稻田氣力式變量施肥機關鍵部件的設計與試驗

齊興源，周志艷，2※，楊 程，羅錫文，2，谷秀艷，臧 禹，劉武蘭

（1.華南農業大學工程學院/廣東省農業航空應用工程技術研究中心，廣州 510642；2.南方糧油作物協同創新中心，長沙 410128）

稻田氣力式變量施肥機關鍵部件的設計與試驗

齊興源1，周志艷1，2※，楊 程1，羅錫文1，2，谷秀艷1，臧 禹1，劉武蘭1

（1.華南農業大學工程學院/廣東省農業航空應用工程技術研究中心，廣州 510642；2.南方糧油作物協同創新中心，長沙 410128）

目前在水稻的機械追肥作業中以離心圓盤式撒肥機為主，該方式在作業幅寬方向上的撒施均勻性不穩定，且難以實現作業幅寬方向上的變量施肥。為了滿足水稻變量追肥作業的需要，達到化肥減施增收的目的，設計了一種外槽輪式排肥、以空氣流為肥料輸送和撒播動力的稻田氣力式變量施肥機。文章對該機器的關鍵部件進行了仿真和測試試驗，研究了排肥輪轉速與排肥量之間的相關關系，并對排肥管道長度對排肥出口風速與排肥滯后時間的影響、排肥管出口相對高差對排肥滯后時間的影響進行了試驗。試驗結果表明：排肥輪轉速與排肥量之間存在極顯著的線性相關關系，相關系數R2=0.998，調節排肥輪轉速可以較精確的調節施肥量的大小，在變量作業時，結合施肥量的需求及施肥機具的前進速度，對排肥輪的轉速進行實時調節，從而達到變量施肥的目的。當機具前進速度為1 m/s，排肥輪轉速在10～40 r/min之間變化時，單憑轉速調節可實現每公頃施肥量在40～200 kg范圍內的變量調節，此外，各排肥口的排肥量誤差小于±5%，基本上達到了施肥均勻性的要求。文章還研究了排肥管道長度及安裝高差對排肥滯后時間的影響，結果表明：排肥管道長度對排肥出口風速有顯著影響，排肥管長度和出口安裝的高差對排肥滯后性亦有顯著的影響，因此，為了盡可能減小因排肥滯后對排肥均勻性的影響，應避免排肥管過長，并盡量使排肥管出口不高于入口。該研究為進一步的樣機制造和優化提供了依據。

作物；農業機械；設計；稻田；氣力式；變量施肥；外槽輪排肥；肥料輸送

齊興源，周志艷，楊 程，羅錫文，谷秀艷，臧 禹，劉武蘭.稻田氣力式變量施肥機關鍵部件的設計與試驗[J].農業工程學報，2016，32（6）：20-26.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.003 http://www.tcsae.org

Qi Xingyuan,Zhou Zhiyan,Yang Cheng,Luo Xiwen,Gu Xiuyan,Zang Yu,Liu Wulan.Design and experiment of key parts of pneumatic variable-rate fertilizer applicator for rice production[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE）,2016,32(6):20-26.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.003 http://www.tcsae.org

