煙草顆粒肥配比混施裝置的設(shè)計與試驗

張秀麗，吳亞文，李建華，王龍飛，仝振偉，陳雪婷

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南省煙草公司許昌市公司，河南 許昌 461000)

煙草是中國重要的經(jīng)濟(jì)作物，對其進(jìn)行合理有效的施肥具有增加煙葉產(chǎn)量、提高質(zhì)量以及上等煙比例等優(yōu)點[1-3]。在現(xiàn)代煙草種植中，廣泛采用顆?；袡C(jī)肥以及化肥來代替大量使用的農(nóng)家肥，為煙草機(jī)械化施肥技術(shù)提供了有利條件。為了提高肥料的精確化、減量化使用效果，國內(nèi)外學(xué)者對施肥機(jī)械進(jìn)行了大量的研究[4-5]。機(jī)械施肥裝置主要包括外槽輪式、滾輪式、螺旋輸送式、振動式、攪刀撥輪式等[6-8]。外槽輪式施肥裝置因其結(jié)構(gòu)簡單，通用性好，被廣泛應(yīng)用于多種作物的機(jī)械化施肥。施印炎等[9]運(yùn)用單元法和EDEM軟件，對外槽輪式施肥機(jī)在不同排肥裝置結(jié)構(gòu)和施肥控制策略下的排肥過程進(jìn)行性能分析和數(shù)值模擬；張濤等[10]應(yīng)用EDEM軟件，對外槽輪式施肥器在不同槽輪工作長度下進(jìn)行過程模擬分析；汪博濤等[11]應(yīng)用離散元法、二次正交回歸試驗、排肥裝置排肥臺架試驗，對槽輪工作長度、排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥舌開口角進(jìn)行仿真與試驗分析。上述針對外槽輪式施肥裝置的研究主要為單一種類的顆?；柿希鵁煵菔┓室灶w?；袡C(jī)肥和復(fù)合肥同時混合使用，煙農(nóng)在使用外槽輪式施肥裝置施肥時，需人工提前混肥，在機(jī)器工作過程，導(dǎo)致密度大的肥料分布在肥箱底部造成排肥不均勻，且因外槽輪施肥裝置本身存在脈動性，造成施肥效率和施肥精度降低，不利于肥料的精確、均勻施用。針對現(xiàn)有外槽輪式施肥裝置無法較好地適用于煙草顆?；柿鲜┯玫膯栴}，本研究設(shè)計了一種煙草顆粒肥配比混施裝置，能同時配比施用2種肥料，避免人工混肥，有效降低施肥脈動性，實現(xiàn)煙草機(jī)械化種植中高效率的施肥作業(yè)。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真，得出其幾何參數(shù)，并進(jìn)行臺架試驗驗證，以期為煙草機(jī)械化施肥技術(shù)參數(shù)優(yōu)化和排肥性能提升提供理論依據(jù)。

1 排肥裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

煙草顆粒肥配比混施裝置主要由肥箱、立式窩眼儲肥盤、支撐套筒、底板、軸承、傳動軸、肥量控制板等組成(圖1)。本文以煙草專用顆粒有機(jī)肥和復(fù)合肥為研究對象，顆粒有機(jī)肥直徑比復(fù)合肥略大，且施肥量也比有機(jī)肥大。立式窩眼儲肥盤是排肥裝置核心部件，其上均勻分布著大小不等的孔，對應(yīng)排施大小、比例不同的顆粒肥料。大孔設(shè)計在外側(cè)，排施直徑大且施肥量大的顆粒有機(jī)肥，小孔設(shè)計在內(nèi)側(cè)，排施直徑略小且施肥量小的復(fù)合肥。肥箱為一體兩部，底部對應(yīng)儲肥盤結(jié)構(gòu)，設(shè)計充肥孔，易于顆粒肥料利用自身重力落入儲肥盤中，提高充肥能力，實現(xiàn)2種肥料的同時排施。

1.肥箱；2.立式窩眼儲肥盤；3.支撐套筒；4.底板；5.軸承；6.輸肥管；7.傳動軸；8.螺栓、螺母；9.肥量控制板。1.Fertilizer box；2.Vertical socket fertilization disc；3.Support sleeve；4.Bottom plate；5.Bearing；6.Transporting fertilizer tube；7.Transmission shaft；8.Bolt and Nut；9.Fertilizer control panel.圖1 配比混合施肥裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Proportion mixing fertilization device structure

