气送式排肥系统分配装置结构型式对排肥性能的影响

王 磊，廖庆喜，廖宜涛，高丽萍，肖文立，陈 慧

气送式排肥系统分配装置结构型式对排肥性能的影响

王 磊，廖庆喜※，廖宜涛，高丽萍，肖文立，陈 慧

（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）

针对油麦兼用型气送式播种机宽幅、高速播种同步施肥时，气送式排肥系统采用不同结构型式分配装置排肥过程中各行排肥量一致性和破损率具有明显差异的生产实际，该研究以平顶式、平顶倒锥式、穹顶式、穹顶倒锥式分配装置为研究对象，确定了分配装置的主要结构参数，基于Hertz理论构建了颗粒肥料与分配装置主体间的弹性碰撞模型。应用DEM-CFD气固耦合分析了4种型式分配装置对肥料颗粒运动特性及排肥性能的影响，结果表明：每秒生成肥料颗粒量相同时，穹顶式、平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置内肥料颗粒的各时刻最大速度、最大碰撞法向力、各行排肥量一致性变异系数均逐渐增加，穹顶式分配装置内肥料颗粒最大碰撞法向力大于30 N的比例最小，为1.56%。利用智能种植机械测试平台开展气送式排肥器排肥性能验证试验，结果表明：台架试验中不同型式分配装置内肥料颗粒破损率变化规律与仿真试验中肥料颗粒最大速度、最大碰撞法向力变化规律一致；穹顶式分配装置内肥料颗粒各行排肥量一致性变异系数为6.35%～7.52%、破损率为2.97%～3.26%，其排肥性能总体优于平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置，满足排肥性能要求，为分配装置结构改进提供参考。

农业机械；颗粒肥料；仿真；气送式排肥器；分配装置；穹顶式

0 引 言

施肥是油菜和小麦种植中的重要环节[1-2]，播种作业中同步施肥[3-4]，可为油菜和小麦生长提供必要的营养[5]。气送式排肥器通过侧位施肥[6-7]可满足长江中下游和新疆地区油麦兼用型气送式播种机宽幅（4.8 m）、高速（6～12 km/h）播种作业时对稳定排肥量的要求[8-9]，并提高风机和气送系统的利用效率[10]。播种机高速作业时，气送式排肥系统采用不同结构型式分配装置排肥过程中因输送气流流场和肥料颗粒迁移轨迹差异影响各导肥口肥料颗粒分布特性，且输送过程中肥料颗粒与分配装置碰撞，易使肥料颗粒破损，破损的肥料颗粒在长距离输送中容易粘附于排肥管壁面，引起排肥管阻塞，降低各行排肥量一致性和稳定性。

为提高施肥的均匀性，顿国强等[11]设计了一种双齿轮式排肥器，应用EDEM仿真分析确定了排肥器较优的结构参数组合；雷小龙等[12]为满足气送式集中排肥器定量变量排肥需求，设计了一种颗粒化肥水平螺旋组合式集中供肥装置；刘晓东等[13]为实现油菜精准施肥，设计了一种螺旋扰动锥体离心式排肥器，确定了排肥器较优的工作转速；为实现袋装缓控释肥机械化施放，谢方平等[14]设计了一种有序排肥装置并确定了较优的参数组合；Van等[15]为探究肥料的恢复系数、摩擦因数、球形度对颗粒肥料抛撒轨迹的影响，应用离散元仿真分析旋转盘式排肥器内肥料颗粒的抛撒轨迹；Landry等[16]为探究有机肥料在旋转盘式排肥器中的流动特性，应用EDEM模拟肥料的堆积，采用CFD模拟肥料的流动特性；Sugirbay等[17]对比分析了槽轮半径、凹槽数目、有效工作长度及凹槽截面形状对外槽轮排肥器排肥性能的影响。综上，目前针对外槽轮式、转盘式、离心式、螺旋式和振动式等排肥器的结构改进和性能提升已开展深入研究[18-20]，而气送式排肥器分配装置结构型式对排肥性能的影响，高速、宽幅作业时分配装置对较大施肥量的适应性，以及通过肥料颗粒与分配装置弹性碰撞时的受力和速度表征颗粒肥料破损率的研究较少，制约了气送式排肥器的发展与应用。