0 引言

水稻是中國南方的主要糧食作物，在水稻生長的不同階段，都需要依據作物情況進行追肥作業，在整個生長季中，水稻通常需要追肥2次以上，分別為分蘗期[1]與幼穗形成期[2]為佳。而水稻在分蘗期以后，水稻逐漸封行，植株較高，進行入土施肥、側入深施肥等入土性施肥作業比較困難，通常施行地表追肥作業[3]。傳統追肥作業方式以人工撒施為主，行走不方便，播撒不均勻，并且勞動強度大。目前機械追肥主要以離心圓盤式撒肥機為主[4]，以高速旋轉的圓盤為動力，肥料在離心力作用下被撒出[5]。如律凱等設計的拋撒式水稻苗期施肥機[6]，可用于常用的尿素、氮素、復合肥和專用肥等肥料撒施，但由于肥料自身物料特性，容易受田間環境影響（尤其是風），追肥作業進行施肥量的精準控制比較困難，同時在作業幅寬方向上的均勻性得不到保證[7]。高靜華設計了擺管式撒肥機[8]，李鵬[9]和張李嫻[10]對其進行了仿真與撒肥機理的研究，模擬人手臂擺動進行撒施，有效的結合了機具前進速度進行撒施速度控制，均勻性比圓盤式撒肥機有所提升，但作業幅寬不太理想[11]。按需施肥是精準農業的重要內容[12-13]，國外已有一些比較成熟的變量施肥作業機械[14-15]。約翰迪爾開發了一款氣吹式種肥車，主要用于種肥撒施[16]。國內對稻田氣力式變量施肥機械的研究較少[17]。謝宇峰等人研制了高速寬幅氣送式集排精量播種施肥機，利用了氣流進行輸肥與分肥作業，但該機型需配套300馬力以上的拖拉機，在稻田尤其是南方小面積的水田中使用受到較大限制[18]。

上述地表追肥機械的排肥器主要有外槽輪式[19]、離心圓盤式[20-22]、鏈條式[23]、螺旋式、振動式以及星輪式等[24-25]，其中外槽輪式應用最廣泛[26]。該排肥器結構簡單、施肥均勻較好[27]，但目前的施肥機大都采用所有排肥輪聯動的方式，沒有實現單個排肥輪的排肥量獨立控制[28-30]，以及作業幅寬方向上的遠距離輸送。此外，肥料輸出后，其輸送方式多以重力自流為主，肥料進入地表的位姿較難控制[4，31]。

為了滿足水稻變量追肥作業的需要，設計了一種外槽輪式排肥、以空氣流為肥料輸送和撒播動力的稻田氣力式變量施肥機，并對關鍵部件進行了仿真和測試試驗，以期為進一步的樣機制造和優化提供依據。

1 氣力式變量施肥機的結構與工作原理

氣力式變量施肥機主要由肥箱、外槽輪排肥器、氣流肥料混合接頭、氣流分流箱、排肥管等部件組成，其結構如圖1所示。

圖1 氣力式施肥原理示意圖Fig.1 Principle diagram of pneumatic variable-rate fertilizer applicator

空氣流由風機提供，如圖1中箭頭所示方向，從氣流入口進入分流箱，由C處將氣流分流后經過小孔流向D。打開肥料擋板開關后，肥料從肥箱進入A腔，由順時針旋轉的排肥輪將肥料排出，通過通道B落入氣流肥料混合接頭，在D處高速的氣流作用下，肥料和氣流的二相混合物經過排肥管排出，完成施肥過程。

為了防止肥料從排肥輪側邊流出，在每個排肥輪兩側各加一個擋板，施肥機整體由多個排肥輪組成，排肥管可以水平延伸至4 m外，在保證排肥均勻性的前提下，實現寬幅作業，提升作業效率。

為了方便測試施肥機的性能，本文所用的試驗裝置共設計了4個排肥口，以便于進行對比試驗。

2 氣力式變量施肥機關鍵零 部件設計

2.1 交錯直齒式排肥輪的設計

傳統的外槽輪式排肥器主要是采用直通齒型[32-33]，通過改變工作齒寬的大小來改變排肥量[34]。本文設計采用改變排肥輪轉速的方式來改變排肥量，要求排肥輪在進行排肥作業時具有良好的連續性，其結構如圖2所示。

該槽輪采用固定工作寬度，在傳統外槽輪的基礎上，設計兩排排肥齒，并呈交替排列，工作時，交替排列的排肥齒能夠有效的減小排肥時的波動性[35]，從而使排肥量更加均勻。傳統直齒外槽輪排肥器排肥時的波動呈現波峰波谷周期性變化[36]，改為交錯直齒外槽輪后，左右兩側的排肥齒單獨呈現的波形圖相差半個周期，疊加后極大值與極小值的差值明顯減小。

