螺旋擾動錐體離心式排肥器設(shè)計與試驗

劉曉東，丁幼春，舒彩霞，劉偉鵬，王凱陽，杜超群，王緒坪

螺旋擾動錐體離心式排肥器設(shè)計與試驗

劉曉東，丁幼春※，舒彩霞，劉偉鵬，王凱陽，杜超群，王緒坪

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

針對現(xiàn)有油菜直播排肥器排肥流暢性、穩(wěn)定性以及排肥量均勻性不足，從而影響化肥精準(zhǔn)施用的問題，設(shè)計了一種螺旋擾動錐體離心式排肥器。闡述了排肥器的設(shè)計原則和工作原理，基于顆粒化肥的物理機械特性與油菜施肥量要求確定了螺旋擾動杯和弧形錐體圓盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)。以中國農(nóng)資復(fù)合肥、史丹利復(fù)合肥、鄂中復(fù)合肥為試驗材料，開展排肥器錐體圓盤轉(zhuǎn)速為80～130 r/min時的排肥性能及排肥行數(shù)適應(yīng)性臺架試驗，驗證了排肥器的排肥性能。驗證試驗結(jié)果表明：三種復(fù)合肥的各行排量一致性變異系數(shù)在11.5%以下，不同轉(zhuǎn)速不同物理機械特性化肥條件下的排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)在6.3%以下，同行排量一致性系數(shù)在93%以上；轉(zhuǎn)速較低時，排肥器傾斜狀態(tài)下各行排量一致性變異系數(shù)為9.82%，滿足排肥質(zhì)量要求。田間試驗結(jié)果表明，各行排量一致性變異系數(shù)低于7.9%，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)在5.3%以下，同行排量一致性系數(shù)高于93.5%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)，滿足田間排肥質(zhì)量要求。該研究可為油菜生產(chǎn)過程的化肥減施與精準(zhǔn)施用提供有效的技術(shù)支撐。

農(nóng)業(yè)機械；設(shè)計；試驗；排肥器；螺旋擾動；集排器；排肥性能

0 引 言

化肥對于促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民增收，特別是對于作物增產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)[1-3]，在世界范圍內(nèi)，化肥對糧食作物增產(chǎn)貢獻(xiàn)率超過了40%。但由于多年來化肥過度使用造成的環(huán)境污染日益凸顯，嚴(yán)重制約了中國以綠色為導(dǎo)向的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展步伐[4-6]。定量均勻機械化施肥成為解決農(nóng)業(yè)面源污染的重要方式[7-8]，是實現(xiàn)“兩減”的重要途徑，也是降低化肥施用量、提高肥料利用率的發(fā)展方向。

顆?；示哂辛６染鶆?、顆粒強度較高、不易粉化、球形度高等物理特性，但長江中下游地區(qū)空氣濕度較大，排肥時存在顆粒化肥流動性差，易吸濕粘結(jié)等問題[9]。目前，排肥器主要有離心盤式、槽輪式、螺旋式、星輪式以及振動式等[10-11]，根據(jù)化肥施入田間的形式又可分為撒施和條施，撒施主要采用水平圓盤式撒肥裝置實現(xiàn)化肥的田面撒施[12-13]，同時由于圓盤式撒肥機結(jié)構(gòu)簡單、工作幅寬大等優(yōu)點，歐美等發(fā)達(dá)國家研究較早并廣泛應(yīng)用[14-17]。Patterson等[18]最早對顆粒化肥在撒肥盤上的運動進(jìn)行研究，為后期圓盤撒肥機數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。Villette等[19]研究了化肥顆粒在旋轉(zhuǎn)圓盤上的運動模型，同時分析了化肥顆粒離開旋轉(zhuǎn)圓盤時速度的水平徑向分量與水平切向分量的比值，為后期撒肥機的設(shè)計提供了理論依據(jù)。Cool等[20]構(gòu)建了化肥顆粒離開圓盤后的運動軌跡模型，研究了化肥顆粒的自身旋轉(zhuǎn)對其在空中的運動軌跡及落點位置的影響，結(jié)果表明，化肥顆粒在離開水平圓盤后其自身的旋轉(zhuǎn)對落點位置有重要的影響。離心式撒肥機橫向與縱向的撒施均勻性較差[21-22]，適用于田間狀況較好的大田高速作業(yè)，不適宜長江中下游田間狀況較差地區(qū)的油菜施肥作業(yè)。