针对油麦兼用型气送式播种机宽幅、高速播种同步施肥时，气送式排肥系统采用不同结构型式分配装置排肥过程中各行排肥量一致性和破损率具有明显差异的生产实际，以平顶式、穹顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置为研究对象，应用DEM-CFD气固耦合分析了4种型式分配装置对肥料颗粒运动特性及排肥性能的影响。利用智能种植机械测试平台开展气送式排肥器排肥性能及不同型式分配装置对较大变化范围排肥量适应性验证试验，以期为气送式排肥器结构改进提供参考。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构

气送式排肥系统主要由风机、肥箱、供肥装置、输肥管、分配装置、排肥口、排肥管、施肥开沟器等组成。其中分配装置主要由导流隔板、下盖板、上盖板、导肥口、送肥管等组成。气送式排肥系统及分配装置结构如图1所示。

1.风机 2.肥箱 3.供肥装置 4.输肥装置 5.输肥管 6.分配装置 7.排肥口 8.排肥管 9.施肥开沟器 10.导流隔板 11.下盖板 12.上盖板 13.导肥口 14.送肥管

1.Fan 2.Fertilizer box 3.Fertilizer feeding device 4.Conveying fertilizer device 5.Conveying fertilizer tube 6.Distributor device 7.Fertilizing outlet 8.Fertilizing tube 9.Fertilizer opener 10.Deflector 11.Lower covering plate 12.Upper covering plate 13.Diversion fertilizer outlet 14.Delivering fertilizer tube

图1 气送式排肥系统及分配装置结构示意图

Fig.1 Structural diagrams of air-assisted fertilizer system and distributor device

1.2 工作过程及原理

气送式排肥系统工作时，肥料颗粒由肥箱进入供肥装置，肥料颗粒经供肥装置连续供给输肥装置；风机产生的输送气流在输肥装置与肥料颗粒充分混合；输送气流裹挟肥料颗粒经输肥管进入分配装置随机分配成行，流经排肥口由排肥管排出，通过施肥开沟器进入土壤中。

输送气流和肥料颗粒两相流在分配装置的送肥管中加速运动至上盖板与下盖板形成的区域；两相流由铅垂方向的运动变为导肥口内水平方向运动过程中，肥料颗粒在上盖板与下盖板形成的区域内接触上盖板后速度在输送气流约束下趋于导肥口出口方向，颗粒肥料在输送气流阻力作用下经导流隔板，由各导肥口排出，完成肥料颗粒分配过程。

2 分配装置参数分析

2.1 送肥管设计与分析

送肥管可提高肥料颗粒与输送气流混合均匀性，油麦兼用型气送式播种机施肥量影响送肥管内肥料颗粒浓度，送肥管内肥料颗粒相对浓度计算式[21]为

式中m为送肥管内肥料颗粒相对浓度；为送肥管内输肥量，kg/s；为送肥管内径，m；为输送气流密度，1.29 kg/m3；为送肥管内输送气流速度，m/s。

由式（1）可得送肥管内径为

根据长江中下游和新疆地区多年田间播种试验可知，播种机作业速度为6～12 km/h，作业幅宽为4.8 m，施肥量为225～600 kg/hm2，计算可得送肥管内输肥量为0.18～0.96 kg/s；为满足颗粒肥料低压输送要求并避免肥料颗粒堵塞分配装置，颗粒肥料浓度应小于6.5[22]，输送颗粒肥料的输送气流速度为22～26 m/s[23]，带入式（2）计算得送肥管内径应大于81.4 mm。综合考虑气送式排肥与排种系统整体结构并减少风机压力损耗，确定送肥管内径为82 mm。

2.2 分配装置主体设计与分析

分配装置主体主要由上盖板、下盖板、导流隔板、导肥口组成，为对比分析气送式排肥器不同型式分配装置对排肥性能的影响，设计4种型式分配装置主体，如图2所示。

注：h为导肥口高度，mm；w为导肥口宽度，mm；l为导肥口长度，mm；d为上盖板直径，mm；w为导流隔板宽度，mm；l为导流隔板长度，mm；r为穹顶式分配装置主体上盖板所处球体半径，mm；h为倒锥体高度，mm；为倒锥体角，（°）。

Note:his the height of diversion fertilizer outlet, mm;wis the width of diversion fertilizer outlet, mm;lis the length of diversion fertilizer outlet, mm;dis the diameter of upper covering plate, mm;wis the width of deflector, mm;lis the length of deflector, mm;ris the sphere radius of the upper covering plate of the dome type distributor device, mm;his the height of inverted cone, mm;is the cone angle of inverted cone, (°).

