基于提高排肥均勻性的螺旋排肥器結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)*

雷明雨，吳星澎，頓國強(qiáng)，馬洪巖，溫淑媛，張繼航，張同葉，李佳儀

（1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江睿龍創(chuàng)新科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150050；3.東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；4.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

化肥可以提高農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量，施肥是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一。合理施用化肥有利于作物健康生長，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)增收的目的。傳統(tǒng)的施肥方式消耗體力又浪費(fèi)時(shí)間，且化肥利用率不高，易造成土壤板結(jié)等現(xiàn)象，因此，提高化肥利用率在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義[1-2]。

排肥器是組成中耕機(jī)械以及播種、施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)的重要部件之一，其作業(yè)性能直接影響整機(jī)的作業(yè)性能[3]，進(jìn)而對(duì)施肥質(zhì)量及施肥的精確性產(chǎn)生影響?，F(xiàn)有的螺旋式排肥器可使用多種不同物理特性的肥料進(jìn)行施肥，且具有可隨時(shí)根據(jù)使用需求對(duì)排肥量進(jìn)行調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛。但現(xiàn)有的螺旋式排肥器在轉(zhuǎn)速較低時(shí)存在排肥口排肥質(zhì)量波動(dòng)性大、排肥不均勻等現(xiàn)象，故其無法精量排肥[4]。為提高螺旋排肥器的排肥均勻性[5]，近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)螺旋式排肥器進(jìn)行了大量研究，趙亮[6]在現(xiàn)有排肥器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種小型螺旋式定量排肥器，通過離散元仿真軟件對(duì)其工作過程及排肥性能進(jìn)行分析，探索了不同螺旋葉片直徑、螺距、轉(zhuǎn)速等對(duì)排肥穩(wěn)定性的影響，并確定了最優(yōu)參數(shù)組合；薛忠等[5]對(duì)排肥器的排肥穩(wěn)定性與均勻性進(jìn)行了仿真及臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化得到了排肥器排肥均勻與穩(wěn)定的最佳轉(zhuǎn)速。

為提高排肥均勻性，本文對(duì)螺旋排肥器的排肥口進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過EDEM仿真的方式對(duì)排肥器的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬仿真，并利用單因素試驗(yàn)及二次函數(shù)擬合的方式對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分析排肥口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排肥均勻性的影響。最后通過仿真試驗(yàn)的方式對(duì)其最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以期提高螺旋排肥器在低轉(zhuǎn)速下的排肥均勻性，為螺旋排肥器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 螺旋排肥器的結(jié)構(gòu)組成及排肥特性

1.1 排肥器的結(jié)構(gòu)組成

第112頁圖1為單螺旋排肥器的結(jié)構(gòu)組成，如圖所示，排肥器主要由排肥器外殼以及轉(zhuǎn)動(dòng)裝配于外殼內(nèi)的排肥輪組成，其外殼前后兩側(cè)上下端分別配裝有入肥口及排肥口[7]。作業(yè)時(shí)肥料通過入肥口進(jìn)入，排肥器通過轉(zhuǎn)動(dòng)裝配于外殼內(nèi)的排肥輪旋轉(zhuǎn)作業(yè)將入肥口處的肥料輸送至排肥口排出。依據(jù)市購單螺旋排肥器，確定其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：螺旋排肥輪內(nèi)徑d=36 mm，螺旋排肥輪外徑D=72 mm，螺旋排肥輪螺距S=30 mm，螺牙厚度h=2 mm，排肥口直徑D=60 mm；為分析排肥器轉(zhuǎn)速較低時(shí)的排肥波動(dòng)性，將排肥器轉(zhuǎn)速設(shè)為60 r/min。

圖1 單螺旋排肥器的結(jié)構(gòu)組成

1.2 排肥器的排肥特性分析

影響螺旋排肥器施肥質(zhì)量的主要因素是排肥均勻性。排肥器排肥口垂直向下并與螺旋葉片相切[8]，在排肥輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，肥料被推送至出肥口處時(shí)，因剛接觸時(shí)肥料較少，顆粒之間存在互相作用的力鏈，其不能及時(shí)被重力破壞而排出肥料，隨著排肥輪螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋葉片與排肥口端面之間的相互位置發(fā)生變化，肥料之間的力鏈被重力破壞以致肥料排出。螺旋葉片與排肥口端面之間位置的周期性變化是造成排肥器排肥不均勻的根本原因。

