烟草颗粒肥配比混施装置的设计与试验

张秀丽，吴亚文，李建华，王龙飞，仝振伟，陈雪婷

(1.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002；2.河南省烟草公司许昌市公司，河南 许昌 461000)

烟草是中国重要的经济作物，对其进行合理有效的施肥具有增加烟叶产量、提高质量以及上等烟比例等优点[1-3]。在现代烟草种植中，广泛采用颗粒化有机肥以及化肥来代替大量使用的农家肥，为烟草机械化施肥技术提供了有利条件。为了提高肥料的精确化、减量化使用效果，国内外学者对施肥机械进行了大量的研究[4-5]。机械施肥装置主要包括外槽轮式、滚轮式、螺旋输送式、振动式、搅刀拨轮式等[6-8]。外槽轮式施肥装置因其结构简单，通用性好，被广泛应用于多种作物的机械化施肥。施印炎等[9]运用单元法和EDEM软件，对外槽轮式施肥机在不同排肥装置结构和施肥控制策略下的排肥过程进行性能分析和数值模拟；张涛等[10]应用EDEM软件，对外槽轮式施肥器在不同槽轮工作长度下进行过程模拟分析；汪博涛等[11]应用离散元法、二次正交回归试验、排肥装置排肥台架试验，对槽轮工作长度、排肥轴转速、排肥舌开口角进行仿真与试验分析。上述针对外槽轮式施肥装置的研究主要为单一种类的颗粒化肥料，而烟草施肥以颗粒化有机肥和复合肥同时混合使用，烟农在使用外槽轮式施肥装置施肥时，需人工提前混肥，在机器工作过程，导致密度大的肥料分布在肥箱底部造成排肥不均匀，且因外槽轮施肥装置本身存在脉动性，造成施肥效率和施肥精度降低，不利于肥料的精确、均匀施用。针对现有外槽轮式施肥装置无法较好地适用于烟草颗粒化肥料施用的问题，本研究设计了一种烟草颗粒肥配比混施装置，能同时配比施用2种肥料，避免人工混肥，有效降低施肥脉动性，实现烟草机械化种植中高效率的施肥作业。通过结构设计与仿真，得出其几何参数，并进行台架试验验证，以期为烟草机械化施肥技术参数优化和排肥性能提升提供理论依据。

1 排肥装置结构及工作原理

烟草颗粒肥配比混施装置主要由肥箱、立式窝眼储肥盘、支撑套筒、底板、轴承、传动轴、肥量控制板等组成(图1)。本文以烟草专用颗粒有机肥和复合肥为研究对象，颗粒有机肥直径比复合肥略大，且施肥量也比有机肥大。立式窝眼储肥盘是排肥装置核心部件，其上均匀分布着大小不等的孔，对应排施大小、比例不同的颗粒肥料。大孔设计在外侧，排施直径大且施肥量大的颗粒有机肥，小孔设计在内侧，排施直径略小且施肥量小的复合肥。肥箱为一体两部，底部对应储肥盘结构，设计充肥孔，易于颗粒肥料利用自身重力落入储肥盘中，提高充肥能力，实现2种肥料的同时排施。

1.肥箱；2.立式窝眼储肥盘；3.支撑套筒；4.底板；5.轴承；6.输肥管；7.传动轴；8.螺栓、螺母；9.肥量控制板。1.Fertilizer box；2.Vertical socket fertilization disc；3.Support sleeve；4.Bottom plate；5.Bearing；6.Transporting fertilizer tube；7.Transmission shaft；8.Bolt and Nut；9.Fertilizer control panel.图1 配比混合施肥装置的结构Fig.1 Proportion mixing fertilization device structure

排肥装置工作时，将颗粒有机肥放入大孔肥箱，复合肥放入小孔肥箱；肥箱内的肥料在重力作用下落入肥箱板上的充肥区，储肥盘在传动轴的带动下转动，肥料在储肥盘孔与肥箱孔接触的过程中进行充肥，并存储在储肥盘孔中，经过底板的密封作用，当储肥盘转动一定角度后，将肥料经底板排肥孔排入输肥管，输肥管与开沟器相连接，经开沟器将肥料施入烟田垄体内；设计排肥孔的位置与对应肥箱孔位置相反，如图2所示，这样设计的目的是防止在连续排肥过程中出现瞬时排肥量过大的问题，影响装置的排肥均匀性。为了实现排肥量的控制，设计了肥量控制板，通过抽动肥量控制板可调节充肥孔工作面积的大小，进而控制装置的充肥能力，实现施肥量的调节。

