董萬(wàn)城,卜浩然,江鎮(zhèn),余思遙,張立新*,夏元清

(1 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000;2 北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院復(fù)雜系統(tǒng)智能控制與決策重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

新疆作為我國(guó)棉花作物的重要生產(chǎn)基地[1],可挖掘的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力巨大。棉花苗在生長(zhǎng)的過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行施肥,以促進(jìn)棉花苗的生長(zhǎng),合理的施肥技術(shù)可以滿足棉花對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需要,促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育,增加產(chǎn)量和改善品質(zhì)。大規(guī)模種植的棉花施肥都會(huì)用到施肥機(jī)械,以提高棉花施肥的效率,排肥器是施肥機(jī)的關(guān)鍵部件,目前,國(guó)內(nèi)外使用的排肥器形式主要有離心式、螺旋式、振動(dòng)式和外槽輪式等[2],外槽輪式排肥器因其操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有外槽輪式排肥器采用直齒輪式傳動(dòng)排肥較多[3-4],我們通過(guò)分析后認(rèn)為:直齒輪傳動(dòng)式排肥器相較于錐齒輪式傳動(dòng)排肥器更適應(yīng)于流動(dòng)性好的松散化肥顆粒,排肥穩(wěn)定性相對(duì)較差,會(huì)出現(xiàn)堵塞、斷條、漏施等現(xiàn)象,帶來(lái)化肥浪費(fèi)、排肥均勻性降低等問(wèn)題。

基于離散元法的EDEM軟件能夠通過(guò)建立顆粒系統(tǒng)的離散元參數(shù)化模型,進(jìn)行顆粒運(yùn)動(dòng)行為的模擬,近年來(lái)EDEM仿真在排肥器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面的研究應(yīng)用越發(fā)廣泛[5],頓國(guó)強(qiáng)等[6]設(shè)計(jì)了一種雙齒輪式排肥器,其對(duì)雙直齒輪關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)離散元仿真試驗(yàn)分析了排肥輪不同壓力角對(duì)排肥均勻性的影響,優(yōu)化了雙直齒輪式排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù);位國(guó)建等[7]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式強(qiáng)制排肥器,建立了排肥性能指標(biāo)與各影響因素之間的回歸方程,確定出最優(yōu)工作參數(shù)組合;汪博濤[8]應(yīng)用離散元法,以外槽輪工作長(zhǎng)度、排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥舌開口角度為試驗(yàn)因素,建立外槽輪排肥器工作參數(shù)與排肥量之間的數(shù)學(xué)模型。

歸納上述文獻(xiàn)的研究結(jié)果后發(fā)現(xiàn),對(duì)直齒輪式排肥器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究較多,針對(duì)帶式錐齒傳動(dòng)型排肥器的研究還相對(duì)較少,尤其缺少對(duì)排肥器錐齒輪傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的相關(guān)研究。針對(duì)上述研究現(xiàn)狀和排肥器存在排肥不穩(wěn)定、排肥流量較難控制的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)一種槽型輸送帶式排肥器,并對(duì)槽型輸送帶式排肥器的關(guān)鍵部件—錐齒輪副進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化,建立錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型,采用Matlab優(yōu)化工具箱對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解,然后根據(jù)求解結(jié)果確定槽型輸送帶式排肥器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),再利用Solidwoks軟件進(jìn)行三維建模,并應(yīng)用3D打印技術(shù)制造了槽型輸送帶式排肥器,最后利用EDEM軟件進(jìn)行排肥過(guò)程仿真,并與實(shí)際排肥過(guò)程排肥量進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,旨在為排肥器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 排肥器結(jié)構(gòu)與工作原理

槽型輸送帶式排肥器的結(jié)構(gòu)主要包括肥箱蓋、肥箱、排肥盒等結(jié)構(gòu),如圖1所示,其中:肥箱上部為方形下部為梯臺(tái)形的殼體結(jié)構(gòu),主要用于儲(chǔ)放肥料顆粒;排肥器上殼、排肥器下殼及其內(nèi)腔安裝的矩形傳動(dòng)軸、排量調(diào)節(jié)板、槽型同步帶、錐齒同步帶輪、小錐齒輪等結(jié)構(gòu)共同組成排肥盒;排肥盒前后端上下殼體之間設(shè)有矩形口,肥料顆粒由此進(jìn)入排肥盒,可以按照施肥要求將肥料顆粒均勻穩(wěn)定地排出。

