氣力集排式排肥系統結構優化與試驗

楊慶璐，王慶杰，李洪文，何 進，盧彩云，王英博，于暢暢

·農業裝備工程與機械化·

氣力集排式排肥系統結構優化與試驗

楊慶璐，王慶杰※，李洪文，何 進，盧彩云，王英博，于暢暢

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083； 2. 中國農業大學工學院現代農業裝備優化設計北京市重點實驗室，北京 100083）

針對氣力集排式排肥系統與分層深施肥鏟配合作業時，進肥口處肥料落入不順暢以及排肥口處氣流速度過大導致肥料彈跳和地表揚塵等問題，該研究通過分析排肥系統各部件結構參數與工作參數之間的關系，對排肥系統進行結構優化，并設計了一種氣-肥分離裝置，將部分輸送氣流提前從排肥系統排出，從而降低排肥口處的氣流速度，提高進肥口的進料穩定性。通過理論分析和參數計算，確定了排肥系統各組成部件的結構和基本工作參數，分析確定了影響排肥口和進肥口處氣流速度的主要因素，并以排肥口和進肥口處的氣流速度為試驗指標，以氣-肥分離裝置的排氣口面積、排肥系統入口氣流速度和施肥速率為試驗因素，進行二次正交旋轉組合臺架試驗，建立了試驗指標與各影響因素的數學回歸模型。通過對試驗結果的擬合和優化分析，得到氣-肥分離裝置排氣口面積為798.0 mm2。排肥系統入口氣流速度為28.10 m/s，施肥速率為0.28 kg/s時，排肥系統排肥口氣流速度為5.91 m/s，進肥口氣流速度為3.94 m/s，以得到的優化參數進行試驗驗證，測得排肥系統排肥口氣流速度為6.02 m/s，進肥口氣流速度為4.11 m/s，排肥系統進肥口肥料落入順暢，工作穩定。

機械化；設計；優化；氣力集排式；氣-肥分離裝置

0 引 言

隨著中國土地流轉的進一步推進，土地集約化、規模化經營成為農業發展必然趨勢，中大型、高速寬幅作業機具成為現代農業高效生產的根本保障[1-5]。施肥播種作業是農業生產的關鍵環節，須按照農藝要求在較短時間內完成，時間緊、季節性強[6-7]。傳統機械式施肥播種裝置已不能滿足高速寬幅、精量高效的現代化農業的作業要求。近年來，精確度高、可靠性強的氣力集排式施肥播種方式發展迅速[8-9]。

氣力集排式排肥系統是氣力集排式施肥播種機的核心部件之一。國外在20世紀50年代就已經開始了氣力集排式排肥排種方面的研究[10]，80年代，在美國、加拿大等發達國家開始廣泛應用，逐漸取代傳統機械式施肥方式[11-12]。Andrii等[13-14]對氣力集排式播種機氣力輸送系統進行了理論分析和試驗研究，研究表明在給定管道中顆粒的流量和輸送氣流速度決定了顆粒在輸送系統中的運動速度和運動軌跡；Salavat等[15]對氣力集排式播種機分配系統中氣-固兩相流進行了數值模擬，以數值方式描述分配系統分配過程，為研究和改進氣力集排式分配系統的結構參數提供了參考；Bourges等[16]對分配系統中氣流的運動進行了數值模擬，研究垂直輸送管的長度對氣力集排系統氣動性能的影響。以上研究均未涉及氣力集排式排肥系統各部件結構參數與工作參數之間的影響關系，尤其是關于排肥系統進出口參數對排肥系統工作穩定性、進肥口和排肥口處氣流速度等影響的研究。國內對氣力集排式排肥系統方面的研究起步較晚，有關排肥系統工作穩定性方面的研究鮮見報道。

基于前期研究，將氣力集排式排肥系統用于分層深施肥作業，排肥系統各排肥管與分層施肥鏟各層出肥口相連，肥料在氣流作用下可快速遠距離輸送至分層深施肥鏟各層出肥口，實現肥料在土壤中分層施用。傳統機械式分層施肥作業，依靠肥料自身重力進行肥料輸送和各層分配，為避免堵塞，排肥管較粗大，不僅增大了機具作業阻力，可靠性也較差，而氣力集排式排肥系統先進行各層肥料分配，而后肥料在氣流輔助下快速輸送至各層出肥口，排肥管直徑較小，且不易堵塞，有效減小機具作業阻力。試驗發現，排肥管直徑參數對氣力集排式排肥系統的工作穩定性有較大影響，因此，需明確排肥系統各部件的結構參數與工作參數之間的影響關系，優化氣力集排式排肥系統參數，提高工作穩定性。

本文針對排肥系統與分層深施肥鏟配合作業時，進肥口處肥料落入不順暢以及排肥口處氣流速度過大導致肥料彈跳和地表揚塵等問題，通過氣力集排式排肥系統試驗臺，研究排肥系統各部件結構與工作參數之間的關系，以為氣力集排式排肥系統的設計和優化提供技術參考和理論支撐，提高氣力集排式排肥系統的工作穩定性。

