油菜直播机四头螺旋双行排肥器设计与试验

肖文立 廖宜涛 单伊尹 李蒙良 王 磊 廖庆喜

(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)

0 引言

施肥是影响作物产量的重要因素之一，合理施用化肥有利于作物生长，达到节肥高效、稳产增收的目的[1]。降低化肥使用量成为绿色农业施肥方式的主要发展趋势，定量施肥成为提高肥料利用率与保证作物优质高产的主要途径，合理选择排肥器是实现肥料减施减量的关键[2-4]。

油菜直播常用排肥装置为外槽轮式排肥器，可实现一器一行，满足基本施肥要求。常规外槽轮排肥器受排肥槽轮结构及肥料尺寸不规则等影响，排肥均匀性变异系数偏高[5-8]，现有外槽轮排肥器由于结构因素无法有效降低排肥脉动现象[9]，难以满足不同施肥方式下油菜直播需肥量[10-12]，螺旋排肥器具有可计量、稳定性好等优点[13]，戚江涛等[14]研究了等径双螺旋精准给料特点，表明等径双螺旋不同螺距给料稳定性较优；吕金庆等[15]设计了一种对向螺旋施肥器，理论计算了螺旋排肥量，解决了马铃薯施肥量大和施肥不匀的问题；陈雄飞等[16]针对排肥装置对肥料形态特征要求高的缺陷，设计了一种两级螺旋排肥装置，建立了排肥螺旋的单圈排肥量的数学模型；杨文武等[17]基于螺旋排肥器排肥量随时间脉动的现象，开展了螺旋排肥器排肥口长度和排肥口角度对排肥性能影响关系的分析。位国建等[18]设计了一种水田机械式强制排肥装置，试验表明机械式强制螺旋排肥装置工作稳定、堵塞率低。薛忠等[19]基于离散元分析了排肥螺旋参数和排肥轴转速对排肥器排肥性能的影响，获得排肥器工作参数与排肥量和排肥稳定性变异系数的回归数学模型。以上研究依据作物需肥量，对螺旋排肥量进行了理论分析与计算，分析了影响排肥稳定的结构参数，但研究对象均为单头排肥螺旋[19-22]。对多头螺旋排肥研究较少[23-24]。

为适应长江中下游冬油菜产区油菜直播对肥料需求，结合常用复合肥物理特性与油菜直播施肥要求，本文设计一种四头螺旋双行排肥器，运用EDEM仿真确定排肥螺旋类型和排肥器主要结构参数，比较不同头数螺旋与转速对排肥性能影响，以期提高螺旋排肥器排肥均匀性，为油菜直播排肥器结构改进和优化提供参考。

1 排肥器结构与工作过程

1.1 四头螺旋双行排肥器结构

油菜精量联合直播机能一次完成开沟、破茬、种床旋耕、精量播种、施肥、覆土等作业[12]。为满足长江中下游冬油菜产区油菜直播不同需肥量要求，设计了一种与其配套的四头螺旋双行排肥器，其结构示意图如图1所示，为保证两侧肥腔肥料均匀，在排肥器上方设计分肥器，为利于排肥器与肥箱间落肥流畅，采用破结装置对肥料进行搅拌，增强肥料流动性的同时对成团肥料破结，避免肥料成拱。破结装置下方通过排肥螺旋施肥，保证肥料输送稳定。

1.2 排肥器工作过程

排肥器工作时，肥料由肥箱落入排肥器，分肥器将肥料分流到排肥器两侧，驱动电机通过联轴器与破结轴联动，从而驱动破结装置，并由中间传动带动排肥螺旋作业。破结装置对肥料进行搅拌，提高落肥均匀性的同时防止肥料因受潮结拱导致排肥不畅，搅拌后的肥料经排肥螺旋和导肥管均匀输送，最后经过排肥管落下，完成排肥过程。

2 排肥螺旋主要参数设计与分析

四头螺旋双行排肥器性能主要取决于排肥螺旋，其参数设计直接影响排肥器的排肥稳定性与均匀性。排肥螺旋结构参数如图2所示。

2.1 单位时间排肥速率

单位时间排肥速率受螺旋转速及填充系数等因素影响，排肥器排肥速率难以准确计算。为保证理论排肥速率的准确性，在不考虑轴向阻力影响下，单位时间内排肥速率Q[16]计算式为