2 試驗(yàn)方法

2.1 排肥口結(jié)構(gòu)改進(jìn)及參數(shù)優(yōu)化

通過上述分析可知，排肥口與螺旋葉片之間的角度關(guān)系導(dǎo)致排肥均勻性較差，因此，本文采用改變排肥器排肥口形狀的方式來提高排肥均勻性。

螺旋排肥器排肥口的結(jié)構(gòu)見圖2，選用的排肥口開口斜口側(cè)長度為80 mm，滾筒直徑為60 mm，排肥器開口斜口的角度為α，作為變化量。在排肥過程中，肥料經(jīng)螺旋排肥輪推動(dòng)到達(dá)開口斜口處，小部分肥料在螺旋排肥輪徑向推動(dòng)力及重力作用下開始從左側(cè)小口處排出，其余肥料繼續(xù)沿螺旋軸向移動(dòng)。在移動(dòng)過程中，排肥器排肥口可包覆多個(gè)螺旋并使其同時(shí)排肥，無論螺旋排肥輪旋轉(zhuǎn)至哪個(gè)相位，都有肥料顆粒在排肥口進(jìn)行排肥，提高了排肥均勻性，降低了排肥時(shí)肥料的波動(dòng)性。

圖2 螺旋排肥器排肥口結(jié)構(gòu)圖

2.2 仿真模型建立

離散元法（Discrete Element Method，DEM）是一種求解與分析復(fù)雜離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與力學(xué)特性的數(shù)值分析方法[9]，可以真實(shí)再現(xiàn)松散顆粒介質(zhì)的大離散度運(yùn)動(dòng)，因此使用其對(duì)螺旋排肥器排肥過程進(jìn)行仿真具有很大優(yōu)勢。設(shè)定肥料顆粒之間不存在因在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中發(fā)生結(jié)塊而產(chǎn)生的粘連，螺旋排肥器內(nèi)為無水分干燥狀態(tài)，在肥箱內(nèi)建立顆粒工廠，設(shè)定總顆粒數(shù)為8 000，排肥器內(nèi)排肥輪轉(zhuǎn)速為60 r/min。在排肥器排肥口集肥箱處設(shè)置一個(gè)監(jiān)測區(qū)，監(jiān)測排肥器3 s內(nèi)排出的肥料顆?？傎|(zhì)量，仿真過程為15 s。整體仿真試驗(yàn)示意圖見圖3。

圖3 仿真試驗(yàn)示意圖

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

參考相關(guān)文獻(xiàn)[10]確定所選用的尿素肥料的相關(guān)參數(shù)以及肥料與排肥裝置（PLA塑料）之間的接觸力學(xué)參數(shù)，設(shè)置離散元仿真參數(shù)，其中肥料顆粒和排肥裝置的泊松比分別為0.25和0.43，剪切模量分別為1.0×107Pa和1.3×109Pa，密度分別為1 861 kg/m3和1 240 kg/m3，靜摩擦因素（與顆粒）分別為0.4和0.5，滾動(dòng)摩擦因素（與顆粒）分別為0.01和0.01，碰撞恢復(fù)系數(shù)（與顆粒）分別為0.6和0.5。

3 單因素試驗(yàn)

影響螺旋排肥器排肥均勻性的主要因素是排肥口的開口角度。為分析排肥口開口角度變化對(duì)排肥均勻性的影響，試驗(yàn)用排肥器開口側(cè)長度為80 mm，分別以30.0°，32.5°，35.0°，37.5°，40.0°，42.5°的排肥口作為試驗(yàn)因素，于排肥器穩(wěn)定排肥后截取監(jiān)測區(qū)3 s內(nèi)肥料質(zhì)量變化數(shù)據(jù)，見第113頁圖4。

