螺旋錐體離心式排肥器擾動防堵機(jī)理分析與試驗(yàn)

劉曉東 丁幼春 舒彩霞 王凱陽 劉偉鵬 王緒坪

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

精準(zhǔn)施肥是實(shí)現(xiàn)化肥減施、解決農(nóng)業(yè)面源污染的重要方式，同時也是保證農(nóng)作物增產(chǎn)、農(nóng)民增收的重要舉措[1-2]。精準(zhǔn)施肥的關(guān)鍵在于排肥器，肥料減施須從排肥器性能著手，確保排肥器排肥均勻、穩(wěn)定，從而達(dá)到精量施肥的目標(biāo)。

變量施肥能夠顯著提高肥料利用率、減少化肥浪費(fèi)及環(huán)境污染[3-7]。為了提高播種質(zhì)量和種肥利用率，金鑫等[8]針對冬小麥播種作業(yè)方式粗放、效率低等問題，設(shè)計(jì)了2BFJ-24型小麥精量播種變量施肥機(jī)。楊碩等[9]將變量施肥控制系統(tǒng)與排肥監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成了一套支持多路播種施肥監(jiān)測的變量施肥控制系統(tǒng)。張睿等[10]針對變量施肥機(jī)作業(yè)幅寬小等問題，設(shè)計(jì)了一種基于處方圖的鏈條式變量施肥拋撒機(jī)。氣力集排式排肥器能夠?qū)崿F(xiàn)多行均勻分肥、高速送肥的寬幅作業(yè)[11-14]。NAVEEN等[15]通過對增壓管垂直試驗(yàn)段不同位置統(tǒng)計(jì)速度分布的研究，建立了質(zhì)點(diǎn)速度與加速度長度的相關(guān)關(guān)系。ANDRII等[16]研究了分種頭的幾何形狀和分種條件對分配精度的影響。楊慶璐等[17]基于CFD-DEM耦合，研究了分配器參數(shù)對氣流壓力、風(fēng)速以及肥料運(yùn)動特性的影響，確定了分肥裝置的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。李立偉等[18]對氣送式水稻施肥機(jī)輸肥裝置進(jìn)行了氣固兩相流仿真分析，獲得了優(yōu)化后氣體肥料混合腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)及氣動參數(shù)。目前，對顆?；试谂欧势鲀?nèi)的運(yùn)動學(xué)模型和因肥料緩慢下移及上端肥料壓力造成肥料滯留而導(dǎo)致的結(jié)拱堵塞等問題缺少理論分析與研究，未從根本上解決顆?；始芸战Y(jié)拱堵塞造成的斷條漏施問題。

長江中下游地區(qū)為我國冬油菜主產(chǎn)區(qū)[19-21]，該地區(qū)土壤黏重，小地塊較多，小型施肥播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)具有發(fā)展優(yōu)勢，排量均勻、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、排送形式簡單的集排式排肥器具有更廣闊的發(fā)展空間。但肥料架空結(jié)拱堵塞問題仍是影響排肥器排肥穩(wěn)定性、精量性的主要因素[22]。

筆者通過試驗(yàn)對設(shè)計(jì)的螺旋錐體離心式排肥器排肥性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，排肥性能滿足田間施肥質(zhì)量要求，且未出現(xiàn)因排肥器架空結(jié)拱堵塞造成的斷條漏施問題[23]，為進(jìn)一步探究排肥器螺旋擾動破拱防堵機(jī)理，本文對顆?；试诼菪F體離心式排肥器內(nèi)的運(yùn)動過程進(jìn)行理論分析和仿真試驗(yàn)，并通過高速攝像試驗(yàn)和臺架試驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)排肥器擾動防堵性能。

1 排肥器結(jié)構(gòu)與工作原理

螺旋錐體離心式排肥器主要由上殼體、螺旋擾動杯、弧形錐體圓盤、下殼體等組成，均采用ABS高精度樹脂打印制作，如圖1所示。

螺旋擾動弧形錐體圓盤(圖1c)由螺旋擾動杯與弧形錐體圓盤兩核心部件組成，螺旋擾動杯由高L0=40 mm位于弧形錐體圓盤上端直管和從直管上端開始沿直管內(nèi)壁以外徑62 mm、內(nèi)徑56 mm、螺距90 mm、厚度2.5 mm掃描0.3圈形成的螺旋曲面構(gòu)成，共8個螺旋曲面均勻分布于直管內(nèi)壁；弧形錐體圓盤為一旋轉(zhuǎn)拋物面，由一段拋物線和一條與拋物線連接的傾斜直線為母線繞定軸旋轉(zhuǎn)一周形成；弧形錐體圓盤上端面均勻布置有8個與徑向呈γ=12°的離心推板，弧形錐體圓盤母線方程為