圖2 交錯直齒式排肥輪Fig.2 Staggered straight-tooth fertilization wheel

2.2 氣流肥料混合接頭的設計

氣力式施肥機的肥料傳送過程依靠氣流高速流動產生動力，將肥料水平輸送一段距離后排出，同時，肥料在具有一定速度的情況下排出排肥管，利用出口處的擋肥板可以將肥料按一定的形態散落。肥料在與氣流混合的過程中，首先在氣流作用下加速運動，達到平衡時，隨氣流流動排出，肥料和氣流混合的節點設計關系到肥料是否能夠順利排出以及氣流是否損失。其結構如圖3所示。

圖3 氣流肥料混合接頭Fig.3 Mixed joint of air and fertilizer

氣流從入口經過小孔進入混合接頭，在固定流量下，流體的流速與管道橫截面積成反比，即：

式中v為氣流流動速度，m/s；Q為氣體總流量，m3；S為氣體通過管道的橫截面積，m2。

將氣流入口處設計為錐形小孔，減小壁面對氣流的阻力。首先，氣流通過小孔后，由公式（1）可知，氣流獲得較大的初速度，從落肥口落入的肥料能在更短的時間內獲得較大速度，如圖4a相對圖4b混合腔內氣流速度明顯提升，有效的防止了混合接頭的堵塞；其次，氣流在通過小孔流入較寬敞的混合腔時，由于氣流速度大，巨大的速度差和壓力差，使得落肥口的氣流被吸入混合腔，肥料從落肥口進入混合腔更加容易，而圖4b所示直通管道還會有氣流從落肥口反向流出，不利于肥料落入混合腔；此外，由于每個氣流入口都是分流箱的氣流出口，對于整個分流箱來說，氣流入口與氣流出口相差較大，并且入口氣流源源不斷的供應，在分流箱內部就形成了一個氣壓略高于外界的相對高壓場，讓分流箱內部的流體在各個出口的流量達到平衡，保證了每個出口氣流場的穩定性。

圖4 小孔對氣流肥料混合接頭氣流場的影響對比Fig.4 Influence of small hole to airflow field in mixed joint

2.3 氣流分流箱的設計

分流箱的目的是能夠將氣流盡可能均勻的在各個出口排出，如圖1中所示，氣流分流箱的氣流入口處厚度尺寸大于各分流口的尺寸，而如圖5中所示，在寬度上，入口處寬度又遠小于分流口寬度，寬度和厚度協同作用下，氣流能夠初步進行分流。其中，圖5中所示氣流分流箱的入口內徑為55 mm，圖5a中的小孔即為氣流肥料混合接頭小孔結構，小孔出口內徑為12 mm，圖5b中出口即為無小孔結構氣流混合接頭，出口內徑為21 mm。

如圖5a所示，氣流肥料混合接頭采用小孔結構時，分流箱腔體中的平均壓力達到110 400 Pa，最大壓力與最小壓力差為3 000 Pa。如圖5b所示，氣流肥料混合接頭未采用小孔結構時，分流腔中的平均壓力為101 550 Pa，最大壓力與最小壓力差小于100 Pa。壓力差越大，越能夠使各出口出風量趨于平均[37]。從流動跡線來看，有小孔時分流腔腔體內流跡線更規整，形成的回流場更少，氣流均勻性相對較好，對氣體流動的阻礙更小。

圖5 混合接頭小孔對氣流分流箱流動跡及內部氣壓影響圖Fig.5 Influence of small hole in mixed joint to pressure of air divider box

3 氣力式變量施肥機性能測試試驗

3.1 測試方法

試驗所用肥料為復合肥（氮磷鉀含量質量比值為15∶6∶15，總養分≥36%，深圳市芭田生態工程股份有限公司），容質量為10 023 N/m3，粒徑2～4 mm大于90%。通過測試試驗分別測量無肥料時不同長度排肥管道出口風速、排肥輪不同轉速下對應的排肥量、不同管長對應的排肥滯后時間以及不同高度對應的排肥滯后時間。參照標準《NJ/ T 2013-0608氣力式肥料變量播撒系統技術及評價方法》進行試驗[38]。