1 氣力集排式排肥系統結構與工作原理

1.1 總體結構

氣力集排式排肥系統包括肥料分配裝置、供肥裝置、氣-肥混合裝置、氣-肥分離裝置、風機和輸送管道等。其中肥料分配裝置由分配器和波紋管組成，供肥裝置由肥箱、外槽輪排肥器和排肥電機組成。結構示意圖如圖1所示。

1.排肥管 2.氣-肥分離裝置 3.波紋管 4.分配器出口 5.分配器 6.肥箱 7.排肥電機 8.風機 9.氣流輸送管 10.氣-肥混合裝置 11.外槽輪排肥器 12.氣-肥輸送管 13.分層深施肥鏟

風機出口通過氣流輸送管道與氣-肥混合裝置進風口相連接；外槽輪排肥器由排肥電機帶動，與氣-肥混合裝置進肥口相連接；氣-肥混合裝置出口經氣-肥輸送管與波紋管下端相連接；分配器入口與波紋管上端相連接，出口經排肥管與氣-肥分離裝置相連接；排肥系統排肥管與分層深施肥鏟上下層施肥管相連接。

1.2 工作原理

氣力集排式排肥系統的排肥作業，主要依靠高速氣流的作用將肥料分配并輸送至分層深施肥鏟。其工作過程主要分為供肥裝置定量供肥、氣-肥混合裝置高效混肥、分配裝置精準分肥、排肥管快速輸肥4個階段。工作時，風機產生高速氣流，經氣流輸送管道進入氣-肥混合裝置混合腔；肥料從肥箱經外槽輪排肥器定量排出，在自身重力和壓差作用下進入氣-肥混合裝置混合腔；氣-肥混合裝置在文丘里效應的作用下，將高速氣流和肥料在混合腔內均勻混合；混合形成的氣-肥混合流經氣-肥輸送管進入波紋管，在波紋管的拉伸、擠壓及肥料觸壁反射的共同作用下，高速氣流與肥料充分混合，形成均勻氣-肥混合流；分配器利用壓差和肥料觸壁反射的特性，將氣-肥混合流精準分配至每一個出口；分配后的氣-肥混合流經排肥管和氣-肥分離裝置輸送至分層深施肥鏟，分層深施肥鏟將肥料分層施入土壤中。

2 氣力集排式排肥系統關鍵參數設計

氣力集排式排肥系統中，肥料的穩定供給是提高排肥系統穩定性的關鍵因素。排肥系統氣力輸送中，各部件的結構參數和輸送氣流速度是影響肥料輸送的重要因素[17]。

2.1 排肥系統風速

氣力集排式排肥系統依靠高速氣流將肥料分配并輸送至各排肥管。肥料與高速氣流在氣-肥混合裝置形成氣-肥混合流，經氣-肥輸送管進入波紋管，波紋管為豎直方向安裝，因此，氣-肥混合流需克服肥料重力向上運動，并以一定速度進入分配器，完成肥料的分配。

肥料顆粒為不規則形狀球體，在氣流作用下形成懸浮狀態，必須滿足空氣阻力F與物料浮重相等，則肥料顆粒的自由懸浮速度0[18]為

式中K為不規則形狀物料修正系數；d為肥料顆粒的等效粒徑，m；ρ為肥料的顆粒密度，kg/m3；ρ為空氣的密度，kg/m3；為繞流阻力系數；為重力加速度，m/s2。不規則球體的K為1.2[18]，ρ為1.293 kg/m3，取0.44[18]，取9.81 m/s2。通過預試驗，測得所選肥料（住商肥料（青島）有限公司，N:P2O5:K2O為28:8:10）等效粒徑d為3.26×10-3m，肥料的顆粒密度ρ為1 448 kg/m3。

由此計算得出肥料顆粒的自由懸浮速度0為9.51 m/s，根據氣力輸送氣流速度的經驗系數，輸送管道布置較復雜時，輸送氣流速度v應為顆粒懸浮風速0的2.6～5.0倍[8,18]，則v最小值應大于2.60，即24.71 m/s，取整為25 m/s。

2.2 氣-肥輸送管結構參數

氣-肥輸送管將氣-肥混合流從氣-肥混合裝置輸送到波紋管（圖1中12所示），單位時間所需空氣體積量Q為

式中W為單位時間輸送氣流質量，W=W/，kg/s；W為單位時間輸送肥料顆粒質量即施肥速率，kg/s；為單位時間肥料質量與氣流質量的混合比。

排肥系統物料輸送方式為低壓稀相流輸送[14]，根據相關文獻[18]，單位時間肥料質量與氣流質量的混合比范圍為1~10，本文取為2.9[19]。氣力集排式排肥系統用于玉米分層深施肥作業，機具作業幅寬為2.5 m，最大施肥速度為10 km/h，施肥量為200～600 kg/hm2[19-22]，則W最大為0.42 kg/s。

