氣送式排肥系統分配裝置結構型式對排肥性能的影響

王 磊，廖慶喜，廖宜濤，高麗萍，肖文立，陳 慧

氣送式排肥系統分配裝置結構型式對排肥性能的影響

王 磊，廖慶喜※，廖宜濤，高麗萍，肖文立，陳 慧

（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）

針對油麥兼用型氣送式播種機寬幅、高速播種同步施肥時，氣送式排肥系統采用不同結構型式分配裝置排肥過程中各行排肥量一致性和破損率具有明顯差異的生產實際，該研究以平頂式、平頂倒錐式、穹頂式、穹頂倒錐式分配裝置為研究對象，確定了分配裝置的主要結構參數，基于Hertz理論構建了顆粒肥料與分配裝置主體間的彈性碰撞模型。應用DEM-CFD氣固耦合分析了4種型式分配裝置對肥料顆粒運動特性及排肥性能的影響，結果表明：每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式、平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置內肥料顆粒的各時刻最大速度、最大碰撞法向力、各行排肥量一致性變異系數均逐漸增加，穹頂式分配裝置內肥料顆粒最大碰撞法向力大于30 N的比例最小，為1.56%。利用智能種植機械測試平臺開展氣送式排肥器排肥性能驗證試驗，結果表明：臺架試驗中不同型式分配裝置內肥料顆粒破損率變化規律與仿真試驗中肥料顆粒最大速度、最大碰撞法向力變化規律一致；穹頂式分配裝置內肥料顆粒各行排肥量一致性變異系數為6.35%～7.52%、破損率為2.97%～3.26%，其排肥性能總體優于平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置，滿足排肥性能要求，為分配裝置結構改進提供參考。

農業機械；顆粒肥料；仿真；氣送式排肥器；分配裝置；穹頂式

0 引 言

施肥是油菜和小麥種植中的重要環節[1-2]，播種作業中同步施肥[3-4]，可為油菜和小麥生長提供必要的營養[5]。氣送式排肥器通過側位施肥[6-7]可滿足長江中下游和新疆地區油麥兼用型氣送式播種機寬幅（4.8 m）、高速（6～12 km/h）播種作業時對穩定排肥量的要求[8-9]，并提高風機和氣送系統的利用效率[10]。播種機高速作業時，氣送式排肥系統采用不同結構型式分配裝置排肥過程中因輸送氣流流場和肥料顆粒遷移軌跡差異影響各導肥口肥料顆粒分布特性，且輸送過程中肥料顆粒與分配裝置碰撞，易使肥料顆粒破損，破損的肥料顆粒在長距離輸送中容易粘附于排肥管壁面，引起排肥管阻塞，降低各行排肥量一致性和穩定性。

為提高施肥的均勻性，頓國強等[11]設計了一種雙齒輪式排肥器，應用EDEM仿真分析確定了排肥器較優的結構參數組合；雷小龍等[12]為滿足氣送式集中排肥器定量變量排肥需求，設計了一種顆粒化肥水平螺旋組合式集中供肥裝置；劉曉東等[13]為實現油菜精準施肥，設計了一種螺旋擾動錐體離心式排肥器，確定了排肥器較優的工作轉速；為實現袋裝緩控釋肥機械化施放，謝方平等[14]設計了一種有序排肥裝置并確定了較優的參數組合；Van等[15]為探究肥料的恢復系數、摩擦因數、球形度對顆粒肥料拋撒軌跡的影響，應用離散元仿真分析旋轉盤式排肥器內肥料顆粒的拋撒軌跡；Landry等[16]為探究有機肥料在旋轉盤式排肥器中的流動特性，應用EDEM模擬肥料的堆積，采用CFD模擬肥料的流動特性；Sugirbay等[17]對比分析了槽輪半徑、凹槽數目、有效工作長度及凹槽截面形狀對外槽輪排肥器排肥性能的影響。綜上，目前針對外槽輪式、轉盤式、離心式、螺旋式和振動式等排肥器的結構改進和性能提升已開展深入研究[18-20]，而氣送式排肥器分配裝置結構型式對排肥性能的影響，高速、寬幅作業時分配裝置對較大施肥量的適應性，以及通過肥料顆粒與分配裝置彈性碰撞時的受力和速度表征顆粒肥料破損率的研究較少，制約了氣送式排肥器的發展與應用。

