螺旋擾動錐體離心式排肥器設計與試驗

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）

針對現有油菜直播排肥器排肥流暢性、穩定性以及排肥量均勻性不足，從而影響化肥精準施用的問題，設計了一種螺旋擾動錐體離心式排肥器。闡述了排肥器的設計原則和工作原理，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構參數。以中國農資復合肥、史丹利復合肥、鄂中復合肥為試驗材料，開展排肥器錐體圓盤轉速為80～130 r/min時的排肥性能及排肥行數適應性臺架試驗，驗證了排肥器的排肥性能。驗證試驗結果表明：三種復合肥的各行排量一致性變異系數在11.5%以下，不同轉速不同物理機械特性化肥條件下的排肥量穩定性變異系數在6.3%以下，同行排量一致性系數在93%以上；轉速較低時，排肥器傾斜狀態下各行排量一致性變異系數為9.82%，滿足排肥質量要求。田間試驗結果表明，各行排量一致性變異系數低于7.9%，排肥量穩定性變異系數在5.3%以下，同行排量一致性系數高于93.5%，符合行業標準性能指標，滿足田間排肥質量要求。該研究可為油菜生產過程的化肥減施與精準施用提供有效的技術支撐。

農業機械；設計；試驗；排肥器；螺旋擾動；集排器；排肥性能

0 引 言

化肥對于促進農業發展、農民增收，特別是對于作物增產做出了重要貢獻[1-3]，在世界范圍內，化肥對糧食作物增產貢獻率超過了40%。但由于多年來化肥過度使用造成的環境污染日益凸顯，嚴重制約了中國以綠色為導向的農業可持續發展步伐[4-6]。定量均勻機械化施肥成為解決農業面源污染的重要方式[7-8]，是實現“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展方向。

顆粒化肥具有粒度均勻、顆粒強度較高、不易粉化、球形度高等物理特性，但長江中下游地區空氣濕度較大，排肥時存在顆粒化肥流動性差，易吸濕粘結等問題[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化肥的田面撒施[12-13]，同時由于圓盤式撒肥機結構簡單、工作幅寬大等優點，歐美等發達國家研究較早并廣泛應用[14-17]。Patterson等[18]最早對顆粒化肥在撒肥盤上的運動進行研究，為后期圓盤撒肥機數學模型的構建奠定了基礎。Villette等[19]研究了化肥顆粒在旋轉圓盤上的運動模型，同時分析了化肥顆粒離開旋轉圓盤時速度的水平徑向分量與水平切向分量的比值，為后期撒肥機的設計提供了理論依據。Cool等[20]構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對其在空中的運動軌跡及落點位置的影響，結果表明，化肥顆粒在離開水平圓盤后其自身的旋轉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，不適宜長江中下游田間狀況較差地區的油菜施肥作業。

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的研究，條施在施肥作業中應用更加廣泛。左興建等[23]設計了根據車輛行駛速度實時反饋調節排肥驅動電機轉速的精準施肥控制方法，實現水稻側深精準變量施肥作業。齊興源等[24]設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計了一種螺旋組合式可調定量排肥裝置。排肥裝置的排肥性能直接影響變量深施肥的作業效果，油菜直播機大都采用化肥廂面撒施，應用的排肥裝置為防止排肥過程化肥吸濕結拱，加裝了攪肥裝置，增加了裝置的復雜程度；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構、提升排肥器排量均勻性、穩定性為目標，設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，為排肥器結構優化與性能提升提供基礎。

1 排肥器的結構及工作原理

以華油雜62為例，不同地區直播施肥量在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粒化肥結拱形成空洞，同時對結團肥料擾動破團，保證顆粒化肥順利下移排出；為滿足排肥的均勻性要求，根據小區播種機錐體格盤均勻分種結構，在卸料口下端設計錐體分肥盤，有利于顆粒化肥向下移動，同時保證顆粒化肥均勻地分布于錐體四周，同時根據離心式排種器[26-28]排種原理，采用離心式排肥方式，保證了肥料進入肥室的均勻性；為提升排肥量穩定性，防止因顆粒化肥受到的摩擦力不足導致在離心力作用下不能持續穩定向外緣移動，設計與排肥器的徑向縱切面呈一定角度的離心推板。根據以上分析，并經仿真分析驗證，設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動，顆粒化肥在擾動杯內螺旋葉片的擾動、自身重力及離心力作用下向下運動，并經弧形錐體圓盤上端面，均勻、流暢地進入8個肥室。由于受到離心力、肥料群壓力等作用，顆粒化肥逐漸充滿肥室并向錐體圓盤外緣運動，最后經排肥管排出。

