(shù)增加，顆粒混合的時(shí)間增加，有利于提高顆?；旌暇鶆蚨取Ｇ?、中、后混合回填部件混合區(qū)域的長(zhǎng)度分別為300、500和700 mm，由于槳葉有一定寬度，在混合區(qū)域兩端各需50 mm，故槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度最大值分別為200、400和600 mm。以混合區(qū)域長(zhǎng)度為300、400、500、600和700 mm（槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度分別為200、300、400、500和600 mm）分別建立混合回填部件結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，槳葉參數(shù)為=90°、=60°、=200 r/min、單圈螺旋線槳葉個(gè)數(shù)為3個(gè)。根據(jù)上文的方法計(jì)算RSD，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。RSD隨著槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度的增加而減小，當(dāng)>400 mm時(shí)，RSD趨于平穩(wěn)。結(jié)果表明，槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度的增加有利于顆?；旌暇鶆蚨鹊奶岣撸?dāng)>400 mm時(shí)，顆粒混合均勻度達(dá)到極限，不再提高。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，前混合回填部件槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度設(shè)置為最大值200 mm，在整個(gè)混合區(qū)域內(nèi)布置。中混合回填部件槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度設(shè)置為最大值400 mm，在整個(gè)混合區(qū)域內(nèi)。后混合回填部件槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度設(shè)置為400 mm，在混合區(qū)域靠近卸料口的一側(cè)500 mm范圍內(nèi)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(huì)集中在溝的一側(cè)，形成一個(gè)斜面，導(dǎo)致分層施肥后在同一深度兩側(cè)施肥量不同的現(xiàn)象，分層質(zhì)量不佳。所以，本文在卸料口處設(shè)計(jì)了導(dǎo)流板，使一部分土肥混合物分布在溝的另一側(cè)，同時(shí)為了提高通過(guò)性，將卸料口長(zhǎng)度增加至200 mm，如圖6a所示。

如圖6b所示，顆粒在導(dǎo)流板的作用下落到溝的另一側(cè)，導(dǎo)流板的傾斜角度影響顆粒下落的位置，進(jìn)而影響顆粒分布的均勻度。顆粒在卸料口處的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，簡(jiǎn)化為顆粒在重力和摩擦力的作用下速度從0增大到時(shí)滑出卸料口，則速度的計(jì)算公式如式（7）所示；顆?；鲂读峡诤?，做拋物運(yùn)動(dòng)，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(cè)壁的距離如式（12）所示，聯(lián)立式（7）～（12）得到落入溝中的顆粒距施肥溝右側(cè)壁的距離與導(dǎo)流板傾斜角度、施肥深度的關(guān)系。

由于肥料占一定的體積，開(kāi)溝所拋土壤無(wú)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(zhǎng)度為0.2 m，為均勻分流，取D=0.1 m?；旌衔镏杏型寥篮陀袡C(jī)肥，取土壤-鋼板靜摩擦系數(shù)和有機(jī)肥-鋼板靜摩擦系數(shù)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(jīng)導(dǎo)流板落入溝中的混合物應(yīng)均勻分布在溝的左半側(cè)，即土壤中心距離右側(cè)壁的距離為0.225 m，顆粒流的寬度約為0.1 m，故與導(dǎo)流板接觸的顆粒落點(diǎn)距施肥溝右側(cè)壁的距離P應(yīng)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(jù)式（12），前、中、后卸料口導(dǎo)流板的傾斜角度分別為70°、65°和50°時(shí)能使顆粒分布均勻。

式中為顆粒和導(dǎo)流板的摩擦系數(shù)；為重力加速度，m/s2；為顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；P為顆粒距施肥溝右側(cè)壁的距離，m。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 卸料口拋撒性能試驗(yàn)

卸料口導(dǎo)流板的角度影響土肥混合物落入溝中的位置，進(jìn)而影響分層質(zhì)量，測(cè)試按照理論計(jì)算的傾斜角度安裝的前中后卸料口導(dǎo)流板的拋撒性能，評(píng)價(jià)分層質(zhì)量。

3.1.1 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)地土壤為砂壤土（含水率20%）；試驗(yàn)中所用動(dòng)力由土槽試驗(yàn)臺(tái)提供，試驗(yàn)機(jī)具為按照仿真優(yōu)化的參數(shù)加工的土肥混合分層回填裝置樣機(jī)，作業(yè)部件轉(zhuǎn)速200 r/min，作業(yè)速度為0.5 m/s；試驗(yàn)中所用的測(cè)量工具有土壤水分儀（TDR150）、轉(zhuǎn)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(jī)試驗(yàn)方法[28]，試驗(yàn)前將土壤含水率調(diào)整到實(shí)際田間作業(yè)時(shí)的數(shù)值（約為20%），并開(kāi)一條寬0.3 m、深0.4 m、長(zhǎng)15 m的溝，在溝的中間等間隔放置3個(gè)取樣槽。在溝的左側(cè)、前混合回填部件喂料口對(duì)應(yīng)的位置筑一條寬0.2 m、高0.2 m、長(zhǎng)15 m的土壟，如圖7a所示。試驗(yàn)時(shí)，裝置混合回填部件（圖7b）的喂料口與土壟對(duì)齊，施肥溝處于卸料口下方。作業(yè)完成取出取樣槽，如圖7c所示，每個(gè)取樣槽取10個(gè)點(diǎn)測(cè)量土壤高度，并記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算變異系數(shù)。取樣槽中各測(cè)量點(diǎn)的土壤高度變異系數(shù)越小，表明各點(diǎn)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(zhì)量越好。

