祝清震，武廣偉，陳立平，趙春江，孟志軍

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槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，楊凌 712100；3. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097）

外槽輪排肥器是實(shí)施精準(zhǔn)變量施肥過(guò)程中的關(guān)鍵控制載體，為了探尋外槽輪的凹槽截面形狀和參數(shù)設(shè)置對(duì)排肥器排肥性能的影響規(guī)律，該文運(yùn)用離散元仿真技術(shù)、3D快速成型技術(shù)以及正交試驗(yàn)，以直槽輪式排肥器作為研究對(duì)象，分析了槽輪半徑、凹槽數(shù)目、有效工作長(zhǎng)度以及凹槽截面形狀4個(gè)因素對(duì)排肥性能的影響。選用排肥均勻度變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)置排肥器的前進(jìn)速度0.5 m/s，工作高度500 mm，槽輪轉(zhuǎn)速20 r/min，對(duì)4個(gè)影響因素進(jìn)行交互判斷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，槽輪半徑與凹槽數(shù)目之間存在一定的交互作用。根據(jù)交互作用判別結(jié)果選用L18（37）標(biāo)準(zhǔn)正交表進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，影響排肥性能的主次因素依次為凹槽數(shù)目>槽輪半徑>有效工作長(zhǎng)度>槽輪半徑×凹槽數(shù)目>凹槽截面形狀，其中凹槽數(shù)目對(duì)排肥性能具有非常顯著影響，槽輪半徑對(duì)排肥性能具有顯著影響，最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合是槽輪半徑30 mm，凹槽數(shù)目7個(gè)，有效工作長(zhǎng)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(shù)為1.75%，為了檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)直槽輪排肥性能影響的仿真試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行最優(yōu)結(jié)構(gòu)與參數(shù)組合下的直槽輪排肥器臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，排肥均勻度變異系數(shù)為5.48%，仿真試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明應(yīng)用離散元仿真技術(shù)開(kāi)展排肥性能的影響因素分析研究是可行的。該研究結(jié)果可為直槽輪排肥器的槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及提升其排肥性能提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；離散元法；試驗(yàn)；凹槽截面；結(jié)構(gòu)參數(shù)；排肥性能；排肥器

0 引 言

施用化肥是農(nóng)作物生產(chǎn)管理過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，已有研究表明，進(jìn)行化肥的精準(zhǔn)施用對(duì)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(zhǔn)施用效果，科研人員對(duì)精量排肥控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究[4-5]，左興健[6-7]等開(kāi)發(fā)了基于作業(yè)機(jī)具實(shí)時(shí)速度的精準(zhǔn)排肥控制系統(tǒng)，孟志軍等設(shè)計(jì)研發(fā)了基于處方圖的精準(zhǔn)變量施肥控制系統(tǒng)[8-9]，汪小旵等結(jié)合近地光譜技術(shù)，設(shè)計(jì)了冬小麥實(shí)時(shí)變量追肥控制系統(tǒng)[10-11]，苑進(jìn)等[12-13]對(duì)精量排肥的控制算法進(jìn)行優(yōu)化研究，以上研究都是通過(guò)實(shí)時(shí)改變外槽輪排肥器轉(zhuǎn)速或者外槽輪有效工作長(zhǎng)度達(dá)到精準(zhǔn)變量排肥的目的，作為重要的實(shí)施載體，外槽輪排肥器在精量排肥過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，然而外槽輪排肥器工作過(guò)程中存在脈動(dòng)性大、排肥穩(wěn)定性差的問(wèn)題，另外一方面中國(guó)生產(chǎn)的外槽輪排肥器品類繁多，排肥效果差異性較大，開(kāi)展與其結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)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(yè)效果，科研人員對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)進(jìn)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(guò)程中出現(xiàn)肥料顆粒泄露現(xiàn)象[14-15]，張濤等應(yīng)用離散元法對(duì)外槽輪的有效工作長(zhǎng)度進(jìn)行了仿真研究[16]，楊洲等應(yīng)用離散元仿真技術(shù)和3D打印成型技術(shù)對(duì)外槽輪排肥器的凹槽半徑和螺旋升角等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究[17]，汪博濤等綜合應(yīng)用離散元法、二次正交回歸試驗(yàn)的方法對(duì)外槽輪的有效工作長(zhǎng)度、排肥舌開(kāi)度進(jìn)行了研究[18]，潘世強(qiáng)對(duì)外槽輪的槽數(shù)、有效工作長(zhǎng)度、排肥舌開(kāi)度及其制造材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究[19]?，F(xiàn)階段關(guān)于外槽輪排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的研究大多局限在槽輪工作有效長(zhǎng)度、排肥舌開(kāi)度、槽數(shù)等，影響外槽輪排肥器作業(yè)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，還包括槽輪的半徑、凹槽的截面形式等，關(guān)于這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究還比較欠缺，另外一方面，現(xiàn)有研究還沒(méi)有考慮到各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的交互作用，因此在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展外槽輪不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排肥性能的影響規(guī)律研究十分必要。

