自走式果園有機肥條鋪機設(shè)計與試驗

朱新華 李旭東 高 翔 譚 辰 鄧海濤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.濰柴動力股份有限公司發(fā)動機研究院， 濰坊 261061)

0 引言

近年來，矮化密植逐漸成為蘋果等果樹的主流栽培模式，單位面積植株多、產(chǎn)量高，對土壤水肥條件要求更高[1]。但目前我國果業(yè)長期依賴化肥[2-3]，土壤酸化、板結(jié)和環(huán)境污染等問題日益突出[4-6]。土壤有機質(zhì)含量低、干旱已成為制約黃土高原蘋果產(chǎn)區(qū)果業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素[7-8]。施用有機肥是提升土壤有機質(zhì)含量和蓄水能力的有效途徑[9]，可改善土壤結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，有效緩解干旱問題。研究表明，果園合理的施肥比例為，除氮、磷、鉀外，有機肥應(yīng)占施肥總量的95%以上[10]。然而，果園有機肥施肥量高達(dá)45 t/hm2[11-12]，作業(yè)強度大、作業(yè)環(huán)境差。在勞動力短缺的背景下，缺少專業(yè)有機肥施肥裝備已成為我國果園增施有機肥、減施化肥的瓶頸[13-14]。

開溝施肥是我國果園的主要施肥方式之一[15-16]，作業(yè)方式分為開溝、施肥兩段式和聯(lián)合式。化肥作為果園追肥施用，一般小于0.51 t/hm2[6]，便于實現(xiàn)聯(lián)合式作業(yè)。1KS60-35X型果園雙螺旋開溝施肥機[17]由前軸破土、后軸攪土施肥，肥料自攪土刀軸中通管道落下施入土壤；2FK-40型果園開溝施肥機[18]肥箱容積約0.8 m3，作業(yè)時由限深輪驅(qū)動螺旋器排肥；2FPG-40型葡萄開溝施肥機[19]肥箱容積0.4 m3，由驅(qū)動滾筒調(diào)節(jié)開溝深度并驅(qū)動螺旋器推送肥料經(jīng)施肥靴施于溝中。以上機型均與拖拉機三點懸掛聯(lián)接，可實現(xiàn)開溝、施肥、覆土一體化作業(yè)，但載肥量小、排肥器只適用于化肥，不適于施肥量較大的有機肥特別是農(nóng)家肥。

有機肥施肥機械方面，王向陽等[20]研制的果園有機肥開溝施肥機以及張宏建等[21]研制的自動調(diào)節(jié)深度式果園雙行開溝施肥機均屬于聯(lián)合式，可實現(xiàn)雙側(cè)開溝、施肥、覆土一體化作業(yè)，開溝深度、間距以及施肥量可調(diào)，但其肥箱容積相對較小，影響作業(yè)效率，且不適于丘陵山地果園。我國60%的果園處于丘陵山地[22]，開溝、施肥兩段式作業(yè)依然是果園有機肥施用的重要方式，且有利于施肥裝備輕簡化。現(xiàn)階段，犁鏵式、鏈?zhǔn)健⒙菪健⑿介_溝機[17]等機型已在果園中廣泛應(yīng)用，但施肥環(huán)節(jié)仍由拖拉機運輸、人工對溝埋肥，效率低下。因此，果園兩段式施肥缺少兼具大體量肥料運輸和條鋪施肥功能的機具。

先前研制的自走式果園秸稈覆蓋機[23-24]能將秸稈、腐熟糞肥等有機物料覆蓋于果園行間增碳保墑。該機車箱容積大，適于丘陵山地果園，作業(yè)效率高，但配套功能少。為實現(xiàn)有機肥對溝施肥或行間雙側(cè)條鋪及果園秸稈覆蓋機一機多用，本文基于果園秸稈覆蓋機研制果園有機肥條鋪機，通過設(shè)計計算與仿真優(yōu)化確定關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)，并進(jìn)行性能試驗。

