基于離散元的山地馬鈴薯排肥器仿真優化

沈鵬 姚永亮 鄭美英 孔皓 沈東華 魏光程 寧旺云

摘要：云南省地形多為丘陵山地，馬鈴薯中耕施肥大多在有一定坡度的種植地上進行，為探究不同坡度對施肥效果的影響，以外槽輪排肥器和云南省馬鈴薯專用復合肥為研究載體，測量肥料顆粒的3軸尺寸，建立外槽輪式排肥器的三維模型和肥料顆粒的離散元模型，以施肥量和施肥均勻度變異系數為施肥效果評價指標，利用EDEM軟件進行4種坡度下排肥過程仿真。結果表明，不同坡度對施肥量有明顯影響，上坡施肥時，施肥量增加，下坡施肥時，施肥量減少，且坡度越大變化量越大;不同坡度對施肥均勻性也有一定影響，平地施肥時施肥均勻性最好，結合仿真結果提出了將排肥器設計成可調節部件的優化方案。

關鍵詞：排肥器;離散元法;坡度排肥;排肥性能

中圖分類號： S224.2

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0256-03

馬鈴薯是全球重要的糧食作物，由于富含蛋白質、碳水化合物、維生素、礦物質和脂肪，具有很高的營養價值，被譽為“第二面包”和“地下蘋果”[1]。云南是產薯大省，早在2009年，云南省政府就啟動了現代農業產業技術體系項目，將馬鈴薯產業列入現代農業產業技術體系進行重點建設[2]。馬鈴薯中耕施肥作為馬鈴薯種植的必要環節，對促進馬鈴薯植株生長和提高馬鈴薯產量具有重要意義。

目前，已有很多運用離散元法對排肥器工作過程進行仿真并對排肥器結構參數進行優化的研究，如汪博濤對外槽輪式排肥器的有效工作長度、排肥轉速、排肥舌開度進行了研究[3];劉彩玲等研究了離心甩盤式撒肥器的甩盤轉速和肥料喂入位置角對拋撒均勻性的影響，得出的優化參數能有效提高顆粒肥料撒施均勻性[4];Thaper研究了肥料種類以及葉片形狀對雙圓盤撒肥機拋撒均勻性的影響[5]。

現階段關于排肥器的研究大多局限于排肥器本身結構參數對排肥性能的影響，缺少關于外部排肥環境對排肥器排肥過程影響的研究，云南省地形多為丘陵山地，中耕施肥大多在不同坡度的種植地上進行，因此本研究以昆明拓田農業發展有限公司生產的一款在云南地區廣泛運用的外槽輪式排肥器為研究載體，利用離散元仿真分析方法對坡度排肥過程進行仿真分析。

1 排肥器的結構與工作原理

1.1 外槽輪式排肥器結構組成

通過SolidWorks三維建模軟件對外槽輪式排肥器進行三維建模，其結構主要由5個部分組成，即肥料箱、外槽輪、排肥舌、毛刷、排肥盒等部件，其總體結構見圖1。

外槽輪式排肥器的結構組成主要包括外槽輪部件1、排肥凹槽、外槽輪部件2、槽輪中心通孔等，其結構特征如圖2所示。

1.2 工作原理

排肥器與小型中耕機組合時，外槽輪的中心通孔與排肥傳動軸配合固定，其2個部件被排肥傳動軸上的壓力彈簧壓緊配合，形成排肥凹槽，可通過調節外槽輪2個部件的配合長度來調節排肥凹槽大小，以滿足不同施肥量的需求。在進行馬鈴薯中耕施肥作業時，首先將肥料裝滿肥料箱，肥料受自身重力的作用填充滿排肥凹槽，隨后施肥作業人員推動中耕施肥機行走，地輪通過鏈條傳動帶動排肥傳動軸旋轉，外槽輪隨之旋轉，處于排肥凹槽內的肥料隨外槽輪旋轉被強制帶動排出，由于外槽輪外圓的帶動及肥料顆粒間的內摩擦作用，處于槽輪邊緣的肥料顆粒也會被帶動起來，由外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[6]。

