古冬冬 張征 楊杰 曹再輝 景建群 李國強(qiáng)

摘要：為改進(jìn)高稈作物傳統(tǒng)撒播、條播施肥方式肥料利用率低問題，設(shè)計(jì)一種高地隙穴施肥作業(yè)車，該作業(yè)車扎穴施肥單體兩側(cè)安裝有探針傳感器，可以根據(jù)作物植株位置進(jìn)行精準(zhǔn)穴施肥?；赗ecurDynEDEM、EDEMANSYS對扎穴施肥機(jī)構(gòu)進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)—離散元、離散元—有限元仿真分析，并進(jìn)行扎穴排肥試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)明確扎穴施肥單體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和土壤成穴情況，量化施肥量與排肥器開度之間的函數(shù)關(guān)系；在扎穴施肥過程中，鴨嘴總變形為0.005 mm，等效應(yīng)力最大為4.142 2 MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度，鴨嘴不會(huì)發(fā)生應(yīng)力變形。扎穴排肥試驗(yàn)進(jìn)一步確定施肥單體的實(shí)用性，修正施肥量與排肥器開度之間的函數(shù)關(guān)系，可以針對不同農(nóng)作物調(diào)節(jié)排肥輪開度進(jìn)行精準(zhǔn)施肥。

關(guān)鍵詞：高地隙穴施肥作業(yè)車；中耕管理；穴施肥；排肥輪

中圖分類號：S224.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02005507

收稿日期：2023年3月17日 ?修回日期：2023年5月30日

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（232102111131）

第一作者：古冬冬，男，1981年生，河南鄭州人，博士，講師；研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備信息化。Email： wintergdd@126.com

通訊作者：楊杰，男，1976年生，陜西漢中人，博士研究生，副教授；研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備。Email： yangjie@ncwu.edu.cn

Simulation analysis and test of piercing fertilization monomer

Gu Dongdong1， Zhang Zheng1， Yang Jie1， Cao Zaihui2， Jing Jianqun3， Li Guoqiang4

（1. School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou，

450046， China； 2. Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management， Zhengzhou， 450005， China;

3. Xinxiang Huaxi Technology Co.， Ltd.， Xinxiang， 453800， China; 4. Institute of Agricultural Economics and

Information， Henan Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou， 450002， China）

Abstract：

In order to improve the problem of low fertilizer utilization rate of traditional sowing and strip sowing fertilization methods of tall crops， a hightech cavity fertilization operation vehicle was designed， and probe sensors were installed on both sides of the hole fertilization monomer of the operation vehicle， which could carry out accurate hole fertilization according to the position of crop plants. Based on RecurDynEDEM and EDEMANSYS， the multibody dynamicsdiscrete element， discrete elementfinite element simulation analysis of the pit fertilization mechanism was carried out， and the pit fertilization test was carried out， which clarified the movement mechanism of the pit fertilization monomer and the soil hole formation， and quantified the functional relationship between the amount of fertilizer application and the opening of the manure discharger， and the total deformation of the duckbill was 0.005 mm， and the maximum equivalent stress was 4.142 2 MPa， which was much smaller than the yield strength of structural steel， and the duckbill would not undergo stress deformation. The practicability of the fertilizer monomer was further determined， and the functional relationship between the amount of fertilizer applied and the opening of the fertilizer drainer was corrected， the opening of the manure discharge wheel could be adjusted for different crops for precise fertilization.

Keywords：

hightech cavity fertilization operation vehicle; cultivation management; hole fertilization; manure removal wheel

0 引言

我國四大平原為東北平原、華北平原（也稱黃淮海平原）、長江中下游平原、關(guān)中平原，其中長江中下游平原、關(guān)中平原主要由于河流沖積形成［1］。我國多地嚴(yán)禁在河道管理范圍內(nèi)種植高稈作物以方便行洪，東北平原和黃淮海平原大多種植高稈作物，如小麥、玉米、高粱和芝麻等［2］。很多高稈作物除了需要施基肥外，大都在中耕時(shí)期需要二次或多次追施氮肥來給其提供足夠的養(yǎng)分，進(jìn)而提高產(chǎn)量［3］。

