再生稻氣送式雙側(cè)施肥裝置的設計與試驗研究

劉德柱, 周勇, 張國忠, 張夢月, 柯燴彬, 楊全軍

(華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

施肥作業(yè)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、高效與糧食安全的重要保證[1]，但不合理的施肥會導致作物減產(chǎn)和環(huán)境污染。再生稻可提高稻田復種指數(shù)，增加農(nóng)民收入，其追肥以人工撒肥和離心圓盤式撒肥機撒肥為主[2]。人工撒肥效率低、施肥均勻性差；離心圓盤式撒肥機作業(yè)幅度寬、效率高，但容易受到風力等因素的影響，導致作業(yè)范圍內(nèi)的撒肥不均，且存在施肥過程中施肥量調(diào)節(jié)不準確[3-4]的問題。因此，研究再生稻追肥機械，提高施肥均勻性和實現(xiàn)施肥量準確調(diào)節(jié)，對于提高肥料的利用率、減少環(huán)境污染具有重要意義[5-6]。

施肥機械是施肥作業(yè)的三大支柱之一，按照施肥方式可分為撒肥機、種肥施肥機與追肥施肥機三種[7]。近年來，學者對插秧施肥機械和中耕施肥機械研究較多。王金峰等[8]對水田側(cè)深施肥裝置關(guān)鍵部件排肥器和氣力輸送系統(tǒng)進行設計與分析，通過風力將肥料輸送在水稻根部側(cè)深位置，實現(xiàn)了定位施肥。齊興源等[9]設計了一種稻田氣力式變量施肥機，并采用圓錐擋板噴撒器噴撒肥料顆粒，在滿足幅寬要求的基礎上，還能夠在幅寬方向上變量控制施肥。施印炎等[10]設計了一種新型軸分段式變量追肥機執(zhí)行機構(gòu)，分析并確定了其關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和參數(shù)，實現(xiàn)了對常規(guī)槽輪排肥器的精準控制。以上研究實現(xiàn)了施肥機具定位深施肥和施肥量的準確調(diào)節(jié)，但針對地表追肥的定位施肥研究較少。由于再生稻分蘗期后逐漸封行，植株較高[11-12]，使用撒肥機存在施肥不均和施肥量調(diào)節(jié)不準確的缺點，而采用定位施肥的方式可提高肥料利用率，降低農(nóng)業(yè)成本，追肥效果較好。

為了解決上述問題，本文提出了定位雙側(cè)施肥的再生稻追肥方案，即將肥料顆粒施撒于靠近水稻根系兩側(cè)的土壤；還設計了一種以交錯斜槽可調(diào)式外槽輪排肥器為基礎的再生稻氣送式雙側(cè)施肥裝置，并針對影響施肥裝置的主要因素進行了試驗，得到了施肥裝置最佳工作參數(shù)，為再生稻追肥機整機的設計提供了參考。

1 材料與方法

1.1 施肥裝置設計

1.1.1再生稻追肥方案 根據(jù)再生稻的生長特點，采用對行雙側(cè)定位施肥的方式進行再生稻地表追肥，施肥位置如圖1所示。將肥料施入秧苗兩側(cè)，肥料顆粒散布在靠近秧苗根系分布的范圍可以實現(xiàn)肥料的充分利用，從而避免撒肥機拋撒不均導致的肥料浪費。

再生稻對行雙側(cè)施肥機主要由插秧機底盤和氣送式雙側(cè)排肥裝置組成，如圖2所示。氣送式雙側(cè)排肥裝置主要由風機、電機、肥箱、排肥器、混肥管、分肥器等部分組成。

注：1—施肥裝置；2—雙排肥口；3—植株；4—顆粒肥料；5—土壤。Note: 1—Fertilizer device; 2—Two Fertilizer outlets; 3—Rice plant; 4—Granulated fertilizer; 5— Soil.圖1 施肥位置Fig.1 Location of fertilizer

