趙新天李飛李洪剛袁洪印趙文罡

(1.吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春 130022；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，吉林 長春 130118)

肥料是我國確保糧食安全的戰(zhàn)略物資，更是農(nóng)業(yè)發(fā)展和持續(xù)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。近年來，我國農(nóng)業(yè)高速發(fā)展，糧食產(chǎn)量越來越高，在這種條件下，施肥技術(shù)顯得尤為重要。

1 施肥技術(shù)

現(xiàn)階段使用最多的仍是傳統(tǒng)的機(jī)械式農(nóng)機(jī)化施肥技術(shù)，可分為排肥器和施肥機(jī)械2種形式。

1.1 排肥器類型

我國常用的排肥器主要還是機(jī)械式，且大致分為以下幾種類型[2]。

1.1.1 圓盤轉(zhuǎn)盤式排肥器

該排肥器通過改變轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速及調(diào)節(jié)門高度以調(diào)節(jié)裝置排肥量。適合松散性比較好的化肥，施肥比較均勻，且肥料不易堆積。由于其結(jié)構(gòu)阻力較大，市場受眾較小。

1.1.2 外槽輪式排肥器

該排肥器通過調(diào)節(jié)槽輪長度來控制排肥量。適合松散性較好的化肥，通透性較好，結(jié)構(gòu)簡單，能和外槽輪式排種器通用。目前常用的機(jī)械式排肥器大多都為外槽輪式。

1.1.3 指盤式排肥器

該排肥器通過攪拌器撥齒清除排肥口黏著的化肥。適用于松散性好的肥料，設(shè)計(jì)成對(duì)數(shù)曲線形，以使化肥流動(dòng)性好。由于其施肥均勻性較差，市場需求較小。

1.1.4 導(dǎo)板轉(zhuǎn)盤式排肥器

該排肥器通過改變轉(zhuǎn)盤和箱裙的間隙調(diào)節(jié)排肥量。適用于含水量較低的化肥，均勻周期性撒落，不易聚集。由于對(duì)肥料要求較高，市場推廣較差。

1.1.5 星輪式排肥器

該排肥器通過調(diào)節(jié)板式調(diào)節(jié)門來控制排肥量。適合松散性好的化肥，易架空，易堵塞。目前是國內(nèi)外最常用的一種排肥器。

1.1.6 螺旋式排肥器

該排肥器通過調(diào)節(jié)箱底排肥口的大小來控制排肥量。適合松散性較好的化肥，容易發(fā)生架空。因?yàn)槠鋵?duì)肥料要求較高，市場推廣比較緩慢。

1.1.7 振動(dòng)式排肥器

該排肥器通過上下振動(dòng)現(xiàn)象使吸濕性強(qiáng)的化肥松散，消除架空現(xiàn)象。適合吸濕比較強(qiáng)的化肥，但穩(wěn)定性、均勻度差，市場需求較小。

1.2 施肥機(jī)械類型

目前，施肥機(jī)械主要有撒肥機(jī)械、種肥施用機(jī)械、液肥施用機(jī)、化學(xué)液肥施用機(jī)、廄液施用機(jī)等[3]。

1.2.1 撒肥機(jī)械

主要有全幅施肥機(jī)和氣力式寬幅撒肥機(jī)2種類型。全幅施肥機(jī)按其原理可以分為2類：多葉片轉(zhuǎn)盤式排肥器構(gòu)成，鏈指裝在鏈條上施肥。氣力式寬幅撒肥機(jī)原理大致相同，利用產(chǎn)生的氣流配合機(jī)械式排肥器高效施肥，是國外應(yīng)用最廣泛的集自動(dòng)、電子一體化的撒肥機(jī)。

1.2.2 種肥施用機(jī)械

工作原理是利用在原有的播種機(jī)械上安裝施肥機(jī)具，播種施肥同時(shí)進(jìn)行。這類機(jī)具國外比較常用。

1.2.3 液肥施用機(jī)

液肥分為化學(xué)和有機(jī)2種。化學(xué)液肥有強(qiáng)烈的腐蝕性且容易揮發(fā)。有機(jī)液肥常有懸浮雜質(zhì)，用時(shí)要過濾，目前國內(nèi)已開始推廣。

化學(xué)液肥施用機(jī)主要品種是液氨和氨水。液氨效果好，肥效快，但由于始終處于高壓條件下，成本較高，不能很好推廣。

1.2.4 廄液施用機(jī)

廄液是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要有機(jī)肥源。主要由日常生活中人畜產(chǎn)生的糞尿及沼氣池產(chǎn)生。廄液施肥機(jī)可以分為泵式廄液施撒機(jī)和自吸式廄液施灑機(jī)2種類型。2種類型機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，效率高且環(huán)境衛(wèi)生。目前在國外比較常用。

2 氣吹集排式分肥器的設(shè)計(jì)

針對(duì)上述傳統(tǒng)的機(jī)械式排肥裝置，存在結(jié)構(gòu)阻力大、肥料損耗大、分肥不均勻、低速、低效、低寬幅等各種弊端，已不能滿足高速高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)需求，設(shè)計(jì)了一種精度更高、可靠性更強(qiáng)的氣吹集排式分肥器，填補(bǔ)了我國對(duì)氣力式分肥器研究的空白。

目前，此設(shè)計(jì)氣吹集排式分肥器已經(jīng)研發(fā)制造完成，且待進(jìn)一步田間試驗(yàn)。

2.1 氣吹集排式分肥器結(jié)構(gòu)及工作原理

氣吹集排式排肥器主要結(jié)構(gòu)包括風(fēng)機(jī)、供肥裝置、氣肥混合器、分肥裝置、排肥管、減速電機(jī)和肥箱等。按其功能可分為4個(gè)階段，供肥、混肥、分肥、輸肥[4]。

