刮板式有机肥条铺与旋耕混合施肥机设计与试验

谭好超 徐丽明 马 帅 牛 丛 闫成功 沈聪聪

(中国农业大学工学院，北京 100083)

0 引言

我国是农业生产大国，林果栽培面积居世界第一位[1]。在林果生产过程中，若有机肥施用不合理直接导致优果率下降，降低农民收益，合理施用有机肥能够保证植株的生长发育，促进作物增产增收[2-4]。

目前，国内外相关领域学者对有机肥施肥机械设计与应用进行了诸多研究。国外发达国家对施肥机械化研究起步较早，法国库恩公司研制了一款侧式撒肥机，该机器通过螺旋输送器输肥和锤片撒肥实现有机肥的稳定抛撒[5]；MARTYNOVA等[6]设计了一种有机肥深层施肥机，采用深层松土与有机肥施肥相结合的方式，提高了土壤肥力和透气性；德国Amazone公司研制了一款ZA-TS型离心式撒肥机，机器工作宽度18～54 m可调，配备有边界识别装置，可确保撒肥准确，不越边界[7]；国内对有机肥施肥机械的研究起步晚，肖宏儒等[8]研制了1KS60-35X型果园双螺旋开沟施肥机，采用双轴设计，前刀轴实现破土，后刀轴实现搅土，刀轴中间采用通孔设计，实现了搅土施肥联合作业；胡永光等[9]研制了一款茶园施肥机，采用叶片位置倾角可调的偏置式撒肥离心盘，可以获得较好的撒肥均匀性；何义川等[10]研制了2FK-40型果园开沟施肥机，实现了开沟、施肥、覆土一体化作业。施肥机械多种多样，多集中在深施或表面撒施，表面撒施有机肥会造成肥料随雨水流失，且作物收获后土壤表层紧实，通气性较差，造成根部吸收能力减弱，对于根系较浅的作物又不适合深施。

本文针对上述问题并根据调研地区人工施肥的缺点，设计一种刮板式有机肥旋耕施肥装置，根据作业幅宽要求，将有机肥铺撒在地表，同时由旋耕机构将撒在表面的有机肥与表层土壤旋耕混合，不仅可以破碎结块的表层土壤，而且土肥混合后更利于作物养分吸收，以提高结果率和改善果实品相，解决人工施肥不准确和均匀性差的问题。

1 整机结构与工作原理

1.1 果园种植模式及施肥农艺要求

以棚架栽培果园为设计参考依据，其种植模式如图1a所示。行距D1在3～4 m之间，株距在1.5～3 m 之间，在离地高度D2为1.8 m位置设有铁丝网。施肥位置以果树为中心，左右两侧铺施有机肥，单侧施肥宽度D3为0.8～1.2 m。施用的有机肥大多数呈粉末状，其间掺杂着少量块状有机肥，如图1b所示。

图1 果园种植模式和有机肥类型

1.2 整机结构

刮板式有机肥条铺与旋耕混合施肥机结构如图2所示，主要包括机架、肥箱、传动装置、刮板排肥装置、旋耕装置等，旋耕装置位于肥箱正下方，施肥口后方，能够实现先施肥后旋耕的作业顺序。

图2 有机肥施肥机整体结构图

1.3 工作原理

作业前，通过拖拉机三点悬挂与机具连接，并通过十字万向节传动轴将拖拉机动力输出轴(Power take-off shaft, PTO)和机具上变速箱连接，为其提供动力输入。在地头将有机肥装满肥箱，结合施肥量要求，通过旋转手轮，调整排肥口开口高度，通过限深轮调整旋耕深度。作业时，拖拉机靠近植株前进。圆环链轮旋转，带动刮板将有机肥连续地从排肥口排出，排出的有机肥呈条状平铺在地表；旋耕装置将铺撒在地表的有机肥与土壤旋耕混合，最后拖板将土肥拖平。