注：1—風機；2—電機；3—肥箱；4—排肥器；5—混肥管；6—分肥器。Note: 1—Fan; 2—Motor; 3—Box of fertilizer; 4—Fertilizer apparatus; 5—Mixed fertilizer tube; 6—Fertilizer distributor.圖2 再生稻對行雙側(cè)施肥機Fig.2 Structue of fertilizer applicator

1.1.2施肥機關(guān)鍵部件與工作原理 氣送式雙側(cè)施排肥裝置試驗臺架如圖3所示，主要由電機、風機、交錯斜槽可調(diào)式外槽輪排肥器、肥箱、混合管、分肥器、電機調(diào)速器等部分組成。工作時肥箱內(nèi)的顆粒肥料經(jīng)過交錯斜槽可調(diào)式外槽輪排肥器定量排出進入混肥管，風機將高速氣流吹入混肥管，混肥管利用文丘里原理[14]在混肥管顆粒肥料入口處產(chǎn)生氣壓差，肥料依靠重力和氣壓差進入混合管，被高速氣流吹至分肥器，分肥器分成均勻的兩行經(jīng)過排肥口排至再生稻植株兩側(cè)土壤，實現(xiàn)再生稻植株兩側(cè)定量施肥。

1.1.3交錯斜槽可調(diào)式外槽輪排肥器設計 傳統(tǒng)的外槽輪式排肥器常用的槽輪有直槽、斜槽、交錯槽等形式，其中直槽結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)制作方便，應用最為廣泛，但其齒和槽的結(jié)構(gòu)導致其存在排肥的瞬時斷條及周期性脈動[13]，本課題組設計的交錯斜槽可調(diào)式外槽輪排肥器有效克服了直槽輪式外槽輪排肥器的缺點。其由排肥殼、交錯斜槽槽輪、阻塞輪、調(diào)量輪、排肥舌、出肥口等部分組成，如圖4所示。工作時，肥料隨槽輪的轉(zhuǎn)動，兩側(cè)的交錯斜槽槽輪同時工作，通過左右兩邊的調(diào)量輪壓縮交錯斜槽的工作長度實現(xiàn)對排肥量的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)排肥量可調(diào)的穩(wěn)定施肥。

注：1—電機；2—風機；3—排肥器；4—肥箱；5—混肥器；6—分肥器；7—電機調(diào)速器。Note: 1—Motor;2—Fan;3—Fertilizer apparatus;4—Box of fertilizer； 5—Mixed fertilizer tube; 6—Fertilizer distributor; 7—Motor governor.圖3 施肥裝置試驗臺架Fig.3 Structure of test bench

注：1—排肥殼；2—交錯斜槽槽輪；3—阻塞輪；4—調(diào)量輪；5—排肥舌；6—出肥口。Note: 1—Fertilizer shell; 2—Staggered spiral adjustable outer grooved wheel; 3—Shutoff block; 4—Adjusting wheel; 5—Fertilizer tongue; 6—Fertilizer outlet.圖4 排肥器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of fertilizer apparatus

1.1.4混肥管設計 混肥管是使空氣和肥料混合均勻并運送肥料的部件，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括氣流入口、收縮管、肥料入口、氣肥混合室、擴張管、輸肥管。

根據(jù)文丘里原理[14]，氣流從混肥管氣流入口進入，隨著收縮管管道截面漸減小，流速變大，壓強變小，在肥料入口處產(chǎn)生壓差[15]。交錯斜槽排肥器定量排出顆粒肥料，通過重力和壓差的作用進入氣肥混合室，并與氣流混合均勻，經(jīng)擴張管進入輸肥管道。其結(jié)構(gòu)尺寸參照經(jīng)典文丘里管設計，混肥管氣流入口和風機出風口相連，因此D1與風機出風口直徑一致為45 mm，α取21°，氣肥混合室直徑取0.7D1，即31.5 mm，其長度與直徑相等為31.5 mm,β取8°[16]，根據(jù)管道內(nèi)顆粒輸送原理[17]，入口風速計算公式如下。

