離心側拋式藕田撒肥器設計與試驗

張國忠，王 洋，劉浩蓬，季 超，侯群喜，周 勇

離心側拋式藕田撒肥器設計與試驗

張國忠1,2，王 洋1,2，劉浩蓬1,2，季 超1,2，侯群喜1,2，周 勇1,2

（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）

針對藕田機械化施肥實際需求，該研究設計了一種離心側拋式撒肥器。通過建立單個肥料顆粒在葉片上受力的理論模型，確定影響顆粒運動特性的主要參數為撒肥盤轉速、葉片傾角和葉片偏角。以肥料喂入速率以及上述因素為影響因素，利用EDEM軟件進行單因素仿真試驗，結果顯示以撒肥器中心為原點，沿拋撒方向，肥料在單個統計區域的分布量變化趨勢為先升高后降低。定義肥料分布最多的單個統計區域與撒肥器間的距離為峰值距離，以肥料分布均勻性變異系數和峰值距離為評價指標進行正交旋轉仿真試驗，根據試驗結果利用Design-Expert軟件對撒肥器結構進行優化，求取峰值距離為10、21 m且均勻性變異系數最小的兩種葉片各自對應的葉片傾角和葉片偏角分別為8.5°、17.5°和11.5°、–1.9°。以上述結構撒肥器開展仿真與實際撒肥試驗。仿真結果顯示：撒肥盤轉速1 250 r/min、喂入速率0.316 kg/s時，肥料分布均勻性變異系數、峰值距離、作業幅寬分別為19.43%、21 m和29 m，實際試驗結果分別為21.95%、18.6 m和24.5 m。以藕田追肥中常用肥料尿素、復合肥、磷肥為對象開展撒肥性能試驗，結果顯示，撒肥盤轉速、喂入速率、肥料種類、肥料種類與轉速的交互項、肥料種類與喂入速率的交互項對肥料分布均勻性變異系數影響極顯著（<0.01），轉速、喂入速率、種類對作業幅寬影響極顯著（<0.01）。該研究結果可為藕田撒肥機械設計提供重要參考。

農業機械；離散元；藕田；側拋式撒肥器；峰值距離

0 引 言

蓮藕是中國種植面積最大、產量最高的一種水生蔬菜，具有喜肥耐肥的特性，后期需追肥2～3次[1-2]，但由于其特殊的水田環境和生長后期荷葉封行，導致施肥機械無法下田作業，現階段追肥仍以人工拋撒為主，作業效率低且均勻度差[3]。

目前常用的機械施肥方式有條施和撒施[4-6]。條施配合開溝覆土使肥料利用率較高，易于精量施肥作業，其主要用于旱地作物，不適于藕田環境[7-9]。與條施機械相比，離心式撒肥器具有結構簡單、作業幅寬大，應用廣泛的特點[10-12]。國外Villette等建立運動模型研究了肥料顆粒被拋出撒肥盤時的徑向與切向速度之比[13]。Fulton等以變量撒肥機為對象開展撒肥試驗，考察了不同施肥量下的均勻性變化情況并分析了相應的函數關系[14]。Dintwa等對肥料顆粒在圓盤上的運動進行了分析，推導出單顆肥料粒在平面和錐形撒肥盤上的基本運動方程[15]。Olieslagers等建立了施肥量變化對肥料分布影響的數學模型，并利用該模型對不同施肥量作業的肥料分布狀況進行了預測[16]。Coetzee等利用離散元模型研究了圓盤轉速、落肥口位置及喂入速率等因素對肥料分布的影響，實際驗證結果表明仿真模型具有較好的預測效果[17]?？傮w來看，離心撒肥機主要用于旱地撒施，國外對其研究早、時間長，目前其相關制造技術已較為成熟[18-19]。