(1)

(2)

(3)

式中Z——螺旋头数，对于单螺杆Z=1

S——螺旋导程，mm

D——螺旋叶片外径，mm

l——螺旋叶片与导肥管内壁间隙，mm

d——螺旋叶片内径，mm

b——螺旋厚度，mm

h——螺旋深度，mm

Lp——螺旋单位长度，mm

P——排肥螺旋螺距，mm

n——排肥轴转速，r/min

φ——填充系数

γ——复合肥容重，kg/m3

β——螺旋叶片倾斜系数

实际田间作业时，单位时间农艺要求施肥量[25]为

(4)

式中Qn——单位时间农艺要求的施肥量，g/s

Qa——农艺要求的单位面积目标施肥量，kg/hm2

v——施肥作业速度，m/s

B——施肥幅宽，m

单位时间内农艺要求的施肥量与排肥器排肥量相等，结合式(1)、(4)可得

(5)

由式(5)可知，田间作业时，施肥幅宽B、机具前进速度v一定，目标施肥量与D、d、l、Z、b、P、n、φ、γ及β有关。肥料物料特性一定的前提下，改变螺旋类型(头数)、螺距P和排肥轴转速n可有效调节排肥速率；不同类型排肥螺旋和不同转速n决定着排肥均匀性与稳定性；排肥螺旋转速具有一定的适宜区间，目标施肥量相同时，低转速有利于肥料填充[23]。

综合考虑四头螺旋双行排肥器整体结构并满足肥管设计要求[16,18]，确定螺旋叶片外径D为38 mm。依据肥料颗粒尺寸，避免小颗粒肥料夹塞产生破碎，选定螺旋叶片与导肥管内壁间隙l为1 mm。

2.2 排肥螺旋排肥分析

螺距影响螺旋升角及肥料在输送过程中的堆积方式，对单个螺距内充肥、排肥性能均有显著影响[18]。基于保证肥料在螺旋内连续稳定输送的要求，应避免单个螺距内出现肥料夹塞和螺旋叶片轴向推力不足等问题。

大螺距有利于肥料填充，增加肥料之间相互接触，易发生“打滑”现象，避免肥料夹塞出现。根据物料流动特性，排料口最小尺寸至少应为物料颗粒尺寸3～6倍[26]，即螺距应满足有3颗及以上肥料均布，即

P>3df

(6)

式中df——肥料平均等效直径，mm

排肥过程中，为实现肥料颗粒有序输送，肥料所受的轴向推力应大于摩擦阻力。图3为肥料在输送过程中的受力分析[23]。

由图3可得

Fn=Fhcos(α+ρ)

(7)

Fτ=Fhsin(α+ρ)

(8)

(9)

ρ=arctanμ

(10)

式中Fn——肥料颗粒所受轴向分力，N

Fτ——肥料颗粒所受周向分力，N

Fh——肥料颗粒所受合力，N

r——肥料离轴中心的距离，mm

α——距轴线距离r处的螺旋升角，(°)

ρ——肥料对螺旋面的摩擦角，约等于合力与法线的夹角，(°)

μ——肥料与螺旋面摩擦因数

当排肥器作业时，排肥螺旋轴向推力须满足Fn>0才能实现轴向运动。由式(7)可得

(11)

排肥螺旋上各点的螺旋升角随点到螺旋轴中心的距离而变化，由式(7)可知，当肥料接触螺旋轴时螺旋升角最大，肥料受到的轴向力最小。由式(9)～(11)可得

(12)

图4为肥料在螺旋输送过程中运动分析[26]，肥料颗粒速度Vh可分解为圆周速度Vy和轴向速度Vx。

由图4可得肥料颗粒速度与圆周速度Vy、轴向速度Vx间的关系为

(13)

由式(9)、(10)及

(14)

则Vx、Vy表示为

(15)

由式(15)可知，螺距P和转速n是轴向速度和圆周速度的主要影响因素。确定最大许用螺距时须满足肥料颗粒具有合理速度分量，即轴向速度越大越好，同时满足Vx≥Vy，即

(16)

基于输送过程中肥料受力与运动分析，螺距应满足

(17)

