劉宏新 杜春利 尹林偉 張光甫

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

目前，由于結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，國內(nèi)外研制的有機(jī)肥拋撒機(jī)，大多數(shù)為后拋式，拋撒裝置均布置在機(jī)器后部。與后拋式相比，側(cè)拋式設(shè)計(jì)制造難度較大，對供料有特殊要求，但側(cè)拋?zhàn)鳂I(yè)可控性強(qiáng)、適應(yīng)廣泛、一次作業(yè)覆蓋面大，既可以實(shí)現(xiàn)不進(jìn)田情況下對小塊地和果林等特殊環(huán)境施肥，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)后拋式拋撒機(jī)能完成的所有工況，作業(yè)效率高、一機(jī)多用，優(yōu)勢明顯。在裝備產(chǎn)品方面，國外John Deere公司研發(fā)了MS2320側(cè)拋式拋撒機(jī)，使用帶有方齒的槳葉作為主要拋射部件，可拋射商品有機(jī)肥與農(nóng)家肥，在拋射過程中用方齒將肥料撕碎以矩形的射流拋射至田間，但是方齒在撕碎肥料的過程中受到的沖擊力較大，易損壞。KUHN公司研發(fā)了ProTiwn 8100型側(cè)拋式拋撒機(jī)，使用錘片將農(nóng)家肥擊碎并以矩形的射流拋射至田間，但沖擊性的作業(yè)形式導(dǎo)致其可靠性低、故障率高，且錘片難以有效地將松散的商品有機(jī)肥拋射至田間。BERNIK等[1]提出了一種使用大直徑轉(zhuǎn)子作為主要拋射機(jī)構(gòu)的側(cè)拋式拋撒機(jī)，可將商品有機(jī)肥或農(nóng)家肥以矩形的射流拋射至田間，拋射距離遠(yuǎn)，但是拋射效率不高，行走速度低。國內(nèi)山東天盛公司研發(fā)的側(cè)拋式拋撒機(jī)使用帶有葉片的輥輪作為主要拋射部件，利用高速旋轉(zhuǎn)的輥輪將肥料拋射出去，實(shí)現(xiàn)了條帶施肥，但其撒肥效率較低，無法拋射農(nóng)家肥。在科學(xué)研究方面，BERNIK 等[2]提出了基于數(shù)學(xué)模型的拋撒機(jī)的概念設(shè)計(jì)，并基于離心拋射原理的數(shù)學(xué)模型確定了拋撒機(jī)的最佳匹配參數(shù)。LANDRY等[3]將機(jī)器與有機(jī)肥之間的相互作用通過離散元法(Discrete element method, DEM)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行了模擬，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬與實(shí)際的一致性，為有機(jī)肥拋射的研究提供了一種行之有效的研究方式。在分析肥料拋射過程方面，CHEN等[4]提出了應(yīng)用圖像處理技術(shù)對肥料拋射進(jìn)行分析的方法，COOL等[5]提出了應(yīng)用立體影像技術(shù)對肥料拋射進(jìn)行分析的方法。國內(nèi)，呂金慶等[6]對錐形撒肥圓盤中的肥料顆粒進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，并通過試驗(yàn)獲得了滿足作業(yè)要求的參數(shù)組合，為錐盤式撒肥機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論參考，楊立偉等[7]進(jìn)行了離心圓盤式拋撒機(jī)撒肥均勻性試驗(yàn)，獲得了可使肥料分布變異系數(shù)最小的參數(shù)組合。

側(cè)拋式拋撒裝置將肥料沿機(jī)具前進(jìn)方向側(cè)向拋出，拋射流窄而遠(yuǎn)，拋射流橫向疊加形成撒布面，作業(yè)幅寬與拋距相關(guān)，撒布均勻性取決于拋射流的橫向均勻度。所以研究射流的形態(tài)與控制方法，使其向理想形態(tài)靠近，可更有效地進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化。作者前期設(shè)計(jì)的傾斜對置圓盤側(cè)拋式拋撒裝置，通過試驗(yàn)初步驗(yàn)證了創(chuàng)新結(jié)構(gòu)可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)肥的側(cè)向拋撒作業(yè)[8]。創(chuàng)新機(jī)構(gòu)在拋射均勻性與拋射距離等方面的潛力有待進(jìn)一步挖掘。為此，本文定性定量地表述拋撒裝置的射流形態(tài)，并通過創(chuàng)新部件與優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)控制射流，以期提升該裝置的性能。