(1)

式中H0——弧形錐體圓盤高度，mm

R0——谷點(diǎn)半徑，mm

δ——離送錐桶側(cè)壁與水平面夾角，(°)

x——弧形錐體圓盤母線方程橫坐標(biāo)值，mm

R′——弧形錐體圓盤外緣半徑，mm

弧形錐體圓盤外緣半徑R′為104 mm；谷點(diǎn)半徑R0為75 mm；高度H0為80 mm；離心推板上端面與弧形錐體圓盤上端面距離H1為25 mm；離送錐桶側(cè)壁與水平面的夾角δ為35°。

工作時，電機(jī)帶動排肥器弧形錐體圓盤以角速度ω逆時針轉(zhuǎn)動，顆?；试跀_動杯內(nèi)螺旋葉片的擾動及自身重力和上端肥料的壓力作用下向下運(yùn)動，在弧形錐體圓盤的作用下均勻進(jìn)入8個肥室，顆?；试陔x心力作用下向排肥器外緣移動，最后從排肥口排出。

2 排肥過程動力學(xué)分析與螺旋擾動防堵機(jī)理

2.1 擾動杯內(nèi)顆?；蔬\(yùn)動過程力學(xué)分析

螺旋擾動杯在旋轉(zhuǎn)過程中，螺旋葉片對緊貼擾動杯內(nèi)壁顆?；适┘哟怪庇诼菪~片下端面的推力，帶動顆?；首鲅芈菪~片相對運(yùn)動速度為vr、牽連運(yùn)動速度為ve的復(fù)合運(yùn)動，位于擾動杯中間的顆粒化肥由于受到緊貼擾動杯內(nèi)壁顆?；实哪Σ亮?、肥料群壓力及自身重力作用也做向下的螺旋運(yùn)動，以此實(shí)現(xiàn)對內(nèi)顆粒肥料群在擾動杯內(nèi)的螺旋擾動及下排。

假設(shè)任何面上的壓力為一常量p，貼壁肥料群與內(nèi)肥料群之間的摩擦因數(shù)為fa，貼壁肥料群與螺旋葉片之間的摩擦因數(shù)為fb，貼壁肥料群與擾動杯內(nèi)壁之間的摩擦因數(shù)為fc，根據(jù)農(nóng)業(yè)物料流變學(xué)，顆粒化肥可視為微元體進(jìn)行受力分析，故取位于螺旋槽內(nèi)緊貼擾動杯內(nèi)壁的顆粒化肥群微元體作為研究對象，該微元體做沿螺旋葉片下移及隨擾動杯轉(zhuǎn)動的復(fù)合運(yùn)動，貼壁肥料群(圖1c)在擾動杯螺旋葉片上的受力如圖2所示。

圖2 貼壁肥料群微元體受力分析Fig.2 Force analysis of fertilizer group against inner wall

根據(jù)微元體受力分析，建立貼壁肥料群微元體受力方程

(2)

式中ρ——肥料密度，kg/m3

h——貼壁肥料群微元體沿擾動杯徑向的厚度，m

W——兩螺旋葉片間距離

dz——微元體寬度，m

r——微元體轉(zhuǎn)動半徑，m

a——z0方向加速度，m/s2

g——重力加速度，m/s2

Fd——螺旋葉片推動面對微元體正推力，N

m——貼壁肥料群微元體質(zhì)量，kg

F1——微元體與內(nèi)肥料群表面的摩擦力，N

F2——微元體下端肥料對微元體的壓力，N

F3——螺旋葉片下側(cè)面與微元體之間的摩擦力，N

F4——螺旋葉片上側(cè)面與微元體之間的摩擦力，N

F5——擾動杯內(nèi)壁與微元體之間摩擦力，N

F6——微元體上端肥料對微元體的壓力，N

F7——螺旋葉片下側(cè)面對微元體的壓力，N

F8——螺旋葉片上側(cè)面對微元體的壓力，N

G——貼壁顆?；嗜何⒃w重力，N

α——螺旋葉片螺旋角，(°)

θ——微元體前進(jìn)角，(°)

由式(2)得

(3)

