螺旋扰动锥体离心式排肥器设计与试验

刘晓东，丁幼春，舒彩霞，刘伟鹏，王凯阳，杜超群，王绪坪

螺旋扰动锥体离心式排肥器设计与试验

刘晓东，丁幼春※，舒彩霞，刘伟鹏，王凯阳，杜超群，王绪坪

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

针对现有油菜直播排肥器排肥流畅性、稳定性以及排肥量均匀性不足，从而影响化肥精准施用的问题，设计了一种螺旋扰动锥体离心式排肥器。阐述了排肥器的设计原则和工作原理，基于颗粒化肥的物理机械特性与油菜施肥量要求确定了螺旋扰动杯和弧形锥体圆盘的结构参数。以中国农资复合肥、史丹利复合肥、鄂中复合肥为试验材料，开展排肥器锥体圆盘转速为80～130 r/min时的排肥性能及排肥行数适应性台架试验，验证了排肥器的排肥性能。验证试验结果表明：三种复合肥的各行排量一致性变异系数在11.5%以下，不同转速不同物理机械特性化肥条件下的排肥量稳定性变异系数在6.3%以下，同行排量一致性系数在93%以上；转速较低时，排肥器倾斜状态下各行排量一致性变异系数为9.82%，满足排肥质量要求。田间试验结果表明，各行排量一致性变异系数低于7.9%，排肥量稳定性变异系数在5.3%以下，同行排量一致性系数高于93.5%，符合行业标准性能指标，满足田间排肥质量要求。该研究可为油菜生产过程的化肥减施与精准施用提供有效的技术支撑。

农业机械；设计；试验；排肥器；螺旋扰动；集排器；排肥性能

0 引 言

化肥对于促进农业发展、农民增收，特别是对于作物增产做出了重要贡献[1-3]，在世界范围内，化肥对粮食作物增产贡献率超过了40%。但由于多年来化肥过度使用造成的环境污染日益凸显，严重制约了中国以绿色为导向的农业可持续发展步伐[4-6]。定量均匀机械化施肥成为解决农业面源污染的重要方式[7-8]，是实现“两减”的重要途径，也是降低化肥施用量、提高肥料利用率的发展方向。

颗粒化肥具有粒度均匀、颗粒强度较高、不易粉化、球形度高等物理特性，但长江中下游地区空气湿度较大，排肥时存在颗粒化肥流动性差，易吸湿粘结等问题[9]。目前，排肥器主要有离心盘式、槽轮式、螺旋式、星轮式以及振动式等[10-11]，根据化肥施入田间的形式又可分为撒施和条施，撒施主要采用水平圆盘式撒肥装置实现化肥的田面撒施[12-13]，同时由于圆盘式撒肥机结构简单、工作幅宽大等优点，欧美等发达国家研究较早并广泛应用[14-17]。Patterson等[18]最早对颗粒化肥在撒肥盘上的运动进行研究，为后期圆盘撒肥机数学模型的构建奠定了基础。Villette等[19]研究了化肥颗粒在旋转圆盘上的运动模型，同时分析了化肥颗粒离开旋转圆盘时速度的水平径向分量与水平切向分量的比值，为后期撒肥机的设计提供了理论依据。Cool等[20]构建了化肥颗粒离开圆盘后的运动轨迹模型，研究了化肥颗粒的自身旋转对其在空中的运动轨迹及落点位置的影响，结果表明，化肥颗粒在离开水平圆盘后其自身的旋转对落点位置有重要的影响。离心式撒肥机横向与纵向的撒施均匀性较差[21-22]，适用于田间状况较好的大田高速作业，不适宜长江中下游田间状况较差地区的油菜施肥作业。

条施可将化肥施于具有一定深度的土层中，同时随变量施肥系统的研究，条施在施肥作业中应用更加广泛。左兴建等[23]设计了根据车辆行驶速度实时反馈调节排肥驱动电机转速的精准施肥控制方法，实现水稻侧深精准变量施肥作业。齐兴源等[24]设计了一种以外槽轮排肥、空气流输送的气力式变量施肥机。雷小龙等[25]采用气力输送方式设计了一种螺旋组合式可调定量排肥装置。排肥装置的排肥性能直接影响变量深施肥的作业效果，油菜直播机大都采用化肥厢面撒施，应用的排肥装置为防止排肥过程化肥吸湿结拱，加装了搅肥装置，增加了装置的复杂程度；集排式排肥器为保证各排肥管道肥量的一致性，采用气送式原理，需较大功率拖拉机带动，同时受空气湿度大的影响易造成排肥管道的堵塞；单体式排肥器很难保证各单体之间排肥量的一致性，影响排肥均匀性。