傳統(tǒng)追肥方式大多為人工撒施或機(jī)器條施，尤其對玉米、高粱、煙草等單稈作物來說，極大地降低了肥料利用率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使土地富營養(yǎng)化，從而造成污染。所以針對單桿高稈作物，穴施肥不失為一種較好的施肥方式［4］。吳南等［5］基于搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種可以安裝在免耕播種機(jī)上的穴施肥裝置，可以實(shí)現(xiàn)玉米精量穴施肥農(nóng)業(yè)技術(shù)要求。

本文基于前人研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于高地隙作物施肥作業(yè)車的扎穴施肥單體，分別采用RecurDynEDEM耦合和EDEMANSYS單向耦合對該扎穴施肥單體進(jìn)行仿真分析，得出排肥輪開度與施肥量間的函數(shù)關(guān)系，查看其工作性能，通過實(shí)際扎穴施肥試驗(yàn)對肥輪開度與施肥量間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行修正。

1 高地隙中耕管理作業(yè)車與扎穴施肥單體結(jié)構(gòu)

1.1 中耕管理作業(yè)車結(jié)構(gòu)

如圖1所示，高地隙作物中耕管理作業(yè)車采用純電驅(qū)動(dòng)，主要包括車架、控制系統(tǒng)、磁鐵驅(qū)動(dòng)裝置、車輪轉(zhuǎn)向裝置及扎穴施肥單體等。其中扎穴施肥單體與車架采用螺栓連接固定，通過電動(dòng)推桿可以上下、左右調(diào)節(jié)其位置，施肥單體兩側(cè)和車架內(nèi)側(cè)安裝有探針傳感器，行駛過程中施肥單體內(nèi)測探針觸碰到作物植株即可導(dǎo)通磁鐵電源進(jìn)行扎穴施肥，施肥單體外側(cè)和車架內(nèi)側(cè)探針用來調(diào)節(jié)施肥單體水平位置以適應(yīng)不同行距。

1.2 扎穴施肥單體結(jié)構(gòu)介紹及工作原理

如圖2所示，扎穴施肥單體主要由固定豎排、運(yùn)動(dòng)豎排、動(dòng)力裝置、排肥裝置和扎穴裝置等組成。

1.固定豎排 2.彈簧卡 3.返程彈簧 4.電磁鐵底座

5.運(yùn)動(dòng)豎排 6.肥盒 7.鴨嘴 8.鴨嘴開合器 9.彈簧

10.排肥輪 11.肥量調(diào)節(jié)器 12.銷子 13.撥桿

其中排肥輪機(jī)構(gòu)如圖3所示，通過調(diào)節(jié)排肥輪和肥量調(diào)節(jié)器間開口距離控制落肥量的大小。

1.排肥輪 2.肥量調(diào)節(jié)器

扎穴施肥單體通過定豎排搭載至作業(yè)車，其中排肥輪上端有開口，扎穴前，排肥輪可接收從上方肥箱通過鋼絲軟管落下的肥料；進(jìn)行扎穴時(shí)，電磁鐵壓縮返程彈簧使動(dòng)豎排快速向下移動(dòng)，動(dòng)豎排上銷子撥動(dòng)撥桿進(jìn)而使排肥輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至底部時(shí)，排肥輪開口位置向下，此時(shí)肥料從排肥輪開口處落下且鴨嘴扎入土壤；運(yùn)動(dòng)豎排返程時(shí)，鴨嘴觸碰到鴨嘴開合器，迫使鴨嘴張開使肥料落入土壤，隨著運(yùn)動(dòng)豎排繼續(xù)提升，鴨嘴離開開合器受自身螺旋扭簧作用快速閉合，即完成一次扎穴施肥動(dòng)作，各流程示意圖如圖4所示，其中紅色圓點(diǎn)代表肥料顆粒。

2 扎穴施肥單體EDEMRecurDyn耦合仿真

RecurDyn是一款常用于求解運(yùn)動(dòng)情況和接觸形式復(fù)雜多樣的動(dòng)力學(xué)問題的多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，其自身支持參數(shù)化建模，還可導(dǎo)入很多主流CAD軟件建模文件，操作界面友好且求解結(jié)果較真實(shí)，廣泛應(yīng)用于航空航天、工程機(jī)械和汽車船舶等領(lǐng)域［6］。

