立式有机肥螺旋撒肥装置设计与试验

吕金庆，孙玉凯，李季成，李紫辉，刘中原

立式有机肥螺旋撒肥装置设计与试验

吕金庆，孙玉凯，李季成，李紫辉，刘中原

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

针对有机肥黏度大、流动性差、粘结成块后抛撒困难的问题，该研究设计了一种带撒肥叶片的立式有机肥螺旋撒肥装置。通过建立有机肥在抛撒过程中的运动学模型，对撒肥距离、撒肥幅宽进行分析，确定影响撒肥效果的主要因素。以撒肥均匀度和撒肥幅宽为试验指标，以螺旋轴转速、撒肥圆盘倾斜角度、螺旋叶片螺距为试验因素进行旋转正交试验。运用Design-Expert软件对试验结果进行参数优化，通过验证试验对优化后的参数进行验证，结果表明：当螺旋轴转速为385.0 r/min，撒肥圆盘倾斜角度为16.0°，螺旋叶片螺距为360.0 mm时，撒肥均匀度横向变异系数为14%，撒肥幅宽为8.1 m，满足有机肥撒肥机作业标准及田间作业要求。该研究可为有机肥撒肥机的设计和优化提供参考。

农业机械；设计；试验；有机肥；立式；螺旋；抛撒

0 引 言

目前，中国化肥的总产量和总用量均居世界首位[1-2]。但化肥营养元素单一，肥效迅速且不长久，长期使用还会造成土壤板结，土壤肥力下降，影响农产品品质[3-5]。增施有机肥可以增加土壤有机质含量，培肥地力，增加土壤的通透性，形成虚实相间的土壤颗粒有机结构[6-7]，保证农作物的高产稳产。但有机肥的黏度大，流动性差，容易粘结成块，成块的有机肥在田间难以发挥作用，且易出现肥料架空现象[8]。

国外发达国家对有机肥撒肥机的研究较早，自动化程度较高[9-11]。具有代表性的研究成果有法国CUHN公司的ProPush2044型背推式撒肥机，该机的桨叶与旋转轴之间有一定夹角，可以获得较大撒肥幅宽，但其抛撒均匀性较差[12]；法国库恩公司的Protwin8150型侧锤片式撒肥机，使用螺旋双绞龙稳定输肥，采用快速伸缩的锤片进行碎肥和撒肥，实现均匀作业[13]。但国外撒肥机价格昂贵，配件供应不及时，进出口手续繁杂，未能在国内大面积推广应用。

国内许多学者致力于果园等小地块有机肥撒肥机的研究，西北农林科技大学的谭辰[14]设计了一种撒肥距离可调的果园有机肥条铺机，采用一对横向安装的可伸缩螺旋输送器实现撒肥间距的调整；塔里木大学的张涵等[15]对果园固态有机肥撒肥机进行研究，使用双绞龙为撒肥部件，在输肥同时进行搅拌，防止有机肥堵塞出肥口；陈海霞[16]将双绞龙部件置于肥箱中，同时进行碎肥与输肥，转动灵活，操作简单；马标等[17]对卧式有机肥撒肥机进行研究，通过调整碎肥装置上拨爪的排列方式，增加了有机肥的破碎效果；郝延杰等[18]通过调整肥料落点控制罩的角度来控制有机肥的落点，实现撒肥幅宽的调节。

卧式撒肥机撒肥区域集中，均匀性较好，但撒肥幅宽较小，碎肥效果较差。果园撒肥机主要针对果园等小地块，目前国内已有机型的撒肥幅宽较小，不适于北方大田有机肥施肥作业。针对上述问题，该研究设计了一种螺旋叶片，采用立式有机肥螺旋撒肥装置与撒肥圆盘结合的方式，增大撒肥幅宽，通过动力学分析揭示有机肥的抛撒运动规律，根据试验数据，得出螺旋撒肥装置的最优结构和作业参数，并通过试验进行验证。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构及主要技术参数

