圓錐盤推板式水田側深施肥雙行排肥器設計與試驗

王金峰 付佐棟 翁武雄 王震濤 王金武 楊東澤

(東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030)

0 引言

化肥是保障農作物豐產的重要生產資料，但過度施肥造成土壤酸化板結、施肥不均勻導致農作物吸收不充分等問題[1]。相關研究表明，精準施用化肥能夠提高肥料利用率、減輕環境污染。水田側深施肥技術可將肥料定位、定量、均勻地施于秧苗側3.0～5.0 cm，深4.0～5.0 cm處，是最高效和環保的一種施肥方式[2]，是實現節本增效和提高作業效率的重要方法，目前已被廣泛應用[3-4]。

排肥器是側深施肥裝置的核心部件，排肥性能直接影響施肥作業的質量。目前，國內外研究的排肥器形式主要有外槽輪式、螺旋式、圓盤式等。外槽輪式排肥器是最常見的施肥裝置，已進行了大量研究，如祝清震等[5]探究了外槽輪結構參數對直槽輪排肥器排肥均勻度的影響規律，通過正交試驗得出了最佳組合參數；王金峰等[6]和楊洲等[7]將直槽式排肥輪改進為螺旋式排肥輪，分別探究了槽輪轉速與螺旋升角等對排肥均勻性和排肥量的影響；DU等[8]設計了一種交錯排列式螺旋齒排肥輪，與直槽輪的對比試驗表明交錯排列式螺旋齒排肥輪提高了排肥均勻性與穩定性；SUGIRBAY等[9]設計了一種新型外槽輪結構，改善了外槽輪低轉速下排肥均勻性差的現象。螺旋式排肥器是一種利用螺旋體與肥料之間產生的相對運動輸送肥料的裝置，陳雄飛等[10]設計了一種兩級螺旋排肥裝置，建立了排肥螺旋單圈排肥量數學模型，通過試驗驗證了排肥裝置肥量施用的準確性與穩定性。圓盤式排肥器是一種通過在水平面內旋轉的刮板帶動肥料運動排出的強排裝置，目前只有洋馬公司生產的側深施肥裝置上采用這種排肥器，可通過更換不同孔徑排肥盤與調節排肥盤轉速控制施肥量，具有良好的均勻性，但其結構復雜，肥量調節繁瑣，長時間作業時肥料易在較小的充肥區粘結，降低排肥性能[11-12]?，F階段水田側深施肥裝置主要采用外槽輪式，但存在低轉速下脈動性強和排肥量調節范圍小等問題；螺旋式排肥器因工作特性導致對肥料作用力較大，應用于水田存在一定局限性；而圓盤式排肥器具有良好的排肥均勻性，因此，設計一種圓盤式排肥器，實現排肥均勻和肥量調節穩定，可對水田側深施肥裝置性能提升起到重要支撐作用。

為滿足黑龍江寒地稻作區側深施肥農藝要求，提高水田復雜環境下排肥器的均勻性、穩定性及肥量調節能力，本文以側深施肥專用肥為研究對象，在保證足夠充肥空間的前提下設計一種充肥流暢、排肥平穩的圓錐盤推板式雙行排肥器，闡述排肥器工作原理，對主要工作部件進行理論與仿真分析，通過臺架試驗探究圓錐轉盤轉速、排肥口開度與排肥量和排肥性能之間的關系，以期為水田側深施肥裝置研究與技術推廣提供參考。

1 排肥器結構與工作原理

圓錐盤推板式雙行排肥器主要包括：導肥箱、擾肥桿、上殼體、圓錐轉盤、下殼體、擋肥葉片、調節板、鎖定螺母、托板、排肥管等結構。按排肥器實際工作過程可劃分為充肥區、導肥區、排肥區及過渡區4個區域，為提高工作效率，排肥器對稱設置兩個排肥口，因此每個區域對應分為兩部分。導肥箱設置在上殼體正上方以保證兩側肥料同步下落，將轉盤設計為圓錐狀，有利于肥料填充，增強肥料流動性，避免肥料成拱，同時利用擾肥桿對肥料進行擾動。排肥器分解圖與4個功能區域如圖1所示。

