頓國強(qiáng)，高志勇，郭艷玲*，劉宇軒，毛寧，紀(jì)文義

（1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040；2.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要過程，不合理的施肥會影響農(nóng)作物根系對養(yǎng)分的吸收，并導(dǎo)致土壤退化、肥力下降、板結(jié)等，不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。排肥器是施肥作業(yè)中的重要機(jī)械部件，而機(jī)具作業(yè)性能對施肥的效果有著重要影響。目前，市面上主要使用的排肥器為外槽輪式排肥器，但由于排肥輪槽脊結(jié)構(gòu)以及肥料顆粒尺寸不規(guī)則等因素的影響，外槽輪式排肥器在排肥過程中經(jīng)常出現(xiàn)肥量不均勻、斷條等現(xiàn)象[2]。

有關(guān)外槽輪式排肥器的研究主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)對排肥性能的影響等方面，如：頓國強(qiáng)等[3]采用工程離散元法（engineering discrete element method,EDEM），分析了外槽輪式排肥器排肥舌倒角機(jī)構(gòu)參數(shù)對排肥均勻性的影響；楊洲等[4]利用EDEM 和三維打印成型技術(shù)分析了外槽輪式排肥器槽輪凹槽半徑、螺旋升角和轉(zhuǎn)速等參數(shù)對排肥量的影響；張濤等[5]通過模擬外槽輪式排肥器排肥過程，得出外槽輪不同工作長度對排肥量的影響；汪博濤等[6]分析了外槽輪工作長度、排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥舌開口角度對排肥均勻性的影響，并根據(jù)結(jié)果分析進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化；呂昊[7]利用自主研發(fā)的離散元仿真軟件對外槽輪式排肥器的肥料顆粒運(yùn)動狀態(tài)及排肥特性進(jìn)行了仿真分析。目前，對于排肥器排肥性能的研究，大多集中在對外槽輪式排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化上，無法解決排肥輪槽脊結(jié)構(gòu)造成流量均勻性較差的問題。因此，設(shè)計新型排肥器對提升排肥流量均勻性具有十分重要的意義。

基于此，本研究設(shè)計了提高排肥流量均勻性的圓弧齒輪排肥器。首先，通過對排肥器結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論分析，確定了影響圓弧齒輪排肥器排肥量的因素；其次，設(shè)計了二因素五水平的二次正交旋轉(zhuǎn)試驗，并應(yīng)用EDEM仿真技術(shù)對不同參數(shù)下的圓弧齒輪排肥器的排肥狀況進(jìn)行分析；最后，制造出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的圓弧齒輪排肥器，并進(jìn)行了臺架試驗。旨在為優(yōu)化圓弧齒輪排肥器的圓弧結(jié)構(gòu)參數(shù)和提高排肥均勻性提供參考。

1 離散元法理論模型

離散元法能夠根據(jù)顆粒間的運(yùn)動力以及顆粒之間的碰撞，將顆粒間的力進(jìn)行傳遞來分析模型之間的受力情況。離散元法描述碰撞的過程就是接觸的產(chǎn)生和發(fā)生作用的過程。排肥器工作時，多個肥料顆粒相互摩擦碰撞，適合離散元法中軟球顆粒分析理論，因此，本研究采用軟顆粒接觸模型[8]；考慮到普通化肥之間沒用黏結(jié)力，故采用赫茲（無滑動）接觸模型[9]。

離散元法通過在顆粒i和j（或者接觸壁）間設(shè)定彈簧、阻尼器、滑動器與耦合器的方式來模擬軟顆粒之間的接觸形式[10-12]，如圖1所示。

2 外槽輪式排肥器和圓弧齒輪排肥器對比分析

2.1 排肥器結(jié)構(gòu)對比

如圖2A 所示，外槽輪式排肥器主要由外殼、排肥外槽輪和排肥舌等組成，且外槽輪的槽脊結(jié)構(gòu)容易造成排肥間斷。如圖2B所示，圓弧齒輪排肥器主要由殼體，圓弧排肥齒輪，主、從動齒輪軸和驅(qū)動六方軸孔等組成。圓弧齒輪排肥器通過變頻器調(diào)節(jié)圓弧排肥齒輪的轉(zhuǎn)速來控制排肥量，電機(jī)通過驅(qū)動六方軸以驅(qū)動主動齒輪軸轉(zhuǎn)動，兩直齒漸開線圓柱齒輪軸通過轉(zhuǎn)動傳遞動力，直齒漸開線圓柱齒輪軸與圓弧排肥齒輪間通過螺釘連接傳動。

