基于離散元的間歇式施肥器的施肥過程

李超　施偉　姚應方　李余進　李哲　張艷誠

摘要：為解決云南地區(qū)普通開溝條施施肥器耕作阻力大以及持續(xù)施肥導致的化肥浪費、污染的問題，基于曲柄滑塊機構設計了一款間歇式施肥器，并利用EDEM對其2個周期（0.6s）的施肥過程進行仿真分析，并將其耕作阻力、施肥效果與普通開溝條施施肥器對比。在行進速度都是1m/s、下落深度都是24cm的情況下，間歇式施肥器在1個周期內的施肥約10cm;施肥深度分布在0～24cm;施肥間距為30cm，滿足農業(yè)上的追肥要求。其平均耕作阻力僅為39.968N，每次排肥的顆粒都在3200顆左右，排肥顆?？倲?shù)為6964顆，均遠小于條施施肥器。因此可以在滿足農藝要求的情況下做到降阻減排。

關鍵詞：離散元;普通開溝條施施肥器;間歇式施肥器;降阻減排;耕作阻力;施肥效果

中圖分類號：S224.21文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）01-0166-04

作者簡介：李超（1995—），男，山東濟南人，碩士研究生，主要從事智能裝備研究。E-mail：827436133@qq.com。

通信作者：張艷誠，碩士，副教授，主要從事智能裝備研究。E-mail：zhyancheng72@163.com。

青貯玉米營養(yǎng)價值和生物學產量較高[1]，是奶、肉等畜產品生產重要的粗飼料來源[2]。目前我國云南省青貯玉米種植面積為1.513×106hm2，是云南省種植面積最大的作物。而中耕追肥作為青貯玉米生長過程中極為重要的環(huán)節(jié)，對青貯玉米的產量和質量有著密不可分的關系。目前的中耕追肥方式基本為開溝條施，但在持續(xù)破土追肥過程中，由于云南省黏重土壤所占面積高達245hm2，其土壤特性增加了破土阻力，使整體機組功耗增加;同時，開溝器在破土過程中極容易傷根傷苗，對青貯玉米的生長造成影響;開溝條施方式不間斷施肥造成化肥的浪費，不僅導致土壤污染并且增加了農民的經濟成本。本研究針對開溝條施方式中持續(xù)破土施肥造成的機組功耗大、化肥浪費的問題設計了一款間歇式施肥器，并利用EDEM建立離散元仿真模型，分別對該施肥器及普通開溝條施施肥器的施肥過程進行模擬仿真，對比2種施肥器的受力過程及施肥效果。

1間歇式施肥器結構及工作原理

1.1施肥器工作原理

間歇式施肥器結構見圖1，該施肥器主要由鏈傳動機構、曲柄滑塊機構以及破土器組成。鏈傳動機構主動輪與動力機構相連，從動輪帶動曲柄滑塊機構，使破土器上下運動，同時肥箱中的化肥經肥管進入破土器。其中從動輪半徑為16cm，轉速為0.3r/s;破土器離地面最遠為8cm，施肥深度可達24cm，因此施肥周期為0.3s，有0.2s在破土施肥。

1.2破土器的設計及工作原理

破土器結構見圖2，該破土器寬度為6cm，長度為8.5cm，高度為45cm，底部設計為高15cm的直三棱錐，方便其垂直入土，管壁內部有1個長5cm且與管壁呈40°的防返板，防止破土器在高處時已經下落到排肥管底部的化肥，由于下落速度沒有破土器快，而相對于破土器向上運動，因而無法及時排肥。由于破土器在下落過程中也會隨機具向前運動，因此施肥器前面設計為60°的角，方便前進時開土。

排肥口在三棱錐尾部，且有擋肥板控制排肥，其工作原理見圖3，擋肥板在排肥管管壁的滑軌內部，連接桿穿過彈簧將擋肥板與內阻擋桿連接，外阻擋桿與施肥器的機架相連。當破土器在最高處時，內阻擋桿在其運動滑軌的最底部，與外阻擋桿的距離為8cm，彈簧由管壁中的隔層頂出擋肥板，使排肥口閉合;當破土器隨曲柄連桿向下運動時，由于外阻擋桿與機架連接，相對破土器向上運動，且在滑孔中也不會阻擋破土器的運動;當破土器下降8cm后，內阻擋桿被外阻擋桿阻擋，并使內阻擋桿在滑軌中向上運動，同時連接桿向上運動，拉起擋肥板，彈簧呈壓縮狀態(tài)，直至破土器下到最深;隨后破土器上升，外阻擋桿相對破土器向下運動，彈簧開始復原，將擋肥板逐漸彈出。

2間歇式施肥器仿真試驗

2.1仿真參數(shù)確定

土壤顆粒與肥料顆粒及破土器間、肥料顆粒與肥料顆粒及破土器間的接觸力學模型采用Hertz-mindlin（no-slip）模型，土壤顆粒與土壤顆粒之間的接觸力學模型采用Hertz-mindlinwithJKR模型，并依據文獻[3-8]確定模型相關參數(shù)（表1）。

以半徑為1.5mm的球體模擬肥料顆粒，以半徑為5mm的球體模擬土壤顆粒，分別建立肥料顆粒工廠以及土壤顆粒工廠，土壤工廠生成顆?？倲?shù)為35000顆，每秒生成5000顆，土壤顆粒初始下落速度1m/s;肥料工廠生成顆?？倲?shù)為20000顆，每秒生成5000顆，肥料顆粒初始下落速度為2m/s。二者生成位置均為隨機的。

2.2間歇式施肥器與普通話施肥器運動參數(shù)確定

將solidworks2015中破土器裝配體（破土器和擋肥板）以IGS格式文件保存，并導入EDEM中，單位選擇mm，由于擋肥板與破土器的運動不同，因此導入時不合并部件（圖4）。

