基于EDEM的有機肥排肥性能分析與試驗

付 靜，張富貴，曾以明，秦芝乾，張 周

(1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州山地智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司，貴陽 550025)

0 引言

有機肥是指含有有機物質(zhì)，主要來源于秸稈、家禽糞便和酒糟等農(nóng)業(yè)廢棄物的一類肥料[1]。宇萬太[2]等人、葉協(xié)峰[3]等人針對有機肥對土壤肥力的影響進行研究，結(jié)果表明：適量有機肥對改善土壤結(jié)構(gòu)有明顯作用，對辣椒等經(jīng)濟作物增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)有很好的效果；但過量有機肥會導(dǎo)致肥料利用率降低，地表徑流農(nóng)用磷流失增加、水體富營養(yǎng)化加快。因此，合理的利用有機肥對經(jīng)濟作物增產(chǎn)及抑制環(huán)境污染有很重要的影響[4]。

有機肥存儲時含水率易超過20%，高含水率的有機肥在施肥機排肥的過程中易粘連結(jié)塊，導(dǎo)致有機肥附著在施肥機肥箱內(nèi)，施肥不均勻，使用效率降低。比較發(fā)達國家而言，我國對施肥機具的研發(fā)還相對落后[5]。合理的施肥機具可減少有機肥的不當使用對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成的農(nóng)業(yè)污染，更適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求[6]。

針對以上問題，對不同含水率有機肥進行離散元仿真，探究其對施肥均勻性的影響規(guī)律，并進行田間試驗，以期為雙料箱施肥機的設(shè)計及改進提供參考。

1 仿真模型

本文仿真的施肥機模型結(jié)構(gòu)為前期研制的雙料箱施肥機，如圖1所示。

1.傳送帶張緊裝置 2.攪刀軸 3.軸承座 4.有機肥排肥開口度調(diào)節(jié)板 5.肥箱觀察玻璃窗 6.肥箱 7.排肥裝置支撐板 8.復(fù)合肥工作長度調(diào)節(jié)器 9.外槽輪排肥器 10.傳送帶 11.復(fù)合肥料箱 12.復(fù)合肥排肥口 13.有機肥料箱 14.攪刀 15.有機肥排肥開口度調(diào)節(jié)桿 16.料箱隔板

肥箱由有機肥料箱和復(fù)合肥料箱組成，排肥器由外槽輪排肥器和攪刀-皮帶傳送式排肥器構(gòu)成，在有機肥料箱內(nèi)部設(shè)有攪刀。各料箱設(shè)置透明觀察窗，以便于觀察施肥機在工作時料箱內(nèi)肥料容積情況。當施肥機開始施肥時，有機肥料箱內(nèi)部的攪刀開始攪拌肥料，使潮解結(jié)塊肥料粉碎，并協(xié)助皮帶輸送器開始輸送有機肥。在排肥開口處設(shè)有可調(diào)節(jié)施肥開口高度的調(diào)節(jié)板，主要控制施肥流量。復(fù)合肥采用外槽輪排肥器排肥，肥料填充在排肥槽內(nèi)，通過調(diào)節(jié)排肥工作長度控制施肥流量。

為縮短仿真時間，直觀分析仿真情況，仿真時將結(jié)構(gòu)簡化，如圖2所示。

圖2 EDEM中的仿真模型

2 有機肥物理性質(zhì)測定

對同一種有機肥在7種不同濕度情況下的物理性質(zhì)進行測定，內(nèi)容主要包括肥料含水率、容積密度、休止角。有機肥的物理性質(zhì)決定了其力學(xué)特性[7]，可為雙料箱施肥機排肥機構(gòu)的排肥性能分析提供仿真參數(shù)，測定結(jié)果如表1所示。

2.1 有機肥含水率

有機肥在不同含水率下其力學(xué)特性不一樣，排肥特性也就不一樣，有必要對有機肥在不同濕度狀態(tài)下含水率進行測量。

2.2 有機肥容積密度

容積密度與肥料的摩擦特性、流動特性密切相關(guān)。有機肥顆粒粒徑很小，呈松散狀態(tài)，吸水能力較強，不同含水率下的有機肥密度也不一樣。為縮短后期離散元仿真時間，需要將多個單個顆粒有機肥看作1個顆粒進行仿真，所以需要測量肥料的容積密度。容積密度是指單位體積(包括肥料間的空隙)肥料的質(zhì)量[8]。通過測量得知，不同含水率有機肥的容積密度隨著含水率的增加而增大。

2.3 有機肥休止角

休止角與肥料內(nèi)部的摩擦特性有關(guān)，在設(shè)計料箱壁時內(nèi)部壁面傾角應(yīng)大于肥料休止角[9-10]，同時為有機肥力學(xué)特性參數(shù)標定提供了參數(shù)[11]。通過試驗得知，不同含水率有機肥隨著含水率增加休止角增大。

表1 有機肥物理性質(zhì)