本文以简化排肥器结构、提升排肥器排量均匀性、稳定性为目标，设计集排式螺旋扰动锥体离心式8行排肥器，建立排肥过程动力学模型，并通过台架试验与田间试验检验排肥性能，为排肥器结构优化与性能提升提供基础。

1 排肥器的结构及工作原理

以华油杂62为例，不同地区直播施肥量在225~525 kg/hm2之间，为满足不同施肥量要求，需保证排肥器有较高的排肥性能。为确保排肥器的排肥流畅性，根据矩形卸料口上方散料成拱原理，卸料口易形成类球型空洞，导致颗粒化肥无法顺利下移，采用螺旋叶片对颗粒化肥施加外力可有效防止颗粒化肥结拱形成空洞，同时对结团肥料扰动破团，保证颗粒化肥顺利下移排出；为满足排肥的均匀性要求，根据小区播种机锥体格盘均匀分种结构，在卸料口下端设计锥体分肥盘，有利于颗粒化肥向下移动，同时保证颗粒化肥均匀地分布于锥体四周，同时根据离心式排种器[26-28]排种原理，采用离心式排肥方式，保证了肥料进入肥室的均匀性；为提升排肥量稳定性，防止因颗粒化肥受到的摩擦力不足导致在离心力作用下不能持续稳定向外缘移动，设计与排肥器的径向纵切面呈一定角度的离心推板。根据以上分析，并经仿真分析验证，设计了螺旋扰动锥体离心式排肥器，如图1b所示，主要由上壳体、螺旋扰动锥体圆盘、下壳体等组成。

1.排肥器 2.直流电机 3.油菜直播机 4.肥箱连接底座 5.上壳体 6.排肥管 7.螺旋扰动杯 8.离心推板 9.肥室 10.锥体圆盘 11.驱动轴 12.下壳体 13.轴承座

螺旋扰动锥体离心式排肥器安装在2BYL-8型离心式油菜直播机上（图1a）。工作时，电机带动螺旋扰动锥体圆盘转动，颗粒化肥在扰动杯内螺旋叶片的扰动、自身重力及离心力作用下向下运动，并经弧形锥体圆盘上端面，均匀、流畅地进入8个肥室。由于受到离心力、肥料群压力等作用，颗粒化肥逐渐充满肥室并向锥体圆盘外缘运动，最后经排肥管排出。

2 排肥器关键参数设计

2.1 颗粒化肥物理机械特性

颗粒化肥物理机械特性是确定排肥器结构尺寸的依据；研究表明，在一定范围内增加施氮量可显著提高油菜籽粒产量[29]，复合肥营养元素多、吸湿性小、不易结块、便于贮存和施用，特别适合机械化施肥。本文以微量元素养分配比适用于油菜的缓（控）释配方肥：中国农资复合肥（粒径差异小）、史丹利复合肥（粒径差异小）、鄂中复合肥（粒径差异较大），为研究对象。各复合肥物理机械特性参数如表1所示，并以球形度表示肥料与球体的差异，颗粒化肥球形度可由式（1）求得。

式中S为球形度，%；，，分别为颗粒化肥的长度、宽度、厚度，mm。3种复合肥休止角均低于32°，球形度均大于87%，球形度较高，适合机械式排肥[25]。该文以此3种复合肥物理机械特性参数为依据进行排肥器结构参数设计。

2.2 螺旋扰动杯参数设计

螺旋扰动锥体圆盘由螺旋扰动杯与弧形锥体圆盘两核心部件组成，如图2所示，螺旋扰动杯的主要参数有扰动杯高度、螺旋扰动杯内半径、螺旋叶片外径0、内径D、螺距、厚度等。

为便于排肥器与肥箱安装，设计高度为40 mm的螺旋扰动杯位于弧形锥体圆盘上端，螺旋扰动杯内径根据农艺要求的颗粒化肥单位时间总排肥速率确定，需满足

式中为重力加速度，m/s2；为颗粒化肥穿过螺旋扰动杯的时间，s；为螺旋扰动杯内半径，mm；为颗粒化肥千粒质量，g；为农艺要求的颗粒化肥单位时间总排肥速率，g/min。