由固體輸送理論[24]知，前進(jìn)角θ取決于貼壁肥料群微元體與擾動杯內(nèi)壁摩擦因數(shù)和微元體與內(nèi)肥料群表面摩擦因數(shù)的比值，由于肥料的物理特性及排肥器參數(shù)一定，θ為一定值。由式(3)知微元體與內(nèi)肥料群表面的摩擦力F1與擾動杯轉(zhuǎn)動角速度ω及螺旋葉片螺旋升角α有關(guān)；當(dāng)α確定后，隨角速度的增加，微元體與內(nèi)肥料群表面摩擦力F1增加，由于內(nèi)肥料群受到與F1大小相等方向相反的力，可為內(nèi)肥料群提供繞軸線擾動和沿軸向的下推力，為內(nèi)肥料群運(yùn)動起到促進(jìn)作用；α是影響貼壁肥料群與內(nèi)肥料群運(yùn)動的重要參數(shù)，其值過大或過小，均無法保證緊貼擾動杯內(nèi)壁的顆粒化肥下移并為擾動杯內(nèi)的肥料提供向下的摩擦力。

對于擾動杯內(nèi)橫切面半徑為R的內(nèi)肥料群，選取深度yh處微小肥料層dy為研究對象，設(shè)肥料層上端面垂直壓應(yīng)力為σ1，側(cè)面壓應(yīng)力為σ2，內(nèi)肥料群微元體受力如圖3所示。

圖3 內(nèi)肥料群微元體受力分析圖Fig.3 Force analysis of intermediate fertilizer group

假設(shè)內(nèi)肥料群微元體以速度v向下運(yùn)動，則該方向上的加速度為dv/dt，根據(jù)深倉壓力理論[25-26]與微元體的受力分析，建立內(nèi)肥料群微元體受力方程

(4)

式中A——內(nèi)肥料群水平橫截面面積，m2

C——肥料群水平橫截面周長，m

m1——內(nèi)肥料群微元體質(zhì)量，kg

F′1——貼壁肥料群對內(nèi)肥料群提供的摩擦力，N

F′2——微小肥料層上端面受到的肥料群壓力，N

F′3——內(nèi)肥料群微元體與貼壁肥料群表面摩擦力，N

F′4——微小肥料層下端面受到的支持力，N

F′5——微小肥料層側(cè)面受到的壓力，N

G′——內(nèi)肥料群微元體重力，N

根據(jù)深倉壓力理論知，深倉內(nèi)微小肥料層dy的垂直壓力與側(cè)壓力的比值為K，可得深度yh處微小肥料層dy的上端面垂直壓應(yīng)力σ1和側(cè)面壓應(yīng)力σ2分別為

(5)

(6)

式中ρb——肥料重度，N/m3

由式(4)得

(7)

由式(5)～(7)可看出微小肥料層豎直方向加速度和貼壁肥料群微元體與內(nèi)肥料群表面的摩擦力F1呈正相關(guān)，結(jié)合式(3)結(jié)論可知，當(dāng)擾動杯角速度增加時，微小肥料層豎直方向加速度增大，隨擾動杯角速度增加，內(nèi)肥料群下移效果越好。通過上述分析可知，擾動杯內(nèi)的螺旋葉片對顆?；试谂欧势鲀?nèi)的運(yùn)動具有積極作用，螺旋葉片的螺旋角α、角速度ω是影響肥料擾動、排肥穩(wěn)定的重要參數(shù)，后期需進(jìn)一步分析確定最佳參數(shù)。

2.2 顆粒化肥結(jié)拱堵塞與破拱防堵機(jī)理分析

顆?；式Y(jié)拱是影響排肥穩(wěn)定性的重要原因，結(jié)拱堵塞主要有兩種形式，一種是在出肥口形成的半球形空洞，另一種是出肥口上方的肥料以漏斗流的方式排空形成空心管狀抽芯式結(jié)拱，該兩種成拱形式均是由于與管壁接觸的肥料下移緩慢，同時肥料受到上端化肥的壓實(shí)作用，導(dǎo)致管壁處的肥料滯固形成硬實(shí)的表層而滯留不動，隨著排肥過程的持續(xù)，管壁處的肥料無法下移導(dǎo)致。

在螺旋擾動杯內(nèi)，貼壁肥料群為內(nèi)肥料群提供的摩擦力可分解為水平切向和豎直方向兩部分，摩擦力的水平切向分力為內(nèi)肥料群提供沿擾動杯軸線轉(zhuǎn)動的力，摩擦力的豎直方向分力使肥料群下移。根據(jù)深倉壓力理論，內(nèi)肥料群與貼壁肥料群之間的豎直方向摩擦力為

(8)

式中ρb=8 292.60 N/m3，K=0.44，fa=0.5，yh=0.5 m。根據(jù)式(8)，取擾動杯內(nèi)的顆?；蕿檠芯繉ο?，以杯內(nèi)顆?；仕谖恢玫綌_動杯軸線距離為半徑，通過Excel軟件處理可得不同半徑R下顆?；适艿降哪Σ亮r拋物線方程為

