傾斜對置圓盤側(cè)拋式有機(jī)肥撒播機(jī)設(shè)計及關(guān)鍵部件研究

劉宏新，王佳興，蘇 航，安晶玉

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

側(cè)式撒肥機(jī)撒肥關(guān)鍵部件安裝在載料箱側(cè)部，隨車前進(jìn)過程中對側(cè)面區(qū)域施肥，作用區(qū)域較大且控制靈活，避免整機(jī)田間反復(fù)行駛，工作效率較高。目前國內(nèi)尚未開展側(cè)式撒肥機(jī)研究，國外僅法國庫恩公司生產(chǎn)錘片式有機(jī)肥側(cè)拋機(jī)[1]，但其工作時，物料與關(guān)鍵部件錘片間沖擊力較大，降低產(chǎn)品使用壽命[2]。為解決錘片式撒肥部件可靠性低問題，設(shè)計一種拋撒形式柔和傾斜對置圓盤側(cè)拋式有機(jī)肥撒播機(jī)，達(dá)到與錘片式撒肥機(jī)相同拋撒效果，為其生產(chǎn)和推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該裝置由物料拋撒裝置，牽引式底盤及傳動系統(tǒng)組成；物料拋撒裝置主要包括載料箱，物料輸送系統(tǒng)（高位輸送攪龍，低位輸送攪龍），圓盤安裝架中傾斜對置安裝的拋撒雙圓盤。輸送攪龍的動力來自傳動箱中的齒輪減速傳動，圓盤動力源自液壓系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

拖拉機(jī)動力輸出軸通過傳動箱減速將動力傳遞至攪龍，物料沿輸送攪龍運(yùn)至卸料口，為防止物料堆積在圓盤安裝架內(nèi)影響圓盤轉(zhuǎn)動，此時喂料口關(guān)閉。

裝置工作時，通過液壓缸活塞桿將喂料口打開，擊打低位攪龍撥片將肥料喂入圓盤安裝架，圓盤安裝架中安裝兩個撒肥圓盤，雙圓盤以相同速度轉(zhuǎn)動將肥料拋出。

圖1 側(cè)式有機(jī)肥拋撒機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structureof sidetypedischargefertilizer spreader

2 物料力學(xué)及運(yùn)動學(xué)分析

分析圓盤上的肥料力學(xué)及運(yùn)動學(xué)，以左撒肥圓盤為例，肥料在圓盤上受力情況見圖2。

肥料在圓盤上受到的離心力：

肥料受到的科里奧利力：

肥料受到的重力：

肥料受到的摩擦力：

肥料受到的慣性力：

Fi-慣性力（N）。

將公式（1）（2）（3）（4）帶入（5）中：

圖2 肥料在圓盤上受力分析Fig.2 Force of fertilizer on the disc

肥料沿刮肥板運(yùn)動速度：

ro-物料落在圓盤上初始半徑（m），t-肥料在圓盤上運(yùn)動時間（s）。得到方程：

肥料離開圓盤絕對速度：

拋撒過程如圖3所示。

物料拋撒過程受到空氣阻力：

f-空氣阻力（N）；ρ-空氣質(zhì)量密度（kg·m-3）；C-空氣阻力系數(shù)；A物體迎風(fēng)面積（m2）；v-物體與空氣相對運(yùn)動速度（m·s-1）；k-空氣阻力系數(shù)。

根據(jù)牛頓第二定律列出x，y方向方程：

當(dāng)t=0時，根據(jù)投影可得到，

對公式（11）積分并將臨界條件（12）帶入得到vx與vy關(guān)于t函數(shù)關(guān)系如式（13）所示：

當(dāng)t=0，x=0，y=0時，對式（13）積分，當(dāng)t=t總，得到s、l關(guān)于t總

由上述公式可知拋撒距離與拋撒面寬度均與圓盤安裝角度，圓盤轉(zhuǎn)速，物料運(yùn)動時所受離心力與刮肥板方向夾角，肥料初始半徑及肥料在圓盤上運(yùn)動時間及空氣阻力有關(guān)，為研究拋撒規(guī)律，借助離散元仿真方法，仿真分析得出最優(yōu)參數(shù)。

