基于EDEM的深施肥器排肥與阻力影響因素分析

吳雪梅,王 芳,張富貴,張 周,李 緒

(貴州大學 機械工程學院,貴陽 550025)

0 引言

開溝器是農具上用來開溝的關鍵部件,主要應用于播種機、施肥機及施肥播種機[1-4],其工作性能的好壞不僅影響播種或施肥質量,且影響工作時的阻力[5-6]。根據不同的土壤條件和施肥要求,研究者們對仿生波紋形開溝器[7]、滑刀式開溝器[8]、圓盤開溝器[9]、鴨嘴式開溝器[10]、仿旗魚頭部曲線型開溝器[11]和滑推式開溝器[12]等開展了研究,研究側重于開溝器的淺度開溝、土壤擾動和回土性能等方面,而針對深度施肥開溝方面的研究鮮有報道。

潘金華等[13]研究發現,采用深耕深施肥措施后,低的肥料用量有助于改善烤煙氮堿比、糖堿比及糖氮比,達到減少肥料用量的同時保障烤煙生長發育。田間深施底肥試驗發現:當施肥深度大于20cm時,普通施肥開溝器的肥料容易堵塞,造成肥料斷條,貴州威寧地區的粘濕土壤尤其顯著?；诖?本文設計了防堵塞的鴨舌型深施肥器。

研究者們基于離散元法(DEM)對機具與土壤間的作用過程進行了大量研究[14-17],證實離散元仿真能夠模擬開溝器與土壤的相互作用。筆者在綜合分析現有開溝器與土壤的仿真模型的基礎上,利用EDEM建立了土壤、深施肥器和肥料的交互作用模型,對比研究了不同深施肥器的排肥效果,探索了不同參數對深施肥器排肥和工作阻力的影響;同時,進行了深施肥器的土槽臺架試驗,利用驗證試驗結果證明基于EDEM的深施肥器排肥和阻力影響因素研究具有可行性,以期為深施肥器的優化設計及田間作業工作參數的確定提供參考。

1 深施肥器結構特點

1.1 深施肥開溝器

深施肥開溝器作為整機的重要組成部分,其性能直接影響施肥質量。該裝置由深施肥器、排肥管和接肥斗構成,如圖1所示。深施肥器與排肥管通過緊固螺釘活動連接,可進行施肥深度的調節,排肥管與接肥斗焊接,排肥管采用壁厚3mm、半徑30mm的45鋼管制作。將該裝置調至入土深度25～30cm施肥機旋耕起壟的同時,將肥料施入的土壤中。

1.2 深施肥器特點

入土部分的深施肥器結構影響開溝器的性能,主要設計原則是防止肥料堵塞在深施肥器口部,造成施肥斷條現象。此外,還要考慮深施肥器的入土性能和工作阻力等因素。本研究設計的鴨舌型深施肥器,可達到深施防堵的作用,如圖2所示。深施肥器結構參數主要包括入土角α、切土角β、防堵板角度δ、幅寬B和高度H。為了保證入土時刃部的強度和入土性能,入土角α=30°,切土角β=60°;肥料經過防堵板滑落于土壤中,防堵板角度應大于化肥休止角,取δ=50°。為減小施肥器的工作阻力,防堵板幅寬應盡量小,取幅寬B=10cm,高度H=3.5cm,長度L=15cm。柱體部分采用45鋼管與排肥管活動連接。

圖1 深施肥開溝器結構

圖2 鴨舌型深施肥器結構圖

本研究對照比較了鴨舌型深施肥器、普通施肥機和斜面型深施肥器(見圖3)的工作阻力及排肥性能。斜面型深施肥器與鴨舌型深施肥器入土角、切土角、幅寬和高度相同,防堵板設計為兩側斜面排肥。

2 深施肥器離散元仿真試驗

土壤本質為非連續介質,離散元法將土壤離散化,土壤顆粒間存在接觸與碰撞、相互作用與能量的關系。本文采用離散元分析軟件EDEM(英國DEM-Solution)建立仿真土壤模型,對深施肥器的深施肥過程進行數值模擬。

