李鑫,姜新波,紀(jì)欣鑫,頓國(guó)強(qiáng),趙宇,杜佳興

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040; 2.哈爾濱劍橋?qū)W院智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150069; 3.中農(nóng)北極星(天津)智能農(nóng)機(jī)裝備有限公司,天津 300480;4.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007)

未來(lái)農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的主要趨勢(shì)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè),而在該趨勢(shì)中,精量施肥技術(shù)扮演著關(guān)鍵角色[1]。為了實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收并保護(hù)生態(tài)環(huán)境,精量施肥技術(shù)作為一種高效的施肥方法被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)根據(jù)作物對(duì)養(yǎng)分的需求進(jìn)行施肥,不僅能夠滿足作物生長(zhǎng)的需要,還能有效降低化肥的使用量[2-3]。作為實(shí)現(xiàn)精量施肥的關(guān)鍵組成部分,螺旋排肥器具備多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸送量可調(diào)節(jié)和價(jià)格低廉等[4],主要分為單螺旋排肥器和螺旋雙輪排肥器。近年來(lái),針對(duì)傳統(tǒng)單螺旋排肥器的均勻性問(wèn)題,研究人員進(jìn)行了大量工作。FUCHS等[5]利用電容傳感器對(duì)單螺旋排肥器排肥量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。KRETZ等[6]對(duì)單螺旋輸送器進(jìn)行仿真及臺(tái)架試驗(yàn),分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝傾角對(duì)螺旋出口物料流量穩(wěn)定性影響,使出口物料流量更均勻。薛鐘等[7]為得到排肥器均勻性最優(yōu)時(shí)的轉(zhuǎn)速,對(duì)排肥器進(jìn)行仿真及臺(tái)架試驗(yàn)。李曉賢等[8]設(shè)計(jì)了一種適用于丘陵山區(qū)的垂直螺旋式定量施肥機(jī),并對(duì)施肥機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,機(jī)器學(xué)習(xí)和離散元法在農(nóng)業(yè)工程中應(yīng)用日益廣泛。陳黎卿等[9]運(yùn)用遺傳算法對(duì)施肥機(jī)減震機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后施肥機(jī)機(jī)架處垂直振動(dòng)加速度和俯仰角加速度明顯降低。葉大鵬等[10]通過(guò)離散元法來(lái)對(duì)單螺旋排肥器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。宋歡[11]基于EDEM軟件仿真對(duì)雙線螺旋輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,降低了出料口的峰值波動(dòng)。但是,上述研究主要采用技術(shù)手段對(duì)單螺旋排肥方面現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的調(diào)整,缺乏針對(duì)單螺旋排肥流量波動(dòng)原理改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案。

傳統(tǒng)單螺旋排肥器螺旋葉片與正下方的排肥口相切,由于在切點(diǎn)隨著排肥輪轉(zhuǎn)動(dòng)到不同位置時(shí),螺旋葉片與殼體之間形成了不同的儲(chǔ)肥空間,從而使肥料顆粒在出肥口處產(chǎn)生波動(dòng)[12]?；诖?本研究通過(guò)在排肥器結(jié)構(gòu)上增加排肥輪的方式設(shè)計(jì)了一種螺旋雙輪排肥器,理論分析排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排肥性能的影響后建立數(shù)學(xué)模型,利用遺傳算法對(duì)排肥器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并通過(guò)臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn),以期提高排肥器排肥均勻性,最后通過(guò)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速流量曲線實(shí)現(xiàn)螺旋雙輪排肥器的精控排肥,為螺旋雙輪排肥器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 單螺旋排肥器排肥特性研究

