基于DEM软件的离心变速施肥机撒布性能及分布规律的数值模拟
摘要：
中国农民一直关注化肥的效率和利用率，因为中国严格执行“双减”计划，要求减少化肥和农药的使用。本研究旨在提高自主研发的离心式变速施肥机的撒肥性能和肥料分布均匀性。通过离散元模拟试验评价了撒播性能，分析了肥料颗粒分布变化与肥料撒布机工作参数之间的关系。使用二维基质评估颗粒的质量，并确定肥料颗粒的横向分布的变异系数。结果表明，随着叶片桨距角的增加，分布形状不规则地变化，随着撒布盘高度的增加，变异系数减小。此外，当施加流量逐渐增加时，变化系数首先迅速减小但之后逐渐减小。另外，随着盘的旋转速度的增加，分布逐渐从三角形变为W形并最终变为M形。单排应用流量为300 g / s，叶片桨距角为15°，吊具盘高度为95 cm，转速为600 r /时，具有良好的扩散均匀性。现场验证测试表明，相对于涂抹器的有效扩散条带宽度的平均变异系数为16.74％。相对于模拟结果，相对误差为10.66％，从而验证了模拟模型并确认了其准确性。结果表明，开发的变速率吊具的变异系数降低，表现出较高的扩散性能。该结果为农民改变传统的经验施肥技术提供了理论依据，有助于设计和优化离心变量施肥机。
关键词：变速技术 离心式施肥机 施肥性能 实地测试
引言
随着对高产作物产量的需求不断增加，合理有效地使用化肥对提高作物产量和提高效率非常重要（陈和郭，2013;罗布林 和巴罗，2000年).因此，已经开发了变量施肥以改变传统的平衡施肥技术。目的是提高化肥的运行效率和利用率，加快现代农业实践的可持续发展，从而以环保的方式获得高产，优质的作物（Wang等，2009;穗 等，2012).随着大型家庭农场的出现，带有槽轮的窄幅可变速涂抹器已被取代配备高效离心式变速撒布机。因此，离心式吊具的准确性和一致性已成为全球广泛研究的焦点（刘，2012).
20世纪80年代初, 一些理论和实验研究在纺纱机盘状施肥机上进行, 并在动力学上利用动态模拟模型评价了粒状肥料的特性。科齐和伦巴德 (2011年) 开发了一个运动轨迹和动态模型在2011年的圆盘上和通过空气中的颗粒肥料。通过用离散元分析法 (DEM) 获得了一个主轴-盘式变压施肥器的仿真模型，以及颗粒肥料的物理性质 (如粒径、摩擦系数和回收率) 对颗粒分布有被分析。此外, 还进行了验证测试, 以确认模拟模型的可行性和准确性 。Grift 等人提出了一种基于光学反馈传感器的进给门控制方法, 以消除均匀性的可变性。仿真结果表明, 进给门法能够为任何给定的应用率产生高质量的模式。坎贝尔 (2010) 比较了使用不同控制系统 (开环和闭环) 的离心变速率施肥机, 并研究了应用流量和装置结构对肥料变异系数的影响分布和有效的条带宽度。
近年来, 有几项研究系统地分析了一种具有纺纱机盘的变肥施药器 。陈等人开发了一种带双圆盘的高间隙可变率施肥机, 确定了主要结构参数以及相应的传动装置和机器控制系统，张等人提出了一种带链式输送机的变速施肥器。他们建立了颗粒肥料的强制运动方程, 并确定了合适的液压控制系统和施肥机的结构参数 (张等人, 2012年)。吕等人通过对圆盘和空气中的肥料颗粒进行运动学分析, 用圆锥圆盘模拟了一个施肥器。此外, 他们还进行了实验室测试, 以验颗粒的扩散均匀性。
在大多数离心施肥机的研究中, 重点是粒子轨迹的理论分析、施肥机的结构设计和控制系统的优化。但在肥料分配模式和性能验证方面, 还缺乏离心变式施药器的研究。关于基于本研究小组研制的冬小麦作物冠层光谱反射率的变差施肥器 (Shi 等人, 2015年;Chen 等人, 2015年;石等人, 2017), 我们调查了有关在大面积传播肥料, 利用率低, 颗粒分布不均匀的问题, 目的是阐明肥料分布变化与施药器工作参数之间的关系。对离心施肥机的DEM 仿真模型进行了仿真。进行了现场测试 以验证模型, 并提高施肥机的传播性能。
施肥器的结构和工作原理
2.1 施肥机结构
图一介绍了基于频谱技术的所研制的实时变速施肥机的总体结构。该施肥机包括光谱传感器、车载控制终端 (中央处理单元 (CPU))、导引系统、施肥机设备, 以及控制系统, 以及其他次要部分。
2.2 肥料颗粒的运动学分析
2.2.1施肥机圆盘的设计参数