針對(duì)現(xiàn)有外槽輪排肥器品類繁多，槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異將影響排肥器的工作性能，本文擬開(kāi)展外槽輪凹槽截面形狀和參數(shù)設(shè)置與排肥器排肥性能影響關(guān)系的分析，以直槽輪排肥器作為研究對(duì)象，在分析直槽輪排肥器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)組成及各因素的交互作用判斷的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了6因素3水平的正交試驗(yàn)，應(yīng)用離散元仿真技術(shù)對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的直槽輪排肥器的排肥效果進(jìn)行極差和方差分析，并應(yīng)用3D快速成型技術(shù)將最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的直槽輪排肥器制造出來(lái)，進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為直槽輪排肥器的槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)參數(shù)分析

1.1 直槽輪式排肥器結(jié)構(gòu)組成

直槽輪式排肥器作為廣泛應(yīng)用的排肥器種類之一，其結(jié)構(gòu)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(yè)的關(guān)鍵部件。

圖1 排肥器結(jié)構(gòu)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(shí)，肥料首先依靠自身重力充滿槽輪凹槽，隨著槽輪的旋轉(zhuǎn)，被強(qiáng)制排出，處于槽輪凹槽外側(cè)的肥料顆粒也會(huì)在槽輪外圓的撥動(dòng)和肥料顆粒間的摩擦力作用下被帶動(dòng)起來(lái)，帶動(dòng)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(qiáng)制帶出和帶動(dòng)層帶出的肥料從排肥舌上掉入排肥管，完成整個(gè)排肥過(guò)程。根據(jù)排肥工作原理，直槽輪式排肥器的槽輪旋轉(zhuǎn)1周的排肥量可以按式（1）進(jìn)行計(jì)算[13]。

式中1表示被槽輪凹槽強(qiáng)制排出的肥料質(zhì)量，g/r；2表示帶動(dòng)層排出的肥料質(zhì)量，g/r；表示槽輪旋轉(zhuǎn)1周的肥料排出質(zhì)量，g/r；表示肥料顆粒的密度，g/cm3；表示凹槽內(nèi)肥料的充滿系數(shù)；表示凹槽數(shù)目；表示單個(gè)凹槽的截面積，mm2；表示槽輪的有效長(zhǎng)度，mm；表示槽輪的半徑，mm；表示肥料顆粒的帶動(dòng)層系數(shù)，mm。

1.3 直槽輪關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

直槽輪凹槽截面形狀要便于肥料的填充和排出，現(xiàn)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(jié)距角，rad；β表示單個(gè)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(duì)單個(gè)凹槽截面積進(jìn)行數(shù)字化分析，這里相鄰凹槽之間的節(jié)距角、單個(gè)凹槽在槽輪橫截面上的跨度、凹槽圓弧半徑和單個(gè)凹槽的截面積之間應(yīng)滿足

式中表示相鄰凹槽之間的節(jié)距角，rad；表示單個(gè)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(gè)圓弧形凹槽的截面積，mm2；2表示單個(gè)直角凹槽的截面積，mm2；3表示單個(gè)錐形圓弧凹槽的截面積，mm2。

