徐勇 宋明翰 孫國(guó)峻 等 刮板輸送式大棚有機(jī)肥排肥裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2021 42 6 79 87 XU Yong SONG Minghan SUN Guojun et al Design and test of organic fertilizer discharging device with scraper conveyor for greenhouse J Journal of South China Agricultural University 2021 42 6 79 87 刮板輸送式大棚有機(jī)肥排肥裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 徐 勇 宋明翰 孫國(guó)峻 余洪鋒 何瑞銀 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 江蘇 南京 210031 摘要 目的 解決現(xiàn)有有機(jī)肥排肥裝置排肥穩(wěn)定性差的問(wèn)題 提高大棚內(nèi)有機(jī)肥施撒機(jī)械化水平 設(shè)計(jì)一種刮板 輸送式大棚有機(jī)肥排肥裝置 方法 以蘇南地區(qū)草莓種植大棚為例 依據(jù)大棚基本尺寸參數(shù)和草莓種植農(nóng)藝要 求 確定排肥裝置設(shè)計(jì)的主要要求 結(jié)合散體力學(xué)理論對(duì)設(shè)計(jì)的排肥裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行分析和確定 確 定影響排肥量穩(wěn)定性的主要因素為排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器開度 搭建室內(nèi)有機(jī)肥排肥試驗(yàn)平臺(tái) 進(jìn)行轉(zhuǎn)速與排肥 量單因素試驗(yàn)和兩因素五水平的響應(yīng)面試驗(yàn) 結(jié)果 轉(zhuǎn)速與排肥量相關(guān)性試驗(yàn)結(jié)果表明 在試驗(yàn)設(shè)定的轉(zhuǎn)速和 開度范圍內(nèi) 不同開度條件下 轉(zhuǎn)速和排肥量均呈良好的線性關(guān)系 整體的決定系數(shù)大于0 985 7 排肥量可通過(guò) 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)開度和轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié) 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果表明 排肥范圍內(nèi)排肥量穩(wěn)定性較好 排肥軸轉(zhuǎn)速對(duì)于排肥穩(wěn) 定性變異系數(shù)的影響大于排肥器開度 當(dāng)排肥器開度為30 42 mm 排肥軸轉(zhuǎn)速為51 5 r min時(shí) 排肥穩(wěn)定性變 異系數(shù)結(jié)果最優(yōu) 為1 84 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明 變異系數(shù)相對(duì)誤差不大于5 變異系數(shù)相對(duì)誤差均值僅為 2 95 符合要求 對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)表明 常用的螺旋式有機(jī)肥排肥器的排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)均值為6 12 本文 設(shè)計(jì)的刮板輸送式有機(jī)肥排肥器有效提高了有機(jī)肥的排肥穩(wěn)定性 結(jié)論 設(shè)計(jì)的刮板輸送式排肥裝置具有較好 的排肥性能 能夠滿足設(shè)施大棚內(nèi)有機(jī)肥施肥作業(yè)要求 關(guān)鍵詞 有機(jī)肥 刮板 受力分析 排肥穩(wěn)定性 優(yōu)化試驗(yàn) 中圖分類號(hào) S224 21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1001 411X 2021 06 0079 09 Design and test of organic fertilizer discharging device with scraper conveyor for greenhouse XU Yong SONG Minghan SUN Guojun YU Hongfeng HE Ruiyin College of Engineering Nanjing Agricultural University Nanjing 210031 China Abstract Objective In order to improve the mechanization level of organic fertilizer application in the greenhouse and solve the problem of low fertilizer discharge stability of the existing organic fertilizer discharging device an organic fertilizer discharging device with scraper conveyor for greenhouse was designed Method Taking the strawberry planting greenhouse in southern Jiangsu area as an example the main requirements for the design of the fertilizer discharging device were determined according to the basic size parameters of the greenhouse and the agronomic requirements