基于EDEM的有机肥撒施机抛撒性能试验研究

2022-06-21崔清亮张燕青侯华铭

农业工程 2022年3期

李浪，崔清亮，张燕青，侯华铭，熙鹏，郝程

(1.山西农业大学农业工程学院，山西晋中 030801； 2.山西农业大学食品科学与工程学院，山西晋中 030801)

0 引言

在我国，化肥的过度使用严重破坏了土壤质量，影响农作物产量和品质[1-3]。施用有机肥可以改善土壤质量，实现农业增产增收的需要[4-6]。但是，有机肥颗粒间的黏结力大、容易结块、流动性差致使其抛撒难度高。目前，有机肥的施用大多仍是人力劳作，均匀性差且效率低[7-8]。提高有机肥施用的配套机械水平是有机肥代替化肥过程中的必经之路[9]。

在农业机械化初期，国外学者就对有机肥撒施机进行了研究，国外有机肥撒施机的自动化程度较高[10-11]。卧式螺旋式有机肥撒施机首次在乌克兰农机展览会推出，法国库恩公司SL/SLC100系列侧式施肥机最大的特点是由双螺旋输送器输送有机肥，该机可处理的物料范围较为广泛[12-13]。国内对有机肥撒施机的研究起步较晚[14]。目前，国内对圆盘式有机肥撒施机、卧式有机肥撒施机、立式有机肥撒施机等抛撒均匀度和撒施幅宽影响因素进行了相关报道，大多以抛撒辊转速、螺旋叶片螺距、刮板速度及圆盘倾角等为影响因素，研究发现，以上因素对抛撒性能有显著影响[15-17]。断续螺旋相较于传统螺旋，对有机肥的破碎能力明显增强，且方便更换。但检索范围内，以断续螺旋式抛撒辊为关键部件的卧式有机肥撒施机的设计及其抛撒性能的研究未见报道。

本研究拟建立以断续螺旋式抛撒辊为关键部件的卧式有机肥撒施机抛撒过程运动学模型，分析抛撒均匀度的主要影响因素。采用SolidWorks建立有机肥和卧式有机肥撒施机的三维模型，采用EDEM软件以输肥速比、抛撒辊转速、螺旋叶片螺距为试验因素，以抛撒均匀度为指标进行响应面设计试验，优化撒施机工作参数，并进行仿真与田间验证试验，以期为有机肥撒施机关键部件的优化设计及整机性能提升提供参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构与主要技术参数

卧式有机肥撒施机由牵引架、支撑架、肥箱、输送装置、断续螺旋抛撒装置、动力传动装置、地轮等组成，整机结构如图1所示。卧式有机肥撒施机主要技术参数如表1所示。传统的断续螺旋只能将有机肥抛撒到其中一侧，所以将断续螺旋设计为左旋和右旋相结合以达到更好的抛撒效果。

1.2 工作原理

工作时，将有机肥均匀地填满肥料箱，拖拉机液压装置通过液压马达驱动链板式输送装置将肥料箱中的有机肥输送至肥料箱后方抛撒辊处，拖拉机液压装置通过液压马达驱动肥量调节板升到一定高度，拖拉机动力输出轴通过传动轴、锥齿轮和链传动带动断续抛撒装置高速旋转，将有机肥破碎并均匀抛撒至田间。

1.挂接装置 2.支撑架 3.链轮张紧装置 4.输送链 5.地轮 6.肥料箱 7.肥量调节板 8.断续螺旋抛撒装置 9后置挡肥板图1 卧式有机肥撒施机结构Fig.1 Structure of horizontal organic fertilizer spreader

表1 卧式有机肥撒施机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of spreader

1.3 有机肥颗粒运动力学分析

卧式有机肥撒施机工作时，链板式输送装置将有机肥颗粒输送至抛撒辊处，有机肥颗粒被高速旋转的螺旋叶片击打。假设有机肥颗粒为球状，有机肥颗粒所受力如图2所示[18]。

卧式有机肥撒施机在工作时，有机肥颗粒会受到重力G、螺旋叶片的支撑力FN、与螺旋叶片之间的摩擦力Ff、科里奥利力FC、离心力F1(F离心)、空气阻力F2(F空气)。

1.螺旋轴 2.螺旋叶片 3.有机肥颗粒图2 有机肥在螺旋叶片上的力学分析Fig.2 Mechanical analysis of particles on blade

(1)

F=Fc+FNfcosα+FNsinα-F1cosβ-F2sinθ

(2)

FNcosα+F1sinβ=F2cosθ+G+FNfsinα

(3)

(4)

