氣力集排式排肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)

楊慶璐，王慶杰，李洪文，何 進(jìn)，盧彩云，王英博，于暢暢

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

氣力集排式排肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)

楊慶璐，王慶杰※，李洪文，何 進(jìn)，盧彩云，王英博，于暢暢

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083； 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

針對(duì)氣力集排式排肥系統(tǒng)與分層深施肥鏟配合作業(yè)時(shí)，進(jìn)肥口處肥料落入不順暢以及排肥口處氣流速度過(guò)大導(dǎo)致肥料彈跳和地表?yè)P(yáng)塵等問(wèn)題，該研究通過(guò)分析排肥系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)排肥系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并設(shè)計(jì)了一種氣-肥分離裝置，將部分輸送氣流提前從排肥系統(tǒng)排出，從而降低排肥口處的氣流速度，提高進(jìn)肥口的進(jìn)料穩(wěn)定性。通過(guò)理論分析和參數(shù)計(jì)算，確定了排肥系統(tǒng)各組成部件的結(jié)構(gòu)和基本工作參數(shù)，分析確定了影響排肥口和進(jìn)肥口處氣流速度的主要因素，并以排肥口和進(jìn)肥口處的氣流速度為試驗(yàn)指標(biāo)，以氣-肥分離裝置的排氣口面積、排肥系統(tǒng)入口氣流速度和施肥速率為試驗(yàn)因素，進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合臺(tái)架試驗(yàn)，建立了試驗(yàn)指標(biāo)與各影響因素的數(shù)學(xué)回歸模型。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擬合和優(yōu)化分析，得到氣-肥分離裝置排氣口面積為798.0 mm2。排肥系統(tǒng)入口氣流速度為28.10 m/s，施肥速率為0.28 kg/s時(shí)，排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度為5.91 m/s，進(jìn)肥口氣流速度為3.94 m/s，以得到的優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)得排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度為6.02 m/s，進(jìn)肥口氣流速度為4.11 m/s，排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口肥料落入順暢，工作穩(wěn)定。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；氣力集排式；氣-肥分離裝置

0 引 言

隨著中國(guó)土地流轉(zhuǎn)的進(jìn)一步推進(jìn)，土地集約化、規(guī)?；?jīng)營(yíng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展必然趨勢(shì)，中大型、高速寬幅作業(yè)機(jī)具成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)的根本保障[1-5]。施肥播種作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，須按照農(nóng)藝要求在較短時(shí)間內(nèi)完成，時(shí)間緊、季節(jié)性強(qiáng)[6-7]。傳統(tǒng)機(jī)械式施肥播種裝置已不能滿足高速寬幅、精量高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的作業(yè)要求。近年來(lái)，精確度高、可靠性強(qiáng)的氣力集排式施肥播種方式發(fā)展迅速[8-9]。

氣力集排式排肥系統(tǒng)是氣力集排式施肥播種機(jī)的核心部件之一。國(guó)外在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)開始了氣力集排式排肥排種方面的研究[10]，80年代，在美國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家開始廣泛應(yīng)用，逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械式施肥方式[11-12]。Andrii等[13-14]對(duì)氣力集排式播種機(jī)氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，研究表明在給定管道中顆粒的流量和輸送氣流速度決定了顆粒在輸送系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡；Salavat等[15]對(duì)氣力集排式播種機(jī)分配系統(tǒng)中氣-固兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，以數(shù)值方式描述分配系統(tǒng)分配過(guò)程，為研究和改進(jìn)氣力集排式分配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了參考；Bourges等[16]對(duì)分配系統(tǒng)中氣流的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究垂直輸送管的長(zhǎng)度對(duì)氣力集排系統(tǒng)氣動(dòng)性能的影響。以上研究均未涉及氣力集排式排肥系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)之間的影響關(guān)系，尤其是關(guān)于排肥系統(tǒng)進(jìn)出口參數(shù)對(duì)排肥系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、進(jìn)肥口和排肥口處氣流速度等影響的研究。國(guó)內(nèi)對(duì)氣力集排式排肥系統(tǒng)方面的研究起步較晚，有關(guān)排肥系統(tǒng)工作穩(wěn)定性方面的研究鮮見報(bào)道。

基于前期研究，將氣力集排式排肥系統(tǒng)用于分層深施肥作業(yè)，排肥系統(tǒng)各排肥管與分層施肥鏟各層出肥口相連，肥料在氣流作用下可快速遠(yuǎn)距離輸送至分層深施肥鏟各層出肥口，實(shí)現(xiàn)肥料在土壤中分層施用。傳統(tǒng)機(jī)械式分層施肥作業(yè)，依靠肥料自身重力進(jìn)行肥料輸送和各層分配，為避免堵塞，排肥管較粗大，不僅增大了機(jī)具作業(yè)阻力，可靠性也較差，而氣力集排式排肥系統(tǒng)先進(jìn)行各層肥料分配，而后肥料在氣流輔助下快速輸送至各層出肥口，排肥管直徑較小，且不易堵塞，有效減小機(jī)具作業(yè)阻力。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，排肥管直徑參數(shù)對(duì)氣力集排式排肥系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性有較大影響，因此，需明確排肥系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)之間的影響關(guān)系，優(yōu)化氣力集排式排肥系統(tǒng)參數(shù)，提高工作穩(wěn)定性。

本文針對(duì)排肥系統(tǒng)與分層深施肥鏟配合作業(yè)時(shí)，進(jìn)肥口處肥料落入不順暢以及排肥口處氣流速度過(guò)大導(dǎo)致肥料彈跳和地表?yè)P(yáng)塵等問(wèn)題，通過(guò)氣力集排式排肥系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，研究排肥系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)之間的關(guān)系，以為氣力集排式排肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供技術(shù)參考和理論支撐，提高氣力集排式排肥系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