圖3 物料在空中拋撒運(yùn)動分析Fig.3 Analysisof material spreading motion in the air

3 離散元仿真分析

3.1 模型建立

考慮有機(jī)肥特點(diǎn)，使用Hertz-Mindlin with JKR模型，通過參考文獻(xiàn)[3-4]及試驗測量，綜合考慮設(shè)置變量參數(shù)如表1所示。

鑒于JKR模型具有黏結(jié)團(tuán)聚特點(diǎn)，生成顆粒堆積在車廂中，顆粒與顆粒間黏結(jié)呈現(xiàn)多種形態(tài)。參照土壤粒徑設(shè)置農(nóng)家肥顆粒體半徑為3 mm[5]。

根據(jù)公式（14）設(shè)置攪龍轉(zhuǎn)速：

Q=47D2.s.n.φ · C.ρ （15）

式中，Q-輸送量（1 t·h-1）；D-攪龍螺旋直徑（0.63 m）；s-螺距（0.45 m）；n-攪龍主軸轉(zhuǎn)速（r·min-1）；φ-物料在載料箱中填充系數(shù)（0.3）[6]；C-傾斜系數(shù)，與攪龍傾角有關(guān)（1）；ρ-單位容積質(zhì)量（0.8 t· m-3）。

經(jīng)計算圓整攪龍轉(zhuǎn)速為30 r·min-1。

選取載料箱卸料口上方關(guān)鍵部件作用有效區(qū)域建立顆粒工廠（尺寸：1 500 mm×1 500 mm），且顆粒半徑服從正態(tài)分布。

在仿真過程中，設(shè)置固定時間步長為Reyleigh（瑞麗）時間步長15%[7]，數(shù)據(jù)保存間隔0.02 s，網(wǎng)格設(shè)最小顆粒尺寸的2倍[8]。

3.2 仿真設(shè)計

經(jīng)參考庫恩側(cè)式撒肥機(jī)產(chǎn)品說明書及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]，拋撒距離達(dá)到15 m，經(jīng)測量其拋撒面寬度為3.4 m（載料箱長度為5 m），均勻度變異系數(shù)為19.3%。

通過大量單因素仿真，確定各因素對響應(yīng)指標(biāo)均有顯著性影響，考慮到試驗因素之間可能存在交互作用，為求解最優(yōu)參數(shù)組合，應(yīng)用正交旋轉(zhuǎn)組合試驗方法設(shè)計方案，因素水平編碼如表2所示。

仿真方案設(shè)計及其結(jié)果如表3所示。

表1 全局變量參數(shù)設(shè)置Table 1 Pre-treatment parameters setting

表2 仿真因素水平及編碼Table 2 Coded and levelsof simulation factors

表3 仿真試驗結(jié)果Table 3 Resultsof thesimulation experiments

續(xù)表

3.3 仿真分析

3.3.1 仿真試驗結(jié)果分析及回歸數(shù)學(xué)模型建立

仿真數(shù)據(jù)方差分析如表4所示。

對仿真數(shù)據(jù)多元回歸擬合，對仿真結(jié)果回歸分析，可得到拋撒距離y1，拋撒面寬度y2和均勻度變異系數(shù)y3回歸方程：

表4 方差分析Table 4 Varianceanalysis

續(xù)表

3.3.2 各因素對各項性能指標(biāo)影響規(guī)律

①拋撒距離：各因素對拋撒距離影響如圖4所示。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速一定時，拋撒距離隨圓盤安裝角度增大而增大，65°～70°時增長趨勢較為明顯，當(dāng)超過70°時增長較為緩慢；當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速一定時，拋撒距離隨刮肥板安裝角度由負(fù)變正出現(xiàn)先增后減趨勢；拋撒距離隨圓盤轉(zhuǎn)速增大而增大。

②拋撒面寬度：刮肥板安裝角度為0°時，圓盤轉(zhuǎn)速與圓盤安裝角度對拋撒面寬度響應(yīng)曲面見圖5。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速一定時，拋撒面寬度隨圓盤安裝角度增大而減小，且隨轉(zhuǎn)速不斷增加減小趨勢顯著；當(dāng)圓盤安裝角度一定時，拋撒面寬度隨著轉(zhuǎn)速增大而增大，且隨圓盤安裝角度增大趨勢減小。