图2 分配装置主体纵剖面示意图

Fig.2 Longitudinal section diagrams of distributor device main part

根据油麦兼用型气送式播种机排种与施肥行数匹配关系，颗粒肥料采用隔行侧施，单次播种24行，施肥12行。为重点比较分析4种型式分配装置主体的上盖板、下盖板形状对肥料颗粒各行排量一致性和破损率影响，确定4种型式分配装置的导肥口、导流隔板的结构参数基本一致。基于实际肥料颗粒在分配装置主体内的迁移轨迹，肥料颗粒主要由导肥口截面上半侧排出，导肥口截面上半侧为颗粒肥料实际浓度测算区域，则导肥口内肥料颗粒相对浓度为

式中m为导肥口内肥料颗粒相对浓度；v为导肥口内输送气流速度，m/s。

为提高两相流分布的均匀性，导肥口截面的宽度与高度应趋于一致，结合式（3）并满足低压输送要求，计算导肥口截面的宽度和高度为23.17～53.5 mm；根据气送式排肥器内颗粒肥料输送方式和分配装置主体总体结构布局，确定导肥口截面的宽度和高度均为30 mm，为实现两相流的平稳过渡，确定导肥口长度为30 mm。

为降低输送气流与肥料颗粒经导流隔板由导肥口排出的阻力，并减少肥料颗粒与导肥口壁面的摩擦，确定导肥口宽度与两导流隔板间距相同，则导肥口宽度、导流隔板宽度与上盖板直径的关系方程为

导流隔板可有效约束输送气流和肥料颗粒运移方向，导流隔板越宽，肥料颗粒撞击导流隔板概率越高，将增加肥料颗粒的无序性，降低各行排肥量一致性和破损率。综合考虑分配装置的结构强度，确定导流隔板宽度大于3 mm，带入式（4）可得上盖板直径应大于127.5 mm，为方便分配装置的实际加工，确定上盖板直径为130 mm。根据导流隔板长度与上盖板直径、送肥管内径间的关系，确定导流隔板长度为14 mm。

基于穹顶式分配装置主体对输送气流场和肥料颗粒迁移轨迹的约束特性，确定穹顶式分配装置主体上盖板轨迹方程为

式中x、y、z为轨迹方程在、、轴上的坐标，mm。

根据输送气流的迁移轨迹，输送气流和肥料颗粒主要由导流隔板和导肥口上半侧排出，但少量肥料颗粒会沿下盖板排出。由于导流隔板和下盖板间区域输送气流速度较低，肥料颗粒需克服与下盖板间的摩擦力以顺利沿下盖板进入导肥口。肥料颗粒进入导流隔板和下盖板间区域瞬时受力如图3所示。由图3可得肥料颗粒可沿下盖板排出的受力条件为

式中为肥料颗粒与下盖板间的动摩擦因数，取0.2。

由式（6）可得下盖板所处球体半径应不大于260.05 mm，且根据下盖板所处球体半径与上盖板直径间的关系，下盖板所处球体半径应大于65 mm。综合考虑穹顶式分配装置整体结构，确定下盖板所处球体半径为170 mm；根据穹顶式分配装置主体上盖板所处球体半径、导肥口高度与下盖板间的尺寸关系，可确定上盖板所处球体半径为200 mm。

注：O为下盖板所处球体圆心；为肥料颗粒重力，N；F为下盖板对肥料颗粒的支持力，N；f为肥料颗粒与下盖板间的摩擦力，N；r为下盖板所处球体半径，mm；为下盖板所处球体的法向与竖直方向间夹角，（°）。

Note:Ois the sphere center of the lower covering plate;is the gravity of fertilizer particle, N;Fis the supporting force of lower covering plate on fertilizer particle, N;fis the friction between fertilizer particle and lower covering plate, N; ris the sphere radius of lower covering plate, mm;is the angle between the normal direction of lower covering plate sphere and the vertical direction, (°).