of strawberry planting The key structure and parameters of the designed fertilizer discharging device were analyzed and determined by combining the bulk mechanics theory and the main factors affecting the stability of the fertilizer discharging volume were 收稿日期 2021 02 05 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間 2021 09 26 09 31 33 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 作者簡(jiǎn)介 徐 勇 1996 男 碩士研究生 E mail m740415467 通信作者 何瑞銀 1964 男 教授 博士 E mail ryhe njau 基金項(xiàng)目 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目 CX 19 2012 江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)示范推廣項(xiàng)目 NJ2019 14 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) Journal of South China Agricultural University 2021 42 6 79 87 DOI 10 7671 j issn 1001 411X 202102008 determined to be the rotational speed of the fertilizer discharging shaft and the opening degree of the fertilizer discharging device An indoor organic fertilizer discharging test platform was built and single factor test and two factor five level response surface test of rotational speed and fertilizer discharging volume were conducted Result The results of the correlation test between rotational speed and fertilizer discharging volume showed that within the range of rotational speed and opening degree set in the test the rotational speed and fertilizer discharging volume had a good linear relationship under the conditions with different opening degree The overall coefficient of determination was above 0 985 7 and the fertilizer discharging volume could be adjusted by adjusting the opening degree and rotational speed in real time The results of the response surface test showed that the stability of fertilizer discharging volume within the set range was good and the rotational speed of the fertilizer discharging shaft had a greater influence on the coefficient of variation of the fertilizer stability compared with the opening of the fertilizer discharging device The coefficient of variation of fertilization stability was optimal 1 84 when the opening degree of fertilizer discharging device was 30 42 mm and the rotational speed of fertilizer discharging shaft was 51 5 r min The comparison test showed that the average value of the coefficients of variations of the commonly used spiral organic fertilizer discharger was 6 12 and the organic fertilizer discharger with scraper conveyor designed in this paper effectively improved the stability of organic fertilizer discharging Conclusion The designed fertilizer discharging device with scraper conveyor has good fertilizer discharging performance and meets the requirements of organic fertilizer application in greenhouse Key words organic fertilizer scraper stress analysis