2 肥料顆粒模型的建立

2.1 肥料顆粒物理參數的測量

肥料顆粒的形狀和尺寸都是影響排肥過程的主要因素[7]。為了準確地模擬云南省山地丘陵地區馬鈴薯中耕施肥時排肥器的排肥過程，以云南天騰化工有限公司生產的馬鈴薯專用復合肥為研究對象，隨機取200粒肥料顆粒，測定其3軸尺寸、等效直徑、球形率和顆粒密度等，則

式中：D為肥料顆粒樣本的等效直徑;L為肥料顆粒樣本的長度尺寸;W為肥料顆粒樣本的寬度尺寸;T為肥料顆粒樣本的厚度尺寸;Φ為肥料顆粒樣本的球形率。

經過測量與計算，根據肥料顆粒大小的不同，可以將其分為2種，具體為小顆粒，其等效直徑的分布區間為1.0～2.8 mm，占樣本顆?？倲档?/4;大顆粒，其等效直徑分布區間為2.8～4.0 mm，占樣本顆?？倲档?/4。通過研磨法測得，肥料顆粒的密度為1 020 kg/m3。測量統計結果見表1。

2.2 肥料顆粒模型構建

從表1數據可知，馬鈴薯復合肥料顆粒大小不同，其球形率亦不同。顆粒越大，球形率越小。小顆粒的球形率較高，可達92%，由于小顆粒樣本具有更高球形率的分布特點，可以在離散元仿真軟件中將其設置為等效直徑是2.4 mm的球體。而復合肥大顆粒的球形率較低，不適合用球體代替其三維離散元模型，通過大量觀察發現，大顆粒的外形基本一致且趨近于扁圓形，因此通過SolidWorks對其進行建模，并將建模文件保存為.igs文件格式，導入EDEM軟件中進行肥料大顆粒模型的手動填充，手動填充模型見圖3。

3 不同坡度下施肥過程的仿真分析

通過前述對排肥器工作過程的分析可知，肥料顆粒的運動受多種因素的作用，具有很高的復雜性，而云南省馬鈴薯進行中耕施肥時，由于地勢的不平整，中耕機經常需要進行平地和上下坡作業，在進行上下坡作業時，整體機器相對于水平面成一定角度，但肥料受到的重力作用始終豎直向下，使得肥料的運動不盡相同，為探究不同坡度對施肥過程的影響，運用離散元軟件EDEM對上述排肥過程進行仿真研究，并結合仿真結果進行山地丘陵地區中耕施肥機的優化方案探討。

3.1 離散元接觸模型

由于肥料顆粒的固體顆粒狀特點，肥料的排出過程不涉及肥料顆粒之間的黏結作用，本研究采用Hertz-Mindlin（no-slip）接觸模型作為離散元接觸模型。經研究，排肥器的組成部件均采用ABS塑料材料，根據材料庫和文獻[8]并結合相關基礎物理力學試驗測定的方法得到離散元仿真所需的參數（表2）。

3.2 試驗方案

將排肥器結構模型導入EDEM仿真軟件中，建立排肥器的離散元仿真工作模型，在肥料箱上端設置2個顆粒工廠，其中顆粒工廠1按照馬鈴薯復合肥小顆粒占比，以1 500顆/s的生成速度生成小顆粒肥料3 000顆，顆粒工廠2按照馬鈴薯復合肥大顆粒占比，以4 500顆/s的生成速度生成大顆粒肥料9 000顆，且2種顆粒的半徑大小服從肥料顆粒等效直徑的正態分布規律。

為模擬不同坡度下馬鈴薯中耕施肥的過程，設置排肥器中軸線與水平軸分別成75°、90°、105°、120°，用以模擬下坡、水平和上坡過程，對應模擬的坡度分別為-15°、0°、15°、30°。設置外槽輪轉速為30 r/min，根據施肥時前進速度設置排肥器前進速度為0.6 m/s。在工作系統的下方設置一個長 600 mm、寬150 mm的平面，用以模擬地面，將該地面區域劃分為連續的6等份（圖4），仿真完成后通過EDEM的后處理軟件提取每個等份區間的肥料質量、整個仿真過程中肥料顆粒在不同位置的速度以及速度變化規律等參數。