1.4 主要技术参数

结合种植模式和施肥要求，确定有机肥条铺施肥装置主要技术参数，如表1所示。

表1 主要技术参数

2 关键部件设计

2.1 肥箱设计

合理的肥箱结构减少装肥次数[11]，节省劳力。地块有效施肥长度45 m，果树单侧施肥幅宽1 m，两侧均需施有机肥，施肥量为45 m3/hm2。结合施肥要求，同时要避免行驶途中出现肥料不足等情况，设计的有机肥肥箱容积约为0.7 m3，此容积能够满足一次往返所需的施肥量。肥箱结构设计为倒梯台结构，梯台锥面与水平面夹角为70°，大于有机肥料休止角[12-13]，保证有机肥能够顺利沿锥面向下流动。同时，在肥箱前端锥面设置有排肥口，通过2个手轮控制挡肥板在滑道槽中上下移动，从而调节开肥口高度，滑道槽表面每隔1 cm设置一条刻度线，可以实现开口高度准确调节，如图3所示。

图3 肥箱结构示意图

2.2 有机肥排肥装置

为实现条状施肥作业，本文设计的排肥装置采用刮板式排肥结构，如图4所示，主要由圆环链、圆环链轮、刮板、肥料支撑板等组成。排肥支撑板安装在肥箱底部，通过螺栓与肥箱固定。工作时，刮板通过圆环链轮带动，以一定速度从肥箱底部刮有机肥并向前输送。

图4 排肥链结构示意图

2.2.1排肥过程中运动分析

摩擦力是影响排肥性能的因素，为便于分析，将肥箱中的有机肥料分为上下两层，下层有机肥是指位于肥料支撑板上方，并处于前后两个刮板中间且与刮板等高的有机肥，上层有机肥是指位于刮板之间且处在下层肥料之上的有机肥[14]。下层有机肥靠刮板推力和内摩擦力相互作用实现向前排肥，上层有机肥受到内摩擦力和有机肥与肥箱侧壁所产生的阻碍摩擦力作用，当内摩擦力大于阻碍摩擦力时才能实现向前排肥。若上层肥料排肥高度过大，所产生的阻碍摩擦力大于内摩擦力，不能将上层肥料全部排出，因此合适的上层排肥高度对排肥的准确性有重要影响。

将前后刮板间的上层有机肥简化为一个受力单体，受力分析如图5所示。

图5 上层有机肥输送过程受力分析

由图5可知，阻碍摩擦力[15]、内摩擦力计算式为

(1)

Fs=2Fb

(2)

F0=μ1N=μ1ρwbha

(3)

式中Fb——单侧料箱侧壁对肥料的摩擦力，N

Fs——双侧料箱侧壁对肥料的摩擦力,N

F0——内摩擦力，N

ha——保证上层肥料稳定排出的极限高度，mm

b——刮板间距，mm

w——刮板长度，mm

μ1——内摩擦因数N——肥料压力，N

μ2——上层有机肥料与肥箱侧壁的阻碍摩擦因数

ρ——有机肥容重，N/m3

α——侧压系数

上层有机肥能够在内摩擦力的作用下均匀稳定地向前排肥临界条件为

F0≥Fs

(4)

联立式(1)～(4)可得

(5)

参照文献[15-16]确定内摩擦因数μ1为0.16，阻碍摩擦因数μ2为0.54，α为0.43，本研究中刮板长度w为900 mm，计算得极限高度ha为704 mm，此极限高度远远大于本研究中设计的最大开口高度 150 mm，符合上层肥料稳定排肥要求。

大多数刮板长度都小于等于600 mm，而本研究针对当地农户的施肥要求设计刮板长度为900 mm，因此，在相同排肥量的前提下，所要求的排肥口高度低。当高度低时，影响排肥性能的有机肥料不仅局限于上层有机肥，位于刮板之间的下层有机肥排肥亦不能忽略，为确定下层有机肥排肥过程的影响因素，对下层有机肥料进行受力分析，如图6所示。

图6 下层有机肥料输送过程受力分析

将下层有机肥等分为n个等长度单元(图6)，在水平方向上每一个单元在合力Fi(i=1,2,…,n)的作用下向排肥口运动。以第1个单元为例进行分析，第1个单元所受到的合力为

F1=F-F01-Fh1-Fl1

(6)

式中F1——第1个单元所受合力，N

F01——上层有机肥对第1个单元的内摩擦力，N

Fh1——第1个单元与肥料支撑板之间的阻碍摩擦力，N

F——刮板推力，N

Fl1——第2个单元的阻力，N

第1个单元合力作用于第2个单元上，所以第2个单元合力为

F2=F1-F02-Fh2-Fl2

(7)

联立式(6)、(7)，并逐次累加，可以得到第n个单元所受到合力为

(8)

