摘要：針對(duì)甘蔗橫向種植機(jī)施肥機(jī)構(gòu)易出現(xiàn)堵塞的問(wèn)題，結(jié)合農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種端面反向螺旋施肥機(jī)構(gòu)。為降低螺旋軸扭矩和提高肥料質(zhì)量流速，通過(guò)理論分析選取螺旋軸葉片螺距、葉片厚度、葉片直徑和螺旋軸軸徑為變量，螺旋軸扭矩和肥料質(zhì)量流速為目標(biāo)，基于EDEM軟件進(jìn)行正交仿真試驗(yàn)得到各個(gè)因素與目標(biāo)之間的回歸方程，并求解得到最優(yōu)參數(shù)組合：螺旋軸葉片螺距、葉片厚度、葉片直徑和軸徑分別為67 mm、2.5 mm、76 mm和32 mm。對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明螺旋軸扭矩和肥料質(zhì)量流速的均值分別為6.3 N ? m和0.055 kg/s，與回歸方程求解結(jié)果基本一致。對(duì)端面反向螺旋設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，確定反向螺距為33.5 mm時(shí)，可有效避免肥料堵塞在料槽端部。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：螺旋軸扭矩和肥料質(zhì)量流速的均值分別為4.3 N ? m和0.061 5 kg/s，該施肥機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足農(nóng)藝要求，負(fù)載扭矩較低，可有效減少肥料堵塞情況，為螺旋施肥機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：甘蔗橫向種植機(jī)；螺旋輸送機(jī)構(gòu)；施肥機(jī)構(gòu)；施肥堵塞；離散元法

中圖分類(lèi)號(hào)：S224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 11?0001?06

Design and experiment of fertilization mechanism of sugarcane transverse planter

Chen Yuanling1， Ouyang Chongqin1， Hou Yi1， Jin Yaguang1， Li Shangping2

（1. College of Mechanical Engineering， Guangxi University， Nanning， 530004， China;

2. College of Electronic Information， Guangxi University for Nationalities， Nanning， 530006， China）

Abstract： Aiming at the problem that the fertilization mechanism of sugarcane transversal planter is easy to clog， combining with the requirements of agronomy， a kind of end?face reverse spiral fertilization mechanism was designed. In order to reduce the screw shaft torque and improve the fertilizer mass flow rate， the screw shaft blade pitch， blade thickness， blade diameter and screw shaft diameter were selected as variables through theoretical analysis， and the screw shaft torque and fertilizer mass flow rate were selected as targets， and the regression equations between each factor and the targets were obtained through orthogonal simulation experiments based on the EDEM software and solved to obtain the optimal parameter combinations as follows： The spiral shaft blade pitch， blade thickness， blade diameter and shaft diameter were 67 mm， 2.5 mm， 76 mm and 32 mm， respectively. Simulation verification of the optimal parameter combination model resulted in the mean values of screw shaft torque and fertilizer mass flow rate of 6.3 N ? m and 0.055 kg/s， respectively， which were basically consistent with the regression equation solution results. Simulation tests were conducted on the end face reverse spiral design and it was determined that a reverse pitch of 33.5 mm could effectively avoid fertilizer clogging at the end of the trough. The results of field experiments showed that the mean values of screw shaft torque and fertilizer mass flow rate were 4.3 N ? m and 0.061 5 kg/s， respectively， and the fertilizer application mechanism met the agronomic requirements with low loading torque， which could effectively reduce the situation of fertilizer clogging， and provide a reference for the development of screw fertilizer application mechanism.

Keywords： sugarcane transverse planter; screw conveying mechanism; fertilization mechanism; fertilizer clogging; discrete element method

0 引言

廣西是我國(guó)最大的糖料蔗和蔗糖生產(chǎn)基地[1， 2]。甘蔗種植過(guò)程中，其施肥效果直接影響甘蔗產(chǎn)量和質(zhì)量[3， 4]。機(jī)械化施肥可以降低勞動(dòng)力成本，減少肥料流失，提高利用率，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。