排肥系統單位時間內輸送的空氣體積量Q與氣-肥輸送管直徑之間關系滿足：

綜合式（1）～（3），可得氣-肥輸送管道直徑為

計算得氣-肥輸送管直徑為76 mm，單位時間所需空氣體積量Q為0.112 m3/s。

2.3 氣-肥混合裝置結構參數

氣-肥混合裝置依據文丘里效應實現肥料與氣流均勻混合[23-24]，是連續均勻供肥的關鍵部件，其結構如圖2所示，主要包括噴嘴、進肥口、肥料接收室、過渡室和氣-肥混合腔等結構。噴嘴出口與肥料接收室相連接，入口與風機出口相連接。進肥口一端與肥料接收室相連接，另一端與定量供肥裝置相連接。

1.氣-肥混合腔 2.過渡室 3.肥料接收室 4.進肥口 5.噴嘴

1.Air-fertilizer mixing chamber 2.Transition room 3.Fertilizer receiving room 4.Fertilizer inlet 5.Nozzle

注：為過渡室收縮角，(°)；為噴嘴收縮角，(°)；1為氣-肥混合腔直徑，mm；1為氣-肥混合腔長度，mm；2為噴嘴直徑，mm；3為進肥口直徑，mm。

Note:is contraction angle of transition room, (°);is contraction angle of nozzle, (°);1is diameter of air-fertilizer mixing chamber, mm;1is length of air-fertilizer mixing chamber, mm;2is diameter of nozzle, mm;3is diameter of fertilizer inlet, mm.

圖2 氣-肥混合裝置結構示意圖

Fig.2 Structural schematic diagram of air-fertilizer mixing device

過渡室主要作用是將氣-肥混合腔與肥料接收室連接起來，將肥料接收室中的肥料收攏至氣-肥混合腔。過渡室收縮角為過渡室管壁與豎直方向的夾角，應大于肥料顆粒與過渡室內壁的摩擦角的補角，防止肥料滑落回肥料接收室。經預試驗測得肥料顆粒與過渡室內壁摩擦角為27.31°，補角為62.69°，因此取為65°。噴嘴收縮角為噴嘴收縮口管壁與豎直方向的夾角，其主要作用是提高噴嘴出口氣流速度，在肥料接收室形成負壓[25]，促進肥料順利落入接收室，取為70°[24]。氣-肥混合腔與氣-肥輸送管道相連接，因此氣-肥混合腔直徑1與氣-肥輸送管道直徑尺寸一致，為76 mm。當氣-肥混合腔直徑1與噴嘴直徑2比例為1.27時，氣-肥混合裝置綜合性能最優[26]，因此噴嘴直徑2為60 mm。氣-肥混合腔長度應當滿足肥料與氣流場充分混合穩定[27]，因此1取為300 mm，3取為55 mm。

2.4 排肥系統分配裝置進出口參數

排肥系統分配裝置是進行各行肥料分配的關鍵部件，其進出口參數對排肥系統內部氣壓和風速、肥料顆粒的運動有重要影響[28]。分配裝置中波紋管兩端分別與氣-肥輸送管和分配器入口相連接，因此，波紋管直徑D和分配器入口直徑D與氣-肥輸送管直徑尺寸一致，均為76 mm，其結構如圖3所示。由分配器入口進入的氣-肥混合流經分配器分配后由分配器出口排出，為保證分配后的氣-肥混合流能順利排出分配器，減少氣流在分配器內的壓力損失，分配器各出口的截面積之和應大于分配器入口截面積，因此分配器出口的直徑D應滿足：

式中為分配器出口個數；D為分配器出口直徑，mm；D為分配器入口直徑，mm。

氣力集排式排肥系統用于玉米分層深施肥作業，作業幅寬為2.5 m，對應4個分層深施肥鏟，每個分層深施肥鏟施肥層數為2層，每層對應1根排肥管，因此分配器出口個數為8個。計算得出分配器出口的直徑應大于26.87 mm。為保證分配器穩定分配，保留一定裕量，取分配器出口的直徑D為30 mm。

1.分配器出口 2.分配器 3.分配器入口 4.波紋管

1.Distributor outlet 2.Distributor 3.Distributor inlet 4.Bellows

注：D為波紋管直徑，mm；D為分配器出口直徑，mm；D為分配器入口直徑，mm。

Note:Dis diameter of bellows, mm;Dis diameter of distributor outlet, mm;Dis diameter of distributor inlet, mm.

圖3 排肥系統分配裝置結構示意圖

Fig.3 Structural schematic diagram of distribution device of fertilizing system

2.5 排肥系統氣流入口與氣-肥出口的參數關系

排肥系統工作時，當排肥系統的氣流入口與氣-肥出口大小相同時，初始輸送氣流速度一定，輸送過程中空氣能量不斷損耗，沿輸送管路方向壓力不斷下降，空氣產生膨脹，使管道內輸送氣流的速度不斷增大，壓力損失進一步增加，至排肥系統氣-肥出口處達到最大值[29]，導致排肥系統氣-肥出口肥料速度過大，肥料落入土壤后發生彈跳，影響分層效果；當排肥系統氣流入口大于氣-肥出口時，輸送過程中氣流壓力損失加劇，能量不斷損耗，氣體膨脹更為嚴重，增加了氣-肥出口氣流速度，另一方面，初始定量的氣流從氣流入口進入，再從氣-肥出口排出，單位時間總流量一定的情況下，出口截面積越小，氣流速度越大，造成排肥系統氣-肥出口肥料速度增大。

