摘要：當(dāng)前生物炭還田過程煩瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，為實(shí)現(xiàn)生物炭還田開溝—排炭—覆土一體化技術(shù)，設(shè)計(jì)適用于生物炭還田機(jī)上的排炭系統(tǒng)關(guān)鍵部件——開溝還田鏟和排炭器。通過離散元軟件洛基（Rocky）建立關(guān)鍵部件的仿真模型，模擬生物炭還田的工作過程。以炭量均勻性變異系數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)，出口距離、導(dǎo)管直徑和擋板夾角為試驗(yàn)因素，運(yùn)用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)和三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，通過分析響應(yīng)面圖和參數(shù)優(yōu)化模塊得到最優(yōu)工作參數(shù)組合：出口距離65.20 mm、導(dǎo)管直徑25.30 mm和擋板夾角30°。試驗(yàn)結(jié)果表明，在最優(yōu)工作參數(shù)下，生物炭還田關(guān)鍵部件的炭量均勻性變異系數(shù)為28.622%，能一次性完成開溝、排炭還田、覆土工作，可為生物炭還田技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：生物炭還田；洛基程序；離散元仿真；響應(yīng)面試驗(yàn)；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：S23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0240?05

Design and simulation analysis of key components of biochar return machine

Jiang Shuying1， Chen Zhongyu1， Ma Fang1， Zhang Luji2，Li Mingliang1， Ren Dezhi2

（1. Yancheng Polytechnic College， Yancheng， 224005， China；

2. College of Engineering， Shenyang Agricultural University， Shenyang， 110866， China）

Abstract： At present， the process of biochar return to the field is complicated， laborious and time?consuming. In order to achieve the integration of trenching， biochar distribution， and soil covering for biochar return to the field， the key components for the biochar distribution system on the biochar return machine are designed， such as a trenching shovel and a biochar distributor. A simulation model of the key components is established by using the discrete element software Rocky to simulate the process of biochar return to field. The variability coefficient of biochar distribution is taken as the experimental index， the exit distance， the diameter of the conduit and the angle of the deflector blade as experimental factors， the Design-Expert software is utilized to design a single?factor experiment and a three?factor， three?level response surface experiment， the optimal working parameter combination is obtained through the analysis of response surface plots and parameter optimization modules， the outlet distance is 65.20 mm， the conduit diameter is 25.30 mm， and the baffle angle is 30°. The experimental results indicate that the variability coefficient of biochar distribution of the key components designed in this paper is 28.622% under the optimal working parameters， and the trenching， biochar distribution and soil covering process can be completed in one pass， which can provide a reference for the technology of biochar return to field.

Keywords： biochar return to field; Rocky program; discrete element simulation; response surface test; parameters optimization

0 引言

生物炭還田是秸稈綜合利用的重要途徑，是當(dāng)今研究領(lǐng)域熱點(diǎn)之一[1?3]。目前生物炭還田方法是將生物炭撒播于土壤表層后用旋耕機(jī)將炭與土混合[4]，這種還田方式極其依賴人力，并且炭土之間無法均勻混合，還田效果較差。所以設(shè)計(jì)一種專用于生物炭還田的農(nóng)業(yè)機(jī)械，可提高生物炭還田效率和效果，為生物炭還田產(chǎn)業(yè)化設(shè)備提供參考。

當(dāng)前關(guān)于生物炭以何種方式還田，如何提高還田效果鮮有研究。在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域與生物炭還田技術(shù)相似的有深松施肥技術(shù)和免耕播種技術(shù)。劉立晶等[5]設(shè)計(jì)了一種玉米深松全程施肥鏟，并通過EDEM模擬了施肥鏟的工作過程，該過程與生物炭還田過程相似，不同的是物料特性以及由此產(chǎn)生的工作機(jī)理上的不同，但其設(shè)計(jì)和仿真的方式和流程可為生物炭還田提供參考。趙淑紅等[6]以離散元仿真深松鏟對土壤的作用為依據(jù)，設(shè)計(jì)了交互式分層深松鏟，可進(jìn)一步提供仿真相關(guān)的支持。Sukhbir等[7]研究了不同類型的開溝器在不同深度和速度下對土壤穿透阻力、山脊高度、具體吃水、土壤干擾和發(fā)芽率的影響，為開溝鏟的設(shè)計(jì)提供機(jī)理參考。楊慶璐等[8]設(shè)計(jì)了一種各層肥量可調(diào)的空間分層施肥裝置，并運(yùn)用離散元法對其工作過程進(jìn)行分析。王超群等[9]為解決免耕播種機(jī)的吊苗問題，設(shè)計(jì)了一種秸稈粉碎還田免耕播種施肥機(jī)。

