基于離散元法的磷石膏深耕施肥機關(guān)鍵部件的設(shè)計

陳星名，慕 松，謝亞星，吳 俊，王 鶴，劉帥帥

(寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院，銀川 750021)

0 引言

鹽堿土地主要因土壤中可溶性的碳酸根離子、碳酸氫根離子與鈉離子等含量過高，使土壤表現(xiàn)出鹽害或者堿害，而鈣的存在則可以消除這些離子的危害。由于磷石膏呈酸性，施入土壤后，使土壤H+濃度上升，因而對酸堿度有一定的調(diào)節(jié)作用。目前，針對磷石膏的施肥主要采取先借助農(nóng)用小車將化肥運送到田地，后由人工將其拋撒開，最后旋耕機旋耕。然而這種“先手工施肥，后旋耕機深耕”的作業(yè)方式存在以下缺陷：①手工施肥效率低且耗費勞力、體力；②施肥不夠均勻；③施肥后若不能及時跟進旋耕機作業(yè)，化肥會揮發(fā),影響了肥料的有效效率。目前,國內(nèi)針對磷石膏施肥機的研究很少，沒有專門針對磷石膏的施肥機。普通通用型施肥機不能對磷石膏進行施肥，磷石膏含水率大，容易形成粘附堵塞。為此，設(shè)計了磷石膏深耕施肥機。該機能一次性完成開溝、施肥及覆土 3 項作業(yè)，且開溝深度及施肥量可調(diào)。根據(jù)磷石膏深耕施肥農(nóng)藝要求，磷石膏施肥量應(yīng)為9 000～12 000kg/hm2，開溝深度應(yīng)該為250～400mm，開溝寬度為80～100mm。

離散元法( Distinct Element Method，DEM)是由CUNDALL提出的一種處理非連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方程，用時步迭代的方法求解各剛性元素的運動方程，繼而求得不連續(xù)的整體運動形態(tài)。其允許單元件的相對運動，不一定要滿足位移連續(xù)和變形協(xié)調(diào)條件，適合求解非線性問題，且所需內(nèi)存空間小，計算速度快[1]。針對上述系列問題，本文利用離散法研究磷石膏施肥機，在滿足施肥農(nóng)藝條件的前提下，研究并確定施肥機設(shè)計的相關(guān)參數(shù)，使其性能達到最佳，實現(xiàn)了磷石膏的施肥，避免了堵塞問題，降低了勞動強度，提高了勞動效率。

1 機具工作原理

磷石膏施肥機由施肥箱體、三點懸掛機構(gòu)、開溝器、覆土板、地輪、整地輪及整體機架構(gòu)成，如圖1所示。

肥箱整體由攪拌軸傳動齒輪、攪拌傳動軸、絞龍傳動軸、排肥傳動軸、絞龍輸送傳動齒輪、排肥口、排肥刮板、絞龍、排肥軸傳動齒輪、傳動鏈及攪拌葉片組成，如圖2所示。

開溝器由鏟頭、鏟柄及下料口組成，如圖3所示。

將動力源加在排肥傳動軸上，確定轉(zhuǎn)速通過排肥刮板可以確定施肥量，排肥傳動軸與攪拌傳動軸通過鏈傳動，如圖4所示。排肥傳動軸與絞龍傳動軸通過齒輪配合進行傳動。磷石膏深耕施肥機將磷石膏顆粒放入施肥箱內(nèi)，動力源打開，排肥傳動軸轉(zhuǎn)動，帶動攪拌傳動軸轉(zhuǎn)動對磷石膏顆粒進行攪拌，增加其流動性；排肥傳動軸轉(zhuǎn)動帶動絞龍傳動軸轉(zhuǎn)動對磷石膏顆粒進行輸送，排肥傳動軸轉(zhuǎn)動對磷石膏顆粒進行精量施肥。

1.施肥箱體 2.三點懸掛機構(gòu) 3.開溝器 4.覆土板 5.地輪 6.整地輪 7.整體機架圖1 整體三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch map of whole 3D structure

1.攪拌軸傳動齒輪 2.攪拌傳動軸 3.絞龍傳動軸 4.排肥傳動軸 5.絞龍輸送傳動齒輪 6.排肥口 7.排肥刮板 8.絞龍 9.排肥軸傳動齒輪 10.傳動鏈 11.攪拌葉片圖2 施肥箱三維結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Sketch map of fertilizer box