排肥系統氣-肥混合裝置的管道先收縮后逐漸擴大，在收縮位置動壓達到最大，靜壓最小，氣流速度因橫截面減小而增大，產生壓差，肥料被負壓吸入氣-肥混合裝置。當排肥系統氣流入口大于氣-肥出口時，就會間接造成氣-肥混合裝置的氣流入口大于氣流出口，文丘里效應失效，在收縮位置不再產生負壓，阻礙肥料進入氣-肥混合裝置，在進肥口處產生堵塞。

因此，為實現排肥系統進肥口連續穩定進料，降低排肥系統氣-肥出口的氣流速度，減少肥料彈跳和地表揚塵等問題，排肥系統氣流入口的截面積應小于排肥系統氣-肥出口的截面積。

2.6 排肥管結構參數

氣力集排式排肥系統中分配器將肥料分配后經排肥管輸送至分層深施肥鏟，各排肥管組成了排肥系統的末端出口，其結構參數對整個排肥系統的工作穩定性有重要影響。如圖4所示，各排肥管與分層深施肥鏟各層出肥口相連，各層出肥口布置在分層深施肥鏟鏟柄的后方。施肥作業時，施肥鏟前方鏟尖切開土壤，肥料經后方的各層出肥口施入土壤，在機組前進過程中，施肥鏟后方的排肥管與鏟尖切開的土壤的側壁接觸，對土壤側壁產生一定的擾動，增大施肥鏟的前進阻力，因此，為降低施肥鏟的工作阻力，減少排肥管對土壤的擾動，排肥管直徑應盡量減小[14]，本研究取排肥管直徑D為20 mm。

1.鏟尖 2.鏟柄 3.下層排肥管 4.上層排肥管 5.上層肥料 6.下層肥料 7.上層出肥口 8.下層出肥口 9.土壤

3 氣-肥分離裝置設計

3.1 氣-肥分離裝置結構與工作原理

根據前文計算分析，排肥系統的氣流入口截面積應小于排肥系統的氣-肥出口截面積。排肥系統的氣流入口為氣-肥輸送管，直徑為76 mm，排肥系統氣-肥出口為分層深施肥鏟排肥管，直徑為20 mm，共有8個排肥管，計算得排肥系統氣-肥出口等效直徑為56.6 mm，此時排肥系統的氣流入口截面積大于排肥系統的氣-肥出口截面積，不能滿足設計要求。排肥系統分配器將肥料分配完成后，氣-肥混合流由分配器出口進入分層深施肥鏟排肥管，分配器出口直徑為30 mm，而分層深施肥鏟排肥管直徑為20 mm，兩者不匹配，因此，本研究提出一種氣-肥分離裝置，安裝在分配器出口與分層深施肥鏟排肥管之間，將一部分輸送氣流從分離裝置排出，剩余氣流與肥料由分層深施肥鏟排肥管排出。此時，氣-肥分離裝置排氣口與分層深施肥鏟排肥管共同組成排肥系統的出口，當增大氣-肥分離裝置排氣口時，排肥系統的出口截面積也相應增大。當排氣口與排肥管組成的等效出口截面積大于排肥系統的入口截面積時即能滿足排肥系統的設計要求。

氣-肥分離裝置將分配器分配后的氣-肥混合流中的一部分氣流提前排出排肥系統，可減少分層深施肥鏟出肥口處的氣流，降低出肥口處肥料的速度，減少肥料在土壤中的彈跳，提高肥料分層效果，同時減少地面揚塵，其結構如圖5所示，主要包括旋轉套、收縮口連接桿和外管等。氣-肥分離裝置入口與分配器出口相連，出口與分層深施肥鏟排肥管相連，前一個收縮口出口與下一個收縮口入口之間留有一定的間隙，各收縮口由連接桿固定在外管上，所有收縮口由外管包裹，外管上部設有排氣口，旋轉套通過螺紋安裝在外管外側，通過轉動旋轉套，上下移動其位置，調整排氣口大小。

經分配器分配后的氣-肥混合流由入口進入氣-肥分離裝置，經連續收縮口分離作用，一部分氣流由收縮口與收縮口之間的間隙排出，進入氣-肥分離裝置外管，由外管上部排氣口排出，肥料顆粒在慣性力和重力作用下進入下一級收縮口，經過多級收縮口的分離作用，一部分氣流提前排出，剩余的部分氣流與肥料顆粒共同進入分層深施肥鏟排肥管，輔助完成肥料顆粒的輸送。

注：a為氣-肥混合流；b為提前排出的氣流；c為剩余的氣流和肥料；D4為氣-肥分離裝置入口直徑，mm；D5為氣-肥分離裝置出口直徑，mm；D6為外管直徑，mm。

氣-肥分離裝置入口直徑4與分配器出口直徑D大小一致，為30 mm；出口直徑5與分層深施肥鏟排肥管直徑D大小一致，為20 mm；收縮口錐角為20°，收縮口入口直徑為52 mm；外管直徑大于收縮口入口直徑且保留一定間隙，便于排出分離后的氣流，外管直徑6取為75 mm；排氣口為4個25×10 (mm)矩形孔，均勻分布在外管上部圓周，通過旋轉套調整排氣口大小，排氣口面積1的理論可調整范圍為0~1 000 mm2。根據前述排肥系統入口與出口參數關系分析可知，排肥系統的入口截面積應小于排肥系統的等效出口截面積，因此氣-肥分離裝置排氣口面積1應滿足：