1 整機方案

1.1 矮化密植蘋果園宜機條件

黃土高原是我國蘋果主產(chǎn)區(qū)之一，該地區(qū)蘋果園主要分布在丘陵山地，區(qū)域交通條件差，坡地果園多，地頭道路相對狹小。矮化密植蘋果樹形有高紡錘形、細(xì)長紡錘形、改良紡錘形以及自由紡錘形等，不同樹形果園的宜機參數(shù)如表1所示[24-26]。

果樹主要依靠根毛吸收肥料養(yǎng)分，根毛大多數(shù)分布于樹冠邊緣[27]，因此，樹冠垂直投影邊際切線是條狀溝施肥的理想位置[16]。果園有機肥條溝施肥示意圖如圖1所示。

圖1 果園有機肥條溝施肥示意圖Fig.1 Schematic of ditch-fertilizing of organic fertilizer in orchard1.土壤 2.果樹 3.條狀溝 4.有機肥料 5.覆土層

1.2 條鋪機設(shè)計技術(shù)要求

結(jié)合我國矮化密植蘋果園栽植現(xiàn)狀及有機肥條溝施肥的農(nóng)藝要求，得到條鋪機設(shè)計要求如表2所示。為提高效率，條鋪機載肥量應(yīng)不小于667 m2的施肥量，且具備良好的轉(zhuǎn)向性能和倒車操控性。

1.3 整機方案評價

肥料特性和果園環(huán)境是有機肥施肥機械整機結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵限制因素，評價重點是載肥量和山地果園適應(yīng)性。條鋪機的整機結(jié)構(gòu)可選方案有拖拉機懸掛式、牽引式和自走式3種(圖2)，其中自走式包括輪式或橡膠履帶式。綜合評價如表3所示[22,28]。

表2 果園有機肥條鋪機設(shè)計要求Tab.2 Design requirements of orchard organic fertilizer strip-spreader

橡膠履帶自走式方案在適應(yīng)施肥量較大的有機肥施肥以及果園空間狹小、地形復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境方面具有優(yōu)勢，因此條鋪機的車體采用橡膠履帶自走式。課題組前期研制的橡膠履帶自走式果園秸稈覆蓋機[23-24]車箱容積大于5 m3，供料機構(gòu)可適應(yīng)秸稈、糞肥、菌渣等多種農(nóng)業(yè)廢料，其車體可作為有機肥條鋪機的基礎(chǔ)。本文的重點是在果園秸稈覆蓋機車體基礎(chǔ)上研制配套有機肥條鋪裝置，實現(xiàn)一機多用。

圖2 整機方案示意圖Fig.2 Schematics of complete machine schemes1.拖拉機 2.肥箱 3.條鋪裝置 4.排肥螺旋 5.自走式車體

表3 整機方案比較結(jié)果Tab.3 Comparison results of complete machine schemes

2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 果園秸稈覆蓋機結(jié)構(gòu)

果園秸稈覆蓋機主要由車體和覆土裝置兩部分組成，如圖3所示。車體主要包括發(fā)動機、駕駛室、橡膠履帶底盤、車箱、刮板送料機構(gòu)、下料輥、導(dǎo)料板等，其中刮板送料機構(gòu)和下料輥共同組成供料機構(gòu)。覆土裝置通過平行四桿機構(gòu)掛接于車體后部，由升降油缸帶動的鋼絲繩調(diào)節(jié)離地高度。由3臺液壓馬達(dá)驅(qū)動工作裝置，其液壓動力可滿足果園有機肥條鋪機的動力需求。

圖3 果園秸稈覆蓋機整機結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Overall structure diagram of orchard straw mulching machine1.車箱 2.刮板送料機構(gòu) 3.下料輥 4.覆土裝置 5.導(dǎo)料板 6.平行四桿機構(gòu) 7.鋼絲繩 8.升降油缸

2.2 條鋪機整機結(jié)構(gòu)與工作原理

條鋪機整機結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由車體和條鋪裝置兩部分組成。條鋪裝置主要由左右對稱布置的2個伸縮式螺旋排肥器及其伸縮油缸組成，與車體掛接方式和覆土裝置一致以方便互換。為將肥料導(dǎo)流至左右兩側(cè)伸縮式螺旋排肥器，在車體導(dǎo)料板上設(shè)置有分料板。