2 排肥器關鍵參數設計

2.1 顆粒化肥物理機械特性

顆粒化肥物理機械特性是確定排肥器結構尺寸的依據；研究表明，在一定范圍內增加施氮量可顯著提高油菜籽粒產量[29]，復合肥營養元素多、吸濕性小、不易結塊、便于貯存和施用，特別適合機械化施肥。本文以微量元素養分配比適用于油菜的緩（控）釋配方肥：中國農資復合肥（粒徑差異小）、史丹利復合肥（粒徑差異小）、鄂中復合肥（粒徑差異較大），為研究對象。各復合肥物理機械特性參數如表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，%；，，分別為顆粒化肥的長度、寬度、厚度，mm。3種復合肥休止角均低于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種復合肥物理機械特性參數為依據進行排肥器結構參數設計。

2.2 螺旋擾動杯參數設計

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有擾動杯高度、螺旋擾動杯內半徑、螺旋葉片外徑0、內徑D、螺距、厚度等。

為便于排肥器與肥箱安裝，設計高度為40 mm的螺旋擾動杯位于弧形錐體圓盤上端，螺旋擾動杯內徑根據農藝要求的顆粒化肥單位時間總排肥速率確定，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；為螺旋擾動杯內半徑，mm；為顆粒化肥千粒質量，g；為農藝要求的顆粒化肥單位時間總排肥速率，g/min。

表1 顆粒化肥物理機械特性參數

注：O為坐標原點；x、y為坐標軸；O'為谷點；R為螺旋擾動杯內半徑，mm；r為擾動杯內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為離送錐桶側壁與水平面夾角，(°)。下同。

根據式（2），在管道高度確定的情況下，影響顆粒化肥流量的因素主要有擾動杯半徑、顆粒化肥的三軸尺寸及千粒質量，若要滿足油菜施肥的農藝要求，應取三種復合肥中千粒質量與三軸尺寸乘積的比值最小者（史丹利復合肥）的物理機械特性參數為設計依據，以最大施肥量525 kg/hm2、機器前進速度7 km/h為計算依據[30-31]，此時得擾動杯半徑=9.1 mm，同時為防止因內徑過小不利于肥料下移，擾動杯內半徑應大于9.1 mm，因此擾動杯內直徑確定為62 mm可行，該參數可實現8 000 g/min的總供肥速率，完全滿足油菜直播施肥要求。

為防止化肥結拱，實現顆粒化肥的擾動，從直管上端延開始沿直管內壁周向均勻布置8個螺旋葉片，螺旋葉片外徑0=62 mm、內徑為D、螺距為、厚度為、圈數為n。螺旋升角是影響顆粒化肥下移的主要因素，同時也是確定螺距的重要參數，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種復合肥均能順利下移，取休止角最大的鄂中復合肥，由式（3）得＜117.5 mm，因此設計螺距為90 mm可行。若要保證緊貼擾動杯內壁的顆粒化肥下移并為擾動杯內未與擾動杯內壁接觸的顆粒化肥提供向下的摩擦力，內徑D需滿足

2.3 弧形錐體圓盤參數設計

弧形錐體圓盤的主要參數有谷點半徑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，因此卸料口下端設計成凹錐體；為了防止在錐體圓盤未轉動時（即非工作狀態），顆粒化肥運動到最低點從排肥口排出，在凹錐體下端外緣設計與水平面呈一定夾角的離送錐桶。因此設計的弧形錐體圓盤為一旋轉拋物面，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一周形成，弧形錐體圓盤母線方程為

為保證結構的輕簡小巧，初步設計谷點半徑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壁最下端到弧形錐體圓盤的直線距離均設計為25 mm。若要保證通過擾動杯內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

式中為擾動杯內壁最下端到弧形錐體圓盤最近點與軸的直線距離，mm。

根據式（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粒化肥流量應不低于單位時間擾動杯內的顆粒化肥流量，因此確定應大于7.5 mm，結合式（5）知擾動杯內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，根據式（5），當=10 mm時，確定1=60 mm。

為了保證弧形錐體圓盤轉動時顆粒化肥順利向外緣移動，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構的簡化圖如圖3，根據顆粒化肥在錐體圓盤水平方向的速度分析知，顆粒化肥以速度被拋出，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應小于25 mm，同時為防止顆粒化肥從離心推板上沿與上殼體間隙通過，間隙應小于2 mm，即1應大于23 mm，因此取離心推板的高度1為24 mm可行；為防止顆粒化肥發生剪切破碎，防切口寬度應大于最大顆粒化肥粒徑尺寸，因此確定為6 mm；為保證排肥器在非作業狀態下顆粒化肥不會沿離送錐桶外緣排出，且能夠在自身重力作用下沿離送錐桶回落，離送錐桶側壁與水平面夾角需滿足>，根據3種復合肥物理機械特性參數，值應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速分析