開溝器中的鏟頭與鏟柄通過銷柱連接進行開溝，開溝深度可調(diào)范圍為25～35cm。排肥口與下料口通過軟管連接，磷石膏顆粒進入地下。覆土板將開溝土壤聚攏并初步覆平，整地輪對土壤進行最后覆平壓實。三點懸掛機構(gòu)與拖拉機進行連接，通過地輪前進。

1.鏟頭 2.鏟柄 3.下料口圖3 開溝器三維結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Sketch of three dimensional structure of ditching machine

圖4 肥箱內(nèi)部及傳動的三維結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Sketch of the three-dimensional structure of the inner and driving of the fat box

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 肥箱整體尺寸參數(shù)確定

磷石膏施肥存在的主要問題是堵塞，磷石膏屬顆粒狀物料，在肥料箱中的流型有整體流和中心流兩種方式。如果是整體流方式時，肥箱中的所有磷石膏同時向排肥口運動，肥料流動的速率比較穩(wěn)定，肥箱各部分磷石膏密度分布比較均勻， 有利于實現(xiàn)精量施肥且不易堵塞；如果磷石膏顆粒流動呈現(xiàn)中心流方式時，磷石膏流動不穩(wěn)定，密度分布不均勻，磷石膏在肥箱靠近排肥口的區(qū)域會形成一個“漏斗”形流區(qū)，其周圍區(qū)域為不流動的“死區(qū)”進而出現(xiàn)起拱、抽芯現(xiàn)象，嚴重時出現(xiàn)斷流、噴瀉等不穩(wěn)定流動狀態(tài)，使得由肥箱排肥口進入排肥機具的磷石膏顆粒的量不穩(wěn)定，排肥機具無法有效控制排肥量，造成施肥作業(yè)無法正常進行。因此，在設(shè)計過程中，應(yīng)該把肥箱設(shè)計成可以讓肥料為整體流方式。矩形肥箱中磷石膏顆粒形成整體流的必要條件為

θ≤θmax

(1)

其中，θ為肥箱底部傾斜面與垂直方向夾角，則

(2)

式中Φ—肥料的有效內(nèi)摩擦角；

δ—肥料與肥箱壁面摩擦角。

其中，有效內(nèi)摩擦角和壁面摩擦角可由試驗測定。為確保其為整體流，此次設(shè)計其施肥箱斜面與水平面夾角為60°。施肥箱內(nèi)設(shè)計3個攪拌軸，確保磷石膏的流動性。在排肥口上端設(shè)計絞龍輸送，確保磷石膏順利進入排肥口。排肥利用刮板排肥，首先可以減少其粘附堵塞，并且保證精量施肥。

2.2 排肥刮板參數(shù)確定與仿真試驗

2.2.1 仿真數(shù)據(jù)確定

本次設(shè)計排肥方式為六葉片刮板式排肥，可以有效減少磷石膏粘附堵塞現(xiàn)象，使排肥更加精準、均勻。

根據(jù)公式可以確定每壟儲肥質(zhì)量為

m=ρV=ρπh(R2-r2)

(3)

式中m—肥料質(zhì)量(kg)；

h—刮肥板長度(m)；

R—排肥刮板半徑(m)；

r—軸半徑(m)；

ρ—肥料密度(kg/m3)。

根據(jù)公式可以確定施肥軸轉(zhuǎn)速為

n=Q1/m

(4)

式中Q1—單位時間施肥量(kg/min)；

m—每壟肥料質(zhì)量(kg)。

此次設(shè)計軸的直徑為20mm，排肥刮板半徑為50mm。機具的前進速度及排肥刮板的長度h對施肥量及施肥均勻性有比較大的影響，現(xiàn)用EDEN軟件對其進行仿真，并得出最優(yōu)數(shù)據(jù)。設(shè)置機具前進速度分別為1.0、1.2、1.5m/s，刮肥板長度分別為150、200、250mm。共進行9組仿真實驗，9組數(shù)據(jù)分別對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速。仿真原始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真原始數(shù)據(jù)Table 1 Simulation raw data

2.2.2 仿真模型的建立

肥料是由眾多細小的顆粒構(gòu)成的，不是連續(xù)的模型，其動態(tài)變化也無法用連續(xù)體模型進行分析[2]。相對于有限元，離散單元法更適合對肥料進行分析。離散元模型能很好地模擬肥料顆粒的不連續(xù)形狀，對肥料顆粒間的相互作用和外力對肥料的剪切行為進行形象的描述。每次仿真實驗開始前，在 SolidWorks 軟件[3]中生成相應(yīng)的三維模型，以IGES格式的文件保存，然后將文件導(dǎo)入EDEM軟件中，并對模型進行前處理[4]，仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型圖Fig.5 Simulation model diagram

