宋燦燦，周志艷，王國賓，王勛威，臧 英

?農(nóng)業(yè)裝備工程與機械化?

施肥無人機槽輪式排肥器槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

宋燦燦1，周志艷2,3，王國賓1，王勛威2,3，臧 英2,3※

（1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255049；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院/廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；3. 廣東省農(nóng)業(yè)人工智能重點實驗室，廣州 510642）

現(xiàn)有槽輪式排肥器存在低轉(zhuǎn)速下脈動性較強和排量范圍較小的問題，較難滿足農(nóng)用無人機低空高速施肥對大排量范圍以及排量連續(xù)性和準(zhǔn)確性的要求。針對以上問題，該研究設(shè)計了凹槽形狀和凹槽列數(shù)不同的排肥槽輪，并利用EDEM仿真模擬和臺架試驗測試了各槽輪的排量范圍以及排肥時的脈動性和準(zhǔn)確性，優(yōu)選出滿足無人機施肥要求的排肥槽輪。仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速為10～40 r/min時，凹槽的截面形狀和列數(shù)對脈動性影響較大，且直槽槽輪的脈動性較為明顯，外切4列和內(nèi)切5列對脈動的幅度和時間間隔的影響最小。臺架試驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速為40～120 r/min時，各槽輪排放復(fù)合肥和尿素的排量均在17 kg/min以上，且均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，能夠滿足無人機施肥時對排量的需求。方差分析表明凹槽截面形狀和凹槽列數(shù)的主效應(yīng)和交互作用對排量的影響均顯著（<0.05），而且會受到轉(zhuǎn)速的干擾。對于復(fù)合肥，外切6列、直槽6列和外切5列槽輪的變異系數(shù)波動最小，基本穩(wěn)定在1%以內(nèi)；內(nèi)切4列、內(nèi)切6列和外切4列槽輪的變異系數(shù)波動范圍稍大，但均在3%以內(nèi)。對于尿素，內(nèi)切4列和直槽4列的變異系數(shù)波動較大，排量準(zhǔn)確性較差，內(nèi)切6列和直槽6列槽輪的變異系數(shù)波動較小，基本穩(wěn)定在1%以內(nèi)；直槽5列、內(nèi)切5列、外切4列、外切5列和外切6列槽輪的變異系數(shù)波動范圍基本在1%～2%。綜合低轉(zhuǎn)速下的排量脈動性和高轉(zhuǎn)速下的排量準(zhǔn)確性，為了確保不同轉(zhuǎn)速下的排肥效果，施肥無人機排放復(fù)合肥時可選擇外切4列槽輪，排放尿素時可選擇外切4列或內(nèi)切5列槽輪。該研究可為施肥無人機的排肥性能研究提供參考。

無人機；離散元法；槽輪優(yōu)化；脈動性；排肥器；顆粒肥

0 引 言

機械化施肥對于提高肥料利用率和施肥作業(yè)效率具有重要作用。鑒于國內(nèi)復(fù)雜的地形地貌和田間作業(yè)環(huán)境，目前的地面施肥機械作業(yè)范圍受到限制，開發(fā)新型施肥機械對于擴大中國機械化施肥作業(yè)面積，提高作物田間施肥管理的現(xiàn)代化水平具有重要意義。農(nóng)用無人機可實現(xiàn)低空自主飛行，避免與作物和地表接觸，能夠靈活避開障礙物，適應(yīng)復(fù)雜的田間環(huán)境[1-3]，在田間作業(yè)中優(yōu)勢明顯。無人機施肥能夠解決部分地區(qū)地面機械在田間通過性較差導(dǎo)致的追肥困難的問題，作為新型施肥機械，是對地面機械的良好補充，有利于促進田間機械化施肥技術(shù)的發(fā)展。

排肥器是施肥機械的關(guān)鍵部件之一。槽輪式排肥器結(jié)構(gòu)簡單，且排量調(diào)控精準(zhǔn)、方便，因而被廣泛應(yīng)用[4]。宋燦燦等[5]在設(shè)計施肥無人機排肥裝置時采用了槽輪式排肥器，并通過試驗驗證了在農(nóng)用無人機上使用該種排肥器的可行性。但采用槽輪式排肥器進行無人機施肥還需要考慮兩個方面的問題：一是施肥無人機體型小，有效載荷有限，輕便且排量范圍較大的槽輪式排肥器有助于增加肥料裝載量，提高作業(yè)效率[6]。二是現(xiàn)有的槽輪式排肥器在低轉(zhuǎn)速下的脈動性較強[7]。由于施肥無人機前進速度較高，排肥器產(chǎn)生的顆粒流呈現(xiàn)周期明顯的間歇性的振蕩，容易出現(xiàn)顆粒沉積區(qū)域不連續(xù)，造成少施，甚至漏施。

