生物炭還田機關鍵部件設計與仿真分析

摘要：當前生物炭還田過程煩瑣，費時費力，為實現生物炭還田開溝—排炭—覆土一體化技術，設計適用于生物炭還田機上的排炭系統關鍵部件——開溝還田鏟和排炭器。通過離散元軟件洛基（Rocky）建立關鍵部件的仿真模型，模擬生物炭還田的工作過程。以炭量均勻性變異系數作為試驗指標，出口距離、導管直徑和擋板夾角為試驗因素，運用Design-Expert軟件設計單因素試驗和三因素三水平響應面試驗，通過分析響應面圖和參數優化模塊得到最優工作參數組合：出口距離65.20 mm、導管直徑25.30 mm和擋板夾角30°。試驗結果表明，在最優工作參數下，生物炭還田關鍵部件的炭量均勻性變異系數為28.622%，能一次性完成開溝、排炭還田、覆土工作，可為生物炭還田技術提供參考。

關鍵詞：生物炭還田；洛基程序；離散元仿真；響應面試驗；參數優化

中圖分類號：S23 文獻標識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0240?05

Design and simulation analysis of key components of biochar return machine

Jiang Shuying1， Chen Zhongyu1， Ma Fang1， Zhang Luji2，Li Mingliang1， Ren Dezhi2

（1. Yancheng Polytechnic College， Yancheng， 224005， China；

2. College of Engineering， Shenyang Agricultural University， Shenyang， 110866， China）

Abstract： At present， the process of biochar return to the field is complicated， laborious and time?consuming. In order to achieve the integration of trenching， biochar distribution， and soil covering for biochar return to the field， the key components for the biochar distribution system on the biochar return machine are designed， such as a trenching shovel and a biochar distributor. A simulation model of the key components is established by using the discrete element software Rocky to simulate the process of biochar return to field. The variability coefficient of biochar distribution is taken as the experimental index， the exit distance， the diameter of the conduit and the angle of the deflector blade as experimental factors， the Design-Expert software is utilized to design a single?factor experiment and a three?factor， three?level response surface experiment， the optimal working parameter combination is obtained through the analysis of response surface plots and parameter optimization modules， the outlet distance is 65.20 mm， the conduit diameter is 25.30 mm， and the baffle angle is 30°. The experimental results indicate that the variability coefficient of biochar distribution of the key components designed in this paper is 28.622% under the optimal working parameters， and the trenching， biochar distribution and soil covering process can be completed in one pass， which can provide a reference for the technology of biochar return to field.

Keywords： biochar return to field; Rocky program; discrete element simulation; response surface test; parameters optimization

0 引言

生物炭還田是秸稈綜合利用的重要途徑，是當今研究領域熱點之一[1?3]。目前生物炭還田方法是將生物炭撒播于土壤表層后用旋耕機將炭與土混合[4]，這種還田方式極其依賴人力，并且炭土之間無法均勻混合，還田效果較差。所以設計一種專用于生物炭還田的農業機械，可提高生物炭還田效率和效果，為生物炭還田產業化設備提供參考。

當前關于生物炭以何種方式還田，如何提高還田效果鮮有研究。在農業工程領域與生物炭還田技術相似的有深松施肥技術和免耕播種技術。劉立晶等[5]設計了一種玉米深松全程施肥鏟，并通過EDEM模擬了施肥鏟的工作過程，該過程與生物炭還田過程相似，不同的是物料特性以及由此產生的工作機理上的不同，但其設計和仿真的方式和流程可為生物炭還田提供參考。趙淑紅等[6]以離散元仿真深松鏟對土壤的作用為依據，設計了交互式分層深松鏟，可進一步提供仿真相關的支持。Sukhbir等[7]研究了不同類型的開溝器在不同深度和速度下對土壤穿透阻力、山脊高度、具體吃水、土壤干擾和發芽率的影響，為開溝鏟的設計提供機理參考。楊慶璐等[8]設計了一種各層肥量可調的空間分層施肥裝置，并運用離散元法對其工作過程進行分析。王超群等[9]為解決免耕播種機的吊苗問題，設計了一種秸稈粉碎還田免耕播種施肥機。

綜上，現階段沒有專門針對生物炭物料特性設計制造的還田機械，但可基于現有關于開溝器、深松鏟、施肥機等研究設計生物炭還田機械關鍵部件，通過離散元軟件Rocky仿真還田工作過程，根據仿真結果優化部件結構，確定主要工作參數范圍。通過因素試驗分析確定影響生物炭還田效果的主要參數，最后得到最優化參數并進行田間驗證試驗。

