螺旋锥体离心式排肥器扰动防堵机理分析与试验

刘晓东 丁幼春 舒彩霞 王凯阳 刘伟鹏 王绪坪

(1.华中农业大学工学院， 武汉 430070； 2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室， 武汉 430070)

0 引言

精准施肥是实现化肥减施、解决农业面源污染的重要方式，同时也是保证农作物增产、农民增收的重要举措[1-2]。精准施肥的关键在于排肥器，肥料减施须从排肥器性能着手，确保排肥器排肥均匀、稳定，从而达到精量施肥的目标。

变量施肥能够显著提高肥料利用率、减少化肥浪费及环境污染[3-7]。为了提高播种质量和种肥利用率，金鑫等[8]针对冬小麦播种作业方式粗放、效率低等问题，设计了2BFJ-24型小麦精量播种变量施肥机。杨硕等[9]将变量施肥控制系统与排肥监测系统进行集成，形成了一套支持多路播种施肥监测的变量施肥控制系统。张睿等[10]针对变量施肥机作业幅宽小等问题，设计了一种基于处方图的链条式变量施肥抛撒机。气力集排式排肥器能够实现多行均匀分肥、高速送肥的宽幅作业[11-14]。NAVEEN等[15]通过对增压管垂直试验段不同位置统计速度分布的研究，建立了质点速度与加速度长度的相关关系。ANDRII等[16]研究了分种头的几何形状和分种条件对分配精度的影响。杨庆璐等[17]基于CFD-DEM耦合，研究了分配器参数对气流压力、风速以及肥料运动特性的影响，确定了分肥装置的最佳结构参数。李立伟等[18]对气送式水稻施肥机输肥装置进行了气固两相流仿真分析，获得了优化后气体肥料混合腔的结构参数及气动参数。目前，对颗粒化肥在排肥器内的运动学模型和因肥料缓慢下移及上端肥料压力造成肥料滞留而导致的结拱堵塞等问题缺少理论分析与研究，未从根本上解决颗粒化肥架空结拱堵塞造成的断条漏施问题。

长江中下游地区为我国冬油菜主产区[19-21]，该地区土壤黏重，小地块较多，小型施肥播种联合作业机具有发展优势，排量均匀、稳定、结构紧凑、排送形式简单的集排式排肥器具有更广阔的发展空间。但肥料架空结拱堵塞问题仍是影响排肥器排肥稳定性、精量性的主要因素[22]。

笔者通过试验对设计的螺旋锥体离心式排肥器排肥性能进行了检验，排肥性能满足田间施肥质量要求，且未出现因排肥器架空结拱堵塞造成的断条漏施问题[23]，为进一步探究排肥器螺旋扰动破拱防堵机理，本文对颗粒化肥在螺旋锥体离心式排肥器内的运动过程进行理论分析和仿真试验，并通过高速摄像试验和台架试验进一步检验排肥器扰动防堵性能。

1 排肥器结构与工作原理

螺旋锥体离心式排肥器主要由上壳体、螺旋扰动杯、弧形锥体圆盘、下壳体等组成，均采用ABS高精度树脂打印制作，如图1所示。

螺旋扰动弧形锥体圆盘(图1c)由螺旋扰动杯与弧形锥体圆盘两核心部件组成，螺旋扰动杯由高L0=40 mm位于弧形锥体圆盘上端直管和从直管上端开始沿直管内壁以外径62 mm、内径56 mm、螺距90 mm、厚度2.5 mm扫描0.3圈形成的螺旋曲面构成，共8个螺旋曲面均匀分布于直管内壁；弧形锥体圆盘为一旋转抛物面，由一段抛物线和一条与抛物线连接的倾斜直线为母线绕定轴旋转一周形成；弧形锥体圆盘上端面均匀布置有8个与径向呈γ=12°的离心推板，弧形锥体圆盘母线方程为

(1)

