基于EDEM的有機肥撒施機拋撒性能試驗研究

李 浪，崔清亮，張燕青，侯華銘，熙 鵬，郝 程

(1.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院，山西 晉中 030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，山西 晉中 030801)

0 引言

在我國，化肥的過度使用嚴重破壞了土壤質(zhì)量，影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)[1-3]。施用有機肥可以改善土壤質(zhì)量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收的需要[4-6]。但是，有機肥顆粒間的黏結(jié)力大、容易結(jié)塊、流動性差致使其拋撒難度高。目前，有機肥的施用大多仍是人力勞作，均勻性差且效率低[7-8]。提高有機肥施用的配套機械水平是有機肥代替化肥過程中的必經(jīng)之路[9]。

在農(nóng)業(yè)機械化初期，國外學者就對有機肥撒施機進行了研究，國外有機肥撒施機的自動化程度較高[10-11]。臥式螺旋式有機肥撒施機首次在烏克蘭農(nóng)機展覽會推出，法國庫恩公司SL/SLC100系列側(cè)式施肥機最大的特點是由雙螺旋輸送器輸送有機肥，該機可處理的物料范圍較為廣泛[12-13]。國內(nèi)對有機肥撒施機的研究起步較晚[14]。目前，國內(nèi)對圓盤式有機肥撒施機、臥式有機肥撒施機、立式有機肥撒施機等拋撒均勻度和撒施幅寬影響因素進行了相關(guān)報道，大多以拋撒輥轉(zhuǎn)速、螺旋葉片螺距、刮板速度及圓盤傾角等為影響因素，研究發(fā)現(xiàn)，以上因素對拋撒性能有顯著影響[15-17]。斷續(xù)螺旋相較于傳統(tǒng)螺旋，對有機肥的破碎能力明顯增強，且方便更換。但檢索范圍內(nèi)，以斷續(xù)螺旋式拋撒輥為關(guān)鍵部件的臥式有機肥撒施機的設(shè)計及其拋撒性能的研究未見報道。

本研究擬建立以斷續(xù)螺旋式拋撒輥為關(guān)鍵部件的臥式有機肥撒施機拋撒過程運動學模型，分析拋撒均勻度的主要影響因素。采用SolidWorks建立有機肥和臥式有機肥撒施機的三維模型，采用EDEM軟件以輸肥速比、拋撒輥轉(zhuǎn)速、螺旋葉片螺距為試驗因素，以拋撒均勻度為指標進行響應(yīng)面設(shè)計試驗，優(yōu)化撒施機工作參數(shù)，并進行仿真與田間驗證試驗，以期為有機肥撒施機關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計及整機性能提升提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

臥式有機肥撒施機由牽引架、支撐架、肥箱、輸送裝置、斷續(xù)螺旋拋撒裝置、動力傳動裝置、地輪等組成，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。臥式有機肥撒施機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。傳統(tǒng)的斷續(xù)螺旋只能將有機肥拋撒到其中一側(cè)，所以將斷續(xù)螺旋設(shè)計為左旋和右旋相結(jié)合以達到更好的拋撒效果。

1.2 工作原理

工作時，將有機肥均勻地填滿肥料箱，拖拉機液壓裝置通過液壓馬達驅(qū)動鏈板式輸送裝置將肥料箱中的有機肥輸送至肥料箱后方拋撒輥處，拖拉機液壓裝置通過液壓馬達驅(qū)動肥量調(diào)節(jié)板升到一定高度，拖拉機動力輸出軸通過傳動軸、錐齒輪和鏈傳動帶動斷續(xù)拋撒裝置高速旋轉(zhuǎn)，將有機肥破碎并均勻拋撒至田間。

1.掛接裝置 2.支撐架 3.鏈輪張緊裝置 4.輸送鏈 5.地輪 6.肥料箱 7.肥量調(diào)節(jié)板 8.斷續(xù)螺旋拋撒裝置 9后置擋肥板圖1 臥式有機肥撒施機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of horizontal organic fertilizer spreader

表1 臥式有機肥撒施機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of spreader

1.3 有機肥顆粒運動力學分析

臥式有機肥撒施機工作時，鏈板式輸送裝置將有機肥顆粒輸送至拋撒輥處，有機肥顆粒被高速旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片擊打。假設(shè)有機肥顆粒為球狀，有機肥顆粒所受力如圖2所示[18]。