1 氣力集排式排肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

氣力集排式排肥系統(tǒng)包括肥料分配裝置、供肥裝置、氣-肥混合裝置、氣-肥分離裝置、風(fēng)機(jī)和輸送管道等。其中肥料分配裝置由分配器和波紋管組成，供肥裝置由肥箱、外槽輪排肥器和排肥電機(jī)組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.排肥管 2.氣-肥分離裝置 3.波紋管 4.分配器出口 5.分配器 6.肥箱 7.排肥電機(jī) 8.風(fēng)機(jī) 9.氣流輸送管 10.氣-肥混合裝置 11.外槽輪排肥器 12.氣-肥輸送管 13.分層深施肥鏟

風(fēng)機(jī)出口通過(guò)氣流輸送管道與氣-肥混合裝置進(jìn)風(fēng)口相連接；外槽輪排肥器由排肥電機(jī)帶動(dòng)，與氣-肥混合裝置進(jìn)肥口相連接；氣-肥混合裝置出口經(jīng)氣-肥輸送管與波紋管下端相連接；分配器入口與波紋管上端相連接，出口經(jīng)排肥管與氣-肥分離裝置相連接；排肥系統(tǒng)排肥管與分層深施肥鏟上下層施肥管相連接。

1.2 工作原理

氣力集排式排肥系統(tǒng)的排肥作業(yè)，主要依靠高速氣流的作用將肥料分配并輸送至分層深施肥鏟。其工作過(guò)程主要分為供肥裝置定量供肥、氣-肥混合裝置高效混肥、分配裝置精準(zhǔn)分肥、排肥管快速輸肥4個(gè)階段。工作時(shí)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高速氣流，經(jīng)氣流輸送管道進(jìn)入氣-肥混合裝置混合腔；肥料從肥箱經(jīng)外槽輪排肥器定量排出，在自身重力和壓差作用下進(jìn)入氣-肥混合裝置混合腔；氣-肥混合裝置在文丘里效應(yīng)的作用下，將高速氣流和肥料在混合腔內(nèi)均勻混合；混合形成的氣-肥混合流經(jīng)氣-肥輸送管進(jìn)入波紋管，在波紋管的拉伸、擠壓及肥料觸壁反射的共同作用下，高速氣流與肥料充分混合，形成均勻氣-肥混合流；分配器利用壓差和肥料觸壁反射的特性，將氣-肥混合流精準(zhǔn)分配至每一個(gè)出口；分配后的氣-肥混合流經(jīng)排肥管和氣-肥分離裝置輸送至分層深施肥鏟，分層深施肥鏟將肥料分層施入土壤中。

2 氣力集排式排肥系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

氣力集排式排肥系統(tǒng)中，肥料的穩(wěn)定供給是提高排肥系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。排肥系統(tǒng)氣力輸送中，各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和輸送氣流速度是影響肥料輸送的重要因素[17]。

2.1 排肥系統(tǒng)風(fēng)速

氣力集排式排肥系統(tǒng)依靠高速氣流將肥料分配并輸送至各排肥管。肥料與高速氣流在氣-肥混合裝置形成氣-肥混合流，經(jīng)氣-肥輸送管進(jìn)入波紋管，波紋管為豎直方向安裝，因此，氣-肥混合流需克服肥料重力向上運(yùn)動(dòng)，并以一定速度進(jìn)入分配器，完成肥料的分配。

肥料顆粒為不規(guī)則形狀球體，在氣流作用下形成懸浮狀態(tài)，必須滿足空氣阻力F與物料浮重相等，則肥料顆粒的自由懸浮速度0[18]為

式中K為不規(guī)則形狀物料修正系數(shù)；d為肥料顆粒的等效粒徑，m；ρ為肥料的顆粒密度，kg/m3；ρ為空氣的密度，kg/m3；為繞流阻力系數(shù)；為重力加速度，m/s2。不規(guī)則球體的K為1.2[18]，ρ為1.293 kg/m3，取0.44[18]，取9.81 m/s2。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，測(cè)得所選肥料（住商肥料（青島）有限公司，N:P2O5:K2O為28:8:10）等效粒徑d為3.26×10-3m，肥料的顆粒密度ρ為1 448 kg/m3。

由此計(jì)算得出肥料顆粒的自由懸浮速度0為9.51 m/s，根據(jù)氣力輸送氣流速度的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，輸送管道布置較復(fù)雜時(shí)，輸送氣流速度v應(yīng)為顆粒懸浮風(fēng)速0的2.6～5.0倍[8,18]，則v最小值應(yīng)大于2.60，即24.71 m/s，取整為25 m/s。

2.2 氣-肥輸送管結(jié)構(gòu)參數(shù)

氣-肥輸送管將氣-肥混合流從氣-肥混合裝置輸送到波紋管（圖1中12所示），單位時(shí)間所需空氣體積量Q為

式中W為單位時(shí)間輸送氣流質(zhì)量，W=W/，kg/s；W為單位時(shí)間輸送肥料顆粒質(zhì)量即施肥速率，kg/s；為單位時(shí)間肥料質(zhì)量與氣流質(zhì)量的混合比。

排肥系統(tǒng)物料輸送方式為低壓稀相流輸送[14]，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[18]，單位時(shí)間肥料質(zhì)量與氣流質(zhì)量的混合比范圍為1~10，本文取為2.9[19]。氣力集排式排肥系統(tǒng)用于玉米分層深施肥作業(yè)，機(jī)具作業(yè)幅寬為2.5 m，最大施肥速度為10 km/h，施肥量為200～600 kg/hm2[19-22]，則W最大為0.42 kg/s。

排肥系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)輸送的空氣體積量Q與氣-肥輸送管直徑之間關(guān)系滿足：

綜合式（1）～（3），可得氣-肥輸送管道直徑為

計(jì)算得氣-肥輸送管直徑為76 mm，單位時(shí)間所需空氣體積量Q為0.112 m3/s。

2.3 氣-肥混合裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

氣-肥混合裝置依據(jù)文丘里效應(yīng)實(shí)現(xiàn)肥料與氣流均勻混合[23-24]，是連續(xù)均勻供肥的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括噴嘴、進(jìn)肥口、肥料接收室、過(guò)渡室和氣-肥混合腔等結(jié)構(gòu)。噴嘴出口與肥料接收室相連接，入口與風(fēng)機(jī)出口相連接。進(jìn)肥口一端與肥料接收室相連接，另一端與定量供肥裝置相連接。

