利用离散元方法（DEM）对同心双轴螺旋输送装置中颗粒状有机肥料输送性能的机理进行研究

《Powder Technology》：Mechanistic investigation of granular organic fertilizer discharge performance in a concentric twin-shaft screw assembly using DEM

双轴螺旋转肥装置的离散元模型研究揭示螺距30-50mm、螺转速30-124rpm范围内施肥精度系数变异度（CV）可控制在1.688%-1.94%，通过中心复合设计优化得出86rpm螺速、40mm螺距、0.284m/s前进速度组合最优。

　　

陈马|张健|曹刘旺|尹浩|张聪|李成松|王春雷|王丽红

西南大学工程技术学院，中国重庆400715

摘要

间歇性施肥技术作为一种高效、环保且可持续的施肥方法，受到了越来越多的关注；然而，其实际效果在很大程度上取决于施肥机制的稳定性。为了揭示这一机制，我们开发了一种用于颗粒有机肥的同心双轴螺旋间歇施药器的离散元方法（DEM）模型。通过研究颗粒输送动力学、颗粒破碎特性以及单因素模拟，确定了影响施肥效果的关键因素。结果表明，螺旋间距、螺旋转速和前进速度是关键参数，其稳定运行范围为：螺旋间距30–50毫米；螺旋转速30–124转/分钟。在此范围内，采用中心复合设计（CCD）响应面方法，优化出的参数组合为螺旋转速86转/分钟、螺旋间距40毫米、前进速度0.284米/秒，此时变异系数（CV）最小值为1.688%。在稳定条件下的验证测试以及间歇性田间试验中，平均变异系数分别为1.94%和1.65%，施肥量和分布均符合农艺要求。本研究通过分析该间歇施肥装置的施肥特性，揭示了其在果园中的应用潜力。这些发现为未来精准施肥技术的发展提供了理论和实验支持，从而促进了精准果园管理并推动了农业可持续发展。

引言

水果产业是全球农业经济的重要组成部分，在中国的农业生产体系中具有重要意义[1]、[2]。施肥对提高水果产量和质量至关重要，尤其是有机肥的应用能够促进根系发育、改善土壤结构并提高养分吸收效率[3]、[4]。然而，不当的施肥方式会降低养分利用效率，并加剧土壤退化和水体富营养化等环境问题[5]、[6]。在标准化的果园布局中，果树间距通常为3至5米，有机肥通常施用于树冠滴水线附近，以匹配根系的空间分布[7]、[8]、[9]。虽然传统的连续沟施法可以满足20–40厘米的施肥深度要求[7]、[10]、[11]，但往往会导致肥料施用在有效根区之外，从而降低利用效率。因此，间歇性施肥技术作为一种高效、环保且可持续的施肥方法应运而生[12]、[13]。然而，其有效性仍取决于施肥机制的稳定性，因此提高施肥的准确性和稳定性至关重要。

与传统农家肥相比，颗粒有机肥具有缓释特性，可降低根部烧伤的风险，并将养分利用效率提高20–30%，确保在整个果树生长周期内养分供应稳定[14]、[15]、[16]。由于颗粒有机肥的吸湿性，保持其良好的流动性对于防止机械输送过程中的堵塞和停滞至关重要。然而，这些颗粒在机械作用下容易发生变形或破碎，从而影响施肥的稳定性。目前，果园深施肥主要采用外部沟轮式[17]、螺旋钻式[18]和离心式撒布器[19]等设备。其中，U形螺旋输送机因能够在低转速下运行，并能水平或小角度输送粘性或高密度物料而得到广泛应用[20]、[21]、[22]。然而，输送过程中的机械剪切和压缩会导致颗粒破碎、物料堵塞、螺旋负载过大以及施肥不均匀，从而增加变异系数并限制运行稳定性。尽管一些研究使用离散元建模（DEM）优化了螺旋施肥系统，但大多数研究假设颗粒完整且忽略了实际应力条件下的颗粒破碎现象[18]、[23]、[24]。

实际上，颗粒有机肥在螺旋输送机中容易受到剪切力和压缩力的影响而发生破碎[25]、[26]，这会加剧潮解、结块、堵塞等问题，进而影响输送和施肥的均匀性[27]、[28]、[29]、[30]。虽然螺旋输送系统具有实现精准施肥的潜力，但同心双轴螺旋机构中颗粒有机肥的输送和施肥行为仍不明确。因此，本研究旨在分析颗粒有机肥在间歇控制下的破碎行为和施肥效果。

为了解决间歇施肥过程中施肥效果稳定性问题，本研究探讨了同心双轴螺旋施肥系统中颗粒有机肥的输送动力学和施肥效果。基于Hertz–Mindlin理论和Bonding接触定律，开发了一个考虑肥料自身特性及其与施药器材料接触行为的团聚颗粒模型。通过单轴压缩试验对模型进行校准，以确定Bonding参数。在此基础上，进行单因素模拟，评估螺旋间距和转速对颗粒破碎率和螺旋力的影响。随后，采用中心复合设计（CCD）建立响应面模型，描述施肥均匀性（变异系数）与关键操作参数之间的关系，从而评估交互效应并优化参数组合。最后，通过验证测试验证了优化条件下的施肥稳定性。本研究不仅为颗粒有机肥输送技术的发展提供了理论基础，也为实现果园系统中高效、精准和环保的施肥提供了实践支持，有助于农业可持续发展。

物理参数

测试材料为来自中国佳宝文生物技术有限公司的颗粒有机肥，含水量≤15.0%。由于颗粒有机肥具有较高的吸湿性，确保其在输送系统中的良好流动性对于防止堵塞和停滞至关重要。在外部载荷作用下，颗粒可能会发生变形甚至破碎。

DEM模型结果与验证

使用表1中列出的校准接触参数，进行了模拟测试，以评估颗粒有机肥的动态安息角（DAoR）和初始滑动角（ISA）。模拟结果分别为33.18°和7.29°，而实际测试结果为33°和7.14°，相对误差分别为0.54%和2.1%，表明模型具有良好的准确性和可靠性。

对于可破碎颗粒模型，通过回归分析和方差分析确定了粘结参数。

结论

本研究探讨了同心双轴螺旋装置在精准间歇施肥中的施肥效果。基于颗粒有机肥的物理特性，通过滚筒和斜面试验校准了颗粒间及颗粒与壁面的接触参数，并通过单轴压缩试验校准了粘结参数。利用这些校准参数，建立了颗粒有机肥的DEM模拟模型。

作者贡献声明

陈马：撰写初稿、验证、软件开发、方法设计、数据整理、概念构思。张健：撰写、审稿与编辑、方法设计、数据整理。曹刘旺：指导、概念构思。尹浩：方法设计、实验研究。张聪：软件开发、方法设计。李成松：指导、方法设计。王春雷：资源协调、方法设计、资金争取。王丽红：撰写、审稿与编辑、项目管理工作。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了重庆市与中国农业科学院（项目编号：2022-158-13）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：SWU-KQ23003）的战略合作项目的支持。