稻田气力式变量施肥机关键部件的设计与试验

齐兴源，周志艳，2※，杨 程，罗锡文，2，谷秀艳，臧 禹，刘武兰

（1.华南农业大学工程学院/广东省农业航空应用工程技术研究中心，广州 510642；2.南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128）

稻田气力式变量施肥机关键部件的设计与试验

齐兴源1，周志艳1，2※，杨 程1，罗锡文1，2，谷秀艳1，臧 禹1，刘武兰1

（1.华南农业大学工程学院/广东省农业航空应用工程技术研究中心，广州 510642；2.南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128）

目前在水稻的机械追肥作业中以离心圆盘式撒肥机为主，该方式在作业幅宽方向上的撒施均匀性不稳定，且难以实现作业幅宽方向上的变量施肥。为了满足水稻变量追肥作业的需要，达到化肥减施增收的目的，设计了一种外槽轮式排肥、以空气流为肥料输送和撒播动力的稻田气力式变量施肥机。文章对该机器的关键部件进行了仿真和测试试验，研究了排肥轮转速与排肥量之间的相关关系，并对排肥管道长度对排肥出口风速与排肥滞后时间的影响、排肥管出口相对高差对排肥滞后时间的影响进行了试验。试验结果表明：排肥轮转速与排肥量之间存在极显著的线性相关关系，相关系数R2=0.998，调节排肥轮转速可以较精确的调节施肥量的大小，在变量作业时，结合施肥量的需求及施肥机具的前进速度，对排肥轮的转速进行实时调节，从而达到变量施肥的目的。当机具前进速度为1 m/s，排肥轮转速在10～40 r/min之间变化时，单凭转速调节可实现每公顷施肥量在40～200 kg范围内的变量调节，此外，各排肥口的排肥量误差小于±5%，基本上达到了施肥均匀性的要求。文章还研究了排肥管道长度及安装高差对排肥滞后时间的影响，结果表明：排肥管道长度对排肥出口风速有显著影响，排肥管长度和出口安装的高差对排肥滞后性亦有显著的影响，因此，为了尽可能减小因排肥滞后对排肥均匀性的影响，应避免排肥管过长，并尽量使排肥管出口不高于入口。该研究为进一步的样机制造和优化提供了依据。

作物；农业机械；设计；稻田；气力式；变量施肥；外槽轮排肥；肥料输送

齐兴源，周志艳，杨 程，罗锡文，谷秀艳，臧 禹，刘武兰.稻田气力式变量施肥机关键部件的设计与试验[J].农业工程学报，2016，32（6）：20-26.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.003 http://www.tcsae.org

Qi Xingyuan,Zhou Zhiyan,Yang Cheng,Luo Xiwen,Gu Xiuyan,Zang Yu,Liu Wulan.Design and experiment of key parts of pneumatic variable-rate fertilizer applicator for rice production[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE）,2016,32(6):20-26.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.003 http://www.tcsae.org

0 引言

水稻是中国南方的主要粮食作物，在水稻生长的不同阶段，都需要依据作物情况进行追肥作业，在整个生长季中，水稻通常需要追肥2次以上，分别为分蘖期[1]与幼穗形成期[2]为佳。而水稻在分蘖期以后，水稻逐渐封行，植株较高，进行入土施肥、侧入深施肥等入土性施肥作业比较困难，通常施行地表追肥作业[3]。传统追肥作业方式以人工撒施为主，行走不方便，播撒不均匀，并且劳动强度大。目前机械追肥主要以离心圆盘式撒肥机为主[4]，以高速旋转的圆盘为动力，肥料在离心力作用下被撒出[5]。如律凯等设计的抛撒式水稻苗期施肥机[6]，可用于常用的尿素、氮素、复合肥和专用肥等肥料撒施，但由于肥料自身物料特性，容易受田间环境影响（尤其是风），追肥作业进行施肥量的精准控制比较困难，同时在作业幅宽方向上的均匀性得不到保证[7]。高静华设计了摆管式撒肥机[8]，李鹏[9]和张李娴[10]对其进行了仿真与撒肥机理的研究，模拟人手臂摆动进行撒施，有效的结合了机具前进速度进行撒施速度控制，均匀性比圆盘式撒肥机有所提升，但作业幅宽不太理想[11]。按需施肥是精准农业的重要内容[12-13]，国外已有一些比较成熟的变量施肥作业机械[14-15]。约翰迪尔开发了一款气吹式种肥车，主要用于种肥撒施[16]。国内对稻田气力式变量施肥机械的研究较少[17]。谢宇峰等人研制了高速宽幅气送式集排精量播种施肥机，利用了气流进行输肥与分肥作业，但该机型需配套300马力以上的拖拉机，在稻田尤其是南方小面积的水田中使用受到较大限制[18]。

