水平双圆盘式有机肥撒肥器的试验研究

施继红，孟宪章，冯伟志，李春荣，马 薇

（1.吉林农业大学工程技术学院，吉林 长春 130118；2.长春工业大学人文信息学院汽车系，吉林长春 130122）

现阶段我国种植业主要施用化学肥料，有机肥的施用相对不足，为了维持土壤肥效持久、营养均衡，就必须提高有机肥的施用量［1］。目前，国家出台的相关政策大力推进农业机械化，农机补贴极大地促进了农业机械化的进程，这既是农业机械化发展的机遇，也是农业现代化的必由之路，因此，研究开发先进的有机肥撒施机对农业现代化具有重要的现实意义。

撒肥装置是撒施机的重要组成部分，其结构形式直接影响撒肥的效果。国外的撒肥装置有离心圆盘式、浆叶式、甩链式、锤片式、拨齿式和螺旋式等6种，而在实际应用中，离心圆盘式、桨叶式与锤片式应用较为广泛［2］。国内侧重于离心单圆盘式、螺旋式2种的研究。我们研究制作了水平双圆盘式有机肥撒肥装置，并对双圆盘的结构与工作参数进行试验研究，希望能够对下一步研制盘式有机肥撒施机提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验设计了双圆盘式有机肥撒肥器试验台（图1），该试验台主要由输肥装置、撒肥圆盘2部分组成。试验装置配备3台电动机，其中1台电机驱动输送带送肥，另2台电机分别驱动双圆盘旋转。试验台的工作过程为：肥料被输送带分别送入2个撒肥圆盘，随后沿2个旋转方向相反的水平圆盘盘面运动，由于摩擦力与离心力的共同作用，在遇到叶片前的运动轨迹为螺旋线。之后有机肥颗粒以叶片为导向沿其运动，或者继续保持原运动状态。最后颗粒飞离叶片的末端或水平圆盘的边缘，直落在地面。为方便试验参数的调整，3台电机分别连接到3台变频器上，通过调整变频器的频率实现电机的转速变化，进而获得不同输肥转速和撒肥转速。

图1 双圆盘式有机肥撒肥器试验台

1.1.1 撒肥圆盘工作参数确定 2 个水平圆盘用5 mm厚有机塑料制成，既减轻了质量及转动惯量，又加工方便易于安装叶片。参照国内外同类机型及经验［3］，设计时圆盘直径取为500 mm，安装时离地面高度为600 mm。

撒肥圆盘的转速过大或过小都会影响撒肥性能，需确定转速的合适范围。当肥料颗粒被送至其中一个圆盘的M0点，离撒肥圆盘旋转中心的距离为r（0图2）。根据力学原理，只有当m r0ω2＞μmg（m为肥料颗粒质量，r0为肥料颗粒着落点至盘心距离，ω为圆盘角速度，μ为肥料与盘面的摩擦系数）；又因为，所以当圆盘转速时，即肥料颗粒所受离心力大于摩擦滑动阻力时，它就从着落点M0沿盘面运动，遇到以一定速度旋转的叶片前相对运动轨迹为曲线M0M1，则肥料颗粒的绝对速度为 Vb=Vω+Vu。

矢量Vω和Vu在曲线上各点方向不同，因而Vb值很小，使撒肥区的宽度也很小。从M1之后肥料颗粒沿叶片直线运动到M2点，然后以速度Vb被抛出圆盘。如果叶片如图2所示呈一个正角度γ安装，则速度矢量关系为：

合成速度Vb越大，会使撒肥区宽度较大，同时改善撒肥均匀性。通过计算及试验，可得当2圆盘转速n≥100 r/min时，肥料会被抛撒在直径为2 m左右的环带上，满足工作要求。

图2 有机肥颗粒运动分析

1.1.2 撒肥圆盘叶片布置形式 当偏心地安装2组L型叶片时，叶片长200 mm，宽20 mm，高40 mm，厚1 mm。第1组叶片A1、A2、A3偏心距为38 mm，3个叶片均匀分布在盘面上；第2组叶片B1、B2、B3偏心距为60 mm，安装时与第1组错开，也均匀分布在盘面上。2个盘面上叶片需对称安装，不能相同方向排列（图3）。