對(duì)于特定的排施對(duì)象，由式（1）可知，影響直槽輪排肥器作業(yè)效果的槽輪結(jié)構(gòu)因素主要有凹槽數(shù)目、槽輪有效工作長(zhǎng)度、槽輪的半徑和單個(gè)凹槽的截面積等。由式（2）可知，單個(gè)凹槽的截面積大小可以用凹槽數(shù)目和槽輪半徑表示；當(dāng)凹槽的截面積相同時(shí)，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(duì)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有凹槽數(shù)目、槽輪有效長(zhǎng)度、槽輪的半徑和凹槽截面形狀。

2 離散元仿真平臺(tái)搭建

直槽輪式排肥器的作業(yè)過(guò)程中伴隨著大量的顆粒運(yùn)動(dòng)，在肥料顆粒被排出的過(guò)程中存在重力、摩擦力、槽輪給予顆粒的強(qiáng)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(yùn)動(dòng)分析方法，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[20-22]。采用離散元分析軟件EDEM對(duì)排肥器的工作過(guò)程進(jìn)行仿真分析，以確定直槽輪各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排肥性能影響的主次，并確定所研究結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)水平組合，可以降低試驗(yàn)成本，提高研究工作效率。在進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)前，需要搭建直槽輪排肥過(guò)程的離散元仿真平臺(tái)，鑒于前文已有圖1所示的直槽輪式排肥器結(jié)構(gòu)模型，這里主要對(duì)肥料顆粒模型和離散元接觸模型進(jìn)行介紹。

2.1 肥料顆粒離散元模型

山東肥業(yè)有限公司生產(chǎn)的藍(lán)精靈復(fù)合肥被中國(guó)黃淮海地區(qū)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(yàn)材料，參照化肥顆粒三維建模方法[23-24]，從肥料堆中隨機(jī)取樣200粒，使用游標(biāo)卡尺（桂林廣陸數(shù)字測(cè)控股份有限公司，K15G278418數(shù)顯卡尺）對(duì)化肥顆粒的三維尺寸（長(zhǎng)、寬、高）進(jìn)行測(cè)量，長(zhǎng)度、寬度和高度分別為3.09、3.06和2.58 mm，按照式（3）和（4）計(jì)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(zhǎng)、寬、高，mm。

經(jīng)過(guò)測(cè)量和計(jì)算，化肥顆粒樣本的球形率已經(jīng)大于90%，說(shuō)明該化肥顆粒樣本的個(gè)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(yīng)用OriginPro 2017軟件對(duì)樣本肥料顆粒的群體分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制柱狀圖，如圖3所示，并使用式（5）所示的正態(tài)分布函數(shù)對(duì)樣本分布規(guī)律數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

式中表示因變量，表示自變量，0、、0和表示正態(tài)分布函數(shù)的系數(shù)，擬合后0=1.42，=24.29，0=2.84，=0.28，其中擬合優(yōu)度2=0.98，可以認(rèn)為化肥顆粒的等效直徑服從正態(tài)分布規(guī)律，所以設(shè)置顆粒工廠的肥料顆粒生成規(guī)律服從正態(tài)分布。

2.2 離散元接觸模型

EDEM軟件內(nèi)置了多種接觸模型，其中Hertz-Mindlin (no slip)模型是EDEM軟件中默認(rèn)接觸模型，在力的計(jì)算方面精確且高效[25]。鑒于肥料的排出過(guò)程不涉及肥料顆粒之間的粘結(jié)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(yàn)測(cè)定和查閱相關(guān)文獻(xiàn)相結(jié)合的方法，確定肥料顆粒、排肥器和地面相關(guān)的材料和接觸力學(xué)參數(shù)，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(xué)參數(shù)

3 仿真正交試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

將排肥器結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)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(shè)置一個(gè)長(zhǎng)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(tǒng)的中軸線位于同一平面。研究發(fā)現(xiàn)，直槽輪排肥器在轉(zhuǎn)速15~30 r/min時(shí)，具有較好的排肥性能[16]，所以本文選擇直槽輪的工作轉(zhuǎn)速為20 r/min；參考文獻(xiàn)[24]，本文設(shè)置排肥器的前進(jìn)速度為0.5 m/s，為了降低排肥器運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，這里設(shè)置地面以-0.5 m/s的速度向后方運(yùn)動(dòng)，用于模擬排肥裝置的前進(jìn)速度，并參照表1設(shè)置相關(guān)的材料物理和接觸模型參數(shù)。