Fr=7 549.8R2+69.282R-0.195 7

(9)

根據(jù)式(9)，以長度l表征內(nèi)肥料群受到貼壁肥料群的摩擦力，以擾動杯軸線縱切面構(gòu)建平面直角坐標(biāo)系，擾動杯軸線為y軸，深度yh處水平位置為x軸，從x軸向y軸負(fù)方向以長度l為基準(zhǔn)做不同半徑對應(yīng)的摩擦力，得到反映在擾動杯軸線縱切面的一條拋物線，如圖4所示。

圖4 擾動杯內(nèi)顆粒化肥所受摩擦力分析Fig.4 Analysis of friction force on particle fertilizer in disturbed cup

由圖4可知，擾動杯內(nèi)的螺旋葉片可為緊貼管壁的肥料群施加沿管壁的水平方向和豎直向下的擾動作用，內(nèi)肥料群中越靠近貼壁肥料群的肥料受到的摩擦力越大，在擾動杯軸線附近的肥料受到的摩擦力最小，該摩擦力可將肥料滯固形成的硬實(shí)肥料群擾動，肥料群由于失去緊貼管壁肥料的支撐，肥料破拱塌落下移，有效防止化肥結(jié)拱堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，同時保證顆?；食掷m(xù)穩(wěn)定向下移動補(bǔ)充肥料，防止斷條問題的出現(xiàn)。

2.3 錐盤與上殼體內(nèi)化肥運(yùn)動過程力學(xué)分析

根據(jù)小區(qū)播種機(jī)錐體格盤排種器分種機(jī)理設(shè)計(jì)的弧形錐體圓盤，可保證擾動杯內(nèi)的顆粒化肥在弧形錐體圓盤錐頂與錐盤上端面的作用下均勻流暢進(jìn)入肥室。顆粒化肥在擾動作用下進(jìn)入弧形錐體圓盤上端錐頂，此時顆粒化肥受到盤面摩擦力最小，保證顆?；薯樌M(jìn)入下端肥室，隨著顆?；氏乱?，受到盤面的摩擦力逐漸變大，但排肥器表面光滑，摩擦力變化對顆粒化肥的下移運(yùn)動影響較小，由于弧形錐體圓盤自身的轉(zhuǎn)動，顆?；适艿降碾x心力遠(yuǎn)大于摩擦力，被迫向外緣移動，實(shí)現(xiàn)整個下移過程。將上殼體與螺旋擾動弧形錐體圓盤進(jìn)行簡化，僅保留上殼體與弧形錐體圓盤，選取上殼體與下殼體之間寬度為dw的下移肥料群微元體作為研究對象，其受力分析如圖5所示。

圖5 下移肥料群微元體受力分析Fig.5 Force analysis of fertilizer group moving down process

由式(1)知，弧形錐體圓盤上端面任意位置處的切線與水平面的夾角β可由弧形錐體圓盤母線方程求導(dǎo)得到，任意位置x1處的β為

(10)

式中x1——下移肥料群微元體下側(cè)面中點(diǎn)到軸心的距離，m

根據(jù)微元體的受力分析和達(dá)朗貝爾原理，建立下移肥料群微元體受力方程

(11)

式中μ——上殼體與下移肥料群的摩擦因數(shù)

μ1——弧形錐體圓盤上端面與下移肥料群的摩擦因數(shù)

f——離心推板與下移肥料群的摩擦因數(shù)

R1——微元體重心到軸線的距離，m

L——上殼體與下殼體之間的距離，m

FN——離心推板對微元體的摩擦力，N

m2——下移肥料群微元體質(zhì)量，kg

a1——離心加速度，m/s2

γ——離心推板徑向偏角，(°)

Fc——微元體的慣性離心力，N

Fn——微元體上端肥料群壓力，N

Fg——微元體重力，N

Fs——上殼體對微元體的壓力，N

Ff——上殼體下端面與微元體的摩擦力，N

Ft——離心推板對下移肥料群微元體的支持力，N

Ff1——弧形錐體圓盤上端面與微元體的摩擦力，N

Fs1——弧形錐體圓盤上端面對微元體的支持力，N

Fn1——下端肥料群對微元體的支持力，N

由式(11)知肥料群下移的必要條件為

Fccosβ+Fn+Fgsinβ-Fn1-FN-Ff1-Ff≥0

(12)