(fcosα+sinα)-F1cosβ-F2sinθ

(5)

(6)

(7)

v2=v02+(ωR)2

(8)

(9)

f——摩擦系数

α——科里奥利力与摩擦力间的夹角，(°)

β——科里奥利力与离心力间的夹角，(°)

θ——空气阻力与重力间的夹角，(°)

ω——角速度，rad/s

v0——有机肥颗粒初速度，m/s

a——加速度，m/s2

C——空气阻力系数

ρ——空气密度，kg/m3

s——有机肥颗粒迎风面积，m2

m——有机肥颗粒质量，kg

v——有机肥颗粒的绝对速度，m/s

R——螺旋叶片半径，m

式(1)为有机肥颗粒所受合力；式(2)为有机肥颗粒在水平方向上所受力；式(3)为有机肥颗粒在径向方向上所受力；式(4)～式(7)为有机肥颗粒的加速度；式(8)为有机肥颗粒的绝对速度；式(9)为有机肥颗粒运动的微分方程。

由有机肥颗粒运动的微分方程式(9)可知，影响有机肥颗粒运动的主要因素为作业速度、刮板输肥速度、抛撒辊转速及螺旋叶片螺距。

2 基于EDEM的仿真试验

2.1 试验设计

通过抛撒过程中的运动模型可知，影响抛撒均匀度的因素为作业速度、刮板输肥速度、抛撒辊转速及螺旋叶片螺距。

因作业速度和刮板输肥速度需要进行匹配，选择输肥速比作为试验因素之一，按GB/T 25401—2010《农业机械厩肥撒施机环保要求和试验方法》要求，作业速度范围为0.28～1.67 m/s，刮板输肥速度范围0.02～0.08 m/s，故输肥速比范围为-21～-14，设置仿真参数对该因素进行调节；抛撒辊转速选取400～600 r/min；螺旋叶片螺距选取285～380 mm；抛撒辊转速和螺旋叶片螺距通过三维建模的参数进行调节[19-20]。采用响应面设计方法进行试验，试验因素编码如表2所示。

表2 试验因素编码Tab.2 Coding of test factors

抛撒均匀度是卧式有机肥撒施机作业的重要指标，对于离散颗粒，变异系数可以反映颗粒抛撒均匀性[18]。变异系数按式(10)～(12)进行计算。

(10)

(11)

(12)

式中CV——变异系数，%

S——标准差

X——横向施肥平均施肥量，kg

Xi——肥料收集箱中的肥料量，kg

n——肥料收集箱数量

S0——公顷面积，m2

B——抛撒幅宽，m

v——拖拉机速度，m/s

t——抛撒所需时间，s/hm2

2.2 试验方法

离散元法是一种用来处理不连续性介质问题的计算机数值模拟方法[21]。其中，EDEM是被经常用到的离散元分析软件。有机肥撒施机抛撒的有机肥为离散颗粒，因而用EDEM对有机肥撒施机进行仿真模拟。

2.2.1 EDEM仿真前处理

(1)设置接触模型。EDEM仿真模拟的目的是探究有机肥的抛撒均匀度，需设置有机肥颗粒与抛撒机械几何体的接触模型和有机肥颗粒间的接触模型。颗粒与几何体的接触模型选择Hertz-Mindlin(no slip)接触模型。基于有机肥颗粒之间的黏性，选择Hertz-Mindlin with JKR接触模型，JKR表面能表示颗粒的黏附性能，设置JKR的表面能为0.075 J/m2[22]。

(2)设定颗粒特性。在本次EDEM仿真模拟中，将有机肥近似看作半径为10 mm的球形，可直接在Share Library模块中选择单球形状，如图3所示。有机肥撒施机三维模型材质为钢。颗粒模型的力学参数如表3和表4所示。

图3 颗粒模型Fig.3 Particle model

表3 材料属性参数Tab.3 Material property parameters

表4 材料接触参数Tab.4 Material contact parameters

(3)设置几何体参数。运用EDEM仿真时，需要对整个有机肥撒施机进行简化，用SolidWorks对撒施机的肥箱、抛撒装置等建立三维模型，将三维模型另存为step格式导入EDEM中，仿真三维模型如图4所示。在仿真中，设定肥箱相对于地面是静止的，所以设置相对刮板输肥速度为作业速度和绝对刮板输肥速度之和。输肥速比为-17.5，仿真中刮板输肥速度为0.925 m/s，方向指向抛撒辊；抛撒辊转速为500 r/min；肥量调节板的速度为1 m/s，方向与重力方向相反。

