基于EDEM的螺旋式排肥器排肥性能研究

薛 忠,趙 亮,,王鳳花,王 槊,宋 剛,王 剛

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所,廣東 湛江 524091;2.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,昆明 650500)

0 引言

施肥是熱帶果園中非常關(guān)鍵的作業(yè)環(huán)節(jié)[1],對(duì)水果品質(zhì)和產(chǎn)量起著至關(guān)重要的作用。人工施肥作業(yè)難度大,果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度大和效率低,而機(jī)械施肥可以大大減小果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高作業(yè)效率和降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本等。目前,現(xiàn)有的施肥機(jī)械排肥方式主要包括離心式、外槽輪式和螺旋式等。胡永光等利用離散元仿真軟件EDEM對(duì)茶園施肥機(jī)離心撒肥過(guò)程進(jìn)行仿真分析和參數(shù)優(yōu)化[2]。祝清震等運(yùn)用離散元仿真技術(shù)研究不同槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)直槽輪式排肥器排肥性能的影響[3]。陳雄飛等設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)螺旋排肥裝置,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試分析了兩級(jí)排肥裝置的排肥性能[4]。這些研究成果對(duì)進(jìn)一步研究果園施肥機(jī)械的排肥性能與優(yōu)化設(shè)計(jì)具有關(guān)鍵作用。

目前,市場(chǎng)上廣泛使用的排肥器是外槽輪式排肥器,對(duì)肥料物理特性有較高要求,但排施干燥顆粒肥時(shí)效果良好,排施潮濕顆粒肥及粉狀肥時(shí)效果較差[4]。螺旋式排肥器對(duì)肥料物理特性要求較低,具有可兼施顆粒肥與粉末狀肥料、肥量可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),因此以螺旋式排肥器為研究對(duì)象,研究肥料顆粒的排肥特性。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的飛速進(jìn)步,離散元法在農(nóng)業(yè)機(jī)械研究中得到了廣泛運(yùn)用[1]。楊洲等采用EDEM模擬仿真不同外槽輪排肥器工作參數(shù)對(duì)其排肥性能的影響,并采用3D打印成型技術(shù)加工外槽輪式排肥器進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)[1]。施印炎等運(yùn)用EDEM軟件對(duì)稻麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)排肥過(guò)程進(jìn)行了仿真分析,研究不同排肥器結(jié)構(gòu)對(duì)施肥機(jī)排肥穩(wěn)定性的影響,并通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性[5]。苑進(jìn)等應(yīng)用離散元法對(duì)多種肥料顆粒的撒播和摻混過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)摻混腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,并分析了其摻混特性[6]。總之,離散元法是一種具有強(qiáng)大優(yōu)越性和廣泛適用性的數(shù)值模擬方法,能夠很好地展示農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)際工作情況,極大地提高了農(nóng)業(yè)裝置研發(fā)的工作效率。

本研究以顆粒肥料和螺旋式排肥器為對(duì)象,通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件SollidWorks對(duì)螺旋式排肥器進(jìn)行建模,采用EDEM建立肥料顆粒的離散元模型,對(duì)其排肥過(guò)程進(jìn)行仿真,分析顆粒肥料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。同時(shí),考察不同工作參數(shù)對(duì)排肥量的影響顯著性,并分析螺旋式排肥器的排肥特性,以期為螺旋式排肥器進(jìn)一步研究提供參考依據(jù)。

1 排肥器結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)定

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺旋式排肥器主要由5個(gè)部分構(gòu)成,即肥箱、螺旋葉片、排肥軸、排肥盒和排肥口[7],如圖1所示。其中,肥箱尺寸為280mm×260mm×270mm,排肥軸直徑設(shè)定為25mm。綜合考慮果園所需施肥量及肥料物理特性等,并通過(guò)公式計(jì)算取螺旋葉片直徑為80～100mm,螺距為50～70mm。