條施可將化肥施于具有一定深度的土層中，同時隨變量施肥系統(tǒng)的研究，條施在施肥作業(yè)中應(yīng)用更加廣泛。左興建等[23]設(shè)計了根據(jù)車輛行駛速度實時反饋調(diào)節(jié)排肥驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)施肥控制方法，實現(xiàn)水稻側(cè)深精準(zhǔn)變量施肥作業(yè)。齊興源等[24]設(shè)計了一種以外槽輪排肥、空氣流輸送的氣力式變量施肥機。雷小龍等[25]采用氣力輸送方式設(shè)計了一種螺旋組合式可調(diào)定量排肥裝置。排肥裝置的排肥性能直接影響變量深施肥的作業(yè)效果，油菜直播機大都采用化肥廂面撒施，應(yīng)用的排肥裝置為防止排肥過程化肥吸濕結(jié)拱，加裝了攪肥裝置，增加了裝置的復(fù)雜程度；集排式排肥器為保證各排肥管道肥量的一致性，采用氣送式原理，需較大功率拖拉機帶動，同時受空氣濕度大的影響易造成排肥管道的堵塞；單體式排肥器很難保證各單體之間排肥量的一致性，影響排肥均勻性。

本文以簡化排肥器結(jié)構(gòu)、提升排肥器排量均勻性、穩(wěn)定性為目標(biāo)，設(shè)計集排式螺旋擾動錐體離心式8行排肥器，建立排肥過程動力學(xué)模型，并通過臺架試驗與田間試驗檢驗排肥性能，為排肥器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能提升提供基礎(chǔ)。

1 排肥器的結(jié)構(gòu)及工作原理

以華油雜62為例，不同地區(qū)直播施肥量在225~525 kg/hm2之間，為滿足不同施肥量要求，需保證排肥器有較高的排肥性能。為確保排肥器的排肥流暢性，根據(jù)矩形卸料口上方散料成拱原理，卸料口易形成類球型空洞，導(dǎo)致顆粒化肥無法順利下移，采用螺旋葉片對顆粒化肥施加外力可有效防止顆?；式Y(jié)拱形成空洞，同時對結(jié)團(tuán)肥料擾動破團(tuán)，保證顆?；薯樌乱婆懦?；為滿足排肥的均勻性要求，根據(jù)小區(qū)播種機錐體格盤均勻分種結(jié)構(gòu)，在卸料口下端設(shè)計錐體分肥盤，有利于顆粒化肥向下移動，同時保證顆?；示鶆虻胤植加阱F體四周，同時根據(jù)離心式排種器[26-28]排種原理，采用離心式排肥方式，保證了肥料進(jìn)入肥室的均勻性；為提升排肥量穩(wěn)定性，防止因顆?；适艿降哪Σ亮Σ蛔銓?dǎo)致在離心力作用下不能持續(xù)穩(wěn)定向外緣移動，設(shè)計與排肥器的徑向縱切面呈一定角度的離心推板。根據(jù)以上分析，并經(jīng)仿真分析驗證，設(shè)計了螺旋擾動錐體離心式排肥器，如圖1b所示，主要由上殼體、螺旋擾動錐體圓盤、下殼體等組成。

1.排肥器 2.直流電機 3.油菜直播機 4.肥箱連接底座 5.上殼體 6.排肥管 7.螺旋擾動杯 8.離心推板 9.肥室 10.錐體圓盤 11.驅(qū)動軸 12.下殼體 13.軸承座

螺旋擾動錐體離心式排肥器安裝在2BYL-8型離心式油菜直播機上（圖1a）。工作時，電機帶動螺旋擾動錐體圓盤轉(zhuǎn)動，顆?；试跀_動杯內(nèi)螺旋葉片的擾動、自身重力及離心力作用下向下運動，并經(jīng)弧形錐體圓盤上端面，均勻、流暢地進(jìn)入8個肥室。由于受到離心力、肥料群壓力等作用，顆?；手饾u充滿肥室并向錐體圓盤外緣運動，最后經(jīng)排肥管排出。

2 排肥器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 顆?；饰锢頇C械特性

顆?；饰锢頇C械特性是確定排肥器結(jié)構(gòu)尺寸的依據(jù)；研究表明，在一定范圍內(nèi)增加施氮量可顯著提高油菜籽粒產(chǎn)量[29]，復(fù)合肥營養(yǎng)元素多、吸濕性小、不易結(jié)塊、便于貯存和施用，特別適合機械化施肥。本文以微量元素養(yǎng)分配比適用于油菜的緩（控）釋配方肥：中國農(nóng)資復(fù)合肥（粒徑差異小）、史丹利復(fù)合肥（粒徑差異?。?、鄂中復(fù)合肥（粒徑差異較大），為研究對象。各復(fù)合肥物理機械特性參數(shù)如表1所示，并以球形度表示肥料與球體的差異，顆粒化肥球形度可由式（1）求得。

式中S為球形度，%；，，分別為顆?；实拈L度、寬度、厚度，mm。3種復(fù)合肥休止角均低于32°，球形度均大于87%，球形度較高，適合機械式排肥[25]。該文以此3種復(fù)合肥物理機械特性參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。

2.2 螺旋擾動杯參數(shù)設(shè)計

螺旋擾動錐體圓盤由螺旋擾動杯與弧形錐體圓盤兩核心部件組成，如圖2所示，螺旋擾動杯的主要參數(shù)有擾動杯高度、螺旋擾動杯內(nèi)半徑、螺旋葉片外徑0、內(nèi)徑D、螺距、厚度等。

