螺旋排肥器排肥口參數(shù)對排肥性能影響的試驗研究

楊文武，方龍羽，羅錫文，李 輝，葉揚青，梁展豪

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機械化·

螺旋排肥器排肥口參數(shù)對排肥性能影響的試驗研究

楊文武1,2，方龍羽1,2，羅錫文1,2※，李 輝3，葉揚青1,2，梁展豪1,2

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣州 510642； 3. 吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院，長春 130022）

針對螺旋排肥器在物料輸送過程中排肥口物料流量隨時間波動變化造成排肥均勻性降低的問題，該研究采用離散元仿真和臺架試驗相結(jié)合的方法，以排肥均勻性變異系數(shù)為評價指標，在螺旋轉(zhuǎn)速30 r/min下，研究了排肥口長度和排肥口角度對排肥均勻性的影響，通過正交試驗分析了單個螺旋轉(zhuǎn)動周期內(nèi)的排肥特性。試驗結(jié)果表明：影響螺旋排肥器排肥性能的主次因素分別為排肥口長度、排肥口角度，兩者對螺旋排肥器的排肥穩(wěn)定性和均勻性有非常顯著的影響，在排肥口角度為135°、排肥口長度為60 mm的組合下取得較優(yōu)排肥效果，該組合下仿真試驗的排肥均勻性變異系數(shù)為4.98%，臺架驗證試驗的排肥均勻性變異系數(shù)為5.41%，仿真試驗和臺架試驗結(jié)果吻合度較好。該研究可為螺旋式排肥器的設(shè)計與優(yōu)化提供參考和理論依據(jù)。

農(nóng)業(yè)機械；離散元；試驗；螺旋排肥器；排肥量脈動；均勻性

0 引 言

化肥不僅能促進農(nóng)作物增產(chǎn)增收，還能保持土壤養(yǎng)分[1]。已有研究表明，精準施肥是一種按照養(yǎng)分的供需關(guān)系精準高效施肥的方法，對提高肥料利用率、減少化肥施用量具有重要意義，可使農(nóng)業(yè)資源得到最優(yōu)配置，實現(xiàn)農(nóng)資投入的科學化和產(chǎn)出的最大化，并可減少對環(huán)境的污染，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2-4]。螺旋輸送機械是一種常見的連續(xù)散體物料輸送設(shè)備，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、冶金、化工、建材和礦產(chǎn)等行業(yè)[5-8]，具有結(jié)構(gòu)簡單、輸送環(huán)境密閉、輸送量可調(diào)、單圈輸送量穩(wěn)定等優(yōu)點，是一種對物料的強制輸送方式[9]。但是在應(yīng)用過程中，存在出料口物料流量脈動變化現(xiàn)象，制約了其在精細給料裝置上的應(yīng)用[10-11]。因此，減少螺旋輸送中存在的脈動現(xiàn)象，對穩(wěn)定給料具有重要意義。王順森等[12]研究了雙螺桿對置加料器，但由于螺旋脈動的周期構(gòu)成相當復雜，減小脈動周期固然可以減小整體脈動的大小，但增加了系統(tǒng)的復雜程度，不利于在小型機具上應(yīng)用；Kretz等[13]進行了螺旋設(shè)計參數(shù)及安裝傾角等對螺旋出口物料流率穩(wěn)定性影響的仿真及臺架試驗，使出口處的流率更均勻；Debayan等[14]針對小顆粒物料的短距離輸送，設(shè)計了一種短距離輸送螺旋，并對不同螺旋轉(zhuǎn)速下的填充率進行了試驗研究；宋歡等[15]基于離散元素法在落料口加裝雙螺旋結(jié)構(gòu)以及留出空螺距的方式對螺旋輸送機構(gòu)進行優(yōu)化，使物料排出脈動的峰值降低，但脈動幅度與平均值之間的比值依然較大，不能滿足精準排肥的需求。陳雄飛等[16]研制了一種兩級螺旋排肥裝置，第一級螺旋為第二級螺旋供肥，第二級螺旋進行排肥；李曉賢等[17]針對丘陵山區(qū)作業(yè)環(huán)境，設(shè)計了一種垂直螺旋式定量施肥機，通過理論計算和試驗優(yōu)化了螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)：張秀麗等[18]設(shè)計了一種多段式攪龍有機肥混料裝置，采用變螺距的方式橫向運輸有機肥，進行混料作業(yè)，采用離散元仿真和樣機試驗對其混料均勻性、抗堵性能和防積料性能進行了分析；呂金慶等[19]針對馬鈴薯種植過程中施肥量大等問題，設(shè)計了一種螺旋施肥器，采用同軸上兩節(jié)旋向相反的螺旋，同時對2行作物施肥。以上研究都依據(jù)施肥量的需求，對螺旋排肥器的排肥量進行了理論計算和研究，但對于精量施肥，還要考慮排肥精度、排肥均勻性及穩(wěn)定性[20]。

