EDEM的螺旋式排肥器排肥性能研究

　　摘要:为优化改进螺旋式排肥器在热带果园中的施肥效果，在试验统计获得肥料颗粒物理及相关力学仿真参数的基础上建立了颗粒肥料的EDEM模型，并通过对其与螺旋式排肥器数字化模型耦合进行排肥过程仿真分析。通过随机选取料箱左、中和右侧的单个肥料颗粒，获得了不同位置的仿真运动轨迹、速度与受力变化曲线图。数据分析结果表明:不同转速下的排肥螺旋单圈排肥量变异系数均小于2%;螺旋叶片直径对排肥量影响显著(P＜0．05)，呈线性负相关;螺距和排肥轴转速对排肥量影响极显著(P＜0．01)，呈线性正相关。建立的螺旋式排肥器模型结构合理，排肥过程稳定性与均匀性较好，可为螺旋式排肥器的优化设计提供参考。

　　关键词:螺旋式排肥器;颗粒肥料;单圈排肥量;离散元;EDEM

　　引言

　　施肥是热带果园中非常关键的作业环节［1］，对水果品质和产量起着至关重要的作用。人工施肥作业难度大，果农劳动强度大和效率低，而机械施肥可以大大减小果农的劳动强度，提高作业效率和降低农业生产成本等。目前，现有的施肥机械排肥方式主要包括离心式、外槽轮式和螺旋式等。胡永光等利用离散元仿真软件EDEM对茶园施肥机离心撒肥过程进行仿真分析和参数优化［2］。祝清震等运用离散元仿真技术研究不同槽轮结构参数对直槽轮式排肥器排肥性能的影响［3］。陈雄飞等设计了一种两级螺旋排肥装置，通过试验测试分析了两级排肥装置的排肥性能［4］。这些研究成果对进一步研究果园施肥机械的排肥性能与优化设计具有关键作用。

　　1排肥器结构及参数设定

　　1．1结构设计

　　螺旋式排肥器主要由5个部分构成，即肥箱、螺旋叶片、排肥轴、排肥盒和排肥口［7］，如图1所示。其中，肥箱尺寸为280mm×260mm×270mm，排肥轴直径设定为25mm。综合考虑果园所需施肥量及肥料物理特性等，并通过公式计算取螺旋叶片直径为80～100mm，螺距为50～70mm。

　　1．2主要参数确定

　　1．2．1排肥量排肥量是螺旋式排肥器排肥能力的一个关键指标，可根据实际需求量排施，与排肥器结构参数有关。在排施肥料时，排肥轴所占截面积对排肥器排肥能力有一定影响，而相对于整个施肥机来说，其轴径很小，往往忽略其轴向阻滞的作用。因此，螺旋式排肥器的排肥量可近似按下式计算，即Q=47D2·n·S·λ·ε·φ(1)式中Q—排肥量(t/h);D一螺旋叶片直径(mm);n一排肥轴转速(r/min);S一螺距(mm);λ一颗粒肥料的密度(t/m3);ε一倾斜输送系数;φ—填充系数。从公式(1)可以看出:螺旋式排肥器的排肥量Q与排肥器参数D、n、S、λ、ε和φ有关。当排肥量Q确定后，可以适当调整螺旋叶片直径D、排肥轴转速n、螺距S和填充系数φ等，以满足排肥量Q的需求。

　　1．2．2螺旋叶片直径与螺距螺旋叶片直径是螺旋式排肥器的一个重要参数，其设定将会直接影响排肥量，通常根据排肥装置的结构形式、肥料物理特性和排肥能力大小等来确定螺旋叶片直径。