導(dǎo)流板的作用是使一部分土壤落入施肥溝的左側(cè)，避免集中在右側(cè)，當(dāng)經(jīng)導(dǎo)流板落入溝中的土壤中心距離右側(cè)壁的距離為0.225 m時(shí)，分流的土壤能夠均勻的分布在溝的左半部分，提高整個(gè)溝中土壤分布的均勻性。測(cè)量經(jīng)導(dǎo)流板落入施肥溝中的土壤中心距離施肥溝右側(cè)壁的距離，計(jì)算與理論值（0.225 m）的相對(duì)誤差；3個(gè)取樣槽取平均值。

測(cè)量完成后將取樣槽中的土刮平，以同樣的方法繼續(xù)測(cè)試中卸料口和后卸料口拋撒性能。共進(jìn)行3次試驗(yàn)。

3.1.2 結(jié)果分析

卸料口拋撒性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，前中后卸料口排出的土壤高度變異系數(shù)平均值分別為16.98%、28.93%和43.42%，導(dǎo)流板分流的土壤下落位置相對(duì)誤差平均值分別為10.08%、11.71%和10.22%。表明卸料口導(dǎo)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(cè)，在保證不堵塞的情況下，顯著提升分層質(zhì)量。

3.2 土肥混合性能試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)條件及方法

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

作業(yè)速度影響顆粒填充率，填充率隨作業(yè)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(jìn)行作業(yè)速度對(duì)混合均勻性影響的研究，以填充率最大時(shí)的速度0.5 m/s進(jìn)行試驗(yàn)。該裝置的前中后混合回填部件混合機(jī)理相同，且全功能試驗(yàn)難以對(duì)3層土肥混合物分別取樣，無(wú)法提供數(shù)據(jù)支撐，故為了方便取樣計(jì)算，只測(cè)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(yàn)結(jié)果

與卸料口拋撒性能試驗(yàn)相同，開(kāi)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(lán)色的有機(jī)肥，如圖8a所示。試驗(yàn)時(shí)，調(diào)整機(jī)具位置，使土壟正對(duì)裝置喂料區(qū)域，施肥溝處于卸料口下方。試驗(yàn)完成后，在溝中選擇長(zhǎng)0.5 m、寬0.3 m的區(qū)域，按五點(diǎn)取樣法用200 cm3的環(huán)刀各取樣5次，如圖8b所示。間隔2 m選擇1個(gè)區(qū)域，共選擇3個(gè)區(qū)域。

為了計(jì)算所取樣本中的有機(jī)肥比例，進(jìn)而計(jì)算有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，評(píng)價(jià)混合性能。本文根據(jù)土肥粒徑大小，將所取樣本在長(zhǎng)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(shù)[29-30]對(duì)獲取的圖像進(jìn)行圖像分割、形態(tài)學(xué)處理和有機(jī)肥區(qū)域面積比例計(jì)算等操作，獲取每個(gè)樣本中有機(jī)肥比例（圖9b），記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，3個(gè)取樣區(qū)域取平均值。

3.2.2 結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算得到，臺(tái)架試驗(yàn)中有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為18.03%。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)樣本尺寸大小比較敏感，仿真試驗(yàn)中可以采集較小尺寸的樣本，但臺(tái)架試驗(yàn)中難以采集。為了驗(yàn)證離散元模型的準(zhǔn)確性及仿真優(yōu)化結(jié)果的可靠性，在以最優(yōu)槳葉參數(shù)進(jìn)行的仿真試驗(yàn)中，設(shè)置樣本尺寸大小與臺(tái)架試驗(yàn)一致，計(jì)算有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，其值為18.01%。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為0.11%，表明離散元模型準(zhǔn)確，仿真優(yōu)化結(jié)果可靠，根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)加工的土肥混合分層回填裝置混合性能較好。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)仿真試驗(yàn)得到，當(dāng)混合槳葉的側(cè)向角、俯仰角和轉(zhuǎn)速分別為90°、60°、200 r/min時(shí)，有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為40.35%，顆粒結(jié)構(gòu)間法向接觸力為0.33 N，混合均勻度最高，且顆粒結(jié)構(gòu)間法向接觸力較小。在最優(yōu)槳葉參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真試驗(yàn)得到，顆粒混合均勻度隨著槳葉布置區(qū)域長(zhǎng)度的增加而提高，當(dāng)400 mm時(shí)趨于穩(wěn)定。

2）通過(guò)理論計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)得到，當(dāng)前、中、后卸料口導(dǎo)流板的傾斜角度分別為70°、65°、50°時(shí)，各層的土肥混合物在施肥溝的整個(gè)寬度范圍內(nèi)分布比較均勻，避免集中在溝的一側(cè)，在保證不堵塞的情況下，提高了分層質(zhì)量。

3）土肥混合性能臺(tái)架試驗(yàn)中，有機(jī)肥比例相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差與仿真試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差為0.11%，表明離散元模型準(zhǔn)確，仿真優(yōu)化結(jié)果可靠，根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)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(jī)肥深施作業(yè)中的土肥混合要求。

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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(jī)肥深施機(jī)土肥混合分層回填裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金資助（CARS-29）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFD1000204）

袁全春，博士生，研究方向?yàn)樯锷a(chǎn)自動(dòng)化。Email：yqcmail@qq.com

徐麗明，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯锷a(chǎn)自動(dòng)化。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.002

S224.22

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