控释肥颗粒群仿真接触参数标定与试验

接触参数影响控释肥颗粒离散元仿真结果。为了精准模拟控释肥颗粒力学行为与运动规律,本文基于离散元法对控释肥颗粒的接触参数进行标定与试验。首先,建立控释肥离散元基础模型,并利用台架和仿真试验相结合的方法,在EDEM中对控释肥颗粒与PVC板之间接触参数进行标定。其次,通过碰撞弹跳试验、斜面滑移试验和斜面滚动试验测得控释肥颗粒与PVC板之间的碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数分别为0.539、0.507和0.105。最后,通过堆积试验、最陡爬坡试验和正交旋转组合试验,得到控释肥颗粒间的碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数分别为0.38、0.25和0.09,并通过无底圆筒提升试验和排肥台架试验进行验证。试验结果表明,堆积角实际值与仿真结果的相对误差为1.54%,排肥量实际值与仿真结果4种转速下的相对误差分别为4.38%、4.23%、4.41%、4.36%,所标定的控释肥接触参数精准有效,可为控释肥离散元仿真提供数据和模型支撑。     

基于EDEM和3D打印成型的外槽轮排肥器排肥性能研究

外槽轮排肥器是使用最广泛的排肥器之一,目前外槽轮排肥器结构和几何尺寸单一,无法适用不同肥料颗粒排肥需求,直接影响了排肥效果。EDEM为目前对于颗粒类仿真最有效的方法之一。采用测量和统计学方法获得肥料颗粒的三轴尺寸,以近似球体假设肥料颗粒形状,建立肥料颗粒和外槽轮排肥器的EDEM模型,通过改变槽轮的结构尺寸等,对其排肥过程进行仿真,分析外槽轮排肥器的排肥特性;3D打印成型设计槽轮,通过台架试验验证仿真结果的准确性。结果表明:凹槽半径、槽轮转速对施肥量影响较大,满足线性正相关,螺旋升角对施肥量影响不显著(P0.05),仿真结果与试验结果的相对误差为0.85%~15.98%,平均相对误差为7.21%。本文所建立的EDEM仿真模型准确,具有实际工程应用价值。     

玉米根系离散元模型建立及仿真参数标定研究

为研究秸秆饲料收获机工作时玉米根土复合体受力变化情况,利用离散元法建立了整根玉米根系颗粒粘结模型。根据玉米根系物理特性,选取Hertz-Mindlin with Bonding颗粒接触模型;为准确获取离散元仿真参数,采用根系剪切试验与离散元仿真相结合的方法,对离散元参数进行标定。以根系峰值剪切力为响应值,采用Design Expert软件依次设计Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验与Box-Behnken试验,得到最优仿真参数,即颗粒间剪切模量为6.6MPa、粘结刚度为1.139×10⁶N/m³、极限应力为1.1885MPa。结果表明：仿真值与实际值相对误差为2.12%,仿真标定结果真实可信。最终,根据根系实际尺寸,采用颗粒快速填充方法建立整根玉米根系模型,旨在为后续秸秆饲料收获机械离散元仿真提供参考依据。     

饲料油菜薹期收获茎秆破碎离散元仿真参数标定

针对饲料油菜机械化收获中的切碎、抛送等关键环节离散元仿真缺乏准确模型的问题,以抽薹期饲料油菜茎秆为研究对象,利用EDEM仿真软件开展饲料油菜茎秆破碎离散元仿真模型参数标定研究。试验测定了饲料油菜本征参数,应用Hertz-Mindlin基本模型进行饲料油菜茎秆颗粒堆积仿真试验,通过二水平因子试验、最陡爬坡试验和响应曲面试验,确定了饲料油菜茎秆颗粒碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数等基本接触参数。在此基础上,应用Hertz-Mindlin with bonding接触模型进行饲料油菜茎秆弯曲破坏仿真试验,通过响应面分析确定了饲料油菜茎秆颗粒法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力与临界切向应力等饲料油菜茎秆破碎离散元仿真模型的主要参数。以确定的参数进行堆积角仿真试验,结果表明,仿真结果与实测值相对误差为2. 27%;不同直径油菜茎秆破碎仿真试验表明,仿真结果与实测值相对误差不大于4. 21%,说明标定方法正确可行,标定参数准确可靠。     