表1 颗粒化肥物理机械特性参数

注：O为坐标原点；x、y为坐标轴；O'为谷点；R为螺旋扰动杯内半径，mm；r为扰动杯内壁最下端到弧形锥体圆盘最近点与y轴的直线距离，mm；l为扰动杯内壁最下端到弧形锥体圆盘最近点，mm；L为扰动杯高度，mm；L1为扰动杯下端到谷点的距离，mm；H0为锥体圆盘高度，mm；R0为谷点半径，mm；R1为锥体圆盘外缘半径，mm；H1为离心推板与锥体圆盘上端面距离，mm；S为防切口宽度，mm；ω为锥体圆盘角速度，rad/s；δ为离送锥桶侧壁与水平面夹角，(°)。下同。

根据式（2），在管道高度确定的情况下，影响颗粒化肥流量的因素主要有扰动杯半径、颗粒化肥的三轴尺寸及千粒质量，若要满足油菜施肥的农艺要求，应取三种复合肥中千粒质量与三轴尺寸乘积的比值最小者（史丹利复合肥）的物理机械特性参数为设计依据，以最大施肥量525 kg/hm2、机器前进速度7 km/h为计算依据[30-31]，此时得扰动杯半径=9.1 mm，同时为防止因内径过小不利于肥料下移，扰动杯内半径应大于9.1 mm，因此扰动杯内直径确定为62 mm可行，该参数可实现8 000 g/min的总供肥速率，完全满足油菜直播施肥要求。

为防止化肥结拱，实现颗粒化肥的扰动，从直管上端延开始沿直管内壁周向均匀布置8个螺旋叶片，螺旋叶片外径0=62 mm、内径为D、螺距为、厚度为、圈数为n。螺旋升角是影响颗粒化肥下移的主要因素，同时也是确定螺距的重要参数，若要保证颗粒化肥在螺旋叶片扰动作用下顺利下移，螺旋升角需满足

式中为颗粒化肥休止角，(°)。

若要保证3种复合肥均能顺利下移，取休止角最大的鄂中复合肥，由式（3）得＜117.5 mm，因此设计螺距为90 mm可行。若要保证紧贴扰动杯内壁的颗粒化肥下移并为扰动杯内未与扰动杯内壁接触的颗粒化肥提供向下的摩擦力，内径D需满足

2.3 弧形锥体圆盘参数设计

弧形锥体圆盘的主要参数有谷点半径0、高度0、扰动杯下端到谷点的距离1、扰动杯内壁最下端到弧形锥体圆盘的直线距离、离心推板径向角度、防切口宽度等；根据最速降线原理，最速降线在最高点附近必然很陡，在最低点必然很平，则物体在最高点时受到的摩擦力小于在最低点时受到的摩擦力，因此卸料口下端设计成凹锥体；为了防止在锥体圆盘未转动时（即非工作状态），颗粒化肥运动到最低点从排肥口排出，在凹锥体下端外缘设计与水平面呈一定夹角的离送锥桶。因此设计的弧形锥体圆盘为一旋转抛物面，由一段抛物线和一条与抛物线连接的倾斜直线为母线绕定轴旋转一周形成，弧形锥体圆盘母线方程为

为保证结构的轻简小巧，初步设计谷点半径0为75 mm，高度0为80 mm；为使颗粒化肥从上壳体和锥体圆盘之间的间隙通过，两者之间的间隙及扰动杯内壁最下端到弧形锥体圆盘的直线距离均设计为25 mm。若要保证通过扰动杯内部的颗粒化肥可以从扰动杯下端和弧形锥体圆盘之间的间隙无滞留通过需满足

式中为扰动杯内壁最下端到弧形锥体圆盘最近点与轴的直线距离，mm。

根据式（6），单位时间通过扰动杯下端和弧形锥体圆盘之间间隙的颗粒化肥流量应不低于单位时间扰动杯内的颗粒化肥流量，因此确定应大于7.5 mm，结合式（5）知扰动杯内壁最下端在方向与弧形锥体圆盘之间的距离小于值，取为10 mm，根据式（5），当=10 mm时，确定1=60 mm。

