再生稻氣力式肥料集排裝置的設計與試驗

柯燴彬，周勇，張國忠，呂文，劉沿，黃琳

（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）

肥料的合理使用是實現農業高產以及糧食、環境安全的保證[1]。水稻是我國主要糧食作物之一，再生稻生產能提高復種指數、土地利用率和經濟效益，對再生稻的追肥作業直接影響產量和品質[2]。目前再生稻追肥作業主要以人工撒施和機械式圓盤撒施為主，人工撒施施肥效率低，機械圓盤撒施施肥幅寬大、施肥效率高，但是很難達到較好的施肥均勻性，肥料利用率低[3-5]。為了提升施肥效率和肥料利用率，研究施肥幅寬大、施肥均勻性較好、根部施肥的再生稻追肥機械具有重要意義。

氣力輸送技術逐漸應用于施肥、播種作業[6]，其優點是在相對低耗能下對物料進行遠距離傳輸和控制輸送速度，達到高幅寬和變量控制。近年來，對氣力式施肥技術進行了深入研究。齊興源等[7]設計了一種稻田氣力式變量撒肥裝置，其錐形擋板撒肥器能提高在幅寬方向上的撒肥均勻性。劉德柱[8]設計了一種氣送式雙側施肥裝置，氣肥混合流沿管道輸送至水平分配器進行分肥、施肥作業。溫宇翔[9]設計了一種氣力式變量配混施肥裝置，拋送式混肥器輸出的配混肥料流和氣流沿管道輸送至倒立式垂直肥料分配器進行分肥排肥，能實現精準比例配混肥和集排均勻分肥。楊慶璐等[10]設計了一種氣力式變量集排的分層施肥裝置，肥料在氣流作用下沿著管道運送至垂直肥料分配器中，分配器中的分層肥量調節裝置能調節分層施肥比例。以上氣力式施肥方式都是氣肥混合流先在水平方向上輸送，再到達水平或者垂直分配器中分流，在進入分配器前的能量損失及管壁、物料磨損較大，且在經過90°彎管進入垂直管時，肥料顆粒碰撞會增加肥料顆粒的破損和管壁磨損，另外氣流直接經過90°彎管時會產生渦流造成氣流場流速不均勻[11]。

本文設計了一種氣力式肥料集排裝置，采用側邊進肥方式，肥料直接進入倒立式垂直分肥裝置中分肥，縮短肥料分配前的輸送距離，以降低能量損失及管道和肥料顆粒磨損；在純氣流經過的90°彎管處設置有集氣穩壓室，使90°換向后進入豎直管內的氣流場相對較均勻；根據四元二次回歸正交旋轉中心組合試驗分析影響施肥性能的因素，并得出最佳的參數組合，為后續氣力式集排追肥機的設計提供了依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置和工作原理

再生稻氣力式集排追肥機由三輪高地隙底盤、供肥系統、氣力式肥料集排系統組成，其結構如圖1所示。其中供肥系統包括肥箱、外槽輪排肥器、電機及電機調速器；氣力式肥料集排系統包括風機、Y型送氣裝置、氣肥混合裝置、進肥軟管、波紋管、分肥裝置、排肥管。

圖1 再生稻氣力式集排追肥機Fig.1 S tructure of the pneumatic collecting and topdressing machine for ratooning rice

施肥機氣力式肥料集排系統由2組氣力式肥料集排裝置組成，本試驗采用單組氣力式肥料集排裝置，其結構如圖2所示。在工作時，風機產生高速空氣流通過送氣裝置進入氣肥混合裝置，在文丘里管結構的混合腔中形成氣壓差，同時肥料從排肥器中排出，在壓力和重力作用下沿著氣肥混合裝置雙側進肥口進入混合腔，再沿波紋管進入分肥裝置，在分肥裝置中進行均勻分肥，最終在氣流壓力作用下沿著排肥管輸送至再生稻根部附近。

圖2 氣力式肥料集排裝置結構Fig.2 Structure of pneumatic fertilizer collecting and discharging device

1.2 試驗裝置設計與選擇

1.2.1 氣力輸送關鍵參數確定 ①系統所需空氣流量Q。

式中，G′為總施肥速度，kg·h-1；Gmax為最大施肥量，kg·hm-2，根據農藝要求取300 kg·hm-2；n為施肥行數，按雙肥料集排裝置取16；v為底盤行走速度，取0.6 m·s-1；M為施肥行距，m，根據再生稻種植行距取0.3 m；ω為料氣混合比，取1.2[12]；ρ為空氣密度，1.18 kg·m-3，經計算Q為220 m3·h-1。②顆粒臨界懸浮速度v l。