图3 肥料颗粒与下盖板接触受力示意图

Fig.3 Force diagram of fertilizer particle (FP) in contact with lower covering plate

平顶倒锥式和穹顶倒锥式分配装置主体是在平顶式和穹顶式的上盖板安装倒锥体结构，可减少上盖板区域形成的高压区，降低上盖板区域肥料颗粒的聚集。通过减小下盖板、上盖板、倒锥体组成区域截面与导肥口截面差值，可降低安装倒锥体结构的分配装置主体内因输送气流通过区域截面突变对肥料颗粒输送稳定性的影响，则可得倒锥体角、倒锥体高度与上盖板直径、导肥口高度、导流板长度、送肥管内径间的关系为

由式（7）可得倒锥体角为80°、倒锥体高度为50 mm时，可满足倒锥体对两相流的运动约束。

2.3 肥料颗粒与分配装置弹性碰撞分析

分配装置内颗粒肥料输送过程中，肥料颗粒会与分配装置弹性碰撞产生接触弹性变形。因肥料颗粒球形度大于90%，可看作均匀、各向同性的球体；肥料颗粒形变量远小于其直径，碰撞区域的应力分布符合Hertz理论[24-25]。以肥料颗粒与穹顶式分配装置上盖板碰撞为例，肥料颗粒与上盖板碰撞如图4所示。

基于Hertz理论，球形肥料颗粒与穹顶式分配装置碰撞时，可作为圆球与凹球面碰撞分析，碰撞区距离应为

式中μ为肥料颗粒泊松比；μ为上盖板泊松比；E为肥料颗粒弹性模量，Pa；E为上盖板弹性模量，Pa。

1.上盖板 2.肥料颗粒

1.Upper covering plate 2.FP

注：为坐标原点；、为坐标轴；为碰撞区距离，m；r为肥料颗粒半径，m；为碰撞区域形变量，m；P为肥料颗粒和上盖板间的压力，N。

Note:is the coordinate origin;andare the coordinates axis;is the distance of collision zone, m;ris the radius of fertilizer particle, m;is the shape variable of collision zone, m;Pis the pressure between fertilizer particle and upper covering plate, N.

图4 肥料颗粒与上盖板碰撞示意图

Fig.4 Schematic diagram of collision between fertilizer particle and upper covering plate

碰撞区域形变量为

式中为修正系数。

碰撞面上的最大碰撞应力（Pa）为

肥料颗粒与上盖板碰撞过程中，由于弹性变形，肥料颗粒与上盖板的中心接近了一个位移δ，肥料颗粒加速度（m/s2）为

式中为碰撞时间，s；m为肥料颗粒质量，kg。

将式（11）带入式（9），对δ作积分，可得关系式

式中v为肥料颗粒和上盖板相互靠近的速度，m/s。

当变形量δ最大时，可得肥料颗粒的速度（m/s）为

根据式（12）、（13）可得最大压缩量为

当变形量δ最大时，碰撞面上的最大应力（Pa）为

当肥料颗粒为最大压缩量，且碰撞面上的最大碰撞应力P达到肥料颗粒在单向压缩下的强度极限（Pa）时，肥料颗粒形成应力裂纹或破损。

则球形肥料颗粒与分配装置最大碰撞时的碰撞应力（Pa）为

联立式（14）、（16）可得

由式（17）可知，肥料颗粒与分配装置碰撞破损时的肥料颗粒和上盖板相互靠近的速度v与肥料颗粒的强度极限、肥料颗粒半径r、肥料颗粒质量m、肥料颗粒弹性模量E、上盖板弹性模量E、上盖板曲率半径r等有关。肥料颗粒和上盖板相互靠近的速度v与肥料颗粒和上盖板间的压力P相关，则肥料颗粒和分配装置材料一定时，肥料颗粒和上盖板相互靠近的速度v、肥料颗粒和上盖板间的压力P影响颗粒肥料的破损。

肥料颗粒与分配装置碰撞时，肥料颗粒与穹顶式分配装置碰撞为球形颗粒与凹球面碰撞，肥料颗粒与穹顶倒锥式分配装置碰撞为球形颗粒与凹球面、平面碰撞，肥料颗粒与平顶式、平顶倒锥式分配装置碰撞为球形颗粒与平面碰撞，由式（16）～（17）可知，分配装置上盖板及倒锥体的曲率半径越大，肥料颗粒与分配装置碰撞破损时的肥料颗粒和上盖板相互靠近的速度v越小，肥料颗粒越容易破损。其他参数不变，肥料颗粒与穹顶式分配装置碰撞破损时，颗粒肥料和穹顶式分配装置上盖板相互靠近的速度v大于肥料颗粒与穹顶倒锥式、平顶式、平顶倒锥式分配装置碰撞时的v。

3 分配装置型式对排肥性能的影响

为探究不同型式分配装置和肥料颗粒浓度对排肥性能的影响，应用DEM-CFD气固耦合仿真分析4种型式分配装置对排肥性能、肥料颗粒速度、肥料颗粒与分配装置间接触力、分配装置内输送气流压力和速度分布的影响。

