沈鵬 姚永亮 鄭美英 孔皓 沈東華 魏光程 寧旺云
摘要:云南省地形多為丘陵山地,馬鈴薯中耕施肥大多在有一定坡度的種植地上進(jìn)行,為探究不同坡度對(duì)施肥效果的影響,以外槽輪排肥器和云南省馬鈴薯專(zhuān)用復(fù)合肥為研究載體,測(cè)量肥料顆粒的3軸尺寸,建立外槽輪式排肥器的三維模型和肥料顆粒的離散元模型,以施肥量和施肥均勻度變異系數(shù)為施肥效果評(píng)價(jià)指標(biāo),利用EDEM軟件進(jìn)行4種坡度下排肥過(guò)程仿真。結(jié)果表明,不同坡度對(duì)施肥量有明顯影響,上坡施肥時(shí),施肥量增加,下坡施肥時(shí),施肥量減少,且坡度越大變化量越大;不同坡度對(duì)施肥均勻性也有一定影響,平地施肥時(shí)施肥均勻性最好,結(jié)合仿真結(jié)果提出了將排肥器設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)部件的優(yōu)化方案。
關(guān)鍵詞:排肥器;離散元法;坡度排肥;排肥性能
中圖分類(lèi)號(hào): S224.2
文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào):1002-1302(2019)15-0256-03
馬鈴薯是全球重要的糧食作物,由于富含蛋白質(zhì)、碳水化合物、維生素、礦物質(zhì)和脂肪,具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,被譽(yù)為“第二面包”和“地下蘋(píng)果”[1]。云南是產(chǎn)薯大省,早在2009年,云南省政府就啟動(dòng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目,將馬鈴薯產(chǎn)業(yè)列入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系進(jìn)行重點(diǎn)建設(shè)[2]。馬鈴薯中耕施肥作為馬鈴薯種植的必要環(huán)節(jié),對(duì)促進(jìn)馬鈴薯植株生長(zhǎng)和提高馬鈴薯產(chǎn)量具有重要意義。
目前,已有很多運(yùn)用離散元法對(duì)排肥器工作過(guò)程進(jìn)行仿真并對(duì)排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的研究,如汪博濤對(duì)外槽輪式排肥器的有效工作長(zhǎng)度、排肥轉(zhuǎn)速、排肥舌開(kāi)度進(jìn)行了研究[3];劉彩玲等研究了離心甩盤(pán)式撒肥器的甩盤(pán)轉(zhuǎn)速和肥料喂入位置角對(duì)拋撒均勻性的影響,得出的優(yōu)化參數(shù)能有效提高顆粒肥料撒施均勻性[4];Thaper研究了肥料種類(lèi)以及葉片形狀對(duì)雙圓盤(pán)撒肥機(jī)拋撒均勻性的影響[5]。
現(xiàn)階段關(guān)于排肥器的研究大多局限于排肥器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排肥性能的影響,缺少關(guān)于外部排肥環(huán)境對(duì)排肥器排肥過(guò)程影響的研究,云南省地形多為丘陵山地,中耕施肥大多在不同坡度的種植地上進(jìn)行,因此本研究以昆明拓田農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的一款在云南地區(qū)廣泛運(yùn)用的外槽輪式排肥器為研究載體,利用離散元仿真分析方法對(duì)坡度排肥過(guò)程進(jìn)行仿真分析。
1 排肥器的結(jié)構(gòu)與工作原理
1.1 外槽輪式排肥器結(jié)構(gòu)組成
通過(guò)SolidWorks三維建模軟件對(duì)外槽輪式排肥器進(jìn)行三維建模,其結(jié)構(gòu)主要由5個(gè)部分組成,即肥料箱、外槽輪、排肥舌、毛刷、排肥盒等部件,其總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
外槽輪式排肥器的結(jié)構(gòu)組成主要包括外槽輪部件1、排肥凹槽、外槽輪部件2、槽輪中心通孔等,其結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。
1.2 工作原理