螺旋擾動錐體圓盤轉速是影響排肥量穩定性的重要因素，顆粒化肥到達錐體圓盤谷底但未達到沿離送錐桶上端面上移的條件前，顆粒化肥無法上移排出，后續顆粒化肥在排肥器的轉動下，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，當錐體圓盤達到一定轉速時，顆粒化肥從排肥口排出，若轉速太高，易造成顆粒化肥的破碎。將上殼體與弧形錐體圓盤進行簡化，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；為離送肥料群質量，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；為離心推板與離送肥料群的摩擦系數；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

根據式（9）可得，顆粒化肥排出的必要條件為

根據深倉壓力理論，結合式（10），假設肥箱內顆粒化肥的壓力全部轉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速下就能滿足顆粒化肥的排出條件，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顆粒化肥的壓力，使離送肥料群僅在離心力作用下克服重力和摩擦力便可排出，此時顆粒化肥排量可達最高，該狀態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

式中為錐體圓盤轉速，r/min。

根據式（12）知，當2取值越小時，顆粒化肥排出時需要的角速度越大，根據顆粒化肥在排肥器內的運動可知，顆粒化肥到達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），結合式（13）得顆粒化肥排量最大時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顆粒化肥的壓力轉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的較低轉速時，便可實現排肥器的最高排肥量，實現低損排肥。由式（10）、（12）、（13）知，影響顆粒化肥排量大小的因素有離送錐桶側壁與水平面夾角、錐體圓盤轉速、顆粒化肥的物理機械特性等有關，因此在后續試驗中主要對錐體圓盤轉速及不同顆粒化肥對排肥性能的影響進行分析。

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性，本試驗以中國農資復合肥、史丹利復合肥、鄂中復合肥為試驗材料。應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.聯軸器 6.調速器 7.電源 8.電機 9.接肥盒

3.2 試驗設計

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定性以及相同時間下總排肥量的穩定性，通過初步仿真試驗，顆粒化肥在排肥器錐體圓盤轉速60 r/min即可實現排出，但該速度難以滿足農藝要求的施肥量要求，當轉速在130 r/min時，即可實現600 kg/hm2的施肥量，完全滿足油菜施肥量要求。同時為適應不同施肥量要求，分別對中國農資復合肥、史丹利復合肥、鄂中復合肥開展了排肥器錐體圓盤轉速單因素試驗，錐體圓盤轉速為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、排肥量穩定性變異系數與同行排量一致性系數為評價指標[32]。試驗以中華人民共和國農業行業標準NY/T1143-2006播種機質量評價技術規范中排肥量變異系數為評價依據[33]（各行排肥量一致性變異系數≤13%；排肥量穩定性變異系數≤7.8%）。各行排量一致性變異系數、同行排量一致性變異系數與排肥量穩定性變異系數可由公式（14）、（15）求得。

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

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 排肥器排肥性能分析

中國農資復合肥、史丹利復合肥、鄂中復合肥3種復合肥在錐體圓盤不同轉速下的各行排量一致性變異系數與排肥量穩定性變異系數試驗結果如表2所示。在相同錐體圓盤轉速下，供肥速率由高到低依次為史丹利復合肥、中國農資復合肥、鄂中復合肥，這主要與化肥的球形度及容重有關；3種復合肥最低轉速下各行排量一致性變異系數均滿足行業標準要求，滿足排肥質量要求，播種施肥機械田間作業速度一般在3.5 km/h以上，為滿足施肥量要求，根據行供肥速率數據，錐體圓盤轉速應大于100 r/min，該條件下各行排量一致性變異系數在8%以下。不同轉速不同物理機械特性化肥條件下的排肥量穩定性變異系數在6.3%以下，且不同轉速下排肥量穩定性變異系數以鄂中復合肥最高，中國農資復合肥次之，史丹利復合肥最低，排肥量穩定性變異系數與錐體圓盤轉速呈負相關關系。3種復合肥臺架試驗結果均滿足行業標準要求，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性，同時排肥器具有較好的排肥均勻性和穩定性。

