甘蔗橫向種植機施肥機構(gòu)設計與試驗

摘要：針對甘蔗橫向種植機施肥機構(gòu)易出現(xiàn)堵塞的問題，結(jié)合農(nóng)藝要求，設計一種端面反向螺旋施肥機構(gòu)。為降低螺旋軸扭矩和提高肥料質(zhì)量流速，通過理論分析選取螺旋軸葉片螺距、葉片厚度、葉片直徑和螺旋軸軸徑為變量，螺旋軸扭矩和肥料質(zhì)量流速為目標，基于EDEM軟件進行正交仿真試驗得到各個因素與目標之間的回歸方程，并求解得到最優(yōu)參數(shù)組合：螺旋軸葉片螺距、葉片厚度、葉片直徑和軸徑分別為67 mm、2.5 mm、76 mm和32 mm。對最優(yōu)參數(shù)組合模型進行仿真驗證，結(jié)果表明螺旋軸扭矩和肥料質(zhì)量流速的均值分別為6.3 N ? m和0.055 kg/s，與回歸方程求解結(jié)果基本一致。對端面反向螺旋設計進行仿真試驗，確定反向螺距為33.5 mm時，可有效避免肥料堵塞在料槽端部。田間試驗結(jié)果表明：螺旋軸扭矩和肥料質(zhì)量流速的均值分別為4.3 N ? m和0.061 5 kg/s，該施肥機構(gòu)滿足農(nóng)藝要求，負載扭矩較低，可有效減少肥料堵塞情況，為螺旋施肥機構(gòu)開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：甘蔗橫向種植機；螺旋輸送機構(gòu)；施肥機構(gòu)；施肥堵塞；離散元法

中圖分類號：S224 文獻標識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0001?06

Design and experiment of fertilization mechanism of sugarcane transverse planter

Chen Yuanling1， Ouyang Chongqin1， Hou Yi1， Jin Yaguang1， Li Shangping2

（1. College of Mechanical Engineering， Guangxi University， Nanning， 530004， China;

2. College of Electronic Information， Guangxi University for Nationalities， Nanning， 530006， China）

Abstract： Aiming at the problem that the fertilization mechanism of sugarcane transversal planter is easy to clog， combining with the requirements of agronomy， a kind of end?face reverse spiral fertilization mechanism was designed. In order to reduce the screw shaft torque and improve the fertilizer mass flow rate， the screw shaft blade pitch， blade thickness， blade diameter and screw shaft diameter were selected as variables through theoretical analysis， and the screw shaft torque and fertilizer mass flow rate were selected as targets， and the regression equations between each factor and the targets were obtained through orthogonal simulation experiments based on the EDEM software and solved to obtain the optimal parameter combinations as follows： The spiral shaft blade pitch， blade thickness， blade diameter and shaft diameter were 67 mm， 2.5 mm， 76 mm and 32 mm， respectively. Simulation verification of the optimal parameter combination model resulted in the mean values of screw shaft torque and fertilizer mass flow rate of 6.3 N ? m and 0.055 kg/s， respectively， which were basically consistent with the regression equation solution results. Simulation tests were conducted on the end face reverse spiral design and it was determined that a reverse pitch of 33.5 mm could effectively avoid fertilizer clogging at the end of the trough. The results of field experiments showed that the mean values of screw shaft torque and fertilizer mass flow rate were 4.3 N ? m and 0.061 5 kg/s， respectively， and the fertilizer application mechanism met the agronomic requirements with low loading torque， which could effectively reduce the situation of fertilizer clogging， and provide a reference for the development of screw fertilizer application mechanism.