为了保证弧形锥体圆盘转动时颗粒化肥顺利向外缘移动，弧形锥体圆盘上端面均匀布置有8个与径向呈度的离心推板。螺旋扰动锥体圆盘结构的简化图如图3，根据颗粒化肥在锥体圆盘水平方向的速度分析知，颗粒化肥以速度被抛出，相对速度V可分解为切向分速度Vsin和径向分速度Vcos，则有

整理得

注：Vr为相对速度，m/s；Vt为切向速度，m/s；V为绝对速度，m/s；γ为离心推板与锥体圆盘径向夹角，（°）。

离心推板上端面与锥体圆盘上端面距离根据上壳体和锥体圆盘之间的间隙的值确定，离心推板的高度1应小于25 mm，同时为防止颗粒化肥从离心推板上沿与上壳体间隙通过，间隙应小于2 mm，即1应大于23 mm，因此取离心推板的高度1为24 mm可行；为防止颗粒化肥发生剪切破碎，防切口宽度应大于最大颗粒化肥粒径尺寸，因此确定为6 mm；为保证排肥器在非作业状态下颗粒化肥不会沿离送锥桶外缘排出，且能够在自身重力作用下沿离送锥桶回落，离送锥桶侧壁与水平面夹角需满足>，根据3种复合肥物理机械特性参数，值应大于三者中休止角最大者，即>31.08°，因此取=35°可行，此时弧形锥体圆盘外缘半径1为110 mm。

2.4 螺旋扰动锥体圆盘转速分析

螺旋扰动锥体圆盘转速是影响排肥量稳定性的重要因素，颗粒化肥到达锥体圆盘谷底但未达到沿离送锥桶上端面上移的条件前，颗粒化肥无法上移排出，后续颗粒化肥在排肥器的转动下，受到离心力和上端肥料的压力逐渐充满肥室，可有效弥补排肥器倾斜造成的各排肥管排量差异，当锥体圆盘达到一定转速时，颗粒化肥从排肥口排出，若转速太高，易造成颗粒化肥的破碎。将上壳体与弧形锥体圆盘进行简化，选取位于上壳体与弧形锥体圆盘上端面之间的离送段肥料群微元体作为研究对象，其受力分析如图4所示。

根据受力分析建立离送肥料群微元体受力方程

式中为肥料的密度，kg/m3；d为微元体的宽度，m；为沿离送锥桶的合力，N；f为上壳体与离送肥料群的摩擦系数；为离送肥料群质量，g；为离心加速度，m/s2；f为弧形锥体圆盘上端面与离送肥料群的摩擦系数；为离心推板与离送肥料群的摩擦系数；为2处离心力与离心推板的夹角，(°)。

注：1为上壳体；2为弧形锥体圆盘上端面；2为离送微元体重心到轴线的距离，m；2为离送段上壳体与弧形锥体圆盘上端面之间的距离，m；F为上壳体对微元体的压力，N；F为上壳体与微元体的摩擦力，N；F为离心推板与微元体的摩擦力，N；F为下端肥料群对微元体的推力，N；F为弧形锥体圆盘上端面与微元体的摩擦力，N；为微元体的重力，N；F1为弧形锥体圆盘上端面对微元体的支持力，N；F为微元体的惯性离心力，N；F1为上端肥料群对微元体的压力，N。

Note: 1 is upper housing; 2 is the upper end of the cone disk;2is the distance from the body weight center to the axis, m;2is the distance between the upper housing of the delivery section and the upper end face of the arc-shaped cone disk, m;Fis the pressure of the upper housing on the micro-body, N;Fis the friction force between the upper housing and the micro-body, N;Fis the friction force between the centrifugal pushing plate and the micro-body, N;Fis the thrust of the lower fertilizer group to the micro-body, N;Fis the friction force between the upper end face of the cone disk and the micro-body, N;is the gravity of the micro-body, N;F1is the support force of the upper end of the arc cone disk to the micro-body, N;Fis the inertial centrifugal force of the micro-body, N;F1is the pressure of upper fertilizer group on micro-body, N.