1.转动区；2.排肥区；3.存储区；4.充肥区。1.Rotation area；2.Fertilizer discharge area；3.Storage area；4.Filling area.图2 施肥装置的工作原理Fig.2 Working principle diagram of fertilizing device

2 排肥装置关键参数设计

2.1 充肥孔直径的确定

配比混施装置的结构为立式，由肥箱底部的充肥孔进行充肥；肥料在排施过程中仅受重力作用，经过充肥区，落入储肥盘中进行排肥；由于受颗粒肥料本身特性的影响，易在充肥口处结拱，造成无法排施肥料等问题。颗粒物体在仅受重力作用下排放出现结拱时，不仅与颗粒本身休止角和肥箱角度有关，还和颗粒本身尺寸与下落口尺寸的比例有关，后者影响较大[12-13]。

以直径较大的有机肥颗粒为试验颗粒，取100粒河南农业大学研制的百奥佳牌烟草专用高碳基土壤修复肥颗粒，测量其直径，并取平均值得出直径为3.94 mm，取其尺寸为4 mm。借助离散元软件EDEM进行模拟排肥试验：将排肥孔直径尺寸设计为肥料颗粒尺寸的2倍、3倍、4倍、5倍和6倍；设置肥箱内初始肥料颗粒数量为1 000粒，颗粒直径为4 mm，为了更准确地体现肥料直径，将其尺寸分布设置为0.8～1.2倍。

仿真结果如图3所示。当充肥孔直径为肥料颗粒直径的2倍、3倍时，肥料颗粒基本无法排出，4倍时排出少许，5倍、6倍时能将肥料全部排出。从仿真排肥试验结果可以看出，排肥孔直径大于3倍肥料颗粒直径，小于5倍肥料颗粒直径时，肥料颗粒能在仅受重力作用下排施，但会出现结拱；当排肥孔直径与肥料颗粒直径之比≥5倍时，能将肥料全部排出。

图3 不同倍数比孔径的仿真排肥试验结果Fig.3 Simulated fertilizer test and results with different diameter

2.2 储肥盘结构的设计

储肥盘的结构关系到排肥量和排肥效果。试验所用有机肥和复合肥均为颗粒状，储肥盘的每转排肥量与储肥盘厚度、储肥孔直径以及肥料颗粒的堆积密度有关，即：

(1)

式中：R为储肥孔半径，mm；N为储肥孔个数，根据储肥盘直径选择；h为储肥盘厚度，mm；ρ为肥料堆积密度，kg·m-3；

由式(1)可知，储肥孔半径和个数越多，周转排肥量越大。结合仿真排肥试验结果，为了防止在排肥过程中出现结拱，储肥孔最小工作直径与肥料颗粒直径比值取5。

针对河南许昌地区烟草种植施肥量：烟草专用高碳基土壤修复肥450～675 kg·hm-2，硫酸钾复合肥250～375 kg·hm-2。为了防止在排肥过程中因工作面积较小而出现结拱的问题，以最小排肥量工作面积进行储肥盘的设计，当最小排肥量工作状态下不出现结拱时，最大排肥量工作状态一定不会出现结拱，调节过程如图4所示。

图4 储肥孔最大和最小工作面积Fig.4 Diagram of maximum and minimum working areas of fertilizer discharge hole

排肥装置同时排施2种肥料，以小孔为例进行储肥盘结构设计，当小孔满足排肥要求时，大孔必定满足，所以，设计尺寸应满足：

D=5d

(2)

Smax=πR2

式中：D为最小防结拱工作长度，mm；d为有机肥和复合肥颗粒的等效直径，mm；R为储肥孔直径，mm；a为类椭圆短半轴，b为长半轴，mm；S为工作面积，mm2；Q为施肥量，kg·hm-2。

