氣力集排式變量排肥系統分層施肥量調節裝置研制

楊慶璐，王慶杰，李洪文，何 進，盧彩云，于暢暢，婁尚易，王英博

·農業裝備工程與機械化·

氣力集排式變量排肥系統分層施肥量調節裝置研制

楊慶璐，王慶杰※，李洪文，何 進，盧彩云，于暢暢，婁尚易，王英博

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083；2. 農業農村部河北北部耕地保育農業科學觀測實驗站，北京 100083）

為提高分層施肥作業中肥料分配的精確性和穩定性，實現化肥按比例分層施用，該文設計了一種氣力集排式變量排肥系統分層施肥量調節裝置，通過理論分析與參數計算確定了分層施肥量調節裝置關鍵部件的結構和基本工作參數。運用離散元法與計算流體動力學耦合仿真方法，選取撥齒旋轉錐的轉速、入口風速和施肥速率為試驗因素，以各出肥口出肥量的變異系數為試驗指標，進行二次旋轉正交組合仿真試驗，建立了試驗指標與影響因素的回歸模型。在旋轉錐轉速735 r/min、入口風速36 m/s、施肥速率0.42 kg/s、分肥比例1:2條件下，對分層施肥量調節裝置進行了臺架試驗，試驗結果表明，各出肥口出肥量變異系數均小于5.18%，分肥比例誤差小于2.68%，與仿真試驗優化所得結果相吻合，滿足施肥作業要求。研究結果可為氣力集排式排肥裝置的設計與優化提供技術參考與理論支撐。

機械化；設計；氣力集排式；變量施肥；肥量調節裝置

0 引 言

肥料是保障糧食安全的戰略物資，也是農業可持續發展的物質基礎[1]。合理施肥，提高化肥和其它養分資源的利用率，不僅能夠實現糧食優質、高產，而且也是實現生態環境保護目標的迫切需要[2-3]。目前中國玉米施肥仍以分期施肥為主，一般采用基肥和追肥相結合的方式[4-5]，施肥量大，勞動效率低，難以滿足現代化農業的發展。

肥料的機械化不等量分層深施技術，可一次完成施肥作業，不僅提高了作業效率，而且可使作物在不同生長時期接觸到適量的肥料，增加作物產量，提高肥料利用率[6-8]。研究結果表明，施肥總量相同時，不同比例的分層施肥試驗中種肥占比低于底肥時，對玉米生長有促進作用[9-10]。吳景貴等[11]通過田間試驗發現，一次性肥料分層基施且上、下2層施肥量為1∶2時，完全可以替代分期施肥。

近年來，國內學者針對分層施肥設計了多種分層施肥器[6,12-13]，其結構主要是在深松鏟后方安裝機械式分層施肥器，并在施肥器不同高度處開施肥孔。肥料從槽輪式排肥器排出后，依靠自身重力落入分層施肥器，通過調整施肥器的安裝角度和施肥調整片工作長度，控制各層施肥量。此類施肥器存在各層肥料分配比例不精確，易發生堵塞等問題，且施肥器體積龐大，增加了機具作業阻力，也不能滿足高速寬幅施肥機具對肥料遠距離快速輸送的要求。

目前，氣力集排式的施肥方式在國外得到廣泛應用[14]。氣力集排式排肥系統為槽輪式排肥器穩定供肥、分配裝置快速分肥、氣力高速送肥的作業方式，其中分配裝置是決定氣力集排式排肥系統排肥性能的關鍵部件。Andrii等[15]研究了分配裝置幾何形狀和工作條件對各行分配精度的影響，提出了在分配裝置蓋上增加錐形導流板的方法，提高分配精度。Bourges等[16]通過對分配裝置中氣固混合流的流動特性進行數值分析，得到氣固混合流在分配裝置中不發生堵塞的最小速度。Kumar等[17]通過改變進料速率和氣流速度，對3種不同結構形狀的分配裝置進行分配性能對比試驗，得出流線型分配裝置分配效果最好。以上研究均針對各行定量均勻分配，不能滿足分層施肥作業上、下2層施肥量不同的農藝要求。國內對氣力集排式施肥器研究較少，尤其是有關分配裝置參數對分肥性能影響的研究鮮見報道。

本文針對機械式分層施肥器體積大，易堵塞，肥料不能遠距離快速輸送，分層施肥量粗放，以及現有的氣力集排式排肥器不能進行分層施肥量調節等問題，設計了一種氣力集排式分層施肥量調節裝置，可根據農藝要求，調整分層施肥鏟上、下2層施肥量的比例，以期實現按比例精準穩定分層施肥作業，為氣力集排式排肥裝置的設計與優化提供技術參考和理論支撐。

1 結構與工作原理

1.1 氣力集排式變量排肥系統結構與工作原理

氣力集排式變量排肥系統包括送風裝置、排肥裝置（圖5，6，9組成）、氣-肥混合裝置、施肥量調節裝置、排肥管、直流電機、減速電機和肥料箱等，結構示意圖如圖1所示。

1.排肥管 2.波紋管 3.施肥量調節裝置 4.直流電機 5.肥料箱 6.減速電機 7.送風裝置 8.氣-肥混合裝置 9.外槽輪排肥器 10.氣-肥輸送管

氣力集排式變量排肥系統工作時，減速電機驅動槽輪式排肥器定量供肥，送風裝置產生的高速氣流與肥料顆粒在氣-肥混合裝置中混合形成氣-肥混合流，氣-肥混合流經輸送管道進入波紋管，形成均勻的氣-肥混合流后進入施肥量調節裝置，施肥量調節裝置將相鄰兩出肥口的肥料按比例分配，相鄰2出肥口分別對應分層施肥鏟上、下2層排肥口，在分層施肥鏟作用下，肥料在土壤中形成上、下2層，實現按比例分層施肥作業。