fertilization stability optimization test 設(shè)施大棚種植業(yè)的發(fā)展能夠有效保證蔬菜 瓜 果的淡季供應(yīng) 具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益 1 中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平相對(duì)滯后 綜合機(jī)械 化水平僅為33 2 3 施肥是設(shè)施大棚種植作業(yè)中 最重要的環(huán)節(jié)之一 施撒有機(jī)肥能夠有效改善土 質(zhì) 減少溫室氣體排放 改良作物品質(zhì) 提高作物產(chǎn)量 4 8 但是 目前大棚中有機(jī)肥的撒施仍然主要依靠人 工 勞動(dòng)強(qiáng)度大 作業(yè)效率低 9 要實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)的 設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 必須依靠機(jī)械施肥 排肥裝置是施 撒有機(jī)肥的關(guān)鍵部件 10 現(xiàn)階段 國(guó)內(nèi)外對(duì)于有機(jī) 肥施肥機(jī)械的研究很多 11 13 但專用于設(shè)施大棚的 施肥機(jī)械鮮見(jiàn)介紹 為了提高我國(guó)設(shè)施大棚施肥機(jī) 械化水平 有必要設(shè)計(jì)大棚有機(jī)肥排肥裝置 目前 用于有機(jī)肥施撒的主要排肥裝置及原理為 離心圓 盤式 利用圓盤的離心力拋撒肥料 14 槳葉式 通過(guò) 槳片高速旋轉(zhuǎn)將肥料拋撒到田間 15 錘片式 通過(guò)螺 旋絞龍運(yùn)送肥料至卸料口 再用高速運(yùn)動(dòng)的錘片將 肥料撕裂 粉碎 自上而下拋出 16 拋撒轉(zhuǎn)軸式 通 過(guò)排料口擋板調(diào)節(jié)落料量 落料通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸拋撒 而出 17 以上排肥裝置都只適用于大型農(nóng)場(chǎng)或大田 18 施撒效率高 排肥原理都是利用排肥器高速旋轉(zhuǎn)的 離心力慣性拋撒有機(jī)肥 肥料經(jīng)排肥器排出過(guò)程中 會(huì)有大量泄漏 導(dǎo)致排肥量不穩(wěn)定 刮板輸送裝置對(duì)散體物料良好的輸送特性保 證了散體物料運(yùn)輸 排施過(guò)程的穩(wěn)定性和定量可控 性 19 21 但將刮板輸送裝置應(yīng)用于有機(jī)肥施撒并不 多見(jiàn) 本研究綜合考慮刮板輸送裝置的機(jī)構(gòu)特性和 輸送原理 設(shè)計(jì)一種刮板輸送式有機(jī)肥排肥裝置 對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析 搭建排肥器性 能試驗(yàn)平臺(tái) 對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 以期為整機(jī)的 設(shè)計(jì)提供參考依據(jù) 1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理 1 1 大棚有機(jī)肥施撒農(nóng)藝要求 以蘇南地區(qū)草莓大棚為例 該地區(qū)草莓種植大 棚多為8 332型大棚 圖1 棚高3 2 m 棚寬8 m 長(zhǎng) 80 m 大棚門寬1 2 m 高度為1 75 m 大棚內(nèi)作 業(yè)空間有限 一般采用人工作業(yè) 22 23 為了促進(jìn)草 莓開花結(jié)果 一般在草莓種植之前 在整個(gè)大棚內(nèi) 進(jìn)行基肥施撒作業(yè) 施撒有機(jī)肥量為1 50 2 25 kg m 2 8 m 3 2 m 1 8 m 1 2 m 1 5 m1 75 m 圖 1 8 332型大棚基本尺寸 Fig 1 Basic dimensions of 8 332 greenhouse 80 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 42 卷 有機(jī)肥種類為腐熟的肥類有機(jī)肥 施肥作業(yè)先將有 機(jī)肥撒于地表 后用旋耕機(jī)將有機(jī)肥旋入土壤 1 2 排肥裝置整體結(jié)構(gòu) 刮板輸送式排肥裝置主要由承料箱 擋肥板升 降裝置 刮板輸送式排肥器 傳動(dòng)裝置和控制器組 成 承料箱由箱體和擋肥板組成 其中擋肥板安裝 在箱體兩邊的滑道中 可以上下升降移動(dòng) 擋肥板 升降裝置主要由齒輪軸 齒輪和齒條組成 齒條焊 接在擋肥板上 依靠齒輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)齒條上下移 動(dòng) 刮板輸送式排肥器由排肥軸 鏈輪 鏈條 鏈 板 刮板等組成 刮板用沉頭螺釘安裝在鏈板上 鏈 板與鏈板之間采用鉸接 傳動(dòng)裝置主要由步進(jìn)電 機(jī) 聯(lián)軸器 三相異步電機(jī)和減速機(jī)組成 步進(jìn)電機(jī) 通過(guò)聯(lián)軸器連接齒輪軸 減速機(jī)側(cè)面軸孔連接三相 異步電機(jī)軸 正面軸孔連接排肥軸 控制器包括步 進(jìn)電機(jī)控制器 三相異步電機(jī)變頻器以及編碼器 編碼器通過(guò)聯(lián)軸器安裝在排肥軸上 實(shí)時(shí)測(cè)量排肥 軸轉(zhuǎn)速 整體結(jié)構(gòu)如圖2所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 22 21 20 19 18 17 16 15 1 步進(jìn)電機(jī) 2 步進(jìn)電機(jī)安裝座 3 聯(lián)軸器1 4 齒條 5 齒輪 6 齒輪 軸 7 擋肥板 8 箱體 9 軸承座1 10 三相異步電機(jī) 11 減速機(jī) 12 三 相異步電機(jī)安裝座 13 支架 14 排肥軸 15 軸承座2 16 鏈輪 17 鏈 