基于EDEM的垂直螺旋式排肥器性能模擬試驗*

王鵬宇 ，梁春英 ，李 普 ，張榮丹 ，鄒立雯 ，李圳鵬

（1.黑龍江八一農墾大學信息與電氣工程學院，黑龍江 大慶 163000； 2.黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163000）

0 引言

落后、不合理的施肥方式對農業可持續發展造成了嚴重威脅，影響我國農產品產量和質量的提高[1]。研究和實施高產低耗、優質高效的精準施肥技術，能夠減少肥料施用量、降低對環境的污染、提高資源利用率，實現資源投入的科學化與產出值的最大化[2]。當前，農業生產中常見的排肥器類型主要有外槽輪式、螺旋式、離心式、星輪式等。螺旋式排肥器相對于其他類型的排肥器，具有兼施粉末狀和顆粒狀肥料的優勢；而且對肥料物理特性要求也較低；結構簡單且易于調節排肥量大小[3]。螺旋式排肥器輸送物料時，根據螺旋不同的安裝結構，可分為水平式、傾斜式以及垂直式輸送模式，而垂直螺旋式排肥器在有效重力的作用下，其物料輸送效果的流動性和均勻性更佳，有利于提高施肥穩定性和排肥均勻性[4]。

離散元法（Discrete Element Method，簡稱DEM）是一種基于非連續介質力學理論特性的數值計算方法，采用動態松弛法、牛頓第二定律、中心差分法和時步迭代來求解每個顆粒的運動和位移，因其較高的可靠性以及簡潔的算法，被廣泛應用于研究復雜離散系統的運動規律當中[5]。該方法近年來在農業工程領域被眾多學者研究應用，如土壤與機械的相互作用、肥料顆粒與機械的相互作用等過程的研究已經取得了很多成果[6]。

本研究以垂直螺旋式排肥器和肥料顆粒為研究對象，利用SolidWorks軟件和EDEM軟件分別建立排肥器模型和肥料顆粒的離散元模型，然后對其排肥過程進行仿真模擬，分析顆粒自身和顆粒間、顆粒與各接觸器件的運動規律，以及對排肥量的影響程度，為后續優化裝置結構和排肥效果提供參考依據。

1 仿真模型及參數確定

1.1 垂直螺旋式排肥器模型

垂直螺旋式排肥器主要由以下7個部分構成，即驅動電機、聯軸器、肥箱、螺旋葉片、排肥軸、排肥護管和排肥口，如圖1所示。其中，肥箱尺寸為350 mm×300 mm×260 mm。綜合考慮目標施肥量（60 kg/h~135 kg/h）及肥料物理特性等因素，依據文獻資料[7]和經驗公式進行計算，取螺旋軸外徑為34 mm，內徑設定為10 mm，螺距取值范圍為27 mm，螺旋轉速設定為152 r/min。

圖1 垂直螺旋式排肥器模型

1.2 肥料顆粒離散元模型

肥料顆粒的形狀和密度直接影響其在排肥機構中的運動情況和排肥效果，為了使肥料顆粒的排肥過程更貼近工程應用實際，課題組以大顆粒尿素為研究對象，隨機抽取100粒，采用游標卡尺測量其三軸尺寸，結果取平均值，通過公式求解出顆粒的幾何等效直徑與球形率。經計算，長度平均值為4.17 mm，寬度平均值為3.96 mm，厚度平均值為3.79 mm，尺寸符合正態分布，等效直徑平均值為3.96 mm，尿素顆粒的球形率為94.96%，形狀近似球體。利用EDEM軟件建立長、寬、高均為4 mm的尿素顆粒離散元模型，如圖2所示。

圖2 尿素顆粒離散元模型

1.3 仿真參數確定

目前，EDEM軟件包含多種接觸模型：Hertz-Mindlin熱傳導模型、Hertz-Mindlin無滑動接觸模型、Hertz-Mindlin黏結模型、Linear Cohesion接觸模型等[8]。此仿真試驗材料為肥料顆粒，可以將其考慮成剛性體、無彈塑性變形，所以選擇的接觸模型為無滑動接觸模型（Hertz-Mindlin），該模型計算精度高、速度快，是描述無黏性顆粒間接觸、碰撞行為的最常用接觸模型[9]。將此前建立的排肥器模型以igs格式導入EDEM求解環境中，同時，設置排肥器的所有部件材料均為碳鋼Q235，有關仿真參數可通過實際測量以及參考文獻[10]獲得，如表1所示。