由此计算得知，在相同瞬时间t内，每一个单元的增速vi为

(9)

式中vi——第i个单元体增速，m/s

m——单元质量

由式(8)、(9)可知，离刮板越远的单元受到的合力越小，速度增量(相对于排肥口速度)越小，相同时间内通过排肥口的肥料越少，排肥量也越小；相反，离刮板近的单元受到合力较大，相同时间内速度增量大，通过排肥口肥料数量越多，排肥量也越大，但速度不会无限增大，若速度超过刮板的速度，则单元就与刮板脱离，便不会有推力作用，单元就会因摩擦阻力的作用减速，因此靠近刮板的单元极限速度不会高于刮板速度。由于前后单元受力不均衡，引起前后速度差，因此，为使得排肥均匀，需减小前后肥料速度差，即选取合适的刮板间距。当刮板长度w大于200 mm时，刮板间距b一般经验公式为[17]

b=0.6w

(10)

采用高强度圆环链条，型号为10×40，矿用圆环链与圆环链轮的啮合位置结构如图7所示，刮板只能与链节2固定才不会与圆环链轮发生干涉，经验公式(10)并不适应于本设计，即刮板间距计算式为

图7 圆环链结构及啮合示意图

b=ns(n=1,2,…)

(11)

式中s——一组圆环链节距，取80 mm

2.2.2施肥量计算

结合施肥量要求和施肥宽度，得到机器行走单行施肥量为

(12)

式中Q1——目标施肥量，kg/m2

D1——行距，mL——施肥宽度，m

ρl——有机肥料堆积密度，kg/m3

D1取3.5 m，L取1 m，ρl为620 kg/m3，将数值代入式(12)，得到目标施肥量为4.88 kg/m2。

刮板理论排肥量计算公式为

(13)

式中Q2——理论排肥量，kg/m2

h——开口高度，mm

n——圆环链轮转速，r/min

γ——倾角系数δ——输送效率

Rr——圆环链轮半径，mm

v——拖拉机前进速度，km/h

从式(13)可以看到，刮板的实际排肥量与排肥口高度、链轮转速、拖拉机的前进速度有关，且与排肥口高度、链轮转速呈正相关，与拖拉机前进速度呈负相关，3个变量因素共同影响排肥量。因此根据施肥量农艺要求，需要确定合适的刮板间距、开口高度、链轮转速和拖拉机前进速度。

2.3 旋耕部分设计与转速确定

旋耕部分可实现向后向和侧向抛土[18]，将地表有机肥旋入土壤，并在抛撒过程中实现有机肥与土壤的混合。其主要由刀辊、刀库和旋耕刀组成，其结构如图8a所示。旋耕刀作为入土部件，合适的排列安装会减小作业时阻力，能够避免漏耕和堵塞，根据《农业机械设计手册》与相关研究[19-20]，本文设计的旋耕刀排列方式为双头螺旋排列，相邻同向旋耕刀的周向夹角为60°，相邻回转面距离为65 mm，远小于土壤侧向位移。为保证在旋耕过后地表平整，左、右弯刀在刀辊上交错式安装，刀辊两端旋耕刀向里弯，防止往外抛土，其弯刀排列展开图如图8b所示。

图8 旋耕刀结构及排列示意图

旋耕刀运动参数影响整机作业性能，在作业过程中，为保证刀片正常切土，避免出现旋耕刀推土现象，需使得旋耕速比λ大于1。λ计算式为

(14)

式中nr——旋耕刀转速，r/min

R——旋耕刀回转半径，mm

在旋耕刀刚接触土壤的状态下，以刀辊的回转中心O为中心，拖拉机前进方向为x轴，竖直向下为y轴，建立如图9所示的直角坐标系，旋耕刀切削点a的运动轨迹方程为

图9 旋耕刀运动轨迹及切土面积示意图

(15)

式中tx——旋耕刀运动时间，s

ω——旋耕刀角速度，rad/s

从式(15)得，旋耕刀运动轨迹为摆线，当轨迹为余摆线时才能实现抛土[21]，本文设计的旋耕部分主要作用是将地下土壤抛起实现与表面有机肥混合，因此需构建旋耕刀切土量参数方程，以分析影响切土量的因素。以单把旋耕刀为例进行分析，在同一回转周期内其切土体积可近似计算为切土面积与切土厚度G的乘积，切土厚度G计算式为[22]