偏心弹射式排肥器设计与仿真试验

针对目前穴施排肥器存在易伤作物、喷肥均匀性差、喷肥可靠性低等问题,设计一种偏心弹射式排肥器。根据颗粒肥穴施特性,基于盛肥腔体积压缩而形成压力差的原理,借助人机交互平台,设计关键部件弹射机构和偏心机构,优化机构的结构与工作参数,分析肥料在腔体内的受力状况和运动轨迹。该排肥器主要由排肥装置、偏心轮装置、弹射部件等组成。通过Soildworks三维建模,运用离散元法(EDEM)和动力学(RecurDyn)耦合仿真分析技术对排肥器的成穴性进行仿真,并进行台架试验。试验表明:该机构弹射性能稳定可靠,对农作物无机械损伤。在排肥器角速度为6.2 rad/s、6.7 rad/s,7.2 rad/s时,每穴排肥量一致性变异系数分别为2.8%、3.3%、4.0%,肥料喷射均匀性较好。作业效率等各项指标与预期目标差异性小。离散元仿真值与台架试验相对误差值接近,表明台架试验结果真实可靠。     

油莎豆种子籽粒离散元仿真参数标定与试验

为了解决新型油料作物油莎豆排种器设计过程中种子物理参数不清及仿真参数与实际差异较大，造成模拟试验不准确，制约油莎豆排种器的发展的问题，测定了油莎豆种子的几何参数、弹性模量、泊松比、摩擦因数、碰撞恢复系数和休止角。以截面圆跳动法测出油莎豆种子精确外形轮廓并建立仿真颗粒模型，通过离散元仿真参数标定得出油莎豆种间静摩擦系数为0.662,油莎豆种间滚动摩擦因数为0.024。通过休止角试验验证，得到误差为1.61%,较标定前降低92.9%。通过排种仿真试验、排种器试验台试验和播种田间试验验证，得到仿真重播指数相对误差为3.79%、4.64%,漏播指数相对误差为6.81%、8.64%。由此表明，油莎豆仿真参数标定值可靠，可为油莎豆单粒精播排种器设计优化提供参考。     

青贮玉米收获机碟盘式籽粒破碎装置仿真优化与试验

针对青贮玉米收获机玉米籽粒破碎效果差、破碎率低、影响青贮秸秆发酵与籽粒养分转化的问题,设计了适合青贮玉米籽粒破碎的碟盘式青贮玉米籽粒破碎试验台,对关键部件刀盘进行了参数化设计,基于DEM法对籽粒破碎过程进行了运动和力学分析,首先建立基于离散元法的玉米籽粒粘结颗粒模型;利用EDEM离散元仿真软件开展正交仿真试验优化,选取刀齿数、刀刃深度、破碎间隙和刀辊转速作为仿真试验因素,籽粒破碎率为试验考察指标,确定了最优组合参数,即刀齿数48、刀刃深度5mm、破碎间隙2mm、刀辊转速59r/s,在该条件下籽粒破碎率为90.35%,仿真试验与台架试验相对误差为3.36%;台架试验结束后,采用宾州筛对其筛分,物料可分为小型、标准、大型和未完全破碎型4种,占比分别为1.3∶6∶1.8∶0.9,与仿真试验结果一致。台架试验各指标满足行业标准,实现了对玉米籽粒的高破碎和高作业效率。     

基于EDEM的螺旋式排肥器排肥性能研究

为优化改进螺旋式排肥器在热带果园中的施肥效果,在试验统计获得肥料颗粒物理及相关力学仿真参数的基础上建立了颗粒肥料的EDEM模型,并通过对其与螺旋式排肥器数字化模型耦合进行排肥过程仿真分析。通过随机选取料箱左、中和右侧的单个肥料颗粒,获得了不同位置的仿真运动轨迹、速度与受力变化曲线图。数据分析结果表明:不同转速下的排肥螺旋单圈排肥量变异系数均小于2%;螺旋叶片直径对排肥量影响显著(P0.05),呈线性负相关;螺距和排肥轴转速对排肥量影响极显著(P0.01),呈线性正相关。建立的螺旋式排肥器模型结构合理,排肥过程稳定性与均匀性较好,可为螺旋式排肥器的优化设计提供参考。     

基于EDEM的深施肥器排肥与阻力影响因素分析

为解决深施肥的施肥口堵塞问题,设计了一种鸭舌型深施肥器,并建立了深施肥器的离散元仿真模型,模拟了不同工作参数下的排肥过程,探索了施肥器类型、施肥深度、前进速度和土壤含水率对排肥量和工作阻力的影响。仿真及台架试验结果表明:鸭舌型深施肥器肥料堵塞时间短,排肥均匀,综合性能最优;施肥深度越大,工作阻力越大,排肥量稍少;含水率影响初期的排肥流畅性,肥料堵塞程度含水率25%的比15%的要严重;前进速度对工作阻力和稳定后的排肥均匀性影响不大,而对排肥滞后和排肥量的影响较大。工作阻力仿真值与台架试验值的误差在11.5%以内,变化趋势基本一致,证明采用离散元法对深施肥器排肥影响因素进行仿真分析具有可行性。该研究结果为深施肥器的设计及其田间作业参数的确定提供了参考。     