排肥裝置工作時，將顆粒有機(jī)肥放入大孔肥箱，復(fù)合肥放入小孔肥箱；肥箱內(nèi)的肥料在重力作用下落入肥箱板上的充肥區(qū)，儲肥盤在傳動軸的帶動下轉(zhuǎn)動，肥料在儲肥盤孔與肥箱孔接觸的過程中進(jìn)行充肥，并存儲在儲肥盤孔中，經(jīng)過底板的密封作用，當(dāng)儲肥盤轉(zhuǎn)動一定角度后，將肥料經(jīng)底板排肥孔排入輸肥管，輸肥管與開溝器相連接，經(jīng)開溝器將肥料施入煙田壟體內(nèi)；設(shè)計排肥孔的位置與對應(yīng)肥箱孔位置相反，如圖2所示，這樣設(shè)計的目的是防止在連續(xù)排肥過程中出現(xiàn)瞬時排肥量過大的問題，影響裝置的排肥均勻性。為了實現(xiàn)排肥量的控制，設(shè)計了肥量控制板，通過抽動肥量控制板可調(diào)節(jié)充肥孔工作面積的大小，進(jìn)而控制裝置的充肥能力，實現(xiàn)施肥量的調(diào)節(jié)。

1.轉(zhuǎn)動區(qū)；2.排肥區(qū)；3.存儲區(qū)；4.充肥區(qū)。1.Rotation area；2.Fertilizer discharge area；3.Storage area；4.Filling area.圖2 施肥裝置的工作原理Fig.2 Working principle diagram of fertilizing device

2 排肥裝置關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 充肥孔直徑的確定

配比混施裝置的結(jié)構(gòu)為立式，由肥箱底部的充肥孔進(jìn)行充肥；肥料在排施過程中僅受重力作用，經(jīng)過充肥區(qū)，落入儲肥盤中進(jìn)行排肥；由于受顆粒肥料本身特性的影響，易在充肥口處結(jié)拱，造成無法排施肥料等問題。顆粒物體在僅受重力作用下排放出現(xiàn)結(jié)拱時，不僅與顆粒本身休止角和肥箱角度有關(guān)，還和顆粒本身尺寸與下落口尺寸的比例有關(guān)，后者影響較大[12-13]。

以直徑較大的有機(jī)肥顆粒為試驗顆粒，取100粒河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的百奧佳牌煙草專用高碳基土壤修復(fù)肥顆粒，測量其直徑，并取平均值得出直徑為3.94 mm，取其尺寸為4 mm。借助離散元軟件EDEM進(jìn)行模擬排肥試驗：將排肥孔直徑尺寸設(shè)計為肥料顆粒尺寸的2倍、3倍、4倍、5倍和6倍；設(shè)置肥箱內(nèi)初始肥料顆粒數(shù)量為1 000粒，顆粒直徑為4 mm，為了更準(zhǔn)確地體現(xiàn)肥料直徑，將其尺寸分布設(shè)置為0.8～1.2倍。

仿真結(jié)果如圖3所示。當(dāng)充肥孔直徑為肥料顆粒直徑的2倍、3倍時，肥料顆?；緹o法排出，4倍時排出少許，5倍、6倍時能將肥料全部排出。從仿真排肥試驗結(jié)果可以看出，排肥孔直徑大于3倍肥料顆粒直徑，小于5倍肥料顆粒直徑時，肥料顆粒能在僅受重力作用下排施，但會出現(xiàn)結(jié)拱；當(dāng)排肥孔直徑與肥料顆粒直徑之比≥5倍時，能將肥料全部排出。

圖3 不同倍數(shù)比孔徑的仿真排肥試驗結(jié)果Fig.3 Simulated fertilizer test and results with different diameter

2.2 儲肥盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計

儲肥盤的結(jié)構(gòu)關(guān)系到排肥量和排肥效果。試驗所用有機(jī)肥和復(fù)合肥均為顆粒狀，儲肥盤的每轉(zhuǎn)排肥量與儲肥盤厚度、儲肥孔直徑以及肥料顆粒的堆積密度有關(guān)，即：

(1)