G=Csin(π-θ)

(16)

式中C——旋耕刀正切刃切削长度，mm

θ——正切刃弯折角

选用T195旋耕刀，对于特定旋耕刀，正切刃切削长度L与正切刃弯折角θ为定值，即切土厚度不变，因此切土面积S直接影响切土体积V。

切土面积S包括a、b、d、e围成的曲边四边形面积S1和b、e、f围成的弧形面积S2，点a为旋耕刀第一周期轨迹曲线刚切削土壤的起始点；点b、c为第1周期轨迹曲线与第2周期轨迹曲线的交点，其中，点c表示第2次相交；点d表示第2周期轨迹曲线刚与土壤接触的点；点e为过点b延长线与第2周期轨迹曲线的交点。则切土面积S可以表示为

(17)

式中D——切土节距，mm

y2(x)——曲线ed段函数方程

x1(y)——曲线ab段的反函数

x2(y)——曲线ed段的反函数

a、b、c、d、e的下标为点a～e在x轴或y轴上的坐标。

联立式(15)、(17)将其转换为含有时间t的方程

(18)

其中

(19)

式中t1～t5——切削点运动到点a～e的时间，s

T——旋耕刀周期时间，s

hr——耕深，mm

hc——沟底凸起高度，mm

切土节距D为

(20)

式中z——同一回转平面内旋耕刀数量

综合式(14)、(15)、(17)～(20)可以计算切土面积S为

(21)

其中，t1、t2关系为

(22)

结合式(20)～(22)以及实际生产经验，可以看出切土面积S与D、R、h、ω、z等参数有关，在选定旋耕刀工作条件下，回转半径R可视为定值，根据当地用户要求，耕深一般为10～12 cm，本文设计的旋耕刀为双螺旋排列，故z为2，根据排肥量前进速度取值为2.8 km/h，由于果树种植以砂壤土为主，且本机器中的旋耕部件主要目的不以碎土为主，而是将表层有机肥旋入土壤，与土壤混合，提高有机肥利用率，故切土节距相对于旋耕标准可以取稍大值，以《农业机械设计手册》中含水率20%～30%稻田土的切土节距为参考，本文取切土节距D为14 cm，综合上述分析并结合式(14)、(20)计算得到旋耕转速nr为167 r/min，取整为170 r/min，旋耕速比λ约为4.57，符合旋耕部件设计要求。

3 施肥过程EDEM仿真

3.1 仿真模型建立

为对有机肥排肥过程进行运动分析并求解最优工作参数，采用离散元仿真软件模拟刮板排肥过程，将求解的最优工作参数通过实际试验验证仿真结果的准确性。首先在SolidWorks软件中建立肥箱、刮板的简化三维模型，模型尺寸与实际大小一致，将三维模型保存为parasolid(*.x_t)格式，导入到EDEM软件中。在EDEM中建立长20 m、宽1 m肥料收集槽，并设置质量传感器以检测施入收集槽中的有机肥料，如图10a所示。根据需要排出的有机肥量和预设的仿真时间，生成大量的有机肥颗粒。有机肥离散元参数参照文献[23-25]，选择JKR(Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts)接触模型，根据缩放理论和量纲分析[26-27]，对相应的离散元参数进行修正后，用休止角试验进行验证，如图10b、10c所示。最终相关仿真参数如表2所示。

图10 仿真模型示意图

表2 离散元仿真参数

3.2 响应面试验设计

由式(13)可知，影响排肥量的因素有刮板间距、拖拉机前进速度、圆环链轮转速、开口高度。根据旋耕作业拖拉机前进速度，设取值范围为2～4 km/h，结合文献[17]和刮板长度以及所要求的施肥量，圆环链轮转速取10、14、18 r/min 3个水平，其直径为175 mm，计算得到圆环链轮在3个转速下线速度均在0.08～1.0 m/s之间，符合链轮转速的农艺要求。开口高度计算式为[28]

(23)