在肥箱上端設(shè)置一個(gè)顆粒工廠，使其在仿真過(guò)程中不斷生產(chǎn)化肥顆粒，顆粒工廠每秒產(chǎn)生3 000個(gè)化肥顆粒，生成總量為10 000個(gè)，當(dāng)顆粒數(shù)達(dá)到一定程度，分別設(shè)置排肥輪轉(zhuǎn)動(dòng)和地面運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 排肥器工作過(guò)程仿真

3.2 排肥性能評(píng)價(jià)方法

不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)使得影響排肥器排肥性能的因素顯著性也不相同，為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)在EDEM仿真試驗(yàn)過(guò)程中，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)直槽輪排肥器的排肥效果，需設(shè)定其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本研究參照《JB/T9783-2013，播種機(jī)外槽輪排種器》規(guī)定的試驗(yàn)方法，以排肥均勻度變異系數(shù)作為排肥器排肥性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。選取模擬地面中間1 000 mm區(qū)域作為排肥效果的取樣區(qū)域，在模擬地面上設(shè)置Grid Bin Group，將中間1 000 mm區(qū)域橫向均分為5個(gè)網(wǎng)格單元（每個(gè)單元網(wǎng)格尺寸200 mm×280 mm×50 mm），并進(jìn)行編號(hào)，如圖5所示。

注：1~5表示數(shù)據(jù)采集網(wǎng)格單元的編號(hào)。

仿真結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)網(wǎng)格單元（grid bin group）內(nèi)所有肥料顆粒的總質(zhì)量，設(shè)置第個(gè)取樣網(wǎng)格單元內(nèi)肥料顆粒的質(zhì)量為m。利用式（6），求解5個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)肥料顆粒的平均質(zhì)量。

根據(jù)式（7），計(jì)算取樣區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格單元內(nèi)總化肥顆粒質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)差。

式中表示取樣網(wǎng)格單元內(nèi)化肥顆?？傎|(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)差，g。

根據(jù)式（8），計(jì)算排肥器的排肥均勻度變異系數(shù)。

式中表示排肥器的排肥均勻度變異系數(shù)，%。

排肥均勻度變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)排肥器排肥穩(wěn)定性和均勻度效果的參量，數(shù)值越小，說(shuō)明排肥器的排肥穩(wěn)定性和均勻性越好。利用排肥均勻度變異系數(shù)可以用于對(duì)比分析不同直槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)形式下的排肥器排肥性能。

3.3 試驗(yàn)因素水平選取

根據(jù)直槽輪排肥器工作原理，及影響排肥效果的槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)影響因素分析結(jié)果，試驗(yàn)選取影響排肥器排肥性能的直槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)因素為槽輪半徑、凹槽數(shù)目、槽輪有效長(zhǎng)度和凹槽截面形狀。通過(guò)對(duì)市場(chǎng)調(diào)研和文獻(xiàn)檢索，直槽輪排肥器的凹槽數(shù)目一般在5~8之間[19]，槽輪半徑、有效工作長(zhǎng)度的最大值分別不超過(guò)40和60 mm[16]，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，本文為4個(gè)因素分別選取3個(gè)水平，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