为了防止排肥过程中出现结拱现象影响排肥效果，应将最小工作长度取值略大于设计长度。复合肥颗粒等效直径为d1=3 mm，则取D1=16 mm，有机肥颗粒等效直径为d2=4 mm，则取D2=22 mm。由公式(2)可得复合肥储肥孔半径为10.88 mm，取值R1=11 mm；有机肥储肥孔半径为14.96 mm，取值R2=15 mm。

排肥装置设计为立式结构，在满足排肥量和轴承安装尺寸的要求下，尽量在储肥盘上布置多的储肥孔，以提高排肥的连续性，实现连续均匀性排肥；同时为了实现同步转动对称混合施肥，需将复合肥储肥孔和有机肥储肥孔个数保持一致。在Solid Works中建立模型，复合肥储肥孔可圆周均布设置9个，将有机肥储肥孔也设置为9个，但这样会导致有机肥储肥孔之间间距过大，易使排肥过程中连续性降低。为了避免出现排肥连续性降低的问题，将有机肥储肥孔做成直径为30 mm的2个等圆相交的环形类椭圆孔，类椭圆孔短径为30 mm，其所占角度与复合肥储肥孔所占角度保持一致为32°，使之能保持同步转动排肥，如图5所示。储肥盘厚度在施肥量范围内尽量取最大值，设计取值30 mm。

图5 储肥盘的结构Fig.5 Size diagram of discharge tray

3 EDEM仿真分析

储肥盘作为排肥装置的关键部件，其充肥与排肥性能的优良直接影响排肥装置的工作性能。因此本文采用SolidWorks和离散元(EDEM)软件分别建立排肥装置模型和颗粒肥料仿真模型进行仿真试验，分析在最大排肥量和最小排肥量状态下，排肥装置的排肥稳定性，以优化排肥装置的结构参数。

3.1 仿真模型的构建与试验方法

利用三维建模软件SolidWorks建立排肥装置简化模型，保存为.step格式导入EDEM中，根据肥料颗粒的特性，接触模型采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型，时间步长为2.77e-05 s，进行肥料颗粒的生成[14-18]。

为了观察肥料在水平地表的分布状况，仿真试验采用在距离排肥装置底部距离为200 mm的地方设置一个长2 000 mm、宽400 mm的平面，用于模拟地面。参考槽轮式施肥器的工作转速，为了实现连续均匀性排肥，在设计排肥量范围内尽量取较高转速，设置排肥装置工作转速为30 r·min-1，排肥装置前进速度为0.7 m·s-1；为了降低排肥装置的运动复杂性，简化仿真过程，设置地面以-0.7 m·s-1的速度向后方运动[19-21]，用于模拟排肥装置的前进速度，相关的变量参数如表1所示[22-23]。

在肥箱上端分别设置2个颗粒工厂，使其在排肥过程中每秒产生15 000个肥料颗粒，生成总量为30 000个；当全部肥料生成完后，设置储肥盘转动和地面运动，用于模拟真实的排肥过程，使仿真结果更加切合实际，仿真试验如图6所示。

1.复合肥；2.有机肥；3.地面；4.排肥装置。1.Compound fertilizer；2.Organic fertilizer； 3.Ground；4.Fertilizer discharge device.图6 排肥装置仿真工作过程Fig.6 Fertilizer discharge device simulation process

3.2 排肥性能评价方法

为了准确的评价在EDEM仿真试验过程中，最大排肥量和最小排肥量工作状态下排肥装置的排肥效果，由于排肥器与排种器工作原理相似，参照JB/T 9783—2013《播种机外槽轮排种器》中的评价方式[24]，以排肥均匀性变异系数作为排肥装置性能的评价指标。为了降低其它因素的干扰，选取模拟地面中间1 500 mm的区域作为排肥效果的取样区域，避免仿真试验在开始和结束区域存在排肥不稳定，影响采集的样本数据；在模拟地面上设置Grid Bin Group，将选取区域横向均分为5个网格，每个网格长度为300 mm，并进行编号处理，以便于后期数据采集，如图7所示。

图7 仿真结果网格处理Fig.7 Grid processing of simulation result

根据仿真结果，分别统计每一个网格内有机肥质量、复合肥质量和统计区域内2种肥料的总质量，并计算排肥均匀性变异系数，计算公式为[25]：

(3)