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

表2 排肥器排肥性能結果

3.3.2 排肥器傾斜狀態適應性分析

由于田間狀況復雜，油菜直播施肥機械在田間作業時，無法保持水平狀態作業，導致機器傾斜影響排肥均勻性，為驗證排肥器傾斜狀態的排肥性能，開展排肥器在傾斜狀態的試驗。根據前述試驗結果可知，當錐體圓盤轉速為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，因此開展常用史丹利復合肥在排肥器傾斜5°，錐體圓盤轉速為100、110、120 r/min時各排肥管排肥量的試驗，試驗結果如圖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。

注：CV為各行排量一致性變異系數；等值線代表各行排肥量，g。

根據圖7可知，排肥器在傾斜狀態下的各行排量一致性變異系數隨轉速增加逐漸減小；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，隨轉速增加兩者排肥量差距縮小；轉速在100 r/min時，排肥器傾斜狀態下各行排量一致性變異系數為9.82%，滿足排肥質量要求，說明排肥器在傾斜狀態仍具有較好排肥性能。

3.3.3 施肥行數適應性分析

本文設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幅寬、不同施肥行數的要求，有時需要關閉部分排肥口[34]，為驗證排肥器對施肥行數的適應性，開展史丹利復合肥在排肥器錐體圓盤轉速為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，當速度較低時，進入堵塞排肥管的下一個排肥管的化肥量較大，其余排肥管內肥量基本一致，各排肥管肥量差異較小；當速度較高時，進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，其余排肥管內肥量基本一致；隨堵塞管數及錐體圓盤轉速的增加，進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。根據上述分析可知，該排肥器若應用在低于8行的窄幅施肥機械上時適應性較差。

4 田間試驗

為了驗證臺架試驗結果，進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，直流電機調速器控制排肥器轉速，轉速分別為100、110、120 r/min，每次試驗機器連續行駛100 m，在肥管末端安裝接肥袋，每組重復試驗3次，試驗結果如表3所示。試驗中均未出現排肥器斷流、堵塞等現象，說明排肥器具有較好的排肥流暢性。

1.顆粒化肥 2.直流電機調速器 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中數據可知，排肥器同行排量一致性系數大于93.5%，且隨錐體圓盤轉速增加而增加，相同檔位低速狀態下的下同行排量一致性系數高于高速狀態下的下同行排量一致性系數；排肥器各行排量一致性變異系數低于7.9%，且隨錐體圓盤轉速增加而減小，在錐體圓盤轉速相同時，相同檔位低速狀態下的各行排量一致性變異系數低于高速狀態下的各行排量一致性變異系數，主要與拖拉機在田間高速行駛時搖擺幅度較大有關，但相同檔位高、低速狀態的各行排量一致性變異系數差異并不明顯，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；排肥量穩定性變異系數隨錐體圓盤轉速增加有所減小，且排肥器排肥量穩定性變異系數在5.3%以下，說明排肥器在復雜田間狀況作業時具有較好的排肥量穩定性。

由于田間作業狀況復雜，田間試驗結果較臺架試驗結果有偏差，但相差較小，且田間試驗結果均滿足行業標準要求，說明排肥器排肥穩定可靠，對于復雜田間狀況有較好的適應性，滿足油菜直播排肥質量要求。

表3 螺旋擾動錐體離心式排肥器田間排肥性能分析

5 結 論

本文通過對現有排肥器的分析，設計了一種螺旋擾動錐體離心式排肥器，闡述了排肥器的設計原則和工作原理，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構參數，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、穩定性。

1）排肥器臺架試驗結果表明，三種復合肥的各行排量一致性變異系數在11.5%以下；不同轉速、不同物理機械特性化肥條件下的排肥量穩定性變異系數低于6.3%，同行排量一致性系數在93%以上；轉速較低時，排肥器傾斜狀態下各行排量一致性變異系數為9.82%，滿足排肥質量要求。

2）排肥器田間試驗結果表明，同行排量一致性系數高于93.5%，各行排量一致性變異系數低于7.9%，排肥量穩定性變異系數在5.3%以下，且作業過程未出現斷流、堵塞等現象，說明排肥器具有較高的排肥均勻性、穩定性和流暢性，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，并以復合肥為試驗對象對排肥器排肥性能進行了試驗研究，未進行吸濕性較強的化肥對排肥性能影響的分析。本研究設計的排肥器對吸濕性較強化肥的適應性尚需進一步分析，同時后續將開展排肥裝置的隨速控制及施肥量實時監測系統的研究。

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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計與試驗[J]. 農業工程學報，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

國家重點研發計劃項目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）；作者簡介：劉曉東，博士生，主要從事現代農業裝備設計與測控研究。Email：17863963882@163.com

丁幼春，博士生導師，主要從事油菜機械化生產智能化技術與裝備研究。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.006

S224.21

A

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