　　2肥料颗粒离散元模型建立与参数确定

　　2．1肥料颗粒离散元模型

　　肥料颗粒的形状和密度将直接影响其在排肥盒中的运动情况以及排肥量。为了使肥料颗粒排肥过程更贴近实际，以常用的尿素颗粒为研究对象，随机选取100个颗粒，测量其三维尺寸和密度等，计算公式为D=3槡LWT(14)Φ=DL(15)式中D—等效直径(mm);L—长度(mm);W—宽度(mm);T—厚度(mm);Φ—球形率。经计算，颗粒参数如表3所示。

　　2．2仿真参数确定

　　采用EDEM软件默认的无滑动接触模型(Hertz－Mindlin(no－slip))进行肥料颗粒的仿真分析，能得到十分准确而高效的仿真结果。在三维设计软件SolidWorks中建立螺旋式排肥器的实体模型，并以igs格式导入EDEM求解环境中，同时设置螺旋式排肥器的所有部件材料为碳素结构钢Q235。

　　3仿真试验与分析

　　3．1试验设计在仿真试验之前，设置计算时间步长为瑞利时间步长的20%，仿真时间为5s。颗粒工厂中，肥料颗粒生成方式设置为动态生成，生成总质量为8kg，将肥料颗粒设置为正态分布，可使肥料颗粒与实际肥料颗粒尺寸分布更加接近，仿真网格为2倍的颗粒半径;仿真结束后，可通过EDEM后处理模块获得肥料颗粒的运动轨迹、速度及受力变化曲线图等。仿真排肥过程如图3所示。

　　3．2仿真分析

　　3．2．1单圈排肥量与转速的关系排肥器的单圈排肥量是衡量其排肥性能的一个重要指标，在排肥轴不同转速的情况下，其单圈排肥量的稳定性与均匀性直接影响到排肥器排肥的稳定性与均匀性［4］。在转速一定的情况下，若已知排肥器每分钟排肥量，则排肥器的单圈排肥量计算公式为q=Q/n(17)其中，q为单圈排肥量(g);Q为排肥量(g/min);n为排肥轴转速(r/min)。当螺旋叶片直径为90mm、螺距为60mm时，考察转速与单圈排肥量之间的关系。由式(17)可以计算出单圈排肥量，结果如表6所示。

　　3．2．2肥料颗粒运动过程仿真当螺旋叶片直径为90mm、螺距60mm、排肥轴转速为35r/min时，对肥料颗粒的运动过程进行仿真。仿真运行后，肥料颗粒由颗粒工厂开始掉落。0～0．5s内，颗粒持续掉落，最终全部掉落至肥料箱和排肥盒中。将出口处肥料颗粒的速度和受力着不同种颜色，其中浅色代表速度和受力值最大，深色代表速度和受力值最小。这样能更直观地观察肥料颗粒的运动轨迹、速度及受力变化情况，如图4～图5所示。

　　4结论

　　1)不同转速下的排肥螺旋单圈排肥量变异系数均小于2%，表明本文所建立的螺旋式排肥器模型结构合理，排肥稳定性与均匀性较好。

　　2)肥料箱左、中和右侧的单个肥料颗粒运动轨迹各不相同，速度变化规律基本一致，受力变化规律各不相同。这是因为每个肥料颗粒运动过程复杂，随着排肥螺旋的转动，其在排肥盒、排肥螺旋和肥料群的作用下受力值会产生不规律的波动。

　　参考文献:

　　［1］杨洲，朱卿创，孙健峰，等．基于EDEM和3D打印成型的外槽轮排肥器排肥性能研究［J］．农机化研究，2018，40(5):175－180．

　　［2］胡永光，杨叶成，肖宏儒，等．茶园施肥机离心撒肥过程仿真与参数优化［J］．农业机械学报，2016，47(5):77－82．

　　［3］祝清震，武广伟，陈立平，等．槽轮结构参数对直槽轮式排肥器排肥性能的影响［J］．农业工程学报，2018(18):12－20．

　　［4］陈雄飞，罗锡文，王在满，等．两级螺旋排肥装置的设计与试验［J］．农业工程学报，2015，31(3):10－16．