3.1 仿真模型

利用ANSYS Fluent 17.0和EDEM 2018软件开展DEM-CFD气固耦合仿真，利用ICEM中的四面体单元自动划分配装置网格。送肥管入口设置为输送气流和肥料颗粒入口，导肥口设置为输送气流和肥料颗粒出口。肥料颗粒为类球形颗粒，其球形度在90%以上，仿真模型中以球体代替肥料颗粒[26]，肥料颗粒模型设置为平均直径3.5 mm，模型直径正态分布，标准差设置为0.05 mm。仿真参数[27-28]如表1所示。

3.2 仿真试验方法

基于颗粒肥料的悬浮速度和所需输送气流速度范围，设置颗粒肥料入口输送气流速度为25 m/s；根据肥料颗粒在气送式排肥器内的运移规律，肥料颗粒经输肥装置由输肥管弯管接头实现水平输送转变为铅垂输送，铅垂输送过程中，设置颗粒肥料入口的肥料颗粒速度为6 m/s[29]。

表1 仿真与接触参数

分配装置内肥料颗粒浓度应匹配油麦兼用型气送式播种机实际作业效率要求，仿真试验的肥料颗粒千粒质量为33.14 g，通过计算设置送肥管入口每秒生成肥料颗粒分别为10 000、20 000、30 000。送肥管入口生成肥料颗粒时间为4 s，总仿真时长为6 s，开展3种肥料颗粒浓度与4种型式分配装置组合对肥料颗粒运动特性和排肥性能影响试验。EDEM中导出稳定排肥的1～4 s内各时刻肥料颗粒的平均速度、最大速度、肥料颗粒与分配装置碰撞时的平均碰撞法向力、最大碰撞法向力，平均碰撞力、最大碰撞力的平均值以表征肥料颗粒的运动特性；分析1～6 s各时刻肥料颗粒的最大速度、肥料颗粒与分配装置碰撞时的最大碰撞法向力以表征不同型式分配装置内肥料颗粒破损率。统计各导肥口排肥质量以表征分配装置型式对各行排肥量一致性的影响；分别统计仿真1～1.99、2～2.99、3～3.99 s的排肥质量，计算各时段排肥量稳定性变异系数。

3.3 仿真试验结果分析

3.3.1 分配装置型式对肥料颗粒运动特性的影响

分配装置主体内肥料颗粒速度、肥料颗粒与分配装置主体间作用力如表2所示。

由表2可知，随每秒生成肥料颗粒量的增加，分配装置内肥料颗粒的平均速度变化较小，最大速度变化较大，表明分配装置主体内肥料颗粒浓度变化对肥料颗粒总体输送速度影响较小，对单颗肥料颗粒输送速度影响较大，是基于肥料颗粒总体输送速度主要由输送气流速度和分配装置型式影响，而单颗肥料颗粒最大输送速度主要由分配装置型式、肥料颗粒间作用力影响。每秒生成肥料颗粒量相同时，穹顶式、平顶式、穹顶倒锥式、平顶倒锥式分配装置内肥料颗粒平均速度逐渐增加。

表2 分配装置主体型式对肥料颗粒运动特性的影响

随每秒生成肥料颗粒量的增加，分配装置内肥料颗粒的平均受力变化较小，最大受力变化较大。每秒生成肥料颗粒量相同时，穹顶式、平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置内肥料颗粒的平均碰撞法向力、最大碰撞法向力、平均碰撞力、最大碰撞力均逐渐增大。根据分配装置主体与肥料颗粒间的碰撞法向力与碰撞力的关系可知，肥料颗粒与不同型式分配装置碰撞时的平均碰撞法向力、平均碰撞力范围分别为0.10～0.72、0.11～0.75 N，最大碰撞法向力、最大碰撞力范围分别为11.18～42.80、11.83～44.46 N，表明肥料颗粒与分配装置主体间的作用力主要为碰撞法向力，碰撞切向力较小。

3.3.2 分配装置型式对肥料颗粒受力的影响

以每秒生成20 000粒肥料颗粒为例，不同型式分配装置主体内各时刻肥料颗粒最大碰撞法向力试验结果见图5。由图5可知，穹顶式、平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置内肥料颗粒最大碰撞法向力分别为43.08、62.50、70.66、116.15 N；参考颗粒肥料破损受力范围[30]，所受最大碰撞法向力大于30 N的比例分别为1.56%、3.33%、6.67%、38.89%。基于肥料颗粒所受最大碰撞法向力影响肥料颗粒输送过程的破损率，根据Hertz理论，采用穹顶式分配装置排肥时的破损率低于平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置排肥时的破损率。

注：每秒生成肥料颗粒为20 000粒。图6～图9同。

Note: 20 000 fertilizer particles are generated per second. Same as in the figures 6 to 9.