該模型假設(shè)為離散單元為剛性體，離散單元之間為點接觸，接觸特性為軟接觸，即剛性離散單元在接觸點處允許有一定的重疊量，在所有時間中任何離散單元所受合力可由與其接觸的離散單元之間的相互作用確定。建立土壤顆粒與輸送系統(tǒng)的接觸模型采用 Hert-Mindlin 模型，即彈性-阻尼-摩擦接觸力學(xué)模型[5]，其在物料的篩分、輸運等方面被普遍應(yīng)用。仿真分析時，施肥箱刮肥板與肥料顆粒的性能參數(shù)以及兩者之間的接觸參數(shù)如表2所示。

表2 主要仿真參數(shù)Table 2 Main simulation parameters

2.2.3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)束后，首先通過地面稍大面積空白來分析得出堵塞情況以及三壟施肥量的差值來分析施肥的均勻性。仿真過程如圖6所示，仿真結(jié)果如表3所示。可以得到如下結(jié)果：仿真編號為2、3、5、8的仿真實驗得出的結(jié)果為堵塞次數(shù)較多，應(yīng)當(dāng)排除；仿真編號為7的仿真實驗其左、中、右的施肥量差值較大，應(yīng)當(dāng)排除；仿真編號為1、4、6、9的仿真實驗施肥堵塞次數(shù)較少且3壟施肥量較均勻，選擇作為下一步分析的數(shù)據(jù)。

圖6 仿真過程圖Fig.6 Simulation process diagram表3 均勻性判斷表Table 3 Table of homogeneity

機具前進速度/m·s-1排肥刮板長度/mm各壟施肥量/kg左中右堵塞次數(shù)仿真編號1.01502.322.322.18012002.432.442.46622502.572.432.34631.21502.202.132.27142002.502.422.43452502.482.432.51261.51502.002.071.83072002.122.082.09582502.432.372.3019

現(xiàn)對上述篩選出來的4組進行對比，此次設(shè)計施肥量為1.1kg/m2，以上實驗機具均前進3m，共計6m2，所以理論共計施肥6.6kg，每壟2.2kg，對仿真編號為1、4、6、9的仿真數(shù)據(jù)繪制圖，如圖7～圖10所示。

圖7 1號仿真施肥量對比表Fig.7 1 fertilization simulation comparison Table

圖8 4號仿真施肥量對比表Fig.8 4 fertilization simulation comparison Table

圖9 6號仿真施肥量對比表Fig.9 6 fertilization simulation comparison Table

圖10 9號仿真施肥量對比表Fig.10 9 fertilization simulation comparison Table

對圖7進行分析得出：左、中兩壟施肥量均高出理論值施肥量較多，右壟施肥量低于理論施肥量且差值很小。

對圖8進行分析得出：左壟施肥量和理論施肥量相同，中壟施肥量低于理論施肥量且差值較小，右壟施肥量高于理論施肥量且差值較小。

對圖9、圖10分析得出：左、中、右3壟施肥量均高于理論施肥量且差值較大。

綜合均勻性與施肥量對比得出結(jié)論：4號仿真實驗?zāi)軡M足磷石膏施肥農(nóng)藝要求。所以，設(shè)計機具前進速度為1.2m/s，排肥刮板長度為150mm，施肥軸轉(zhuǎn)速為72r/min。

2.3 絞龍輸送裝置設(shè)計參數(shù)的確定

2.3.1 絞龍輸送量的確定

輸送量是衡量絞龍裝置輸送能力的一個關(guān)鍵指標，可根據(jù)實際需求給定，它與其他相關(guān)參數(shù)息息相關(guān)。此次設(shè)計的施肥機輸送的物料為磷石膏顆粒肥，采用絞龍水平傳送方式，輸送的水平距離為1.34m。運送肥料時，由于螺旋軸徑所占的截面積在一定程度上對絞龍輸送能力有影響，然而相對于施肥機整體來說，其軸徑很小，往往軸向阻滯的作用忽略不計[6]。因此，絞龍運輸裝置的肥料輸送量可近似按下式計算，即

Q=47D2nsλεφ

(5)