1 射流形態(tài)與參數(shù)

射流是肥料在拋射過程中形成的一種相對穩(wěn)定的形態(tài)。由于整機(jī)工作過程中所形成的肥料覆蓋面是由行進(jìn)過程中每一個(gè)位置的射流落地后疊加而成，所以在對其進(jìn)行分析時(shí)，以定點(diǎn)射流對其描述，如圖1a、1b所示，并用參數(shù)表述射流形態(tài)，如圖1c、1d所示，其中v0為肥料脫離拋撒裝置時(shí)的速度；δz為拋離區(qū)域夾角；δmax為最大拋離角；δmin為最小拋離角；β為散射角；Ls為上底邊寬；Lx為下底邊寬；Lpj為有效拋距。

圖1 射流形態(tài)Fig.1 Shooting flow shapes

2 射流形成力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 入料過程

傾斜對置圓盤有機(jī)肥拋撒裝置結(jié)構(gòu)如圖2a所示，主要由導(dǎo)料板、上擋板、圓盤安裝架、減速器、矩形刮肥板、撒肥圓盤組成，其中撒肥圓盤直徑為500 mm，矩形刮肥板同相位對置安裝[8]。工作時(shí)動(dòng)力通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到減速器中，減速器驅(qū)動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)。肥料被耙鏈運(yùn)送到落料口，在導(dǎo)料板的作用下落到拋撒裝置中。為避免肥料被矩形刮肥板回帶，肥料應(yīng)落在撒肥圓盤的第Ⅲ、Ⅳ象限內(nèi)，而當(dāng)落在第Ⅲ象限遠(yuǎn)離圓盤中心位置時(shí)，肥料未經(jīng)拋射直接落地，或有過大的拋離角，故肥料應(yīng)落在如圖2b所示的陰影區(qū)域。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)與入料過程示意圖Fig.2 Schematics of device structure and feeding process1.導(dǎo)料板 2.耙鏈 3.上擋板 4.圓盤安裝架 5.減速器 6.入料流 7.矩形刮肥板 8.撒肥圓盤

2.2 肥料在圓盤上的運(yùn)動(dòng)與受力分析

以圓盤中心為原點(diǎn)o建立空間直角坐標(biāo)系，如圖3所示。其中x軸方向指向肥料拋射口，y軸方向與機(jī)組運(yùn)動(dòng)方向相反，z軸方向垂直于地面向上,R為肥料顆粒與撒肥圓盤中心的距離，m；α為圓盤傾角，(°)；γ為矩形刮肥板與豎直方向的夾角，(°)；vl為肥料顆粒落在撒肥圓盤上時(shí)的速度，m/s；ω為圓盤角速度，rad/s；vlε為vl在垂直撒肥圓盤方向上的分解速度，m/s；vlτ為vl在平行撒肥圓盤方向上的分解速度，m/s。由于肥料較為松軟，自由下落距離較短且連續(xù)落料，落在撒肥圓盤上的速度vl較小，故假設(shè)肥料落到撒肥圓盤上，不會(huì)彈起并且跟隨矩形刮肥板運(yùn)動(dòng)。將肥料顆粒落到矩形刮肥板上的初始速度分解為vlτ和vlε，而vlτ又分解為vlτε和vlττ，其中vlε在撒肥圓盤作用下變?yōu)榱悖瑅lτε在矩形刮肥板作用下變?yōu)榱愕耐瑫r(shí)矩形刮肥板帶動(dòng)肥料顆粒給予肥料顆粒速度vg，肥料顆粒此時(shí)具備vlττ與vg兩個(gè)分速度。