撒肥机整机结构如图1所示，由挂接装置、支撑架、输送链、地轮、肥箱、螺旋撒肥装置组成。肥箱前端为挂接装置，整个撒肥机通过挂接装置与拖拉机相连，肥箱中有输肥链，将有机肥不断输送至螺旋撒肥装置，然后抛撒到田间。

螺旋撒肥装置由横梁和左、右2个撒肥辊组成，具体结构如图2所示，每个撒肥辊均由撒肥圆盘、螺旋轴、螺旋叶片、撒肥刀片、碎肥刀片、平衡体组成。撒肥机主要技术参数如表1所示。

1.挂接装置 2.支撑架 3.输送链 4.地轮 5.肥箱 6.螺旋撒肥装置

注：1为左撒肥辊的转向；2为右撒肥辊的转向。

Note:1is the rotating direction of the left fertilizer spreading roller;2is the rotating direction of the right fertilizer spreading roller.

1.撒肥圆盘 2.螺旋轴 3.横梁 4.平衡体 5.螺旋叶片 6.撒肥刀片 7.碎肥刀片

1.Fertilizer spreading disc 2.Spiral axis 3.Beam 4.Balance block 5.Spiral blade 6.Fertilizer spreading blade 7.Fertilizer crushing blade

图2 螺旋撒肥装置

Fig.2 Spiral fertilizer spreading device

表1 撒肥机主要技术参数

1.2 工作原理

工作时，由输肥链将肥箱中的有机肥输送至螺旋撒肥装置，2个撒肥辊同时反向相对转动，左撒肥辊逆时针旋转，右撒肥辊顺时针旋转，对有机肥进行破碎、抛撒。螺旋撒肥装置由上、中、下3部分组成，上部只安装碎肥刀片，主要起肥块切碎作用，一部分有机肥通过螺旋叶片直接抛撒，剩余部分通过螺旋叶片输送至中部；中部2层螺旋叶片同时安装碎肥刀片和撒肥刀片，一方面切碎肥箱输送的有机肥，另一方面接收上部未抛撒的有机肥，此区间大部分有机肥被抛撒，剩余部分输送到撒肥圆盘；下部的撒肥圆盘接收中部输送的有机肥，全部抛撒。

2 螺旋撒肥装置设计

传统撒肥机多为卧式，按有机肥抛出方向分为后抛和侧抛撒肥机2种，后抛撒肥机撒肥均匀性好，但撒肥幅宽小，一般为1.5～2.2 m；侧抛撒肥机撒肥均匀性较差，但撒肥幅宽较大，一般可达4～5 m。本文研究的立式有机肥螺旋撒肥装置重点针对破碎效果及撒肥幅宽进行设计。

2.1 撒肥圆盘

撒肥圆盘的作用是抛撒螺旋叶片未抛撒出去的有机肥，防止该部分有机肥直接掉落到机器上影响正常运转。当有机肥的抛出点、初始速度一定时，斜抛运动的抛出距离大于平抛运动[19]，故将撒肥圆盘向上倾斜以获得更大抛出距离。如图3所示，虚线部分代表撒肥圆盘直径增大后有机肥的抛出轨迹，则抛出有机肥的初始速度为

由式（1）可知，当撒肥圆盘直径增大时，抛出的有机肥初始速度增大，则撒肥距离远，撒肥幅宽大，撒肥幅宽与撒肥圆盘直径呈正相关。由于机具尺寸的限制，将撒肥圆盘直径设计为900 mm；根据撒肥圆盘直径大小，以保证装置稳定运行为前提，选用外轮廓直径较大的140 mm钢管做为中间的螺旋轴。

1.撒肥圆盘 2.螺旋轴 3.有机肥颗粒

1.Fertilizer spreading disc 2.Spiral axis 3.Organic fertilizer particles

注：为螺旋轴的转速，r·min-1；V为有机肥抛出时的初始速度，m·s-1；r(=1, 2)为不同撒肥圆盘的直径，mm；n(=1, 2)为不同直径撒肥圆盘的撒肥距离，mm。

Note:is the rotate speed of the spiral axis, r·min-1; Vis initial speed of spreading, m·s-1;r(=1, 2) are different diameters of fertilizer spreading discs, mm;n(=1, 2) are spreading distance of fertilizer spreading discs with different diameters, mm.

