滑刀开沟-气力引射式液肥雾化侧深施肥装置设计与试验

杨秀丽 ，陈 彬 ，邢 航 ，甄文斌 ，齐 龙 ,2※

（1. 华南农业大学工程学院，广州 510642；2. 岭南现代农业科学与技术广东省实验室，广州 510642；3. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014）

0 前言

国内水稻施肥方式一直以表面撒施、条施、喷施技术为主，存在化肥用量高、利用率低的问题，对生态、农业绿色可持续发展造成了阻碍[1]。水稻侧深施肥技术可将肥料施在水稻秧苗根系附近并让泥土覆盖，最大程度提高肥料利用率，施肥量相对传统施肥方式少，可降低化肥对水田周边水系的污染，促进水稻分蘖，提高水稻产量[2-3]。现有的水田肥料侧深施机具多使用固体肥，国产固体肥受潮后黏度变大，易造成排肥不均、肥料堵塞等问题；液肥具有吸收利用率高、肥效好、成分配比精准、利用率可达80%以上[4]。因此，开展水田液肥侧深施肥机械的研究对水稻绿色生产具有重要意义。

液肥深施技术可分为条形深施和扎穴深施。RAHMAN 等[5]研制了一种Y 型犁刀及圆盘开沟器相结合的液肥注射式深施装置，利用圆盘开沟器减少Y 型犁刀的工作阻力，通过Y 型犁刀控制施肥深度并增加液肥与土壤的作用面积，从而提高肥料利用率。BASSETT[6]研制了一种液肥开沟深施机，该机利用波纹圆盘开沟器开沟，肥料通过喷肥器施入沟中，最后由镇土轮覆盖压实土壤，实现液肥侧条深施。奚小波等[7]研制了气爆松土注肥机，液肥在注肥机构作用下可在深土层中无堵塞喷射，并均匀扩散，工作效率达0.048 hm2/h。

SILVA 等[8]研制的液肥扎穴深施机，由地轮驱动凸轮转动，带动曲柄滑块机构上下运动从而完成扎穴注肥作业，扎穴深度为90 mm。王金武等[9]设计了一种扎穴施肥机，这种施肥机药液喷射均匀，覆盖性较好，喷肥针的施肥深度达18 cm，对作物的机械损伤较小。杨自栋等[10]设计了一种轮盘式液肥穴播深施机,该机可实现等距、膜下、变量深施液肥，可调节施肥深度和施肥量，并能将液肥直接施入作物根系附近。周文琪等[11]针对深施型液肥穴施肥机存在损伤作物、穴口宽度大和喷肥效率低等问题，设计了一种深施型斜置式液肥穴施肥机，该机扎穴性能优越，肥料喷射均匀，对作物的机械损伤小，穴口宽度、作物损伤率、施肥量和施肥深度分别为45.0 mm、0.3%、28.5 mL/次和102 mm。

由此可见，对于液肥条形深施和扎穴深施装置国内外学者进行了深入研究，并取得了良好效果。SAGLAM等[12]指出气体肥料能够与土壤混合更均匀，相比液肥吸收利用率更高。故本文结合机械侧深施肥技术与液肥的各自优点，提出液肥雾化侧深施技术，利用高压气流引射液肥，使液肥处于雾化状态，增加与土壤颗粒的接触面积，使肥料与深层土壤充分混合，以减少肥料流失，提高肥料利用率。参考现有文献设计气力引射式雾化施肥器和滑刀式开沟器的结构参数，应用EDEM 软件仿真优化滑刀式开沟器，研制一种适用于水田的滑刀开沟-气力引射式液肥雾化侧深施肥装置，该装置采用滑刀式开沟器开沟，利用气力引射式雾化施肥器雾化引射液肥，将液肥侧深施于水稻根区附近土壤。

1 材料与方法

1.1 滑刀开沟-气力引射式液肥雾化侧深施肥装置

1.1.1 总体结构

滑刀开沟-气力引射式液肥雾化侧深施肥装置主要由气力引射式雾化施肥器、开沟部件、安装支架组成；其中开沟部件由破土部件、推土部件、挡泥板、挡泥罩组成，如图1 所示。

图1 滑刀开沟-气力引射式液肥雾化侧深施肥装置结构示意图Fig.1 Structure diagram of side-deep fertilization device with sliding-knife furrow opener and pneumatic ejector liquid fertilizer atomizer

