摘要：土壤沙化問題是目前我國制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的因素之一。設(shè)計(jì)一款農(nóng)田沙化土壤改良機(jī)，利用SolidWorks建立其整機(jī)模型，針對其關(guān)鍵部件攪拌筒建立離散元模型，并使用EDEM軟件進(jìn)行離散元分析，以攪拌軸旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向和攪拌時長為試驗(yàn)因素，以土壤和改良液混合均勻程度為優(yōu)化指標(biāo)，分析改良裝置攪拌筒工作情況。通過正交仿真試驗(yàn)結(jié)果得出：最優(yōu)參數(shù)為攪拌架旋轉(zhuǎn)速度40 r/min、攪拌時間15 s、兩攪拌架轉(zhuǎn)動方向相反時，其攪拌均勻度為92.61%，變異系數(shù)為0.074 9。

關(guān)鍵詞：沙化土壤；改良機(jī)；攪拌效果；離散元分析；均勻度

中圖分類號：S156" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0285?06

Design of farmland sandy soil improvement machine and numerical simulation

of its mixing effect

Li Bin， Pang Mengyu

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， 150040， China）

Abstract： The problem of soil desertification is one of the factors restricting the development of agriculture in China. A farmland desertification soil improvement machine was designed. The whole machine model was established by SolidWorks， and the discrete element model was established for the key component mixing cylinder. The EDEM software was used for discrete element analysis. The rotation speed， rotation direction and stirring time of the mixing shaft were used as experimental factors， and the mixing uniformity of soil and improved liquid was used as the optimization index to analyze the working condition of the mixing cylinder of the improved device. Through the orthogonal simulation test results， it is concluded that when the stirring frame rotation speed is 40 r/min， the stirring time is 15 s， and the rotation direction of the two stirring frames is opposite， the stirring uniformity is 92.61%， and the coefficient of variation is 0.074 9， which is the optimal parameter.

Keywords： desertified soil; improved device; stirring effect; discrete element analysis; uniformity

0 引言

土壤沙化泛指良好的土壤或可利用的土地變成含沙很多的土壤甚至變成沙漠的過程。傳統(tǒng)的治理模式工程周期長、工程花費(fèi)高，且在實(shí)施時易受多方面影響。

目前，土壤改良主要通過改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤蓄水保墑。閆少鋒等[1]通過豎井抽排水試驗(yàn)，探討天然降水條件下地下水位動態(tài)及土壤脫鹽規(guī)律；劉長江等[2]通過田間示范試驗(yàn)，研究了不同深松深度對蘇打鹽堿化田土壤理化性狀及作物產(chǎn)量的影響；魯向暉等[3]研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械深耕深松能有效解決土壤的板結(jié)。截至目前，國內(nèi)土壤改良方法多種多樣，但小型化機(jī)械化沙化土壤改良技術(shù)鮮見報(bào)道。因此，設(shè)計(jì)一種智能化農(nóng)田沙化土壤改良裝置是很有必要的，改良裝置不僅可重新賦予沙化土壤蓄水能力和養(yǎng)分保持能力，且工程周期短、工程花費(fèi)較低、工程規(guī)模小[4]。

本文以沙化土壤改良機(jī)為研究目標(biāo)，通過SolidWorks2021建立整機(jī)三維模型，并將攪拌筒機(jī)構(gòu)細(xì)化后將其導(dǎo)入EDEM 2022軟件建立離散元仿真模型，對攪拌過程進(jìn)行分析。以攪拌軸的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向以及攪拌時長為試驗(yàn)因素，以沙粒和土壤改良液的混合均勻程度為目標(biāo)指標(biāo)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析各因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，驗(yàn)證運(yùn)動方程的正確性并尋求最佳參數(shù)組合。

1 沙土改良機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該裝置三維建模如圖1所示，結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由履帶輪底盤、PLC電控裝置、攪拌裝置、注液裝置、輸料裝置等部分組成。

