气吹集排式分肥器的研究

赵新天李飞李洪刚袁洪印赵文罡

(1.吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022；2.吉林农业大学，吉林 长春 130118)

肥料是我国确保粮食安全的战略物资，更是农业发展和持续的物质基础[1]。近年来，我国农业高速发展，粮食产量越来越高，在这种条件下，施肥技术显得尤为重要。

1 施肥技术

现阶段使用最多的仍是传统的机械式农机化施肥技术，可分为排肥器和施肥机械2种形式。

1.1 排肥器类型

我国常用的排肥器主要还是机械式，且大致分为以下几种类型[2]。

1.1.1 圆盘转盘式排肥器

该排肥器通过改变转盘转速及调节门高度以调节装置排肥量。适合松散性比较好的化肥，施肥比较均匀，且肥料不易堆积。由于其结构阻力较大，市场受众较小。

1.1.2 外槽轮式排肥器

该排肥器通过调节槽轮长度来控制排肥量。适合松散性较好的化肥，通透性较好，结构简单，能和外槽轮式排种器通用。目前常用的机械式排肥器大多都为外槽轮式。

1.1.3 指盘式排肥器

该排肥器通过搅拌器拨齿清除排肥口黏着的化肥。适用于松散性好的肥料，设计成对数曲线形，以使化肥流动性好。由于其施肥均匀性较差，市场需求较小。

1.1.4 导板转盘式排肥器

该排肥器通过改变转盘和箱裙的间隙调节排肥量。适用于含水量较低的化肥，均匀周期性撒落，不易聚集。由于对肥料要求较高，市场推广较差。

1.1.5 星轮式排肥器

该排肥器通过调节板式调节门来控制排肥量。适合松散性好的化肥，易架空，易堵塞。目前是国内外最常用的一种排肥器。

1.1.6 螺旋式排肥器

该排肥器通过调节箱底排肥口的大小来控制排肥量。适合松散性较好的化肥，容易发生架空。因为其对肥料要求较高，市场推广比较缓慢。

1.1.7 振动式排肥器

该排肥器通过上下振动现象使吸湿性强的化肥松散，消除架空现象。适合吸湿比较强的化肥，但稳定性、均匀度差，市场需求较小。

1.2 施肥机械类型

目前，施肥机械主要有撒肥机械、种肥施用机械、液肥施用机、化学液肥施用机、厩液施用机等[3]。

1.2.1 撒肥机械

主要有全幅施肥机和气力式宽幅撒肥机2种类型。全幅施肥机按其原理可以分为2类：多叶片转盘式排肥器构成，链指装在链条上施肥。气力式宽幅撒肥机原理大致相同，利用产生的气流配合机械式排肥器高效施肥，是国外应用最广泛的集自动、电子一体化的撒肥机。

1.2.2 种肥施用机械

工作原理是利用在原有的播种机械上安装施肥机具，播种施肥同时进行。这类机具国外比较常用。

1.2.3 液肥施用机

液肥分为化学和有机2种。化学液肥有强烈的腐蚀性且容易挥发。有机液肥常有悬浮杂质，用时要过滤，目前国内已开始推广。

化学液肥施用机主要品种是液氨和氨水。液氨效果好，肥效快，但由于始终处于高压条件下，成本较高，不能很好推广。

1.2.4 厩液施用机

厩液是农业生产中的重要有机肥源。主要由日常生活中人畜产生的粪尿及沼气池产生。厩液施肥机可以分为泵式厩液施撒机和自吸式厩液施洒机2种类型。2种类型机结构简单，效率高且环境卫生。目前在国外比较常用。

2 气吹集排式分肥器的设计

针对上述传统的机械式排肥装置，存在结构阻力大、肥料损耗大、分肥不均匀、低速、低效、低宽幅等各种弊端，已不能满足高速高效的现代化农业需求，设计了一种精度更高、可靠性更强的气吹集排式分肥器，填补了我国对气力式分肥器研究的空白。