為便于排肥器與肥箱安裝，設(shè)計高度為40 mm的螺旋擾動杯位于弧形錐體圓盤上端，螺旋擾動杯內(nèi)徑根據(jù)農(nóng)藝要求的顆?；蕟挝粫r間總排肥速率確定，需滿足

式中為重力加速度，m/s2；為顆粒化肥穿過螺旋擾動杯的時間，s；為螺旋擾動杯內(nèi)半徑，mm；為顆粒化肥千粒質(zhì)量，g；為農(nóng)藝要求的顆?；蕟挝粫r間總排肥速率，g/min。

表1 顆粒化肥物理機械特性參數(shù)

注：O為坐標(biāo)原點；x、y為坐標(biāo)軸；O'為谷點；R為螺旋擾動杯內(nèi)半徑，mm；r為擾動杯內(nèi)壁最下端到弧形錐體圓盤最近點與y軸的直線距離，mm；l為擾動杯內(nèi)壁最下端到弧形錐體圓盤最近點，mm；L為擾動杯高度，mm；L1為擾動杯下端到谷點的距離，mm；H0為錐體圓盤高度，mm；R0為谷點半徑，mm；R1為錐體圓盤外緣半徑，mm；H1為離心推板與錐體圓盤上端面距離，mm；S為防切口寬度，mm；ω為錐體圓盤角速度，rad/s；δ為離送錐桶側(cè)壁與水平面夾角，(°)。下同。

根據(jù)式（2），在管道高度確定的情況下，影響顆?；柿髁康囊蛩刂饕袛_動杯半徑、顆?；实娜S尺寸及千粒質(zhì)量，若要滿足油菜施肥的農(nóng)藝要求，應(yīng)取三種復(fù)合肥中千粒質(zhì)量與三軸尺寸乘積的比值最小者（史丹利復(fù)合肥）的物理機械特性參數(shù)為設(shè)計依據(jù)，以最大施肥量525 kg/hm2、機器前進(jìn)速度7 km/h為計算依據(jù)[30-31]，此時得擾動杯半徑=9.1 mm，同時為防止因內(nèi)徑過小不利于肥料下移，擾動杯內(nèi)半徑應(yīng)大于9.1 mm，因此擾動杯內(nèi)直徑確定為62 mm可行，該參數(shù)可實現(xiàn)8 000 g/min的總供肥速率，完全滿足油菜直播施肥要求。

為防止化肥結(jié)拱，實現(xiàn)顆?；实臄_動，從直管上端延開始沿直管內(nèi)壁周向均勻布置8個螺旋葉片，螺旋葉片外徑0=62 mm、內(nèi)徑為D、螺距為、厚度為、圈數(shù)為n。螺旋升角是影響顆?；氏乱频闹饕蛩?，同時也是確定螺距的重要參數(shù)，若要保證顆粒化肥在螺旋葉片擾動作用下順利下移，螺旋升角需滿足

式中為顆粒化肥休止角，(°)。

若要保證3種復(fù)合肥均能順利下移，取休止角最大的鄂中復(fù)合肥，由式（3）得＜117.5 mm，因此設(shè)計螺距為90 mm可行。若要保證緊貼擾動杯內(nèi)壁的顆?；氏乱撇閿_動杯內(nèi)未與擾動杯內(nèi)壁接觸的顆?；侍峁┫蛳碌哪Σ亮?，內(nèi)徑D需滿足

2.3 弧形錐體圓盤參數(shù)設(shè)計

弧形錐體圓盤的主要參數(shù)有谷點半徑0、高度0、擾動杯下端到谷點的距離1、擾動杯內(nèi)壁最下端到弧形錐體圓盤的直線距離、離心推板徑向角度、防切口寬度等；根據(jù)最速降線原理，最速降線在最高點附近必然很陡，在最低點必然很平，則物體在最高點時受到的摩擦力小于在最低點時受到的摩擦力，因此卸料口下端設(shè)計成凹錐體；為了防止在錐體圓盤未轉(zhuǎn)動時（即非工作狀態(tài)），顆?；蔬\動到最低點從排肥口排出，在凹錐體下端外緣設(shè)計與水平面呈一定夾角的離送錐桶。因此設(shè)計的弧形錐體圓盤為一旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一周形成，弧形錐體圓盤母線方程為

為保證結(jié)構(gòu)的輕簡小巧，初步設(shè)計谷點半徑0為75 mm，高度0為80 mm；為使顆粒化肥從上殼體和錐體圓盤之間的間隙通過，兩者之間的間隙及擾動杯內(nèi)壁最下端到弧形錐體圓盤的直線距離均設(shè)計為25 mm。若要保證通過擾動杯內(nèi)部的顆粒化肥可以從擾動杯下端和弧形錐體圓盤之間的間隙無滯留通過需滿足