針對油麥兼用型氣送式播種機寬幅、高速播種同步施肥時，氣送式排肥系統采用不同結構型式分配裝置排肥過程中各行排肥量一致性和破損率具有明顯差異的生產實際，以平頂式、穹頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置為研究對象，應用DEM-CFD氣固耦合分析了4種型式分配裝置對肥料顆粒運動特性及排肥性能的影響。利用智能種植機械測試平臺開展氣送式排肥器排肥性能及不同型式分配裝置對較大變化范圍排肥量適應性驗證試驗，以期為氣送式排肥器結構改進提供參考。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構

氣送式排肥系統主要由風機、肥箱、供肥裝置、輸肥管、分配裝置、排肥口、排肥管、施肥開溝器等組成。其中分配裝置主要由導流隔板、下蓋板、上蓋板、導肥口、送肥管等組成。氣送式排肥系統及分配裝置結構如圖1所示。

1.風機 2.肥箱 3.供肥裝置 4.輸肥裝置 5.輸肥管 6.分配裝置 7.排肥口 8.排肥管 9.施肥開溝器 10.導流隔板 11.下蓋板 12.上蓋板 13.導肥口 14.送肥管

1.Fan 2.Fertilizer box 3.Fertilizer feeding device 4.Conveying fertilizer device 5.Conveying fertilizer tube 6.Distributor device 7.Fertilizing outlet 8.Fertilizing tube 9.Fertilizer opener 10.Deflector 11.Lower covering plate 12.Upper covering plate 13.Diversion fertilizer outlet 14.Delivering fertilizer tube

圖1 氣送式排肥系統及分配裝置結構示意圖

Fig.1 Structural diagrams of air-assisted fertilizer system and distributor device

1.2 工作過程及原理

氣送式排肥系統工作時，肥料顆粒由肥箱進入供肥裝置，肥料顆粒經供肥裝置連續供給輸肥裝置；風機產生的輸送氣流在輸肥裝置與肥料顆粒充分混合；輸送氣流裹挾肥料顆粒經輸肥管進入分配裝置隨機分配成行，流經排肥口由排肥管排出，通過施肥開溝器進入土壤中。

輸送氣流和肥料顆粒兩相流在分配裝置的送肥管中加速運動至上蓋板與下蓋板形成的區域；兩相流由鉛垂方向的運動變為導肥口內水平方向運動過程中，肥料顆粒在上蓋板與下蓋板形成的區域內接觸上蓋板后速度在輸送氣流約束下趨于導肥口出口方向，顆粒肥料在輸送氣流阻力作用下經導流隔板，由各導肥口排出，完成肥料顆粒分配過程。

2 分配裝置參數分析

2.1 送肥管設計與分析

送肥管可提高肥料顆粒與輸送氣流混合均勻性，油麥兼用型氣送式播種機施肥量影響送肥管內肥料顆粒濃度，送肥管內肥料顆粒相對濃度計算式[21]為

式中m為送肥管內肥料顆粒相對濃度；為送肥管內輸肥量，kg/s；為送肥管內徑，m；為輸送氣流密度，1.29 kg/m3；為送肥管內輸送氣流速度，m/s。

由式（1）可得送肥管內徑為

根據長江中下游和新疆地區多年田間播種試驗可知，播種機作業速度為6～12 km/h，作業幅寬為4.8 m，施肥量為225～600 kg/hm2，計算可得送肥管內輸肥量為0.18～0.96 kg/s；為滿足顆粒肥料低壓輸送要求并避免肥料顆粒堵塞分配裝置，顆粒肥料濃度應小于6.5[22]，輸送顆粒肥料的輸送氣流速度為22～26 m/s[23]，帶入式（2）計算得送肥管內徑應大于81.4 mm。綜合考慮氣送式排肥與排種系統整體結構并減少風機壓力損耗，確定送肥管內徑為82 mm。

2.2 分配裝置主體設計與分析

分配裝置主體主要由上蓋板、下蓋板、導流隔板、導肥口組成，為對比分析氣送式排肥器不同型式分配裝置對排肥性能的影響，設計4種型式分配裝置主體，如圖2所示。

注：h為導肥口高度，mm；w為導肥口寬度，mm；l為導肥口長度，mm；d為上蓋板直徑，mm；w為導流隔板寬度，mm；l為導流隔板長度，mm；r為穹頂式分配裝置主體上蓋板所處球體半徑，mm；h為倒錐體高度，mm；為倒錐體角，（°）。

Note:his the height of diversion fertilizer outlet, mm;wis the width of diversion fertilizer outlet, mm;lis the length of diversion fertilizer outlet, mm;dis the diameter of upper covering plate, mm;wis the width of deflector, mm;lis the length of deflector, mm;ris the sphere radius of the upper covering plate of the dome type distributor device, mm;his the height of inverted cone, mm;is the cone angle of inverted cone, (°).