图3 不同直径撒肥圆盘的撒肥距离

Fig.3 Spreading distance of fertilizer spreading discs with different diameters

根据羊粪堆肥粒径分布情况，撒肥圆盘叶片高度>80 mm即可满足要求，将其设计为90 mm，结构如图4a所示，3个撒肥圆盘叶片均布于撒肥圆盘上，两两间隔120°，如图4b所示。

1.撒肥圆盘 2.支撑板 3.螺旋轴 4.撒肥圆盘叶片

2.2 螺旋叶片

螺旋叶片为螺旋撒肥装置的关键部件，若使螺旋叶片输送的有机肥全部落到撒肥圆盘上，则螺旋叶片的外轮廓直径必须小于撒肥圆盘直径，且由上文分析可知，螺旋叶片直径越大，撒肥幅宽越大，将螺旋叶片外轮廓直径设置为800 mm。

为增强有机肥破碎效果、增大撒肥距离，为螺旋叶片设计2种辅助刀片：碎肥刀片和撒肥刀片。碎肥刀片为长方体直板，可利用其2个平面切碎有机肥块，结构如图5a所示；撒肥刀片以直角板为原型，由牛顿第二定律可知，斜抛运动的抛出角度为45°时，射程最远，故在撒肥刀片一侧折弯45°来改变有机肥抛出角度，以增大撒肥距离，同时在折弯处切出2个直角三角形，形成的直角边可对有机肥进行二次切碎，其结构如图5b所示。

为了增加有机肥的破碎效果，在螺旋叶片边缘切出圆弧切口，其切碎有机肥团粒的过程如图6a所示，在旋转过程中，螺旋叶片沿虚线不断切碎有机肥团粒。碎肥刀片宽度为50 mm，撒肥刀片宽度为60 mm，预留出安装距离，在其他部分切出圆弧切口，最终结构如图6b所示。螺旋轴、螺旋叶片和撒肥圆盘的总体结构如图6c所示。

图6 螺旋叶片碎肥过程及撒肥辊结构

撒肥辊上螺旋叶片共设计为3层，第一层安装8个碎肥刀片，增加对上层有机肥的破碎性，避免输送到中部时产生拥堵，碎肥刀片在螺旋叶片上下两侧交替安装，目的是在2个平面上对有机肥进行切碎，其平面展开图如图7a所示；8个撒肥刀片和8个碎肥刀片在第2层和第3层交替安装，该部分为主要撒肥区域，其平面展开图如图7b所示。

1.螺旋叶片 2. 碎肥刀片 3. 撒肥刀片

1.Spiral blade 2. Fertilizer crushing blade 3. Fertilizer spreading blade

图7 螺旋叶片展开图

Fig.7 Expanded view of spiral blade

为避免工作时发生干涉，设计左、右撒肥辊上层相邻碎肥刀片之间夹角为25°。

3 撒肥距离与撒肥幅宽分析

有机肥团粒以一定的初始速度离开螺旋撒肥装置，沿着抛物线轨迹落到田间[20]。通过对撒肥距离和撒肥幅宽的分析，确定影响撒肥效果的主要因素。为简化分析，设有机肥团粒下落地面为水平面；研究主要针对有机肥在空气中的运动，并不涉及有机肥在螺旋撒肥装置上的旋转、碰撞[21-22]。

3.1 最远撒肥距离

最远撒肥距离与撒肥幅宽相互影响，通过分析最远撒肥距离为撒肥幅宽的分析做铺垫。螺旋撒肥装置转速一定时，抛出高度越高，抛撒距离越远，则由立式撒肥装置顶端抛出的有机肥团粒抛撒距离最远，如图8所示，有机肥团粒的抛撒过程分为上抛和下降2个阶段。

注：FX1为有机肥团粒上抛阶段空气阻力的水平分力，N；FZ1为有机肥团粒上抛阶段空气阻力的竖直分力，N；FX2为有机肥团粒下降阶段空气阻力的水平分力，N；FZ2为有机肥团粒下降阶段空气阻力的竖直分力，N；G1为有机肥团粒的重力，N；L1为最远撒肥距离，m；θ为装置的倾斜角度，(°)；X1为有机肥团粒上抛阶段的水平位移，m；X2为有机肥团粒下降阶段的水平位移，m。