1.2 工作原理

該裝置主要工作流程：由螺旋上沙裝置將目標(biāo)沙子輸送至攪拌筒內(nèi)部，通過土壤溫濕度傳感器和土壤pH傳感器識別沙化土壤性質(zhì)后將數(shù)據(jù)上傳至PLC控制器，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測目標(biāo)土壤的成分及含量，控制器識別處理數(shù)據(jù)并根據(jù)用戶需求發(fā)出信號，可控閥門打開，向攪拌筒注入改良液，攪拌電機(jī)啟動，帶動攪拌架將纖維提取液和沙土均勻攪拌，攪拌完成后，電機(jī)停機(jī)，閥門關(guān)閉，達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)后，出料口擋板開啟，將改良后的土壤由出料口排出，均勻覆蓋到地面之上。

2 攪拌筒結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

本文重點(diǎn)研究對象為土壤攪拌筒，主要由外筒、攪拌架、套軸、動力裝置和進(jìn)出沙口構(gòu)成，為了便于裝置的仿真和計(jì)算，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，如圖3所示。

攪拌筒內(nèi)的攪拌裝置由一根實(shí)心階梯攪拌軸及其葉片、一根空心攪拌軸及其葉片和齒輪箱、攪拌筒組成，采用反向攪拌搭配線形攪拌葉片的工作模式，將實(shí)心攪拌軸部分軸體插入空心攪拌軸。該攪拌結(jié)構(gòu)的混合原理：在攪拌軸上分布按一定角度構(gòu)成連續(xù)大螺旋葉片，主軸旋轉(zhuǎn)帶動大螺旋葉片連續(xù)循環(huán)，使得外側(cè)土壤向中間流動，內(nèi)側(cè)土壤向兩端運(yùn)動，葉片和攪拌臂的合理布置可使被混合物料形成連續(xù)的對流、擴(kuò)散、揉搓等混合運(yùn)動，產(chǎn)生三維攪拌效果。旋轉(zhuǎn)攪拌架的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

設(shè)計(jì)攪拌筒為圓柱型，從而有效防止改良后的土壤卡縫、板結(jié)，造成工作效率降低，攪拌筒的主要參數(shù)如表1所示。

3 離散元模型建立和參數(shù)選擇

3.1 容器模型建立

將SolidWorks建立的攪拌筒簡化模型導(dǎo)入EDEM，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并對攪拌螺帶的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。在確定螺旋帶螺旋升角前做出如下假設(shè)：假定飼料在螺旋帶上的單位阻力系數(shù)為一常數(shù)，因此可以假定飼料跟螺旋帶之間的壓力分布在螺旋攪拌帶的平均半徑上。同時忽略螺旋升角差異，將螺旋帶展開后可得到一個連續(xù)斜面。這樣可將復(fù)雜的螺旋帶摩擦問題轉(zhuǎn)換為斜面摩擦問題來考慮計(jì)算[5]。

如圖5所示，對某一在螺帶斜面上的假定沙粒質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，其中P為該質(zhì)點(diǎn)所受的總驅(qū)動力，N；F為總阻力，N；N為螺帶面給予該沙粒的總支撐力，N；α為螺帶的螺旋升角，（°）；δ為沙粒質(zhì)點(diǎn)與鋼制螺帶之間的摩擦角，（°）；μ為沙粒與鋼之間的摩擦系數(shù)。查摩擦系數(shù)表可得，一般沙粒與鋼之間的摩擦系數(shù)為0.45～0.5。

3.2 容器模型建立

沙化土壤受到風(fēng)化和水蝕的影響，其沙粒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于長期的磨損，大多接近球形和橢球形，直徑大約在1 mm，為了減少計(jì)算量和提高計(jì)算精度，對沙粒模型全部設(shè)置為直徑1.1 mm的球體；由于改良液是液體，其顆粒模型建立較為復(fù)雜，為了方便計(jì)算和仿真，在改良液中加入甲基紫示蹤顆粒，其顆粒定義為球形，直徑大約在0.85 mm，沙粒模型和示蹤顆粒模型如圖8、圖9所示。