圖4 有機肥條鋪機整機結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Overall structure diagram of organic fertilizer strip-spreader1.車箱 2.刮板送料機構(gòu) 3.下料輥 4.導(dǎo)料板 5.分料板 6.覆土鏟 7.伸縮油缸 8.伸縮式螺旋排肥器 9.車箱下料口 10.平行四桿機構(gòu) 11.鋼絲繩 12.升降油缸

刮板送料機構(gòu)、下料輥、排肥螺旋均由液壓馬達(dá)驅(qū)動，可通過調(diào)速閥靈活調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)。液壓系統(tǒng)原理圖如圖5所示，系統(tǒng)壓力為16 MPa。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic of hydraulic system1.油箱 2.過濾器 3.油泵 4.溢流閥 5、8、11、14、18.手動換向閥 6、9、12.調(diào)速閥 7、10、13.液壓馬達(dá) 15、19.分流集流閥 16、17、20、21.液壓油缸

條鋪機工作時，分別由升降油缸和伸縮油缸調(diào)整條鋪裝置離地高度和兩側(cè)排肥口間距，與行間兩溝對正。有機肥在刮板送料機構(gòu)的推送下于車箱后部形成一定的堆積以保證供料充足，由下料輥破碎結(jié)塊肥料并將肥料自車箱下料口排出至導(dǎo)料板。肥料經(jīng)分料板分流進(jìn)入條鋪裝置兩側(cè)伸縮式螺旋排肥器，由螺旋排肥器推送至左右兩側(cè)，落入提前開好的溝中。覆土鏟將條溝兩側(cè)的土刮入條溝內(nèi)完成覆土。條鋪機可在丘陵山地果園進(jìn)行有機肥對溝施肥或行間雙側(cè)條鋪；條鋪裝置也可與通用撒肥車配套，用于馬鈴薯、棉花、西瓜等多種大田作物對行施基肥或條鋪栽培基質(zhì)。

該機主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 自走式果園有機肥條鋪機主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of self-propelled orchard organic fertilizer strip-spreader

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 供料機構(gòu)設(shè)計

相比秸稈供料，有機肥容重大、粘性強、易結(jié)塊等特點對供料均勻性、可靠性提出了更高要求。供料機構(gòu)持續(xù)、穩(wěn)定地推送、排出有機肥的同時，對結(jié)塊肥料應(yīng)有一定的破碎作用。

3.1.1刮板送料機構(gòu)

刮板送料機構(gòu)主要由圓環(huán)鏈、鏈輪、刮板、承料板、V形滑槽、連接環(huán)、鏈輪傳動軸、支架等組成，如圖6所示。作業(yè)時由液壓馬達(dá)通過減速器驅(qū)動主動鏈輪軸帶動機構(gòu)運動，鏈輪轉(zhuǎn)速n1取2～20 r/min，刮板線速度v1為0.01～0.1 m/s。為提高供料均勻性，根據(jù)文獻(xiàn)[29]，將刮板間距a減小至150 mm。

圖6 刮板送料機構(gòu)Fig.6 Scraper feeding mechanism1.鏈輪傳動軸 2.刮板 3.上層物料 4.下層物料 5.支架 6.鏈輪 7.圓環(huán)鏈 8.連接環(huán) 9.V形滑槽 10.承料板

車箱中的有機肥根據(jù)所處空間可分為上層物料和下層物料，下層物料由刮板帶動向車箱后部輸送。取相鄰刮板間物料分析，上層物料受力有重力G、車箱側(cè)壁摩擦力f以及下層物料提供的前進(jìn)摩擦力F，上下層物料整體向車箱后部移動的條件為F>f。其中

F=μ0abhγg

(1)

(2)

式中μ0——物料間摩擦因數(shù)，取1[30]

b——刮板長度，取1.5 m

h——上層物料高度

γ——肥料密度g——重力加速度

λ——側(cè)壓系數(shù)，取0.86[31]