气力引射式液肥雾化施肥器采用气液同轴雾化机构，通过螺栓固定连接在挡泥部件中间，利用高速气体在气力引射式雾化施肥器内部产生负压，从而引射液肥（前期试验发现，在0.1 MPa 的供气压力下即可引射液肥，在0.2 MPa 的供气压力下即可雾化液肥，提高了施肥作业效率及均匀性），配合开沟部件实现开沟、施肥一体化作业，进而实现液肥雾化侧深施。通过变换安装支架在水田拖拉机机架上的安装高度，可实现施肥深度调整。该装置可加装于插秧机、直播机或水田中耕机上，同步完成侧深施肥或追肥作业。

1.1.2 气力引射式雾化施肥器

气力引射式雾化施肥器属于引射器或喷射器的一种，是利用高压工作流体的射流作用在施肥器内部产生负压，进而卷吸低压流体进行质量、动量和能量交换的装置。引射器主要结构包括：工作流体入口、工作流体喷嘴、引射流体入口、接收室、混合室（喉部）、混合流体出口等，如图2 所示。

图2 气力引射式雾化施肥器结构示意图Fig.2 Structure diagram of pneumatic ejector fertilizer atomizer

喷嘴采用拉瓦尔喷管形式，收缩角α一般为18°～37°[13]。在拉瓦尔喷管收缩段，气体运动遵循气体流速与管道截面面积成反比的运动规律，收缩角α越小，出口气体流速越大[14]，抽吸的液体质量越大[13]。为提高引射效率，本文取α=18°；为降低工作过程中的耗气量，喷嘴出口直径取d=1 mm。

接收室收缩角γ通常取为30°～45°[15]。γ影响接收室的长度和气体的喷射距离，收缩角越小，气体喷射距离越长，能量消耗越多，同时施肥器尺寸也越大。综合考虑能耗和施肥器尺寸，本文取γ=45°。定义混合室（喉部）截面积S1与工作流体喷嘴出口截面积S2之比为面积比S，当S=4 时引射器有较好的工作性能[16]。根据S=S1/S2=D2/d2得D=2.0 mm，本文初步选取D为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 和4.0 mm。混合室长度Lh一般为D的3～7 倍，引射器则可获得较佳的引射性能，综合考虑D的取值和Lh的设计原则，结合加工方便性，取固定值Lh=10.0 mm。

喉嘴距L为工作流体喷嘴出口与接收室收缩末端之间的距离，根据引射器的引射原理，喉嘴距L=(0.8～1.5)d时，喷射器有较好的工作性能[17]，本文初步选取L为0.5、1.0、1.5 和2.0 mm。

当引射流体通道轴线平行于工作流体通道轴线时，引射器的能量损失最小[18]，本文采用气体通道与液体通道同轴方式设计气力引射式雾化施肥器内腔结构。

本文设计的气力引射式雾化施肥器主要由集流阀块、气管接头、气管、连接管件、内喷头和外喷头等组成，如图3a 所示。外喷头与集流阀块通过螺纹固定连接在连接管件两侧；内喷头放置在外喷头内，通过连接管件与外喷头凸台之间的挤压作用固定；气管接头通过螺纹连接固定在集流阀块内，二者之间设有密封垫圈；气管接头与内喷头之间通过连接管件的内部气管连接，形成中央气体通道；气管与连接管件之间形成环周液肥通道。

图3 气力引射式雾化施肥器Fig.3 Pneumatic ejector fertilizer atomizer

集流阀块上方开有阶梯状进气孔，侧面开有液肥进口，液肥进口轴线垂直且正交进气孔轴线；集流阀块上开有安装孔，保证了气力引射式雾化施肥器的安装固定。内喷头与外喷头采用渐缩锥形结构，二者出口孔同心，且它们之间形成相连通的液肥接收室和气液混合室；内喷头具有凸台，凸台上开有若干个呈圆周均匀分布的液肥通孔，液肥通孔前后连通环周液肥通道与液肥接收室。气管接头、内喷头与气管连接部分均设有宝塔接头，保证进气系统的密闭性。气力引射式雾化施肥器实物如图3b 所示。

