基于EDEM的双向螺旋式排肥器排肥性能分析_郭厚强.pdf

安徽科技学院学报，（）：收稿日期：基金项目：安徽省农业科学院科研团队项目（）。作者简介：郭厚强（），男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事现代农业装备研究。通信作者：李同杰，教授，：。基于 的双向螺旋式排肥器排肥性能分析郭厚强，张瑾，李同杰（安徽科技学院 机械工程学院，安徽 凤阳 ；安徽省农业科学院 农业工程研究所，安徽 合肥 ）摘要：目的：为促进化肥减量增效，设计一种用于水稻侧深施肥的双向螺旋式排肥器，并利用仿真分析验证其排肥性能。方法：依据螺旋输送机构设计原理对双向螺旋式排肥器进行设计，建立其 模型，仿真模拟排肥过程获得排肥试验数据，通过单因素方差分析不同排肥转速对排肥均匀性变异系数的影响，并分别对单圈排肥量和排肥量的理论值仿真、试验值比较分析，判断排肥性能。结果：在高速插秧机正常行进速度 下，排肥转速对排肥均匀性变异系数影响显著（），且排肥轴转速为 时，排肥均匀性变异系数稳定处于；单圈排肥量和排肥量的理论值、仿真试验值误差均在 以内。结论：设计的双向螺旋式排肥器结构合理、排肥均匀性良好，为双向螺旋式水稻侧深施肥机精准排肥提供参考。关键词：双向螺旋式排肥器；排肥性能；仿真设计；中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，：，：（），：，：；化肥大量施用不仅增加农业生产成本、浪费资源，严重的还会污染水土，造成土壤酸化板结等，因而化肥减量增效成为农业发展亟须解决的问题。水稻侧深施肥技术作为我国近年来主要推广的农业技术之一，对于保障粮食稳定安全生产有重要意义。为达到化肥节本增效的目的，要使用先进的农业机械进行化肥深施。水稻机插秧同步侧深施肥比常规撒施肥既能减少化肥用量，又能增产增效，具有肥料利用率高、作物高产稳产的显著特点。排肥器作为施肥机具的核心部件，可按照目标施肥量进行可控施肥。因此设计研究性能优异的排肥器意义重大。目前侧深施肥装置所用的排肥器主要有螺旋式、外槽轮式、气送式等类型，其中螺旋式排肥器有对肥料物理特性要求低、可解决颗粒状肥料因潮湿堵塞排肥管路、可方便调节排肥量等优势。本研究以排肥器中的双向螺旋式排肥器和肥料颗粒为研究对象，对双向螺旋式排肥器进行设计，在 中建立离散元模型，仿真分析双向螺旋式排肥器的排肥过程，并获取排肥性能数据，以验证其施肥性能。双向螺旋式排肥器结构设计、模型参数确定本研究对象是双向螺旋式排肥器和颗粒肥料，主要研究双向螺旋式排肥器作业时的排肥性能。首先对双向螺旋式排肥器的结构进行设计，并确定其模型参数，建立三维模型。双向螺旋式排肥器结构设计双向螺旋式排肥器主要由双向排肥螺旋轴、肥料箱、螺旋壳体、排肥口、挡片等组成，结构如图所示。其关键部件双向排肥螺旋轴在电机驱动下，与螺旋壳体共同作用，将肥料箱中的颗粒肥料输送到排肥器两端的排肥口处排出，实现单个排肥器同时施两行肥的排肥作业。双向排肥螺旋轴由一对旋向相反的单线螺旋组成，可调节单圈排肥量和转速以改变排肥量，结构如图所示。图双向螺旋式排肥器结构 注：为肥料箱；为螺旋壳体；为排肥口一；为排肥口二；为挡片；为双向排肥螺旋轴。图双向排肥螺旋轴的结构 注：为双向排肥螺旋轴外径；为双向排肥螺旋轴内径；为双向排肥螺旋螺距；为螺牙厚度；为螺牙深度。双向螺旋式排肥器模型参数确定双向排肥螺旋轴是双向螺旋式排肥器的关键部件，其单圈排肥量的大小是决定双向螺旋式排肥器排肥能力的重要指标，因此根据螺旋输送机构的工作原理对其进行设计。单圈排肥量理论值（）的计安徽科技学院学报 年算公式如下：（）（）其中，为螺旋外径，；为螺旋内径，；为螺距，；为螺牙厚度，；为螺牙深度，；为螺牙平均长度，；（）；为颗粒肥料容重，；为双向螺旋的填充系数。由式（）可知，双向螺旋式排肥轴的单圈排肥量与结构参数、和有关。为满足不同排肥量的要求，优选采用固定双向排肥螺旋轴单圈排肥量，通过电机调节控制双向排肥螺旋轴转速的方式，调节双向螺旋式排肥器的排肥量。