綜上，現(xiàn)階段沒有專門針對生物炭物料特性設(shè)計(jì)制造的還田機(jī)械，但可基于現(xiàn)有關(guān)于開溝器、深松鏟、施肥機(jī)等研究設(shè)計(jì)生物炭還田機(jī)械關(guān)鍵部件，通過離散元軟件Rocky仿真還田工作過程，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)，確定主要工作參數(shù)范圍。通過因素試驗(yàn)分析確定影響生物炭還田效果的主要參數(shù)，最后得到最優(yōu)化參數(shù)并進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

生物炭還田機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、動力系統(tǒng)、排炭系統(tǒng)和覆土裝置組成。

生物炭還田機(jī)的工作過程可分為開溝、排炭、覆土三個(gè)部分。開溝還田鏟安裝在連接架下方，通過調(diào)節(jié)架改變還田深度。整機(jī)向前運(yùn)動帶動還田鏟開出還田溝完成開溝作業(yè)。生物炭顆粒由料斗進(jìn)入導(dǎo)管，并沿導(dǎo)管流入還田鏟下方，擋板分散顆粒使其還田后可均布于還田溝內(nèi)。位于整機(jī)最后方的覆土輪對已還田的土壤進(jìn)行覆土，完成開溝—排炭—覆土還田作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 開溝還田鏟的設(shè)計(jì)

開溝還田鏟的主要作用為開溝并分散生物炭顆粒，使生物炭顆粒在還田后可以均勻分布在土壤中。還田鏟整體可分為上層鏟和下層鏟兩個(gè)部分，如圖2所示。上層鏟負(fù)責(zé)開溝作業(yè)，鏟面上設(shè)有一通孔與導(dǎo)管配合，鏟面末端連接調(diào)節(jié)架。下層鏟負(fù)責(zé)分散顆粒，鏟面上設(shè)有隨上層鏟通孔位置變動而改變的引流槽，使生物炭顆粒在通過下層鏟后可以均布于240 mm的工作幅寬內(nèi)。上下層鏟的兩側(cè)設(shè)有擋板，可防止顆粒被吹散。開溝還田鏟的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：通孔直徑R；厚度h；鏟面寬度B；鏟面夾角β以及幅寬H。其中R與導(dǎo)料管直徑一致，B指上層鏟的縱向總長度。

2.2 排炭器的設(shè)計(jì)

排炭系統(tǒng)是生物炭還田機(jī)的核心部分，排炭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響還田效果的好壞，該系統(tǒng)需要完成的工作包括存儲生物炭、按一定規(guī)律排出炭顆粒以及將顆粒均勻分布于工作幅寬內(nèi)的土壤。排炭系統(tǒng)如圖3所示。

其中，料箱的作用是盛放生物炭；排炭器的作用是將生物炭以固定的質(zhì)量流率排放生物炭顆粒；導(dǎo)料管的作用是將排炭器排出的生物炭導(dǎo)向至下方的還田鏟鏟面；調(diào)節(jié)架的作用是將排炭系統(tǒng)固定在機(jī)架上，并可通過調(diào)節(jié)架子高度來改變還田深度；還田鏟的作用是將已初步翻松的土壤鏟至兩邊形成固定寬度的土溝，并將從導(dǎo)料管排出的生物炭顆粒均勻的分布于工作幅寬內(nèi)。整個(gè)系統(tǒng)中料箱、導(dǎo)料管和調(diào)節(jié)架的尺寸參數(shù)是相對固定的，隨著其他部件的尺寸變化而變化，且其變化不會對整個(gè)排炭系統(tǒng)產(chǎn)生過多影響。