1.2 滑刀式开沟器

水稻深施肥农艺要求施肥深度为30～80 mm，水田环境要求开沟器牵引阻力小、土壤扰动少、不缠草、不壅土、不堵塞等，本文设计的水田滑刀式开沟器主要由破土部件、推土部件、挡泥板组成。

1.2.1 破土部件

滑刀式开沟器是利用破土部件的刀刃进行钝角式开沟入土，沟底平坦，有一定的宽度使肥料与沟底土壤密切接触，其滑切部分为圆弧形刀刃，能切断部分杂草及秸秆，减少工作过程中的牵引阻力及触土部件夹挂杂草、秸秆等[19]。滑刀式开沟器的牵引阻力与破土部件的刃口曲线有关，刃口曲线的设计主要有二次函数曲线模型、等曲率半径曲线模型和指数函数曲线模型等。随着作业速度递增，开沟器牵引阻力增长速率满足规律：直线型最大、抛物线次之、指数曲线最小[20]。综合上述研究成果，本文采用指数函数曲线模型，刃口曲线如图4a 所示，图中开沟器可作业深度应大于最大施肥深度，本文取b=100 mm。刃口角示意图如图4b 所示，刃口曲线方程如式（1）所示[21]。由式（1）可知，滑切曲线的形状由起始滑切角θA、终止滑切角θB和可作业深度b确定。

图4 刃口示意图Fig.4 Diagram of cutting edge

为探讨滑切角与土壤阻力之间的关系，从而确定滑切角的取值范围，需进行刃口的受力分析。滑刀式开沟器在土壤中作业时，刃口曲线上任意E点的受力分析如图5 所示。

图5 刃口曲线上任意点E 受力分析Fig.5 Force analysis at any point E on the cutting edge curve

以E为坐标原点建立水平坐标系，x、y方向上的力平衡方程为

式中μ为土壤与开沟器的摩擦系数。

根据《农业机械设计手册》及相关文献[22]可知，只有起始滑切角θA＞φ时滑刀式开沟器才起滑切作用（φ为滑刀式开沟器与水田土壤之间的摩擦角，一般φ=10°），因此本文取θA=10°。分析图4a 知，从刃口曲线起始点A点开始，刃口曲线AB上各点的滑切角逐渐增加，由式（4）可知，当θ＜90°时，滑切角越大，土壤阻力越小。有研究表明，切割阻力随着滑切角的增大而减小[23]，开沟器刃口曲线终止滑切角θB＜55°时，开沟器入土阻力最小[21]。综合考虑，本文确定终止滑切角取值为10°＜θB＜55°，并等差选取θB=10°、32.5°、55°，应用EDEM 仿真软件进行仿真优化。

1.2.2 推土部件

推土部件横截面为等腰梯形的四棱柱，焊接在破土部件后方，作业时将堆积在破土部件的水田土壤推至滑刀式开沟器两侧，防止泥土瞬时回填肥沟。

推土部件的刃口角β是决定开沟器尺寸、工作阻力以及土壤扰动的重要因素。刃口角过小会加剧刃口磨损，使刃口发生变形失效，刃口角过大会导致入土阻力过大，取值范围不超过90°[24]。根据《农业机械设计手册》和预试验，综合考虑开沟器整体宽度和水田流动性，刃口角取值为10°＜β＜80°，等差选取β=10°、45°、80°，应用EDEM 软件进行仿真优化。

1.2.3 挡泥部件

挡泥部件由挡泥板和挡泥罩组成，挡泥板上开有长条形孔，气力引射式雾化施肥器可利用螺栓在长条形孔上滑动和锁紧，通过改变螺栓在长条形孔上的安装位置，实现气力引射式雾化施肥器施肥高度的调节。挡泥部件可使气力引射式雾化施肥器得到保护，保证其正常工作。为降低滑刀式开沟器工作过程中的开沟牵引阻力及对水田土壤的扰动，且为装配气力引射式雾化施肥器留出足够的空间，设计挡泥部件宽度为滑刀式开沟器最宽处为25 mm。

结合破土部件终止滑切角与推土部件刃口角的取值，设计不同结构参数的滑刀式开沟器，并应用SolidWorks软件建立三维模型，如图6 所示。

图6 滑刀式开沟器三维模型Fig.6 Three-dimensional model of sliding-knife furrow opener

1.3 离散元仿真试验

为分析滑刀式开沟器工作过程中水田土壤颗粒整体的运动形态及开沟器的应力分布情况，从而优化开沟器结构参数，并考虑到土壤颗粒具有一定的离散性，且水田土壤颗粒在机械部件工作过程中动态变化，本文采用离散元法描述水田土壤模型及其在机械部件作用下的动态变化过程，应用EDEM 软件对滑刀式开沟器进行离散元仿真优化。

