倾斜对置圆盘侧抛式有机肥撒播机设计及关键部件研究

刘宏新，王佳兴，苏 航，安晶玉

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

侧式撒肥机撒肥关键部件安装在载料箱侧部，随车前进过程中对侧面区域施肥，作用区域较大且控制灵活，避免整机田间反复行驶，工作效率较高。目前国内尚未开展侧式撒肥机研究，国外仅法国库恩公司生产锤片式有机肥侧抛机[1]，但其工作时，物料与关键部件锤片间冲击力较大，降低产品使用寿命[2]。为解决锤片式撒肥部件可靠性低问题，设计一种抛撒形式柔和倾斜对置圆盘侧抛式有机肥撒播机，达到与锤片式撒肥机相同抛撒效果，为其生产和推广应用提供技术支撑。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

该装置由物料抛撒装置，牵引式底盘及传动系统组成；物料抛撒装置主要包括载料箱，物料输送系统（高位输送搅龙，低位输送搅龙），圆盘安装架中倾斜对置安装的抛撒双圆盘。输送搅龙的动力来自传动箱中的齿轮减速传动，圆盘动力源自液压系统。具体结构如图1所示。

1.2 工作原理

拖拉机动力输出轴通过传动箱减速将动力传递至搅龙，物料沿输送搅龙运至卸料口，为防止物料堆积在圆盘安装架内影响圆盘转动，此时喂料口关闭。

装置工作时，通过液压缸活塞杆将喂料口打开，击打低位搅龙拨片将肥料喂入圆盘安装架，圆盘安装架中安装两个撒肥圆盘，双圆盘以相同速度转动将肥料抛出。

图1 侧式有机肥抛撒机结构Fig.1 Structureof sidetypedischargefertilizer spreader

2 物料力学及运动学分析

分析圆盘上的肥料力学及运动学，以左撒肥圆盘为例，肥料在圆盘上受力情况见图2。

肥料在圆盘上受到的离心力：

肥料受到的科里奥利力：

肥料受到的重力：

肥料受到的摩擦力：

肥料受到的惯性力：

Fi-惯性力（N）。

将公式（1）（2）（3）（4）带入（5）中：

图2 肥料在圆盘上受力分析Fig.2 Force of fertilizer on the disc

肥料沿刮肥板运动速度：

ro-物料落在圆盘上初始半径（m），t-肥料在圆盘上运动时间（s）。得到方程：

肥料离开圆盘绝对速度：

抛撒过程如图3所示。

物料抛撒过程受到空气阻力：

f-空气阻力（N）；ρ-空气质量密度（kg·m-3）；C-空气阻力系数；A物体迎风面积（m2）；v-物体与空气相对运动速度（m·s-1）；k-空气阻力系数。

根据牛顿第二定律列出x，y方向方程：

当t=0时，根据投影可得到，

对公式（11）积分并将临界条件（12）带入得到vx与vy关于t函数关系如式（13）所示：

当t=0，x=0，y=0时，对式（13）积分，当t=t总，得到s、l关于t总

由上述公式可知抛撒距离与抛撒面宽度均与圆盘安装角度，圆盘转速，物料运动时所受离心力与刮肥板方向夹角，肥料初始半径及肥料在圆盘上运动时间及空气阻力有关，为研究抛撒规律，借助离散元仿真方法，仿真分析得出最优参数。

图3 物料在空中抛撒运动分析Fig.3 Analysisof material spreading motion in the air

3 离散元仿真分析

3.1 模型建立

考虑有机肥特点，使用Hertz-Mindlin with JKR模型，通过参考文献[3-4]及试验测量，综合考虑设置变量参数如表1所示。

鉴于JKR模型具有黏结团聚特点，生成颗粒堆积在车厢中，颗粒与颗粒间黏结呈现多种形态。参照土壤粒径设置农家肥颗粒体半径为3 mm[5]。

根据公式（14）设置搅龙转速：

Q=47D2.s.n.φ · C.ρ （15）

式中，Q-输送量（1 t·h-1）；D-搅龙螺旋直径（0.63 m）；s-螺距（0.45 m）；n-搅龙主轴转速（r·min-1）；φ-物料在载料箱中填充系数（0.3）[6]；C-倾斜系数，与搅龙倾角有关（1）；ρ-单位容积质量（0.8 t· m-3）。

经计算圆整搅龙转速为30 r·min-1。

选取载料箱卸料口上方关键部件作用有效区域建立颗粒工厂（尺寸：1 500 mm×1 500 mm），且颗粒半径服从正态分布。

在仿真过程中，设置固定时间步长为Reyleigh（瑞丽）时间步长15%[7]，数据保存间隔0.02 s，网格设最小颗粒尺寸的2倍[8]。

3.2 仿真设计

经参考库恩侧式撒肥机产品说明书及行业标准[9]，抛撒距离达到15 m，经测量其抛撒面宽度为3.4 m（载料箱长度为5 m），均匀度变异系数为19.3%。

通过大量单因素仿真，确定各因素对响应指标均有显著性影响，考虑到试验因素之间可能存在交互作用，为求解最优参数组合，应用正交旋转组合试验方法设计方案，因素水平编码如表2所示。