1.2 排肥系統施肥量調節裝置結構與工作原理

施肥量調節裝置結構如圖2所示，主要包括波紋管、撥齒旋轉錐、直流電機、肥量分配機構和出肥口等。

波紋管安裝在施肥量調節裝置入口下方，另一端與氣-肥輸送管道相連接；直流電機軸通過聯軸器與旋轉錐軸相連接，帶動施肥量調節裝置頂部的旋轉錐旋轉；旋轉錐錐形斜面上設有撥齒，工作時旋轉錐與撥齒一同旋轉，在撥齒和錐形斜面作用下，肥料顆粒被強制均勻甩出至分配區域；4個扇形滑塊通過螺栓安裝在同一圓環上，圓環上設有調整手柄，可使圓環帶動扇形滑塊順時針或逆時針旋轉，調整扇形滑塊位置，改變相鄰兩出肥口對應的分配區域大小（圖2區域Ⅰ、Ⅱ），從而改變相鄰兩出肥口出肥量比例；扇形柱體為施肥量調節裝置殼體的一部分，與扇形滑塊間隔排列，4個扇形柱體將分配區域分成4部分，每部分對應2個相鄰的出肥口（如圖2中變量出肥口Ⅰ、Ⅱ），共8個出肥口。

1.波紋管 2.出肥口Ⅱ 3.扇形滑塊 4.調整手柄 5.軸承座 6.軸承 7.聯軸器 8.直流電機 9.電機軸 10.旋轉錐軸 11.撥齒旋轉錐 12.扇形柱體 13.出肥口Ⅰ 14.固定螺栓

1.Bellows 2.Fertilizer outletⅡ 3.Sector-slider 4.Adjusting handle 5.Bearing bracket 6.Bearing 7.Coupling 8.Direct current motor 9.Motor shaft 10.Rotary cone shaft 11.Rotary cone with push tooth 12.Sector cylinder 13.Fertilizer outlet Ⅰ 14.Fixing bolt

注：Ⅰ.出肥口Ⅰ分配區域 Ⅱ.出肥口Ⅱ分配區域。

Note: Ⅰ.Fertilizer outlet Ⅰ distribution area Ⅱ.Fertilizer outlet Ⅱ distribution area.

圖2 施肥量調節裝置結構示意圖

Fig.2 Structural schematic diagram of fertilizer amount adjustment device

2 施肥量調節裝置關鍵部件設計

2.1 施肥量調節裝置中肥料顆粒群受力和運動規律分析

施肥量調節裝置中肥料顆粒群由波紋管入口向上運動，在各個作用力的共同作用下，被分配至各個變量出肥口，對施肥量調節裝置中肥料顆粒群的受力和運動規律進行理論分析，確定影響顆粒肥料運動軌跡和分布狀態的因素條件。施肥量調節裝置中肥料顆粒群受力及運動如圖3所示。

注：θ為撥齒旋轉錐錐角，(°)；FR為氣動推力，N；ρn為懸浮狀態顆粒群的密度，kg·m-3；Tf為管壁阻力，N；ΔL為一段波紋管長度，mm；F0為氣流對肥料顆粒的推力，N；F1為旋轉錐斜面對肥料顆粒的作用力，N；F2為撥齒對肥料顆粒的作用力，N。

施肥量調節裝置中Δ段懸浮顆粒群受到氣動推力F和管壁阻力T的共同作用，氣動推力F為

式中為繞流阻力系數；a為肥料顆粒迎流面積，m2；為空氣密度，kg/m3；v為波紋管中氣流速度，m/s；v為處肥料顆粒群速度，m/s。

管壁阻力T為

式中λ為阻力系數；為波紋管直徑，m；ρ為懸浮狀態顆粒群的密度，kg/m3；為波紋管的斷面積，m2。

當肥料顆粒群在波紋管中運動時，根據牛頓第二定律，氣動推力、管壁阻力和顆粒群重力之間滿足

式中為Δ段顆粒群質量，kg；為重力加速度，m/s2；為排肥時間，s。

施肥量調節裝置中顆粒群的運動微分方程為

由式（4）可知，影響施肥量調節裝置中肥料顆粒運動及分布狀態的因素有氣流速度v、顆粒群速度v、波紋管直徑、顆粒群密度ρ等。

氣-肥混合流向上運動到達旋轉錐位置，肥料顆粒與旋轉錐和撥齒發生碰撞，旋轉錐斜面對肥料顆粒產生作用力1，撥齒對肥料顆粒產生作用力2。分配區域的顆粒群在氣動推力F、旋轉錐斜面作用力1、撥齒作用力2、管壁阻力T和顆粒群重力的共同作用下，被分配至變量出肥口。

施肥量調節裝置中扇形滑塊的位置決定了相鄰兩出肥口分配區域面積的大小，影響相鄰兩出肥口出肥量的比例；撥齒旋轉錐旋轉速度和施肥量調節裝置內部氣壓及風速，是影響肥料顆粒運動速度和軌跡，以及肥料顆粒在分配區域內分布狀態的主要因素，影響肥料分配的穩定性和可靠性；施肥速率決定了單位時間內施肥量調節裝置中肥料顆粒的數量，調節裝置分配肥料顆粒時，氣動推力應大于顆粒群的重力和管壁阻力，施肥速率增大施肥量調節裝置內氣壓和風速也要相應增加。因此，施肥量調節裝置結構參數、施肥速率、內部氣壓和風速對氣-肥混合流的運動有重要影響。影響氣-肥混合流運動的結構參數主要有扇形滑塊的位置、旋轉錐錐角、波紋管直徑、撥齒旋轉錐的轉速；影響施肥量調節裝置內部氣壓和風速的參數主要有裝置內氣流速度v、顆粒群密度ρ、施肥速率W。