3.4 交互作用判別

在進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)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(gè)因素間的交互作用稱為一級(jí)交互作用，3個(gè)或3個(gè)因素以上的因素間交互，稱為高級(jí)交互作用（在絕大多數(shù)的實(shí)際問(wèn)題中，高級(jí)交互作用可以忽略[29]）。所以有必要對(duì)選取的4個(gè)因素進(jìn)行交互作用的判別，參考文獻(xiàn)[30]分別進(jìn)行槽輪半徑與槽輪有效長(zhǎng)度、槽輪半徑與凹槽數(shù)目、槽輪半徑與凹槽截面形狀、凹槽數(shù)目與槽輪有效長(zhǎng)度、凹槽數(shù)目與凹槽截面形狀、槽輪有效長(zhǎng)度與凹槽截面形狀之間的交互判別試驗(yàn)。以槽輪半徑和槽輪有效長(zhǎng)度2個(gè)因素之間的交互作用判別試驗(yàn)方法為例，保持凹槽數(shù)目、凹槽截面形狀不變，槽輪半徑分別取25，30和35 mm，有效長(zhǎng)度分別取20，35和50 mm，槽輪半徑和有效長(zhǎng)度2因素之間共計(jì)9種不同的試驗(yàn)組合，每種組合各做1次仿真試驗(yàn)，以排肥均勻度變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其余5組判別試驗(yàn)方法與此類似，4個(gè)因素之間的交互判別試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)[30]，由于試驗(yàn)誤差的存在，如果3條曲線變化趨勢(shì)近似，也可以認(rèn)為2個(gè)因素之間無(wú)交互作用，或者交互作用可以忽略不計(jì)，圖6a、6c、6d、6e和6f中的3條曲線的變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明槽輪半徑與有效工作長(zhǎng)度、槽輪半徑與凹槽截面形狀、凹槽數(shù)目與有效工作長(zhǎng)度、凹槽數(shù)目與凹槽截面形狀、槽輪有效工作長(zhǎng)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(shì)不一致，這是因素之間存在相交作用的一種表現(xiàn)形式，說(shuō)明槽輪半徑與凹槽數(shù)目之間可能存在一定的交互作用。

3.5 正交試驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)

由于所研究影響排肥性能的槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的因素之間存在一定交互作用，必須在正交表中必須設(shè)置相應(yīng)的列，稱為交互作用列。由于槽輪半徑與凹槽數(shù)目之間可能存在一定的交互作用的狀況下，同時(shí)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(yīng)該按照6因素3水平的情況來(lái)選擇正交表，這里選擇滿足這一條件的最小正交試驗(yàn)表L18（37），設(shè)置因素槽輪半徑、凹槽數(shù)目、有效工作長(zhǎng)度和凹槽截面形狀分別用A、B、C和D進(jìn)行表示，相關(guān)因素列設(shè)置如表3所示。

3.6 仿真結(jié)果分析與討論

3.6.1 極差分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的L18（37）表頭進(jìn)行正交試驗(yàn)，共計(jì)18個(gè)試驗(yàn)組合，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由排肥性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，排肥均勻度變異系數(shù)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(yàn)結(jié)果

表3 L18（37）表頭設(shè)計(jì)

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(shù)目，C表示槽輪有效工作長(zhǎng)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(duì)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(shè)置的3個(gè)水平下，最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的水平組合為A2B2C1D1，即槽輪半徑為30 mm，槽數(shù)為7，有效長(zhǎng)度為20 mm和凹槽截面形狀為圓弧形時(shí)，直槽輪排肥器的排肥均勻度變異系數(shù)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(jì)直槽輪的4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。方差分析結(jié)果如表5所示，通過(guò)查表0.05（2,10）=4.10，0.01（2,10）=7.56，所以因素B對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有非常顯著的影響，因素A對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著的影響，因素A×B、C和D對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有顯著影響。

3.6.3 討 論

結(jié)合表4與表5的分析結(jié)果可知，凹槽截面形狀對(duì)排肥器的排肥變異系數(shù)沒(méi)有顯著影響，且是4個(gè)因素中對(duì)排肥變異系數(shù)影響最小的因素，出現(xiàn)這種試驗(yàn)結(jié)果的原因應(yīng)該與前文式（2）的單個(gè)凹槽截面積數(shù)字化建模過(guò)程有關(guān)，當(dāng)3種凹槽截面形狀的直槽輪凹槽截面積相等時(shí)，由式（1）可知，直槽輪旋轉(zhuǎn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是在式（6）的排肥量基礎(chǔ)上開(kāi)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(gè)因素，凹槽截面形狀對(duì)排肥變異系數(shù)影響最??；反映在表5中，凹槽截面形狀的平方和遠(yuǎn)小于校正前殘差的平方和，即對(duì)排肥變異系數(shù)的影響不顯著。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