排肥器與小型中耕機(jī)組合時(shí),外槽輪的中心通孔與排肥傳動(dòng)軸配合固定,其2個(gè)部件被排肥傳動(dòng)軸上的壓力彈簧壓緊配合,形成排肥凹槽,可通過(guò)調(diào)節(jié)外槽輪2個(gè)部件的配合長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)排肥凹槽大小,以滿(mǎn)足不同施肥量的需求。在進(jìn)行馬鈴薯中耕施肥作業(yè)時(shí),首先將肥料裝滿(mǎn)肥料箱,肥料受自身重力的作用填充滿(mǎn)排肥凹槽,隨后施肥作業(yè)人員推動(dòng)中耕施肥機(jī)行走,地輪通過(guò)鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)排肥傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn),外槽輪隨之旋轉(zhuǎn),處于排肥凹槽內(nèi)的肥料隨外槽輪旋轉(zhuǎn)被強(qiáng)制帶動(dòng)排出,由于外槽輪外圓的帶動(dòng)及肥料顆粒間的內(nèi)摩擦作用,處于槽輪邊緣的肥料顆粒也會(huì)被帶動(dòng)起來(lái),由外槽輪強(qiáng)制帶出和帶動(dòng)層帶出的肥料從排肥舌上掉入排肥管,完成整個(gè)排肥過(guò)程[6]。
2 肥料顆粒模型的建立
2.1 肥料顆粒物理參數(shù)的測(cè)量
肥料顆粒的形狀和尺寸都是影響排肥過(guò)程的主要因素[7]。為了準(zhǔn)確地模擬云南省山地丘陵地區(qū)馬鈴薯中耕施肥時(shí)排肥器的排肥過(guò)程,以云南天騰化工有限公司生產(chǎn)的馬鈴薯專(zhuān)用復(fù)合肥為研究對(duì)象,隨機(jī)取200粒肥料顆粒,測(cè)定其3軸尺寸、等效直徑、球形率和顆粒密度等,則
式中:D為肥料顆粒樣本的等效直徑;L為肥料顆粒樣本的長(zhǎng)度尺寸;W為肥料顆粒樣本的寬度尺寸;T為肥料顆粒樣本的厚度尺寸;Φ為肥料顆粒樣本的球形率。
經(jīng)過(guò)測(cè)量與計(jì)算,根據(jù)肥料顆粒大小的不同,可以將其分為2種,具體為小顆粒,其等效直徑的分布區(qū)間為1.0~2.8 mm,占樣本顆??倲?shù)的1/4;大顆粒,其等效直徑分布區(qū)間為2.8~4.0 mm,占樣本顆粒總數(shù)的3/4。通過(guò)研磨法測(cè)得,肥料顆粒的密度為1 020 kg/m3。測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。
2.2 肥料顆粒模型構(gòu)建
從表1數(shù)據(jù)可知,馬鈴薯復(fù)合肥料顆粒大小不同,其球形率亦不同。顆粒越大,球形率越小。小顆粒的球形率較高,可達(dá)92%,由于小顆粒樣本具有更高球形率的分布特點(diǎn),可以在離散元仿真軟件中將其設(shè)置為等效直徑是2.4 mm的球體。而復(fù)合肥大顆粒的球形率較低,不適合用球體代替其三維離散元模型,通過(guò)大量觀(guān)察發(fā)現(xiàn),大顆粒的外形基本一致且趨近于扁圓形,因此通過(guò)SolidWorks對(duì)其進(jìn)行建模,并將建模文件保存為.igs文件格式,導(dǎo)入EDEM軟件中進(jìn)行肥料大顆粒模型的手動(dòng)填充,手動(dòng)填充模型見(jiàn)圖3。
3 不同坡度下施肥過(guò)程的仿真分析
通過(guò)前述對(duì)排肥器工作過(guò)程的分析可知,肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)受多種因素的作用,具有很高的復(fù)雜性,而云南省馬鈴薯進(jìn)行中耕施肥時(shí),由于地勢(shì)的不平整,中耕機(jī)經(jīng)常需要進(jìn)行平地和上下坡作業(yè),在進(jìn)行上下坡作業(yè)時(shí),整體機(jī)器相對(duì)于水平面成一定角度,但肥料受到的重力作用始終豎直向下,使得肥料的運(yùn)動(dòng)不盡相同,為探究不同坡度對(duì)施肥過(guò)程的影響,運(yùn)用離散元軟件EDEM對(duì)上述排肥過(guò)程進(jìn)行仿真研究,并結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行山地丘陵地區(qū)中耕施肥機(jī)的優(yōu)化方案探討。
3.1 離散元接觸模型
由于肥料顆粒的固體顆粒狀特點(diǎn),肥料的排出過(guò)程不涉及肥料顆粒之間的黏結(jié)作用,本研究采用Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型作為離散元接觸模型。經(jīng)研究,排肥器的組成部件均采用ABS塑料材料,根據(jù)材料庫(kù)和文獻(xiàn)[8]并結(jié)合相關(guān)基礎(chǔ)物理力學(xué)試驗(yàn)測(cè)定的方法得到離散元仿真所需的參數(shù)(表2)。
3.2 試驗(yàn)方案
將排肥器結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入EDEM仿真軟件中,建立排肥器的離散元仿真工作模型,在肥料箱上端設(shè)置2個(gè)顆粒工廠(chǎng),其中顆粒工廠(chǎng)1按照馬鈴薯復(fù)合肥小顆粒占比,以1 500顆/s的生成速度生成小顆粒肥料3 000顆,顆粒工廠(chǎng)2按照馬鈴薯復(fù)合肥大顆粒占比,以4 500顆/s的生成速度生成大顆粒肥料9 000顆,且2種顆粒的半徑大小服從肥料顆粒等效直徑的正態(tài)分布規(guī)律。