2.2 排肥器排肥效果對比

本研究所設(shè)計的圓弧齒輪排肥器相比于外槽輪式排肥器的突出優(yōu)點是能夠提高排肥流量的均勻性。如圖3 所示，利用EDEM 軟件模擬2 種排肥器的排肥過程，分別取一個工作循環(huán)進(jìn)行對比分析。

圖1 軟球模型對顆粒間（或顆粒-接觸壁間）接觸力的簡化處理Fig.1 Simplifying treatment of contact forces of particle to particle(or particle to wall)by soft-sphere model

圖2 2種排肥器結(jié)構(gòu)對比Fig.2 Comparison of two fertilizer apparatuses’ structures

從圖3A 中可看出：當(dāng)外槽輪式排肥器的槽結(jié)構(gòu)剛到排肥舌時，前一槽里的肥料已經(jīng)完全掉落，造成“斷條”現(xiàn)象；而當(dāng)槽結(jié)構(gòu)全部越過排肥舌時，槽里的肥料堆積掉落；如此循環(huán)往復(fù)，造成排肥不均勻。從圖3B中可看出：肥料經(jīng)圓弧排肥齒輪間隙實現(xiàn)排肥，圓弧排肥齒輪間隙大小穩(wěn)定，且圓弧齒輪的齒槽連續(xù)交替運(yùn)動，提高了排肥流量的均勻性，避免了普通排肥器的堵塞和間歇性排肥問題。

3 圓弧齒輪排肥器結(jié)構(gòu)理論分析

分析排肥器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，排肥器排出肥料的總質(zhì)量計算公式如下：

式中：m表示排出肥料的質(zhì)量，g；ρb表示肥料的堆積密度，g/mm3；V表示排出肥料的體積，mm3。

由式（1）知，排肥器排出肥料的質(zhì)量m為肥料的堆積密度ρb和排出肥料的體積V的乘積，而肥料的堆積密度ρb為肥料的固有屬性。因此，若要改變排出肥料的質(zhì)量m，只有通過改變排出肥料的體積V來實現(xiàn)。

圖3 2種排肥器排肥效果對比Fig.3 Comparison of two fertilizer apparatuses’ discharging effects

如圖4所示，排出肥料的體積V計算公式如下：

式中：l表示兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長，mm；l′表示圓弧排肥齒輪工作槽段長度，mm；L表示圓弧排肥齒輪轉(zhuǎn)動1周的長度，mm；ω表示圓弧排肥齒輪轉(zhuǎn)動的速度，r/min；t表示圓弧排肥齒輪轉(zhuǎn)動時間，s。

圖4 排肥器設(shè)計參數(shù)Fig.4 Design parameters of fertilizer apparatus

其中，兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長l為：

式中：r1為圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑，mm；r2為圓弧排肥齒輪的輪脊圓弧半徑，mm。

截取部分圖4 所示圓弧齒輪排肥器，放大后如圖5所示。圓弧排肥齒輪實際上是由半徑為r1的圓弧GB、半徑為r2的圓弧CF及其兩段公切線BC與FI的圓周陣列所組成，其中BC與FI等長。連接AB、CD、AD、AO、DO，同時，AD交公切線BC于E，令∠EAB為δ，∠DAO為θ。令A(yù)E=c1，DE=c2，AD=c，BC=a；結(jié)合圖4可知，DO=R，AO=l－R。

