付 靜，張富貴，曾以明，秦芝乾，張 周

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴州山地智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司，貴陽(yáng) 550025)

0 引言

有機(jī)肥是指含有有機(jī)物質(zhì)，主要來(lái)源于秸稈、家禽糞便和酒糟等農(nóng)業(yè)廢棄物的一類肥料[1]。宇萬(wàn)太[2]等人、葉協(xié)峰[3]等人針對(duì)有機(jī)肥對(duì)土壤肥力的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明：適量有機(jī)肥對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)有明顯作用，對(duì)辣椒等經(jīng)濟(jì)作物增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)有很好的效果；但過(guò)量有機(jī)肥會(huì)導(dǎo)致肥料利用率降低，地表徑流農(nóng)用磷流失增加、水體富營(yíng)養(yǎng)化加快。因此，合理的利用有機(jī)肥對(duì)經(jīng)濟(jì)作物增產(chǎn)及抑制環(huán)境污染有很重要的影響[4]。

有機(jī)肥存儲(chǔ)時(shí)含水率易超過(guò)20%，高含水率的有機(jī)肥在施肥機(jī)排肥的過(guò)程中易粘連結(jié)塊，導(dǎo)致有機(jī)肥附著在施肥機(jī)肥箱內(nèi)，施肥不均勻，使用效率降低。比較發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)對(duì)施肥機(jī)具的研發(fā)還相對(duì)落后[5]。合理的施肥機(jī)具可減少有機(jī)肥的不當(dāng)使用對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成的農(nóng)業(yè)污染，更適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求[6]。

針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)不同含水率有機(jī)肥進(jìn)行離散元仿真，探究其對(duì)施肥均勻性的影響規(guī)律，并進(jìn)行田間試驗(yàn)，以期為雙料箱施肥機(jī)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供參考。

1 仿真模型

本文仿真的施肥機(jī)模型結(jié)構(gòu)為前期研制的雙料箱施肥機(jī)，如圖1所示。

1.傳送帶張緊裝置 2.攪刀軸 3.軸承座 4.有機(jī)肥排肥開(kāi)口度調(diào)節(jié)板 5.肥箱觀察玻璃窗 6.肥箱 7.排肥裝置支撐板 8.復(fù)合肥工作長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器 9.外槽輪排肥器 10.傳送帶 11.復(fù)合肥料箱 12.復(fù)合肥排肥口 13.有機(jī)肥料箱 14.攪刀 15.有機(jī)肥排肥開(kāi)口度調(diào)節(jié)桿 16.料箱隔板

肥箱由有機(jī)肥料箱和復(fù)合肥料箱組成，排肥器由外槽輪排肥器和攪刀-皮帶傳送式排肥器構(gòu)成，在有機(jī)肥料箱內(nèi)部設(shè)有攪刀。各料箱設(shè)置透明觀察窗，以便于觀察施肥機(jī)在工作時(shí)料箱內(nèi)肥料容積情況。當(dāng)施肥機(jī)開(kāi)始施肥時(shí)，有機(jī)肥料箱內(nèi)部的攪刀開(kāi)始攪拌肥料，使潮解結(jié)塊肥料粉碎，并協(xié)助皮帶輸送器開(kāi)始輸送有機(jī)肥。在排肥開(kāi)口處設(shè)有可調(diào)節(jié)施肥開(kāi)口高度的調(diào)節(jié)板，主要控制施肥流量。復(fù)合肥采用外槽輪排肥器排肥，肥料填充在排肥槽內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)排肥工作長(zhǎng)度控制施肥流量。

為縮短仿真時(shí)間，直觀分析仿真情況，仿真時(shí)將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，如圖2所示。

圖2 EDEM中的仿真模型

2 有機(jī)肥物理性質(zhì)測(cè)定

對(duì)同一種有機(jī)肥在7種不同濕度情況下的物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，內(nèi)容主要包括肥料含水率、容積密度、休止角。有機(jī)肥的物理性質(zhì)決定了其力學(xué)特性[7]，可為雙料箱施肥機(jī)排肥機(jī)構(gòu)的排肥性能分析提供仿真參數(shù)，測(cè)定結(jié)果如表1所示。

2.1 有機(jī)肥含水率

有機(jī)肥在不同含水率下其力學(xué)特性不一樣，排肥特性也就不一樣，有必要對(duì)有機(jī)肥在不同濕度狀態(tài)下含水率進(jìn)行測(cè)量。