槽型輸送帶式排肥器工作時(shí),外部動(dòng)力帶動(dòng)矩形傳動(dòng)軸和軸上的小錐齒輪套轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)錐齒同步帶輪和槽型同步帶運(yùn)動(dòng)。當(dāng)肥料箱中的肥料落入排肥盒中,可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)排量調(diào)節(jié)器,從而控制肥料與槽型同步帶的接觸寬度,以達(dá)到控制肥料排量的目的。槽型輸送帶式排肥器采用錐齒輪和帶輪傳動(dòng)的方式進(jìn)行傳動(dòng)排肥,相較于直齒輪傳動(dòng)等方式排肥更加穩(wěn)定,更能改善排肥流量的均勻性,從而有效提高施肥質(zhì)量和減少施肥成本。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與優(yōu)化

為滿足排肥器穩(wěn)定排肥和均勻排肥的要求,選用傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)能力強(qiáng)的錐齒輪傳動(dòng)方式進(jìn)行排肥傳動(dòng),同時(shí),錐齒輪副是排肥器中的關(guān)鍵部件,錐齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性決定了排肥效率、排肥質(zhì)量,因此,為了保證排肥裝置的平穩(wěn)運(yùn)行和排肥效率的穩(wěn)定,需要對(duì)錐齒輪的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

錐齒輪通常用于相交軸或相錯(cuò)軸之間的傳動(dòng),錐齒輪按齒向分為直齒、斜齒和曲線齒[9]。本文設(shè)計(jì)采用直齒錐齒輪且軸交角∑=90°,齒輪材料為ABS塑料,材料輕便且便于加工。圖2是直齒錐齒輪傳動(dòng)的幾何參數(shù)。

da1、da2—大、小齒輪齒頂圓直徑;R—錐距;b—齒寬;d1、d2—大小齒輪齒頂圓直徑分度圓直徑;δ1、δ2—大小齒輪分度圓錐角

2.1 基本參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)直齒錐齒輪副進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí),首先需要進(jìn)行小錐齒輪齒數(shù)z1的初選,然后根據(jù)齒面強(qiáng)度估算公式依次計(jì)算出其大端分度圓直徑d1、大端端面模數(shù)m、齒寬b等尺寸值,最后齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核,如果不滿足條件,則需要調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)直到滿足強(qiáng)度條件。

對(duì)排肥器的工作條件進(jìn)行分析可知:排肥輪最高轉(zhuǎn)速為60 r/min,最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩T為1.3 N·m,為滿足排肥器工作要求錐齒輪副材料選用ABS材料。ABS材料洛氏硬度為107HRC[10]。根據(jù)錐齒輪材料查得齒根彎曲疲勞許用應(yīng)力[σF]=60 MPa,齒面接觸疲勞許用應(yīng)力[σH]=158 MPa。

表1是根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)的錐齒輪基本參數(shù)。

表1 錐齒輪基本參數(shù)

2.2 MATLAB優(yōu)化設(shè)計(jì)

齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型建立一般包括三部分[11-12]:(1)設(shè)計(jì)變量。一般選用錐齒輪傳動(dòng)的基本幾何參數(shù)或性能參數(shù),主要包括齒輪齒數(shù)、模數(shù)、齒寬系數(shù)、螺旋角、變位系數(shù)等。(2)確定目標(biāo)函數(shù)。常見的目標(biāo)函數(shù)有體積(質(zhì)量)最小、承載能力最大、工作壽命最長(zhǎng)、振動(dòng)最小等。(3)選定約束條件。一般的約束條件是滿足接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度、齒數(shù)不少于發(fā)生根切的最小齒數(shù)、傳遞動(dòng)力的齒輪的模數(shù)不小于2 mm,齒寬不引起過(guò)大的載荷分布不均現(xiàn)象等。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量

本文以直齒錐齒輪副體積之和最小為優(yōu)化目標(biāo),可以保證在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí),盡量節(jié)約材料。目標(biāo)函數(shù)可表示為:

(1)

z2=u·z1cosδ2;

(2)

(3)

(4)

δ2=arctanu。

(5)

由式(1)可以看出,影響錐齒輪副體積的參數(shù)主要有大端端面模數(shù)m、齒數(shù)z和齒寬b,所以可將設(shè)計(jì)變量X設(shè)為

X=[m,z1,b]=[x1,x2,x3]。

(6)

2.2.2 約束條件

(1)直齒錐齒輪大端端面模數(shù)m應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1357—2008的規(guī)定,錐齒輪模數(shù)的取值范圍根據(jù)設(shè)計(jì)要求取m=2～8,模數(shù)m的約束條件為:

