螺旋錐體離心式排肥器擾動防堵機理分析與試驗

劉曉東 丁幼春 舒彩霞 王凱陽 劉偉鵬 王緒坪

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

精準施肥是實現化肥減施、解決農業面源污染的重要方式，同時也是保證農作物增產、農民增收的重要舉措[1-2]。精準施肥的關鍵在于排肥器，肥料減施須從排肥器性能著手，確保排肥器排肥均勻、穩定，從而達到精量施肥的目標。

變量施肥能夠顯著提高肥料利用率、減少化肥浪費及環境污染[3-7]。為了提高播種質量和種肥利用率，金鑫等[8]針對冬小麥播種作業方式粗放、效率低等問題，設計了2BFJ-24型小麥精量播種變量施肥機。楊碩等[9]將變量施肥控制系統與排肥監測系統進行集成，形成了一套支持多路播種施肥監測的變量施肥控制系統。張睿等[10]針對變量施肥機作業幅寬小等問題，設計了一種基于處方圖的鏈條式變量施肥拋撒機。氣力集排式排肥器能夠實現多行均勻分肥、高速送肥的寬幅作業[11-14]。NAVEEN等[15]通過對增壓管垂直試驗段不同位置統計速度分布的研究，建立了質點速度與加速度長度的相關關系。ANDRII等[16]研究了分種頭的幾何形狀和分種條件對分配精度的影響。楊慶璐等[17]基于CFD-DEM耦合，研究了分配器參數對氣流壓力、風速以及肥料運動特性的影響，確定了分肥裝置的最佳結構參數。李立偉等[18]對氣送式水稻施肥機輸肥裝置進行了氣固兩相流仿真分析，獲得了優化后氣體肥料混合腔的結構參數及氣動參數。目前，對顆?；试谂欧势鲀鹊倪\動學模型和因肥料緩慢下移及上端肥料壓力造成肥料滯留而導致的結拱堵塞等問題缺少理論分析與研究，未從根本上解決顆?；始芸战Y拱堵塞造成的斷條漏施問題。

長江中下游地區為我國冬油菜主產區[19-21]，該地區土壤黏重，小地塊較多，小型施肥播種聯合作業機具有發展優勢，排量均勻、穩定、結構緊湊、排送形式簡單的集排式排肥器具有更廣闊的發展空間。但肥料架空結拱堵塞問題仍是影響排肥器排肥穩定性、精量性的主要因素[22]。

筆者通過試驗對設計的螺旋錐體離心式排肥器排肥性能進行了檢驗，排肥性能滿足田間施肥質量要求，且未出現因排肥器架空結拱堵塞造成的斷條漏施問題[23]，為進一步探究排肥器螺旋擾動破拱防堵機理，本文對顆?；试诼菪F體離心式排肥器內的運動過程進行理論分析和仿真試驗，并通過高速攝像試驗和臺架試驗進一步檢驗排肥器擾動防堵性能。

1 排肥器結構與工作原理

螺旋錐體離心式排肥器主要由上殼體、螺旋擾動杯、弧形錐體圓盤、下殼體等組成，均采用ABS高精度樹脂打印制作，如圖1所示。

螺旋擾動弧形錐體圓盤(圖1c)由螺旋擾動杯與弧形錐體圓盤兩核心部件組成，螺旋擾動杯由高L0=40 mm位于弧形錐體圓盤上端直管和從直管上端開始沿直管內壁以外徑62 mm、內徑56 mm、螺距90 mm、厚度2.5 mm掃描0.3圈形成的螺旋曲面構成，共8個螺旋曲面均勻分布于直管內壁；弧形錐體圓盤為一旋轉拋物面，由一段拋物線和一條與拋物線連接的傾斜直線為母線繞定軸旋轉一周形成；弧形錐體圓盤上端面均勻布置有8個與徑向呈γ=12°的離心推板，弧形錐體圓盤母線方程為

(1)