2.2 有機(jī)肥容積密度

容積密度與肥料的摩擦特性、流動(dòng)特性密切相關(guān)。有機(jī)肥顆粒粒徑很小，呈松散狀態(tài)，吸水能力較強(qiáng)，不同含水率下的有機(jī)肥密度也不一樣。為縮短后期離散元仿真時(shí)間，需要將多個(gè)單個(gè)顆粒有機(jī)肥看作1個(gè)顆粒進(jìn)行仿真，所以需要測(cè)量肥料的容積密度。容積密度是指單位體積(包括肥料間的空隙)肥料的質(zhì)量[8]。通過(guò)測(cè)量得知，不同含水率有機(jī)肥的容積密度隨著含水率的增加而增大。

2.3 有機(jī)肥休止角

休止角與肥料內(nèi)部的摩擦特性有關(guān)，在設(shè)計(jì)料箱壁時(shí)內(nèi)部壁面傾角應(yīng)大于肥料休止角[9-10]，同時(shí)為有機(jī)肥力學(xué)特性參數(shù)標(biāo)定提供了參數(shù)[11]。通過(guò)試驗(yàn)得知，不同含水率有機(jī)肥隨著含水率增加休止角增大。

表1 有機(jī)肥物理性質(zhì)

3 仿真分析

3.1 有機(jī)肥參數(shù)標(biāo)定

在不同含水率下，有機(jī)肥容積密度、休止角不同，顆粒之間的流動(dòng)性、摩擦特性等也會(huì)不一樣，即不同含水率的有機(jī)肥物理力學(xué)特性不一樣。為研究不同含水率有機(jī)肥排肥性能，需要確定有機(jī)肥的JKR表面能、碰撞恢復(fù)系數(shù)和靜動(dòng)摩擦因數(shù)，為后期離散元分析提供數(shù)據(jù)。有機(jī)肥為粉沫狀，顆粒之間有粘結(jié)性，顆粒與顆粒之間存在能量鍵，表面力用JKR表面能表示；而顆粒經(jīng)過(guò)縮放后，內(nèi)部的接觸參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，需要結(jié)合不同含水率有機(jī)肥休止角的測(cè)試結(jié)果運(yùn)用離散元分析軟件EDEM軟件進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。通過(guò)三維軟件UG對(duì)標(biāo)定模型進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入EDEM仿真軟件中，如圖3所示。

模型包括圓柱透明肥料容納器和地面。該虛擬標(biāo)定通過(guò)不斷地修正參數(shù)，使仿真的休止角與試驗(yàn)的休止角一致。修正的參數(shù)主要包括顆粒與顆粒之間的接觸參數(shù)和接觸模型參數(shù)，標(biāo)定結(jié)果參數(shù)如表2所示。

表2 不同性能有機(jī)肥接觸參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 參數(shù)設(shè)置

EDEM仿真涉及參數(shù)包括材料物理屬性參數(shù)、材料之間的接觸參數(shù)和接觸模型參數(shù)[12]。

以排肥口肥料流量率、排肥的波動(dòng)性為指標(biāo)，對(duì)施肥機(jī)施用不同含水率有機(jī)肥的排肥過(guò)程狀態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)上述的仿真參數(shù)設(shè)置，還需設(shè)置機(jī)械機(jī)構(gòu)適合的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)間為1.2s，設(shè)置皮帶為Moving Plane的接觸模型，皮帶傳送速度為0.37m/s、有機(jī)肥開(kāi)口度為10mm，攪刀轉(zhuǎn)速為3r/s(180r/min)。仿真計(jì)算公式選用歐拉公式，總仿真時(shí)間8s。據(jù)相關(guān)資料[13]，Rayleigh時(shí)間一般為20%～40%，取25%；一般情況下，網(wǎng)格劃分為最小粒徑的2倍，為使仿真能順利進(jìn)行，需要使網(wǎng)格數(shù)小于102萬(wàn)個(gè)，因此將網(wǎng)格劃分為最小粒徑的3.8倍，得到總計(jì)算網(wǎng)格為804 815個(gè)，如圖4所示。