1.1 仿真參數(shù)設(shè)定

為了探究傳統(tǒng)單螺旋排肥器的排肥過(guò)程,本研究采用離散元法(discrete element method,DEM)對(duì)排肥過(guò)程進(jìn)行具體分析。選用史丹利化肥吉林有限公司生產(chǎn)的史丹利復(fù)合肥(實(shí)測(cè)百粒平均直徑1.64 mm、標(biāo)準(zhǔn)差0.18 mm、密度1.86 g·cm-3)為試驗(yàn)肥料,顆粒建模采用純球體且為無(wú)結(jié)塊顆粒,排肥器材料為聚乳酸(polylactic acid,PLA)塑料。肥料顆粒與排肥器殼體、肥料顆粒與肥料顆粒之間均采用Hertz-mindlin(no-slip)模型[13-15]。仿真模型的相關(guān)變量參數(shù)具體設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 全局變量參數(shù)設(shè)置Table 1 Global variable parameter setting

1.2 單螺旋排肥器仿真分析

利用SolidWorks 2020對(duì)單螺旋排肥器進(jìn)行建模,并對(duì)不必要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,將SolidWorks 2020中的模型轉(zhuǎn)換成IGS文件導(dǎo)入EDEM 2020軟件中,根據(jù)表1填入各項(xiàng)參數(shù),設(shè)置工廠生成速率為15 000顆·s-1,共生成20 000顆肥料顆粒,所有肥料顆粒生成后排肥器開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。排肥輪轉(zhuǎn)速60 r·min-1,仿真步長(zhǎng)9.25×10-6s,數(shù)據(jù)記錄間隔0.01 s。如圖1所示,通過(guò)分析單圈排肥過(guò)程中排肥口瞬時(shí)肥料流量發(fā)現(xiàn),排肥口的瞬時(shí)排肥量呈周期性變化,導(dǎo)致單螺旋排肥器排肥量出現(xiàn)脈動(dòng)現(xiàn)象,排肥均勻性差。

1.螺旋葉片;2.排肥口殼體端面。1.Spiral blades; 2.Fertilizer discharge port shell end face.

2 螺旋雙輪排肥器整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 螺旋雙輪排肥器整機(jī)結(jié)構(gòu)

螺旋雙輪排肥器結(jié)構(gòu)如圖2所示。排肥器配裝在播種機(jī)的肥箱下部,排肥器的排肥口通過(guò)排肥管與施肥開(kāi)溝器鏈接。作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)懸掛牽引播種機(jī)沿壟向進(jìn)行施肥播種作業(yè),機(jī)器的驅(qū)動(dòng)六方軸穿過(guò)左側(cè)排肥輪芯部的內(nèi)六方孔,驅(qū)動(dòng)左側(cè)小齒輪帶動(dòng)左側(cè)排肥輪轉(zhuǎn)動(dòng),動(dòng)力經(jīng)由左側(cè)小齒輪與殼體上部大齒輪及上部大齒輪與右側(cè)小齒輪之間的嚙合傳動(dòng),傳遞到右側(cè)小齒輪上,帶動(dòng)右側(cè)排肥輪同向旋轉(zhuǎn)。肥料通過(guò)排肥器的入肥口進(jìn)入殼體后,被帶有螺旋葉片的排肥輪攪混后,均勻橫向輸送到出肥口后,落入排肥管,由開(kāi)溝器將肥料施入土壤,而后由播種單體完成播種、覆土及鎮(zhèn)壓作業(yè)。

1.螺旋葉片;2.入肥口;3.排肥輪;4.大齒輪;5.小齒輪;6.內(nèi)六方孔;7.排肥口;8.殼體。1.Spiral blades; 2.Fertilizer inlet; 3.Fertilizer wheel; 4.Big gear; 5.Small gear; 6.Inner hexagonal hole; 7.Discharge port; 8.Shell.