圖1 螺旋式排肥器模型

1.2 主要參數(shù)確定

1.2.1 排肥量

排肥量是螺旋式排肥器排肥能力的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),可根據(jù)實(shí)際需求量排施,與排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。在排施肥料時(shí),排肥軸所占截面積對(duì)排肥器排肥能力有一定影響,而相對(duì)于整個(gè)施肥機(jī)來(lái)說(shuō),其軸徑很小,往往忽略其軸向阻滯的作用。因此,螺旋式排肥器的排肥量可近似按下式計(jì)算,即

Q=47D2·n·S·λ·ε·φ

(1)

式中Q—排肥量(t/h);

D一螺旋葉片直徑(mm);

n一排肥軸轉(zhuǎn)速(r/min);

S一螺距(mm);

λ一顆粒肥料的密度(t/m3);

ε一傾斜輸送系數(shù);

φ—填充系數(shù)。

從公式(1)可以看出:螺旋式排肥器的排肥量Q與排肥器參數(shù)D、n、S、λ、ε和φ有關(guān)。當(dāng)排肥量Q確定后,可以適當(dāng)調(diào)整螺旋葉片直徑D、排肥軸轉(zhuǎn)速n、螺距S和填充系數(shù)φ等,以滿足排肥量Q的需求。

施肥機(jī)在連續(xù)施肥向前行走1個(gè)株距時(shí),螺旋式排肥器的排肥量為

(2)

式中v一施肥機(jī)的前進(jìn)速度,取v=1.98km/h;

g—每株施肥量,取g=0.3～0.5kg/株;

s—果樹(shù)平均株距長(zhǎng)度,取s=1.82m。

把各數(shù)據(jù)代入公式(2)中,計(jì)算得

(3)

1.2.2 螺旋葉片直徑與螺距

螺旋葉片直徑是螺旋式排肥器的一個(gè)重要參數(shù),其設(shè)定將會(huì)直接影響排肥量,通常根據(jù)排肥裝置的結(jié)構(gòu)形式、肥料物理特性和排肥能力大小等來(lái)確定螺旋葉片直徑。

根據(jù)公式(4)可確定螺旋葉片直徑為

(4)

(5)

(6)

式中Q—排肥量(t/h);

D—螺旋葉片直徑(mm);

K1—螺旋葉片直徑與螺距的比例系數(shù),當(dāng)水平布置時(shí),K1=0.8～1.0;當(dāng)傾斜布置或肥料流動(dòng)性較差時(shí),K1≤0.8,參考表3取K1=0.5;

A—肥料綜合特性系數(shù)(見(jiàn)表2),取A=28;

λ—肥料的容積密度,經(jīng)測(cè)量λ=0.938t/m3;

ε—傾斜輸送系數(shù)(見(jiàn)表 1),本文設(shè)計(jì)的螺旋式排肥器為水平安裝,參考表1,取ε=1;

φ—填充系數(shù),參考表2取φ=0.3。

通過(guò)計(jì)算,得出D=80～98mm。由于螺旋葉片直徑通常設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)系列,如D=100、150、200、250、300mm等,故螺旋葉片直徑D選用范圍為80～100mm。

表1 傾斜輸送系數(shù)表

表2 物料綜合特性

螺距一方面決定著螺旋升角大小,另一方面螺距的改變會(huì)使顆粒運(yùn)動(dòng)速度分布發(fā)生變化,所以螺距對(duì)排肥器排肥能力的影響較大。

通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算螺距,即

S=K1·D

(7)

其中,K1為螺距與螺旋葉片直徑的比例系數(shù)。對(duì)于水平布置的排肥器,K1通常取0.5～0.9,故螺距S取50～70mm。

1.2.3 轉(zhuǎn)速

排肥軸轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量有較大的影響:加快排肥軸轉(zhuǎn)速,排肥器的排肥量提高;減小轉(zhuǎn)速,排肥量下降。但排肥軸轉(zhuǎn)速不能過(guò)大,因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定臨界值時(shí),肥料會(huì)產(chǎn)生過(guò)大離心力而向外拋導(dǎo)致無(wú)法正常排肥,所以需要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行一定的限制, 不能大于某一臨界值。通常排肥軸轉(zhuǎn)速由排肥量、肥料物理特性和螺旋葉片直徑等確定。