近年來國內對離心式撒肥機的研究逐漸增多。呂金慶等設計了一種葉片可延伸的撒肥盤，分析了肥料顆粒在撒肥盤上的運動學特性并開展了相關試驗[20]。胡永光等設計了一種適用于茶樹窄行距的偏置式撒肥盤并分析了行走速度、偏置角度等因素對撒肥盤性能的影響[21]。劉彩玲等采用EDEM仿真方法分析了撒肥盤轉速、喂入位置、喂入速率對撒肥性能的影響，并對撒肥機作業參數進行了優化[22]。施印炎等設計了一種勻肥罩式地表變量撒肥機，研究了排肥流量、圓盤轉速、機具行進速度對分布變異系數和施肥量相對誤差的影響[23]。為研究離心圓盤式撒肥機撒肥均勻性，楊利偉等對基于作物實時傳感器的變量作業撒肥機協同調整方案進行了研究[24]。

目前離心式撒肥機均采用拖拉機或高地隙底盤掛接撒肥裝置，田間作業時將肥料顆粒向后拋撒至呈一定圓心角的環形區域[11]，但藕田追肥時，離心式撒肥機不下田，沿田埂以與機具移動垂直的方向側向拋撒肥料。針對上述問題，本文設計了一種離心側拋式藕田撒肥器，通過對肥料顆粒進行運動學分析，確定影響肥料分布規律的主要因素，同時利用EDEM離散元軟件進行撒肥仿真試驗，根據試驗結果優化撒肥盤結構和運動參數，并進行臺架試驗驗證，以期為藕田施肥機械設計提供參考。

1 離心側拋式藕田撒肥器結構與工作原理

本文研制的撒肥器主要由螺旋排肥器、側拋式撒肥盤、導流罩、肥箱、機架等組成，如圖1所示。

肥料由螺旋排肥器排出，經蓋板上的喂入口進入導流罩內部并下落至撒肥盤，在撒肥盤葉片作用下，肥料隨葉片回轉，同時受離心力與科氏力作用，向葉片邊緣與上方運動，最終肥料顆粒在葉片邊緣不同高度位置上以不同旋轉速度落向導流罩，并沿導流罩按照一定方向拋出。

2 關鍵部件設計

2.1 側拋式撒肥機構

側拋式撒肥機構主要由撒肥圓盤與撒肥葉片組成，當撒肥盤旋轉時，肥料顆粒隨葉片邊緣旋轉半徑增加，拋出速度呈增大趨勢，并最終呈面狀分布在作業區域，葉片形狀對肥料側拋分布狀態具有直接影響。

由圖2可知，該撒肥機構撒肥葉片主要結構參數為最大旋轉直徑、最小旋轉直徑以及葉片傾角。最大旋轉直徑越大，則作業幅寬越大，整體結構也會增大，肥料運動至葉片邊緣所需時間增加，不利于控制肥料整體運動狀態；最小旋轉直徑越大，則與之間的差值越小，使肥料在作業區域內的分散程度降低，不利于肥料均勻分布，且過小將導致肥料在近處堆積。葉片傾角則對肥料拋送速度及位置產生影響。目前相關研究中，撒肥盤旋轉直徑在250～560 mm，本文設計選取最大旋轉直徑為460 mm；參考現有小型手持式撒肥器的尺寸，取值為190 mm，且最小旋轉直徑與撒肥盤直徑相等，葉片傾角結合理論分析與試驗選取[24-25]。

2.2 導流罩

為有效控制肥料分布區域，設計了如圖3所示的導流罩，其內表面與葉片邊緣曲線貼合以起導流作用，支座為圓柱形，與撒肥盤限位配合，提高機構運轉穩定性。

導流罩形狀對肥料分布產生直接影響。結合撒肥葉片結構和仿真效果設置其底板傾斜角度為20°，兩側擋板間角度為15°，以減小肥料顆粒碰撞到擋板上的速度損失[26]。

2.3 螺旋排肥器

為調控單位時間內的撒肥量，本文使用螺旋排肥器為撒肥機構進行定量供肥[25]。螺旋排肥器直徑決定其單位時間的排肥能力，根據藕田追肥作業中的實際施肥量與本機作業目標，在撒肥器移動速度為0.42 m/s、作業幅寬20 m、750 kg/hm2的條件下，根據式（1）計算所需最大排肥量0為0.625 kg/s，利用公式（2）計算此時螺旋排肥器所需直徑為117 mm，取整為120 mm。