典型的螺旋排肥器排肥口垂直螺旋向下，與螺旋葉片相切[21]，由于排肥口的螺旋終止端面葉片轉(zhuǎn)動到不同位置時，螺旋與螺旋套管之間形成的肥料儲存空間不同，肥料顆粒受到螺旋葉片與螺旋套管的阻擋作用不同，從而產(chǎn)生了肥料顆粒周期性變化的排肥量脈動現(xiàn)象[22]。針對現(xiàn)有螺旋排肥器排肥量隨時間脈動的現(xiàn)象，鑒于螺旋排肥器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其排肥性能有較大的影響[23]，本文開展螺旋排肥器排肥口長度和排肥口角度對排肥性能影響關(guān)系的分析，在分析螺旋排肥器結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)及各因素的交互作用的基礎(chǔ)上，設(shè)計二因素三水平的正交試驗，采用離散元仿真技術(shù)和臺架試驗相結(jié)合的方式對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的螺旋排肥器的排肥均勻性變異系數(shù)進行極差和方差分析，并應(yīng)用3D成型技術(shù)加工優(yōu)化設(shè)計后的排肥器，進行臺架試驗，以期提高螺旋排肥器的排肥精度和排肥均勻性，為螺旋排肥器的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 工作原理及排肥瞬態(tài)特性分析

1.1 螺旋排肥器的結(jié)構(gòu)組成

螺旋排肥器主要由驅(qū)動電機、聯(lián)軸器、充肥口、螺旋、螺旋套管、排肥口和集料器等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中排肥作業(yè)的關(guān)鍵部件是螺旋和螺旋套管。參照GB/T35487-2017[24]所規(guī)定的排肥量400 kg/hm2確定排肥螺旋參數(shù)，本研究的螺旋排肥器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：螺旋內(nèi)徑=21 mm，外徑=50 mm，螺距=40 mm，螺牙深度=14.5 mm，螺牙平均厚度=4 mm。根據(jù)式（1）[25]計算得排肥螺旋的最高轉(zhuǎn)速為223.06 r/min。

式中max為排肥螺旋的臨界轉(zhuǎn)速，r/min；為物料綜合系數(shù)，取值=50[25]。

1.驅(qū)動電機 2.聯(lián)軸器 3.充肥口 4.螺旋 5.螺旋套管 6.排肥口 7.集料器

1.Drive motor 2.Coupling 3.Feeding inlet 4.Screw 5.Screw shell 6.Discharge port 7. Concentrator

圖1 螺旋排肥器結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Struutural diagram of fertilizer distribution apparatus with screw

螺旋排肥器排肥時，肥箱內(nèi)的肥料顆粒在重力作用下進入充肥口，填充螺旋和螺旋套管間的空隙，電機驅(qū)動螺旋作定軸轉(zhuǎn)動，在螺旋和螺旋套管內(nèi)壁的共同作用下，推動肥料顆粒沿螺旋軸向運動，肥料至排肥口時在重力的作用下排出排肥器，落入排肥管路，完成排肥過程。根據(jù)螺旋輸送機構(gòu)的工作原理[16]，螺旋排肥器的排肥量關(guān)系可按式（2）和（3）計算：