結(jié)合圓弧齒輪排肥器設(shè)計與圖5基本參數(shù)計算排肥量參數(shù)的公式如下。

圓弧排肥齒輪轉(zhuǎn)動1周的長度L為：

式中：z為圓弧排肥齒輪齒數(shù)；β為圓弧排肥齒輪輪脊圓弧圓心角，rad；γ為圓弧排肥齒輪輪槽圓弧圓心角，rad。其中，圓弧排肥齒輪齒數(shù)z為：

式中：α為輪脊圓弧圓心與輪槽圓弧圓心夾角，rad。

由幾何關(guān)系知，圓弧排肥齒輪輪脊圓弧圓心角β和圓弧排肥齒輪輪槽圓弧圓心角γ分別為：

對于不同的施肥對象，由式（2）可知，影響圓弧齒輪排肥器排肥性能的圓弧結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長l、圓弧排肥齒輪工作槽段長度l′、圓弧排肥齒輪轉(zhuǎn)動1 周的長度L。由式（4）～（14）可知，圓弧排肥齒輪轉(zhuǎn)動1周的長度L由齒數(shù)z、兩圓弧排肥齒輪中心距l(xiāng)′′、等效半徑r、圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑r1和圓弧排肥齒輪的輪脊圓弧半徑r2共同決定；而由式（3）可知，兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長l與圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑r1、圓弧排肥齒輪的輪脊圓弧半徑r2有關(guān)。而圓弧排肥齒輪工作槽段長度l′、兩圓弧排肥齒輪中心距l(xiāng)′′是制造圓弧齒輪排肥器的固有參數(shù)。

綜上分析，為探索圓弧結(jié)構(gòu)參數(shù)對圓弧齒輪排肥器排肥性能的影響，考慮到實際情況，選取r=34 mm，l′=50 mm，l′′=70 mm 作為本研究的不變因素[12]，選取圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑r1和兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長l作為影響因素，如圖6所示。

圖5 參數(shù)計算圖解Fig.5 Diagram of parameter calculation

4 基于離散元法的仿真試驗

離散元法作為有效的顆粒體運(yùn)動的分析方法，已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[13-14]。通過前述理論分析，本研究選取圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑r1和兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長l這2 個因素進(jìn)行仿真試驗。試驗采用單因素分析和響應(yīng)曲面設(shè)計。

4.1 仿真試驗設(shè)計

為探究r1和l這2 個影響因素對排肥性能的影響，設(shè)計相應(yīng)的試驗方案[15]。在研究圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑r1對排肥性能的影響時，設(shè)計轉(zhuǎn)速為40 r/min，以圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑r1為試驗因素，根據(jù)實際要求，r1選7、8、9、10、11 mm 共5 組試驗，每組試驗設(shè)置3 個重復(fù)；在研究兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長l對排肥性能的影響時，設(shè)計轉(zhuǎn)速為40 r/min，以圓弧排肥齒輪之間的最小槽長l為試驗因素，根據(jù)實際要求，l選3、4、5、6、7 mm共5 組試驗，每組試驗設(shè)置3 個重復(fù)。試驗在排肥器出肥口處設(shè)置監(jiān)測網(wǎng)格（a），通過監(jiān)測網(wǎng)格內(nèi)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)σ來反映排肥流量的均勻性；在肥料收集器底部設(shè)置排肥量監(jiān)測網(wǎng)格（b），通過監(jiān)測網(wǎng)格內(nèi)單位時間排肥量的決定系數(shù)R2來反映排肥流量的均勻性。

4.2 肥料顆粒模型的建立

選擇山東兗礦魯南化肥廠生產(chǎn)的尿素作為離散元建模的試驗材料，從化肥中隨機(jī)抽取100 粒尿素顆粒，使用世達(dá)牌91512數(shù)顯式游標(biāo)卡尺[世達(dá)工具（上海）有限公司]測得尿素顆粒長、寬、高的平均值分別為2.52、2.49、2.61 mm，使用UTP-313型電子天平（上?；ǔ彪娖饔邢薰荆y得尿素單粒平均質(zhì)量為0.011 g。經(jīng)過統(tǒng)計計算，單粒尿素的等效直徑為2.54 mm，密度為1 283 g/mm3。在EDEM 顆粒工廠中，設(shè)置顆粒平均半徑為1.27 mm，大小服從μ=1.27，σ2=0.29的正態(tài)分布。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