图4 离送肥料群微元体受力分析

Fig. 4 Force analysis of separated fertilizer group micro-body

根据式（9）可得，颗粒化肥排出的必要条件为

根据深仓压力理论，结合式（10），假设肥箱内颗粒化肥的压力全部转化为沿离送锥桶向上对离送肥料群的推力F，则锥体圆盘在较低转速下就能满足颗粒化肥的排出条件，但此时排肥量较低。

若计算时不考虑离送肥料群受到的肥箱内颗粒化肥的压力，使离送肥料群仅在离心力作用下克服重力和摩擦力便可排出，此时颗粒化肥排量可达最高，该状态下离送肥料群受到力F、、F、F1的作用，受力方程如下

此时颗粒化肥排出的必要条件为

式中为锥体圆盘转速，r/min。

根据式（12）知，当2取值越小时，颗粒化肥排出时需要的角速度越大，根据颗粒化肥在排肥器内的运动可知，颗粒化肥到达锥体圆盘谷底后才开始沿离送锥桶上端面上移，因此取2=0=75 mm，同时将=35°、=31.08°带入式（12），结合式（13）得颗粒化肥排量最大时排肥器锥体圆盘的速度为158 r/min，在实际排肥过程中，离送段肥料群必定受到肥箱内颗粒化肥的压力转化成的沿离送锥桶向上的推力F的作用，因此锥体圆盘在158 r/min的较低转速时，便可实现排肥器的最高排肥量，实现低损排肥。由式（10）、（12）、（13）知，影响颗粒化肥排量大小的因素有离送锥桶侧壁与水平面夹角、锥体圆盘转速、颗粒化肥的物理机械特性等有关，因此在后续试验中主要对锥体圆盘转速及不同颗粒化肥对排肥性能的影响进行分析。

3 排肥性能台架试验

3.1 试验材料与装置

为了验证排肥器排肥性能及对不同肥料的适应性，本试验以中国农资复合肥、史丹利复合肥、鄂中复合肥为试验材料。应用自制的排肥装置试验台开展排肥性能试验研究，排肥装置试验台如图5所示。

1.肥箱 2.台架 3.排肥器 4.排肥管 5.联轴器 6.调速器 7.电源 8.电机 9.接肥盒

3.2 试验设计

为分析排肥器8个排肥管排出颗粒量的一致性、相同条件多次试验下的同一排肥管排出颗粒量的稳定性以及相同时间下总排肥量的稳定性，通过初步仿真试验，颗粒化肥在排肥器锥体圆盘转速60 r/min即可实现排出，但该速度难以满足农艺要求的施肥量要求，当转速在130 r/min时，即可实现600 kg/hm2的施肥量，完全满足油菜施肥量要求。同时为适应不同施肥量要求，分别对中国农资复合肥、史丹利复合肥、鄂中复合肥开展了排肥器锥体圆盘转速单因素试验，锥体圆盘转速为80、90、100、110、120、130 r/min，共6个水平，利用速为SW6234C激光测速仪测定。试验以各行排量一致性变异系数、排肥量稳定性变异系数与同行排量一致性系数为评价指标[32]。试验以中华人民共和国农业行业标准NY/T1143-2006播种机质量评价技术规范中排肥量变异系数为评价依据[33]（各行排肥量一致性变异系数≤13%；排肥量稳定性变异系数≤7.8%）。各行排量一致性变异系数、同行排量一致性变异系数与排肥量稳定性变异系数可由公式（14）、（15）求得。

式中若为排肥管个数(=8)；为个排肥管排出肥料质量的平均值，g；x为第个排肥管排出的肥料质量，g；此时CV为各行排量一致性变异系数，%。若为试验次数(=3)；为各排肥管次试验排出肥料质量的平均值，g；x为第次试验各排肥管排出的肥料质量，g；此时CV为同行排量一致性变异系数，%；100%-CV为同行排量一致性系数，%。若为试验次数(=3)；为总排肥速率，g/min；x为第次1 min内的总排肥量，g；此时CV为排肥量稳定性变异系数，%。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 排肥器排肥性能分析