式中為每公頃施肥量，kg/hm2；為作業幅寬，m；機為機具行走速度，m/s。

式中為實際排肥量，t/h；進行相關參數的選?。簽榕欧势髀菪~片直徑與螺距之比，取0.8[27]；為物料特性綜合特性系數，取30[27]；為排肥器傾斜系數，由于為水平放置，故取1[27]；為前期實際測得恒盛牌大顆粒尿素的堆積密度，為0.945 t/m3；為填充系數，取0.45。

3　肥料顆粒運動規律分析

傳統撒肥機行走方向與撒肥方向同向，作業時向機具后方撒出肥料，肥料覆蓋區為環形，利用前后撒肥區域重復覆蓋以提高肥料分布均勻程度，如圖4a所示。離心側拋式撒肥機沿田埂前進，向側向撒肥，即肥料拋撒方向與前進方向垂直，且施肥要求為離撒肥機側向不同距離處均有適量均勻肥料分布，如圖4b所示。由此可見，離心側拋式撒肥與傳統方式存在明顯不同，為提高側拋時肥料分布的均勻程度，需研究撒肥器結構參數對肥料顆粒運動及分布特點的影響規律。

以圓盤中心為原點建立空間直角坐標系，垂直方向為軸，撒肥盤徑向為軸，面與圓盤面重合，如圖5所示。

為使被拋出的肥料具有連續的速度變化區間，本機構中將撒肥葉片邊緣初步設置為半徑410 mm、圓心角20°的圓周線以對應不同的旋轉半徑，其斜率逐漸過渡變化，可提高肥料分布均勻程度。同時為促使肥料沿葉片向上運動，使其在豎直方向的葉片表面分布均勻，在豎直方向與葉片表面間設置葉片傾角，經空間坐標變換，葉片邊緣曲線方程如式（3）所示。

肥料顆粒在葉片上的受力情況如圖5所示。

在葉片表面做加速運動的肥料顆粒，沿、軸方向的受力為

式中F、F、F分別為肥料顆粒在、軸方向的合力；a、a、a分別為肥料顆粒在軸方向的加速度；式（4）中各力的方向如圖5所示，其值分別為

式中為肥料顆粒在軸的坐標；為重力加速度；為肥料與葉片間的摩擦系數。

葉片對顆粒的支持力沿各軸向的分力為

肥料顆粒受葉片對其的摩擦力沿三軸方向的分力為

聯立式（5）～（7）帶入式（4），求出肥料顆粒在坐標系下的運動方程，如式（8）所示。

其中

由式（8）～（9）可知，肥料顆粒沿各軸向的加速度相互影響，其在葉片上的運動軌跡取決于圓盤轉速、葉片傾角和偏角。

4 EDEM離散元仿真優化試驗

肥料顆粒在離心側拋式撒肥器中受顆粒力學系統和多體動力學系統組成的復雜系統的共同作用，用傳統的研究方法很難直觀得到肥料顆粒在離心側拋式撒肥器作用下的拋撒情況，因此，采用EDEM離散元軟件進行單因素試驗和二次回歸正交旋轉組合試驗，分析肥料顆粒在不同撒肥器參數下拋撒范圍和速度分布的變化情況，為撒肥器的優化提供依據。

4.1 仿真模型設定

將與肥料直接接觸的撒肥盤與導流罩、肥料承接板三維模型導入EDEM軟件，肥料承接板尺寸為32 m×20 m；葉片與導流板材質為ABS工程塑料，肥料顆粒與其之間的接觸為Hertz-Mindlin無滑動接觸模型；將肥料顆粒與承接板之間的接觸設置為Hertz-Mindlin with模型，以減小肥料顆粒在承接板上的滑移。