式中為擾動杯內(nèi)壁最下端到弧形錐體圓盤最近點與軸的直線距離，mm。

根據(jù)式（6），單位時間通過擾動杯下端和弧形錐體圓盤之間間隙的顆?；柿髁繎?yīng)不低于單位時間擾動杯內(nèi)的顆?；柿髁?，因此確定應(yīng)大于7.5 mm，結(jié)合式（5）知擾動杯內(nèi)壁最下端在方向與弧形錐體圓盤之間的距離小于值，取為10 mm，根據(jù)式（5），當(dāng)=10 mm時，確定1=60 mm。

為了保證弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)動時顆?；薯樌蛲饩壱苿?，弧形錐體圓盤上端面均勻布置有8個與徑向呈度的離心推板。螺旋擾動錐體圓盤結(jié)構(gòu)的簡化圖如圖3，根據(jù)顆?；试阱F體圓盤水平方向的速度分析知，顆?；室运俣缺粧伋?，相對速度V可分解為切向分速度Vsin和徑向分速度Vcos，則有

整理得

注：Vr為相對速度，m/s；Vt為切向速度，m/s；V為絕對速度，m/s；γ為離心推板與錐體圓盤徑向夾角，（°）。

離心推板上端面與錐體圓盤上端面距離根據(jù)上殼體和錐體圓盤之間的間隙的值確定，離心推板的高度1應(yīng)小于25 mm，同時為防止顆?；蕪碾x心推板上沿與上殼體間隙通過，間隙應(yīng)小于2 mm，即1應(yīng)大于23 mm，因此取離心推板的高度1為24 mm可行；為防止顆粒化肥發(fā)生剪切破碎，防切口寬度應(yīng)大于最大顆?；柿匠叽纾虼舜_定為6 mm；為保證排肥器在非作業(yè)狀態(tài)下顆?；什粫仉x送錐桶外緣排出，且能夠在自身重力作用下沿離送錐桶回落，離送錐桶側(cè)壁與水平面夾角需滿足>，根據(jù)3種復(fù)合肥物理機械特性參數(shù)，值應(yīng)大于三者中休止角最大者，即>31.08°，因此取=35°可行，此時弧形錐體圓盤外緣半徑1為110 mm。

2.4 螺旋擾動錐體圓盤轉(zhuǎn)速分析

螺旋擾動錐體圓盤轉(zhuǎn)速是影響排肥量穩(wěn)定性的重要因素，顆粒化肥到達(dá)錐體圓盤谷底但未達(dá)到沿離送錐桶上端面上移的條件前，顆?；薀o法上移排出，后續(xù)顆?；试谂欧势鞯霓D(zhuǎn)動下，受到離心力和上端肥料的壓力逐漸充滿肥室，可有效彌補排肥器傾斜造成的各排肥管排量差異，當(dāng)錐體圓盤達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時，顆粒化肥從排肥口排出，若轉(zhuǎn)速太高，易造成顆?；实钠扑?。將上殼體與弧形錐體圓盤進(jìn)行簡化，選取位于上殼體與弧形錐體圓盤上端面之間的離送段肥料群微元體作為研究對象，其受力分析如圖4所示。

根據(jù)受力分析建立離送肥料群微元體受力方程

式中為肥料的密度，kg/m3；d為微元體的寬度，m；為沿離送錐桶的合力，N；f為上殼體與離送肥料群的摩擦系數(shù)；為離送肥料群質(zhì)量，g；為離心加速度，m/s2；f為弧形錐體圓盤上端面與離送肥料群的摩擦系數(shù)；為離心推板與離送肥料群的摩擦系數(shù)；為2處離心力與離心推板的夾角，(°)。

注：1為上殼體；2為弧形錐體圓盤上端面；2為離送微元體重心到軸線的距離，m；2為離送段上殼體與弧形錐體圓盤上端面之間的距離，m；F為上殼體對微元體的壓力，N；F為上殼體與微元體的摩擦力，N；F為離心推板與微元體的摩擦力，N；F為下端肥料群對微元體的推力，N；F為弧形錐體圓盤上端面與微元體的摩擦力，N；為微元體的重力，N；F1為弧形錐體圓盤上端面對微元體的支持力，N；F為微元體的慣性離心力，N；F1為上端肥料群對微元體的壓力，N。

Note: 1 is upper housing; 2 is the upper end of the cone disk;2is the distance from the body weight center to the axis, m;2is the distance between the upper housing of the delivery section and the upper end face of the arc-shaped cone disk, m;Fis the pressure of the upper housing on the micro-body, N;Fis the friction force between the upper housing and the micro-body, N;Fis the friction force between the centrifugal pushing plate and the micro-body, N;Fis the thrust of the lower fertilizer group to the micro-body, N;Fis the friction force between the upper end face of the cone disk and the micro-body, N;is the gravity of the micro-body, N;F1is the support force of the upper end of the arc cone disk to the micro-body, N;Fis the inertial centrifugal force of the micro-body, N;F1is the pressure of upper fertilizer group on micro-body, N.