圖1 排肥器結構與工作區域

圓錐盤推板式雙行排肥器由電機驅動工作，肥料通過導肥箱沿順時針旋轉的圓錐轉盤下滑至充肥區推板間隔內完成填充，在推板作用下進一步運動至由上殼體弧形擋板遮擋的護肥區，于下殼體兩個排肥區被推送到排肥管內，最后在外部氣流作用下快速吹出完成作業。排肥量可通過轉動調節板控制擋肥葉片伸出長度進而改變排肥口有效作業面積進行調節。

2 排肥器關鍵結構設計

2.1 圓錐轉盤設計

圓錐盤推板式雙行排肥器主要工作部件為圓錐轉盤，其設計參數將直接影響排肥性能。圓錐轉盤結構如圖2所示。

圖2 圓錐轉盤結構參數示意圖

2.1.1排肥速率

排肥速率是排肥器設計的主要參考依據，其受肥料填充系數、排肥器結構尺寸、肥料物理特性等因素影響[13]。為滿足作業效果，需保證理論排肥速率的準確性。選取中化集團有限公司生產的水稻側深施肥專用肥作為研究對象，測得肥料體積密度為0.86 g/cm3，由于擋板較薄，忽略其所占體積，假設不考慮排肥時空氣阻力作用，排肥速率計算式為

(1)

式中q——排肥器排肥速率，g/min

D——圓錐轉盤水平外徑，m

d——圓錐轉盤水平內徑，m

h——圓錐轉盤水平高度，m

n——圓錐轉盤轉速，r/min

φ——填充系數

ρ——緩釋肥體積密度，g/m3

排肥器實際工作時，根據水田側深施肥總施肥量150～930 kg/hm2的農藝要求，排肥速率為

(2)

式中qn——農藝要求排肥速率，g/min

Q0——農藝要求水田側深施肥量，kg/hm2

L——作業幅寬，m

v——施肥作業速度，m/s

Z——排肥器個數

農藝要求排肥速率與排肥器排肥速率相等，結合式(1)、(2)可得

(3)

側深施肥排肥器通常搭載在6行高速插秧機上進行田間作業，常規作業速度為1.0～1.6 m/s，作業幅寬為1.8 m[14-15]。插秧機機型、前進速度及肥料物理特性確定后，即L、Z、v、ρ一定，由式(3)可知，排肥量主要與D、d、h、n有關。其中轉速是排肥器性能的重要影響因素，具有一定合理范圍，因此在確定排肥器相關結構尺寸時，需同時兼顧圓錐轉盤轉速。綜合考慮排肥器空間位置尺寸、肥料粒徑與內外徑差值從而提高肥量調節范圍，確定圓錐轉盤水平外徑D為208 mm，水平內徑d為158 mm，水平高度h為7.5 mm。

2.1.2圓錐轉盤推板設計

推板具有擾動與推送肥料作用，可減輕肥料在圓錐轉盤底部粘結堵塞現象，是排肥器主要工作部分。當每轉排肥量和轉速一定時，推板數量N不僅影響肥料在相鄰推板之間的填充特性，同時決定著排肥器工作性能。

為保證排肥連續穩定，應使肥料填充流暢且任意時刻的推板推力能將肥料順利排出。推板數量少，相鄰推板間隔空間增大，肥料填充時相對移動距離增加，有利于肥料填充；同時排肥階段肥料間流動性增強，降低了肥料與排肥器間作用力，減輕肥料破碎現象[16]。但隨著推板數量的減少，推板間隔兩側肥料運動狀態差別增大，引起排肥穩定性、均勻性的變化。由于排肥器設計為雙行供肥，因此設計推板數量為偶數以同步兩個排肥口的排肥性能。推板任意時刻對排肥區肥料應存在肥料流向方向的分力，保證連續推送作用，即相鄰兩個推板夾角?≤90°，則推板數量N應滿足

N≥4

(4)

基于物料流動特性[17]，推板間隔至少滿足物料顆粒等效直徑的6倍從而達到流動物料運動條件，即

ld>6df

(5)