圖3 肥料顆粒入料速度分析Fig.3 Analysis of feeding speed of fertilizer particles

矩形刮肥板帶動(dòng)肥料顆粒的速度為

vg=ωR

(1)

vlτ在平行矩形刮肥板方向上的分解速度為

vlττ=vlsinαcosγ

(2)

肥料顆粒落到刮肥板上的初速度為

vc=vg+vlττ

(3)

G垂直于和平行于撒肥圓盤的分力為

(4)

式中G——肥料顆粒受到的重力，N

Gτ垂直于刮肥板的分力為

Gτε=Gsinαsinγ

(5)

Gτ平行于刮肥板的分力為

Gττ=Gsinαcosγ

(6)

上述力的方向如圖4所示。

圖4 肥料顆粒重力分析Fig.4 Gravity analysis charts of fertilizer particles

肥料顆粒所受的離心力為

Fl=mω2R

(7)

式中m——肥料顆粒質(zhì)量

由式(4)可知撒肥圓盤對肥料顆粒的支持力為

FNy=Gε=Gcosα

(8)

由式(5)可知矩形刮肥板對肥料顆粒的支持力為

FNg=Gτε=Gsinαsinγ

(9)

肥料顆粒所受的科里奧利力為

Fco=2mω2R

(10)

撒肥圓盤對肥料顆粒的摩擦力為

Ffy=μfFNy

(11)

式中μf——肥料顆粒與鋼面之間的摩擦因數(shù)

矩形刮肥板對肥料顆粒的摩擦力為

Ffg=μf(Fco+FNg)

(12)

肥料顆粒受到合力為

F=Fl+Fco+G+FNy+FNg+Ffy+Ffg

(13)

上述力的方向如圖5所示。

圖5 肥料顆粒受力分析Fig.5 Force analysis of fertilizer particles

肥料顆粒加速度為

a=F/m

(14)

因此肥料顆粒在加速度作用下所獲得的速度為

(15)

此后肥料顆粒將以初速度vc與加速度a的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)并逐漸形成如圖6所示的A、B、C3個(gè)區(qū)域肥料。

圖6 肥料分區(qū)Fig.6 Fertilizer zoning

2.3 肥料脫離圓盤時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析

為分析肥料脫離圓盤時(shí)的受力與運(yùn)動(dòng)，需分別對3個(gè)區(qū)域內(nèi)肥料的速度進(jìn)行分析，A區(qū)肥料為一直遵循上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律而未堆積到矩形刮肥板末端的肥料，由式(3)可知該部分肥料在脫離拋撒裝置時(shí)的速度為

v0=vj+vc+vs=vj+vg+vlττ+vs

(16)

式中vs——撒肥車前進(jìn)時(shí)給予肥料的速度

B區(qū)肥料為已經(jīng)堆積在矩形刮肥板末端且一直跟隨著矩形刮肥板運(yùn)動(dòng)的肥料，該區(qū)域肥料運(yùn)動(dòng)到拋射口時(shí)也開始具備沿矩形刮肥板方向的速度及加速度，并遵循上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由于A、B兩區(qū)域內(nèi)肥料均受到矩形刮肥板的控制，故稱這兩區(qū)域內(nèi)肥料為受控肥料，且B區(qū)肥料已經(jīng)被堆積在矩形刮肥板末端，速度vlττ在C區(qū)肥料的作用下變?yōu)榱恪?/p>

C區(qū)肥料為堆積在矩形刮肥板末端且脫離矩形刮肥板控制的肥料，該區(qū)域內(nèi)肥料會(huì)堆積在料腔底部并在肥料的相互作用力下拋射出去。當(dāng)?shù)撞勘环柿隙褲M，2個(gè)矩形刮肥板中間會(huì)堆積一部分肥料并在肥料的相互作用力下拋射出去，由于C區(qū)肥料脫離矩形刮肥板的控制，故將其稱為非受控肥料。如圖7所示，v01為受控肥料拋離速度、v02為非受控肥料拋離速度。肥料在脫離拋撒裝置時(shí)所具備的速度可以沿x、y、z方向分解為v0x、v0y、v0z。傾斜對置圓盤的傾角給予肥料較大的橫向分速度v0y，形成了散射角β，同時(shí)由于上述分析中非受控肥料以較低拋離速度拋射形成根部肥料聚集的現(xiàn)象。

