离心式精准施肥装置的运动特性数值分析与性能测试研究

为解决传统条施施肥方式肥料用量大、分布不均等问题，西北农林科技大学团队设计了一种新型离心式精准点施施肥装置。通过离散元法(DEM)模拟揭示了分配器结构与肥料的相互作用机制，优化后装置在5 km·h?1作业速度下实现4 g/点精准施肥，较槽轮式装置节肥61.8%，为可持续农业提供了理论支持与技术方案。

　　

在全球耕地资源紧张与环境污染加剧的背景下，传统条施施肥方式暴露出的高耗肥、低效率问题日益突出。据统计，过量施肥导致我国部分地区土壤板结率上升37%，而现有点施设备普遍存在结构复杂、能耗高等技术瓶颈。如何通过机械创新实现"减量增效"的精准施肥，成为农业工程领域亟待突破的难题。

西北农林科技大学机械与电子工程学院的研究团队在《Biosystems Engineering》发表的最新研究中，提出了一种革命性的离心式精准施肥装置设计方案。该研究创新性地利用离心力场实现肥料的填充-运移-抛洒全过程控制，通过离散元法(DEM)数值模拟与台架试验相结合的方式，系统解析了肥料颗粒与分配器结构的动态相互作用机制。

研究主要采用离散元数值仿真技术对比三种分配器结构（斜线型、曲线型、折叠型）的作业效果，通过高速摄影捕捉肥料颗粒运动轨迹，建立转速-填充量数学模型。田间验证试验设置5 km·h^?1至7 km·h^?1速度梯度，采用称重法测定单点施肥量变异系数，最终构建了完整的性能评价体系。

【结构和工作原理】
装置核心采用旋转式分配盘设计，斜线型分配器在78 r·min^?1转速下展现最优性能。理论计算表明，离心加速度达到1.2g时可实现98%的填充效率，较传统槽轮结构降低32%的机械阻力。

【模拟对比实验】
DEM仿真显示斜线型分配器使肥料颗粒的运移轨迹更集中，抛洒离散度较曲线型降低41%。在7.5 g/点设定下，其质量变异系数稳定在3.5%以内，满足玉米播种的农艺要求。

【讨论】
斜线型分配器的45°倾角设计形成"阶梯式"填充效应，有效避免肥料颗粒的架桥现象。对比试验证实，该装置在相同施肥面积下较槽轮式节肥61.8%，且施肥条带长度控制在9.5±0.5 cm范围内。

该研究首次建立了离心式施肥装置的"力-运动-性能"关联模型，为精准农业装备研发提供了新范式。装置简化了传统点施设备的传动系统，将作业能耗降低至0.15 kW·h/亩。田间试验数据显示，其单点施肥量变异系数（3.5%）优于国际同类设备PUDAMA系统（4.8%），为可持续农业发展提供了兼具经济性与可靠性的技术解决方案。