μ——車箱側(cè)壁與物料間摩擦因數(shù)，取0.86[30]

由F>f得

(3)

經(jīng)計算，上下層物料連續(xù)整體運動的條件是h<2.0 m。條鋪機車箱高度h1=1.5 m，滿足物料整體推進(jìn)條件。

刮板送料機構(gòu)的輸送量Q0為

Q0=3 600bh1v1η

(4)

式中η——輸送效率，取50%[31]

v1按鏈輪轉(zhuǎn)速7 r/min，取0.035 m/s，經(jīng)計算，Q0=141.75 m3/h，滿足施肥量要求。

原秸稈覆蓋機中，受空間限制，刮板送料機構(gòu)的主動鏈輪軸驅(qū)動部件安裝于車箱前部，使得圓環(huán)鏈松邊在上。車箱底部的有機肥被鎮(zhèn)壓后，易在刮板和承料板之間形成結(jié)拱層，結(jié)拱層厚度增加將導(dǎo)致圓環(huán)鏈過度張緊，增大刮料阻力甚至?xí)鸸伟搴玩湕l變形、斷裂。為解決這一問題，刮板迎料面設(shè)計為由傾斜面和豎直階梯面組成，傾斜面鏟料、清料可避免肥料結(jié)拱，減小刮料阻力，豎直階梯面限制肥料后滑，保證穩(wěn)定推送肥料至車箱后部。傾斜面傾角θ過大將增大刮料阻力，過小時刮板不易鏟入肥料，依據(jù)文獻(xiàn)[32]確定為25°。

3.1.2下料輥

下料輥安裝于車箱尾部，其結(jié)構(gòu)如圖7a所示。下料輥輥面上布置有三角錐齒，用于刮撥肥料并破碎較大的結(jié)塊肥料，各排錐齒對稱交錯排列，齒平面相對齒輥母線傾斜±5°，可側(cè)向分撥肥料，提高橫向出料均勻性，下料輥設(shè)計參數(shù)見文獻(xiàn)[24]。下料輥圓柱面與承料板之間形成車箱下料口，其開度δ可調(diào)(圖7b)。δ過小時，下料輥與刮板干涉且無法滿足最大供肥量要求；δ過大時，肥料不能始終充滿車箱下料口甚至在重力作用下直接從車箱下料口流出，導(dǎo)致供肥不均勻、供肥量不受下料輥轉(zhuǎn)速調(diào)控，且無法破碎較大的結(jié)塊肥料。δ值根據(jù)施肥量由試驗確定。

圖7 下料輥及結(jié)塊肥料破碎示意圖Fig.7 Schematic of feeding roller and crushing of block fertilizer1.齒輥軸 2.右傾錐齒 3.左傾錐齒 4.刮板 5.結(jié)塊肥料 6.下料輥

3.2 條鋪裝置設(shè)計

條鋪裝置結(jié)構(gòu)如圖8a所示。左右對稱布置兩個伸縮式螺旋排肥器。伸縮式螺旋排肥器由排肥螺旋、固定槽、伸縮槽、伸縮油缸等組成。內(nèi)側(cè)的固定槽和外側(cè)的伸縮槽相互嵌套構(gòu)成伸縮式螺旋槽，在伸縮油缸驅(qū)動下調(diào)整螺旋槽整體長度及左右兩側(cè)的排肥口間距。左右兩個排肥螺旋軸通過聯(lián)軸器連接于中間傳動軸，由液壓馬達(dá)通過帶傳動驅(qū)動，如圖8b所示。排肥螺旋工作長度與固定槽等長。肥料被螺旋推送至固定槽末端后，在伸縮槽內(nèi)適度堆積，受螺旋軸向力作用依靠肥料間推擠自伸縮槽端部的排肥口排出，對溝施肥。

圖8 條鋪裝置結(jié)構(gòu)及傳動示意圖Fig.8 Structure and transmission diagrams of strip-spreading device1.伸縮槽 2.排肥螺旋 3.固定槽 4.聯(lián)軸器 5.液壓馬達(dá) 6.傳動帶 7.中間傳動軸 8.伸縮油缸 9.排肥口 10.覆土鏟 11.帶輪 12.軸承座 13.螺旋軸