以前开发的变速施肥器的长度、宽度和高度分别为2300毫米、1450毫米和1200毫米, 提供了25米或更高的有效扩展条宽。通过三点悬挂系统将施肥机连接到拖拉机上。本研究中开发的离心施肥机, 如图 2(a) 所示, 主要由锥形施肥机盘、施肥叶片和离心式分配盖。施肥机盘的直径为620毫米;圆锥壁alpha;的角度从0到20°不等, 用于增加铺展条的有效宽度。双施肥叶片相互定向 180°;叶片的间距角, beta;, 相对于中心对齐母线的作用, 通过一个可调的 0–40°, 可以设置一个调整螺丝。离心分配盖是位于两个螺距叶片之间的气缸, 直径为240毫米, 高度为80毫米, 厚度为5毫米, 并具有一个开放的底部, 在阀瓣上方的叶片之间有一个45毫米高的放电开口。肥料颗粒在离心力的作用下, 从旋转分配盖的排放开口流出, 通过沥青叶片的转动分散, 将肥料均匀地分布在圆盘的边缘。肥料排放调节与控制装置，如图 2(b) 所示。根据目标速率, 机架和齿轮机构由步进电机驱动, 以调整移动板上孔相对于固定板孔的位置, 改变进料闸门开口的大小, 从而在 0–450 g 范围内调整流速， 然后控制肥料的分配速率。
2.2.2肥料颗粒的被动动力学特性分析
肥料颗粒的动力学特性分析主要是在离心肥料施肥机的传播过程中, 将肥料颗粒在高速旋转 (被动运动) 上的相对和绝对运动和弹丸运动分为两种行为在离开圆盘 (主动运动) 后的离心力作用下的肥料颗粒。
当肥料颗粒处于被动运动状态时, 受锥形扩散盘的运动作用的影响, 每个肥料颗粒被作为一个独立的颗粒, 受科里奥力的联合作用的作用, 离心作用粒子和叶片上的粒子的重力和摩擦力 (dintwa 等人, 2004年)。肥料颗粒的施加力是如图3所示。
- 光谱传感器；2.速度传感器；3.车载CPU;4.控制系统；5.驾驶系统；6.传输系统；7.肥料箱；8.机盘
图1.离心变式施肥机
- 离心机盘 b.调节设备
- 叶片；2.分布盖的输出；3.离心分布覆盖；4.锥形机盘；5.齿条机构；6.步进电机；7.连杆机构；8.移动板；9.固定板
图2.离心摊铺机盘和肥料流量调节装置的结构示意图
根据受力分析, 在单个上的合力 f肥料颗粒沿沥青叶片的方向在圆锥上移动由以下可得：
由牛顿第二定律可得
方程的解是
其中alpha;是圆盘的圆锥形角;beta;是叶片的节距角; m 是颗粒质量, 公斤;是圆盘的旋转角速度;v 是粒子运动的相对速度, m/;a 是粒子运动的相对加速度, m/2;g 是粒子的重力加速度, m/2;r 是从粒子到旋转中心的距离;mu; 是沥青叶片与颗粒之间的摩擦系数;和mu;d 是之间的摩擦系数圆盘和粒子。
图3.离心摊铺机盘上肥料颗粒受力的力学分析
利用牛顿的第一定律, 求解上面的联立方程, 描述偏心锥形施肥机圆盘中肥料颗粒运动特性的方程是
在上述公式的基础上, 如果alpha;= beta;= 0, 即, 对于施肥机与一个平面圆盘, 没有偏心, 然后粒子运动方程的是
2.2.3肥料颗粒的活性动力学特性分析
由于离心力的影响, 肥料颗粒离开锥形圆盘和角沥青叶片后, 受重力和空气阻力等因素的影响, 使其遵循螺旋弯曲的轨迹如图4所示。从受力的力学分析可以看出, 肥料颗粒离开肥料扩散盘的必要条件是, 施加的离心力必须大于滑动摩擦阻力, 如下所示
其中m是粒子质量, 公斤;r0 是从粒子的原始位置到旋转中心的距离;mu;是扩散圆盘和颗粒之间的摩擦系数;和是圆盘的旋转角速度, rad/s, 如下
从图4可以看出, 粒子的运动速度在水平方向和垂直可以描述为
图4.流动肥料颗粒在空气中的运动轨迹的运动学分析
根据空气动力学原理, 空气阻力作用于在空气中运动的肥料颗粒是
其中 c 是空气阻力系数;a 是空气密度, kg/m3;s 是粒子的迎风面积, m2;v 是粒子相对于空气的相对速度。
根据牛顿第二定律, 粒子在 x 和 y 方向上运动的力平衡方程分别为
这被替换到联立方程, 以产生
2.3工作原理
所开发的施药器具有悬挂牵引, 并具有自动化程度高, 分布均匀的特点。这些因素有助于提高化肥利用率, 从而提高生产效率, 使施药器适合大型现代化农业。在施肥过程中, 利用绿色探索者trade;光谱检测系统实时获得作物冠层的归一化差异植被指数值。指数值被传输到车载控制终端通过无线串行接口模块。目标肥料率是使用可变速率施肥专家决策系统 (安装在CPU上) 实时确定, 该系统基于劳恩模型的优化。将当前行走速度、圆盘转速、肥料罐开料门 (颗粒流量) 等反馈信息集成到系统中。在决策系统中集成了一个核心控制器 , 用于驱动步进电机和调整施肥罐进料门的开口。因此, 实现了实时在线作物肥料施肥器和相对精确的变速率施肥。