圖7 肥料顆粒初始拋射速度分析Fig.7 Analysis of initial throwing velocity of fertilizer particles1.受控肥料 2.非受控肥料

2.4 肥料脫離圓盤后的受力與運(yùn)動(dòng)分析

由于肥料顆粒在空氣中運(yùn)動(dòng)的速度較大，所以在對其進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)考慮空氣阻力影響，現(xiàn)引入空氣阻力公式

(17)

式中f——肥料顆粒所受的空氣阻力

k——空氣阻力系數(shù)

肥料顆粒在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)各方向上的加速度為

(18)

式中afx——肥料顆粒在x方向上的空氣阻力加速度，m/s2

afy——肥料顆粒在y方向上的空氣阻力加速度，m/s2

afz——肥料顆粒在z方向上的空氣阻力加速度，m/s2

肥料顆粒的受力與運(yùn)動(dòng)如圖8所示，以顆粒拋出點(diǎn)在地面上的投影點(diǎn)為原點(diǎn)O建立空間直角坐標(biāo)系，其中X軸方向指向肥料拋射方向，Y軸方向與機(jī)組運(yùn)動(dòng)方向相反，Z軸方向垂直于地面向上。

圖8 肥料顆粒在空中拋射運(yùn)動(dòng)分析Fig.8 Motion analysis of fertilizer particles in air

圖中：點(diǎn)M為拋射最高點(diǎn)；點(diǎn)N為落地點(diǎn)；H為圓盤將肥料顆粒拋射的最大高度，m；h為裝置離地高度，m；s為拋射距離，m；c為上底邊寬的一半，m；fx為肥料顆粒沿X方向受到的空氣阻力，N；fy為肥料顆粒沿Y方向受到的空氣阻力，N；fz為肥料顆粒沿Z方向受到的空氣阻力，N。

由此可得肥料顆粒在空中拋射的方程組，從而得到拋射距離s與上底邊寬的一半c，公式為

(19)

式中t1——肥料顆粒上升到最高點(diǎn)所用的時(shí)間，s

t2——肥料顆粒由最高點(diǎn)落地所用的時(shí)間，s

tz——肥料顆粒在空中拋射的總時(shí)間，s

由式(19)可推得表述射流形態(tài)的參數(shù)

Ls=2c

(20)

Lpj=s

(21)

δ=arctan(v0z/v0x)

(22)

δz=δmax-δmin

(23)

β=2arctan(v0y/v0x)

(24)

因而由式(18)、(20)～(24)可得v0x、v0y和v0z是決定射流形態(tài)的直接因素，由式(16)可得v0主要是由vs、vj、vg、vlττ決定的，其中vs受行走速度影響，vj、vg、vlττ受圓盤轉(zhuǎn)速、圓盤傾角、肥料拋離時(shí)刮肥板所處位置等因素影響，而由式(13)～(15)可以發(fā)現(xiàn)改變刮肥板的形狀與安裝角度可以改變肥料顆粒在刮肥板上的受力情況，進(jìn)而通過變化的加速度改變其速度vj，由此可知刮肥板的形狀與安裝角度也是控制射流形態(tài)的關(guān)鍵因素。

3 EDEM仿真環(huán)境建立與分析

3.1 仿真模型建立

(1)仿真參數(shù)設(shè)置

應(yīng)用EDEM離散元仿真分析軟件模擬有機(jī)肥拋撒裝置的工作過程，結(jié)合上述理論分析射流形成的過程。根據(jù)肥料特點(diǎn)，使用Hertz-Mindlin with JKR模型[9]，該模型適用于藥粉等粉體顆粒和農(nóng)作物、有機(jī)肥料、泥土等含濕物料，根據(jù)試驗(yàn)使用的商品有機(jī)肥顆粒的實(shí)際測量參數(shù)，綜合考慮設(shè)置離散元仿真參數(shù)[10-11]如表1所示。