3 仿真分析

3.1 有機肥參數(shù)標定

在不同含水率下，有機肥容積密度、休止角不同，顆粒之間的流動性、摩擦特性等也會不一樣，即不同含水率的有機肥物理力學(xué)特性不一樣。為研究不同含水率有機肥排肥性能，需要確定有機肥的JKR表面能、碰撞恢復(fù)系數(shù)和靜動摩擦因數(shù)，為后期離散元分析提供數(shù)據(jù)。有機肥為粉沫狀，顆粒之間有粘結(jié)性，顆粒與顆粒之間存在能量鍵，表面力用JKR表面能表示；而顆粒經(jīng)過縮放后，內(nèi)部的接觸參數(shù)會發(fā)生變化，需要結(jié)合不同含水率有機肥休止角的測試結(jié)果運用離散元分析軟件EDEM軟件進行參數(shù)標定。通過三維軟件UG對標定模型進行建模，然后導(dǎo)入EDEM仿真軟件中，如圖3所示。

模型包括圓柱透明肥料容納器和地面。該虛擬標定通過不斷地修正參數(shù)，使仿真的休止角與試驗的休止角一致。修正的參數(shù)主要包括顆粒與顆粒之間的接觸參數(shù)和接觸模型參數(shù)，標定結(jié)果參數(shù)如表2所示。

表2 不同性能有機肥接觸參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 參數(shù)設(shè)置

EDEM仿真涉及參數(shù)包括材料物理屬性參數(shù)、材料之間的接觸參數(shù)和接觸模型參數(shù)[12]。

以排肥口肥料流量率、排肥的波動性為指標，對施肥機施用不同含水率有機肥的排肥過程狀態(tài)進行分析。根據(jù)上述的仿真參數(shù)設(shè)置，還需設(shè)置機械機構(gòu)適合的運動參數(shù)。機構(gòu)運動開始時間為1.2s，設(shè)置皮帶為Moving Plane的接觸模型，皮帶傳送速度為0.37m/s、有機肥開口度為10mm，攪刀轉(zhuǎn)速為3r/s(180r/min)。仿真計算公式選用歐拉公式，總仿真時間8s。據(jù)相關(guān)資料[13]，Rayleigh時間一般為20%～40%，取25%；一般情況下，網(wǎng)格劃分為最小粒徑的2倍，為使仿真能順利進行，需要使網(wǎng)格數(shù)小于102萬個，因此將網(wǎng)格劃分為最小粒徑的3.8倍，得到總計算網(wǎng)格為804 815個，如圖4所示。

材料本征參數(shù)有顆粒密度、泊松比和剪切模量，一般通過做實驗和查找文獻相關(guān)數(shù)據(jù)獲取[14]。有機肥主要由酒糟、粉碎的秸稈和油餅發(fā)酵而成，根據(jù)廠家提供的相關(guān)數(shù)據(jù)和物理性質(zhì)測定得到有機肥本征參數(shù)。施肥機裝置材料選用45#鋼，傳送皮帶材料為PVC類型。查閱相關(guān)文獻得到有機肥接觸材料的本征參數(shù)，如表3所示。

圖4 動態(tài)模擬參數(shù)設(shè)置

材料泊松比剪切模量/Pa密度/Kg·m-3有機肥0.301.00e+08739.51皮帶0.451.00e+061300.0045#鋼0.501.77e+081180.00

有機肥參數(shù)為出廠狀態(tài)下的本征參數(shù)。

有機肥顆粒與機械結(jié)構(gòu)之間選用Herta-MinDlin(No slip)接觸模型，有機肥顆粒與顆粒之間選用Herta-MinDlin with JKR cohesion接觸模型[15]，通常用能量密度來表征顆粒之間的接觸粘性。根據(jù)肥料物理性質(zhì)測試結(jié)果結(jié)合查閱文獻資料[4]得到接觸接觸參數(shù)，如表4所示。

表4 材料基本接觸參數(shù)

3.2.2 仿真結(jié)果

不同含水率有機肥排肥性能仿真情況如圖5所示。選用顆粒速率來表征顆粒狀態(tài)，為方便觀察顆粒流動及排肥口排肥情況，截取傳送皮帶底面仿真圖分析。顆粒主要是由皮帶傳送排出，傳送皮帶底面仿真圖可直觀看到顆粒流動速度情況和排肥口流率情況。由圖5可知：當含水率為2.43%、5.34%、9.45%、13.35%時，隨著有機肥含水率增大，排肥口肥料分布分散；含水率越大，肥料在皮帶上運動面積越小，相對移動速度也隨之變小。當含水率在16.61%、19.50%、23.70%時，排肥口幾乎不排肥，此時顆粒的運動主要分布在攪刀附近，傳送皮帶上的肥力幾乎近似靜止；同時，肥料也出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，使之整體與皮帶之間打滑，肥料整體在攪刀的作用下移動，堆積在排肥口處而不排肥。