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式中為氣-肥輸送管道直徑，mm；為分配器出口個數。

計算得出排氣口面積1應大于253 mm2，因此排氣口面積1的調整范圍為253～1 000 mm2。

3.2 排肥系統進出口氣流速度的影響分析

排肥系統輸送肥料時，輸送氣流沿管道方向壓力降低，體積發生膨脹，密度減小，而質量流量不變，因此管道內氣流輸送速度V為

由式（7）可知，當排肥系統輸送管道的管徑增大時，輸送氣流的速度會減小，且與輸送管道半徑的平方成反比，因此在沿排肥系統輸送管道方向，增大管道直徑可在一定范圍內降低氣流速度，減小排肥系統出口處肥料的速度。

由輸送氣流的狀態方程可得：

式中P為排肥系統入口氣體壓力，Pa；Q為排肥系統入口氣體體積流量，kg/h；T為排肥系統入口氣體溫度，℃；P為排肥系統出口氣體壓力，Pa；Q為排肥系統出口氣體體積流量，kg/h；T為排肥系統出口氣體溫度，℃；Δ為排肥系統從入口到出口的壓力損失，Pa；D為排肥系統入口管徑，m；v為排肥系統入口氣流速度，m/s；D為排肥系統出口管徑，m；v為排肥系統出口氣流速度，m/s。

式中ρ為排肥系統入口氣流密度，kg/m3；ρ為排肥系統出口氣流密度，kg/m3。

根據可壓縮流體的連續性可得

綜合式（9）～（10）可得

由式（11）可知，排肥系統的出口氣流速度v與排肥系統的入口氣流速度v、排肥系統入口管徑D和出口管徑D有關。

綜上，氣力集排式排肥系統的排肥口氣流速度決定了排肥系統出肥口處肥料顆粒的速度，速度過大會造成肥料顆粒觸土反彈，影響分層施肥分層效果。氣-肥混合裝置進肥口處氣流的速度和方向，影響進肥口處肥料的落入，反向氣流會導致進肥口處肥料堵塞，造成排肥系統供肥不暢。當排肥系統安裝在施肥機機具上，機具不同的作業速度與不同的單位面積施肥量進行匹配時，其本質的變化即機具在單位時間內的施肥量（即施肥速率），以此表示機具不同作業速度和不同單位面積施肥量時的施肥情況。排肥系統單位時間內的施肥量由供肥裝置的外槽輪排肥器和排肥電機進行調節，排肥系統的施肥速率W（即單位時間的施肥量）的變化會改變排肥系統內顆粒的分布密度，進而影響排肥系統內部和排肥口處的氣流和氣壓[28]。綜上，通過上述分析可知影響排肥系統排肥口和進肥口氣流速度的主要因素為排肥系統入口氣流速度v、入口管徑D、出口管徑D和施肥速率W。入口氣流速度v即排肥系統的輸送氣流速度v，應大于25 m/s；入口管徑D即氣-肥輸送管直徑，為76 mm；排肥系統出口截面積為分層深施肥鏟排肥管出口截面積與氣-肥分離裝置排氣口截面積之和，分層深施肥鏟排肥管直徑D為20 mm，氣-肥分離裝置排氣口面積1為253～1 000 mm2，排肥系統出口管徑大小轉化為氣-肥分離裝置排氣口截面積大小；機具作業幅寬2.5 m，施肥量200～600 kg/hm2，最大作業速度10 km/h，則施肥速率為0.14～0.42 kg/s。

4 氣力集排式排肥系統臺架試驗

為研究排肥系統進出口參數、入口氣流速度和施肥速率對排肥系統排肥口和進肥口處氣流速度的影響，進行排肥系統排肥性能試驗，優化排肥系統參數。

4.1 試驗材料

試驗材料為住商肥料（青島）有限公司生產的顆粒狀玉米復合肥料（N:P2O5:K2O為28:8:10），肥料顆粒呈圓球形。選取一定量的顆粒肥料，隨機將其分為5組，采用細鹽填充法測量5組肥料的密度，取平均值，測得顆粒肥料的密度為1 448 kg/m3。隨機選取100粒肥料顆粒，用千分尺測量其三軸尺寸，計算得肥料顆粒的等效粒徑為3.26 mm，球形率為0.94，粒徑大小隨機分布，83%的肥料顆粒粒徑在2.7～3.9 mm之間。

4.2 試驗裝置

試驗在農業農村部保護性耕作研究中心氣力排肥器性能試驗臺上進行，試驗裝置如圖6所示。

1.風機 2.氣流輸送管 3.氣-肥混合裝置 4.排肥電機 5.外槽輪排肥器 6.肥箱 7.分配器 8.分配器出口 9.波紋管 10.氣-肥分離裝置 11.氣-肥輸送管 12.排肥管