有机肥团粒抛出后受重力和空气阻力作用，其所受空气阻力为

式中为有机肥团粒所受空气阻力，N；为空气密度，kg/m3；为有机肥团粒迎风面积，m2；为空气阻力系数；为有机肥团粒速度，m/s。

3.1.1 有机肥团粒上抛阶段力学分析

结合牛顿第二定律，将有机肥团粒上抛阶段的运动分解为竖直、水平2个方向的运动进行分析。竖直方向的运动方程如式（3）所示。

由式（3）可求得：

水平方向的运动方程如式（5）所示。

式中V1为有机肥团粒上抛阶段速度的水平分量，m/s；V1为有机肥团粒上抛阶段速度的竖直分量，m/s；1为上抛阶段的运动时间，s；1为有机肥团粒上抛阶段的竖直位移，m。为有机肥团粒的质量，kg。

将式（4）代入式（5）求得上抛阶段有机肥团粒的水平位移为

3.1.2 有机肥团粒下降阶段力学分析

将下降阶段有机肥团粒的运动分解为竖直、水平2个方向的运动进行分析。竖直方向的运动方程如式（7）所示。

由式（7）可求得

水平方向的运动方程如式（9）所示。

式中V2为下降阶段有机肥团粒速度的水平分量，m/s；V2下降阶段有机肥团粒速度的竖直分量，m/s；2为下降阶段有机肥团粒的竖直位移，m；2为下降阶段运动的时间，s。

将式（8）代入式（9）求得下降阶段有机肥团粒的水平位移为

由式（6）、式（10）求得有机肥团粒的最远撒肥距离1（m）为

由式（11）可知，影响有机肥团粒最远撒肥距离的主要因素为有机肥团粒抛撒过程中的运动速度、竖直位移。有机肥团粒的运动速度由螺旋轴的转速、螺旋叶片的倾斜角度决定，竖直位移由撒肥装置的高度决定，而撒肥装置的高度主要由螺旋叶片的螺距决定。

3.2 撒肥幅宽

撒肥幅宽为立式撒肥装置的重要作业指标，对撒肥幅宽进行分析以确定主要影响因素。立式有机肥螺旋撒肥装置的撒肥幅宽和肥料抛撒范围如图9所示，整个抛撒范围ABCD左右对称，以左侧为例进行分析。左撒肥辊逆时针转动，转入横梁下方切碎并携带肥箱中的有机肥，转到横梁上方开始持续抛撒，当左撒肥辊转过一定角度时携带的有机肥全部抛撒完成，此角度为。右侧的抛撒过程与左侧相同。

注：S为撒肥幅宽，m；L1为有机肥团粒的最远抛撒距离，m；S1为L1的水平分量，m；r为撒肥点D与圆心的距离，m；φ为L1与竖直方向夹角，（°）；β为左侧撒肥辊撒肥过程中转过的角度，（°）。

由图9可得：

由此求得撒肥幅宽为

（13）

由式（13）可知，影响撒肥幅宽的变量中，上抛阶段的有机肥团粒的速度V1和V1、下降阶段有机肥团粒的速度V2和V2均受螺旋轴转速和抛出角度影响，抛出角度即由立式撒肥装置倾斜角度决定；上抛阶段有机肥的竖直位移1、下降阶段有机肥的竖直位移2主要受立式撒肥装置高度影响，装置高度由螺旋叶片螺距决定。