圖2 分配裝置主體縱剖面示意圖

Fig.2 Longitudinal section diagrams of distributor device main part

根據油麥兼用型氣送式播種機排種與施肥行數匹配關系，顆粒肥料采用隔行側施，單次播種24行，施肥12行。為重點比較分析4種型式分配裝置主體的上蓋板、下蓋板形狀對肥料顆粒各行排量一致性和破損率影響，確定4種型式分配裝置的導肥口、導流隔板的結構參數基本一致。基于實際肥料顆粒在分配裝置主體內的遷移軌跡，肥料顆粒主要由導肥口截面上半側排出，導肥口截面上半側為顆粒肥料實際濃度測算區域，則導肥口內肥料顆粒相對濃度為

式中m為導肥口內肥料顆粒相對濃度；v為導肥口內輸送氣流速度，m/s。

為提高兩相流分布的均勻性，導肥口截面的寬度與高度應趨于一致，結合式（3）并滿足低壓輸送要求，計算導肥口截面的寬度和高度為23.17～53.5 mm；根據氣送式排肥器內顆粒肥料輸送方式和分配裝置主體總體結構布局，確定導肥口截面的寬度和高度均為30 mm，為實現兩相流的平穩過渡，確定導肥口長度為30 mm。

為降低輸送氣流與肥料顆粒經導流隔板由導肥口排出的阻力，并減少肥料顆粒與導肥口壁面的摩擦，確定導肥口寬度與兩導流隔板間距相同，則導肥口寬度、導流隔板寬度與上蓋板直徑的關系方程為

導流隔板可有效約束輸送氣流和肥料顆粒運移方向，導流隔板越寬，肥料顆粒撞擊導流隔板概率越高，將增加肥料顆粒的無序性，降低各行排肥量一致性和破損率。綜合考慮分配裝置的結構強度，確定導流隔板寬度大于3 mm，帶入式（4）可得上蓋板直徑應大于127.5 mm，為方便分配裝置的實際加工，確定上蓋板直徑為130 mm。根據導流隔板長度與上蓋板直徑、送肥管內徑間的關系，確定導流隔板長度為14 mm。

基于穹頂式分配裝置主體對輸送氣流場和肥料顆粒遷移軌跡的約束特性，確定穹頂式分配裝置主體上蓋板軌跡方程為

式中x、y、z為軌跡方程在、、軸上的坐標，mm。

根據輸送氣流的遷移軌跡，輸送氣流和肥料顆粒主要由導流隔板和導肥口上半側排出，但少量肥料顆粒會沿下蓋板排出。由于導流隔板和下蓋板間區域輸送氣流速度較低，肥料顆粒需克服與下蓋板間的摩擦力以順利沿下蓋板進入導肥口。肥料顆粒進入導流隔板和下蓋板間區域瞬時受力如圖3所示。由圖3可得肥料顆粒可沿下蓋板排出的受力條件為

式中為肥料顆粒與下蓋板間的動摩擦因數，取0.2。

由式（6）可得下蓋板所處球體半徑應不大于260.05 mm，且根據下蓋板所處球體半徑與上蓋板直徑間的關系，下蓋板所處球體半徑應大于65 mm。綜合考慮穹頂式分配裝置整體結構，確定下蓋板所處球體半徑為170 mm；根據穹頂式分配裝置主體上蓋板所處球體半徑、導肥口高度與下蓋板間的尺寸關系，可確定上蓋板所處球體半徑為200 mm。

注：O為下蓋板所處球體圓心；為肥料顆粒重力，N；F為下蓋板對肥料顆粒的支持力，N；f為肥料顆粒與下蓋板間的摩擦力，N；r為下蓋板所處球體半徑，mm；為下蓋板所處球體的法向與豎直方向間夾角，（°）。

Note:Ois the sphere center of the lower covering plate;is the gravity of fertilizer particle, N;Fis the supporting force of lower covering plate on fertilizer particle, N;fis the friction between fertilizer particle and lower covering plate, N; ris the sphere radius of lower covering plate, mm;is the angle between the normal direction of lower covering plate sphere and the vertical direction, (°).

