再生稻氣送式雙側施肥裝置的設計與試驗研究

劉德柱, 周勇, 張國忠, 張夢月, 柯燴彬, 楊全軍

(華中農業大學工學院， 農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室， 武漢 430070)

施肥作業是實現農業高產、高效與糧食安全的重要保證[1]，但不合理的施肥會導致作物減產和環境污染。再生稻可提高稻田復種指數，增加農民收入，其追肥以人工撒肥和離心圓盤式撒肥機撒肥為主[2]。人工撒肥效率低、施肥均勻性差；離心圓盤式撒肥機作業幅度寬、效率高，但容易受到風力等因素的影響，導致作業范圍內的撒肥不均，且存在施肥過程中施肥量調節不準確[3-4]的問題。因此，研究再生稻追肥機械，提高施肥均勻性和實現施肥量準確調節，對于提高肥料的利用率、減少環境污染具有重要意義[5-6]。

施肥機械是施肥作業的三大支柱之一，按照施肥方式可分為撒肥機、種肥施肥機與追肥施肥機三種[7]。近年來，學者對插秧施肥機械和中耕施肥機械研究較多。王金峰等[8]對水田側深施肥裝置關鍵部件排肥器和氣力輸送系統進行設計與分析，通過風力將肥料輸送在水稻根部側深位置，實現了定位施肥。齊興源等[9]設計了一種稻田氣力式變量施肥機，并采用圓錐擋板噴撒器噴撒肥料顆粒，在滿足幅寬要求的基礎上，還能夠在幅寬方向上變量控制施肥。施印炎等[10]設計了一種新型軸分段式變量追肥機執行機構，分析并確定了其關鍵部件結構和參數，實現了對常規槽輪排肥器的精準控制。以上研究實現了施肥機具定位深施肥和施肥量的準確調節，但針對地表追肥的定位施肥研究較少。由于再生稻分蘗期后逐漸封行，植株較高[11-12]，使用撒肥機存在施肥不均和施肥量調節不準確的缺點，而采用定位施肥的方式可提高肥料利用率，降低農業成本，追肥效果較好。

為了解決上述問題，本文提出了定位雙側施肥的再生稻追肥方案，即將肥料顆粒施撒于靠近水稻根系兩側的土壤；還設計了一種以交錯斜槽可調式外槽輪排肥器為基礎的再生稻氣送式雙側施肥裝置，并針對影響施肥裝置的主要因素進行了試驗，得到了施肥裝置最佳工作參數，為再生稻追肥機整機的設計提供了參考。

1 材料與方法

1.1 施肥裝置設計

1.1.1再生稻追肥方案 根據再生稻的生長特點，采用對行雙側定位施肥的方式進行再生稻地表追肥，施肥位置如圖1所示。將肥料施入秧苗兩側，肥料顆粒散布在靠近秧苗根系分布的范圍可以實現肥料的充分利用，從而避免撒肥機拋撒不均導致的肥料浪費。

再生稻對行雙側施肥機主要由插秧機底盤和氣送式雙側排肥裝置組成，如圖2所示。氣送式雙側排肥裝置主要由風機、電機、肥箱、排肥器、混肥管、分肥器等部分組成。

注：1—施肥裝置；2—雙排肥口；3—植株；4—顆粒肥料；5—土壤。Note: 1—Fertilizer device; 2—Two Fertilizer outlets; 3—Rice plant; 4—Granulated fertilizer; 5— Soil.圖1 施肥位置Fig.1 Location of fertilizer

注：1—風機；2—電機；3—肥箱；4—排肥器；5—混肥管；6—分肥器。Note: 1—Fan; 2—Motor; 3—Box of fertilizer; 4—Fertilizer apparatus; 5—Mixed fertilizer tube; 6—Fertilizer distributor.圖2 再生稻對行雙側施肥機Fig.2 Structue of fertilizer applicator

1.1.2施肥機關鍵部件與工作原理 氣送式雙側施排肥裝置試驗臺架如圖3所示，主要由電機、風機、交錯斜槽可調式外槽輪排肥器、肥箱、混合管、分肥器、電機調速器等部分組成。工作時肥箱內的顆粒肥料經過交錯斜槽可調式外槽輪排肥器定量排出進入混肥管，風機將高速氣流吹入混肥管，混肥管利用文丘里原理[14]在混肥管顆粒肥料入口處產生氣壓差，肥料依靠重力和氣壓差進入混合管，被高速氣流吹至分肥器，分肥器分成均勻的兩行經過排肥口排至再生稻植株兩側土壤，實現再生稻植株兩側定量施肥。