表1 離散元仿真參數(shù)Tab.1 Discrete element simulation parameters

(2)顆粒模型建立

在仿真模型中，將顆粒簡化為圓球模型，創(chuàng)建球形肥料顆粒體，參照土壤粒徑設(shè)置肥料顆粒體半徑為3 mm[12-13]，材料選取肥料本征參數(shù)，并自動(dòng)獲取其余屬性，顆粒類型選擇隨機(jī)分布。鑒于JKR模型的自身具有粘結(jié)團(tuán)聚特點(diǎn)，生成顆粒與顆粒間會(huì)粘結(jié)成多種形態(tài)，其中最主要的粘結(jié)形態(tài)為點(diǎn)狀、線狀與團(tuán)狀，如圖9所示。

圖9 顆粒模型Fig.9 Particle models

(3)三維模型導(dǎo)入

在CATIA軟件中創(chuàng)建三維模型，簡化模型并將其轉(zhuǎn)換成stp格式導(dǎo)入到 EDEM 軟件中，將圓盤、輥?zhàn)釉O(shè)置成轉(zhuǎn)動(dòng)件，設(shè)置其轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)開始和結(jié)束時(shí)間，設(shè)置裝置整體機(jī)組的行進(jìn)速度。

(4)顆粒工廠設(shè)置

由于載料箱容納肥料較多，若將其全部填滿計(jì)算量過大。選擇在載料箱卸料口上方建立顆粒工廠，設(shè)置生成顆粒速率每秒200 000顆粒(20 kg/s)，顆粒半徑服從正態(tài)分布。

(5)其他參數(shù)設(shè)定

在仿真過程中，設(shè)置固定時(shí)間步長為Reyleigh(瑞利)時(shí)間步長的20%，數(shù)據(jù)保存間隔為0.02 s，網(wǎng)格為最小顆粒尺寸的2倍[14-15]。

將模型導(dǎo)入EDEM中，為防止顆粒落地后繼續(xù)滾動(dòng)，在地面模型上建立50 mm高的虛擬地面，仿真環(huán)境如圖10所示。

圖10 仿真環(huán)境Fig.10 Simulation environment

3.2 射流形態(tài)分析

據(jù)上述分析可將拋射裝置內(nèi)部的物料分為受控肥料與非受控肥料，因這兩區(qū)域物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不一致，將形成不同的射流，因此在裝置內(nèi)部選中如圖11所示的黑色顆粒，分別為受控物料和非受控肥料。

圖11 肥料分區(qū)Fig.11 Fertilizer zoning

非受控肥料通過肥料相互之間的作用力拋射，越靠近矩形刮肥板拋射速度越大，但是由于非受控肥料較多，大部分肥料無法受到高速肥料的作用力，拋離速度低被拋射到近處，形成近處物料堆積的現(xiàn)象，如圖12所示。

圖12 非受控肥料射流Fig.12 Uncontrolled shooting flow of fertilizer

受控肥料的拋離角度為其脫離矩形刮肥板時(shí)矩形刮肥板末端的拋離角度，該部分肥料拋離速度與矩形刮肥板末端的線速度一致，所以該部分肥料可以較為均勻地被拋射到遠(yuǎn)處，如圖13所示。

圖13 受控肥料射流Fig.13 Controlled shooting flow of fertilizer

來自不同部分的射流組合得到整體的拋射效果，其中非受控肥料拋射距離較近，同時(shí)受控肥料雖然能被拋射到遠(yuǎn)處，但其較大的橫向分速度導(dǎo)致較大的散射角，仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 定點(diǎn)拋射仿真結(jié)果Fig.14 Simulation results of fixed point ejection

4 控制部件設(shè)計(jì)與拋射分析

4.1 拋離角控制

設(shè)計(jì)如圖15所示的拋離角控制擋板，并進(jìn)行EDEM仿真試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)拋離角控制擋板的高度hd，可以控制肥料的拋離位置，起到調(diào)節(jié)最小拋離角δmin的作用，同時(shí)，此擋板還可以封堵底部肥料的出口，使肥料在底部凝聚成腔，起到控制底部非受控肥料的作用。