式中：R為儲肥孔半徑，mm；N為儲肥孔個數(shù)，根據(jù)儲肥盤直徑選擇；h為儲肥盤厚度，mm；ρ為肥料堆積密度，kg·m-3；

由式(1)可知，儲肥孔半徑和個數(shù)越多，周轉(zhuǎn)排肥量越大。結(jié)合仿真排肥試驗結(jié)果，為了防止在排肥過程中出現(xiàn)結(jié)拱，儲肥孔最小工作直徑與肥料顆粒直徑比值取5。

針對河南許昌地區(qū)煙草種植施肥量：煙草專用高碳基土壤修復(fù)肥450～675 kg·hm-2，硫酸鉀復(fù)合肥250～375 kg·hm-2。為了防止在排肥過程中因工作面積較小而出現(xiàn)結(jié)拱的問題，以最小排肥量工作面積進(jìn)行儲肥盤的設(shè)計，當(dāng)最小排肥量工作狀態(tài)下不出現(xiàn)結(jié)拱時，最大排肥量工作狀態(tài)一定不會出現(xiàn)結(jié)拱，調(diào)節(jié)過程如圖4所示。

圖4 儲肥孔最大和最小工作面積Fig.4 Diagram of maximum and minimum working areas of fertilizer discharge hole

排肥裝置同時排施2種肥料，以小孔為例進(jìn)行儲肥盤結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)小孔滿足排肥要求時，大孔必定滿足，所以，設(shè)計尺寸應(yīng)滿足：

D=5d

(2)

Smax=πR2

式中：D為最小防結(jié)拱工作長度，mm；d為有機(jī)肥和復(fù)合肥顆粒的等效直徑，mm；R為儲肥孔直徑，mm；a為類橢圓短半軸，b為長半軸，mm；S為工作面積，mm2；Q為施肥量，kg·hm-2。

為了防止排肥過程中出現(xiàn)結(jié)拱現(xiàn)象影響排肥效果，應(yīng)將最小工作長度取值略大于設(shè)計長度。復(fù)合肥顆粒等效直徑為d1=3 mm，則取D1=16 mm，有機(jī)肥顆粒等效直徑為d2=4 mm，則取D2=22 mm。由公式(2)可得復(fù)合肥儲肥孔半徑為10.88 mm，取值R1=11 mm；有機(jī)肥儲肥孔半徑為14.96 mm，取值R2=15 mm。

排肥裝置設(shè)計為立式結(jié)構(gòu)，在滿足排肥量和軸承安裝尺寸的要求下，盡量在儲肥盤上布置多的儲肥孔，以提高排肥的連續(xù)性，實現(xiàn)連續(xù)均勻性排肥；同時為了實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動對稱混合施肥，需將復(fù)合肥儲肥孔和有機(jī)肥儲肥孔個數(shù)保持一致。在Solid Works中建立模型，復(fù)合肥儲肥孔可圓周均布設(shè)置9個，將有機(jī)肥儲肥孔也設(shè)置為9個，但這樣會導(dǎo)致有機(jī)肥儲肥孔之間間距過大，易使排肥過程中連續(xù)性降低。為了避免出現(xiàn)排肥連續(xù)性降低的問題，將有機(jī)肥儲肥孔做成直徑為30 mm的2個等圓相交的環(huán)形類橢圓孔，類橢圓孔短徑為30 mm，其所占角度與復(fù)合肥儲肥孔所占角度保持一致為32°，使之能保持同步轉(zhuǎn)動排肥，如圖5所示。儲肥盤厚度在施肥量范圍內(nèi)盡量取最大值，設(shè)計取值30 mm。

圖5 儲肥盤的結(jié)構(gòu)Fig.5 Size diagram of discharge tray

3 EDEM仿真分析

儲肥盤作為排肥裝置的關(guān)鍵部件，其充肥與排肥性能的優(yōu)良直接影響排肥裝置的工作性能。因此本文采用SolidWorks和離散元(EDEM)軟件分別建立排肥裝置模型和顆粒肥料仿真模型進(jìn)行仿真試驗，分析在最大排肥量和最小排肥量狀態(tài)下，排肥裝置的排肥穩(wěn)定性，以優(yōu)化排肥裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 仿真模型的構(gòu)建與試驗方法

利用三維建模軟件SolidWorks建立排肥裝置簡化模型，保存為.step格式導(dǎo)入EDEM中，根據(jù)肥料顆粒的特性，接觸模型采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，時間步長為2.77e-05 s，進(jìn)行肥料顆粒的生成[14-18]。

