槽輪結構參數對直槽輪式排肥器排肥性能的影響

祝清震，武廣偉，陳立平，趙春江，孟志軍

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槽輪結構參數對直槽輪式排肥器排肥性能的影響

祝清震1,2，武廣偉1※，陳立平3，趙春江1,2，孟志軍3

（1. 北京農業信息技術研究中心，北京 100097；2. 西北農林科技大學機械與電子工程學院，楊凌 712100；3. 北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097）

外槽輪排肥器是實施精準變量施肥過程中的關鍵控制載體，為了探尋外槽輪的凹槽截面形狀和參數設置對排肥器排肥性能的影響規律，該文運用離散元仿真技術、3D快速成型技術以及正交試驗，以直槽輪式排肥器作為研究對象，分析了槽輪半徑、凹槽數目、有效工作長度以及凹槽截面形狀4個因素對排肥性能的影響。選用排肥均勻度變異系數作為評價指標，設置排肥器的前進速度0.5 m/s，工作高度500 mm，槽輪轉速20 r/min，對4個影響因素進行交互判斷試驗，試驗結果表明，槽輪半徑與凹槽數目之間存在一定的交互作用。根據交互作用判別結果選用L18（37）標準正交表進行仿真試驗，試驗結果表明，影響排肥性能的主次因素依次為凹槽數目>槽輪半徑>有效工作長度>槽輪半徑×凹槽數目>凹槽截面形狀，其中凹槽數目對排肥性能具有非常顯著影響，槽輪半徑對排肥性能具有顯著影響，最佳結構參數組合是槽輪半徑30 mm，凹槽數目7個，有效工作長度20 mm和凹槽截面形狀為圓弧形，此水平組合下的排肥均勻度變異系數為1.75%，為了檢驗結構參數對直槽輪排肥性能影響的仿真試驗結果，進行最優結構與參數組合下的直槽輪排肥器臺架試驗，試驗結果顯示，排肥均勻度變異系數為5.48%，仿真試驗結果和實測結果基本吻合，說明應用離散元仿真技術開展排肥性能的影響因素分析研究是可行的。該研究結果可為直槽輪排肥器的槽輪結構參數優化及提升其排肥性能提供參考。

農業機械；離散元法；試驗；凹槽截面；結構參數；排肥性能；排肥器

0 引 言

施用化肥是農作物生產管理過程中的一個重要環節，已有研究表明，進行化肥的精準施用對提高肥料的利用率、減少化肥的施用量具有重要意義[1-3]。為了提高肥料的精準施用效果，科研人員對精量排肥控制系統進行了大量研究[4-5]，左興健[6-7]等開發了基于作業機具實時速度的精準排肥控制系統，孟志軍等設計研發了基于處方圖的精準變量施肥控制系統[8-9]，汪小旵等結合近地光譜技術，設計了冬小麥實時變量追肥控制系統[10-11]，苑進等[12-13]對精量排肥的控制算法進行優化研究，以上研究都是通過實時改變外槽輪排肥器轉速或者外槽輪有效工作長度達到精準變量排肥的目的，作為重要的實施載體，外槽輪排肥器在精量排肥過程中發揮了重要作用，然而外槽輪排肥器工作過程中存在脈動性大、排肥穩定性差的問題，另外一方面中國生產的外槽輪排肥器品類繁多，排肥效果差異性較大，開展與其結構參數相關的排肥性能影響分析研究非常必要。

為了提高外槽輪排肥器的作業效果，科研人員對其結構參數已經進行了大量的研究，施印炎等將排肥舌替代原有的塑料毛刷，以避免排肥過程中出現肥料顆粒泄露現象[14-15]，張濤等應用離散元法對外槽輪的有效工作長度進行了仿真研究[16]，楊洲等應用離散元仿真技術和3D打印成型技術對外槽輪排肥器的凹槽半徑和螺旋升角等結構參數進行了優化研究[17]，汪博濤等綜合應用離散元法、二次正交回歸試驗的方法對外槽輪的有效工作長度、排肥舌開度進行了研究[18]，潘世強對外槽輪的槽數、有效工作長度、排肥舌開度及其制造材料進行了試驗研究[19]。現階段關于外槽輪排肥器結構參數方面的研究大多局限在槽輪工作有效長度、排肥舌開度、槽數等，影響外槽輪排肥器作業性能的結構參數眾多，還包括槽輪的半徑、凹槽的截面形式等，關于這些關鍵結構參數優化的研究還比較欠缺，另外一方面，現有研究還沒有考慮到各結構參數之間的交互作用，因此在現有研究的基礎上，開展外槽輪不同結構參數對排肥性能的影響規律研究十分必要。