(a) 斜面型深施肥器

(b) 普通排肥器

2.1 仿真參數設定

接觸模型是離散元法的重要基礎,決定了粒子所受力和力矩的大小,不同的仿真對象需采用不同的接觸模型。選用Hertz-Mindlin(no-slip)模型作為土壤與幾何體間接觸力學模型。由于土壤在含水率較大時存在較大的黏結力,故選用Hertz-Mindlin with Bonding模型作為土壤顆粒間接觸力學模型。查閱相關文獻[18-23]確定仿真模型參數設置,如表1所示。

表1 仿真模型參數設置

續表1

2.2 仿真模型建立

通過UG NX10.0三維繪圖軟件對深施肥器進行等尺寸建模并保存為step格式導入EDEM軟件中,如圖4所示。

圖4 深施肥器開溝器的EDEM仿真模型

本研究選用球形顆粒來模擬土壤顆粒,選用三球面顆粒來模擬符合肥料顆粒,土壤顆粒半徑為8mm,肥料顆粒半徑為3mm,建立土壤顆粒模型和肥料顆粒模型。生成顆粒時設定參數:大小(Size)為正態分布(Nomal),位置(Position)為隨機放置(Random),速度(Velocity)為Z軸-2m/s,土壤顆粒總數為100 000個,肥料顆粒300個/s,土壤和深施肥器。

2.3 仿真結果分析

影響深施肥器施肥效果的因素主要有土壤含水率、施肥深度、施肥機前進速度和深施肥器類型。仿真試驗選取3個因素固定,分析第4個因素對排肥流暢性和工作阻力影響。通過EDEM后處理功能導出仿真結果,選用長×寬×高為100mm×100mm×50mm的網格對深施肥器排出肥料顆粒數量進行統計,所排肥料顆粒數量的個數作為施肥器排肥速度的衡量指標。

2.3.1 不同排肥器的排肥和工作阻力

通過模擬得出3種深施肥器在前進速度為1m/s、施肥深度25cm、含水率為25%下的排肥顆粒數量及工作阻力,仿真結果如圖5和圖6所示。

圖5 施肥器對排肥顆粒數量的影響

圖6 施肥器對工作阻力的影響

由圖5可知:普通排肥管所排肥料顆粒較少,斜面型和鴨舌型深施肥器在仿真初始的排肥量較少,待施肥開溝器下降平穩后,排肥量顯著增加。這是由于下降過程中,土壤堵塞出肥口,肥料堆積,待開溝器到達施肥深度后,堆積的肥料由深施肥器出肥口排出,造成肥料顆粒曲線有峰值;仿真后期排肥量基本穩定,無肥料堵塞。鴨舌型深施肥器與斜面型深施肥器相比,肥料顆粒峰值小,開溝器下降時肥料堆積少。由圖6可看出:在開溝器下降的5.2～5.7s階段,3種深施肥器的工作阻力顯著增大,普通排肥管增加最大,鴨舌型深施肥器增加最小,5.7s后阻力變化平穩;開溝器下降時,土壤垂直阻力較大,造成初期排肥阻力較大。

3種深施肥器排肥仿真效果(土壤已隱藏)如圖7所示。圖7(a)的普通排肥器排出肥料顆粒少,肥料堵塞在排肥管出口處;圖7(b)的斜面深施肥器排出的肥料均勻性較差,前期開溝器下降過程中,土壤堵塞出肥口,肥料不能及時排出,造成中段排出肥料量較多,后期排肥均勻;圖7(c)的鴨舌型深施肥器排肥效果較好,均勻排肥,前期開溝器有短暫堵塞,待排出肥料后,排肥均勻較好。

(a) 普通排肥管

(b) 斜面型深施肥器

(c) 鴨舌型深施肥器

綜合分析排肥量、土壤阻力變化和施肥器排肥過程仿真效果,鴨舌型深施肥器的性能優于其它。

2.3.2 含水率對排肥和工作阻力的影響

通過模擬得出深施肥器在前進速度為1m/s、施肥深度為300mm,以及鴨舌型深施肥器在不同含水率情況下的排肥性能與工作阻力,如圖8和圖9所示。

圖8 含水率對排肥顆粒的影響

圖9 含水率對工作阻力的影響

由圖8可以看出:含水率越小,排肥初期堵塞越嚴重;含水率越高,排肥越滯后。排肥后期3種含水率的排肥量變化趨于相同。由圖9得知:開溝器下降初期,含水率越高,所受的工作阻力越大;開溝器下降到施肥深度后,排肥阻力趨于穩定;含水率對初期排肥均勻性和工作阻力影響較大。