1.3.1 水田土壤粒子离散元仿真模型

针对水田的流变特性，测量堆积角会存在较大误差，本文利用EDEM 测量物料堆积角经典方法（抽板法），结合塌落度试验测量水田土壤的塌落度和塌落拓展度，从而进行水田土壤离散元模型参数标定。

广东省的水田土壤类型以砂质黏土为主，故本文仿真试验中的研究对象选砂质黏土，粒径尺寸为微米级，在EDEM 环境中，将水田土壤仿真颗粒半径设为1 mm；选择Hertz-Mindlin with JKR 接触模型描述水田土壤颗粒之间的相互作用，模型中表面能为0.073 J/m2；选择Hertz-Mindlin 无滑移接触模型描述水田土壤颗粒与钢材之间的相互作用；颗粒工厂的颗粒生成方式设置为随机生成，且实际颗粒半径为基础半径的0.8～1.5 倍。根据相关文献[25]和EDEM 颗粒材料数据库（GEMM 数据库）确定水田土壤颗粒模型参数，如表1 所示。

表1 水田土壤颗粒仿真参数Table 1 Simulation parameters of soil particles in paddy fields

1.3.2 仿真模型建立和土壤颗粒参数修正

仿真计算时，根据水田实际作业环境（秧苗间距为300 mm），结合滑刀式开沟器实际尺寸、作业深度、宽度等，在EDEM 软件中建立长×宽×高为500 mm×300 mm×200 mm 的小型土槽模型，底面材料设定为钢。将SolidWorks 软件绘制的滑刀式开沟器三维模型导入EDEM 前处理器中，生成滑刀式开沟器和水田土壤离散元仿真模型，如图7 所示。

图7 滑刀式开沟器和水田土壤离散元仿真模型Fig.7 Discrete element simulation model of sliding-knife furrow opener and paddy soils

仿真时，待土壤颗粒充满钢板盒，设置一侧面挡板以0.05 m/s（与实际塌落度试验抽板速度一致）的速度缓慢均匀提升，使水田土壤颗粒依靠重力塌落、扩散，直至颗粒速度不再发生变化时停止仿真，仿真结果如图8a 所示。

图8 水田土壤塌落度试验Fig.8 Collapse test of paddy soils

为验证仿真结果，进行水田土壤实际塌落度试验，试验结果如图8b 所示，塌落度为96.7 mm，塌落拓展度为530.5 mm。通过不断修正水田土壤颗粒之间的动摩擦系数到0.02，仿真试验塌落度为101.3 mm，塌落拓展度为543.6 mm。试验结果与仿真结果的塌落度、塌落拓展度数值相对误差为4.5%和2.4%，误差小于5%，模型可一定程度上描述实际水田土壤流变特性。

1.4 仿真试验

本文主要针对水稻侧深施基肥和追施分蘖肥进行研究，结合水稻农艺要求，水稻在生长初期侧深施基肥深度为30～50 mm，分蘖期追施分蘖肥深度为50～80 mm；水田环境要求开沟器具有牵引阻力小、土壤扰动少的特征。因此，在离散元仿真试验中，以滑刀式开沟器结构参数滑切角、刃口角、入土深度为试验因素，以滑刀式开沟器的牵引阻力、土壤扰动面积为试验指标，进行三因素三水平正交仿真试验。考虑到施肥时水稻的生长情况及田间动力机械作业速度，侧深施基肥时滑刀式开沟器前进速度设为1.2 m/s，追施分蘖肥时设为0.6 m/s，仿真试验因素及水平设置表如表2 所示。

表2 滑刀式开沟器离散元仿真试验因素与水平表Table 2 Table of factors and levels for discrete element simulation tests of sliding-knife furrow opener

1.5 土槽试验

1.5.1 气力引射式雾化施肥器性能试验

为优化气力引射式施肥器结构参数喉嘴距、混合室（喉部）直径以及工作参数（气体压力），并研究这些参数对排肥量（液肥质量流率）和耗气量（气体流量）的影响规律，进行气力引射式雾化施肥器性能试验。试验以喉嘴距、混合室（喉部）直径、气体压力为试验因素，以液肥质量流率和气体流量为试验指标，进行全因素试验，试验因素及水平表如表3 所示。

