基于離散元的山地馬鈴薯排肥器仿真優(yōu)化

沈鵬 姚永亮 鄭美英 孔皓 沈東華 魏光程 寧旺云

摘要：云南省地形多為丘陵山地，馬鈴薯中耕施肥大多在有一定坡度的種植地上進(jìn)行，為探究不同坡度對施肥效果的影響，以外槽輪排肥器和云南省馬鈴薯專用復(fù)合肥為研究載體，測量肥料顆粒的3軸尺寸，建立外槽輪式排肥器的三維模型和肥料顆粒的離散元模型，以施肥量和施肥均勻度變異系數(shù)為施肥效果評價指標(biāo)，利用EDEM軟件進(jìn)行4種坡度下排肥過程仿真。結(jié)果表明，不同坡度對施肥量有明顯影響，上坡施肥時，施肥量增加，下坡施肥時，施肥量減少，且坡度越大變化量越大;不同坡度對施肥均勻性也有一定影響，平地施肥時施肥均勻性最好，結(jié)合仿真結(jié)果提出了將排肥器設(shè)計成可調(diào)節(jié)部件的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：排肥器;離散元法;坡度排肥;排肥性能

中圖分類號： S224.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0256-03

馬鈴薯是全球重要的糧食作物，由于富含蛋白質(zhì)、碳水化合物、維生素、礦物質(zhì)和脂肪，具有很高的營養(yǎng)價值，被譽為“第二面包”和“地下蘋果”[1]。云南是產(chǎn)薯大省，早在2009年，云南省政府就啟動了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目，將馬鈴薯產(chǎn)業(yè)列入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系進(jìn)行重點建設(shè)[2]。馬鈴薯中耕施肥作為馬鈴薯種植的必要環(huán)節(jié)，對促進(jìn)馬鈴薯植株生長和提高馬鈴薯產(chǎn)量具有重要意義。

目前，已有很多運用離散元法對排肥器工作過程進(jìn)行仿真并對排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的研究，如汪博濤對外槽輪式排肥器的有效工作長度、排肥轉(zhuǎn)速、排肥舌開度進(jìn)行了研究[3];劉彩玲等研究了離心甩盤式撒肥器的甩盤轉(zhuǎn)速和肥料喂入位置角對拋撒均勻性的影響，得出的優(yōu)化參數(shù)能有效提高顆粒肥料撒施均勻性[4];Thaper研究了肥料種類以及葉片形狀對雙圓盤撒肥機(jī)拋撒均勻性的影響[5]。

現(xiàn)階段關(guān)于排肥器的研究大多局限于排肥器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)對排肥性能的影響，缺少關(guān)于外部排肥環(huán)境對排肥器排肥過程影響的研究，云南省地形多為丘陵山地，中耕施肥大多在不同坡度的種植地上進(jìn)行，因此本研究以昆明拓田農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的一款在云南地區(qū)廣泛運用的外槽輪式排肥器為研究載體，利用離散元仿真分析方法對坡度排肥過程進(jìn)行仿真分析。

1 排肥器的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 外槽輪式排肥器結(jié)構(gòu)組成

通過SolidWorks三維建模軟件對外槽輪式排肥器進(jìn)行三維建模，其結(jié)構(gòu)主要由5個部分組成，即肥料箱、外槽輪、排肥舌、毛刷、排肥盒等部件，其總體結(jié)構(gòu)見圖1。

外槽輪式排肥器的結(jié)構(gòu)組成主要包括外槽輪部件1、排肥凹槽、外槽輪部件2、槽輪中心通孔等，其結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

1.2 工作原理

排肥器與小型中耕機(jī)組合時，外槽輪的中心通孔與排肥傳動軸配合固定，其2個部件被排肥傳動軸上的壓力彈簧壓緊配合，形成排肥凹槽，可通過調(diào)節(jié)外槽輪2個部件的配合長度來調(diào)節(jié)排肥凹槽大小，以滿足不同施肥量的需求。在進(jìn)行馬鈴薯中耕施肥作業(yè)時，首先將肥料裝滿肥料箱，肥料受自身重力的作用填充滿排肥凹槽，隨后施肥作業(yè)人員推動中耕施肥機(jī)行走，地輪通過鏈條傳動帶動排肥傳動軸旋轉(zhuǎn)，外槽輪隨之旋轉(zhuǎn)，處于排肥凹槽內(nèi)的肥料隨外槽輪旋轉(zhuǎn)被強(qiáng)制帶動排出，由于外槽輪外圓的帶動及肥料顆粒間的內(nèi)摩擦作用，處于槽輪邊緣的肥料顆粒也會被帶動起來，由外槽輪強(qiáng)制帶出和帶動層帶出的肥料從排肥舌上掉入排肥管，完成整個排肥過程[6]。