3.3 排肥螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)GB/T 25246—2010《畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范》和果園施肥量推薦值[12]，條鋪機施肥量設(shè)計為24.60～45.00 t/hm2。條鋪機行進(jìn)速度按作業(yè)速度最大值的1.05倍取0.35 m/s(1.26 km/h)。矮化密植果園行距為3.0～4.5 m，施肥量一定時，行距越大，要求螺旋排肥量越高。為保證螺旋排肥量滿足不同行距果園至少施肥量24.60 t/hm2要求，行距取4.5 m計算，則單側(cè)螺旋排肥量為6.97 t/h。對于條鋪機最大施肥量45.00 t/hm2，通過提高排肥螺旋轉(zhuǎn)速來滿足要求。

排肥螺旋葉片外徑計算式為

(5)

式中d——排肥螺旋葉片外徑，m

Q——螺旋排肥量，取6.97 t/h

n2——排肥螺旋轉(zhuǎn)速，為保證螺旋排肥量滿足施肥量最小值，計算中暫取較低值80 r/min

S——排肥螺旋螺距，取S=d

ψ——物料填充系數(shù)，取0.33[32]

ε——傾斜輸送系數(shù)，取1[32]

為確保螺旋排肥量滿足不同密度有機肥排肥量要求，按密度較低的菌渣密度取值，取肥料密度γ=0.476 t/m3。經(jīng)計算，S=d=0.228 m。螺旋葉片外徑和螺距均取0.25 m[32]。

3.4 伸縮式螺旋槽設(shè)計

為適應(yīng)不同果園行距和條溝間距，條鋪裝置兩端排肥螺旋槽設(shè)計為可伸縮式結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 伸縮式螺旋槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of telescopic screw slot1.橫桿 2.伸縮槽 3.固定槽 4.機架方管 5.伸縮油缸 6.伸縮架 7.滑軌 8.滾輪 9.排肥口

圖10 3種不同排肥口結(jié)構(gòu)伸縮式螺旋排肥器仿真及有機肥顆粒生成示意圖Fig.10 Schematics of simulation of telescopic spiral fertilizer apparatuses with three different kinds of fertilizing outlet structures and formation of organic fertilizer particles1.有機肥顆粒 2.固定槽 3.排肥螺旋 4.質(zhì)量流量傳感器 5.排肥口 6.統(tǒng)計網(wǎng)格1 7.伸縮槽 8. 統(tǒng)計網(wǎng)格2 9.導(dǎo)料板 10.顆粒工廠

伸縮式螺旋槽主要由固定槽、伸縮槽、滾輪、滑軌及伸縮油缸等組成。固定槽、伸縮槽均為U形槽，伸縮槽外端設(shè)排肥口。固定槽固連于機架，伸縮槽通過滾輪安裝在與機架固連的滑軌上，并與固定槽嵌套，其外端通過橫桿與伸縮架固連。伸縮架與機架方管呈滑套式結(jié)構(gòu)。在伸縮油缸作用下伸縮架可相對機架方管伸縮，從而帶動伸縮槽沿滑軌移動，調(diào)整螺旋槽整體長度及左右兩側(cè)的排肥口間距。

根據(jù)表1中樹形和對應(yīng)的株行距及冠徑確定果園有機肥施肥條溝間距。滿足農(nóng)藝要求的條溝間距為

s=L-D

(6)

式中s——條溝間距，mL——果園行距，m

D——果樹平均冠徑，m

則矮化密植蘋果園施肥合理的條溝間距為1.8 m≤s≤2.7 m。

伸縮槽不伸出，即與固定槽全段嵌套時機具適應(yīng)最小條溝間距；伸出至最大距離時適應(yīng)最大條溝間距。由此，單側(cè)伸縮槽最大伸出距離dmax為

(7)