2.2 施肥量調節裝置基本參數

施肥量調節裝置是氣力集排式排肥系統的核心部件，其結構參數影響排肥系統分肥比例可靠性和各行排肥量穩定性[18-21]。根據玉米施肥量、機具幅寬、作業速度等，確定施肥量調節裝置內氣流的速度v、空氣流量Q及氣-肥混合流輸送管道直徑。

肥料顆粒的懸浮速度是施肥量調節裝置設計的重要依據[22]，決定了裝置的入口風速。肥料顆粒為不規則球體，其在空氣中自由懸浮速度0為

式中K為不規則形狀修正系數；d為肥料顆粒平均粒徑，m；ρ為肥料顆粒密度，kg/m3。

經前期預試驗及查閱文獻，K取1.2[23]，取9.81 m/s2，d為3.38×10-3m，ρ為1 476 kg/m3，為1.293 kg/m3，取0.44[23]。計算得肥料顆粒的懸浮速度0為9.77 m/s，根據管道內氣固兩相輸送經驗，當管道有彎曲時，輸送氣流的速度v應是懸浮速度0的2.6～6.0倍[22-23]，即v應大于25 m/s。

管道內氣固兩相輸送的料氣輸送比為

式中為料氣輸送比，取2.9[23]；W為單位時間顆粒肥輸送質量，kg/s；W為單位時間氣流質量，kg/s。

空氣流量Q為

綜合式（5）～（7），可得波紋管直徑為

氣力集排式施肥機幅寬為2.5 m，機具最大作業速度為10 km/h，玉米施肥量為250～500 kg/hm2[24-26]，為適當提高變量排肥系統施肥量上限，增大系統的適用范圍，滿足極端情況下的超量施肥，將系統最大施肥量設計為600 kg/hm2，則單位時間顆粒肥輸送質量W最大為0.42 kg/s，計算得波紋管直徑為76 mm，空氣流量Q為403 m3/h。

2.3 施肥量調節裝置殼體設計

施肥量調節裝置殼體的設計要盡量減少氣-肥混合流在裝置中產生渦流、紊流和出入口的急劇收縮，以避免引起氣-肥混合流的離析、滯留現象[27]。因此，施肥量調節裝置殼體的設計應盡量最小化漩渦區，本研究采用改變殼體內壁形狀的方法減小局部損失，將裝置入口與出口內壁設計為多段曲線形狀，減少渦流。如圖4所示。

注：D1為撥齒旋轉錐直徑，mm；D2為出肥口直徑，mm；α為殼體擴散角的一半，(°)。

為保證肥料順利排出8個出肥口截面積之和與入口截面積相等，變量出肥口直徑2滿足

計算得變量出肥口直徑2為26.87 mm，取整為27 mm。

施肥量調節裝置殼體局部損失系數計算公式為

式中為沿程損失系數；為微壓計系數；1為撥齒旋轉錐直徑，mm；為殼體擴散角的一半，(°)。

設計施肥量調節裝置殼體時應以減小局部損失系數為原則[28]，由式（10）可知，殼體擴散角決定了其局部損失系數的大小，通過改變多段曲線弧度，改變擴散角度，調整殼體內壁形狀，可降低局部損失，促進肥料順利排出。

2.4 肥量分配機構設計

肥量分配機構主要包括扇形滑塊、扇形柱體、圓環、調節手柄和螺栓等，如圖5所示。螺栓穿過施肥量調節裝置殼體上的U形槽，將扇形滑塊固定在圓環上，圓環上設有手柄，可調整圓環上的螺栓在U形槽中的位置，從而調整扇形滑塊的位置，改變相鄰2出肥口的出肥量。施肥量調節裝置殼體內腔分肥口處存在“排肥盲區”，扇形滑塊與扇形柱體可占據一部分盲區空間，有助于減少殼體內的渦流，利于肥料順利排出。

由圖2可知，施肥量調節裝置中相鄰2個出肥口對應的分配區域面積決定了2個出肥口的出肥量，且2個出肥口出肥量的比例為2個分配區域面積的比值。由扇形面積的計算公式可知，2個扇形的面積之比等于2個扇形的圓心角之比，而扇形滑塊的位置決定了分配區域扇形的夾角，因此扇形滑塊位置可改變相鄰2個出肥口的出肥比例。考慮到實際作業中土壤肥力不同、不同作物施肥要求不同，作物在分層施肥作業時，上下層施肥量比例需根據農藝要求進行調節，因此，本研究設計的施肥量調節裝置分肥比例可由1:1～1:2任意調節。

1.圓環 2.出肥口 3.扇形滑塊 4.U形槽 5.調整手柄 6.固定螺栓 7.扇形柱體

2.5 撥齒旋轉錐設計

撥齒旋轉錐安裝在施肥量調節裝置頂部，其作用是將氣-肥混合流均勻穩定甩出至變量分配機構處，對于施肥量調節裝置的分肥穩定性至關重要。

氣-肥混合流與壁面碰撞時，一部分混合流會沿著出口方向流動，而另一部分會沿著混合流的反方向回彈，與剛進入的混合流產生碰撞，形成紊流，不利于肥料的分配和排出，因此，旋轉錐的設計應盡量避免產生紊流。結合前期研究[29]，當旋轉錐的錐角為120°時，能有效避免紊流，且肥料分配的均勻性和穩定性最佳。為進一步提高旋轉錐分肥穩定性，在旋轉錐斜面上增加撥齒，并由直流電機帶動旋轉錐旋轉，以旋轉錐斜面引流、撥齒強制甩出相結合的方式，提高分肥速度和可靠性。撥齒隨旋轉錐旋轉并將肥料顆粒碰撞甩出，為保證肥料顆粒的順利甩出，撥齒長度應大于肥料顆粒的直徑，經測量肥料顆粒的三軸尺寸均小于4 mm，因此撥齒長度1取為4 mm。撥齒旋轉錐結構如圖6所示。