顆?；试诨⌒五F體圓盤與殼體間主要受離心力作用向排肥器外緣移動，因此弧形錐體圓盤上端面對微元體的支持力Fs1和弧形錐體圓盤上端面與微元體的摩擦力Ff1可忽略不計(jì)，下移肥料群微元體向弧形錐體圓盤邊緣移動過程中，由于微元體外緣的顆?；适艿降碾x心力大于微元體受到的離心力，微元體外緣的顆?；蕦ξ⒃w的作用力Fn1可忽略不計(jì)，由于排肥器各部件材質(zhì)一樣，因此肥料與排肥器之間的摩擦因數(shù)均設(shè)為f，整理得

(13)

由式(10)知，顆?；蕪呐欧势骰⌒五F體圓盤頂端沿弧面向外緣移動，在弧形錐體圓盤上端面任意位置切線與水平面的夾角β逐漸減小，結(jié)合式(13)可知，在相同排肥器弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)速下，靠近排肥器外緣的顆?；时瓤拷鼣_動杯軸線的顆粒化肥先達(dá)到下移條件，可防止顆?；试诨⌒五F體圓盤與殼體間堆積壓實(shí)，保證顆?；食掷m(xù)穩(wěn)定順利向外緣移動，該運(yùn)動過程及肥料的擾動防堵保證了排肥器的排肥穩(wěn)定性、流暢性。

3 擾動過程仿真分析

為驗(yàn)證螺旋錐體離心式排肥器的擾動防堵作用，開展有、無螺旋擾動杯的排肥器排肥過程仿真分析對比試驗(yàn)。

3.1 仿真模型構(gòu)建

3.1.1排肥器模型

為了縮短仿真時間，將與顆?；薀o接觸的部件省去，采用SolidWorks軟件進(jìn)行排肥器建模，排肥器模型如圖6所示，并將模型以.IGS格式文件導(dǎo)入EDEM軟件。設(shè)置模型的泊松比為0.394，剪切模量為3.18×108Pa，密度為1 070 kg/m3。

圖6 排肥器模型Fig.6 Model of fertilizer apparatus1.肥箱 2.上殼體 3.排肥管 4.弧形錐體圓盤

3.1.2顆?；誓Ｐ?/p>

隨著顆粒化肥造粒技術(shù)的成熟，顆粒表面光滑圓潤，不容易結(jié)塊，合格率高，形狀一般為球形或橢球形，可定義為球形散粒體。以常用史丹利復(fù)合肥理化特性參數(shù)為依據(jù)，設(shè)置直徑為3.32 mm，密度為845.61 kg/m3，泊松比為0.25，剪切模量為1.1×108Pa，在EDEM軟件中構(gòu)建肥料顆粒體，模擬復(fù)合肥料形狀。

3.1.3接觸模型

由于顆?；式魄蛐危w粒表面沒有粘附作用，所以選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型[27]，仿真參數(shù)綜合參考文獻(xiàn)[3,6,17,28]確定，顆粒化肥與顆?；手g的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、動摩擦因數(shù)分別為0.3、0.34、0.16，顆?；逝c排肥器之間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、動摩擦因數(shù)分別為0.2、0.18、0.01。設(shè)置EDEM顆粒工廠的生成速率為100 000粒/s，生成總量為50 000粒，弧形錐體圓盤設(shè)置為1 s時開始轉(zhuǎn)動，以此保證在轉(zhuǎn)動前生成的顆粒完全靜止于肥箱內(nèi)，設(shè)置固定時間步長為Rayleigh時間步長的20%，總時間為20 s[29]。

3.2 擾動防堵性能仿真試驗(yàn)分析

3.2.1排肥器內(nèi)顆?；蕯_動過程分析

通過前期試驗(yàn)，結(jié)合油菜直播施肥量要求，若播種機(jī)前進(jìn)速度為3.5 km/h，此時排肥器轉(zhuǎn)速應(yīng)大于100 r/min，為直觀觀察排肥器內(nèi)部肥料運(yùn)動情況，兩種排肥器弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)速均選取110 r/min，在EDEM軟件中的Clipping組框中添加Clipping Planes(平面截斷)，通過調(diào)整Plane Orientation和Distance from Center值確定平面截斷位置，平面截斷模型如圖7所示(左側(cè)有螺旋擾動杯，右側(cè)無螺旋擾動杯，紅色方框內(nèi)為肥箱出肥口與排肥器連接處)。