1.1.3交錯斜槽可調式外槽輪排肥器設計 傳統的外槽輪式排肥器常用的槽輪有直槽、斜槽、交錯槽等形式，其中直槽結構簡單、生產制作方便，應用最為廣泛，但其齒和槽的結構導致其存在排肥的瞬時斷條及周期性脈動[13]，本課題組設計的交錯斜槽可調式外槽輪排肥器有效克服了直槽輪式外槽輪排肥器的缺點。其由排肥殼、交錯斜槽槽輪、阻塞輪、調量輪、排肥舌、出肥口等部分組成，如圖4所示。工作時，肥料隨槽輪的轉動，兩側的交錯斜槽槽輪同時工作，通過左右兩邊的調量輪壓縮交錯斜槽的工作長度實現對排肥量的調節，從而實現排肥量可調的穩定施肥。

注：1—電機；2—風機；3—排肥器；4—肥箱；5—混肥器；6—分肥器；7—電機調速器。Note: 1—Motor;2—Fan;3—Fertilizer apparatus;4—Box of fertilizer； 5—Mixed fertilizer tube; 6—Fertilizer distributor; 7—Motor governor.圖3 施肥裝置試驗臺架Fig.3 Structure of test bench

注：1—排肥殼；2—交錯斜槽槽輪；3—阻塞輪；4—調量輪；5—排肥舌；6—出肥口。Note: 1—Fertilizer shell; 2—Staggered spiral adjustable outer grooved wheel; 3—Shutoff block; 4—Adjusting wheel; 5—Fertilizer tongue; 6—Fertilizer outlet.圖4 排肥器結構Fig.4 Structure of fertilizer apparatus

1.1.4混肥管設計 混肥管是使空氣和肥料混合均勻并運送肥料的部件，其結構如圖5所示，主要包括氣流入口、收縮管、肥料入口、氣肥混合室、擴張管、輸肥管。

根據文丘里原理[14]，氣流從混肥管氣流入口進入，隨著收縮管管道截面漸減小，流速變大，壓強變小，在肥料入口處產生壓差[15]。交錯斜槽排肥器定量排出顆粒肥料，通過重力和壓差的作用進入氣肥混合室，并與氣流混合均勻，經擴張管進入輸肥管道。其結構尺寸參照經典文丘里管設計，混肥管氣流入口和風機出風口相連，因此D1與風機出風口直徑一致為45 mm，α取21°，氣肥混合室直徑取0.7D1，即31.5 mm，其長度與直徑相等為31.5 mm,β取8°[16]，根據管道內顆粒輸送原理[17]，入口風速計算公式如下。

注：1—氣流入口；2—收縮管； 3—肥料入口；4—氣肥混合室；5—擴張管；6—輸肥管。Note: 1—Flow inlet; 2—Constricted tube; 3—Fertilizer inlet; 4—Mixed room; 5—Expansion tube; 6—Fertilizer delivery tube.圖5 混肥管結構Fig.5 Structure of fertilizer mixing tube

(1)

式中，va為入口風速，m·s-1；KL為物料粒度系數，16；Kd為物料特性系數，(2～5)×10-5；ρf為顆粒肥密度，為1 430 kg·m-3；L為輸肥管長度，m。

由于輸肥管的長度(L)一般不超過2 m，因此,輸肥管長度對入口風速(va)的影響可忽略不計。為了保證氣流速度能夠滿足肥料輸送要求，應保留30%的空余量。計算后可得入口風速(va)為24.87 m·s-1,取整后可得入口風速為25 m·s-1。

顆粒肥料在輸送管道中的料氣輸送比計算如下。

(2)

(3)

式中μ為料氣輸送比；Gf為單位時間內顆粒肥料輸送質量，kg·s-1；Ga為單位時間氣流質量，kg·s-1；ρa為空氣密度，標準狀況下取1.293 kg·m-3。

綜合(1)(2)(3)計算輸肥管直徑D2。

(4)

根據再生稻追肥要求，選取追肥量最大為600 kg·hm-2。料氣輸送比μ取值可在0～2[18]，本研究取值為1，計算圓整后得輸肥管直徑D2為38 mm。

1.1.5分肥器的設計 分肥器是氣送式雙側施肥裝置的核心部件之一，各行施肥量一致性很大程度取決于分肥器的結構和形狀。如圖6所示，輸肥管輸送的空氣和肥料混合流通過分肥器實現兩行均勻分肥，分肥管的角度θ會影響氣流運動狀態[19]，進而影響施肥裝置的施肥性能。根據再生稻生長特性， 60%以上的植株根系分布在離禾蔸中心 10 cm 土層內[20]，為了使肥料顆粒施撒在植株根系附近，兩排肥口的中心距應小于20 cm。