上述地表追肥机械的排肥器主要有外槽轮式[19]、离心圆盘式[20-22]、链条式[23]、螺旋式、振动式以及星轮式等[24-25]，其中外槽轮式应用最广泛[26]。该排肥器结构简单、施肥均匀较好[27]，但目前的施肥机大都采用所有排肥轮联动的方式，没有实现单个排肥轮的排肥量独立控制[28-30]，以及作业幅宽方向上的远距离输送。此外，肥料输出后，其输送方式多以重力自流为主，肥料进入地表的位姿较难控制[4，31]。

为了满足水稻变量追肥作业的需要，设计了一种外槽轮式排肥、以空气流为肥料输送和撒播动力的稻田气力式变量施肥机，并对关键部件进行了仿真和测试试验，以期为进一步的样机制造和优化提供依据。

1 气力式变量施肥机的结构与工作原理

气力式变量施肥机主要由肥箱、外槽轮排肥器、气流肥料混合接头、气流分流箱、排肥管等部件组成，其结构如图1所示。

图1 气力式施肥原理示意图Fig.1 Principle diagram of pneumatic variable-rate fertilizer applicator

空气流由风机提供，如图1中箭头所示方向，从气流入口进入分流箱，由C处将气流分流后经过小孔流向D。打开肥料挡板开关后，肥料从肥箱进入A腔，由顺时针旋转的排肥轮将肥料排出，通过通道B落入气流肥料混合接头，在D处高速的气流作用下，肥料和气流的二相混合物经过排肥管排出，完成施肥过程。

为了防止肥料从排肥轮侧边流出，在每个排肥轮两侧各加一个挡板，施肥机整体由多个排肥轮组成，排肥管可以水平延伸至4 m外，在保证排肥均匀性的前提下，实现宽幅作业，提升作业效率。

为了方便测试施肥机的性能，本文所用的试验装置共设计了4个排肥口，以便于进行对比试验。

2 气力式变量施肥机关键零 部件设计

2.1 交错直齿式排肥轮的设计

传统的外槽轮式排肥器主要是采用直通齿型[32-33]，通过改变工作齿宽的大小来改变排肥量[34]。本文设计采用改变排肥轮转速的方式来改变排肥量，要求排肥轮在进行排肥作业时具有良好的连续性，其结构如图2所示。

该槽轮采用固定工作宽度，在传统外槽轮的基础上，设计两排排肥齿，并呈交替排列，工作时，交替排列的排肥齿能够有效的减小排肥时的波动性[35]，从而使排肥量更加均匀。传统直齿外槽轮排肥器排肥时的波动呈现波峰波谷周期性变化[36]，改为交错直齿外槽轮后，左右两侧的排肥齿单独呈现的波形图相差半个周期，叠加后极大值与极小值的差值明显减小。

图2 交错直齿式排肥轮Fig.2 Staggered straight-tooth fertilization wheel

2.2 气流肥料混合接头的设计

气力式施肥机的肥料传送过程依靠气流高速流动产生动力，将肥料水平输送一段距离后排出，同时，肥料在具有一定速度的情况下排出排肥管，利用出口处的挡肥板可以将肥料按一定的形态散落。肥料在与气流混合的过程中，首先在气流作用下加速运动，达到平衡时，随气流流动排出，肥料和气流混合的节点设计关系到肥料是否能够顺利排出以及气流是否损失。其结构如图3所示。

图3 气流肥料混合接头Fig.3 Mixed joint of air and fertilizer

气流从入口经过小孔进入混合接头，在固定流量下，流体的流速与管道横截面积成反比，即：

式中v为气流流动速度，m/s；Q为气体总流量，m3；S为气体通过管道的横截面积，m2。

将气流入口处设计为锥形小孔，减小壁面对气流的阻力。首先，气流通过小孔后，由公式（1）可知，气流获得较大的初速度，从落肥口落入的肥料能在更短的时间内获得较大速度，如图4a相对图4b混合腔内气流速度明显提升，有效的防止了混合接头的堵塞；其次，气流在通过小孔流入较宽敞的混合腔时，由于气流速度大，巨大的速度差和压力差，使得落肥口的气流被吸入混合腔，肥料从落肥口进入混合腔更加容易，而图4b所示直通管道还会有气流从落肥口反向流出，不利于肥料落入混合腔；此外，由于每个气流入口都是分流箱的气流出口，对于整个分流箱来说，气流入口与气流出口相差较大，并且入口气流源源不断的供应，在分流箱内部就形成了一个气压略高于外界的相对高压场，让分流箱内部的流体在各个出口的流量达到平衡，保证了每个出口气流场的稳定性。