1.氣-肥混合腔 2.過(guò)渡室 3.肥料接收室 4.進(jìn)肥口 5.噴嘴

1.Air-fertilizer mixing chamber 2.Transition room 3.Fertilizer receiving room 4.Fertilizer inlet 5.Nozzle

注：為過(guò)渡室收縮角，(°)；為噴嘴收縮角，(°)；1為氣-肥混合腔直徑，mm；1為氣-肥混合腔長(zhǎng)度，mm；2為噴嘴直徑，mm；3為進(jìn)肥口直徑，mm。

Note:is contraction angle of transition room, (°);is contraction angle of nozzle, (°);1is diameter of air-fertilizer mixing chamber, mm;1is length of air-fertilizer mixing chamber, mm;2is diameter of nozzle, mm;3is diameter of fertilizer inlet, mm.

圖2 氣-肥混合裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Structural schematic diagram of air-fertilizer mixing device

過(guò)渡室主要作用是將氣-肥混合腔與肥料接收室連接起來(lái)，將肥料接收室中的肥料收攏至氣-肥混合腔。過(guò)渡室收縮角為過(guò)渡室管壁與豎直方向的夾角，應(yīng)大于肥料顆粒與過(guò)渡室內(nèi)壁的摩擦角的補(bǔ)角，防止肥料滑落回肥料接收室。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)測(cè)得肥料顆粒與過(guò)渡室內(nèi)壁摩擦角為27.31°，補(bǔ)角為62.69°，因此取為65°。噴嘴收縮角為噴嘴收縮口管壁與豎直方向的夾角，其主要作用是提高噴嘴出口氣流速度，在肥料接收室形成負(fù)壓[25]，促進(jìn)肥料順利落入接收室，取為70°[24]。氣-肥混合腔與氣-肥輸送管道相連接，因此氣-肥混合腔直徑1與氣-肥輸送管道直徑尺寸一致，為76 mm。當(dāng)氣-肥混合腔直徑1與噴嘴直徑2比例為1.27時(shí)，氣-肥混合裝置綜合性能最優(yōu)[26]，因此噴嘴直徑2為60 mm。氣-肥混合腔長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)滿足肥料與氣流場(chǎng)充分混合穩(wěn)定[27]，因此1取為300 mm，3取為55 mm。

2.4 排肥系統(tǒng)分配裝置進(jìn)出口參數(shù)

排肥系統(tǒng)分配裝置是進(jìn)行各行肥料分配的關(guān)鍵部件，其進(jìn)出口參數(shù)對(duì)排肥系統(tǒng)內(nèi)部氣壓和風(fēng)速、肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)有重要影響[28]。分配裝置中波紋管兩端分別與氣-肥輸送管和分配器入口相連接，因此，波紋管直徑D和分配器入口直徑D與氣-肥輸送管直徑尺寸一致，均為76 mm，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。由分配器入口進(jìn)入的氣-肥混合流經(jīng)分配器分配后由分配器出口排出，為保證分配后的氣-肥混合流能順利排出分配器，減少氣流在分配器內(nèi)的壓力損失，分配器各出口的截面積之和應(yīng)大于分配器入口截面積，因此分配器出口的直徑D應(yīng)滿足：

式中為分配器出口個(gè)數(shù)；D為分配器出口直徑，mm；D為分配器入口直徑，mm。

氣力集排式排肥系統(tǒng)用于玉米分層深施肥作業(yè)，作業(yè)幅寬為2.5 m，對(duì)應(yīng)4個(gè)分層深施肥鏟，每個(gè)分層深施肥鏟施肥層數(shù)為2層，每層對(duì)應(yīng)1根排肥管，因此分配器出口個(gè)數(shù)為8個(gè)。計(jì)算得出分配器出口的直徑應(yīng)大于26.87 mm。為保證分配器穩(wěn)定分配，保留一定裕量，取分配器出口的直徑D為30 mm。

1.分配器出口 2.分配器 3.分配器入口 4.波紋管

1.Distributor outlet 2.Distributor 3.Distributor inlet 4.Bellows

注：D為波紋管直徑，mm；D為分配器出口直徑，mm；D為分配器入口直徑，mm。

Note:Dis diameter of bellows, mm;Dis diameter of distributor outlet, mm;Dis diameter of distributor inlet, mm.

圖3 排肥系統(tǒng)分配裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Structural schematic diagram of distribution device of fertilizing system

2.5 排肥系統(tǒng)氣流入口與氣-肥出口的參數(shù)關(guān)系

排肥系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)排肥系統(tǒng)的氣流入口與氣-肥出口大小相同時(shí)，初始輸送氣流速度一定，輸送過(guò)程中空氣能量不斷損耗，沿輸送管路方向壓力不斷下降，空氣產(chǎn)生膨脹，使管道內(nèi)輸送氣流的速度不斷增大，壓力損失進(jìn)一步增加，至排肥系統(tǒng)氣-肥出口處達(dá)到最大值[29]，導(dǎo)致排肥系統(tǒng)氣-肥出口肥料速度過(guò)大，肥料落入土壤后發(fā)生彈跳，影響分層效果；當(dāng)排肥系統(tǒng)氣流入口大于氣-肥出口時(shí)，輸送過(guò)程中氣流壓力損失加劇，能量不斷損耗，氣體膨脹更為嚴(yán)重，增加了氣-肥出口氣流速度，另一方面，初始定量的氣流從氣流入口進(jìn)入，再?gòu)臍?肥出口排出，單位時(shí)間總流量一定的情況下，出口截面積越小，氣流速度越大，造成排肥系統(tǒng)氣-肥出口肥料速度增大。