式中smax——最大條溝間距，取2.7 m

smin——最小條溝間距，取1.8 m

經(jīng)計算，單側(cè)伸縮槽最大伸出距離dmax=45 cm。

伸縮槽、固定槽及排肥螺旋長度均取65 cm，伸縮槽伸出至最大條鋪間距時，仍有部分槽體與固定槽嵌套，以保證物料順暢推送。

4 排肥口結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化

4.1 仿真設(shè)置

伸縮式螺旋槽單側(cè)最大伸出距離為45 cm，該段螺旋槽內(nèi)無螺旋推送。對于流動性較差的牛糞等肥料能否順利排肥，伸縮槽排肥口結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵。伸縮槽排肥口結(jié)構(gòu)設(shè)計為JK、ZK、XK 3種型式。JK型為U形槽底部開矩形口結(jié)構(gòu)，ZK型為直口形結(jié)構(gòu)，XK型為斜口形結(jié)構(gòu)。

為優(yōu)化排肥口結(jié)構(gòu)，運用EDEM 2018分別對3種排肥口結(jié)構(gòu)的伸縮式螺旋排肥器中腐熟牛糞排肥情況進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖10所示。以伸縮槽伸出段45 cm處肥料軸向流速(水平方向)、無螺旋段肥料堆積質(zhì)量、排肥流量標(biāo)準(zhǔn)差為指標(biāo)分別評價3種結(jié)構(gòu)下的肥料流動性、抗堵塞性能和排肥均勻性，并分別通過統(tǒng)計網(wǎng)格1、2(即EDEM中Grid Bin Group組件)和質(zhì)量流量傳感器監(jiān)測相應(yīng)指標(biāo)。流速高、堆積質(zhì)量小、排肥流量標(biāo)準(zhǔn)差小則說明排肥口結(jié)構(gòu)優(yōu)。仿真中伸縮槽伸出距離為最大值45 cm。仿真參數(shù)設(shè)置如表5所示[30，33-34]。

4.2 仿真結(jié)果分析

圖11為3種排肥口結(jié)構(gòu)下伸縮槽伸出段45 cm處肥料軸向流速(圖11a)、無螺旋段肥料堆積質(zhì)量(圖11b)、排肥流量(圖11c)隨時間的變化曲線，表6為14～20 s區(qū)間排肥性能。

由圖11a可知，排肥口結(jié)構(gòu)為ZK、XK型時，肥料軸向流速6 s后呈小幅波動的穩(wěn)定狀態(tài)；排肥口結(jié)構(gòu)為JK型時，開始排肥后伸縮槽中肥料自矩形口直接排出，而隨著堆積量的增加，肥料逐漸堆積至端板受阻，故肥料軸向流速有一減小階段，14 s后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合表6可知，穩(wěn)定排肥后，排肥口結(jié)構(gòu)為XK型時，肥料軸向流速最大，JK型最小。采用JK型排肥口時，受端板阻擋和矩形口限制，伸縮槽中肥料軸向流速低，更易堵塞，而采用XK型排肥口時肥料流動性最好。

由圖11b、表6可知，穩(wěn)定排肥后，JK型排肥口對應(yīng)的無螺旋段肥料堆積量最多，XK型最少，從另一個角度說明采用XK型排肥口肥料流動性最好，不易堵塞。

表5 伸縮式螺旋排肥器離散元仿真參數(shù)Tab.5 Discrete element simulation parameters of telescopic spiral fertilizer apparatus

圖11 3種排肥口結(jié)構(gòu)下肥料軸向流速、肥料堆積質(zhì)量、排肥流量變化曲線Fig.11 Variation curves of fertilizer axial velocity, fertilizer accumulation quality and fertilizer mass flow rate under three types of fertilizing outlet structures

表6 穩(wěn)定排肥后3種排肥口結(jié)構(gòu)下排肥性能Tab.6 Fertilizer output performances under three kinds of fertilizing outlet structures from 14 s to 20 s