針對現有外槽輪排肥器品類繁多，槽輪結構參數的差異將影響排肥器的工作性能，本文擬開展外槽輪凹槽截面形狀和參數設置與排肥器排肥性能影響關系的分析，以直槽輪排肥器作為研究對象，在分析直槽輪排肥器關鍵結構參數組成及各因素的交互作用判斷的基礎上，設計了6因素3水平的正交試驗，應用離散元仿真技術對不同結構參數下的直槽輪排肥器的排肥效果進行極差和方差分析，并應用3D快速成型技術將最優結構參數組合下的直槽輪排肥器制造出來，進行臺架驗證試驗，以期為直槽輪排肥器的槽輪結構參數優化設計和提升其排肥性能提供參考。

1 直槽輪式排肥器工作原理及結構參數分析

1.1 直槽輪式排肥器結構組成

直槽輪式排肥器作為廣泛應用的排肥器種類之一，其結構主要包括直槽輪、肥盒、毛刷和排肥舌等，如圖1所示，其中直槽輪是排肥器完成排肥作業的關鍵部件。

圖1 排肥器結構示意圖

1.2 直槽輪式排肥器工作原理

直槽輪式排肥器工作時，肥料首先依靠自身重力充滿槽輪凹槽，隨著槽輪的旋轉，被強制排出，處于槽輪凹槽外側的肥料顆粒也會在槽輪外圓的撥動和肥料顆粒間的摩擦力作用下被帶動起來，帶動層的線速度從槽輪圓周逐漸向外遞減直至靜止層，由槽輪強制帶出和帶動層帶出的肥料從排肥舌上掉入排肥管，完成整個排肥過程。根據排肥工作原理，直槽輪式排肥器的槽輪旋轉1周的排肥量可以按式（1）進行計算[13]。

式中1表示被槽輪凹槽強制排出的肥料質量，g/r；2表示帶動層排出的肥料質量，g/r；表示槽輪旋轉1周的肥料排出質量，g/r；表示肥料顆粒的密度，g/cm3；表示凹槽內肥料的充滿系數；表示凹槽數目；表示單個凹槽的截面積，mm2；表示槽輪的有效長度，mm；表示槽輪的半徑，mm；表示肥料顆粒的帶動層系數，mm。

1.3 直槽輪關鍵結構參數分析

直槽輪凹槽截面形狀要便于肥料的填充和排出，現有凹槽端面主要有圓弧形凹槽、直角凹槽和錐形圓弧凹槽3種形狀，3種凹槽截面形狀的剖視圖如圖2所示。

注：O表示槽輪的軸心；O1表示圓弧形凹槽的圓心；O2表示錐形圓弧凹槽的圓心；α表示相鄰凹槽之間的節距角，rad；β表示單個凹槽在槽輪橫截面上的跨度，rad；R表示槽輪的半徑，mm；r1表示圓弧形凹槽的半徑，mm；r2表示錐形圓弧凹槽的根圓半徑，mm；r3表示錐形圓弧凹槽的半徑，mm。

為了便于對單個凹槽截面積進行數字化分析，這里相鄰凹槽之間的節距角、單個凹槽在槽輪橫截面上的跨度、凹槽圓弧半徑和單個凹槽的截面積之間應滿足

式中表示相鄰凹槽之間的節距角，rad；表示單個凹槽在槽輪橫截面上的跨度，rad；1表示圓弧形凹槽的半徑，mm；2表示錐形圓弧凹槽的根圓半徑，mm；3表示錐形圓弧凹槽的半徑，mm；1表示單個圓弧形凹槽的截面積，mm2；2表示單個直角凹槽的截面積，mm2；3表示單個錐形圓弧凹槽的截面積，mm2。