2.3.3 施肥深度對排肥和工作阻力的影響

前進速度為0.5m/s、含水率為25%時,普通施肥器的排肥顆粒及工作阻力如圖10和圖11所示。

普通施肥器入土時處于堵塞或半堵塞狀態。施肥器由入土到所需施肥深度需要時間,施肥深度越長,肥料堆積越多,排肥時顆粒數突增也越明顯。施肥深度越大,排肥越滯后。由圖10可知:施肥深度為30cm時,排肥最滯后,穩定排肥后,排肥量比20cm的稍少。圖11表明:施肥深度越深,所受工作阻力越大。

圖10 施肥深度對排肥顆粒的影響

圖11 施肥深度對工作阻力的影響

2.3.4 前進速度對排肥和工作阻力的影響

施肥深度為200mm、含水率為25%的鴨舌型深施肥器在不同前進速度下的排肥顆粒數量與工作阻力如圖12和圖13所示。

圖12 前進速度對排肥顆粒的影響

圖13 前進速度對工作阻力的影響

由圖12可以看出:速度越大,排肥量達到穩定狀態的時間越提前,1.5m/s比0.5m/s提前1.25s;排肥穩定后,速度對排肥量的影響不大。由圖13可知:3種速度下的工作阻力曲線基本相同,工作阻力基本不受前進速度的影響。

綜合考慮排肥滯后、排肥均勻性和工作阻力等因素,在含水率為20%、施肥深度25cm、前進速度1m/s時,鴨舌型深施肥器排肥效果好,阻力小。

3 深施肥器離散元仿真試驗驗證

為了驗證利用EDEM進行仿真深施肥器工作阻力的正確性,對深開溝器進行土槽試驗驗證。試驗在2018年1月15-18日在貴州省山地農業機械研究所吐槽試驗室進行,試驗裝置如圖14所示。

試驗設備為TC2.5-36土槽試驗臺,主要由土槽、軌道、試驗臺車、無級調速牽引系統、無級調速動力輸出軸驅動系統、傳感器、上下位機測控系統、無線傳輸系統、拖鏈供電系統、土壤水分調節系統及液壓系統等組成,模擬田間工況進行試驗。利用土槽試驗臺測試了鴨舌型深施肥器的施肥量和工作阻力。

在前進速度為1.0m/s,含水率為(20±1)%時,鴨舌型深施肥器在不同施肥深度下的工作阻力仿真與試驗數據如表2所示。由表2可知:當前進速度和含水率一定時,施肥深度越大,施肥器受到的阻力也越大,仿真工作阻力與試驗所得工作阻力變化趨勢相同,仿真值與試驗值的誤差在11.5%以內。

表2 鴨舌型深施肥器工作阻力仿真與試驗測試結果對比

鴨舌型深施肥器在含水率為(20±1)%時,深施肥器土槽試驗結果如表3所示。由表3可知:當施肥深度為20cm時,1.5m/s與0.5 m/s的工作阻力分別是153.7N與148.6N,排肥速率是72.4g/s與68.1g/s,前進速度對工作阻力和排肥速率的影響不大;前進速度為0.5m/s時,施肥深度為20cm與30cm的工作阻力分別是148.6N與225.6N,排肥速率是68.1g/s與63.1g/s,施肥深度對工作阻力影響較大,對排肥速率的影響不大。土槽試驗與EDEM仿真結果相同。

表3 土槽試驗結果

4 結論

采用離散元仿真試驗的方法,對影響深施肥器排肥流暢性和工作阻力的參數進行試驗研究,并利用土槽試驗臺進行了驗證試驗。結果表明:施肥深度、排肥器類型對工作阻力的影響較大,含水率和排肥器類型對排肥流暢性影響較大;前進速度對深施肥器工作阻力和穩定后的排肥量影響不大,而對排肥滯后有一定的影響。工作阻力仿真值與臺架試驗值的誤差在11.5%以內,變化趨勢一致,因而利用EDEM仿真試驗進行深施肥器影響因素分析具有可行性。