注：L1為撥齒長度，mm。w為旋轉錐轉速，r·min-1。

3 施肥量調節裝置分肥性能數值模擬

施肥量調節裝置分肥性能是評價氣力集排式排肥系統的關鍵指標。本研究采用計算流體力學和離散元法分別建立施肥量調節裝置和肥料顆粒仿真模型進行耦合仿真試驗，分析撥齒旋轉錐轉速、裝置入口風速和施肥速率對施肥量調節裝置中肥料顆粒運動的影響。

3.1 DEM-CFD耦合仿真模型與參數設定

3.1.1 DEM-CFD耦合仿真模型

計算流體力學和離散元法近年來廣泛應用于農業工程等領域[30]，DEM-CFD耦合仿真模擬能夠準確模擬顆粒在復雜受力情況下的運動情況[31-32]。本研究選用EDEM 2019和ANSYS Fluent 18.2軟件耦合對施肥量調節裝置分配過程進行數值模擬。

施肥量調節裝置中氣流的運動為不可壓縮流體的湍流運動，其運動遵循質量和動量守恒，采用標準-模型非穩態求解的Eulerian-Eulerian耦合算法，不僅能實現氣流和肥料顆粒之間的動量和能量交換，還可以計算肥料顆粒對氣流流動的影響；肥料顆粒群的運動可視為單粒運動的集合，利用離散元法描述顆粒之間的碰撞過程，遵循牛頓第二運動定律，考慮到肥料顆粒表面無粘附力，因此選用Hertz-Mindlin無滑移滾動摩擦模型。耦合時，EDEM和Fluent中2個仿真模型的時間步長和計算數據保存頻率需呈整數倍匹配[28]，因此設置EDEM中時間步長為5×10-5s，Fluent時間步長為5×10-3s，設置Fluent中步數為1 000步，最大迭代次數為50次，設置EDEM中肥料顆粒生成時間為前3 s，總仿真時間為5 s。撥齒旋轉錐的旋轉速度和旋轉方向在兩個軟件的仿真模型中需保持一致，Fluent中選用Transient模擬計算，采用Mesh Motion模型模擬撥齒旋轉錐的旋轉，EDEM中給撥齒旋轉錐添加Linear Rotation控制其轉速和方向。

3.1.2 仿真模型參數設定

肥料顆粒的物理特性參數測定是進行仿真模擬的基礎，本研究選用顆粒狀復合肥（中國—阿拉伯化肥有限公司，N:P2O5:K2O為15:15:15）為研究對象，隨機選取5組一定質量的肥料顆粒，利用細鹽填充法進行顆粒密度的測定，取5組數據平均值，測得肥料顆粒的密度為1 476 kg/m3，再隨機抽取50粒肥料顆粒，測量其三軸尺寸，測得平均三軸尺寸為3.686 mm×3.369 mm×3.076 mm，計算得到肥料顆粒的球形率為0.91，且有85%的肥料顆粒直徑在2.8～3.9 mm之間，直徑大小隨機分布。因此，仿真模型中可以將肥料顆粒簡化為直徑為3.38 mm的球體。

經預試驗和查閱文獻，肥料顆粒和施肥量調節裝置模型參數[24]如表1所示。

表1 模型參數

3.2 仿真試驗設計

研究表明，玉米一次性分層施肥，上下層比例為1:2時可完全替代傳統分期施肥[11]，因此，仿真試驗中以玉米分層施肥為例，將施肥量調節裝置的分肥比例設為1:2。施肥量調節裝置的結構參數、裝置內風速、施肥速率等影響氣-肥混合流的運動狀態，進而影響肥料顆粒在裝置內的運動特性，決定了施肥量調節裝置分肥可靠性與穩定性。因此，為研究不同結構和作業參數對施肥量調節裝置分肥性能的影響，以各出肥口出肥量的變異系數為試驗指標，以撥齒旋轉錐的轉速、入口風速和施肥速率為試驗因素，進行二次旋轉正交組合試驗。各因素的水平范圍為：撥齒旋轉錐的轉速0～1 500 r/min；入口風速25～45 m/s；機具作業幅寬2.5 m，最大作業速度10 km/h，施肥量200～600 kg/hm2，則施肥速率為0.14～0.42 kg/s。將施肥量調節裝置出肥口按出肥量分為2組1、2，出肥量少的一組對應分層施肥鏟上層排肥口，另一組對應分層施肥鏟下層排肥口，即圖2中出肥口Ⅱ和與其間隔排列的另外3個出肥口為1組，剩余的4個出肥口為2組。

施肥量調節裝置各出肥口出肥量測試方法如圖7所示，EDEM后處理階段，在出肥口處添加Total Mass Sensor，統計各出肥口處的肥料質量，通過變異系數公式計算各因素水平組合下1、2組的出肥量變異系數。

各組施肥量變異系數C為：

其中

圖7 各出肥口質量傳感器位置示意圖

通過仿真試驗，對影響2組出肥口出肥量變異系數的因素進行顯著性分析，并根據實際需求對各參數組合進行優化。試驗因素水平及編碼如表2所示，試驗方案與試驗結果如表3所示。

表2 試驗因素水平及其編碼表

注：中心點的試驗次數為9次。

Note: Number of tests for the center point is 9 times.