表3 气力引射式雾化施肥器性能试验因素与水平表Table 3 Table of factors and levels for performance tests of pneumatic ejector fertilizer atomizer

气力引射式雾化施肥器性能试验在华南农业大学工程学院进行，测试平台如图9 所示。试验时，将空压机的排气口通过输气管连接到气力引射式雾化施肥器上方的中央进气接口，将吸肥管一端放置在液肥箱内，另一端连接在气力引射式雾化施肥器侧面液肥进口上。

图9 气力引射式雾化施肥器试验平台Fig.9 Test platform for pneumatic ejector fertilizer atomizer

为达到农艺要求施肥量，气力引射式雾化施肥器的液肥质量流率应与田间动力机械前进速度相匹配，田间动力机械前进速度较快时要求气力引射式雾化施肥器有较大排肥量，速度较慢时则相反。本文将气力引射式雾化施肥器安装于井关PZ60 型插秧机，其前进速度约为0.6～1.2 m/s，以氮肥为例，水稻农艺要求最大需纯氮量为90 kg/hm2，根据式（5）计算得到气力引射式雾化施肥器最大液肥质量流率需达10.13 g/s。

式中q为液肥质量流率，g/s；K为气力引射式雾化施肥器作业行距（一般为0.3 m），m；v为田间动力机械前进速度，m/s；Q为水稻纯氮施用量，kg/hm2；ω为液体氮肥的氮素质量分数，%（本文氮素质量分数为32%）。

液肥质量流率定义为单位时间内吸肥口所卷吸的液肥质量。使用电子天平（精度0.1 g）称量并记录装有液肥肥箱的起始质量m1；启动恒压供气系统，压力稳定后，将吸肥管一端插入肥箱中，同时用秒表开始计时，计时t(s)结束，取出吸肥管，称量并记录肥箱终止质量m2，计算液肥质量流率q，如式（6）所示。每组试验计时3 min，3 次重复，然后计算3 次平均液肥质量流率。

1.5.2 滑刀式开沟器性能试验

滑刀式开沟器性能试验的目的是通过试验获得滑刀式开沟器实际牵引阻力，验证离散元仿真分析结果的准确性，同时探究滑刀式开沟器不同工作参数对其作业性能的影响。试验在华南农业大学工程学院进行。采用长条形土槽试验台，主要由不锈钢土槽、机架、轨道、台架、动力装置、传动装置、行走装置、测试系统、控制系统等组成，其中不锈钢土槽和机架底部安装有万向轮，能够方便移动试验台安放位置，整个土槽试验台尺寸长×宽×高为 3000 mm×800 mm×500 mm，如图10 所示。稻耕土取自广东省江门市新会区崖门镇，土壤类型为砂质黏土，沙（颗粒直径为0.02～2 mm）量占比为76.78%～79.62%，淤泥（颗粒直径为0.002～0.02 mm）量占比为25.49%～27.3%，黏土（颗粒直径为＜0.002 mm）量占比为0.62%～1.09%。

图10 土槽结构和组成Fig.10 Structure and composition of soil bin

土槽内装填稻耕土，用以模拟水田土壤环境，试验前对土壤进行泡水处理，泥浆自然沉降1 周左右，试验时土壤表面无水层，为确保每次试验中土壤特性的一致性，每次试验用铲和平地工具回收土壤。试验时，步进电机安装在台架上，通过齿轮、齿条传动实现台架水平运动；滑刀式开沟器和台架之间连接测力传感器，利用电脑程序实时读取滑刀式开沟器牵引阻力数值；通过调整滑刀式开沟器安装高度实现入土深度调节，用以模拟滑刀式开沟器田间工作过程。

“危急值管理”是南大一附院近年来的工作亮点之一：根据科室不同，制定个性化的危急值范围；建立信息系统-检验人员-护士-医师-管理者的危急值管理闭环；危急值系统与病历系统对接，直接生成危急值相关病程记录；临床科室与护理部、信息处、检验科等科室也形成了联动机制。“早在2009年，医院就进行了危急值监管。”