1 整機結構及工作原理

生物炭還田機的整機結構如圖1所示，主要由機架、動力系統、排炭系統和覆土裝置組成。

生物炭還田機的工作過程可分為開溝、排炭、覆土三個部分。開溝還田鏟安裝在連接架下方，通過調節架改變還田深度。整機向前運動帶動還田鏟開出還田溝完成開溝作業。生物炭顆粒由料斗進入導管，并沿導管流入還田鏟下方，擋板分散顆粒使其還田后可均布于還田溝內。位于整機最后方的覆土輪對已還田的土壤進行覆土，完成開溝—排炭—覆土還田作業。

2 關鍵部件設計

2.1 開溝還田鏟的設計

開溝還田鏟的主要作用為開溝并分散生物炭顆粒，使生物炭顆粒在還田后可以均勻分布在土壤中。還田鏟整體可分為上層鏟和下層鏟兩個部分，如圖2所示。上層鏟負責開溝作業，鏟面上設有一通孔與導管配合，鏟面末端連接調節架。下層鏟負責分散顆粒，鏟面上設有隨上層鏟通孔位置變動而改變的引流槽，使生物炭顆粒在通過下層鏟后可以均布于240 mm的工作幅寬內。上下層鏟的兩側設有擋板，可防止顆粒被吹散。開溝還田鏟的主要結構參數包括：通孔直徑R；厚度h；鏟面寬度B；鏟面夾角β以及幅寬H。其中R與導料管直徑一致，B指上層鏟的縱向總長度。

2.2 排炭器的設計

排炭系統是生物炭還田機的核心部分，排炭系統的設計直接影響還田效果的好壞，該系統需要完成的工作包括存儲生物炭、按一定規律排出炭顆粒以及將顆粒均勻分布于工作幅寬內的土壤。排炭系統如圖3所示。

其中，料箱的作用是盛放生物炭；排炭器的作用是將生物炭以固定的質量流率排放生物炭顆粒；導料管的作用是將排炭器排出的生物炭導向至下方的還田鏟鏟面；調節架的作用是將排炭系統固定在機架上，并可通過調節架子高度來改變還田深度；還田鏟的作用是將已初步翻松的土壤鏟至兩邊形成固定寬度的土溝，并將從導料管排出的生物炭顆粒均勻的分布于工作幅寬內。整個系統中料箱、導料管和調節架的尺寸參數是相對固定的，隨著其他部件的尺寸變化而變化，且其變化不會對整個排炭系統產生過多影響。

3 仿真分析

離散元軟件Rocky提供了專用于預測農業設備中顆粒行為所需的數據。利用機械設計軟件SolidWorks建立生物炭還田機的三維模型，通過Rocky建立生物炭還田仿真模型，根據仿真結果分析確定關鍵參數。

3.1 仿真模型建立

離散元仿真需要合理的確定各種仿真參數，從而反映真實的工作過程。選擇合適的力學接觸模型可以得到可靠的分析結果。由于生物炭顆粒物理特性與有機肥特性類似，根據已有的關于有機肥離散元法分析研究[10， 11]，選擇法向力模型為Hertzian Spring Dashpot模型、選擇附著力模型為JKR（The Johnson-Kendall-Roberts model）模型、選擇切向力模型Linear Spring Coulomb Limit模型。

材料接觸參數如表1所示，數據由對生物炭顆粒進行的離散元參數標定所給出[12]。根據離散元接觸模型理論，恢復系數會影響到法向阻尼力的計算，而靜/滾動摩擦系數會影響到切向阻尼力的計算。

試驗材料為沈陽農業大學遼寧省生物炭工程技術研究中心研制的Ⅰ級生物炭。通過試驗測量得到生物炭顆粒球形度為92%，直徑大小范圍為2～4 mm。根據離散元法理論[13?15]，當顆粒非球形度小于10%時，設置非球體顆粒對仿真分析結果影響極小，所以建立Biochar粒子，形狀類型設為球體顆粒，粒子球體直徑設為2 mm、3 mm和4 mm，三種大小的粒子各占1/3。