排肥系統(tǒng)氣-肥混合裝置的管道先收縮后逐漸擴(kuò)大，在收縮位置動(dòng)壓達(dá)到最大，靜壓最小，氣流速度因橫截面減小而增大，產(chǎn)生壓差，肥料被負(fù)壓吸入氣-肥混合裝置。當(dāng)排肥系統(tǒng)氣流入口大于氣-肥出口時(shí)，就會(huì)間接造成氣-肥混合裝置的氣流入口大于氣流出口，文丘里效應(yīng)失效，在收縮位置不再產(chǎn)生負(fù)壓，阻礙肥料進(jìn)入氣-肥混合裝置，在進(jìn)肥口處產(chǎn)生堵塞。

因此，為實(shí)現(xiàn)排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)料，降低排肥系統(tǒng)氣-肥出口的氣流速度，減少肥料彈跳和地表?yè)P(yáng)塵等問(wèn)題，排肥系統(tǒng)氣流入口的截面積應(yīng)小于排肥系統(tǒng)氣-肥出口的截面積。

2.6 排肥管結(jié)構(gòu)參數(shù)

氣力集排式排肥系統(tǒng)中分配器將肥料分配后經(jīng)排肥管輸送至分層深施肥鏟，各排肥管組成了排肥系統(tǒng)的末端出口，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)整個(gè)排肥系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性有重要影響。如圖4所示，各排肥管與分層深施肥鏟各層出肥口相連，各層出肥口布置在分層深施肥鏟鏟柄的后方。施肥作業(yè)時(shí)，施肥鏟前方鏟尖切開土壤，肥料經(jīng)后方的各層出肥口施入土壤，在機(jī)組前進(jìn)過(guò)程中，施肥鏟后方的排肥管與鏟尖切開的土壤的側(cè)壁接觸，對(duì)土壤側(cè)壁產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，增大施肥鏟的前進(jìn)阻力，因此，為降低施肥鏟的工作阻力，減少排肥管對(duì)土壤的擾動(dòng)，排肥管直徑應(yīng)盡量減小[14]，本研究取排肥管直徑D為20 mm。

1.鏟尖 2.鏟柄 3.下層排肥管 4.上層排肥管 5.上層肥料 6.下層肥料 7.上層出肥口 8.下層出肥口 9.土壤

3 氣-肥分離裝置設(shè)計(jì)

3.1 氣-肥分離裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)前文計(jì)算分析，排肥系統(tǒng)的氣流入口截面積應(yīng)小于排肥系統(tǒng)的氣-肥出口截面積。排肥系統(tǒng)的氣流入口為氣-肥輸送管，直徑為76 mm，排肥系統(tǒng)氣-肥出口為分層深施肥鏟排肥管，直徑為20 mm，共有8個(gè)排肥管，計(jì)算得排肥系統(tǒng)氣-肥出口等效直徑為56.6 mm，此時(shí)排肥系統(tǒng)的氣流入口截面積大于排肥系統(tǒng)的氣-肥出口截面積，不能滿足設(shè)計(jì)要求。排肥系統(tǒng)分配器將肥料分配完成后，氣-肥混合流由分配器出口進(jìn)入分層深施肥鏟排肥管，分配器出口直徑為30 mm，而分層深施肥鏟排肥管直徑為20 mm，兩者不匹配，因此，本研究提出一種氣-肥分離裝置，安裝在分配器出口與分層深施肥鏟排肥管之間，將一部分輸送氣流從分離裝置排出，剩余氣流與肥料由分層深施肥鏟排肥管排出。此時(shí)，氣-肥分離裝置排氣口與分層深施肥鏟排肥管共同組成排肥系統(tǒng)的出口，當(dāng)增大氣-肥分離裝置排氣口時(shí)，排肥系統(tǒng)的出口截面積也相應(yīng)增大。當(dāng)排氣口與排肥管組成的等效出口截面積大于排肥系統(tǒng)的入口截面積時(shí)即能滿足排肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

氣-肥分離裝置將分配器分配后的氣-肥混合流中的一部分氣流提前排出排肥系統(tǒng)，可減少分層深施肥鏟出肥口處的氣流，降低出肥口處肥料的速度，減少肥料在土壤中的彈跳，提高肥料分層效果，同時(shí)減少地面揚(yáng)塵，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括旋轉(zhuǎn)套、收縮口連接桿和外管等。氣-肥分離裝置入口與分配器出口相連，出口與分層深施肥鏟排肥管相連，前一個(gè)收縮口出口與下一個(gè)收縮口入口之間留有一定的間隙，各收縮口由連接桿固定在外管上，所有收縮口由外管包裹，外管上部設(shè)有排氣口，旋轉(zhuǎn)套通過(guò)螺紋安裝在外管外側(cè)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)套，上下移動(dòng)其位置，調(diào)整排氣口大小。

經(jīng)分配器分配后的氣-肥混合流由入口進(jìn)入氣-肥分離裝置，經(jīng)連續(xù)收縮口分離作用，一部分氣流由收縮口與收縮口之間的間隙排出，進(jìn)入氣-肥分離裝置外管，由外管上部排氣口排出，肥料顆粒在慣性力和重力作用下進(jìn)入下一級(jí)收縮口，經(jīng)過(guò)多級(jí)收縮口的分離作用，一部分氣流提前排出，剩余的部分氣流與肥料顆粒共同進(jìn)入分層深施肥鏟排肥管，輔助完成肥料顆粒的輸送。

注：a為氣-肥混合流；b為提前排出的氣流；c為剩余的氣流和肥料；D4為氣-肥分離裝置入口直徑，mm；D5為氣-肥分離裝置出口直徑，mm；D6為外管直徑，mm。

氣-肥分離裝置入口直徑4與分配器出口直徑D大小一致，為30 mm；出口直徑5與分層深施肥鏟排肥管直徑D大小一致，為20 mm；收縮口錐角為20°，收縮口入口直徑為52 mm；外管直徑大于收縮口入口直徑且保留一定間隙，便于排出分離后的氣流，外管直徑6取為75 mm；排氣口為4個(gè)25×10 (mm)矩形孔，均勻分布在外管上部圓周，通過(guò)旋轉(zhuǎn)套調(diào)整排氣口大小，排氣口面積1的理論可調(diào)整范圍為0~1 000 mm2。根據(jù)前述排肥系統(tǒng)入口與出口參數(shù)關(guān)系分析可知，排肥系統(tǒng)的入口截面積應(yīng)小于排肥系統(tǒng)的等效出口截面積，因此氣-肥分離裝置排氣口面積1應(yīng)滿足：