式中H0——弧形錐體圓盤高度，mm

R0——谷點半徑，mm

δ——離送錐桶側壁與水平面夾角，(°)

x——弧形錐體圓盤母線方程橫坐標值，mm

R′——弧形錐體圓盤外緣半徑，mm

弧形錐體圓盤外緣半徑R′為104 mm；谷點半徑R0為75 mm；高度H0為80 mm；離心推板上端面與弧形錐體圓盤上端面距離H1為25 mm；離送錐桶側壁與水平面的夾角δ為35°。

工作時，電機帶動排肥器弧形錐體圓盤以角速度ω逆時針轉動，顆?；试跀_動杯內螺旋葉片的擾動及自身重力和上端肥料的壓力作用下向下運動，在弧形錐體圓盤的作用下均勻進入8個肥室，顆?；试陔x心力作用下向排肥器外緣移動，最后從排肥口排出。

2 排肥過程動力學分析與螺旋擾動防堵機理

2.1 擾動杯內顆?；蔬\動過程力學分析

螺旋擾動杯在旋轉過程中，螺旋葉片對緊貼擾動杯內壁顆粒化肥施加垂直于螺旋葉片下端面的推力，帶動顆?；首鲅芈菪~片相對運動速度為vr、牽連運動速度為ve的復合運動，位于擾動杯中間的顆?；视捎谑艿骄o貼擾動杯內壁顆?；实哪Σ亮?、肥料群壓力及自身重力作用也做向下的螺旋運動，以此實現對內顆粒肥料群在擾動杯內的螺旋擾動及下排。

假設任何面上的壓力為一常量p，貼壁肥料群與內肥料群之間的摩擦因數為fa，貼壁肥料群與螺旋葉片之間的摩擦因數為fb，貼壁肥料群與擾動杯內壁之間的摩擦因數為fc，根據農業物料流變學，顆粒化肥可視為微元體進行受力分析，故取位于螺旋槽內緊貼擾動杯內壁的顆?；嗜何⒃w作為研究對象，該微元體做沿螺旋葉片下移及隨擾動杯轉動的復合運動，貼壁肥料群(圖1c)在擾動杯螺旋葉片上的受力如圖2所示。

圖2 貼壁肥料群微元體受力分析Fig.2 Force analysis of fertilizer group against inner wall

根據微元體受力分析，建立貼壁肥料群微元體受力方程

(2)

式中ρ——肥料密度，kg/m3

h——貼壁肥料群微元體沿擾動杯徑向的厚度，m

W——兩螺旋葉片間距離

dz——微元體寬度，m

r——微元體轉動半徑，m

a——z0方向加速度，m/s2

g——重力加速度，m/s2

Fd——螺旋葉片推動面對微元體正推力，N

m——貼壁肥料群微元體質量，kg

F1——微元體與內肥料群表面的摩擦力，N

F2——微元體下端肥料對微元體的壓力，N

F3——螺旋葉片下側面與微元體之間的摩擦力，N

F4——螺旋葉片上側面與微元體之間的摩擦力，N

F5——擾動杯內壁與微元體之間摩擦力，N

F6——微元體上端肥料對微元體的壓力，N

F7——螺旋葉片下側面對微元體的壓力，N

F8——螺旋葉片上側面對微元體的壓力，N

G——貼壁顆?；嗜何⒃w重力，N

α——螺旋葉片螺旋角，(°)

θ——微元體前進角，(°)

由式(2)得

(3)

由固體輸送理論[24]知，前進角θ取決于貼壁肥料群微元體與擾動杯內壁摩擦因數和微元體與內肥料群表面摩擦因數的比值，由于肥料的物理特性及排肥器參數一定，θ為一定值。由式(3)知微元體與內肥料群表面的摩擦力F1與擾動杯轉動角速度ω及螺旋葉片螺旋升角α有關；當α確定后，隨角速度的增加，微元體與內肥料群表面摩擦力F1增加，由于內肥料群受到與F1大小相等方向相反的力，可為內肥料群提供繞軸線擾動和沿軸向的下推力，為內肥料群運動起到促進作用；α是影響貼壁肥料群與內肥料群運動的重要參數，其值過大或過小，均無法保證緊貼擾動杯內壁的顆?；氏乱撇閿_動杯內的肥料提供向下的摩擦力。