當(dāng)螺旋外側(cè)的顆粒肥料不產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)時(shí),它所受離心力的最大值與自身重力之間的關(guān)系為

(8)

(9)

考慮到受不同物理特性肥料的影響,可得

(10)

(11)

(12)

式中m—肥料質(zhì)量(kg);

ωmax—排肥軸臨界角速度(rad/s);

r—螺旋半徑(m);

nmax—排肥軸臨界轉(zhuǎn)速(r/min);

g—重力加速度(m/s2);

D—螺旋葉片直徑(m);

K—肥料綜合系數(shù);

A—肥料綜合特性系數(shù)。

通過(guò)計(jì)算可得最大排肥軸轉(zhuǎn)速為89r/min。根據(jù)排肥量、肥料物理特性和螺旋葉片直徑等來(lái)確定排肥軸轉(zhuǎn)速,在滿足排肥量要求情況下排肥軸轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高, 更不允許超過(guò)它的臨界值, 即

n≤nmax

(13)

式中n—排肥軸實(shí)際轉(zhuǎn)速(r/min)。

2 肥料顆粒離散元模型建立與參數(shù)確定

2.1 肥料顆粒離散元模型

肥料顆粒的形狀和密度將直接影響其在排肥盒中的運(yùn)動(dòng)情況以及排肥量。為了使肥料顆粒排肥過(guò)程更貼近實(shí)際,以常用的尿素顆粒為研究對(duì)象,隨機(jī)選取100個(gè)顆粒,測(cè)量其三維尺寸和密度等,計(jì)算公式為

(14)

(15)

式中D—等效直徑(mm);

L—長(zhǎng)度(mm);

W—寬度(mm);

T—厚度(mm);

Φ—球形率。

經(jīng)計(jì)算,顆粒參數(shù)如表3所示。

表3 肥料顆粒參數(shù)

由表3可知:尿素顆粒的球形率為86.3%,形狀近似橢球體,平均長(zhǎng)度為4.031mm,平均寬度為3.305mm,平均厚度為3.152mm。采用EDEM建立尿素顆粒的離散元模型,設(shè)置長(zhǎng)軸為4.0mm,短軸為3.3mm。由于EDEM軟件無(wú)法直接建立橢球體,故本文采用5個(gè)球體填充方式建立顆粒離散元模型,5個(gè)球體半徑設(shè)置為1.55、1.6、1.65、1.6、1.55mm。尿素顆粒離散元模型如圖2所示。

圖2 肥料顆粒離散元模型

2.2 仿真參數(shù)確定

采用EDEM軟件默認(rèn)的無(wú)滑動(dòng)接觸模型(Hertz-Mindlin(no-slip))進(jìn)行肥料顆粒的仿真分析,能得到十分準(zhǔn)確而高效的仿真結(jié)果。在三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks中建立螺旋式排肥器的實(shí)體模型,并以igs格式導(dǎo)入EDEM求解環(huán)境中,同時(shí)設(shè)置螺旋式排肥器的所有部件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。

在EDEM前處理模塊中,排肥器和肥料顆粒的參數(shù)設(shè)定對(duì)仿真速度有較大影響。通過(guò)測(cè)量可得尿素顆粒密度為1 377kg/m3,另采用高速攝像機(jī)和摩擦測(cè)試儀等設(shè)備測(cè)得其碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和滾動(dòng)摩擦因數(shù),其余仿真參數(shù)參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》和孫雪松等學(xué)者的研究成果[8-10]。其相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 物理力學(xué)參數(shù)

3 仿真試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在仿真試驗(yàn)之前,設(shè)置計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為瑞利時(shí)間步長(zhǎng)的20%,仿真時(shí)間為5s。顆粒工廠中,肥料顆粒生成方式設(shè)置為動(dòng)態(tài)生成,生成總質(zhì)量為8kg,將肥料顆粒設(shè)置為正態(tài)分布,可使肥料顆粒與實(shí)際肥料顆粒尺寸分布更加接近,仿真網(wǎng)格為2倍的顆粒半徑;仿真結(jié)束后,可通過(guò)EDEM后處理模塊獲得肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度及受力變化曲線圖等。仿真排肥過(guò)程如圖3所示。