式中Q—絞龍輸送裝置的輸送量(t/h)；

D—螺旋葉片直徑(m)；

n—螺旋轉(zhuǎn)速(r/min)；

s—螺旋葉片螺距(m)；

λ—物料的密度(t/m3)；

ε—傾斜輸送系數(shù)；

φ—物料填充系數(shù)。

從上式中可以明顯看出：絞龍輸送裝畳的輸送量Q與參數(shù)D、n、s、λ、ε和φ有關(guān)聯(lián)。當(dāng)輸送量Q確定后，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)螺旋葉片直徑、螺旋轉(zhuǎn)速、螺距和物料填充系數(shù)等參數(shù)以符合Q的要求。由于本次設(shè)計的絞龍是水平安裝的，參考表4，選擇傾斜輸送系數(shù)ε為1。

表4 絞龍輸送裝置傾斜輸送系數(shù)表Table 4 Table of inclination transmission coefficient of auger conveyor

施肥機在進行連續(xù)施肥的情況下，向前行一定距離時，絞龍生產(chǎn)率為[7]

Q=vg/s

(6)

式中v—施肥機的行駛速度(km/h)，選取4.32；

g—前進一定距離施肥量(kg/m)，設(shè)為0.73；

s—前進一定距離(m)，設(shè)為1。

把各數(shù)據(jù)帶入式(6)得

Q=vg/s=3.15t/h

2.3.2 絞龍螺旋葉片直徑和螺距的確定

螺旋葉片直徑是絞龍輸送裝置的重要參數(shù)之一，它的選擇將直接影響到絞龍的輸送量和結(jié)構(gòu)尺寸的大小。通常依據(jù)輸送裝置的結(jié)構(gòu)形式、運輸物料的類型、工作穩(wěn)定性、生產(chǎn)能力的大小和布置方式等方面來確定螺旋葉片的直徑。螺距對螺旋的升角和物料運行的滑移面都有著非常重要作用，因此選取螺距的大小對物料輸送過程有著很大的關(guān)系[8]，根據(jù)公式可以確定螺旋葉片的直徑，即

(7)

式中K—表示螺距與直徑的比例，通常系數(shù)取0.8～1；

A—物料的綜合特性系數(shù)；

λ—物料的密度(t/m3)；

ε—傾斜輸送系數(shù)；

φ—物料填充系數(shù)；

D—螺旋葉片直徑(m)。

A主要根據(jù)經(jīng)驗來確定。由于本次設(shè)計的施肥機主要是施顆粒化肥，選擇ε為0.4，磷石膏其容重為λ為2.3t/m3，螺旋葉片的直徑通常設(shè)計成標準系列，如D=100、120、150、200、300、400、500、600mm，考慮到磷石膏顆粒小、不易輸送等特點，故此次設(shè)計的螺旋葉片直徑D=0.2m，K1=1，則螺距S=KD=0.2m；螺旋軸直徑一般取d=(0.2-0.35)D，此次設(shè)計取d=0.25D=50mm。

2.3.3 絞龍螺旋軸轉(zhuǎn)速的確定

通常來說，隨著螺旋軸轉(zhuǎn)速的增加，絞龍的運輸能力也將隨著提高，轉(zhuǎn)速過慢會使絞龍的輸送量降低。但螺旋軸的轉(zhuǎn)速也不能過高，由于當(dāng)轉(zhuǎn)速達到額定值時，造成螺旋軸的離心力會過大，肥料就會向外拋。因此，還需要對轉(zhuǎn)速n進行一定的限定，絞龍輸送裝置的轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)肥料輸送量、螺旋直徑的大小和物料的固有特性等部分而決定[9]。把各參數(shù)代入，可以確定螺旋軸轉(zhuǎn)速為

n=Q/47D2Sλεφ=8r/min

3 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種磷石膏深耕施肥機，實現(xiàn)了開溝、施肥、覆土及鎮(zhèn)壓等功能。

2) 運用EDEM離散元分析軟件對施肥過程進行了仿真分析，比較了不同的機具前進速度、不同排肥刮板長度和施肥軸不同轉(zhuǎn)速對施肥量的影響及肥料顆粒分布均勻情況的影響。確定了排肥刮板的最優(yōu)長度為150mm，機具前進速度為1.2m/s，施肥軸轉(zhuǎn)速為72r/min可以滿足磷石膏深耕施肥的農(nóng)藝要求。

3)對肥箱整體尺寸進行了設(shè)計，對絞龍輸送機構(gòu)的參數(shù)進行了確定。