根据离散元仿真设计结果，试验采用滑切角32.5°、刃口角45°的滑刀式开沟器，以滑刀式开沟器入土深度、前进速度为试验因素进行全因素试验。每组试验进行3次重复，计算滑刀式开沟器工作过程中的平均牵引阻力，试验因素及水平表如表4 所示。

表4 滑刀式开沟器性能试验因素与水平表Table 4 Table of factors and levels for performance tests of sliding-knife furrow opener

1.5.3 滑刀开沟-气力引射式液肥雾化侧深施肥装置性能试验

为研究滑刀开沟-气力引射式液肥雾化侧深施肥装置的作业性能，将气力引射式雾化施肥器与滑刀式开沟器进行组合并开展土槽试验，主要试验指标为作业过程中装置的排肥量稳定性与施肥深度。

采用前述土槽试验台进行装置的开沟、施肥作业，试验工具有量杯、直尺、秒表、称重器、氮肥和黑色颜料。在保证供气压力为0.3 MPa 的情况下，分别检测施肥装置入土深度为30 mm，前进速度为1.2 m/s 和入土深度为50 mm，前进速度为0.6 m/s 时的排肥量稳定性和施肥深度。

排肥量稳定性试验：施肥带长度设定为2.4 m，用秒表记录施肥时间，用称重器测量施肥量，重复6 次，计算每次单位时间内的施肥量。

施肥深度试验：选取3 条施肥带，每条施肥带长度设定为2.4 m，取20 cm 为一段，在每段中随机取一点用直尺测量施肥深度，分别计算每条施肥带的平均施肥深度。

2 结果与分析

2.1 滑刀式开沟器离散元仿真试验结果与分析

通过EDEM 后处理器获得滑刀式开沟器牵引阻力、土壤扰动面积的数值，应用加权评分算法计算出各个因素组合的综合加权评分，以综合加权评分的高低判定滑刀式开沟器综合工作性能的优劣，根据离散元仿真结果分析各因素对滑刀式开沟器作业性能的影响，从而优化滑刀式开沟器结构参数。

EDEM 后处理器Analyst 获取的滑刀式开沟器的牵引阻力试验数据如图11 所示。从图11 可见，随着仿真时间推移，牵引阻力从0 呈线性逐渐增加，增加到一定值后趋于稳定，稳定一段时间后，牵引阻力急剧减小到0。这是由于开始时，滑刀式开沟器与土壤颗粒没有相互作用，牵引阻力为0；随着滑刀式开沟器前进，滑刀式开沟器与土壤颗粒的作用面积逐渐增大，牵引阻力也随之增大；当滑刀式开沟器完全进入土壤后，滑刀式开沟器与土壤颗粒的作用面积一定，牵引阻力趋于稳定；滑刀式开沟器离开土壤时，滑刀式开沟器与土壤颗粒的作用面积很快减少，直至无作用，牵引阻力逐渐降为0。统计图11 中较为稳定的数据，并计算其平均值，结果如表5 所示。

表5 滑刀式开沟器离散元仿真试验数据表Table 5 Discrete element simulation test data table for sliding-knife furrow opener

图11 滑刀式开沟器牵引阻力-仿真时间曲线Fig.11 Curve for traction resistance and simulation time of sliding-knife furrow opener

设速度大于0.1 m/s 的土壤颗粒为被扰动土壤，定义滑刀式开沟器最大宽度入土时其截面上土壤的扰动量为土壤扰动面积。在离散元仿真结果后处理中对仿真模型进行切片处理，将水田土壤颗粒群依据速度大小进行着色处理，蓝色为速度较低的颗粒、绿色为速度较高的颗粒、红色为速度最高的颗粒，离散元仿真结果如图12 所示。将各工况下的离散元仿真结果输出成尺寸、分辨率一致的图片，导入Photoshop，统计图中绿色和红色部分像素数值，以此来计算水田土壤扰动面积，结果如表5所示。采用模糊数学中的映射函数对滑刀式开沟器的牵引阻力、土壤扰动面积两指标进行极差分析处理，并结合加权评分方法[26]对两个指标进行综合评价，两项指标均采用降半正态分布映射，计算式如式（7）～（9）所示，结果见表5 所示。