對于擾動杯內橫切面半徑為R的內肥料群，選取深度yh處微小肥料層dy為研究對象，設肥料層上端面垂直壓應力為σ1，側面壓應力為σ2，內肥料群微元體受力如圖3所示。

圖3 內肥料群微元體受力分析圖Fig.3 Force analysis of intermediate fertilizer group

假設內肥料群微元體以速度v向下運動，則該方向上的加速度為dv/dt，根據深倉壓力理論[25-26]與微元體的受力分析，建立內肥料群微元體受力方程

(4)

式中A——內肥料群水平橫截面面積，m2

C——肥料群水平橫截面周長，m

m1——內肥料群微元體質量，kg

F′1——貼壁肥料群對內肥料群提供的摩擦力，N

F′2——微小肥料層上端面受到的肥料群壓力，N

F′3——內肥料群微元體與貼壁肥料群表面摩擦力，N

F′4——微小肥料層下端面受到的支持力，N

F′5——微小肥料層側面受到的壓力，N

G′——內肥料群微元體重力，N

根據深倉壓力理論知，深倉內微小肥料層dy的垂直壓力與側壓力的比值為K，可得深度yh處微小肥料層dy的上端面垂直壓應力σ1和側面壓應力σ2分別為

(5)

(6)

式中ρb——肥料重度，N/m3

由式(4)得

(7)

由式(5)～(7)可看出微小肥料層豎直方向加速度和貼壁肥料群微元體與內肥料群表面的摩擦力F1呈正相關，結合式(3)結論可知，當擾動杯角速度增加時，微小肥料層豎直方向加速度增大，隨擾動杯角速度增加，內肥料群下移效果越好。通過上述分析可知，擾動杯內的螺旋葉片對顆?；试谂欧势鲀鹊倪\動具有積極作用，螺旋葉片的螺旋角α、角速度ω是影響肥料擾動、排肥穩定的重要參數，后期需進一步分析確定最佳參數。

2.2 顆?；式Y拱堵塞與破拱防堵機理分析

顆?；式Y拱是影響排肥穩定性的重要原因，結拱堵塞主要有兩種形式，一種是在出肥口形成的半球形空洞，另一種是出肥口上方的肥料以漏斗流的方式排空形成空心管狀抽芯式結拱，該兩種成拱形式均是由于與管壁接觸的肥料下移緩慢，同時肥料受到上端化肥的壓實作用，導致管壁處的肥料滯固形成硬實的表層而滯留不動，隨著排肥過程的持續，管壁處的肥料無法下移導致。

在螺旋擾動杯內，貼壁肥料群為內肥料群提供的摩擦力可分解為水平切向和豎直方向兩部分，摩擦力的水平切向分力為內肥料群提供沿擾動杯軸線轉動的力，摩擦力的豎直方向分力使肥料群下移。根據深倉壓力理論，內肥料群與貼壁肥料群之間的豎直方向摩擦力為

(8)

式中ρb=8 292.60 N/m3，K=0.44，fa=0.5，yh=0.5 m。根據式(8)，取擾動杯內的顆?；蕿檠芯繉ο?，以杯內顆粒化肥所在位置到擾動杯軸線距離為半徑，通過Excel軟件處理可得不同半徑R下顆?；适艿降哪Σ亮r拋物線方程為

Fr=7 549.8R2+69.282R-0.195 7

(9)

根據式(9)，以長度l表征內肥料群受到貼壁肥料群的摩擦力，以擾動杯軸線縱切面構建平面直角坐標系，擾動杯軸線為y軸，深度yh處水平位置為x軸，從x軸向y軸負方向以長度l為基準做不同半徑對應的摩擦力，得到反映在擾動杯軸線縱切面的一條拋物線，如圖4所示。