3.3 仿真試驗結果與分析

3.3.1 試驗結果分析與回歸模型建立

利用Design Expert對仿真試驗結果進行二次回歸分析，并進行多元回歸擬合[33]，得到1組出肥口變異系數1和2組出肥口變異系數2及2個試驗指標的回歸方程，并檢驗其顯著性。

表3 試驗方案與試驗結果

1）1組出肥口出肥量變異系數

通過對仿真試驗數據的分析和擬合，1組出肥口出肥量變異系數1方差分析如表4所示。由表4可知，試驗整體模型極顯著（<0.01），線性主效應項中旋轉錐轉速和入口風速對試驗指標1組出肥口出肥量變異系數1影響極顯著（<0.01），二次主效應項中旋轉錐轉速和入口風速的二次項對試驗指標影響極顯著（<0.01），交互項中旋轉錐轉速和入口風速的交互項對試驗指標影響顯著（0.01<<0.05），線性主效應項中施肥速率對試驗指標影響較顯著（0.05<<0.1），其他各項不顯著，各因素對1組出肥口出肥量變異系數影響的主次順序是>>。將不顯著交互項和二次主效應項的回歸平方和、自由度并入殘差項，剔除不顯著因素，再次進行方差分析，結果如表4所示。得到各因素水平對1組出肥口出肥量變異系數1影響的回歸方程為

1=35.705 22?0.012 819?1.251 33+

2.308 97+1.480 21×10-4（13）

3.180 81×10-62+0.013 2922

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，如表4所示，其中失擬項=0.873 6，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，且試驗指標與試驗因素存在顯著的二次關系，試驗分析結果合理。

表4 G1、G2組出肥口出肥量變異系數方差分析表

注：“/”后數字為剔除不顯著因素后方差分析結果，“***”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: Numbers under “/” are variance analysis results after rejected no significant factors. “***” means highly significant (<0.01), “**” means very significant (0.01<<0.05), “*” means significant (0.05<<0.1).

2）2組出肥口出肥量變異系數

通過對仿真試驗數據的分析和擬合，2組出肥口出肥量變異系數2方差分析如表4所示。由表4可知，試驗整體模型為極顯著（<0.01），線性主效應項中旋轉錐轉速和入口風速對試驗指標2組出肥口出肥量變異系數2影響極顯著（<0.01），二次主效應項中旋轉錐轉速和入口風速的二次項對試驗指標影響極顯著（<0.01），交互項中旋轉錐轉速和入口風速的交互項對試驗指標影響顯著（0.01<<0.05），線性主效應項中施肥速率對試驗指標影響較顯著（0.05<<0.1），其他各項不顯著，各因素對1組出肥口出肥量變異系數影響的主次順序是>>。將不顯著交互項和二次主效應項的回歸平方和、自由度并入殘差項，剔除不顯著因素，再次進行方差分析，結果如表4所示。得到各因素水平對2組出肥口出肥量變異系數2影響的回歸方程為

2=34.939 35?0.012 603?1.214 73+

2.317 37+1.451 93×10-4+（14）

3.088 86×10-62+0.012 8252

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，如表4所示，其中失擬項=0.843 7，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，且試驗指標與試驗因素存在顯著的二次關系，試驗分析結果合理。

3.3.2 響應曲面分析

利用Design Expert對仿真試驗數據進行分析處理，得出旋轉錐轉速、入口風速和施肥速率之間的交互因素對1、2組出肥口出肥量變異系數的影響效應響應曲面，如圖8所示。

圖8 G1、G2組出肥口出肥量變異系數雙因素響應曲面

施肥速率為0.28 kg/s時，旋轉錐轉速和入口風速對1組出肥口出肥量變異系數1的交互影響如圖8a所示。當旋轉錐轉速一定時，入口風速與1組出肥口出肥量變異系數呈負相關，較優的入口風速范圍為31.5～41 m/s；當入口風速一定時，旋轉錐的轉速與1組出肥口出肥量變異系數呈負相關，較優的旋轉錐轉速范圍為450～1 196 r/min。2個交互項中旋轉錐轉速為影響試驗指標的主要因素。

施肥速率為0.28 kg/s時，旋轉錐轉速和入口風速對2組出肥口出肥量變異系數2的交互影響如圖8b所示。當旋轉錐轉速一定時，入口風速與2組出肥口出肥量變異系數呈負相關，較優的入口風速范圍為31～41 m/s；當入口風速一定時，旋轉錐的轉速與2組出肥口出肥量變異系數呈負相關，較優的旋轉錐轉速范圍為440～1 196 r/min。2個交互項中旋轉錐轉速為影響試驗指標的主要因素。

為獲得施肥量調節裝置較優分肥性能的作業參數，利用Design Expert的優化模塊對2個回歸模型進行優化求解，根據施肥量調節裝置的實際作業條件和工作要求，選擇目標函數的約束條件。

目標函數及約束條件為

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，結合實際施肥作業的農藝要求，從中選取較優的參數組合：旋轉錐轉速為735～1 196 r/min，入口風速為36～41 m/s，施肥速率為0.14～0.42 kg/s時，1、2組出肥口出肥量變異系數范圍為3.7%～4.9%。

4 試驗驗證

基于優化設計和仿真分析，加工了施肥量調節裝置，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驗證，試驗裝置如圖9所示。

1.送風裝置 2.氣-肥混合裝置 3.外槽輪排肥器 4.肥料箱 5.直流電機 6.施肥量調節裝置 7.波紋管 8.排肥管

為驗證裝置在高速大施肥量條件下施肥量調節裝置的分肥性能，旋轉錐轉速、入口風速均選取正交試驗結果中相對較差的水平[24]，即旋轉錐轉速為735 r/min，入口風速為36 m/s，施肥速率為0.42 kg/s，分肥比例為1:2。試驗材料為仿真試驗中所用的顆粒復合肥。