图5 分配装置主体内肥料颗粒最大碰撞法向力

Fig.5 Maximum collision normal force of fertilizer particles in distributor device main part

3.3.3 分配装置型式对肥料颗粒速度影响分析

图6为每秒生成20 000粒肥料颗粒时不同型式分配装置主体内各时刻肥料颗粒最大速度试验结果。由图6可知，穹顶式、平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置内肥料颗粒最大速度分别为26.32、29.14、33.66、36.10 m/s，最大速度大于25 m/s的比例分别为0.44%、7.78%、9.33%、22.16%，穹顶式分配装置的最大速度及最大速度大于25 m/s的比例最小，表明穹顶式分配装置内肥料颗粒群速度的变化范围较小，利于肥料颗粒的稳定输送；穹顶倒锥式分配装置的最大速度及最大速度大于25 m/s的比例最大，表明穹顶倒锥式分配装置肥料颗粒群速度的变化范围较大，易造成肥料颗粒的破损。根据Hertz理论中肥料颗粒与凹面及平面碰撞破损速度分析，采用穹顶式分配装置排肥时的破损率低于平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置排肥时的破损率。

3.3.4 分配装置型式对输送气流速度和压力分布的影响

图7和图8分别为每秒生成20 000粒肥料颗粒时不同型式分配装置内输送气流速度和压力分布试验结果。由图可知，平顶式、穹顶式分配装置上盖板形成较大区域高压区，降低输送气流和肥料颗粒速度，减少肥料颗粒与分配装置主体碰撞时肥料颗粒的受力和速度，降低肥料颗粒破损；肥料颗粒接触高压区后再次进入分配装置主体，实现与送肥管内肥料颗粒的两次混合，提高各行排肥量一致性。平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置倒锥体的安装减小了分配装置主体流域截面积，输送气流将以较高速度裹挟肥料颗粒碰撞上盖板和倒锥体，增大肥料颗粒与分配装置主体碰撞时肥料颗粒的受力和速度，肥料颗粒碰撞上盖板和倒锥体后肥料颗粒无序性增加，各行排肥量一致性变差，破损率增大。

根据表2，并结合图5～图8可知，每秒生成肥料颗粒量相同时，表2中不同型式分配装置主体内肥料颗粒最大速度的变化规律与图7中不同型式分配装置主体内输送气流速度变化规律一致，是由于肥料颗粒的最大速度主要受分配装置内输送气流速度影响。图7、图8中由于穹顶倒锥式分配装置主体内流域截面突变较大造成输送气流速度和压力变化梯度最大，导致肥料颗粒在穹顶倒锥式分配装置内最大速度、最大碰撞法向力、所受最大碰撞法向力大于30 N的比例、最大速度大于25 m/s的比例均高于在穹顶式、平顶式、平顶倒锥式分配装置内。

根据图7、图8中分配装置内输送气流速度和压力的分布规律，肥料颗粒主要由导肥口截面上半侧排出，导肥口内的肥料颗粒由于输送过程中相互碰撞，少量肥料颗粒会进入导肥口下半侧区域，由于导肥口下半侧区域输送气流速度较小，肥料颗粒会滞留于导肥口内难以排出。穹顶式、穹顶倒锥式分配装置的导肥口为弧形结构，滞留于导肥口下半侧区域肥料颗粒可在自身重力作用下排出；平顶式、平顶倒锥式分配装置导肥口下半侧区域的肥料颗粒难以在自身重力下排出，导肥口内存在肥料颗粒滞留现象。

3.3.5 分配装置型式对排肥性能的影响

表3和图9分别为每秒生成20 000粒肥料颗粒时不同型式分配装置的排肥性能和肥料颗粒分布试验结果。由于穹顶式分配装置上盖板和下盖板均为圆弧形曲面，形成的高压区域大于平顶式分配装置，易于肥料颗粒两次均匀混合，且穹顶式分配装置内肥料颗粒群速度的变化范围较小，故每秒生成肥料颗粒量相同时，穹顶式分配装置的各行排肥量一致性变异系数低于平顶式分配装置。根据Hertz理论，结合前文可知，每秒生成肥料颗粒量相同时，穹顶式、平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置的各行排肥量一致性变异系数逐渐增加，各时段排肥量稳定性变异系数均低于3%。综合肥料颗粒的最大碰撞法向力及最大速度，以减少肥料颗粒破损且提高各行排肥量一致性为排肥性能评价指标，确定穹顶式分配装置排肥性能较优。为验证以肥料颗粒的最大速度和最大碰撞法向力表征颗粒肥料破损率的合理性，需开展台架试验进一步确定不同型式分配装置对破损率差异性的影响。

