螺旋排肥器排肥口参数对排肥性能影响的试验研究

杨文武，方龙羽，罗锡文，李 辉，叶扬青，梁展豪

·农业装备工程与机械化·

螺旋排肥器排肥口参数对排肥性能影响的试验研究

杨文武1,2，方龙羽1,2，罗锡文1,2※，李 辉3，叶扬青1,2，梁展豪1,2

（1. 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642；2. 华南农业大学工程学院，广州 510642； 3. 吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022）

针对螺旋排肥器在物料输送过程中排肥口物料流量随时间波动变化造成排肥均匀性降低的问题，该研究采用离散元仿真和台架试验相结合的方法，以排肥均匀性变异系数为评价指标，在螺旋转速30 r/min下，研究了排肥口长度和排肥口角度对排肥均匀性的影响，通过正交试验分析了单个螺旋转动周期内的排肥特性。试验结果表明：影响螺旋排肥器排肥性能的主次因素分别为排肥口长度、排肥口角度，两者对螺旋排肥器的排肥稳定性和均匀性有非常显著的影响，在排肥口角度为135°、排肥口长度为60 mm的组合下取得较优排肥效果，该组合下仿真试验的排肥均匀性变异系数为4.98%，台架验证试验的排肥均匀性变异系数为5.41%，仿真试验和台架试验结果吻合度较好。该研究可为螺旋式排肥器的设计与优化提供参考和理论依据。

农业机械；离散元；试验；螺旋排肥器；排肥量脉动；均匀性

0 引 言

化肥不仅能促进农作物增产增收，还能保持土壤养分[1]。已有研究表明，精准施肥是一种按照养分的供需关系精准高效施肥的方法，对提高肥料利用率、减少化肥施用量具有重要意义，可使农业资源得到最优配置，实现农资投入的科学化和产出的最大化，并可减少对环境的污染，促进农业可持续发展[2-4]。螺旋输送机械是一种常见的连续散体物料输送设备，广泛应用于农业、冶金、化工、建材和矿产等行业[5-8]，具有结构简单、输送环境密闭、输送量可调、单圈输送量稳定等优点，是一种对物料的强制输送方式[9]。但是在应用过程中，存在出料口物料流量脉动变化现象，制约了其在精细给料装置上的应用[10-11]。因此，减少螺旋输送中存在的脉动现象，对稳定给料具有重要意义。王顺森等[12]研究了双螺杆对置加料器，但由于螺旋脉动的周期构成相当复杂，减小脉动周期固然可以减小整体脉动的大小，但增加了系统的复杂程度，不利于在小型机具上应用；Kretz等[13]进行了螺旋设计参数及安装倾角等对螺旋出口物料流率稳定性影响的仿真及台架试验，使出口处的流率更均匀；Debayan等[14]针对小颗粒物料的短距离输送，设计了一种短距离输送螺旋，并对不同螺旋转速下的填充率进行了试验研究；宋欢等[15]基于离散元素法在落料口加装双螺旋结构以及留出空螺距的方式对螺旋输送机构进行优化，使物料排出脉动的峰值降低，但脉动幅度与平均值之间的比值依然较大，不能满足精准排肥的需求。陈雄飞等[16]研制了一种两级螺旋排肥装置，第一级螺旋为第二级螺旋供肥，第二级螺旋进行排肥；李晓贤等[17]针对丘陵山区作业环境，设计了一种垂直螺旋式定量施肥机，通过理论计算和试验优化了螺旋叶片结构参数：张秀丽等[18]设计了一种多段式搅龙有机肥混料装置，采用变螺距的方式横向运输有机肥，进行混料作业，采用离散元仿真和样机试验对其混料均匀性、抗堵性能和防积料性能进行了分析；吕金庆等[19]针对马铃薯种植过程中施肥量大等问题，设计了一种螺旋施肥器，采用同轴上两节旋向相反的螺旋，同时对2行作物施肥。以上研究都依据施肥量的需求，对螺旋排肥器的排肥量进行了理论计算和研究，但对于精量施肥，还要考虑排肥精度、排肥均匀性及稳定性[20]。