图3 撒肥圆盘叶片排列方式

1.2 试验肥料

采用前期经过堆肥化处理的腐熟肥料，无大硬块，少粗长杂草，不黏结，含水量68%以下［4］。

1.3 试验设计

该研究主要考查水平圆盘转速（A）、输肥速度（B）、2盘安装中心距（C）和圆盘结构（D）4个因素对撒肥均匀性的影响。采用拟水平法正交试验设计，将圆盘结构水平1虚设为水平3，重复1次，变圆盘结构为3水平因素进行测试［5］，试验设计见表1。

表1 撒肥均匀度拟水平法正交试验因素与水平

1.4 测试方法及评价指标

该研究采用肥料质量的平均偏差衡量撒肥的均匀度。其测试方法是将14个边长150 mm的接肥盒分成7组，每组2个前后放置，按图4径向均布在撒肥器后180°的落肥环带内，按照切向圆柱式撒肥测试模式的要求，每次试验后测出接肥盒中肥料质量，再利用每组肥料质量的平均偏差来判定有机肥撒施的均匀度［6］。计算公式为：

式中，adev表示肥料质量的平均偏差；n表示接肥盒组数；xi表示每组接肥盒中肥料质量；xˉ表示每组肥料质量平均值。

每个试验号均重复3次，称量出每组接肥盒中肥料的质量，并取其平均值作为计算平均偏差的基数，平均偏差越小，撒肥的均匀性就越好。

图4 撒肥圆盘有机肥接肥盒分布

2 结果与分析

正交试验结果见表2。从表2可看出，极差最大的是A因素，之后是D，接着是C和B。因此，A因素对试验的影响最大，取第3水平最好；再次是因素D，取第1水平最好；再次是因素C，取第2水平最好；因素B的影响最小，取第2水平为好。确定各试验因素的最佳组合为A3B2C2D1。但分析发现该组合并不在正交试验表中，为了验证试验的准确性，按照最佳组合的试验条件又进行了追加试验［6］，得出平均偏差结果为adev=75.89 g，比正交试验表中最小平均偏差88.04 g还要小，表明追加试验选用的试验参数对撒肥的均匀性更好。

表2 撒肥均匀度拟水平法正交试验结果

3 结论

1）设计了水平双圆盘式有机肥撒肥器试验装置，分析了有机肥颗粒在盘面的运动轨迹。通过台架试验找出了圆盘转速、输肥速度、2盘安装中心距和圆盘结构对撒肥均匀性的影响，为后续研究设计有机肥撒施机奠定了基础。

2）通过拟水平法正交试验得出撒肥器适宜工作参数组合，即圆盘转速200 r/min、输送速度800 mm/s、2盘安装中心距750 mm和盘面偏心安装2组叶片。影响撒肥均匀性的因素主次顺序依次为圆盘转速、盘面偏心安装2组叶片、2盘安装中心距、输送速度。

［1］ 田 耘，赵亚祥，潘世强，等.小型手扶自走式有机肥撒施机的设计［J］.中国农机化学报，2014，35（4）：55-58.

［2］ 李 洁，吴明亮，汤远菊，等.有机肥施肥机械的研究现状与发展趋势［J］.湖南农业大学学报，2013，39（1）：97-100.

［3］ 秦朝民，刘君辉.离心式撒肥机撒肥部件研究设计［J］. 农机化研究，2006（10）：100-102.

［4］ 施继红，孟宪章，潘世强，等.农家肥撒施机螺旋式撒肥器抛撒性能的试验研究［J］.吉林农业大学学报，2006，28（1）：111-113.

［5］ 任露泉.试验优化设计与分析［M］.长春：吉林科学技术出版社，2001：8-33.

［6］ 潘世强.水平圆盘式撒肥部件的试验研究［D］.长春：吉林农业大学，2004：12-13.