将已知参数df、d、ρ、D代入式(17)，计算得排肥螺旋螺距为10.32～36.38 mm。

2.3 排肥螺旋转速

转速是影响螺旋排肥器性能的关键因素[23]。当排肥器作业时，肥料颗粒在重力及摩擦力的作用下，沿着排肥螺旋叶片输送方向运动。当转速低于一定范围时，肥料间相对滑动少，易出现堵塞现象[26]。当螺旋转速大于过临界转速，肥料因离心力过大将沿垂直于输送方向跳跃翻滚，易产生碰撞挤压而破碎。此时排肥螺旋叶片主要为搅拌肥料，对肥料颗粒轴向推进作用较小。为实现肥料正常输送, 螺旋轴转速应低于其临界值。临界情况下肥料所受惯性离心力与自身重力应该满足以下条件

(18)

(19)

式中ωmax——排肥螺旋最大角速度，rad/s

考虑肥料的综合系数影响，则

(20)

式中k——物料综合特性系数[17]

(21)

考虑实际排肥速率，选取A=25，计算可得nmax≤125 r/min。

3 排肥螺旋类型与螺距确定

螺旋排肥过程中易出现排肥量周期波动现象，主要包括以下两方面原因：①螺旋中肥料为准静态流，肥料动能主要来自颗粒间接触力链作用，排肥口肥料由于力链作用而同时掉下。②螺旋周期性转动而引起的螺旋与排肥导管尺寸变化[17]。为选定较优的排肥螺旋类型，本文选取单头、双头、三头、四头4种类型螺旋进行分析[24]。

3.1 仿真模型建立与试验方法

仿真试验以螺旋类型为试验因素，以排肥性能为试验指标，目的是得到较优的排肥螺旋类型与螺距。为确保不同类型排肥螺旋总排肥量一致，结合油菜直播常用需肥量，螺旋导程设为48 mm，螺旋转速为30 r/min。破结装置与排肥螺旋转速比设定为0.75[25]。运用EDEM 2020对不同类型排肥螺旋进行仿真试验。

3.1.1仿真模型建立

仿真模型主要由外壳、排肥螺旋、破结装置、导肥管4部分组成。材质均为工程塑料ABS。肥料颗粒为类球形，选取母女红复合肥中间尺寸肥料颗粒扫描得到其外形，仿真中导入肥料颗粒扫描模型，接触模型选取Hertz-Mindlin无滑动接触模型。仿真模型如图5所示，肥料、工程塑料ABS的材料特性及其相互间仿真参数见表1[17,20]。

表1 肥料与排肥器仿真参数Tab.1 Simulation parameters of fertilizer and material properties

3.1.2仿真模型建立

仿真时间为15 s，以肥料颗粒力、肥料颗粒速度、瞬时排肥效果开展排肥螺旋排肥性能定性分析。肥料颗粒接触力为螺旋上方肥料颗粒在排肥过程中所受合力，颗粒接触力分布不均易造成排肥螺旋填充不均，从而导致排肥不均匀。肥料颗粒速度为颗粒在螺旋内运动速率，螺旋内颗粒轴向速度越大，越不容易出现堵塞现象。瞬时排肥效果截取同一周期不同相位角瞬时排肥状态，不同相位脉冲越小，排肥越均匀。为便于观察，肥料颗粒力、肥料颗粒速度沿螺旋轴线的中心平面展开分析。

取肥料填充系数、排肥量均匀性变异系数与排肥口瞬时排肥速率变异系数开展排肥螺旋排肥性能定量分析。肥料填充系数为肥料在不同螺旋段填充系数，即单位长度内肥料颗粒所占体积与等长度排肥螺旋空间体积的比值。变异系数按NY/T 1003—2006《施肥机械质量评价技术规范》测定[27]。每种试验条件下取3组数据求平均值。单一试验条件下评价指标数值为两侧均值。

3.2 试验结果与分析

3.2.1不同类型排肥螺旋排肥性能定性分析

图6为仿真试验9 s时4种不同类型排肥螺旋上方颗粒接触力(箭头表示接触力方向，深蓝色为0，红色为峰值接触力)[24，28]。单头和双头排肥螺旋上方红色区域集中在出料口端壁；三头排肥螺旋上方红色区域分布在螺旋始端壁和出料端壁；四头排肥螺旋上方红色区域均匀分布。比较4种不同类型排肥螺旋，四头排肥螺旋上方肥料颗粒受力较均匀。