圖4 擾動杯內顆?；仕苣Σ亮Ψ治鯢ig.4 Analysis of friction force on particle fertilizer in disturbed cup

由圖4可知，擾動杯內的螺旋葉片可為緊貼管壁的肥料群施加沿管壁的水平方向和豎直向下的擾動作用，內肥料群中越靠近貼壁肥料群的肥料受到的摩擦力越大，在擾動杯軸線附近的肥料受到的摩擦力最小，該摩擦力可將肥料滯固形成的硬實肥料群擾動，肥料群由于失去緊貼管壁肥料的支撐，肥料破拱塌落下移，有效防止化肥結拱堵塞現象的發生，同時保證顆粒化肥持續穩定向下移動補充肥料，防止斷條問題的出現。

2.3 錐盤與上殼體內化肥運動過程力學分析

根據小區播種機錐體格盤排種器分種機理設計的弧形錐體圓盤，可保證擾動杯內的顆粒化肥在弧形錐體圓盤錐頂與錐盤上端面的作用下均勻流暢進入肥室。顆?；试跀_動作用下進入弧形錐體圓盤上端錐頂，此時顆?；适艿奖P面摩擦力最小，保證顆粒化肥順利進入下端肥室，隨著顆?；氏乱?，受到盤面的摩擦力逐漸變大，但排肥器表面光滑，摩擦力變化對顆?；实南乱七\動影響較小，由于弧形錐體圓盤自身的轉動，顆粒化肥受到的離心力遠大于摩擦力，被迫向外緣移動，實現整個下移過程。將上殼體與螺旋擾動弧形錐體圓盤進行簡化，僅保留上殼體與弧形錐體圓盤，選取上殼體與下殼體之間寬度為dw的下移肥料群微元體作為研究對象，其受力分析如圖5所示。

圖5 下移肥料群微元體受力分析Fig.5 Force analysis of fertilizer group moving down process

由式(1)知，弧形錐體圓盤上端面任意位置處的切線與水平面的夾角β可由弧形錐體圓盤母線方程求導得到，任意位置x1處的β為

(10)

式中x1——下移肥料群微元體下側面中點到軸心的距離，m

根據微元體的受力分析和達朗貝爾原理，建立下移肥料群微元體受力方程

(11)

式中μ——上殼體與下移肥料群的摩擦因數

μ1——弧形錐體圓盤上端面與下移肥料群的摩擦因數

f——離心推板與下移肥料群的摩擦因數

R1——微元體重心到軸線的距離，m

L——上殼體與下殼體之間的距離，m

FN——離心推板對微元體的摩擦力，N

m2——下移肥料群微元體質量，kg

a1——離心加速度，m/s2

γ——離心推板徑向偏角，(°)

Fc——微元體的慣性離心力，N

Fn——微元體上端肥料群壓力，N

Fg——微元體重力，N

Fs——上殼體對微元體的壓力，N

Ff——上殼體下端面與微元體的摩擦力，N

Ft——離心推板對下移肥料群微元體的支持力，N

Ff1——弧形錐體圓盤上端面與微元體的摩擦力，N

Fs1——弧形錐體圓盤上端面對微元體的支持力，N

Fn1——下端肥料群對微元體的支持力，N

由式(11)知肥料群下移的必要條件為

Fccosβ+Fn+Fgsinβ-Fn1-FN-Ff1-Ff≥0

(12)

顆粒化肥在弧形錐體圓盤與殼體間主要受離心力作用向排肥器外緣移動，因此弧形錐體圓盤上端面對微元體的支持力Fs1和弧形錐體圓盤上端面與微元體的摩擦力Ff1可忽略不計，下移肥料群微元體向弧形錐體圓盤邊緣移動過程中，由于微元體外緣的顆?；适艿降碾x心力大于微元體受到的離心力，微元體外緣的顆粒化肥對微元體的作用力Fn1可忽略不計，由于排肥器各部件材質一樣，因此肥料與排肥器之間的摩擦因數均設為f，整理得