采用 SPSS（statistical product service solutions，SPSS）软件对滑刀式开沟器工作在1.2 m/s 速度的离散元仿真试验数据进行极差分析（表5）。由极差可知：1.2 m/s 的前进速度下，滑切角、刃口角、入土深度三个因素对牵引阻力、土壤扰动面积和综合加权评分的影响主次顺序为入土深度、刃口角、滑切角；刃口角、滑切角、入土深度；入土深度、滑切角、刃口角。由试验结果可知，牵引阻力随着滑切角和入土深度的增加而增大，随着刃口角的增加而减小；土壤扰动面积随着滑切角的增加而减小，随着刃口角的增加而增大，随着入土深度增加呈现先增大后减小的趋势；综合加权评分随着滑切角增加而上升，随着刃口角增加呈现先下降后上升趋势，随着入土深度增加而下降。以综合加权评分评价滑刀式开沟器的工作性能，综合加权评分最高的因素组合为滑切角32.5°、刃口角45°，在满足农艺要求情况下入土深度越浅越有较好的工作性能。

0.6m/s 速度下的结果极差分析滑切角、刃口角、入土深度对牵引阻力、土壤扰动面积、综合加权评分的影响主次顺序为入土深度、刃口角、滑切角；刃口角、入土深度、滑切角；入土深度、刃口角、滑切角。由试验结果可知，牵引阻力随着滑切角的增加呈现先增大后减小的趋势，随着刃口角的增加而减小，随着入土深度的增加而增大；土壤扰动面积随着滑切角的增加同样呈现先增大后减小的趋势，随着刃口角和入土深度的增加而增大；综合加权评分随着滑切角的增加呈现先下降后上升的趋势，随着刃口角的增加呈现先上升后下降的趋势，随着入土深度的增加而下降。以综合加权评分评价滑刀式开沟器的工作性能，综合加权评分最高的因素组合为滑切角32.5°、刃口角45°，在满足农艺要求的情况下入土深度越浅越有较好的工作性能。

2.2 土槽试验结果与分析

2.2.1 气力引射式雾化施肥器性能测试结果

气力引射式雾化施肥器性能试验结果如表6 所示，可知在喉嘴距1 mm、混合室（喉部）直径3.5 mm、气体压力0.3 MPa 时有最大排肥量11.26 g/s，满足水稻施肥农艺要求。

表6 气力引射式雾化施肥器性能试验结果Table 6 Performance test results of pneumatic ejector fertilizer atomizer

由表6 极差分析结果可知：影响气力引射式雾化施肥器液肥质量流率的主次顺序为混合室（喉部）直径、气体压力、喉嘴距；影响气力引射式施肥器气体流量的主次顺序为气体压力、喉嘴距、混合室（喉部）直径。根据试验数据分别绘制各因素水平与液肥质量流率和气体流量的效应图，如图13 所示。由图13a 可见，液肥质量流率随着混合室（喉部）直径和喉嘴距的增加呈现出先增加后下降的趋势，随着气体压力的增加而增加，当喉嘴距为1 mm，混合室（喉部）直径为3.5 mm，气体压力为0.3 MPa 为最优水平组合；由图13b 可见，气体流量随着气体压力的增加而增大，随着喉嘴距的增加而增大，但幅度不明显，随着混合室（喉部）直径的增加呈现小范围的上下波动趋势。

图13 因素水平与液肥质量流率和气体流量的效应图Fig.13 Effect diagram of factors level versus liquid fertilizer mass flow rate and air flow rate

2.2.2 滑刀式开沟器性能试验结果与分析

表7 为滑刀式开沟器性能试验数据，可见滑刀式开沟器的牵引阻力随着入土深度和前进速度的增加而增大，当入土深度为30 mm、前进速度为1.2 m/s，滑刀式开沟器实际作业过程中的牵引阻力为8.5 N，离散元仿真试验的牵引阻力为6.9 N，相对误差分别为18%。当入土深度为50 mm、前进速度为0.6 m/s，滑刀式开沟器实际作业过程中的牵引阻力为14.4 N，离散元仿真试验的牵引阻力为12.2 N，相对误差为15%。产生误差的主要原因是实际土槽中的土壤条件与理想状态有一定差距，以及测力传感器的安装位置并不能准确测量出开沟部件实际受力大小。表8 为对应的方差分析结果，由表8 可见，入土深度对牵引阻力的影响极其显著(P＜0.01)，前进速度对牵引阻力的影响显著(P＜0.05)，入土深度的影响大于前进速度的影响。因此，进行实际施肥作业时，应在满足水稻施肥农艺要求的条件下，选择较浅的施肥深度，以保证开沟器的工作性能。