式中H0——弧形锥体圆盘高度，mm

R0——谷点半径，mm

δ——离送锥桶侧壁与水平面夹角，(°)

x——弧形锥体圆盘母线方程横坐标值，mm

R′——弧形锥体圆盘外缘半径，mm

弧形锥体圆盘外缘半径R′为104 mm；谷点半径R0为75 mm；高度H0为80 mm；离心推板上端面与弧形锥体圆盘上端面距离H1为25 mm；离送锥桶侧壁与水平面的夹角δ为35°。

工作时，电机带动排肥器弧形锥体圆盘以角速度ω逆时针转动，颗粒化肥在扰动杯内螺旋叶片的扰动及自身重力和上端肥料的压力作用下向下运动，在弧形锥体圆盘的作用下均匀进入8个肥室，颗粒化肥在离心力作用下向排肥器外缘移动，最后从排肥口排出。

2 排肥过程动力学分析与螺旋扰动防堵机理

2.1 扰动杯内颗粒化肥运动过程力学分析

螺旋扰动杯在旋转过程中，螺旋叶片对紧贴扰动杯内壁颗粒化肥施加垂直于螺旋叶片下端面的推力，带动颗粒化肥做沿螺旋叶片相对运动速度为vr、牵连运动速度为ve的复合运动，位于扰动杯中间的颗粒化肥由于受到紧贴扰动杯内壁颗粒化肥的摩擦力、肥料群压力及自身重力作用也做向下的螺旋运动，以此实现对内颗粒肥料群在扰动杯内的螺旋扰动及下排。

假设任何面上的压力为一常量p，贴壁肥料群与内肥料群之间的摩擦因数为fa，贴壁肥料群与螺旋叶片之间的摩擦因数为fb，贴壁肥料群与扰动杯内壁之间的摩擦因数为fc，根据农业物料流变学，颗粒化肥可视为微元体进行受力分析，故取位于螺旋槽内紧贴扰动杯内壁的颗粒化肥群微元体作为研究对象，该微元体做沿螺旋叶片下移及随扰动杯转动的复合运动，贴壁肥料群(图1c)在扰动杯螺旋叶片上的受力如图2所示。

图2 贴壁肥料群微元体受力分析Fig.2 Force analysis of fertilizer group against inner wall

根据微元体受力分析，建立贴壁肥料群微元体受力方程

(2)

式中ρ——肥料密度，kg/m3

h——贴壁肥料群微元体沿扰动杯径向的厚度，m

W——两螺旋叶片间距离

dz——微元体宽度，m

r——微元体转动半径，m

a——z0方向加速度，m/s2

g——重力加速度，m/s2

Fd——螺旋叶片推动面对微元体正推力，N

m——贴壁肥料群微元体质量，kg

F1——微元体与内肥料群表面的摩擦力，N

F2——微元体下端肥料对微元体的压力，N

F3——螺旋叶片下侧面与微元体之间的摩擦力，N

F4——螺旋叶片上侧面与微元体之间的摩擦力，N

F5——扰动杯内壁与微元体之间摩擦力，N

F6——微元体上端肥料对微元体的压力，N

F7——螺旋叶片下侧面对微元体的压力，N

F8——螺旋叶片上侧面对微元体的压力，N

G——贴壁颗粒化肥群微元体重力，N

α——螺旋叶片螺旋角，(°)

θ——微元体前进角，(°)

由式(2)得

(3)

由固体输送理论[24]知，前进角θ取决于贴壁肥料群微元体与扰动杯内壁摩擦因数和微元体与内肥料群表面摩擦因数的比值，由于肥料的物理特性及排肥器参数一定，θ为一定值。由式(3)知微元体与内肥料群表面的摩擦力F1与扰动杯转动角速度ω及螺旋叶片螺旋升角α有关；当α确定后，随角速度的增加，微元体与内肥料群表面摩擦力F1增加，由于内肥料群受到与F1大小相等方向相反的力，可为内肥料群提供绕轴线扰动和沿轴向的下推力，为内肥料群运动起到促进作用；α是影响贴壁肥料群与内肥料群运动的重要参数，其值过大或过小，均无法保证紧贴扰动杯内壁的颗粒化肥下移并为扰动杯内的肥料提供向下的摩擦力。