條 18 鏈板 19 刮板 20 擋片 21 聯(lián)軸器2 22 編碼器 1 Stepping motor 2 Stepping motor mounting seat 3 Coupling 1 4 Rack and pinion 5 Gear 6 Gear shaft 7 Fertilizer plate 8 Box body 9 Bearing seat 1 10 AC motor 11 Reducer 12 AC motor mounting seat 13 Bracket 14 Sprocket shaft 15 Bearing seat 2 16 Sprocket 17 Chain 18 Chain plate 19 Scraper 20 Baffle 21 Coupling 2 22 Encoder 圖 2 排肥裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig 2 Structure diagram of fertilizer discharging device 1 3 排肥裝置工作原理 步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器將驅(qū)動(dòng)力傳輸?shù)烬X輪軸 固定在齒輪軸上的齒輪帶動(dòng)齒條升降 把電機(jī)的旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)擋肥板升降 精準(zhǔn) 控制排肥裝置開度 三相異步電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)減速 機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥軸 帶動(dòng)鏈條 鏈板和刮板向排肥口處 運(yùn)動(dòng) 刮板可把料箱底部的物料刮走 上方物料在 自身重力作用下 克服摩擦力和內(nèi)聚力而下落 繼 續(xù)受刮板作用力 使物料連續(xù)不斷地穩(wěn)定排出 24 實(shí)施排肥作業(yè)時(shí) 分別調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制器和三相 異步電機(jī)變頻器旋鈕 設(shè)置對(duì)應(yīng)排肥器開度和排肥 軸轉(zhuǎn)速 根據(jù)設(shè)定的開度值 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的 步距角 調(diào)節(jié)擋肥板開度 根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值 三相 異步電機(jī)帶動(dòng)排肥軸實(shí)施排肥作業(yè) 2 排肥器主要參數(shù) 2 1 排肥量的確定 排肥軸的單轉(zhuǎn)排肥量是衡量排肥裝置排肥性 能的重要指標(biāo) 25 排肥器單轉(zhuǎn)排肥量的穩(wěn)定性決定 了整個(gè)排肥裝置的排肥穩(wěn)定性 不考慮軸承座和支 架兩側(cè)壁摩擦力影響 其排肥軸理論單轉(zhuǎn)排肥量用 下式計(jì)算 q dHb a a z 1 式中 q表示輸送鏈輪旋轉(zhuǎn)一周排出的肥料 kg r 1 H為排肥器的開度 m b為排肥刮板的長(zhǎng)度 m a為刮板間距 m z為刮板厚度 m d為輸送鏈輪直 徑 m 為有機(jī)肥的密度 kg m 3 2 2 刮板間距與高度 有機(jī)肥在承料箱中運(yùn)動(dòng)時(shí) 呈連續(xù)的均質(zhì)流輸 送 整個(gè)肥料流分為上下兩層 下層有機(jī)肥高h(yuǎn)1 刮 板上方的有機(jī)肥高h(yuǎn)2 任取1個(gè)刮板間距的有機(jī)肥 為1個(gè)單元體 參考文獻(xiàn) 26 對(duì)刮板上層的有機(jī) 肥進(jìn)行受力分析 結(jié)果如圖3所示 FX 由散體力學(xué)理論可得 由于上層有機(jī)肥對(duì)承料 箱壁有側(cè)向壓力作用 其大小隨有機(jī)肥深度呈線性 增加 并作三角形分布 其值為該點(diǎn)深度處的正壓 力與側(cè)壓系數(shù)之積 則承料箱每側(cè)邊單位面積的平 均側(cè)向力 為 FX 12 gban 12 gh2tan2 4 2 2 式中 n為側(cè)壓系數(shù) g為重力加速度 m s 2 為有 機(jī)肥的休止角 有機(jī)肥對(duì)承料箱側(cè)壁產(chǎn)生一個(gè)作用在1 3h2 高度處的外摩擦力 FS 為 FS h 22af1 2 gtan 2 4 2 3 式中 f1為有機(jī)肥與承料箱的外摩擦系數(shù) 如果假設(shè)在兩刮板垂直平面之間的上層肥料 流為一固定單元體 摩擦力FS使單元體承受一個(gè) 彎矩 彎矩在刮板A 的上表面產(chǎn)生壓應(yīng)力 在刮板 B的上表面產(chǎn)生一個(gè)大小相等 方向相反的拉應(yīng) 力 此應(yīng)力將與上層有機(jī)肥在刮板A B表面上產(chǎn) 生的壓應(yīng)力疊加 使A壓應(yīng)力增加 B壓應(yīng)力減小 此時(shí)B內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的剪應(yīng)力為上下層有機(jī)肥接 觸面上各處內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的剪應(yīng)力的最小值 則 B內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的剪應(yīng)力 B 為 第 6 期 徐 勇 等 刮板輸送式大棚有機(jī)肥排肥裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 81 B f h2 g 4FSh2ba2 4 式中 f為內(nèi)摩擦系數(shù) 只有使上 下層有機(jī)肥接觸面上各處的內(nèi)摩擦 力產(chǎn)生的剪應(yīng)力均大于有機(jī)肥和承料箱兩側(cè)外摩 擦力作用于整個(gè)接觸面上均勻分布的剪應(yīng)力 