(13)

由式(10)知，顆粒化肥從排肥器弧形錐體圓盤頂端沿弧面向外緣移動，在弧形錐體圓盤上端面任意位置切線與水平面的夾角β逐漸減小，結合式(13)可知，在相同排肥器弧形錐體圓盤轉速下，靠近排肥器外緣的顆粒化肥比靠近擾動杯軸線的顆粒化肥先達到下移條件，可防止顆粒化肥在弧形錐體圓盤與殼體間堆積壓實，保證顆粒化肥持續穩定順利向外緣移動，該運動過程及肥料的擾動防堵保證了排肥器的排肥穩定性、流暢性。

3 擾動過程仿真分析

為驗證螺旋錐體離心式排肥器的擾動防堵作用，開展有、無螺旋擾動杯的排肥器排肥過程仿真分析對比試驗。

3.1 仿真模型構建

3.1.1排肥器模型

為了縮短仿真時間，將與顆?；薀o接觸的部件省去，采用SolidWorks軟件進行排肥器建模，排肥器模型如圖6所示，并將模型以.IGS格式文件導入EDEM軟件。設置模型的泊松比為0.394，剪切模量為3.18×108Pa，密度為1 070 kg/m3。

圖6 排肥器模型Fig.6 Model of fertilizer apparatus1.肥箱 2.上殼體 3.排肥管 4.弧形錐體圓盤

3.1.2顆?；誓Ｐ?/p>

隨著顆粒化肥造粒技術的成熟，顆粒表面光滑圓潤，不容易結塊，合格率高，形狀一般為球形或橢球形，可定義為球形散粒體。以常用史丹利復合肥理化特性參數為依據，設置直徑為3.32 mm，密度為845.61 kg/m3，泊松比為0.25，剪切模量為1.1×108Pa，在EDEM軟件中構建肥料顆粒體，模擬復合肥料形狀。

3.1.3接觸模型

由于顆?；式魄蛐?，顆粒表面沒有粘附作用，所以選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型[27]，仿真參數綜合參考文獻[3,6,17,28]確定，顆粒化肥與顆?；手g的恢復系數、靜摩擦因數、動摩擦因數分別為0.3、0.34、0.16，顆?；逝c排肥器之間的恢復系數、靜摩擦因數、動摩擦因數分別為0.2、0.18、0.01。設置EDEM顆粒工廠的生成速率為100 000粒/s，生成總量為50 000粒，弧形錐體圓盤設置為1 s時開始轉動，以此保證在轉動前生成的顆粒完全靜止于肥箱內，設置固定時間步長為Rayleigh時間步長的20%，總時間為20 s[29]。

3.2 擾動防堵性能仿真試驗分析

3.2.1排肥器內顆?；蕯_動過程分析

通過前期試驗，結合油菜直播施肥量要求，若播種機前進速度為3.5 km/h，此時排肥器轉速應大于100 r/min，為直觀觀察排肥器內部肥料運動情況，兩種排肥器弧形錐體圓盤轉速均選取110 r/min，在EDEM軟件中的Clipping組框中添加Clipping Planes(平面截斷)，通過調整Plane Orientation和Distance from Center值確定平面截斷位置，平面截斷模型如圖7所示(左側有螺旋擾動杯，右側無螺旋擾動杯，紅色方框內為肥箱出肥口與排肥器連接處)。

圖7 平面截斷模型Fig.7 Clipping planes model

從圖7可以看出，顆粒化肥在有螺旋擾動杯和沒有螺旋擾動杯的排肥器內的運動速度存在明顯差別。安裝有螺旋擾動杯的排肥器內，位于擾動杯內的顆?；食仕{色，說明擾動杯為其提供了擾動作用，位于肥箱出肥口與排肥器連接處內的顆粒化肥為淺藍色，說明螺旋擾動杯對其提供了卷攜擾動作用，因為緊貼螺旋擾動杯內壁的顆?；试诼菪~片的作用下運動時，會卷攜中間的顆?；蔬\動，并為位于螺旋擾動杯上端肥箱內的顆?；侍峁﹦?/p>