[p(22)/4?bhL]（2）

=（3）

1.2 螺旋排肥器排肥瞬態(tài)特性分析

1.2.1仿真參數(shù)設(shè)定

離散元法（Discrete Element Method，DEM）是一種求解與分析復雜離散系統(tǒng)的運動規(guī)律與力學特性的數(shù)值計算方法[26]。假設(shè)螺旋輸送模式為理想的無水環(huán)境，顆粒之間不存在粘結(jié)作用，本研究采用Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型作為肥料顆粒與肥料顆粒，肥料顆粒與排肥器幾何體之間的接觸模型[27]。參考相關(guān)文獻[28-30]及試驗方法，確定本研究所使用的肥料顆粒（俄羅斯阿康公司生產(chǎn)的阿康復合肥料）、排肥器材料（PLA塑料）之間的接觸力學參數(shù)如表1所示。

表1 離散元模型材料參數(shù)及與肥料顆粒之間的接觸參數(shù)

休止角能反映散粒物料的內(nèi)摩擦特性和散落性能，本文采用休止角對該參數(shù)模型進行標定[31-34]，實際測得的肥料堆積角為32.711°，參數(shù)模型標定堆積角為32.709°，兩者相差僅0.002°，表明該模型能較好地反映該肥料的性能。

1.2.2瞬態(tài)排肥特性

為了明確典型螺旋排肥器的瞬態(tài)排肥特性，采用EDEM 2018離散元仿真軟件對典型螺旋排肥器排肥過程進行分析，仿真參數(shù)按照表1設(shè)定，螺旋轉(zhuǎn)速為30 r/min[35]。在一個螺旋轉(zhuǎn)動周期內(nèi)，瞬時排肥量隨轉(zhuǎn)動相位角變化如圖2所示，通過分析單圈排肥過程中排肥口的瞬時肥料流發(fā)現(xiàn)，排肥口的瞬態(tài)排肥量成周期性脈動變化。導致排肥口排肥量脈動變化，排肥均勻性差，一是由于顆粒之間存在相互作用的力鏈，力鏈不能及時被重力破壞并使肥料及時排出[15]；另一個原因是由于排肥螺旋連續(xù)轉(zhuǎn)動，導致排肥口處所形成的螺旋與螺旋套管端面之間的開口大小呈周期性變化。后者是造成螺旋排肥器排肥特性不穩(wěn)定的根本原因。有研究表明，螺旋葉片與螺旋套管端面之間的間隙大于顆粒直徑的1.5倍以上，肥料顆粒才能順暢流動[31]。

1.螺旋 2. 螺旋套管端面

排肥器排肥的均勻性和精確性是考核排肥器性能的主要參數(shù)[32-34]。為了減少螺旋排肥器的排肥量脈動，提高排肥均勻性，本文提出側(cè)面出肥方式，如圖3所示，排肥器工作時，肥料顆粒在螺旋作用下，到達排肥口后，肥料在螺旋徑向力作用下開始排出，同時還有部分肥料繼續(xù)沿螺旋軸向運動，使整個排肥口長度方向都屬于排肥區(qū)，肥料在不同的位置排出，完成排肥過程。由于肥料沿與螺旋軸平行的整個排肥口長度范圍內(nèi)排出，無論螺旋轉(zhuǎn)動至什么相位，排肥口都在進行排肥，從而消除了排肥量脈動的產(chǎn)生，實現(xiàn)均勻排肥。

綜上所述，影響螺旋排肥器排肥均勻性的主要因素是排肥口的結(jié)構(gòu)，螺旋排肥口結(jié)構(gòu)因素主要有排肥口角度和排肥口長度。為了確定合理的排肥口結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文擬進行不同排肥口角度（螺旋水平面與排肥口之間的夾角）和排肥口長度（螺旋套管端面與螺旋排肥口端面之間的長度）組合對螺旋排肥器排肥性能的影響研究。