將關鍵部件三維模型導入Rocky軟件中，設置粒子入口位置。其余仿真參數如下：仿真時間為5 s；仿真精度為0.05（即兩次仿真計算的時間步長為0.05 s）；粒子生成時間為2 s；粒子質量流率為50 g/s。在還田鏟末端增設一觀測槽體，用于仿真過后對生物炭顆粒的分布情況進行定量的統計，仿真模型如圖4所示。

3.2 單因素仿真試驗

生物炭還田技術的關鍵是如何均勻的混合炭土，在相同深度的土層中，生物炭分布于土壤中的均勻性會直接影響到還田效果，故選擇炭量均勻性變異系數作為仿真效果的衡量指標[16]。仿真試驗后，在工作幅寬240 mm內取連續12段，每段20 mm。分別記錄每段炭顆粒數目xi，則炭量均勻性變異系數

[cv=i=1n1n-1（xi-x）2x] （1）

式中： n——樣本數量；

[x]——總體平均值。

由于在仿真前，粒子數目已經確定，即總體的平均值確定，所以選用樣本標準差[17]。由變異系數的定義可知：[cv]的取值在0～1之間，在均值固定的情況下，[cv]的值越小，說明樣本數據的離散程度越小。炭量均勻性變異系數越小，代表生物炭顆粒還田后的分布越均勻，還田效果越好。

由圖5可知，在其他因素條件相同的情況下，出口距離、導管直徑和擋板夾角的取值單獨變化對炭量均勻性變異系數的影響顯著。導管直徑和擋板夾角在極小值處變異系數較大，出口距離和擋板夾角在中值附近變異系數較小。另外，前進速度變化對變異系數幾乎沒有影響。根據單因素試驗結果，選擇出口距離、導管直徑和擋板夾角作為多因素仿真試驗的試驗因素，并進一步縮小各參數的取值范圍。

3.3 多因素仿真試驗

為研究各因素的交互作用對生物炭還田效果的影響，進行多因素仿真分析。選擇Design-Expert軟件中三因素三水平的Box-Behnken響應面法進行試驗安排。根據單因素試驗結果取得參數范圍，試驗因素編碼如表2所示。試驗方案及試驗結果如表3所示。

3.4 試驗結果與分析

運用Design-Expert軟件進行顯著性檢驗，得到關于炭量均勻性變異系數的方差分析如表4所示。

由試驗結果可知，模型[R1]的顯著值P<0.000 1，并且失擬項P>0.05，說明本次多因素試驗的回歸方程檢驗達到高度顯著，并且擬合度較好，因此可對本次試驗數據結果進行進一步的分析和優化。去除不顯著項后得到的多項式回歸方程。

[R1=40.48+3.51X1+1.55X2-0.64X3+1.47X1X2-3.74X12-3.41X22-1.84X32] （2）

根據回歸方程，繪制三因素對變異系數的響應面，如圖6所示。通過方差分析可知，出口距離[X1]、導管直徑[X2]、擋板夾角[X3]三因素都單獨對變異系數有著顯著影響。分析圖6中的響應面可知，隨著出口距離和導管直徑值的變化，指標值變化較快，說明出口距離和導管直徑之間存在明顯的交互作用，并且當出口距離趨于65 mm、導管直徑在25 mm和35 mm兩端極值時，變異系數趨于最小值。

3.5 參數優化

通過Design-Expert軟件對試驗數據進行參數優化，炭量變異系數越低越能說明還田效果越好，并且為使擋板夾角趨于30°，設置尋優求解標準如式（3）所示。

[minR1s.t.65 mm≤X1≤75 mm25 mm≤X2≤35 mmx3=30°] （3）

由此得到最優解：X1=65.19 mm，X2=25.29 mm，X3=30°，R1=28.622%?？紤]機械設計及加工工藝因素，取得實際的參數值：出口距離為65.20 mm，導管直徑為25.30 mm，擋板夾角為30°。

4 結論

1） 設計適用于生物炭還田機上的排炭系統關鍵部件，包括開溝還田鏟和排炭器，可將生物炭均勻還撒在土壤中，為各類農作物的根系提供有益影響。

2） 以炭量均勻性變異系數為指標，通過離散元仿真軟件Rocky進行單因素和多因素試驗。得到影響還田效果的主要工作參數范圍及最優化參數：出口距離為65.20 mm，導管直徑為25.30 mm，擋板夾角為30°。

3） 根據最優的工作參數組合進行試驗。結果表明，在此工作參數下具有最佳的還田效果，炭量的均勻性變異系數可達到28.622%。

參 考 文 獻

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