外槽轮排肥器关键工作参数对排肥量影响的仿真与试验研究

明确排肥器工作参数对排肥量的影响,有助于提高外槽轮排肥器的排肥性能。应用离散元法(EDEM)研究外槽轮排肥器工作过程的基础上,以外槽轮工作长度、排肥轴转速、排肥舌开口角度为试验因素,以排肥量为评价指标,综合应用离散元法、二次正交回归试验、排肥器排肥台架试验,研究排肥器工作参数对排肥量的影响。建立外槽轮排肥器工作参数与排肥量之间的数学模型,明确工作参数对排肥量影响程度大小依次为:外槽轮工作长度、排肥轴转速、排肥舌开口角度。仿真与台架试验排肥量的平均相对误差为10.04%,且试验结果的方差分析结论一致。研究成果可以为施肥机械排肥量的调整和机具设计提供依据。     

油菜直播机四头螺旋双行排肥器设计与试验

针对油菜直播机常用外槽轮排肥器排肥稳定性和均匀性不足及各行一致性低等问题,设计了一种四头螺旋双行排肥器。分析了肥料颗粒在螺旋排肥中的运动特性,确定了排肥螺旋螺距范围和临界转速,运用EDEM仿真分析得出排肥螺旋头数为四头和螺距为24mm时,排肥器具有最佳的排肥性能;开展了排肥螺旋转速对排肥器排肥性能影响和不同肥料适应性的台架试验,试验结果表明,排肥速率随排肥螺旋转速增大而增加,单行排肥速率为461.19~1328.57g/min,排肥均匀性变异系数随排肥螺旋转速增大而变小,在转速大于30r/min时,排肥均匀性变异系数小于6.5%,总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均小于2.2%;同时研究表明一器双行四头螺旋排肥器能适应广泛应用的不同类型油菜直播常用复合肥,3种试验肥料排肥均匀性变异系数均满足施肥标准,总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均低于3.3%。田间试验结果表明,理论施肥量为28.87kg时,一器双行螺旋排肥器实际施用量与理论施用量相对误差为2.33%,排肥均匀性变异系数为6.73%,双行排肥量一致性变异系数为1.98%。试验结果满足油菜直播生产施肥要求,可为油菜直播排肥器的结构改进和优化提供参考。     

倾斜梯形孔式穴施肥排肥器设计与试验

为降低肥料施用量、提高肥料利用效率、实现植株根区施肥,设计了一种倾斜梯形孔式定量穴排肥器。阐述了穴排肥器的成穴与工作原理,分析了影响其成穴性能的主要因素,构建了充肥和排肥过程中肥料颗粒群的力学模型;应用离散元软件EDEM和流体分析软件Fluent对穴排肥器的成穴性能进行了仿真分析,研究了作业速度、充肥孔长度和气流速度对穴长、穴排肥量误差的影响,通过全因子试验得到作业速度为3~7km/h时的较优参数组合为充肥孔长度27.0mm、气流速度15.0m/s,对应的穴长和穴排肥量误差分别为62.7~87.5mm和7.4%~8.9%。台架试验表明,在作业速度为3~7km/h、充肥孔长度为27.0mm和气流速度为15.0m/s条件下,穴长、穴长稳定性变异系数、穴排肥量误差和穴距误差分别为98.5~175.5mm、7.42%~14.18%、7.60%~15.17%、2.3%~4.7%;田间试验表明,作业速度为3~7km/h时,穴长、穴长稳定性变异系数、穴排肥量误差和穴距误差分别为104.2~178.4mm、7.55%~14.56%、7.69%~13.80%、2.1%~4.3%,成穴性能较好。     

