氣吹集排式分肥器的研究

趙新天李飛李洪剛袁洪印趙文罡

(1.吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130022；2.吉林農業大學，吉林 長春 130118)

肥料是我國確保糧食安全的戰略物資，更是農業發展和持續的物質基礎[1]。近年來，我國農業高速發展，糧食產量越來越高，在這種條件下，施肥技術顯得尤為重要。

1 施肥技術

現階段使用最多的仍是傳統的機械式農機化施肥技術，可分為排肥器和施肥機械2種形式。

1.1 排肥器類型

我國常用的排肥器主要還是機械式，且大致分為以下幾種類型[2]。

1.1.1 圓盤轉盤式排肥器

該排肥器通過改變轉盤轉速及調節門高度以調節裝置排肥量。適合松散性比較好的化肥，施肥比較均勻，且肥料不易堆積。由于其結構阻力較大，市場受眾較小。

1.1.2 外槽輪式排肥器

該排肥器通過調節槽輪長度來控制排肥量。適合松散性較好的化肥，通透性較好，結構簡單，能和外槽輪式排種器通用。目前常用的機械式排肥器大多都為外槽輪式。

1.1.3 指盤式排肥器

該排肥器通過攪拌器撥齒清除排肥口黏著的化肥。適用于松散性好的肥料，設計成對數曲線形，以使化肥流動性好。由于其施肥均勻性較差，市場需求較小。

1.1.4 導板轉盤式排肥器

該排肥器通過改變轉盤和箱裙的間隙調節排肥量。適用于含水量較低的化肥，均勻周期性撒落，不易聚集。由于對肥料要求較高，市場推廣較差。

1.1.5 星輪式排肥器

該排肥器通過調節板式調節門來控制排肥量。適合松散性好的化肥，易架空，易堵塞。目前是國內外最常用的一種排肥器。

1.1.6 螺旋式排肥器

該排肥器通過調節箱底排肥口的大小來控制排肥量。適合松散性較好的化肥，容易發生架空。因為其對肥料要求較高，市場推廣比較緩慢。

1.1.7 振動式排肥器

該排肥器通過上下振動現象使吸濕性強的化肥松散，消除架空現象。適合吸濕比較強的化肥，但穩定性、均勻度差，市場需求較小。

1.2 施肥機械類型

目前，施肥機械主要有撒肥機械、種肥施用機械、液肥施用機、化學液肥施用機、廄液施用機等[3]。

1.2.1 撒肥機械

主要有全幅施肥機和氣力式寬幅撒肥機2種類型。全幅施肥機按其原理可以分為2類：多葉片轉盤式排肥器構成，鏈指裝在鏈條上施肥。氣力式寬幅撒肥機原理大致相同，利用產生的氣流配合機械式排肥器高效施肥，是國外應用最廣泛的集自動、電子一體化的撒肥機。

1.2.2 種肥施用機械

工作原理是利用在原有的播種機械上安裝施肥機具，播種施肥同時進行。這類機具國外比較常用。

1.2.3 液肥施用機

液肥分為化學和有機2種。化學液肥有強烈的腐蝕性且容易揮發。有機液肥常有懸浮雜質，用時要過濾，目前國內已開始推廣。

化學液肥施用機主要品種是液氨和氨水。液氨效果好，肥效快，但由于始終處于高壓條件下，成本較高，不能很好推廣。

1.2.4 廄液施用機

廄液是農業生產中的重要有機肥源。主要由日常生活中人畜產生的糞尿及沼氣池產生。廄液施肥機可以分為泵式廄液施撒機和自吸式廄液施灑機2種類型。2種類型機結構簡單，效率高且環境衛生。目前在國外比較常用。

2 氣吹集排式分肥器的設計

針對上述傳統的機械式排肥裝置，存在結構阻力大、肥料損耗大、分肥不均勻、低速、低效、低寬幅等各種弊端，已不能滿足高速高效的現代化農業需求，設計了一種精度更高、可靠性更強的氣吹集排式分肥器，填補了我國對氣力式分肥器研究的空白。