圖5 不同含水率有機肥仿真圖

通過EDEM后處理模塊，在仿真機械模型有機肥排肥口添加傳感器網(wǎng)格。該傳感器間隔0.1s分析記錄排肥口肥料質(zhì)量，得到不同有機肥排肥口的質(zhì)量流率，如圖6所示。由圖6可以看出：當含水率為2.43%、5.34%、9.45%、13.35%時，隨著有機肥含水率的增大，排肥口排肥量越來越少，肥料的傳送速度有波動，但波動幅度不大；當含水率為16.61%、19.50%、23.70%時，排肥口排肥量為0。

圖6 不同性能有機肥排肥口質(zhì)量流率

通過EDEM后處理模塊，在機械模型有機肥填充區(qū)域添加傳感器網(wǎng)格，主要跟蹤記錄并分析料箱內(nèi)有機肥質(zhì)量和數(shù)量的變化，得到不同有機肥在仿真時間8s內(nèi)的排肥量變化趨勢，如圖7所示。

圖7 不同性能有機肥排肥口單位時間排肥量

由圖7可以看出：隨著有機肥含水率的增大，排肥量減少；當有機肥到達含水率16.61%以后，有機肥排肥口不排肥；當有機肥含水率為2.43%、5.34%、9.45%、13.35%時，排肥量逐漸降低。單位時間排肥量如表5所示。

表5 不同含水率有機肥仿真施肥量

4 田間試驗與結(jié)果

4.1 試驗方法

2018年1月2日，在畢節(jié)市威寧縣黑石科技園進行田間試驗，如圖8所示。

圖8 田間試驗

試驗地?zé)o茬平坦已整地的耕地面，土壤全耕層含水率22.5%，測試面積約為2 000m2。采用雷沃804拖拉機懸掛一壟雙行雙料箱施肥機，分析團隊研制的雙料箱施肥機在施用不同濕度有機肥時的排肥情況，并與仿真結(jié)果做對比分析。

選取7份與物理性質(zhì)測試含水率相同的有機肥，每種含水率有機肥試驗3次，每次試驗將排肥管口堵住，結(jié)束后用收納袋收集并編號稱重。測試長度為40m，在每一次試驗時用秒表記下施肥時間，以便后期計算單位時間施肥量。施肥機具試驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致：設(shè)置皮帶傳送速度為0.37m/s，有機肥開口度為10mm，攪刀轉(zhuǎn)速為3r/s(180r/min)。皮帶傳動主要是靠地輪，根據(jù)傳動比，使拖拉機前進速度為0.5m/s、地輪直徑500mm時滿足皮帶傳送速度。

4.2 結(jié)果

試驗田間試驗表明：有機肥隨著含水率的不斷增大，施肥量越來越少。當有機肥含水率為16.61%時，施肥量變化幅度增大，排肥量幾乎為0。試驗結(jié)果變化趨勢與仿真結(jié)果基本一致，如圖9所示。有機肥在不同含水率下單位時間施肥量如表6所示。

圖9 不同性能有機肥試驗結(jié)果與仿真對比圖

表6 不同含水率有機肥試驗施肥量

Table 6 The fertilization rate of organic fertilizer with different water content was tested

含水率/%施肥量/g·s-12.4352.165.3446.099.4536.6713.3527.2316.612.2519.501.8123.700.27

由表6可以看出：當有機肥含水率為2.43%、5.34%、9.45%、13.35%時，有機肥施肥量總比仿真結(jié)果低，且相差較多，誤差較大。其主要原因是實際顆粒之間流動性沒有仿真顆粒流動性均勻。仿真是在理想條件下進行的，顆粒與機械結(jié)構(gòu)之間存在摩擦力，也會影響顆粒傳動速率，從而影響施肥量；同時在收集肥料時，會有部分肥料殘留在排肥管中。當有機肥含水率為16.61%、19.50%、23.70%時，田間試驗結(jié)果有較少排肥量，而仿真結(jié)果排肥量為0。其主要原因是施肥機在施肥過程中會有振動，使排肥器邊緣的肥料振動，讓有機肥排出。

5 結(jié)論

1)對不同含水率有機肥進行參數(shù)標定，借助EDEM離散元軟件導(dǎo)入仿真機構(gòu)，對施肥機在施用不同含水率有機肥情況下進行了仿真分析。分析施肥機在施用不同含水率有機肥情況下的仿真結(jié)果，可以看出：施肥量隨著含水率的增加而減少，但變化幅度不是很大；當有機肥含水率小于16.61%時，施肥穩(wěn)定性高，波動性?。坏敽蚀笥?6.61%時，施肥機出現(xiàn)排肥堵塞現(xiàn)象。

2)通過前期研制的雙料箱施肥機，對施肥機排肥機構(gòu)在施用不同含水率有機肥情況下進行了田間試驗，并與仿真結(jié)果做了對比分析，表明試驗結(jié)果與仿真結(jié)果變化趨勢基本一致，驗證了仿真的可行性。隨著含水率的增大，單位時間排肥量變小。仿真和試驗結(jié)果均證明了設(shè)計的施肥機能施用含水率較高的有機肥，含水率達到13.35%。但仿真結(jié)果與試驗結(jié)果誤差較大，其主要原因是顆粒與機械機構(gòu)之間存在摩擦等。