目前國內(nèi)關(guān)于施肥無人機排肥器的研究較少，地面施肥機械槽輪式排肥器的研究較多。研究學(xué)者針對槽輪工作有效長度、排肥舌開度和槽輪形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)對排量的影響以及排量的自動調(diào)節(jié)問題進行了大量研究[8-11]。研究結(jié)果表明，增加槽輪的有效工作長度、增加排肥舌的開度和改變槽輪形狀都對排量范圍和準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

通過改變槽輪的結(jié)構(gòu)還可以優(yōu)化槽輪的脈動性。齊興源等[12]在傳統(tǒng)直槽槽輪基礎(chǔ)上設(shè)計了交替排列的錐形排肥齒，工作時，排肥齒交替囊入顆粒肥，彌補了直槽槽輪的缺陷，能夠有效地減小排肥時的脈動性，改善排肥效果。劉春波等[13]設(shè)計了螺旋槽槽輪并通過試驗研究了螺旋槽的開度和角度對排量脈動性的影響。研究結(jié)果表明，螺旋槽輪開度與排量之間存在極其顯著的線性相關(guān)關(guān)系，可通過調(diào)節(jié)螺旋槽輪開度和槽輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)排量，形成連續(xù)的顆粒流，降低脈動性。上述研究表明，通過改變?nèi)莘e和凹槽的截面形狀等參數(shù)能夠降低槽輪排肥時的脈動性。

目前農(nóng)用無人機施肥已成為國內(nèi)學(xué)者的研究熱點。鑒于施肥無人機的低空高速作業(yè)特點，較大的排量范圍和較低的脈動性是提高無人機施肥質(zhì)量需要解決的關(guān)鍵問題，但這方面的研究還比較欠缺[14]。如何在有效載荷有限的情況下設(shè)計方便拆卸的槽輪式排肥器，研究槽輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)對于獲得較大排量范圍，改善排肥的連續(xù)性和準(zhǔn)確性是十分必要的。本文擬針對初代施肥無人機槽輪式排肥器的安裝特點設(shè)計便于拆裝的排肥器，研究槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對排肥脈動性的影響，通過參數(shù)優(yōu)化獲得合適的槽輪結(jié)構(gòu)，以提高施肥無人機排肥時的準(zhǔn)確性和連續(xù)性。

1 施肥無人機排肥器結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 槽輪式排肥器結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，施肥無人機主要由農(nóng)用無人機、肥箱、排肥器和撒肥器組成。肥箱放置在無人機機身中間，方便裝卸，有效載荷約為30 kg。排肥器安裝在肥箱底部，連接肥箱和撒肥器，用于將肥箱中的顆粒肥排放至撒肥器中。圖2所示為可插拔的槽輪式排肥器，該排肥器頂部為入肥口，通過肥箱連接件與肥箱連接，排肥器底部留有出肥口。排肥器殼體分為緊固件端和電機端2部分，其中，緊固件端殼體壁面設(shè)有圓形開口，便于插拔槽輪；電機端殼體設(shè)有電機定位孔，用于安裝排肥電機。安裝時，首先將排肥電機安裝在電機端殼體上，將錐形軸與電機軸配合；其次將兩部分殼體固定聯(lián)接，然后安裝導(dǎo)流板；最后將緊固件固定在槽輪軸一端，將槽輪從另一端插入槽輪軸，并將組合后的槽輪插入殼體內(nèi)部，與錐形軸配合，待槽輪安裝到位后使用螺絲將緊固件固定在殼體側(cè)壁上。安裝完成后，可直接從緊固件端抽出槽輪進行內(nèi)部清潔或更換槽輪。

排肥器工作時采用側(cè)邊充肥，顆粒肥沿導(dǎo)流板進入殼體底部，填充槽輪凹槽。槽輪轉(zhuǎn)動過程中，強制帶動凹槽內(nèi)的顆粒肥從另一側(cè)排出，多余的顆粒肥被導(dǎo)流板阻攔在充肥側(cè)。在槽輪轉(zhuǎn)動的過程中，殼體與槽輪之間的底部空間隨即被肥料再次從側(cè)面填充完成。導(dǎo)流板與槽輪的間距可根據(jù)不同類型顆粒肥的流動性進行調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)槽輪相比，該設(shè)計既能增大顆粒進入凹槽的范圍，又可避免肥料靠重力自動滑落[15]。