以y=0為地面，建立破土器1個周期內的運動軌跡圖（圖5），破土器在周期運動的同時，機組也在前進，將破土器與擋肥板的x軸正方向的速度均設為1m/s。起初破土器與擋肥板同時以1.6m/s的速度沿y軸負方向運動，0.05s后到達地面;然后擋肥板y軸方向運動停止，破土器以2.4m/s的速度繼續(xù)沿y軸負方向運動，0.1s后到達最深處;隨后又以2.4m/s的速度沿y軸正方向運動0.1s，回到地面;最后，破土器與擋肥板同時以1.6m/s的速度沿軸正方向運動0.05s，結束該運動周期。

隨后新建1個新的EDEM任務，并在新的EDEM中導入1個長度為16.5cm，但寬度、高度與破土器相同的普通鋤式開溝器，該開溝器入土角為55°，且內置排肥管。其仿真參數(shù)與破土器的仿真參數(shù)相同，運動參數(shù)設置1個1m/s的前進速度，并且在前0.1s內設置1個2.4m/s的下落速度，使其施肥深度與間歇式施肥器施肥深度相同。

2.3仿真結果分析與對比

利用EDEM中的后處理，對間歇式施肥器運動0.6s（2個周期）的耕作阻力以及施肥過程進行分析，并對比普通施肥器在土壤中穩(wěn)定前進了0.6s的耕作阻力及施肥過程。

2.3.1間歇式施肥器耕作阻力分析與對比

從圖6可以看出，由于普通條施施肥的開溝器一直在土壤中開溝，在其穩(wěn)定的開溝0.6s中其受到的耕作阻力也在一個穩(wěn)定的范圍內，其最大阻力為195.943N，最小阻力為122.827N。而間歇式施肥器的破土器是間歇破土，在每個周期內的入土期間，阻力均是先增大后減小，因此每個周期都會有1個阻力峰值，這是由于從開始入土到最深處的0.05～0.15、0.35～0.45s內，由于破土器向前破土的同時還要向下破土，入土越深，向下的阻力越大，且向前的阻力會隨著入土深度的增加而增大，因此其受到的阻力迅速增大，破土器入土24cm時受力達到峰值;出土的0.15～0.25、0.45～0.55s內，施肥器只會受到前進的阻力，且隨著施肥器升高，阻力逐漸減小。

本研究所采用的普通條施施肥器耕作阻力在122.827～195.943N之間波動，平均阻力為160N，而不同的條施施肥器雖然會因為其參數(shù)不同，致使所受阻力不同，但都會在某個范圍中波動。而間歇式施肥器耕作阻力每個周期都呈峰狀，2個周期峰值分別為202.427、210.835N，均大于普通條施施肥器的最大阻力。但是由于其有部分時間在地面以上所受阻力為0，因此平均阻力僅為39.968N。

2.3.2間歇式施肥器施肥效果分析與對比

普通條施施肥器施肥效果如圖7-a，施肥狀態(tài)為均勻的條狀，寬度為8cm、厚度為5cm，施肥深度為24cm。而間歇式施肥器施肥狀態(tài)主體近似錐體如圖7-b，且水平方向不連續(xù)，施肥厚度為24cm，距地表越深，施肥量越小，且1個周期的施肥長度僅為10cm。

利用EDEM后處理中的網格工具，將網格中心設置在施肥器施肥的初始位置，并隨著每0.01s施肥器的前進擴大網格的大小，以此來統(tǒng)計施肥量。間歇式施肥器與普通施肥器穩(wěn)定施肥0.6s內的施肥量變化見圖8。

從圖8可以看出，0.6s內普通條施施肥器的總施肥顆粒數(shù)為15507顆，每0.01s的施肥量都在300顆左右。而間歇式施肥器總施肥量呈間歇式增長，總施肥顆粒為6964顆。間歇式施肥器在地面上時，擋肥板閉合，因此施肥顆粒數(shù)為0;而在土壤中的前0.1s，雖然擋肥板已經打開，但是一方面由于后方土壤的阻擋，另一方面破土器的下落速度大于肥料顆粒下落速度，致使化肥總體向上運動，雖然內有防返板阻擋肥料顆粒的運動，但防返板下方有管壁阻擋，致使排肥受阻，排肥量較少;后0.1s由于后方土壤與破土器的空間變大以及破土器向上運動，使肥料顆粒可以下落，且下落空間比較大，使肥料順利排出，直到擋肥板閉合。因此，間歇式施肥器1周期內向前運動30cm中，排肥約10cm，周期間排肥間隔為30cm。

3結論

通過對間歇式施肥器在行進速度為1m/s的2個周期（0.6s）內的排肥過程進行仿真并分析，對比施肥深度為24cm行進速度相同的普通條施施肥器可知，間歇式施肥器雖然每個周期內的最大阻力均超過200N，大于普通條施施肥器的最大耕作阻力，但由于每個周期都有0.1s的間歇，所以平均阻力僅為39.968N，遠小于普通條施施肥器平均阻力。

間歇式施肥器1次排肥后的肥料分布近似錐體，且地下0～24cm皆有分布，排肥顆粒在3200顆左右。2個周期共排肥約20cm，且排肥間隔為30cm，總排肥顆粒6964顆。相對于普通條施施肥器更節(jié)省化肥。

傳統(tǒng)施肥有表層施肥到深施，因此施肥深度0～40cm均合理[9-10]，且玉米株距在20～35cm內為合理范圍[11-12]，因此間歇式施肥器可以在極大降低耕作阻力和排肥量的同時滿足玉米的追肥要求。

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