2.2 螺旋雙輪排肥器仿真分析

為更加直觀展現(xiàn)肥料在雙輪螺旋排肥器中的運(yùn)動(dòng)情況,將SolidWorks 2020中的螺旋雙輪排肥器模型轉(zhuǎn)換成IGS文件導(dǎo)入EDEM 2020軟件中,依表1填入各項(xiàng)參數(shù),設(shè)置螺旋雙輪轉(zhuǎn)速60 r·min-1,仿真步長(zhǎng)9.25×10-6s,數(shù)據(jù)記錄間隔0.01 s,螺旋雙輪排肥器仿真圖如圖3。通過(guò)在EDEM 2020建立截面監(jiān)測(cè)區(qū),在監(jiān)測(cè)區(qū)獲取不同相位角時(shí)瞬態(tài)排肥仿真圖,如圖4所示。當(dāng)螺旋雙輪排肥器的螺旋葉片旋轉(zhuǎn)在0°相位角時(shí),出肥口的肥料主要集中在右螺旋葉片中排出,當(dāng)螺旋雙輪排肥器的螺旋葉片旋轉(zhuǎn)在180°相位角時(shí),出肥口的肥料主要集中在左螺旋葉片中排出,這樣實(shí)現(xiàn)左右螺旋葉片與排肥口之間交替開(kāi)口,從而降低開(kāi)口大小的周期性變化,達(dá)到提高排肥均勻性。

1.殼體;2.截面監(jiān)測(cè)區(qū);3.集肥盒;4.螺旋葉片;5.肥料工廠。1.Shell; 2.Cross-sectional monitoring area; 3.Fat collection box; 4.Spiral blades; 5.Fertilizer plant.

圖4 螺旋雙輪排肥器不同相位角時(shí)瞬態(tài)排肥仿真圖Fig.4 Simulation of transient fertilizer discharge at different phase angles for double-spiral fertilizer discharge device

3 螺旋雙輪排肥器排肥性能分析

螺旋雙輪排肥器理論排肥量主要由單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)腔體積與排肥輪體積之差所決定。螺旋雙輪排肥器內(nèi)腔截面如圖5所示,其表面積為2個(gè)圓的面積減去黑色區(qū)域面積,如式(1)—式(3)所示:

(1)

圖5 螺旋雙輪排肥器殼體截面圖Fig.5 Double-spiral fertilizer discharge device shell cross-section

(2)

Sc=2πR2-4Sl

(3)

式中:Sc為殼體周向截面積;Sl為黑色區(qū)域弧形面積;R為螺旋葉片外徑;r為螺旋葉片內(nèi)徑;α為1/2重合區(qū)夾角;a為中心距。

螺旋雙排肥輪的殼體體積計(jì)算如式(4)所示:

Vc=S×Sc

(4)

式中:Vc為排肥器殼體體積;Sc為殼體周向截面積;S為螺距。

計(jì)算排肥輪體積Vw,如圖6所示。單個(gè)螺距下葉片體積可以簡(jiǎn)化為黑色區(qū)域繞螺旋軸轉(zhuǎn)一圈所形成的體積Va,如式(5)和式(6)所示:

(5)

圖6 螺旋雙輪排肥器排肥輪圖Fig.6 Double-spiral fertilizer discharge device discharge wheel diagram

Vw=2(Va+Sπr2)

(6)

式中:Vw為排肥輪體積;Va為螺旋葉片旋轉(zhuǎn)1周體積;Rp為葉片高度;b為螺旋葉片厚度。

即螺旋雙輪排肥器單圈有效儲(chǔ)肥體積Vv為如式(7)所示:

Vv=Vc-Vw

(7)

式中:Vv為排肥器單圈有效儲(chǔ)肥體積;Vc為排肥器殼體體積;Vw為排肥輪體積。

當(dāng)螺旋葉片大、小徑R、r、螺旋葉片厚度b,排肥器轉(zhuǎn)速n為定值時(shí),通過(guò)增大排肥器殼體的體積Vc與減小排肥輪體積Vw來(lái)實(shí)現(xiàn)增加有效排肥體積Vv。

肥料在螺旋雙輪排肥器中,肥料的松密度定義為肥料在排肥器中的質(zhì)量除以排肥器的體積,影響松密度的主要因素有物料特性,排肥器形狀及外部條件如式(8)所示:

(8)