本装置以个单体为一组搭载于井关 高速插秧机实现行施肥。根据施肥作业要求：插秧同步施肥作业效率 、施肥量 、宽幅、行进速度，设计双向螺旋式排肥器的双向排肥螺旋轴。根据式（）将双向排肥螺旋轴结构参数设定为外径、内径、螺距、螺牙厚度。其中排肥口角度设置为 。由于该排肥器水平放置，输送物料为颗粒肥料，物料的填充系数一般控制在 以下，因此双向螺旋式排肥器填充系数取值。根据式（）计算得双向排肥螺旋轴的最高转速为 ，则根据施肥量要求双向螺旋式排肥器单体的单圈排肥量应不低于。（）其中，为双向排肥螺旋轴转速，；为排肥螺旋轴的临界转速，；为物料综合特性系数，。肥料颗粒离散元模型建立与参数设定肥料颗粒离散元模型为获得颗粒肥料的仿真模型，从安徽辉隆集团五禾生态肥业有限公司生产的复合肥料（）中随机取 粒肥料，并测量三轴尺寸。根据等效直径计算公式（），可得颗粒等效直径为。（）其中，为等效直径，；为平均长度，；为平均宽度，；为平均厚度，。在 中创建半径为 肥料颗粒仿真模型（图），按正态分布生成（）的颗粒仿真模型。图肥料颗粒仿真模型 仿真参数设定根据离散元仿真要求，仿真前需确定相关参数，包括泊松比、密度、静摩擦系数、动摩擦系数等 。第 卷第期郭厚强，等：基于 的双向螺旋式排肥器排肥性能分析肥料颗粒无弹性、塑性变形，可视为刚性体，所以肥料颗粒与肥料颗粒、肥料颗粒与排肥器几何体之间的接触模型，选用 （）接触模型。本研究所使用的颗粒肥料（复合肥）、双向螺旋式排肥器材料（塑料）及各材料之间的物理特性参数 如表所示。表离散元仿真模型参数 物理特性参数数值接触特性参数数值肥料泊松比 肥料肥料碰撞恢复系数 肥料剪切模量 肥料肥料静摩擦系数 复合肥密度（）肥料肥料滚动摩擦系数 塑料泊松比 肥料 塑料碰撞恢复系数 塑料剪切模量 肥料 塑料静摩擦系数 塑料密度（）肥料 塑料滚动摩擦系数 试验指标获取方法网格划分方法为研究双向螺旋式排肥器在工作时的排肥性能，参照 中评价排肥均匀性试验方法，以相当于正常作业速度驱动机具通过测区并排肥，沿其前进方向按 长度连续等分不少于 段，分别收集掉落在各小段内的肥料并称量其质量，测量精度为，并采用网格划分的方法对该排肥器的排肥性能数据进行统计。网格划分时，对个排肥口的试验区进行网格划分以获得监控排肥质量的监控区。沿轴正方向对个排肥口的试验区按 长度连续取 个分段，使每个试验区划分出 个长 、宽 的网格作为监控区，分别统计每个监控区的各个网格中的肥料质量，排肥质量统计网格划分设置如图所示。图排肥质量统计网格划分设置 注：为排肥口一试验区；为排肥口二试验区；为双向螺旋式排肥器沿型集肥槽水平行进方向。排肥均匀性变异系数计算方法通过式（）（）统计每个监控区各统计网格中肥料颗粒的平均质量、标准差及排肥均匀性变异系数。以各统计网格之间的排肥均匀性变异系数作为评价指标，分析双向螺旋式排肥器的排肥性能，重复次试验。（）（）（）（）其中，为第个网格内肥料颗粒的总质量，；为每个监控区排肥质量统计网格数量，；为单安徽科技学院学报 年个试验区排肥质量统计网格内肥料颗粒的平均值，；为单次试验单个试验区中排肥量统计网格内肥料颗粒质量之间的标准差，；为单次试验单个试验区中排肥量统计网格内肥料颗粒质量之间的排肥均匀性变异系数，。各统计网格间的排肥均匀性变异系数越小，则排肥器的排肥均匀性越好，排肥性能就越好。单圈排肥量试验值测量方法单圈排肥量的大小是决定双向螺旋式排肥器排肥能力的重要指标，因此需在工作中对设计的双向螺旋式排肥器的单圈排肥量大小进行测量，单圈排肥量试验值（）可按照式（）计算：（）（）（）其中，为两监控区中排肥质量总量，；为排肥轴在试验监控区中转动圈数；为监控区长度，；为高速插秧机行进速度，；、分别表示单次试验的试验一区、试验二区中第个网格内肥料颗粒的总质量，；为双向螺旋排肥双向排肥螺旋轴转速，。排肥量计算方法双向螺旋式排肥器排肥量为单位时间内从个排肥口排出的肥料总质量。