1.2 槽輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)分析

在影響槽輪式排肥器作業(yè)效果的槽輪結(jié)構(gòu)因素中，凹槽數(shù)目、槽輪有效工作長度、槽輪半徑和單個凹槽的截面形狀等為主要因素[16]。適宜的凹槽截面形狀和容積能夠改善顆粒肥的填充效果[17]，但當(dāng)凹槽的填充率達(dá)到最大時，槽輪每分鐘的排量也不再隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大[18]。為了能夠在不改變排肥器殼體結(jié)構(gòu)和槽輪有效長度的基礎(chǔ)上改善初代施肥無人機排肥器的脈動性，提高排量準(zhǔn)確性，本文從凹槽截面形狀和凹槽列數(shù)2個方面對槽輪進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計的9種槽輪如圖3所示。槽輪的長度均為98 mm，外圓直徑均為60 mm。直槽槽輪的排肥齒為直線形，凹槽的相鄰排肥齒之間的夾角為60°；外切槽槽輪排肥齒的直線長度為12 mm，相鄰排肥齒之間的夾角為45°，末端為圓弧形，半徑為8.39 mm；內(nèi)切槽槽輪排肥齒的直線長度為15 mm，凹槽的相鄰排肥齒之間的夾角為為45°，偏心距為20.45 mm，末端為圓弧，半徑為4.39 mm。在槽輪的軸向設(shè)置不同的列數(shù)（分別為4、5和6列），改變槽輪的凹槽數(shù)目和容積，進而影響顆粒肥在槽輪中的運動狀態(tài)。各槽輪結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如表1所示。

以單個肥料為研究對象，忽略顆粒之間的相互作用，假設(shè)顆粒只有沿槽輪外壁的滑動，并在排肥齒末端獲得與槽輪相同的切向速度。單個肥料在3種凹槽形狀不同的槽輪中填充的受力情況如圖4所示。

從圖4a可以看出，直槽槽輪的排肥齒呈直線型，底部的顆粒受到了直線型排肥齒沿正向的支持力，在該排肥齒從當(dāng)前位置旋轉(zhuǎn)至水平位置前，顆粒的切向加速度a沿正向，顆粒有從排肥齒末端離開凹槽的趨勢，不利于充分填充。

表1 槽輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)

注：S-4、S-5和S-6分別代表直槽4、5和6列槽輪；I-4、I-5和I-6分別代表內(nèi)切槽4、5和6列槽輪；I-4、I-5和I-6分別代表外切槽4、5和6列槽輪。

Note: S-4, S-5 and S-6 represents respectively straight groove with 4, 5 and 6 columns; I-4, I-5 and I-6 represents respectively internally tangent groove with 4, 5 and 6 columns; E-4, E-5 and E-6 represents respectively externally tangent groove with 4, 5 and 6 columns.

從圖4b可以看出，外切槽槽輪的排肥齒分為2部分，末端與槽輪圓周相切，始端呈直線型，與外側(cè)圓弧相切。圓弧形排肥齒對顆粒的支持力F2指向槽輪的圓心內(nèi)側(cè)，切向加速度a沿負(fù)向，使得顆粒具有向下運動的趨勢，能夠順暢地進入凹槽中，并且在槽輪向上旋轉(zhuǎn)的過程中也不容易彈出。從圖4c可以看出，內(nèi)切槽槽輪的排肥齒分為2部分，末端呈直線型，與槽輪的圓心有一定的偏心距，始端呈弧形，并且與相鄰的排肥齒相切。由于偏心距的存在，排肥齒末端對顆粒的支持力F2也指向圓心一側(cè)，有利于顆粒進入凹槽。按照圖中所示的坐標(biāo)系，顆粒的受力方程如下：

直槽槽輪

外切槽槽輪

內(nèi)切槽槽輪

所有槽輪

顆粒在單個凹槽內(nèi)的受力分析表明，新設(shè)計的槽輪結(jié)構(gòu)能夠改變顆粒進入凹槽的運動狀態(tài)，影響顆粒的排放。為了進一步驗證槽輪優(yōu)化是否達(dá)到無人機施肥的要求，還需進行排量的脈動性和準(zhǔn)確性測試研究。

2 脈動仿真試驗

離散元法（Discrete Element Method，DEM）能夠模擬排肥過程中的顆粒運動，且模擬仿真的結(jié)果能夠為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)選提供依據(jù)，故該方法在排肥器的研究中使用較多[19-20]。由于槽輪低速時排肥的脈動性較明顯，對排肥效果的影響較大，且脈動的幅度和時間間隔參數(shù)較難通過實際測量獲得，故本文擬采用離散元法對9種凹槽形狀和列數(shù)不同的槽輪在低轉(zhuǎn)速下的排肥過程進行仿真，提取脈動特征，通過兩因素三水平的單因素試驗研究凹槽形狀和列數(shù)對排肥時的脈動性，從而優(yōu)選出脈動性弱的槽輪。