臥式有機肥撒施機在工作時，有機肥顆粒會受到重力G、螺旋葉片的支撐力FN、與螺旋葉片之間的摩擦力Ff、科里奧利力FC、離心力F1(F離心)、空氣阻力F2(F空氣)。

1.螺旋軸 2.螺旋葉片 3.有機肥顆粒圖2 有機肥在螺旋葉片上的力學分析Fig.2 Mechanical analysis of particles on blade

(1)

F=Fc+FNfcosα+FNsinα-F1cosβ-F2sinθ

(2)

FNcosα+F1sinβ=F2cosθ+G+FNfsinα

(3)

(4)

(fcosα+sinα)-F1cosβ-F2sinθ

(5)

(6)

(7)

v2=v02+(ωR)2

(8)

(9)

f——摩擦系數(shù)

α——科里奧利力與摩擦力間的夾角，(°)

β——科里奧利力與離心力間的夾角，(°)

θ——空氣阻力與重力間的夾角，(°)

ω——角速度，rad/s

v0——有機肥顆粒初速度，m/s

a——加速度，m/s2

C——空氣阻力系數(shù)

ρ——空氣密度，kg/m3

s——有機肥顆粒迎風面積，m2

m——有機肥顆粒質(zhì)量，kg

v——有機肥顆粒的絕對速度，m/s

R——螺旋葉片半徑，m

式(1)為有機肥顆粒所受合力；式(2)為有機肥顆粒在水平方向上所受力；式(3)為有機肥顆粒在徑向方向上所受力；式(4)～式(7)為有機肥顆粒的加速度；式(8)為有機肥顆粒的絕對速度；式(9)為有機肥顆粒運動的微分方程。

由有機肥顆粒運動的微分方程式(9)可知，影響有機肥顆粒運動的主要因素為作業(yè)速度、刮板輸肥速度、拋撒輥轉(zhuǎn)速及螺旋葉片螺距。

2 基于EDEM的仿真試驗

2.1 試驗設(shè)計

通過拋撒過程中的運動模型可知，影響拋撒均勻度的因素為作業(yè)速度、刮板輸肥速度、拋撒輥轉(zhuǎn)速及螺旋葉片螺距。

因作業(yè)速度和刮板輸肥速度需要進行匹配，選擇輸肥速比作為試驗因素之一，按GB/T 25401—2010《農(nóng)業(yè)機械 廄肥撒施機 環(huán)保要求和試驗方法》要求，作業(yè)速度范圍為0.28～1.67 m/s，刮板輸肥速度范圍0.02～0.08 m/s，故輸肥速比范圍為-21～-14，設(shè)置仿真參數(shù)對該因素進行調(diào)節(jié)；拋撒輥轉(zhuǎn)速選取400～600 r/min；螺旋葉片螺距選取285～380 mm；拋撒輥轉(zhuǎn)速和螺旋葉片螺距通過三維建模的參數(shù)進行調(diào)節(jié)[19-20]。采用響應(yīng)面設(shè)計方法進行試驗，試驗因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of test factors

拋撒均勻度是臥式有機肥撒施機作業(yè)的重要指標，對于離散顆粒，變異系數(shù)可以反映顆粒拋撒均勻性[18]。變異系數(shù)按式(10)～(12)進行計算。

(10)

(11)

(12)

式中CV——變異系數(shù)，%

S——標準差

X——橫向施肥平均施肥量，kg

Xi——肥料收集箱中的肥料量，kg

n——肥料收集箱數(shù)量

S0——公頃面積，m2

B——拋撒幅寬，m

v——拖拉機速度，m/s

t——拋撒所需時間，s/hm2

2.2 試驗方法

離散元法是一種用來處理不連續(xù)性介質(zhì)問題的計算機數(shù)值模擬方法[21]。其中，EDEM是被經(jīng)常用到的離散元分析軟件。有機肥撒施機拋撒的有機肥為離散顆粒，因而用EDEM對有機肥撒施機進行仿真模擬。

2.2.1 EDEM仿真前處理

(1)設(shè)置接觸模型。EDEM仿真模擬的目的是探究有機肥的拋撒均勻度，需設(shè)置有機肥顆粒與拋撒機械幾何體的接觸模型和有機肥顆粒間的接觸模型。顆粒與幾何體的接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型?；谟袡C肥顆粒之間的黏性，選擇Hertz-Mindlin with JKR接觸模型，JKR表面能表示顆粒的黏附性能，設(shè)置JKR的表面能為0.075 J/m2[22]。