圖3 肥料顆粒與下蓋板接觸受力示意圖

Fig.3 Force diagram of fertilizer particle (FP) in contact with lower covering plate

平頂倒錐式和穹頂倒錐式分配裝置主體是在平頂式和穹頂式的上蓋板安裝倒錐體結構，可減少上蓋板區域形成的高壓區，降低上蓋板區域肥料顆粒的聚集。通過減小下蓋板、上蓋板、倒錐體組成區域截面與導肥口截面差值，可降低安裝倒錐體結構的分配裝置主體內因輸送氣流通過區域截面突變對肥料顆粒輸送穩定性的影響，則可得倒錐體角、倒錐體高度與上蓋板直徑、導肥口高度、導流板長度、送肥管內徑間的關系為

由式（7）可得倒錐體角為80°、倒錐體高度為50 mm時，可滿足倒錐體對兩相流的運動約束。

2.3 肥料顆粒與分配裝置彈性碰撞分析

分配裝置內顆粒肥料輸送過程中，肥料顆粒會與分配裝置彈性碰撞產生接觸彈性變形。因肥料顆粒球形度大于90%，可看作均勻、各向同性的球體；肥料顆粒形變量遠小于其直徑，碰撞區域的應力分布符合Hertz理論[24-25]。以肥料顆粒與穹頂式分配裝置上蓋板碰撞為例，肥料顆粒與上蓋板碰撞如圖4所示。

基于Hertz理論，球形肥料顆粒與穹頂式分配裝置碰撞時，可作為圓球與凹球面碰撞分析，碰撞區距離應為

式中μ為肥料顆粒泊松比；μ為上蓋板泊松比；E為肥料顆粒彈性模量，Pa；E為上蓋板彈性模量，Pa。

1.上蓋板 2.肥料顆粒

1.Upper covering plate 2.FP

注：為坐標原點；、為坐標軸；為碰撞區距離，m；r為肥料顆粒半徑，m；為碰撞區域形變量，m；P為肥料顆粒和上蓋板間的壓力，N。

Note:is the coordinate origin;andare the coordinates axis;is the distance of collision zone, m;ris the radius of fertilizer particle, m;is the shape variable of collision zone, m;Pis the pressure between fertilizer particle and upper covering plate, N.

圖4 肥料顆粒與上蓋板碰撞示意圖

Fig.4 Schematic diagram of collision between fertilizer particle and upper covering plate

碰撞區域形變量為

式中為修正系數。

碰撞面上的最大碰撞應力（Pa）為

肥料顆粒與上蓋板碰撞過程中，由于彈性變形，肥料顆粒與上蓋板的中心接近了一個位移δ，肥料顆粒加速度（m/s2）為

式中為碰撞時間，s；m為肥料顆粒質量，kg。

將式（11）帶入式（9），對δ作積分，可得關系式

式中v為肥料顆粒和上蓋板相互靠近的速度，m/s。

當變形量δ最大時，可得肥料顆粒的速度（m/s）為

根據式（12）、（13）可得最大壓縮量為

當變形量δ最大時，碰撞面上的最大應力（Pa）為

當肥料顆粒為最大壓縮量，且碰撞面上的最大碰撞應力P達到肥料顆粒在單向壓縮下的強度極限（Pa）時，肥料顆粒形成應力裂紋或破損。

則球形肥料顆粒與分配裝置最大碰撞時的碰撞應力（Pa）為

聯立式（14）、（16）可得

由式（17）可知，肥料顆粒與分配裝置碰撞破損時的肥料顆粒和上蓋板相互靠近的速度v與肥料顆粒的強度極限、肥料顆粒半徑r、肥料顆粒質量m、肥料顆粒彈性模量E、上蓋板彈性模量E、上蓋板曲率半徑r等有關。肥料顆粒和上蓋板相互靠近的速度v與肥料顆粒和上蓋板間的壓力P相關，則肥料顆粒和分配裝置材料一定時，肥料顆粒和上蓋板相互靠近的速度v、肥料顆粒和上蓋板間的壓力P影響顆粒肥料的破損。

肥料顆粒與分配裝置碰撞時，肥料顆粒與穹頂式分配裝置碰撞為球形顆粒與凹球面碰撞，肥料顆粒與穹頂倒錐式分配裝置碰撞為球形顆粒與凹球面、平面碰撞，肥料顆粒與平頂式、平頂倒錐式分配裝置碰撞為球形顆粒與平面碰撞，由式（16）～（17）可知，分配裝置上蓋板及倒錐體的曲率半徑越大，肥料顆粒與分配裝置碰撞破損時的肥料顆粒和上蓋板相互靠近的速度v越小，肥料顆粒越容易破損。其他參數不變，肥料顆粒與穹頂式分配裝置碰撞破損時，顆粒肥料和穹頂式分配裝置上蓋板相互靠近的速度v大于肥料顆粒與穹頂倒錐式、平頂式、平頂倒錐式分配裝置碰撞時的v。

3 分配裝置型式對排肥性能的影響

為探究不同型式分配裝置和肥料顆粒濃度對排肥性能的影響，應用DEM-CFD氣固耦合仿真分析4種型式分配裝置對排肥性能、肥料顆粒速度、肥料顆粒與分配裝置間接觸力、分配裝置內輸送氣流壓力和速度分布的影響。