图4 小孔对气流肥料混合接头气流场的影响对比Fig.4 Influence of small hole to airflow field in mixed joint

2.3 气流分流箱的设计

分流箱的目的是能够将气流尽可能均匀的在各个出口排出，如图1中所示，气流分流箱的气流入口处厚度尺寸大于各分流口的尺寸，而如图5中所示，在宽度上，入口处宽度又远小于分流口宽度，宽度和厚度协同作用下，气流能够初步进行分流。其中，图5中所示气流分流箱的入口内径为55 mm，图5a中的小孔即为气流肥料混合接头小孔结构，小孔出口内径为12 mm，图5b中出口即为无小孔结构气流混合接头，出口内径为21 mm。

如图5a所示，气流肥料混合接头采用小孔结构时，分流箱腔体中的平均压力达到110 400 Pa，最大压力与最小压力差为3 000 Pa。如图5b所示，气流肥料混合接头未采用小孔结构时，分流腔中的平均压力为101 550 Pa，最大压力与最小压力差小于100 Pa。压力差越大，越能够使各出口出风量趋于平均[37]。从流动迹线来看，有小孔时分流腔腔体内流迹线更规整，形成的回流场更少，气流均匀性相对较好，对气体流动的阻碍更小。

图5 混合接头小孔对气流分流箱流动迹及内部气压影响图Fig.5 Influence of small hole in mixed joint to pressure of air divider box

3 气力式变量施肥机性能测试试验

3.1 测试方法

试验所用肥料为复合肥（氮磷钾含量质量比值为15∶6∶15，总养分≥36%，深圳市芭田生态工程股份有限公司），容质量为10 023 N/m3，粒径2～4 mm大于90%。通过测试试验分别测量无肥料时不同长度排肥管道出口风速、排肥轮不同转速下对应的排肥量、不同管长对应的排肥滞后时间以及不同高度对应的排肥滞后时间。参照标准《NJ/ T 2013-0608气力式肥料变量播撒系统技术及评价方法》进行试验[38]。

试验中均采用750 W漩涡风机正压输出作为空气动力源，恒流输出量110 m3/h，气流分流箱中压为110 kPa，风机出口内径55 mm。

3.2 结果及分析

3.2.1 不同长度排肥管道出口风速

为了保证肥料撒施的均匀性，需要把管道的排肥口均匀分布在两侧的桁架上，不同管道出口到施肥机的气流肥料混合接头距离不等，因此每条排肥管的长度也不相同。

首先对未安装排肥管时气流肥料混合接头对应的4个出口的风速（用v1表示）进行测试，随后对安装排肥管之后的出口风速（用v2表示）进行测试，试验结果见表1。

综上所述,全面有效的护理干预,能够提高支气管哮喘的临床治疗效果,缓解无力、呼吸困难等症状,改善睡眠,提高护理满意度,提高患者的生活质量,具有临床价值。

表1 不同长度排肥管道出口风速Table 1 Air velocity of pipeline outlet in different length

由表1可以看出，由于气流肥料混合接头中小孔的出口的设计，使得在出口处的风速达到较大值，并且风速在气流肥料混合接头处各个出口的分布比较均匀。

对安装排肥管之后的风速进行线性回归分析，以风速v2为因变量，以管长l为自变量，分析结果的显著性值sig.=0.006，R2=0.989。因此，管长与风速之间存在线性关系，关系式为：

式中v2为管道出口风速，m/s，l为管道长度，m。

经分析，在未安装排肥管时，各出口风速的均值为20.08 m/s，方差值为0.043，各出口风速均匀性良好。安装排肥管之后，各出口风速与管长度呈现出线性变化关系，其显著性值小于0.01，说明管长对出口风速产生极显著影响。

3.2.2 排肥轮转速与排肥量的关系

测定排肥轮转速与排肥量之间的对应关系，是实现施肥变量控制的基础数据。设计了4种不同的排肥轮转速，同时对每个排肥口每分钟对应的排肥量进行了测量，每次测量的结果取3次重复的平均值，测量结果如表2所示。

表2 不同排肥轮转速对排肥量的影响Table 2 Fertilizer sowing amount in different rotational speed

表3是每个转速下各排肥口的排肥量的t检验结果，从表中可看出，所有检验值均在差分的95%置信区间内，依据标准《NJ/T 2013-0608气力式肥料变量播撒系统技术及评价方法》，说明各排肥口排肥量的均匀性满足设计要求。