圖11c及表6表明，3種排肥口結(jié)構(gòu)下排肥流量均受螺旋送料影響呈“脈動現(xiàn)象”，但排肥口結(jié)構(gòu)為JK、XK型時，排肥流量標(biāo)準(zhǔn)差明顯小于ZK型。肥料在伸縮槽中適度堆積可緩解螺旋式排肥器排肥量波動，提高排肥均勻性。有機肥多以結(jié)塊垮落的形式自排肥口排出，這可能是采用ZK型排肥口時排肥流量波動較大的原因。與ZK型相比，XK型排肥口的斜槽段對結(jié)塊垮落具有緩沖、勻料作用。因此，排肥口結(jié)構(gòu)為XK型時，在無螺旋段肥料堆積量較少時即可得到最佳的排肥均勻性。

綜合比較肥料流動性、抗堵塞性能及排肥均勻性，確定XK型排肥口為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

5 條鋪試驗

5.1 試驗條件

在西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗站進(jìn)行了條鋪試驗，試驗材料為楊凌萬佳牧業(yè)公司生產(chǎn)的腐熟牛糞(密度620 kg/m3，含水率58%)和楊凌眾興食用菌公司生產(chǎn)的杏鮑菇菌渣(密度476 kg/m3，含水率39%)。

試驗因素選取：刮板送料機構(gòu)的鏈輪轉(zhuǎn)速、車箱下料口開度、下料輥轉(zhuǎn)速均影響供肥量，但由于刮板送料機構(gòu)的鏈輪轉(zhuǎn)速、車箱下料口開度調(diào)控精度較低，為提高供肥均勻性和穩(wěn)定性，選擇下料輥轉(zhuǎn)速調(diào)控供肥量；排肥螺旋轉(zhuǎn)速對應(yīng)的排肥量大于供肥量后，不再影響施肥量；車速是施肥量和作業(yè)效率的決定性因素，因此，選取車速及下料輥轉(zhuǎn)速作為試驗因素。

根據(jù)行距為3.5 m(普遍采用)果園的最大施肥量(45.00 t/hm2)，通過預(yù)試驗確定了刮板送料機構(gòu)的鏈輪轉(zhuǎn)速、車箱下料口開度、排肥螺旋轉(zhuǎn)速分別為7 r/min、4 cm、120 r/min。該條件下調(diào)整下料輥轉(zhuǎn)速可兼顧腐熟牛糞和菌渣最大施肥量，保證螺旋排肥量大于供肥量，且均勻性、穩(wěn)定性和碎肥效果好。

試驗時條鋪間距設(shè)為2.7 m。兩側(cè)排肥口分別由5個盒子收集肥料，按等距取樣法，每2 m為一個采樣點，每組試驗共有10個采樣點。采樣后測量單盒肥料質(zhì)量。單組試驗重復(fù)2次，結(jié)果取平均值。試驗過程如圖12所示。除施肥性能外，圖12b為條鋪機或條鋪裝置(與通用撒肥車配套)用于果園或大田作物栽培基質(zhì)條鋪效果。

圖12 有機肥條鋪試驗Fig.12 Organic fertilizer strip spreading test

5.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗，以車速(0.8～1.2 km/h)和下料輥轉(zhuǎn)速(20～50 r/min)為影響因素，以單側(cè)每米施肥量、施肥量變異系數(shù)為指標(biāo)，對條鋪機分別進(jìn)行腐熟牛糞和菌渣施肥的二因素三水平正交試驗，評價其施肥性能。試驗設(shè)計與結(jié)果如表7所示。

表7 施肥性能正交試驗設(shè)計與結(jié)果Tab.7 Arrangement and results of orthogonal test on fertilizing performances

試驗結(jié)果表明，條鋪機腐熟牛糞和菌渣施肥量分別為29.40～53.10 t/hm2和21.45～75.00 t/hm2，變異系數(shù)分別小于等于15.48%和6.57%。說明設(shè)計的條鋪裝置滿足果園有機肥對溝施肥或行間雙側(cè)條鋪要求。腐熟牛糞含水率高、流動性差，供料連續(xù)性、均勻性差，相同條件下施肥量和施肥均勻性低于菌渣。菌渣含水率低、顆粒間粘結(jié)力小，流動性、填充性好，相同條件下供肥量較大、排肥螺旋中實際填充系數(shù)較高，從而其施肥量較大。