中国农资复合肥、史丹利复合肥、鄂中复合肥3种复合肥在锥体圆盘不同转速下的各行排量一致性变异系数与排肥量稳定性变异系数试验结果如表2所示。在相同锥体圆盘转速下，供肥速率由高到低依次为史丹利复合肥、中国农资复合肥、鄂中复合肥，这主要与化肥的球形度及容重有关；3种复合肥最低转速下各行排量一致性变异系数均满足行业标准要求，满足排肥质量要求，播种施肥机械田间作业速度一般在3.5 km/h以上，为满足施肥量要求，根据行供肥速率数据，锥体圆盘转速应大于100 r/min，该条件下各行排量一致性变异系数在8%以下。不同转速不同物理机械特性化肥条件下的排肥量稳定性变异系数在6.3%以下，且不同转速下排肥量稳定性变异系数以鄂中复合肥最高，中国农资复合肥次之，史丹利复合肥最低，排肥量稳定性变异系数与锥体圆盘转速呈负相关关系。3种复合肥台架试验结果均满足行业标准要求，说明排肥器对不同物理机械特性的化肥均具有较好的适应性，同时排肥器具有较好的排肥均匀性和稳定性。

同行排量一致性系数是衡量排肥量稳定性的重要指标，是各排肥管道持续精量供肥的保障，锥体圆盘依次转过1～8排肥口，同行排量一致性随锥体圆盘转速分析结果如图6。由图6可知，3种复合肥的同行排量一致性系数随锥体圆盘转速增加而增加；当转速小于100 r/min时，三者同行排量一致性系数随转速增加趋近相同，在转速为100 r/min时三者同行排量一致性系数相差最小，随转速继续增加，三者同行排量一致性系数差异有所增大；3种复合肥中以史丹利复合肥的同行排量一致性系数最高，中国农资复合肥除在排肥器低速转动时，个别排肥管同行排量一致性系数较低，其余排肥管同行排量一致性系数均较高，鄂中复合肥的同行排量一致性系数是三者中较低的，但最低同行排量一致性系数高于93%，且当转速在100 r/min以上时，同行排量一致性系数高于96%，根据试验结果可知，排肥器具有较高的排肥量稳定性，同时对三种复合肥均具有较好的适应性。

表2 排肥器排肥性能结果

3.3.2 排肥器倾斜状态适应性分析

由于田间状况复杂，油菜直播施肥机械在田间作业时，无法保持水平状态作业，导致机器倾斜影响排肥均匀性，为验证排肥器倾斜状态的排肥性能，开展排肥器在倾斜状态的试验。根据前述试验结果可知，当锥体圆盘转速为100、110、120 r/min时，供肥速率能够满足极大部分油菜直播施肥机械的施肥量要求，综合考虑田间状况以及机械自身的浮动作用，田间状况引起的机器倾斜角度在5°以内，因此开展常用史丹利复合肥在排肥器倾斜5°，锥体圆盘转速为100、110、120 r/min时各排肥管排肥量的试验，试验结果如图7所示。

注：1～8为排肥管编号，下同；等值线代表同行排量一致性系数。

注：CV为各行排量一致性变异系数；等值线代表各行排肥量，g。

根据图7可知，排肥器在倾斜状态下的各行排量一致性变异系数随转速增加逐渐减小；在低速时，位于较高位置排肥管排出的肥量明显低于位于较低位置排肥管排出的肥量，随转速增加两者排肥量差距缩小；转速在100 r/min时，排肥器倾斜状态下各行排量一致性变异系数为9.82%，满足排肥质量要求，说明排肥器在倾斜状态仍具有较好排肥性能。

3.3.3 施肥行数适应性分析

本文设计的排肥器可同时满足8行施肥要求，但为了满足不同作业幅宽、不同施肥行数的要求，有时需要关闭部分排肥口[34]，为验证排肥器对施肥行数的适应性，开展史丹利复合肥在排肥器锥体圆盘转速为100、110、120 r/min时分别堵塞1、2、3个排肥口时其余排肥管排肥量的试验，试验结果如图8。

