基于离散元的山地马铃薯排肥器仿真优化

沈鹏 姚永亮 郑美英 孔皓 沈东华 魏光程 宁旺云

摘要：云南省地形多为丘陵山地，马铃薯中耕施肥大多在有一定坡度的种植地上进行，为探究不同坡度对施肥效果的影响，以外槽轮排肥器和云南省马铃薯专用复合肥为研究载体，测量肥料颗粒的3轴尺寸，建立外槽轮式排肥器的三维模型和肥料颗粒的离散元模型，以施肥量和施肥均匀度变异系数为施肥效果评价指标，利用EDEM软件进行4种坡度下排肥过程仿真。结果表明，不同坡度对施肥量有明显影响，上坡施肥时，施肥量增加，下坡施肥时，施肥量减少，且坡度越大变化量越大;不同坡度对施肥均匀性也有一定影响，平地施肥时施肥均匀性最好，结合仿真结果提出了将排肥器设计成可调节部件的优化方案。

关键词：排肥器;离散元法;坡度排肥;排肥性能

中图分类号： S224.2

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）15-0256-03

马铃薯是全球重要的粮食作物，由于富含蛋白质、碳水化合物、维生素、矿物质和脂肪，具有很高的营养价值，被誉为“第二面包”和“地下苹果”[1]。云南是产薯大省，早在2009年，云南省政府就启动了现代农业产业技术体系项目，将马铃薯产业列入现代农业产业技术体系进行重点建设[2]。马铃薯中耕施肥作为马铃薯种植的必要环节，对促进马铃薯植株生长和提高马铃薯产量具有重要意义。

目前，已有很多运用离散元法对排肥器工作过程进行仿真并对排肥器结构参数进行优化的研究，如汪博涛对外槽轮式排肥器的有效工作长度、排肥转速、排肥舌开度进行了研究[3];刘彩玲等研究了离心甩盘式撒肥器的甩盤转速和肥料喂入位置角对抛撒均匀性的影响，得出的优化参数能有效提高颗粒肥料撒施均匀性[4];Thaper研究了肥料种类以及叶片形状对双圆盘撒肥机抛撒均匀性的影响[5]。

现阶段关于排肥器的研究大多局限于排肥器本身结构参数对排肥性能的影响，缺少关于外部排肥环境对排肥器排肥过程影响的研究，云南省地形多为丘陵山地，中耕施肥大多在不同坡度的种植地上进行，因此本研究以昆明拓田农业发展有限公司生产的一款在云南地区广泛运用的外槽轮式排肥器为研究载体，利用离散元仿真分析方法对坡度排肥过程进行仿真分析。

1 排肥器的结构与工作原理

1.1 外槽轮式排肥器结构组成

通过SolidWorks三维建模软件对外槽轮式排肥器进行三维建模，其结构主要由5个部分组成，即肥料箱、外槽轮、排肥舌、毛刷、排肥盒等部件，其总体结构见图1。

外槽轮式排肥器的结构组成主要包括外槽轮部件1、排肥凹槽、外槽轮部件2、槽轮中心通孔等，其结构特征如图2所示。

1.2 工作原理

排肥器与小型中耕机组合时，外槽轮的中心通孔与排肥传动轴配合固定，其2个部件被排肥传动轴上的压力弹簧压紧配合，形成排肥凹槽，可通过调节外槽轮2个部件的配合长度来调节排肥凹槽大小，以满足不同施肥量的需求。在进行马铃薯中耕施肥作业时，首先将肥料装满肥料箱，肥料受自身重力的作用填充满排肥凹槽，随后施肥作业人员推动中耕施肥机行走，地轮通过链条传动带动排肥传动轴旋转，外槽轮随之旋转，处于排肥凹槽内的肥料随外槽轮旋转被强制带动排出，由于外槽轮外圆的带动及肥料颗粒间的内摩擦作用，处于槽轮边缘的肥料颗粒也会被带动起来，由外槽轮强制带出和带动层带出的肥料从排肥舌上掉入排肥管，完成整个排肥过程[6]。