G1(X)=2-x1≤0;

G2(X)=x1-8≤0。

(2)直齒錐齒輪不采用變位時(shí),不發(fā)生根切的最小齒數(shù)為zmin=14,齒數(shù)z1約束條件可為:

G3(X)=14-x2≤0;

G4(X)=x2-25≤0。

(3)齒輪的齒寬b一般取整數(shù),錐齒輪的齒寬系數(shù)通常取?R=0.25～0.5,其約束條件為:

(4)根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求[13],應(yīng)滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度以下條件:

(7)

G7(X)=σH-[σH]≤0。

式(7)中KA為使用系數(shù),KV為動(dòng)載系數(shù),KHα、KHβ分別為接觸強(qiáng)度齒間、齒向載荷分配系數(shù);ZH為區(qū)域系數(shù);ZE為材料彈性影響系數(shù);Zε為接觸強(qiáng)度重合度系數(shù)。

(5)根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求,應(yīng)滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度以下條件:

(8)

G8(X)=σF-[σF]≤0。

式(8)中KFα、KFβ分別為彎曲強(qiáng)度齒間、齒向載荷分配系數(shù);YFa為齒形系數(shù);Ysa為應(yīng)力修正系數(shù);Yε為彎曲強(qiáng)度重合度系數(shù)。以上參數(shù)均根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取。

直齒錐齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為:

(9)

2.2.3 優(yōu)化求解

利用MATLAB軟件的優(yōu)化工具箱里的fmincon函數(shù)進(jìn)行求解。在基礎(chǔ)條件下確定出各個(gè)參數(shù)的數(shù)值及函數(shù)關(guān)系,并編寫出優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)文件(aim_1.m)和約束條件文件(const_1.m),并將常規(guī)的設(shè)計(jì)結(jié)果作為優(yōu)化求解的初始點(diǎn),調(diào)用fmincon函數(shù)來(lái)進(jìn)行求解。參數(shù)優(yōu)化程序Matlab代碼如下:

>>x0=[2.5 15 11];

A=[];b=[];Aeq=[];beq=[];

x1b=[2 14 9];

xub=[8 25 18];

options=optimset(′Display′,’iter-detailed′,’MaxFunEvals′,2000);

[x,fval,exitflag,output]=fmincon(′aim_1′,x0,A,

B,Aeq,beq,xlb,xub,′const_ 1′,opt ions)

運(yùn)行程序后可以得到如下求解結(jié)果:

X=[2.121 4 14.012 6 8.215 3];

對(duì)最后的運(yùn)行結(jié)果取標(biāo)準(zhǔn)值:m=2,z1=14,b=8。

大齒輪齒數(shù):

z2=z1·u=14×1.7=23.8;

取z2=24;

分度圓直徑:

d1=mz1=2×14=28 mm;

d2=mz2=2×24=48 mm;

節(jié)圓錐角:

δ2=90°-δ1=90°-30.466°=59.534°。

按上述程序優(yōu)化設(shè)計(jì),以直齒錐齒輪副體積之和最小為優(yōu)化目標(biāo),在保證錐齒輪模數(shù)、齒寬、疲勞強(qiáng)度等參數(shù)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和排肥作業(yè)要求的約束條件下,并對(duì)優(yōu)化結(jié)果取標(biāo)準(zhǔn)值后得到錐齒輪副的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為:m=2,z1=14,z2=24,b=8,d1=28,d2=48,δ1=30.466,δ2=59.534。

3 仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文槽型輸送帶式排肥器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性,對(duì)排肥裝置排肥過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文采用中國(guó)石油天然氣股份有限公司生產(chǎn)的含氮46.4%的尿素顆粒作為排肥對(duì)象,其球形率為93.6%,粒徑范圍1.2～3.0 mm。尿素顆粒屬于散粒物料,在仿真試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)為散粒體運(yùn)動(dòng)過(guò)程。使用離散元仿真軟件進(jìn)行分析時(shí),接觸模型是離散元仿真分析的基礎(chǔ),EDEM常用的接觸模型有Hertz Mindlin無(wú)滑動(dòng)模型、Hertz-Mindlin黏結(jié)接觸模型、線性黏附接觸模型線彈性接觸模型等。本文主要探討肥料顆粒之間、肥料顆粒與排肥器之間相互作用情況,因顆粒表面與排肥器內(nèi)腔材料表面幾乎沒(méi)有粘附力,所以可以采用Hertz-Mindin無(wú)滑動(dòng)接觸模型模擬各模型與之間的相互作用[14]。