EDEM是全球首個(gè)多用途離散元仿真分析軟件，因其自身可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式較為簡單，往往結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行含有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的模擬仿真，還可以與有限元仿真軟件耦合，對施加在機(jī)器零件的載荷進(jìn)行仿真分析，并將結(jié)果直接導(dǎo)出到所選的結(jié)構(gòu)分析工具中，廣泛用于農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、醫(yī)療器械等行業(yè)［7］。

2.1 扎穴施肥單體多體動(dòng)力學(xué)建模

利用Creo裝配扎穴施肥單體各零部件并將相對靜止的零部件進(jìn)行重組成為一個(gè)整體［8］，如圖5所示。為探究肥盒開口大小對施肥量的影響，開度設(shè)置為5～30 mm，每間隔5 mm為一個(gè)開度，分別將裝配體另存為“.stp”格式依次導(dǎo)入RecurDyn中，分別對各零部件添加約束如表1所示。

在添加完所有約束后，在鴨嘴與運(yùn)動(dòng)豎排之間添加旋轉(zhuǎn)扭簧，鴨嘴控制器與固定豎排之間添加拉伸彈簧，運(yùn)動(dòng)豎排中銷子與排肥輪中撥桿之間添加接觸，鴨嘴與運(yùn)動(dòng)豎排之間添加接觸，給運(yùn)動(dòng)豎排與固定豎排之間移動(dòng)副添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)，結(jié)合實(shí)際工況，驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為285×step（time，0.5，0，0.7，0.25）+285×step（time，0.95，0，1.25，-0.25），最后將所有零部件添加為wall導(dǎo)出并在External SPI打開Connect耦合接口［9］。

2.2 離散元物料建模

該試驗(yàn)所用的肥料為生產(chǎn)活力壯尿素（粒度范圍：直徑為0.85～2.80 mm，GB/T 2440—2001，N含量≥46%）［10］。首先設(shè)置尿素顆粒和施肥單體模型的材料泊松比、密度和彈性模量，如表2所示。尿素顆粒設(shè)置為物理半徑1.0 mm的單球形顆粒，粒徑分布選擇uesr defined，其中物理半徑0.6 mm占20%，1.0 mm占40%，1.4 mm占20%，接觸模型選擇HertzMindlin （no slip）模型［11］，各材料間接觸參數(shù)如表3所示。

2.3 扎穴施肥單體離散元物料建模

在設(shè)置完尿素顆粒材料屬性后，在肥盒上方位置建立一個(gè)Cylinder作為尿素的顆粒工廠，采用靜態(tài)填充方式并設(shè)置瞬間填滿［12］，模擬肥箱內(nèi)經(jīng)鋼絲軟管落下的肥料，將RecurDyn導(dǎo)出的walls導(dǎo)入至EDEM中幾何模型，如圖6所示。

為方便后期統(tǒng)計(jì)落肥量，計(jì)算域在施肥單體原幾何尺寸基礎(chǔ)上向重力方向正方向延伸一段，具體位置以（-135 mm， -800 mm， 785 mm）位置為原點(diǎn)建立長方體，X、Y、Z方向長度分別為110 mm、450 mm、875 mm，重力方向?yàn)閅軸負(fù)方向，大小為9.81 m/s2。在完成前處理后，求解設(shè)置中瑞麗時(shí)間步長設(shè)置為2.3×10-6，仿真時(shí)長為1.5 s，為更準(zhǔn)確查看各時(shí)刻尿素顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將保存間隔均設(shè)置為0.01 s，單元格大小設(shè)置為3倍半徑，最后將EDEM設(shè)置為待耦合狀態(tài)，在RecurDyn中開始計(jì)算。

2.4 離散元仿真結(jié)果分析

如圖7所示，分別在排肥輪位置和鴨嘴下方建立Grid Bin Group，統(tǒng)計(jì)充肥量（軟管中單次落入排肥輪的肥料質(zhì)量）和單次落肥質(zhì)量并計(jì)算落肥率（單次扎穴落肥量與充肥量的比值），分別將各組統(tǒng)計(jì)質(zhì)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入origin生成折線圖如圖8所示［13］?？梢钥闯?，落肥量、充肥量和落肥率均與開度成正相關(guān)，其中落肥量、落肥率與開度線性相關(guān)性最強(qiáng)，而在開度≤15 mm時(shí)充肥量增量較大，開度＞15 mm時(shí)充肥量增量變緩，這是因?yàn)殚_度較小時(shí)肥料顆粒間較擁擠，受到顆粒間摩擦阻力作用容易發(fā)生堵塞，實(shí)際工況中，隨著作業(yè)車行駛過程中產(chǎn)生振動(dòng)，該情況會(huì)改觀。