試驗中均采用750 W漩渦風機正壓輸出作為空氣動力源，恒流輸出量110 m3/h，氣流分流箱中壓為110 kPa，風機出口內徑55 mm。

3.2 結果及分析

3.2.1 不同長度排肥管道出口風速

為了保證肥料撒施的均勻性，需要把管道的排肥口均勻分布在兩側的桁架上，不同管道出口到施肥機的氣流肥料混合接頭距離不等，因此每條排肥管的長度也不相同。

首先對未安裝排肥管時氣流肥料混合接頭對應的4個出口的風速（用v1表示）進行測試，隨后對安裝排肥管之后的出口風速（用v2表示）進行測試，試驗結果見表1。

綜上所述,全面有效的護理干預,能夠提高支氣管哮喘的臨床治療效果,緩解無力、呼吸困難等癥狀,改善睡眠,提高護理滿意度,提高患者的生活質量,具有臨床價值。

表1 不同長度排肥管道出口風速Table 1 Air velocity of pipeline outlet in different length

由表1可以看出，由于氣流肥料混合接頭中小孔的出口的設計，使得在出口處的風速達到較大值，并且風速在氣流肥料混合接頭處各個出口的分布比較均勻。

對安裝排肥管之后的風速進行線性回歸分析，以風速v2為因變量，以管長l為自變量，分析結果的顯著性值sig.=0.006，R2=0.989。因此，管長與風速之間存在線性關系，關系式為：

式中v2為管道出口風速，m/s，l為管道長度，m。

經分析，在未安裝排肥管時，各出口風速的均值為20.08 m/s，方差值為0.043，各出口風速均勻性良好。安裝排肥管之后，各出口風速與管長度呈現出線性變化關系，其顯著性值小于0.01，說明管長對出口風速產生極顯著影響。

3.2.2 排肥輪轉速與排肥量的關系

測定排肥輪轉速與排肥量之間的對應關系，是實現施肥變量控制的基礎數據。設計了4種不同的排肥輪轉速，同時對每個排肥口每分鐘對應的排肥量進行了測量，每次測量的結果取3次重復的平均值，測量結果如表2所示。

表2 不同排肥輪轉速對排肥量的影響Table 2 Fertilizer sowing amount in different rotational speed

表3是每個轉速下各排肥口的排肥量的t檢驗結果，從表中可看出，所有檢驗值均在差分的95%置信區間內，依據標準《NJ/T 2013-0608氣力式肥料變量播撒系統技術及評價方法》，說明各排肥口排肥量的均勻性滿足設計要求。

以排肥輪轉速作為自變量，排肥量作為因變量，進行線性回歸分析，對相關參數進行擬合，分析結果的顯著性值sig.<0.001，R2=0.998。因此，排肥輪轉速與排肥量的線性擬合結果為極顯著，擬合方程為：式中Q為單個排肥輪每分鐘的排肥量，g；n為排肥輪每分鐘轉速，r/min。

表3 各排肥口排肥量t檢驗結果Table 3 T-test result of each outlet’s fertilizer sowing amount

式中M為每公頃施肥總量，g；T為指定作業條件下的作業時間，min。

在該條件下，本試驗裝置共4個排肥口，若取b=1 m，v=1 m/s，則每公頃施肥量可通過排肥輪轉速實現40～200 kg范圍內的變量調節，結合不同機具前進速度還可實現更大范圍的施肥量調節。

3.2.3 排肥管長度對排肥滯后時間的影響

肥料經過輸肥管水平輸送一定距離后才能排出，不同長度的輸肥管道對于肥料排出后的滯后時間具有一定影響。測試時，保持排肥管出口與入口在同一水平面，當肥料從排肥槽落下進入氣流肥料混合接頭時，開始計時，肥料從排肥管出口排出后碰到出口處的擋板時結束計時，測試結果如表4所示。