表1 模型仿真參數及其數值

2 仿真試驗與分析

2.1 試驗設計

在仿真試驗開始之前，設置計算時間步長為瑞利時間步長的20%，仿真時間為20 s，每0.1 s保存1次數據；顆粒工廠設置在肥箱頂端，肥料顆粒0 s時開始生成，生成速率為每秒20 000顆，在重力作用下自由下落，共生成120 000顆肥料顆粒；仿真網格為2倍的顆粒半徑；在所有顆粒全部生成后，排肥螺旋開始轉動；在排肥口下方設置有長、寬、高均為300 mm的肥料收集區域。將出口處肥料顆粒的速度和受力著不同顏色，其中淺色代表速度和受力值最大，深色代表速度和受力值最小。仿真結束后，可通過EDEM后處理功能獲得肥料顆粒的運動軌跡、速度變化及質量變化等相關數據、曲線圖。

2.2 肥料顆粒運動過程仿真分析

EDEM軟件為了方便使用者對單個顆粒運動狀態開展研究，將顆粒工廠生成的顆粒進行自動編號，仿真計算結束后隨機選取第15 715號肥料顆粒進行分析。

單個肥料顆粒運動軌跡圖如圖3所示，單個肥料顆粒受力隨時間變化曲線圖如圖4所示。由圖3及圖4可知：15 715號肥料顆粒在0.4 s由顆粒工廠生成并開始下落；0.4 s~1.0 s內，肥料顆粒的速度先增大后減小，0.6 s時速度達到最大值0.724 m/s，在1.0 s時速度減小為0.008 m/s，顆粒最終掉入排肥箱內并停在肥料群上；1.0 s~6.0 s內，由于顆粒之間無明顯運動，肥料顆粒速度變化不大，變化范圍在0.004 m/s~ 0.019 m/s之間；6.0 s~9.6 s內，肥料顆粒開始隨著排肥螺旋進行旋轉運動，在其他顆粒擠壓和螺旋轉動作用下，該肥料顆粒速度持續波動，在6.1 s時速度達到最大值0.11 m/s；在11.7 s時，肥料顆粒從排肥螺旋脫出進入排肥護管末端且速度迅速增大；在11.9 s時，肥料顆粒速度達到最大值0.588 m/s，隨后碰到地面后速度開始下降，最終下降為0，完成肥料顆粒的排出。

圖3 單個肥料顆粒運動軌跡圖

圖4 單個肥料顆粒受力隨時間變化曲線圖

該排肥器模型在第10 s時的仿真狀態圖如圖5所示，可見肥料收集區域已經堆積有0.024 kg肥料，肥箱以及排肥護管中有螺旋軸部分的肥料顆粒速度較低，排肥護管末端及將要落地的肥料顆粒速度較高。

圖5 仿真模型第10 s時狀態圖

肥料收集區域肥料質量隨時間變化曲線圖如圖6所示。由圖6可知，肥料收集區域在前8.8 s無肥料顆粒進入，自8.8 s時開始，有肥料落入，且該區域收集到的肥料質量隨著仿真時間的推移而逐漸增大，最終達到肥料質量與時間呈現正比例關系的穩定狀態。

3 結論

課題組以建立的垂直螺旋式排肥器模型和肥料顆粒的離散元模型為研究對象，對排肥器的排肥過程進行仿真模擬，得到肥料顆粒從顆粒工廠生成到進入肥箱、隨排肥軸進行運動、排出排肥管落到地面的運動狀態。利用EDEM軟件強大的仿真后處理功能，獲得肥料顆粒的運動軌跡、速度變化及質量變化等相關數據、曲線圖，可知排肥器整體運行達到設計效果，滿足設計要求。