4 台架试验

4.1 正交试验设计

由撒肥幅宽分析可知，影响撒肥效果的主要因素为螺旋轴转速、螺旋叶片螺距、立式撒肥装置倾斜角度，因撒肥圆盘倾斜角度与立式撒肥装置倾斜角度相等，且可直接测量，故以撒肥圆盘倾斜角度、螺旋轴转速、螺旋叶片螺距为试验因素。参考同类机型[23]，选定螺旋轴的转速为350～400 r/min；由于机具高度的限制，确定螺旋叶片螺距范围为300～400 mm，通过更换不同螺旋叶片的撒肥辊实现该因素的调节；立式撒肥装置倾斜角度的增大会增加装置的不稳定性，初步选择10°～20°作为撒肥圆盘倾斜角度范围，通过改变螺旋撒肥装置顶端横梁与肥箱的安装位置来调整立式撒肥装置倾斜角度，即撒肥圆盘倾斜角度。

以撒肥均匀度和撒肥幅宽做为试验指标，其中，撒肥均匀度通过肥料的横向变异系数来体现[24-25]，计算方式如式（14）所示。采用二次旋转正交组合试验安排试验，试验因素编码如表2所示，试验方案如表4所示。

表2 试验因素编码表

4.2 试验方法

2020年7月22日在东北农业大学北方马铃薯全程机械化试验基地进行了台架试验。试验用肥为羊粪堆肥，堆肥时间为40 d左右，大部分已粘结成块、成团，对试验用肥进行基础物理参数测定，其含水率为38.6%，容重为636.9 kg/m3，对其粒径大小进行统计，结果如表3所示，羊粪堆肥粒径从单个羊粪粒至粒径小于80 mm的羊粪团均存在，其中多数粒径为30～60 mm的羊粪团，质量占比约为73.6%，试验前不对羊粪进行粉碎处理，试验材料参数符合GB/T25401—2010农业机械厩肥撒肥机试验方法要求[26]。

表3 羊粪堆肥粒径分布

试验当天晴朗无风，地面平坦，坡度<5°，试验参照美国ASAE（American Society of Agricultural Engineers）S341.3方法进行[27]。由文献[28-29]知，有机肥输送速度对于试验结果的影响小，设为0.06 m/s。撒肥试验测试区域为10 m×8 m的矩形（图10），用记号笔将整个测试区域分成若干0.5 m×0.5 m的正方形采样区，撒肥完成后，先用卷尺对整个抛撒幅宽进行测量，然后用电子秤对每个采样区域内的粪肥进行称量记录，试验过程如图 11所示。农艺上对肥块粒径的大小没有具体要求，理论上肥块粒径越小则碎肥效果越好，根据表3的粒径分布及文献[30]确定粒径大于30 mm为不合格团粒，验证试验部分统计不合格肥料团粒的质量占比，判定该装置的碎肥效果。

图10 采样区划分

图11 撒肥试验

4.3 结果与分析

4.3.1 试验方案与结果

试验结果如表4所示。

表4 试验方案与结果

4.3.2 试验结果分析

利用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行分析，并对各试验指标进行多元回归拟合[31]。各因素对撒肥幅宽的回归方程为

由表5撒肥幅宽的方差分析表可知，因素和因素间的交互作用对于撒肥幅宽影响的主次顺序为1、32、3、12、22、2、23、13、12，其中1、3、12、22、32影响极显著（<0.01），2、23影响显著（0.01≤<0.05），13影响较显著（0.05≤<0.1），其他因素影响不显著（>0.1）。失拟项=0.533 8，不显著（>0.1），证明不存在其他影响试验指标的主要因素。

表5 撒肥幅宽方差分析

注：***表示极显著（<0.01）；**表示显著（0.01≤<0.05）；*表示较显著（0.05≤<0.1），下同。

Note: *** means highly significant (<0.01); ** means significant (0.01≤<0.05); * means generally significant (0.05≤<0.1), the same below.