3.1 仿真模型

利用ANSYS Fluent 17.0和EDEM 2018軟件開展DEM-CFD氣固耦合仿真，利用ICEM中的四面體單元自動劃分配裝置網格。送肥管入口設置為輸送氣流和肥料顆粒入口，導肥口設置為輸送氣流和肥料顆粒出口。肥料顆粒為類球形顆粒，其球形度在90%以上，仿真模型中以球體代替肥料顆粒[26]，肥料顆粒模型設置為平均直徑3.5 mm，模型直徑正態分布，標準差設置為0.05 mm。仿真參數[27-28]如表1所示。

3.2 仿真試驗方法

基于顆粒肥料的懸浮速度和所需輸送氣流速度范圍，設置顆粒肥料入口輸送氣流速度為25 m/s；根據肥料顆粒在氣送式排肥器內的運移規律，肥料顆粒經輸肥裝置由輸肥管彎管接頭實現水平輸送轉變為鉛垂輸送，鉛垂輸送過程中，設置顆粒肥料入口的肥料顆粒速度為6 m/s[29]。

表1 仿真與接觸參數

分配裝置內肥料顆粒濃度應匹配油麥兼用型氣送式播種機實際作業效率要求，仿真試驗的肥料顆粒千粒質量為33.14 g，通過計算設置送肥管入口每秒生成肥料顆粒分別為10 000、20 000、30 000。送肥管入口生成肥料顆粒時間為4 s，總仿真時長為6 s，開展3種肥料顆粒濃度與4種型式分配裝置組合對肥料顆粒運動特性和排肥性能影響試驗。EDEM中導出穩定排肥的1～4 s內各時刻肥料顆粒的平均速度、最大速度、肥料顆粒與分配裝置碰撞時的平均碰撞法向力、最大碰撞法向力，平均碰撞力、最大碰撞力的平均值以表征肥料顆粒的運動特性；分析1～6 s各時刻肥料顆粒的最大速度、肥料顆粒與分配裝置碰撞時的最大碰撞法向力以表征不同型式分配裝置內肥料顆粒破損率。統計各導肥口排肥質量以表征分配裝置型式對各行排肥量一致性的影響；分別統計仿真1～1.99、2～2.99、3～3.99 s的排肥質量，計算各時段排肥量穩定性變異系數。

3.3 仿真試驗結果分析

3.3.1 分配裝置型式對肥料顆粒運動特性的影響

分配裝置主體內肥料顆粒速度、肥料顆粒與分配裝置主體間作用力如表2所示。

由表2可知，隨每秒生成肥料顆粒量的增加，分配裝置內肥料顆粒的平均速度變化較小，最大速度變化較大，表明分配裝置主體內肥料顆粒濃度變化對肥料顆粒總體輸送速度影響較小，對單顆肥料顆粒輸送速度影響較大，是基于肥料顆粒總體輸送速度主要由輸送氣流速度和分配裝置型式影響，而單顆肥料顆粒最大輸送速度主要由分配裝置型式、肥料顆粒間作用力影響。每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式、平頂式、穹頂倒錐式、平頂倒錐式分配裝置內肥料顆粒平均速度逐漸增加。

表2 分配裝置主體型式對肥料顆粒運動特性的影響

隨每秒生成肥料顆粒量的增加，分配裝置內肥料顆粒的平均受力變化較小，最大受力變化較大。每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式、平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置內肥料顆粒的平均碰撞法向力、最大碰撞法向力、平均碰撞力、最大碰撞力均逐漸增大。根據分配裝置主體與肥料顆粒間的碰撞法向力與碰撞力的關系可知，肥料顆粒與不同型式分配裝置碰撞時的平均碰撞法向力、平均碰撞力范圍分別為0.10～0.72、0.11～0.75 N，最大碰撞法向力、最大碰撞力范圍分別為11.18～42.80、11.83～44.46 N，表明肥料顆粒與分配裝置主體間的作用力主要為碰撞法向力，碰撞切向力較小。

3.3.2 分配裝置型式對肥料顆粒受力的影響

以每秒生成20 000粒肥料顆粒為例，不同型式分配裝置主體內各時刻肥料顆粒最大碰撞法向力試驗結果見圖5。由圖5可知，穹頂式、平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置內肥料顆粒最大碰撞法向力分別為43.08、62.50、70.66、116.15 N；參考顆粒肥料破損受力范圍[30]，所受最大碰撞法向力大于30 N的比例分別為1.56%、3.33%、6.67%、38.89%。基于肥料顆粒所受最大碰撞法向力影響肥料顆粒輸送過程的破損率，根據Hertz理論，采用穹頂式分配裝置排肥時的破損率低于平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置排肥時的破損率。

注：每秒生成肥料顆粒為20 000粒。圖6～圖9同。

Note: 20 000 fertilizer particles are generated per second. Same as in the figures 6 to 9.