圖15 拋離角控制效果Fig.15 Control effect of throw-off angle

將拋離角控制擋板高度hd分別設(shè)置為120、127.5、135、142.5、150 mm并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，測量最小拋離角δmin。如圖16所示，δmin隨著hd的增大而增大。

圖16 拋離角控制擋板高度與最小拋離角關(guān)系曲線Fig.16 Effect of height of throw-off angle control baffle on minimum throw-off angle

4.2 散射角控制

4.2.1圓盤傾角對散射角的控制

散射角的形成主要是由于v0y較大，而影響v0y大小的主要因素為圓盤傾角，將圓盤傾角α分別設(shè)置為55°、60°、65°、70°、75°并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，測量散射角β。如圖17所示，β隨α的增大而減小。

圖17 圓盤傾角與散射角關(guān)系曲線Fig.17 Influence of disk inclination on scattering angle

但是當(dāng)圓盤傾角大于75°時(shí)將會(huì)造成肥料回帶，嚴(yán)重影響拋射效果，同時(shí)過大的圓盤傾角也會(huì)造成落料口狹窄，拋射量降低的問題。

4.2.2寬底外延傾斜四邊形刮肥板設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理論分析，影響散射角的直接原因是肥料顆粒脫離拋撒裝置時(shí)的v0y過大，而v0y是由刮肥板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)肥料顆粒產(chǎn)生的，因此為了獲得更小的散射角需設(shè)計(jì)新的刮肥板，使肥料顆粒在脫離拋射裝置時(shí)的速度v01在y軸方向的分速度小于矩形刮肥板拋射肥料顆粒在y軸方向的分速度，使肥料沿著中線拋射，從而降低散射角。設(shè)計(jì)如圖18b所示的寬底外延傾斜四邊形刮肥板。為了降低肥料在y軸方向上的分速度使刮肥板末端的直線平行于地面(如圖18a中平行于地面的虛線所示)，在此直線與圓盤中心點(diǎn)所確定的平面上設(shè)計(jì)末端加寬的寬底外延傾斜四邊形刮肥板。

圖18 寬底外延傾斜四邊形刮肥板安裝位置Fig.18 Installation position of wide bottom extended inclined quadrilateral fertilizer scraper1.矩形刮肥板 2.寬底外延傾斜四邊形刮肥板 3.平行于地面的直線 4.撒肥圓盤

使用EDEM仿真軟件對裝有寬底外延傾斜四邊形刮肥板的拋射裝置進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果如圖19所示，在圓盤傾角為75°條件下設(shè)計(jì)寬底外延傾斜四邊形刮肥板，將散射角降低至25°，比使用矩形刮肥板形成的散射角小，控制效果良好。以同樣的方式在圓盤傾角為55°的條件下設(shè)計(jì)一套寬底外延傾斜四邊形刮肥板，進(jìn)行仿真試驗(yàn)得到大部分肥料拋射在35°的散射角內(nèi)，但是還有部分肥料散射在35°以外，由此可見寬底外延傾斜四邊形刮肥板在圓盤傾角為55°的條件下仍對散射角有控制效果，但是此時(shí)的拋射距離近、拋射不均勻。

圖19 寬底外延傾斜四邊形刮肥板拋射仿真結(jié)果Fig.19 Simulation results of wide bottom extended inclined quadrilateral fertilizer scraper

4.3 非受控肥料控制及柔性筒腔形成

由于肥料具備粘性與塑性，在拋射的過程中容易凝聚成塊，而拋撒裝置在加入拋離角控制擋板后底部肥料出口被封堵，低速的脫控肥料被控制在裝置內(nèi)，在矩形刮肥板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下形成兩個(gè)對稱的柔性圓腔。但是矩形刮肥板無論是同相位安裝還是異相位安裝都無法對中間區(qū)域的肥料進(jìn)行控制，且兩刮肥板中間還有凸起的導(dǎo)向阻礙，如圖20所示。