图7为仿真试验9 s时4种不同类型排肥螺旋颗粒速度(箭头表示速度方向，深蓝色为0，红色为峰值速度)。排肥螺旋转速一定的情况下，由图7可知，随着排肥螺旋头数增加，螺旋内红色区域占比越大，螺旋内轴向速度大的肥料颗粒越多[24,29]，即四头排肥螺旋内肥料颗粒均速最大。

针对螺旋排肥过程中易出现脉冲现象，对4种类型排肥螺旋进行了瞬时排肥特性分析[17]。图8为4种排肥螺旋不同相位瞬时排肥效果。单头、双头和三头排肥螺旋脉冲现象明显，主要原因是排肥螺旋与导肥管之间排肥口大小变化不规律。对于双头螺旋和三头螺旋，螺旋相位重叠也是影响排肥均匀性的重要因素。由图8可知，四头排肥螺旋瞬时排肥均匀性较好，是由于四头螺旋叶片在圆周呈对称布置，在任意相位起到互补作用。

相较单头、双头、三头螺旋，四头排肥螺旋上方颗粒接触力分布均匀，排肥螺旋内肥料颗粒速度大，瞬时排肥均匀性较好，具有较优排肥性能。

3.2.2不同类型排肥螺旋排肥性能定量分析

填充系数影响着排肥器排肥效率，其稳定性决定了排肥的均匀性[17]。图9为不同类型排肥螺旋分段填充系数。不同类型排肥螺旋肥料填充系数从螺旋始端到排肥口均呈先增加再减小的趋势。填充系数变化幅度越小，表明肥料填充越均匀。图9显示，四头排肥螺旋分段填充系数变化幅度最小，整个螺旋段具有较均匀的肥料填充性。

不同排肥螺旋类型对排肥均匀性变异系数与瞬时排肥速率变异系数的影响如图10所示。

在导程和转速一定时，4种不同排肥螺旋排肥均匀性变异系数与瞬时排肥速率变异系数均呈先增大后减小的趋势，双头排肥螺旋排肥均匀性变异系数最大，为22.27%，四头排肥螺旋排肥均匀性变异系数最小，为15.32%；四头排肥螺旋瞬时排肥速率变异系数最小，为24.49%。综合考虑排肥器结构与排肥性能，在导程和转速一定的情况下，四头排肥螺旋排肥性能较优。

3.2.3螺距对四头排肥螺旋排肥性能分析

在确定螺旋类型的前提下，为得到四头排肥螺旋较优参数，以螺距为试验因素。选取螺距为12～36 mm、增量为6 mm、转速为30 r/min。研究不同螺距对排肥均匀性变异系数及瞬时排肥速率变异系数的影响。得到排肥均匀性变异系数及瞬时排肥速率变异系数与螺距的关系如图11所示。

由图11可知，在许用螺距范围内，排肥均匀性变异系数随螺距增大先减小后增大，在螺距为24 mm时达到最小值6.27%，随后缓慢变大达到稳态。瞬时排肥速率变异系数在许用螺距范围内，随螺距增大逐渐减小，当螺距大于24 mm，瞬时排肥速率变异系数趋于稳定。在螺距为24 mm时，排肥均匀性变异系数和瞬时排肥速率变异系数较优。

综上，当螺旋类型为四头排肥螺旋，螺距为24 mm时，排肥器具有最佳的排肥性能。

4 四头螺旋双行排肥器台架试验

4.1 试验材料与装置

以三宁复合肥、常青树复合肥、母女红复合肥3种湖北省内油菜直播常用复合肥为试验材料，应用自制的试验台架开展不同类型肥料适应性试验[29]，肥料机械物理特性参数见表2，排肥器试验台如图12所示。

表2 试验用复合肥基本物理参数Tab.2 Basic physical parameters of compound fertilizer for experiment