通過Design-Expert 10.0響應(yīng)面分析得到車速v、下料輥轉(zhuǎn)速n與腐熟牛糞及菌渣單側(cè)每米施肥量x、y的一次回歸方程

x=0.082 778n-3.45v+7.293 55

(8)

y=0.118 11n-12.541 67v+17.151 62

(9)

對試驗結(jié)果及回歸方程進(jìn)行方差分析，如表8所示。結(jié)果表明：車速和下料輥轉(zhuǎn)速對條鋪機腐熟牛糞和菌渣單側(cè)每米施肥量均有極顯著影響。腐熟牛糞和菌渣施肥量回歸方程模型的P值均小于0.000 1，表明模型極顯著，其決定系數(shù)分別為0.871 3和0.963 1，失擬項不顯著。菌渣施肥量模型擬合性優(yōu)于腐熟牛糞，主要是由于菌渣流動性較好，而腐熟牛糞含水率較高，多塊狀，流動性較差。車速及下料輥轉(zhuǎn)速對腐熟牛糞和菌渣單側(cè)每米施肥量的影響如圖13所示，分析可知，施肥量隨車速的增大而減小，這是由于車速增大導(dǎo)致單位長度排肥時間減少；施肥量隨下料輥轉(zhuǎn)速的增大而增大，其原因是下料輥轉(zhuǎn)速增大使得供肥量增大，即單位時間內(nèi)排肥量增大。

表8 方差分析Tab.8 Variance analysis

圖13 車速及下料輥轉(zhuǎn)速交互作用對單側(cè)每米施肥量影響的響應(yīng)曲面Fig.13 Response surfaces of interaction of driving speed and feeding roller rotation speed on effect of one side fertilization amount per meter

圖14 田間作業(yè)效果Fig.14 Field operation effects

5.3 田間試驗

為測試有機肥條鋪機在果園環(huán)境中的適應(yīng)性，在楊凌扶特斯苗木有限公司蘋果園進(jìn)行菌渣溝施肥作業(yè)。果園行距3.5 m，條溝間距2.2 m，車速1.0 km/h，下料輥轉(zhuǎn)速40 r/min，施肥量18.7 kg/m(圖14a)。導(dǎo)料板調(diào)整為單側(cè)下料形式，在陜果集團武功有限公司新建獼猴桃園進(jìn)行羊糞單側(cè)對溝施肥作業(yè)。車速1.2 km/h，下料輥轉(zhuǎn)速20 r/min，施肥量為4.7 kg/m(圖14b)。機具可適應(yīng)果園作業(yè)環(huán)境和施肥量要求，作業(yè)效果良好。試驗中為了檢查施肥效果，沒有安裝覆土鏟。

6 結(jié)論

(1)基于果園秸稈覆蓋機，研制了果園有機肥條鋪機，整機由車體和條鋪裝置組成，肥箱容積5.6 m3。設(shè)計了以伸縮式螺旋排肥器為核心的條鋪裝置。條鋪間距為1.8～2.7 m，適應(yīng)行距為3.0～4.5 m的果園有機肥對溝施肥或行間雙側(cè)條鋪。條鋪裝置也可與通用撒肥車配套，用于馬鈴薯、棉花、西瓜等多種大田作物對行施基肥或條鋪栽培基質(zhì)。

(2)針對伸縮式排肥器無螺旋段流動性較差的糞肥易堵塞問題，運用EDEM 2018對3種不同排肥口結(jié)構(gòu)的伸縮式螺旋排肥器的排肥性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，排肥口結(jié)構(gòu)為斜口形(XK型)時，伸縮槽無螺旋段肥料流動性最好，不易堵塞且排肥均勻。

(3)條鋪試驗中，腐熟牛糞和菌渣的施肥量分別達(dá)29.40～53.10 t/hm2和21.45～75.00 t/hm2，變異系數(shù)分別小于等于15.48%和6.57%。腐熟牛糞、菌渣施肥量模型的決定系數(shù)分別為0.871 3和0.963 1。果園實地試驗中機具作業(yè)效果良好。