注：1～8为排肥管编号；等值线代表排肥量，g。

从图8中可以看出，当速度较低时，进入堵塞排肥管的下一个排肥管的化肥量较大，其余排肥管内肥量基本一致，各排肥管肥量差异较小；当速度较高时，进入堵塞排肥管的上一个排肥管的化肥量较大，且与其它排肥管排出的化肥量差异较大，其余排肥管内肥量基本一致；随堵塞管数及锥体圆盘转速的增加，进入堵塞排肥管的上一个排肥管的化肥量与其余排肥管的肥量差异更加明显。根据上述分析可知，该排肥器若应用在低于8行的窄幅施肥机械上时适应性较差。

4 田间试验

为了验证台架试验结果，进一步检验螺旋扰动锥体离心式排肥器排肥性能，于2019年7月29日在监利县试验示范基地开展的田间排肥性能试验如图9所示，前茬作物为小麦，颗粒化肥选用史丹利复合肥，将排肥器安装于油菜直播机上，配套动力为雷沃欧豹M824-A型拖拉机，在拖拉机高二档和低二档条件下开展试验。试验中采用拖拉机12 V蓄电池作为电源，为排肥器直流电机提供动力，直流电机调速器控制排肥器转速，转速分别为100、110、120 r/min，每次试验机器连续行驶100 m，在肥管末端安装接肥袋，每组重复试验3次，试验结果如表3所示。试验中均未出现排肥器断流、堵塞等现象，说明排肥器具有较好的排肥流畅性。

1.颗粒化肥 2.直流电机调速器 3.排肥器 4.肥箱 5.油菜直播机 6.电源线 7.拖拉机 8.双圆盘开沟器 9.肥管 10.施肥铲

由表3中数据可知，排肥器同行排量一致性系数大于93.5%，且随锥体圆盘转速增加而增加，相同档位低速状态下的下同行排量一致性系数高于高速状态下的下同行排量一致性系数；排肥器各行排量一致性变异系数低于7.9%，且随锥体圆盘转速增加而减小，在锥体圆盘转速相同时，相同档位低速状态下的各行排量一致性变异系数低于高速状态下的各行排量一致性变异系数，主要与拖拉机在田间高速行驶时摇摆幅度较大有关，但相同档位高、低速状态的各行排量一致性变异系数差异并不明显，说明排肥器能较好的弥补机具倾斜、震动及摆动对排肥性能的影响；排肥量稳定性变异系数随锥体圆盘转速增加有所减小，且排肥器排肥量稳定性变异系数在5.3%以下，说明排肥器在复杂田间状况作业时具有较好的排肥量稳定性。

由于田间作业状况复杂，田间试验结果较台架试验结果有偏差，但相差较小，且田间试验结果均满足行业标准要求，说明排肥器排肥稳定可靠，对于复杂田间状况有较好的适应性，满足油菜直播排肥质量要求。

表3 螺旋扰动锥体离心式排肥器田间排肥性能分析

5 结 论

本文通过对现有排肥器的分析，设计了一种螺旋扰动锥体离心式排肥器，阐述了排肥器的设计原则和工作原理，基于颗粒化肥的物理机械特性与油菜施肥量要求确定了螺旋扰动杯和弧形锥体圆盘的结构参数，并通过台架试验和田间试验验证了排肥器排肥性能的流畅性、均匀性、稳定性。

1）排肥器台架试验结果表明，三种复合肥的各行排量一致性变异系数在11.5%以下；不同转速、不同物理机械特性化肥条件下的排肥量稳定性变异系数低于6.3%，同行排量一致性系数在93%以上；转速较低时，排肥器倾斜状态下各行排量一致性变异系数为9.82%，满足排肥质量要求。

2）排肥器田间试验结果表明，同行排量一致性系数高于93.5%，各行排量一致性变异系数低于7.9%，排肥量稳定性变异系数在5.3%以下，且作业过程未出现断流、堵塞等现象，说明排肥器具有较高的排肥均匀性、稳定性和流畅性，满足精量施肥要求。

本研究重点是对颗粒化肥集排器开展理论分析，并以复合肥为试验对象对排肥器排肥性能进行了试验研究，未进行吸湿性较强的化肥对排肥性能影响的分析。本研究设计的排肥器对吸湿性较强化肥的适应性尚需进一步分析，同时后续将开展排肥装置的随速控制及施肥量实时监测系统的研究。

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Design and experiment of spiral disturbance cone centrifugal fertilizer apparatus

