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高地隙变量配混施肥装置仿真优化与试验研究

销售价格: 150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:若诗 点击次数:92
论文字数:105890 论文编号:el2021042417495122084 日期:2021-04-27 18:50 作者:上海论文网
本文是农学论文,本文对基于高地隙底盘的配混施肥机设计及其混肥机理进行了深入研究。在综述国内外高地隙作业车及其配套施肥装置研究现状的基础上,以研制适用于我国的高地隙中耕施肥作业装置,采用配混施肥搭配侧深施肥,解决我国肥料利用率低的问题,同时采用集排式施肥方案兼顾高效、稳定的作业需要,对整机结构进行设计、计算机仿真分析和试验研究等方法和技术手段,开展了相关研究工作,得出如下结论:对离散元仿真软件EDEM中需要设定的物理特性参数(泊松比、剪切模量、密度)以及各个材料间的接触参数(碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数)共10个因素进行显著性方差分析,分析结果表明:因此,基于流固耦合的颗粒悬浮速度仿真有较高的准确度,验证了基于EDEM-Fluent气固两相流耦合仿真测定物料悬浮速度方法的可行性,为农业物料的悬浮速度测定提供了一种新方法。通过仿真试验可以看出,颗粒群悬浮速度随着体积分数的增加而减小,在不同的颗粒肥料体积分数下,仿真与试验结果误差近似常数,原因为颗粒球形度对悬浮速度的影响,标定出大颗粒尿素悬浮速度修正系数0.90,磷酸二铵悬浮速度修正系数0.96,硫酸钾悬浮速度修正系数0.84。气固耦合

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第1章绪论

 

随着我国农业机械化生产已进入从单环节向全程化发展的关键阶段,高杆作物田间管理作业缺乏机械化装备制约我国全程机械化发展的问题已受到广泛关注,对高杆作物进行跨顶作业的高地隙中耕装置已成为一个主要的研究方向。但目前我国高杆作物中后期的施肥问题还没有得到解决,因作业难度大,转而在作物苗期增施大量化肥,导致化肥利用率低的问题始终存在,提高化肥利用率的施肥方案停留在理论研究,配套的施肥机具推广的较少,多数高地隙中耕施肥机具多采用单一的施肥模式,以单一元素肥料撒施为主,基于处方图实时配混施肥、侧深施肥等提高肥料肥料利用率的施肥模式还没有集成到高杆作物中耕追肥的装备中,且高地隙作业车重心高,传统依靠重力对行深施的施肥机料箱与作业宽幅成正比,进行大宽幅作业时,施肥装置悬挂在高地隙作业车后,会造成高地隙作业车重心不稳,增加倾覆的风险,为保证高地隙作业的稳定性,施肥作业宽幅通常不超过4米,效率远不及作业宽幅10~25米的撒肥机,不能满足宽幅、高效的作业需求。因此,亟需研制一种与高地隙底盘配套使用的精量配混施肥机,为高杆作物田间管理作业机械化的实施提供装备支持。研究颗粒肥料在施肥管道中的运动规律,探究影响肥料分配器性能的因素,合理配置施肥管的布置形式,实现宽幅、高效的施肥作业,满足高杆作物中后期机械化作业的要求。

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第2章颗粒肥料离散元仿真摩擦因数标定方法研究

 