式中q——链轮转一圈的排肥量，kg

d——链轮直径，mm

在理想条件下，即有机肥料之间无空隙、无粘结、无阻碍的条件下进行估算，同时根据预试验，开口高度h取值为25～106 mm，根据所要求的理论施肥量，确定开口高度为25、45、65 mm。从图5、6受力分析可得，刮板间距直接影响排肥性能。根据式(11)以及设计经验，刮板距离太近会使得摩擦阻力增加，同时为防止出现断条现象，在前方刮板经过排肥口之后，至少保证有一个刮板已经进入到肥箱底部，因此选取刮板间距3个水平为160、240、320 mm。所要求的施肥量在结果范围内，表明各水平选择合理，试验因素编码如表3所示。

表3 试验因素编码

相对误差和变异系数分别作为施肥量准确性和均匀性的评价指标，相对误差越小，表明施肥量越接近目标值，变异系数越小，表明施肥均匀性越好。仿真中，0～3 s生成90 kg有机肥颗粒，3～13 s使各部件按照所设定速度开始运动，在刮板作用下，有机肥颗粒会被带到排肥口排出，以条铺的形式铺到地面上。仿真结束后，在中间稳定排肥阶段以1 000 mm×1 000 mm×200 mm的取样器取样称量，数据可直接由质量传感器得出。连续取3次求平均作为仿真时排肥量，以此数据计算相对误差；距离第3次取样位置0.5 m处，以500 mm×1 000 mm×200 mm的取样器取样，连续取5次求标准差和平均值，以此数据计算施肥的变异系数。

3.3 响应面试验结果分析

选择Box-Behnken响应面试验，5个中心点重复试验，总共29组试验，试验方案及结果如表4所示。

表4 响应面试验方案及结果

使用Design-Expert 8.0软件对仿真试验结果进行处理[29-30]，以E和CV为因变量分别建立回归模型[31]，并对其进行显著性分析，分析结果如表5所示。

表5 回归模型方差分析

由表5可知，E和CV的回归模型P均小于0.000 1，失拟项大于0.05，表明回归模型准确，拟合较好。从F及显著性来看，4个因素均对E有影响，影响E的主次顺序为：开口高度h、前进速度v、链轮转速n、刮板间距b。影响CV的主次顺序为：刮板间距b、开口高度h、链轮转速n、前进速度v，刮板间距和开口高度对CV影响极为显著。删掉不显著项，得到修正的E和CV的回归方程分别为

E=100.85-1.56h+13.43v-3.71n+0.08b+

0.78hv-0.09hn+1.51vn-0.02h2-7.85v2

(24)

CV=-89.91+1.69h+27.4v-5.13n+

0.52b-0.49hv+0.09hn-0.008hb

(25)

由表5可知，对相对误差而言，开口高度与链轮转速、开口高度与前进速度、前进速度与链轮转速具有交互作用；对变异系数而言，开口高度与链轮转速、前进速度、刮板间距均有交互作用，由生成的响应曲面图(图11、12)分析交互作用因子对E和CV的影响规律。

由图11a可知，在前进速度、刮板间距固定的情况下，开口高度对相对误差的影响较大，这主要因为开口越大，排肥量呈正比增加。且随着开口高度的增加，相对误差逐渐减小，最后变为负值，这表示施肥量逐渐接近目标施肥量，当相对误差为零时，表明已经达到施肥要求，当相对误差为负值时，表明超过目标施肥量。当链轮转速在高水平时，开口高度的变化引起响应值的跨度较链轮转速在低水平时的跨度大。跨度越大，表明施肥量变化范围越大，故可以适当增大链轮转速、减小开口高度达到目标施肥量。

由图11b可知，开口高度对相对误差的影响与前进速度对相对误差的影响规律相反，相对误差随着开口高度的增加先正向减少后反向增大，随着前进速度的增加先反向减小后正向增大。当开口高度为低水平时，相对误差随着前进速度的增加而增大，但是变化幅度较小，当为高水平时，相对误差随前进速度的增大而增大，但变化幅度较大，这是因为开口高度较小时，排肥量很小，即使前进速度增加，较少的排肥量也不足以引起误差，所以变化幅度较小，开口高度为高水平时，正好与此相反。

图11 交互因子对相对误差的影响

由图11c可知，当链轮转速为低水平时，前进速度对相对误差的影响呈正相关，相对误差随前进速度的增加逐渐增大，当链轮转速在高水平时，相对误差由负变为零，后又逐渐增大，表现在施肥过程中为，施肥量逐渐减少，当小到目标施肥量时，误差为零，而后继续减少，逐渐小于目标施肥量，表现在误差逐渐增大。链轮转速在较低水平时，相对误差随前进速度的增加而逐渐增大，这是因为转速固定时，施肥量为定值，此时增大前进速度，使得抛撒在地表上的施肥距离增加，即单位距离上的施肥量变小，则会引起相对误差增大。