1.螺旋排肥口端面 2.螺旋 3.排肥口 4.螺旋套管端面 5.螺旋套管 6.螺旋水平面

1.End plane of discharge port 2.Screw 3.Discharge port 4.End face of screw shell 5.Screw shell 6.Horizontal plane of the screw

注：表示排肥口長度，mm；表示排肥口角度，(°)。

Note:represent the lenth of discharge port,represent the angel of discharge port.

圖3 排肥口結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Struutural diagram of discharge port

2 試驗方法

2.1 仿真試驗

螺旋排肥器結(jié)構(gòu)模型采用SolidWorks三維軟件按照1:1的比例繪制，并將其導入EDEM 2018進行仿真。為減小肥料排出后肥料顆粒與收集容器U型槽之間產(chǎn)生彈跳，在集肥器出口下方80 mm處設(shè)置有長6 000 mm，寬100 mm的肥料收集槽，用于觀察肥料排出后的分布狀況。為研究低頻脈動情況，以螺旋在30 r/min的低速轉(zhuǎn)動下進行研究，設(shè)置排肥器的前進速度為0.5 m/s[35]。離散元仿真的顆粒工廠設(shè)置于肥箱頂端的一個比肥箱開口略小的cylinder虛擬幾何體內(nèi)，生成速率為每秒15 000顆，在重力作用下自由下落，共生成30 000顆肥料顆粒，所有顆粒生成完畢后，排肥器螺旋開始轉(zhuǎn)動，待排肥穩(wěn)定后，設(shè)置排肥器整體沿U形槽直線移動，進行仿真試驗，如圖4所示。

1.Cylinder虛擬幾何體 2.肥箱 3.充肥口 4.螺旋套管 5.排肥口 6.集肥器 7.U型槽

1.Cylinder virtual geometry 2.Fertilizer box 3.Feeding inlet 4.Screw shell 5.Discharge port 6.Fertilizer collector 7.U-shaped trough

注：軸方向為螺旋排肥器前進方向。

Note：The x-axis direction is the forward direction of the fertilizer distribution apparatus with screw.

圖4 仿真試驗示意圖

Fig.4 Schematic diagram of simulation test process

2.2 臺架試驗

為進一步驗證和研究排肥器的排肥特性，本文采用臺架試驗的方式進行試驗研究，如圖5所示。螺旋排肥器采用PLA塑料加工成型，使用步進電機直接驅(qū)動。每次試驗前確保肥箱內(nèi)的肥料不少于肥箱容積的三分之二。

1.數(shù)據(jù)采集界面 2.電子秤 3.肥料收集盒 4.螺旋排肥器 5.驅(qū)動電機 6.肥箱

臺架試驗設(shè)定排肥螺旋轉(zhuǎn)速為30 r/min，所用的肥料為俄羅斯阿康公司生產(chǎn)的阿康復合肥料。臺架試驗的數(shù)據(jù)采集方法為：電子秤實時采集排肥質(zhì)量，通過串口將采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端，設(shè)定數(shù)據(jù)采集間隔為250 ms。每個排肥螺旋轉(zhuǎn)動周期內(nèi)的排肥量按照時間的先后順序記錄8次，統(tǒng)計螺旋單個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)8個數(shù)據(jù)之間的變異系數(shù)。

2.3 排肥性能評價標準

為了準確評價離散元仿真試驗中不同排肥口結(jié)構(gòu)參數(shù)對排肥穩(wěn)定性、均勻性的影響，參照JB/T9783-2013[36]規(guī)定的試驗方法，對螺旋排肥器的一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)排肥量變化進行研究。