圖7 平面截斷模型Fig.7 Clipping planes model

從圖7可以看出，顆粒化肥在有螺旋擾動杯和沒有螺旋擾動杯的排肥器內(nèi)的運(yùn)動速度存在明顯差別。安裝有螺旋擾動杯的排肥器內(nèi)，位于擾動杯內(nèi)的顆?；食仕{(lán)色，說明擾動杯為其提供了擾動作用，位于肥箱出肥口與排肥器連接處內(nèi)的顆?；蕿闇\藍(lán)色，說明螺旋擾動杯對其提供了卷攜擾動作用，因?yàn)榫o貼螺旋擾動杯內(nèi)壁的顆?；试诼菪~片的作用下運(yùn)動時，會卷攜中間的顆粒化肥運(yùn)動，并為位于螺旋擾動杯上端肥箱內(nèi)的顆?；侍峁﹦?/p>

能，可以有效防止化肥結(jié)拱，保證化肥順利下移，說明螺旋擾動杯具有較好的擾動作用，同時隨著顆粒化肥在離心力的作用下向排肥器外緣移動，顆粒化肥速度不斷增加，保證了化肥的順利離送；在沒有螺旋擾動杯的排肥器內(nèi)顆?；蕿榘咨?，說明顆?；蕛H靠自身重力和上端肥料的壓力緩慢向下移動，若肥箱出肥口形成半球形空洞，無法破拱，嚴(yán)重影響排肥穩(wěn)定性。從上述分析可知，安裝有螺旋擾動杯的排肥器具有很好的擾動防堵性能。

通過上述分析知，擾動杯帶動緊貼擾動杯內(nèi)壁的肥料運(yùn)動，進(jìn)而卷攜肥箱出肥口與排肥器連接處的顆?；蔬\(yùn)動，為后續(xù)高速攝像試驗(yàn)觀察表層肥料運(yùn)動提供了理論支撐。

3.2.2顆?；仕椒较蛩俣确治?/p>

為更直觀分析顆粒化肥在有、無螺旋擾動杯排肥器內(nèi)的運(yùn)動情況，選取位于肥箱出肥口與排肥器連接處內(nèi)5顆化肥(顆?；蔬x取位置如圖7中黑點(diǎn)所示，從左往右依次代表顆粒1至顆粒5，這5點(diǎn)可較好代表顆粒運(yùn)動變化，且所選取的有螺旋擾動杯內(nèi)的顆粒化肥所在初始位置與無螺旋擾動杯內(nèi)的顆?；饰恢帽３窒嘟蛞恢?，通過EDEM后處理軟件分析其在排肥器內(nèi)水平x方向速度變化，顆粒化肥在x方向速度隨時間變化的曲線如圖8所示。

圖8 顆?；仕椒较蛩俣茸兓€Fig.8 Velocity variation curves of granular fertilizer in x-axis direction

弧形錐體圓盤在0.5 s時開始轉(zhuǎn)動，從圖8可看出，有螺旋擾動杯的排肥器內(nèi)顆?；试? s前速度較低，顆粒2、4在1.3 s時出現(xiàn)了水平x方向速度的波動，顆粒1、3、5在1.6 s時出現(xiàn)了水平x方向速度的波動，速度波動的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)代表此時顆粒化肥在x方向的瞬時速度，此時顆粒化肥在擾動杯的作用下做沿擾動杯軸線向下的螺旋運(yùn)動，顆粒2、4在1.5 s后水平x方向速度出現(xiàn)規(guī)律的大幅波動，顆粒1、3、5在1.8 s后水平x方向速度出現(xiàn)規(guī)律的大幅波動，說明此時顆?；室堰M(jìn)入肥室，并隨轉(zhuǎn)動半徑的增加，線速度逐漸增加；沒有螺旋擾動杯的排肥器內(nèi)由于離心推板對顆粒化肥的帶動，顆粒均在進(jìn)入肥室前出現(xiàn)了短暫的速度波動，顆粒2、3、4在2 s時進(jìn)入肥室，顆粒1、5在3 s時進(jìn)入肥室。根據(jù)顆?；试趦膳欧势鲀?nèi)的速度變化可知，有螺旋擾動杯的排肥器內(nèi)顆粒化肥在進(jìn)入肥室前，出現(xiàn)了持續(xù)的速度波動，說明螺旋擾動杯為肥料提供了擾動作用，增加了肥料的流動性，可防止肥料滯固形成硬實(shí)的表層而出現(xiàn)堵塞，保證顆?；食掷m(xù)穩(wěn)定供給，避免出現(xiàn)斷條現(xiàn)象；無螺旋擾動杯的排肥器由于缺少擾動作用，肥料流動性稍差，因此比有螺旋擾動杯的排肥器內(nèi)顆?；蔬M(jìn)入肥室內(nèi)的時間稍長。