以排肥均匀性变异系数σ作为排肥装置排肥均匀、稳定的评价参数，σ值越小，证明排肥装置的排肥均匀性和稳定性越好[26-27]。

3.3 仿真结果与分析

根据仿真试验方法，分别对2种不同的排肥状态进行仿真试验。变量参数见表1。根据仿真试验结果进行的编号处理，分别统计最大排肥量和最小排肥量状态下，取样区域每个网格内的有机肥和复合肥的质量，并进行统计，根据式3计算排肥均匀性变异系数，结果如表2所示。

表1 变量参数Table 1 Variable parameter

表2 取样区域数据Table 2 Data of sampling area

根据取样区域数据，在最大排肥量状态下，有机肥的排肥均匀性变异系数为2.3%，复合肥的排肥均匀性变异系数为3.8%；最小排肥量状态下，有机肥的排肥均匀性变异系数为1.9%，复合肥的排肥均匀性变异系数为4.0%。

根据仿真结果可以看出，在2种工作状态下，复合肥的排肥均匀性系数均大于有机肥的排肥均匀性变异系数，造成排肥均匀性降低。原因可能是复合肥的球形度与光洁度比有机肥高，在建模过程中，有机肥的模型并非球形，而是类圆柱形，在排肥过程中使充肥量存在变化，造成排肥均匀性出现浮动。

4 台架试验

为了验证配比混施排肥装置离散元仿真结果的准确性，作者进行了排肥装置的样机制作和台架试验。依托农业机械实验室STB-700播种实验台，参照仿真试验的试验条件，设置传送带前进速度为0.7 m·s-1，储肥盘转速为30 r·min-1，排肥装置底部距实验台面高度为200 mm，肥料选用河南农业大学研制的百奥佳牌烟草专用高碳基土壤修复肥和史丹利硫酸钾复合肥，进行台架试验。试验结束后，将传送带中间部位长度为1 500 mm的排肥带作为取样区域，分为5个网格，每个网格宽度为300 mm，对网格内的肥料颗粒进行统计，并进行重复试验3次，分别收集每次试验的取样区域数据，结果如表3所示。

表3 台架试验数据Table 3 Data of bench test

对试验结果分别进行排肥均匀性变异系数分析计算得出：最大排肥量状态下，有肥排肥均匀性变异系数最大为1.6%，最小为1.0%，复合肥排肥均匀性变异系数最大为3.6%，最小为1.8%；最小排肥量状态下，有机肥排肥均匀性变异系数最大为2.1%，最小为1.4%，复合肥排肥均匀性变异系数最大为3.7%，最小为2.4%。

对比仿真试验和台架试验，最大排肥量状态和最小排肥量状态下，2种肥料的排肥变异系数存在一定的偏差，且仿真与台架试验中，复合肥的变异系数均比有机肥的变异系数略大，主要是因为颗粒肥料并非标准意义上的球体，尤其是有机肥，形状类似圆柱体，而复合肥的球形度比有机肥高，在排肥过程中流动性比有机肥高，这就造成复合肥的排肥变异系数较大，排肥稳定性不如有机肥，但排肥流畅性高于复合肥。在误差允许范围内，可以认为仿真试验结果和台架试验结果基本吻合，证明该排肥装置符合设计要求。

5 结论

(1)结合烟草施肥施肥农艺，设计了一种烟草颗粒肥配比混施排肥装置，可实现烟草移栽前颗粒肥的高效、均匀施用。对防堵塞充肥孔、储肥盘和排肥装置工作参数进行设计和计算，确定防堵塞充肥孔直径与颗粒肥料直径之比≥5，并取值为5；储肥盘直径177 mm，有机肥储肥孔短径30 mm，储肥孔为9个；复合肥储肥孔直径22 mm，储肥孔为9个；储肥盘厚度为30 mm。

(2)应用三维建模软件SolidWorks和离散元软件EDEM进行排肥装置模型建立和仿真。仿真结果表明，有机肥排肥均匀性变异系数最大为2.3%，最小为1.9%；复合肥的排肥均匀性变异系数最大为4.0%，最小为3.8%。

(3)试验结果表明，有机肥排肥均匀性变异系数最大为2.1%，最小为1.0%；复合肥的排肥均匀性变异系数最大为3.7%，最小为1.8%。在误差允许范围内，该排肥装置符合设计要求，且满足烟草移栽前耕整地过程中的施肥作业要求。