对于扰动杯内横切面半径为R的内肥料群，选取深度yh处微小肥料层dy为研究对象，设肥料层上端面垂直压应力为σ1，侧面压应力为σ2，内肥料群微元体受力如图3所示。

图3 内肥料群微元体受力分析图Fig.3 Force analysis of intermediate fertilizer group

假设内肥料群微元体以速度v向下运动，则该方向上的加速度为dv/dt，根据深仓压力理论[25-26]与微元体的受力分析，建立内肥料群微元体受力方程

(4)

式中A——内肥料群水平横截面面积，m2

C——肥料群水平横截面周长，m

m1——内肥料群微元体质量，kg

F′1——贴壁肥料群对内肥料群提供的摩擦力，N

F′2——微小肥料层上端面受到的肥料群压力，N

F′3——内肥料群微元体与贴壁肥料群表面摩擦力，N

F′4——微小肥料层下端面受到的支持力，N

F′5——微小肥料层侧面受到的压力，N

G′——内肥料群微元体重力，N

根据深仓压力理论知，深仓内微小肥料层dy的垂直压力与侧压力的比值为K，可得深度yh处微小肥料层dy的上端面垂直压应力σ1和侧面压应力σ2分别为

(5)

(6)

式中ρb——肥料重度，N/m3

由式(4)得

(7)

由式(5)～(7)可看出微小肥料层竖直方向加速度和贴壁肥料群微元体与内肥料群表面的摩擦力F1呈正相关，结合式(3)结论可知，当扰动杯角速度增加时，微小肥料层竖直方向加速度增大，随扰动杯角速度增加，内肥料群下移效果越好。通过上述分析可知，扰动杯内的螺旋叶片对颗粒化肥在排肥器内的运动具有积极作用，螺旋叶片的螺旋角α、角速度ω是影响肥料扰动、排肥稳定的重要参数，后期需进一步分析确定最佳参数。

2.2 颗粒化肥结拱堵塞与破拱防堵机理分析

颗粒化肥结拱是影响排肥稳定性的重要原因，结拱堵塞主要有两种形式，一种是在出肥口形成的半球形空洞，另一种是出肥口上方的肥料以漏斗流的方式排空形成空心管状抽芯式结拱，该两种成拱形式均是由于与管壁接触的肥料下移缓慢，同时肥料受到上端化肥的压实作用，导致管壁处的肥料滞固形成硬实的表层而滞留不动，随着排肥过程的持续，管壁处的肥料无法下移导致。

在螺旋扰动杯内，贴壁肥料群为内肥料群提供的摩擦力可分解为水平切向和竖直方向两部分，摩擦力的水平切向分力为内肥料群提供沿扰动杯轴线转动的力，摩擦力的竖直方向分力使肥料群下移。根据深仓压力理论，内肥料群与贴壁肥料群之间的竖直方向摩擦力为

(8)

式中ρb=8 292.60 N/m3，K=0.44，fa=0.5，yh=0.5 m。根据式(8)，取扰动杯内的颗粒化肥为研究对象，以杯内颗粒化肥所在位置到扰动杯轴线距离为半径，通过Excel软件处理可得不同半径R下颗粒化肥受到的摩擦力Fr抛物线方程为

Fr=7 549.8R2+69.282R-0.195 7

(9)

根据式(9)，以长度l表征内肥料群受到贴壁肥料群的摩擦力，以扰动杯轴线纵切面构建平面直角坐标系，扰动杯轴线为y轴，深度yh处水平位置为x轴，从x轴向y轴负方向以长度l为基准做不同半径对应的摩擦力，得到反映在扰动杯轴线纵切面的一条抛物线，如图4所示。