4.2 仿真參數設定

以尿素為研究對象，參考文獻[23-25]設置仿真參數為：顆粒直徑4 mm，密度1 575 kg/m3，泊松比0.4，彈性模量28 MPa；ABS工程材料密度1 060 kg/m3，泊松比0.394，彈性模量2.1 GPa；顆粒與顆粒間彈性恢復系數0.35，靜摩擦系數0.3，動摩擦系數0.26；顆粒與工程塑料間恢復系數0.586，靜摩擦系數0.43，動摩擦系數0.01。

4.3 仿真試驗設計

參考美國ASAE S341.2圓盤式撒肥器靜態試驗方法[22,26-28]0，在土壤承接區域內設置20行32列統計區域，網格單元1 m×1 m，并將撒肥方向定義為縱向，機具移動方向定義為橫向。參考相關文獻可知[20,22-23]，肥料分布不均主要在縱向，故以該方向的肥料分布均勻性變異系數為撒肥均勻性指標，仿真試驗后將每列網格內的肥料質量疊加形成1行32列即32個統計網格，根據32個統計區內的肥量顆粒質量判斷作業幅寬并計算肥料分布均勻性變異系數，如圖6所示。

肥料縱向分布均勻性變異系數計算公式為

4.4 單因素仿真試驗

為研究肥料在作業方向的分布特點與單個因素對肥料分布的影響規律，首先進行單因素仿真試驗，改變所要考察的單個因素的值，并使其余因素在各自取值范圍的中間值附近保持不變。定義肥料分布最多的單列統計區域與撒肥盤的距離為峰值距離，該區域分布的肥料量為肥料分布峰值。

4.4.1 撒肥盤轉速對肥料分布的影響

試驗條件為葉片傾角10°，葉片偏角?5°，喂入速率0.475 kg/s，為防止轉速過低導致撒肥效果較差[22,24]，結合所用直流電機轉速范圍，選取撒肥盤轉速的變化區間為900～1 300 r/min，增量為100 r/min，測得肥料在縱向上的分布如圖7a所示，可知，低轉速下肥料分布較集中，峰值較大；隨轉速增加，峰值降低、峰值距離增加、肥料分布范圍增大，肥料分布均勻性變異系數減小。分析其原因為：當撒肥盤轉速增大，撒肥葉片邊緣上任意點間的速度差值將增大，使脫離葉片的肥料顆粒間的速度差值增大，最終導致肥料在分布區域的集中程度降低。

4.4.2 葉片傾角對肥料分布的影響

試驗條件為轉速1 100 r/min，葉片偏角?5°，喂入速率0.475 kg/s，由于葉片傾角過大不利于肥料沿徑向移動，過小則不利于肥料沿縱向移動，故使其在5°～15°內變化、增量為2.5°[22-23]。由圖7b可知，在上述范圍內，峰值距離與葉片傾角呈正比，峰值則逐漸降低、且變化趨勢漸緩，肥料分布均勻性變異系數先減小后增大；故可利用該因素調整峰值距離。

4.4.3 葉片偏角對肥料分布的影響

試驗條件為轉速1 100 r/min，葉片傾角10°，喂入速率0.475 kg/s，參考文獻[21]，使葉片偏角在?20°～20°內變化、增量為10°。肥料分布狀態如下圖7c所示。由圖可知，葉片偏角由?20°逐漸增大到20°的過程中，肥料分布峰值先減小后增大，峰值距離變化量較??；觀察仿真過程發現，葉片偏角對肥料在葉片上的飛出位置與飛出速度有較大影響，當其值較小時，肥料顆粒整體飛出速度較低，導致其落地點距離撒肥盤較近；當葉片偏角過大時，將使部分肥料顆粒不能及時離開葉片而被擋板彈回。

4.4.4 施肥量對肥料分布的影響

試驗條件為轉速1 100 r/min，葉片傾角10°，葉片偏角?5°，根據實際施肥需求計算，喂入速率在0.158～0.791 kg/s范圍內變化、增量為0.158 kg/s[22]。肥料在縱向上的分布狀態如圖7d所示，可知，當其他因素不變時，喂入速率對峰值距離無明顯影響，但對峰值大小有直接影響。