將落肥量數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS對其進(jìn)行單因子回歸分析，得出排肥輪開度這個(gè)因素的模型摘要、ANOVA如表4、表5所示［14］，可以看出，排肥輪開度對落肥量影響的顯著性極大，求解得到落肥量w與開度大小l函數(shù)關(guān)系式為w=0.264l-1.218，可根據(jù)該方程得出肥量調(diào)節(jié)器各刻度值對應(yīng)的施肥質(zhì)量，在不同農(nóng)作物田間工作時(shí)，可根據(jù)作物所需施肥量將調(diào)節(jié)器調(diào)至對應(yīng)刻度值。

3 EDEMANSYS單向耦合仿真

ANSYS是一款多用途的有限元仿真分析軟件，主要包括前處理、分析計(jì)算和后處理三個(gè)模塊［15］，可以完成結(jié)構(gòu)分析、電磁場分析、壓電分析以及多物理場等的耦合分析，借助EDEM_Addin插件可實(shí)現(xiàn)與EDEM的單向耦合［16］，進(jìn)而對EDEM離散元仿真過程中設(shè)備結(jié)構(gòu)受力等情況進(jìn)行具體分析。

3.1 EDEM土壤顆粒床創(chuàng)建

土壤顆粒選用帶有一定黏性的土質(zhì)，各參數(shù)指標(biāo)參考EDEM軟件內(nèi)置“2_NonCompressibleStickyMaterial”示例，具體參數(shù)見表6，接觸模型選擇JKR模型，Surface Energe為3.57 J/m2［17］。

根據(jù)仿真預(yù)試驗(yàn)確定土壤床位置及尺寸，建立box用來盛放土壤顆粒，顆粒工廠選擇靜態(tài)完全填充，因EDEM軟件靜態(tài)填充時(shí)，顆粒間存在微小縫隙，多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顆粒自然沉降后高度為box高度的2/3左右，確定最終box質(zhì)心位置為（-100， -490， 830），尺寸（長×寬×高）為200 mm×200 mm×200 mm，待顆粒填充沉降達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)導(dǎo)出土壤顆粒床，如圖9所示。

3.2 EDEM參數(shù)設(shè)置

將導(dǎo)出的土壤床作為顆粒工廠，同時(shí)將RecurDyn輸出的walls模型導(dǎo)入到EDEMGeometry，如圖10所示，計(jì)算域采用自動(dòng)生成，重力方向?yàn)閅軸負(fù)方向，瑞麗時(shí)間步長為9×10-7，仿真時(shí)長設(shè)置為1.2 s，保存間隔和單元格大小采用上述相同設(shè)置，最后將EDEM設(shè)置為待耦合狀態(tài)，在RecurDyn中開始計(jì)算。

3.3 ANSYS參數(shù)設(shè)置

EDEM仿真計(jì)算結(jié)束后，將鴨嘴受力數(shù)據(jù)以“.axdt”格式導(dǎo)出，在ANSYS軟件中建立EDEM和Static Structural兩個(gè)模塊，在ANSYSDEM solutionsresult窗口讀取“.axdt”文件，將扎穴施肥單體模型導(dǎo)入ANSYS并把EDEMresults與Static StructuralSetup共享［18］，為了方便查看鴨嘴在扎穴過程中受力情況，在ANSYSDM中將其他零部件作抑制處理并導(dǎo)入EDEM傳輸?shù)妮d荷，對鴨嘴旋轉(zhuǎn)軸位置添加約束并自動(dòng)劃分網(wǎng)格，如圖11所示。

3.4 耦合仿真結(jié)果分析

在RecurDyn后處理導(dǎo)出扎穴施肥單體運(yùn)動(dòng)豎排運(yùn)動(dòng)情況曲線，如圖12所示，為了方便查看土壤成穴狀態(tài)，將鴨嘴以外其他walls和box作隱藏處理，在EDEM后處理建立一個(gè)垂直于XY的平面并啟用，結(jié)合運(yùn)動(dòng)曲線查看各時(shí)刻扎穴狀態(tài)［19］。