以排肥轮转速作为自变量，排肥量作为因变量，进行线性回归分析，对相关参数进行拟合，分析结果的显著性值sig.<0.001，R2=0.998。因此，排肥轮转速与排肥量的线性拟合结果为极显著，拟合方程为：式中Q为单个排肥轮每分钟的排肥量，g；n为排肥轮每分钟转速，r/min。

表3 各排肥口排肥量t检验结果Table 3 T-test result of each outlet’s fertilizer sowing amount

式中M为每公顷施肥总量，g；T为指定作业条件下的作业时间，min。

在该条件下，本试验装置共4个排肥口，若取b=1 m，v=1 m/s，则每公顷施肥量可通过排肥轮转速实现40～200 kg范围内的变量调节，结合不同机具前进速度还可实现更大范围的施肥量调节。

3.2.3 排肥管长度对排肥滞后时间的影响

肥料经过输肥管水平输送一定距离后才能排出，不同长度的输肥管道对于肥料排出后的滞后时间具有一定影响。测试时，保持排肥管出口与入口在同一水平面，当肥料从排肥槽落下进入气流肥料混合接头时，开始计时，肥料从排肥管出口排出后碰到出口处的挡板时结束计时，测试结果如表4所示。

表4 排肥管长度对排肥滞后时间的影响Table 4 Influence of pipeline length to fertilize delay time

排肥管道越长，肥料在管道中滞留的时间就越长，排肥时间的延迟，对于施肥的均匀性有一定影响。为便于后续进行变量施肥控制时进行修正，对排肥管长度与排肥滞后时间进行线性回归分析，分析结果的显著性值sig.= 0.005，R2=0.990。因此排肥管长度与排肥滞后时间线性拟合结果为极其显著，拟合方程为：

式中Δt1为排肥滞后时间，s；l为排肥管长度，m。

3.2.4 排肥管出口高差对排肥滞后时间的影响

前文已经验证当排肥管出口与入口在同一水平面时，排肥管长度与排肥滞后时间之间呈显著线性关系。由于排肥管安装过程中，难免出现出口与入口出现高差的现象，需要测试排肥管出口高差（即排肥管出口与入口之间的高度差）对排肥滞后时间是否有影响。为了保证因素单一，也为了便于计时更准确，将排肥管长度固定为4 m进行测试试验，排肥管出口高差设置了5个梯度，测试结果如表5所示。

表5 排肥管出口高差对排肥滞后时间影响Table 5 Influence of outlet height difference to fertilize delay time

表6是对排肥管出口高差与排肥滞后时间进行线性与二次回归分析的结果。

表6 排肥口相对高度与滞后时间分析结果Table 6 Analysis result of outlet height and fertilize delay time

从表6可看出，排肥管出口高差与排肥滞后时间之间的二次回归拟合度非常高，拟合结果为极显著，其拟合方程为：

式中Δt2为排肥滞后时间，s；h为排肥管出口高差，cm。

随着排肥管出口高差的加大，气流对肥料做功增多，管内的肥料颗粒对气流的阻力变大，导致排肥滞后时间增加。因此，在排肥管道的安装过程中，尽量保持出肥口高度不要高于入口是降低排肥滞后时间的有效途径，本机设计的排肥管布置以水平输送肥料为主，可以有效地降低排肥管高度对排肥滞后时间的影响。

4 结论

设计了一种外槽轮式排肥、以空气流为肥料输送和撒播动力的稻田气力式变量施肥机，通过对关键部件进行仿真和测试试验，得出如下结论：

1）排肥轮转速与排肥量之间存在极显著的线性相关关系，相关系数R2=0.998，因此，可以通过排肥轮转速来控制排肥量，在变量作业时，结合施肥量的需求及施肥机具的前进速度对排肥轮的转速进行实时调节，从而达到变量施肥的目的。当机具前进速度为1 m/s，排肥轮转速在10～40 r/min之间变化时，单凭转速调节可实现每公顷施肥量在40～200 kg范围内的变量调节，此外，各排肥口的排肥量误差小于±5%。对照标准《NJ/T 2013-0608气力式肥料变量播撒系统技术及评价方法》，各排肥口排肥量的均匀性能满足设计要求。

2）排肥管道长度对排肥出口风速有显著影响，排肥管长度和出口安装的高差对排肥滞后性亦有显著的影响，因此，为了尽可能减小因排肥滞后对排肥均匀性的影响，应避免排肥管过长，并尽量使排肥管出口不高于入口。