4 臺架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與方法

排肥器架空結(jié)拱堵塞嚴(yán)重影響排肥穩(wěn)定性，為分析排肥器螺旋擾動防堵作用及排肥性能，應(yīng)用自制的排肥裝置試驗(yàn)臺開展有、無螺旋擾動杯排肥器排肥性能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)所用肥料為史丹利復(fù)合肥，以同行排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)與排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為評價指標(biāo)，所用肥料10 kg，收集8個排肥管內(nèi)的顆粒化肥。

通過分析油菜直播施肥量要求，結(jié)合前期排肥器供肥速率，為適應(yīng)不同施肥量要求，開展弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)速在80、90、100、110、120、130 r/min[27](轉(zhuǎn)速利用速為SW6234C型激光測速儀測定；利用兆信30V5A的數(shù)顯線性可調(diào)直流穩(wěn)壓電源RXN-3005D作為12 V電源，為弧形錐體圓盤驅(qū)動電機(jī)供電)同行排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)與排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)對比試驗(yàn)研究，并利用高速攝像儀(Pco.dimaxHD，攝像方向?yàn)榕欧N器斜下方)觀察肥箱出肥口與排肥器連接處內(nèi)顆粒化肥卷攜運(yùn)動狀態(tài)，高速攝像試驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 高速攝像試驗(yàn)裝置Fig.9 High-speed photography experiment device1.可調(diào)直流穩(wěn)壓電源 2.直流電機(jī)調(diào)速器 3.肥管 4.排肥器 5.肥箱 6.臺架 7.高速攝像系統(tǒng) 8.補(bǔ)光燈

同行排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)為

(14)

式中N——試驗(yàn)次數(shù)

xi——每行排肥管第i次的排肥頻率，g/s

若式(14)中xi為第i次60 s內(nèi)總排肥量(g)，則排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1-CV。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1顆?；示頂y運(yùn)動分析

為分析螺旋擾動杯是否對顆?；十a(chǎn)生卷攜擾動作用，在肥箱出肥口與排肥器連接處上端鋪放了一層標(biāo)記顏色的顆粒化肥，從左往右依次鋪放紅-藍(lán)-紅-藍(lán)-紅-藍(lán)色顆粒化肥，并用豎線在圖中分隔開，分成6個區(qū)域，如圖10所示。a代表初始狀態(tài)；b代表標(biāo)記顏色的顆粒化肥運(yùn)動到肥箱出肥口與排肥器連接處末端；c代表標(biāo)記顏色的顆粒化肥通過肥箱出肥口與排肥器連接處末端。

圖10 肥料運(yùn)動狀態(tài)Fig.10 Fertilizer state of motion

從圖10a可以看出，在狀態(tài)b時，區(qū)域H2內(nèi)的藍(lán)色顆?；蔬M(jìn)入?yún)^(qū)域H3，且區(qū)域H3內(nèi)完全布滿區(qū)域H2內(nèi)的藍(lán)色顆?；?，區(qū)域H3內(nèi)的紅色顆粒化肥完全進(jìn)入?yún)^(qū)域H4，區(qū)域H4內(nèi)一半以上的藍(lán)色顆?；蔬M(jìn)入?yún)^(qū)域H5；隨著排肥器繼續(xù)運(yùn)動，在狀態(tài)c時，H2區(qū)域內(nèi)的藍(lán)色顆粒化肥進(jìn)一步向右運(yùn)動，且有部分藍(lán)色顆粒進(jìn)入?yún)^(qū)域H4。顆粒化肥存在向右下方的卷攜運(yùn)動，且運(yùn)動過程流暢，無斷層下落問題；根據(jù)圖10b顆粒化肥位置變化可知，在狀態(tài)b和狀態(tài)c時，各區(qū)域內(nèi)的顆?；食齾^(qū)域N2內(nèi)的極少藍(lán)色肥料進(jìn)入?yún)^(qū)域N3外，其余區(qū)域內(nèi)顆粒化肥均未出現(xiàn)在其它區(qū)域，各區(qū)域顆?；示鱿蛳碌呢Q直運(yùn)動，不存在卷攜運(yùn)動，且在試驗(yàn)過程出現(xiàn)了顆?；蕯嗬m(xù)下落問題。根據(jù)上述顆?；蔬\(yùn)動情況可知，有螺旋擾動杯的排肥器可為肥箱出肥口與排肥器連接處的顆?；侍峁┚頂y擾動作用，該部位擾動作用是由螺旋擾動杯內(nèi)的顆粒化肥運(yùn)動卷攜所致，可有效防止肥料架空結(jié)拱堵塞，提高排肥流暢性。