式中:ps為肥料的松密度;m為肥料的質(zhì)量;Vv為排肥器單圈有效儲(chǔ)肥體積。

排肥器的填充率是指在單位螺距下螺旋葉片槽內(nèi)的肥料體積與單圈有效儲(chǔ)肥體積之比,肥料的填充率對(duì)肥料顆粒的流動(dòng)、排肥均勻性具有不同的影響。由于肥料顆粒在排肥器中并非滿充填狀態(tài),因此,螺旋葉片處在不同位置時(shí)有效排肥體積Vv會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),有效排肥體積ΔVv的變化幅度決定了排肥是否均勻,肥料填充率ε計(jì)算如式(9)所示:

(9)

即螺旋雙輪排肥器理論排肥量可以表示為式(10):

Q=Vv×vs×ε

(10)

式中:Q為理論排肥量;Vv為排肥器單圈有效儲(chǔ)肥體積;vs為肥料軸向輸送速度;ε為肥料填充率;w為螺旋葉片每轉(zhuǎn)輸送物料量。

4 基于遺傳算法對(duì)螺旋雙輪排肥器優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)變量

螺旋雙輪排肥器的主要參數(shù)有中心距a、螺距S、葉片高度Rp、葉片厚度b和螺旋葉片內(nèi)徑r,以主要參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量,如式(11)所示:

X=[a,S,Rp,b,r]T=[x1,x2,x3,x4,x5]T

(11)

式中:X為決策向量;T為向量轉(zhuǎn)置;x1,x2,x3,x4,x5分別表示為a,S,Rp,b,r的變量值。

4.2 目標(biāo)函數(shù)

通過(guò)理論分析,可以得出螺旋雙輪排肥器有效排肥體積Vv越大,ΔVv變化越小,ΔVv變化幅度越小,排肥越均勻。因此,以有效儲(chǔ)肥體積最大為目標(biāo),由于在遺傳算法適用于目標(biāo)函數(shù)最小值,即把目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換表示為式(12):

f(x)=-Vv(x)

(12)

式中:Vv為排肥器單圈有效儲(chǔ)肥體積。

4.3 約束條件

排肥器的螺旋葉片應(yīng)相互重合且不發(fā)生碰撞,即中心距a應(yīng)滿足式(13):

(13)

式中:Rp為葉片高度;r為螺旋葉片內(nèi)徑;x1為中心距a的變量值。

為防止螺旋葉片與殼體之間出現(xiàn)空隙,導(dǎo)致殼體中出現(xiàn)殘留肥料,同時(shí)葉片高度還需滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制。因此葉片高度三者之間滿足式(14):

(14)

式中:S為螺距;b為螺旋葉片厚度;R為螺旋葉片外徑;r為螺旋葉片內(nèi)徑;x3為葉片高度變量值。

由于螺距S優(yōu)化區(qū)間為0.5～0.7倍螺旋葉片外徑[16-17],螺距越小單圈排肥量越小,排肥器磨損越大,因此,螺距不宜過(guò)小,在綜合考慮下,選取30 mm≤x2≤34 mm。為了保證螺旋葉片強(qiáng)度,螺旋葉片厚度選取1 mm≤x4≤3 mm;由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸大小一定,螺旋葉片內(nèi)徑要與電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸契合才能保證螺旋葉片正常工作,即螺旋葉片內(nèi)徑選取14 mm≤x5≤16 mm。

4.4 優(yōu)化結(jié)果

本研究采用遺傳算法對(duì)螺旋雙輪排肥器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,其求解過(guò)程如下圖7所示。

圖7 遺傳算法流程圖Fig.7 Genetic algorithm flow chart

利用上述方法建立優(yōu)化參數(shù)方程模型如式(15)所示:

(15)

式中:ai,bi為變量xi的下限和上限。

通過(guò)在MATLAB 2022中運(yùn)用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解[18],其種群規(guī)模為100,種群中父代個(gè)數(shù)為40,變異概率為0.1。得到圖8顯示優(yōu)化過(guò)程中的適應(yīng)度函數(shù)值,可知優(yōu)化在23次迭代后收斂,最優(yōu)適應(yīng)度達(dá)到最小值。此時(shí)優(yōu)化參數(shù)結(jié)果分別是中心距49.8 mm,螺距32.5 mm,葉片高度15.2 mm,葉片厚度2.3 mm,螺旋葉片內(nèi)徑13.6 mm,此時(shí)f(x)取得最小值。