4.3 接觸參數(shù)的設(shè)置

本研究采用赫茲（無滑動）模型作為尿素顆粒與顆粒、圓弧齒輪排肥器（材料為聚乳酸）之間的接觸模型。參考文獻(xiàn)[16]，EDEM 上的具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖6 r1和l對圓弧排肥齒輪形狀的影響Fig.6 Influence of r1 and l on the circular arc discharging fertilizer gear’s shape

表1 EDEM中顆粒參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting of particle parameters in EDEM

4.4 幾何模型的建立和導(dǎo)入

使用Solidworks 2016進(jìn)行圓弧齒輪排肥器的設(shè)計和三維模型建立，除去不必要的、非接觸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并另存為.step格式文件。在EDEM中導(dǎo)入.step文件，并進(jìn)行模型零件參數(shù)設(shè)置。為排肥輪設(shè)置轉(zhuǎn)速，同時設(shè)置顆粒工廠（particle factory）參數(shù)，其中生產(chǎn)顆?？倲?shù)（total number）設(shè)置為3 000，每秒生產(chǎn)顆粒數(shù)目（target number per second）為3×104，仿真模型如圖7所示。

表2 EDEM中變量參數(shù)設(shè)置Table 2 Setting of variable parameters in EDEM

圖7 仿真幾何模型Fig.7 Model of simulation geometry

4.5 仿真計算設(shè)置

設(shè)置瑞利時間步長（Rayleigh time step）為5×10－6s，仿真總時長（total time）為2 s，數(shù)據(jù)記錄時間間隔（target save interval）為0.01 s，設(shè)定網(wǎng)格尺寸（simulator cell size）為3Rmin。

5 基于響應(yīng)曲面的試驗設(shè)計

響應(yīng)曲面法（response surface methodology,RSM）是運(yùn)用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計方法，對多變量問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，從而獲取最優(yōu)工藝條件或者參數(shù)的方法[17]。以監(jiān)測網(wǎng)格（a）內(nèi)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)σ和監(jiān)測網(wǎng)格（b）內(nèi)單位時間排肥量的決定系數(shù)R2為試驗指標(biāo)，進(jìn)行響應(yīng)曲面試驗。

5.1 排肥均勻性的評價指標(biāo)

據(jù)4.1節(jié)的介紹，試驗在排肥器出肥口處設(shè)置監(jiān)測網(wǎng)格（a），在EDEM的后處理模塊設(shè)置輸出折線圖（line）的時間范圍（time range）為0.3～2.0 s，Y軸的屬性（primary attribute）設(shè)置為質(zhì)量（mass,total），如圖8所示。

圖8 單次試驗監(jiān)測網(wǎng)格（a）內(nèi)肥料顆粒質(zhì)量變化Fig.8 Mass change of fertilizer particle from monitoring grid(a)in single experiment

式中：σ為0.3～2.0 s 時間內(nèi)通過監(jiān)測網(wǎng)格（a）的肥料顆粒質(zhì)量的變異系數(shù)。

試驗在肥料收集器底部設(shè)置排肥量監(jiān)測網(wǎng)格（b），在EDEM的后處理模塊設(shè)置輸出折線圖（line）的時間范圍（time range）為0.3～2.0 s，Y軸的屬性（primary attribute）設(shè)置為質(zhì)量（mass, total），如圖9所示。

每次試驗設(shè)置圓弧排肥齒輪的轉(zhuǎn)速為20、40、60、80、100 r/min，分別進(jìn)行3次試驗，以不同轉(zhuǎn)速時的監(jiān)測網(wǎng)格（b）內(nèi)單位時間排肥量的決定系數(shù)R2來反映排肥流量的均勻性，如式（18）～（19）所示。