养猪场沼渣制备包膜缓释肥理化性质表征

文章以分散式养猪场沼渣为应用研究对象,以8%聚乙烯醇为包膜材料,改性斜发沸石为肥料载体和缓控释材料调理剂,通过添加不同沸石量制备3种复混包膜缓释肥。利用红外光谱、扫描电镜及三维荧光对3种缓释肥的进行表征。结果表明:添加改性沸石的复混包膜肥除了增加显著的沸石红外特征谱外,其余红外光谱图差异不明显,表明添加沸石对有机质(富里酸和腐殖酸)结构和化学键型并未产生明显的影响,即不影响沼渣理化性质;添加改性沸石可以使聚乙烯醇完整的覆盖在肥料表面,膜壳更加平整光滑,膜层更加致密;三维荧光光谱显示复混包膜肥Ⅰ浸出富里酸和腐殖酸浓度最大,复混包膜肥Ⅲ浓度最低,表明添加沸石有减缓肥料养分释放的效果。该研究对于利用养猪场沼渣制备包膜缓释肥有一定的参考价值。     

自制包膜复合肥的养分释放特征及其对番茄光合作用的影响

氮肥施用量大,氮素利用效率低一直是困扰我国农业生产的突出问题。如何提高氮肥利用效率、减少因过量施用氮肥而引起的环境污染问题是目前国内外肥料研究的热点问题。通过水培和盆栽试验,研究了几种自制包膜复合肥的氮释放速率及其对番茄光合作用的影响。结果表明:聚合物包膜的复合肥能明显克服未包膜复合肥破裂释放模式的缺点,使养分释放更加平缓;聚合物包膜的膜厚度对肥料的养分释放期起决定性作用,养分初期溶出率随着膜厚度的增加而降低,养分释放期相对延长;增加抑制剂可以明显降低复合肥的氮释放速率。对比盆栽试验表明:随着包膜厚度的增加,番茄叶片的净光合作用、蒸腾速率和叶绿素含量明显增加;包膜中加入抑制剂也可以提高番茄叶片的净光合作用、蒸腾速率和叶绿素含量,各处理之间呈显著水平,说明对复合肥进行包膜可以降低氮的释放速率,提高番茄叶片的光能利用效率。     

淀粉胶生物质炭基氮肥制备及其缓释特性分析

以生物质炭为载体,与自制改性淀粉胶黏剂、尿素进行复合,利用万能力学试验机和自制成型模具制备颗粒缓释肥料,研究水分添加量、成型压力、炭肥比及胶黏剂添加量4个因素对颗粒肥料抗压性能和缓释性能的影响。结果表明:对于纯炭粉成型,当水分含量为10%、成型温度为45℃、成型压力为6k N时,成型颗粒的抗压强度达到最大;尿素与炭粉混合后成型可以增加颗粒强度,当稻壳炭-尿素(即炭肥比)为5:1时,在同样成肥条件下,肥料颗粒的抗压强度最大;改性淀粉胶黏剂可进一步增加肥料颗粒强度,当胶黏剂添加量为5%时,肥料颗粒的抗压强度达到最大。不同配比条件下制备的缓释肥料,其氮素累积释放规律符合"S"型释放模型,添加胶黏剂制备的缓释肥的缓释性能明显优于传统的尿素肥料,以胶黏剂添加量为5%时缓释效果最佳。     

青贮玉米饲料籽粒破碎装置仿真分析与试验

籽粒破碎技术是提高青贮玉米饲料品质的关键技术,也是制约青贮玉米饲料机械化装置的瓶颈。采用SW三维建模、离散元法和田间试验相结合的方法,探究全株玉米离散元模型,模拟籽粒破碎作业过程中破碎对辊与玉米秸秆、玉米籽粒相互作业的过程;并对破碎对辊进行力学分析,用全株玉米粘结接触模型对对辊间破碎过程进行仿真试验,最后通过田间试验验证仿真结果的真实性。旨在研究青贮玉米籽粒破碎装置中不同工作参数对其运行质量及籽粒破碎率的影响,提高破碎装置的效率,进一步优化其结构。结果表明:在秸秆、玉米芯及籽粒的压缩和剪切试验中,设定加载速度为4 mm/min,对辊间隙为2 mm时,玉米秸秆和玉米芯轴向压缩最大临界破裂载荷均近似为2 360 N,玉米籽粒则近似为48 N,玉米秸秆和玉米芯径向最大临界剪切力分别为625 N和840 N,玉米籽粒则为23 N,破碎率达到最大值96%,仿真结果与试验结果保持一致,表明本文建立的三维离散元模型可应用于仿真青贮玉米籽粒破碎装置工作过程中的破碎情况,试验结果满足玉米籽粒破碎质量要求,为进一步研究籽粒破碎机理,分析籽粒破碎的影响因素提供理论依据和技术支持。     

