郭厚強,張 瑾,李同杰*

(1.安徽科技學院 機械工程學院,安徽 鳳陽 233100;2.安徽省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)工程研究所,安徽 合肥 230001)

化肥大量施用不僅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、浪費資源,嚴重的還會污染水土,造成土壤酸化板結(jié)等,因而化肥減量增效成為農(nóng)業(yè)發(fā)展亟須解決的問題[1]。水稻側(cè)深施肥技術(shù)作為我國近年來主要推廣的農(nóng)業(yè)技術(shù)之一,對于保障糧食穩(wěn)定安全生產(chǎn)有重要意義[2]。為達到化肥節(jié)本增效的目的,要使用先進的農(nóng)業(yè)機械進行化肥深施[3]。水稻機插秧同步側(cè)深施肥比常規(guī)撒施肥既能減少化肥用量,又能增產(chǎn)增效[4],具有肥料利用率高、作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的顯著特點[5]。排肥器作為施肥機具的核心部件[6],可按照目標施肥量進行可控施肥。因此設計研究性能優(yōu)異的排肥器意義重大。目前側(cè)深施肥裝置所用的排肥器主要有螺旋式、外槽輪式、氣送式等類型[7],其中螺旋式排肥器有對肥料物理特性要求低、可解決顆粒狀肥料因潮濕堵塞排肥管路、可方便調(diào)節(jié)排肥量等優(yōu)勢[8]。

本研究以排肥器中的雙向螺旋式排肥器和肥料顆粒為研究對象,對雙向螺旋式排肥器進行設計,在EDEM中建立離散元模型,仿真分析雙向螺旋式排肥器的排肥過程,并獲取排肥性能數(shù)據(jù),以驗證其施肥性能。

1 雙向螺旋式排肥器結(jié)構(gòu)設計、模型參數(shù)確定

本研究對象是雙向螺旋式排肥器和顆粒肥料,主要研究雙向螺旋式排肥器作業(yè)時的排肥性能。首先對雙向螺旋式排肥器的結(jié)構(gòu)進行設計,并確定其模型參數(shù),建立三維模型。

1.1 雙向螺旋式排肥器結(jié)構(gòu)設計

雙向螺旋式排肥器主要由雙向排肥螺旋軸、肥料箱、螺旋殼體、排肥口、擋片等組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。其關(guān)鍵部件雙向排肥螺旋軸在電機驅(qū)動下,與螺旋殼體共同作用,將肥料箱中的顆粒肥料輸送到排肥器兩端的排肥口處排出,實現(xiàn)單個排肥器同時施兩行肥的排肥作業(yè)。雙向排肥螺旋軸由一對旋向相反的單線螺旋組成,可調(diào)節(jié)單圈排肥量和轉(zhuǎn)速以改變排肥量,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 雙向螺旋式排肥器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure ofthe bidirectional spiral fertilizer device注：1為肥料箱;2為螺旋殼體;3為排肥口一;4為排肥口二;5為擋片;6為雙向排肥螺旋軸。

圖2 雙向排肥螺旋軸的結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of the bidirectional screw注：D為雙向排肥螺旋軸外徑;d為雙向排肥螺旋軸內(nèi)徑;S為雙向排肥螺旋螺距;b為螺牙厚度;h為螺牙深度。

1.2 雙向螺旋式排肥器模型參數(shù)確定

雙向排肥螺旋軸是雙向螺旋式排肥器的關(guān)鍵部件,其單圈排肥量的大小是決定雙向螺旋式排肥器排肥能力的重要指標,因此根據(jù)螺旋輸送機構(gòu)的工作原理對其進行設計。單圈排肥量理論值q0(g/r)的計算公式如下：

q0=2[π(D2-d2)S/4-bhLa]ρφ×10-3

(1)

由式(1)可知,雙向螺旋式排肥軸的單圈排肥量與結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d、S、b、ρ和φ有關(guān)。為滿足不同排肥量的要求,優(yōu)選采用固定雙向排肥螺旋軸單圈排肥量,通過電機調(diào)節(jié)控制雙向排肥螺旋軸轉(zhuǎn)速的方式,調(diào)節(jié)雙向螺旋式排肥器的排肥量。

