双通道倾斜撒肥叶片结构优化设计与离散元模拟：提升肥料分布均匀性与有效撒施宽度的机理研究

针对单通道直叶片撒肥机存在的作业脉动明显、低速撒施宽度窄、高速分布均匀性差等问题，研究人员设计了一种双通道倾斜撒肥叶片结构。基于离散元法(DEM)模拟，系统分析了叶片倾角(α)、叶片偏角(β)、转盘转速(ω)和机具前进速度(v')对肥料分布变异系数(Cv)和有效撒施宽度(B)的影响。最优参数组合(α=10°、β=14°、ω=350 rev min?1、v'=1.3 m s?1)下，Cv降低35.42%至15.17%，B提升28.57%至9 m。该研究为撒肥机关键部件创新设计提供了新思路，发表于《Biosystems Engineering》。

　　

在粮食增产需求与环境保护的双重压力下，肥料精准施用技术成为现代农业的核心课题。全球化学肥料年消耗量已突破3.18亿吨，但传统单通道直叶片撒肥机存在"高速撒不匀、低速撒不远"的行业痛点——当转盘转速超过300 rev min^?1时，肥料分布变异系数(Cv)骤增，而低速工况下有效撒施宽度(B)不足5米。这种矛盾严重制约了水稻等作物的追肥作业效率，还导致肥料浪费和面源污染。

针对这一难题，东北农业大学的科研团队创新设计了双通道倾斜撒肥叶片。该结构通过主副流道分流和14°倾角设计，使肥料颗粒在转盘径向形成"前覆盖后"的落点分布模式。研究采用离散元法(DEM)建立尿素颗粒(粒径2.00-4.75 mm)的运动学模型，通过三阶段动力学分析(加速段、分流段、抛撒段)，首次揭示了叶片内部流道结构对肥料空间分布的影响机制。

关键技术包括：1) EDEM软件构建的颗粒-叶片接触模型，考虑尿素颗粒的弹性模量(10 MPa)和滚动摩擦系数(0.3)；2) 基于农机前进速度(v')与转盘转速(ω)的耦合仿真，设置20组单因素试验；3) 采用横向撒布法测定地面肥料质量分布，计算Cv和B值。

【结构和工作原理】
双通道叶片由中部隔板将流道分为上下两部分，10°偏角设计使颗粒在离心力作用下形成时间差抛撒。DEM模拟显示，当ω=350 rev min^?1时，上流道颗粒初速度达12.3 m/s，比下流道快23.6%，这种速度梯度使落点形成互补分布。

【仿真验证】
与台架试验对比显示，Cv模拟误差仅2.1%，B值误差3.4%。关键发现：当β=14°时，颗粒在流道末端的横向速度分量达到最优比值1:1.7，确保落点呈"鱼鳞状"排列而非重叠堆积。

【讨论】
多维度分析表明，双通道结构通过三点改善均匀性：1) 分流设计降低颗粒碰撞概率，使质量流量波动降低41%；2) 倾斜流道产生科里奥利力补偿，抵消农机振动影响；3) 速度梯度分布使有效撒幅内单位面积落粒数差异从±25%降至±9%。

该研究证实DEM可精准预测颗粒群运动行为(误差<10%)，双通道叶片使撒肥均匀性达到国际领先水平(Cv<15%)。相比传统叶片，新结构在1.3 m/s作业速度下可实现9米有效幅宽，满足水稻垄作农艺要求。研究为撒肥部件创新提供了理论范式，其建立的颗粒动力学模型也可拓展至播种、施药等农业离散物料作业研究。