基于提高排肥均匀性的螺旋排肥器结构改进设计及试验*

雷明雨，吴星澎，顿国强，马洪岩，温淑媛，张继航，张同叶，李佳仪

（1.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江睿龙创新科技有限公司，黑龙江 哈尔滨 150050；3.东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；4.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

化肥可以提高农作物的单位面积产量，施肥是影响作物产量的重要因素之一。合理施用化肥有利于作物健康生长，达到稳产增收的目的。传统的施肥方式消耗体力又浪费时间，且化肥利用率不高，易造成土壤板结等现象，因此，提高化肥利用率在农业生产中具有十分重要的意义[1-2]。

排肥器是组成中耕机械以及播种、施肥联合作业机的重要部件之一，其作业性能直接影响整机的作业性能[3]，进而对施肥质量及施肥的精确性产生影响。现有的螺旋式排肥器可使用多种不同物理特性的肥料进行施肥，且具有可随时根据使用需求对排肥量进行调整等优点，所以应用广泛。但现有的螺旋式排肥器在转速较低时存在排肥口排肥质量波动性大、排肥不均匀等现象，故其无法精量排肥[4]。为提高螺旋排肥器的排肥均匀性[5]，近年来国内外学者对螺旋式排肥器进行了大量研究，赵亮[6]在现有排肥器结构的基础上设计了一种小型螺旋式定量排肥器，通过离散元仿真软件对其工作过程及排肥性能进行分析，探索了不同螺旋叶片直径、螺距、转速等对排肥稳定性的影响，并确定了最优参数组合；薛忠等[5]对排肥器的排肥稳定性与均匀性进行了仿真及台架实验，优化得到了排肥器排肥均匀与稳定的最佳转速。

为提高排肥均匀性，本文对螺旋排肥器的排肥口进行改进设计。通过EDEM仿真的方式对排肥器的运动过程进行模拟仿真，并利用单因素试验及二次函数拟合的方式对仿真试验结果进行分析，分析排肥口结构参数对排肥均匀性的影响。最后通过仿真试验的方式对其最优结果进行验证，以期提高螺旋排肥器在低转速下的排肥均匀性，为螺旋排肥器的优化设计提供参考。

1 螺旋排肥器的结构组成及排肥特性

1.1 排肥器的结构组成

第112页图1为单螺旋排肥器的结构组成，如图所示，排肥器主要由排肥器外壳以及转动装配于外壳内的排肥轮组成，其外壳前后两侧上下端分别配装有入肥口及排肥口[7]。作业时肥料通过入肥口进入，排肥器通过转动装配于外壳内的排肥轮旋转作业将入肥口处的肥料输送至排肥口排出。依据市购单螺旋排肥器，确定其主要结构参数为：螺旋排肥轮内径d=36 mm，螺旋排肥轮外径D=72 mm，螺旋排肥轮螺距S=30 mm，螺牙厚度h=2 mm，排肥口直径D=60 mm；为分析排肥器转速较低时的排肥波动性，将排肥器转速设为60 r/min。

图1 单螺旋排肥器的结构组成

1.2 排肥器的排肥特性分析

影响螺旋排肥器施肥质量的主要因素是排肥均匀性。排肥器排肥口垂直向下并与螺旋叶片相切[8]，在排肥轮连续转动的过程中，肥料被推送至出肥口处时，因刚接触时肥料较少，颗粒之间存在互相作用的力链，其不能及时被重力破坏而排出肥料，随着排肥轮螺旋转动，螺旋叶片与排肥口端面之间的相互位置发生变化，肥料之间的力链被重力破坏以致肥料排出。螺旋叶片与排肥口端面之间位置的周期性变化是造成排肥器排肥不均匀的根本原因。

2 试验方法

2.1 排肥口结构改进及参数优化

通过上述分析可知，排肥口与螺旋叶片之间的角度关系导致排肥均匀性较差，因此，本文采用改变排肥器排肥口形状的方式来提高排肥均匀性。

螺旋排肥器排肥口的结构见图2，选用的排肥口开口斜口侧长度为80 mm，滚筒直径为60 mm，排肥器开口斜口的角度为α，作为变化量。在排肥过程中，肥料经螺旋排肥轮推动到达开口斜口处，小部分肥料在螺旋排肥轮径向推动力及重力作用下开始从左侧小口处排出，其余肥料继续沿螺旋轴向移动。在移动过程中，排肥器排肥口可包覆多个螺旋并使其同时排肥，无论螺旋排肥轮旋转至哪个相位，都有肥料颗粒在排肥口进行排肥，提高了排肥均匀性，降低了排肥时肥料的波动性。