在現(xiàn)代高校教育中，注重大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為教育界的共識(shí)。高校在轉(zhuǎn)變教學(xué)理念的同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)踐在教學(xué)中的比重，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法，對(duì)于提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，具有重要意義[1-3]。廣東技術(shù)師范學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院根據(jù)制定的人才培養(yǎng)方案，按照復(fù)合型、創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，為培養(yǎng)電類創(chuàng)新型人才實(shí)施高素質(zhì)教育，在教育的同時(shí)更加專注培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維，不斷研究與探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建設(shè)新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力及綜合素質(zhì)。

式中為氣-肥輸送管道直徑，mm；為分配器出口個(gè)數(shù)。

計(jì)算得出排氣口面積1應(yīng)大于253 mm2，因此排氣口面積1的調(diào)整范圍為253～1 000 mm2。

3.2 排肥系統(tǒng)進(jìn)出口氣流速度的影響分析

排肥系統(tǒng)輸送肥料時(shí)，輸送氣流沿管道方向壓力降低，體積發(fā)生膨脹，密度減小，而質(zhì)量流量不變，因此管道內(nèi)氣流輸送速度V為

由式（7）可知，當(dāng)排肥系統(tǒng)輸送管道的管徑增大時(shí)，輸送氣流的速度會(huì)減小，且與輸送管道半徑的平方成反比，因此在沿排肥系統(tǒng)輸送管道方向，增大管道直徑可在一定范圍內(nèi)降低氣流速度，減小排肥系統(tǒng)出口處肥料的速度。

由輸送氣流的狀態(tài)方程可得：

式中P為排肥系統(tǒng)入口氣體壓力，Pa；Q為排肥系統(tǒng)入口氣體體積流量，kg/h；T為排肥系統(tǒng)入口氣體溫度，℃；P為排肥系統(tǒng)出口氣體壓力，Pa；Q為排肥系統(tǒng)出口氣體體積流量，kg/h；T為排肥系統(tǒng)出口氣體溫度，℃；Δ為排肥系統(tǒng)從入口到出口的壓力損失，Pa；D為排肥系統(tǒng)入口管徑，m；v為排肥系統(tǒng)入口氣流速度，m/s；D為排肥系統(tǒng)出口管徑，m；v為排肥系統(tǒng)出口氣流速度，m/s。

式中ρ為排肥系統(tǒng)入口氣流密度，kg/m3；ρ為排肥系統(tǒng)出口氣流密度，kg/m3。

根據(jù)可壓縮流體的連續(xù)性可得

綜合式（9）～（10）可得

由式（11）可知，排肥系統(tǒng)的出口氣流速度v與排肥系統(tǒng)的入口氣流速度v、排肥系統(tǒng)入口管徑D和出口管徑D有關(guān)。

綜上，氣力集排式排肥系統(tǒng)的排肥口氣流速度決定了排肥系統(tǒng)出肥口處肥料顆粒的速度，速度過(guò)大會(huì)造成肥料顆粒觸土反彈，影響分層施肥分層效果。氣-肥混合裝置進(jìn)肥口處氣流的速度和方向，影響進(jìn)肥口處肥料的落入，反向氣流會(huì)導(dǎo)致進(jìn)肥口處肥料堵塞，造成排肥系統(tǒng)供肥不暢。當(dāng)排肥系統(tǒng)安裝在施肥機(jī)機(jī)具上，機(jī)具不同的作業(yè)速度與不同的單位面積施肥量進(jìn)行匹配時(shí)，其本質(zhì)的變化即機(jī)具在單位時(shí)間內(nèi)的施肥量（即施肥速率），以此表示機(jī)具不同作業(yè)速度和不同單位面積施肥量時(shí)的施肥情況。排肥系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的施肥量由供肥裝置的外槽輪排肥器和排肥電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，排肥系統(tǒng)的施肥速率W（即單位時(shí)間的施肥量）的變化會(huì)改變排肥系統(tǒng)內(nèi)顆粒的分布密度，進(jìn)而影響排肥系統(tǒng)內(nèi)部和排肥口處的氣流和氣壓[28]。綜上，通過(guò)上述分析可知影響排肥系統(tǒng)排肥口和進(jìn)肥口氣流速度的主要因素為排肥系統(tǒng)入口氣流速度v、入口管徑D、出口管徑D和施肥速率W。入口氣流速度v即排肥系統(tǒng)的輸送氣流速度v，應(yīng)大于25 m/s；入口管徑D即氣-肥輸送管直徑，為76 mm；排肥系統(tǒng)出口截面積為分層深施肥鏟排肥管出口截面積與氣-肥分離裝置排氣口截面積之和，分層深施肥鏟排肥管直徑D為20 mm，氣-肥分離裝置排氣口面積1為253～1 000 mm2，排肥系統(tǒng)出口管徑大小轉(zhuǎn)化為氣-肥分離裝置排氣口截面積大??；機(jī)具作業(yè)幅寬2.5 m，施肥量200～600 kg/hm2，最大作業(yè)速度10 km/h，則施肥速率為0.14～0.42 kg/s。

4 氣力集排式排肥系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

為研究排肥系統(tǒng)進(jìn)出口參數(shù)、入口氣流速度和施肥速率對(duì)排肥系統(tǒng)排肥口和進(jìn)肥口處氣流速度的影響，進(jìn)行排肥系統(tǒng)排肥性能試驗(yàn)，優(yōu)化排肥系統(tǒng)參數(shù)。