注：1—輸肥管；2—排肥口1； 3—排肥口2。Note: 1—Fertilizer delivery tube; 2—Fertilizer outlet 1; 3—Fertilizer outlet 2.圖6 分肥器結構Fig.6 Structure of fertilizer distributor

1.2 臺架試驗

1.2.1試驗臺架及材料 本研究選用肥料為長江中下游常用的顆粒復合肥(總養分大于等于45%，中化化肥有限公司)，千粒重26.7 g，含水率0.45%，球形率90%。試驗臺架自制，在排肥試驗前應對臺架進行調試，以保證各施肥機構各部件運行平穩可靠。

1.2.2試驗設計 根據已有研究和前期的理論分析，確定影響氣送式雙側施肥機構排肥性能的主要因素及其工作范圍為：排肥軸轉速10～50 r·min-1；槽輪工作長度為10～50 mm；分肥器角度90°～180°。結合 Design-expert 8.0 軟件進行三因素二次回歸旋轉組合試驗。試驗因素水平編碼見表1。

1.2.3評價指標 依據施肥機械質量評價技術規范[21]，施肥機械的性能應滿足總排量穩定性變異系數≤7.8%，各行排肥量一致性變異系數≤13%，所以本文選取它們為評價指標。

①總排肥量穩定性變異系數。

(5)

(6)

(7)

(8)

②各行排肥量一致性變異系數。

(9)

(10)

(11)

(12)

1.2.4參數優化 為得到施肥裝置最佳工作參數組合，建立目標函數與約束條件。

(13)

采用Design-Expert 8.0中的優化設計功能，對上述目標函數進行求解。

2 結果與分析

2.1 施肥結果分析

根據三因素二次回歸旋轉組合試驗設計了23組試驗，包括15組析因試驗和8組誤差檢驗試驗，結果見表2。

由表2可知，本試驗中施肥裝置總排肥量穩定性變異系數均低于7.8%，各行施肥量一致性變異系數均低于13%，符合施肥裝置設計要求。

表2 施肥裝置試驗設計與結果Table 2 Design and results of fertilizer device experiment

2.2 回歸模型建立

采用Design-expert 8.0軟件對試驗數據進行回歸擬合，建立總排肥量穩定性變異系數(αa)、各行排肥量一致性變異系數(αb)與排肥軸轉速、槽輪工作長度、分肥器角度的二次回歸模型，并進行方差分析，結果見表3、表4。進而得出顯著項，并根據因素編碼公式進行回代，得出回歸方程如下。

表4 模型αb方差分析及顯著性檢驗Table 4 Variance analysis and significant test of model αb

αa=24.54-0.03X1-0.24X2-0.33X3-0.001X1X2-0.002X1X3-0.000 2X2X3+0.006X12+0.006X22+0.001X32

(14)

αb=10.51+0.22X1-0.28X2-0.18X3-0.004X1X2-0.001X1X3+0.000 4X2X3+0.004X12+0.006X22+0.001X32

(15)

2.3 模型方差分析

由上述回歸方程和方差分析(表3、4)可知，總排肥量穩定性變異系數和各行排肥量一致性變異系數回歸模型檢驗均極顯著(P<0.01)，失擬不顯著(P>0.1)，方程與實際擬合情況較好。

表3 模型αa方差分析及顯著性檢驗Table 3 Variance analysis and significant test of model αa

總排肥量穩定性變異系數回歸模型中，一次項排肥軸轉速、槽輪工作長度對總排肥量穩定性變異系數的影響極顯著，分肥器角度對總排肥量穩定性變異系數的影響顯著；交互項對總排肥量穩定性變異系數的影響均不顯著；二次項對總排肥量穩定性變異系數的影響均極顯著。各因素對總排肥量穩定性變異系數的影響主次順序為排肥軸轉速、槽輪工作長度、分肥器角度。

各行排肥量一致性變異系數回歸模型中，一次項排肥軸轉速和分肥器角度對各行排肥量一致性變異系數影響極顯著，槽輪工作長度對各行排肥量一致性變異系數的影響顯著；交互項對各行排肥量一致性變異系數的影響均不顯著；二次項中X22、X32對各行排肥量一致性變異系數的影響均顯著，X12對各行排肥量一致性變異系數的影響不顯著。各因素對各行排肥量一致性變異系數的影響主次順序為排肥軸轉速、分肥器角度、槽輪工作長度。