目前，此设计气吹集排式分肥器已经研发制造完成，且待进一步田间试验。

2.1 气吹集排式分肥器结构及工作原理

气吹集排式排肥器主要结构包括风机、供肥装置、气肥混合器、分肥装置、排肥管、减速电机和肥箱等。按其功能可分为4个阶段，供肥、混肥、分肥、输肥[4]。

图1 气吹集排式排肥器结构示意图

图2 气吹集排式分肥装置结构示意图

其工作原理为固体肥料在高速气流作用下，经气肥混合装置，在波纹管里拉伸挤压作用下充分混合，然后分配器将气肥混合流均匀分配到每个出口，通过排肥管和气肥分离装置，肥料被送入土壤。

2.2 分肥器主要结构设计

分析计算确定风机、波纹管、分配器壳体、分肥器旋盖、排肥口等关键部件结构参数[5]。

2.2.1 风机的设计

气吹集排式排肥过程中，风机风速的稳定性决定着施肥性能的好坏。肥料为不规则球体，在高速气流作用下成悬浮状态，通过空气阻力F与物料浮重相等公式计算出肥料颗粒悬浮速度V0，从而得出风机输送气流速度V1(输送气流速度为V1的2.6～5.0倍)：

(1)

式中，Ks为不规则形状物料修正系数；df为肥料颗粒的等效粒径，m；ρf为肥料的颗粒密度，kg·m-3；ρa为空气的密度，kg·m-3;C为绕流阻力系数；g为重力加速度，m·s-2。

2.2.2 波纹管的设计

波纹管是分肥装置的重要部件，气肥混合物经波纹管的拉伸挤压作用使其充分混合。查阅大量文献及相关手册计算出颗料在空气中悬浮速度V0、及料气输送比μ、空气流量Qa等，结合公式算出波纹管的直径：

(2)

式中，Wf为单位时间颗粒肥输送质量，μ为料气输送比，va为输送气流的速度。

2.2.3 分肥装置壳体设计

分肥装置壳体的设计要尽可能减少气肥混合物在装置中产生涡流及出入口的急剧收缩，避免引起气肥混合物的滞留等问题。所以，分肥装置壳体的设计应尽量最小化漩涡区，此设计采用改变分肥器壳体内壁形状。把出入口内壁改成曲线状，减少内部损失。

2.2.4 分配装置结构设计

分配装置是分肥装置的核心部件，其通过气流的作用将肥料高效的输送到各个排肥口，使其均匀排出。

分配器锥角是分配装置中重要参数，其角度的选择影响着分肥性能的好坏。选取几种不同锥角的旋盖，用其2种因素作为影响指标，做仿真实验并分析结果，得出最佳锥角。

分配器出入口直径，对排肥系统内部肥料颗粒的运动、风速等有着重要影响。分配器入口与波纹管相连，其直径相等。

图3 排肥系统分配装置结构示意图

由于分配器各出口的截面积之和应大于分配器入口截面积，查阅文献及相关手册，由计算公式可得各分肥器出口直径：

(3)

2.3 预期结果

研制出的八行气吹集排式分肥器比以往的机械式单行施肥器结构阻力更小，施肥更加均匀，气吹式高幅宽高效率的作业方式更加符合现代农业需求。

3 结论与展望

本文通过理论分析和参数计算，确定了气吹集排式分肥器各组成部件的结构和基本工作参数。设计的气肥分离装置，通过降低排肥口的空气流量，从而减少了排肥口处的气流速度，使分肥性能更加稳定，八行集排式排肥系统告别了传统的单行非集排式排肥装置，比以往更具高速高效化。设计出的气吹集排式分肥器解决了以往机械式排肥装置低速度、低效率、稳定性差、分肥不均匀等各种弊端，是我国现代农业农机具发展的一大进步。为适应农业科技进步，我国农机产品必须融入电子控制技术，机械自动化与电子控制技术相结合，实施机电一体化。政府应当加大科研补助力度，调动科研人员的积极性；出台一系列惠民措施，加大农机具补助力度；建立跟踪式回访制度，让农民买的开心用的放心。政府、科研人员、农民形成3方循环机制相互促进，相互监督，形成由政府引导，科技实体与社会组织积极参与，农民与企业共同建设的农业组织。通过一系列措施促进了我国农机具的发展，提高我国农业现代化水平，让我国早日成为更加机械化、智能化、信息化、现代化农业大国。