圖9 單次試驗監(jiān)測網(wǎng)格（b）內(nèi)肥料堆積質(zhì)量變化Fig.9 Mass change of fertilizer accumulation from monitoring grid(b)in single experiment

式中：i=1, 2, 3, 4, 5，分別表示在轉(zhuǎn)速為20、40、60、80、100 r/min 時的試驗；yi為第i次試驗時單位時間排肥量，g/s；mimax為第i次試驗時0.3～2.0 s 內(nèi)肥料最大堆積量，g；mimin為第i次試驗時0.3～2.0 s 內(nèi)肥料最小堆積量，g；Δti為第i次試驗的仿真時間差，s，此處Δti=1.7 s。

式中：R2為決定系數(shù)；SSR 為數(shù)據(jù)的回歸平方和（sum of squares for regression）；SST 為數(shù)據(jù)的總離差平方和（sum of squares for total）。

5.2 試驗方法及結(jié)果

為探索圓弧結(jié)構(gòu)參數(shù)對圓弧齒輪排肥器排肥性能的影響，選取圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑r1和兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長l作為影響因素，采用二因素五水平的二次旋轉(zhuǎn)正交試驗設(shè)計，用Design-Expert 8.0 分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[18]，優(yōu)化選出排肥量最均勻的圓弧排肥齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表3～4所示。

表3 試驗因素與水平Table 3 Experimental factors and levels

表4 二次正交旋轉(zhuǎn)試驗方案及結(jié)果Table 4 Experimental schemes and results of quadratic orthogonal rotary

6 試驗結(jié)果與分析

6.1 監(jiān)測網(wǎng)格（a）內(nèi)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)的方差分析

根據(jù)表4 的試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用Design-Expert 8.0軟件得出監(jiān)測網(wǎng)格（a）內(nèi)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)σ的方差分析結(jié)果（表5）。由此得出影響監(jiān)測網(wǎng)格（a）內(nèi)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)σ的2個因子與性能指標(biāo)的關(guān)系：

由表5的方差分析結(jié)果可知，因子x2極顯著，因子x1x2、x22、x21x2在水平α=0.05 時顯著，其他因子不顯著。

6.2 監(jiān)測網(wǎng)格（b）內(nèi)單位時間排肥量決定系數(shù)的方差分析

根據(jù)表4 的試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用Design-Expert 8.0軟件得出監(jiān)測網(wǎng)格（b）內(nèi)單位時間排肥量的決定系數(shù)R2的方差分析結(jié)果（表6）。由此得出監(jiān)測網(wǎng)格（b）內(nèi)單位時間排肥量決定系數(shù)R2的2 個因子與性能指標(biāo)的關(guān)系：

由表6的方差分析結(jié)果可知，因子x1極顯著，因子x21在水平α=0.05時顯著，其他因子不顯著。

表5 各因子對監(jiān)測網(wǎng)格（a）內(nèi)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)影響的方差分析Table 5 Variance analysis of the influence of each factor on the stability coefficient of variation of discharging fertilizer in monitoring grid(a)

表6 各因子對監(jiān)測網(wǎng)格（b）內(nèi)單位時間排肥量的決定系數(shù)影響的方差分析Table 6 Variance analysis of the influence of each factor on the coefficient of determination of discharging fertilizer per unit time in monitoring grid(b)

6.3 監(jiān)測網(wǎng)格（a）內(nèi)顆粒肥料質(zhì)量變化變異系數(shù)的響應(yīng)曲面分析

由圖10 可知：監(jiān)測網(wǎng)格（a）內(nèi)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)最小值為0.200，響應(yīng)曲面沿圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑方向變化較緩慢，且隨著r1數(shù)值的增大，變異系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；響應(yīng)曲面沿兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長方向變化較明顯，隨著l數(shù)值的增大，變異系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。由實際工作狀態(tài)和圖6 易知：當(dāng)l增大時，兩圓弧排肥齒輪之間的間隙增大，當(dāng)輪槽和輪脊交替時，肥料滑落，造成排肥不均勻；當(dāng)l減小時，肥料不易下落，排肥也不均勻。