表4 排肥管長度對排肥滯后時間的影響Table 4 Influence of pipeline length to fertilize delay time

排肥管道越長，肥料在管道中滯留的時間就越長，排肥時間的延遲，對于施肥的均勻性有一定影響。為便于后續進行變量施肥控制時進行修正，對排肥管長度與排肥滯后時間進行線性回歸分析，分析結果的顯著性值sig.= 0.005，R2=0.990。因此排肥管長度與排肥滯后時間線性擬合結果為極其顯著，擬合方程為：

式中Δt1為排肥滯后時間，s；l為排肥管長度，m。

3.2.4 排肥管出口高差對排肥滯后時間的影響

前文已經驗證當排肥管出口與入口在同一水平面時，排肥管長度與排肥滯后時間之間呈顯著線性關系。由于排肥管安裝過程中，難免出現出口與入口出現高差的現象，需要測試排肥管出口高差（即排肥管出口與入口之間的高度差）對排肥滯后時間是否有影響。為了保證因素單一，也為了便于計時更準確，將排肥管長度固定為4 m進行測試試驗，排肥管出口高差設置了5個梯度，測試結果如表5所示。

表5 排肥管出口高差對排肥滯后時間影響Table 5 Influence of outlet height difference to fertilize delay time

表6是對排肥管出口高差與排肥滯后時間進行線性與二次回歸分析的結果。

表6 排肥口相對高度與滯后時間分析結果Table 6 Analysis result of outlet height and fertilize delay time

從表6可看出，排肥管出口高差與排肥滯后時間之間的二次回歸擬合度非常高，擬合結果為極顯著，其擬合方程為：

式中Δt2為排肥滯后時間，s；h為排肥管出口高差，cm。

隨著排肥管出口高差的加大，氣流對肥料做功增多，管內的肥料顆粒對氣流的阻力變大，導致排肥滯后時間增加。因此，在排肥管道的安裝過程中，盡量保持出肥口高度不要高于入口是降低排肥滯后時間的有效途徑，本機設計的排肥管布置以水平輸送肥料為主，可以有效地降低排肥管高度對排肥滯后時間的影響。

4 結論

設計了一種外槽輪式排肥、以空氣流為肥料輸送和撒播動力的稻田氣力式變量施肥機，通過對關鍵部件進行仿真和測試試驗，得出如下結論：

1）排肥輪轉速與排肥量之間存在極顯著的線性相關關系，相關系數R2=0.998，因此，可以通過排肥輪轉速來控制排肥量，在變量作業時，結合施肥量的需求及施肥機具的前進速度對排肥輪的轉速進行實時調節，從而達到變量施肥的目的。當機具前進速度為1 m/s，排肥輪轉速在10～40 r/min之間變化時，單憑轉速調節可實現每公頃施肥量在40～200 kg范圍內的變量調節，此外，各排肥口的排肥量誤差小于±5%。對照標準《NJ/T 2013-0608氣力式肥料變量播撒系統技術及評價方法》，各排肥口排肥量的均勻性能滿足設計要求。

2）排肥管道長度對排肥出口風速有顯著影響，排肥管長度和出口安裝的高差對排肥滯后性亦有顯著的影響，因此，為了盡可能減小因排肥滯后對排肥均勻性的影響，應避免排肥管過長，并盡量使排肥管出口不高于入口。

3）通過在氣流肥料混合接頭的氣流入口處采用小孔結構，所形成的氣流場更有利于肥料下落和加速，同時也有利于提高分流箱內的壓力，保證氣流的分配更均勻。

采用本文所設計的氣力式變量施肥機，可實現單個排肥輪的排肥量獨立控制，借助氣流可在作業幅寬方向上實現肥料的遠距離輸送，相對于離心圓盤式撒肥機，即能保證在幅寬方向上肥料撒施的變量控制，又能確保在特定施肥量要求下具有較好的均勻性，具有良好應用前景。當然，影響肥料出口散落均勻性的因素還有很多，例如出口處促進肥料散落的擋板形狀的設計、管道長度以及排肥量等，這些因素的影響以及最佳作業參數的確定還有待進一步研究。