目前，各種作物施肥器排肥方式主要有螺旋式、槽輪式和刮板式[5?7]，用于甘蔗橫向種植的施肥器較少。針對(duì)螺旋式施肥機(jī)構(gòu)普遍存在傳送效率低、排肥均勻性差、易堵塞的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究。陳雄飛等[8]設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)螺旋排肥裝置，建立了單圈螺旋排肥量的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)試驗(yàn)分析了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)兩級(jí)螺旋排肥裝置排肥性能的影響。Wang等[9]為了提高水平螺旋輸送機(jī)的輸送效率和工作穩(wěn)定性，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究了螺旋輸送機(jī)的進(jìn)料方式、運(yùn)行條件和物料流動(dòng)特性。胡英[10]針對(duì)散粒物料大小規(guī)格不一，難以輸送的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種參數(shù)可調(diào)散粒物料螺旋輸送裝置，并通過(guò)試驗(yàn)采集了物料輸送過(guò)程中螺旋葉片和輸料筒等位置的受力情況。位國(guó)建等[11]針對(duì)施肥器末端肥料易堵塞問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種螺旋強(qiáng)制排肥部件，并利用正交試驗(yàn)對(duì)該部件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了排肥均勻性。Nukeshev等[12]通過(guò)試驗(yàn)的方法確定了螺旋輸送施肥機(jī)構(gòu)中葉片直徑、葉片數(shù)量和螺距等關(guān)鍵參數(shù)，有效地提高了施肥均勻性。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，基于離散元仿真方法廣泛應(yīng)用于螺旋式施肥機(jī)構(gòu)的研究中。劉曉東等[13]采用EDEM離散元軟件對(duì)有無(wú)螺旋擾動(dòng)杯的排肥器排肥過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得到增加螺旋擾動(dòng)杯看增大肥料顆粒下移速度，防止結(jié)拱堵塞，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。Shimizu等[14]利用離散元技術(shù)對(duì)水平和垂直螺旋輸送機(jī)進(jìn)行了模擬，結(jié)果與前人的工作和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，離散元方法可用于分析螺旋輸送機(jī)的性能。

綜上可知，國(guó)內(nèi)外對(duì)甘蔗橫向種植機(jī)施肥機(jī)構(gòu)防堵塞的研究甚少。本文基于甘蔗橫向種植機(jī)，設(shè)計(jì)一種端部反向螺旋輸送式甘蔗施肥機(jī)構(gòu)。為提升該機(jī)構(gòu)的防堵塞性能，先對(duì)螺旋軸進(jìn)行受力分析，然后基于離散元軟件EDEM進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)二次旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)得出影響螺旋軸扭矩和質(zhì)量流速的因素及在螺旋軸扭矩最小情況下的最優(yōu)參數(shù)組合，并通過(guò)仿真試驗(yàn)和田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 螺旋施肥機(jī)構(gòu)與工作原理

1.1 預(yù)切種式甘蔗橫向種植機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)研發(fā)一種預(yù)切種式甘蔗橫向種植機(jī)[15]，主要由種箱、供種機(jī)構(gòu)、排種機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)、補(bǔ)種機(jī)構(gòu)等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 施肥機(jī)構(gòu)工作原理

甘蔗橫向種植機(jī)施肥機(jī)構(gòu)主要由施肥機(jī)架、液壓馬達(dá)、凸輪機(jī)構(gòu)、螺旋輸送機(jī)、堵塞排肥管、肥料箱等組成，施肥機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。施肥機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，左、右螺旋軸通過(guò)中間聯(lián)軸器相連，傳遞扭矩，兩邊凸輪軸與螺旋軸通過(guò)鏈輪鏈條傳動(dòng)。甘蔗種植機(jī)作業(yè)時(shí)，肥料儲(chǔ)存在肥料箱，液壓馬達(dá)帶動(dòng)螺旋軸旋轉(zhuǎn)將肥料向兩邊輸送，肥料通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)處的排肥口拋撒出來(lái)，實(shí)現(xiàn)間歇排肥。當(dāng)肥料輸送通道發(fā)生重載或堵塞時(shí)，可控制液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)，將堵塞肥料反向輸送至堵塞排肥口，疏通輸送通道。