圖3 仿真試驗(yàn)過(guò)程

由螺旋式排肥器工作原理可知:其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)為螺旋葉片直徑、螺距、入肥口大小、排肥口大小和排肥軸轉(zhuǎn)速等。因此,以螺旋葉片直徑x1、螺距x2和排肥軸轉(zhuǎn)速x3為試驗(yàn)因素,以排肥量y為試驗(yàn)指標(biāo),對(duì)其進(jìn)行排肥性能研究,仿真試驗(yàn)因素及水平如表5所示。

表5 仿真試驗(yàn)因素水平

排肥量y計(jì)算公式為

(16)

其中,y為排肥量(g/s);m1為t1時(shí)刻排肥量檢測(cè)區(qū)內(nèi)肥料顆粒的質(zhì)量(g);m2為t2時(shí)刻排肥量檢測(cè)區(qū)內(nèi)肥料顆粒的質(zhì)量(g)。

3.2 仿真分析

3.2.1 單圈排肥量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

排肥器的單圈排肥量是衡量其排肥性能的一個(gè)重要指標(biāo),在排肥軸不同轉(zhuǎn)速的情況下,其單圈排肥量的穩(wěn)定性與均勻性直接影響到排肥器排肥的穩(wěn)定性與均勻性[4]。在轉(zhuǎn)速一定的情況下,若已知排肥器每分鐘排肥量,則排肥器的單圈排肥量計(jì)算公式為

q=Q/n

(17)

其中,q為單圈排肥量(g);Q為排肥量(g/min);n為排肥軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

當(dāng)螺旋葉片直徑為90mm、螺距為60mm時(shí),考察轉(zhuǎn)速與單圈排肥量之間的關(guān)系。由式(17)可以計(jì)算出單圈排肥量,結(jié)果如表6所示。

表6 單圈排肥量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

續(xù)表6

由表6可知:對(duì)于不同轉(zhuǎn)速下的排肥器單圈排肥量變異系數(shù)均小于2%。這表明,本文建立的螺旋式排肥器模型結(jié)構(gòu)合理,排肥穩(wěn)定性與均勻性較好。

3.2.2 肥料顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真

當(dāng)螺旋葉片直徑為90mm、螺距60mm、排肥軸轉(zhuǎn)速為35r/min時(shí),對(duì)肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真。仿真運(yùn)行后,肥料顆粒由顆粒工廠開(kāi)始掉落。0～0.5s內(nèi),顆粒持續(xù)掉落,最終全部掉落至肥料箱和排肥盒中。將出口處肥料顆粒的速度和受力著不同種顏色,其中淺色代表速度和受力值最大,深色代表速度和受力值最小。這樣能更直觀地觀察肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度及受力變化情況,如圖4～圖5所示。

圖4 肥料顆粒速度分布

圖5 肥料顆粒受力分布

將圖4、圖5中顆粒運(yùn)動(dòng)速度和受力進(jìn)行分區(qū),可分為如下幾個(gè)區(qū)域:AB區(qū)域,肥料顆粒掉入料箱中,速度先增大后減小,受力值波動(dòng)較大;BC區(qū)域,肥料顆粒在重力作用下繼續(xù)下落并掉入排肥螺旋內(nèi),并在排肥螺旋作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng),此時(shí)顆粒與顆粒之間相互碰撞和擠壓,其速度無(wú)明顯變化,受力值繼續(xù)產(chǎn)生波動(dòng);CD區(qū)域,肥料顆粒在排肥螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)作用下逐漸脫離肥料群,進(jìn)入CD區(qū)域,由于自身重力和離心力的作用,速度有小幅上升達(dá)到1.279m/s,碰到地面后下降為0,受力值無(wú)明顯波動(dòng)并趨于平穩(wěn),最后完成肥料顆粒的排出。