式中ld——推板間隔內側弧長，mm

df——肥料等效直徑，取3.4 mm

在滿足上述條件下，減少推板數量能夠提高推板間隔內肥料流動性以及排肥連續性，因此初步設計圓錐轉盤推板數量為6。

2.1.3圓錐轉盤轉速

圓錐轉盤轉速是影響排肥器性能的主要因素之一，施肥量滿足農藝要求條件下，合理的轉速有利于提高排肥性能。肥料在圓錐轉盤上運動過程中，相鄰肥料之間存在的相互作用力Fq隨時變化，但肥料顆粒尺寸相對較小，相鄰肥料之間運動條件近似相同，對于單個顆粒所受相互作用力可近似抵消[18]，因此忽略Fq影響。假設肥料顆粒獲得與轉盤相同的角速度，不考慮空氣阻力影響，肥料在圓錐轉盤上任意時刻受力如圖3所示。

圖3 肥料在圓錐轉盤上的受力分析

肥料顆粒隨圓錐轉盤轉動的同時沿錐面母線下滑，速度方向時刻改變。根據達朗貝爾原理，肥料顆粒受力方程為

(6)

式中m——肥料顆粒質量，g

Fc——肥料顆?？剖狭?，N

FN——圓錐轉盤對肥料顆粒支持力，N

G——肥料顆粒重力，N

Fr——肥料顆粒離心力，N

Ff——肥料顆粒摩擦力，N

Ffx——肥料顆粒x方向摩擦力，N

Ffy——肥料顆粒y方向摩擦力，N

Fax——肥料顆粒x方向慣性力，N

Fay——肥料顆粒y方向慣性力，N

vr——肥料顆粒沿x方向運動速度，m/s

ax——肥料顆粒x方向加速度，m/s2

ay——肥料顆粒y方向加速度，m/s2

ω——圓錐轉盤角速度，rad/s

θ——圓錐轉盤傾角，(°)

β——摩擦力與x軸夾角，(°)

R——肥料顆?；剞D半徑，m

μ——肥料顆粒與圓錐轉盤的摩擦因數

當肥料顆粒在x軸正方向合力大于零時，具有沿x軸正方向的加速度，可增強肥料填充性能并減少填充時間[19]，即ax>0，化簡式(6)，可得

(7)

肥料顆粒下滑填充過程中，應時刻與圓錐轉盤接觸，避免因轉速過快造成肥料飛濺，即FN≥0，化簡式(6)得

(8)

式中H——圓錐轉盤高度，m

根據式(7)可知，滿足ax>0條件的最小轉速與肥料顆粒和PLA塑料圓錐轉盤之間的滾動摩擦因數μ、圓錐轉盤傾角θ、摩擦力與x軸夾角β以及肥料顆粒在圓錐轉盤上的回轉半徑有關。對于同一種肥料，轉速臨界值隨著肥料顆?；剞D半徑的增大而減小，其范圍由圓錐轉盤傾角決定。由式(8)可知，圓錐轉盤最大轉速僅與高度H有關(圓錐轉盤半徑確定條件下，與圓錐轉盤傾角θ視為同一變量)。相關研究表明，顆粒下落至錐面發生的涌動現象與下落高度和錐面傾角有關[20]，下落高度越高即相對圓錐轉盤高度越低，H過低肥料顆粒雖可以順暢下落，但在撞擊錐面動能損失后易在底部形成堆積，不利于肥料填充；H過高導致肥料顆粒在圓錐轉盤頂部卡滯堵塞，造成肥料破損的同時增加了肥料下滑時間。圓錐轉盤傾角需大于肥料自然休止角[21]，根據前期試驗所得肥料堆積角為26.45°，綜合空間尺寸將圓錐轉盤傾角θ設計為28°，此時圓錐轉盤高度H為42 mm。將圓錐轉盤高度H代入式(8)中，計算得ω≤15.3 rad/s，即圓錐轉盤理論最大轉速n為146 r/min。

為進一步研究圓錐轉盤轉速對排肥性能的影響，同時確定圓錐轉盤最低轉速，分別分析處于導肥階段與排肥階段肥料顆粒力學與運動學特性。首先對導肥區推板間隔肥料進行定性分析，如圖4中區域b所示，在y軸方向上滿足