1.3 施肥機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

螺旋葉片軸的重要參數(shù)直接影響機(jī)構(gòu)的工作扭矩、質(zhì)量流速、施肥功率等。為避免輸送肥料時(shí)，肥料堵塞料槽端部，設(shè)計(jì)帶有反向螺旋的螺旋軸，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3.1 螺旋軸轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力分配，選擇施肥機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)型號(hào)為OMP125，理論排量為125 mL/r，最大輸入壓力為14 MPa，輸入的最大液壓流量為15 L/min，螺旋軸轉(zhuǎn)速n計(jì)算如式（1）所示，考慮實(shí)際應(yīng)用時(shí)液壓馬達(dá)的機(jī)械損耗，螺旋軸轉(zhuǎn)速確定為80 r/min。

[n=qvηv] （1）

式中： [q]——液壓馬達(dá)的工作流量，L/min；

[v]——液壓馬達(dá)的排量，L/r；

[ηv]——液壓馬達(dá)的容積效率。

1.3.2 螺旋葉片與料槽最小間隙設(shè)計(jì)

為防止大量肥料存留在料槽底部，螺旋葉片與料槽的最小間隙應(yīng)小于肥料直徑均值3.4 mm，本次設(shè)計(jì)選取螺旋葉片與料槽的最小間隙[bmin]為3 mm。

1.3.3 螺旋外徑和螺距的設(shè)計(jì)

實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中，若忽略物料受到軸向阻滯影響的情況，則輸送量的計(jì)算如式（2）所示。

[Q=47D2Snφλε] （2）

式中： Q——螺旋輸送的質(zhì)量流速，本文Q為0.210 5 t/h；

D——螺旋葉片直徑，m；

S——螺旋軸的螺距，m；

[φ]——螺旋輸送機(jī)內(nèi)橫截面的平均填充系數(shù)，取0.2；

[λ]——甘蔗肥料的堆積密度，t/m3；

[ε]——螺旋輸送機(jī)的經(jīng)驗(yàn)輸送系數(shù)，取1。

[S=KD] （3）

式中： [K]——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值，取0.85。

聯(lián)合式（2）、式（3）計(jì)算可得螺旋葉片直徑，取整D為70 mm，螺距S取整得60 mm。

2 螺旋軸受力

假設(shè)肥料顆粒在料槽中為全腔存料，影響螺旋軸扭矩的主要因素為肥料顆粒對(duì)螺旋軸和螺旋葉片的反作用力，其中包括肥料顆粒對(duì)螺桿的摩擦力矩[T1]、肥料顆粒對(duì)螺旋葉片表面的力矩[T2]、肥料顆粒對(duì)螺旋葉片側(cè)面（厚度e表面方向）的力矩[T3]，此處螺旋葉片受到肥料的反作用力[N'葉片]、摩擦力[f'葉片]，螺旋軸受力分析如圖4所示。

忽略螺旋葉片所占空間，肥料對(duì)整個(gè)螺旋軸的摩擦力矩

[T1=πd2Lf] （4）

式中： d——螺旋軸直徑，mm；

L——螺旋軸長(zhǎng)度，mm;

[f]——肥料對(duì)螺旋軸表面的周向摩擦力，N。

在長(zhǎng)度L的螺旋軸上，肥料在螺旋葉片上的作用力對(duì)螺旋軸軸線的力矩

[T2=Lgq1ρStanρ22π2（R2-r2）（πDS+arctanSπD-πdS-arctanSπd）+Lgq1ρS2π2（R2-r2）lnsin（arctanSπd）sin（arctanSπD）] （5）

式中： g——重力加速度，m/s2；

[ρ]——肥料密度，kg/m3；

[q1]——單個(gè)螺距內(nèi)的肥料體積，m3；

R——螺旋葉片半徑，mm；

r——微圓環(huán)半徑，mm；

[ρ2]——肥料顆粒與螺旋葉片表面的滑動(dòng)摩擦角，（°）。

[T3=dT3=LSπd2+S2N1'tanρ1D2] （6）

式中： [N1']——肥料顆粒對(duì)葉片厚度e垂直方向的支持力，N；

[ρ1]——肥料與料槽間的滑動(dòng)摩擦角，（°）。

螺旋軸所受總力矩

[T=T1+T2+T3] （7）

螺旋輸送機(jī)的螺旋軸在輸送肥料顆粒時(shí)，施肥液壓馬達(dá)的負(fù)載扭矩為螺旋葉片軸的阻力力矩T1、T2、T3之和，當(dāng)螺旋軸上的阻力力矩之和大于液壓馬達(dá)最大輸出扭矩時(shí)將造成肥料輸送堵塞。根據(jù)式（7）可知螺旋軸直徑d、螺旋葉片直徑D、螺距S、葉片厚度e對(duì)螺旋軸扭矩有影響，后續(xù)將通過(guò)正交仿真試驗(yàn)對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合。