才能 保證有機(jī)肥能夠整體運(yùn)動(dòng) 在沒(méi)有擋肥板的情況 下 傾倉(cāng)而出 根據(jù)這一條件得 B 2FSba 5 式中 為有機(jī)肥和承料箱兩側(cè)外摩擦力作用于整 個(gè)接觸面上均勻分布的剪應(yīng)力 N m 2 取式 4 的 B和式 3 的FS代入式 5 得到 h2的二次方程式 h2 14f 8abf2 a2 f1tan2 4 2 f1tan2 4 2 a 6 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得有機(jī)肥休止角 47 內(nèi)摩擦系 數(shù)f tan 1 07 根據(jù)文獻(xiàn) 27 有機(jī)肥與承料箱的 外摩擦系數(shù)f1 0 35 b為刮板長(zhǎng)度 取b為1 m 刮 板高度通過(guò)試驗(yàn)取為0 01 m 可以達(dá)到施肥量的要 求 承料箱中有機(jī)肥的最大輸送高度依據(jù)排肥裝置 最大開度設(shè)定并預(yù)留一定的承肥空間 承料箱高度 取整為0 2 m 由式 6 可得h2和a的函數(shù)關(guān)系如 圖4所示 0 04 0 08 0 12 0 16 0 200 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 刮板間距 m Scraper spacing 肥料高度 m Fertilizer height 圖 4 肥料高度和刮板間距的關(guān)系 Fig 4 The relationship between fertilizer height and scraper spacing 由式 6 可得刮板間距的下極限值 amin 2f f1h22tan2 4 2 bf h2 f1tan2 4 2 7 amin 式中 是刮板間距 a 的最小值 當(dāng)承料箱中有 機(jī)肥的料層高度為最大h2時(shí)取到 對(duì)于一定的有 機(jī)肥和承料箱寬度 a不能隨意增大 因?yàn)閍增大 將導(dǎo)致上層有機(jī)肥內(nèi)部產(chǎn)生滑移 使有機(jī)肥上表層 滯留在刮板后方 影響排肥穩(wěn)定性 為避免在承料 箱中形成滑移面 a必須有最大極限值 假設(shè)兩刮板之間整體肥料為一固定單元體 不 考慮擋肥板的阻力 將肥料體即將產(chǎn)生滑移面時(shí)的 情況作為受力平衡情況 得 FA Fr 2FS FB 8 式中 有機(jī)肥體與承料箱底板的外摩擦力 Fr 為 A G B a b v Fs Fr FA FX FX FB h 1 h 2 h a 刮板間距 h1 刮板間有機(jī)肥高度 h2 刮板上方的有機(jī)肥高度 h 輸送有機(jī)肥整體高度 b 排肥刮板的長(zhǎng)度 FS 有機(jī)肥與承料箱側(cè)壁的摩擦力 Fr 有機(jī)肥體與承料箱底板的外摩擦力 FX 有機(jī)肥對(duì)承料箱壁的側(cè)壓力 FA 后刮板對(duì)單元體有機(jī)肥的推力 FB 前刮板對(duì)單元體有機(jī)肥的壓力 G 上層有 機(jī)肥重力 A 后刮板 B 前刮板 v 刮板前進(jìn)速度 a Scraper spacing h1 Height of organic fertilizer between scrapers h2 Height of organic fertilizer above the scraper H Overall height of transported organic fertilizer b Legth of the scraper FS Friction between organic fertilizer and the side wall of the carrier box Fr External friction between the organic fertilizer body and the bottom plate of the carrier box FX Lateral pressure of organic fertilizer on the wall of the carrier box FA Thrust of the rear scraper on unit organic fertilizer FB Pressure of the front scraper on unit organic fertilizer G Upper organic fertilizer gravity A Back scraper B Front scraper v Scraper forward speed 圖 3 單元體有機(jī)肥的受力分析 Fig 3 Force analysis of unit organic fertilizer 82 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 42 卷 Fr b h1 h2 a gf1 9 由于上層有機(jī)肥和承料箱側(cè)壁外摩擦力Fs對(duì) 上層肥料產(chǎn)生一個(gè)彎矩 該彎矩在前后刮板上表面 分別產(chǎn)生拉 壓應(yīng)力 則前 后刮板上方的垂直壓應(yīng) 力分別為 A1 h2 g 4FSh2ba 10 B1 h2 g 4FSh2ba 11 式中 A1為后刮板上方的垂直壓應(yīng)力 N m 2 B1為前刮板上方的垂直壓應(yīng)力 N m 2 刮板下方的垂直應(yīng)力不受該彎矩的影響 則有 A2 B2 h1 h2 g 12 式中 A2為后刮板下方的垂直壓應(yīng)力 N m 2 B2為前刮板下方的垂直壓應(yīng)力 N m 2 用刮板上 下方的平均側(cè)壓力代替刮板對(duì)于單 元體的作用力 FA FB 則FA FB分別為 FA 12 A1 A2 1nh1b h2 h12 g 2FSh2ba 1 nh1b 13 FB 12 B1 B2 nh1b h2 h12 g 2FSh2ba nh1b 14 將式 3 9 13 14 的各計(jì)算值代入式 8 化簡(jiǎn)后得刮板間距上限值的二次方程式 h2 h12 1 n n h1b h 32 f1 a 1 n2 h 1 b h 