本裝置以3個單體為一組搭載于井關(guān)PZ60D高速插秧機實現(xiàn)6行施肥。根據(jù)施肥作業(yè)要求：插秧同步施肥作業(yè)效率0.40～0.80 hm2/h、施肥量450～600 kg/hm2、寬幅1.8 m、行進速度0～1.8 m/s,設計雙向螺旋式排肥器的雙向排肥螺旋軸。根據(jù)式(1)將雙向排肥螺旋軸結(jié)構(gòu)參數(shù)設定為外徑50 mm、內(nèi)徑16 mm、螺距40 mm、螺牙厚度3 mm。其中排肥口角度設置為135°。由于該排肥器水平放置,輸送物料為顆粒肥料,物料的填充系數(shù)一般控制在60%以下,因此雙向螺旋式排肥器填充系數(shù)φ取值0.55[9]。

根據(jù)式(2)計算得雙向排肥螺旋軸的最高轉(zhuǎn)速為125.2 r/min,則根據(jù)施肥量要求雙向螺旋式排肥器單體的單圈排肥量應不低于31.0 g/r。

(2)

其中,n為雙向排肥螺旋軸轉(zhuǎn)速,r/min;nmax為排肥螺旋軸的臨界轉(zhuǎn)速,r/min;A為物料綜合特性系數(shù),A=28[10]。

2 肥料顆粒離散元模型建立與參數(shù)設定

2.1 肥料顆粒離散元模型

為獲得顆粒肥料的仿真模型,從安徽輝隆集團五禾生態(tài)肥業(yè)有限公司生產(chǎn)的復合肥料(N-P2O2-K2O)中隨機取100粒肥料,并測量三軸尺寸。根據(jù)等效直徑計算公式(3),可得顆粒等效直徑D為3.30 mm。

(3)

其中,D為等效直徑,mm;L為平均長度,mm;W為平均寬度,mm;H為平均厚度,mm。

在EDEM中創(chuàng)建半徑為1.65 mm肥料顆粒仿真模型(圖3),按正態(tài)分布生成(0.75～1.25)r的顆粒仿真模型。

圖3 肥料顆粒仿真模型Fig.3 Simulation model of fertilizer particle

2.2 仿真參數(shù)設定

根據(jù)離散元仿真要求,仿真前需確定相關(guān)參數(shù),包括泊松比、密度、靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)等[11-12]。

肥料顆粒無彈性、塑性變形,可視為剛性體,所以肥料顆粒與肥料顆粒、肥料顆粒與排肥器幾何體之間的接觸模型,選用Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型[13]。本研究所使用的顆粒肥料(復合肥)、雙向螺旋式排肥器材料(PLA塑料)及各材料之間的物理特性參數(shù)[14]如表1所示。

表1 離散元仿真模型參數(shù)Table 1 Discrete element model parameters

3 試驗指標獲取方法

3.1 網(wǎng)格劃分方法

為研究雙向螺旋式排肥器在工作時的排肥性能,參照NY/T 1003—2006中評價排肥均勻性試驗方法,以相當于正常作業(yè)速度驅(qū)動機具通過測區(qū)并排肥,沿其前進方向按10 cm長度連續(xù)等分不少于30段,分別收集掉落在各小段內(nèi)的肥料并稱量其質(zhì)量,測量精度為0.1 g,并采用網(wǎng)格劃分的方法對該排肥器的排肥性能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計[15]。

網(wǎng)格劃分時,對2個排肥口的試驗區(qū)進行網(wǎng)格劃分以獲得監(jiān)控排肥質(zhì)量的監(jiān)控區(qū)。沿Z軸正方向?qū)?個排肥口的試驗區(qū)按100 mm長度連續(xù)取30個分段,使每個試驗區(qū)劃分出30個長100 mm、寬100 mm的網(wǎng)格作為監(jiān)控區(qū),分別統(tǒng)計每個監(jiān)控區(qū)的各個網(wǎng)格中的肥料質(zhì)量,排肥質(zhì)量統(tǒng)計網(wǎng)格劃分設置如圖4所示。

圖4 排肥質(zhì)量統(tǒng)計網(wǎng)格劃分設置Fig.4 Setting of fertilizer discharge statistical section注：1為排肥口一試驗區(qū);2為排肥口二試驗區(qū);Z為雙向螺旋式排肥器沿U型集肥槽水平行進方向。

3.2 排肥均勻性變異系數(shù)計算方法

通過式(4)～(6)統(tǒng)計每個監(jiān)控區(qū)各統(tǒng)計網(wǎng)格中肥料顆粒的平均質(zhì)量、標準差及排肥均勻性變異系數(shù)。以各統(tǒng)計網(wǎng)格之間的排肥均勻性變異系數(shù)作為評價指標,分析雙向螺旋式排肥器的排肥性能,重復3次試驗。