6.4 監(jiān)測網(wǎng)格（b）內(nèi)單位時間排肥量決定系數(shù)的響應(yīng)曲面分析

由圖11 可知：監(jiān)測網(wǎng)格（b）內(nèi)單位時間排肥量的決定系數(shù)最大值為0.995，響應(yīng)曲面沿圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑方向變化較明顯，且隨著r1數(shù)值的增大，決定系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；響應(yīng)曲面沿兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長方向變化較緩慢，隨著l數(shù)值的增大，決定系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

6.5 最佳參數(shù)驗證

圖10 最小槽長l與輪槽圓弧半徑r1對變異系數(shù)的響應(yīng)曲面圖Fig.10 Response surface map of the minimal length of two mutual meshing arc gears l and the arc radius of concave-groove r1 to coefficient of variation

圖11 最小槽長l與輪槽圓弧半徑r1對決定系數(shù)的響應(yīng)曲面圖Fig.11 Response surface map of the minimal length of two mutual meshing arc gears l and the arc radius of concave-groove r1 to coefficient of determination

利用Design-Expert 8.0軟件對優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行分析，監(jiān)測網(wǎng)格（a）內(nèi)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)σ取最小值，監(jiān)測網(wǎng)格（b）內(nèi)單位時間排肥量的決定系數(shù)R2取最大值，得出最優(yōu)的參數(shù)組合：圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑為8.54 mm，兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長為5.22 mm，此時，變異系數(shù)為0.28，決定系數(shù)為0.997 2。

為驗證最優(yōu)參數(shù)的作業(yè)效果，在東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心對圓弧齒輪排肥器進(jìn)行臺架試驗，試驗裝置如圖12所示。

試驗裝置由試驗臺架、步進(jìn)電機(jī)、圓弧齒輪排肥器、肥料箱、傳輸帶等組成，利用該試驗裝置進(jìn)行排肥器排肥效果驗證。以尿素為試驗材料，設(shè)置排肥輪轉(zhuǎn)速為40 r/min，試驗時間為10 s，并設(shè)置5 次重復(fù)，進(jìn)行驗證試驗。由試驗結(jié)果可知，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.27，單位時間排肥量的決定系數(shù)為0.998 0。與理論值變異系數(shù)0.28、決定系數(shù)0.997 2相比，相對誤差分別為－3.57%和0.08%。相對誤差較小，表明試驗結(jié)果可靠。由此說明，此參數(shù)下的圓弧齒輪排肥器排肥更加均勻，符合田間施肥要求。

7 結(jié)論

圖12 3D打印模型及試驗裝置Fig.12 Three-dimension printing model and experimental equipment

1）設(shè)計了圓弧齒輪排肥器，對圓弧排肥齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了理論分析，探索了圓弧結(jié)構(gòu)參數(shù)對圓弧齒輪排肥器排肥均勻性的影響，建立了圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑r1和兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長l與排肥均勻性數(shù)學(xué)指標(biāo)之間的關(guān)系。

2）應(yīng)用EDEM 仿真軟件進(jìn)行了圓弧齒輪排肥器排肥過程的仿真，并進(jìn)行了二因素五水平的二次旋轉(zhuǎn)正交試驗。仿真試驗結(jié)果表明：圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑對單位時間排肥量的決定系數(shù)影響顯著，兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長對排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)影響顯著，得出的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為圓弧排肥齒輪的輪槽圓弧半徑8.54 mm，兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長5.22 mm，此時，變異系數(shù)為0.28，決定系數(shù)為0.997 2。

3）根據(jù)最優(yōu)參數(shù)制造圓弧齒輪排肥器，并進(jìn)行臺架試驗，其排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.27，單位時間排肥量的決定系數(shù)為0.998 0，與理論值變異系數(shù)0.28、決定系數(shù)0.997 2 相比，相對誤差分別為－3.57%和0.08%。相對誤差較小，表明試驗結(jié)果可靠。說明利用離散元法來模擬排肥器工作過程是可靠的。