3 仿真分析

離散元軟件Rocky提供了專用于預(yù)測農(nóng)業(yè)設(shè)備中顆粒行為所需的數(shù)據(jù)。利用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SolidWorks建立生物炭還田機(jī)的三維模型，通過Rocky建立生物炭還田仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果分析確定關(guān)鍵參數(shù)。

3.1 仿真模型建立

離散元仿真需要合理的確定各種仿真參數(shù)，從而反映真實(shí)的工作過程。選擇合適的力學(xué)接觸模型可以得到可靠的分析結(jié)果。由于生物炭顆粒物理特性與有機(jī)肥特性類似，根據(jù)已有的關(guān)于有機(jī)肥離散元法分析研究[10， 11]，選擇法向力模型為Hertzian Spring Dashpot模型、選擇附著力模型為JKR（The Johnson-Kendall-Roberts model）模型、選擇切向力模型Linear Spring Coulomb Limit模型。

材料接觸參數(shù)如表1所示，數(shù)據(jù)由對生物炭顆粒進(jìn)行的離散元參數(shù)標(biāo)定所給出[12]。根據(jù)離散元接觸模型理論，恢復(fù)系數(shù)會影響到法向阻尼力的計(jì)算，而靜/滾動摩擦系數(shù)會影響到切向阻尼力的計(jì)算。

試驗(yàn)材料為沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心研制的Ⅰ級生物炭。通過試驗(yàn)測量得到生物炭顆粒球形度為92%，直徑大小范圍為2～4 mm。根據(jù)離散元法理論[13?15]，當(dāng)顆粒非球形度小于10%時(shí)，設(shè)置非球體顆粒對仿真分析結(jié)果影響極小，所以建立Biochar粒子，形狀類型設(shè)為球體顆粒，粒子球體直徑設(shè)為2 mm、3 mm和4 mm，三種大小的粒子各占1/3。

將關(guān)鍵部件三維模型導(dǎo)入Rocky軟件中，設(shè)置粒子入口位置。其余仿真參數(shù)如下：仿真時(shí)間為5 s；仿真精度為0.05（即兩次仿真計(jì)算的時(shí)間步長為0.05 s）；粒子生成時(shí)間為2 s；粒子質(zhì)量流率為50 g/s。在還田鏟末端增設(shè)一觀測槽體，用于仿真過后對生物炭顆粒的分布情況進(jìn)行定量的統(tǒng)計(jì)，仿真模型如圖4所示。

3.2 單因素仿真試驗(yàn)

生物炭還田技術(shù)的關(guān)鍵是如何均勻的混合炭土，在相同深度的土層中，生物炭分布于土壤中的均勻性會直接影響到還田效果，故選擇炭量均勻性變異系數(shù)作為仿真效果的衡量指標(biāo)[16]。仿真試驗(yàn)后，在工作幅寬240 mm內(nèi)取連續(xù)12段，每段20 mm。分別記錄每段炭顆粒數(shù)目xi，則炭量均勻性變異系數(shù)

[cv=i=1n1n-1（xi-x）2x] （1）

式中： n——樣本數(shù)量；

[x]——總體平均值。

由于在仿真前，粒子數(shù)目已經(jīng)確定，即總體的平均值確定，所以選用樣本標(biāo)準(zhǔn)差[17]。由變異系數(shù)的定義可知：[cv]的取值在0～1之間，在均值固定的情況下，[cv]的值越小，說明樣本數(shù)據(jù)的離散程度越小。炭量均勻性變異系數(shù)越小，代表生物炭顆粒還田后的分布越均勻，還田效果越好。

由圖5可知，在其他因素條件相同的情況下，出口距離、導(dǎo)管直徑和擋板夾角的取值單獨(dú)變化對炭量均勻性變異系數(shù)的影響顯著。導(dǎo)管直徑和擋板夾角在極小值處變異系數(shù)較大，出口距離和擋板夾角在中值附近變異系數(shù)較小。另外，前進(jìn)速度變化對變異系數(shù)幾乎沒有影響。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇出口距離、導(dǎo)管直徑和擋板夾角作為多因素仿真試驗(yàn)的試驗(yàn)因素，并進(jìn)一步縮小各參數(shù)的取值范圍。