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為住商肥料（青島）有限公司生產(chǎn)的顆粒狀玉米復(fù)合肥料（N:P2O5:K2O為28:8:10），肥料顆粒呈圓球形。選取一定量的顆粒肥料，隨機(jī)將其分為5組，采用細(xì)鹽填充法測(cè)量5組肥料的密度，取平均值，測(cè)得顆粒肥料的密度為1 448 kg/m3。隨機(jī)選取100粒肥料顆粒，用千分尺測(cè)量其三軸尺寸，計(jì)算得肥料顆粒的等效粒徑為3.26 mm，球形率為0.94，粒徑大小隨機(jī)分布，83%的肥料顆粒粒徑在2.7～3.9 mm之間。

4.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部保護(hù)性耕作研究中心氣力排肥器性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖6所示。

1.風(fēng)機(jī) 2.氣流輸送管 3.氣-肥混合裝置 4.排肥電機(jī) 5.外槽輪排肥器 6.肥箱 7.分配器 8.分配器出口 9.波紋管 10.氣-肥分離裝置 11.氣-肥輸送管 12.排肥管

4.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

排肥系統(tǒng)進(jìn)出口參數(shù)、入口氣流速度、施肥速率等影響排肥系統(tǒng)排肥口和進(jìn)肥口處氣流的速度，進(jìn)而影響排肥系統(tǒng)作業(yè)穩(wěn)定性，為研究排肥系統(tǒng)進(jìn)出口和作業(yè)參數(shù)對(duì)排肥系統(tǒng)排肥性能的影響，以排肥系統(tǒng)排肥口和進(jìn)肥口氣流速度為試驗(yàn)指標(biāo)，以氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統(tǒng)入口氣流速度和施肥速率為試驗(yàn)因素，進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。各試驗(yàn)因素的水平范圍為：氣-肥分離裝置排氣口面積253～1 000 mm2；入口氣流速度25～35 m/s；施肥速率0.14～0.42 kg/s。

經(jīng)前期預(yù)試驗(yàn)，當(dāng)施肥速率為0.42 kg/s時(shí)，排肥系統(tǒng)排肥口的氣流速度為4.4～6.4 m/s，肥料在排肥管中不會(huì)發(fā)生堵塞，同時(shí)能夠有效減少肥料在土壤中的彈跳和地面揚(yáng)塵，因此試驗(yàn)以排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度為4.4～6.4 m/s作為優(yōu)化目標(biāo)；排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口處因氣-肥混合裝置內(nèi)的負(fù)壓而產(chǎn)生的氣流，速度越大越有助于肥料落下，因此試驗(yàn)以排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度最大值作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化分析。試驗(yàn)因素水平及編碼表如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平及其編碼表

試驗(yàn)前，根據(jù)試驗(yàn)所需排氣口面積值，通過(guò)調(diào)整氣-肥分離裝置中旋轉(zhuǎn)套的位置，將排氣口面積調(diào)整至對(duì)應(yīng)值；根據(jù)所需入口氣流速度，調(diào)整風(fēng)機(jī)變頻器，改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，利用風(fēng)速儀測(cè)量入口氣流速度，進(jìn)行風(fēng)速標(biāo)定；為提高供肥裝置工作穩(wěn)定性，將肥箱中加入15 kg顆粒肥料，選取試驗(yàn)方案中的施肥速率（0.14、0.2、0.28、0.36、0.42 kg/s），調(diào)整排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)各組試驗(yàn)方案，調(diào)整試驗(yàn)裝置，用風(fēng)速儀測(cè)量排肥系統(tǒng)8個(gè)排肥口的氣流速度和進(jìn)肥口的氣流速度，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取測(cè)量結(jié)果的平均值。試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.4.1 回歸模型建立與方差分析

將試驗(yàn)結(jié)果用Design Expert軟件進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合[30]，分析得到排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度1、排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度2與氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統(tǒng)入口氣流速度、施肥速率之間的數(shù)學(xué)模型，檢驗(yàn)其顯著性，并分析其交互作用規(guī)律。

1）排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度1

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，建立排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度1的回歸模型

1=?331.608 10+0.118 32+20.443 36

?40.772 94+4.823 85×10-3（12）

?0.264 512

表2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度1的方差分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，試驗(yàn)整體模型為極顯著（<0.01），線性主效應(yīng)項(xiàng)中氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統(tǒng)入口氣流速度和施肥速率對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度1的影響極顯著（<0.01），交互項(xiàng)中氣-肥分離裝置排氣口面積與排肥系統(tǒng)入口氣流速度的交互項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度1的影響顯著（0.01≤<0.05），二次主效應(yīng)項(xiàng)中排肥系統(tǒng)入口氣流速度的二次項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度1的影響顯著（0.01≤<0.05），其他各項(xiàng)不顯著，各影響因素對(duì)排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度影響的主次順序是氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統(tǒng)入口氣流速度、施肥速率。分析結(jié)果中失擬差的值為0.359 6為不顯著（>0.1），表明不存在影響試驗(yàn)指標(biāo)的其他因素水平存在，且試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)存在顯著的二次關(guān)系，試驗(yàn)分析結(jié)果合理。

2）排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度2

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，建立排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度2的回歸模型

2=10.824 42+5.805 99×10-3?0.471 81

?40.417 32+2.247 59（13）

?58.171912

表3 排肥系統(tǒng)排肥口和進(jìn)肥口氣流速度方差分析表

注：“***”表示極顯著(<0.01)；“**”表示顯著(0.01≤<0.05)；“*”表示較顯著(0.05≤<0.1)。

Note: “***” means highly significant (<0.01), “**” means significant (0.01≤<0.05), “*” means relatively significant (0.05≤<0.1).