3 基于EDEM的施肥機(jī)構(gòu)仿真試驗(yàn)

3.1 EDEM仿真模型及參數(shù)設(shè)定

施肥機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，故選擇機(jī)構(gòu)一側(cè)作為仿真模型，如圖5所示。施肥機(jī)構(gòu)的螺旋軸、螺旋葉片和料槽材料均為304不銹鋼。為使仿真更接近實(shí)際情況，通過(guò)自制試驗(yàn)臺(tái)對(duì)肥料密度、肥料與不銹鋼的彈性恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為：螺旋軸轉(zhuǎn)速80 r/min；肥料直徑3.4 mm，泊松比0.25，剪切模量1.248 MPa，密度1 000 kg/m3；肥料與肥料間恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.312、0.477、0.239；肥料與不銹鋼間恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.366、0.381、0.1。

3.2 二次旋轉(zhuǎn)正交仿真試驗(yàn)

為研究螺旋施肥機(jī)構(gòu)的負(fù)載扭矩，以螺旋軸扭矩和質(zhì)量流速（單位時(shí)間排肥量）為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交仿真試驗(yàn)。

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果方差分析

以螺旋軸葉片螺距、葉片厚度、葉片直徑和螺旋軸軸徑為因素設(shè)計(jì)，每個(gè)因素取5個(gè)水平，星號(hào)臂[γ]為1.682，設(shè)計(jì)二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素、水平及編碼見(jiàn)表1。方差分析見(jiàn)表2。

由表2可知：影響因子S、d、D、Se、SD對(duì)螺旋軸扭矩影響顯著，影響因子e、eD對(duì)螺旋軸扭矩高度顯著，因此螺旋軸葉片螺距、厚度、直徑及螺旋軸軸徑對(duì)螺旋軸扭矩有重要作用；各因素對(duì)螺旋軸扭矩影響的主次順序?yàn)槁菪~片厚度、螺旋軸葉片直徑、螺距、螺旋軸軸徑。剔除不顯著因素后得到各因素與螺旋軸扭矩T的回歸方程為

[T=-1.191 8S+6.966 26e-0.123 308d-0.148 888D+0.100 544Se+0.010 131SD-0.153 638eD+45.089 04]

由表2可知，影響因子D2對(duì)質(zhì)量流速影響顯著，影響因子S、D、SD對(duì)質(zhì)量流速高度顯著；各因素對(duì)質(zhì)量流速影響的主次順序?yàn)槁菪S葉片螺距、螺旋軸葉片直徑、螺旋軸軸徑、葉片厚度。剔除不顯著因素后得到各因素與質(zhì)量流速M(fèi)的回歸方程為

[M=-0.008 071S-0.001 232 1D+0.000 130SD+0.000 036D2+0.665 458]

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化

根據(jù)橫向種植施肥農(nóng)藝要求，甘蔗種植需要600 kg/hm2基肥。經(jīng)換算，當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速為80 r/min時(shí)，質(zhì)量流速的目標(biāo)值為210.5 kg/h（即0.058 kg/s）。以質(zhì)量流速0.058 kg/s，螺旋軸扭矩最小為約束條件，對(duì)螺旋軸扭矩和質(zhì)量流速的回歸方程進(jìn)行求解，結(jié)合工廠實(shí)際工藝，得到最優(yōu)參數(shù)組合：螺距67 mm，葉片厚度2.5 mm，軸徑32 mm，螺旋葉片直徑76 mm，此時(shí)，螺旋軸扭矩為6.6 N ? m、質(zhì)量流速為0.058 kg/s。將上述結(jié)果參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，得到螺旋軸負(fù)載扭矩均值為6.3 N ? m，質(zhì)量流速為0.055 kg/s，與優(yōu)化結(jié)果基本吻合。

3.3 反向螺旋仿真試驗(yàn)