图4 扰动杯内颗粒化肥所受摩擦力分析Fig.4 Analysis of friction force on particle fertilizer in disturbed cup

由图4可知，扰动杯内的螺旋叶片可为紧贴管壁的肥料群施加沿管壁的水平方向和竖直向下的扰动作用，内肥料群中越靠近贴壁肥料群的肥料受到的摩擦力越大，在扰动杯轴线附近的肥料受到的摩擦力最小，该摩擦力可将肥料滞固形成的硬实肥料群扰动，肥料群由于失去紧贴管壁肥料的支撑，肥料破拱塌落下移，有效防止化肥结拱堵塞现象的发生，同时保证颗粒化肥持续稳定向下移动补充肥料，防止断条问题的出现。

2.3 锥盘与上壳体内化肥运动过程力学分析

根据小区播种机锥体格盘排种器分种机理设计的弧形锥体圆盘，可保证扰动杯内的颗粒化肥在弧形锥体圆盘锥顶与锥盘上端面的作用下均匀流畅进入肥室。颗粒化肥在扰动作用下进入弧形锥体圆盘上端锥顶，此时颗粒化肥受到盘面摩擦力最小，保证颗粒化肥顺利进入下端肥室，随着颗粒化肥下移，受到盘面的摩擦力逐渐变大，但排肥器表面光滑，摩擦力变化对颗粒化肥的下移运动影响较小，由于弧形锥体圆盘自身的转动，颗粒化肥受到的离心力远大于摩擦力，被迫向外缘移动，实现整个下移过程。将上壳体与螺旋扰动弧形锥体圆盘进行简化，仅保留上壳体与弧形锥体圆盘，选取上壳体与下壳体之间宽度为dw的下移肥料群微元体作为研究对象，其受力分析如图5所示。

图5 下移肥料群微元体受力分析Fig.5 Force analysis of fertilizer group moving down process

由式(1)知，弧形锥体圆盘上端面任意位置处的切线与水平面的夹角β可由弧形锥体圆盘母线方程求导得到，任意位置x1处的β为

(10)

式中x1——下移肥料群微元体下侧面中点到轴心的距离，m

根据微元体的受力分析和达朗贝尔原理，建立下移肥料群微元体受力方程

(11)

式中μ——上壳体与下移肥料群的摩擦因数

μ1——弧形锥体圆盘上端面与下移肥料群的摩擦因数

f——离心推板与下移肥料群的摩擦因数

R1——微元体重心到轴线的距离，m

L——上壳体与下壳体之间的距离，m

FN——离心推板对微元体的摩擦力，N

m2——下移肥料群微元体质量，kg

a1——离心加速度，m/s2

γ——离心推板径向偏角，(°)

Fc——微元体的惯性离心力，N

Fn——微元体上端肥料群压力，N

Fg——微元体重力，N

Fs——上壳体对微元体的压力，N

Ff——上壳体下端面与微元体的摩擦力，N

Ft——离心推板对下移肥料群微元体的支持力，N

Ff1——弧形锥体圆盘上端面与微元体的摩擦力，N

Fs1——弧形锥体圆盘上端面对微元体的支持力，N

Fn1——下端肥料群对微元体的支持力，N

由式(11)知肥料群下移的必要条件为

Fccosβ+Fn+Fgsinβ-Fn1-FN-Ff1-Ff≥0

(12)

颗粒化肥在弧形锥体圆盘与壳体间主要受离心力作用向排肥器外缘移动，因此弧形锥体圆盘上端面对微元体的支持力Fs1和弧形锥体圆盘上端面与微元体的摩擦力Ff1可忽略不计，下移肥料群微元体向弧形锥体圆盘边缘移动过程中，由于微元体外缘的颗粒化肥受到的离心力大于微元体受到的离心力，微元体外缘的颗粒化肥对微元体的作用力Fn1可忽略不计，由于排肥器各部件材质一样，因此肥料与排肥器之间的摩擦因数均设为f，整理得