1 h2 h22n f 1a 0 15 令 B h2 h12 1 n n h1b 16 C 1 n2 h1h32 f1 17 A b h1 h2 h22n f1 18 代入式 15 得 B Ca Aa 0 19 amax B pB2 4AC 2A 20 為保證有機(jī)肥的穩(wěn)定排施 a的合理范圍應(yīng)為 amin amax 依據(jù)式 7 20 得amin 0 004 m amax 0 166 m 為了獲得較大的有機(jī)肥承載量 由 圖4中h2和a的函數(shù)關(guān)系 刮板間距應(yīng)該選取盡可 能大的值 為了便于加工 a取值為0 15 m 2 3 排肥器轉(zhuǎn)速 根據(jù)刮板輸送式排肥裝置的排肥原理 由式 1 可以計(jì)算出刮板輸送式排肥裝置排施有機(jī)肥的 理論單轉(zhuǎn)排肥量 依據(jù) 1 1 所述蘇南地區(qū)草莓 大棚施撒基肥習(xí)慣用量 假設(shè)施肥機(jī)械的行駛速度 為0 5 1 2 m s 1 為了滿足當(dāng)?shù)鼗柿?xí)慣量 刮板輸 送式排肥器的轉(zhuǎn)速應(yīng)該為16 5 59 5 r min 1 2 4 排肥器開度 排肥器開度的下限值取為刮板的高度 上限值 為最大單轉(zhuǎn)排肥量所對(duì)應(yīng)的排肥器開度 單位面積 內(nèi)的排肥量 Q 可由下式計(jì)算 Q qn sbv 21 式中 q為排肥器單轉(zhuǎn)的排肥量 kg r 1 n為排肥器 轉(zhuǎn)速 r min 1 s為施肥面積 m2 b為施肥幅寬 即刮 板長(zhǎng)度 m v為施肥機(jī)具前進(jìn)速度 m s 1 根據(jù) 1 1 所述最大基肥習(xí)慣用量可得單位 面積內(nèi)的最大施肥量Q為2 25 kg 施肥機(jī)具前進(jìn) 速度為1 2 m s 1 轉(zhuǎn)速n為16 5 r min 1時(shí) 所對(duì)應(yīng) 的擋肥板開度為35 mm 則排肥器開度調(diào)節(jié)為 10 35 mm范圍內(nèi)即可滿足排肥量的要求 在確定h1 a b z d 這些參數(shù)后 排肥裝置 的排肥量只與排肥軸轉(zhuǎn)速 n 和開度 H 有關(guān) 3 排肥器工作性能試驗(yàn) 排肥器開度大小會(huì)影響出料高度 進(jìn)而影響排 肥過(guò)程中肥料的下落 影響排肥量的穩(wěn)定性 排肥 軸轉(zhuǎn)速影響出料的初始速度和排肥裝置的振動(dòng) 從 而影響有機(jī)肥的落肥效果 造成排肥量穩(wěn)定性的變 化 排肥器開度 排肥軸轉(zhuǎn)速不僅影響排肥穩(wěn)定性 也是影響排肥量的重要因素 為探討排肥器工作性 能 優(yōu)化其設(shè)計(jì)參數(shù) 搭建試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行排肥量和 排肥穩(wěn)定性試驗(yàn) 3 1 材料與評(píng)價(jià)指標(biāo) 3 1 1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)使用的有機(jī)肥為長(zhǎng)春市新 陽(yáng)光有機(jī)肥料有限公司生產(chǎn)的粉末狀有機(jī)肥 主要 以雞糞為主 其中氮 磷 鉀總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 9 有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75 試驗(yàn)裝置如圖5所示 采用步進(jìn)電機(jī) 86BYG250H 通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器 KH 01 調(diào)節(jié) 排肥器開度 采用三相異步電機(jī) YS 903 4 連接減 速機(jī) 型號(hào)為NMRV63 減速比為1 20 通過(guò)變頻 器 AE200 2 1PH 3 0G 調(diào)節(jié)排肥軸轉(zhuǎn)速 并用編碼 器 LPD3806 400BM G5 24C 實(shí)時(shí)讀取排肥軸 轉(zhuǎn)速 第 6 期 徐 勇 等 刮板輸送式大棚有機(jī)肥排肥裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 83 圖 5 有機(jī)肥施肥試驗(yàn)臺(tái) Fig 5 Test bench of organic fertilizer discharging 3 1 2 排肥性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 試驗(yàn)以排肥量穩(wěn)定性 變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)算方法如下 x n i 1 xi n 22 S n i 1 xi x 2 n 1 23 V Sx 100 24 式中 xi為各次排肥量 kg x為各次排肥量的平均 值 kg S為標(biāo)準(zhǔn)差 kg V為排肥穩(wěn)定性變異系 數(shù) n為測(cè)定次數(shù) 3 2 轉(zhuǎn)速與排肥量相關(guān)性試驗(yàn) 排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器開度影響排肥量 為考察 各因素對(duì)排肥量的影響 基于前文的分析 在轉(zhuǎn)速 15 60 r min 1和開度10 35 mm范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn) 試驗(yàn)時(shí)根據(jù)排肥器開度與步進(jìn)電機(jī)步距角對(duì)應(yīng)關(guān) 系 設(shè)置開度分別為10 15 20 25 30 35 mm 調(diào)節(jié)變頻 器旋鈕 設(shè)置轉(zhuǎn)速分別為15 24 33 42 51 60 r min 1 排肥裝置在設(shè)定參數(shù)下運(yùn)行10 