3.1 仿真模型建立

根據(jù)EDEM軟件仿真的一般方法,需要建立肥料顆粒的離散元模型以及排肥器的三維實(shí)體模型。本文對(duì)尿素顆粒三維尺寸進(jìn)行測(cè)量,并計(jì)算其球形率,得出尿素顆粒樣本球形率大于90%,說(shuō)明該肥料顆粒整體具有較高球形分布特征,因此可以選擇球形作為肥料顆粒的三維仿真模型,肥料粒徑范圍為1.2～3.0 mm且粒徑分布符合正態(tài)分布,其粒徑均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.13、0.21 mm。在Solidworks中建立顆粒模型導(dǎo)入至EDEM中,并設(shè)置粒徑分布參數(shù)。尿素顆粒離散元模型如圖3所示。

圖3 尿素顆粒(a)及其仿真模型(b)

用Solidworks對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的槽型輸送帶式排肥器和尿素顆粒進(jìn)行三維建模,并導(dǎo)入到EDEM仿真軟件中。仿真試驗(yàn)開始前,在肥箱上方設(shè)置顆粒工廠,在顆粒工廠中將肥料顆粒的生成方式設(shè)置為生成位置隨機(jī)、動(dòng)態(tài)生成。設(shè)置計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的20%,仿真時(shí)間為5 s;同時(shí),為真實(shí)模擬排肥器的排肥過(guò)程必須要保證仿真過(guò)程肥箱中的肥料顆粒充足,從0 s開始沿垂直向下方向以初速度2 m/s自由下落,同時(shí)設(shè)置生成肥料顆粒1.6 kg/s,加快肥料顆粒生成速度,且肥料生成2 s后槽型輸送帶式排肥器開始排肥。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)定

在EDEM前處理模塊中,槽型輸送帶式排肥器和肥料顆粒的參數(shù)設(shè)定對(duì)仿真真實(shí)性有較大影響。通過(guò)測(cè)量可得尿素顆粒密度為1 341 kg/m3,其他肥料顆粒及排肥盒材料(ABS)仿真參數(shù),如碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和滾動(dòng)摩擦因數(shù)等仿真參數(shù)可參考相關(guān)的研究成果[15-17],具體參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 仿真參數(shù)

3.3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,影響排肥量的最大因素是排肥輪的轉(zhuǎn)速和開度[18-19]。排肥器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)由步進(jìn)電機(jī)控制,開度調(diào)節(jié)可通過(guò)改變槽型同步帶的工作槽長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本文通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)研究各影響因子對(duì)施肥效果的影響,在保證排肥器正常功能、結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)化的前提下,并參考文獻(xiàn)[20]研究結(jié)果,選定出同步帶開度、錐齒同步帶輪轉(zhuǎn)速參數(shù)的參數(shù)范圍。

(1)槽型同步帶開度L(同步帶的工作槽長(zhǎng))。固定轉(zhuǎn)速為40 r/min,槽型同步帶工作槽長(zhǎng)從10～45 mm設(shè)置8個(gè)水平,步長(zhǎng)設(shè)置為5 mm,每組試驗(yàn)重復(fù)3次且取平均值;

(2)錐齒同步帶輪轉(zhuǎn)速V。固定槽型同步帶工作槽長(zhǎng)為35 mm,轉(zhuǎn)速?gòu)?0～60 r/min設(shè)置5個(gè)水平,步長(zhǎng)設(shè)置為10 r/min,每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

以排肥量作為評(píng)價(jià)指標(biāo),單因素仿真試驗(yàn)因素水平表見表3。在EDEM軟件中設(shè)置排肥量監(jiān)測(cè)區(qū),計(jì)算監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)顆粒排放質(zhì)量,數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為0.1 s,排肥仿真過(guò)程如圖4所示。

表3 單因素仿真試驗(yàn)因素與水平

圖4 排肥仿真過(guò)程

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證槽型輸送帶式排肥器的可行性及實(shí)際作業(yè)性能,在石河子大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的排肥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),試驗(yàn)裝置由自主研發(fā)的試驗(yàn)臺(tái)架、步進(jìn)電機(jī)、槽型輸送帶式排肥器、肥箱、集肥紙盒等組成,排肥試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示。在石河子大學(xué)3D打印實(shí)驗(yàn)室制作打印槽型輸送帶式排肥器最佳結(jié)構(gòu)模型。