圖20 矩形刮肥板肥料控制示意圖Fig.20 Schematics of control of fertilizer by rectangular fertilizer scraper

異相位安裝寬底外延傾斜四邊形刮肥板可使加寬部分不發(fā)生干涉碰撞，刮肥板末端加寬的設(shè)計(jì)可以有效地控制兩對置刮肥板之間的非受控肥料，增大肥料容納量從而提高施肥效率。隨著寬底外延傾斜四邊形刮肥板繞軸線旋轉(zhuǎn)，外延部分又可將矩形刮肥板旋轉(zhuǎn)形成的凸起部分刮成圓筒腔，掃清有機(jī)肥拋出路徑上的導(dǎo)向阻礙，如圖21所示，由有機(jī)肥形成的柔性筒腔可以容納大塊的硬質(zhì)雜質(zhì)，避免大塊硬質(zhì)雜質(zhì)將刮肥板卡住，防止刮肥板與料腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生剛性沖擊，保證設(shè)備的安全性。

圖21 寬底外延傾斜四邊形刮肥板肥料控制示意圖Fig.21 Schematics of control of fertilizer by wide bottom extended inclined quadrilateral fertilizer scraper

4.4 附屬機(jī)構(gòu)

對射流的關(guān)鍵形態(tài)參數(shù)控制后，幾個(gè)附屬機(jī)構(gòu)也對射流拋射起到輔助作用：輔助拋射輥輪對拋射過程中落至近處的較大肥料塊進(jìn)行二次打散并拋射，對比分析圖15與圖22可觀察到，拋射裝置加裝輔助拋射輥輪后拋射的物料流中團(tuán)聚的物料塊數(shù)量大大降低，打散效果明顯；上導(dǎo)流板可對肥料進(jìn)行導(dǎo)流，將拋離角過大的肥料控制在合理范圍內(nèi)。

圖22 輔助拋射效果Fig.22 Auxiliary throwing effect

對添加附屬機(jī)構(gòu)后的有機(jī)肥拋撒裝置在行進(jìn)狀態(tài)下進(jìn)行EDEM仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明創(chuàng)新設(shè)計(jì)的控制部件與附屬機(jī)構(gòu)對肥料的控制效果良好，在此裝置行走拋射時(shí)可以形成大拋距射流和連續(xù)均勻的覆蓋面，試驗(yàn)結(jié)果如圖23所示。

圖23 行走拋射效果Fig.23 Run throwing effect

5 樣機(jī)試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)于2020年10月28日進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地，當(dāng)日氣溫6℃，晴，西風(fēng)3級。試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖24所示，主要包含撒肥圓盤、輔助拋射輥輪、拋離角控制擋板、寬底外延傾斜四邊形刮肥板、上導(dǎo)流板。整機(jī)工作時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過萬向節(jié)將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)箱，經(jīng)過傳動(dòng)箱將動(dòng)力傳遞給拋射裝置，驅(qū)動(dòng)傾斜對置雙圓盤與輥輪旋轉(zhuǎn)。

圖24 傾斜對置圓盤側(cè)拋試驗(yàn)裝置Fig.24 Physical pictures of side throwing experimental device with inclined opposite discs1.上導(dǎo)流板 2.寬底外延傾斜四邊形刮肥板 3.輔助拋射輥輪 4.撒肥圓盤 5.拋離角控制擋板

根據(jù)有機(jī)肥與拋撒機(jī)的現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合行業(yè)實(shí)際操作慣例，選擇哈爾濱易利融農(nóng)業(yè)科技有限公司的商品生態(tài)有機(jī)肥作為試驗(yàn)材料。此有機(jī)肥存在自然結(jié)塊現(xiàn)象，但較松散，整體呈現(xiàn)細(xì)粉狀、粗顆粒狀與大結(jié)塊并存的形式，有機(jī)肥狀態(tài)如圖25所示，其含水率為28.9%、容積密度為644 kg/m3、自然休止角為34°、與鋼質(zhì)面的滑動(dòng)摩擦角為28°。