4.3 試驗設計

排肥系統進出口參數、入口氣流速度、施肥速率等影響排肥系統排肥口和進肥口處氣流的速度，進而影響排肥系統作業穩定性，為研究排肥系統進出口和作業參數對排肥系統排肥性能的影響，以排肥系統排肥口和進肥口氣流速度為試驗指標，以氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統入口氣流速度和施肥速率為試驗因素，進行二次正交旋轉組合試驗。各試驗因素的水平范圍為：氣-肥分離裝置排氣口面積253～1 000 mm2；入口氣流速度25～35 m/s；施肥速率0.14～0.42 kg/s。

經前期預試驗，當施肥速率為0.42 kg/s時，排肥系統排肥口的氣流速度為4.4～6.4 m/s，肥料在排肥管中不會發生堵塞，同時能夠有效減少肥料在土壤中的彈跳和地面揚塵，因此試驗以排肥系統排肥口氣流速度為4.4～6.4 m/s作為優化目標；排肥系統進肥口處因氣-肥混合裝置內的負壓而產生的氣流，速度越大越有助于肥料落下，因此試驗以排肥系統進肥口氣流速度最大值作為優化目標，進行優化分析。試驗因素水平及編碼表如表1所示。

表1 試驗因素水平及其編碼表

試驗前，根據試驗所需排氣口面積值，通過調整氣-肥分離裝置中旋轉套的位置，將排氣口面積調整至對應值；根據所需入口氣流速度，調整風機變頻器，改變風機轉速，利用風速儀測量入口氣流速度，進行風速標定；為提高供肥裝置工作穩定性，將肥箱中加入15 kg顆粒肥料，選取試驗方案中的施肥速率（0.14、0.2、0.28、0.36、0.42 kg/s），調整排肥電機轉速，進行試驗標定。試驗時，根據各組試驗方案，調整試驗裝置，用風速儀測量排肥系統8個排肥口的氣流速度和進肥口的氣流速度，每組試驗重復3次，取測量結果的平均值。試驗方案與試驗結果如表2所示。

4.4 試驗結果與分析

4.4.1 回歸模型建立與方差分析

將試驗結果用Design Expert軟件進行二次回歸分析，并進行多元回歸擬合[30]，分析得到排肥系統排肥口氣流速度1、排肥系統進肥口氣流速度2與氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統入口氣流速度、施肥速率之間的數學模型，檢驗其顯著性，并分析其交互作用規律。

1）排肥系統排肥口氣流速度1

對試驗結果進行回歸擬合，建立排肥系統排肥口氣流速度1的回歸模型

1=?331.608 10+0.118 32+20.443 36

?40.772 94+4.823 85×10-3（12）

?0.264 512

表2 試驗方案與試驗結果

排肥系統排肥口氣流速度1的方差分析結果如表3所示。由表3可知，試驗整體模型為極顯著（<0.01），線性主效應項中氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統入口氣流速度和施肥速率對試驗指標排肥系統排肥口氣流速度1的影響極顯著（<0.01），交互項中氣-肥分離裝置排氣口面積與排肥系統入口氣流速度的交互項對試驗指標排肥系統排肥口氣流速度1的影響顯著（0.01≤<0.05），二次主效應項中排肥系統入口氣流速度的二次項對試驗指標排肥系統排肥口氣流速度1的影響顯著（0.01≤<0.05），其他各項不顯著，各影響因素對排肥系統排肥口氣流速度影響的主次順序是氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統入口氣流速度、施肥速率。分析結果中失擬差的值為0.359 6為不顯著（>0.1），表明不存在影響試驗指標的其他因素水平存在，且試驗因素與試驗指標存在顯著的二次關系，試驗分析結果合理。

2）排肥系統進肥口氣流速度2

對試驗結果進行回歸擬合，建立排肥系統進肥口氣流速度2的回歸模型

2=10.824 42+5.805 99×10-3?0.471 81

?40.417 32+2.247 59（13）

?58.171912

表3 排肥系統排肥口和進肥口氣流速度方差分析表

注：“***”表示極顯著(<0.01)；“**”表示顯著(0.01≤<0.05)；“*”表示較顯著(0.05≤<0.1)。

Note: “***” means highly significant (<0.01), “**” means significant (0.01≤<0.05), “*” means relatively significant (0.05≤<0.1).