表3 分配装置的排肥性能试验结果

4 分配装置型式对排肥性能影响的验证试验

4.1 试验设备

为验证仿真试验的合理性，采用ABS材料3D打印4种分配装置，将4种分配装置安装于油麦兼用型气送式播种机，利用智能种植机械测试平台开展8种肥料颗粒浓度和4种型式分配装置对排肥性能影响组合试验，试验装置如图10所示。

1.油麦兼用型气送式播种机 2.智能种植机械测试平台 3.气送式排肥器 4.分配装置

1.Air-assisted planter for rapeseed and wheat 2.Intelligent test platform for planting machines 3.Air-assisted fertilizer apparatus 4.Distributor device

图10 排肥性能测试平台

Fig.10 Test platform for fertilizing performance

4.2 试验方案

试验采用芭田复合肥，千粒质量为33.14 g，含水率为2.15%。为满足油麦兼用型气送式播种机实际播种作业中对排肥量的要求，设置供肥装置转速为50～80 r/min，每间隔10 r/min为一个水平，供肥装置传动轴分别安装3个和8个交错排布型孔轮开展试验，试验重复5次，用尼龙网袋收集30 s内4种分配装置各排肥管内的排肥质量，计算各行排肥量一致性变异系数和总排肥量稳定性变异系数；采用孔径为3 mm的标准筛分离分配装置排出的肥料颗粒，收集被筛分出的粒径小于3 mm的肥料颗粒作为破损肥料，计算气送式排肥器排出肥料颗粒的破损率，以对比分析相同排肥量时，不同型式分配装置对颗粒肥料破损率的影响。每次试验结束，观测排肥管内壁是否有破损肥料粘附。

4.3 试验结果与分析

试验结束观测穹顶式、平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置排肥管内壁均有少量破损肥料粘附，粘附破损肥量逐渐增加。

表4为不同型式分配装置和肥料颗粒浓度组合时的排肥性能。由表4可知，供肥装置转速为50～80 r/min时，穹顶式分配装置各行排肥量一致性变异系数为6.35%～7.52%、总排肥量稳定性变异系数为1.53%～1.92%，破损率为2.97%～3.26%，以各行排肥量一致性变异系数和破损率最低为评价指标，穹顶式分配装置的排肥性能优于平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置。台架试验与仿真试验不同型式分配装置各行排肥量一致性变异系数和总排肥量稳定性变异系数变化规律总体一致，表明仿真试验中通过最大速度、最大碰撞法向力表征分配装置内肥料颗粒破损率合理可信；且仿真试验中分配装置内输送气流和肥料颗粒的分布特性是影响台架试验中不同结构分配装置排肥性能差异的主要因素。

表4 排肥性能试验结果

注：ERFQ为各行排肥量。

Note: ERFQ is each row fertilizing quantity.

5 结 论

1）确定了平顶式、平顶倒锥式、穹顶式、穹顶倒锥式分配装置的主要结构参数，基于Hertz理论构建了颗粒肥料与分配装置主体间的弹性碰撞模型。确定送肥管内径为82 mm，导肥口长度、宽度、高度均为30 mm，上盖板直径为130 mm，锥体角为80°、倒锥体高度为50 mm时，分配装置可实现排肥功能。

2）应用DEM-CFD气固耦合分析了4种型式分配装置对肥料颗粒运动特性及排肥性能的影响，试验结果表明：每秒生成肥料颗粒量相同时，穹顶式、平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置内肥料颗粒的各时刻最大速度、最大碰撞法向力、各行排肥量一致性变异系数均逐渐增加，穹顶式分配装置内肥料颗粒最大碰撞法向力大于30 N的比例最小，为1.56%；穹顶式、平顶式、穹顶倒锥式、平顶倒锥式分配装置内肥料颗粒平均速度逐渐增加，穹顶式分配装置内肥料颗粒平均速度为1.07～1.30 m/s。