為提高供肥裝置供肥穩定性，肥箱中加入5 kg顆粒復合肥，首先對外槽輪式供肥器進行標定試驗，調整供肥裝置減速電機轉速，使供肥速率約為0.42 kg/s。調整旋轉錐轉速為735 r/min、風機風速為36 m/s，調整扇形滑塊位置至分肥比例為1:2處，試驗供肥時間為3 s，直至所有肥料均排出后關閉旋轉錐電機和風機，收集稱量各出肥口出肥量，進行統計整理并分析計算，試驗重復5次，取均值。試驗中由于供肥裝置外槽輪排肥器供肥穩定性的影響，施肥速率不能嚴格控制在某一精確值，因此試驗中施肥速率為0.42 kg/s的近似值，因試驗指標為兩組出肥口出肥量變異系數和分肥比例，施肥速率的微小波動對試驗指標影響較小，可忽略不計[29]。試驗結果如表5所示。

表5 試驗結果

由表5可知，試驗所得1組出肥口出肥量平均變異系數為5.10%，2組出肥口出肥量平均變異系數為4.91%，分肥比例的平均誤差為2.61%，與仿真試驗結果一致。

試驗結果表明：旋轉錐轉速為735 r/min，入口風速為36 m/s，施肥速率為0.42 kg/s，分肥比例為1∶2時，各出肥口出肥量變異系數均小于5.18%，分肥比例誤差均小于2.68%，施肥量調節裝置分肥準確性和穩定性滿足施肥要求，與優化所得結果相吻合，表明相關優化參數組合合理，實現了變量分肥作業。

5 結 論

1）為提高分層施肥作業中肥料的精確穩定分配，設計了一種氣力集排式分層施肥量調節裝置，可實現按比例精準穩定分肥作業。主要針對施肥量調節裝置殼體、變量分配機構和旋轉錐進行了結構設計及理論分析，確定了輸送管道直徑為76 mm，入口風速大于25 m/s，施肥速率范圍為0.14～0.42 kg/s。

2）選取撥齒旋轉錐的轉速、入口風速和施肥速率為試驗因素，以各出肥口出肥量的變異系數為試驗指標，進行二次旋轉正交組合仿真試驗，建立了試驗指標與影響因素的回歸模型。結果表明：撥齒旋轉錐的轉速和入口風速對各出肥口出肥量變異系數有顯著影響。當旋轉錐轉速為735～1 196 r/min，入口風速為36～41 m/s，施肥速率為0.14～0.42 kg/s，分肥比例為1∶2時，各出肥口出肥量變異系數范圍為3.7%～4.9%，滿足設計要求。

3）旋轉錐轉速為735 r/min，入口風速為36 m/s，施肥速率為0.42 kg/s，分肥比例為1∶2條件下，對施肥量調節裝置進行了臺架試驗，試驗結果表明：各出肥口出肥量變異系數均小于5.18%，分肥比例誤差均小于2.68%，與仿真試驗優化所得結果相吻合，滿足施肥作業要求。

[1]趙秉強，張福鎖，廖宗文，等. 我國新型肥料發展戰略研究[J]. 植物營養與肥料學報，2004，10(5)：536－545.

Zhao Bingqiang, Zhang Fusuo, Liao Zongwen, et al. Research on development strategies of fertilizer in China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10(5): 536－545.(in Chinese with English abstract)

[2]張福鎖，陳新平，馬文奇. “現代農業”時代談化肥[J]. 磷肥與復肥，2003，18(1)：1－3.

Zhang Fusuo, Chen Xinping, Ma Wenqi. Discussion on fertilizer in an era of modern agriculture[J]. Phosphate & Compound Fertilizer, 2003, 18(1): 1－3.(in Chinese with English abstract)

[3]李慶逵，朱兆良，于天仁. 中國農業持續發展中的肥料問題[M]. 南昌：江西科學技術出版社，1998.

[4]趙飛燕，吳秋平，韓燕. 不同施肥方式對玉米生長及產量的影響[J]. 山西農業科學，2018，46(10)：1668－1670，1698.

Zhao Feiyan, Wu Qiuping, Han Yan. Effects of different fertilization methods on growth and yield of maize[J]. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2018, 46(10): 1668－1670, 1698.(in Chinese with English abstract)

[5]楊繼承. 玉米高產高效施肥技術要點[J]. 吉林農業，2017(24)：78.

Yang Jicheng. Key points of high yield and high efficiency fertilization technology for corn[J]. Agriculture of Jilin, 2017(24): 78. (in Chinese with English abstract)

[6]王云霞，梁志杰，崔濤，等. 玉米分層施肥器結構設計與試驗[J]. 農業機械學報，2016，47(S1)：163－169.

Wang Yunxia, Liang Zhijie, Cui Tao, et al. Calibration method of contact characteristic parameters for corn seeds based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Engineering, 2016, 47(S1): 163－169. (in Chinese with English abstract)

[7]鄒忠君，孫艷華. 玉米一次性分層緩釋施肥技術試驗研究[J]. 農學學報，2011，1(6)：6－9.

Zou Zhongjun, Sun Yanhua. A test on slow-release fertilizer one-time stratification application technique in maize[J]. Journal of Agriculture, 2011, 1(6): 6－9. (in Chinese with English abstract)

[8]王秀，趙四申，高清海，等. 夏玉米免耕播種不同機械施肥方式的生態及經濟效益分析[J]. 河北農業大學學報，2000，23(1)：85－87.

Wang Xiu, Zhao Sishen, Gao Qinghai, et al. The ecological and economic analysis of mechanical adding fertilizer in zero tillage corn seeding[J]. Journal of Agricultural University of Hebei, 2000, 23(1): 85－87. (in Chinese with English abstract)

[9]李陶，楊殿鑫. 不同分層施肥深度與施肥比例對玉米產量性狀的影響[J]. 現代化農業，2016(11)：17－18.