排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度2的方差分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，試驗(yàn)整體模型為極顯著（<0.01），線性主效應(yīng)項(xiàng)中氣-肥分離裝置排氣口面積對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度2的影響極顯著（<0.01），線性主效應(yīng)項(xiàng)中排肥系統(tǒng)入口氣流速度和施肥速率對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度2的影響較顯著（0.05≤<0.1），交互項(xiàng)中排肥系統(tǒng)入口氣流速度與施肥速率的交互項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度2的影響較顯著（0.05≤<0.1），二次主效應(yīng)項(xiàng)中施肥速率的二次項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度2的影響較顯著（0.05≤<0.1），其他各項(xiàng)不顯著，各影響因素對(duì)排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度影響的主次順序是氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統(tǒng)入口氣流速度、施肥速率。分析結(jié)果中失擬差=0.483 8為不顯著（>0.1），表明不存在影響試驗(yàn)指標(biāo)的其他因素水平存在，且試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)存在顯著的二次關(guān)系，試驗(yàn)分析結(jié)果合理。

4.4.2 響應(yīng)曲面分析

利用Design Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，根據(jù)建立的排肥系統(tǒng)排肥口和進(jìn)肥口氣流速度回歸模型，得到氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統(tǒng)入口氣流速度、施肥速率之間的交互作用對(duì)排肥系統(tǒng)排肥口和進(jìn)肥口氣流速度的影響效應(yīng)響應(yīng)曲面，如圖7所示。

施肥速率為0.28 kg/s時(shí)，氣-肥分離裝置排氣口面積和排肥系統(tǒng)入口氣流速度對(duì)排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度1的交互影響如圖7a所示。當(dāng)排肥系統(tǒng)入口氣流速度一定時(shí)，氣-肥分離裝置排氣口面積與排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度呈負(fù)相關(guān)，較優(yōu)的排氣口面積范圍為685.0～849.0 mm2。當(dāng)氣-肥分離裝置排氣口面積一定時(shí)，排肥系統(tǒng)入口氣流速度與排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度呈正相關(guān)，較優(yōu)的排肥系統(tǒng)入口氣流速度范圍為27.0～31.5 m/s。2個(gè)交互項(xiàng)中氣-肥分離裝置排氣口面積為影響排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度的主要因素。

圖7 試驗(yàn)因素對(duì)各指標(biāo)的影響

氣-肥分離裝置排氣口面積為626.5 mm2時(shí)，排肥系統(tǒng)入口氣流速度和施肥速率對(duì)排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度2的交互影響如圖7b所示。當(dāng)排肥系統(tǒng)入口氣流速度一定時(shí)，施肥速率與排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度呈負(fù)相關(guān)，較優(yōu)的施肥速率范圍為0.20～0.33 kg/s。當(dāng)施肥速率一定時(shí)，排肥系統(tǒng)入口氣流速度與排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度呈正相關(guān)，較優(yōu)的入口氣流速度為31.5～33.0 m/s。2個(gè)交互項(xiàng)中排肥系統(tǒng)入口氣流速度為影響排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口氣流速度的主要因素。

4.4.3 參數(shù)優(yōu)化

為獲得排肥系統(tǒng)較優(yōu)工作性能的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，利用Design Expert軟件的優(yōu)化模塊，對(duì)2個(gè)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解，根據(jù)排肥系統(tǒng)實(shí)際作業(yè)條件和工作要求，結(jié)合響應(yīng)曲面分析結(jié)果，確定目標(biāo)函數(shù)的約束條件為

根據(jù)約束條件，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到多種優(yōu)化后的參數(shù)組合，結(jié)合排肥系統(tǒng)實(shí)際施肥作業(yè)的工作要求，從中選取較優(yōu)的參數(shù)組合：氣-肥分離裝置排氣口面積為798.0 mm2，排肥系統(tǒng)入口氣流速度為28.10 m/s，施肥速率為0.28 kg/s時(shí)，排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度較小，進(jìn)肥口氣流速度較優(yōu)，對(duì)應(yīng)的排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度為5.91 m/s，進(jìn)肥口氣流速度為3.94 m/s。

4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證試驗(yàn)得到的優(yōu)化結(jié)果，將氣-肥分離裝置排氣口面積調(diào)整為798.0 mm2，排肥系統(tǒng)入口氣流速度調(diào)整為28.10 m/s，施肥速率調(diào)整為0.28 kg/s，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)量排肥系統(tǒng)排肥口和進(jìn)肥口處氣流速度。測(cè)得排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度為6.02 m/s，進(jìn)肥口氣流速度為4.11 m/s。

本文試驗(yàn)所用肥料為住商肥料（青島）有限公司生產(chǎn)的顆粒狀玉米復(fù)合肥料（N:P2O5:K2O為28:8:10），該肥料物理性狀與相關(guān)文獻(xiàn)[11,21,29,31]中肥料的物理性狀基本相同，其三軸尺寸、密度等參數(shù)的差值在10%以內(nèi)，因此所用肥料具有一定代表性，優(yōu)化后的排肥系統(tǒng)可適用于與試驗(yàn)所用肥料物理性狀相近的其他肥料。不同的作業(yè)速度與不同的單位面積施肥量進(jìn)行匹配時(shí)，其本質(zhì)的變化即為機(jī)具在單位時(shí)間內(nèi)的施肥量，因此文中以單位時(shí)間施肥量（即施肥速率）來(lái)表示機(jī)具不同作業(yè)速度和不同單位面積施肥量時(shí)的施肥情況。相關(guān)研究表明，排肥系統(tǒng)排肥管的管路結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)排肥系統(tǒng)排肥口處氣流速度產(chǎn)生一定影響，本文的研究主要針對(duì)排肥系統(tǒng)中進(jìn)出口參數(shù)對(duì)排肥系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的影響，解決排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口處肥料落入不順暢的問(wèn)題，由此設(shè)計(jì)了一種氣-肥分離裝置，并對(duì)裝置工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。臺(tái)架試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)氣-肥分離裝置對(duì)整個(gè)排肥系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用，優(yōu)化排肥系統(tǒng)，因此試驗(yàn)中將各行的排肥管長(zhǎng)度取為等長(zhǎng)進(jìn)行研究，暫未考慮排肥系統(tǒng)排肥管的管路結(jié)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。后續(xù)試驗(yàn)樣機(jī)的研究中，會(huì)根據(jù)實(shí)際管路的布置形式對(duì)管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)研究。