圖25 有機(jī)肥狀態(tài)Fig.25 Organic fertilizer status

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.2.1有效拋距

通過調(diào)節(jié)底部擋料板高度可以控制最小拋離角，當(dāng)拋離角約為30°時(shí)有更大的有效拋距，拋離角控制擋板高為140 mm，上導(dǎo)流板導(dǎo)出角為40°時(shí)，可將射流的拋離角控制在最佳拋離角度30°左右，通過調(diào)節(jié)圓盤轉(zhuǎn)速可以控制拋射距離，為探索射流能達(dá)到的最大有效拋距Lpj，在使用矩形刮肥板的情況下設(shè)置圓盤轉(zhuǎn)速為400、500、600、700、800 r/min，測量有效拋距，試驗(yàn)結(jié)果如圖26所示，有效拋距隨圓盤轉(zhuǎn)速增大而增大，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速大于700 r/min時(shí)有效拋距趨于穩(wěn)定。

圖26 圓盤轉(zhuǎn)速與有效拋距關(guān)系曲線Fig.26 Influence of rotating speed of disk on effective throwing distance

5.2.2筒腔形成效果

試驗(yàn)中肥料在寬底外延傾斜四邊形刮肥板與拋離角控制擋板的共同作用下形成了如圖27所示的柔性筒腔，此筒腔中間無導(dǎo)向阻礙，與刮肥板之間的間隙小且能容納硬質(zhì)雜質(zhì)，與分析中提出的柔性筒腔形態(tài)一致，在拋射作業(yè)的過程中可以有效地起到導(dǎo)流的作用。

圖27 柔性筒腔Fig.27 Flexible tube

5.2.3撒布質(zhì)量

圓盤傾角會(huì)影響散射角，降低散射角可以使射流具有更小的迎風(fēng)面，從而可以降低空氣阻力對射流的阻礙作用，起到提升拋射距離的作用，因此試驗(yàn)中將圓盤傾角設(shè)置為最大角度75°?，F(xiàn)為獲得更大的有效拋距，換用上述分析中的寬底外延傾斜四邊形刮肥板進(jìn)行定點(diǎn)拋射試驗(yàn)，并與矩形刮肥板的拋射效果和仿真拋射效果對比，如圖28所示。從圖中可以看出寬底外延傾斜四邊形刮肥板拋射的射流與矩形刮肥板拋射的射流相比有更小的散射角，形成了窄幅的射流，有效拋距11.6 m，遠(yuǎn)大于車身寬度，行走拋射覆蓋均勻，仿真拋射效果與實(shí)際拋射效果吻合度高。

圖28 撒布質(zhì)量對比Fig.28 Comparison of spreading quality

6 結(jié)論

(1)采用拋離區(qū)域夾角、最大拋離角、最小拋離角、散射角、上底邊寬、下底邊寬、有效拋距等參數(shù)可準(zhǔn)確描述傾斜對置圓盤側(cè)拋式拋撒裝置的射流形態(tài)，為進(jìn)一步研究拋射機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

(2)拋離角控制擋板可控制拋撒裝置底部的非受控肥料，最小拋離角隨拋離角控制擋板高度的增大而增大，最佳拋離角為30°，當(dāng)拋離角控制擋板高為140 mm、上導(dǎo)流板導(dǎo)出角為40°時(shí)，可將射流的拋離角控制在30°左右。有效拋距隨圓盤轉(zhuǎn)速增大而增大，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速大于700 r/min時(shí)有效拋距趨于不變，散射角隨圓盤傾角的增大而減小，實(shí)用傾角為75°。

(3)設(shè)計(jì)了寬底外延傾斜四邊形刮肥板，可顯著降低散射角，底部加寬并外延的設(shè)計(jì)可以控制兩刮肥板中間的非受控肥料，在與拋離角控制擋板的共同作用下可形成內(nèi)部無導(dǎo)向阻礙的柔性筒腔，拋射效果更好，提升有效拋距至11.6 m，并可形成窄幅的射流。