(2)設(shè)定顆粒特性。在本次EDEM仿真模擬中，將有機肥近似看作半徑為10 mm的球形，可直接在Share Library模塊中選擇單球形狀，如圖3所示。有機肥撒施機三維模型材質(zhì)為鋼。顆粒模型的力學參數(shù)如表3和表4所示。

圖3 顆粒模型Fig.3 Particle model

表3 材料屬性參數(shù)Tab.3 Material property parameters

表4 材料接觸參數(shù)Tab.4 Material contact parameters

(3)設(shè)置幾何體參數(shù)。運用EDEM仿真時，需要對整個有機肥撒施機進行簡化，用SolidWorks對撒施機的肥箱、拋撒裝置等建立三維模型，將三維模型另存為step格式導(dǎo)入EDEM中，仿真三維模型如圖4所示。在仿真中，設(shè)定肥箱相對于地面是靜止的，所以設(shè)置相對刮板輸肥速度為作業(yè)速度和絕對刮板輸肥速度之和。輸肥速比為-17.5，仿真中刮板輸肥速度為0.925 m/s，方向指向拋撒輥；拋撒輥轉(zhuǎn)速為500 r/min；肥量調(diào)節(jié)板的速度為1 m/s，方向與重力方向相反。

1.刮板 2.肥箱 3.載肥板 4.肥量調(diào)節(jié)板 5.后置擋肥板6.斷續(xù)螺旋拋撒裝置 7.接肥板圖4 仿真三維模型Fig.4 Simulation 3D model

(4)創(chuàng)建顆粒工廠。顆粒從肥箱上方進入肥箱，建立polygon型式顆粒工廠，將顆粒工廠設(shè)置為虛擬，顆粒尺寸按正態(tài)分布方式產(chǎn)生，將參數(shù)Mean設(shè)置為1，即正態(tài)分布的有機肥顆粒的平均粒徑2 mm，標準差Std Dev設(shè)置為0.1 mm，Capped設(shè)置生成顆粒的尺寸極限，最小為平均值的0.8倍，最大為平均值的1.3倍[23]。調(diào)整顆粒工廠的位置，使其置于肥箱的正上方，顆粒工廠類型為動態(tài)。顆粒在重力方向的加速度設(shè)置為9.81 m/s2，為了加快仿真時間，初速度設(shè)置為2 m/s。

(5)設(shè)置網(wǎng)格。網(wǎng)格大小設(shè)置為20R，共生成32 640個網(wǎng)格，仿真總時間為14 s，步長間隔為0.01 s。

2.2.2 EDEM后處理

仿真結(jié)束后，在Setup Selections模塊中選擇增加Grid Bin Group，劃分500 mm×500 mm的方格，用于收集肥料，進行橫向變異系數(shù)的觀察計算，如圖5所示。

圖5 肥料收集方格Fig.5 Fertilizer collection grid

3 試驗結(jié)果

3.1 試驗方案與結(jié)果

試驗方案與結(jié)果如表5所示。

表5 試驗方案與結(jié)果Tab.5 Test scheme and results

3.2 試驗結(jié)果分析

橫向變異系數(shù)的方差分析如表6所示，因素影響的主次順序為X3>X2>X22>X32>X1>X12>X1X3>X2X3>X1X2，其中X3、X2影響極顯著(P<0.01)；X22、X32、X1影響顯著(0.01≤P<0.05)；X12影響較顯著(0.05≤P<0.1)；其余因素對變異系數(shù)的影響均不顯著(P≥0.05)。失擬差的P值為2.54，不顯著(P>0.05)，試驗設(shè)計方案合理。獲得的響應(yīng)面方程如式(13)所示。

R=14.63-0.44X1-0.71X2

-1.00X3-0.075X1X2+0.30X1X3

+0.100X2X3+0.32X12+0.55X22+0.54X32

(13)

表6 橫向變異系數(shù)方差分析Tab.6 Variance analysis of lateral variation coefficient

3.3 響應(yīng)曲面分析

通過方差分析表可知，輸肥速比X1、拋撒輥轉(zhuǎn)速X2、螺旋葉片螺距X3對橫向變異系數(shù)均有顯著影響，但3個因素之間的交互作用存在不顯著項，利用Design-Expert 8.0.5軟件得出輸肥速比X1、拋撒輥轉(zhuǎn)速X2、螺旋葉片螺距X3的顯著交互作用對橫向變異系數(shù)的響應(yīng)曲面。