對于特定的排施對象，由式（1）可知，影響直槽輪排肥器作業效果的槽輪結構因素主要有凹槽數目、槽輪有效工作長度、槽輪的半徑和單個凹槽的截面積等。由式（2）可知，單個凹槽的截面積大小可以用凹槽數目和槽輪半徑表示；當凹槽的截面積相同時，其截面形狀卻不一定相同，圓弧形凹槽、直角凹槽和錐形圓弧凹槽作為廣泛采用的3種凹槽截面形狀，探索這3種凹槽截面形狀對排肥器工作性能的影響也具有一定意義。綜上分析，直槽輪的關鍵結構參數主要有凹槽數目、槽輪有效長度、槽輪的半徑和凹槽截面形狀。

2 離散元仿真平臺搭建

直槽輪式排肥器的作業過程中伴隨著大量的顆粒運動，在肥料顆粒被排出的過程中存在重力、摩擦力、槽輪給予顆粒的強制力等多種作用力的綜合作用。離散元法（discrete element method，DEM）作為有效的散粒體運動分析方法，已經在農業工程領域被廣泛應用[20-22]。采用離散元分析軟件EDEM對排肥器的工作過程進行仿真分析，以確定直槽輪各結構參數對排肥性能影響的主次，并確定所研究結構參數的最優水平組合，可以降低試驗成本，提高研究工作效率。在進行離散元仿真試驗前，需要搭建直槽輪排肥過程的離散元仿真平臺，鑒于前文已有圖1所示的直槽輪式排肥器結構模型，這里主要對肥料顆粒模型和離散元接觸模型進行介紹。

2.1 肥料顆粒離散元模型

山東肥業有限公司生產的藍精靈復合肥被中國黃淮海地區廣泛使用，因此本文選用該肥料作為化肥顆粒離散元建模的試驗材料，參照化肥顆粒三維建模方法[23-24]，從肥料堆中隨機取樣200粒，使用游標卡尺（桂林廣陸數字測控股份有限公司，K15G278418數顯卡尺）對化肥顆粒的三維尺寸（長、寬、高）進行測量，長度、寬度和高度分別為3.09、3.06和2.58 mm，按照式（3）和（4）計算化肥顆粒的等效直徑和球形率，分別為2.90 mm和93.86 %。

式中表示肥料顆粒的等效直徑，mm；表示肥料顆粒的球形率，%；、、分別表示肥料顆粒的長、寬、高，mm。

經過測量和計算，化肥顆粒樣本的球形率已經大于90%，說明該化肥顆粒樣本的個體具有較高的球形率分布特征，因此選擇直徑為2.90 mm的球作為肥料顆粒的三維離散元模型是合適的。

應用OriginPro 2017軟件對樣本肥料顆粒的群體分布規律進行統計分析，繪制柱狀圖，如圖3所示，并使用式（5）所示的正態分布函數對樣本分布規律數據進行擬合。

式中表示因變量，表示自變量，0、、0和表示正態分布函數的系數，擬合后0=1.42，=24.29，0=2.84，=0.28，其中擬合優度2=0.98，可以認為化肥顆粒的等效直徑服從正態分布規律，所以設置顆粒工廠的肥料顆粒生成規律服從正態分布。

2.2 離散元接觸模型

EDEM軟件內置了多種接觸模型，其中Hertz-Mindlin (no slip)模型是EDEM軟件中默認接觸模型，在力的計算方面精確且高效[25]。鑒于肥料的排出過程不涉及肥料顆粒之間的粘結作用，因此本研究采用Hertz-Mindlin (no slip)模型作為肥料顆粒與肥料顆粒，肥料顆粒與排肥器（肥箱、排肥盒、直槽輪、排肥舌和排肥管）、地面之間的接觸模型，這里排肥器的肥箱、排肥盒、直槽輪、排肥舌和排肥管均采用PLA材料的屬性。本研究采用試驗測定和查閱相關文獻相結合的方法，確定肥料顆粒、排肥器和地面相關的材料和接觸力學參數，如表1所示。