目前，此設計氣吹集排式分肥器已經研發制造完成，且待進一步田間試驗。

2.1 氣吹集排式分肥器結構及工作原理

氣吹集排式排肥器主要結構包括風機、供肥裝置、氣肥混合器、分肥裝置、排肥管、減速電機和肥箱等。按其功能可分為4個階段，供肥、混肥、分肥、輸肥[4]。

圖1 氣吹集排式排肥器結構示意圖

圖2 氣吹集排式分肥裝置結構示意圖

其工作原理為固體肥料在高速氣流作用下，經氣肥混合裝置，在波紋管里拉伸擠壓作用下充分混合，然后分配器將氣肥混合流均勻分配到每個出口，通過排肥管和氣肥分離裝置，肥料被送入土壤。

2.2 分肥器主要結構設計

分析計算確定風機、波紋管、分配器殼體、分肥器旋蓋、排肥口等關鍵部件結構參數[5]。

2.2.1 風機的設計

氣吹集排式排肥過程中，風機風速的穩定性決定著施肥性能的好壞。肥料為不規則球體，在高速氣流作用下成懸浮狀態，通過空氣阻力F與物料浮重相等公式計算出肥料顆粒懸浮速度V0，從而得出風機輸送氣流速度V1(輸送氣流速度為V1的2.6～5.0倍)：

(1)

式中，Ks為不規則形狀物料修正系數；df為肥料顆粒的等效粒徑，m；ρf為肥料的顆粒密度，kg·m-3；ρa為空氣的密度，kg·m-3;C為繞流阻力系數；g為重力加速度，m·s-2。

2.2.2 波紋管的設計

波紋管是分肥裝置的重要部件，氣肥混合物經波紋管的拉伸擠壓作用使其充分混合。查閱大量文獻及相關手冊計算出顆料在空氣中懸浮速度V0、及料氣輸送比μ、空氣流量Qa等，結合公式算出波紋管的直徑：

(2)

式中，Wf為單位時間顆粒肥輸送質量，μ為料氣輸送比，va為輸送氣流的速度。

2.2.3 分肥裝置殼體設計

分肥裝置殼體的設計要盡可能減少氣肥混合物在裝置中產生渦流及出入口的急劇收縮，避免引起氣肥混合物的滯留等問題。所以，分肥裝置殼體的設計應盡量最小化漩渦區，此設計采用改變分肥器殼體內壁形狀。把出入口內壁改成曲線狀，減少內部損失。

2.2.4 分配裝置結構設計

分配裝置是分肥裝置的核心部件，其通過氣流的作用將肥料高效的輸送到各個排肥口，使其均勻排出。

分配器錐角是分配裝置中重要參數，其角度的選擇影響著分肥性能的好壞。選取幾種不同錐角的旋蓋，用其2種因素作為影響指標，做仿真實驗并分析結果，得出最佳錐角。

分配器出入口直徑，對排肥系統內部肥料顆粒的運動、風速等有著重要影響。分配器入口與波紋管相連，其直徑相等。

圖3 排肥系統分配裝置結構示意圖

由于分配器各出口的截面積之和應大于分配器入口截面積，查閱文獻及相關手冊，由計算公式可得各分肥器出口直徑：

(3)

2.3 預期結果

研制出的八行氣吹集排式分肥器比以往的機械式單行施肥器結構阻力更小，施肥更加均勻，氣吹式高幅寬高效率的作業方式更加符合現代農業需求。

3 結論與展望

本文通過理論分析和參數計算，確定了氣吹集排式分肥器各組成部件的結構和基本工作參數。設計的氣肥分離裝置，通過降低排肥口的空氣流量，從而減少了排肥口處的氣流速度，使分肥性能更加穩定，八行集排式排肥系統告別了傳統的單行非集排式排肥裝置，比以往更具高速高效化。設計出的氣吹集排式分肥器解決了以往機械式排肥裝置低速度、低效率、穩定性差、分肥不均勻等各種弊端，是我國現代農業農機具發展的一大進步。為適應農業科技進步，我國農機產品必須融入電子控制技術，機械自動化與電子控制技術相結合，實施機電一體化。政府應當加大科研補助力度，調動科研人員的積極性；出臺一系列惠民措施，加大農機具補助力度；建立跟蹤式回訪制度，讓農民買的開心用的放心。政府、科研人員、農民形成3方循環機制相互促進，相互監督，形成由政府引導，科技實體與社會組織積極參與，農民與企業共同建設的農業組織。通過一系列措施促進了我國農機具的發展，提高我國農業現代化水平，讓我國早日成為更加機械化、智能化、信息化、現代化農業大國。