(4)

(5)

(6)

各統(tǒng)計網(wǎng)格間的排肥均勻性變異系數(shù)越小,則排肥器的排肥均勻性越好,排肥性能就越好。

3.3 單圈排肥量試驗值測量方法

單圈排肥量的大小是決定雙向螺旋式排肥器排肥能力的重要指標,因此需在工作中對設計的雙向螺旋式排肥器的單圈排肥量大小進行測量,單圈排肥量試驗值q1(g)可按照式(7)計算：

(7)

其中,M為兩監(jiān)控區(qū)中排肥質(zhì)量總量,g;K為排肥軸在試驗監(jiān)控區(qū)中轉(zhuǎn)動圈數(shù);L0為監(jiān)控區(qū)長度,L0=3 m;v為高速插秧機行進速度,m/s;m1i、m2i分別表示單次試驗的試驗一區(qū)、試驗二區(qū)中第i個網(wǎng)格內(nèi)肥料顆粒的總質(zhì)量,g;n為雙向螺旋排肥雙向排肥螺旋軸轉(zhuǎn)速,r/min。

3.4 排肥量計算方法

雙向螺旋式排肥器排肥量為單位時間內(nèi)從2個排肥口排出的肥料總質(zhì)量。則雙向螺旋式排肥器的排肥量理論值Q0(g/s)、試驗值Q1(g/s),可分別根據(jù)公式(8)～(9)計算：

(8)

(9)

4 仿真試驗與分析

4.1 EDEM軟件仿真界面的試驗參數(shù)設定

在EDEM中定義雙向螺旋式排肥器水平沿Z正方、速度0.5 m/s,沿Z正方向,雙向排肥螺旋軸轉(zhuǎn)速為nr/min,繞其軸線逆時針旋轉(zhuǎn)。顆粒工廠中,肥料顆粒為動態(tài)生成,從0 s開始沿Y軸負方向以初速度2 m/s自由下落,每秒生成25 000顆,共計60 000顆肥料顆粒。設置2個并列的U型集肥槽,以收集并觀察顆粒肥料從排肥器中排出后的分布狀況。長5 000 mm、寬80 mm、高50 mm,在雙向螺旋排肥器排肥口下方50 mm處,并自動更新離散元仿真的值域。仿真模型運動參數(shù)設置如下：

顆粒工廠肥料顆粒在0～2.5 s內(nèi)生成,方向沿負Y方向,速度設置為0.2 m/s;雙向排肥螺旋軸在4～16 s內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動,繞X軸逆時針旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速設置為nr/min;雙向螺旋式排肥器在6～16 s內(nèi)沿X正方向水平運動。

在Simulator模塊中設置計算時間步長為20%的Rayleigh時間,總仿真時間為16 s,每0.2秒保存1次數(shù)據(jù);仿真網(wǎng)格設為2.5倍的顆粒半徑。

仿真結(jié)束后,在Analyst模塊中設置如圖4所示的排肥質(zhì)量統(tǒng)計網(wǎng)格,以統(tǒng)計監(jiān)控區(qū)肥料顆粒質(zhì)量。

4.2 仿真過程

雙向螺旋式排肥器行進速度v為0.5 m/s,排肥軸轉(zhuǎn)速n為105 r/min,仿真時間至第9秒的仿真試驗過程,如圖5所示。肥料顆粒由排肥口排至試驗區(qū),各個網(wǎng)格自動統(tǒng)計肥料顆粒總質(zhì)量。

圖5 仿真試驗過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of simulation test process注：1為顆粒肥料;2為雙向螺旋式排肥器;3為排肥口一試驗區(qū);4為排肥口二試驗區(qū);5為肥量監(jiān)控區(qū)。Z表示雙向螺旋式排肥器沿U型集肥槽水平行進方向。

4.3 仿真結(jié)果與分析

4.3.1 仿真結(jié)果 通過EDEM軟件獲得仿真試驗數(shù)據(jù),分別統(tǒng)計每個試驗監(jiān)控區(qū)的30個統(tǒng)計網(wǎng)格中肥料顆粒質(zhì)量。根據(jù)試驗指標獲取方法對排肥質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理,如表2所示。

4.3.2 排肥轉(zhuǎn)速對排肥均勻性的影響 根據(jù)表2數(shù)據(jù),在不同排肥螺旋軸轉(zhuǎn)速下,分別對雙向螺旋式排肥器的排肥口一、排肥口二的排肥均勻性變異系數(shù)進行單因素方差分析,如表3所示。