4.2.2排肥穩(wěn)定性分析

同行排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)是衡量排肥器相同時間內(nèi)同一排肥管排肥頻率差異的指標(biāo)；排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)是衡量排肥器相同時間內(nèi)排肥管排肥量差異的指標(biāo)，兩者均是排肥器排肥穩(wěn)定性最直觀的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

同行排肥頻率穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖11所示，圖中藍(lán)色和紅色分別代表有螺旋擾動杯和無螺旋擾動杯的排肥器不同轉(zhuǎn)速同行排肥頻率穩(wěn)性定系數(shù)，由內(nèi)向外的等值線分別為90%、92%、94%、96%、98%、100%，數(shù)字1～8為排肥管編號。由圖可知，當(dāng)弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)速較低時，無螺旋擾動杯排肥器較有螺旋擾動杯排肥器同行排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)低，且各排肥管之間的排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)差異明顯，有螺旋擾動杯排肥器同行排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)雖較低，但各排肥管之間的排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)相差不大，均在96%以上；隨著弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)速增加，有、無螺旋擾動杯的排肥器同行排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)均有提高，且各排肥管之間的排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)差異減小，當(dāng)弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)速達(dá)到130 r/min時，有、無螺旋擾動杯排肥器同行排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)相差最小，且各排肥管之間的排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)相差最??；弧形錐體圓盤從低速到高速，在相同轉(zhuǎn)速時，有螺旋擾動杯排肥器均較無螺旋擾動杯排肥器同行排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)高，且各排肥管排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)相差不大。說明螺旋擾動杯對排肥器排肥穩(wěn)定性具有積極作用，螺旋錐體離心式排肥器具有較高的排肥穩(wěn)定性，對提高排肥質(zhì)量和精度具有重要意義。

圖11 同行排肥頻率穩(wěn)定性分析結(jié)果Fig.11 Analysis result of fertilizing frequency stability in the same row

圖12 排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.12 Variation curves of variation coefficient of fertilizing amount stability with increase of rotate speed

排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖12所示。由圖12知，當(dāng)弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)速相同時，有螺旋擾動杯排肥器比無螺旋擾動杯排肥器排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)低，且兩種排肥器排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)隨弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)速增加而減?。粺o螺旋擾動杯排肥器排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)在5.11%～10.82%之間，有螺旋擾動杯排肥器排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)在3.19%～5.57%之間，兩者均滿足施肥質(zhì)量要求，但有螺旋擾動杯排肥器明顯低于無螺旋擾動杯排肥器的排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)。綜上，說明螺旋擾動杯有助于排肥器穩(wěn)定均勻排肥，對縮小各排肥管排量差異、提高排量穩(wěn)定性具有重要作用。

5 結(jié)論

(1)通過對顆粒化肥在排肥器內(nèi)運(yùn)動學(xué)分析和顆?；始芸战Y(jié)拱堵塞形式分析，明確了顆?；式Y(jié)拱機(jī)理，通過構(gòu)建螺旋擾動杯內(nèi)顆?；仕苣Σ亮δＰ涂芍?，貼壁肥料群可為內(nèi)肥料群提供隨半徑變化豎直向下的摩擦力和與徑向垂直的摩擦力，可有效解決管壁處因肥料滯固形成硬實(shí)的表層而造成的結(jié)拱堵塞問題。

(2)排肥器仿真試驗(yàn)表明，安裝有螺旋擾動杯的排肥器內(nèi)顆?；蕿樗{(lán)色，說明螺旋擾動杯為顆?；侍峁┝司頂y擾動作用；無螺旋擾動杯的排肥器內(nèi)顆粒化肥為白色，說明顆?；蔬\(yùn)動緩慢無擾動作用。由顆粒化肥在有、無螺旋擾動杯排肥器內(nèi)的速度對比分析可知，有螺旋擾動杯排肥器比無螺旋擾動杯排肥器內(nèi)的顆?；蔬M(jìn)入肥室的時間短，且進(jìn)入肥室前出現(xiàn)了持續(xù)0.5 s的速度波動，說明螺旋擾動杯對顆?；实倪\(yùn)動具有積極作用。

(3)高速攝像試驗(yàn)表明，有螺旋擾動杯的排肥器可為顆?；侍峁┚頂y擾動作用，有效防止肥料架空結(jié)拱堵塞。臺架試驗(yàn)表明，有螺旋擾動杯排肥器各排肥管之間的排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)在96%以上，且同行排肥頻率穩(wěn)定性系數(shù)隨弧形錐體圓盤轉(zhuǎn)速的增加而提高，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)不超過5.57%，具有較高的排肥均勻性和穩(wěn)定性。