圖4 導肥、排肥過程肥料模型

FN2-Fl-Fr=0

(9)

式中Fl——上層肥料顆粒的水平壓力，N

FN2——圓錐轉盤外環對肥料顆粒支持力，N

肥料在推板間隔內符合農業物料學中淺倉模型條件[22]，即

(10)

式中K——壓力比

Fv——上層肥料顆粒垂直壓力，N

φi——內摩擦角，(°)

γ——重度，kN/m3

zh——肥料深度，m

結合式(9)、(10)可得

(11)

由式(11)可知，圓錐轉盤外環對肥料顆粒支持力與圓錐轉盤轉速呈正相關，正常作業時應降低轉速減小支持力，從而減小肥料受力、減輕圓錐轉盤外側肥料堆積現象，保證肥料顆粒在排肥區流暢下落。

如圖4區域a所示，根據排肥連續性條件對該區域肥料進行運動學分析，確定圓錐轉盤最慢轉速。肥料離開排肥區時做平拋運動，在xoz平面內位移模型為

(12)

式中lx——肥料顆粒橫移距離，m

lz——肥料顆粒下落高度，m

vk——肥料顆粒速度，m/s

t——肥料顆粒運動時間，s

為保證肥料連續排出，肥料顆粒下落單位顆粒直徑長度時，橫移距離應大于肥料單位直徑長度與推板厚度(1 mm)之和的距離。將滿足上述條件的各參數代入式(12)，計算得ω=1.4 rad/s，即圓錐轉盤最小轉速n為13 r/min。

由上述分析可知，圓錐轉盤極限轉速為13～146 r/min，在此范圍內降低工作轉速有利于肥料流動，減輕肥料顆粒因碰撞擠壓而產生的破碎現象。由式(3)可知，排肥器結構尺寸確定后，根據最大農藝施肥量要求及肥料填充系數，圓錐轉盤轉速達到42 r/min時，即可滿足農藝要求的最大施肥量930 kg/hm2。由于施肥量隨轉速增加而增加，超過該轉速時，施肥量超過農藝要求的最大施肥量，因此，確定圓錐轉盤轉速范圍為15～45 r/min。

2.2 擋肥葉片設計

按設計需求，擋肥葉片寬度與下殼體排肥口寬度應保持一致，寬度過小時，肥料顆粒以一定角速度經過排肥區會出現未及下落便被推送至過渡區的現象；寬度過大時，增加肥料顆粒在擋肥葉片上的運動時間，降低排肥穩定性，且間接減小了充肥區有效范圍，影響肥料填充。圖5為肥料在下殼體排肥口處運動分析簡化圖。

圖5 下殼體排肥口肥料運動分析

排肥口寬度Sl取值由圓錐轉盤最大轉速決定，圓錐轉盤以最大轉速(45 r/min)工作時，根據運動學分析可得

(13)

式中vmax——理論最大速度，m/s

根據式(13)可得

(14)

為保證肥料顆粒能夠正常排出，下殼體排肥口寬度Sl應大于肥料豎直方向下落圓錐轉盤水平高度h與下殼厚度(3.5 mm)之和距離所需時間內，肥料以最大轉速排出的水平位移lx，將上述條件值代入式(14)可得lx≈23.2 mm，綜合考慮設計余量與下殼體排肥口寬度要求，將Sl(即擋肥葉片寬度)設計為25 mm。

2.3 排肥管設計

肥料在排肥區排出后沿排肥管滑落，利用最速降線性質設計排肥管縱向截面曲線可加速肥料下滑，縮短運動時間，最速降線參數方程為

(15)

式中k——常數ψ——參變量

其中，k是影響曲線曲率的主要參數，根據排肥口與文丘里管入口橫向相對尺寸，確定最速曲線方程為

(16)

3 離散元模型建立與仿真

為研究圓錐轉盤上推板數量對圓錐盤推板式雙行排肥器性能的影響規律，確定最佳推板數量，在理論分析基礎上利用離散元軟件EDEM 2018對設置有不同推板數量的圓錐轉盤進行仿真分析。