典型的螺旋排肥器排肥口垂直螺旋向下，与螺旋叶片相切[21]，由于排肥口的螺旋终止端面叶片转动到不同位置时，螺旋与螺旋套管之间形成的肥料储存空间不同，肥料颗粒受到螺旋叶片与螺旋套管的阻挡作用不同，从而产生了肥料颗粒周期性变化的排肥量脉动现象[22]。针对现有螺旋排肥器排肥量随时间脉动的现象，鉴于螺旋排肥器的结构参数对其排肥性能有较大的影响[23]，本文开展螺旋排肥器排肥口长度和排肥口角度对排肥性能影响关系的分析，在分析螺旋排肥器结构关键参数及各因素的交互作用的基础上，设计二因素三水平的正交试验，采用离散元仿真技术和台架试验相结合的方式对不同结构参数下的螺旋排肥器的排肥均匀性变异系数进行极差和方差分析，并应用3D成型技术加工优化设计后的排肥器，进行台架试验，以期提高螺旋排肥器的排肥精度和排肥均匀性，为螺旋排肥器的优化设计提供参考。

1 工作原理及排肥瞬态特性分析

1.1 螺旋排肥器的结构组成

螺旋排肥器主要由驱动电机、联轴器、充肥口、螺旋、螺旋套管、排肥口和集料器等组成，结构如图1所示，其中排肥作业的关键部件是螺旋和螺旋套管。参照GB/T35487-2017[24]所规定的排肥量400 kg/hm2确定排肥螺旋参数，本研究的螺旋排肥器基本结构参数为：螺旋内径=21 mm，外径=50 mm，螺距=40 mm，螺牙深度=14.5 mm，螺牙平均厚度=4 mm。根据式（1）[25]计算得排肥螺旋的最高转速为223.06 r/min。

式中max为排肥螺旋的临界转速，r/min；为物料综合系数，取值=50[25]。

1.驱动电机 2.联轴器 3.充肥口 4.螺旋 5.螺旋套管 6.排肥口 7.集料器

1.Drive motor 2.Coupling 3.Feeding inlet 4.Screw 5.Screw shell 6.Discharge port 7. Concentrator

图1 螺旋排肥器结构示意图

Fig.1 Struutural diagram of fertilizer distribution apparatus with screw

螺旋排肥器排肥时，肥箱内的肥料颗粒在重力作用下进入充肥口，填充螺旋和螺旋套管间的空隙，电机驱动螺旋作定轴转动，在螺旋和螺旋套管内壁的共同作用下，推动肥料颗粒沿螺旋轴向运动，肥料至排肥口时在重力的作用下排出排肥器，落入排肥管路，完成排肥过程。根据螺旋输送机构的工作原理[16]，螺旋排肥器的排肥量关系可按式（2）和（3）计算：

[p(22)/4−bhL]（2）

=（3）

1.2 螺旋排肥器排肥瞬态特性分析

1.2.1仿真参数设定

离散元法（Discrete Element Method，DEM）是一种求解与分析复杂离散系统的运动规律与力学特性的数值计算方法[26]。假设螺旋输送模式为理想的无水环境，颗粒之间不存在粘结作用，本研究采用Hertz-Mindlin（no slip）接触模型作为肥料颗粒与肥料颗粒，肥料颗粒与排肥器几何体之间的接触模型[27]。参考相关文献[28-30]及试验方法，确定本研究所使用的肥料颗粒（俄罗斯阿康公司生产的阿康复合肥料）、排肥器材料（PLA塑料）之间的接触力学参数如表1所示。

表1 离散元模型材料参数及与肥料颗粒之间的接触参数

休止角能反映散粒物料的内摩擦特性和散落性能，本文采用休止角对该参数模型进行标定[31-34]，实际测得的肥料堆积角为32.711°，参数模型标定堆积角为32.709°，两者相差仅0.002°，表明该模型能较好地反映该肥料的性能。