4.5 旋轉正交組合試驗

為優化撒肥器性能，研究上述因素及其交互項對指標準確的影響程度，以有效作業幅寬內的肥料分布均勻性變異系數和峰值距離為試驗指標進行二次旋轉正交組合試驗[29-30]。參照ASAE S341.2的定義[28]，將肥料分布量為峰值撒肥量1/2的單個統計區域與撒肥器的距離作為有效作業幅寬，如圖8所示。

4.5.1 二次旋轉正交組合試驗設計

依據前述單因素試驗確定各因素水平，并采用四因素五水平旋轉正交組合試驗進行結果優化，取試驗臂長=2，各水平編碼如表1所示；試驗方案與結果如表2所示。

表1 因素水平編碼表

表2 試驗方案及結果

注：表示肥料分布均勻性變異系數，%；表示峰值距離，m。

Note:is variation coefficient of fertilizer distribution uniformity,%;is peak distance, m.

4.5.2試驗結果分析

利用Design-Expert8.0.6軟件對表中試驗結果進行多元回歸擬合分析，并逐步去除對試驗指標影響不顯著的因素，方差分析如表3、表4所示，肥料分布均勻性變異系數和峰值距離的失擬項分別為0.183 0和0.199 7，均不顯著。

肥料分布均勻性變異系數與各因素的回歸方程為

表3 肥料分布均勻性變異系數方差分析

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 extremely significant (<0.01), ** means significant (0.01<<0.05), * means more significant (0.05<<0.1).

表4 峰值距離方差分析

峰值位置與各因素的回歸方程為

4.5.3 響應曲面分析

利用Design expert軟件對方差分析表中交互作用顯著的項進行響應面分析，如圖9所示。

葉片偏角0°、喂入速率0.475 kg/s時，葉片傾角與肥盤轉速對肥料分布均勻性變異系數與峰值距離的響應曲面如圖9a、9d所示。當轉速一定時，葉片傾角與分布均勻性變異系數、峰值距離呈正比；葉片傾角一定時，轉速與分布均勻性變異系數呈反比，與峰值距離呈正比，且轉速對變異系數的影響程度隨著葉片傾角減小而降低。

轉速1 150 r/min、喂入速率0.475 kg/s時，葉片傾角與葉片偏角的響應曲面如圖9b所示。當葉片偏角<0°時，隨著葉片傾角增大，肥料分布均勻性變異系數先下降后上升；當葉片偏角>0°時，葉片傾角的值與變異系數呈正比；當葉片傾角<12.5°時，變異系數隨著葉片偏角下降而升高；當葉片傾角>12.5°時，變異系數隨著葉片偏角下降而減??；葉片傾角在12.5°附近時，對變異系數無明顯影響。

轉速1 150 r/min、葉片偏角0°時，喂入速率與葉片傾角對肥料分布均勻性變異系數與峰值距離的響應曲面如圖9c、9e所示。當喂入速率一定時，葉片傾角與肥料分布均勻性變異系數、峰值距離呈正比，且喂入速率越大，葉片傾角對峰值距離的影響越?。划斎~片傾角一定時，喂入速率與變異系數呈正比，且喂入速率對變異系數的影響隨葉片傾角的減小而降低；葉片傾角在7.5°～12.5°時，峰值距離與喂入速率的關系呈正比，當葉片傾角在12.5°～17.5°時，峰值距離與喂入速率的關系呈反比。

由上述試驗可知，肥料分布峰值較高不利于肥料均勻分布，故擬利用單一撒肥盤安裝多角度參數葉片，使每種葉片拋撒出的肥料形成不同的峰值距離，并最終疊加在撒肥區域以降低該區域的肥料分布峰值，提高肥料分布均勻性。