由图12可知，开口高度与其他因素的交互作用均对变异系数有影响，在其他因素固定时，变异系数与开口高度呈负相关，当开口高度为高水平时，变异系数较小，变异系数为低水平时，变异系数较大。这是因为，在所选择的开口高度水平内，上层有机肥在摩擦力的作用下以连续整体的物料流运动[14]，开口高度越大，上层有机肥所占比重越多，远超下层有机肥的排肥量，使得下层排肥的不均匀性减弱，CV则会越小，当开口高度最大时，排肥量中上层均匀稳定的有机肥所占比重最多，此时其余因素无论如何变化，变异系数都不会发生很大变化。当开口高度较小时，上层排肥量减少，下层排肥量相对增多，排肥不均匀性更加明显，表现在CV较大。

图12 交互因子对变异系数的影响

由图12可得，开口高度为25 mm时，此时施肥量仅为下层有机肥的排肥量，且变异系数随链轮转速的增加而减小，随前进速度和刮板间距的增加而急剧增加。这是因为前进速度和刮板间距不变时，增大链轮转速，即提高了前进方向上单位距离长度上的施肥量，使得在取样器内所取有机肥的量增多，刮板排肥的不均匀性减弱，CV就会减小；当链轮转速与刮板间距不变，则排肥量不变，前进速度越大，会使得排肥距离增加，即单位距离长度的施肥量减少，在取样器内所取有机肥的量减少，刮板排肥的不均匀性增加。

3.4 刮板间距排肥规律

固定其他因素不变，仅改变刮板间距，将不同刮板间距的下层有机肥等间距取16个样本，测得其平均速度增量(相对于前进速度)如图13a所示，速度增量使得肥料颗粒向排肥口(图13b)运动。从图13b可知，距离刮板越近，速度增量越大，且越接近于刮板的速度增量(0.128 m/s)，距离刮板越远，速度增量越小。刮板间距越小，则速度增量变化曲线越缓慢，即因摩擦阻碍等因素造成的速度损失越小，刮板前后速度差也越小，相同时间内通过排肥口的颗粒数量差异越小，CV也越小，同理，刮板间距越大，前后速度差越大，施肥量差异越大，施肥越不均匀。

图13 不同刮板间距的速度增量

有机肥经过排肥口的施肥过程如图14所示，图14a～14f表示刮板从距离排肥口最远逐步运动到排肥口的过程，从图14a可以看到，刮板此时离排肥口最远，排出的有机肥颗粒最少，从速度图例上看到，此时排出的有机肥速度最低，随着刮板继续前行，排肥量逐渐增多，此时位于排肥口的有机肥排出速度也逐渐增大。在刮板的作用下，有机肥全部排至收集槽中，如图14g所示。从图14g可看出，有机肥在收集槽中以一多一少的规律相间排列，图14a为速度增量小的有机肥经过排肥口的情况，图14f为刮板靠近排肥口时(速度增量较大)的排肥情况，明显看出，图14f的排肥口颗粒数量比图14a中的多，此仿真结果与前受力分析得到的结果相一致。

图14 施肥过程示意图

3.5 优化工作参数

为寻求最佳工作参数，以相对误差、变异系数均小于10%为目标，通过Design-Expert的Optimization-Numerical模块对参数进行求解，求解得到开口高度h、前进速度v、链轮转速n和刮板间距b的最优组合为53.17 mm、2.8 km/h、15.96 r/min、160 mm。

4 田间试验

4.1 排肥性能试验

4.1.1试验条件及方法

排肥性能试验于2021年9月在山东省高密市益丰机械有限公司进行。试验所采用的有机肥为山东肥土家农资有限公司生产的粉末状羊粪有机肥，粒径小于等于10 mm，含水率为27.8%。

试验时，将肥箱中装入有机肥150 kg，根据仿真得到的最优工作参数进行试验，拖拉机输出转速为540 r/min,刮板间距为160 mm,排肥口高度为53.17 mm,以速度2.8 km/h前进20 m，得到铺在地面上的条状有机肥，取中间施肥较为稳定阶段进行取样，每1 m取一次，连续取3次，取平均作为一次试验的施肥量，以此数据计算排肥相对误差；中间隔0.5 m，每0.5 m取一次，连续取5次，计算变异系数。试验情景及试验后取样如图15所示。此过程重复试验3次取均值，并记录试验结果。