圖3 肥料顆粒的等效直徑分布柱狀圖

表1 離散元模型的材料及接觸力學參數

3 仿真正交試驗

3.1 試驗方法

將排肥器結構模型導入離散元仿真軟件EDEM 2.7.0，為了觀察肥料在水平地表的分布狀況，在距離排肥器肥盒下端高度為500 mm的地方設置一個長1200 mm，寬250 mm的平面，用于模擬地面，其中該模擬地面的中軸線與排肥系統的中軸線位于同一平面。研究發現，直槽輪排肥器在轉速15~30 r/min時，具有較好的排肥性能[16]，所以本文選擇直槽輪的工作轉速為20 r/min；參考文獻[24]，本文設置排肥器的前進速度為0.5 m/s，為了降低排肥器運動的復雜性，這里設置地面以-0.5 m/s的速度向后方運動，用于模擬排肥裝置的前進速度，并參照表1設置相關的材料物理和接觸模型參數。

在肥箱上端設置一個顆粒工廠，使其在仿真過程中不斷生產化肥顆粒，顆粒工廠每秒產生3 000個化肥顆粒，生成總量為10 000個，當顆粒數達到一定程度，分別設置排肥輪轉動和地面運動，進行仿真試驗，仿真試驗過程如圖4所示。

圖4 排肥器工作過程仿真

3.2 排肥性能評價方法

不同的評價指標使得影響排肥器排肥性能的因素顯著性也不相同，為了準確評價在EDEM仿真試驗過程中，不同結構參數直槽輪排肥器的排肥效果，需設定其評價標準。本研究參照《JB/T9783-2013，播種機外槽輪排種器》規定的試驗方法，以排肥均勻度變異系數作為排肥器排肥性能的評價指標。選取模擬地面中間1 000 mm區域作為排肥效果的取樣區域，在模擬地面上設置Grid Bin Group，將中間1 000 mm區域橫向均分為5個網格單元（每個單元網格尺寸200 mm×280 mm×50 mm），并進行編號，如圖5所示。

注：1~5表示數據采集網格單元的編號。

仿真結束后，統計每一個網格單元（grid bin group）內所有肥料顆粒的總質量，設置第個取樣網格單元內肥料顆粒的質量為m。利用式（6），求解5個網格單元內肥料顆粒的平均質量。

根據式（7），計算取樣區域內所有網格單元內總化肥顆粒質量的標準差。

式中表示取樣網格單元內化肥顆粒總質量的標準差，g。

根據式（8），計算排肥器的排肥均勻度變異系數。

式中表示排肥器的排肥均勻度變異系數，%。

排肥均勻度變異系數作為評價排肥器排肥穩定性和均勻度效果的參量，數值越小，說明排肥器的排肥穩定性和均勻性越好。利用排肥均勻度變異系數可以用于對比分析不同直槽輪結構參數形式下的排肥器排肥性能。

3.3 試驗因素水平選取

根據直槽輪排肥器工作原理，及影響排肥效果的槽輪結構參數影響因素分析結果，試驗選取影響排肥器排肥性能的直槽輪結構參數因素為槽輪半徑、凹槽數目、槽輪有效長度和凹槽截面形狀。通過對市場調研和文獻檢索，直槽輪排肥器的凹槽數目一般在5~8之間[19]，槽輪半徑、有效工作長度的最大值分別不超過40和60 mm[16]，并結合實際應用需求，本文為4個因素分別選取3個水平，如表2所示。

表2 正交試驗因素水平

3.4 交互作用判別

在進行正交試驗設計過程中，必須考慮到所選因素之間是否存在一定的交互作用，其中2個因素間的交互作用稱為一級交互作用，3個或3個因素以上的因素間交互，稱為高級交互作用（在絕大多數的實際問題中，高級交互作用可以忽略[29]）。所以有必要對選取的4個因素進行交互作用的判別，參考文獻[30]分別進行槽輪半徑與槽輪有效長度、槽輪半徑與凹槽數目、槽輪半徑與凹槽截面形狀、凹槽數目與槽輪有效長度、凹槽數目與凹槽截面形狀、槽輪有效長度與凹槽截面形狀之間的交互判別試驗。以槽輪半徑和槽輪有效長度2個因素之間的交互作用判別試驗方法為例，保持凹槽數目、凹槽截面形狀不變，槽輪半徑分別取25，30和35 mm，有效長度分別取20，35和50 mm，槽輪半徑和有效長度2因素之間共計9種不同的試驗組合，每種組合各做1次仿真試驗，以排肥均勻度變異系數作為評價指標，其余5組判別試驗方法與此類似，4個因素之間的交互判別試驗結果如圖6所示。