圖8 優(yōu)化過(guò)程中適應(yīng)度圖Fig.8 Optimization process adaptation degree graph

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 臺(tái)架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證螺旋雙輪排肥器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的正確性,選用肥料為史丹利化肥吉林有限公司生產(chǎn)的史丹利復(fù)合肥(實(shí)測(cè)百粒平均直徑1.64 mm、標(biāo)準(zhǔn)差0.18 mm、密度1.86 g·cm-3),對(duì)螺旋雙輪排肥器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)于2022年10月在哈爾濱劍橋?qū)W院智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,自制試驗(yàn)裝置如圖9所示,其主要由螺旋雙輪排肥器、肥箱、傳送帶、傳送帶控制器、施肥電機(jī)、施肥控制器、集肥盒和懸掛架組成。其中,傳送帶速度調(diào)節(jié)范圍為0.1～1.0 m·s-1,集肥盒寬度為20 mm,施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速0～180 r·min-1可調(diào)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)將施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為60 r·min-1,集肥盒距出肥口下方80 mm情況下,待排肥穩(wěn)定后啟動(dòng)并設(shè)定傳送帶速度為0.2 m·s-1,單次測(cè)量2個(gè)排肥周期,對(duì)集肥盒里肥料用日本GX-8K電子秤進(jìn)行測(cè)質(zhì)量,單次試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值。

1.懸掛架;2.施肥電機(jī);3.肥箱;4.螺旋雙輪排肥器;5.傳送帶;6.集肥盒;7.傳送帶控制器;8.施肥控制器。1.Hanging shelves; 2.Fertilizer motor; 3.Fertilizer box; 4.Double-spiral fertilizer discharge device; 5.Conveyor belt; 6.Fertilizer collection box; 7.Conveyor controller; 8.Fertilizer controller.

5.2 試驗(yàn)指標(biāo)

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)臺(tái)架試驗(yàn)中排肥器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排肥性能的影響,采用網(wǎng)格法對(duì)排肥均勻性進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[19],如圖10所示,將單個(gè)循環(huán)周期均分為10份,對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行不同時(shí)間下的肥料數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),通過(guò)式(16)和式(17)得出均勻性波動(dòng)系數(shù),肥料均勻性波動(dòng)系數(shù)越小代表排肥越均勻。

在由1到10方向上依次設(shè)置10個(gè)20 mm寬的集肥盒。Ten 20 mm wide fertilizer collection boxes are set in sequence in the direction from 1 to 10.

(16)

(17)

式中:mi為第i個(gè)網(wǎng)格內(nèi)肥料顆粒的質(zhì)量;n為監(jiān)測(cè)區(qū)均分網(wǎng)格單元的數(shù)量,n=10;ma為網(wǎng)格單元內(nèi)肥料顆粒平均質(zhì)量;σu為單循環(huán)周期的均勻性波動(dòng)系數(shù)。

在臺(tái)架試驗(yàn)中,由于肥料的軸向速度無(wú)法測(cè)量,可用式18直接統(tǒng)計(jì)集肥盒里肥料總質(zhì)量,排肥器的實(shí)際排肥量可表示為:

Qr=n×ma

(18)

式中:n為同向雙螺旋轉(zhuǎn)速;ma為單圈排肥量;Qr為實(shí)際排肥量。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證在不同轉(zhuǎn)速下排肥器的排肥性能,把驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置在30～130 r·min-1,梯度為20 r·min-1。由表2可知,隨著轉(zhuǎn)速的增大排肥器均勻性波動(dòng)系數(shù)降低。在不同轉(zhuǎn)速下螺旋雙輪排肥器較單螺旋排肥器排肥均勻性波動(dòng)系數(shù)平均減少26.62%。

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)與對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of verification test and check test