(13)

由式(10)知，颗粒化肥从排肥器弧形锥体圆盘顶端沿弧面向外缘移动，在弧形锥体圆盘上端面任意位置切线与水平面的夹角β逐渐减小，结合式(13)可知，在相同排肥器弧形锥体圆盘转速下，靠近排肥器外缘的颗粒化肥比靠近扰动杯轴线的颗粒化肥先达到下移条件，可防止颗粒化肥在弧形锥体圆盘与壳体间堆积压实，保证颗粒化肥持续稳定顺利向外缘移动，该运动过程及肥料的扰动防堵保证了排肥器的排肥稳定性、流畅性。

3 扰动过程仿真分析

为验证螺旋锥体离心式排肥器的扰动防堵作用，开展有、无螺旋扰动杯的排肥器排肥过程仿真分析对比试验。

3.1 仿真模型构建

3.1.1排肥器模型

为了缩短仿真时间，将与颗粒化肥无接触的部件省去，采用SolidWorks软件进行排肥器建模，排肥器模型如图6所示，并将模型以.IGS格式文件导入EDEM软件。设置模型的泊松比为0.394，剪切模量为3.18×108Pa，密度为1 070 kg/m3。

图6 排肥器模型Fig.6 Model of fertilizer apparatus1.肥箱 2.上壳体 3.排肥管 4.弧形锥体圆盘

3.1.2颗粒化肥模型

随着颗粒化肥造粒技术的成熟，颗粒表面光滑圆润，不容易结块，合格率高，形状一般为球形或椭球形，可定义为球形散粒体。以常用史丹利复合肥理化特性参数为依据，设置直径为3.32 mm，密度为845.61 kg/m3，泊松比为0.25，剪切模量为1.1×108Pa，在EDEM软件中构建肥料颗粒体，模拟复合肥料形状。

3.1.3接触模型

由于颗粒化肥近似球形，颗粒表面没有粘附作用，所以选择Hertz-Mindlin无滑动接触模型[27]，仿真参数综合参考文献[3,6,17,28]确定，颗粒化肥与颗粒化肥之间的恢复系数、静摩擦因数、动摩擦因数分别为0.3、0.34、0.16，颗粒化肥与排肥器之间的恢复系数、静摩擦因数、动摩擦因数分别为0.2、0.18、0.01。设置EDEM颗粒工厂的生成速率为100 000粒/s，生成总量为50 000粒，弧形锥体圆盘设置为1 s时开始转动，以此保证在转动前生成的颗粒完全静止于肥箱内，设置固定时间步长为Rayleigh时间步长的20%，总时间为20 s[29]。

3.2 扰动防堵性能仿真试验分析

3.2.1排肥器内颗粒化肥扰动过程分析

通过前期试验，结合油菜直播施肥量要求，若播种机前进速度为3.5 km/h，此时排肥器转速应大于100 r/min，为直观观察排肥器内部肥料运动情况，两种排肥器弧形锥体圆盘转速均选取110 r/min，在EDEM软件中的Clipping组框中添加Clipping Planes(平面截断)，通过调整Plane Orientation和Distance from Center值确定平面截断位置，平面截断模型如图7所示(左侧有螺旋扰动杯，右侧无螺旋扰动杯，红色方框内为肥箱出肥口与排肥器连接处)。

图7 平面截断模型Fig.7 Clipping planes model

从图7可以看出，颗粒化肥在有螺旋扰动杯和没有螺旋扰动杯的排肥器内的运动速度存在明显差别。安装有螺旋扰动杯的排肥器内，位于扰动杯内的颗粒化肥呈蓝色，说明扰动杯为其提供了扰动作用，位于肥箱出肥口与排肥器连接处内的颗粒化肥为浅蓝色，说明螺旋扰动杯对其提供了卷携扰动作用，因为紧贴螺旋扰动杯内壁的颗粒化肥在螺旋叶片的作用下运动时，会卷携中间的颗粒化肥运动，并为位于螺旋扰动杯上端肥箱内的颗粒化肥提供动