Keywords： sugarcane transverse planter; screw conveying mechanism; fertilization mechanism; fertilizer clogging; discrete element method

0 引言

廣西是我國最大的糖料蔗和蔗糖生產(chǎn)基地[1， 2]。甘蔗種植過程中，其施肥效果直接影響甘蔗產(chǎn)量和質(zhì)量[3， 4]。機械化施肥可以降低勞動力成本，減少肥料流失，提高利用率，實現(xiàn)精準施肥。

目前，各種作物施肥器排肥方式主要有螺旋式、槽輪式和刮板式[5?7]，用于甘蔗橫向種植的施肥器較少。針對螺旋式施肥機構(gòu)普遍存在傳送效率低、排肥均勻性差、易堵塞的問題，國內(nèi)外學者開展相關(guān)研究。陳雄飛等[8]設計了一種兩級螺旋排肥裝置，建立了單圈螺旋排肥量的數(shù)學模型，并通過試驗分析了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對兩級螺旋排肥裝置排肥性能的影響。Wang等[9]為了提高水平螺旋輸送機的輸送效率和工作穩(wěn)定性，通過理論分析和試驗研究了螺旋輸送機的進料方式、運行條件和物料流動特性。胡英[10]針對散粒物料大小規(guī)格不一，難以輸送的問題設計了一種參數(shù)可調(diào)散粒物料螺旋輸送裝置，并通過試驗采集了物料輸送過程中螺旋葉片和輸料筒等位置的受力情況。位國建等[11]針對施肥器末端肥料易堵塞問題，設計了一種螺旋強制排肥部件，并利用正交試驗對該部件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，提高了排肥均勻性。Nukeshev等[12]通過試驗的方法確定了螺旋輸送施肥機構(gòu)中葉片直徑、葉片數(shù)量和螺距等關(guān)鍵參數(shù)，有效地提高了施肥均勻性。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，基于離散元仿真方法廣泛應用于螺旋式施肥機構(gòu)的研究中。劉曉東等[13]采用EDEM離散元軟件對有無螺旋擾動杯的排肥器排肥過程進行仿真分析，得到增加螺旋擾動杯看增大肥料顆粒下移速度，防止結(jié)拱堵塞，并通過臺架試驗進行了驗證。Shimizu等[14]利用離散元技術(shù)對水平和垂直螺旋輸送機進行了模擬，結(jié)果與前人的工作和經(jīng)驗公式進行了比較，結(jié)果表明，離散元方法可用于分析螺旋輸送機的性能。

綜上可知，國內(nèi)外對甘蔗橫向種植機施肥機構(gòu)防堵塞的研究甚少。本文基于甘蔗橫向種植機，設計一種端部反向螺旋輸送式甘蔗施肥機構(gòu)。為提升該機構(gòu)的防堵塞性能，先對螺旋軸進行受力分析，然后基于離散元軟件EDEM進行運動仿真，通過二次旋轉(zhuǎn)正交試驗得出影響螺旋軸扭矩和質(zhì)量流速的因素及在螺旋軸扭矩最小情況下的最優(yōu)參數(shù)組合，并通過仿真試驗和田間試驗進行驗證。

1 螺旋施肥機構(gòu)與工作原理

1.1 預切種式甘蔗橫向種植機整機結(jié)構(gòu)

設計研發(fā)一種預切種式甘蔗橫向種植機[15]，主要由種箱、供種機構(gòu)、排種機構(gòu)、施肥機構(gòu)、補種機構(gòu)等組成，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 施肥機構(gòu)工作原理

甘蔗橫向種植機施肥機構(gòu)主要由施肥機架、液壓馬達、凸輪機構(gòu)、螺旋輸送機、堵塞排肥管、肥料箱等組成，施肥機構(gòu)三維結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。施肥機構(gòu)采用對稱設計，左、右螺旋軸通過中間聯(lián)軸器相連，傳遞扭矩，兩邊凸輪軸與螺旋軸通過鏈輪鏈條傳動。甘蔗種植機作業(yè)時，肥料儲存在肥料箱，液壓馬達帶動螺旋軸旋轉(zhuǎn)將肥料向兩邊輸送，肥料通過凸輪機構(gòu)處的排肥口拋撒出來，實現(xiàn)間歇排肥。當肥料輸送通道發(fā)生重載或堵塞時，可控制液壓馬達反轉(zhuǎn)，將堵塞肥料反向輸送至堵塞排肥口，疏通輸送通道。