3）通过在气流肥料混合接头的气流入口处采用小孔结构，所形成的气流场更有利于肥料下落和加速，同时也有利于提高分流箱内的压力，保证气流的分配更均匀。

采用本文所设计的气力式变量施肥机，可实现单个排肥轮的排肥量独立控制，借助气流可在作业幅宽方向上实现肥料的远距离输送，相对于离心圆盘式撒肥机，即能保证在幅宽方向上肥料撒施的变量控制，又能确保在特定施肥量要求下具有较好的均匀性，具有良好应用前景。当然，影响肥料出口散落均匀性的因素还有很多，例如出口处促进肥料散落的挡板形状的设计、管道长度以及排肥量等，这些因素的影响以及最佳作业参数的确定还有待进一步研究。

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Design and experiment of key parts of pneumatic variable-rate fertilizer applicator for rice production

Qi Xingyuan1,Zhou Zhiyan1,2※,Yang Cheng1,Luo Xiwen1,2,Gu Xiuyan1,Zang Yu1,Liu Wulan1
（1.College of Engineering,South China Agricultural University/Engineering Research Center for Agricultural Aviation Application(ERCAAA), Guangzhou 510642,China;2.Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in South China,Changsha 410128,China）

Variable-rate fertilizer applicator is one of the most important machines of precision agriculture.Nowadays,the main machine for topdressing in rice is centrifugal disc distributor,and this machine has a better width,but has an unstable spread uniformity at the direction of working width,and most of them also cannot fertilize with a variable rate at the working width direction.In order to satisfy the needs of variable-rate fertilizer application in rice,and use less fertilizer to produce more yield,a pneumatic variable-rate fertilizer applicator for rice production,which used outer groove-fertilizer-wheel and pneumatic fertilizer spreader,was designed.Firstly,the simulation of the key components of the variable-rate fertilizer applicator was carried out to optimize the structure of the mixed joint and the air divider box under the following initial boundary conditions:the inlet gas velocity was 12 m/s,the inlet gas volumetric flow of air divider box was 0.03 m3/h,and all the testing components were under the same pressure in outlet and environment.The results indicated that the small keyhole structure not only improved the average pressure in air divider box and the uniformity of airflow dividing,but also promoted the fertilizer falling for mixed joint of air and fertilizer.Secondly,a series of testing experiments of the key components of the variable-rate fertilizer applicator were carried out to investigate the correlation between the rotating speed of fertilization wheel and the amount of fertilizer application under the following conditions:use the mixed joint with small keyhole structure, the inlet gas velocity was 12 m/s and the air divider box pressure was 110 kPa.The results showed that there was a significant linear relationship between the rotating speed of fertilization wheel and the amount of fertilization,and the correlation coefficient was up to 0.998.Adjusting the rotating speed of fertilization wheel could accurately adjust the amount of fertilization.In other words,it could achieve the purpose of variable fertilization by real-time control the rotating speed of fertilization wheel combined with the fertilization demand and the forward speed of fertilizing machine.The variable amount of fertilization could be reached in the range of 40-200 kg per hectare when the forward speed of fertilizing machine was 1 m/s and the rotating speed of fertilization wheel was in the range of 10-40 r/min.And the errors of fertilizer application amount for each fertilizer ejector′s outlet was less than±5%,which basically reached the requirements of fertilization uniformity.Finally, the impacts of the fertilizer pipeline length and installation height difference on the fertilization outlet velocity and lag time were studied when the inlet gas velocity was 12 m/s and the air divider box pressure was 110 kPa.The results showed that the fertilizer pipeline length and installation height difference had a significant effect on the fertilizer ejector′s outlet velocity and fertilization lag time.Therefore,in order to minimize the influence of fertilization lag time on fertilization uniformity,the fertilizer pipeline length should not be too long,and it is also suggested that the fertilizer ejector′s outlet is not higher than the inlet in order to reduce the impact of installation height difference.This study provides a basis for further prototyping and optimization of the pneumatic variable-rate fertilizer applicator.

crops;agricultural machinery;design;paddy field;pneumatic;variable rate fertilizer;fertilization wheel; fertilizer transport

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.003

S

A

1002-6819（2016）-06-0020-07

2015-12-08

2016-02-02

“十二五”国家“863”计划项目（2012AA101901-3）

齐兴源，男（汉族），甘肃酒泉人，主要从事作物变量施肥机具的研究。广州 华南农业大学工程学院，510642。Email：529155434@qq.com※通信作者：周志艳，男（汉族），湖南永州人，博士，教授，主要从事精准农业关键技术研究。广州 华南农业大学工程学院，510642。

Email：zyzhou@scau.edu.cn。中国农业工程学会会员（E042100021M）。