能，可以有效防止化肥結拱，保證化肥順利下移，說明螺旋擾動杯具有較好的擾動作用，同時隨著顆?；试陔x心力的作用下向排肥器外緣移動，顆粒化肥速度不斷增加，保證了化肥的順利離送；在沒有螺旋擾動杯的排肥器內顆?；蕿榘咨f明顆粒化肥僅靠自身重力和上端肥料的壓力緩慢向下移動，若肥箱出肥口形成半球形空洞，無法破拱，嚴重影響排肥穩定性。從上述分析可知，安裝有螺旋擾動杯的排肥器具有很好的擾動防堵性能。

通過上述分析知，擾動杯帶動緊貼擾動杯內壁的肥料運動，進而卷攜肥箱出肥口與排肥器連接處的顆?；蔬\動，為后續高速攝像試驗觀察表層肥料運動提供了理論支撐。

3.2.2顆?；仕椒较蛩俣确治?/p>

為更直觀分析顆?；试谟小o螺旋擾動杯排肥器內的運動情況，選取位于肥箱出肥口與排肥器連接處內5顆化肥(顆?；蔬x取位置如圖7中黑點所示，從左往右依次代表顆粒1至顆粒5，這5點可較好代表顆粒運動變化，且所選取的有螺旋擾動杯內的顆?；仕诔跏嘉恢门c無螺旋擾動杯內的顆粒化肥位置保持相近或一致)，通過EDEM后處理軟件分析其在排肥器內水平x方向速度變化，顆粒化肥在x方向速度隨時間變化的曲線如圖8所示。

圖8 顆?；仕椒较蛩俣茸兓€Fig.8 Velocity variation curves of granular fertilizer in x-axis direction

弧形錐體圓盤在0.5 s時開始轉動，從圖8可看出，有螺旋擾動杯的排肥器內顆?；试? s前速度較低，顆粒2、4在1.3 s時出現了水平x方向速度的波動，顆粒1、3、5在1.6 s時出現了水平x方向速度的波動，速度波動的最高點和最低點代表此時顆粒化肥在x方向的瞬時速度，此時顆?；试跀_動杯的作用下做沿擾動杯軸線向下的螺旋運動，顆粒2、4在1.5 s后水平x方向速度出現規律的大幅波動，顆粒1、3、5在1.8 s后水平x方向速度出現規律的大幅波動，說明此時顆粒化肥已進入肥室，并隨轉動半徑的增加，線速度逐漸增加；沒有螺旋擾動杯的排肥器內由于離心推板對顆粒化肥的帶動，顆粒均在進入肥室前出現了短暫的速度波動，顆粒2、3、4在2 s時進入肥室，顆粒1、5在3 s時進入肥室。根據顆?；试趦膳欧势鲀鹊乃俣茸兓芍?，有螺旋擾動杯的排肥器內顆?；试谶M入肥室前，出現了持續的速度波動，說明螺旋擾動杯為肥料提供了擾動作用，增加了肥料的流動性，可防止肥料滯固形成硬實的表層而出現堵塞，保證顆粒化肥持續穩定供給，避免出現斷條現象；無螺旋擾動杯的排肥器由于缺少擾動作用，肥料流動性稍差，因此比有螺旋擾動杯的排肥器內顆?；蔬M入肥室內的時間稍長。

4 臺架試驗

4.1 試驗材料與方法

排肥器架空結拱堵塞嚴重影響排肥穩定性，為分析排肥器螺旋擾動防堵作用及排肥性能，應用自制的排肥裝置試驗臺開展有、無螺旋擾動杯排肥器排肥性能試驗研究，試驗所用肥料為史丹利復合肥，以同行排肥頻率穩定性系數與排肥量穩定性變異系數為評價指標，所用肥料10 kg，收集8個排肥管內的顆?；省?/p>