3.3 模型力學(xué)參數(shù)確定

在EDEM仿真過程中，沙粒、示蹤顆粒以及攪拌筒容器之間一直發(fā)生著碰撞、粘結(jié)等作用，故應(yīng)當(dāng)選擇合適的仿真參數(shù)。在本試驗(yàn)中，由于改良液是液體，附著在沙粒表面之上，使之具有了JKR表面能，因此應(yīng)當(dāng)選用Hertz-Mindlin with JKR模型，該模型通過設(shè)置顆粒表面的表面能在模擬含水量，進(jìn)而得到了顆粒之間的粘結(jié)狀態(tài)。

接觸參數(shù)指顆粒與顆粒之間、顆粒與幾何體之間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和滾動摩擦系數(shù)[6]。因?yàn)槟Σ料禂?shù)和材料的形狀、濕度和材質(zhì)關(guān)聯(lián)性較大，而仿真中模型全部采用球型顆粒，實(shí)際中物料的形狀是不規(guī)則的，因此接觸系數(shù)并不能采用真實(shí)狀態(tài)下的值，需要通過虛擬參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)來獲得[7]。沙粒、示蹤顆粒、攪拌筒的材料參數(shù)和力學(xué)參數(shù)如表2、表3所示。

需要說明的是，由于沙粒等模型的復(fù)雜性[8]，表2、表3內(nèi)的值均為平均值，對提高仿真的效率和可及性有重要的意義[9]。

3.4 顆粒工廠的建立

在攪拌筒的兩端分別建立示蹤物質(zhì)和沙粒的顆粒工廠，為滿足攪拌筒的充盈系數(shù)，分別計(jì)算得示蹤物質(zhì)顆粒和沙子顆粒的生成數(shù)量以及生成速度，為了簡化仿真模型、減小誤差，設(shè)置兩種顆粒在3 s內(nèi)加載完成，然后關(guān)閉顆粒工廠，兩種顆粒工廠的設(shè)置參數(shù)如表4所示。

4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 試驗(yàn)因素選取

選取對混合均勻度影響較為顯著的三個因素：攪拌架轉(zhuǎn)速、攪拌時間、攪拌架的轉(zhuǎn)動方向，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)。攪拌架的轉(zhuǎn)速取值是最重要的參數(shù)，若轉(zhuǎn)速太慢會使得物料在攪拌筒空間里的運(yùn)動不夠充分，攪拌不夠均勻；如果其轉(zhuǎn)速太快而超過了臨界值，物料在離心力的作用下會附著在攪拌筒內(nèi)壁上，從而無法達(dá)到充分?jǐn)嚢璧哪康?。本樣機(jī)的工作方式為階段式工作，沙化土壤的改良過程由上沙、加改良劑、攪拌及出料四個主要階段構(gòu)成[10]。攪拌時間指攪拌階段的持續(xù)時間，攪拌時間是影響攪拌質(zhì)量的因素之一，攪拌時間應(yīng)在保證攪拌質(zhì)量的前提下盡量的短。本設(shè)備采用兩個獨(dú)立的螺帶式攪拌架[11]，安裝方向共有三種情況，即均為正裝、均為反裝和一正一反，對沙化土壤的改良均勻度也有著不可忽視的影響，應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)[12]。

另外，選取本次試驗(yàn)的評價指標(biāo)為攪拌后樣本的混合均勻度M?；旌暇鶆蚨仁怯脕砻枋龌旌衔飫蛸|(zhì)性的量化指標(biāo)，即對樣本總體進(jìn)行隨機(jī)抽樣，然后測定每個子樣本的特性指標(biāo)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對一組數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，計(jì)算出特性指標(biāo)X與標(biāo)示量理論值p的偏離程度。

具體取樣標(biāo)準(zhǔn)：在混合機(jī)上中下部間隔抽取樣本，或等效采用其他方法取樣；取樣數(shù)量：每批試驗(yàn)物料的樣本數(shù)量不得少于10個[13]。