由圖4可知，排肥器剛開始排肥時(shí)由于肥料尚未完全充填型腔，導(dǎo)致排肥時(shí)肥料波動(dòng)性較大。在穩(wěn)定排肥后截取6~9 s時(shí)間段為監(jiān)測區(qū)間，以0.5 s為時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)肥料堆積質(zhì)量，計(jì)算不同排肥口開口角度下排肥波動(dòng)度，并通過單因素試驗(yàn)確定排肥口開口角度對(duì)排肥均勻性的影響，見第113頁圖5。

圖4 集肥箱內(nèi)肥料堆積質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線圖

圖5 排肥口開口角度變化對(duì)排肥波動(dòng)度的影響

由圖5可知，排肥口開口角度小于30.0°時(shí)排肥波動(dòng)度較低，但由于其開口角度較小，開口處不利于肥料排出，因此開口角度不能小于30.0°；當(dāng)排肥口開口角度大于42.5°時(shí)，其排肥波動(dòng)度呈上升趨勢。因此，本文使用Origin Pro 8.0取32.5°，35.0°，37.5°，40.0°作為排肥口開口角度參數(shù)，與排肥波動(dòng)度重新進(jìn)行擬合，其函數(shù)方程為

排肥口開口角度與排肥波動(dòng)度二者間呈二次函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)R2=0.96，得到排肥口開口角度與排肥波動(dòng)度的函數(shù)關(guān)系圖，見圖6。

圖6 排肥波動(dòng)度變化趨勢圖

通過對(duì)圖6進(jìn)行分析得知，排肥波動(dòng)度隨著排肥口開口角度的增大而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，即質(zhì)量波動(dòng)狀況呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。通過對(duì)方程求解，得出在排肥口開口角度為36°時(shí)排肥波動(dòng)度為14.16%，此時(shí)排肥器排肥波動(dòng)度最小，排肥均勻性最好。同時(shí)在排肥口開口角度為36°的條件下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，開口角度為36°時(shí)改進(jìn)后的螺旋式排肥器排肥波動(dòng)度為14.14%。

4 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證EDEM仿真優(yōu)化排肥口開口角度結(jié)構(gòu)參數(shù)的正確性，并與傳統(tǒng)螺旋排肥器進(jìn)行對(duì)比分析，通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)普通型及改進(jìn)型螺旋排肥器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，見圖7。

圖7 臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)

肥料顆粒選取江蘇晉煤恒盛化工股份有限公司生產(chǎn)的尿素肥料，排肥器通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，按照仿真參數(shù)將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為60 r/min，設(shè)定數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為0.5 s。按時(shí)間先后順序記錄6次，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行3次記錄，取其均值，以排肥波動(dòng)度作為試驗(yàn)指標(biāo)，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果 （%）

通過對(duì)比擬合函數(shù)方程計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果得知，臺(tái)架試驗(yàn)排肥波動(dòng)度的均值為14.89%，與優(yōu)化結(jié)果的偏差為0.73%，證明優(yōu)化結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果基本一致。通過表1得知，排肥輪轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)改進(jìn)后的螺旋排肥器相對(duì)于普通螺旋排肥器排肥波動(dòng)度降低21.46%，表示優(yōu)化后的排肥器排肥均勻性更佳。

5 結(jié)論

本文對(duì)傳統(tǒng)螺旋式排肥器排肥口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，利用EDEM仿真軟件對(duì)改進(jìn)后的螺旋式排肥器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，同時(shí)通過單因素試驗(yàn)及參數(shù)方差擬合的方式對(duì)螺旋排肥器排肥均勻性進(jìn)行了探究，得出當(dāng)排肥口開口角度為36°時(shí)排肥波動(dòng)度最低，為14.16%。通過仿真試驗(yàn)的方式對(duì)開口角度為36°的改進(jìn)型螺旋排肥器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，開口角度為36°時(shí)改進(jìn)后的螺旋式排肥器的排肥波動(dòng)度為14.89%，較優(yōu)化結(jié)果偏差為0.73%。仿真試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本吻合，證明優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，有效地提高了螺旋式排肥器的排肥均勻性。