2 肥料顆粒模型的建立

2.1 肥料顆粒物理參數(shù)的測量

肥料顆粒的形狀和尺寸都是影響排肥過程的主要因素[7]。為了準(zhǔn)確地模擬云南省山地丘陵地區(qū)馬鈴薯中耕施肥時排肥器的排肥過程，以云南天騰化工有限公司生產(chǎn)的馬鈴薯專用復(fù)合肥為研究對象，隨機(jī)取200粒肥料顆粒，測定其3軸尺寸、等效直徑、球形率和顆粒密度等，則

式中：D為肥料顆粒樣本的等效直徑;L為肥料顆粒樣本的長度尺寸;W為肥料顆粒樣本的寬度尺寸;T為肥料顆粒樣本的厚度尺寸;Φ為肥料顆粒樣本的球形率。

經(jīng)過測量與計算，根據(jù)肥料顆粒大小的不同，可以將其分為2種，具體為小顆粒，其等效直徑的分布區(qū)間為1.0～2.8 mm，占樣本顆?？倲?shù)的1/4;大顆粒，其等效直徑分布區(qū)間為2.8～4.0 mm，占樣本顆?？倲?shù)的3/4。通過研磨法測得，肥料顆粒的密度為1 020 kg/m3。測量統(tǒng)計結(jié)果見表1。

2.2 肥料顆粒模型構(gòu)建

從表1數(shù)據(jù)可知，馬鈴薯復(fù)合肥料顆粒大小不同，其球形率亦不同。顆粒越大，球形率越小。小顆粒的球形率較高，可達(dá)92%，由于小顆粒樣本具有更高球形率的分布特點，可以在離散元仿真軟件中將其設(shè)置為等效直徑是2.4 mm的球體。而復(fù)合肥大顆粒的球形率較低，不適合用球體代替其三維離散元模型，通過大量觀察發(fā)現(xiàn)，大顆粒的外形基本一致且趨近于扁圓形，因此通過SolidWorks對其進(jìn)行建模，并將建模文件保存為.igs文件格式，導(dǎo)入EDEM軟件中進(jìn)行肥料大顆粒模型的手動填充，手動填充模型見圖3。

3 不同坡度下施肥過程的仿真分析

通過前述對排肥器工作過程的分析可知，肥料顆粒的運動受多種因素的作用，具有很高的復(fù)雜性，而云南省馬鈴薯進(jìn)行中耕施肥時，由于地勢的不平整，中耕機(jī)經(jīng)常需要進(jìn)行平地和上下坡作業(yè)，在進(jìn)行上下坡作業(yè)時，整體機(jī)器相對于水平面成一定角度，但肥料受到的重力作用始終豎直向下，使得肥料的運動不盡相同，為探究不同坡度對施肥過程的影響，運用離散元軟件EDEM對上述排肥過程進(jìn)行仿真研究，并結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行山地丘陵地區(qū)中耕施肥機(jī)的優(yōu)化方案探討。

3.1 離散元接觸模型

由于肥料顆粒的固體顆粒狀特點，肥料的排出過程不涉及肥料顆粒之間的黏結(jié)作用，本研究采用Hertz-Mindlin（no-slip）接觸模型作為離散元接觸模型。經(jīng)研究，排肥器的組成部件均采用ABS塑料材料，根據(jù)材料庫和文獻(xiàn)[8]并結(jié)合相關(guān)基礎(chǔ)物理力學(xué)試驗測定的方法得到離散元仿真所需的參數(shù)（表2）。

3.2 試驗方案

將排肥器結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入EDEM仿真軟件中，建立排肥器的離散元仿真工作模型，在肥料箱上端設(shè)置2個顆粒工廠，其中顆粒工廠1按照馬鈴薯復(fù)合肥小顆粒占比，以1 500顆/s的生成速度生成小顆粒肥料3 000顆，顆粒工廠2按照馬鈴薯復(fù)合肥大顆粒占比，以4 500顆/s的生成速度生成大顆粒肥料9 000顆，且2種顆粒的半徑大小服從肥料顆粒等效直徑的正態(tài)分布規(guī)律。