樣本標(biāo)準(zhǔn)差

4.2 確定各試驗(yàn)因素水平

由于沙粒的運(yùn)動趨勢和受力方向相同，根據(jù)牛頓第二定律，可得

將上文所得數(shù)據(jù)，取α=15°代入式（11），可得n≤67.95 r/min。約定逆時針為攪拌架旋轉(zhuǎn)正向，對試驗(yàn)因素確定如表5所示，分別確立3個水平。

為了提高攪拌均勻度，試驗(yàn)的指標(biāo)為單指標(biāo)均勻度。本例是一個三水平的試驗(yàn)，共有三個因素，在對正交試驗(yàn)做方差分析時，必須估計(jì)隨機(jī)誤差，而隨機(jī)誤差是通過正交表上空白列得到的。由于空白列中沒有因素作用，因此正好反映隨機(jī)因素所引起的誤差[6]。為了減小誤差，最好留有一個空列，所以選用正交表L9（34）來進(jìn)行試驗(yàn)。

5 仿真試驗(yàn)后處理結(jié)果分析

在按照正交試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)后，需要使用EDEM中的后處理（Analyst）功能對試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

5.1 試驗(yàn)取樣網(wǎng)格劃分

后處理中Create Grid Bin Groups功能可以對試驗(yàn)結(jié)束的工況進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本變異系數(shù)試驗(yàn)的取樣要求網(wǎng)格數(shù)不少于10個，在仿真試驗(yàn)中，對攪拌筒進(jìn)行4×4×4共計(jì)64個網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格大小確定為0.1 m×0.1 m×0.2 m，網(wǎng)格編號以（x，y，z）命名，最左下角網(wǎng)格為（1，1，1），分別以坐標(biāo)軸正向遞增。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

以試驗(yàn)號1為例，即攪拌架轉(zhuǎn)速20 r/min，攪拌時間60 s，兩攪拌架轉(zhuǎn)向均為正向的試驗(yàn)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，仿真時間結(jié)束時，利用EDEM的Analyst功能對攪拌筒內(nèi)的顆粒情況進(jìn)行查看[14]，如圖10所示。

從圖10中可以看出，示蹤物質(zhì)顆粒與沙粒相對均勻的混合在一起，下面對其試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而分析其攪拌均勻度，去除其中顆粒較少的網(wǎng)格[15]，取攪拌筒中部16個網(wǎng)格樣本，每個網(wǎng)格內(nèi)的顆粒數(shù)量如表6所示。

沙粒顆粒和初始示蹤物質(zhì)比值為5.00，對試驗(yàn)號1所取樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表7所示。

5.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

將9個試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，將數(shù)據(jù)填入表8，可以得出各試驗(yàn)因素的主次和優(yōu)水平，并得出本試驗(yàn)的最優(yōu)解。

5.4 正交試驗(yàn)最優(yōu)解驗(yàn)證

由于最優(yōu)解不在前述正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，因此需要對最優(yōu)解進(jìn)行仿真試驗(yàn)[17]，即取攪拌架轉(zhuǎn)速為40 r/min，攪拌時間15 s，攪拌架轉(zhuǎn)動方向?yàn)檎?反，利用EDEM對該最優(yōu)解進(jìn)行驗(yàn)證[18]，其結(jié)果如表9所示。通過對最優(yōu)解的仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，其均勻度為92.61%，為最優(yōu)結(jié)果，符合正交試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了選優(yōu)方法和計(jì)算的正確性。

6 結(jié)論

1） 仿真結(jié)果論證土壤改良攪拌倉以及螺旋攪拌架的設(shè)計(jì)符合土壤改良的原理，并驗(yàn)證正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的正確和可行性。

2） 通過EDEM仿真試驗(yàn)驗(yàn)證本沙化土壤改良機(jī)攪拌筒的設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求，對各試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行選優(yōu)，最終確定攪拌架轉(zhuǎn)速為40 r/min，攪拌時間15 s，攪拌架轉(zhuǎn)動方向正+反時，變異系數(shù)為0.074 9，混合均勻度為92.61%，為最優(yōu)結(jié)果，符合沙化土壤改良的要求。

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