4.2 试验设计与方法

为确定四头螺旋双行排肥器排肥速率以适应油菜直播不同施肥量要求和机具作业速度，以母女红复合肥为试验材料开展了不同转速下四头螺旋双行排肥器台架试验，根据油菜直播施肥量要求，排肥器选取转速为20～60 r/min，以10 r/min为增量，试验重复3次。为检验排肥器对不同肥料适应性，以三宁复合肥、常青树复合肥、母女红复合肥为试验材料，分析转速为20、40、60 r/min条件下排肥性能。试验均以排肥均匀性变异系数、总排肥量稳定性变异系数(1 min内排肥量)和双行排肥量一致性变异系数为评价指标。试验按照NY/T 1003—2006《施肥机械质量评价技术规范》[27]进行排肥器排肥性能试验和测定。

4.3 试验结果与分析

4.3.1排肥螺旋转速对排肥性能的影响

排肥螺旋转速对排肥性能的影响结果(图13)表明，排肥速率随着排肥螺旋转速增加而增加，在目标施肥量范围内，单行排肥速率为461.19～1 328.57 g/min，排肥速率满足课题组研制油菜精量联合直播机单行不同施肥量要求。每分钟实际排肥量与仿真排肥量偏差在9%以内，是由于肥料填充系数差别导致。排肥均匀性变异系数随排肥螺旋转速增加而降低，当转速大于30 r/min时，均匀性变异系数低于6.5%。总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均低于2.2%。评价指标均满足NY/T 1003—2006《施肥机械质量评价技术规范》中排肥均匀性变异系数要求。在油菜直播需肥量范围内，排肥螺旋转速越高，四头螺旋双行排肥器排肥性能越好。

4.3.2排肥器对油菜直播常用肥料适应性分析

不同复合肥具有不同的表征参数和流动特性，为检验排肥器对不同肥料的适应性，本文选取湖北省内油菜直播常用三宁复合肥、常青树复合肥、母女红复合肥3种肥料作为试验材料进行台架试验，肥料相关参数如表2所示。图14为排肥器转速为40 r/min时，3种不同肥料排肥效果。表3为不同类型复合肥对排肥性能的影响。

由图14和表3可知，3种肥料在输送带上分布较均匀。不同肥料施肥带宽度存在一定差异性，主要与肥料球形度及休止角有关，不考虑其他因素影响，肥料球形度越大，肥料休止角越小，施肥带越宽，肥料分布越均匀。

表3 排肥器对不同复合肥适应性分析Tab.3 Adaptability analysis of fertilizer feeding device to common granular fertilizer for rape direct seed

5 田间试验

为进一步验证台架试验结果，考察油菜四头螺旋双行排肥器的排肥性能，于2020年12月28日在华中农业大学现代农业科研基地开展了油菜直播排肥性能试验(图15)，前茬作物为水稻，复合肥选用母女红复合肥，目标施肥量为450 kg/hm2。试验以阿波斯1204拖拉机为牵引动力，机组平均前进速度为2.48 km/h，作业幅宽为2 000 mm，采用肥料侧方位混施，试验中将拖拉机蓄电池作为直流电机电源，通过步进电机调速器驱动并调节油菜一器双行螺旋排肥器转速，转速为40 r/min。试验田面积为0.05 hm2，预测施肥量为28.87 kg，实际施肥量为29.54 kg，实际施肥量与台架试验值相对误差为2.33%，实际排肥均匀性变异系数为6.73%，与台架测试值相差0.59%。双行排肥量一致性变异系数为1.98%。表明设计的排肥器满足油菜直播基肥施用要求。

6 结论

(1)排肥性能仿真试验表明，螺旋类型为四头，螺距为24 mm时，排肥螺旋具有最佳的排肥性能。

(2)台架试验研究排肥螺旋转速为20～60 r/min时排肥器排肥性能，结果表明，双行螺旋排肥器排肥均匀性变异系数、总排肥量稳定性变异系数、双行排肥量一致性变异系数均随排肥螺旋转速增加而降低，当转速大于30 r/min时，均匀性变异系数低于6.5%；总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均低于2.2%。同时不同肥料适应性试验结果表明，试验转速范围内3种肥料排肥均匀性变异系数均满足施肥标准，总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均低于3.3%。

(3)田间试验结果表明，目标施肥量为28.87 kg时，实际施肥量与试验目标施肥量相对误差为2.33%，田间试验排肥均匀性变异系数为6.73%，双行排肥量一致性变异系数为1.98%。满足油菜直播基肥施用量与排肥均匀性要求。