因素之間是否存在交互作用的判別方法參考文獻[30]，由于試驗誤差的存在，如果3條曲線變化趨勢近似，也可以認為2個因素之間無交互作用，或者交互作用可以忽略不計，圖6a、6c、6d、6e和6f中的3條曲線的變化趨勢基本一致，說明槽輪半徑與有效工作長度、槽輪半徑與凹槽截面形狀、凹槽數目與有效工作長度、凹槽數目與凹槽截面形狀、槽輪有效工作長度與凹槽截面形狀之間不存在明顯的交互作用；在圖6b中，3條曲線變化趨勢不一致，這是因素之間存在相交作用的一種表現形式，說明槽輪半徑與凹槽數目之間可能存在一定的交互作用。

3.5 正交試驗表頭設計

由于所研究影響排肥性能的槽輪結構參數的因素之間存在一定交互作用，必須在正交表中必須設置相應的列，稱為交互作用列。由于槽輪半徑與凹槽數目之間可能存在一定的交互作用的狀況下，同時3水平因素之間的交互作用需要占用2列，所以本研究至少應該按照6因素3水平的情況來選擇正交表，這里選擇滿足這一條件的最小正交試驗表L18（37），設置因素槽輪半徑、凹槽數目、有效工作長度和凹槽截面形狀分別用A、B、C和D進行表示，相關因素列設置如表3所示。

3.6 仿真結果分析與討論

3.6.1 極差分析

根據設計的L18（37）表頭進行正交試驗，共計18個試驗組合，得到的試驗結果如表4所示。由排肥性能評價標準可知，排肥均勻度變異系數越小，排肥器的排肥效果越好，因此影響排肥器排肥性能的主次因素順序：B，A，C，A×B，D。

圖6 因素之間交互作用仿真試驗結果

表3 L18（37）表頭設計

注：第7列為空列，未在表中列出，A表示槽輪半徑，B表示凹槽數目，C表示槽輪有效工作長度，D表示凹槽截面形狀。

Note: The seventh column is null column, which is not listed in the table. A is radius of flute wheel, B is groove number, C is effective length of flute wheel, D is section of groove.

由表4可知，交互作用A×B對直槽輪排肥器排肥性能的影響程度小于因素A和B，所以在設置的3個水平下，最優的結構參數的水平組合為A2B2C1D1，即槽輪半徑為30 mm，槽數為7，有效長度為20 mm和凹槽截面形狀為圓弧形時，直槽輪排肥器的排肥均勻度變異系數最小，具有較好的排肥工作性能。

3.6.2 方差分析

為了精確估計直槽輪的4個結構參數對排肥性能影響的重要程度，特別是考慮到因素之間的交互作用，有必要對仿真試驗結果進行方差分析。方差分析結果如表5所示，通過查表0.05（2,10）=4.10，0.01（2,10）=7.56，所以因素B對試驗結果有非常顯著的影響，因素A對試驗結果有顯著的影響，因素A×B、C和D對試驗結果沒有顯著影響。

3.6.3 討 論

結合表4與表5的分析結果可知，凹槽截面形狀對排肥器的排肥變異系數沒有顯著影響，且是4個因素中對排肥變異系數影響最小的因素，出現這種試驗結果的原因應該與前文式（2）的單個凹槽截面積數字化建模過程有關，當3種凹槽截面形狀的直槽輪凹槽截面積相等時，由式（1）可知，直槽輪旋轉1周的排肥量也是相等的，然而本文建立的排肥器排肥性能評價標準是在式（6）的排肥量基礎上開展，反映在表4中，凹槽截面形狀的極差最小，即相較于其他3個因素，凹槽截面形狀對排肥變異系數影響最小；反映在表5中，凹槽截面形狀的平方和遠小于校正前殘差的平方和，即對排肥變異系數的影響不顯著。

表4 正交試驗結果

注：表示排肥均勻度變異系數，%。

Note:is coefficient of variation, %.