Liu Xiaodong, Ding Youchun※, Shu Caixia, Liu Weipeng, Wang Kaiyang, Du Chaoqun, Wang Xuping

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

The problem of environmental pollution caused by excessive use of chemical fertilizers has seriously restricted the sustainable development of green-oriented agriculture in China. Quantitative and uniform mechanized fertilization as an important measure to improve the utilization rate of chemical fertilizers and reduce the amount of chemical fertilizers has become an important way to solve agricultural environmental pollution. In this paper, a spiral disturbance cone centrifugal chemical fertilizer apparatus was designed to solve the problem of precision fertilization due to the insufficient fluency and stability of the fertilizer apparatus fertilizing processes and insufficient uniformity of fertilizer discharge. First of all, the design principles and working principles of the fertilizer apparatus is illustrated. Then the structural parameters of the spirally disturbance cup and curved cone disk are designed, based on the physical and mechanical properties of the granular fertilizer and the requirement of fertilization for rapeseed sowing. Moreover, fluency, uniformity and stability of the fertilizing performance are verified by bench test and field test. The SINO-AGRI fertilizer, STANLEY fertilizer and EZHONG fertilizer are respectively used as experimental materials to carry out the bench test of the fertilizer apparatus. The rotational speed of cone disc measured by SW6234C laser speedometer, there are total 6 levels, are 80, 90, 100, 110, 120, 130 r/min. Coefficient of variation of fertilizing amount consistency in every row, the coefficient of variation of fertilizing amount stability and coefficient of fertilizing amount consistency in same row are used as the evaluation index in the bench test for evaluating fluency, uniformity and stability of the fertilizing performance. The test results of bench show that the variation coefficient of fertilizing amount in every row of three compound fertilizers is below 11.5%. The coefficient of variation of fertilizing stability under chemical fertilizer conditions with different rotational speeds and physical and mechanical properties is below 6.3%, and the variation coefficient of fertilizing amount in same row is above 93%. Therefore, the fertilizer apparatus meets the quality requirements of fertilizer discharge. Meanwhile, variation coefficient of fertilizing amount in every row is 9.82% when the rotational speed of cone is low and the fertilizer apparatus is tilted, that means that the fertilizer apparatus still has better fertilizing performance in the inclined state. The adaptability applied to a narrow-width fertilizing machine of less than 8 rows is weak. The cone disc is successively rotated through the 1 to 8 row of fertilizer tube. When the rotational speed of cone disc is low, the next discharge tube of the blocked fertilizer pipe has a larger amount of fertilizer, the amount of chemical fertilizer in the other fertilizer pipes is basically the same, and the difference in the amount of fertilizer discharged from each row of fertilizer pipes is small. While the rotational speed of cone disc is high, the previous discharge tube of blocked has a larger amount of fertilizer, the difference between the fertilizing amount of this discharge tube and other discharge tube is larger, the amount of fertilizer in the other fertilizer tube is basically same. Furthermore, the field test was carried out to verify the fertilizing performance of the spiral disturbance cone centrifugal fertilizer apparatus. The results of field experiment show that the variation coefficient of fertilizing amount in every row is below 7.9%, the coefficient of variation of fertilizing stability is below 5.3%, the variation coefficient of fertilizing amount in same row is above 93.5%. This research provides effective technical support for chemical fertilizer reduction and precision fertilization.

agricultural machinery; design; experiments; fertilizer apparatus; spiral disturbance; centralized metering device; fertilizing performance

刘晓东，丁幼春，舒彩霞，刘伟鹏，王凯阳，杜超群，王绪坪. 螺旋扰动锥体离心式排肥器设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：40－49. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.006 http://www.tcsae.org

Liu Xiaodong, Ding Youchun, Shu Caixia, Liu Weipeng, Wang Kaiyang, Du Chaoqun, Wang Xuping. Design and experiment of spiral disturbance cone centrifugal fertilizer apparatus[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 40－49. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.006 http://www.tcsae.org

2019-09-14

2019-12-26

国家重点研发计划项目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）；作者简介：刘晓东，博士生，主要从事现代农业装备设计与测控研究。Email：17863963882@163.com

丁幼春，博士生导师，主要从事油菜机械化生产智能化技术与装备研究。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.006

S224.21

A

1002-6819(2020)-02-0040-10