1.3 施肥機構(gòu)關(guān)鍵部件設計

螺旋葉片軸的重要參數(shù)直接影響機構(gòu)的工作扭矩、質(zhì)量流速、施肥功率等。為避免輸送肥料時，肥料堵塞料槽端部，設計帶有反向螺旋的螺旋軸，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3.1 螺旋軸轉(zhuǎn)速設計

根據(jù)液壓系統(tǒng)的動力分配，選擇施肥機構(gòu)液壓馬達型號為OMP125，理論排量為125 mL/r，最大輸入壓力為14 MPa，輸入的最大液壓流量為15 L/min，螺旋軸轉(zhuǎn)速n計算如式（1）所示，考慮實際應用時液壓馬達的機械損耗，螺旋軸轉(zhuǎn)速確定為80 r/min。

[n=qvηv] （1）

式中： [q]——液壓馬達的工作流量，L/min；

[v]——液壓馬達的排量，L/r；

[ηv]——液壓馬達的容積效率。

1.3.2 螺旋葉片與料槽最小間隙設計

為防止大量肥料存留在料槽底部，螺旋葉片與料槽的最小間隙應小于肥料直徑均值3.4 mm，本次設計選取螺旋葉片與料槽的最小間隙[bmin]為3 mm。

1.3.3 螺旋外徑和螺距的設計

實際生產(chǎn)作業(yè)當中，若忽略物料受到軸向阻滯影響的情況，則輸送量的計算如式（2）所示。

[Q=47D2Snφλε] （2）

式中： Q——螺旋輸送的質(zhì)量流速，本文Q為0.210 5 t/h；

D——螺旋葉片直徑，m；

S——螺旋軸的螺距，m；

[φ]——螺旋輸送機內(nèi)橫截面的平均填充系數(shù)，取0.2；

[λ]——甘蔗肥料的堆積密度，t/m3；

[ε]——螺旋輸送機的經(jīng)驗輸送系數(shù)，取1。

[S=KD] （3）

式中： [K]——經(jīng)驗系數(shù)值，取0.85。

聯(lián)合式（2）、式（3）計算可得螺旋葉片直徑，取整D為70 mm，螺距S取整得60 mm。

2 螺旋軸受力

假設肥料顆粒在料槽中為全腔存料，影響螺旋軸扭矩的主要因素為肥料顆粒對螺旋軸和螺旋葉片的反作用力，其中包括肥料顆粒對螺桿的摩擦力矩[T1]、肥料顆粒對螺旋葉片表面的力矩[T2]、肥料顆粒對螺旋葉片側(cè)面（厚度e表面方向）的力矩[T3]，此處螺旋葉片受到肥料的反作用力[N'葉片]、摩擦力[f'葉片]，螺旋軸受力分析如圖4所示。

忽略螺旋葉片所占空間，肥料對整個螺旋軸的摩擦力矩

[T1=πd2Lf] （4）

式中： d——螺旋軸直徑，mm；

L——螺旋軸長度，mm;

[f]——肥料對螺旋軸表面的周向摩擦力，N。

在長度L的螺旋軸上，肥料在螺旋葉片上的作用力對螺旋軸軸線的力矩

[T2=Lgq1ρStanρ22π2（R2-r2）（πDS+arctanSπD-πdS-arctanSπd）+Lgq1ρS2π2（R2-r2）lnsin（arctanSπd）sin（arctanSπD）] （5）

式中： g——重力加速度，m/s2；

[ρ]——肥料密度，kg/m3；

[q1]——單個螺距內(nèi)的肥料體積，m3；

R——螺旋葉片半徑，mm；

r——微圓環(huán)半徑，mm；

[ρ2]——肥料顆粒與螺旋葉片表面的滑動摩擦角，（°）。

[T3=dT3=LSπd2+S2N1'tanρ1D2] （6）

式中： [N1']——肥料顆粒對葉片厚度e垂直方向的支持力，N；

[ρ1]——肥料與料槽間的滑動摩擦角，（°）。

螺旋軸所受總力矩

[T=T1+T2+T3] （7）

螺旋輸送機的螺旋軸在輸送肥料顆粒時，施肥液壓馬達的負載扭矩為螺旋葉片軸的阻力力矩T1、T2、T3之和，當螺旋軸上的阻力力矩之和大于液壓馬達最大輸出扭矩時將造成肥料輸送堵塞。根據(jù)式（7）可知螺旋軸直徑d、螺旋葉片直徑D、螺距S、葉片厚度e對螺旋軸扭矩有影響，后續(xù)將通過正交仿真試驗對以上參數(shù)進行優(yōu)化組合。