4.5.4 參數優化

根據上述回歸方程、響應曲面分析結果可知，肥料分布均勻性變異系數與喂入速率呈正比、與轉速呈反比，綜合考慮作業效率與撒肥效果，在1 250 r/min、0.316 kg/s的條件下，以表1中葉片傾角、葉片偏角的取值范圍為約束條件，利用上述回歸模型分別求峰值距離=10 m、=21 m時的最小變異系數，結果為：當峰值距離為=10 m時，葉片傾角、葉片偏角的值取8.5°、17.5°可獲得最小的肥料分布均勻性變異系數，其值為13.85%；當峰值位置為=21 m時，葉片傾角、葉片偏角的值取11.5°、–1.9°可獲得最小的肥料分布均勻性變異系數，其值為17.95%。

將葉片傾角、葉片偏角分別為8.5°、17.5°的葉片安裝于撒肥圓盤組成仿真模型進行仿真驗證，肥料分布均勻性變異系數為16.32%，有效作業幅寬為27 m；將葉片傾角、葉片偏角分別為11.5°、–1.9°的葉片安裝于撒肥圓盤組成仿真模型進行仿真驗證，肥料分布均勻性變異系數為21.75%，有效作業幅寬為30 m。

將以上2種葉片間隔組合布置于撒肥盤組成仿真模型進行仿真試驗，肥料分布均勻性變異系數為19.43%，峰值距離為21 m，有效作業幅寬為29 m；肥料分布曲線如圖10所示。

5 撒肥器性能試驗

為了驗證所設計的撒肥器的作業性能，分別搭建試驗臺和加工樣機進行作業性能試驗，試驗場景如圖11所示。

5.1 臺架作業試驗

將葉片傾角、葉片偏角分別為8.5°、17.5°和11.5°、?1.9°的2組葉片對稱安裝于撒肥盤，搭建臺架進行實際撒肥試驗，試驗時間為2020年12月25日，試驗地點為華中農業大學工學院試駕場地，試驗當天晴朗無風。所用肥料分別為恒盛牌大顆粒尿素、桂湖牌復合肥、吉順牌粒狀過磷酸鈣，其主要物理特性如表5所示。參考文獻[24]，按每兩列仿真統計區對應一列收集盒的方式，共擺放16列10行，實際收集區域與仿真試驗統計區相同。

表5 肥料物理特性

注：均勻度指數是肥料顆粒粒徑的均勻度，其數值越大，表示顆粒均勻性越好。

Note: uniformity index is the uniformity of fertilizer particle size, the greater its value, the better the uniformity between particles.

5.1.1 單類肥料試驗

在相同喂入速率與撒肥盤轉速下，以主導粒徑為4 mm的大顆粒尿素為對象開展驗證試驗，如圖11a所示。撒肥時間與仿真試驗相同，重復測量3次。結果顯示肥料分布均勻性變異系數分別為23.35%、22.45%、20.05%，峰值距離分別為20、18、18 m，有效作業幅寬分別為24、24、26 m，上述各指標的均值為21.95%、18.6 m、24.5 m，與仿真結果的誤差分別為12.95%、11.42%、15.51%。分析產生上述誤差的主要原因是由于結構、作業參數存在測量誤差，且實際撒肥過程中存在空氣阻力的影響。

5.1.2 不同肥料的作業性能試驗

由于不同肥料種類的粒徑和力學參數差異較大，為研究相同作業參數下的不同肥料的實際撒施性能效果，以藕田追肥中常用上述3種肥料為對象，以撒肥盤轉速與喂入速率為因素進行全因素試驗[31]。試驗因素及水平編碼如表6所示，試驗方案、試驗指標與試驗結果如表7所示。

表6 不同肥料的作業性能試驗因素

表7 臺架試驗方案及結果

5.1.3 試驗結果分析

由表7可知，隨撒肥盤轉速增大，3種肥料的作業幅寬均呈現逐漸上升的趨勢，且大顆粒尿素與復合肥的肥料分布均勻性變異系數隨撒肥盤轉速增大逐漸下降，但過磷酸鈣的變異系數變化趨勢則為先下降后上升；結合表5分析造成該趨勢的原因為過磷酸鈣強度較差且粒徑較大，導致其在與撒肥葉片的碰撞中易破碎成尺寸不等的碎塊，使顆粒間的均勻性差異進一步增大，最終導致肥料分布均勻性變異系數增大。故應根據肥料的種類選擇適合的作業參數。

