基于变粘性散粒体动力学理论的水田深施肥机构的分析方法与试验研究

Against the problem of fertilizer blockage transportation pipeline for deliquescence during the process of fertilizer deep application for the paddy field, the design method and experimental study on paddy field deep fertilization device which has simple structure and high efficiency are going to be researched. To analysis the change law of viscous after particle fertilizer deliquescence, to research the movement characteristics of different viscous fertilizer contacts with mechanical structure, and to put forward the study method for dynamics theory of variable viscosity granular mixtures.To research the motion characteristics and modeling method of spiral steel wire structure in fertilization mechanism, and to analysis the fertilizer impetus influence of spiral steel wire under different structural parameters conditions on granular fertilizer by the virtual test. To research the three dimensions parametric design system of fertilizer adjusting mechanism, to analyze the movement characteristics of fertilizer in fertilizer adjusting mechanism ,to obtain the dynamic equation of fertilizer under the action of the leaf and the leaf annular solid and to optimize the structure of fertilizer adjusting mechanism by virtual test. Finally, to establish the test platform, to observe and analysis the various movement condition of particle fertilizer by high speed camera, and according to the test results to improve and optimize the structures and related design parameters of the spiral steel wire and fertilizer adjusting mechanism, and to test the performances of deep fertilization mechanism for the paddy field. The successful implementation of this project will provide theoretical support and test instruction for the paddy fields deep fertilization machinery with independent intellectual property rights and provide the scientific basis for the development of the paddy field variable deep fertilization technology.

针对目前水田深施肥因化肥潮解而堵塞输肥管路的问题，拟展开结构简单，效率更高的水田深施肥机构的设计方法和试验研究。分析颗粒肥料潮解后粘性的变化规律，研究不同粘性肥料与机械结构接触的运动特点，提出变粘性散粒体动力学的分析方法。研究施肥机构中螺旋钢丝结构的运动特性和建模方法，并通过虚拟试验分析螺旋钢丝结构参数变化时对散粒体肥料推动力的影响。研究肥量调节机构的三维参数化设计系统，分析肥料在调节机构内的运动特性，通过虚拟试验，获取肥料在叶片绞龙和叶片环形体作用下的动力学方程，优化肥量调节机构的结构。最后，建立试验平台，应用高速摄像观察分析颗粒体肥料各种运动状态，根据试验结果，进一步完善和优化螺旋钢丝和肥量调节机构的结构与相关设计参数，并对水田深施肥机构的性能进行测试。本项目的成功实施将为研制具有自主知识产权的水田深施肥机械提供理论支持和试验指导，为水田变量深施肥技术的发展提供科学依据。

化肥是极易吸潮的化工产品，吸潮后肥料经常粘附在肥箱壁面和输肥管道壁面上，造成施肥量减少、施肥质量下降的技术问题。本课题提出水田深施肥装置的总体设计方案，采用理论分析、计算机辅助设计、计算机仿真与分析的方法对其关键部件进行设计，借助高速摄像拍摄肥料在深施肥装置的运动形态，通过试验研究深施肥装置的工作性能。主要研究工作如下：. （1）根据研究方案设计水田深施肥装置组成部件，使用Pro/E软件分别绘制各组件三维模型，确定水田深施肥装置各组件的结构尺寸与装配关系。. （2）分析了叶片式肥量调节装置的结构与机理，使用 VB 6.0软件编写叶片式肥量调节装置运动分析程序，使用VS编写肥量调节装置的参数化设计软件，优的肥量调节装置结构。. （3）测量了肥料颗粒的基本物理参数，得到了肥料颗粒的弹性模量、静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数，为颗粒仿真分析提供了参数依据。通过分析球形颗粒和手动填充的不规则球形颗粒的休止角及不同参数的影响关系，验证了单个肥料颗粒参数测量对群体颗粒运动仿真建模的有效性，得到了肥料颗粒离散元模型。分析螺旋钢丝的结构参数对肥箱排肥的影响、肥箱开口直径对肥箱工作状态的影响。. （4）采用高速摄像技术对肥料颗粒运动过程进行分析，初步证明了肥料颗粒计算参数选取的合理性和采用离散元法分析肥料颗粒与施肥装置机械部件接触作用的可行性。. （5）按照施肥机械国家标准测试水田深施装置的性能指标。采用单因素试验，分析各试验因子影响排肥量变化的规律。采用二次正交旋转组合试验，分析各试验因子组合状态下对试验指标影响的贡献率。以寒地水稻不同的土质经济施肥量为基础，优化出水田深施肥装置的最佳参数方案。. 研究结果表明：优化出最优肥量调节装置结构参数：圆弧槽数量8个，叶片连接座销孔分布半径47mm，调节叶片销轴间距离13mm，动参考系相对定参考系转过的角度40°，动参考系转角60°；肥箱中加入螺旋钢丝之后，打破颗粒力学平衡，使肥箱中没有颗粒静止区；螺旋钢丝转动增大了颗粒平均孔隙率，提高了颗粒流动性；通过对高速摄像的图像分析，不同位置单个颗粒运动轨迹趋势相同，排肥量与仿真排肥量变化趋势相同；施肥试验测得水田深施肥装置的排肥能力50~1000kg/公顷、排肥均匀性变异系数3%~20%、稳定性变异系数2.4%、断条率最大2%，符合施肥质量标准。