圖4 離送肥料群微元體受力分析

Fig. 4 Force analysis of separated fertilizer group micro-body

根據(jù)式（9）可得，顆?；逝懦龅谋匾獥l件為

根據(jù)深倉壓力理論，結(jié)合式（10），假設(shè)肥箱內(nèi)顆?；实膲毫θ哭D(zhuǎn)化為沿離送錐桶向上對離送肥料群的推力F，則錐體圓盤在較低轉(zhuǎn)速下就能滿足顆?；实呐懦鰲l件，但此時排肥量較低。

若計算時不考慮離送肥料群受到的肥箱內(nèi)顆?；实膲毫Γ闺x送肥料群僅在離心力作用下克服重力和摩擦力便可排出，此時顆?；逝帕靠蛇_(dá)最高，該狀態(tài)下離送肥料群受到力F、、F、F1的作用，受力方程如下

此時顆粒化肥排出的必要條件為

式中為錐體圓盤轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)式（12）知，當(dāng)2取值越小時，顆粒化肥排出時需要的角速度越大，根據(jù)顆粒化肥在排肥器內(nèi)的運動可知，顆粒化肥到達(dá)錐體圓盤谷底后才開始沿離送錐桶上端面上移，因此取2=0=75 mm，同時將=35°、=31.08°帶入式（12），結(jié)合式（13）得顆?；逝帕孔畲髸r排肥器錐體圓盤的速度為158 r/min，在實際排肥過程中，離送段肥料群必定受到肥箱內(nèi)顆?；实膲毫D(zhuǎn)化成的沿離送錐桶向上的推力F的作用，因此錐體圓盤在158 r/min的較低轉(zhuǎn)速時，便可實現(xiàn)排肥器的最高排肥量，實現(xiàn)低損排肥。由式（10）、（12）、（13）知，影響顆?；逝帕看笮〉囊蛩赜须x送錐桶側(cè)壁與水平面夾角、錐體圓盤轉(zhuǎn)速、顆?；实奈锢頇C械特性等有關(guān)，因此在后續(xù)試驗中主要對錐體圓盤轉(zhuǎn)速及不同顆?；蕦ε欧市阅艿挠绊戇M(jìn)行分析。

3 排肥性能臺架試驗

3.1 試驗材料與裝置

為了驗證排肥器排肥性能及對不同肥料的適應(yīng)性，本試驗以中國農(nóng)資復(fù)合肥、史丹利復(fù)合肥、鄂中復(fù)合肥為試驗材料。應(yīng)用自制的排肥裝置試驗臺開展排肥性能試驗研究，排肥裝置試驗臺如圖5所示。

1.肥箱 2.臺架 3.排肥器 4.排肥管 5.聯(lián)軸器 6.調(diào)速器 7.電源 8.電機 9.接肥盒

3.2 試驗設(shè)計

為分析排肥器8個排肥管排出顆粒量的一致性、相同條件多次試驗下的同一排肥管排出顆粒量的穩(wěn)定性以及相同時間下總排肥量的穩(wěn)定性，通過初步仿真試驗，顆粒化肥在排肥器錐體圓盤轉(zhuǎn)速60 r/min即可實現(xiàn)排出，但該速度難以滿足農(nóng)藝要求的施肥量要求，當(dāng)轉(zhuǎn)速在130 r/min時，即可實現(xiàn)600 kg/hm2的施肥量，完全滿足油菜施肥量要求。同時為適應(yīng)不同施肥量要求，分別對中國農(nóng)資復(fù)合肥、史丹利復(fù)合肥、鄂中復(fù)合肥開展了排肥器錐體圓盤轉(zhuǎn)速單因素試驗，錐體圓盤轉(zhuǎn)速為80、90、100、110、120、130 r/min，共6個水平，利用速為SW6234C激光測速儀測定。試驗以各行排量一致性變異系數(shù)、排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)與同行排量一致性系數(shù)為評價指標(biāo)[32]。試驗以中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T1143-2006播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范中排肥量變異系數(shù)為評價依據(jù)[33]（各行排肥量一致性變異系數(shù)≤13%；排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)≤7.8%）。各行排量一致性變異系數(shù)、同行排量一致性變異系數(shù)與排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)可由公式（14）、（15）求得。

式中若為排肥管個數(shù)(=8)；為個排肥管排出肥料質(zhì)量的平均值，g；x為第個排肥管排出的肥料質(zhì)量，g；此時CV為各行排量一致性變異系數(shù)，%。若為試驗次數(shù)(=3)；為各排肥管次試驗排出肥料質(zhì)量的平均值，g；x為第次試驗各排肥管排出的肥料質(zhì)量，g；此時CV為同行排量一致性變異系數(shù)，%；100%-CV為同行排量一致性系數(shù)，%。若為試驗次數(shù)(=3)；為總排肥速率，g/min；x為第次1 min內(nèi)的總排肥量，g；此時CV為排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)，%。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 排肥器排肥性能分析