2.1 仿真平臺與方法

2.1.1 仿真平臺設(shè)計

為了減少其他因素的干擾，對排肥器模型進行了簡化。如圖5所示，簡化后的排肥器模型主要包含排肥器殼體和槽輪兩個部分。為了盡可能減少仿真計算量，該計算域底部僅超出顆粒出口位置10 mm。設(shè)置在物料箱內(nèi)部的顆粒工廠用于生成顆粒肥，為了避免仿真過程中出現(xiàn)物料不足的現(xiàn)象，該顆粒工廠設(shè)置在距離槽輪較遠(yuǎn)的物料箱頂部位置，且在顆粒填充后，再設(shè)置槽輪轉(zhuǎn)動。

1.顆粒肥 2.槽輪 3.顆粒出口 4.排肥裝置 5.物料箱 6.顆粒工廠 7.計算域

顆粒肥模型采用球粒模型[21]，不考慮顆粒之間的粘結(jié)作用，采用EDEM中的Hertz-Mindlin（無滑動）模型作為接觸模型[22]。顆粒肥物性參數(shù)按照尿素（含氮量≥ 46%）設(shè)置，平均直徑實測值為1.98 mm。槽輪采用ABS工程材料加工，利用自制測試平臺測定和參考相關(guān)文獻[23-24]確定相關(guān)材料屬性和接觸力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

顆粒工廠中顆粒生成方式為動態(tài)生成[25]，每秒產(chǎn)生5 000個顆粒，顆粒下落速度為2.5 m/s，重力加速度為9.81 g/m2。當(dāng)顆粒數(shù)達(dá)到一定程度后設(shè)置槽輪轉(zhuǎn)動。時間步長設(shè)置為20%，仿真時間為12 s。

表2 離散元模型的材料和接觸力學(xué)參數(shù)特性

2.1.2 仿真試驗方法

為了更好地觀察各槽輪排肥時的脈動現(xiàn)象，仿真測試設(shè)置3個轉(zhuǎn)速水平：10、25和40 r/min?？紤]到凹槽旋轉(zhuǎn)到低于水平線即開始向外排肥，形成一定寬度的排肥區(qū)域，為了獲得完整且準(zhǔn)確的顆粒流瞬時排量，在槽輪底部豎直向下10 mm的位置設(shè)置圓柱形虛擬排量傳感器網(wǎng)格，用于檢測顆粒的瞬時排量。如圖6所示，該圓柱形網(wǎng)格頂部與槽輪相切，半徑為50 mm（檢測范圍為100 mm，略大于槽輪長度），高度為10 mm（約為槽輪半徑的1/3），檢測時間間隔為0.01 s，檢測精度為0.001 kg/s。統(tǒng)計每個槽輪在不同轉(zhuǎn)速下仿真時的瞬時排量，用脈動的幅度和時間間隔描述該脈動現(xiàn)象。脈動的幅度是指瞬時排量的最大值與最小值之間的差值，在槽輪轉(zhuǎn)動的過程中，凹槽內(nèi)的顆粒剛開始下落時的排量較小，隨著槽輪的轉(zhuǎn)動，該凹槽內(nèi)的顆粒受力發(fā)生變化，容易滑落，排量增大。脈動的幅度越大，排量越不均勻。時間間隔是指相鄰2次瞬時排量的最大值與最小值出現(xiàn)時對應(yīng)的時間差，時間間隔越大，脈動越明顯，越容易造成漏施。脈動的幅度和時間間隔的計算公式如下：

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 瞬時排量

各槽輪在不同轉(zhuǎn)速下的瞬時排量如表3所示。從表中可以看出，所有槽輪的瞬時排量最大值和最小值均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為10 r/min時，直槽槽輪的排量最大值高于外切槽和內(nèi)切槽槽輪，最小值低于其余2種槽輪。隨著轉(zhuǎn)速的增大，直槽槽輪與其余2種槽輪的排量最大值和最小值的差異有所增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為40 r/min時，直槽槽輪排量最大值與最小值與其余2種槽輪的差值達(dá)到最大，排量最大值相差0.094 kg/s，排量最小值相差0.032 kg/s。

2.2.2 脈動幅度和時間間隔

脈動幅度如圖7a所示。從圖中可以看出，所有槽輪的脈動幅度均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，且直槽槽輪的脈動幅度的增量高于其余2種槽輪。當(dāng)轉(zhuǎn)速為10 r/min時，各槽輪的脈動幅度波動較小，波動范圍為0.046～0.077 kg/s。對于直槽，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，凹槽列數(shù)對脈動幅度的影響較大，隨著列數(shù)的增加，脈動幅度顯著降低，整體上直槽6列的脈動幅度在被測轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的差值最小，為0.112 kg/s。對于外切槽，各列槽輪的脈動幅度隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，但整體的差異較小，最大為0.071 kg/s。對于內(nèi)切槽，隨著凹槽列數(shù)的增大，脈動幅度并無明顯變化規(guī)律，但整體上的脈動幅度變化范圍略高于外切槽，最大為0.086 kg/s?？傮w上，直槽槽輪對脈動幅度的影響最大，外切6列、內(nèi)切4列和內(nèi)切6列的影響次之，外切4列、外切5列和內(nèi)切5列的影響最小。