仿真方案设计及其结果如表3所示。

表1 全局变量参数设置Table 1 Pre-treatment parameters setting

表2 仿真因素水平及编码Table 2 Coded and levelsof simulation factors

表3 仿真试验结果Table 3 Resultsof thesimulation experiments

续表

3.3 仿真分析

3.3.1 仿真试验结果分析及回归数学模型建立

仿真数据方差分析如表4所示。

对仿真数据多元回归拟合，对仿真结果回归分析，可得到抛撒距离y1，抛撒面宽度y2和均匀度变异系数y3回归方程：

表4 方差分析Table 4 Varianceanalysis

续表

3.3.2 各因素对各项性能指标影响规律

①抛撒距离：各因素对抛撒距离影响如图4所示。当圆盘转速一定时，抛撒距离随圆盘安装角度增大而增大，65°～70°时增长趋势较为明显，当超过70°时增长较为缓慢；当圆盘转速一定时，抛撒距离随刮肥板安装角度由负变正出现先增后减趋势；抛撒距离随圆盘转速增大而增大。

②抛撒面宽度：刮肥板安装角度为0°时，圆盘转速与圆盘安装角度对抛撒面宽度响应曲面见图5。当圆盘转速一定时，抛撒面宽度随圆盘安装角度增大而减小，且随转速不断增加减小趋势显著；当圆盘安装角度一定时，抛撒面宽度随着转速增大而增大，且随圆盘安装角度增大趋势减小。

③均匀度变异系数：由图6可知，均匀度变异系数随圆盘安装角度增大而增大。均匀度变异系数随刮肥板安装角度增加呈先缓慢增大后减小趋势。均匀度变异系数随圆盘转速增加而增加。

图4 各因素对抛撒距离响应曲面Fig.4 Influence of every factor on spreading distance

图5 刮肥板安装角度为0°，圆盘转速与圆盘安装角度对抛撒面宽度响应Fig.5 Mountingangleof thescrapingplateis0°,the response of every factor on width of spreading surface

在仿真试验的参数取值域内影响抛撒距离因素主次顺序依次为圆盘转速，刮肥板安装角度，圆盘安装角度；影响抛撒面宽度因素主次顺序依次为圆盘安装角度，圆盘转速，刮肥板安装角度；影响均匀度变异系数因素主次顺序依次为圆盘转速，圆盘安装角度，刮肥板安装角度。

3.4 最优参数组合

各参数最优值域和目标函数，如式（17）所示：

综合考虑确定最优参数组合：圆盘安装角度73°，刮肥板安装角度4°，圆盘转速400 r·min-1。

图6 各因素对均匀度变异系数响应曲线Fig.6 Influence of every factor on coefficient of variation of uniformity

4 台架试验

4.1 台架试验

调试装置，使圆盘安装角度73°，刮肥板安装角度4°，圆盘转速400 r·min-1。试验所用物料选择自然状态下堆积发酵具备一定黏性有机肥，单位容积质量为0.8 t·m-3，含水率43%。2018年6月于室外台架试验，天气晴，温度28℃，空气湿度14%，风向风速：西南偏南3 m·s-1。

4.2 试验结果与分析

抛撒轨迹与仿真抛撒轨迹基本一致。经观察抛撒距离虽可达15 m，但其主要聚集在11 m，11～15 m间物料较稀疏，仅有较大块颗粒肥料；11 m内均匀程度较好，超过11 m均匀度明显下降。分析原因是颗粒创建过于理想化，且物料抛撒时存在空气阻力，不同尺寸肥料抛撒过程中受空气阻不一致。

提升转速作单因素试验，试验方案见表5。

表5 圆盘转速对抛撒距离的影响Table 5 Effect of disc rotation on spreading distance

对试验结果拟合，拟合方程见式（18）。

圆盘转速在575～600 r·min-1范围，此时各响应指标均满足设计要求。

5 结 论

a.倾斜对置双圆盘有机肥侧抛机可达到与锤片式侧式撒肥机相同作业效果。

b.在仿真试验参数取值域内影响抛撒距离因素主次顺序依次为圆盘转速，刮肥板安装角度，圆盘安装角度；影响均匀度变异系数因素主次顺序依次为圆盘转速，圆盘安装角度，刮肥板安装角度；影响抛撒面宽度因素主次顺序依次为圆盘安装角度，圆盘转速，刮肥板安装角度。

c.为达到15 m抛撒距离，抛撒面宽度较小且均匀度较高，最优参数组合：圆盘安装角度73°，刮肥板安装角度4°，圆盘转速570～600 r·min-1。