圖5 分配裝置主體內肥料顆粒最大碰撞法向力

Fig.5 Maximum collision normal force of fertilizer particles in distributor device main part

3.3.3 分配裝置型式對肥料顆粒速度影響分析

圖6為每秒生成20 000粒肥料顆粒時不同型式分配裝置主體內各時刻肥料顆粒最大速度試驗結果。由圖6可知，穹頂式、平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置內肥料顆粒最大速度分別為26.32、29.14、33.66、36.10 m/s，最大速度大于25 m/s的比例分別為0.44%、7.78%、9.33%、22.16%，穹頂式分配裝置的最大速度及最大速度大于25 m/s的比例最小，表明穹頂式分配裝置內肥料顆粒群速度的變化范圍較小，利于肥料顆粒的穩定輸送；穹頂倒錐式分配裝置的最大速度及最大速度大于25 m/s的比例最大，表明穹頂倒錐式分配裝置肥料顆粒群速度的變化范圍較大，易造成肥料顆粒的破損。根據Hertz理論中肥料顆粒與凹面及平面碰撞破損速度分析，采用穹頂式分配裝置排肥時的破損率低于平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置排肥時的破損率。

3.3.4 分配裝置型式對輸送氣流速度和壓力分布的影響

圖7和圖8分別為每秒生成20 000粒肥料顆粒時不同型式分配裝置內輸送氣流速度和壓力分布試驗結果。由圖可知，平頂式、穹頂式分配裝置上蓋板形成較大區域高壓區，降低輸送氣流和肥料顆粒速度，減少肥料顆粒與分配裝置主體碰撞時肥料顆粒的受力和速度，降低肥料顆粒破損；肥料顆粒接觸高壓區后再次進入分配裝置主體，實現與送肥管內肥料顆粒的兩次混合，提高各行排肥量一致性。平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置倒錐體的安裝減小了分配裝置主體流域截面積，輸送氣流將以較高速度裹挾肥料顆粒碰撞上蓋板和倒錐體，增大肥料顆粒與分配裝置主體碰撞時肥料顆粒的受力和速度，肥料顆粒碰撞上蓋板和倒錐體后肥料顆粒無序性增加，各行排肥量一致性變差，破損率增大。

根據表2，并結合圖5～圖8可知，每秒生成肥料顆粒量相同時，表2中不同型式分配裝置主體內肥料顆粒最大速度的變化規律與圖7中不同型式分配裝置主體內輸送氣流速度變化規律一致，是由于肥料顆粒的最大速度主要受分配裝置內輸送氣流速度影響。圖7、圖8中由于穹頂倒錐式分配裝置主體內流域截面突變較大造成輸送氣流速度和壓力變化梯度最大，導致肥料顆粒在穹頂倒錐式分配裝置內最大速度、最大碰撞法向力、所受最大碰撞法向力大于30 N的比例、最大速度大于25 m/s的比例均高于在穹頂式、平頂式、平頂倒錐式分配裝置內。

根據圖7、圖8中分配裝置內輸送氣流速度和壓力的分布規律，肥料顆粒主要由導肥口截面上半側排出，導肥口內的肥料顆粒由于輸送過程中相互碰撞，少量肥料顆粒會進入導肥口下半側區域，由于導肥口下半側區域輸送氣流速度較小，肥料顆粒會滯留于導肥口內難以排出。穹頂式、穹頂倒錐式分配裝置的導肥口為弧形結構，滯留于導肥口下半側區域肥料顆粒可在自身重力作用下排出；平頂式、平頂倒錐式分配裝置導肥口下半側區域的肥料顆粒難以在自身重力下排出，導肥口內存在肥料顆粒滯留現象。

3.3.5 分配裝置型式對排肥性能的影響

表3和圖9分別為每秒生成20 000粒肥料顆粒時不同型式分配裝置的排肥性能和肥料顆粒分布試驗結果。由于穹頂式分配裝置上蓋板和下蓋板均為圓弧形曲面，形成的高壓區域大于平頂式分配裝置，易于肥料顆粒兩次均勻混合，且穹頂式分配裝置內肥料顆粒群速度的變化范圍較小，故每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式分配裝置的各行排肥量一致性變異系數低于平頂式分配裝置。根據Hertz理論，結合前文可知，每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式、平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置的各行排肥量一致性變異系數逐漸增加，各時段排肥量穩定性變異系數均低于3%。綜合肥料顆粒的最大碰撞法向力及最大速度，以減少肥料顆粒破損且提高各行排肥量一致性為排肥性能評價指標，確定穹頂式分配裝置排肥性能較優。為驗證以肥料顆粒的最大速度和最大碰撞法向力表征顆粒肥料破損率的合理性，需開展臺架試驗進一步確定不同型式分配裝置對破損率差異性的影響。