采用網(wǎng)格法對排肥均勻性進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計[35]。根據(jù)排肥器的前進速度可知，螺旋轉(zhuǎn)動一圈排肥器在U型槽上走過的距離為1 m。沿軸將U型槽分為5個長1 m的試驗重復區(qū)組，每個區(qū)組用8個長寬分別為125 mm′100 mm的統(tǒng)計網(wǎng)格細分，每個小區(qū)內(nèi)的8個統(tǒng)計網(wǎng)格以軸正方向依次編號為a ~ h，分別統(tǒng)計8個網(wǎng)格內(nèi)肥料的質(zhì)量，統(tǒng)計網(wǎng)格設(shè)置如圖6所示。通過式（4）～（6）統(tǒng)計該組排肥性能試驗各統(tǒng)計網(wǎng)格單元的平均排肥質(zhì)量、標準差以及排肥均勻性變異系數(shù)[35]。

（6）

注：a~h分別表示單個試驗區(qū)組內(nèi)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)格單元編號。

各統(tǒng)計網(wǎng)格單元之間的排肥均勻性變異系數(shù)越小，則表明排肥器的排肥穩(wěn)定性和排肥均勻性越好。因此，以各統(tǒng)計網(wǎng)格單元之間的排肥均勻性變異系數(shù)作為評價指標，分析不同螺旋排肥口結(jié)構(gòu)參數(shù)下的排肥性能。

3 試驗分析與結(jié)果

3.1 單因素試驗

為了確定排肥口角度及長度對排肥均勻性的影響，采用離散元仿真技術(shù)在不同排肥口角度和不同排肥口長度下進行了單因素試驗研究。

3.1.1排肥口角度

試驗用排肥口長度為40 mm（1倍螺距），排肥口角度分別為0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°，研究不同排肥口角度對排肥均勻性變異系數(shù)的影響，得到排肥均勻性變異系數(shù)與排肥口角度的關(guān)系如圖7a所示。

試驗結(jié)果表明，隨著排肥口角度的增大，排肥均勻性變異系數(shù)先增大，在60°附近達到最大值，隨后逐漸下降，在120°～150°范圍內(nèi)得到最小值，但同時發(fā)現(xiàn)180°時取得更低的均勻性變異系數(shù)。

對排肥口角度為180°時的肥料顆粒運動分析發(fā)現(xiàn)，由于排肥口角度過大，部分肥料顆粒不能及時排出，而是隨著排肥螺旋做圓周運動，不利于排肥，所以排肥口角度為180°不能作為合適的排肥角度。排肥口角度為150°時無此現(xiàn)象。因此，排肥口角度選取范圍確定為120°～150°。

3.1.2 排肥口長度

試驗用排肥口角度為120°，為保證肥料能順利排出，排肥口長度應(yīng)大于一個螺距長度[21]，因此，排肥口長度分別取40、60、80和100 mm，研究不同排肥口長度對排肥均勻性變異系數(shù)的影響。得到的排肥均勻性變異系數(shù)與排肥口長度的關(guān)系如圖7b所示。

排肥口長度單因素試驗結(jié)果表明，隨著排肥口長度增大，排肥均勻性變異系數(shù)先減小后增大，在60 mm附近取得最小值，因此，排肥口長度選取范圍確定為40～80 mm。

3.2 正交試驗

3.2.1 試驗設(shè)計

結(jié)合單因素試驗結(jié)果，本研究選取排肥口角度范圍為120°～150°，排肥口長度40～80 mm作為正交試驗范圍。通過試驗確定兩者的最佳參數(shù)組合，2個因素分別設(shè)置3個水平，如表2所示。

由于無法判定排肥口長度與螺距之間是否存在交互作用，有必要對所選取的2個試驗因素進行交互作用判別，正交試驗表需要設(shè)置有交互作用的列。選擇有交互作用的L18（37）正交表安排正交試驗，二因素三水平之間的交互作用需要占用2列，其余3列作為空列[37]。

