外槽轮排肥器结构参数优化与试验.pdf

外 槽 轮 排 肥 器 结 构 参 数 优 化 与 试 验梁宇超1,汤智辉2,纪超2,郑炫2,刘进宝2,李清超1,张鲁云2(1.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子832000;2.新疆农垦科学院 机械装备研究所,新疆 石河子832000)摘 要:外槽轮排肥器是精准变量施肥的重要实施载体,为了研究外槽轮的结构参数对排肥器排肥性能的影响,阐述了外槽轮排肥器的工作原理,确定了影响排肥器性能的主要因素,构建了外槽轮排肥器充肥和排肥过程中的力学模型;运用离散元软件 EDEM 对外槽轮排肥器的排肥性能进行仿真分析,分析了槽轮半径、弧心距、凹槽数目对排肥性能的影响。选用排肥均匀度变异系数作为评价指标,槽轮半径、弧心距和凹槽数目为试验因素,进行排肥量的单因素试验和排肥均匀性的多因素试验。试验结果表明:排肥量与弧心距呈良好的线性关系,决定系数 R2不小于 0.87;影响排肥性能的主次因素依次为槽轮半径、弧心距和凹槽数目,槽轮半径和弧心距的交互作用对排肥均匀性影响显著;当凹槽数目 6 个、槽轮半径 27mm、弧心距 25mm 时,排肥均匀性系数最优值为91.12%。进行最优结构参数下的外槽轮排肥器台架试验和整机试验,结果显示排肥器的排肥均匀度系数为91%95%。关键词:排肥器;参数优化;离散元;外槽轮中图分类号:S224.2;S220.3 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0007-080 引言新疆是我国最大的棉花产区,棉花作为重要的经济作物在国民经济中具有举足轻重的作用 1。施肥是农作物种植中的重要环节,通过精量合理的施肥能够有效提高棉花产量、降低种植成本2-3。固体颗粒肥料的施肥方式主要是以外槽轮排肥器为主的条施和以离心圆盘排肥器为主的撒施 4-5。外槽轮排肥器应用范围最广,但存在脉动性大、稳定性差、品类繁多等问题 6。国内外学者为提升外槽轮作业效果,对排肥性能的影响因素进行了大量的研究。杨洲等应用 EDEM 和 3D 打印技术对槽轮转速、螺旋升角等工作参数进行了优化研究 7。祝清震等以直槽轮排肥器为研究对象,分析了槽轮半径、工作长度以及截面形状对排肥性能的影响 8。汪博涛等应用离散元法、二次正交回归试验对槽轮工作长度、排肥轴转速、排肥舌开度等影响因素进行研究 9。潘世强等通过对排肥量计算和试验,确定凹槽数目、工收稿日期:2021-12-23基金项目:兵团重大科技项目(2021AA005)作者简介:梁宇超(1995-),男,山西孝义人,硕士研究生,(E-mail)lyuchao0518 。通讯作者:汤智辉(1972-),男,湖南华容人,研究员,硕士生导师,(E-mail)xjtzh0701 。作长度等工作参数 10。现阶段对外槽轮排肥器的研究主要是针对槽轮的工作长度、排肥舌角度、制造材料等工作参数,而针对凹槽半径、弧心距等结构参数的研究比较欠缺,未对关键参数进行设计与机理分析。为此,在现有研究的基础上对关键参数进行设计、构建力学模型进行排肥性能研究十分必要。为提高外槽轮排肥器的排肥均匀性,笔者以外槽轮排肥器为研究对象,对关键结构进行设计和分析,构建外槽轮排肥器的充肥和排肥力学模型。通过离散元软件和二次正交回归试验对排肥均匀性进行试验和优化分析,提高外槽轮排肥器的排肥性能,以期为变量施肥技术的推广提供理论基础。1 整体结构与力学分析1.1 整体结构与工作原理外槽轮排肥主要包括壳体、下肥口、外槽轮、毛刷、挡板及排肥量调节塞等部件,按照功能和作业顺序将工作区域分为充肥区、护肥区、排肥区、过渡区和格挡区,如图 1、图 2 所示。排肥工作时,肥料依靠自身重力进入槽轮,驱动装置带动外槽轮和槽轮调节器一起转动,在壳体和毛刷的保护下,护送到排肥区;肥料在重力和离心力的作用下调入排肥管,完成整个排肥过程。根据排肥作业原理,关键工作部件旋转 1 周的排肥量计算公式为1172023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期q=q1+q2q1=zsL1000q2=2RL1000(1)式中q1被槽轮强制排出的肥料质量(g/r);q2带动层排出的肥料质量(g/r);q 槽轮旋转 1 周的肥料排出质量(g/r);肥料颗粒的密度(g/cm3);凹槽内肥料的充满系数;z 凹槽数目;s 单个凹槽的截面积(mm2);L 槽轮的有效长度(mm);R 槽轮的半径(mm);肥料颗粒的带动层系数。由式(1)可知:影响外槽轮排肥器排肥量的因素有肥料颗粒密度、槽轮的有效长度、槽轮半径和单个凹槽的截面积等。1.槽轮调节器 2.外槽轮 3.挡板 4.排肥舌5.壳体 6.毛刷 7.排肥口图 1 外槽轮排肥器结构Fig.1 Structure of fertilizer extractor with outer groove wheel.充肥区.护肥区.排肥区.过渡区.格挡区图 2 外槽轮排肥器工作区域划分Fig.2 Division of working area of outer groove wheel fertilizer drainer1.2 外槽轮关键结构设计槽轮是外槽轮排肥器的关键部件,槽轮的结构尺寸、容积以及肥料颗粒在其内的排列状态、受力和稳定程度等均会影响外槽轮排肥器的排肥性能 12。