EDEM軟件中,會(huì)對(duì)生成的顆粒進(jìn)行自動(dòng)編號(hào),方便研究人員對(duì)單個(gè)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究。為了更好地研究螺旋式排肥器排肥性能,隨機(jī)選取肥料箱左、中和右側(cè)的單個(gè)肥料顆粒,編號(hào)分別為237號(hào)、1255號(hào)和54687號(hào);仿真計(jì)算結(jié)束后,可以在EDEM軟件后處理模塊中獲得不同位置的單個(gè)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡、速度及受力值變化曲線圖,從而進(jìn)一步分析顆粒在排肥過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,如圖6～圖8所示。

圖6 單個(gè)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖7 單個(gè)肥料顆粒速度隨時(shí)間變化曲線圖

圖8 單個(gè)肥料顆粒受力隨時(shí)間變化曲線圖

由圖6可以看出:237號(hào)、1255號(hào)和54687號(hào)肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡圖各不相同,但三者最后皆可由排肥口順利排出,未出現(xiàn)擁堵、架空和斷條現(xiàn)象。

由圖7(a)和圖8(a)可知:0s時(shí),237號(hào)肥料顆粒由顆粒工廠生成并開(kāi)始下落,落至AB區(qū)域;0～0.4s內(nèi),237號(hào)肥料顆粒的速度和受力值皆為先增大后減小,0.05s時(shí)速度達(dá)到最大值為2.478m/s,在0.4s時(shí)該肥料顆粒速度減小為0.022m/s。通過(guò)觀察仿真動(dòng)畫(huà)可知:0.4秒時(shí),顆粒掉落了肥箱內(nèi)并停在肥料群上;0.4～4.5s內(nèi),237號(hào)肥料顆粒速度變化不大,變化范圍在0.018～0.07m/s之間,受力值產(chǎn)生了較大波動(dòng),2.55s時(shí)達(dá)到了最大值為0.035N。通過(guò)觀察仿真動(dòng)畫(huà)可知:該肥料顆粒繼續(xù)下落并掉入排肥螺旋內(nèi),接著開(kāi)始隨著排肥螺旋進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),由于顆粒之間無(wú)明顯運(yùn)動(dòng),所以其速度變化很小,在其他顆粒擠壓和螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)作用下,該肥料顆粒受力波動(dòng)較大,此時(shí)其位于BC區(qū)域;4.5～5s內(nèi),237號(hào)肥料顆粒隨著螺旋轉(zhuǎn)動(dòng),并在自身重力和離心力作用下逐漸脫離肥料群進(jìn)入CD區(qū)域,顆粒速度出現(xiàn)小幅上升達(dá)到1.472m/s,碰到地面后下降為0,受力值趨于平穩(wěn);在4.8s時(shí),237號(hào)肥料顆粒速度突然小幅下降且受力值小幅上升,此時(shí)該肥料顆粒碰撞上了排肥口,故速度和受力出現(xiàn)變化,隨后其漂離仿真區(qū)域,完成肥料顆粒的排出。