③均勻度變異系數(shù)：由圖6可知，均勻度變異系數(shù)隨圓盤安裝角度增大而增大。均勻度變異系數(shù)隨刮肥板安裝角度增加呈先緩慢增大后減小趨勢。均勻度變異系數(shù)隨圓盤轉(zhuǎn)速增加而增加。

圖4 各因素對拋撒距離響應(yīng)曲面Fig.4 Influence of every factor on spreading distance

圖5 刮肥板安裝角度為0°，圓盤轉(zhuǎn)速與圓盤安裝角度對拋撒面寬度響應(yīng)Fig.5 Mountingangleof thescrapingplateis0°,the response of every factor on width of spreading surface

在仿真試驗的參數(shù)取值域內(nèi)影響拋撒距離因素主次順序依次為圓盤轉(zhuǎn)速，刮肥板安裝角度，圓盤安裝角度；影響拋撒面寬度因素主次順序依次為圓盤安裝角度，圓盤轉(zhuǎn)速，刮肥板安裝角度；影響均勻度變異系數(shù)因素主次順序依次為圓盤轉(zhuǎn)速，圓盤安裝角度，刮肥板安裝角度。

3.4 最優(yōu)參數(shù)組合

各參數(shù)最優(yōu)值域和目標(biāo)函數(shù)，如式（17）所示：

綜合考慮確定最優(yōu)參數(shù)組合：圓盤安裝角度73°，刮肥板安裝角度4°，圓盤轉(zhuǎn)速400 r·min-1。

圖6 各因素對均勻度變異系數(shù)響應(yīng)曲線Fig.6 Influence of every factor on coefficient of variation of uniformity

4 臺架試驗

4.1 臺架試驗

調(diào)試裝置，使圓盤安裝角度73°，刮肥板安裝角度4°，圓盤轉(zhuǎn)速400 r·min-1。試驗所用物料選擇自然狀態(tài)下堆積發(fā)酵具備一定黏性有機(jī)肥，單位容積質(zhì)量為0.8 t·m-3，含水率43%。2018年6月于室外臺架試驗，天氣晴，溫度28℃，空氣濕度14%，風(fēng)向風(fēng)速：西南偏南3 m·s-1。

4.2 試驗結(jié)果與分析

拋撒軌跡與仿真拋撒軌跡基本一致。經(jīng)觀察拋撒距離雖可達(dá)15 m，但其主要聚集在11 m，11～15 m間物料較稀疏，僅有較大塊顆粒肥料；11 m內(nèi)均勻程度較好，超過11 m均勻度明顯下降。分析原因是顆粒創(chuàng)建過于理想化，且物料拋撒時存在空氣阻力，不同尺寸肥料拋撒過程中受空氣阻不一致。

提升轉(zhuǎn)速作單因素試驗，試驗方案見表5。

表5 圓盤轉(zhuǎn)速對拋撒距離的影響Table 5 Effect of disc rotation on spreading distance

對試驗結(jié)果擬合，擬合方程見式（18）。

圓盤轉(zhuǎn)速在575～600 r·min-1范圍，此時各響應(yīng)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

a.傾斜對置雙圓盤有機(jī)肥側(cè)拋機(jī)可達(dá)到與錘片式側(cè)式撒肥機(jī)相同作業(yè)效果。

b.在仿真試驗參數(shù)取值域內(nèi)影響拋撒距離因素主次順序依次為圓盤轉(zhuǎn)速，刮肥板安裝角度，圓盤安裝角度；影響均勻度變異系數(shù)因素主次順序依次為圓盤轉(zhuǎn)速，圓盤安裝角度，刮肥板安裝角度；影響拋撒面寬度因素主次順序依次為圓盤安裝角度，圓盤轉(zhuǎn)速，刮肥板安裝角度。

c.為達(dá)到15 m拋撒距離，拋撒面寬度較小且均勻度較高，最優(yōu)參數(shù)組合：圓盤安裝角度73°，刮肥板安裝角度4°，圓盤轉(zhuǎn)速570～600 r·min-1。