排肥作业时会存在推力、重力、离心力等的作用,为避免肥料颗粒因离心力和转速等原因造成排肥困难、均匀性差,外槽轮的结构参数至关重要,其直接影响肥料颗粒的受力和运动。因此,建立外槽轮截面的相关关系模型,如图 3 所示。图 3 外槽轮截面图Fig.3 Section of outer groove wheel=2z=z-1()zS=360R2-cot2()r2+12-360()r2r1=rsin2()(2)式中 相邻凹槽之间的节距角(rad);单个凹槽的跨度(rad);r 凹槽的半径(mm);r1弧心距(mm);R 槽轮的半径(mm);z 凹槽数目;S 外槽轮的凹槽截面积(mm2)。排肥器的排肥量主要取决于凹槽的截面积,由式(2)可知凹槽截面积与弧心距、相邻凹槽之间的节距角、槽轮半径有关。根据外槽轮壳体结构可知,槽轮半径为 2535mm,弧心距为 2230mm。凹槽数目与凹槽开度的配合对排肥均匀性有很大影响:凹槽数目过少增加排肥脉动性,均匀性差;过82023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期多则会使颗粒不易进入凹槽内,导致排量小。因此,设计的凹槽数目为 5、6、7。2 肥料颗粒运动分析2.1 充肥过程力学分析将凹槽内的肥料颗粒视为整体,以肥料质心作为原点,建立坐标系,分析肥料颗粒在槽轮上的受力,如图 4 所示。图 4 充肥过程力学分析Fig.4 Mechanical analysis of fertilizer filling process图 4 中,Fc为肥料颗粒离心力;Ft为肥料颗粒的水平压力;Fv为肥料颗粒的垂直压力;G 为肥料颗粒的重力;N1为凹槽内壁对肥料的支持力。根据凹槽内肥料颗粒的受力情况,建立受力平衡方程,即Fc+N1sin+f1cos-(G+Fv)sin-Ftcos=0f1sin-N1cos-(G+Fv)cos+Ftsin=0f1=N1 (3)Fc=m2n21800dK=FtFv式中m 肥料颗粒质量,取 m=0.0065kg;凹槽倾角();充肥角();肥料颗粒与 ABS 静摩擦因数,取 =0.28;K 压力比,取 K=0.414。Fv=yh(4)式中 重度,肥料颗粒为 9.66 kN/m3;yh肥料厚度。由式(3)可得=arcsinFck2j21+j22-arctanj2j1(5)其中,k1=1cos+sin,k2=1sin-cos,j1=k1Ft+k2G+Fv(),j2=k2F1-k1G+Fv()。由式(4)可知:充肥角随着外槽轮的转速而变化,根据施肥机机具设计要求,机器作业速度为 47km/h,此时外槽轮对应的转速为 30 60r/min。为使肥料颗粒在此转速范围内都能完成充肥,选外槽轮转速为60r/min,计算可得充肥角为 58.91。2.2 排肥过程力学分析在肥料排出的过程中,肥料在摩擦力、离心力、重力等多种力的综合作用排出凹槽,进入排肥管。将凹槽内的肥料颗粒视为整体,以肥料质心作为原点,建立坐标系,分析肥料颗粒在槽轮上的受力,如图 5 所示。图 5 排肥过程力学分析Fig.5 Mechanical analysis of fertilizer discharge process根据凹槽内肥料颗粒的受力情况,建立受力平衡方程,即Fc+Gcos-N1sin-f1cos=0N1cos+Gsin-f1sin=0f1=N1Fc=m2n21800d(6)由式(6)可得cos=N1sin+f1cos-FcG(7)由式(7)可知:排肥角 随排肥轮转速 n 的增大而增大。为使肥料颗粒在排肥轮转速 3060r/min 内都能完成排肥,选择外槽轮转速为 60r/min,排肥角为44.67。通过受力分析可知,槽轮转速、弧心距、槽轮形状等影响肥料颗粒的受力。3 外槽轮排肥性能仿真分析为研究外槽轮排肥性能,基于前述分析,利用离92023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期散元软件 EDEM 2018 建立外槽轮排肥器仿真模型。探讨外槽轮直径、弧心距和凹槽数目对外槽轮排肥器排肥性能的影响。3.1 肥料颗粒离散元模型选取石河子金屯农化生产的多聚纯尿素作为研究对象,依据颗粒三维建模方法 13-14,从肥料中随机取样 100 粒,使用游标卡尺(德清盛泰芯电子科技有限公司,JS20-300 电子数显卡尺)对样品三维尺寸进行测量,测 得 肥 料 的 平 均 三 轴 尺 寸 为 3.69mm 3.58mm3.49mm。根据式(8)和式(9)计算肥料颗粒的等效直径和球形率,分别为 3.59mm 和 94.82%。D=3LWT(8)=DL(9)其中,D 为肥料颗粒的等效直径(mm);为肥料颗粒的球形率(%);L、W、T 分别为肥料颗粒的长、宽、高(mm)。3.2 仿真模型与仿真参数将 SolidWorks2018 软件创建的外槽轮排肥器三维模型保存为.x_t 格式导入 EDEM2018 中,根据前述肥料颗粒的等效直径建立肥料颗粒模型。鉴于肥料颗粒表面没有粘接性,选择 Hertz-Mindlin 无滑动接触模型 15。外槽轮采用 ABS 塑料进行加工,仿真参数如表 1 所示 16。EDEM 中设置步长时间为 410-6s,考虑到颗粒运动达到稳定状态,设定仿真时间为 10s。