注：* 表示影響顯著（F0.01>>F0.05）；** 表示影響非常顯著（>F0.01）；表示校正前的殘差；△表示校正后的殘差。

Note: * indicate that this impact is significant (F0.01>>F0.05); ** indicate that this impact is very significant (>F0.01);is residual error before correction;△is residual error after correction.

4 仿真試驗結果驗證

根據直槽輪排肥器結構參數對排肥性能的仿真試驗結果，構建最優結構參數水平組合下的直槽輪排肥器結構模型，即槽輪半徑為30 mm、槽數為7、有效長度為20 mm和凹槽截面形狀為圓弧形的直槽輪排肥器，進行仿真排肥性能試驗，其排肥均勻度變異系數為1.75%，相對于18組仿真正交試驗結果，該結構參數水平組合的直槽輪排肥器具有最優的排肥性能。應用3D打印機（上海派恩科技有限公司，N2 Plus FFF 3D Printer）加工該結構參數組合下的直槽輪及排肥器其他結構部件（PLA材質），在北京市昌平區小湯山國家精準農業研究示范基地，開展直槽輪排肥器最佳結構參數組合下的臺架驗證試驗，如圖7所示。參照仿真試驗的試驗條件，設置臺架試驗過程中直槽輪的轉速為20 r/min，傳送帶的前進速度為0.5 m/s，排肥管的高度為500 mm，肥料選用山東肥業有限公司生產的藍精靈復合肥，試驗結束后，參照圖5對傳送帶上肥料顆粒的分布規律進行統計，重復臺架試驗3次，取其平均值，得到的排肥器的排肥均勻度變異系數為5.48%。

圖7 臺架驗證試驗

對比仿真正交驗證試驗和臺架驗證試驗的直槽輪排肥器排肥均勻度變異系數，二者之間存在一定的偏差。通過對偏差出現的原因進行分析，主要是因為在仿真試驗過程，建立的肥料顆粒個體并非標準意義上的球體，顆粒的群體離散程度也并非完全意義上的正態分布，然而在實際臺架試驗中所使用肥料的均勻度和離散程度相對較差，因此臺架驗證試驗得到的變異系數略高于仿真試驗的變異系數，所以這里可以認為仿真試驗結果和實測結果基本吻合。通過對仿真正交試驗結果進行臺架驗證可以得出，借助離散元仿真軟件對直槽輪排肥器的排肥過程進行仿真，以研究其結構參數對排肥性能影響是可行的。

5 結 論

1）在直槽輪排肥器工作原理的基礎上，其關鍵部件直槽輪的結構參數進行理論分析，建立了單個凹槽端面面積與槽數、槽輪半徑之間的數學關系，最終將可能影響排肥性能的直槽輪結構參數轉化為凹槽數目、槽輪有效工作長度、槽輪半徑和凹槽截面形狀。

2）應用EDEM軟件搭建直槽輪排肥器工作過程的離散元仿真平臺，進行4個因素之間的交互判定試驗和正交試驗，仿真試驗結果表明，槽輪半徑與凹槽數目之間存在一定的交互作用，影響排肥器排肥性能的主次因素依次為凹槽數目、槽輪半徑、槽輪有效工作長度、槽輪半徑×凹槽數目和凹槽截面形狀，其中凹槽數目對排肥均勻度變異系數影響非常顯著，槽輪半徑對排肥均勻性度系數影響顯著，最優的結構參數水平組合為槽輪半徑30 mm、凹槽數目7、有效長度20 mm和凹槽截面形狀為圓弧形，此時直槽輪排肥器的排肥均勻性度變異系數最小，其值為1.75%。

3）根據仿真正交試驗得出的最優結構參數水平組合，應用3D打印快速成型技術制造該類型直槽輪排肥器，進行臺架試驗，其排肥均勻度變異系數為5.48%，對比仿真與臺架試驗結果，證明借助離散元仿真軟件對直槽輪排肥器的工作過程進行仿真分析，以研究不同結構參數對排肥性能的影響是可行的。

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Influences of structure parameters of straight flute wheel on fertilizing performance of fertilizer apparatus