1.2.2瞬态排肥特性

为了明确典型螺旋排肥器的瞬态排肥特性，采用EDEM 2018离散元仿真软件对典型螺旋排肥器排肥过程进行分析，仿真参数按照表1设定，螺旋转速为30 r/min[35]。在一个螺旋转动周期内，瞬时排肥量随转动相位角变化如图2所示，通过分析单圈排肥过程中排肥口的瞬时肥料流发现，排肥口的瞬态排肥量成周期性脉动变化。导致排肥口排肥量脉动变化，排肥均匀性差，一是由于颗粒之间存在相互作用的力链，力链不能及时被重力破坏并使肥料及时排出[15]；另一个原因是由于排肥螺旋连续转动，导致排肥口处所形成的螺旋与螺旋套管端面之间的开口大小呈周期性变化。后者是造成螺旋排肥器排肥特性不稳定的根本原因。有研究表明，螺旋叶片与螺旋套管端面之间的间隙大于颗粒直径的1.5倍以上，肥料颗粒才能顺畅流动[31]。

1.螺旋 2. 螺旋套管端面

排肥器排肥的均匀性和精确性是考核排肥器性能的主要参数[32-34]。为了减少螺旋排肥器的排肥量脉动，提高排肥均匀性，本文提出侧面出肥方式，如图3所示，排肥器工作时，肥料颗粒在螺旋作用下，到达排肥口后，肥料在螺旋径向力作用下开始排出，同时还有部分肥料继续沿螺旋轴向运动，使整个排肥口长度方向都属于排肥区，肥料在不同的位置排出，完成排肥过程。由于肥料沿与螺旋轴平行的整个排肥口长度范围内排出，无论螺旋转动至什么相位，排肥口都在进行排肥，从而消除了排肥量脉动的产生，实现均匀排肥。

综上所述，影响螺旋排肥器排肥均匀性的主要因素是排肥口的结构，螺旋排肥口结构因素主要有排肥口角度和排肥口长度。为了确定合理的排肥口结构参数，本文拟进行不同排肥口角度（螺旋水平面与排肥口之间的夹角）和排肥口长度（螺旋套管端面与螺旋排肥口端面之间的长度）组合对螺旋排肥器排肥性能的影响研究。

1.螺旋排肥口端面 2.螺旋 3.排肥口 4.螺旋套管端面 5.螺旋套管 6.螺旋水平面

1.End plane of discharge port 2.Screw 3.Discharge port 4.End face of screw shell 5.Screw shell 6.Horizontal plane of the screw

注：表示排肥口长度，mm；表示排肥口角度，(°)。

Note:represent the lenth of discharge port,represent the angel of discharge port.

图3 排肥口结构示意图

Fig.3 Struutural diagram of discharge port

2 试验方法

2.1 仿真试验

螺旋排肥器结构模型采用SolidWorks三维软件按照1:1的比例绘制，并将其导入EDEM 2018进行仿真。为减小肥料排出后肥料颗粒与收集容器U型槽之间产生弹跳，在集肥器出口下方80 mm处设置有长6 000 mm，宽100 mm的肥料收集槽，用于观察肥料排出后的分布状况。为研究低频脉动情况，以螺旋在30 r/min的低速转动下进行研究，设置排肥器的前进速度为0.5 m/s[35]。离散元仿真的颗粒工厂设置于肥箱顶端的一个比肥箱开口略小的cylinder虚拟几何体内，生成速率为每秒15 000颗，在重力作用下自由下落，共生成30 000颗肥料颗粒，所有颗粒生成完毕后，排肥器螺旋开始转动，待排肥稳定后，设置排肥器整体沿U形槽直线移动，进行仿真试验，如图4所示。

1.Cylinder虚拟几何体 2.肥箱 3.充肥口 4.螺旋套管 5.排肥口 6.集肥器 7.U型槽

1.Cylinder virtual geometry 2.Fertilizer box 3.Feeding inlet 4.Screw shell 5.Discharge port 6.Fertilizer collector 7.U-shaped trough

注：轴方向为螺旋排肥器前进方向。

Note：The x-axis direction is the forward direction of the fertilizer distribution apparatus with screw.