材料和方法
3.1用于模拟施肥机的DEM模型
利用与 DEM 软件 EDEM (扩展的不同元素法) 集成的参数三维建模工具 probe 建立了施药器模型。此外, 还包括一个虚拟驱动程序和一个约束程序集。将.igs格式的模型导入到 EDEM 求解环境中。
3.2肥料特性
采用氯化钾 (KCL) 基肥料进行了试验。这项研究。为方便起见, 假定肥料颗粒是球形的。对颗粒进行随机采样, 并确定其物理性能, 如平均长度 (4.16 mm)、平均宽度 (4.16 mm)、平均厚度 (3.84 mm)、等效直径 (4.16 mm) 和球度 (96.8%)。默认的赫兹-明德林接触模型, 没有滑动, 这是在EDEM 软件中提供的,用于模拟分析。离心施肥机盘的转速在 300-900 rpm 之间, 肥料流出流量在 100-500 gb 之间, 模拟时间为10秒。这些数值与现场实际移动一致, 选择这些值是为了提高模拟的准确性。
3.3仿真设计
引进了已开发肥料施药器的DEM模型到EDEM软件的仿真计算模块 (v2.2)。选择了影响粒子轨迹的重要参数, 如叶片的俯仰角、圆盘的转速、罐的开口尺寸 (扩散流量) 和圆盘高度 (施肥机圆盘与地面之间的距离)。在对颗粒进行运动学和动力学理论分析的基础上, 研究了不同参数值对肥料分布均匀性的影响。符合规定的测试方法用于离心施肥机的 每个大小50.8 厘米 x0.6 厘米 x10.2 厘米, 在虚拟试验区 (30 米 x14 米) 作为地面生产;施肥机的地面速度保持在1.2 米步行通过安排的平底锅的中心。此外, 还对用于表示单线肥料分布的收集盘中的颗粒进行了评估。计算了颗粒横向分布系数的变化系数, 以评估施肥器的扩散性能。
3.4现场试验方法
2017年4月, 在江苏盐城燕海拖拉机制造有限公司的试验站进行了实地测试。验证了仿真模型的准确性和虚拟结构优化的合理性。天气晴朗, 气温在15–25°c 之间, 风速低于 2.0 m/s符合ASAE标准中规定的测试风速), 地面相对平坦。测试面积为450平方米空气相对湿度为 42%, 土壤绝对含水量为21%。测试方法和指标符合标准 gb/5262-2008。
在测试区域 (30 米 x14 米) 上放置塑料薄膜, 以减少在每个收集盘上放置化肥浪费和软棉布, 以减少由于肥料的弹跳效应而产生的误差。共有150个收集盘 (每个平底锅都有50.6 厘米 x40.8 厘米 x10.2 厘米) 被放置在一个15列 x10 列安排, 间隔 1.5 m 沿列和 0.8 m 沿列。对每个收集盘中的肥料颗粒 (标记后保存在袋子中) 的质量进行了评价, 以确定肥料的横向分布特征。然后对肥料的数量进行调整, 使其充满一半的罐, 并根据每次试验的条件对施肥机进行校准。在稳定区域顺利运行后, 将施肥机在测量区域 (带有采集盘的区域) 上运行。在一行结束时, 扩展器被停止, 以确保在确定区域时测试的准确性。试验期间调整了参数值 (如叶片的俯仰角、圆盘转速、分布流量和扩展高度)。然后, 考虑到有效条带宽度, 建立了肥料颗粒分布模型, 并利用该模型确定了每种情况下的变异系数。将所得结果与仿真结果进行了比较。
结果和分析
4.1横向分布形状和流量校准
根据施肥机的工作特点, 施药肥料颗粒的横向分布在施肥器轴线上是对称的。此外, 由于粒子物理特性、施肥机工作参数和工作环境的不同, 分布的形状主要是高斯、三角形、m 型和 w 型。最佳分布是高斯的, 因为在这种情况下, 有效条带宽度 (不包括边缘中的陡峭分布) 中的 是最小的，有效条带宽度内 w 和 m 型分布的值相对较高。
为了准确确定施肥的不同特点, 需要对两个化肥罐的进料流量进行校准。试验中选择了常用的复合肥, 确定了10、15、20、25、30°等不同进料开角 (校准) 的进料流量。在化肥试验期间, 每个饲料门都覆盖着收集袋, 每次试验都是进行了10秒。通过对单个试验袋中肥料质量的评价间接计算出分配流量, 每次试验重复三次。 其中测试偏差为12.14 %或更低。
4.2测试结果和分析
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资料编号：[3237]
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