材料本征參數(shù)有顆粒密度、泊松比和剪切模量，一般通過(guò)做實(shí)驗(yàn)和查找文獻(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)獲取[14]。有機(jī)肥主要由酒糟、粉碎的秸稈和油餅發(fā)酵而成，根據(jù)廠家提供的相關(guān)數(shù)據(jù)和物理性質(zhì)測(cè)定得到有機(jī)肥本征參數(shù)。施肥機(jī)裝置材料選用45#鋼，傳送皮帶材料為PVC類型。查閱相關(guān)文獻(xiàn)得到有機(jī)肥接觸材料的本征參數(shù)，如表3所示。

圖4 動(dòng)態(tài)模擬參數(shù)設(shè)置

材料泊松比剪切模量/Pa密度/Kg·m-3有機(jī)肥0.301.00e+08739.51皮帶0.451.00e+061300.0045#鋼0.501.77e+081180.00

有機(jī)肥參數(shù)為出廠狀態(tài)下的本征參數(shù)。

有機(jī)肥顆粒與機(jī)械結(jié)構(gòu)之間選用Herta-MinDlin(No slip)接觸模型，有機(jī)肥顆粒與顆粒之間選用Herta-MinDlin with JKR cohesion接觸模型[15]，通常用能量密度來(lái)表征顆粒之間的接觸粘性。根據(jù)肥料物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果結(jié)合查閱文獻(xiàn)資料[4]得到接觸接觸參數(shù)，如表4所示。

表4 材料基本接觸參數(shù)

3.2.2 仿真結(jié)果

不同含水率有機(jī)肥排肥性能仿真情況如圖5所示。選用顆粒速率來(lái)表征顆粒狀態(tài)，為方便觀察顆粒流動(dòng)及排肥口排肥情況，截取傳送皮帶底面仿真圖分析。顆粒主要是由皮帶傳送排出，傳送皮帶底面仿真圖可直觀看到顆粒流動(dòng)速度情況和排肥口流率情況。由圖5可知：當(dāng)含水率為2.43%、5.34%、9.45%、13.35%時(shí)，隨著有機(jī)肥含水率增大，排肥口肥料分布分散；含水率越大，肥料在皮帶上運(yùn)動(dòng)面積越小，相對(duì)移動(dòng)速度也隨之變小。當(dāng)含水率在16.61%、19.50%、23.70%時(shí)，排肥口幾乎不排肥，此時(shí)顆粒的運(yùn)動(dòng)主要分布在攪刀附近，傳送皮帶上的肥力幾乎近似靜止；同時(shí)，肥料也出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，使之整體與皮帶之間打滑，肥料整體在攪刀的作用下移動(dòng)，堆積在排肥口處而不排肥。

圖5 不同含水率有機(jī)肥仿真圖

通過(guò)EDEM后處理模塊，在仿真機(jī)械模型有機(jī)肥排肥口添加傳感器網(wǎng)格。該傳感器間隔0.1s分析記錄排肥口肥料質(zhì)量，得到不同有機(jī)肥排肥口的質(zhì)量流率，如圖6所示。由圖6可以看出：當(dāng)含水率為2.43%、5.34%、9.45%、13.35%時(shí)，隨著有機(jī)肥含水率的增大，排肥口排肥量越來(lái)越少，肥料的傳送速度有波動(dòng)，但波動(dòng)幅度不大；當(dāng)含水率為16.61%、19.50%、23.70%時(shí)，排肥口排肥量為0。

圖6 不同性能有機(jī)肥排肥口質(zhì)量流率

通過(guò)EDEM后處理模塊，在機(jī)械模型有機(jī)肥填充區(qū)域添加傳感器網(wǎng)格，主要跟蹤記錄并分析料箱內(nèi)有機(jī)肥質(zhì)量和數(shù)量的變化，得到不同有機(jī)肥在仿真時(shí)間8s內(nèi)的排肥量變化趨勢(shì)，如圖7所示。

圖7 不同性能有機(jī)肥排肥口單位時(shí)間排肥量

由圖7可以看出：隨著有機(jī)肥含水率的增大，排肥量減少；當(dāng)有機(jī)肥到達(dá)含水率16.61%以后，有機(jī)肥排肥口不排肥；當(dāng)有機(jī)肥含水率為2.43%、5.34%、9.45%、13.35%時(shí)，排肥量逐漸降低。單位時(shí)間排肥量如表5所示。

表5 不同含水率有機(jī)肥仿真施肥量

4 田間試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)方法

2018年1月2日，在畢節(jié)市威寧縣黑石科技園進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖8所示。