图4 仿真试验示意图

Fig.4 Schematic diagram of simulation test process

2.2 台架试验

为进一步验证和研究排肥器的排肥特性，本文采用台架试验的方式进行试验研究，如图5所示。螺旋排肥器采用PLA塑料加工成型，使用步进电机直接驱动。每次试验前确保肥箱内的肥料不少于肥箱容积的三分之二。

1.数据采集界面 2.电子秤 3.肥料收集盒 4.螺旋排肥器 5.驱动电机 6.肥箱

台架试验设定排肥螺旋转速为30 r/min，所用的肥料为俄罗斯阿康公司生产的阿康复合肥料。台架试验的数据采集方法为：电子秤实时采集排肥质量，通过串口将采集的质量数据传输到电脑端，设定数据采集间隔为250 ms。每个排肥螺旋转动周期内的排肥量按照时间的先后顺序记录8次，统计螺旋单个转动周期内8个数据之间的变异系数。

2.3 排肥性能评价标准

为了准确评价离散元仿真试验中不同排肥口结构参数对排肥稳定性、均匀性的影响，参照JB/T9783-2013[36]规定的试验方法，对螺旋排肥器的一个转动周期内排肥量变化进行研究。

采用网格法对排肥均匀性进行数据统计[35]。根据排肥器的前进速度可知，螺旋转动一圈排肥器在U型槽上走过的距离为1 m。沿轴将U型槽分为5个长1 m的试验重复区组，每个区组用8个长宽分别为125 mm´100 mm的统计网格细分，每个小区内的8个统计网格以轴正方向依次编号为a ~ h，分别统计8个网格内肥料的质量，统计网格设置如图6所示。通过式（4）～（6）统计该组排肥性能试验各统计网格单元的平均排肥质量、标准差以及排肥均匀性变异系数[35]。

（6）

注：a~h分别表示单个试验区组内数据采集网格单元编号。

各统计网格单元之间的排肥均匀性变异系数越小，则表明排肥器的排肥稳定性和排肥均匀性越好。因此，以各统计网格单元之间的排肥均匀性变异系数作为评价指标，分析不同螺旋排肥口结构参数下的排肥性能。

3 试验分析与结果

3.1 单因素试验

为了确定排肥口角度及长度对排肥均匀性的影响，采用离散元仿真技术在不同排肥口角度和不同排肥口长度下进行了单因素试验研究。

3.1.1排肥口角度

试验用排肥口长度为40 mm（1倍螺距），排肥口角度分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°，研究不同排肥口角度对排肥均匀性变异系数的影响，得到排肥均匀性变异系数与排肥口角度的关系如图7a所示。

试验结果表明，随着排肥口角度的增大，排肥均匀性变异系数先增大，在60°附近达到最大值，随后逐渐下降，在120°～150°范围内得到最小值，但同时发现180°时取得更低的均匀性变异系数。

对排肥口角度为180°时的肥料颗粒运动分析发现，由于排肥口角度过大，部分肥料颗粒不能及时排出，而是随着排肥螺旋做圆周运动，不利于排肥，所以排肥口角度为180°不能作为合适的排肥角度。排肥口角度为150°时无此现象。因此，排肥口角度选取范围确定为120°～150°。

3.1.2 排肥口长度

试验用排肥口角度为120°，为保证肥料能顺利排出，排肥口长度应大于一个螺距长度[21]，因此，排肥口长度分别取40、60、80和100 mm，研究不同排肥口长度对排肥均匀性变异系数的影响。得到的排肥均匀性变异系数与排肥口长度的关系如图7b所示。