通過分析油菜直播施肥量要求，結合前期排肥器供肥速率，為適應不同施肥量要求，開展弧形錐體圓盤轉速在80、90、100、110、120、130 r/min[27](轉速利用速為SW6234C型激光測速儀測定；利用兆信30V5A的數顯線性可調直流穩壓電源RXN-3005D作為12 V電源，為弧形錐體圓盤驅動電機供電)同行排肥頻率穩定性系數與排肥量穩定性變異系數對比試驗研究，并利用高速攝像儀(Pco.dimaxHD，攝像方向為排種器斜下方)觀察肥箱出肥口與排肥器連接處內顆粒化肥卷攜運動狀態，高速攝像試驗裝置如圖9所示。

圖9 高速攝像試驗裝置Fig.9 High-speed photography experiment device1.可調直流穩壓電源 2.直流電機調速器 3.肥管 4.排肥器 5.肥箱 6.臺架 7.高速攝像系統 8.補光燈

同行排肥頻率穩定性系數為

(14)

式中N——試驗次數

xi——每行排肥管第i次的排肥頻率，g/s

若式(14)中xi為第i次60 s內總排肥量(g)，則排肥量穩定性變異系數為1-CV。

4.2 試驗結果與分析

4.2.1顆粒化肥卷攜運動分析

為分析螺旋擾動杯是否對顆?；十a生卷攜擾動作用，在肥箱出肥口與排肥器連接處上端鋪放了一層標記顏色的顆粒化肥，從左往右依次鋪放紅-藍-紅-藍-紅-藍色顆粒化肥，并用豎線在圖中分隔開，分成6個區域，如圖10所示。a代表初始狀態；b代表標記顏色的顆粒化肥運動到肥箱出肥口與排肥器連接處末端；c代表標記顏色的顆?；释ㄟ^肥箱出肥口與排肥器連接處末端。

圖10 肥料運動狀態Fig.10 Fertilizer state of motion

從圖10a可以看出，在狀態b時，區域H2內的藍色顆?；蔬M入區域H3，且區域H3內完全布滿區域H2內的藍色顆?；?，區域H3內的紅色顆?；释耆M入區域H4，區域H4內一半以上的藍色顆粒化肥進入區域H5；隨著排肥器繼續運動，在狀態c時，H2區域內的藍色顆?；蔬M一步向右運動，且有部分藍色顆粒進入區域H4。顆?；蚀嬖谙蛴蚁路降木頂y運動，且運動過程流暢，無斷層下落問題；根據圖10b顆粒化肥位置變化可知，在狀態b和狀態c時，各區域內的顆?；食齾^域N2內的極少藍色肥料進入區域N3外，其余區域內顆?；示闯霈F在其它區域，各區域顆?；示鱿蛳碌呢Q直運動，不存在卷攜運動，且在試驗過程出現了顆?；蕯嗬m下落問題。根據上述顆?；蔬\動情況可知，有螺旋擾動杯的排肥器可為肥箱出肥口與排肥器連接處的顆?；侍峁┚頂y擾動作用，該部位擾動作用是由螺旋擾動杯內的顆?；蔬\動卷攜所致，可有效防止肥料架空結拱堵塞，提高排肥流暢性。

4.2.2排肥穩定性分析

同行排肥頻率穩定性系數是衡量排肥器相同時間內同一排肥管排肥頻率差異的指標；排肥量穩定性變異系數是衡量排肥器相同時間內排肥管排肥量差異的指標，兩者均是排肥器排肥穩定性最直觀的判斷標準。