3.3 多因素仿真試驗(yàn)

為研究各因素的交互作用對生物炭還田效果的影響，進(jìn)行多因素仿真分析。選擇Design-Expert軟件中三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)面法進(jìn)行試驗(yàn)安排。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果取得參數(shù)范圍，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

運(yùn)用Design-Expert軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到關(guān)于炭量均勻性變異系數(shù)的方差分析如表4所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，模型[R1]的顯著值P<0.000 1，并且失擬項(xiàng)P>0.05，說明本次多因素試驗(yàn)的回歸方程檢驗(yàn)達(dá)到高度顯著，并且擬合度較好，因此可對本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析和優(yōu)化。去除不顯著項(xiàng)后得到的多項(xiàng)式回歸方程。

[R1=40.48+3.51X1+1.55X2-0.64X3+1.47X1X2-3.74X12-3.41X22-1.84X32] （2）

根據(jù)回歸方程，繪制三因素對變異系數(shù)的響應(yīng)面，如圖6所示。通過方差分析可知，出口距離[X1]、導(dǎo)管直徑[X2]、擋板夾角[X3]三因素都單獨(dú)對變異系數(shù)有著顯著影響。分析圖6中的響應(yīng)面可知，隨著出口距離和導(dǎo)管直徑值的變化，指標(biāo)值變化較快，說明出口距離和導(dǎo)管直徑之間存在明顯的交互作用，并且當(dāng)出口距離趨于65 mm、導(dǎo)管直徑在25 mm和35 mm兩端極值時(shí)，變異系數(shù)趨于最小值。

3.5 參數(shù)優(yōu)化

通過Design-Expert軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，炭量變異系數(shù)越低越能說明還田效果越好，并且為使擋板夾角趨于30°，設(shè)置尋優(yōu)求解標(biāo)準(zhǔn)如式（3）所示。

[minR1s.t.65 mm≤X1≤75 mm25 mm≤X2≤35 mmx3=30°] （3）

由此得到最優(yōu)解：X1=65.19 mm，X2=25.29 mm，X3=30°，R1=28.622%?？紤]機(jī)械設(shè)計(jì)及加工工藝因素，取得實(shí)際的參數(shù)值：出口距離為65.20 mm，導(dǎo)管直徑為25.30 mm，擋板夾角為30°。

4 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)適用于生物炭還田機(jī)上的排炭系統(tǒng)關(guān)鍵部件，包括開溝還田鏟和排炭器，可將生物炭均勻還撒在土壤中，為各類農(nóng)作物的根系提供有益影響。

2） 以炭量均勻性變異系數(shù)為指標(biāo)，通過離散元仿真軟件Rocky進(jìn)行單因素和多因素試驗(yàn)。得到影響還田效果的主要工作參數(shù)范圍及最優(yōu)化參數(shù)：出口距離為65.20 mm，導(dǎo)管直徑為25.30 mm，擋板夾角為30°。

3） 根據(jù)最優(yōu)的工作參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，在此工作參數(shù)下具有最佳的還田效果，炭量的均勻性變異系數(shù)可達(dá)到28.622%。

參 考 文 獻(xiàn)

[ 1 ] 張偉明， 陳溫福， 孟軍， 等. 東北地區(qū)秸稈生物炭利用潛力、產(chǎn)業(yè)模式及發(fā)展戰(zhàn)略研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2019， 52（14）： 2406-2424.

[ 2 ] Guo Y， Tao X， Zhu W， et al. Effects of straw biochar on heavy metal Cu in soil under different conditions [J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis， 2023， 54（2）： 203-217.

[ 3 ] 魏永霞， 肖敬萍， 王鶴， 等. 施加生物炭對黑土區(qū)坡耕地改土培肥效應(yīng)的持續(xù)影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2021， 52（3）： 305-314.

Wei Yongxia， Xiao Jingping， Wang He， et al. Continual influences of applying biochar on soil improvements in sloping farmland of black soil region in northeast China [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2021， 52（3）： 305-314.