在單位時(shí)間1 min內(nèi),集肥盒中收集在不同轉(zhuǎn)速下的肥料質(zhì)量,即為排肥器實(shí)際排肥量。如圖11可知,隨著轉(zhuǎn)速的增大,排肥器理論排肥量隨之增大,螺旋雙輪排肥器增量速度明顯大于單螺旋排肥器,且得到轉(zhuǎn)速與實(shí)際排肥量的函數(shù)方程,在不同轉(zhuǎn)速下螺旋雙輪排肥器較單螺旋排肥器實(shí)際排肥量平均提升75.41%。此外,螺旋雙輪排肥器及單螺旋排肥器的實(shí)際排肥量與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系,其決定系數(shù)R2分別為0.97和0.98,表明排肥器可通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)排肥量的精確控制,所設(shè)計(jì)的螺旋雙輪排肥器可實(shí)現(xiàn)精量控制均勻排肥,相較傳統(tǒng)的排肥器更有優(yōu)勢(shì)。

圖11 實(shí)際排肥量對(duì)比試驗(yàn)圖Fig.11 Actual fertilizer discharge volume contrast test diagram

6 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)離散元仿真單螺旋排肥器單圈排肥過(guò)程中排肥口瞬時(shí)肥料流量。離散元法是處理非連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的數(shù)值仿真方法,多用于小麥、玉米等顆粒的精確模型建立[20]。本研究發(fā)現(xiàn)排肥口垂直排肥口正下方與螺旋葉片相切,由于排肥口與螺旋葉片相切處轉(zhuǎn)動(dòng)到不同位置時(shí),螺旋葉片與殼體之間形成肥料儲(chǔ)肥空間不同,從而產(chǎn)生肥料顆粒周期性變化導(dǎo)致排肥均勻性差?；诖?本研究設(shè)計(jì)一款螺旋雙輪排肥器,理論分析螺旋雙輪排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排肥性能的影響后建立數(shù)學(xué)模型,利用遺傳算法對(duì)排肥器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為中心距49.8 mm,螺距32.5 mm,葉片高度15.2 mm,葉片厚度2.3 mm,螺旋葉片內(nèi)徑13.6 mm。為驗(yàn)證優(yōu)化分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,以史丹利復(fù)合肥為試驗(yàn)肥料進(jìn)行臺(tái)架對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果表明,在不同轉(zhuǎn)速下螺旋雙輪排肥器較單螺旋排肥器排肥均勻性波動(dòng)系數(shù)平均減少26.62%,實(shí)際排肥量平均提升75.41%,優(yōu)化后的螺旋雙輪排肥器排肥均勻性更好且排肥量更大。

本研究設(shè)計(jì)的螺旋雙輪排肥器,通過(guò)增加螺旋葉片的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)螺旋葉片與排肥口之間交替開(kāi)口,從而降低開(kāi)口大小的周期性變化,達(dá)到提高排肥均勻性的目的。這與楊文武等[21]通過(guò)改變單螺旋排肥器排肥口參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)降低排肥波動(dòng)系數(shù)的結(jié)論存在差異。本研究認(rèn)為,螺旋雙輪排肥器的單位轉(zhuǎn)速排肥增量更大,即在需要相同的排肥量時(shí),螺旋雙輪排肥器需要更低的轉(zhuǎn)速,可有效提升機(jī)器的使用壽命。此外,螺旋雙輪排肥器的極限排肥量更大,使其更加廣泛應(yīng)用到整地施肥、播種施肥或中耕施肥上。由于采用新的雙螺旋輪攪混排肥方式,排肥過(guò)程兩排肥輪交疊葉片相對(duì)運(yùn)動(dòng),排肥過(guò)程減少了肥料堵塞黏結(jié)問(wèn)題,其肥料適應(yīng)性更廣。參數(shù)優(yōu)化螺旋雙輪排肥器的實(shí)測(cè)排肥量與轉(zhuǎn)速呈線性正相關(guān),表明了本排肥器可通過(guò)轉(zhuǎn)速變化實(shí)現(xiàn)精確控制施肥量。本研究中螺旋雙輪排肥器的設(shè)計(jì)及研究方法可為精量排肥器的創(chuàng)新及優(yōu)化提供參考。