能，可以有效防止化肥结拱，保证化肥顺利下移，说明螺旋扰动杯具有较好的扰动作用，同时随着颗粒化肥在离心力的作用下向排肥器外缘移动，颗粒化肥速度不断增加，保证了化肥的顺利离送；在没有螺旋扰动杯的排肥器内颗粒化肥为白色，说明颗粒化肥仅靠自身重力和上端肥料的压力缓慢向下移动，若肥箱出肥口形成半球形空洞，无法破拱，严重影响排肥稳定性。从上述分析可知，安装有螺旋扰动杯的排肥器具有很好的扰动防堵性能。

通过上述分析知，扰动杯带动紧贴扰动杯内壁的肥料运动，进而卷携肥箱出肥口与排肥器连接处的颗粒化肥运动，为后续高速摄像试验观察表层肥料运动提供了理论支撑。

3.2.2颗粒化肥水平方向速度分析

为更直观分析颗粒化肥在有、无螺旋扰动杯排肥器内的运动情况，选取位于肥箱出肥口与排肥器连接处内5颗化肥(颗粒化肥选取位置如图7中黑点所示，从左往右依次代表颗粒1至颗粒5，这5点可较好代表颗粒运动变化，且所选取的有螺旋扰动杯内的颗粒化肥所在初始位置与无螺旋扰动杯内的颗粒化肥位置保持相近或一致)，通过EDEM后处理软件分析其在排肥器内水平x方向速度变化，颗粒化肥在x方向速度随时间变化的曲线如图8所示。

图8 颗粒化肥水平方向速度变化曲线Fig.8 Velocity variation curves of granular fertilizer in x-axis direction

弧形锥体圆盘在0.5 s时开始转动，从图8可看出，有螺旋扰动杯的排肥器内颗粒化肥在1 s前速度较低，颗粒2、4在1.3 s时出现了水平x方向速度的波动，颗粒1、3、5在1.6 s时出现了水平x方向速度的波动，速度波动的最高点和最低点代表此时颗粒化肥在x方向的瞬时速度，此时颗粒化肥在扰动杯的作用下做沿扰动杯轴线向下的螺旋运动，颗粒2、4在1.5 s后水平x方向速度出现规律的大幅波动，颗粒1、3、5在1.8 s后水平x方向速度出现规律的大幅波动，说明此时颗粒化肥已进入肥室，并随转动半径的增加，线速度逐渐增加；没有螺旋扰动杯的排肥器内由于离心推板对颗粒化肥的带动，颗粒均在进入肥室前出现了短暂的速度波动，颗粒2、3、4在2 s时进入肥室，颗粒1、5在3 s时进入肥室。根据颗粒化肥在两排肥器内的速度变化可知，有螺旋扰动杯的排肥器内颗粒化肥在进入肥室前，出现了持续的速度波动，说明螺旋扰动杯为肥料提供了扰动作用，增加了肥料的流动性，可防止肥料滞固形成硬实的表层而出现堵塞，保证颗粒化肥持续稳定供给，避免出现断条现象；无螺旋扰动杯的排肥器由于缺少扰动作用，肥料流动性稍差，因此比有螺旋扰动杯的排肥器内颗粒化肥进入肥室内的时间稍长。

4 台架试验

4.1 试验材料与方法

排肥器架空结拱堵塞严重影响排肥稳定性，为分析排肥器螺旋扰动防堵作用及排肥性能，应用自制的排肥装置试验台开展有、无螺旋扰动杯排肥器排肥性能试验研究，试验所用肥料为史丹利复合肥，以同行排肥频率稳定性系数与排肥量稳定性变异系数为评价指标，所用肥料10 kg，收集8个排肥管内的颗粒化肥。