排肥系統進肥口氣流速度2的方差分析結果如表3所示。由表3可知，試驗整體模型為極顯著（<0.01），線性主效應項中氣-肥分離裝置排氣口面積對試驗指標排肥系統進肥口氣流速度2的影響極顯著（<0.01），線性主效應項中排肥系統入口氣流速度和施肥速率對試驗指標排肥系統進肥口氣流速度2的影響較顯著（0.05≤<0.1），交互項中排肥系統入口氣流速度與施肥速率的交互項對試驗指標排肥系統進肥口氣流速度2的影響較顯著（0.05≤<0.1），二次主效應項中施肥速率的二次項對試驗指標排肥系統進肥口氣流速度2的影響較顯著（0.05≤<0.1），其他各項不顯著，各影響因素對排肥系統進肥口氣流速度影響的主次順序是氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統入口氣流速度、施肥速率。分析結果中失擬差=0.483 8為不顯著（>0.1），表明不存在影響試驗指標的其他因素水平存在，且試驗因素與試驗指標存在顯著的二次關系，試驗分析結果合理。

4.4.2 響應曲面分析

利用Design Expert軟件對試驗結果進行分析處理，根據建立的排肥系統排肥口和進肥口氣流速度回歸模型，得到氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統入口氣流速度、施肥速率之間的交互作用對排肥系統排肥口和進肥口氣流速度的影響效應響應曲面，如圖7所示。

施肥速率為0.28 kg/s時，氣-肥分離裝置排氣口面積和排肥系統入口氣流速度對排肥系統排肥口氣流速度1的交互影響如圖7a所示。當排肥系統入口氣流速度一定時，氣-肥分離裝置排氣口面積與排肥系統排肥口氣流速度呈負相關，較優的排氣口面積范圍為685.0～849.0 mm2。當氣-肥分離裝置排氣口面積一定時，排肥系統入口氣流速度與排肥系統排肥口氣流速度呈正相關，較優的排肥系統入口氣流速度范圍為27.0～31.5 m/s。2個交互項中氣-肥分離裝置排氣口面積為影響排肥系統排肥口氣流速度的主要因素。

圖7 試驗因素對各指標的影響

氣-肥分離裝置排氣口面積為626.5 mm2時，排肥系統入口氣流速度和施肥速率對排肥系統進肥口氣流速度2的交互影響如圖7b所示。當排肥系統入口氣流速度一定時，施肥速率與排肥系統進肥口氣流速度呈負相關，較優的施肥速率范圍為0.20～0.33 kg/s。當施肥速率一定時，排肥系統入口氣流速度與排肥系統進肥口氣流速度呈正相關，較優的入口氣流速度為31.5～33.0 m/s。2個交互項中排肥系統入口氣流速度為影響排肥系統進肥口氣流速度的主要因素。

4.4.3 參數優化

為獲得排肥系統較優工作性能的結構和工作參數，利用Design Expert軟件的優化模塊，對2個回歸模型進行優化求解，根據排肥系統實際作業條件和工作要求，結合響應曲面分析結果，確定目標函數的約束條件為

根據約束條件，對目標函數進行優化求解，得到多種優化后的參數組合，結合排肥系統實際施肥作業的工作要求，從中選取較優的參數組合：氣-肥分離裝置排氣口面積為798.0 mm2，排肥系統入口氣流速度為28.10 m/s，施肥速率為0.28 kg/s時，排肥系統排肥口氣流速度較小，進肥口氣流速度較優，對應的排肥系統排肥口氣流速度為5.91 m/s，進肥口氣流速度為3.94 m/s。

4.5 試驗驗證

為驗證試驗得到的優化結果，將氣-肥分離裝置排氣口面積調整為798.0 mm2，排肥系統入口氣流速度調整為28.10 m/s，施肥速率調整為0.28 kg/s，進行驗證試驗，測量排肥系統排肥口和進肥口處氣流速度。測得排肥系統排肥口氣流速度為6.02 m/s，進肥口氣流速度為4.11 m/s。

本文試驗所用肥料為住商肥料（青島）有限公司生產的顆粒狀玉米復合肥料（N:P2O5:K2O為28:8:10），該肥料物理性狀與相關文獻[11,21,29,31]中肥料的物理性狀基本相同，其三軸尺寸、密度等參數的差值在10%以內，因此所用肥料具有一定代表性，優化后的排肥系統可適用于與試驗所用肥料物理性狀相近的其他肥料。不同的作業速度與不同的單位面積施肥量進行匹配時，其本質的變化即為機具在單位時間內的施肥量，因此文中以單位時間施肥量（即施肥速率）來表示機具不同作業速度和不同單位面積施肥量時的施肥情況。相關研究表明，排肥系統排肥管的管路結構會對排肥系統排肥口處氣流速度產生一定影響，本文的研究主要針對排肥系統中進出口參數對排肥系統工作穩定性的影響，解決排肥系統進肥口處肥料落入不順暢的問題，由此設計了一種氣-肥分離裝置，并對裝置工作參數進行了優化。臺架試驗的主要目的是檢驗氣-肥分離裝置對整個排肥系統穩定性的作用，優化排肥系統，因此試驗中將各行的排肥管長度取為等長進行研究，暫未考慮排肥系統排肥管的管路結構對試驗結果的影響。后續試驗樣機的研究中，會根據實際管路的布置形式對管路結構進行詳細研究。

5 結 論

1）為提高氣力集排式排肥系統工作穩定性，針對因排肥系統與分層深施肥鏟配合作業時，排肥系統進肥口處肥料落入不順暢以及排肥口處氣流速度過大導致的肥料彈跳和地表揚塵等問題，進行了理論分析，并通過設計計算，確定了排肥系統主要的工作參數和各組成部件的結構參數，得出排肥系統入口的截面積應小于排肥系統等效出口的截面積，排肥系統入口氣流速度應大于25 m/s，氣-肥輸送管直徑為76 mm，施肥速率為0.14～0.42 kg/s。