表3 分配裝置的排肥性能試驗結果

4 分配裝置型式對排肥性能影響的驗證試驗

4.1 試驗設備

為驗證仿真試驗的合理性，采用ABS材料3D打印4種分配裝置，將4種分配裝置安裝于油麥兼用型氣送式播種機，利用智能種植機械測試平臺開展8種肥料顆粒濃度和4種型式分配裝置對排肥性能影響組合試驗，試驗裝置如圖10所示。

1.油麥兼用型氣送式播種機 2.智能種植機械測試平臺 3.氣送式排肥器 4.分配裝置

1.Air-assisted planter for rapeseed and wheat 2.Intelligent test platform for planting machines 3.Air-assisted fertilizer apparatus 4.Distributor device

圖10 排肥性能測試平臺

Fig.10 Test platform for fertilizing performance

4.2 試驗方案

試驗采用芭田復合肥，千粒質量為33.14 g，含水率為2.15%。為滿足油麥兼用型氣送式播種機實際播種作業中對排肥量的要求，設置供肥裝置轉速為50～80 r/min，每間隔10 r/min為一個水平，供肥裝置傳動軸分別安裝3個和8個交錯排布型孔輪開展試驗，試驗重復5次，用尼龍網袋收集30 s內4種分配裝置各排肥管內的排肥質量，計算各行排肥量一致性變異系數和總排肥量穩定性變異系數；采用孔徑為3 mm的標準篩分離分配裝置排出的肥料顆粒，收集被篩分出的粒徑小于3 mm的肥料顆粒作為破損肥料，計算氣送式排肥器排出肥料顆粒的破損率，以對比分析相同排肥量時，不同型式分配裝置對顆粒肥料破損率的影響。每次試驗結束，觀測排肥管內壁是否有破損肥料粘附。

4.3 試驗結果與分析

試驗結束觀測穹頂式、平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置排肥管內壁均有少量破損肥料粘附，粘附破損肥量逐漸增加。

表4為不同型式分配裝置和肥料顆粒濃度組合時的排肥性能。由表4可知，供肥裝置轉速為50～80 r/min時，穹頂式分配裝置各行排肥量一致性變異系數為6.35%～7.52%、總排肥量穩定性變異系數為1.53%～1.92%，破損率為2.97%～3.26%，以各行排肥量一致性變異系數和破損率最低為評價指標，穹頂式分配裝置的排肥性能優于平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置。臺架試驗與仿真試驗不同型式分配裝置各行排肥量一致性變異系數和總排肥量穩定性變異系數變化規律總體一致，表明仿真試驗中通過最大速度、最大碰撞法向力表征分配裝置內肥料顆粒破損率合理可信；且仿真試驗中分配裝置內輸送氣流和肥料顆粒的分布特性是影響臺架試驗中不同結構分配裝置排肥性能差異的主要因素。

表4 排肥性能試驗結果

注：ERFQ為各行排肥量。

Note: ERFQ is each row fertilizing quantity.

5 結 論

1）確定了平頂式、平頂倒錐式、穹頂式、穹頂倒錐式分配裝置的主要結構參數，基于Hertz理論構建了顆粒肥料與分配裝置主體間的彈性碰撞模型。確定送肥管內徑為82 mm，導肥口長度、寬度、高度均為30 mm，上蓋板直徑為130 mm，錐體角為80°、倒錐體高度為50 mm時，分配裝置可實現排肥功能。

2）應用DEM-CFD氣固耦合分析了4種型式分配裝置對肥料顆粒運動特性及排肥性能的影響，試驗結果表明：每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式、平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置內肥料顆粒的各時刻最大速度、最大碰撞法向力、各行排肥量一致性變異系數均逐漸增加，穹頂式分配裝置內肥料顆粒最大碰撞法向力大于30 N的比例最小，為1.56%；穹頂式、平頂式、穹頂倒錐式、平頂倒錐式分配裝置內肥料顆粒平均速度逐漸增加，穹頂式分配裝置內肥料顆粒平均速度為1.07～1.30 m/s。