2 肥料颗粒模型的建立

2.1 肥料颗粒物理参数的测量

肥料颗粒的形状和尺寸都是影响排肥过程的主要因素[7]。为了准确地模拟云南省山地丘陵地区马铃薯中耕施肥时排肥器的排肥过程，以云南天腾化工有限公司生产的马铃薯专用复合肥为研究对象，随机取200粒肥料颗粒，测定其3轴尺寸、等效直径、球形率和颗粒密度等，则

式中：D为肥料颗粒样本的等效直径;L为肥料颗粒样本的长度尺寸;W为肥料颗粒样本的宽度尺寸;T为肥料颗粒样本的厚度尺寸;Φ为肥料颗粒样本的球形率。

经过测量与计算，根据肥料颗粒大小的不同，可以将其分为2种，具体为小颗粒，其等效直径的分布区间为1.0～2.8 mm，占样本颗粒总数的1/4;大颗粒，其等效直径分布区间为2.8～4.0 mm，占样本颗粒总数的3/4。通过研磨法测得，肥料颗粒的密度为1 020 kg/m3。测量统计结果见表1。

2.2 肥料颗粒模型构建

从表1数据可知，马铃薯复合肥料颗粒大小不同，其球形率亦不同。颗粒越大，球形率越小。小颗粒的球形率较高，可达92%，由于小颗粒样本具有更高球形率的分布特点，可以在离散元仿真软件中将其设置为等效直径是2.4 mm的球体。而复合肥大颗粒的球形率较低，不适合用球体代替其三维离散元模型，通过大量观察发现，大颗粒的外形基本一致且趋近于扁圆形，因此通过SolidWorks对其进行建模，并将建模文件保存为.igs文件格式，导入EDEM软件中进行肥料大颗粒模型的手动填充，手动填充模型见图3。

3 不同坡度下施肥过程的仿真分析

通过前述对排肥器工作过程的分析可知，肥料颗粒的运动受多种因素的作用，具有很高的复杂性，而云南省马铃薯进行中耕施肥时，由于地势的不平整，中耕机经常需要进行平地和上下坡作业，在进行上下坡作业时，整体机器相对于水平面成一定角度，但肥料受到的重力作用始终竖直向下，使得肥料的运动不尽相同，为探究不同坡度对施肥过程的影响，运用离散元软件EDEM对上述排肥过程进行仿真研究，并结合仿真结果进行山地丘陵地区中耕施肥机的优化方案探讨。

3.1 离散元接触模型

由于肥料颗粒的固体颗粒状特点，肥料的排出过程不涉及肥料颗粒之间的黏结作用，本研究采用Hertz-Mindlin（no-slip）接触模型作为离散元接触模型。经研究，排肥器的组成部件均采用ABS塑料材料，根据材料库和文献[8]并结合相关基础物理力学试验测定的方法得到离散元仿真所需的参数（表2）。

3.2 试验方案

将排肥器结构模型导入EDEM仿真软件中，建立排肥器的离散元仿真工作模型，在肥料箱上端设置2个颗粒工厂，其中颗粒工厂1按照马铃薯复合肥小颗粒占比，以1 500颗/s的生成速度生成小颗粒肥料3 000颗，颗粒工厂2按照马铃薯复合肥大颗粒占比，以4 500颗/s的生成速度生成大颗粒肥料9 000颗，且2种颗粒的半径大小服从肥料颗粒等效直径的正态分布规律。

为模拟不同坡度下马铃薯中耕施肥的过程，设置排肥器中轴线与水平轴分别成75°、90°、105°、120°，用以模拟下坡、水平和上坡过程，对应模拟的坡度分别为-15°、0°、15°、30°。设置外槽轮转速为30 r/min，根据施肥时前进速度设置排肥器前进速度为0.6 m/s。在工作系统的下方设置一个长 600 mm、宽150 mm的平面，用以模拟地面，将该地面区域划分为连续的6等份（图4），仿真完成后通过EDEM的后处理软件提取每个等份区间的肥料质量、整个仿真过程中肥料颗粒在不同位置的速度以及速度变化规律等参数。

