基于离散元的间歇式施肥器的施肥过程

时间：2024-05-21

李超　施伟　姚应方　李余进　李哲　张艳诚

摘要：为解决云南地区普通开沟条施施肥器耕作阻力大以及持续施肥导致的化肥浪费、污染的问题，基于曲柄滑块机构设计了一款间歇式施肥器，并利用EDEM对其2个周期（0.6s）的施肥过程进行仿真分析，并将其耕作阻力、施肥效果与普通开沟条施施肥器对比。在行进速度都是1m/s、下落深度都是24cm的情况下，间歇式施肥器在1个周期内的施肥约10cm;施肥深度分布在0～24cm;施肥间距为30cm，满足农业上的追肥要求。其平均耕作阻力仅为39.968N，每次排肥的颗粒都在3200颗左右，排肥颗粒总数为6964颗，均远小于条施施肥器。因此可以在满足农艺要求的情况下做到降阻减排。

关键词：离散元;普通开沟条施施肥器;间歇式施肥器;降阻减排;耕作阻力;施肥效果

中图分类号：S224.21文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2021）01-0166-04

作者简介：李超（1995—），男，山东济南人，硕士研究生，主要从事智能装备研究。E-mail：827436133@qq.com。

通信作者：张艳诚，硕士，副教授，主要从事智能装备研究。E-mail：zhyancheng72@163.com。

青贮玉米营养价值和生物学产量较高[1]，是奶、肉等畜产品生产重要的粗饲料来源[2]。目前我国云南省青贮玉米种植面积为1.513×106hm2，是云南省种植面积最大的作物。而中耕追肥作为青贮玉米生长过程中极为重要的环节，对青贮玉米的产量和质量有着密不可分的关系。目前的中耕追肥方式基本为开沟条施，但在持续破土追肥过程中，由于云南省黏重土壤所占面积高达245hm2，其土壤特性增加了破土阻力，使整体机组功耗增加;同时，开沟器在破土过程中极容易伤根伤苗，对青贮玉米的生长造成影响;开沟条施方式不间断施肥造成化肥的浪费，不仅导致土壤污染并且增加了农民的经济成本。本研究针对开沟条施方式中持续破土施肥造成的机组功耗大、化肥浪费的问题设计了一款间歇式施肥器，并利用EDEM建立离散元仿真模型，分别对该施肥器及普通开沟条施施肥器的施肥过程进行模拟仿真，对比2种施肥器的受力过程及施肥效果。

1间歇式施肥器结构及工作原理

1.1施肥器工作原理

间歇式施肥器结构见图1，该施肥器主要由链传动机构、曲柄滑块机构以及破土器组成。链传动机构主动轮与动力机构相连，从动轮带动曲柄滑块机构，使破土器上下运动，同时肥箱中的化肥经肥管进入破土器。其中从动轮半径为16cm，转速为0.3r/s;破土器离地面最远为8cm，施肥深度可达24cm，因此施肥周期为0.3s，有0.2s在破土施肥。

1.2破土器的设计及工作原理

破土器结构见图2，该破土器宽度为6cm，长度为8.5cm，高度为45cm，底部设计为高15cm的直三棱锥，方便其垂直入土，管壁内部有1个长5cm且与管壁呈40°的防返板，防止破土器在高处时已经下落到排肥管底部的化肥，由于下落速度没有破土器快，而相对于破土器向上运动，因而无法及时排肥。由于破土器在下落过程中也会随机具向前运动，因此施肥器前面设计为60°的角，方便前进时开土。

排肥口在三棱锥尾部，且有挡肥板控制排肥，其工作原理见图3，挡肥板在排肥管管壁的滑轨内部，连接杆穿过弹簧将挡肥板与内阻挡杆连接，外阻挡杆与施肥器的机架相连。当破土器在最高处时，内阻挡杆在其运动滑轨的最底部，与外阻挡杆的距离为8cm，弹簧由管壁中的隔层顶出挡肥板，使排肥口闭合;当破土器随曲柄连杆向下运动时，由于外阻挡杆与机架连接，相对破土器向上运动，且在滑孔中也不会阻挡破土器的运动;当破土器下降8cm后，内阻挡杆被外阻挡杆阻挡，并使内阻挡杆在滑轨中向上运动，同时连接杆向上运动，拉起挡肥板，弹簧呈压缩状态，直至破土器下到最深;随后破土器上升，外阻挡杆相对破土器向下运动，弹簧开始复原，将挡肥板逐渐弹出。

2间歇式施肥器仿真试验

2.1仿真参数确定

土壤颗粒与肥料颗粒及破土器间、肥料颗粒与肥料颗粒及破土器间的接触力学模型采用Hertz-mindlin（no-slip）模型，土壤颗粒与土壤颗粒之间的接触力学模型采用Hertz-mindlinwithJKR模型，并依据文献[3-8]确定模型相关参数（表1）。

以半径为1.5mm的球体模拟肥料颗粒，以半径为5mm的球体模拟土壤颗粒，分别建立肥料颗粒工厂以及土壤颗粒工厂，土壤工厂生成颗粒总数为35000颗，每秒生成5000颗，土壤颗粒初始下落速度1m/s;肥料工厂生成颗粒总数为20000颗，每秒生成5000颗，肥料颗粒初始下落速度为2m/s。二者生成位置均为随机的。

2.2间歇式施肥器与普通话施肥器运动参数确定

將solidworks2015中破土器装配体（破土器和挡肥板）以IGS格式文件保存，并导入EDEM中，单位选择mm，由于挡肥板与破土器的运动不同，因此导入时不合并部件（图4）。