中國農(nóng)資復(fù)合肥、史丹利復(fù)合肥、鄂中復(fù)合肥3種復(fù)合肥在錐體圓盤不同轉(zhuǎn)速下的各行排量一致性變異系數(shù)與排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)試驗結(jié)果如表2所示。在相同錐體圓盤轉(zhuǎn)速下，供肥速率由高到低依次為史丹利復(fù)合肥、中國農(nóng)資復(fù)合肥、鄂中復(fù)合肥，這主要與化肥的球形度及容重有關(guān)；3種復(fù)合肥最低轉(zhuǎn)速下各行排量一致性變異系數(shù)均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足排肥質(zhì)量要求，播種施肥機械田間作業(yè)速度一般在3.5 km/h以上，為滿足施肥量要求，根據(jù)行供肥速率數(shù)據(jù)，錐體圓盤轉(zhuǎn)速應(yīng)大于100 r/min，該條件下各行排量一致性變異系數(shù)在8%以下。不同轉(zhuǎn)速不同物理機械特性化肥條件下的排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)在6.3%以下，且不同轉(zhuǎn)速下排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)以鄂中復(fù)合肥最高，中國農(nóng)資復(fù)合肥次之，史丹利復(fù)合肥最低，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)與錐體圓盤轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。3種復(fù)合肥臺架試驗結(jié)果均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，說明排肥器對不同物理機械特性的化肥均具有較好的適應(yīng)性，同時排肥器具有較好的排肥均勻性和穩(wěn)定性。

同行排量一致性系數(shù)是衡量排肥量穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，是各排肥管道持續(xù)精量供肥的保障，錐體圓盤依次轉(zhuǎn)過1～8排肥口，同行排量一致性隨錐體圓盤轉(zhuǎn)速分析結(jié)果如圖6。由圖6可知，3種復(fù)合肥的同行排量一致性系數(shù)隨錐體圓盤轉(zhuǎn)速增加而增加；當(dāng)轉(zhuǎn)速小于100 r/min時，三者同行排量一致性系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加趨近相同，在轉(zhuǎn)速為100 r/min時三者同行排量一致性系數(shù)相差最小，隨轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，三者同行排量一致性系數(shù)差異有所增大；3種復(fù)合肥中以史丹利復(fù)合肥的同行排量一致性系數(shù)最高，中國農(nóng)資復(fù)合肥除在排肥器低速轉(zhuǎn)動時，個別排肥管同行排量一致性系數(shù)較低，其余排肥管同行排量一致性系數(shù)均較高，鄂中復(fù)合肥的同行排量一致性系數(shù)是三者中較低的，但最低同行排量一致性系數(shù)高于93%，且當(dāng)轉(zhuǎn)速在100 r/min以上時，同行排量一致性系數(shù)高于96%，根據(jù)試驗結(jié)果可知，排肥器具有較高的排肥量穩(wěn)定性，同時對三種復(fù)合肥均具有較好的適應(yīng)性。

表2 排肥器排肥性能結(jié)果

3.3.2 排肥器傾斜狀態(tài)適應(yīng)性分析

由于田間狀況復(fù)雜，油菜直播施肥機械在田間作業(yè)時，無法保持水平狀態(tài)作業(yè)，導(dǎo)致機器傾斜影響排肥均勻性，為驗證排肥器傾斜狀態(tài)的排肥性能，開展排肥器在傾斜狀態(tài)的試驗。根據(jù)前述試驗結(jié)果可知，當(dāng)錐體圓盤轉(zhuǎn)速為100、110、120 r/min時，供肥速率能夠滿足極大部分油菜直播施肥機械的施肥量要求，綜合考慮田間狀況以及機械自身的浮動作用，田間狀況引起的機器傾斜角度在5°以內(nèi)，因此開展常用史丹利復(fù)合肥在排肥器傾斜5°，錐體圓盤轉(zhuǎn)速為100、110、120 r/min時各排肥管排肥量的試驗，試驗結(jié)果如圖7所示。

注：1～8為排肥管編號，下同；等值線代表同行排量一致性系數(shù)。

注：CV為各行排量一致性變異系數(shù)；等值線代表各行排肥量，g。

根據(jù)圖7可知，排肥器在傾斜狀態(tài)下的各行排量一致性變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加逐漸減小；在低速時，位于較高位置排肥管排出的肥量明顯低于位于較低位置排肥管排出的肥量，隨轉(zhuǎn)速增加兩者排肥量差距縮??；轉(zhuǎn)速在100 r/min時，排肥器傾斜狀態(tài)下各行排量一致性變異系數(shù)為9.82%，滿足排肥質(zhì)量要求，說明排肥器在傾斜狀態(tài)仍具有較好排肥性能。

3.3.3 施肥行數(shù)適應(yīng)性分析

本文設(shè)計的排肥器可同時滿足8行施肥要求，但為了滿足不同作業(yè)幅寬、不同施肥行數(shù)的要求，有時需要關(guān)閉部分排肥口[34]，為驗證排肥器對施肥行數(shù)的適應(yīng)性，開展史丹利復(fù)合肥在排肥器錐體圓盤轉(zhuǎn)速為100、110、120 r/min時分別堵塞1、2、3個排肥口時其余排肥管排肥量的試驗，試驗結(jié)果如圖8。