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Design and experiment of key parts of pneumatic variable-rate fertilizer applicator for rice production

Qi Xingyuan1,Zhou Zhiyan1,2※,Yang Cheng1,Luo Xiwen1,2,Gu Xiuyan1,Zang Yu1,Liu Wulan1
（1.College of Engineering,South China Agricultural University/Engineering Research Center for Agricultural Aviation Application(ERCAAA), Guangzhou 510642,China;2.Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in South China,Changsha 410128,China）

Variable-rate fertilizer applicator is one of the most important machines of precision agriculture.Nowadays,the main machine for topdressing in rice is centrifugal disc distributor,and this machine has a better width,but has an unstable spread uniformity at the direction of working width,and most of them also cannot fertilize with a variable rate at the working width direction.In order to satisfy the needs of variable-rate fertilizer application in rice,and use less fertilizer to produce more yield,a pneumatic variable-rate fertilizer applicator for rice production,which used outer groove-fertilizer-wheel and pneumatic fertilizer spreader,was designed.Firstly,the simulation of the key components of the variable-rate fertilizer applicator was carried out to optimize the structure of the mixed joint and the air divider box under the following initial boundary conditions:the inlet gas velocity was 12 m/s,the inlet gas volumetric flow of air divider box was 0.03 m3/h,and all the testing components were under the same pressure in outlet and environment.The results indicated that the small keyhole structure not only improved the average pressure in air divider box and the uniformity of airflow dividing,but also promoted the fertilizer falling for mixed joint of air and fertilizer.Secondly,a series of testing experiments of the key components of the variable-rate fertilizer applicator were carried out to investigate the correlation between the rotating speed of fertilization wheel and the amount of fertilizer application under the following conditions:use the mixed joint with small keyhole structure, the inlet gas velocity was 12 m/s and the air divider box pressure was 110 kPa.The results showed that there was a significant linear relationship between the rotating speed of fertilization wheel and the amount of fertilization,and the correlation coefficient was up to 0.998.Adjusting the rotating speed of fertilization wheel could accurately adjust the amount of fertilization.In other words,it could achieve the purpose of variable fertilization by real-time control the rotating speed of fertilization wheel combined with the fertilization demand and the forward speed of fertilizing machine.The variable amount of fertilization could be reached in the range of 40-200 kg per hectare when the forward speed of fertilizing machine was 1 m/s and the rotating speed of fertilization wheel was in the range of 10-40 r/min.And the errors of fertilizer application amount for each fertilizer ejector′s outlet was less than±5%,which basically reached the requirements of fertilization uniformity.Finally, the impacts of the fertilizer pipeline length and installation height difference on the fertilization outlet velocity and lag time were studied when the inlet gas velocity was 12 m/s and the air divider box pressure was 110 kPa.The results showed that the fertilizer pipeline length and installation height difference had a significant effect on the fertilizer ejector′s outlet velocity and fertilization lag time.Therefore,in order to minimize the influence of fertilization lag time on fertilization uniformity,the fertilizer pipeline length should not be too long,and it is also suggested that the fertilizer ejector′s outlet is not higher than the inlet in order to reduce the impact of installation height difference.This study provides a basis for further prototyping and optimization of the pneumatic variable-rate fertilizer applicator.

crops;agricultural machinery;design;paddy field;pneumatic;variable rate fertilizer;fertilization wheel; fertilizer transport

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.003

S

A

1002-6819（2016）-06-0020-07

2015-12-08

2016-02-02

“十二五”國家“863”計劃項目（2012AA101901-3）

齊興源，男（漢族），甘肅酒泉人，主要從事作物變量施肥機具的研究。廣州 華南農業大學工程學院，510642。Email：529155434@qq.com※通信作者：周志艷，男（漢族），湖南永州人，博士，教授，主要從事精準農業關鍵技術研究。廣州 華南農業大學工程學院，510642。

Email：zyzhou@scau.edu.cn。中國農業工程學會會員（E042100021M）。