风送式水稻侧深施肥装置关键部件设计与试验

水稻是中国主要的粮食作物之一,在水稻生产过程中,侧深施肥技术相对常规施肥方式具有省工、节肥、促前、增产等优点,是一项适用于北方寒地水稻种植区、具有节本增效功能的理想培肥技术。侧深施肥装置作为水稻侧深施肥技术应用的核心载体,存在施肥量不稳定、输肥管路堵塞、营养分布不均匀等问题,直接影响水稻产量。为此,本文结合北方寒地水稻侧深施肥农艺要求,运用理论分析、数值模拟、试验设计等方法对风送式水稻侧深施肥装置关键部件斜槽轮式排肥器和气力输送系统展开研究:（1）以北方寒地水稻侧深施肥专用肥为研究对象,通过物理试验和仿真试验相结合的方法对肥料颗粒的物理特性进行测定与分析,主要包括肥料颗粒密度、含水率、三轴尺寸、悬浮速度、弹性模量、剪切模量等物性参数和肥料颗粒碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数等接触参数,为后续施肥装置结构设计和数值模拟参数设定提供重要的参考依据。（2）通过对斜槽轮式排肥器充肥阶段和排肥阶段进行理论分析可知,排肥轮转速越小越有助于凹槽内肥料颗粒的填充,排肥轮转速越大越有利于提高施肥均匀性,计算得到充肥包角为45°时,排肥轮转速的最大理论值为150 r/min。通过对排肥器工作过程进行离散元仿真分析可知,随着排肥轮转速的增大,排肥轮每转排肥量整体呈下降趋势,当排肥轮转速高于60 r/min时,每转排肥量递减明显;肥料颗粒轴向位置变化趋势基本一致,肥料颗粒轴向偏移量逐渐减小,数值模拟结果与理论分析所得规律相吻合。（3）结合水稻侧深施肥作业工况及肥料颗粒物理特性,分析确定气力输送系统的主要设计参数,完成气力输送系统参数化设计。并基于离散元法和计算流体力学,建立气体相和固体相数学方程,采用DEM-CFD耦合的方法对气料混合过程进行数值模拟。由气流速度场分布和肥料颗粒的运动状态可知,不同入口速度边界条件下,气流速度场分布形态基本一致,气流最大速度出现在气料混合腔部位;随着入口气流速度的增加,肥料颗粒移动速度逐渐增大,弹跳现象减弱,相邻两肥料颗粒的间距逐渐增大,沿气流方向连续均匀运动,表明气力输送系统基本能够满足对肥料颗粒的输送。（4）为探究施肥装置的施肥稳定性和施肥均匀性,对施肥装置进行台架试验研究。通过单因素试验得到不同排肥轮转速下相同时间内施肥装置排肥量的变化规律,当前进速度1 m/s、给定施肥量150 kg/hm2时,排肥轮转速为16.15 r/min,施肥稳定性变异系数为4.71%。设计二次正交旋转组合试验,建立排肥轮转速、前进速度、风机风速分别与施肥均匀性施肥量均值和施肥均匀性变异系数之间的回归模型,得到各因素对施肥均匀性施肥量均值影响贡献率由大到小依次为:前进速度、排肥轮转速、风机风速;对施肥均匀性变异系数影响贡献率由大到小依次为:排肥轮转速、前进速度、风机风速。建立多目标优化模型,得到施肥均匀性施肥量均值目标值为0.45 g时最优参数组合:前进速度0.93 m/s、排肥轮转速21.96 r/min、风机风速22.93 m/s,此时施肥均匀性变异系数为28.25%,并通过台架试验验证,试验值与理论优化值偏差均控制在4.44%以内,表明软件优化参数具有准确性与可行性,可为后续施肥装置运行参数设定提供技术参考。（5）为检测施肥装置田间作业性能,以久保田2ZGQ-6D（NSPU-68CMD）乘坐式高速水稻插秧机为车载平台进行田间性能检测试验,对施肥装置的施肥量偏差和施肥位置尺寸进行测定。插秧机行驶速度1 m/s,排肥轮转速50 r/min,风机风速32 m/s时,给定施肥量350 kg/hm2,施肥量偏差控制在4.74%以内。侧位测量距离最小值平均值为32.87 mm,合格率为93.33%;侧位测量距离最大值平均值为47.73 mm,合格率为93.33%。正位测量距离最小值平均值为55.13 mm,合格率为86.67%;正位测量距离最大值平均值为75.13 mm,合格率为96.67%。施肥位置各测量距离平均值均在合格距离范围内,整体合格率为73.33%,表明施肥装置施肥量总体稳定性较高,基本满足水稻侧深施肥的农艺要求。本文将为水稻侧深施肥装置进一步研究提供技术参考与理论支撑,有效促进水稻侧深施肥技术的推广与应用,加快水稻生产全程机械化进程。