由表8、表9可知，撒肥盤轉速、喂入速率對大顆粒尿素的肥料分布均勻性變異系數與作業幅寬影響極顯著；撒肥盤轉速的二次項對過磷酸鈣的肥料分布均勻性變異系數影響較顯著，撒肥盤轉速、喂入速率對其影響極顯著；撒肥盤轉速、喂入速率對復合肥的肥料分布均勻性變異系數影響顯著，撒肥盤轉速對其作業幅寬影響極顯著，喂入速率對其作業幅寬影響較顯著。

表8 變異系數方差分析

表9 作業幅寬方差分析

5.2 整機測試

調整收集盒擺放方式為6行21列、行間距與列間距均為1.2 m，以提高統計結果的準確程度。如圖11b所示，將優化后排肥器安裝于自走式履帶底盤上，以一定速度勻速行進，模擬藕田施肥作業情況，此時施肥盤離地高度為1.5 m。試驗時，在距離收集區域前、后3 m處開始與停止撒肥，每次試驗后稱取各收集盒內的肥料質量，均勻性變異系數計算方法與前述相同。

依據前期試驗結果，為探究機具速度對試驗指標的影響，開展四因素三水平正交試驗，試驗安排如表10所示；試驗方案及結果如表11所示。

表10 因素水平編碼表

表11 整機試驗方案及結果

由表11可知，在機具行進過程中，上述因素對肥料分布均勻性變異系數的影響程度從高到低依次為喂入速率、肥料種類、撒肥盤轉速、機具行走速度。

6 結 論

1）本文設計了一種離心側拋式藕田撒肥器，對單個肥料顆粒在其葉片上的運動學特性進行分析，確定了影響其受力狀態的主要因素。單因素仿真試驗結果顯示肥料在撒肥縱向上的分布規律均為先升高后降低，且均存在撒肥量峰值。

2）進行二次旋轉正交組合試驗。利用Design expert軟件對正交旋轉組合試驗結果進行了方差分析和響應面分析，結果表明轉速、葉片傾角、葉片偏角、葉片傾角與喂入速率的交互項、葉片傾角與葉片偏角的交互項、葉片傾角的二次項對均勻度變異系數影響極顯著（<0.01），轉速、葉片傾角及其二次項、喂入速率的二次項對峰值距離影響極顯著（<0.01）。

3）利用回歸方程求取撒肥量峰值距離分別為10、21 m，對應的變異系數最小時的優化后葉片傾角、葉片偏角分別為8.5°、17.5°和11.5°、?1.9°，將上述參數葉片對稱安裝與撒肥盤并進行仿真優化試驗，結果表明其變異系數為19.43%，撒肥量峰值距離為21 m，有效作業幅寬為29 m；臺架驗證試驗表明，上述各指標的均值為21.95%、18.6、24.5 m，與仿真結果的誤差分別為12.95%、11.42%、15.51%，滿足藕田撒肥要求。

4）分別以藕田常用的3種肥料對該撒肥器進行了撒肥試驗，試驗結果顯示大顆粒尿素與復合肥對撒肥器轉速的適應范圍較大，撒肥盤高速旋轉下其作業幅寬增加、均勻性變異系數降低，施肥效果較好；過磷酸鈣在撒肥器高轉速下的破碎率較高，均勻性變異系數增大，故不適宜在高轉速下作業，試驗結果可為3種肥料作業參數的選擇提供依據。

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Design and experiments of the centrifugal side throwing fertilizer spreader for lotus root fields

Zhang Guozhong1,2, Wang Yang1,2, Liu Haopeng1,2, Ji Chao1,2, Hou Qunxi1,2, Zhou Yong1,2

(1.430070,; 2.430070,)