式中，g為重力加速度，9.8 kg·m-2；C為黏性阻力系數，一般在湍流中為0.44[12]；ρs為肥料顆粒密度，1.403 kg·m-3；d s為肥料顆粒等效直徑，1.5×10-3m；經計算v l為7.2 m·s-1。③施肥風速v f。

式中，k為速度系數，由于本設計中屬于稀相輸送，需要風速較大，參照氣力輸送過程中氣料速度比的研究[12]，取值2.5，因此，v f得18 m·s-1。

1.2.2 直槽交錯式槽輪的選擇 外槽輪排肥器結構簡單、適用性廣，傳統外槽輪排肥器的槽輪為直通型，在排肥時槽輪轉到凹槽和齒脊處排出的肥料量有差異，影響排肥均勻度[13]。本試驗的槽輪采用直槽交錯式排列結構，左右輪槽交錯排列，減小排肥量波動，能有效提高施肥均勻性，工作時通過改變排肥軸轉速調節播量。

1.2.3 分肥裝置設計 分肥裝置主要由肥料分散器、分肥裝置殼體、導流片組成，如圖3所示。采用縱下向進肥，側邊8個出肥口，內部錐型肥料分散器能實現肥料均勻分散，也能對進入分肥裝置內部的氣流進行導流，相對其他結構更能穩定內部氣流場和減小壓損，在肥料分散器周圍設置有導流片，對氣流和肥料顆粒流進行進一步分區導向。工作時氣流和肥料顆粒流向下進入波紋管中，同時由于肥料顆粒有水平方向上的初速度，肥料顆粒也在水平方向上移動擴散，在氣流場給予的垂直于肥料顆粒的壓力以及管壁和肥料顆粒之間力的作用下，肥料顆粒在水平方向上的加速度逐漸趨近于零，肥料顆粒流在水平方向上波動性減小[14]，進入內部肥料分散器中分肥效果較為均勻，需研究進肥波紋管高度H對分肥均勻性的影響[15]。

圖3 分肥裝置結構Fig.3 Structure of fertilizer dividing device

根據管道內流體流速、面積和流量的關系，出口管路內徑D1滿足式（5）。

式中，D1為輸肥管道內徑，mm；將相關參數的數值代入公式（5）計算，圓整后得分肥裝置出口內徑D1為16 mm。

為保證分肥裝置進出口風速一致，分肥裝置入口內徑應滿足以下條件。

計算得D2=45 mm。

1.2.4 氣肥混合裝置設計 氣肥混合裝置是將排肥裝置和氣力輸肥系統連接起來的核心部件，由于本設計是縱下向分肥，在氣肥混合裝置上端連接氣流分流裝置出口，中間部分連接排肥裝置中排肥器出肥口，底部出口連接分肥裝置入口。作為連接3方通道的氣肥混合裝置，其性能直接影響進入分肥裝置中的肥料分布均勻性。氣肥混合裝置如圖4所示，縱管采用文丘里噴射器原理[16]，氣流通過混合腔時速度增大，混合腔內靜壓相對管內其他段較小，側邊進肥管內肥料受壓力作用加速進入混合腔；采用雙側進肥口布置減小側邊管道對縱管內氣流場均勻性的影響。進肥高度h和側邊進肥角度α會影響肥料顆粒在波紋管內水平方向上的速度，從而影響肥料顆粒在縱管內水平方向上的運動軌跡[17-18]，需對此進行研究。

圖4 氣肥混合裝置結構Fig.4 Structure of gas fertilizer mixing device

1.2.5 送氣裝置選擇 送氣裝置主要包括送氣管、集氣穩壓室，如圖5所示。在送氣管90°換向處設置有空氣穩壓室，實現氣流90°換向，相對于常見的90°彎管結構，設置有空氣穩壓室時氣流場90°換向前后的靜壓差較大，能減少因彎管處能量損失造成的渦流現象[19]，能提升換向后氣流場水平分布的均勻性。

圖5 送氣裝置結構Fig.5 Structure of air supply device

1.2.6 風機選型 風機流量決定系統風速、風機風壓能保證氣流能按一定速度到達最終出口，對試驗所需風量和最小風壓進行估算。

①風量。由于施肥機的施肥系統由雙肥料集排裝置組成，計算系統所需風量為220 m3·h-1，則單個氣力式肥料集排裝置所需風量為110 m3·h-1，考慮系統風量泄露等因素，對所需風量預留20%的余量，以風量132 m3·h-1選擇風機。

②單個氣力式肥料集排裝置總壓損ΔP計算。

式中，ΔP1為進料前壓損，ΔP2為進料壓損，ΔP3為送料壓損；ΔP L1為進料前空氣沿程摩擦壓損，ΔP j1為進料前局部壓損；ΔP v為送料時加速壓損，ΔP L|為送料時豎直段沿程摩擦壓損，ΔP L-為送料時水平段沿程摩擦壓損，ΔP j2為送料局部壓損，根據氣力輸送相關壓損公式進行估算[20-21]。

