圆盘顶出式水田侧深施肥装置设计与试验研究

在水稻生产过程中,施肥是尤为重要的环节。采用侧深施肥技术可省工省时,减轻水土污染,提高肥料利用率,是实现水稻节本增效的重要手段。当前侧深施肥装置存在施肥均匀性和稳定性较差、肥料受潮粘结易堵塞排肥器等问题,严重影响了水稻质量和产量。本文根据国内外侧深施肥装置的发展现状,结合东北地区寒地水稻侧深的农艺要求,通过理论分析、EDEM虚拟仿真、DEM-CFD耦合仿真分析、台架试验等多种方法,创新设计一种圆盘顶出式水田侧深施肥装置,对其工作机理及关键部件进行深入分析研究,以期达到提高水田侧深施肥装置的施肥均匀性的目的,缓解肥料潮解堵塞排肥器等问题,为水田侧深施肥实际田间生产作业提供重要指导参考。（1）选择当前常用的高速插秧机作为施肥装置搭载对象,明确圆盘顶出式水田侧深施肥装置整体结构设计方案,以东北地区水稻种植常用的侧深施肥专用颗粒肥料的物理力学特性为参考依据,对侧深施肥装置的关键部件圆盘顶出式排肥器进行设计,阐述了排肥器的结构及工作原理,依据侧深施肥的农艺要求及排肥器结构设计的农业技术要求确定了各项结构参数,建立肥槽供肥的理论模型,对圆盘顶出式排肥器的充肥过程和排肥过程进行运动学与动力学分析,得出排肥圆盘转速是影响排肥器施肥性能的重要因素,通过充肥体积与排肥圆盘转速的变化关系得出排肥圆盘理论最大转速142 r/min,进一步对圆盘顶出式排肥器的充肥和排肥过程进行虚拟仿真试验,通过分析肥料颗粒充肥过程的受力情况及排肥过程的发生的转角变化,确定了排肥器最佳工作转速范围是10～60 r/min,并据此设计了排肥圆盘肥槽有效工作长度的变化范围是5～20mm。（2）根据侧深施肥装置风送辅助输肥的方案,确定了风送系统的空气流量、输送气流速度及文丘里管各项参数,基于离散元法和计算流体力学建立了肥料输送气固两相流数学模型,应用DEM-CFD耦合方法对肥料颗粒与气流混合进行虚拟仿真试验研究,分析了压力入口气流速度为20m/s、25m/s和30m/s条件下,肥料颗粒落肥量分别为8.3g/s、20.8g/s和33.3g/s的耦合仿真结果,得到了肥料颗粒和气流在不同工作条件下的运动规律,得出压力入口气流速度是影响肥料颗粒在输肥管路中运动的主要因素,且压力入口气流速度为25m/s是水田侧深施肥作业时风机工作的理想作业条件。（3）为检验圆盘顶出式水田侧深施肥装置的施肥性能,以JPS-12型排种器性能检测试验台为载体,分别通过单因素和多因素试验对各行排量一致性、施肥稳定性和施肥均匀性进行检测,单因素试验结果表明试验因素对各行排量一致性、施肥稳定性和施肥均匀性影响显著,在不同排肥圆盘转速下,各指标变异系数均满足国家施肥机械作业标准;多因素试验试验结果表明各因素对施肥均匀性施肥量均值影响顺序由大到小为:排肥圆盘转速、作业速度、风机风速;各因素对施肥均匀性变异系数影响顺序由大到小为:作业速度、排肥圆盘转速、风机风速,通过建立优化模型对工作参数进行优化求解,在排肥圆盘转速为10～60r/min、作业速度为0.7～1.2m/s、风机风速为20～30m/s的工作条件下,施肥均匀性施肥量均值为4.0g时,最佳工作参数组合是:排肥圆盘转速10.02r/min,作业速度0.82m/s,风机风速26.16m/s,此时施肥均匀性变异系数为10.66%,长时间作业未出现肥料挤压破碎现象,通过与现有水田侧深施肥装置对比,得出圆盘顶出式水田侧深施肥装置提高了施肥均匀性。（4）为进一步检测肥量调节装置的性能,以肥槽有效工作长度为试验因素,施肥量均值和总施肥量为试验指标进行试验,结果表明肥槽有效工作长度对施肥量均值和总施肥量影响显著,获得了总施肥量随肥槽有效工作长度变化的关系曲线,并另外选择密度分别为1.40g/cm3、1.30g/cm3、1.00g/cm3和0.85g/cm3的水田侧深施肥专用肥料进行验证试验,得出圆盘顶出式水田侧深施肥装置对常用专用肥料具有良好适应性,获得的肥料密度在0.85～1.40g/cm3之间的肥槽有效工作长度与总施肥量的变化曲线,可对侧深施肥装置田间作业调试及机具生产提供重要指导和参考价值。