3 基于EDEM的施肥機構(gòu)仿真試驗

3.1 EDEM仿真模型及參數(shù)設定

施肥機構(gòu)采用對稱設計，故選擇機構(gòu)一側(cè)作為仿真模型，如圖5所示。施肥機構(gòu)的螺旋軸、螺旋葉片和料槽材料均為304不銹鋼。為使仿真更接近實際情況，通過自制試驗臺對肥料密度、肥料與不銹鋼的彈性恢復系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和動摩擦因數(shù)進行測量，測量結(jié)果為：螺旋軸轉(zhuǎn)速80 r/min；肥料直徑3.4 mm，泊松比0.25，剪切模量1.248 MPa，密度1 000 kg/m3；肥料與肥料間恢復系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和動摩擦因數(shù)分別為0.312、0.477、0.239；肥料與不銹鋼間恢復系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和動摩擦因數(shù)分別為0.366、0.381、0.1。

3.2 二次旋轉(zhuǎn)正交仿真試驗

為研究螺旋施肥機構(gòu)的負載扭矩，以螺旋軸扭矩和質(zhì)量流速（單位時間排肥量）為試驗指標進行二次旋轉(zhuǎn)正交仿真試驗。

3.2.1 試驗設計與試驗結(jié)果方差分析

以螺旋軸葉片螺距、葉片厚度、葉片直徑和螺旋軸軸徑為因素設計，每個因素取5個水平，星號臂[γ]為1.682，設計二次旋轉(zhuǎn)正交組合設計，試驗因素、水平及編碼見表1。方差分析見表2。

由表2可知：影響因子S、d、D、Se、SD對螺旋軸扭矩影響顯著，影響因子e、eD對螺旋軸扭矩高度顯著，因此螺旋軸葉片螺距、厚度、直徑及螺旋軸軸徑對螺旋軸扭矩有重要作用；各因素對螺旋軸扭矩影響的主次順序為螺旋葉片厚度、螺旋軸葉片直徑、螺距、螺旋軸軸徑。剔除不顯著因素后得到各因素與螺旋軸扭矩T的回歸方程為

[T=-1.191 8S+6.966 26e-0.123 308d-0.148 888D+0.100 544Se+0.010 131SD-0.153 638eD+45.089 04]

由表2可知，影響因子D2對質(zhì)量流速影響顯著，影響因子S、D、SD對質(zhì)量流速高度顯著；各因素對質(zhì)量流速影響的主次順序為螺旋軸葉片螺距、螺旋軸葉片直徑、螺旋軸軸徑、葉片厚度。剔除不顯著因素后得到各因素與質(zhì)量流速M的回歸方程為

[M=-0.008 071S-0.001 232 1D+0.000 130SD+0.000 036D2+0.665 458]

3.2.2 試驗結(jié)果優(yōu)化

根據(jù)橫向種植施肥農(nóng)藝要求，甘蔗種植需要600 kg/hm2基肥。經(jīng)換算，當螺旋軸轉(zhuǎn)速為80 r/min時，質(zhì)量流速的目標值為210.5 kg/h（即0.058 kg/s）。以質(zhì)量流速0.058 kg/s，螺旋軸扭矩最小為約束條件，對螺旋軸扭矩和質(zhì)量流速的回歸方程進行求解，結(jié)合工廠實際工藝，得到最優(yōu)參數(shù)組合：螺距67 mm，葉片厚度2.5 mm，軸徑32 mm，螺旋葉片直徑76 mm，此時，螺旋軸扭矩為6.6 N ? m、質(zhì)量流速為0.058 kg/s。將上述結(jié)果參數(shù)進行仿真試驗驗證，得到螺旋軸負載扭矩均值為6.3 N ? m，質(zhì)量流速為0.055 kg/s，與優(yōu)化結(jié)果基本吻合。