對于橫向變異系數(shù)，當輸肥速比為-17.5時，拋撒輥轉(zhuǎn)速與螺旋葉片螺距的交互作用如圖6所示。當拋撒輥轉(zhuǎn)速一定，橫向變異系數(shù)隨螺旋葉片螺距的增大呈先減小再增大的趨勢，由響應(yīng)曲面可知，當螺旋葉片螺距為368.33 mm時，橫向變異系數(shù)達到最低，為13.99%；當螺旋葉片螺距一定，橫向變異系數(shù)隨拋撒輥轉(zhuǎn)速的增大呈先減少再增大的趨勢，由響應(yīng)曲面可知，轉(zhuǎn)速為553.48 r/min時，橫向變異系數(shù)達到最低，為13.99%。當拋撒輥轉(zhuǎn)速為544.79～571.14 r/min時，螺旋葉片螺距為367.28～378.55mm時，橫向變異系數(shù)數(shù)值穩(wěn)定于14%左右。

圖6 橫向變異系數(shù)的雙因素響應(yīng)曲面Fig.6 Two-factor response surface for transverse coefficient of variation

3.4 參數(shù)優(yōu)化

為得到最小橫向變異系數(shù)，利用Design-Expert 8.0.5軟件中的Optimization功能得到最優(yōu)拋撒參數(shù)組合：輸肥速比為-16.42、拋撒輥轉(zhuǎn)速為557.90 r/min和螺旋葉片螺距為365.40 mm組合下進行驗證試驗，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 EDEM試驗結(jié)果與驗證試驗結(jié)果Tab.7 EDEM test results and verification test results

由表7可知，EDEM試驗中的拋撒均勻度橫向變異系數(shù)為14%，與預(yù)測值的誤差不超過5%，表明該模型可用于預(yù)測橫向變異系數(shù)。

4 驗證試驗

2021年5月22日在山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院試驗田進行田間試驗驗證，地表平整，試驗田為矩形，適宜進行拋撒作業(yè)，用記號筆將整個試驗田分為若干個0.5 m×0.5 m的正方形采樣區(qū)，以便拋撒完成后進行稱量計算，試驗當天晴朗無風，試驗材料為發(fā)酵后的有機肥。綜合考慮裝置的穩(wěn)定性、安全性及加工的難易程度等，對仿真優(yōu)化參數(shù)進行取整，確定作業(yè)速度為3 km/h，刮板輸肥速度為0.05 m/s，拋撒輥轉(zhuǎn)速為560 r/min，螺旋葉片螺距為360 mm進行試驗，試驗過程如圖7所示。

圖7 試驗驗證過程Fig.7 Test verification process

通過稱量計算得到拋撒均勻度橫向變異系數(shù)，如表7所示。與EDEM試驗值誤差不超過5%，橫向變異系數(shù)<40%，拋撒均勻性良好，符合有機肥撒施機拋撒性能要求。

5 結(jié)論

(1)建立了有機肥顆粒在拋撒過程中的運動模型，確定了輸肥速比、拋撒輥轉(zhuǎn)速和螺旋葉片螺距為影響拋撒均勻度的主要因素。

(2)通過EDEM軟件進行響應(yīng)面設(shè)計試驗，響應(yīng)面試驗結(jié)果表明，影響拋撒均勻度橫向變異系數(shù)的主次順序為螺旋葉片螺距、拋撒輥轉(zhuǎn)速和輸肥速比。

(3)利用Design-Expert 8.0.5軟件得到最優(yōu)拋撒參數(shù)組合：當輸肥速比為-16.42、拋撒輥轉(zhuǎn)速為557.90 r/min、螺旋葉片螺距為365.40 mm時，拋撒均勻度橫向變異系數(shù)仿真結(jié)果為14%，與預(yù)測值的誤差不超過5%，響應(yīng)面數(shù)學模型合理。

(4)田間試驗選擇輸肥速比為-16.6，拋撒輥轉(zhuǎn)速為560 r/min，螺旋葉片螺距為360 mm時，拋撒均勻度橫向變異系數(shù)為14.5%，與EDEM試驗值誤差不超過5%，仿真模型合理。該研究可為有機肥撒施機的設(shè)計優(yōu)化提供參考。