表 1 离散元仿真模型仿真参数Table 1 Simulation parameters of discrete element simulation model项目参数单位数值颗粒肥料泊松比0.25剪切模量Pa1.1108密度kg/m3845.61排肥器泊松比0.394剪切模量Pa8.9108密度kg/m31060颗粒肥料-颗粒肥料恢复系数0.3静摩擦因数0.34动摩擦因数0.16颗粒肥料-排肥器恢复系数0.2静摩擦因数0.28动摩擦因数0.013.3 排肥性能评价指标不同的评价指标会导致影响排肥性能因素显著性也不同。依据JB/T9783-2013 播种机外槽轮排种器规定的试验方法,测量 0.62s 内排肥量,以排肥均匀度变异系数 V 作为评价指标。V 数值越小,说明排肥器的均匀性越好,用均匀性变异系数来反映排肥器的排肥性能。计算公式为V=Sx-100%(10)x-=ik=1xkiS=ik=1xk-x-()2i-1其中,S 为肥料颗粒总质量的标准差(g);x-为测量时间内肥料颗粒的平均质量(g);xk为第 k 时刻肥料质量(g);3.4 排肥量相关性试验在 EDEM 后处理界面中添加 Geometry Bin,位于排肥管下端中间位置,其长度为行进速度与数据记录的乘积,并将中间区域划分为 8 个单元格(1000mm200mm50mm);每隔 0.01s 记录 1 次 Geometry Bin 内的肥料质量,仿真结束后统计每个单元格内的肥料颗粒质量。仿真模型如图 6 所示。1.槽轮 2.排肥盒 3.虚拟单元格 4.肥料 5.施肥装置图 6 仿真模型Fig.6 Simulation model基于前述分析可知,凹槽数目、槽轮半径和弧心距影响排肥量。为研究各因素对外槽轮排肥量的影响,在凹槽数目 5、6、7,槽轮半径为 2535mm,弧心距2230mm 条件下进行单因素试验,结果如图 7 所示。由图 7 可知:排肥量与凹槽数目、槽轮半径和弧心距密切相关;排肥量随着凹槽数目增多而减小;不同槽轮半径时排肥量均随弧心距增大而减小,且排肥012023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期量和弧心距呈线性关系,决定系数 R2不小于 0.87。图 7 各因素与排肥量关系Fig.7 Relationship between each factor and fertilizer discharge amount3.5 多因素试验3.5.1 回归模型的建立与检验为研究各因素对排肥均匀性的影响,采用 Design-Expert 12 软件的 Box-Behnken 进行三因素三水平的试验设计,各因素及水平如表 2 所示,试验方案及试验结果如表 3 所示。表 2 试验因素与编码Table 2 Test factors and codes编码因素槽轮半径 X1/mm凹槽数目 X2/个弧心距 X3/mm125522030626-135730表 3 试验方案与试验结果Table 3 Test scheme and results实验序号槽轮半径X1/mm凹槽数目X2/个弧心距X3/mm均匀性系数V/%13563089.8523072287.0432563090.6843062694.3653062693.9163062693.7272552689.6783552691.7793052290.15103562292.35113062694.12续表 3实验序号槽轮半径X1/(mm)凹槽数目X2/个弧心距X3/(mm)均匀性系数V/%123073089.24132572690.46143062694.38152562286.98163572692.85173053091.06 对试验结果进行二次回归方差分析,结果如表 4所示。根据显著性检验,模型的 F 值为 10.06,P 弧心距凹槽数目,凹槽数目和弧心距存在着交互作用。表 4 二次回归方差分析Table 4 Quadratic regression analysis of variance来源自由度平方和FPX1123.870018.12000.0038X212.50001.90000.2110X310.00150.00110.9739112023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期续表 4来源自由度平方和FPX1X211.06000.80530.3993X1X3112.18009.25000.0188X2X310.97020.73650.4192X2110.04800.03640.8541X22115.350011.65000.0112X23119.810015.04000.0061模型978.15006.59000.010误差79.2200总数16 注:表示极显著(P0.01);表示显著(0.01P0.05)。3.5.2 各因素对排肥均匀性影响的响应面分析为研究凹槽数目、槽轮半径和弧心距对排肥均匀性影响及各因素间相互关系,利用 Design-Expert 12绘制响应面,如图 8 所示。由图 8(a)可知:弧心距为 26mm(零水平),凹槽数目和槽轮半径两因素的响应面为开口向下的抛物线曲面;固定槽轮半径时,随着凹槽数目的增多排肥均匀性呈先增大后减小;固定凹槽数目时,槽轮半径在 2535mm 范围内排肥均匀性先增大后减小,在此槽轮半径范围内存在最大值。