基于EDEM離散元法的分層施肥靴仿真與試驗

2020-10-17 00:59:18張東超湯智輝何義川楊懷君孟祥金朱站偉

農機化研究 2020年2期

張東超,湯智輝,何義川,鄭炫,楊懷君,孟祥金,朱站偉

(1.石河子大學機械電氣工程學院,新疆石河子 832000;2.新疆農墾科學院機械裝備研究所,新疆石河子 832000)

0 引言

施肥是提高農作物單位面積產量的重要因素之一,在現代農業生產中有著不可或缺的地位。但目前我國的肥料利用率依舊較低,只能通過施用大量化肥的方式達到增產的目的,造成了破壞土壤營養結構、污染地下水源、影響大氣環境和危害農作物等諸多問題。因此,提高肥料利用率,減少肥料使用量,對生態環境、食品安全和生產成本等方面具有重要意義[1-4]。

為了解決肥料利用率低這一主要問題,設計了一種分層施肥靴。基于種肥同行技術,保證了一次施肥滿足農作物不同生長時期對肥料的需求。由于作物生長中后期為增產階段,故上下兩層施肥比例為下多上少[5-8]。綜合上述設計理念,分層施肥靴主要由開溝鏟、均肥器,分肥器3部分組成,主要作用分別為開溝破土、保證下落肥料的均勻性和實現肥料顆粒在土壤中的上下分層。

本文首先利用理論計算,選取均肥器中擋桿的數量與直徑,確定分肥器中上下兩層肥量比例的調節關系;然后利用EDEM離散元仿真分析分層施肥靴自身結構與外部條件對肥料分層效果的影響,得出最優參數組合;最后,由田間試驗進行驗證。

1 分層施肥靴設計結構及原理

分層施肥靴主要由開溝鏟、均肥器和分肥器組成,如圖1所示。其中,均肥器由圓管和周向均布、軸向等距的圓桿構成,分肥器主要結構包括分肥板和排肥管。

1.開溝鏟 2.圓管 3.圓桿 4.分肥板 5.排肥管

肥料顆粒由外槽輪式排肥器經過輸肥管進入均肥器中,由于肥料顆粒進入均肥器中時大多為團簇狀,為了滿足進入分肥器時肥料顆粒具有均勻性,保證施肥比例的精準,故在均肥器內部安裝周向均布、軸向等距的圓桿,肥料顆粒在下落過程中不斷與圓桿發生碰撞、彈射,使肥料顆粒經過均肥器進入分肥器時為均布狀[9-10]。分肥器中的分肥板用來控制上下兩層肥料的施肥量,通過改變分肥板中心線與圓管中心線的位置距離,將肥料顆粒分割為不等量的兩份。本文選用4:6設計,分別進入上下兩層肥料出口。開溝器行進過程中,下層肥料依靠自由落體直接落入土壤中,利用土壤的回流特性將下層肥料掩蓋,上層肥料通過排肥管排出,從而實現了肥料顆粒在土壤中的分層。

2 分層施肥靴自身結構的理論計算

2.1 均肥器

均肥器內部圓桿的數量和直徑直接影響分肥比例和作業效率。數量、直徑過小,不能有效地使肥料顆粒呈均勻分布;數量、直徑過大,肥料下落慢且容易發生堵塞問題。均肥器俯視圖如圖2所示。

1.圓管 2.圓桿

肥料在均肥器中下落時,圓桿直徑d決定肥料顆粒的單層通過面積。單層通過面積計算公式為

(1)

式中S—肥料顆粒的單層通過面積;

D—圓管內徑;

d—圓桿直徑。

圓桿數量N決定肥料顆粒的分肥份數2N,肥料顆粒經過所有圓桿的流通面積為

(2)

式中Ssum—肥料顆粒經過所有圓桿的流通面積;

N—圓桿數量。

根據實際生產要求,最大施肥量為500kg/hm2,機具最大行進速度為7km/h,當槽輪有效長度為23cm時,可得排肥器的單位時間排肥量為263g/s。機具上排肥器的排肥舌距均肥器入口的距離為30cm,設定肥料顆粒離開排肥舌時初速度為0cm/s,則肥料顆粒進入均肥器入口的速度242.5cm/s,故均肥器不發生堵塞的最小流通面積為

(3)

式中Sthrough—最小流通面積;

m—單位時間施肥量;

ρ—肥料顆粒的堆積密度;

v—肥料顆粒流速。

根據實際生產情況,設計圓管內徑為38mm。考慮到肥料通過性和加工條件,選取圓桿最大直徑為5mm,圓桿數量最多為8根。由此計算得Ssum為2098.742cm2,S為944.115cm2,均遠遠大于Sthrough,符合設計要求。

2.2 分肥器

分肥器結構如圖3所示。

圖3 分肥器

調整分肥板中心線與圓管中心線的距離A,可以調整上層肥料的流入面積Sup和下層肥料的流入面積Sdown。由于要求施肥量分布為下多上少,選擇上下兩層肥料的肥量比為4:6,得到位置距離A與上下兩層肥料肥量的關系為

(4)

式中Sdown—下層肥料流入面積;

Sup—上層肥料流入面積;

A—分肥板中心線與圓管中心線的距離;

D—圓管內徑。

將上下兩層肥料的肥量比為4:6代入式(4),得到分肥板中心線與圓管中心線的距離為5.868mm。考慮到分肥板板厚因素,選用1mm厚度的板材,最大限度保證4:6的施肥比例。

3 分層施肥靴參數仿真優化

3.1 建立仿真模型

分層施肥靴由solidworks三維建模,并保存為.x_t格式導入EDEM中。通過EDEM軟件生成仿真試驗土槽,土壤顆粒的外形結構主要分為塊狀、核狀和柱狀結構[11],如圖4所示。建立1 500mm(長)×200mm(寬)×300mm(高)的仿真試驗土槽,土壤顆粒的半徑設置為3mm,肥料選用心連心尿素。對其相關尺寸進行測定,得到二胺顆粒的球形率為0.961,平均半徑為2.479mm。分層施肥靴—土槽模型如圖5所示。

圖4 土壤顆粒模型

圖5 EDEM仿真模型

3.2 設定仿真參數

在均肥器上方建立Polygon顆粒工廠,不限肥料顆粒生成數量,生成速率為300粒/s,總仿真時間為2s,固定時間步長為3.057×10-5,數據記錄間隔為0.01s。全局變量參數設置如表1所示[12-17]。

表1 全局變量參數設置

3.3 試驗因素與指標

分層施肥靴的均肥器決定肥料顆粒下落的均勻性,對上下兩層肥料的比例有重要影響,主要影響因素有圓桿直徑d和圓桿數量N。施肥靴的行進速度Vboot影響土壤回流對顆粒的覆蓋。行進速度過快,導致覆蓋不完全,肥料分層不明顯;行進速度過慢,影響作業效率。分層施肥靴的主要功能是實現肥料在土壤中分層,故以上下兩層肥料間隔距離的變異系數Cv作為檢驗分層效果的指標,則有

(5)

式中Cv—上下兩層肥料間隔距離的變異系數;

SD—同一縱截面上下兩層肥料距離的標準差;

Mean—同一縱截面上下兩層肥料距離的平均值。