3.3 评价方法

马铃薯中耕施肥的主要要求是施肥量要精准、精量，施肥的效果要均匀且稳定，为了准确探究不同坡度对排肥器排肥效果的影响， 本研究选择排肥量和排肥均匀度变异系数2种

指标为排肥器排肥性能的评价指标[8]。为消除排肥器的初始工作状态对初始排肥量的影响，选取模拟地面中 2～6区间为取样区域，仿真结束后，统计每个区间内所有肥料颗粒的总质量，利用公式（3）求解所有區间内肥料颗粒的平均质量。

4 仿真结果与分析

4.1 仿真结果

为分析不同坡度下施肥对施肥量的影响，分别在4个仿真模型中的排肥器下端排肥管处设置颗粒监测区[9]，并分别提取作业开始后2.7～4.2 s时肥料颗粒质量的累加数据，不同坡度下施肥量仿真结果见表3。

提取仿真取样区间每个区间的施肥量，并分别计算排肥平均量、质量标准差，进而求得均匀度变异系数，不同坡度下施肥均匀度仿真结果见表4。

4.2 仿真分析

从表3可以看出，进行下坡施肥时施肥量相对于平地施肥时有所减少，而进行上坡施肥时施肥量有所增加，并且坡度越高施肥量越大。通过对不同坡度下排肥的离散元仿真过程进行比较分析可以看出，影响施肥量变化的主要因素为排肥舌与外槽轮之间的开口方向，进行水平和上下坡施肥作业时，开口方向分别为水平、倾斜向上和倾斜向下，因而相对于平地施肥，下坡施肥时处在排肥舌上面的一部分肥料的流动性有所降低，上坡施肥时流动性则有所增强。从表4可以看出，不同坡度对施肥的均匀性有一定影响，平地施肥时，施肥的均匀性最好。

5 讨论与结论

目前，精量施肥是现代农业发展的趋向[10]，而在山地丘陵地区，马铃薯种植地形多为山区半山区，中耕施肥作业时经常需要进行上下坡施肥作业，通过本研究可知，坡度对施肥效果有一定的影响，因此，在现有中耕施肥机的基础上，通过结构改进，可以将排肥器设计为可调节的部件，以保证施肥器在工作时中轴线始终与水平面垂直。

本研究以外槽轮式排肥器和云南省马铃薯专用复合肥为研究载体，建立了外槽轮式排肥器的三维模型和肥料颗粒的离散元模型。

运用EDEM软件建立了不同坡度下外槽轮式排肥器工作过程的离散元平台，进行4种状态下排肥效果试验，离散元仿真试验结果表明，不同坡度对施肥量有一定影响，上坡施肥时，施肥量增加，下坡施肥时，施肥量减少，且坡度越大变化量越大;不同坡度对排肥均匀性也有一定影响，平地施肥时施肥均匀性最好。

参考文献：

[1]王希英. 双列交错勺带式马铃薯精量排种器的设计与试验研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2016.

[2]宁旺云. 云南马铃薯机械化生产现状及发展对策[J]. 安徽农业科学，2011，39（34）：21497-21498.

[3]汪博涛. 基于离散元法的外槽轮排肥器工作过程仿真与参数优化[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2017.

[4]刘彩玲，黎艳妮，宋建农，等. 基于EDEM的离心甩盘撒肥器性能分析与试验[J]. 农业工程学报，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，武广伟，陈立平，等. 槽轮结构参数对直槽轮式排肥器排肥性能的影响[J]. 农业工程学报，2018，34（18）：12-20.

[7]肖 琪. 变量施肥试验台的设计与试验研究[D]. 大庆：黑龙江八一农垦大学，2018.

[8]苑 进，刘勤华，刘雪美，等. 配比变量施肥中多肥料掺混模拟与掺混腔结构优化[J]. 农业机械学报，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. 中耕追肥机施肥铲的设计与试验研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2014.刘 畅，李志刚，伟利国，等. 基于蚁群算法的RBF神经网络在冲量式谷物流量传感器中的应用[J]. 江苏农业科学，2019，47（15）：259-263.