由图 8(b)可知:凹槽数目为 6(零水平),固定槽轮半径,排肥均匀性随着弧心距的增大而增大;固定弧心距,随着槽轮半径的增加排肥均匀性先增大后减小。由图 8(c)可知:槽轮半径为 30mm(零水平),固定凹槽数目,排肥均匀性随着弧心距的增加而增加;固定弧心距,排肥均匀性随着凹槽数目的增加先增大后减小。图 8 响应曲面Fig.8 Response surface3.5.3 外槽轮参数优化为保证外槽轮排肥器具有良好的排肥性能,以排肥均匀性为评价指标,进行外槽轮结构参数优化。其目标函数与约束条件为minU,()-1,1-1,1-1,1(12)利用 Design-Expert 12 软件中的 Optimization-Nu-merical 模块进行优化求解,结果表明:凹槽数目 6、槽轮半径 27mm、弧心距 25mm 时,排肥均匀性系数最优值为 91.12%4 验证试验基于上述参数优化结果,应用 3D 打印机加工该最优参数组合下的槽轮部件及其他相关部件,在新疆农垦科学院科研基地,开展外槽轮排肥器最优机构参数组合下的台架验证试验,如图 9 所示。1.肥箱 2.排肥器 3.排肥管 4.电子天平图 9 台架试验Fig.9 Bench test参照仿真试验的试验条件,设置台架试验过程中槽轮的转速为 50r/min,排肥管的高度为 500mm,肥212023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期料选用石河子金屯农化生产的多聚纯尿素,进行 10s的试验;试验结束后,统计肥料颗粒的质量,重复台架试验 3 次,取其平均值,得到排肥器的排肥均匀度系数为 91.42%。为验证外槽轮排肥器的工作性能,参照仿真试验的试验条件,设置机具行驶速度为 6km/h,排肥管高度为 500mm,肥料选用石河子金屯农化生产的多聚纯尿素;试验结束,选取 10m 作业长度测定排肥器的排肥均匀度系数,统计结果如表 5 所示。整机试验图如图 10 所示。表 5 试验结果Table 5 Test results施肥量/g排肥器1排肥器2排肥器3排肥器4排肥器5排肥器611824202624242202020262426320222228222642026202426265222220242224620242224202272224202424248242422242226922242026222410202022262424均匀性91.8991.5595.0392.5292.6194.52图 10 整机试验Fig.10 Complete machine test试验结果表明:外槽轮排肥器排肥均匀性系数为93.02%,台架试验、整机试验和仿真试验结果一致,表明仿真试验结果可靠;排肥器均匀性系数为 91%95%。5 结论1)依据外槽轮排肥器的工作原理,确定了影响器排肥性能的主要因素,构建了外槽轮排肥器充肥和排肥过程中的力学模型,并确定了参数范围。2)通过 EDEM 软件搭建外槽轮工作过程的离散元仿真平台,分析槽轮半径、弧心距、凹槽数目对排肥性能的影响。仿真试验结果表明:影响排肥性能的主次因素依次为槽轮半径、弧心距和凹槽数目,槽轮半径和弧心距的交互作用。当凹槽数目为 6 个、槽轮半径 27mm、弧心距 25mm 时,排肥均匀性系数最优值为91.12%。3)依据最优结构参数组合,进行台架试验和整机试验。台 架 表 明:排 肥 器 的 排 肥 均 匀 度 系 数 为91.42%;整机试验表明:排肥器的排肥均匀度系数为93.02%,排肥量变异系数较小,稳定性较好。参考文献:1 董万城,张立新,李文春,等.新疆棉花播种机械应用现状及发展趋势J.新疆农机化,2021(2):11-15.2 ZHANG WEIFENG,CAO GUOXIN,LI XIAOLIN,et al.Closing yield gaps in China by empowering smallholder farmers.J.Nature,2016,537:671.3 罗锡文,廖娟,胡炼,等.提高农业机械化水平促进农业可持续发展J.农业工程学报,2016,32(1):1-11.4 梁方,杨淦光,许丰,等.外槽轮式播种机播量控制系统设计与试验J.农机化研究,2019,41(10):153-157.5 施印炎,陈满,汪小旵,等.稻麦精准变量施肥机排肥性能分析与试验J.农业机械学报,2017,48(7):97-103.6 顿国强,陈海涛,冯夷宁,等.调比控位分层施肥装置设计与试验J.东北农业大学学报,2015,46(12):86-93.7 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):175-180.8 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,2018,34(18):12-20.9 汪博涛,白璐,丁尚鹏,等.外槽轮排肥器关键工作参数对排肥量影响的仿真与试验研究J.