圖8 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)地?zé)o茬平坦已整地的耕地面，土壤全耕層含水率22.5%，測(cè)試面積約為2 000m2。采用雷沃804拖拉機(jī)懸掛一壟雙行雙料箱施肥機(jī)，分析團(tuán)隊(duì)研制的雙料箱施肥機(jī)在施用不同濕度有機(jī)肥時(shí)的排肥情況，并與仿真結(jié)果做對(duì)比分析。

選取7份與物理性質(zhì)測(cè)試含水率相同的有機(jī)肥，每種含水率有機(jī)肥試驗(yàn)3次，每次試驗(yàn)將排肥管口堵住，結(jié)束后用收納袋收集并編號(hào)稱重。測(cè)試長(zhǎng)度為40m，在每一次試驗(yàn)時(shí)用秒表記下施肥時(shí)間，以便后期計(jì)算單位時(shí)間施肥量。施肥機(jī)具試驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)一致：設(shè)置皮帶傳送速度為0.37m/s，有機(jī)肥開(kāi)口度為10mm，攪刀轉(zhuǎn)速為3r/s(180r/min)。皮帶傳動(dòng)主要是靠地輪，根據(jù)傳動(dòng)比，使拖拉機(jī)前進(jìn)速度為0.5m/s、地輪直徑500mm時(shí)滿足皮帶傳送速度。

4.2 結(jié)果

試驗(yàn)田間試驗(yàn)表明：有機(jī)肥隨著含水率的不斷增大，施肥量越來(lái)越少。當(dāng)有機(jī)肥含水率為16.61%時(shí)，施肥量變化幅度增大，排肥量幾乎為0。試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果基本一致，如圖9所示。有機(jī)肥在不同含水率下單位時(shí)間施肥量如表6所示。

圖9 不同性能有機(jī)肥試驗(yàn)結(jié)果與仿真對(duì)比圖

表6 不同含水率有機(jī)肥試驗(yàn)施肥量

Table 6 The fertilization rate of organic fertilizer with different water content was tested

含水率/%施肥量/g·s-12.4352.165.3446.099.4536.6713.3527.2316.612.2519.501.8123.700.27

由表6可以看出：當(dāng)有機(jī)肥含水率為2.43%、5.34%、9.45%、13.35%時(shí)，有機(jī)肥施肥量總比仿真結(jié)果低，且相差較多，誤差較大。其主要原因是實(shí)際顆粒之間流動(dòng)性沒(méi)有仿真顆粒流動(dòng)性均勻。仿真是在理想條件下進(jìn)行的，顆粒與機(jī)械結(jié)構(gòu)之間存在摩擦力，也會(huì)影響顆粒傳動(dòng)速率，從而影響施肥量；同時(shí)在收集肥料時(shí)，會(huì)有部分肥料殘留在排肥管中。當(dāng)有機(jī)肥含水率為16.61%、19.50%、23.70%時(shí)，田間試驗(yàn)結(jié)果有較少排肥量，而仿真結(jié)果排肥量為0。其主要原因是施肥機(jī)在施肥過(guò)程中會(huì)有振動(dòng)，使排肥器邊緣的肥料振動(dòng)，讓有機(jī)肥排出。

5 結(jié)論

1)對(duì)不同含水率有機(jī)肥進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，借助EDEM離散元軟件導(dǎo)入仿真機(jī)構(gòu)，對(duì)施肥機(jī)在施用不同含水率有機(jī)肥情況下進(jìn)行了仿真分析。分析施肥機(jī)在施用不同含水率有機(jī)肥情況下的仿真結(jié)果，可以看出：施肥量隨著含水率的增加而減少，但變化幅度不是很大；當(dāng)有機(jī)肥含水率小于16.61%時(shí)，施肥穩(wěn)定性高，波動(dòng)性小；但當(dāng)含水率大于16.61%時(shí)，施肥機(jī)出現(xiàn)排肥堵塞現(xiàn)象。

2)通過(guò)前期研制的雙料箱施肥機(jī)，對(duì)施肥機(jī)排肥機(jī)構(gòu)在施用不同含水率有機(jī)肥情況下進(jìn)行了田間試驗(yàn)，并與仿真結(jié)果做了對(duì)比分析，表明試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了仿真的可行性。隨著含水率的增大，單位時(shí)間排肥量變小。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均證明了設(shè)計(jì)的施肥機(jī)能施用含水率較高的有機(jī)肥，含水率達(dá)到13.35%。但仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大，其主要原因是顆粒與機(jī)械機(jī)構(gòu)之間存在摩擦等。