2）設計了一種氣-肥分離裝置，可將部分輸送氣流提前從排肥系統排出，減少排肥系統排肥口處氣流量，降低排肥口處氣流速度，同時氣-肥分離裝置的排氣口與排肥管共同組成了排肥系統的末端出口，滿足了排肥系統入口的截面積小于排肥系統等效出口的截面積這一必要條件。

3）通過理論分析確定了影響排肥系統排肥口和進肥口處氣流速度的主要因素，以排肥系統排肥口和進肥口氣流速度為試驗指標，以氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統入口氣流速度和施肥速率為試驗因素，進行二次旋轉正交組合試驗，建立了各因素與試驗指標的數學回歸模型。通過對試驗結果的擬合和優化分析，得到了氣-肥分離裝置排氣口面積為798.0 mm2，排肥系統入口氣流速度為28.10 m/s，施肥速率為0.28 kg/s時，排肥系統排肥口氣流速度為5.91 m/s，進肥口氣流速度為3.94 m/s，此時，排肥系統進肥口肥料落入順暢，工作穩定。

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Structural optimization and experiment of pneumatic centralized fertilizer system

Yang Qinglu, Wang Qingjie※, Li Hongwen, He Jin, Lu Caiyun, Wang Yingbo, Yu Changchang

(1.,,100083,; 2.100083)

In recent years, the pneumatic centralized fertilizing and seeding methods were developing rapidly. The pneumatic centralized fertilizing system was mainly used for layered fertilizing operation. The fertilizing pipes of the fertilizer discharging system were connected with the fertilizer outlet of the layered fertilizing shovel. Under the actions of air flow, the fertilizer was transported to the outlet of the fertilizing shovel quickly and remotely, so as to realize the layered application of the fertilizer in the soil. In this paper, in view of the problems such as the fertilizer falling into the inlet was not smooth and the airflow velocity at the outlet was too high, which leading to fertilizer bounce and dust when the fertilizer discharging system and layered deep fertilizing shovel were combined, the relationship between the structure of each part of the fertilizer discharging system and the working parameters was studied through the test-bench of the pneumatic centralized fertilizer discharging system, and the structure of the fertilizing system was optimized. An air-fertilizer separation device was designed, which was installed between the distributor outlet and the fertilizer discharging pipe of the layered deep fertilization shovel, part of the airflow from the fertilizing system was discharged by the air-fertilizer separation device in advance to reduce the airflow velocity at the fertilizer outlet of fertilizing system. The structure and basic working parameters of each component of fertilizing system were determined through theoretical analysis and parameter calculation. In specific, the airflow velocity of the fertilizing system inlet should be greater than 25 m/s, the diameter of the air-fertilizer conveying pipe, fertilizer inlet and fertilizer outlet was 76, 55 and 20 mm, respectively. The main factors affecting the airflow velocity at fertilizer outlet and inlet of fertilizing system were also determined through analysis. Taking the exhaust outlet area of the air-fertilizer separation device (), the airflow velocity of the fertilizing system inlet () and the fertilizing rate () as the test factors, the quadratic regression rotary orthogonal platform experiment was conducted. According to the test results, the mathematical regression model between the test indexes and the influencing factors was established. The results showed that the exhaust outlet area of air-fertilizer separation device, airflow velocity of the fertilizing system inlet and fertilizing rate had a significant effect on airflow velocity at fertilizer outlet of fertilizing system, and exhaust outlet area of air-fertilizer separation device had a significant effect on the airflow velocity at inlet of fertilizing system. The optimized parameters were conducted by fitting and optimizing the test results. It was obtained that airflow velocity at fertilizer outlet, fertilizer inlet of fertilizing system was 5.91 and 3.94 m/s, respectively, the exhaust outlet area of the air-fertilizer separation device, airflow velocity of the fertilizing system inlet and fertilizing rate were 798.0 mm2, 28.10 m/s and 0.28 kg/s, respectively. The verification test results showed that the airflow velocity at fertilizer outlet and fertilizer inlet of the system was 6.02 and 4.11 m/s, the fertilizer at the inlet of the fertilizer discharging system falled smoothly and stably.

mechanization; design; optimization; pneumatic centralized; air-fertilizer separation device

楊慶璐，王慶杰，李洪文，等. 氣力集排式排肥系統結構優化與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(13)：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.001 http://www.tcsae.org

Yang Qinglu, Wang Qingjie, Li Hongwen, et al. Structural optimization and experiment of pneumatic centralized fertilizer system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.001 http://www.tcsae.org

2020-05-15

2020-06-15

國家重點研發計劃項目（2016YFD0200600）

楊慶璐，博士生，主要從事保護性耕作技術與裝備研究。Email：yangqinglu@cau.edu.cn

王慶杰，教授，博士生導師，主要從事保護性耕作技術與裝備研究。Email：wangqingjie@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.001

S224.21

A

1002-6819(2020)-13-0001-10