注：1—氣流入口；2—收縮管； 3—肥料入口；4—氣肥混合室；5—擴張管；6—輸肥管。Note: 1—Flow inlet; 2—Constricted tube; 3—Fertilizer inlet; 4—Mixed room; 5—Expansion tube; 6—Fertilizer delivery tube.圖5 混肥管結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of fertilizer mixing tube

(1)

式中，va為入口風速，m·s-1；KL為物料粒度系數(shù)，16；Kd為物料特性系數(shù)，(2～5)×10-5；ρf為顆粒肥密度，為1 430 kg·m-3；L為輸肥管長度，m。

由于輸肥管的長度(L)一般不超過2 m，因此,輸肥管長度對入口風速(va)的影響可忽略不計。為了保證氣流速度能夠滿足肥料輸送要求，應保留30%的空余量。計算后可得入口風速(va)為24.87 m·s-1,取整后可得入口風速為25 m·s-1。

顆粒肥料在輸送管道中的料氣輸送比計算如下。

(2)

(3)

式中μ為料氣輸送比；Gf為單位時間內(nèi)顆粒肥料輸送質(zhì)量，kg·s-1；Ga為單位時間氣流質(zhì)量，kg·s-1；ρa為空氣密度，標準狀況下取1.293 kg·m-3。

綜合(1)(2)(3)計算輸肥管直徑D2。

(4)

根據(jù)再生稻追肥要求，選取追肥量最大為600 kg·hm-2。料氣輸送比μ取值可在0～2[18]，本研究取值為1，計算圓整后得輸肥管直徑D2為38 mm。

1.1.5分肥器的設計 分肥器是氣送式雙側(cè)施肥裝置的核心部件之一，各行施肥量一致性很大程度取決于分肥器的結(jié)構(gòu)和形狀。如圖6所示，輸肥管輸送的空氣和肥料混合流通過分肥器實現(xiàn)兩行均勻分肥，分肥管的角度θ會影響氣流運動狀態(tài)[19]，進而影響施肥裝置的施肥性能。根據(jù)再生稻生長特性， 60%以上的植株根系分布在離禾蔸中心 10 cm 土層內(nèi)[20]，為了使肥料顆粒施撒在植株根系附近，兩排肥口的中心距應小于20 cm。

注：1—輸肥管；2—排肥口1； 3—排肥口2。Note: 1—Fertilizer delivery tube; 2—Fertilizer outlet 1; 3—Fertilizer outlet 2.圖6 分肥器結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of fertilizer distributor

1.2 臺架試驗

1.2.1試驗臺架及材料 本研究選用肥料為長江中下游常用的顆粒復合肥(總養(yǎng)分大于等于45%，中化化肥有限公司)，千粒重26.7 g，含水率0.45%，球形率90%。試驗臺架自制，在排肥試驗前應對臺架進行調(diào)試，以保證各施肥機構(gòu)各部件運行平穩(wěn)可靠。

1.2.2試驗設計 根據(jù)已有研究和前期的理論分析，確定影響氣送式雙側(cè)施肥機構(gòu)排肥性能的主要因素及其工作范圍為：排肥軸轉(zhuǎn)速10～50 r·min-1；槽輪工作長度為10～50 mm；分肥器角度90°～180°。結(jié)合 Design-expert 8.0 軟件進行三因素二次回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗。試驗因素水平編碼見表1。

1.2.3評價指標 依據(jù)施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范[21]，施肥機械的性能應滿足總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)≤7.8%，各行排肥量一致性變異系數(shù)≤13%，所以本文選取它們?yōu)樵u價指標。

①總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)。

(5)

(6)

(7)

(8)

②各行排肥量一致性變異系數(shù)。

(9)