则双向螺旋式排肥器的排肥量理论值（）、试验值（），可分别根据公式（）（）计算：（）（）仿真试验与分析 软件仿真界面的试验参数设定在 中定义双向螺旋式排肥器水平沿正方、速度，沿正方向，双向排肥螺旋轴转速为 ，绕其轴线逆时针旋转。颗粒工厂中，肥料颗粒为动态生成，从开始沿轴负方向以初速度自由下落，每秒生成 颗，共计 颗肥料颗粒。设置个并列的 型集肥槽，以收集并观察颗粒肥料从排肥器中排出后的分布状况。长 、宽、高，在双向螺旋排肥器排肥口下方 处，并自动更新离散元仿真的值域。仿真模型运动参数设置如下：颗粒工厂肥料颗粒在内生成，方向沿负方向，速度设置为；双向排肥螺旋轴在 内旋转运动，绕轴逆时针旋转，转速设置为 ；双向螺旋式排肥器在 内沿正方向水平运动。在 模块中设置计算时间步长为 的 时间，总仿真时间为，每秒保存次数据；仿真网格设为倍的颗粒半径。仿真结束后，在 模块中设置如图所示的排肥质量统计网格，以统计监控区肥料颗粒质量。仿真过程双向螺旋式排肥器行进速度为，排肥轴转速为 ，仿真时间至第秒的仿真试验过程，如图所示。肥料颗粒由排肥口排至试验区，各个网格自动统计肥料颗粒总质量。仿真结果与分析仿真结果通过 软件获得仿真试验数据，分别统计每个试验监控区的 个统计网格中肥料颗粒质量。根据试验指标获取方法对排肥质量统计结果进行数据处理，如表所示。排肥转速对排肥均匀性的影响根据表数据，在不同排肥螺旋轴转速下，分别对双向螺旋式排第 卷第期郭厚强，等：基于 的双向螺旋式排肥器排肥性能分析肥器的排肥口一、排肥口二的排肥均匀性变异系数进行单因素方差分析，如表所示。图仿真试验过程示意图 注：为颗粒肥料；为双向螺旋式排肥器；为排肥口一试验区；为排肥口二试验区；为肥量监控区。表示双向螺旋式排肥器沿 型集肥槽水平行进方向。表双向螺旋式排肥器不同排肥转速下离散元仿真排肥结果 转速（）排肥量理论值排肥口一试验区平均值标准差变异系数排肥口二试验区平均值标准差变异系数单圈排肥量试验值排肥量试验值 根据表，可得如图所示的排肥转速与排肥均匀变异系数的关系图。由表、图可知，双向螺旋式排肥器行进速度为、双向螺旋排肥转速为 时，排肥均匀性变异系数为，符合施肥机械质量评价技术规范中移栽施肥机械排肥均匀性 的要求。由表可知，排肥口一、排肥口二的排肥均匀性变异系数值均小于，且，说明排肥转安徽科技学院学报 年速对排肥均匀性影响极为显著。表排肥均匀性变异系数单因素方差分析 排肥口来源平方和自由度均方差一模型 误差 总和 二模型 误差 总和 由图可知，双向螺旋式排肥器行进速度为、排肥转速为 时，个排肥口排肥均匀性变异系数稳定在。根据施肥质量评价标准，排肥均匀性变异系数越小，排肥均匀性越好。因此在排肥作业过程中，可优选的控制双向排肥螺旋轴转速为 ，使得该排肥器的排肥均匀性处于较优状态。单圈排肥量比较分析根据公式（）以及复合肥颗粒密度计算，双向螺旋式排肥器单圈排肥量理论值为 ，则单个排肥口单圈平均排肥量为，满足最低 的设计要求。根据公式（）及表，双向螺旋式排肥器单圈排肥量试验值平均值为 ，即单圈排肥量试验值平均值与理论值计算相差，说明设计的双向螺旋式排肥器模型结构合理，符合设计要求。排肥量比较分析根据表可知，在高速插秧机行进速度为、排肥转速为 时，排肥量理论值与试验值的误差在，说明双向螺旋式排肥器排肥量试验值与理论值误差较小。根据表，将排肥螺旋轴转速与排肥量试验值进行线性拟合，回归曲线如图所示。回归数学模型拟合度为，表明曲线拟合好，排肥转速与排肥量呈线性正相关关系，如式（）所示。.（）其中，为排肥量，；为双向螺旋排肥轴排肥转速，。图排肥转速对排肥均匀变异系数的影响 图排肥转速对排肥量的影响 结论采用离散元仿真技术对双向螺旋式排肥器排肥作业过程进行仿真分析，获得在高速插秧机正常行进、不同排肥转速下的该排肥器排肥质量数据，并进行数据处理分析以验证其排肥性能。结果表明，当高速插第 卷第期郭厚强，等：基于 的双向螺旋式排肥器排肥性能分析秧机正常行进且排肥转速为 时，排肥均匀性变异系数为，符合施肥质量评价标准，且在 排肥转速下，排肥均匀性变异系数稳定在，单圈排肥量的理