0.50～0.70 s為向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)鴨嘴進(jìn)行扎穴，由圖13（a）～圖13（c）可以看出，鴨嘴前下方土壤被擠壓；0.70～0.95 s，由圖13（c）～圖13（d）可以看出運(yùn)動(dòng)豎排到達(dá)最低位置，此時(shí)鴨嘴深入土壤；0.95～1.20 s，由圖13（e）～圖13（g）可以看出運(yùn)動(dòng)豎排向上提升，此時(shí)鴨嘴張開，肥料落入土壤，土壤成穴形狀如圖13（h）所示。

在ANSYS仿真結(jié)果中分別添加total deformation和equivalent stress進(jìn)行求解，鴨嘴等效應(yīng)力云圖和位移總變形云圖如圖14、圖15所示，總變形最大位置在鴨嘴末端位置，為0.005 mm，等效應(yīng)力最大位置在鴨嘴旋轉(zhuǎn)軸位置附近，為4.142 2 MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度（235 MPa），滿足使用要求。

4 扎穴排肥試驗(yàn)

4.1 材料與方法

參照J(rèn)B/T 7864—2013《中耕追肥機(jī)》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法［20］，于2022年10月在華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)扎穴排肥試驗(yàn)。試驗(yàn)器材包括：掛載扎穴施肥單體的作業(yè)車、種植在花盆中的玉米植株模型、米尺、塑料碗、電子秤等。試驗(yàn)前，將栽有玉米植株模型的花盆按照行距600 mm、株距250 mm擺放，為了方便測量單次施肥質(zhì)量，將塑料碗擺放在花盆旁邊施肥單體扎穴位置，用來接收施肥單體落下的肥料。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

打開行駛開關(guān)，使作業(yè)車緩慢行駛，當(dāng)探針傳感器觸碰到植株模型時(shí)進(jìn)行扎穴施肥，稱量每個(gè)塑料碗中落肥質(zhì)量，取每排左右2個(gè)落肥質(zhì)量平均值作為單次落肥量，收集落肥數(shù)據(jù)并記錄于表7。

將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)平均值和仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin得出施肥質(zhì)量與排肥輪開度之間的直方圖如圖16所示，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS對排肥輪開度與施肥量見函數(shù)關(guān)系式修正為w=0.740l-1.057。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該施肥單體可以實(shí)現(xiàn)田間扎穴施肥工作，其中在開度為5 mm和10 mm時(shí)，試驗(yàn)組落肥量較仿真組落肥量相差5倍以上，這是因?yàn)榉抡鏃l件較為理想，開度較小時(shí)，尿素顆粒之間存在的靜摩擦力作用導(dǎo)致部分顆粒堆積在接肥口位置無法落下，而實(shí)際工況中，隨著作業(yè)車行駛過程中產(chǎn)生振動(dòng)，堆積情況大大減弱，其他開度情況下，試驗(yàn)組落肥量較仿真組落肥量相差1.5～3倍之間，誤差在允許范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

本文分別基于RecurDynEDEM和EDEMANSYS就高地隙中耕管理作業(yè)車扎穴施肥單體進(jìn)行仿真分析，明確了扎穴施肥單體的落肥扎穴機(jī)理。

1） ?通過Origin和SPSS對仿真結(jié)果繪圖并進(jìn)行單因素回歸分析，得出了充肥量、施肥量與肥量調(diào)節(jié)器的正相關(guān)關(guān)系，并求出其落肥量與肥量調(diào)節(jié)器刻度之間的具體函數(shù)關(guān)系為w=0.264l-1.218，可以根據(jù)不同農(nóng)作物所需施肥量調(diào)節(jié)至對應(yīng)刻度。

2） ?通過RecurDynEDEM耦合仿真分析明確了扎穴過程運(yùn)動(dòng)機(jī)理及土壤成穴過程，通過EDEMANSYS單向耦合仿真對鴨嘴部件扎入土壤過程進(jìn)行應(yīng)力分析，總變形為0.005 mm，等效應(yīng)力最大為4.142 2 MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度，滿足使用要求。

3） ?通過扎穴排肥試驗(yàn)，作業(yè)車可以實(shí)現(xiàn)在作物植株附近進(jìn)行扎穴施肥，并將落肥量與肥量調(diào)節(jié)器刻度之間的函數(shù)修正為w=0.740l-1.057。

參 考 文 獻(xiàn)

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