以y=0为地面，建立破土器1个周期内的运动轨迹图（图5），破土器在周期运动的同时，机组也在前进，将破土器与挡肥板的x轴正方向的速度均设为1m/s。起初破土器与挡肥板同时以1.6m/s的速度沿y轴负方向运动，0.05s后到达地面;然后挡肥板y轴方向运动停止，破土器以2.4m/s的速度继续沿y轴负方向运动，0.1s后到达最深处;随后又以2.4m/s的速度沿y轴正方向运动0.1s，回到地面;最后，破土器与挡肥板同时以1.6m/s的速度沿轴正方向运动0.05s，结束该运动周期。

随后新建1个新的EDEM任务，并在新的EDEM中导入1个长度为16.5cm，但宽度、高度与破土器相同的普通锄式开沟器，该开沟器入土角为55°，且内置排肥管。其仿真参数与破土器的仿真参数相同，运动参数设置1个1m/s的前进速度，并且在前0.1s内设置1个2.4m/s的下落速度，使其施肥深度与间歇式施肥器施肥深度相同。

2.3仿真结果分析与对比

利用EDEM中的后处理，对间歇式施肥器运动0.6s（2个周期）的耕作阻力以及施肥过程进行分析，并对比普通施肥器在土壤中稳定前进了0.6s的耕作阻力及施肥过程。

2.3.1间歇式施肥器耕作阻力分析与对比

从图6可以看出，由于普通条施施肥的开沟器一直在土壤中开沟，在其稳定的开沟0.6s中其受到的耕作阻力也在一个稳定的范围内，其最大阻力为195.943N，最小阻力为122.827N。而间歇式施肥器的破土器是间歇破土，在每个周期内的入土期间，阻力均是先增大后减小，因此每个周期都会有1个阻力峰值，这是由于从开始入土到最深处的0.05～0.15、0.35～0.45s内，由于破土器向前破土的同时还要向下破土，入土越深，向下的阻力越大，且向前的阻力会随着入土深度的增加而增大，因此其受到的阻力迅速增大，破土器入土24cm时受力达到峰值;出土的0.15～0.25、0.45～0.55s内，施肥器只会受到前进的阻力，且随着施肥器升高，阻力逐渐减小。

本研究所采用的普通条施施肥器耕作阻力在122.827～195.943N之间波动，平均阻力为160N，而不同的条施施肥器虽然会因为其参数不同，致使所受阻力不同，但都会在某个范围中波动。而间歇式施肥器耕作阻力每个周期都呈峰状，2个周期峰值分别为202.427、210.835N，均大于普通条施施肥器的最大阻力。但是由于其有部分时间在地面以上所受阻力为0，因此平均阻力仅为39.968N。

2.3.2间歇式施肥器施肥效果分析与对比

普通条施施肥器施肥效果如图7-a，施肥状态为均匀的条状，宽度为8cm、厚度为5cm，施肥深度为24cm。而间歇式施肥器施肥状态主体近似锥体如图7-b，且水平方向不连续，施肥厚度为24cm，距地表越深，施肥量越小，且1个周期的施肥长度仅为10cm。

利用EDEM后处理中的网格工具，将网格中心设置在施肥器施肥的初始位置，并随着每0.01s施肥器的前进扩大网格的大小，以此来统计施肥量。间歇式施肥器与普通施肥器稳定施肥0.6s内的施肥量变化见图8。

从图8可以看出，0.6s内普通条施施肥器的总施肥颗粒数为15507颗，每0.01s的施肥量都在300颗左右。而间歇式施肥器总施肥量呈间歇式增长，总施肥颗粒为6964颗。间歇式施肥器在地面上时，挡肥板闭合，因此施肥颗粒数为0;而在土壤中的前0.1s，虽然挡肥板已经打开，但是一方面由于后方土壤的阻挡，另一方面破土器的下落速度大于肥料颗粒下落速度，致使化肥总体向上运动，虽然内有防返板阻挡肥料颗粒的运动，但防返板下方有管壁阻挡，致使排肥受阻，排肥量较少;后0.1s由于后方土壤与破土器的空间变大以及破土器向上运动，使肥料颗粒可以下落，且下落空间比较大，使肥料顺利排出，直到挡肥板闭合。因此，间歇式施肥器1周期内向前运动30cm中，排肥约10cm，周期间排肥间隔为30cm。

3结论

通过对间歇式施肥器在行进速度为1m/s的2个周期（0.6s）内的排肥过程进行仿真并分析，对比施肥深度为24cm行进速度相同的普通条施施肥器可知，间歇式施肥器虽然每个周期内的最大阻力均超过200N，大于普通条施施肥器的最大耕作阻力，但由于每个周期都有0.1s的间歇，所以平均阻力仅为39.968N，远小于普通条施施肥器平均阻力。

间歇式施肥器1次排肥后的肥料分布近似锥体，且地下0～24cm皆有分布，排肥颗粒在3200颗左右。2个周期共排肥约20cm，且排肥间隔为30cm，总排肥颗粒6964颗。相对于普通条施施肥器更节省化肥。

传统施肥有表层施肥到深施，因此施肥深度0～40cm均合理[9-10]，且玉米株距在20～35cm內为合理范围[11-12]，因此间歇式施肥器可以在极大降低耕作阻力和排肥量的同时满足玉米的追肥要求。

参考文献：

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