(10)

(11)

(12)

1.2.4參數(shù)優(yōu)化 為得到施肥裝置最佳工作參數(shù)組合，建立目標函數(shù)與約束條件。

(13)

采用Design-Expert 8.0中的優(yōu)化設計功能，對上述目標函數(shù)進行求解。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥結(jié)果分析

根據(jù)三因素二次回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗設計了23組試驗，包括15組析因試驗和8組誤差檢驗試驗，結(jié)果見表2。

由表2可知，本試驗中施肥裝置總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)均低于7.8%，各行施肥量一致性變異系數(shù)均低于13%，符合施肥裝置設計要求。

表2 施肥裝置試驗設計與結(jié)果Table 2 Design and results of fertilizer device experiment

2.2 回歸模型建立

采用Design-expert 8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合，建立總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)(αa)、各行排肥量一致性變異系數(shù)(αb)與排肥軸轉(zhuǎn)速、槽輪工作長度、分肥器角度的二次回歸模型，并進行方差分析，結(jié)果見表3、表4。進而得出顯著項，并根據(jù)因素編碼公式進行回代，得出回歸方程如下。

表4 模型αb方差分析及顯著性檢驗Table 4 Variance analysis and significant test of model αb

αa=24.54-0.03X1-0.24X2-0.33X3-0.001X1X2-0.002X1X3-0.000 2X2X3+0.006X12+0.006X22+0.001X32

(14)

αb=10.51+0.22X1-0.28X2-0.18X3-0.004X1X2-0.001X1X3+0.000 4X2X3+0.004X12+0.006X22+0.001X32

(15)

2.3 模型方差分析

由上述回歸方程和方差分析(表3、4)可知，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和各行排肥量一致性變異系數(shù)回歸模型檢驗均極顯著(P<0.01)，失擬不顯著(P>0.1)，方程與實際擬合情況較好。

表3 模型αa方差分析及顯著性檢驗Table 3 Variance analysis and significant test of model αa

總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)回歸模型中，一次項排肥軸轉(zhuǎn)速、槽輪工作長度對總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響極顯著，分肥器角度對總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響顯著；交互項對總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響均不顯著；二次項對總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響均極顯著。各因素對總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響主次順序為排肥軸轉(zhuǎn)速、槽輪工作長度、分肥器角度。

各行排肥量一致性變異系數(shù)回歸模型中，一次項排肥軸轉(zhuǎn)速和分肥器角度對各行排肥量一致性變異系數(shù)影響極顯著，槽輪工作長度對各行排肥量一致性變異系數(shù)的影響顯著；交互項對各行排肥量一致性變異系數(shù)的影響均不顯著；二次項中X22、X32對各行排肥量一致性變異系數(shù)的影響均顯著，X12對各行排肥量一致性變異系數(shù)的影響不顯著。各因素對各行排肥量一致性變異系數(shù)的影響主次順序為排肥軸轉(zhuǎn)速、分肥器角度、槽輪工作長度。

2.4 響應面分析

2.4.1排肥軸轉(zhuǎn)速和槽輪工作長度的交互作用

圖7為分肥器角度為135°時，排肥軸轉(zhuǎn)速和槽輪工作長度的對總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和各行排肥量一致性變異系數(shù)的響應面。排肥軸轉(zhuǎn)速在10～50 r·min-1、槽輪工作長度在10～50 mm時，隨著交錯斜槽槽輪工作長度的增加，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)先減小后增大，各行排肥量一致性變異系數(shù)也先減小后增大；隨著轉(zhuǎn)速的增加，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)先減小后增大，各行排肥量一致性變異系數(shù)逐漸增大。