由圖7(b)和圖8(b)可觀察出:1255號(hào)和237號(hào)肥料顆粒有類(lèi)似的速度變化規(guī)律,受力變化規(guī)律不相同。0s時(shí),1255號(hào)肥料顆粒由顆粒工廠生成并開(kāi)始下落,落至AB區(qū)域;0～0.2s內(nèi),1255號(hào)肥料顆粒的速度和受力值皆為先增大后減小,0.1秒時(shí)速度達(dá)到最大值為2.913m/s;在0.2s時(shí),該肥料顆粒速度減小為0.03m/s,通過(guò)觀察仿真動(dòng)畫(huà)可知:0.2s時(shí),顆粒掉落了肥箱內(nèi)并停在肥料群上;0.2～4.6s內(nèi),1255號(hào)肥料顆粒產(chǎn)生了較小的速度變化,變化范圍在0.021～0.061m/s之間,受力值產(chǎn)生了不規(guī)律的波動(dòng),4s時(shí)其達(dá)到了最大值為0.06N。通過(guò)觀察仿真動(dòng)畫(huà)可知:該肥料顆粒繼續(xù)下落并掉入排肥螺旋內(nèi),接著開(kāi)始隨排肥螺旋進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),由于顆粒之間無(wú)明顯運(yùn)動(dòng),所以其速度變化很小。4s時(shí),該肥料顆粒與螺旋和肥料群發(fā)生碰撞,使其受力產(chǎn)生較大波動(dòng)并達(dá)到最大值,此時(shí)其位于BC區(qū)域;4.6～5s內(nèi),1255號(hào)肥料顆粒隨著螺旋轉(zhuǎn)動(dòng),并在自身重力和離心力作用下逐漸脫離肥料群,顆粒速度出現(xiàn)小幅上升達(dá)到1.266m/s,受力值趨于平穩(wěn),碰到地面前后下降為0,隨后其漂離仿真區(qū)域,完成肥料顆粒的排出。

由圖7(c)和圖8(c)可以看出:54687號(hào)和237號(hào)肥料顆粒有類(lèi)似的速度變化規(guī)律,受力變化規(guī)律不相同。0.25s時(shí),54687號(hào)肥料顆粒由顆粒工廠生成并開(kāi)始下落,落至AB區(qū)域;0.25～0.5s內(nèi),54687號(hào)肥料顆粒的速度和受力值皆為先增大后減小,0.35s時(shí)速度達(dá)到最大值為2.496m/s,0.4s時(shí)受力值達(dá)到最大值為0.02N。其主要是因?yàn)樵摲柿项w粒與其他顆粒發(fā)生摩擦和碰撞,從而使其速度和受力值波動(dòng)較大,0.5s時(shí)該肥料顆粒速度減小為0.022m/s。通過(guò)觀察仿真動(dòng)畫(huà)可知:0.5s時(shí),顆粒掉落了肥箱內(nèi)并停在肥料群上;0.5～2.9s內(nèi),54687號(hào)肥料顆粒速度變化不大,變化范圍在0.002～0.022m/s之間,受力值產(chǎn)生了不規(guī)律的波動(dòng),該肥料顆粒與肥料群發(fā)生碰撞,但仍停留在BC區(qū)域,未出現(xiàn)明顯前進(jìn)運(yùn)動(dòng);2.9～4.5s內(nèi),54687號(hào)肥料顆粒速度出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),產(chǎn)生了較小的速度變化,變化范圍在0.016～0.081m/s之間,受力值趨于平穩(wěn),此時(shí)處于BC區(qū)域。通過(guò)觀察仿真動(dòng)畫(huà)可知:2.9s時(shí),54687號(hào)肥料顆粒開(kāi)始隨著排肥螺旋進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),在排肥螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)作用下,其速度出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),由于顆粒之間無(wú)明顯運(yùn)動(dòng),所以其運(yùn)動(dòng)速度變化很小且受力值趨于平穩(wěn);4.5～5s內(nèi),54687號(hào)肥料顆粒隨著螺旋轉(zhuǎn)動(dòng),并在自身重力和離心力的作用下逐漸脫離肥料群進(jìn)入CD區(qū)域,顆粒速度出現(xiàn)小幅上升達(dá)到1.422m/s,受力值趨于平穩(wěn),碰到地面后下降為0,隨后其漂離仿真區(qū)域,完成肥料顆粒的排出。

綜上所述,在螺旋式排肥器排肥過(guò)程中,分別選取肥料箱左、中和右側(cè)的單個(gè)肥料顆粒,對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真,不同位置的單個(gè)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡各不相同,但三者最后皆可由排肥口順利排出,未出現(xiàn)擁堵、架空和斷條現(xiàn)象。不同位置的單個(gè)肥料顆粒速度變化規(guī)律基本相同,皆為0～0.5s內(nèi)顆粒肥料速度波動(dòng)較大,0.5-4.5秒內(nèi)產(chǎn)生了較小的速度變化,4.5～5s內(nèi)速度出現(xiàn)小幅上升,在碰到地面前速度達(dá)到一定值,之后急速下降為0;不同位置的單個(gè)肥料顆粒受力變化規(guī)律各不相同,這是因?yàn)槊總€(gè)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜,隨著排肥螺旋的轉(zhuǎn)動(dòng),其在排肥盒、排肥螺旋和肥料群的作用下受力值會(huì)產(chǎn)生不規(guī)律的波動(dòng)。