3.1 排肥器模型建立

使用Creo 5.0軟件建立圓錐盤推板式雙行排肥器三維模型(比例1∶1)，刪除肥箱及與肥料顆粒無接觸部件簡化仿真計算量，其余模型以.stl格式導入EDEM軟件中，選用merge命令將圓錐轉盤與擾肥立柱模型組合，如圖6所示。根據3D打印PLA材料屬性設置排肥器模型屬性參數[12]，泊松比為0.29，剪切模量為2.2×108Pa，密度為1 110 kg/m3。

圖6 排肥器仿真模型

3.2 肥料模型建立與仿真參數設置

水稻側深施肥專用肥料顆粒為類球狀，當肥料顆粒球形比大于90%時，可直接選擇單個球形模型進行模擬[23]，根據前期試驗與文獻[14]，肥料等效直徑滿足正態分布規律，肥料基本物理參數及相互接觸參數如表1所示。

表1 肥料顆粒模型物理特性及接觸參數

由于肥料顆粒、PLA塑料表面無黏附作用，接觸模型均選用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型。為減少顆粒生成數量以節省仿真時間，設置顆粒生成速度為18 000粒/s，總生成量為12 000粒，顆粒起始下落速度為100 mm/s。

3.3 虛擬仿真試驗設計與評價方法

基于上述分析，為確定最合適的推板數量，根據前期仿真預試驗結果，在轉速為35 r/min、排肥口開度為25 mm條件下，開展推板數量對肥料填充特性定性分析與排肥性能定量分析的單因素影響試驗，推板數量分別設置為4、6、8、10、12。肥料顆粒填充特性通過其在推板間隔內的動能衡量，動能相差越大，肥料填充越不均勻，導致排肥性能降低。在EDEM模擬試驗中，為了準確表示不同推板數量對排肥性能的影響規律，采用質量流量變異系數評價排肥性能[24]。通過添加Geometry Bin Group輸出每個節點的質量，計算一段時間內所測得的肥料流量均勻性，變異系數越大，表明排肥器均勻性越差。

3.4 虛擬仿真過程與結果分析

在虛擬作業過程中，設置固定時間步長為1.81×10-6s，即Rayleigh時間步長的20%，總仿真時長5.5 s，每0.01 s保存一次仿真數據，單元網格尺寸設置為顆粒平均半徑的3倍。

3.4.1不同推板數量對肥料填充特性的定性分析

利用EDEM軟件后處理Selection模塊中Imported Geometry Bin Group功能，導入內徑為150 mm、外徑為220 mm、厚度為9 mm、圓心角為100°的.stl格式模型文件監測一側充肥區肥料的動能分布情況，添加Clipping Planes以便直觀顯示仿真結果。在排肥器達到穩定工作狀態后，截取不同推板數量的圓錐轉盤任一推板轉至距離導肥區相同位置時充肥區的動能分布圖，如圖7所示。

圖7 充肥區肥料動能分布

由圖7可知，在圓錐轉盤轉速一定時，推板數量對肥料填充特性有明顯影響(圖中藍色、綠色、紅色代表肥料顆粒動能依次增加)。當推板數量為4時，單個推板間隔內臨近排肥區一端肥料動能小于遠端動能的現象明顯，且區域I內靠近推板處存在肥料填充空隙，影響排肥性能；推板數量從4增至12過程中，單個推板間隔內肥料顆粒動能逐漸趨于一致，表明肥料顆粒狀態相對穩定，分布逐漸均勻；當推板數量大于等于8時，區域I內肥料填充空隙消失，證明肥料具有較好的填充特性。分析產生上述結果原因為：當推板數量較少時，推板間隔變大，肥料雖易填充，但肥料之間所傳遞的推板作用力降低，造成間隔兩端肥料分布不均，與前述理論分析一致。

3.4.2推板數量對排肥性能的定量分析

不同推板數量對肥料質量流量變異系數影響如圖8所示，兩個排肥口肥料質量流量變異系數隨推板數量的增加均呈先減小后增大的變化規律，表明推板數量過少或過多均會降低排肥作業性能，在推板數量為8時同時取得最小值，且排肥口1與排肥口2變異系數差值最小，證明當推板數量為8時排肥器具有最佳工作性能。