表7 不同速度下滑刀式开沟器土槽试验结果Table 7 Soil bin test results for sliding-knife furrow opener at different speeds

表8 滑刀式开沟器土槽试验结果方差分析表Table 8 Variance analysis table of soil bin test results for slidingknife furrow opener

2.2.3 滑刀开沟-气力引射式液肥雾化侧深施肥装置性能试验结果与分析

表9 为滑刀开沟-气力引射式液肥雾化侧深施肥装置的排肥量稳定性和施肥深度试验数据表。由表9 可知，在入土深度为30 mm、前进速度为1.2 m/s 及入土深度为50 mm、前进速度为0.6 m/s 时，排肥量分别为11.1 和11.5 g/s，标准差分别为0.242 7 和0.479 6 g/s，与最大排肥量11.26 g/s 相比，相对误差分别为1.42%和2.13%，排肥量均维持稳定，并能达到最大值，满足施肥要求。在入土深度为30 mm，前进速度为1.2 m/s 时，施肥深度为28.7 mm，相对误差为4.4% ；在入土深度为50 mm，前进速度为0.6 m/s 时，施肥深度为48.9mm，相对误差为2.1%，施肥深度均满足施肥要求。可见，该装置的各项指标满足水稻液肥侧深施肥作业要求。

3 结论

1）设计了气液同轴结构的气力引射式雾化施肥器，采用全因子试验法进行气力引射式雾化施肥器性能试验。结果表明：影响液肥质量流率的主次顺序为混合室（喉部）直径、气体压力、喉嘴距；影响气体流量的主次顺序为气体压力、喉嘴距、混合室（喉部）直径。当喉嘴距为1 mm、混合室（喉部）直径为3.5 mm、气体压力为0.3 MPa，耗气量为24 L/min 时，气力引射式雾化施肥器有最大排肥量11.26 g/s，满足水稻施肥的农艺要求。

2）结合水田土壤的流变特性，设计与气力引射式雾化施肥器相配合的滑刀式开沟器，用EDEM 软件对不同结构参数的滑刀式开沟器进行作业过程离散元仿真分析，仿真试验结果表明：当滑刀式开沟器以1.2 m/s 的前进速度作业时，滑切角、刃口角、入土深度对牵引阻力、土壤扰动面积和综合加权评分的影响主次顺序分别为入土深度、刃口角、滑切角；刃口角、滑切角、入土深度；入土深度、滑切角、刃口角。以0.6 m/s 的前进速度作业时，滑切角、刃口角、入土深度对牵引阻力、土壤扰动面积、综合加权评分的影响主次顺序分别为入土深度、刃口角、滑切角；刃口角、入土深度、滑切角；入土深度、刃口角、滑切角。在满足水稻施肥农艺要求的情况下，滑切角为32.5°、刃口角为45°，滑刀式开沟器有较好的工作性能。

3）以EDEM 软件进行离散元仿真分析优化出的滑刀式开沟器为研究对象，进行仿真试验和土槽性能试验。试验结果表明：滑刀式开沟器的牵引阻力随着入土深度和前进速度的增加而增大。当滑刀式开沟器入土深度为30 mm、前进速度为1.2 m/s 时，牵引阻力实测值为8.5 N，仿真结果为6.9 N，相对误差为18%，土壤扰动面积仿真结果为 1 965.6 cm2；当入土深度为50 mm、前进速度为0.6 m/s 时，牵引阻力实测值为14.4 N，仿真结果为12.2 N，相对误差为15%，土壤扰动面积仿真结果为2 137.2 cm2。说明应用EDEM 软件进行滑刀式开沟器离散元仿真优化设计的可行性。

4）进行了滑刀开沟-气力引射式液肥雾化侧深施肥装置土槽性能试验，在入土深度为30 mm，前进速度为1.2 m/s 时，排肥量标准差为0.242 7 g/s，排肥量相对误差为1.42%，施肥深度相对误差为4.4% ；在入土深度为50 mm，前进速度为0.6 m/s 时，排肥量标准差为0.479 6 g/s，排肥量相对误差为2.13%，施肥深度相对误差为2.1%。各项指标满足水稻液肥侧深施肥作业要求。