表3 所有槽輪在不同轉(zhuǎn)速下模擬的瞬時排量

脈動時間間隔如圖7b所示。從圖中可以看出，除內(nèi)切4列和外切4列槽輪外，所有槽輪的脈動時間間隔隨轉(zhuǎn)速的增大而減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速為10 r/min時，直槽槽輪的脈動時間間隔均高于其他2種凹槽形狀，脈動性最強。隨著轉(zhuǎn)速的增大，直槽與其余2種槽輪的脈動時間間隔差異減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速為40 r/min時，所有槽輪的脈動時間間隔差異最小，為0.035 s。對于直槽槽輪，無論在何種轉(zhuǎn)速下，凹槽列數(shù)的變化基本不會影響脈動時間間隔的變化。對于外切槽槽輪，當(dāng)轉(zhuǎn)速為10 r/min時，不同凹槽列數(shù)的脈動時間間隔差異較大，4列時的時間間隔最小，比最大值（E-5）小0.11 s；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，脈動時間間隔隨著列數(shù)的增大變化較小，范圍在0.130～0.148 s（轉(zhuǎn)速為25 r/min）和0.090～0.096 s（轉(zhuǎn)速為40 r/min）。對于內(nèi)切槽槽輪，脈動時間間隔在轉(zhuǎn)速為10 r/min時的變化與外切槽槽輪基本一致，4列槽輪的時間間隔最小，與最大值（I-5）小0.09 s；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，脈動時間間隔隨列數(shù)的增大產(chǎn)生的變化略高于外切槽槽輪，變化范圍在0.107～0.133 s（轉(zhuǎn)速為25 r/min）和0.095～0.110 s（轉(zhuǎn)速為40 r/min）?？傮w上，直槽槽輪對脈動時間間隔的影響最大，外切5列、外切6列和內(nèi)切5列的影響次之，外切4列、內(nèi)切5列和內(nèi)切6列的影響最小。

脈動幅度的大小由瞬時排量最大值和最小值決定，而瞬時排量在相同的采樣頻率下受到轉(zhuǎn)速和槽輪結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，所有凹槽均有足夠時間被顆粒充分填充，由于所有槽輪的容積比差異較小，因而得到的瞬時排量的最大值和最小值基本一致，脈動幅度也基本穩(wěn)定在較低值。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大，顆粒填充凹槽的頻率增加，槽輪的瞬時排量的最大值和最小值會增高，脈動幅度也會增大。但由于直槽槽輪更容易囊入和排放顆粒肥，因而脈動幅度會增大，時間間隔會減小，瞬時排量呈現(xiàn)出高頻振蕩波形曲線，脈動性較強。隨著凹槽列數(shù)的增加，顆粒肥的囊入口變小，會弱化直槽排肥齒的優(yōu)勢，降低瞬時排量最大值，進而降低脈動幅度。對于外切槽，末端的弧形結(jié)構(gòu)能夠確保顆粒不會輕易滑出凹槽，但同樣也會在一定程度上影響顆粒排放效果，因而脈動幅度會隨列數(shù)的增加呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，但整體差異較小，且脈動時間間隔隨轉(zhuǎn)速的增大基本穩(wěn)定，說明外切槽能夠降低脈動性。對于內(nèi)切槽，末端直線段排肥齒與直槽槽輪類似，具有較容易囊入和排放顆粒肥的優(yōu)勢，且凹槽底部為圓弧，有利于儲存顆粒，但偏心的排肥齒和弧形的儲存空間也會影響顆粒順利離開凹槽，影響凹槽的排空率，因此，脈動幅度隨列數(shù)的增加并無明顯變化規(guī)律，且脈動時間間隔較小，說明內(nèi)切槽能夠降低脈動性。

3 排量測試試驗

排量測試的目的是研究各槽輪的排量范圍和排肥準(zhǔn)確性。由于槽輪式排肥器采用強制排肥方式，對顆粒排放的約束性較強，可顯著改善顆粒自由滑落現(xiàn)象，且主要通過控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)排量，故采用臺架試驗測試排量是可行的。施肥無人機需要較大的排量范圍，且當(dāng)槽輪的轉(zhuǎn)速較高時脈動現(xiàn)象會減弱，影響較小，為了對比各槽輪的排量較大值，臺架試驗選擇在較高的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行。