3）利用智能种植机械测试平台开展气送式排肥器排肥性能验证试验，结果表明：台架试验中不同型式分配装置内肥料颗粒破损率变化规律与仿真试验中肥料颗粒最大速度、最大碰撞法向力变化规律一致，表明通过肥料颗粒最大速度及与分配装置间最大碰撞法向力表征颗粒肥料破损率合理可信；穹顶式分配装置内肥料颗粒各行排肥量一致性变异系数为6.35%～7.52%、总排肥量稳定性变异系数为1.53%～1.92%、破损率为2.97%～3.26%，其排肥性能总体优于平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置。

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Effects of distributor types on fertilizing performance in an air-assisted applicator

Wang Lei, Liao Qingxi※, Liao Yitao, Gao Liping, Xiao Wenli, Chen Hui

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

Structural type of distributor normally dominates the uniform fertilizing quantity in each row and the damage rate in the fertilizing process under wide and high-speed sowing and synchronous fertilization of air-assisted planter for rapeseed and wheat. In this study, the main structural parameters of the distributor were determined according to the optimal fertilizing performance in an air-assisted applicator. The distributors with the flat top type, the inverted cone installed on the flat top type, the dome type, and the inverted cone installed on the dome type were taken as the research objects. The initial structural parameters were set: The inner diameter of delivering fertilizer tube was 82 mm. The length, width, and height of the diversion fertilizer outlet were all 30 mm. The diameter of the upper covering plate was 130 mm. The cone angle was 80° and the height of the inverted cone was 50 mm. An elastic collision model was established between the pelletized fertilizer and the main part of the distributor using Hertz theory. A Discrete Element Method (DEM) coupled with the Computational Fluid Dynamics (CFD) was selected to analyze the effects of 4-type distributors on the motion characteristics and fertilizing performance of fertilizer particles. The simulation results showed that the average values of maximum velocity and collision normal force, and the uniformity variation coefficient of each row fertilizing quantity of fertilizer particles in the distributor devices of the dome type, the flat top type, the inverted cone installed on the flat top type, and the inverted cone installed on the dome type all increased gradually. The maximum collision normal forces of fertilizer particles in the distributor of the dome type, the flat top type, the inverted cone installed on the flat top type, and the inverted cone installed on the dome type were 43.08, 62.50, 70.66, and 116.15 N, respectively, where the proportions of maximum collision normal force greater than 30 N (referring to the damage force range of pelletized fertilizer were 1.56%, 3.33%, 6.67%, and 38.89%, respectively). Furthermore, the maximum velocities of fertilizer particles in four-type distributors were 26.32, 29.14, 33.66, and 36.1 m/s, respectively, where the proportions of maximum velocity greater than 25 m/s were 0.44%, 7.78%, 9.33%, and 22.16%, respectively. The dome type distributor presented the minimum values in the maximum velocity, while the proportion of maximum velocity was greater than 25 m/s, indicating a small change in the velocity of fertilizer particles for the stable transportation of fertilizer particles.An intelligent test platform was used for planting machines to verify the fertilizing performance of an air-assisted fertilizer. The bench results indicated that there was highly consistent with the experimental and simulated changes in the maximum velocity and the maximum collision normal force of fertilizer particles in the distributor with different structural types. In a dome type distributor, the variation coefficient of uniformity in each row fertilizing quantity of particles was in the range of 6.35% to 7.52%, while the variation coefficient of stability in total fertilizing quantity was in the range of 1.53% to 1.92%, and the damage rate was in the range of 2.97% to 3.26%. Correspondingly, the dome type distributor achieved a better fertilizing performance than others. The findings can provide a sound reference to improve the structure of the distributor for precision fertilizing.

agricultural machinery; pelletized fertilizer; simulation; air-assisted fertilizer apparatus; distributor device; dome type

2021-02-05

2021-03-22

国家重点研发计划项目（2020YFD1000904）

王磊，博士生，研究方向为油菜播种技术与装备。Email：wangchong12356@126.com

廖庆喜，教授，博士生导师，研究方向为油菜机械化生产技术与装备。Email：liaoqx@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.004

S223.2+2

A

1002-6819(2021)-07-0024-11

王磊，廖庆喜，廖宜涛，等. 气送式排肥系统分配装置结构型式对排肥性能的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(7)：24-34. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.004 http://www.tcsae.org

Wang Lei, Liao Qingxi, Liao Yitao, et al. Effects of distributor types on fertilizing performance in an air-assisted applicator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 24-34. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.004 http://www.tcsae.org