圖8 不同推板數量下排肥性能變化曲線

綜合推板數量對肥料填充特性及質量流量變異系數影響規律，最終確定推板數量8作為圓錐轉盤最佳結構參數。

4 圓錐盤推板式排肥器臺架試驗

4.1 試驗條件

基于上述圓錐轉盤參數優化結果，以中化集團有限公司生產的水稻側深施肥專用肥為試驗材料，于東北農業大學排種實驗室，應用JPS-12型排種器性能檢測試驗臺進行排肥器性能試驗。排肥器整體結構由3D打印機加工成型，除施肥系統主要裝置外，試驗儀器有電子秤精度0.01 g和肥料收集毛刷，臺架試驗裝置如圖9所示。

圖9 施肥系統臺架試驗裝置

4.2 試驗指標與測定方法

施肥試驗時，采用兩因素試驗方法，以圓錐轉盤轉速和排肥口開度為試驗因素，因素水平如表2所示。以平均排肥量y1、雙行排肥量一致性變異系數y2、總排肥量穩定性變異系數y3、排肥均勻性變異系數y4為試驗指標，分別研究排肥量、排肥穩定性、均勻性變異系數與圓錐轉盤轉速、排肥口開度之間的線性關系。參照文獻[25]進行各項性能試驗與測定。排肥均勻性測定為動態試驗，由于膠帶加速到1 m/s需要一定時間，因此，試驗時待膠帶運行穩定后將間隔為100 mm、長度為4 000 mm的肥料收集袋放置于傳送帶上，直至其完全通過排肥器下方時停止膠帶轉動，收集測量各間隔內肥料質量后僅將后30段間隔數據用于排肥均勻性變異系數的計算；其余性能試驗單次測試時間為10 s[24]，排出的肥料收集在一個收集袋中，并在電子秤上稱量。

表2 試驗因素與水平

4.3 試驗結果與分析

試驗設計與收集計算后所得各指標如表3所示。

表3 試驗設計與結果

4.3.1排肥量相關性

對不同條件下排肥器單側平均排肥量進行線性擬合，建立了排肥量y1與圓錐轉盤轉速x1、排肥口開度x2的回歸方程。分別計算不同條件下的決定系數R2，對相應線性關系進行分析，結果如表4、5所示，相應散點圖如圖10、11所示。

表4 不同開度排肥量與轉速回歸方程及決定系數

由表4與圖10可知，排肥口處于不同開度排肥量與轉速之間均呈良好的線性關系，排肥量隨轉速的增加而增加，轉速與排肥量擬合的線性決定系數R2隨排肥口開度增加整體呈上升趨勢，說明排肥量與轉速的線性相關性增強，最小值為0.989 2，最大值為0.999 2。因此，可通過調節圓錐轉盤轉速調節排肥量。圖10顯示在不同開度下，試驗點在低轉速時位于擬合曲線下方，隨著轉速的增加沿擬合曲線向上移動最后下降，但浮動范圍較小。分析原因為隨著轉速的增加，推板間隔內肥料的填充系數降低，導致排肥量變化。

圖10 不同開度排肥量與轉速關系曲線

由表5與圖11可知，不同圓錐轉盤轉速下排肥量與排肥口開度均呈良好的線性關系，排肥量隨開度的增加而增加，排肥口開度與排肥量擬合的線性決定系數R2隨轉速的增加整體呈上升趨勢，說明排肥量與排肥口開度的線性相關性增強，最小值為0.976 3，最大值為0.993 6，因此也可通過調節排肥口開度調節排肥量，但其決定系數普遍低于排肥量與轉速之間的決定系數，說明通過調節轉速可更精確調節肥量。圖11顯示在不同轉速下，試驗點均呈現排肥口開度小時位于擬合曲線下方，隨著開度的增加沿擬合曲線向上移動最后下降的趨勢；在開度為20 mm時，試驗點偏移量最大，結合上述排肥量與轉速試驗結果，分別如表4與圖10所示，x2=20 mm時，決定系數R2最小，且擬合曲線偏離開度為25 mm一側，分析原因為隨著排肥口開度的增加，擋肥葉片有效工作面積逐漸減小，上方流過的肥料顆粒塌陷現象逐漸增強[26]，導致肥料排出量多于理論值，直至排肥口處于完全工作狀態。