圖1 氣吹集排式排肥器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 氣吹集排式分肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理為固體肥料在高速氣流作用下，經(jīng)氣肥混合裝置，在波紋管里拉伸擠壓作用下充分混合，然后分配器將氣肥混合流均勻分配到每個(gè)出口，通過排肥管和氣肥分離裝置，肥料被送入土壤。

2.2 分肥器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分析計(jì)算確定風(fēng)機(jī)、波紋管、分配器殼體、分肥器旋蓋、排肥口等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)[5]。

2.2.1 風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)

氣吹集排式排肥過程中，風(fēng)機(jī)風(fēng)速的穩(wěn)定性決定著施肥性能的好壞。肥料為不規(guī)則球體，在高速氣流作用下成懸浮狀態(tài)，通過空氣阻力F與物料浮重相等公式計(jì)算出肥料顆粒懸浮速度V0，從而得出風(fēng)機(jī)輸送氣流速度V1(輸送氣流速度為V1的2.6～5.0倍)：

(1)

式中，Ks為不規(guī)則形狀物料修正系數(shù)；df為肥料顆粒的等效粒徑，m；ρf為肥料的顆粒密度，kg·m-3；ρa(bǔ)為空氣的密度，kg·m-3;C為繞流阻力系數(shù)；g為重力加速度，m·s-2。

2.2.2 波紋管的設(shè)計(jì)

波紋管是分肥裝置的重要部件，氣肥混合物經(jīng)波紋管的拉伸擠壓作用使其充分混合。查閱大量文獻(xiàn)及相關(guān)手冊(cè)計(jì)算出顆料在空氣中懸浮速度V0、及料氣輸送比μ、空氣流量Qa等，結(jié)合公式算出波紋管的直徑：

(2)

式中，Wf為單位時(shí)間顆粒肥輸送質(zhì)量，μ為料氣輸送比，va為輸送氣流的速度。

2.2.3 分肥裝置殼體設(shè)計(jì)

分肥裝置殼體的設(shè)計(jì)要盡可能減少氣肥混合物在裝置中產(chǎn)生渦流及出入口的急劇收縮，避免引起氣肥混合物的滯留等問題。所以，分肥裝置殼體的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量最小化漩渦區(qū)，此設(shè)計(jì)采用改變分肥器殼體內(nèi)壁形狀。把出入口內(nèi)壁改成曲線狀，減少內(nèi)部損失。

2.2.4 分配裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分配裝置是分肥裝置的核心部件，其通過氣流的作用將肥料高效的輸送到各個(gè)排肥口，使其均勻排出。

分配器錐角是分配裝置中重要參數(shù)，其角度的選擇影響著分肥性能的好壞。選取幾種不同錐角的旋蓋，用其2種因素作為影響指標(biāo)，做仿真實(shí)驗(yàn)并分析結(jié)果，得出最佳錐角。

分配器出入口直徑，對(duì)排肥系統(tǒng)內(nèi)部肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)、風(fēng)速等有著重要影響。分配器入口與波紋管相連，其直徑相等。

圖3 排肥系統(tǒng)分配裝置結(jié)構(gòu)示意圖

由于分配器各出口的截面積之和應(yīng)大于分配器入口截面積，查閱文獻(xiàn)及相關(guān)手冊(cè)，由計(jì)算公式可得各分肥器出口直徑：

(3)

2.3 預(yù)期結(jié)果

研制出的八行氣吹集排式分肥器比以往的機(jī)械式單行施肥器結(jié)構(gòu)阻力更小，施肥更加均勻，氣吹式高幅寬高效率的作業(yè)方式更加符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需求。

3 結(jié)論與展望

本文通過理論分析和參數(shù)計(jì)算，確定了氣吹集排式分肥器各組成部件的結(jié)構(gòu)和基本工作參數(shù)。設(shè)計(jì)的氣肥分離裝置，通過降低排肥口的空氣流量，從而減少了排肥口處的氣流速度，使分肥性能更加穩(wěn)定，八行集排式排肥系統(tǒng)告別了傳統(tǒng)的單行非集排式排肥裝置，比以往更具高速高效化。設(shè)計(jì)出的氣吹集排式分肥器解決了以往機(jī)械式排肥裝置低速度、低效率、穩(wěn)定性差、分肥不均勻等各種弊端，是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)具發(fā)展的一大進(jìn)步。為適應(yīng)農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步，我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)品必須融入電子控制技術(shù)，機(jī)械自動(dòng)化與電子控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)施機(jī)電一體化。政府應(yīng)當(dāng)加大科研補(bǔ)助力度，調(diào)動(dòng)科研人員的積極性；出臺(tái)一系列惠民措施，加大農(nóng)機(jī)具補(bǔ)助力度；建立跟蹤式回訪制度，讓農(nóng)民買的開心用的放心。政府、科研人員、農(nóng)民形成3方循環(huán)機(jī)制相互促進(jìn)，相互監(jiān)督，形成由政府引導(dǎo)，科技實(shí)體與社會(huì)組織積極參與，農(nóng)民與企業(yè)共同建設(shè)的農(nóng)業(yè)組織。通過一系列措施促進(jìn)了我國農(nóng)機(jī)具的發(fā)展，提高我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平，讓我國早日成為更加機(jī)械化、智能化、信息化、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大國。