Li Tao, Yang Dianxin. Effects of different layered fertilizer depth and fertilizer ratio on maize yield characters[J]. Modernizing Agriculture, 2016(11): 17－18. (in Chinese with English abstract)

[10]王法政，董雅茹，楊克軍. 低濕耕地玉米分層配比施肥的研究[J]. 黑龍江八一農墾大學學報，1993，7(2)：10－14.

Wang Fazheng, Dong Yaru, Yang Kejun. Studies on the fertilizer practice of corn used layer by layer manuring and according to fertilizer ratio in low damp land[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 1993, 7(2): 10－14. (in Chinese with English abstract)

[11]吳景貴，任成禮，代靜玉，等. 玉米一次性分層施肥技術研究[J]. 土壤肥料，1995(1)：29－32.

Wu Jinggui, Ren Chengli, Dai Jingyu, et al. Study on one-time stratified fertilization technology for maize[J]. Soils and Fertilizers, 1995(1): 29－32. (in Chinese with English abstract)

[12]趙金，張晉國. 玉米深松全層施肥精量播種機關鍵部件的設計[J]. 農機化研究，2012，34(5)：83－85，90.

Zhao Jin, Zhang Jinguo. The design of the key components of precise planter with subsoil and whole layer fertilization[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012, 34(5): 83－85, 90. (in Chinese with English abstract)

[13]劉進寶，趙巖，鄭炫，等. 2FQ-5多層施肥機的設計與試驗[J]. 甘肅農業大學學報，2017，52(3)：140－147.

Liu Jinbao, Zhao Yan, Zheng Xuan, et al. Design and experiment of 2FQ-5 multilayer fertilizer machine[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2017, 52(3): 140－147. (in Chinese with English abstract)

[14]雷小龍，李蒙良，張黎驊，等. 顆粒化肥水平氣送式螺旋組合可調定量供肥裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(19)：9－18.

Lei Xiaolong, Li Mengliang, Zhang Lihua, et al. Design and experiment of horizontal pneumatic screw combination adjustable quantitative fertilizer feeding device for granular fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 9－18. (in Chinese with English abstract)

[15]Andrii Yatskul, Jean-Pierre Lemiere, Frederic Cointault. Influence of the divider head functioning conditions and geometry on the seed’s distribution accuracy of the air-seeder[J]. Biosystems Engineering, 2017(161): 120－134.

[16]Bourges G, Medina M. Air-seeds flow analysis in a distributor head of an “air drill” seeder[J]. Acta Horticulturae, 2013(1008): 259－264.

[17]Kumar V J F, Durairaj C D. Influence of head geometry on the distributive performance of air-assisted seed drills[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 2000, 75(1): 81－95.

[18]雷小龍，廖宜濤，叢錦玲，等. 油菜小麥兼用氣送式直播機集排器參數優化與試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(12)：16－26.

Lei Xiaolong, Liao Yitao, Cong Jinling, et al. Parameter optimization and experiment of air-assisted centralized seed-metering device of direct seeding machine for rape and wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(12): 16－26. (in Chinese with English abstract)

[19]謝宇峰，許劍平，梁玉成. 高速寬幅氣送式集排精量播種施肥機的研制[J]. 農業科技與裝備，2013(5)：19－21.

Xie Yufeng, Xu Jianping, Liang Yucheng. Design of high-speed broad width pneumatic conveying concentration feeding precision seeding and fertilizing machine[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment, 2013(5): 19－21. (in Chinese with English abstract)

[20]李中華，王德成，劉貴林，等. 氣流分配式排種器CFD模擬與改進[J]. 農業機械學報，2009，40(3)：64－68.

Li Zhonghua, Wang Decheng, Liu Guilin, et al. CFD simulation and improvement of air-stream distributive metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(3): 64－68. (in Chinese with English abstract)

[21]Frye L, Peukert W. Identification of material specific attrition mechanisms for polymers in dilute phase pneumatic conveying[J]. Chemical Engineering and Processing, 2005, 44(2): 175－185.

[22]戴億政，羅錫文，王在滿，等. 氣力集排式水稻分種器設計與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(24)：36－42.

Dai Yizheng, Luo Xiwen, Wang Zaiman, et al. Design and experiment of rice pneumatic centralized seed distributor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24): 36－42. (in Chinese with English abstract)

[23]楊倫，謝一華. 氣力輸送工程[M]. 北京：機械工業出版社，2006.

[24]劉正道，王慶杰，劉春鴿，等. 腔盤式精量穴施肥裝置設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(10)：137－144，355.

Liu Zhengdao, Wang Qingjie, Liu Chunge, et al. Design and experiment of precision hole-fertilizing apparatus with notched plate[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(10): 137－144, 355. (in Chinese with English abstract)

[25]陳艷萍，肖堯，孔令杰，等. 緩釋肥施用量對超高產夏玉米氮素積累分配的影響[J]. 中國農學通報，2015，31(27)：34－40.

Chen Yanping, Xiao Yao, Kong Lingjie, et al. Effects of slow-release fertilizer treatments on nitrogen accumulation and distribution of super-high yield summer maize[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(27): 34－40. (in Chinese with English abstract)

[26]陳國清，肖堯，景立權，等. 不同緩釋肥水平對超高產夏玉米產量及群體質量的影響[J]. 中國農學通報，2014，30(30)：182－187.

Chen Guoqing, Xiao Yao, Jing Liquan, et al. Effects of slow-release fertilizer treatments on yield and population quality of super-high yield summer maize[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2014, 30(30): 182－187. (in Chinese with English abstract)

[27]秦軍偉，張曉輝，姜忠愛. 集中式排種系統中分配器的設計計算[J]. 農業裝備技術，2004(6)：37－38.