s 在排肥口處用塑 料盆接肥 結(jié)束后采用精度 5 g的電子秤稱量并記 錄排肥量 每個(gè)轉(zhuǎn)速和開度重復(fù)3次試驗(yàn) 試驗(yàn)結(jié) 果見(jiàn)圖6 由圖6可得 排肥量與排肥軸轉(zhuǎn)速 排肥器開 度密切相關(guān) 排肥量隨著排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速 的增大而增加 且同一排肥器開度下排肥軸轉(zhuǎn)速與 排肥量呈良好的線性關(guān)系 整體決定系數(shù) 0 985 7 不同的轉(zhuǎn)速匹配不同的排肥器開度可實(shí)現(xiàn)不同排 肥量的需求 因此可以通過(guò)實(shí)時(shí)控制排肥軸轉(zhuǎn)速或 同時(shí)控制排肥器開度實(shí)現(xiàn)變量施肥 3 3 響應(yīng)面試驗(yàn) 3 3 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 通過(guò)分析排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器 開度對(duì)刮板輸送式排肥裝置的排肥效果 對(duì)排肥裝 置的結(jié)果參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 選用二次通用 旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法 分析排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器開度 對(duì)排肥穩(wěn)定性的影響 以排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為評(píng) 價(jià)指標(biāo) 試驗(yàn)因素及水平編碼見(jiàn)表1 表 1 試驗(yàn)因素及水平編碼表 Table 1 Coding of test factors and levels 編碼值 Code value 因素 Factor 開度 mm Opening x1 轉(zhuǎn)速 r min 1 Rotational speed x2 1 414 35 0 59 5 1 31 3 53 0 0 22 5 38 0 1 13 7 23 0 1 414 10 0 16 5 3 3 2 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析 應(yīng)用Design Expert 軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析 以確定2個(gè)試驗(yàn)因 素下排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的變化規(guī)律 試驗(yàn)方案及 結(jié)果如表2所示 以排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速為試 驗(yàn)因素 以排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo) 運(yùn)用 Design Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析 方差 分析結(jié)果見(jiàn)表3 由表3可知 模型的顯著性檢驗(yàn)F 25 70 P 0 01 決定系數(shù)R2 0 948 3 表示回歸模型極顯著 且在試驗(yàn)范圍內(nèi)擬合程度好 由變異系數(shù)模型可 知 x2 x1x2 x22對(duì)方程影響極顯著 P 0 01 x1 x12對(duì)方程影響顯著 P 0 05 得到變異系數(shù)的回 歸方程為 V 3 41 0 12x1 0 34x2 0 32x1x2 0 12x21 0 24x22 25 3 3 3 試驗(yàn)因素對(duì)指標(biāo)的影響 排肥器開度和排 肥軸轉(zhuǎn)速對(duì)排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響如圖7所 示 由圖7a可知 在排肥器開度較大時(shí)變異系數(shù)隨 著排肥軸轉(zhuǎn)速減小而增大 在排肥器開度較小時(shí)變 異系數(shù)隨著排肥軸轉(zhuǎn)速先增大后減小 由圖7b可 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 轉(zhuǎn)速 r min 1 Rotational speed 排肥流量 kg min 1 Fertilizer flow 10 mm 20 mm 30 mm 15 mm 25 mm 35 mm y 7 079x 49 212 R2 0 998 7y 6 486x 27 298 R2 0 997 2y 5 681x 24 746 R2 0 996 3y 5 137x 8 664 R2 0 995 4 y 3 454x 17 008 R2 0 993 8 y 2 776x 5 217 R2 0 985 7 圖 6 不同開度水平下轉(zhuǎn)速與排肥流量的關(guān)系 Fig 6 The relationship between rotational speed and fertilizer discharging flow under different opening degrees 84 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 42 卷 知排肥軸轉(zhuǎn)速對(duì)排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響比排 肥器開度大 該結(jié)論與方差分析得出的結(jié)論相吻合 3 3 4 試驗(yàn)結(jié)果目標(biāo)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證 為尋求各 因素最優(yōu)組合 