圖7 交互因素的響應面Fig.7 Interaction factors response surface

2.4.2排肥軸轉(zhuǎn)速和分肥器角度的交互作用

圖8為排肥器交錯斜槽工作長度為30 mm時，排肥軸轉(zhuǎn)速和分肥器角度對總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和各行排肥量一致性變異系數(shù)的響應面。當分肥器角度90～180°、排肥軸轉(zhuǎn)速10～50 r·min-1時，隨著分肥器角度的增加，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)先減小后增大，各行排肥量一致性變異系數(shù)也先減小后增大；隨著排肥軸轉(zhuǎn)速的增加，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)逐漸增大，各行排肥量一致性變異系數(shù)也逐漸增大。

圖8 交互因素的響應面Fig.8 Interaction factors response surface

2.4.3槽輪工作長度和分肥器角度的交互作用

圖9為排肥軸轉(zhuǎn)速為30 r·min-1時，槽輪工作長度和分肥器角度對總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和各行排肥量一致性變異系數(shù)的響應面。當分肥器角度90～180°、槽輪工作長度為10～50 mm時，隨著分肥器角度的增加，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)先減小后增大，各行排肥量一致性變異系數(shù)逐漸增大；隨著槽輪工作長度的增加，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)逐漸增大，各行排肥量一致性變異系數(shù)也逐漸增大。

圖9 交互因素的響應面Fig.9 Interaction factors response surface

2.5 優(yōu)化試驗驗證分析

采用Design-Expert 8.0中的優(yōu)化設計功能對目標函數(shù)進行求解，得到再生稻氣送式雙側(cè)施肥機構(gòu)各因素最佳參數(shù)組合：排肥軸轉(zhuǎn)速16 r·min-1，槽輪工作長度22 mm，分肥器角度114°，此時總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1%，各行排肥量一致性變異系數(shù)為2.45%。

將得到的最佳工作參數(shù)進行臺架試驗驗證，最終得到總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.34%，各行排肥量一致性變異系數(shù)為2.71%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致，均滿足再生稻追肥的要求。

3 討論

以往研究中，定位施肥多在插秧施肥等作業(yè)中，對再生稻地表追肥研究的定位施肥研究相對較少，同時為了減少撒肥機撒肥不均和施肥量調(diào)節(jié)不準確，本文根據(jù)再生稻生長特點和追肥要求，提出了再生稻的對行雙側(cè)定位施肥方案，設計了一種再生稻氣送式雙側(cè)施肥裝置，并進行了三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設計臺架試驗。從響應面圖結(jié)合臺架試驗的實際效果分析可知：隨著轉(zhuǎn)速增加交錯斜槽排肥輪的交錯槽結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，交錯槽兩邊同時進行排肥工作，避免了單邊排肥的齒槽相間的脈動施肥，施肥性能較好，當轉(zhuǎn)速較大時，槽輪出現(xiàn)充肥不足，施肥性能有所下降；隨著交錯斜槽排肥輪工作長度的增加，斜槽的結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，肥料顆粒經(jīng)過斜槽連續(xù)性排出，施肥穩(wěn)定，當斜槽工作長度較長時，斜槽內(nèi)的肥料顆粒排出滯后，排肥器施肥性能略有下降；分肥器角度對施肥裝置兩行施肥量一致性變異系數(shù)影響極顯著，在分肥器角度較小時，出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，肥料在肥口出現(xiàn)堆積，影響分肥效果，分肥器角度較大時分肥器的角度導流效果變差，分肥效果也變差。

對臺架試驗結(jié)果分析并采用Design-Expert 8.0軟件得出影響施肥裝置施肥性能的主要因素最佳工作參數(shù)組合：排肥軸轉(zhuǎn)速16 r·min-1，槽輪工作長度22 mm，分肥器角度114°，此時，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1%，各行排肥量一致性變異系數(shù)為2.45%，施肥裝置滿足再生稻追肥要求。下一步可考慮結(jié)合變量施肥技術(shù)對再生稻雙側(cè)施肥裝置施肥量實時控制，使其適用于不同田塊的再生稻施肥。