表5 不同轉速排肥量與開度回歸方程及決定系數

圖11 不同轉速排肥量與開度關系曲線

綜合排肥量試驗結果，排肥器轉速為15～45 r/min，排肥口為5～25 mm調節范圍內，排肥量范圍為122～934 kg/hm2，可滿足機具常規作業速度1.0～1.6 m/s時農藝要求150～930 kg/hm2的施肥量。

4.3.2排肥器性能參數

在Design-Expert 6.0.10軟件中對排肥器性能試驗結果進行多因素分析。

圓錐轉盤轉速和排肥口開度對雙行排肥量一致性變異系數y2影響不顯著，結果如圖12所示。由圖12可知，y2max為3.88%，y2min為1.01%，最大值滿足文獻[25]中各行排肥量一致性變異系數小于等于13%的要求。

圖12 雙行排肥量一致性變異系數變化曲線

由于水田作業環境復雜，排肥器無法始終保證水平作業狀態，導致兩個排肥口排肥量存在差異，因此進行排肥器在一定傾角下的雙行排肥量一致性試驗。根據水田攪漿平整地后高度差與東北地區常用插秧機輪距計算排肥器最大傾角為2.39°，結合上述排肥量模型試驗結果，開展滿足常規水田施肥量、排肥器傾斜3°條件下的排肥量試驗，試驗結果如表6所示。由表6可知，排肥器傾斜時雙行排肥量一致性變異系數相比水平時均有增加，轉速為25 r/min、開度為15 mm時雙行一致性變異系數最大，為6.17%，滿足排肥質量要求。

表6 排肥器傾斜狀態下雙行排肥量一致性變異系數試驗結果

對總排肥量穩定性變異系數y3進行方差分析，結果表明圓錐轉盤轉速與排肥口開度對試驗指標有顯著影響(P<0.01)，曲線擬合得到轉速和排肥口開度對總排肥量穩定性變異系數的回歸方程為

y3=2.970 2+0.009 61x1-0.113 45x2+

(17)

在試驗范圍內，基于Design-Expert 6.0.10軟件中Optimization模塊，獲取總排肥量穩定性變異系數的最大值，即轉速為15 r/min、排肥口開度為25 mm時，y3max為3.88%，與試驗所得3.52%相差較小，滿足文獻[25]中總排肥量穩定性變異系數小于等于7.8%的要求。

對排肥均勻性變異系數y4進行方差分析，結果表明圓錐轉盤轉速與排肥口開度對試驗指標有顯著影響(P<0.01)，回歸方程為

y4=25.773 67-0.513 41x1-0.857 42x2+

(18)

在試驗范圍內，當轉速為15 r/min、排肥口開度為5 mm時，y4max為15.76%，與試驗所得15.79%相差較小，滿足文獻[25]中排肥均勻性變異系數小于等于40%的要求。

5 結論

(1)針對黑龍江省寒地水田側深施肥農藝要求，設計了一種圓錐盤推板式側深施肥排肥器，對其工作原理進行闡述，建立了圓錐轉盤單圈排肥量數學模型，分析確定了排肥器相關結構參數，通過運動學與力學模型建立得出圓錐轉盤轉速是影響排肥效果的關鍵因素，確定轉速為15～45 r/min。

(2)通過離散元仿真技術探究推板數量對肥料填充特性與排肥性能的影響規律，結合理論分析確定推板數量為8時，具有最佳排肥性能。

(3)臺架試驗結果表明，排肥量與圓錐轉盤轉速和排肥口開度均具有良好的線性關系，與圓錐轉盤轉速相關性更強，排肥量范圍在122～934 kg/hm2之間；圓錐轉盤轉速和排肥口開度對總排肥量穩定性變異系數與排肥均勻性變異系數有顯著影響，對雙行排肥量一致性變異系數影響不顯著，變異系數最大值分別為3.81%、15.79%、3.88%，傾斜狀態下雙行排肥量一致性變異系數最大值為6.17%，滿足水田側深施肥排肥量與排肥性能要求。