排肥口长度单因素试验结果表明，随着排肥口长度增大，排肥均匀性变异系数先减小后增大，在60 mm附近取得最小值，因此，排肥口长度选取范围确定为40～80 mm。

3.2 正交试验

3.2.1 试验设计

结合单因素试验结果，本研究选取排肥口角度范围为120°～150°，排肥口长度40～80 mm作为正交试验范围。通过试验确定两者的最佳参数组合，2个因素分别设置3个水平，如表2所示。

由于无法判定排肥口长度与螺距之间是否存在交互作用，有必要对所选取的2个试验因素进行交互作用判别，正交试验表需要设置有交互作用的列。选择有交互作用的L18（37）正交表安排正交试验，二因素三水平之间的交互作用需要占用2列，其余3列作为空列[37]。

3.2.2 试验结果与分析

本试验开展时仅需要考虑1，2两个因素，因此根据L18（37）表头安排试验，试验结果如表3所示。

表3 试验结果

由评价标准可知，排肥均匀性变异系数越小，则排肥脉动性越小，排肥均匀性越好。仿真试验和台架试验所得出的结果存在偏差，但趋势一致。由表4可知，交互作用1´2对螺旋排肥器均匀性变异系数的影响程度小于因素1、2，对排肥均匀性变异系数影响的主要因素的顺序依次为：1、2、1´2。得到二因素三水平下的最优因素水平组合为1222，即排肥口角度135°，排肥口长度为60 mm。在该最优结构参数组合下，仿真试验排肥均匀性变异系数为4.98%，台架试验排肥均匀性变异系数为5.08 %，该组合下螺旋排肥器排肥稳定性和均匀性较好，排肥性能较优。

为进一步研究排肥口角度、排肥口长度对螺旋排肥器排肥性能影响的重要程度，对正交试验结果进行方差分析，结果如表5所示。查表得0.01(2.9)=8.02，0.05(4.9)= 3.63[37]。方差分析表明，排肥口长度（因素1）和排肥口角度（因素2）对螺旋排肥器的排肥稳定性和均匀性有非常显著的影响，两者的交互作用（因素1´2）对试验结果影响不显著。

表4 极差分析

表5 方差分析

注：**表示影响非常显著（>0.01）；表示残差。

Note: * * indicates that this impact is very significant (>0.01);is residual error.

4 试验验证

为了进一步分析该螺旋排肥器的排肥性能，采用正交试验中得到排肥口结构参数最优组合，即排肥口角度为135°，排肥口长度为60 mm。对该排肥口结构参数组合下的螺旋排肥器分别进行了最优组合验证和螺旋转速在0～225 r/min范围内的单圈排肥量测定台架排肥试验（螺旋最高设计转速为223.6 r/min）。

在螺旋转速30 r/min，收集盒距集肥器出口下方80 mm情况下，进行5次重复排肥试验，取平均值，得到该螺旋排肥器的排肥均匀性变异系数为5.41%；与正交试验中该组合仿真结果（4.98%）和台架结果（5.08%）的相对误差分别为8.63%和6.50%，与正交试验结果基本吻合，表明正交试验得到的最优结构参数组合是有效的。

在转速0～225 r/min，梯度为15 r/min的情况下，进行最优组合排肥器的单圈排肥量测试试验，控制步进电机以试验转速，转动100圈，对排出的肥料进行称重，计算单圈排肥量，结果如图9所示。试验重复5次，并计算单圈排肥量与平均单圈排肥量的均相对偏差。试验结果表明，在0～225 r/min转速范围内单圈排肥量平均值为37.66 g，平均相对偏差为0.66%，表明排肥器单圈排肥量稳定性较好。

图8 单圈排肥量测试结果

5 结 论

1）进行了螺旋排肥器排肥瞬态特性分析，结果表明排肥口结构参数对螺旋排肥器的排肥性能有较大影响。

2）采用离散元仿真技术进行了单因素试验，获得了排肥口角度对排肥性能影响的趋势。

3）通过仿真和台架试验，采用正交试验研究了排肥口角度和排肥口长度对螺旋脉动引起的排肥性能变化。结果表明，2个因素对排肥性能有非常显著的影响，影响的主次因素分别为排肥口长度、排肥口角度，最优的排肥口组合参数为排肥口角度为135°，排肥口长度为60 mm。正交试验中最优组合下螺旋排肥器仿真试验排肥均匀性变异系数为4.98%，台架试验排肥均匀性变异系数为5.08%。对最优参数组合进行了台架试验验证，得到排肥均匀性变异系数为5.41%，与正交试验结果基本吻合，说明试验结果具有实用性。