同行排肥頻率穩定性分析結果如圖11所示，圖中藍色和紅色分別代表有螺旋擾動杯和無螺旋擾動杯的排肥器不同轉速同行排肥頻率穩性定系數，由內向外的等值線分別為90%、92%、94%、96%、98%、100%，數字1～8為排肥管編號。由圖可知，當弧形錐體圓盤轉速較低時，無螺旋擾動杯排肥器較有螺旋擾動杯排肥器同行排肥頻率穩定性系數低，且各排肥管之間的排肥頻率穩定性系數差異明顯，有螺旋擾動杯排肥器同行排肥頻率穩定性系數雖較低，但各排肥管之間的排肥頻率穩定性系數相差不大，均在96%以上；隨著弧形錐體圓盤轉速增加，有、無螺旋擾動杯的排肥器同行排肥頻率穩定性系數均有提高，且各排肥管之間的排肥頻率穩定性系數差異減小，當弧形錐體圓盤轉速達到130 r/min時，有、無螺旋擾動杯排肥器同行排肥頻率穩定性系數相差最小，且各排肥管之間的排肥頻率穩定性系數相差最??；弧形錐體圓盤從低速到高速，在相同轉速時，有螺旋擾動杯排肥器均較無螺旋擾動杯排肥器同行排肥頻率穩定性系數高，且各排肥管排肥頻率穩定性系數相差不大。說明螺旋擾動杯對排肥器排肥穩定性具有積極作用，螺旋錐體離心式排肥器具有較高的排肥穩定性，對提高排肥質量和精度具有重要意義。

圖11 同行排肥頻率穩定性分析結果Fig.11 Analysis result of fertilizing frequency stability in the same row

圖12 排肥量穩定性變異系數隨轉速的變化曲線Fig.12 Variation curves of variation coefficient of fertilizing amount stability with increase of rotate speed

排肥量穩定性變異系數隨轉速變化曲線如圖12所示。由圖12知，當弧形錐體圓盤轉速相同時，有螺旋擾動杯排肥器比無螺旋擾動杯排肥器排肥量穩定性變異系數低，且兩種排肥器排肥量穩定性變異系數隨弧形錐體圓盤轉速增加而減小；無螺旋擾動杯排肥器排肥量穩定性變異系數在5.11%～10.82%之間，有螺旋擾動杯排肥器排肥量穩定性變異系數在3.19%～5.57%之間，兩者均滿足施肥質量要求，但有螺旋擾動杯排肥器明顯低于無螺旋擾動杯排肥器的排肥量穩定性變異系數。綜上，說明螺旋擾動杯有助于排肥器穩定均勻排肥，對縮小各排肥管排量差異、提高排量穩定性具有重要作用。

5 結論

(1)通過對顆?；试谂欧势鲀冗\動學分析和顆粒化肥架空結拱堵塞形式分析，明確了顆?；式Y拱機理，通過構建螺旋擾動杯內顆?；仕苣Σ亮δＰ涂芍?，貼壁肥料群可為內肥料群提供隨半徑變化豎直向下的摩擦力和與徑向垂直的摩擦力，可有效解決管壁處因肥料滯固形成硬實的表層而造成的結拱堵塞問題。

(2)排肥器仿真試驗表明，安裝有螺旋擾動杯的排肥器內顆粒化肥為藍色，說明螺旋擾動杯為顆?；侍峁┝司頂y擾動作用；無螺旋擾動杯的排肥器內顆?；蕿榘咨?，說明顆?；蔬\動緩慢無擾動作用。由顆?；试谟?、無螺旋擾動杯排肥器內的速度對比分析可知，有螺旋擾動杯排肥器比無螺旋擾動杯排肥器內的顆?；蔬M入肥室的時間短，且進入肥室前出現了持續0.5 s的速度波動，說明螺旋擾動杯對顆?；实倪\動具有積極作用。

(3)高速攝像試驗表明，有螺旋擾動杯的排肥器可為顆粒化肥提供卷攜擾動作用，有效防止肥料架空結拱堵塞。臺架試驗表明，有螺旋擾動杯排肥器各排肥管之間的排肥頻率穩定性系數在96%以上，且同行排肥頻率穩定性系數隨弧形錐體圓盤轉速的增加而提高，排肥量穩定性變異系數不超過5.57%，具有較高的排肥均勻性和穩定性。