基于EDEM的振动施肥排肥器尿素破拱机理研究

《Agronomy》：Study on the Mechanism of Urea Arch Breaking in Vibrating Fertiliser Dischargers Based on EDEM

　　

在受水分影响条件下，随着颗粒间黏聚力的增加，尿素排料会变得不稳定。研究人员结合散体力学、离散单元法（DEM）仿真、接触参数标定与台架试验，研究了尿素结拱及振动辅助排料问题。利用休止角与滑动摩擦试验标定了尿素颗粒与聚丙烯（PP）料斗间的干态接触参数，标定仿真与物理目标值的相对误差分别为休止角1.71%、滑动摩擦角3.98%。在独立的DEM敏感性分析中，将JKR表面能设定为0、0.05、0.15和0.30 J·m?2作为有效黏附参数而非标定的含水状态；最大EDEM导出总力信号由0 J·m?2时的2.283 N增至0.30 J·m?2时的2.704 N（增幅18.5%），而5–18 s预排料区间平均粒径速度由0.0613 m·s?1降至0.0397 m·s?1（降幅35.3%）。评估了两种复合激励设置：29.17 Hz/0.2 mm与58.33 Hz/1.2 mm，因频率与幅值同时改变，无法隔离各自效应。台架试验在30 s收集区间内平均排料质量分别为566.808 g（58.33 Hz/1.2 mm）、492.435 g（29.17 Hz/0.2 mm）和464.305 g（无振动），58.33 Hz/1.2 mm较无振动对照提高约22.1%；三次重复运行间变异系数分别为3.628%、3.580%和4.303%，反映重复运行间重复性而非时空排料均匀性。总体而言，提高规定黏附度降低DEM中颗粒流动性，而58.33 Hz/1.2 mm复合激励在测试条件下增加排料质量；试验未直接证明晶桥断裂，也未隔离独立频率效应。

研究背景方面，精准农业要求减量化投入并提升肥料利用率，而颗粒肥料在排料时常受结块、结拱与堵塞干扰。尿素因吸湿性强，受潮后易在颗粒间形成液桥并随重结晶产生固体晶桥，显著提高表观黏聚力，在排料口上方形成自承式拱结构，导致流动不均甚至断流。已有振动、有序排料与机械破拱装置虽能改善输送，但针对湿性黏聚尿素在料斗出口附近承载接触网络稳定性的定量规律仍不明确，且离散单元法（Discrete Element Method, DEM）中缺乏与水分状态对应的黏聚接触律。基于此，研究人员在《Agronomy》发表该研究，旨在厘清有效颗粒间黏附增强对结拱的影响以及外部振动如何改变排料行为。

关键技术方法上，研究人员以江苏大学F103实验室自建聚丙烯（PP）料斗（内尺寸300 mm×200 mm×250 mm，出口直径50 mm，六槽外径80 mm计量轮）为对象，先用物理休止角（33.23°）与尿素–PP滑动摩擦角（15.32°）试验结合约束中心复合响应面设计标定干态Hertz–Mindlin接触参数（尿素–尿素恢复系数、滚动摩擦、静摩擦与尿素–PP对应三项），再以Hertz–Mindlin with JKR模型做表面能0、0.05、0.15、0.30 J·m^?2的敏感性仿真（粒径固定球半径0.8475 mm，密度1236 kg·m^?3，Rayleigh时间步1.8782×10^?5 s）；振动台架采用直流电机给定29.17 Hz/0.2 mm与58.33 Hz/1.2 mm两种频幅耦合激励，每处理20次重复、每次装料1.0 kg静置2–3 min后30 s收集排料称重，以变异系数（Coefficient of Variation, CV）评重复运行间重复性。

研究结果部分，2.1节给出基于Mohr–Coulomb准则（τ_f=c+σtanφ）的黏聚拱概念框架与半拱极限平衡跨度关系式，明确JKR表面能仅是有效黏附律而非湿度或重结晶过程。2.2节确定标定参数分组与尿素实测温密度1236±4.7 kg·m^?3、均径1.504±0.057 mm，DEM取单尺寸球近似。2.3节通过17次响应面仿真标定，得到尿素–尿素恢复系数0.39、滚动摩擦0.49、静摩擦0.30，尿素–PP对应0.24、0.21、0.57；一致性核查仿真休止角33.80°（偏差1.71%）、滑动角15.93°（偏差3.98%）。2.4节建立Creo几何导入EDEM 2024的排肥器模型，非JKR振动仿真30 s分段（生成–沉降结拱–激励排料–后沉降），JKR敏感性独立跑35 s；振动边界峰值加速度比约24倍（6.72对161.2 m·s^?2）。2.5节台架以WT9011DCL-BT50采加速度反演幅值，未测温湿度与尿素含水率。3.1节回归模型Y₁、Y₂全二次显著（R² 0.9481/0.9502），滚动摩擦为主效应。3.3节非振动速度9 s近零停流，58.33 Hz/1.2 mm速度扰动最强，但不能归因频率单独作用。3.4节JKR扫描显示0→0.30 J·m^?2时最大总力2.283→2.704 N（+18.5%），5–18 s均速0.0613→0.0397 m·s^?1（?35.3%），监测区滞留质量0.1619→0.2057 kg（+27.0%）。3.5节台架ANOVA（F=148.54, p<0.001）与Tukey HSD表明三组均排料量566.808 g、492.435 g、464.305 g差异显著，58.33 Hz/1.2 mm较对照+22.1%，组间CV 3.628%/3.580%/4.303%。

讨论部分指出，单尺寸球未涵盖真实粒度形貌、JKR表面能未向相对湿度/含水率映射、台架缺温湿度与晶桥直接观测、频幅 confounding 四点限制结论外推；DEM黏附敏感趋势仅限模型内比较，台架增量来自复合激励而非证伪晶桥断裂。结论翻译如下：干态标定得尿素–尿素恢复系数、滚动摩擦、静摩擦0.39、0.49、0.30，尿素–PP 0.24、0.21、0.57，仿真相对物理目标休止角差1.71%、滑动角差3.98%；独立JKR分析表面能0→0.30 J·m^?2令最大导出总力2.283→2.704 N（+18.5%）、5–18 s均速0.0613→0.0397 m·s^?1（?35.3%）；台架30 s均排料566.808 g、492.435 g、464.305 g，58.33 Hz/1.2 mm较无振+22.1%，重复CV 3.628%、3.580%、4.303%；因频幅同变，结果反映复合激励差异而非独立频率效应，CV为运行间重复性非时空均匀性；主要局限为单尺寸球、JKR–湿度未标定、晶桥未直测、频幅混杂，后续需引实测粒形、控湿含水与强度测量、JKR对标及频幅析因试验，本文未推湿度阈值或频率最优值。