以排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)最小為原 則 應(yīng)用Design Expert軟件對(duì)排肥穩(wěn)定性系數(shù)優(yōu)化求 解 得排肥器開度30 42 mm 排肥軸轉(zhuǎn)速51 5 r min 1 預(yù)測(cè)變異系數(shù)最優(yōu)值為1 84 在自制試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn) 行排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)和排肥量試驗(yàn) 重復(fù)5次 試驗(yàn)結(jié)果如表4所示 變異系數(shù)的相對(duì)誤差最大值 為4 89 最小值為0 54 平均相對(duì)誤差僅為2 95 相對(duì)誤差均在5 范圍內(nèi) 為可接受的誤差范圍 滿 足實(shí)際試驗(yàn)要求 3 3 5 排肥穩(wěn)定性對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn) 為驗(yàn)證排肥器 排肥穩(wěn)定性 與目前果園施撒有機(jī)肥應(yīng)用最多的螺 旋式排肥器 28 30 進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比 果園內(nèi)施肥作業(yè)空 間有限 基肥的施撒量也同樣巨大 31 試驗(yàn)時(shí)設(shè)定 兩者的工作轉(zhuǎn)速都是51 5 r min 1 試驗(yàn)時(shí)間10 s 進(jìn)行5組試驗(yàn) 每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值 統(tǒng)計(jì) 排肥量和試驗(yàn)的穩(wěn)定性變異系數(shù) 試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示 本研究設(shè)計(jì)的刮板輸送式排肥器排肥穩(wěn)定性 變異系數(shù)的均值為1 84 而螺旋式排肥器排肥穩(wěn) 定性變異系數(shù)達(dá)6 12 相較于螺旋式排肥器有效 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 53 47 41 35 29 23 13 70 18 10 22 50 26 90 31 30 排肥器開度 mm Opening height of fertilizer 排肥軸轉(zhuǎn)速 r min 1 Fertilizer shaft speed 排肥穩(wěn)定性變異系數(shù) Coef ficient of variation of fertilizer stability 53 47 41 35 29 2313 70 18 10 22 50 26 90 31 30 排肥器開度 mm Opening height of fertilizer 排肥軸轉(zhuǎn)速 r min 1 Fertilizer shaft speed a 響應(yīng)曲面 Response surface b 等高線圖 Contour map 圖 7 試驗(yàn)因素對(duì)變異系數(shù)的影響 Fig 7 Influence of experimental factor on the coefficient of variation 表 2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果1 Table 2 Orthogonal test plan and results 試驗(yàn)編號(hào) Test number 試驗(yàn)因素 Experimental factor 排肥穩(wěn)定性變異系數(shù) Coefficient of variation of fertilization stabilityx1 x2 1 22 5 38 0 2 47 2 31 3 53 0 1 89 3 35 0 38 0 1 85 4 22 5 38 0 2 53 5 31 3 23 0 3 21 6 22 5 16 5 3 38 7 22 5 59 5 2 47 8 13 7 23 0 2 62 9 22 5 38 0 2 31 10 13 7 53 0 2 59 11 22 5 38 0 2 45 12 10 0 38 0 2 43 13 22 5 38 0 2 31 1 x1 x2分別表示排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速 1 x1 x2 indicated opening degree of fertilizer discharging device and rotational speed of the fertilizer discharging shaft 表 3 方差分析表1 Table 3 Variation analysis table 變異來(lái)源 Variance source 平方和 Sum of squares 自由度 Degree of freedom F P 模型 Model 2 080 5 25 70 0 000 2 x1 0 110 1 6 71 0 035 9 x2 0 960 1 59 10 0 000 1 x1x2 0 420 1 25 73 0 001 4 x12 0 098 1 6 05 0 043 4 x22 0 430 1 26 68 0 001 3 殘差 Residual 0 110 1 失擬項(xiàng) Lack of fit 0 074 3 2 48 0 200 0 純誤差 Pure error 0 040 4 總和 Sum 2 190 12 1 x1 x2分別表示排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速 1 x1 x2 indicated opening degree of fertilizer discharging device and rotational speed of the fertilizer disch