3.1 材料與方法

3.1.1 測試物料

本文選擇尿素和復(fù)合肥2種不同形狀和大小的顆粒肥料為試驗對象。相關(guān)物理特性的測量結(jié)果如表4所示。

3.1.2 評價指標(biāo)

為了準(zhǔn)確評估排肥器優(yōu)化后的排肥性能，綜合考慮凹槽形狀和列數(shù)2個因素對顆粒肥填充效果的影響，根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[26]中對外槽輪排肥器的性能要求，本文在臺架測試中選擇排量的準(zhǔn)確性作為評價指標(biāo)。

排量是指槽輪排肥過程中每分鐘下落的顆粒物料的質(zhì)量。排肥的準(zhǔn)確性用各槽輪在不同的轉(zhuǎn)速下實際排量之間的變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）表示，變異系數(shù)越小，所測槽輪在該處理下的排量誤差越小，排量準(zhǔn)確性越好，變異系數(shù)CV（%）的計算公式如下：

其中

3.1.3 試驗方法

利用3D打?。榱藴p少材質(zhì)對排肥效果的影響，所用材料與前期物理特性測試時的一致）制作排肥器樣機并進行臺架試驗。如圖8所示，測試時，首先在物料箱內(nèi)裝入一定量的被測物料（超過物料箱容積的2/3），設(shè)定槽輪的轉(zhuǎn)速值，然后控制電機驅(qū)動器在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下持續(xù)轉(zhuǎn)動30 s，記錄排出的顆粒物料的重量并換算成每分鐘的排量（kg/min）。前期仿真結(jié)果表明當(dāng)轉(zhuǎn)速為40 r/min時的脈動明顯減弱。為了減少脈動的干擾，獲得準(zhǔn)確的排量范圍和準(zhǔn)確性測試結(jié)果，本次試驗中設(shè)置轉(zhuǎn)速最低為40 r/min，共5個水平（分別為40、60、80、100和120 r/min），各處理重復(fù)5次。測試所用儀器物品包括：步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器、電子秤（稱量范圍30 kg，精度0.01 g，深圳市安衡衡器電子有限公司）、尼龍紗網(wǎng)帶、塑料桶、計時器等。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 各槽輪排量范圍

所有槽輪的排量測試結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，所有槽輪的排量均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，且同一轉(zhuǎn)速下，凹槽列數(shù)較少的槽輪排量較大。測試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，所有槽輪的最大排量差異較大，最小排量差異較小。各槽輪排放復(fù)合肥時的最大排量范圍為17.905 kg/min（直槽6列）～36.314 kg/min（直槽4列）；排放尿素時的最大排量范圍為17.322 kg/min（直槽6列）～24.390 kg/min（直槽5列）。基本都能滿足無人機施肥對排量的要求。

1.物料箱 2.排肥器殼體 3.電機驅(qū)動器 4.電子調(diào)速器 5.槽輪 6.開關(guān)電源 7.接料桶

3.2.2 各槽輪排量準(zhǔn)確性

各槽輪的排量差異分析結(jié)果如表5和表6所示，從表5中可以看出，對于復(fù)合肥，直槽4列、直槽5列和內(nèi)切5列槽輪的變異系數(shù)分別在轉(zhuǎn)速為60、80和60 r/min時高于3%，與其他轉(zhuǎn)速下的變異系數(shù)相差較大，波動范圍和隨機性均較大；外切6列、直槽6列和外切5列槽輪的變異系數(shù)波動最小，基本穩(wěn)定在1%以內(nèi)；內(nèi)切4列、內(nèi)切6列和外切4列槽輪的變異系數(shù)波動范圍稍大，但均在3%以內(nèi)。從表6中可以看出，對于尿素，內(nèi)切4列和直槽4列的變異系數(shù)分別在轉(zhuǎn)速為60 r/min和40 r/min時高于3%，與其他轉(zhuǎn)速下的變異系數(shù)相差較大，排量不穩(wěn)定，準(zhǔn)確性較差。其余槽輪的變異系數(shù)均在3%以下，其中，內(nèi)切6列和直槽6列槽輪的變異系數(shù)波動較小，基本穩(wěn)定在1%以內(nèi)；直槽5列、內(nèi)切5列、外切4列、外切5列和外切6列槽輪的變異系數(shù)波動范圍基本在1%～2%；且無論直槽、外切槽還是內(nèi)切槽，所有槽輪的排量變異系數(shù)波動范圍隨著凹槽列數(shù)的增加而降低。

表6 不同轉(zhuǎn)速下排放尿素的排量變異系數(shù)