通过分析油菜直播施肥量要求，结合前期排肥器供肥速率，为适应不同施肥量要求，开展弧形锥体圆盘转速在80、90、100、110、120、130 r/min[27](转速利用速为SW6234C型激光测速仪测定；利用兆信30V5A的数显线性可调直流稳压电源RXN-3005D作为12 V电源，为弧形锥体圆盘驱动电机供电)同行排肥频率稳定性系数与排肥量稳定性变异系数对比试验研究，并利用高速摄像仪(Pco.dimaxHD，摄像方向为排种器斜下方)观察肥箱出肥口与排肥器连接处内颗粒化肥卷携运动状态，高速摄像试验装置如图9所示。

图9 高速摄像试验装置Fig.9 High-speed photography experiment device1.可调直流稳压电源 2.直流电机调速器 3.肥管 4.排肥器 5.肥箱 6.台架 7.高速摄像系统 8.补光灯

同行排肥频率稳定性系数为

(14)

式中N——试验次数

xi——每行排肥管第i次的排肥频率，g/s

若式(14)中xi为第i次60 s内总排肥量(g)，则排肥量稳定性变异系数为1-CV。

4.2 试验结果与分析

4.2.1颗粒化肥卷携运动分析

为分析螺旋扰动杯是否对颗粒化肥产生卷携扰动作用，在肥箱出肥口与排肥器连接处上端铺放了一层标记颜色的颗粒化肥，从左往右依次铺放红-蓝-红-蓝-红-蓝色颗粒化肥，并用竖线在图中分隔开，分成6个区域，如图10所示。a代表初始状态；b代表标记颜色的颗粒化肥运动到肥箱出肥口与排肥器连接处末端；c代表标记颜色的颗粒化肥通过肥箱出肥口与排肥器连接处末端。

图10 肥料运动状态Fig.10 Fertilizer state of motion

从图10a可以看出，在状态b时，区域H2内的蓝色颗粒化肥进入区域H3，且区域H3内完全布满区域H2内的蓝色颗粒化肥，区域H3内的红色颗粒化肥完全进入区域H4，区域H4内一半以上的蓝色颗粒化肥进入区域H5；随着排肥器继续运动，在状态c时，H2区域内的蓝色颗粒化肥进一步向右运动，且有部分蓝色颗粒进入区域H4。颗粒化肥存在向右下方的卷携运动，且运动过程流畅，无断层下落问题；根据图10b颗粒化肥位置变化可知，在状态b和状态c时，各区域内的颗粒化肥除区域N2内的极少蓝色肥料进入区域N3外，其余区域内颗粒化肥均未出现在其它区域，各区域颗粒化肥均做向下的竖直运动，不存在卷携运动，且在试验过程出现了颗粒化肥断续下落问题。根据上述颗粒化肥运动情况可知，有螺旋扰动杯的排肥器可为肥箱出肥口与排肥器连接处的颗粒化肥提供卷携扰动作用，该部位扰动作用是由螺旋扰动杯内的颗粒化肥运动卷携所致，可有效防止肥料架空结拱堵塞，提高排肥流畅性。

4.2.2排肥稳定性分析

同行排肥频率稳定性系数是衡量排肥器相同时间内同一排肥管排肥频率差异的指标；排肥量稳定性变异系数是衡量排肥器相同时间内排肥管排肥量差异的指标，两者均是排肥器排肥稳定性最直观的判断标准。