Qin Junwei, Zhang Xiaohui, Jiang Zhongai. Design and calculation of the allotter in the central-type drill system[J]. Agricultural Equipment & Technology, 2004(6): 37－38. (in Chinese with English abstract)

[28]鄒翌，郝向澤，何瑞銀. 基于EDEM-Fluent耦合的氣流分配式排種器數值模擬與試驗[J]. 華南農業大學學報，2017，38(4)：110－116.

Zou Yi, Hao Xiangze, He Ruiyin. Numerical simulation and experiment of air distribution seed-metering device based on coupled EDEM-Fluent[J]. Journal of South China Agricultural University, 2017, 38(4): 110－116. (in Chinese with English abstract)

[29]楊慶璐，李子涵，李洪文，等. 基于CFD-DEM的集排式分肥裝置顆粒運動數值分析[J]. 農業機械學報，2019，50(8)：81－89.

Yang Qinglu, Li Zihan, Li Hongwen, et al. Numerical analysis of particle motion in pneumatic centralized fertilizer distribution device based on CFD-DEM[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(8): 81－89. (in Chinese with English abstract)

[30]高筱鈞，徐楊，楊麗，等. 基于DEM-CFD耦合的文丘里供種管供種均勻性仿真與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(S1)：92－100.

Gao Xiaojun, Xu Yang, Yang Li, et al. Simulation and experiment of uniformity of venturi feeding tube based on DEM-CFD coupling[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(S1): 92－100. (in Chinese with English abstract)

[31]丁力，楊麗，張東興，等. 基于DEM-CFD的玉米氣吸式排種器種盤設計與試驗[J]. 農業機械學報，2019，50(5)：50－60.

Ding Li, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Design and experiment of seed plate of corn air suction seed metering device based on DEM-CFD[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(5): 50－60. (in Chinese with English abstract)

[32]賴慶輝，高筱鈞，張智泓. 三七氣吸滾筒式排種器充種性能模擬與試驗[J]. 農業機械學報，2016，47(5)：27－37.

Lai Qinghui, Gao Xiaojun, Zhang Zhihong. Simulation and experiment of seed-filling performance of pneumatic cylinder seed-metering device for panax notoginseng[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(5): 27－37. (in Chinese with English abstract)

[33]王英博，榮高，李洪文，等. 立式驅動淺旋耙設計與參數優化[J]. 農業工程學報，2019，35(9)：38－47.

Wang Yingbo, Rong Gao, Li Hongwen, et al. Design and parameter optimization of vertical driving-type surface rotary tillage machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(9): 38－47. (in Chinese with English abstract)

Development of layered fertilizer amount adjustment device of pneumatic centralized variable fertilizer system

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

(1.,,100083,; 2.,,100083)

Fertilizer is essential to safeguard food security, and rationalizing fertilization and improving fertilizer use efficiency can reduce its detrimental impact on environment and sustain agriculture production. Current corn fertilization in China is largely growth stage-based with a base fertilization coupled with a number of topdressings. This is inefficient in fertilizer use and labor-intensive, difficult to meet the requirements for sustainable agriculture. Delivering the fertilizer to the location in soil where the crop mostly demands for is a technology to effectively improve fertilizer use efficiency and increase crop yield. In this paper we present a pneumatic centralized device to stratifying fertilizer in soil based on the demand of crop roots. The structure and working parameters of the key components in the device were calculated theoretically; the diameter of the conveying pipe in the device was 76 mm, the inlet airflow velocity should be higher than 25 m/s, and the distribution ratio of the fertilizer can be adjusted arbitrarily from 1:1 to 1:2. The performance of the device was analyzed using the discrete element method coupled with the computational fluid dynamics by taking the rotational speed of the rotary cone (), the inlet airflow velocity () and the fertilization velocity () as determinants, and the coefficient of variation (CV) of the fertilizer amount at each fertilizer outlet as an performance index. A quadratic-regression rotation orthogonal simulation test was used to link the performance index to the determinants. The results showed that both rotational speed of the rotating cone and the inlet airflow velocity had a significant effect on the CV. When rotational speed of the rotary cone was 735-1 196 r/min, the inlet airflow velocity was 36-41 m/s, the fertilization velocity was 0.14-0.42 kg/s and the distribution ratio was 1:2, the associated CV at different fertilizer outlets varied from 3.7% to 4.9%. The influence of all determinants on the CV was ranked in the order of>>. Bench test of the device was conducted in the Conservation Tillage Research Center of the Ministry of Agriculture and Rural Areas, with rotational speed of the rotary cone being 735 r/min, the inlet airflow velocity being 36 m/s, the fertilization rate being 0.42 kg/s and the distribution ratio being 1:2. The results showed that the CV was less than 5.18% and the deviation of the distribution ratio was less than 2.68%, consistent with the results obtained from simulation and meeting the requirements for fertilization operation. This work provides a new technology with theoretical support to optimize pneumatic centralized device for stratifying fertilizers into soil.

mechanization; design; pneumatic centralized; variable fertilizer; fertilizer amount adjustment device

楊慶璐，王慶杰，李洪文，何 進，盧彩云，于暢暢，婁尚易，王英博. 氣力集排式變量排肥系統分層施肥量調節裝置研制[J]. 農業工程學報，2020，36(1)：1－10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.001 http://www.tcsae.org

Yang Qinglu, Wang Qingjie, Li Hongwen, He Jin, Lu Caiyun, Yu Changchang, Lou Shangyi, Wang Yingbo. Development of layered fertilizer amount adjustment device of pneumatic centralized variable fertilizer system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 1－10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.001 http://www.tcsae.org

2019-09-28

2019-11-25

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.1002-6819.2020.01.001

S224.21

A

1002-6819(2020)-01-0001-10