Mechanized fertilization has widely been one of the most important steps for the high yield of crops. In this study, a centrifugal side throwing fertilizer spreader was designed for the lotus root field. Firstly, atheoretical model was established for the force of a single fertilizer particle on the blade. The main parameters were then determined for the particle motion, such as the rotating speed of the fertilizer tray, the blade inclination angle, and the blade deflection angle. Secondly, EDEM discrete element simulation software was utilized to optimize the performance of the spreader. A single factor test was carried out, where the fertilizer feed rate and the above factors were taken as the influencing factors. The results showed that the fertilizer increased first and then decreased in a single statistical area when taking the center of the spreader as the origin along the throwing direction. Specifically, the quality of fertilizer with the most distribution in a single statistical region was called the peak value, and the distance between this region and the fertilizer spreader was called the peak distance, to accurately quantify the distribution index of fertilizer. The rotating speed of the fertilizer tray and the blade inclination angle posed a significant impact on the peak value and peak distance of fertilizer distribution, whereas, the blade deflection angle and feed rate on the peak value. An orthogonal rotation simulation test was carried out with the uniformity variation coefficient and peak distance as the evaluation indexes. It was found that there was an extremely significant influence on the uniformity variation coefficient (<0.01), including the rotating speed of fertilizer tray, the blade inclination angle, the blade deflection angle, the interaction between them, the interaction term between the inclination angle of blade and feeding rate, as well as the quadratic term of blade inclination angle. There was an extremely significant effect on the peak distance (<0.01), including the rotating speed of fertilizer tray, the blade inclination angle, and the quadratic term, the quadratic term of feeding rate. Design-Expert software was utilized to optimize the structure of the spreader. The blade structure parameters were then calculated to minimize the uniformity variation coefficient, when the peak distance was 10 and 21 m, the blade inclination, and deflection angle were 8.5° and 17.5°, 11.5° and -1.9°, respectively. Subsequently, the simulation and actual fertilizer application were carried out to evaluate the performance of the fertilizer spreader with the optimal structural parameters. The simulation results show that the uniformity variation coefficient, peak distance, and working width were 19.43%, 21 m, and 29 m, respectively, when the rotating speed of the fertilizer tray was 1 250 r/min, and the feeding rate was 0.316 kg/s. By contrast, the specific parameters in an actual contrast test were 21.95%, 18.6 m, and 24.5 m, respectively, where the errors with the simulation were 12.95%, 11.42%, and 15.51%, respectively. A performance test of fertilizer spreader was carried out with large particle urea, compound fertilizer, and phosphorus fertilizer commonly used in lotus root field topdressing. The results showed that the operation effect of large particle urea was better at 1 300 r/min, feeding rate of 0.15 kg/s, and operation width of 24 m. At this time, the uniformity variation coefficient was 24.56%. The analysis of variance showed that the rotating speed of fertilizer tray, feeding rate, fertilizer type, and the interaction term between fertilizer type and feeding rate presented an extremely significant impact on the coefficient of variation (<0.01). The rotating speed of fertilizer tray, feeding rate, and type presented an extremely significant impact on the operation width (<0.01). The finding can provide an important reference for the design of fertilizer spreading machinery in the lotus root field.

agricultural machinery; discrete element; lotus root field; side throwing fertilizer spreader; peak distance

張國忠，王洋，劉浩蓬，等. 離心側拋式藕田撒肥器設計與試驗[J]. 農業工程學報，2021，37(19)：37-47.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.005 http://www.tcsae.org

Zhang Guozhong, Wang Yang, Liu Haopeng, et al. Design and experiments of the centrifugal side throwing fertilizer spreader for lotus root fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 37-47. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.005 http://www.tcsae.org

2021-03-10

2021-08-22

國家特色蔬菜產業技術體系專項資助項目（CARS-24-D-02），湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計劃項目（T201934）

張國忠，教授，博士生導師，研究方向為現代農業裝備設計與測控。Email：zhanggz@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.005

S224.21

A

1002-6819(2021)-19-0037-11