3.2.3 不同工作參數(shù)仿真分析

當(dāng)螺距為60mm、排肥軸轉(zhuǎn)速為35r/min時(shí),排肥量隨螺旋葉片直徑變化,仿真試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。對(duì)回歸數(shù)學(xué)模型及系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)可知:螺旋葉片直徑對(duì)排肥量影響顯著(P<0.05)。將螺旋葉片直徑與排肥量進(jìn)行線性擬合,可得兩者的回歸曲線,如圖9所示。回歸數(shù)學(xué)模型擬合度R2=0.907,表明曲線擬合好。螺旋葉片直徑與排肥量呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,其關(guān)系式為

y=183.162-0.641x1

(18)

式中y—排肥量(g/s);

x1—螺旋葉片直徑(mm)。

表7 不同螺旋葉片直徑仿真結(jié)果

圖9 螺旋葉片直徑與排肥量的回歸曲線

當(dāng)螺旋葉片直徑為90mm、排肥軸轉(zhuǎn)速為35r/min時(shí),排肥量隨螺距變化,仿真試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。對(duì)回歸數(shù)學(xué)模型及系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)可知,螺距對(duì)排肥量影響極顯著(P<0.01)。將螺距與排肥量進(jìn)行線性擬合,可得兩者的回歸曲線,如圖10所示,回歸數(shù)學(xué)模型擬合度R2=0.955,表明曲線擬合好。螺距與排肥量呈線性正相關(guān)關(guān)系,其關(guān)系式為

y=2.926x2-46.164

(19)

式中y—排肥量(g/s);

x2—螺距(mm)。

表8 不同螺距仿真結(jié)果

圖10 螺距與排肥量的回歸曲線

當(dāng)螺旋葉片直徑為90mm、螺距為60時(shí),排肥量隨排肥軸轉(zhuǎn)速變化,仿真試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。對(duì)回歸數(shù)學(xué)模型及系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)可知,排肥軸轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量影響極顯著(P<0.01)。將排肥軸轉(zhuǎn)速與排肥量進(jìn)行線性擬合,可得兩者的回歸曲線,如圖11所示。回歸數(shù)學(xué)模型擬合度R2=0.987,表明曲線擬合好。排肥軸轉(zhuǎn)速與排肥量呈線性正相關(guān)關(guān)系,其關(guān)系式為

y=4.261x3-18.28

(20)

式中y—排肥量(g/s);

x3—排肥軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

表9 不同排肥軸轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

圖11 排肥軸轉(zhuǎn)速與排肥量的回歸曲線

4 結(jié)論

1)不同轉(zhuǎn)速下的排肥螺旋單圈排肥量變異系數(shù)均小于2%,表明本文所建立的螺旋式排肥器模型結(jié)構(gòu)合理,排肥穩(wěn)定性與均勻性較好。

2)肥料箱左、中和右側(cè)的單個(gè)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡各不相同,速度變化規(guī)律基本一致,受力變化規(guī)律各不相同。這是因?yàn)槊總€(gè)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜,隨著排肥螺旋的轉(zhuǎn)動(dòng),其在排肥盒、排肥螺旋和肥料群的作用下受力值會(huì)產(chǎn)生不規(guī)律的波動(dòng)。

3)仿真分析不同工作參數(shù)與排肥量的關(guān)系可知:螺旋葉片直徑對(duì)排肥量影響顯著(P<0.05),滿足線性負(fù)相關(guān);螺距和排肥軸轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量影響極顯著(P<0.01),滿足線性正相關(guān)。本文研究結(jié)果為螺旋式排肥器進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。