中国农机化学报,2017,38(10):1-6,23.10 潘世强,赵亚祥,金亮,等.2BFJ6 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an important carrier for the implementation of precision varia-ble fertilization.In order to study the influence of the structural parameters of the external groove wheel on the fertilizer performance of the fertilizer applicator,this paper expounds the working principle of the external groove wheel fertilizer applicator,determines the main factors affecting the fertilizer performance of the fertilizer applicator,and constructs the mechanical model of the external groove wheel fertilizer applicator in the process of filling and discharging.Using discrete element software EDEM to simulate and analyze the fertilizer discharge performance of external groove wheel fertilizer dis-charger,the influence of groove wheel radius,arc center distance and groove number on fertilizer discharge performance is analyzed.The variation coefficient of fertilizer uniformity was selected as the evaluation index,and the radius of the groove wheel,the arc center distance and the number of grooves were used as the experimental factors.The single factor test of fertilizer discharge and the multi-factor test of fertilizer uniformity were carried out.The test results showed that there was a good linear relationship between fertilizer discharge and arc center distance,and the determination coefficient R2 was not less than 0.87.The primary and secondary factors affecting the fertilizer discharge performance are the groove wheel radius,the arc center distance and the number of grooves.The interaction between the groove wheel radius and the arc center distance has a significant indigenous effect on the fertilizer discharge uniformity.When the number of grooves is 6,the groove wheel radius is 27 mm and the arc center distance is 25mm,the optimal value of the fertilizer discharge uniformity coefficient is 91.12%.The bench test and the whole machine test of the outer groove wheel fertilizer discharger under the optimal structural parameters are carried out.The test results show that the fertilizer discharge uni-formity coefficient of the fertilizer discharger is 91%95%.Key words:fertilizer exhauster;optimization of parameters;discrete element;outer groove wheel412023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期