油茶茶枯離散元模型參數(shù)標(biāo)定與試驗(yàn)

摘要：準(zhǔn)確獲取油茶茶枯有機(jī)肥的離散元仿真模型參數(shù)是運(yùn)用仿真手段優(yōu)化設(shè)計油茶茶枯施肥裝置的關(guān)鍵。以含水率為2.88%的油茶茶枯為研究對象，選用EDEM軟件中的“Hertz-Mindlin with JKR”作為接觸模型，以圓筒提升法物理實(shí)驗(yàn)堆積角度為響應(yīng)目標(biāo)，通過響應(yīng)面法優(yōu)化標(biāo)定了油茶茶枯有機(jī)肥的仿真參數(shù)。首先通過接觸摩擦試驗(yàn)并結(jié)合GEMM 材料庫得出其他難以測量的參數(shù)，如COSM 的泊松比和剪切模量，進(jìn)而為Plackett-Burman試驗(yàn)提供選擇水平。通過Plackett-Burman試驗(yàn)從油茶茶枯有關(guān)的9個參數(shù)中篩選出了3個對堆積角影響較為顯著的參數(shù)：茶枯?茶枯靜摩擦系數(shù)、茶枯?不銹鋼靜摩擦系數(shù)、茶枯?茶枯滾動摩擦系數(shù)。根據(jù)最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果確定顯著性參數(shù)最優(yōu)值區(qū)間，進(jìn)一步以茶枯有機(jī)肥堆積角為響應(yīng)值，基于Box-Behnken試驗(yàn)獲得堆積角與顯著性參數(shù)的二階回歸模型。以物理試驗(yàn)測得的堆積角度35.42°為響應(yīng)目標(biāo)對回歸方程尋求最優(yōu)解，得到最佳參數(shù)組合為：茶枯-茶枯靜摩擦系數(shù)1.01，茶枯?不銹鋼靜摩擦系數(shù)0.34，茶枯?茶枯滾動摩擦系數(shù)0.20。采用最優(yōu)解進(jìn)行堆積和?？讐嚎s仿真試驗(yàn)，仿真堆積角與物理試驗(yàn)結(jié)果的相對誤差為2.96%，且堆積形狀具有高度相似性，仿真擠壓力與實(shí)際?？讐嚎s試驗(yàn)的擠壓力相對誤差為1.79%，驗(yàn)證了所標(biāo)定的參數(shù)的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果可為分析茶枯有機(jī)肥與施肥裝置間復(fù)雜的相互作用并設(shè)計出高效精準(zhǔn)茶枯有機(jī)肥施肥機(jī)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：油茶茶枯；堆積角；有機(jī)肥；離散元；參數(shù)標(biāo)定

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0687

中圖分類號：S233 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10080864（2025）03011210

油茶通常是指山茶科含油植物，是一種常綠小喬木，其種子含油量高，栽培和應(yīng)用價值高[1]。油茶主要種植在在湖南、江西和廣西地區(qū)。油茶茶枯（餅粕）是油茶籽的加工副產(chǎn)物，目前主要用于加工肥料、飼料[2-6]等。油茶枯制成的肥料可以為土壤提供磷、鉀、鈣、鎂等元素，為作物生長提供所需元素[7]。查錢慧等[8]將油茶餅粕加工為有機(jī)肥能促進(jìn)番茄生長并提高其品質(zhì)。馮少平等[9]證明了油茶餅粕有機(jī)肥在一定含量下對窿緣桉幼苗的生長起促進(jìn)作用。張暉等[10]發(fā)現(xiàn)油茶餅粕能使土壤顯示出更好的微生物多樣性。綜上所述，茶枯有機(jī)肥能提高土壤中微生物的多樣性并且提供磷、鉀、鈣、鎂等元素，還能促進(jìn)作物苗高、地徑生長，提高植株干物質(zhì)、葉綠素、可溶性糖含量，增強(qiáng)根系活力等特點(diǎn)。然而，茶枯有機(jī)肥多用于基肥，施肥量大且易于板結(jié)的特性使一些小型施肥機(jī)不能高效、均勻地完成施肥作業(yè)。施肥過程中肥料與施肥裝置之間的摩擦作用以及肥料粘結(jié)后對排肥裝置的堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重影響排肥量的大小以及排肥的均勻性，因此，分析肥料顆粒間及肥料與裝置間復(fù)雜的相互作用已成為施肥機(jī)械設(shè)計及優(yōu)化的重要手段。

離散元法（discrete element method，DEM）是一種數(shù)值計算方法，可對復(fù)雜的動力學(xué)問題分析和求解，研究物料與機(jī)械之間的相互作用離不開離散元的參數(shù)標(biāo)定。近年來，離散元法在施肥[11-13]等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[14-18]得到被越來越多的使用。彭才望等[19]通過EDEM 仿真對黑水虻處理的豬糞有機(jī)肥進(jìn)行了參數(shù)標(biāo)定。羅帥等[20]通過對蚯蚓糞基質(zhì)的標(biāo)定建立了休止角與含水率之間的關(guān)系模型。王韋韋等[21]對玉米秸稈粉料進(jìn)行標(biāo)定對象，提高了秸稈類粉料致密成型過程中離散元模擬所需參數(shù)的精度。韓樹杰等[22]將仿真試驗(yàn)與物理試驗(yàn)相結(jié)合，對散體廄肥的離散元參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。牛智有等[23]針對當(dāng)前顆粒飼料準(zhǔn)確破損仿真模型缺乏的問題，對顆粒飼料破損進(jìn)行了離散元仿真參數(shù)標(biāo)定。宋占華等[24]對桑園土壤顆粒的接觸參數(shù)進(jìn)行了離散元仿真標(biāo)定。張喜瑞等[25] 通過EDEM 中Hertz-Mindlin with bonding 接觸模型建立了香蕉秸稈離散元粘結(jié)模型并進(jìn)行了參數(shù)標(biāo)定。除農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以外，EDEM 仿真軟件在運(yùn)輸、建筑、煤礦[26-29]等領(lǐng)域也經(jīng)常被使用。

本文通過EDEM仿真試驗(yàn)與物理試驗(yàn)相結(jié)合的方法，完成油茶茶枯有機(jī)肥離散元參數(shù)的準(zhǔn)確標(biāo)定過程，以期獲得茶枯有機(jī)肥較為準(zhǔn)確的離散元模型參數(shù)，為后續(xù)設(shè)計油茶枯的精準(zhǔn)定量施肥機(jī)的研究提供相應(yīng)參數(shù)及理論依據(jù)。

1 材料與方法

油茶茶枯有機(jī)肥（以下簡稱茶枯）取自江西省德義源生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司（116°55′43.446″E、29°10′59.5632″N），使用量筒測量茶枯體積，通過測量相應(yīng)體積的質(zhì)量來計算出茶枯密度。取一定質(zhì)量的茶枯有機(jī)肥，使用不同直徑的篩網(wǎng)確定其相應(yīng)質(zhì)量，進(jìn)而確定其粒徑分布，使用DH-190型鹵素?zé)糇詣铀譁y定儀（上海佳實(shí)電子科技有限公司）測定茶枯含水率。以加工后存放至施肥階段的茶枯有機(jī)肥為樣本，可降低施肥時不會因肥料存放時間過久吸水潮濕而改變所測參數(shù)，通過鹵素?zé)糇詣铀譁y定儀測定得含水率平均值為2.88%。在這一狀態(tài)下標(biāo)定的茶枯有機(jī)肥參數(shù)可使每年同一施肥時段機(jī)施茶枯有機(jī)肥更加均勻。