注：表示排肥均勻度變異系數(shù)，%。

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(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)直槽輪排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排肥性能的仿真試驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)水平組合下的直槽輪排肥器結(jié)構(gòu)模型，即槽輪半徑為30 mm、槽數(shù)為7、有效長(zhǎng)度為20 mm和凹槽截面形狀為圓弧形的直槽輪排肥器，進(jìn)行仿真排肥性能試驗(yàn)，其排肥均勻度變異系數(shù)為1.75%，相對(duì)于18組仿真正交試驗(yàn)結(jié)果，該結(jié)構(gòu)參數(shù)水平組合的直槽輪排肥器具有最優(yōu)的排肥性能。應(yīng)用3D打印機(jī)（上海派恩科技有限公司，N2 Plus FFF 3D Printer）加工該結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的直槽輪及排肥器其他結(jié)構(gòu)部件（PLA材質(zhì)），在北京市昌平區(qū)小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地，開(kāi)展直槽輪排肥器最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖7所示。參照仿真試驗(yàn)的試驗(yàn)條件，設(shè)置臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中直槽輪的轉(zhuǎn)速為20 r/min，傳送帶的前進(jìn)速度為0.5 m/s，排肥管的高度為500 mm，肥料選用山東肥業(yè)有限公司生產(chǎn)的藍(lán)精靈復(fù)合肥，試驗(yàn)結(jié)束后，參照?qǐng)D5對(duì)傳送帶上肥料顆粒的分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，重復(fù)臺(tái)架試驗(yàn)3次，取其平均值，得到的排肥器的排肥均勻度變異系數(shù)為5.48%。

圖7 臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)比仿真正交驗(yàn)證試驗(yàn)和臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)的直槽輪排肥器排肥均勻度變異系數(shù)，二者之間存在一定的偏差。通過(guò)對(duì)偏差出現(xiàn)的原因進(jìn)行分析，主要是因?yàn)樵诜抡嬖囼?yàn)過(guò)程，建立的肥料顆粒個(gè)體并非標(biāo)準(zhǔn)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(tài)分布，然而在實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)中所使用肥料的均勻度和離散程度相對(duì)較差，因此臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)得到的變異系數(shù)略高于仿真試驗(yàn)的變異系數(shù)，所以這里可以認(rèn)為仿真試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。通過(guò)對(duì)仿真正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證可以得出，借助離散元仿真軟件對(duì)直槽輪排肥器的排肥過(guò)程進(jìn)行仿真，以研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排肥性能影響是可行的。

5 結(jié) 論

1）在直槽輪排肥器工作原理的基礎(chǔ)上，其關(guān)鍵部件直槽輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行理論分析，建立了單個(gè)凹槽端面面積與槽數(shù)、槽輪半徑之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，最終將可能影響排肥性能的直槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)化為凹槽數(shù)目、槽輪有效工作長(zhǎng)度、槽輪半徑和凹槽截面形狀。

2）應(yīng)用EDEM軟件搭建直槽輪排肥器工作過(guò)程的離散元仿真平臺(tái)，進(jìn)行4個(gè)因素之間的交互判定試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，槽輪半徑與凹槽數(shù)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(shù)目、槽輪半徑、槽輪有效工作長(zhǎng)度、槽輪半徑×凹槽數(shù)目和凹槽截面形狀，其中凹槽數(shù)目對(duì)排肥均勻度變異系數(shù)影響非常顯著，槽輪半徑對(duì)排肥均勻性度系數(shù)影響顯著，最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)水平組合為槽輪半徑30 mm、凹槽數(shù)目7、有效長(zhǎng)度20 mm和凹槽截面形狀為圓弧形，此時(shí)直槽輪排肥器的排肥均勻性度變異系數(shù)最小，其值為1.75%。

3）根據(jù)仿真正交試驗(yàn)得出的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)水平組合，應(yīng)用3D打印快速成型技術(shù)制造該類型直槽輪排肥器，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，其排肥均勻度變異系數(shù)為5.48%，對(duì)比仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，證明借助離散元仿真軟件對(duì)直槽輪排肥器的工作過(guò)程進(jìn)行仿真分析，以研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排肥性能的影響是可行的。

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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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200600）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFD0200601）；北京市農(nóng)林科學(xué)院院級(jí)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（JNKYT20 1607）

祝清震，男，山東菏澤人，博士生，主要從事小麥基肥精準(zhǔn)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)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(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)直槽輪式排肥器排肥性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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