纳米SiO2—淀粉—PVA复合膜材料的制备及其在炭基肥中的应用

淀粉—聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)作为缓释肥包膜材料具有价格低廉、环保等优点,但其高吸水性限制其应用,采用纳米二氧化硅(SiO₂)改性可提高其疏水性。首先探讨PVA浓度、交联剂用量、增塑剂用量对淀粉—PVA复合膜吸水率的影响,之后用纳米SiO₂对淀粉—PVA复合膜进行改性,探讨纳米SiO₂添加量对复合膜吸水率和力学性能的影响,并找出最优原料配比,最后将此复合膜液作为黏结剂,制备生物质炭基肥并进行土柱淋溶试验。试验结果表明:在150 mL蒸馏水中控制淀粉与PVA的添加质量之和为10 g,当淀粉与PVA的质量之比为2∶3、交联剂硼砂添加量为0.1 g、增塑剂甘油添加量为3 mL时,所制成复合膜的吸水率最低,为78%。添加纳米SiO₂后,各处理膜的吸水率随纳米SiO₂添加量的增加呈现先升高后降低的变化,当纳米SiO₂添加量为2.4 g时,与未添加的相比,复合膜的吸水率下降38.4%,水接触角提高89.5%,拉伸强度提高49.0%,此时制备的复合膜材料性能最佳。将纳米SiO₂—淀粉—PVA复合膜材料应用于生物质炭基肥的制备,制备出的炭基肥颗粒包覆完整,粒径主要分布在3.8~4.4 mm之间,在28 d时氮素累计释放率为65%,具有良好的缓释效果,为炭基肥的开发应用提供新途径。     

水田机械式强制排肥装置设计与试验

目前水田机械施肥均匀性差,且作业时在施肥开沟器末端容易出现肥料粘结、架空、堵塞开沟器等现象。针对以上问题,本文设计了一种水田机械式强制排肥装置,并对其关键部件进行了结构设计及性能试验。将水田机械式强制排肥部件的工作过程分为3个阶段,通过运动学和动力学研究方法分析了各工作阶段肥料在螺旋强制排肥部件内的状态,以及影响排肥部件工作性能的关键因素,对螺旋强制排肥部件的直径、转速、螺距3个因素进行了设计计算。以排肥均匀性变异系数为响应指标,进行了螺旋强制排肥部件的单因素台架试验,通过对最小显著性差异进行统计分析,确定了各因素的取值范围;安排了二次正交旋转组合试验,并对试验结果进行了方差分析和响应面分析,确定了影响排肥性能指标因素的影响由大到小为转速、螺距、直径,建立了排肥性能指标与各因素之间的回归方程,运用Design-Expert软件对试验因素优化求解,确定了较优工作参数组合为螺旋输送器转速120.09r/min、直径23.90mm、螺距21.54mm,此时施肥装置台架试验的排肥均匀性变异系数为7.18%。将所设计的强制排肥部件分别安装在水稻插秧机及水稻气力式施肥播种机上,进行了田间验证试验,试验结果表明,机械式强制螺旋排肥装置工作稳定、堵塞率低,水田防堵塞效果优于无该部件的施肥机械。     

用于藤茎类秸秆的大型立式粉碎机设计与试验

为解决大棚蔬菜秸秆,尤其是藤茎类蔬菜秸秆在粉碎时缠绕刀片、喂料困难、锤片寿命短、整机效率低、粉碎粒径大、轴承温升高、人员劳动强度大等问题,以有机肥制备所需的粉碎粒径和工厂化制肥的产量要求为导向,在充分研究藤茎类秸秆的力学特性基础上,应用双级锤片粉碎的原理,设计大容量喂料转筒、两级串联粉碎机构、浮动式支撑限位座和轴承润滑...     

锥形撒肥圆盘中肥料颗粒运动模型优化与试验

针对锥形撒肥圆盘存在抛施肥均匀性差、相关理论和解析模型研究较少等问题,建立了肥料颗粒在锥形撒肥圆盘上及空气中的运动模型。分析锥形撒肥圆盘结构和运动参数对肥料颗粒自旋性的影响,将肥料颗粒的自旋性充分考虑在整个运动过程中,进而得到影响抛撒均匀性及抛撒幅宽的主要因素。采用正交试验方案研究了叶片长度、叶片倾角、锥形撒肥圆盘转速对肥料颗粒抛撒的横向变异系数的影响。对正交试验结果进行方差和极差分析,结果表明:叶片长度为145 mm、叶片倾角为0°、锥形撒肥圆盘转速为1 200 r/min时,抛撒的横向变异系数为5.80%,满足抛施肥作业要求。该研究可提高马铃薯锥盘式撒肥机施肥作业效率,为锥盘式撒肥机的设计提供理论参考。