5 結(jié) 論

1）為提高氣力集排式排肥系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，針對(duì)因排肥系統(tǒng)與分層深施肥鏟配合作業(yè)時(shí)，排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口處肥料落入不順暢以及排肥口處氣流速度過(guò)大導(dǎo)致的肥料彈跳和地表?yè)P(yáng)塵等問(wèn)題，進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了排肥系統(tǒng)主要的工作參數(shù)和各組成部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出排肥系統(tǒng)入口的截面積應(yīng)小于排肥系統(tǒng)等效出口的截面積，排肥系統(tǒng)入口氣流速度應(yīng)大于25 m/s，氣-肥輸送管直徑為76 mm，施肥速率為0.14～0.42 kg/s。

2）設(shè)計(jì)了一種氣-肥分離裝置，可將部分輸送氣流提前從排肥系統(tǒng)排出，減少排肥系統(tǒng)排肥口處氣流量，降低排肥口處氣流速度，同時(shí)氣-肥分離裝置的排氣口與排肥管共同組成了排肥系統(tǒng)的末端出口，滿足了排肥系統(tǒng)入口的截面積小于排肥系統(tǒng)等效出口的截面積這一必要條件。

3）通過(guò)理論分析確定了影響排肥系統(tǒng)排肥口和進(jìn)肥口處氣流速度的主要因素，以排肥系統(tǒng)排肥口和進(jìn)肥口氣流速度為試驗(yàn)指標(biāo)，以氣-肥分離裝置排氣口面積、排肥系統(tǒng)入口氣流速度和施肥速率為試驗(yàn)因素，進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，建立了各因素與試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)學(xué)回歸模型。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擬合和優(yōu)化分析，得到了氣-肥分離裝置排氣口面積為798.0 mm2，排肥系統(tǒng)入口氣流速度為28.10 m/s，施肥速率為0.28 kg/s時(shí)，排肥系統(tǒng)排肥口氣流速度為5.91 m/s，進(jìn)肥口氣流速度為3.94 m/s，此時(shí)，排肥系統(tǒng)進(jìn)肥口肥料落入順暢，工作穩(wěn)定。

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Structural optimization and experiment of pneumatic centralized fertilizer system

Yang Qinglu, Wang Qingjie※, Li Hongwen, He Jin, Lu Caiyun, Wang Yingbo, Yu Changchang

(1.,,100083,; 2.100083)

In recent years, the pneumatic centralized fertilizing and seeding methods were developing rapidly. The pneumatic centralized fertilizing system was mainly used for layered fertilizing operation. The fertilizing pipes of the fertilizer discharging system were connected with the fertilizer outlet of the layered fertilizing shovel. Under the actions of air flow, the fertilizer was transported to the outlet of the fertilizing shovel quickly and remotely, so as to realize the layered application of the fertilizer in the soil. In this paper, in view of the problems such as the fertilizer falling into the inlet was not smooth and the airflow velocity at the outlet was too high, which leading to fertilizer bounce and dust when the fertilizer discharging system and layered deep fertilizing shovel were combined, the relationship between the structure of each part of the fertilizer discharging system and the working parameters was studied through the test-bench of the pneumatic centralized fertilizer discharging system, and the structure of the fertilizing system was optimized. An air-fertilizer separation device was designed, which was installed between the distributor outlet and the fertilizer discharging pipe of the layered deep fertilization shovel, part of the airflow from the fertilizing system was discharged by the air-fertilizer separation device in advance to reduce the airflow velocity at the fertilizer outlet of fertilizing system. The structure and basic working parameters of each component of fertilizing system were determined through theoretical analysis and parameter calculation. In specific, the airflow velocity of the fertilizing system inlet should be greater than 25 m/s, the diameter of the air-fertilizer conveying pipe, fertilizer inlet and fertilizer outlet was 76, 55 and 20 mm, respectively. The main factors affecting the airflow velocity at fertilizer outlet and inlet of fertilizing system were also determined through analysis. Taking the exhaust outlet area of the air-fertilizer separation device (), the airflow velocity of the fertilizing system inlet () and the fertilizing rate () as the test factors, the quadratic regression rotary orthogonal platform experiment was conducted. According to the test results, the mathematical regression model between the test indexes and the influencing factors was established. The results showed that the exhaust outlet area of air-fertilizer separation device, airflow velocity of the fertilizing system inlet and fertilizing rate had a significant effect on airflow velocity at fertilizer outlet of fertilizing system, and exhaust outlet area of air-fertilizer separation device had a significant effect on the airflow velocity at inlet of fertilizing system. The optimized parameters were conducted by fitting and optimizing the test results. It was obtained that airflow velocity at fertilizer outlet, fertilizer inlet of fertilizing system was 5.91 and 3.94 m/s, respectively, the exhaust outlet area of the air-fertilizer separation device, airflow velocity of the fertilizing system inlet and fertilizing rate were 798.0 mm2, 28.10 m/s and 0.28 kg/s, respectively. The verification test results showed that the airflow velocity at fertilizer outlet and fertilizer inlet of the system was 6.02 and 4.11 m/s, the fertilizer at the inlet of the fertilizer discharging system falled smoothly and stably.

mechanization; design; optimization; pneumatic centralized; air-fertilizer separation device

楊慶璐，王慶杰，李洪文，等. 氣力集排式排肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(13)：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.001 http://www.tcsae.org

Yang Qinglu, Wang Qingjie, Li Hongwen, et al. Structural optimization and experiment of pneumatic centralized fertilizer system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.001 http://www.tcsae.org

2020-05-15

2020-06-15

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200600）

楊慶璐，博士生，主要從事保護(hù)性耕作技術(shù)與裝備研究。Email：yangqinglu@cau.edu.cn

王慶杰，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護(hù)性耕作技術(shù)與裝備研究。Email：wangqingjie@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.001

S224.21

A

1002-6819(2020)-13-0001-10