為模擬不同坡度下馬鈴薯中耕施肥的過(guò)程,設(shè)置排肥器中軸線(xiàn)與水平軸分別成75°、90°、105°、120°,用以模擬下坡、水平和上坡過(guò)程,對(duì)應(yīng)模擬的坡度分別為-15°、0°、15°、30°。設(shè)置外槽輪轉(zhuǎn)速為30 r/min,根據(jù)施肥時(shí)前進(jìn)速度設(shè)置排肥器前進(jìn)速度為0.6 m/s。在工作系統(tǒng)的下方設(shè)置一個(gè)長(zhǎng) 600 mm、寬150 mm的平面,用以模擬地面,將該地面區(qū)域劃分為連續(xù)的6等份(圖4),仿真完成后通過(guò)EDEM的后處理軟件提取每個(gè)等份區(qū)間的肥料質(zhì)量、整個(gè)仿真過(guò)程中肥料顆粒在不同位置的速度以及速度變化規(guī)律等參數(shù)。
3.3 評(píng)價(jià)方法
馬鈴薯中耕施肥的主要要求是施肥量要精準(zhǔn)、精量,施肥的效果要均勻且穩(wěn)定,為了準(zhǔn)確探究不同坡度對(duì)排肥器排肥效果的影響, 本研究選擇排肥量和排肥均勻度變異系數(shù)2種
指標(biāo)為排肥器排肥性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]。為消除排肥器的初始工作狀態(tài)對(duì)初始排肥量的影響,選取模擬地面中 2~6區(qū)間為取樣區(qū)域,仿真結(jié)束后,統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)所有肥料顆粒的總質(zhì)量,利用公式(3)求解所有區(qū)間內(nèi)肥料顆粒的平均質(zhì)量。
4 仿真結(jié)果與分析
4.1 仿真結(jié)果
為分析不同坡度下施肥對(duì)施肥量的影響,分別在4個(gè)仿真模型中的排肥器下端排肥管處設(shè)置顆粒監(jiān)測(cè)區(qū)[9],并分別提取作業(yè)開(kāi)始后2.7~4.2 s時(shí)肥料顆粒質(zhì)量的累加數(shù)據(jù),不同坡度下施肥量仿真結(jié)果見(jiàn)表3。
提取仿真取樣區(qū)間每個(gè)區(qū)間的施肥量,并分別計(jì)算排肥平均量、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差,進(jìn)而求得均勻度變異系數(shù),不同坡度下施肥均勻度仿真結(jié)果見(jiàn)表4。
4.2 仿真分析
從表3可以看出,進(jìn)行下坡施肥時(shí)施肥量相對(duì)于平地施肥時(shí)有所減少,而進(jìn)行上坡施肥時(shí)施肥量有所增加,并且坡度越高施肥量越大。通過(guò)對(duì)不同坡度下排肥的離散元仿真過(guò)程進(jìn)行比較分析可以看出,影響施肥量變化的主要因素為排肥舌與外槽輪之間的開(kāi)口方向,進(jìn)行水平和上下坡施肥作業(yè)時(shí),開(kāi)口方向分別為水平、傾斜向上和傾斜向下,因而相對(duì)于平地施肥,下坡施肥時(shí)處在排肥舌上面的一部分肥料的流動(dòng)性有所降低,上坡施肥時(shí)流動(dòng)性則有所增強(qiáng)。從表4可以看出,不同坡度對(duì)施肥的均勻性有一定影響,平地施肥時(shí),施肥的均勻性最好。
5 討論與結(jié)論
目前,精量施肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨向[10],而在山地丘陵地區(qū),馬鈴薯種植地形多為山區(qū)半山區(qū),中耕施肥作業(yè)時(shí)經(jīng)常需要進(jìn)行上下坡施肥作業(yè),通過(guò)本研究可知,坡度對(duì)施肥效果有一定的影響,因此,在現(xiàn)有中耕施肥機(jī)的基礎(chǔ)上,通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn),可以將排肥器設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)的部件,以保證施肥器在工作時(shí)中軸線(xiàn)始終與水平面垂直。
本研究以外槽輪式排肥器和云南省馬鈴薯專(zhuān)用復(fù)合肥為研究載體,建立了外槽輪式排肥器的三維模型和肥料顆粒的離散元模型。
運(yùn)用EDEM軟件建立了不同坡度下外槽輪式排肥器工作過(guò)程的離散元平臺(tái),進(jìn)行4種狀態(tài)下排肥效果試驗(yàn),離散元仿真試驗(yàn)結(jié)果表明,不同坡度對(duì)施肥量有一定影響,上坡施肥時(shí),施肥量增加,下坡施肥時(shí),施肥量減少,且坡度越大變化量越大;不同坡度對(duì)排肥均勻性也有一定影響,平地施肥時(shí)施肥均勻性最好。
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