生产管理机械化岗位

徐丽明 谭好超 马帅 牛丛 闫成功 沈聪聪 刘星星

  1 整机结构与工作原理

  刮板式有机肥条铺与旋耕混合施肥机结构如图1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。

  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，最后托板将土肥托平。

  2.关键部件设计与分析

  2.1 有机肥排肥装置设计

  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2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。

  2.2 旋耕装置设计

  旋耕部分可实现向后向和侧向抛土，将地表的有机肥旋入土壤，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3a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 ，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65mm。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，刀辊两端的旋耕刀向里弯，防止往外抛土，其弯刀排列展开图如图3b所示。

  3.离散元仿真分析

  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。根据旋耕作业的拖拉机前进速度，设置取值范围为2～4km/h，结合文献和刮板长度以及所要求的施肥量，圆环链轮转速取10、14、18r/min 3个水平，以相对误差E和变异系数CV分别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，对仿真结果进行回归模型方差分析，如表1所示。

表1 回归模型方差分析

  由表1可知，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。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，求解得到的开口高度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

  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2.8 km/h的速度前进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，每米取一次，连续取3次，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4所示。

  排肥性能试验结果表明，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。

  4.2 旋耕混合试验

  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；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。试验过程如图5所示。

  对结果进行分析可知，田间试验的有机肥土壤混合比例平均值为9.06%，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。结合实际经验和理论分析，确定了有机肥排肥装置和旋耕装置的相关参数。

  （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。

  （3）排肥性能试验得到，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%，表明与仿真所求参数可靠，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。