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Experimental study of the effects of discharge port parameters on the fertilizing performance for fertilizer distribution apparatus with screw

Yang Wenwu1,2, Fang Longyu1,2, Luo Xiwen1,2※, Li Hui3, Ye Yangqing1,2, Liang Zhanhao1,2

(1.510642,; 2.510642,;3,130022,)

As an ideal execution mechanism for precise fertilizer distribution, the fertilizer distribution apparatus with screw is of great significance for precise fertilizer distribution. To solve the problem that the fertilizer flow rate at the discharge port of the fertilizer distribution apparatus with screw fluctuates with time during the fertilizer transportation process and the low fertilization precision, the orthogonal experiments and bench experiments, taking the variable coefficient of fertilization uniformity as the evaluation indexes, were carried out to study the influences of the discharge port parameters of the screw fertilizer distribution apparatus on the fertilization performance with the discrete element simulation and 3D rapid prototyping technology. The screw fertilizer distribution apparatus consisted of feeding inlet, screw, screw shell, discharge port. Firstly, A discrete element simulation platform was established to analyze the transient characteristics of the screw fertilizer distribution apparatus, the results showed that the lateral fertilizer method can reduce the low-frequency pulsation in the screw fertilizer process. Moreover, single-element tests with discrete element simulation of the discharge port angle and discharge port length were performed. The effective range of the discharge port angle and length were 120°-150° and 40-80 mm respectively according to single-element tests. Furthermore, the L18(37) standard orthogonal table was used for the discrete element simulation and the bench test. The influences of two factors on the fertilization accuracy were studied, including the length of discharge port and the angle of discharge port and the interaction between the previous two factors. The fertilization characteristics of a single spiral rotation period are analyzed by orthogonal experiments. The results showed that the order of the main factors affecting the variable coefficient of fertilizer uniformity were the length of discharge port and the angle of discharge port, interaction between the previous two factors. The length of discharge port and the angle of discharge port had significant influences on the coefficient variation of uniformity of the fertilizer distribution apparatus with screw while the interaction between these two factors was not significant. The optimal combination of parameters was as follows: the length of the discharge port was 60 mm, the angle of discharge was 135°. The simulation results based on the optimal combination showed that the coefficient variation of uniformity was 4.98 %. The bench test was conducted to verify the optimal parameter combination results obtained by the orthogonal test. The bench verification test results showed that the coefficient variation of uniformity was 5.41 %, basically agree with the simulation result. This study can provide a reference and theoretical basis for the design and optimization of the fertilizer distribution apparatus with screw.

agricultural machinery; discrete element; experiments; fertilizer distribution apparatus with screw; fertilizer flow fluctuation; uniformity

杨文武，方龙羽，罗锡文，等. 螺旋排肥器排肥口参数对排肥性能影响的试验研究[J]. 农业工程学报，2020，36(17)：1-8.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.001 http://www.tcsae.org

Yang Wenwu, Fang Longyu, Luo Xiwen, et al. Experimental study of the effects of discharge port parameters on the fertilizing performance for fertilizer distribution apparatus with screw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 1-8. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.001 http://www.tcsae.org

2020-03-23

2020-06-10

国家重点研发计划项目（2017YFD0700503-2）；广东省普通高校“人工智能”重点领域专项（2019KDZX1004）

杨文武，主要从事农业机械生产装备研究。Email：yangwenwu@scau.edu.cn

罗锡文，教授，博士生导师，主要从事农业机械化、农业电气化与自动化研究。Email：xwluo@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.001

S147.2

A

1002-6819(2020)-17-0001-08