注：1～8為排肥管編號；等值線代表排肥量，g。

從圖8中可以看出，當(dāng)速度較低時，進(jìn)入堵塞排肥管的下一個排肥管的化肥量較大，其余排肥管內(nèi)肥量基本一致，各排肥管肥量差異較小；當(dāng)速度較高時，進(jìn)入堵塞排肥管的上一個排肥管的化肥量較大，且與其它排肥管排出的化肥量差異較大，其余排肥管內(nèi)肥量基本一致；隨堵塞管數(shù)及錐體圓盤轉(zhuǎn)速的增加，進(jìn)入堵塞排肥管的上一個排肥管的化肥量與其余排肥管的肥量差異更加明顯。根據(jù)上述分析可知，該排肥器若應(yīng)用在低于8行的窄幅施肥機械上時適應(yīng)性較差。

4 田間試驗

為了驗證臺架試驗結(jié)果，進(jìn)一步檢驗螺旋擾動錐體離心式排肥器排肥性能，于2019年7月29日在監(jiān)利縣試驗示范基地開展的田間排肥性能試驗如圖9所示，前茬作物為小麥，顆粒化肥選用史丹利復(fù)合肥，將排肥器安裝于油菜直播機上，配套動力為雷沃歐豹M824-A型拖拉機，在拖拉機高二檔和低二檔條件下開展試驗。試驗中采用拖拉機12 V蓄電池作為電源，為排肥器直流電機提供動力，直流電機調(diào)速器控制排肥器轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速分別為100、110、120 r/min，每次試驗機器連續(xù)行駛100 m，在肥管末端安裝接肥袋，每組重復(fù)試驗3次，試驗結(jié)果如表3所示。試驗中均未出現(xiàn)排肥器斷流、堵塞等現(xiàn)象，說明排肥器具有較好的排肥流暢性。

1.顆?；?2.直流電機調(diào)速器 3.排肥器 4.肥箱 5.油菜直播機 6.電源線 7.拖拉機 8.雙圓盤開溝器 9.肥管 10.施肥鏟

由表3中數(shù)據(jù)可知，排肥器同行排量一致性系數(shù)大于93.5%，且隨錐體圓盤轉(zhuǎn)速增加而增加，相同檔位低速狀態(tài)下的下同行排量一致性系數(shù)高于高速狀態(tài)下的下同行排量一致性系數(shù)；排肥器各行排量一致性變異系數(shù)低于7.9%，且隨錐體圓盤轉(zhuǎn)速增加而減小，在錐體圓盤轉(zhuǎn)速相同時，相同檔位低速狀態(tài)下的各行排量一致性變異系數(shù)低于高速狀態(tài)下的各行排量一致性變異系數(shù)，主要與拖拉機在田間高速行駛時搖擺幅度較大有關(guān)，但相同檔位高、低速狀態(tài)的各行排量一致性變異系數(shù)差異并不明顯，說明排肥器能較好的彌補機具傾斜、震動及擺動對排肥性能的影響；排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)隨錐體圓盤轉(zhuǎn)速增加有所減小，且排肥器排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)在5.3%以下，說明排肥器在復(fù)雜田間狀況作業(yè)時具有較好的排肥量穩(wěn)定性。

由于田間作業(yè)狀況復(fù)雜，田間試驗結(jié)果較臺架試驗結(jié)果有偏差，但相差較小，且田間試驗結(jié)果均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，說明排肥器排肥穩(wěn)定可靠，對于復(fù)雜田間狀況有較好的適應(yīng)性，滿足油菜直播排肥質(zhì)量要求。

表3 螺旋擾動錐體離心式排肥器田間排肥性能分析

5 結(jié) 論

本文通過對現(xiàn)有排肥器的分析，設(shè)計了一種螺旋擾動錐體離心式排肥器，闡述了排肥器的設(shè)計原則和工作原理，基于顆粒化肥的物理機械特性與油菜施肥量要求確定了螺旋擾動杯和弧形錐體圓盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過臺架試驗和田間試驗驗證了排肥器排肥性能的流暢性、均勻性、穩(wěn)定性。

1）排肥器臺架試驗結(jié)果表明，三種復(fù)合肥的各行排量一致性變異系數(shù)在11.5%以下；不同轉(zhuǎn)速、不同物理機械特性化肥條件下的排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)低于6.3%，同行排量一致性系數(shù)在93%以上；轉(zhuǎn)速較低時，排肥器傾斜狀態(tài)下各行排量一致性變異系數(shù)為9.82%，滿足排肥質(zhì)量要求。

2）排肥器田間試驗結(jié)果表明，同行排量一致性系數(shù)高于93.5%，各行排量一致性變異系數(shù)低于7.9%，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)在5.3%以下，且作業(yè)過程未出現(xiàn)斷流、堵塞等現(xiàn)象，說明排肥器具有較高的排肥均勻性、穩(wěn)定性和流暢性，滿足精量施肥要求。