表6为横向变异系数的方差分析表，对于横向变异系数，因素影响的主次顺序是2、3、1、32、22、12、13、23、12，其中1、2、3、32影响极显著（<0.01）；12、22影响显著（0.01≤<0.05）；其余因素对变异系数的影响均不显著（0.1）。失拟项=0.237 9，不显著（>0.1），证明不存在其他影响指标的主要因素。各因素对横向变异系数的回归方程为

4.3.3 响应曲面分析

通过方差分析表可知，螺旋轴转速1、撒肥圆盘倾斜角度2、螺旋叶片螺距3对变异系数、撒肥幅宽均有显著影响，但其交互作用存在不显著项，利用Design-Expert 8.0.6软件得出螺旋轴转速、撒肥圆盘倾斜角度、螺旋叶片螺距的显著交互作用对横向变异系数、撒肥幅宽的响应曲面，如图12所示。

表6 横向变异系数方差分析

对于横向变异系数，当螺旋叶片螺距为350.0 mm时，螺旋轴转速与撒肥圆盘倾斜角度的交互作用如图12a所示：当撒肥圆盘倾斜角度一定时，横向变异系数随螺旋轴转速的增大而减小，且逐渐趋于平缓，螺旋轴转速最优范围为383.3～400.0 r/min，该范围内，随着螺旋轴转速的增大，横向变异系数数值稳定于14%左右。转速超过391.7 r/min时，由响应曲面走势可知，横向变异系数的减小幅度很小，螺旋轴转速的增大会极大增加装置的不稳定性和各部件的加工难度，故在横向变异系数基本相同前提下，优先选择该范围内的较小转速；螺旋轴转速一定时，横向变异系数随撒肥圆盘倾斜角度增大而减小，较优的撒肥圆盘倾斜角度是16.0°～20.0°，该范围内，横向变异系数数值稳定于14%左右。

对于撒肥幅宽，当螺旋轴转速为375.0 r/min时，螺旋叶片螺距和撒肥圆盘倾斜角度的交互作用如图12b所示，当螺旋叶片螺距一定时，撒肥幅宽随撒肥圆盘倾斜角度的增大呈先增大后减小的趋势，较优的撒肥圆盘倾斜角度为14.0°～18.0°；撒肥圆盘倾斜角度一定时，撒肥幅宽随螺旋叶片螺距的增大呈先增大后减小趋势，较优的螺旋叶片螺距为357.1～371.4 mm。

图12 撒肥均匀度横向变异系数和撒肥幅宽的双因素响应曲面

4.3.4 参数优化

为获得螺旋撒肥装置最佳撒肥性能作业参数，利用Design-Expert 8.0.6软件中的优化模块对2个回归模型进行求解，其约束条件为

通过优化求解得螺旋轴转速为389.9 r/min，撒肥圆盘倾斜角度为16.3°，螺旋叶片螺距为360.9 mm，立式有机肥螺旋撒肥装置作业效果最好，其撒肥均匀度变异系数为13.7%，撒肥幅宽为8.2 m。

4.4 验证试验

2020年8月7日在东北农业大学阿城试验基地进行田间验证试验，地表平整，试验材料同台架试验。综合装置的稳定性、安全性，加工的难易程度以及调节的简便性考虑，确定螺旋轴转速385.0 r/min，撒肥圆盘倾斜角度16.0°，螺旋叶片螺距360.0 mm进行试验，作业速度为8 km/h，试验过程如图13所示。

图13 验证试验

试验后，测得撒肥幅宽为8.1 m；称量计算得到撒肥均匀度横向变异系数为14%，符合GB/T25401—2010农业机械厩肥撒肥机试验方法中的横向变异系数≤30%的要求；对所有不合格团粒（粒径大于30 mm）进行称量，计算其质量占比，最终得出该装置的破碎率为91.2%。以未安装辅助刀片的立式撒肥装置做十组试验作为对照试验，其碎肥率为78.4%。经立式撒肥装置破碎后的有机肥分布均匀，粒径均小于40 mm，不合格团粒（粒径大于30 mm）的粒径分布范围降为30~40 mm，质量占比由撒肥前的82.2%降低为8.8%，碎肥效果良好。

5 结 论

针对有机肥黏度大，传统机型破碎效果较差的问题，研制了一种螺旋叶片，为其安装碎肥刀片与撒肥刀片2种辅助刀片，并探究了一种新的排列方式，设计了立式有机肥螺旋撒肥装置。