如前所述，對于肥料顆粒，轉(zhuǎn)速的增大使得單位時間內(nèi)能夠進入凹槽的肥量增大，因而各槽輪的排量也會增大。但各槽輪的填充能力和容積不同，實際進入凹槽的肥量差異較大，因而排量增大的幅度有所不同，但排量范圍均滿足無人機施肥對排量的要求。且對于直槽槽輪，凹槽列數(shù)較小時，顆粒進出凹槽相對容易，轉(zhuǎn)速的變化對于顆粒的填充有較大影響，因而產(chǎn)生的排量變異系數(shù)波動范圍較大。

利用統(tǒng)計分析軟件SPSS分析槽輪結(jié)構(gòu)對排量的影響，結(jié)果如表7和表8所示。從表中可以看出，對于復(fù)合肥和尿素，凹槽形狀、列數(shù)和轉(zhuǎn)速的主效應(yīng)及其交互作用均顯著（<0.05）。方差分析的結(jié)果與測試試驗的結(jié)果是一致的，各槽輪的凹槽形狀和列數(shù)在不同轉(zhuǎn)速下對排量的影響程度有差異。由于改變了凹槽形狀和列數(shù)，相應(yīng)的凹槽槽輪對顆粒肥的作用力也發(fā)生改變。直槽槽輪的排肥齒為直線型，對顆粒的支持力指向槽輪中心，方便填充，因而影響較顯著。4列槽輪的單圈凹槽數(shù)目較少，在凹槽容積一定的情況下，填充空間相對較大，因而顯著性最高。隨著轉(zhuǎn)速的增大，各槽輪的填充率基本達(dá)到極限，不同轉(zhuǎn)速下的排量差異較小，顯著性降低。上述結(jié)論進一步表明臺架試驗的測試結(jié)果與不同的槽輪對顆粒運動的作用效果是一致的，能夠用于槽輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選。

表7 排放復(fù)合肥時影響因素主體間效應(yīng)的檢驗結(jié)果

注：1表示凹槽形狀，2表示凹槽列數(shù)，3表示槽輪轉(zhuǎn)速。

Note:1represents groove shape,2represents groove column,3represents rotational speed.

表8 排放尿素時影響因素主體間效應(yīng)的檢驗結(jié)果

綜上，凹槽截面形狀和列數(shù)對槽輪的排量范圍和準(zhǔn)確性會產(chǎn)生一定影響，且在不同轉(zhuǎn)速下的影響程度有差異。槽輪式排肥器通過改變轉(zhuǎn)速實現(xiàn)排量變化，且實際作業(yè)時轉(zhuǎn)速大小由需肥量決定。為了更好地發(fā)揮施肥無人機槽輪式排肥器的優(yōu)勢，需在不同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)選擇受轉(zhuǎn)速影響較小的槽輪結(jié)構(gòu)以確保排量范圍和排肥準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

1）在初代施肥無人機排肥器基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計了可插拔的便攜式排肥器。通過對顆粒肥在槽輪凹槽中的運動過程進行理論分析，設(shè)計了幾種凹槽截面形狀和列數(shù)不同的槽輪。

2）利用EDEM仿真軟件搭建了槽輪排肥器的離散元仿真平臺，進行了凹槽截面形狀和列數(shù)因素影響下槽輪在低轉(zhuǎn)速下排肥時的脈動特性研究。仿真結(jié)果表明，凹槽截面形狀和列數(shù)對排量脈動性的影響較大，且當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，排量會相應(yīng)增大，導(dǎo)致脈動的幅度增大，而時間間隔減小。直槽槽輪的脈動幅度和時間間隔均高于內(nèi)切槽和外切槽槽輪，脈動性較大。外切4列和內(nèi)切5列槽輪隨轉(zhuǎn)速變化對脈動幅度和時間間隔的影響較小，脈動較弱，連續(xù)性較好。

3）利用臺架試驗測試并分析了各槽輪在轉(zhuǎn)速為40～120 r/min時的排量范圍和準(zhǔn)確性。試驗結(jié)果表明，各槽輪在高轉(zhuǎn)速下的最大排量均在17 kg/min以上，均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，滿足施肥無人機對較大的排量可控范圍的需求。對于復(fù)合肥，直槽4列、直槽5列和內(nèi)切5列槽輪的變異系數(shù)最大值高于3%，波動較大，其余槽輪的變異系數(shù)均低于3%，且波動范圍較小，排量準(zhǔn)確性高。對于尿素，內(nèi)切4列和直槽4列的變異系數(shù)最大值高于3%，且波動范圍較大，其余槽輪的變異系數(shù)均低于3%，且波動范圍較小，排量準(zhǔn)確性高。相關(guān)性和方差分析結(jié)果表明，凹槽形狀和凹槽列數(shù)在不同轉(zhuǎn)速下的主效應(yīng)和交互作用均對槽輪排量產(chǎn)生顯著影響。