Zhu Qingzhen1,2, Wu Guangwei1※, Chen Liping3, Zhao Chunjiang1,2, Meng Zhijun3

(1.1000972.7121003100097)

Application of chemical fertilizer is an important part in the process of crop production management. The research showed that precise application of chemical fertilizer had great significance to improving the utilization rate of fertilizer and reducing the amount of fertilizer application. The outer fluted roller fertilizer apparatus is the key carrier in the process of precise variable rate fertilization. In order to optimize the fertilizer performance of the existing outer fluted roller fertilizer apparatus comprehensively, the discrete element simulation technology, orthogonal test and 3D rapid prototyping technology were used in this paper. The straight flute wheel structural was taken as research object, and influence regularity of 4 key structural parameters such as groove wheel radius, groove numbers, effective working length and groove section on fertilizer performance was analyzed. A discrete element simulation platform was set up in this paper for outer fluted roller fertilizer apparatus, which mainly consists of fertilization bin, fertilization box, the outer groove roller, fertilization tongue, fertilization pipe, soil ground and fertilizer particles. In the simulation test, the advancing speed of outer fluted roller fertilizer apparatus was 0.5 m/s, the working height was 500 mm, and the rotation speed of outer fluted roller was 20 r/min. The coefficient of variation of the fertilizer was selected as the performance evaluation index of outer fluted roller fertilizer apparatus. The test results of the interaction of 3 factors showed that there was no interaction between groove wheel radius and groove numbers, and between effective working length and groove numbers, there was a certain interaction between groove wheel radius and number of the grooves. The L18(37) standard orthogonal table was selected according to the result of interaction. The orthogonal result showed that factors affecting fertilizer performance, from importance to secondary, mainly include groove numbers, groove wheel radius, effective working length, interaction between groove wheel radius and groove numbers, and groove section. The groove numbers had very significant influence on fertilizer performance. The groove wheel radius had significant influence on fertilizer performance. The effective working length, interaction between groove wheel radius and groove numbers, and groove section had no significant influence on fertilizer performance. The optimum combination of parameters is that the groove numbers is 7, the radius of grooves is 30 mm, the effective working length is 20 mm, and the groove section is circular-arc, and the coefficient of variation of the uniformity of fertilizer for this type of outer fluted roller fertilizer apparatus is 1.75%. In order to test the simulation structure parameters optimization results of outer fluted roller fertilizer apparatus, a bench test was carried out under the optimal combination of structural parameters. The bench test mainly consisted of fluted roller fertilizer apparatus, power motor of conveyor belt, power motor of external groove, control box, conveyor belt and ruler. The experimental results showed that the coefficient of variation of fluted roller fertilizer apparatus is 5.48%. Considering that there may be some errors in the bench test, the results of the bench test were basically consistent with the simulation results, which proved that the discrete element method is feasible to optimize the structural parameters of fluted roller fertilizer apparatus. This research results can provide references for optimizing the structural parameters of fluted roller fertilizer apparatus and improving the performance of the fertilizer.

agricultural machinery;discrete element method; experiments; groove section; structural parameters; fertilizing performance;fertilizer apparatus

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.002

S224.21

A

1002-6819(2018)-18-0012-09

2018-05-10

2018-06-19

國家重點研發計劃項目（2016YFD0200600）；國家重點研發計劃課題（2016YFD0200601）；北京市農林科學院院級科技創新團隊（JNKYT20 1607）

祝清震，男，山東菏澤人，博士生，主要從事小麥基肥精準施用與裝備研究。Email：zhenforyou@163.com。

武廣偉，男，河北趙縣人，博士，副研究員，主要從事精準農業智能裝備研究。Email：wugw@nercita.org.cn。

祝清震，武廣偉，陳立平，趙春江，孟志軍. 槽輪結構參數對直槽輪式排肥器排肥性能的影響[J]. 農業工程學報，2018，34(18)：12－20. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.002 http://www.tcsae.org

Zhu Qingzhen, Wu Guangwei, Chen Liping, Zhao Chunjiang, Meng Zhijun. Influences of structure parameters of straight flute wheel on fertilizing performance of fertilizer apparatus[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 12－20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002- 6819.2018.18.002 http://www.tcsae.org