3.3 評價方法

馬鈴薯中耕施肥的主要要求是施肥量要精準、精量，施肥的效果要均勻且穩定，為了準確探究不同坡度對排肥器排肥效果的影響， 本研究選擇排肥量和排肥均勻度變異系數2種

指標為排肥器排肥性能的評價指標[8]。為消除排肥器的初始工作狀態對初始排肥量的影響，選取模擬地面中 2～6區間為取樣區域，仿真結束后，統計每個區間內所有肥料顆粒的總質量，利用公式（3）求解所有區間內肥料顆粒的平均質量。

4 仿真結果與分析

4.1 仿真結果

為分析不同坡度下施肥對施肥量的影響，分別在4個仿真模型中的排肥器下端排肥管處設置顆粒監測區[9]，并分別提取作業開始后2.7～4.2 s時肥料顆粒質量的累加數據，不同坡度下施肥量仿真結果見表3。

提取仿真取樣區間每個區間的施肥量，并分別計算排肥平均量、質量標準差，進而求得均勻度變異系數，不同坡度下施肥均勻度仿真結果見表4。

4.2 仿真分析

從表3可以看出，進行下坡施肥時施肥量相對于平地施肥時有所減少，而進行上坡施肥時施肥量有所增加，并且坡度越高施肥量越大。通過對不同坡度下排肥的離散元仿真過程進行比較分析可以看出，影響施肥量變化的主要因素為排肥舌與外槽輪之間的開口方向，進行水平和上下坡施肥作業時，開口方向分別為水平、傾斜向上和傾斜向下，因而相對于平地施肥，下坡施肥時處在排肥舌上面的一部分肥料的流動性有所降低，上坡施肥時流動性則有所增強。從表4可以看出，不同坡度對施肥的均勻性有一定影響，平地施肥時，施肥的均勻性最好。

5 討論與結論

目前，精量施肥是現代農業發展的趨向[10]，而在山地丘陵地區，馬鈴薯種植地形多為山區半山區，中耕施肥作業時經常需要進行上下坡施肥作業，通過本研究可知，坡度對施肥效果有一定的影響，因此，在現有中耕施肥機的基礎上，通過結構改進，可以將排肥器設計為可調節的部件，以保證施肥器在工作時中軸線始終與水平面垂直。

本研究以外槽輪式排肥器和云南省馬鈴薯專用復合肥為研究載體，建立了外槽輪式排肥器的三維模型和肥料顆粒的離散元模型。

運用EDEM軟件建立了不同坡度下外槽輪式排肥器工作過程的離散元平臺，進行4種狀態下排肥效果試驗，離散元仿真試驗結果表明，不同坡度對施肥量有一定影響，上坡施肥時，施肥量增加，下坡施肥時，施肥量減少，且坡度越大變化量越大;不同坡度對排肥均勻性也有一定影響，平地施肥時施肥均勻性最好。

參考文獻：

[1]王希英. 雙列交錯勺帶式馬鈴薯精量排種器的設計與試驗研究[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2016.

[2]寧旺云. 云南馬鈴薯機械化生產現狀及發展對策[J]. 安徽農業科學，2011，39（34）：21497-21498.

[3]汪博濤. 基于離散元法的外槽輪排肥器工作過程仿真與參數優化[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2017.

[4]劉彩玲，黎艷妮，宋建農，等. 基于EDEM的離心甩盤撒肥器性能分析與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33（14）：32-39.

[5]Thaper R. Effect of vane shape and fertilizer product on spread uniformity using a dual-disc spinner spreader[D]. Auburn：Auburn University，2014.

[6]祝清震，武廣偉，陳立平，等. 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.

[7]肖 琪. 變量施肥試驗臺的設計與試驗研究[D]. 大慶：黑龍江八一農墾大學，2018.

[8]苑 進，劉勤華，劉雪美，等. 配比變量施肥中多肥料摻混模擬與摻混腔結構優化[J]. 農業機械學報，2014，45（6）：125-132.

[9]Coetzee C J，Lombard S G. Discrete element method modelling of a centrifugal fertiliser spreader[J]. Biosystems Engineering，2011，109（4）：308-325.

[10]李 振. 中耕追肥機施肥鏟的設計與試驗研究[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2014.劉 暢，李志剛，偉利國，等. 基于蟻群算法的RBF神經網絡在沖量式谷物流量傳感器中的應用[J]. 江蘇農業科學，2019，47（15）：259-263.