3.3 反向螺旋仿真試驗

為防止甘蔗肥料堵塞在料槽的端部，在螺旋軸的端部加上一節(jié)反向螺旋葉片。考慮到加工方便和降低制造成本，取反向螺距為正向螺距的整數(shù)倍，即選取33.5 mm和67 mm的反向螺距進行5次仿真比較。仿真結(jié)果表明，在仿真30 s的時間內(nèi)，螺距為67 mm的反向螺旋有10粒以上肥料顆粒進入料槽端部，如圖6（a）所示；螺距為33.5 mm的反向螺旋無肥料顆粒進入料槽端部，如圖6（b）所示。由仿真結(jié)果可得，螺距為33.5 mm的反向螺旋葉片可以更有效地防止甘蔗肥料堵塞在料槽端部。

4 田間驗證試驗

4.1 試驗方法

田間試驗于2022年1月19日在廣西亞熱帶農(nóng)科新城基地進行試驗，天氣為小雨轉(zhuǎn)陰，田地坡度約為5°，土塊細碎，無石頭。甘蔗橫向種植機田間試驗如圖7所示。

為驗證仿真試驗的結(jié)論，采用扭矩測試設備測量甘蔗種植機施肥螺旋軸的扭矩；全橋的應變片沿著螺旋軸的周向方向成180°粘貼，扭矩測量點設置如圖8所示。分別測量兩種不同參數(shù)下的螺旋輸送機在正常輸出肥料時的螺旋軸扭矩[M']的大小，記錄多次數(shù)據(jù)進行比較。

4.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如圖9所示，0～30 s階段，施肥機構(gòu)處于啟動狀態(tài)，螺旋軸扭矩存在較大的波動；30 s以后施肥機構(gòu)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，螺旋軸扭矩均值為4.3 N ? m，與仿真優(yōu)化結(jié)果基本一致。

因田間試驗中質(zhì)量流速難以測量，故統(tǒng)計施肥機構(gòu)總施肥量。試驗過程中，施肥機構(gòu)施肥量為631.5 kg/hm2，換算得質(zhì)量流速為0.061 5 kg/s，滿足甘蔗施肥600 kg/hm2的農(nóng)藝要求。

在兩天田間試驗中，肥料輸送通道流暢，未出現(xiàn)通道堵塞以及肥料堵塞在料槽端部情況，優(yōu)化后的施肥機構(gòu)防堵塞效果滿足甘蔗橫向種植機的施肥可靠性需求。

5 結(jié)論

1） 基于甘蔗橫向種植機，設計一種端面反向螺旋施肥機構(gòu)，通過理論分析及前期單因素試驗得出螺旋軸葉片螺距、葉片厚度、葉片直徑和螺旋軸軸徑對螺旋軸扭矩和質(zhì)量流速有影響。端面反向螺旋設計仿真試驗表明：當反向螺距為33.5 mm時，可有效避免肥料堵塞在料槽端部。

2） 以質(zhì)量流速為0.058 kg/s和螺旋軸扭矩最小為目標對四元二次方程組進行優(yōu)化求解，當螺距67 mm，葉片厚度2.5 mm，軸徑32 mm，螺旋葉片直徑76 mm時，螺旋軸扭矩為6.6 N ? m、質(zhì)量流速為0.058 kg/s；仿真試驗結(jié)果為螺旋軸負載扭矩均值6.3 N ? m，質(zhì)量流速0.055 kg/s；田間驗證試驗結(jié)果為螺旋軸負載扭矩均值4.3 N ? m，質(zhì)量流速0.061 5 kg/s。優(yōu)化結(jié)果與仿真驗證結(jié)果同田間試驗結(jié)果基本一致，可以有效減少甘蔗橫向種植機施肥機構(gòu)堵塞的發(fā)生。

參 考 文 獻

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