1.刮板 2.肥箱 3.载肥板 4.肥量调节板 5.后置挡肥板6.断续螺旋抛撒装置 7.接肥板图4 仿真三维模型Fig.4 Simulation 3D model

(4)创建颗粒工厂。颗粒从肥箱上方进入肥箱，建立polygon型式颗粒工厂，将颗粒工厂设置为虚拟，颗粒尺寸按正态分布方式产生，将参数Mean设置为1，即正态分布的有机肥颗粒的平均粒径2 mm，标准差Std Dev设置为0.1 mm，Capped设置生成颗粒的尺寸极限，最小为平均值的0.8倍，最大为平均值的1.3倍[23]。调整颗粒工厂的位置，使其置于肥箱的正上方，颗粒工厂类型为动态。颗粒在重力方向的加速度设置为9.81 m/s2，为了加快仿真时间，初速度设置为2 m/s。

(5)设置网格。网格大小设置为20R，共生成32 640个网格，仿真总时间为14 s，步长间隔为0.01 s。

2.2.2 EDEM后处理

仿真结束后，在Setup Selections模块中选择增加Grid Bin Group，划分500 mm×500 mm的方格，用于收集肥料，进行横向变异系数的观察计算，如图5所示。

图5 肥料收集方格Fig.5 Fertilizer collection grid

3 试验结果

3.1 试验方案与结果

试验方案与结果如表5所示。

表5 试验方案与结果Tab.5 Test scheme and results

3.2 试验结果分析

横向变异系数的方差分析如表6所示，因素影响的主次顺序为X3>X2>X22>X32>X1>X12>X1X3>X2X3>X1X2，其中X3、X2影响极显著(P<0.01)；X22、X32、X1影响显著(0.01≤P<0.05)；X12影响较显著(0.05≤P<0.1)；其余因素对变异系数的影响均不显著(P≥0.05)。失拟差的P值为2.54，不显著(P>0.05)，试验设计方案合理。获得的响应面方程如式(13)所示。

R=14.63-0.44X1-0.71X2

-1.00X3-0.075X1X2+0.30X1X3

+0.100X2X3+0.32X12+0.55X22+0.54X32

(13)

表6 横向变异系数方差分析Tab.6 Variance analysis of lateral variation coefficient

3.3 响应曲面分析

通过方差分析表可知，输肥速比X1、抛撒辊转速X2、螺旋叶片螺距X3对横向变异系数均有显著影响，但3个因素之间的交互作用存在不显著项，利用Design-Expert 8.0.5软件得出输肥速比X1、抛撒辊转速X2、螺旋叶片螺距X3的显著交互作用对横向变异系数的响应曲面。

对于横向变异系数，当输肥速比为-17.5时，抛撒辊转速与螺旋叶片螺距的交互作用如图6所示。当抛撒辊转速一定，横向变异系数随螺旋叶片螺距的增大呈先减小再增大的趋势，由响应曲面可知，当螺旋叶片螺距为368.33 mm时，横向变异系数达到最低，为13.99%；当螺旋叶片螺距一定，横向变异系数随抛撒辊转速的增大呈先减少再增大的趋势，由响应曲面可知，转速为553.48 r/min时，横向变异系数达到最低，为13.99%。当抛撒辊转速为544.79～571.14 r/min时，螺旋叶片螺距为367.28～378.55mm时，横向变异系数数值稳定于14%左右。

图6 横向变异系数的双因素响应曲面Fig.6 Two-factor response surface for transverse coefficient of variation

3.4 参数优化

为得到最小横向变异系数，利用Design-Expert 8.0.5软件中的Optimization功能得到最优抛撒参数组合：输肥速比为-16.42、抛撒辊转速为557.90 r/min和螺旋叶片螺距为365.40 mm组合下进行验证试验，试验结果如表7所示。

表7 EDEM试验结果与验证试验结果Tab.7 EDEM test results and verification test results

由表7可知，EDEM试验中的抛撒均匀度横向变异系数为14%，与预测值的误差不超过5%，表明该模型可用于预测横向变异系数。

4 验证试验

2021年5月22日在山西农业大学农学院试验田进行田间试验验证，地表平整，试验田为矩形，适宜进行抛撒作业，用记号笔将整个试验田分为若干个0.5 m×0.5 m的正方形采样区，以便抛撒完成后进行称量计算，试验当天晴朗无风，试验材料为发酵后的有机肥。综合考虑装置的稳定性、安全性及加工的难易程度等，对仿真优化参数进行取整，确定作业速度为3 km/h，刮板输肥速度为0.05 m/s，抛撒辊转速为560 r/min，螺旋叶片螺距为360 mm进行试验，试验过程如图7所示。