施肥無人機低空高速追肥時，既要在施肥量較小時達(dá)到均勻和連續(xù)，又要在施肥量較大時及時達(dá)到所需的排量，避免漏施，對排量范圍和低轉(zhuǎn)速下的排量連續(xù)性要求較高。本文在脈動仿真試驗和臺架測試試驗基礎(chǔ)上，綜合考慮低轉(zhuǎn)速下的排量脈動性和高轉(zhuǎn)速下的排量準(zhǔn)確性給出以下建議：對于復(fù)合肥，可選擇外切4列槽輪，對于尿素，可選擇外切4列和內(nèi)切5列槽輪。

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Optimization of the groove wheel structural parameters of UAV-based fertilizer apparatus

Song Cancan1, Zhou Zhiyan2,3, Wang Guobin1, Wang Xunwei2,3, Zang Ying2,3※

(1.,,255049,;2.,/(),510642,;3.(-),510642,)

Agricultural spraying unmanned aerial vehicles (UAVs) have been emerging to promote mechanized fertilization in recent years. A fertilizer discharging device is one of the most important components in the fertilization machinery. Among them, a groove wheel-type fertilizer discharging device has been widely used, due to the simple structure and the adjustable range of displacement. However, the large fluctuation and low displacement accuracy often occur during fertilizer discharging of groove wheel type fertilizer discharging device for the fertilizing UAV. Harsh requirements also remain on the structure design and installation position of the fertilizer discharging device, where the fertilizing UAV has a small size and limited payload. Therefore, it is of great significance to explore the new groove wheel-type fertilizer discharging device. This study aims to design the groove wheels with different groove shapes and columns, thereby clarifying the interaction between the particles and the groove in a UAV-based fertilizer. A simulation software EDEM was also selected to optimize the fertilizer discharge process of each groove wheel at different rotational speeds. An analysis was then made to determine the influence of groove shape and columns number on the pulsation of fertilizer discharge from the perspective of the amplitude and time interval. The simulation results showed that when the rotational speed was 10-40 r/min, the groove shape and column presented a great influence on the pulsation of the fertilizer discharge, where the amplitude of the pulsation increased, whereas, the time interval decreased, as the rotational speed increased. There was an outstandingly larger pulsation of the groove wheel with the straight groove, compared with the other two kinds of groove wheel. A bench test was conducted to investigate the displacement range of compound fertilizer and urea discharged by each groove wheel, further to determine the accuracy of displacement and the interaction of each influencing factor on the displacement. The test results showed that when the rotational speed was 40-120 r/min, the discharge of the two fertilizers within the speed range of each groove wheel was more than 17 kg/min, meeting the discharge requirements of the fertilizing UAV. The analysis of variance showed that the main effect and interaction of groove shape and column posed a significant influence on the displacement at different rotational speeds (<0.05), and interfered by rotational speed. In a compound fertilizer, the CVs of the groove wheels E-6, S-6, and E-5 fluctuated smoothly, basically within 1%; the CVs of the groove wheels I-4, I-6, and E-4 fluctuated in a large range, but all within 3%. In the urea, the CVs of the groove wheels I-4 and S-4 fluctuated in a large range, indicating a low accuracy of discharge rate; the CVs of the groove wheels S-5, I-5, E-4, E-5, and E-6 fluctuated within 1%-2%. An optimal fertilizer discharge was achieved at different speeds, considering the discharge pulsation at a low speed and the discharge accuracy at a high speed for the fertilizing UAV. Correspondingly, it was suggested that the E-4 groove wheel can be used for the discharging compound fertilizer, and the E-4 or I-5 groove wheels for discharging urea. Consequently, the structural parameters of the groove wheel in the fertilizer discharging device were optimized to achieve the optimal combination of small pulsation, as well as the accurate and stable discharge of fertilizer. The finding can provide a strong reference to optimize the performance of fertilizer discharging devices in the UAV agricultural spraying system.

unmanned aerial vehicles; discrete element method; groove wheel optimization; pulsation; fertilizer discharging apparatus; granular fertilizer

2021-09-06

2021-11-05

2020廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項（2020KJ261）；廣東省科技計劃項目（2021B1212040009）；山東省引進頂尖人才“一事一議”專項經(jīng)費資助項目（魯政辦字[2018]27號）

宋燦燦，博士，講師，研究方向為農(nóng)用無人機撒播與施肥技術(shù)。Email：songcc@sdut.edu.cn

臧英，博士，教授，研究方向為水稻生產(chǎn)機械關(guān)鍵技術(shù)與裝備。Email：yingzang@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.001

S252.2

A

1002-6819(2021)-22-0001-10

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會高級會員（E041200443S）