图2 螺旋排肥器排肥口结构图

2.2 仿真模型建立

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分析方法[9]，可以真实再现松散颗粒介质的大离散度运动，因此使用其对螺旋排肥器排肥过程进行仿真具有很大优势。设定肥料颗粒之间不存在因在储存、运输过程中发生结块而产生的粘连，螺旋排肥器内为无水分干燥状态，在肥箱内建立颗粒工厂，设定总颗粒数为8 000，排肥器内排肥轮转速为60 r/min。在排肥器排肥口集肥箱处设置一个监测区，监测排肥器3 s内排出的肥料颗粒总质量，仿真过程为15 s。整体仿真试验示意图见图3。

图3 仿真试验示意图

2.3 仿真参数设置

参考相关文献[10]确定所选用的尿素肥料的相关参数以及肥料与排肥装置（PLA塑料）之间的接触力学参数，设置离散元仿真参数，其中肥料颗粒和排肥装置的泊松比分别为0.25和0.43，剪切模量分别为1.0×107Pa和1.3×109Pa，密度分别为1 861 kg/m3和1 240 kg/m3，静摩擦因素（与颗粒）分别为0.4和0.5，滚动摩擦因素（与颗粒）分别为0.01和0.01，碰撞恢复系数（与颗粒）分别为0.6和0.5。

3 单因素试验

影响螺旋排肥器排肥均匀性的主要因素是排肥口的开口角度。为分析排肥口开口角度变化对排肥均匀性的影响，试验用排肥器开口侧长度为80 mm，分别以30.0°，32.5°，35.0°，37.5°，40.0°，42.5°的排肥口作为试验因素，于排肥器稳定排肥后截取监测区3 s内肥料质量变化数据，见第113页图4。

由图4可知，排肥器刚开始排肥时由于肥料尚未完全充填型腔，导致排肥时肥料波动性较大。在稳定排肥后截取6~9 s时间段为监测区间，以0.5 s为时间间隔统计肥料堆积质量，计算不同排肥口开口角度下排肥波动度，并通过单因素试验确定排肥口开口角度对排肥均匀性的影响，见第113页图5。

图4 集肥箱内肥料堆积质量随时间变化曲线图

图5 排肥口开口角度变化对排肥波动度的影响

由图5可知，排肥口开口角度小于30.0°时排肥波动度较低，但由于其开口角度较小，开口处不利于肥料排出，因此开口角度不能小于30.0°；当排肥口开口角度大于42.5°时，其排肥波动度呈上升趋势。因此，本文使用Origin Pro 8.0取32.5°，35.0°，37.5°，40.0°作为排肥口开口角度参数，与排肥波动度重新进行拟合，其函数方程为

排肥口开口角度与排肥波动度二者间呈二次函数关系，决定系数R2=0.96，得到排肥口开口角度与排肥波动度的函数关系图，见图6。

图6 排肥波动度变化趋势图

通过对图6进行分析得知，排肥波动度随着排肥口开口角度的增大而呈现先减小后增大的趋势，即质量波动状况呈现出先降低后升高的趋势。通过对方程求解，得出在排肥口开口角度为36°时排肥波动度为14.16%，此时排肥器排肥波动度最小，排肥均匀性最好。同时在排肥口开口角度为36°的条件下进行仿真试验，结果表明，开口角度为36°时改进后的螺旋式排肥器排肥波动度为14.14%。

4 台架试验验证

为验证EDEM仿真优化排肥口开口角度结构参数的正确性，并与传统螺旋排肥器进行对比分析，通过台架试验对普通型及改进型螺旋排肥器进行试验验证，见图7。

图7 台架验证试验

肥料颗粒选取江苏晋煤恒盛化工股份有限公司生产的尿素肥料，排肥器通过电机驱动旋转，按照仿真参数将电机转速设置为60 r/min，设定数据采集时间间隔为0.5 s。按时间先后顺序记录6次，对试验数据进行3次记录，取其均值，以排肥波动度作为试验指标，台架试验结果见表1。

表1 台架试验验证结果 （%）

通过对比拟合函数方程计算结果与台架试验验证结果得知，台架试验排肥波动度的均值为14.89%，与优化结果的偏差为0.73%，证明优化结果与台架试验验证结果基本一致。通过表1得知，排肥轮转速为60 r/min时改进后的螺旋排肥器相对于普通螺旋排肥器排肥波动度降低21.46%，表示优化后的排肥器排肥均匀性更佳。

5 结论

本文对传统螺旋式排肥器排肥口结构进行了改进，利用EDEM仿真软件对改进后的螺旋式排肥器进行仿真试验，同时通过单因素试验及参数方差拟合的方式对螺旋排肥器排肥均匀性进行了探究，得出当排肥口开口角度为36°时排肥波动度最低，为14.16%。通过仿真试验的方式对开口角度为36°的改进型螺旋排肥器进行试验验证，结果表明，开口角度为36°时改进后的螺旋式排肥器的排肥波动度为14.89%，较优化结果偏差为0.73%。仿真试验结果与优化结果基本吻合，证明优化结果的准确性，有效地提高了螺旋式排肥器的排肥均匀性。