本研究重點是對顆粒化肥集排器開展理論分析，并以復(fù)合肥為試驗對象對排肥器排肥性能進(jìn)行了試驗研究，未進(jìn)行吸濕性較強的化肥對排肥性能影響的分析。本研究設(shè)計的排肥器對吸濕性較強化肥的適應(yīng)性尚需進(jìn)一步分析，同時后續(xù)將開展排肥裝置的隨速控制及施肥量實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究。

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Design and experiment of spiral disturbance cone centrifugal fertilizer apparatus

Liu Xiaodong, Ding Youchun※, Shu Caixia, Liu Weipeng, Wang Kaiyang, Du Chaoqun, Wang Xuping

(1.,,430070,; 2.-,,430070,)

The problem of environmental pollution caused by excessive use of chemical fertilizers has seriously restricted the sustainable development of green-oriented agriculture in China. Quantitative and uniform mechanized fertilization as an important measure to improve the utilization rate of chemical fertilizers and reduce the amount of chemical fertilizers has become an important way to solve agricultural environmental pollution. In this paper, a spiral disturbance cone centrifugal chemical fertilizer apparatus was designed to solve the problem of precision fertilization due to the insufficient fluency and stability of the fertilizer apparatus fertilizing processes and insufficient uniformity of fertilizer discharge. First of all, the design principles and working principles of the fertilizer apparatus is illustrated. Then the structural parameters of the spirally disturbance cup and curved cone disk are designed, based on the physical and mechanical properties of the granular fertilizer and the requirement of fertilization for rapeseed sowing. Moreover, fluency, uniformity and stability of the fertilizing performance are verified by bench test and field test. The SINO-AGRI fertilizer, STANLEY fertilizer and EZHONG fertilizer are respectively used as experimental materials to carry out the bench test of the fertilizer apparatus. The rotational speed of cone disc measured by SW6234C laser speedometer, there are total 6 levels, are 80, 90, 100, 110, 120, 130 r/min. Coefficient of variation of fertilizing amount consistency in every row, the coefficient of variation of fertilizing amount stability and coefficient of fertilizing amount consistency in same row are used as the evaluation index in the bench test for evaluating fluency, uniformity and stability of the fertilizing performance. The test results of bench show that the variation coefficient of fertilizing amount in every row of three compound fertilizers is below 11.5%. The coefficient of variation of fertilizing stability under chemical fertilizer conditions with different rotational speeds and physical and mechanical properties is below 6.3%, and the variation coefficient of fertilizing amount in same row is above 93%. Therefore, the fertilizer apparatus meets the quality requirements of fertilizer discharge. Meanwhile, variation coefficient of fertilizing amount in every row is 9.82% when the rotational speed of cone is low and the fertilizer apparatus is tilted, that means that the fertilizer apparatus still has better fertilizing performance in the inclined state. The adaptability applied to a narrow-width fertilizing machine of less than 8 rows is weak. The cone disc is successively rotated through the 1 to 8 row of fertilizer tube. When the rotational speed of cone disc is low, the next discharge tube of the blocked fertilizer pipe has a larger amount of fertilizer, the amount of chemical fertilizer in the other fertilizer pipes is basically the same, and the difference in the amount of fertilizer discharged from each row of fertilizer pipes is small. While the rotational speed of cone disc is high, the previous discharge tube of blocked has a larger amount of fertilizer, the difference between the fertilizing amount of this discharge tube and other discharge tube is larger, the amount of fertilizer in the other fertilizer tube is basically same. Furthermore, the field test was carried out to verify the fertilizing performance of the spiral disturbance cone centrifugal fertilizer apparatus. The results of field experiment show that the variation coefficient of fertilizing amount in every row is below 7.9%, the coefficient of variation of fertilizing stability is below 5.3%, the variation coefficient of fertilizing amount in same row is above 93.5%. This research provides effective technical support for chemical fertilizer reduction and precision fertilization.

agricultural machinery; design; experiments; fertilizer apparatus; spiral disturbance; centralized metering device; fertilizing performance

劉曉東，丁幼春，舒彩霞，劉偉鵬，王凱陽，杜超群，王緒坪. 螺旋擾動錐體離心式排肥器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(2)：40－49. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.006 http://www.tcsae.org

Liu Xiaodong, Ding Youchun, Shu Caixia, Liu Weipeng, Wang Kaiyang, Du Chaoqun, Wang Xuping. Design and experiment of spiral disturbance cone centrifugal fertilizer apparatus[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 40－49. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.006 http://www.tcsae.org

2019-09-14

2019-12-26

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）；作者簡介：劉曉東，博士生，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計與測控研究。Email：17863963882@163.com

丁幼春，博士生導(dǎo)師，主要從事油菜機械化生產(chǎn)智能化技術(shù)與裝備研究。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.006

S224.21

A

1002-6819(2020)-02-0040-10