為了觀察肥料在水平地表的分布狀況，仿真試驗采用在距離排肥裝置底部距離為200 mm的地方設(shè)置一個長2 000 mm、寬400 mm的平面，用于模擬地面。參考槽輪式施肥器的工作轉(zhuǎn)速，為了實現(xiàn)連續(xù)均勻性排肥，在設(shè)計排肥量范圍內(nèi)盡量取較高轉(zhuǎn)速，設(shè)置排肥裝置工作轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，排肥裝置前進(jìn)速度為0.7 m·s-1；為了降低排肥裝置的運(yùn)動復(fù)雜性，簡化仿真過程，設(shè)置地面以-0.7 m·s-1的速度向后方運(yùn)動[19-21]，用于模擬排肥裝置的前進(jìn)速度，相關(guān)的變量參數(shù)如表1所示[22-23]。

在肥箱上端分別設(shè)置2個顆粒工廠，使其在排肥過程中每秒產(chǎn)生15 000個肥料顆粒，生成總量為30 000個；當(dāng)全部肥料生成完后，設(shè)置儲肥盤轉(zhuǎn)動和地面運(yùn)動，用于模擬真實的排肥過程，使仿真結(jié)果更加切合實際，仿真試驗如圖6所示。

1.復(fù)合肥；2.有機(jī)肥；3.地面；4.排肥裝置。1.Compound fertilizer；2.Organic fertilizer； 3.Ground；4.Fertilizer discharge device.圖6 排肥裝置仿真工作過程Fig.6 Fertilizer discharge device simulation process

3.2 排肥性能評價方法

為了準(zhǔn)確的評價在EDEM仿真試驗過程中，最大排肥量和最小排肥量工作狀態(tài)下排肥裝置的排肥效果，由于排肥器與排種器工作原理相似，參照J(rèn)B/T 9783—2013《播種機(jī)外槽輪排種器》中的評價方式[24]，以排肥均勻性變異系數(shù)作為排肥裝置性能的評價指標(biāo)。為了降低其它因素的干擾，選取模擬地面中間1 500 mm的區(qū)域作為排肥效果的取樣區(qū)域，避免仿真試驗在開始和結(jié)束區(qū)域存在排肥不穩(wěn)定，影響采集的樣本數(shù)據(jù)；在模擬地面上設(shè)置Grid Bin Group，將選取區(qū)域橫向均分為5個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格長度為300 mm，并進(jìn)行編號處理，以便于后期數(shù)據(jù)采集，如圖7所示。

圖7 仿真結(jié)果網(wǎng)格處理Fig.7 Grid processing of simulation result

根據(jù)仿真結(jié)果，分別統(tǒng)計每一個網(wǎng)格內(nèi)有機(jī)肥質(zhì)量、復(fù)合肥質(zhì)量和統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)2種肥料的總質(zhì)量，并計算排肥均勻性變異系數(shù)，計算公式為[25]：

(3)

以排肥均勻性變異系數(shù)σ作為排肥裝置排肥均勻、穩(wěn)定的評價參數(shù)，σ值越小，證明排肥裝置的排肥均勻性和穩(wěn)定性越好[26-27]。

3.3 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)仿真試驗方法，分別對2種不同的排肥狀態(tài)進(jìn)行仿真試驗。變量參數(shù)見表1。根據(jù)仿真試驗結(jié)果進(jìn)行的編號處理，分別統(tǒng)計最大排肥量和最小排肥量狀態(tài)下，取樣區(qū)域每個網(wǎng)格內(nèi)的有機(jī)肥和復(fù)合肥的質(zhì)量，并進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)式3計算排肥均勻性變異系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表1 變量參數(shù)Table 1 Variable parameter

表2 取樣區(qū)域數(shù)據(jù)Table 2 Data of sampling area

根據(jù)取樣區(qū)域數(shù)據(jù)，在最大排肥量狀態(tài)下，有機(jī)肥的排肥均勻性變異系數(shù)為2.3%，復(fù)合肥的排肥均勻性變異系數(shù)為3.8%；最小排肥量狀態(tài)下，有機(jī)肥的排肥均勻性變異系數(shù)為1.9%，復(fù)合肥的排肥均勻性變異系數(shù)為4.0%。