為模擬不同坡度下馬鈴薯中耕施肥的過程，設(shè)置排肥器中軸線與水平軸分別成75°、90°、105°、120°，用以模擬下坡、水平和上坡過程，對應(yīng)模擬的坡度分別為-15°、0°、15°、30°。設(shè)置外槽輪轉(zhuǎn)速為30 r/min，根據(jù)施肥時前進(jìn)速度設(shè)置排肥器前進(jìn)速度為0.6 m/s。在工作系統(tǒng)的下方設(shè)置一個長 600 mm、寬150 mm的平面，用以模擬地面，將該地面區(qū)域劃分為連續(xù)的6等份（圖4），仿真完成后通過EDEM的后處理軟件提取每個等份區(qū)間的肥料質(zhì)量、整個仿真過程中肥料顆粒在不同位置的速度以及速度變化規(guī)律等參數(shù)。

3.3 評價方法

馬鈴薯中耕施肥的主要要求是施肥量要精準(zhǔn)、精量，施肥的效果要均勻且穩(wěn)定，為了準(zhǔn)確探究不同坡度對排肥器排肥效果的影響， 本研究選擇排肥量和排肥均勻度變異系數(shù)2種

指標(biāo)為排肥器排肥性能的評價指標(biāo)[8]。為消除排肥器的初始工作狀態(tài)對初始排肥量的影響，選取模擬地面中 2～6區(qū)間為取樣區(qū)域，仿真結(jié)束后，統(tǒng)計每個區(qū)間內(nèi)所有肥料顆粒的總質(zhì)量，利用公式（3）求解所有區(qū)間內(nèi)肥料顆粒的平均質(zhì)量。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真結(jié)果

為分析不同坡度下施肥對施肥量的影響，分別在4個仿真模型中的排肥器下端排肥管處設(shè)置顆粒監(jiān)測區(qū)[9]，并分別提取作業(yè)開始后2.7～4.2 s時肥料顆粒質(zhì)量的累加數(shù)據(jù)，不同坡度下施肥量仿真結(jié)果見表3。

提取仿真取樣區(qū)間每個區(qū)間的施肥量，并分別計算排肥平均量、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而求得均勻度變異系數(shù)，不同坡度下施肥均勻度仿真結(jié)果見表4。

4.2 仿真分析

從表3可以看出，進(jìn)行下坡施肥時施肥量相對于平地施肥時有所減少，而進(jìn)行上坡施肥時施肥量有所增加，并且坡度越高施肥量越大。通過對不同坡度下排肥的離散元仿真過程進(jìn)行比較分析可以看出，影響施肥量變化的主要因素為排肥舌與外槽輪之間的開口方向，進(jìn)行水平和上下坡施肥作業(yè)時，開口方向分別為水平、傾斜向上和傾斜向下，因而相對于平地施肥，下坡施肥時處在排肥舌上面的一部分肥料的流動性有所降低，上坡施肥時流動性則有所增強(qiáng)。從表4可以看出，不同坡度對施肥的均勻性有一定影響，平地施肥時，施肥的均勻性最好。

5 討論與結(jié)論

目前，精量施肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨向[10]，而在山地丘陵地區(qū)，馬鈴薯種植地形多為山區(qū)半山區(qū)，中耕施肥作業(yè)時經(jīng)常需要進(jìn)行上下坡施肥作業(yè)，通過本研究可知，坡度對施肥效果有一定的影響，因此，在現(xiàn)有中耕施肥機(jī)的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以將排肥器設(shè)計為可調(diào)節(jié)的部件，以保證施肥器在工作時中軸線始終與水平面垂直。

本研究以外槽輪式排肥器和云南省馬鈴薯專用復(fù)合肥為研究載體，建立了外槽輪式排肥器的三維模型和肥料顆粒的離散元模型。

運用EDEM軟件建立了不同坡度下外槽輪式排肥器工作過程的離散元平臺，進(jìn)行4種狀態(tài)下排肥效果試驗，離散元仿真試驗結(jié)果表明，不同坡度對施肥量有一定影響，上坡施肥時，施肥量增加，下坡施肥時，施肥量減少，且坡度越大變化量越大;不同坡度對排肥均勻性也有一定影響，平地施肥時施肥均勻性最好。

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