根據計算結果選擇HG-1100-C2型號旋渦風機，其額定電壓220 V，額定功率1 100 W，最大風量135 m3·h-1，使用壓力小于18 kPa的情況皆適用。

1.3 分肥性能試驗

1.3.1 試驗材料和試驗內容 試驗所用肥料為晶體顆粒尿素，購自康迪斯化工（湖北）有限公司，總養分大于等于46.4%，粒徑0.8～2.8 mm的顆粒大于93%，千粒重5.78 g。測量儀器有秒表、接肥盒、電子秤（精度0.1 g）。通過試驗測量各個出肥口的出肥質量來研究影響施肥作業各行排肥量一致性的因素，再結合試驗結果進行優化預測，得到最優組合，對最優參數組合進行試驗驗證。試驗時先啟動風機，待系統內風速穩定后再啟動電機，采樣時間為10 s，每個試驗點重復3次。

1.3.2 評價指標 以各行排肥量一致性變異系數為評價指標，研究氣力式肥料集排裝置分肥性能，依據NY/T 1003—2006《施肥機械質量評價技術規范》[22]，施肥機械的性能應各行排肥量一致性變異系數應小于等于13%。各行排肥量一致性公式如下。

式中，V h為各行排肥量一致性變異系數；S h為各行排肥量一致性標準差，g；xˉi為每行總次數下平均排肥量的平均值，g；x ij為每行每次排肥量，g；x i為每行總次數下平均排肥量，g；m為測量次數，3次；n為行數，8行。

1.3.3 試驗設計 根據前期理論研究并結合實際情況，確定影響此氣力式肥料集排裝置施肥均勻性的各個因素及范圍如下：進肥角度范圍為30°～55°，進肥高度范圍為100～300 mm，波紋管長度范圍為60～300 mm，排肥軸轉速范圍為15～65 r·min-1。釆用四元二次回歸正交旋轉中心組合試驗方法研究各因素對施肥性能的影響規律，利用Design-Expert10.0軟件進行方差分析、響應面圖像繪制以及參數優化。試驗因素水平見表1。

表1 試驗因素水平Table 1 Test factor level

2 結果與分析

2.1 排肥試驗結果分析

四元二次回歸正交旋轉中心組合試驗共23組，其中二水平試驗（1/2實施）8組，星號試驗8組，零水平試驗7組，試驗結果見表2?？梢钥闯觯煌瑓到M合下，不同組合的一致性系數（V h）存在一定差異，說明4個因素對結果存在影響，第15組試驗的Vh最高（10.84%），其進肥角度（Z1）為42.5°、進肥高度（Z2）為200 mm、波紋管長度（Z3）為180 mm，排肥軸轉速（Z4）為15 r·min-1。

表2 試驗設計方案及結果Table 2 Experimental design plan and results

2.2 建立回歸模型與方差分析

對試驗結果進行回歸擬合，得出各行排肥量一致性變異系數V h與各試驗因素編碼值的二次回歸方程如下。

對回歸模型進行方差分析，結果如表3所示?；貧w模型P＜0.01，失擬項P＞0.05，校正決定系數R2=0.982 2，表明回歸模型極顯著，且擬合程度好。在回歸模型中，一次項中進肥角度Z1、波紋管長度Z3、排肥軸轉速Z4和二次項中對各行排肥量一致性變異系數V h影響極顯著；一次項中進肥高度Z2、交互項中Z1Z2及二次項中對各行排肥量一致性變異系數V h影響顯著；其余各項對各行排肥量一致性變異系數V h影響均不顯著。各因素對各行排肥量一致性變異系數V h的影響程度由大到小依次是排肥軸轉速Z4、進肥角度Z1、波紋管長度Z3、進肥高度Z2。

表3 回歸模型方差分析及顯著性檢驗Table 3 Regression model analysis of variance and significance test

剔除回歸方程中不顯著項，重新擬合后得到各行排肥量一致性變異系數V h與各試驗因素自然變量的回歸方程（式16）。

2.3 響應面分析

2.3.1 進肥角度和進肥高度的交互作用 波紋管長度Z3=180 mm、排肥軸轉速Z4=40 r·min-1時，進肥角度Z1和進肥高度Z2交互作用對各行排肥量一致性變異系數V h的響應面如圖6所示，由此分析進肥角度Z1和進肥高度Z2交互作用對各行排肥量一致性變異系數V h的影響規律。

圖6 進肥高度和進肥角度交互作用響應面Fig.6 Response surface of interaction between feeding height and feeding angle