图15 试验场景及取样

4.1.2结果分析

排肥性能试验结果如表6所示，3次试验最低排肥量为4.9 kg/m2，最大排肥量为5.26 kg/m2，平均排肥量为5.099 kg/m2，与理论排肥量相对误差为4.5%，变异系数最大为14%，最小为3.3%,平均变异系数为8.8%，表明通过仿真求得的参数可靠，根据优化的参数加工的有机肥施肥装置排肥性能较好，满足施肥要求。

表6 最优工况下施肥性能试验结果

4.2 旋耕混合性能试验

4.2.1试验条件及方法

旋耕混合性能试验于2021年12月14日在陕西西安某果园进行，使用肥料与排肥性能试验一致，试验条件与排肥性能试验相同。为便于混合试验取样，对100 kg有机肥用氧化铁蓝色染料染色，将染色的有机肥倒满肥箱，进行田地施肥作业；开始工作前，通过限深轮调整旋耕深度至10 cm左右，启动拖拉机动力输出，前进速度为2.8 km/h。作业完成后，选取中间稳定施肥阶段取样，为研究旋耕混合效果，以200 cm3的环刀进行取样，单层环刀高度5 cm，用上下叠加的双层环刀一次性取10 cm厚的土肥混合物，每隔1 m取一次，总共取8个样本点，试验过程如图16所示。

图16 土肥混合作业试验

土肥混合后，很难将其分离，为便于观察不同深度的混合浓度，将上下两层的土肥混合物分别倒入并平铺在155 mm×100 mm×55 mm的方盒中，通过图像采集装置，分别对每个样本上下层有机肥混合物进行图像采集，通过图像处理技术，对获取图像进行腐蚀、膨胀处理、有机肥区域面积比例计算等相关操作[23,32-33](图17)，可得每个样本中上下两层的有机肥颗粒比例，如表7所示。忽略其他外部因素影响及系统误差，并将有机肥理想化，理论上深度10 cm内有机肥与土壤的均匀混合比例e为

表7 有机肥颗粒比例

图17 有机肥混合物图像处理

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经计算，理想情况下有机肥与土壤混合比例为7.87%，实际由于人为误差，系统环境等因素会使得混合比例增高或略有降低。

4.2.2结果分析

由表7可知，田间试验的有机肥土壤混合比例平均值为9.06%，略高于理论值，上层有机肥颗粒比例平均值为11.83%,高于理论值7.87%，下层有机肥颗粒混合比例平均值为6.29%，略低于理论值。经过一次旋耕后，上层有机肥混合比例比下层混合比例高，随着深度的增加，有机肥混合比例降低。

5 结论

(1)设计了一种刮板式有机肥条铺旋耕混合施肥机，对施肥过程中上下层有机肥料分别进行了动力学分析，并计算了上层有机肥稳定排肥的临界值。结合并根据要求计算得目标施肥量为4.88 kg/m2。通过理论分析，得到影响旋耕切土量的相关参数，并结合相关要求以及实际经验，求解得旋耕转速为 270 r/min，旋耕速比为4.57，符合设计要求。

(2)通过离散元仿真，以相对误差和变异系数为评价指标，对开口高度、前进速度、链轮转速、刮板间距进行了最优工作参数求解，得到开口高度h、前进速度v、链轮转速n、刮板间距b的最优组合为53.17 mm、2.8 km/h、15.96 r/min、160 mm。并对下层有机肥排肥规律进行了理论分析，得出了不同刮板间距的有机肥排肥速度。

(3)排肥性能试验得平均排肥量为5.099 kg/m2，试验结果与理论施肥量的相对误差为4.5%，变异系数为8.8%，表明仿真所求参数可靠，施肥准确性和均匀性较好，根据最优参数加工的施肥装置施肥性能较好，满足施肥性能要求。旋耕混合试验中，通过图像处理，得到不同深度的有机肥混合比例，上层有机肥混合比例平均值为11.83%，下层有机肥混合比例值为6.29%,混合比例随深度增加而降低，平均混合比例为9.06%，接近理论计算值7.87%，表明混合性能较好。