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，在2種工作狀態(tài)下，復(fù)合肥的排肥均勻性系數(shù)均大于有機(jī)肥的排肥均勻性變異系數(shù)，造成排肥均勻性降低。原因可能是復(fù)合肥的球形度與光潔度比有機(jī)肥高，在建模過程中，有機(jī)肥的模型并非球形，而是類圓柱形，在排肥過程中使充肥量存在變化，造成排肥均勻性出現(xiàn)浮動。

4 臺架試驗

為了驗證配比混施排肥裝置離散元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，作者進(jìn)行了排肥裝置的樣機(jī)制作和臺架試驗。依托農(nóng)業(yè)機(jī)械實驗室STB-700播種實驗臺，參照仿真試驗的試驗條件，設(shè)置傳送帶前進(jìn)速度為0.7 m·s-1，儲肥盤轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，排肥裝置底部距實驗臺面高度為200 mm，肥料選用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的百奧佳牌煙草專用高碳基土壤修復(fù)肥和史丹利硫酸鉀復(fù)合肥，進(jìn)行臺架試驗。試驗結(jié)束后，將傳送帶中間部位長度為1 500 mm的排肥帶作為取樣區(qū)域，分為5個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格寬度為300 mm，對網(wǎng)格內(nèi)的肥料顆粒進(jìn)行統(tǒng)計，并進(jìn)行重復(fù)試驗3次，分別收集每次試驗的取樣區(qū)域數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。

表3 臺架試驗數(shù)據(jù)Table 3 Data of bench test

對試驗結(jié)果分別進(jìn)行排肥均勻性變異系數(shù)分析計算得出：最大排肥量狀態(tài)下，有肥排肥均勻性變異系數(shù)最大為1.6%，最小為1.0%，復(fù)合肥排肥均勻性變異系數(shù)最大為3.6%，最小為1.8%；最小排肥量狀態(tài)下，有機(jī)肥排肥均勻性變異系數(shù)最大為2.1%，最小為1.4%，復(fù)合肥排肥均勻性變異系數(shù)最大為3.7%，最小為2.4%。

對比仿真試驗和臺架試驗，最大排肥量狀態(tài)和最小排肥量狀態(tài)下，2種肥料的排肥變異系數(shù)存在一定的偏差，且仿真與臺架試驗中，復(fù)合肥的變異系數(shù)均比有機(jī)肥的變異系數(shù)略大，主要是因為顆粒肥料并非標(biāo)準(zhǔn)意義上的球體，尤其是有機(jī)肥，形狀類似圓柱體，而復(fù)合肥的球形度比有機(jī)肥高，在排肥過程中流動性比有機(jī)肥高，這就造成復(fù)合肥的排肥變異系數(shù)較大，排肥穩(wěn)定性不如有機(jī)肥，但排肥流暢性高于復(fù)合肥。在誤差允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為仿真試驗結(jié)果和臺架試驗結(jié)果基本吻合，證明該排肥裝置符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合煙草施肥施肥農(nóng)藝，設(shè)計了一種煙草顆粒肥配比混施排肥裝置，可實現(xiàn)煙草移栽前顆粒肥的高效、均勻施用。對防堵塞充肥孔、儲肥盤和排肥裝置工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)計和計算，確定防堵塞充肥孔直徑與顆粒肥料直徑之比≥5，并取值為5；儲肥盤直徑177 mm，有機(jī)肥儲肥孔短徑30 mm，儲肥孔為9個；復(fù)合肥儲肥孔直徑22 mm，儲肥孔為9個；儲肥盤厚度為30 mm。

(2)應(yīng)用三維建模軟件SolidWorks和離散元軟件EDEM進(jìn)行排肥裝置模型建立和仿真。仿真結(jié)果表明，有機(jī)肥排肥均勻性變異系數(shù)最大為2.3%，最小為1.9%；復(fù)合肥的排肥均勻性變異系數(shù)最大為4.0%，最小為3.8%。

(3)試驗結(jié)果表明，有機(jī)肥排肥均勻性變異系數(shù)最大為2.1%，最小為1.0%；復(fù)合肥的排肥均勻性變異系數(shù)最大為3.7%，最小為1.8%。在誤差允許范圍內(nèi)，該排肥裝置符合設(shè)計要求，且滿足煙草移栽前耕整地過程中的施肥作業(yè)要求。