3.2.2 試驗結(jié)果與分析

本試驗開展時僅需要考慮1，2兩個因素，因此根據(jù)L18（37）表頭安排試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果

由評價標準可知，排肥均勻性變異系數(shù)越小，則排肥脈動性越小，排肥均勻性越好。仿真試驗和臺架試驗所得出的結(jié)果存在偏差，但趨勢一致。由表4可知，交互作用1′2對螺旋排肥器均勻性變異系數(shù)的影響程度小于因素1、2，對排肥均勻性變異系數(shù)影響的主要因素的順序依次為：1、2、1′2。得到二因素三水平下的最優(yōu)因素水平組合為1222，即排肥口角度135°，排肥口長度為60 mm。在該最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下，仿真試驗排肥均勻性變異系數(shù)為4.98%，臺架試驗排肥均勻性變異系數(shù)為5.08 %，該組合下螺旋排肥器排肥穩(wěn)定性和均勻性較好，排肥性能較優(yōu)。

為進一步研究排肥口角度、排肥口長度對螺旋排肥器排肥性能影響的重要程度，對正交試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表5所示。查表得0.01(2.9)=8.02，0.05(4.9)= 3.63[37]。方差分析表明，排肥口長度（因素1）和排肥口角度（因素2）對螺旋排肥器的排肥穩(wěn)定性和均勻性有非常顯著的影響，兩者的交互作用（因素1′2）對試驗結(jié)果影響不顯著。

表4 極差分析

表5 方差分析

注：**表示影響非常顯著（>0.01）；表示殘差。

Note: * * indicates that this impact is very significant (>0.01);is residual error.

4 試驗驗證

為了進一步分析該螺旋排肥器的排肥性能，采用正交試驗中得到排肥口結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合，即排肥口角度為135°，排肥口長度為60 mm。對該排肥口結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的螺旋排肥器分別進行了最優(yōu)組合驗證和螺旋轉(zhuǎn)速在0～225 r/min范圍內(nèi)的單圈排肥量測定臺架排肥試驗（螺旋最高設(shè)計轉(zhuǎn)速為223.6 r/min）。

在螺旋轉(zhuǎn)速30 r/min，收集盒距集肥器出口下方80 mm情況下，進行5次重復排肥試驗，取平均值，得到該螺旋排肥器的排肥均勻性變異系數(shù)為5.41%；與正交試驗中該組合仿真結(jié)果（4.98%）和臺架結(jié)果（5.08%）的相對誤差分別為8.63%和6.50%，與正交試驗結(jié)果基本吻合，表明正交試驗得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合是有效的。

在轉(zhuǎn)速0～225 r/min，梯度為15 r/min的情況下，進行最優(yōu)組合排肥器的單圈排肥量測試試驗，控制步進電機以試驗轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動100圈，對排出的肥料進行稱重，計算單圈排肥量，結(jié)果如圖9所示。試驗重復5次，并計算單圈排肥量與平均單圈排肥量的均相對偏差。試驗結(jié)果表明，在0～225 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)單圈排肥量平均值為37.66 g，平均相對偏差為0.66%，表明排肥器單圈排肥量穩(wěn)定性較好。

圖8 單圈排肥量測試結(jié)果

5 結(jié) 論

1）進行了螺旋排肥器排肥瞬態(tài)特性分析，結(jié)果表明排肥口結(jié)構(gòu)參數(shù)對螺旋排肥器的排肥性能有較大影響。

2）采用離散元仿真技術(shù)進行了單因素試驗，獲得了排肥口角度對排肥性能影響的趨勢。

3）通過仿真和臺架試驗，采用正交試驗研究了排肥口角度和排肥口長度對螺旋脈動引起的排肥性能變化。結(jié)果表明，2個因素對排肥性能有非常顯著的影響，影響的主次因素分別為排肥口長度、排肥口角度，最優(yōu)的排肥口組合參數(shù)為排肥口角度為135°，排肥口長度為60 mm。正交試驗中最優(yōu)組合下螺旋排肥器仿真試驗排肥均勻性變異系數(shù)為4.98%，臺架試驗排肥均勻性變異系數(shù)為5.08%。對最優(yōu)參數(shù)組合進行了臺架試驗驗證，得到排肥均勻性變異系數(shù)為5.41%，與正交試驗結(jié)果基本吻合，說明試驗結(jié)果具有實用性。