2.4 響應面分析

2.4.1排肥軸轉速和槽輪工作長度的交互作用

圖7為分肥器角度為135°時，排肥軸轉速和槽輪工作長度的對總排肥量穩定性變異系數和各行排肥量一致性變異系數的響應面。排肥軸轉速在10～50 r·min-1、槽輪工作長度在10～50 mm時，隨著交錯斜槽槽輪工作長度的增加，總排肥量穩定性變異系數先減小后增大，各行排肥量一致性變異系數也先減小后增大；隨著轉速的增加，總排肥量穩定性變異系數先減小后增大，各行排肥量一致性變異系數逐漸增大。

圖7 交互因素的響應面Fig.7 Interaction factors response surface

2.4.2排肥軸轉速和分肥器角度的交互作用

圖8為排肥器交錯斜槽工作長度為30 mm時，排肥軸轉速和分肥器角度對總排肥量穩定性變異系數和各行排肥量一致性變異系數的響應面。當分肥器角度90～180°、排肥軸轉速10～50 r·min-1時，隨著分肥器角度的增加，總排肥量穩定性變異系數先減小后增大，各行排肥量一致性變異系數也先減小后增大；隨著排肥軸轉速的增加，總排肥量穩定性變異系數逐漸增大，各行排肥量一致性變異系數也逐漸增大。

圖8 交互因素的響應面Fig.8 Interaction factors response surface

2.4.3槽輪工作長度和分肥器角度的交互作用

圖9為排肥軸轉速為30 r·min-1時，槽輪工作長度和分肥器角度對總排肥量穩定性變異系數和各行排肥量一致性變異系數的響應面。當分肥器角度90～180°、槽輪工作長度為10～50 mm時，隨著分肥器角度的增加，總排肥量穩定性變異系數先減小后增大，各行排肥量一致性變異系數逐漸增大；隨著槽輪工作長度的增加，總排肥量穩定性變異系數逐漸增大，各行排肥量一致性變異系數也逐漸增大。

圖9 交互因素的響應面Fig.9 Interaction factors response surface

2.5 優化試驗驗證分析

采用Design-Expert 8.0中的優化設計功能對目標函數進行求解，得到再生稻氣送式雙側施肥機構各因素最佳參數組合：排肥軸轉速16 r·min-1，槽輪工作長度22 mm，分肥器角度114°，此時總排肥量穩定性變異系數為1%，各行排肥量一致性變異系數為2.45%。

將得到的最佳工作參數進行臺架試驗驗證，最終得到總排肥量穩定性變異系數為1.34%，各行排肥量一致性變異系數為2.71%，與優化結果基本一致，均滿足再生稻追肥的要求。

3 討論

以往研究中，定位施肥多在插秧施肥等作業中，對再生稻地表追肥研究的定位施肥研究相對較少，同時為了減少撒肥機撒肥不均和施肥量調節不準確，本文根據再生稻生長特點和追肥要求，提出了再生稻的對行雙側定位施肥方案，設計了一種再生稻氣送式雙側施肥裝置，并進行了三元二次回歸正交旋轉組合設計臺架試驗。從響應面圖結合臺架試驗的實際效果分析可知：隨著轉速增加交錯斜槽排肥輪的交錯槽結構發揮作用，交錯槽兩邊同時進行排肥工作，避免了單邊排肥的齒槽相間的脈動施肥，施肥性能較好，當轉速較大時，槽輪出現充肥不足，施肥性能有所下降；隨著交錯斜槽排肥輪工作長度的增加，斜槽的結構發揮作用，肥料顆粒經過斜槽連續性排出，施肥穩定，當斜槽工作長度較長時，斜槽內的肥料顆粒排出滯后，排肥器施肥性能略有下降；分肥器角度對施肥裝置兩行施肥量一致性變異系數影響極顯著，在分肥器角度較小時，出現渦流現象，肥料在肥口出現堆積，影響分肥效果，分肥器角度較大時分肥器的角度導流效果變差，分肥效果也變差。

對臺架試驗結果分析并采用Design-Expert 8.0軟件得出影響施肥裝置施肥性能的主要因素最佳工作參數組合：排肥軸轉速16 r·min-1，槽輪工作長度22 mm，分肥器角度114°，此時，總排肥量穩定性變異系數為1%，各行排肥量一致性變異系數為2.45%，施肥裝置滿足再生稻追肥要求。下一步可考慮結合變量施肥技術對再生稻雙側施肥裝置施肥量實時控制，使其適用于不同田塊的再生稻施肥。