3）利用智能種植機械測試平臺開展氣送式排肥器排肥性能驗證試驗，結果表明：臺架試驗中不同型式分配裝置內肥料顆粒破損率變化規律與仿真試驗中肥料顆粒最大速度、最大碰撞法向力變化規律一致，表明通過肥料顆粒最大速度及與分配裝置間最大碰撞法向力表征顆粒肥料破損率合理可信；穹頂式分配裝置內肥料顆粒各行排肥量一致性變異系數為6.35%～7.52%、總排肥量穩定性變異系數為1.53%～1.92%、破損率為2.97%～3.26%，其排肥性能總體優于平頂式、平頂倒錐式、穹頂倒錐式分配裝置。

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Effects of distributor types on fertilizing performance in an air-assisted applicator

Wang Lei, Liao Qingxi※, Liao Yitao, Gao Liping, Xiao Wenli, Chen Hui

(1.,,430070,; 2.,,430070,)

Structural type of distributor normally dominates the uniform fertilizing quantity in each row and the damage rate in the fertilizing process under wide and high-speed sowing and synchronous fertilization of air-assisted planter for rapeseed and wheat. In this study, the main structural parameters of the distributor were determined according to the optimal fertilizing performance in an air-assisted applicator. The distributors with the flat top type, the inverted cone installed on the flat top type, the dome type, and the inverted cone installed on the dome type were taken as the research objects. The initial structural parameters were set: The inner diameter of delivering fertilizer tube was 82 mm. The length, width, and height of the diversion fertilizer outlet were all 30 mm. The diameter of the upper covering plate was 130 mm. The cone angle was 80° and the height of the inverted cone was 50 mm. An elastic collision model was established between the pelletized fertilizer and the main part of the distributor using Hertz theory. A Discrete Element Method (DEM) coupled with the Computational Fluid Dynamics (CFD) was selected to analyze the effects of 4-type distributors on the motion characteristics and fertilizing performance of fertilizer particles. The simulation results showed that the average values of maximum velocity and collision normal force, and the uniformity variation coefficient of each row fertilizing quantity of fertilizer particles in the distributor devices of the dome type, the flat top type, the inverted cone installed on the flat top type, and the inverted cone installed on the dome type all increased gradually. The maximum collision normal forces of fertilizer particles in the distributor of the dome type, the flat top type, the inverted cone installed on the flat top type, and the inverted cone installed on the dome type were 43.08, 62.50, 70.66, and 116.15 N, respectively, where the proportions of maximum collision normal force greater than 30 N (referring to the damage force range of pelletized fertilizer were 1.56%, 3.33%, 6.67%, and 38.89%, respectively). Furthermore, the maximum velocities of fertilizer particles in four-type distributors were 26.32, 29.14, 33.66, and 36.1 m/s, respectively, where the proportions of maximum velocity greater than 25 m/s were 0.44%, 7.78%, 9.33%, and 22.16%, respectively. The dome type distributor presented the minimum values in the maximum velocity, while the proportion of maximum velocity was greater than 25 m/s, indicating a small change in the velocity of fertilizer particles for the stable transportation of fertilizer particles.An intelligent test platform was used for planting machines to verify the fertilizing performance of an air-assisted fertilizer. The bench results indicated that there was highly consistent with the experimental and simulated changes in the maximum velocity and the maximum collision normal force of fertilizer particles in the distributor with different structural types. In a dome type distributor, the variation coefficient of uniformity in each row fertilizing quantity of particles was in the range of 6.35% to 7.52%, while the variation coefficient of stability in total fertilizing quantity was in the range of 1.53% to 1.92%, and the damage rate was in the range of 2.97% to 3.26%. Correspondingly, the dome type distributor achieved a better fertilizing performance than others. The findings can provide a sound reference to improve the structure of the distributor for precision fertilizing.

agricultural machinery; pelletized fertilizer; simulation; air-assisted fertilizer apparatus; distributor device; dome type

2021-02-05

2021-03-22

國家重點研發計劃項目（2020YFD1000904）

王磊，博士生，研究方向為油菜播種技術與裝備。Email：wangchong12356@126.com

廖慶喜，教授，博士生導師，研究方向為油菜機械化生產技術與裝備。Email：liaoqx@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.004

S223.2+2

A

1002-6819(2021)-07-0024-11

王磊，廖慶喜，廖宜濤，等. 氣送式排肥系統分配裝置結構型式對排肥性能的影響[J]. 農業工程學報，2021，37(7)：24-34. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.004 http://www.tcsae.org

Wang Lei, Liao Qingxi, Liao Yitao, et al. Effects of distributor types on fertilizing performance in an air-assisted applicator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 24-34. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.004 http://www.tcsae.org