在進肥角度Z1取一定值、進肥高度Z2范圍為100～300 mm情況下，各行排肥量一致性變異系數V h的變化趨勢為：當進肥角度Z1在30°～55°范圍內接近最小值時，各行排肥量一致性變異系數V h隨著進肥高度Z2的增大呈現緩慢增大的趨勢；當進肥角度Z1在30°～55°范圍內接近最大值時，各行排肥量一致性變異系數V h隨著進肥高度Z2的增大呈現先大幅度減小后趨于平緩的趨勢；當進肥角度Z1在30°～55°范圍內接近中間值時，各行排肥量一致性變異系數V h隨著進肥高度Z2的增大呈現緩慢減小的趨勢。

在進肥高度Z2取一定值、進肥角度Z1范圍為30°～55°情況下，各行排肥量一致性變異系數V h的變化趨勢為：當進肥高度Z2在100～300 mm范圍內接近最小值時，各行排肥量一致性變異系數V h隨著進肥角度Z1的增大呈現緩慢減小趨勢；當進肥高度Z2在100～300 mm范圍內接近最大值時，各行排肥量一致性變異系數V h隨著進肥角度Z1的增大呈現先大幅度減小后緩慢減小的趨勢。

2.3.2 排肥軸轉速和波紋管長度的交互作用 進肥角度Z1=45°、進肥高度Z2=200 mm時，波紋管長度Z3和排肥軸轉速Z4交互作用對各行排肥量一致性變異系數V h的響應面如圖7所示。由此分析波紋管長度Z3、排肥軸轉速Z4對各行排肥量一致性變異系數V h的影響規律。

圖7 排肥軸轉速和波紋管長度交互作用響應面Fig.7 Response surface of interaction between fertilizer shaft speed and bellows length

當波紋管長度Z3取一定值、排肥軸轉速Z4范圍為15～65 r·min-1時，各行排肥量一致性變異系數V h隨著排肥軸轉速Z4的增大呈現先大幅度減小后緩慢增大的趨勢。當排肥軸轉速Z4取一定值、波紋管長度Z3范圍為60～300 mm時，各行排肥量一致性變異系數V h隨著波紋管長度Z3的增大呈現先減小后增大的趨勢。

2.4 參數優化與試驗驗證分析

根據回歸模型，利用Design-Expert10.0軟件，通過建立各個因素的邊界條件，對各行排肥量一致性變異系數的的回歸模型進行分析，得到最佳的參數組合為：進肥角度Z1=54°、進肥高度Z2=216 mm、波紋管長度Z3=200 mm、排肥軸轉速Z4=47 r·min-1，此時各行排肥量一致性變異系數Vh預測值為1.53%。針對得到的優化參數組合進行試驗驗證，測得該組合下的實際各行排肥量一致性變異系數Vh為1.71%，試驗結果與預測結果基本一致。

3 討論

根據臺架試驗效果和響應面分析可知，本研究模型中進肥角度和進肥高度同時影響肥料進入豎直輸送管時水平和豎直方向的初速度，從而影響肥料在水平方向上的碰撞效果和進入分肥裝置前的時間，且進肥角度也影響進肥管口處兩側肥料的接觸面積。進肥角度在一定范圍內取較大值時分肥效果較好，此時進肥高度應對應取較大值。豎直波紋管的長度影響肥料在管內的運動時間和軌跡，長度較小時，內部氣流場均勻分布效果較差且肥料在水平方向上劇烈碰撞時間較短，分肥效果較差；波紋管長度較大時，因波紋結構造成的能量損失增大，形成渦流區域會增加，肥料難以均勻擴散。當排肥軸轉速較小時，肥量顆粒數量少，難以實現均勻分肥；當排肥軸轉速較大時，肥料量增多，在側邊進肥管內發生滯留現象，進入分肥裝置中的肥料量不穩定，也不利于分肥作業。

相對于傳統排肥器單行施肥方式，本研究中氣力式肥料集排裝置能實現單個排肥器對應多行施肥，能降低因使用多個排肥器造成的排肥量偏差，氣力式輸肥也能增大施肥幅寬。另外，目前氣力式集排施肥的輸肥方式大多數為水平+垂直式，在保證正常輸送條件下水平輸肥時能量損耗較大，本試驗采用側邊進肥方式，直接進行下向垂直輸送和分肥，縮短肥料輸送距離，能相對減小分肥前的能量損失和管道、肥料的磨損。隨著未來氣力式肥料集排技術及裝備的進一步發展，可以對結構進行改進使其能適應不同肥料的施肥作業；可以結合自動控制技術向變量、精量集排施肥方向發展；也可結合播種機或其他農業裝備，發展大型智能化多功能復式作業機組。