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Experimental study of the effects of discharge port parameters on the fertilizing performance for fertilizer distribution apparatus with screw

Yang Wenwu1,2, Fang Longyu1,2, Luo Xiwen1,2※, Li Hui3, Ye Yangqing1,2, Liang Zhanhao1,2

(1.510642,; 2.510642,;3,130022,)

As an ideal execution mechanism for precise fertilizer distribution, the fertilizer distribution apparatus with screw is of great significance for precise fertilizer distribution. To solve the problem that the fertilizer flow rate at the discharge port of the fertilizer distribution apparatus with screw fluctuates with time during the fertilizer transportation process and the low fertilization precision, the orthogonal experiments and bench experiments, taking the variable coefficient of fertilization uniformity as the evaluation indexes, were carried out to study the influences of the discharge port parameters of the screw fertilizer distribution apparatus on the fertilization performance with the discrete element simulation and 3D rapid prototyping technology. The screw fertilizer distribution apparatus consisted of feeding inlet, screw, screw shell, discharge port. Firstly, A discrete element simulation platform was established to analyze the transient characteristics of the screw fertilizer distribution apparatus, the results showed that the lateral fertilizer method can reduce the low-frequency pulsation in the screw fertilizer process. Moreover, single-element tests with discrete element simulation of the discharge port angle and discharge port length were performed. The effective range of the discharge port angle and length were 120°-150° and 40-80 mm respectively according to single-element tests. Furthermore, the L18(37) standard orthogonal table was used for the discrete element simulation and the bench test. The influences of two factors on the fertilization accuracy were studied, including the length of discharge port and the angle of discharge port and the interaction between the previous two factors. The fertilization characteristics of a single spiral rotation period are analyzed by orthogonal experiments. The results showed that the order of the main factors affecting the variable coefficient of fertilizer uniformity were the length of discharge port and the angle of discharge port, interaction between the previous two factors. The length of discharge port and the angle of discharge port had significant influences on the coefficient variation of uniformity of the fertilizer distribution apparatus with screw while the interaction between these two factors was not significant. The optimal combination of parameters was as follows: the length of the discharge port was 60 mm, the angle of discharge was 135°. The simulation results based on the optimal combination showed that the coefficient variation of uniformity was 4.98 %. The bench test was conducted to verify the optimal parameter combination results obtained by the orthogonal test. The bench verification test results showed that the coefficient variation of uniformity was 5.41 %, basically agree with the simulation result. This study can provide a reference and theoretical basis for the design and optimization of the fertilizer distribution apparatus with screw.

agricultural machinery; discrete element; experiments; fertilizer distribution apparatus with screw; fertilizer flow fluctuation; uniformity

楊文武，方龍羽，羅錫文，等. 螺旋排肥器排肥口參數(shù)對排肥性能影響的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(17)：1-8.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.001 http://www.tcsae.org

Yang Wenwu, Fang Longyu, Luo Xiwen, et al. Experimental study of the effects of discharge port parameters on the fertilizing performance for fertilizer distribution apparatus with screw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 1-8. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.001 http://www.tcsae.org

2020-03-23

2020-06-10

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0700503-2）；廣東省普通高校“人工智能”重點領(lǐng)域?qū)ｍ棧?019KDZX1004）

楊文武，主要從事農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)裝備研究。Email：yangwenwu@scau.edu.cn

羅錫文，教授，博士生導師，主要從事農(nóng)業(yè)機械化、農(nóng)業(yè)電氣化與自動化研究。Email：xwluo@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.001

S147.2

A

1002-6819(2020)-17-0001-08