1—肥箱;2—排肥電機(jī);3—槽型輸送帶式排肥器;4—排肥管;5—試驗(yàn)臺(tái)架

以尿素為試驗(yàn)材料,設(shè)置錐齒同步帶輪轉(zhuǎn)速V為25、40 r/min,同步帶開度L為30、45 mm,試驗(yàn)時(shí)間為10 s,每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

4 結(jié)果與分析

4.1 槽型同步帶開度對(duì)排肥量的影響

仿真分析中設(shè)置錐齒同步帶輪轉(zhuǎn)速為40 r/min,隨同步帶開度的變化,排肥器單位時(shí)間內(nèi)的排肥量呈明顯線性增加(圖6),說(shuō)明可以通過(guò)改變同步帶開度來(lái)調(diào)節(jié)排肥速率。用y=ax+b形式的線性方程對(duì)排肥量變化曲線進(jìn)行擬合,結(jié)果如表4所示。

表4 40 r/min轉(zhuǎn)速下的線性擬合結(jié)果

圖6 40 r/min轉(zhuǎn)速下不同開度的排肥量曲線

從表4可以看出各組擬合結(jié)果校正決定系數(shù)都在0.9以上,表明模型具有較好的適用性。

取斜率a代表排肥器排肥速率,并對(duì)其進(jìn)行擬合,結(jié)果(圖7)顯示:排肥器排肥速率隨著同步帶開度的增加而增加,排肥速率與同步帶開度呈線性相關(guān),擬合曲線方程為:y=0.09x+0.56,R2=0.998。表明該排肥器可以通過(guò)改變同步帶的開度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)排肥速率的線性調(diào)整,其變化規(guī)律可以用于指導(dǎo)施肥作業(yè)。

圖7 40 r/min轉(zhuǎn)速下的排肥流量線性擬合

4.2 錐齒同步帶輪轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量的影響

仿真分析中設(shè)置同步帶開度為35 mm,結(jié)果(圖8)顯示:隨著同步帶輪轉(zhuǎn)速的增加,排肥器單位時(shí)間內(nèi)的排肥量呈明顯線性增加。表明可以通過(guò)改變同步帶輪轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)排肥速率。用y=ax+b形式的線性方程對(duì)排肥量變化曲線進(jìn)行擬合,結(jié)果如表5所示。

表5 35 mm開度下的線性擬合結(jié)果

圖8 35 mm開度下不同轉(zhuǎn)速的排肥量曲線

同理,對(duì)表5中斜率a進(jìn)行擬合,結(jié)果(圖9)顯示:排肥速率隨錐齒同步帶輪轉(zhuǎn)速的增加而線性增加,擬合曲線方程為:y=0.09x-0.04,R2=0.999。表明該排肥器可以通過(guò)改變轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)排肥速率的線性調(diào)整,其變化規(guī)律也可以用于指導(dǎo)施肥作業(yè)。

圖9 35 mm開度下的排肥流量線性擬合曲線

4.3 驗(yàn)證結(jié)果與分析

驗(yàn)證結(jié)果如表6所示,可知錐齒同步帶輪轉(zhuǎn)速與同步帶工作槽長(zhǎng)均可調(diào)節(jié)排肥器排肥量;在不同轉(zhuǎn)速水平(25、40 r/min)、開度水平(30、45 mm)條件下仿真值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差較小,最大誤差為4.54%,表明仿真試驗(yàn)結(jié)果可靠,排肥流量的均勻性得到了很大的改善。此外,經(jīng)過(guò)觀察還可以看出,排肥器能夠正常完成排肥作業(yè),所有的肥料都被均勻排出,沒(méi)有出現(xiàn)肥料殘留和堵塞的問(wèn)題。以上驗(yàn)證結(jié)果表明本文試驗(yàn)擬合方程可以用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

表6 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)了槽型輸送帶式排肥器,并通過(guò)理論計(jì)算和軟件分析對(duì)其關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確定了小錐齒輪模數(shù)為3,齒數(shù)14、齒寬11 mm;利用SolidWorks軟件對(duì)排肥器進(jìn)行三維建模,并利用3 D打印技術(shù)打印制造出排肥器。

(2)利用EDEM軟件進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn),分析了槽型同步帶開度、錐齒同步帶輪轉(zhuǎn)速對(duì)排肥器排肥量的影響,結(jié)果表明排肥器排肥量可調(diào)控且與槽型同步帶開度、錐齒同步帶輪轉(zhuǎn)速存在線性關(guān)系;對(duì)仿真排肥量進(jìn)行了臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn),驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相對(duì)誤差較小,最大誤差小于5%,表明本文仿真試驗(yàn)結(jié)果可靠。