為防止甘蔗肥料堵塞在料槽的端部，在螺旋軸的端部加上一節(jié)反向螺旋葉片。考慮到加工方便和降低制造成本，取反向螺距為正向螺距的整數(shù)倍，即選取33.5 mm和67 mm的反向螺距進(jìn)行5次仿真比較。仿真結(jié)果表明，在仿真30 s的時(shí)間內(nèi)，螺距為67 mm的反向螺旋有10粒以上肥料顆粒進(jìn)入料槽端部，如圖6（a）所示；螺距為33.5 mm的反向螺旋無(wú)肥料顆粒進(jìn)入料槽端部，如圖6（b）所示。由仿真結(jié)果可得，螺距為33.5 mm的反向螺旋葉片可以更有效地防止甘蔗肥料堵塞在料槽端部。

4 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

田間試驗(yàn)于2022年1月19日在廣西亞熱帶農(nóng)科新城基地進(jìn)行試驗(yàn)，天氣為小雨轉(zhuǎn)陰，田地坡度約為5°，土塊細(xì)碎，無(wú)石頭。甘蔗橫向種植機(jī)田間試驗(yàn)如圖7所示。

為驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的結(jié)論，采用扭矩測(cè)試設(shè)備測(cè)量甘蔗種植機(jī)施肥螺旋軸的扭矩；全橋的應(yīng)變片沿著螺旋軸的周向方向成180°粘貼，扭矩測(cè)量點(diǎn)設(shè)置如圖8所示。分別測(cè)量?jī)煞N不同參數(shù)下的螺旋輸送機(jī)在正常輸出肥料時(shí)的螺旋軸扭矩[M']的大小，記錄多次數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，0～30 s階段，施肥機(jī)構(gòu)處于啟動(dòng)狀態(tài)，螺旋軸扭矩存在較大的波動(dòng)；30 s以后施肥機(jī)構(gòu)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，螺旋軸扭矩均值為4.3 N ? m，與仿真優(yōu)化結(jié)果基本一致。

因田間試驗(yàn)中質(zhì)量流速難以測(cè)量，故統(tǒng)計(jì)施肥機(jī)構(gòu)總施肥量。試驗(yàn)過(guò)程中，施肥機(jī)構(gòu)施肥量為631.5 kg/hm2，換算得質(zhì)量流速為0.061 5 kg/s，滿(mǎn)足甘蔗施肥600 kg/hm2的農(nóng)藝要求。

在兩天田間試驗(yàn)中，肥料輸送通道流暢，未出現(xiàn)通道堵塞以及肥料堵塞在料槽端部情況，優(yōu)化后的施肥機(jī)構(gòu)防堵塞效果滿(mǎn)足甘蔗橫向種植機(jī)的施肥可靠性需求。

5 結(jié)論

1） 基于甘蔗橫向種植機(jī)，設(shè)計(jì)一種端面反向螺旋施肥機(jī)構(gòu)，通過(guò)理論分析及前期單因素試驗(yàn)得出螺旋軸葉片螺距、葉片厚度、葉片直徑和螺旋軸軸徑對(duì)螺旋軸扭矩和質(zhì)量流速有影響。端面反向螺旋設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)表明：當(dāng)反向螺距為33.5 mm時(shí)，可有效避免肥料堵塞在料槽端部。

2） 以質(zhì)量流速為0.058 kg/s和螺旋軸扭矩最小為目標(biāo)對(duì)四元二次方程組進(jìn)行優(yōu)化求解，當(dāng)螺距67 mm，葉片厚度2.5 mm，軸徑32 mm，螺旋葉片直徑76 mm時(shí)，螺旋軸扭矩為6.6 N ? m、質(zhì)量流速為0.058 kg/s；仿真試驗(yàn)結(jié)果為螺旋軸負(fù)載扭矩均值6.3 N ? m，質(zhì)量流速0.055 kg/s；田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果為螺旋軸負(fù)載扭矩均值4.3 N ? m，質(zhì)量流速0.061 5 kg/s。優(yōu)化結(jié)果與仿真驗(yàn)證結(jié)果同田間試驗(yàn)結(jié)果基本一致，可以有效減少甘蔗橫向種植機(jī)施肥機(jī)構(gòu)堵塞的發(fā)生。

參 考 文 獻(xiàn)

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