同行排肥频率稳定性分析结果如图11所示，图中蓝色和红色分别代表有螺旋扰动杯和无螺旋扰动杯的排肥器不同转速同行排肥频率稳性定系数，由内向外的等值线分别为90%、92%、94%、96%、98%、100%，数字1～8为排肥管编号。由图可知，当弧形锥体圆盘转速较低时，无螺旋扰动杯排肥器较有螺旋扰动杯排肥器同行排肥频率稳定性系数低，且各排肥管之间的排肥频率稳定性系数差异明显，有螺旋扰动杯排肥器同行排肥频率稳定性系数虽较低，但各排肥管之间的排肥频率稳定性系数相差不大，均在96%以上；随着弧形锥体圆盘转速增加，有、无螺旋扰动杯的排肥器同行排肥频率稳定性系数均有提高，且各排肥管之间的排肥频率稳定性系数差异减小，当弧形锥体圆盘转速达到130 r/min时，有、无螺旋扰动杯排肥器同行排肥频率稳定性系数相差最小，且各排肥管之间的排肥频率稳定性系数相差最小；弧形锥体圆盘从低速到高速，在相同转速时，有螺旋扰动杯排肥器均较无螺旋扰动杯排肥器同行排肥频率稳定性系数高，且各排肥管排肥频率稳定性系数相差不大。说明螺旋扰动杯对排肥器排肥稳定性具有积极作用，螺旋锥体离心式排肥器具有较高的排肥稳定性，对提高排肥质量和精度具有重要意义。

图11 同行排肥频率稳定性分析结果Fig.11 Analysis result of fertilizing frequency stability in the same row

图12 排肥量稳定性变异系数随转速的变化曲线Fig.12 Variation curves of variation coefficient of fertilizing amount stability with increase of rotate speed

排肥量稳定性变异系数随转速变化曲线如图12所示。由图12知，当弧形锥体圆盘转速相同时，有螺旋扰动杯排肥器比无螺旋扰动杯排肥器排肥量稳定性变异系数低，且两种排肥器排肥量稳定性变异系数随弧形锥体圆盘转速增加而减小；无螺旋扰动杯排肥器排肥量稳定性变异系数在5.11%～10.82%之间，有螺旋扰动杯排肥器排肥量稳定性变异系数在3.19%～5.57%之间，两者均满足施肥质量要求，但有螺旋扰动杯排肥器明显低于无螺旋扰动杯排肥器的排肥量稳定性变异系数。综上，说明螺旋扰动杯有助于排肥器稳定均匀排肥，对缩小各排肥管排量差异、提高排量稳定性具有重要作用。

5 结论

(1)通过对颗粒化肥在排肥器内运动学分析和颗粒化肥架空结拱堵塞形式分析，明确了颗粒化肥结拱机理，通过构建螺旋扰动杯内颗粒化肥所受摩擦力模型可知，贴壁肥料群可为内肥料群提供随半径变化竖直向下的摩擦力和与径向垂直的摩擦力，可有效解决管壁处因肥料滞固形成硬实的表层而造成的结拱堵塞问题。

(2)排肥器仿真试验表明，安装有螺旋扰动杯的排肥器内颗粒化肥为蓝色，说明螺旋扰动杯为颗粒化肥提供了卷携扰动作用；无螺旋扰动杯的排肥器内颗粒化肥为白色，说明颗粒化肥运动缓慢无扰动作用。由颗粒化肥在有、无螺旋扰动杯排肥器内的速度对比分析可知，有螺旋扰动杯排肥器比无螺旋扰动杯排肥器内的颗粒化肥进入肥室的时间短，且进入肥室前出现了持续0.5 s的速度波动，说明螺旋扰动杯对颗粒化肥的运动具有积极作用。

(3)高速摄像试验表明，有螺旋扰动杯的排肥器可为颗粒化肥提供卷携扰动作用，有效防止肥料架空结拱堵塞。台架试验表明，有螺旋扰动杯排肥器各排肥管之间的排肥频率稳定性系数在96%以上，且同行排肥频率稳定性系数随弧形锥体圆盘转速的增加而提高，排肥量稳定性变异系数不超过5.57%，具有较高的排肥均匀性和稳定性。