[ 4 ] 程效義， 孟軍， 黃玉威， 等. 生物炭對玉米根系生長和氮素吸收及產(chǎn)量的影響[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 47（2）： 218-223.

[ 5 ] 劉立晶， 馬超， 劉忠軍. 基于EDEM的帶狀深松全層施肥鏟作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2021， 52（10）： 74-83.

Liu Lijing， Ma Chao， Liu Zhongjun. EDEM?based parameter optimization and experiment of full?layer fertilization shovel for strip subsoiling [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2021， 52（10）： 74-83.

[ 6 ] 趙淑紅， 劉漢朋， 楊超， 等. 玉米秸稈還田交互式分層深松鏟設(shè)計(jì)與離散元仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2021， 52（3）： 75-87.

Zhao Shuhong， Liu Hanpeng， Yang Chao， et al. Design and discrete element simulation of interactive layered subsoiler with maize straw returned to filed [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2021， 52（3）： 75-87.

[ 7 ] Sukhbir S， Ashok T， A K Singh. Effect of furrow opener design， furrow depth， operating speed on soil characteristics， draft and germination of sugarcane [J]. Sugar Tech， 2017， 19（5）： 476-484.

[ 8 ] 楊慶璐， 黃幸媛， 王慶杰， 等. 玉米空間分層施肥裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2020， 51（S1）： 175-185.

Yang Qinglu， Huang Xingyuan， Wang Qingjie， et al. Structure optimization and experiment of corn layered fertilization device [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（S1）： 175-185.

[ 9 ] 王超群， 曹成茂， 秦寬， 等. 秸稈粉碎還田免耕播種施肥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 45（6）： 1154-1159.

[10] 袁全春， 徐麗明， 邢潔潔， 等. 機(jī)施有機(jī)肥散體顆粒離散元模型參數(shù)標(biāo)定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2018， 34（18）： 21-27.

Yuan Quanchun， Xu Liming， Xing Jiejie， et al. Parameter calibration of discrete element model of organic fertilizer particles for mechanical fertilization [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（18）： 21-27.

[11] 王韋韋， 蔡丹艷， 謝進(jìn)杰， 等. 玉米秸稈粉料致密成型離散元模型參數(shù)標(biāo)定[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2021， 52（3）： 127-134.

Wang Weiwei， Cai Danyan， Xie Jinjie， et al. Parameters calibration of discrete element model for corn stalk powder compression simulation [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2021， 52（3）： 127-134.

[12] 張雅文， 任德志， 宮元娟， 等. 基于離散元法的秸稈生物炭接觸參數(shù)標(biāo)定[J]. 太陽能學(xué)報(bào)， 2022， 43（11）： 345-351.

[13] 趙仕威. 顆粒材料物理力學(xué)特性的離散元研究[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)， 2018.

[14] 王慶杰， 劉正道， 何進(jìn)， 等. 砍切式玉米秸稈還田機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2018， 34（2）： 10-17.

Wang Qingjie， Liu Zhengdao， He Jin， et al. Design and experiment of chopping?type maize straw returning machine [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（2）： 10-17.

[15] 王學(xué)振， 岳斌， 高喜杰， 等. 深松鏟不同翼鏟安裝高度時(shí)土壤擾動行為仿真與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2018， 49（10）： 124-136.

Wang Xuezhen， Yue Bin， Gao Xijie， et al. Discrete element simulations and experiments of disturbance behavior as affected by mounting height of subsoiler's wing [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2018， 49（10）： 124-136.

[16] 祝清震， 武廣偉， 安曉飛， 等. 基肥定深施用裝置排肥口位置與施肥深度關(guān)系模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2018， 34（13）： 8-17.

Zhu Qingzhen， Wu Guangwei， An Xiaofei， et al. Relationship model of fertilizer outlet location and fertilizer application depth of depth?fixed application device of base?fertilizer [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（13）： 8-17.

[17] 劉進(jìn)寶， 湯智輝， 鄭炫， 等. 對行開溝分層深施肥鏟的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2021， 56（2）： 169-176， 186.