2.1颗粒肥料与施肥管物性参数
试验用肥料选用N含量46%的大颗粒尿素,磷肥选用N含量18%、P2O5含量46%的磷酸二铵,钾肥选用K2O含量50%的俄罗斯进口圆粒硫酸钾,因颗粒肥料在实际的流动排施过程中,主要工作环境是在施肥管中,所以试验用圆筒等与肥料接触的材料,均选用与施肥管同种材质的软质PVC材料,进行参数标定试验,便于为后续模拟肥料在实际工况中的流动情况研究提供数据基础。通过查阅资料确定所选材料的泊松比、剪切模量的数值范围,用天平、量筒通过排液法测定所选肥料颗粒的密度,用精度0.01mm的游标卡尺测定颗粒的粒径范围,计算颗粒球形率。试验仪器设备如图2.1所示。通过真实试验测定3种休止角测试方法对应的尿素颗粒休止角以及斜面法的斜面倾角,每组试验重复3次取平均值,将其作为目标值,分别对不同方法的显著因素进行仿真标定试验,最后用标定的参数进行仿真验证试验,与真实试验进行对比,验证标定参数的准确性。将测定的休止角数值填入Design-Expert8.0.6软件中,进行方差分析,分析3种方法影响休止角的显著因素,并增加斜面法测定组合颗粒与PVC材料静摩擦因数仿真试验,同样进行Plackett-Burman筛选试验设计,验证斜面法标定组合颗粒与PVC材料静摩擦因数的可行性。
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2.2颗粒肥料休止角测定方法
肥料颗粒的自然休止角能反映其流动、摩擦等特性[110],本文采用分体圆筒法、倾斜法和抽板法展开尿素颗粒休止角试验,通过Design-Expert8.0.6软件进行Plackett-Burman多因素显著性筛选试验设计,在EDEM离散元仿真软件中按试验设计安排仿真试验,待颗粒群稳定后,需要测定颗粒休止角,由于每组试验参数不同,颗粒堆形态并不总是倾斜的直线,若用屏幕量角器等手段测量颗粒堆的休止角会产生很大的误差,所以对休止角的测量方法[111,112]采用Matlab软件中的数字图像处理模块读取颗粒堆边缘图像(如图2.4a所示),对图像进行灰度化、二值化处理输出二值图(如图2.4b所示),提取二值化图像边界轮廓(如图2.4c所示),扫描轮廓图像上每一个像素,记录白点的坐标及个数,通过最小二乘法对所记录的白点进行线性拟合,并用红色线画出拟合直线(如图2.4d所示),在Matlab软件工作区读取拟合直线的斜率,可求得颗粒堆边缘轮廓的倾角。对于分体圆筒法,选择颗粒堆积成的圆锥体相互垂直的4个方向的母线测定其倾角,求平均值即为肥料颗粒的自然休止角,对于倾斜法和抽板法,取颗粒群左、右两侧倾斜的边缘轮廓测定其倾角,取平均值为肥料颗粒的自然休止角,每组仿真试验重复3次取平均值。
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第3章基于EDEM-Fluent耦合的颗粒肥料悬浮速度测定试验.......................57
3.1试验材料与方法.........................................................................................58
3.2肥料颗粒悬浮速度理论计算与数值模拟.................................................59
3.3肥料颗粒悬浮速度测定试验.....................................................................66
3.4本章小结.....................................................................................................68
第4章基于离散元法的气力变量配比施肥装置仿真优化与试验....................69
4.1气力变量配比施肥装置结构与工作原理.................................................70
4.2关键部件结构设计.....................................................................................71
第5章颗粒肥料质量流量传感器的设计与试验................................................87
5.1颗粒肥料质量流量传感器的设计.............................................................88
5.2颗粒肥料质量流量与对应的感应电流值标定.........................................89

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第6章气力集排式配混施肥装置设计与试验

 

6.1气力集排式配混施肥装置结构与工作原理
气力集排式配混施肥装置由机架总成、发电机、气力集排式精量配混施肥系统和自动控制系统组成,其中气力集排式精量配混施肥系统包括肥料箱、排肥器、排肥电机、抛送式混肥器、肥料分配器、双圆盘开沟器等组成,整机三维结构图如图6.1所示。在自走式高地隙底盘前进过程中,肥料箱内置3个容腔,分别装有大颗粒尿素、磷酸二铵、硫酸钾3种肥料,肥料箱侧壁配置3个步进电机分别驱动肥料箱各个容腔下对应的排肥器转动,自动控制系统根据预先测定的氮、磷、钾肥料需求量控制3个步进电机分别按一定的转速工作,排肥器排施的肥料通过重力下落至抛送式混肥器中,在电机的驱动下,抛送式混肥器内旋转的扇叶将3种肥料混合,并通过扇叶产生的气流将混合肥料输送至肥料分配器中,肥料被均匀地分成5垄后输送至双圆盘开沟器排施到土壤中。本文以实现高杆作物中后期追肥机械化作业,同时解决肥料利用率偏低的问题为目标,采用理论分析、机械结构设计、计算机仿真分析和试验研究等相结合的方法和手段,研制一种与高地隙作业车(中国农业机械化科学研究院研制)配套使用的中耕精量配混施肥装置,结合变量配混施肥和侧深施肥,提高肥料利用率,采用气力集排式施肥方案

 

6.2肥料分配器的设计
肥料分配器是气力集排式精量配混施肥装置的关键部件,其结构参数对各行排肥量一致性有重要影响,国外学者对气力排种系统的分种器进行了研究,发现锥形结构对物料均匀分配有较好的效果[168-170],但缺乏适应国内需要、对肥料均匀分配的装置,分配器的结构参数对气压、气速、肥料分配均匀度的影响还需进一步研究,因此,借鉴国外研究成果,设计一种5垄肥料分配器与施肥机配套使用,5个圆形排肥口与水平方向呈一定的倾角并周向排布,排肥口一端向分配器内腔延伸,在腔内形成带有导流线的锥形结构,肥料分配器结构如图6.2所示,主要包括波纹管、分配器壳体和排肥口。波纹管下端与分配器上方的入肥口相连接,分配器壳体下方圆周均布5个排肥口,排肥口与水平面呈一定的角度,延展的排肥口在分配器壳体内部形成锥形结构,对下落的肥料起到分配和导流的作用,锥形的顶尖位于波纹管的轴线上,分配器排肥口外部与排肥管相连接。经抛送式混料器将肥料和气流均匀混合形成的气固两相流,通过波纹管经肥料分配器入口进入腔内,肥料和气流被锥形结构分配成均匀的5份,在锥形斜面和压差的作用下被引导至各行排肥口,肥料颗粒被连续的气流强制排出肥料分配器,实现肥料的均匀分配5垄同步排施。
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