表2 雙向螺旋式排肥器不同排肥轉(zhuǎn)速下離散元仿真排肥結(jié)果Table 2 Discrete element simulation results of bidirectional spiral fertilizer drainer

根據(jù)表2,可得如圖6所示的排肥轉(zhuǎn)速與排肥均勻變異系數(shù)的關(guān)系圖。由表2、圖6可知,雙向螺旋式排肥器行進速度為0.5 m/s、雙向螺旋排肥轉(zhuǎn)速為30～120 r/min時,排肥均勻性變異系數(shù)為2.7%～20.8%,符合施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范中移栽施肥機械排肥均勻性≤40%的要求。

由表3可知,排肥口一、排肥口二的排肥均勻性變異系數(shù)P值均小于0.01,且R2≥0.98,說明排肥轉(zhuǎn)速對排肥均勻性影響極為顯著。

表3 排肥均勻性變異系數(shù)單因素方差分析Table 3 One-way ANOVA of the variation of fertilizer uniformity of fertilizer discharge

由圖6可知,雙向螺旋式排肥器行進速度為0.5 m/s、排肥轉(zhuǎn)速為90～120 r/min時,2個排肥口排肥均勻性變異系數(shù)穩(wěn)定在2.7%～4.9%。根據(jù)施肥質(zhì)量評價標準,排肥均勻性變異系數(shù)越小,排肥均勻性越好。因此在排肥作業(yè)過程中,可優(yōu)選的控制雙向排肥螺旋軸轉(zhuǎn)速為90～120 r/min,使得該排肥器的排肥均勻性處于較優(yōu)狀態(tài)。

圖6 排肥轉(zhuǎn)速對排肥均勻變異系數(shù)的影響Fig.6 Effects of rotational speed on uniform variation coefficient of fertilizer discharge

4.3.3 單圈排肥量比較分析 根據(jù)公式(1)以及復合肥顆粒密度ρ計算,雙向螺旋式排肥器單圈排肥量理論值Q0為127.6 g/r,則單個排肥口單圈平均排肥量為62.8 g/r,滿足最低31.0 g/r的設計要求。

根據(jù)公式(7)及表2,雙向螺旋式排肥器單圈排肥量試驗值Q1平均值為126.1 g,即單圈排肥量試驗值平均值與理論值計算相差1.2%,說明設計的雙向螺旋式排肥器模型結(jié)構(gòu)合理,符合設計要求。

4.3.4 排肥量比較分析 根據(jù)表2可知,在高速插秧機行進速度為0.5 m/s、排肥轉(zhuǎn)速為30～120 r/min時,排肥量理論值與試驗值的誤差在0.4%～2.38%,說明雙向螺旋式排肥器排肥量試驗值與理論值誤差較小。

根據(jù)表2,將排肥螺旋軸轉(zhuǎn)速與排肥量試驗值進行線性擬合,回歸曲線如圖7所示。回歸數(shù)學模型擬合度R2為0.99,表明曲線擬合好,排肥轉(zhuǎn)速與排肥量呈線性正相關(guān)關(guān)系,如式(10)所示。

圖7 排肥轉(zhuǎn)速對排肥量的影響Fig.7 Effects of rotation speed on fertilizer discharge

y=2.110 8x-0.289 2

(10)

其中,y為排肥量,g/s;x為雙向螺旋排肥軸排肥轉(zhuǎn)速,r/min。

5 結(jié)論

采用離散元仿真技術(shù)對雙向螺旋式排肥器排肥作業(yè)過程進行仿真分析,獲得在高速插秧機正常行進、不同排肥轉(zhuǎn)速下的該排肥器排肥質(zhì)量數(shù)據(jù),并進行數(shù)據(jù)處理分析以驗證其排肥性能。結(jié)果表明,當高速插秧機正常行進且排肥轉(zhuǎn)速為30～120 r/min時,排肥均勻性變異系數(shù)為2.7%～20.8%,符合施肥質(zhì)量評價標準,且在90～120 r/min排肥轉(zhuǎn)速下,排肥均勻性變異系數(shù)穩(wěn)定在2.7%～4.9%,單圈排肥量的理論值與試驗值誤差小于1.2%,排肥量理論值與試驗值誤差小于2.38%。綜上,本研究設計的雙向螺旋式排肥器模型合理,其排肥性能符合施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范,可為雙向螺旋式排肥器的優(yōu)化設計和雙向螺旋式水稻側(cè)深施肥機精準排肥提供參考。