对有机肥抛撒过程进行分析，确定了螺旋轴转速、撒肥圆盘倾斜角度、螺旋叶片螺距为影响撒肥效果的试验因素，以撒肥幅宽、变异系数为试验指标进行试验。

利用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行数据分析，得出最优参数后，选择螺旋轴转速385.0 r/min，撒肥圆盘倾斜角度16.0°，螺旋叶片螺距360.0 mm进行验证试验，对试验结果进行处理分析得出撒肥幅宽为8.1 m，撒肥均匀度变异系数为14%，破碎后的有机肥团粒粒径均小于40 mm，不合格团粒（粒径大于30 mm）的质量占比降为8.8%，撒肥效果良好，可为有机肥撒肥机的设计优化提供参考。

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Design and test of vertical spiral organic fertilizer spreading device

Lyu Jinqing, Sun Yukai, Li Jicheng, Li Zihui, Liu Zhongyuan

(,,150030,)

China has ranked first in the total output and use of chemical fertilizers in the world, as the increase of grain production. Generally, the single nutrient element of chemical fertilizer makes the fertilizer effect short and fast. If using for a long time, the fertilizer can cause soil hardening, soil fertility decline, even to decrease the quality of agricultural products. Alternatively, the organic fertilizer can be used to increase the soil organic matter and the permeability of soil, and thereby to ensure the high and stable yield of crops. However, the chemical fertilizer by adding more organic fertilizer behaves a high viscosity and fluidity, which makes it difficult to spread. In this study, a vertical spiral spreading device for the organic fertilizer was designed, in order to automatically crush organic fertilizer, and then to spread it wide. The specific processes were as follows: Firstly, the overall structure of device was preliminarily optimized. The vertical spiral spreading device for the organic fertilizer was mainly composed of the fertilizer spreading disc, spiral axis, beam, balance block, spiral blade, fertilizer spreading and crushing blade. The latter three were the key components of crushing organic fertilizer. Meanwhile, the fertilizer spreading and spiral blade were the key components of spreading organic fertilizer. A kinematic model of organic fertilizer in air was established to determine the influencing factors in the process of fertilizer spreading. The test factors included the rotational speed of spiral axis, inclination angle of fertilizer spreading disc, and screw pitch of spiral blade. The coefficient of variation and the fertilizer spreading width were set as the test indicators to evaluate the operation effect of the device, according to the fertilizer application standards. A field test was conducted at the Northeast Agricultural University in July, 2020. A rectangular area with the size of 10 m×8 m was set on the ground for data collection, and then the whole area was divided into many small squares with the size of 0.5 m×0.5 m for measurement. During the test, the fertilizer spreading width was first measured, and then the organic fertilizer was weighed, finally, where all test dataset was recorded. A Design-Expert 8.0.6 software was used to analyze the influence of each test factor and their interaction on each test indicator, and then a relationship was established between each test indicator and the regression equation of each test factor. An optimal combined range of all test factors was achieved via balancing the stability of the device and its economic considerations. A dataset was selected in the optimal range for the verification test: When the rotational speed of spiral axis was 385 r/min, the inclination angle of fertilizer spreading disc was 16°, and screw pitch of spiral blade was 360 mm, indicating that the coefficient of variation was 14.0%, and the fertilize spreading width was 8.1 m. The values were basically consistent with those of software calculation, indicating that can meet the national standards and the requirements of organic fertilizer application. The vertical spiral spreading device has good performance on spreading organic fertilizer, providing for a sound reference for the design and optimization of organic fertilizer spreader.

agricultural machinery; design; test; organic fertilizer; vertical; spiral; spread

吕金庆，孙玉凯，李季成，等. 立式有机肥螺旋撒肥装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(24)：19-28.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.003 http://www.tcsae.org

Lyu Jinqing, Sun Yukai, Li Jicheng, et al. Design and test of vertical spiral organic fertilizer spreading device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 19-28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.003 http://www.tcsae.org

2020-08-18

2020-10-18

国家重点研发计划项目(2017YFD0700705)；现代农业产业技术体系建设专项（CARS-09-P23）；黑龙江省马铃薯产业技术协同创新推广体系项目

吕金庆，研究员，主要从事马铃薯田间技术与装备研究。Email：ljq8888866666@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.003

S224.22

A

1002-6819(2020)-24-0019-10