Study on Tillage Fertilizer Mixing Effect Under Vertical Smashing Rotary Tillage and Rotary Tillage Based on EDEM

doi:10.13304/j.nykjdb.2022.0237

Abstract

Abstract:

The distribution of nutrient components of chemical fertilizer in soil directly affects crop yield， which is different under different tillage methods. In order to explore the mechanism and reveal the distribution rule of chemical fertilizer particles in soil under different tillage methods， a discrete element simulation model was established based on EDEM. A test platform using force sensor was built to calibrate the material attribute parameters and contact parameters required in the establishment process. The drag force was measured through signal acquisition and analysis system， and it was compared with that obtained by simulation during same working period to verify the accuracy of the simulation model. The results showed the error was below 10%，indicating it could be inferred that the established model had certain prediction accuracy. Through orthogonal experiments the optimal working parameters of 2 tillage methods were obtained and the results were verified through field experiments. Through the comparison of the final results， it was found that when different tillage methods were both under the optimal mixing effect working state， the maximum error between the predicted value of the fertilizer distribution proportion in each layer of the simulation model and the actual value is 8.65%， and the minimum error is 0.59%. In conclusion， the prediction model established in this study could be used to explore the particle distribution rule of the mixing effect of surface fertilizer under different tillage methods， and had a certain prediction accuracy. The results provided references for selecting the optimal tillage method， improving agricultural fertilization efficiency and reasonably controlling fertilization amount.

Key words: fertilizer particles, discrete element simulation, parameter calibration, model validation, particle distribution

摘要：

化肥颗粒在土壤剖面的分布范围和均匀性直接影响作物产量，不同耕作方式下的化肥分布存在差异。为探究不同耕作方式对地表撒施颗粒状化肥在混合作用下的颗粒分布规律，选取粉垄和旋耕作业，基于EDEM软件对耕作混肥过程进行离散元分析。搭建了参数标定试验台，标定了构建仿真模型所需要的材料参数和材料间接触参数，通过信号采集分析测试系统对耕作过程中牵引力进行验证，仿真误差基本在10%范围以内，说明仿真模型的准确性较高。通过正交试验获得旋耕、粉垄2种耕作方式达到最优混肥效果时的工作参数，并通过田间试验进行验证。结合田间试验结果分析表明，当旋耕机和粉垄机处于最优混肥效果工作状态时，仿真模型对化肥分布每层占比的预测值与实际值误差最大为8.65%，最小为0.59%，理论分析与实际结果非常接近，表明研究结果可为选取最优耕作方式，改善施肥效果提供参考。

关键词: 化肥颗粒, 离散元仿真, 参数标定, 模型验证, 颗粒分布

CLC Number:

S222.3

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Figures/Tables 14

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耕作方式 Tillage method	序号 No.	o t a r y s p e e d /（r·min^-1）转速 R	p e e d /（m·s^-1）前进速度 S	n g l e /（°）倾斜角度 A	变异系数 Coefficient of variation
粉垄耕作 Vertical smashing rotary tillage	1	200（-1）	0.2（-1）	-10（-1）	0.766 1
	2	400（+1）	0.2（-1）	-10（-1）	0.679 6
	3	200（-1）	0.4（+1）	-10（-1）	0.766 3
	4	400（+1）	0.4（+1）	-10（-1）	0.714 9
	5	200（-1）	0.2（-1）	10（+1）	0.585 0
	6	400（+1）	0.2（-1）	10（+1）	0.685 2
	7	200（-1）	0.4（+1）	10（+1）	0.643 8
	8	400（+1）	0.4（+1）	10（+1）	0.701 4
	9	132（-1.68）	0.3（0）	0（0）	0.872 1
	10	468（+1.68）	0.3（0）	0（0）	0.657 0
	11	300（0）	0.13（-1.68）	0（0）	0.473 2
	12	300（0）	0.47（+1.68）	0（0）	0.567 8
	13	300（0）	0.3（0）	-16.8（-1.68）	0.580 7
	14	300（0）	0.3（0）	16.8（+1.68）	0.570 6

耕作方式 Tillage method	序号 No.	o t a r y s p e e d /（r·min^-1）转速 R	p e e d /（m·s^-1）前进速度 S	n g l e /（°）倾斜角度 A	变异系数 Coefficient of variation
粉垄耕作 Vertical smashing rotary tillage	1	200（-1）	0.2（-1）	-10（-1）	0.766 1
	2	400（+1）	0.2（-1）	-10（-1）	0.679 6
	3	200（-1）	0.4（+1）	-10（-1）	0.766 3
	4	400（+1）	0.4（+1）	-10（-1）	0.714 9
	5	200（-1）	0.2（-1）	10（+1）	0.585 0
	6	400（+1）	0.2（-1）	10（+1）	0.685 2
	7	200（-1）	0.4（+1）	10（+1）	0.643 8
	8	400（+1）	0.4（+1）	10（+1）	0.701 4
	9	132（-1.68）	0.3（0）	0（0）	0.872 1
	10	468（+1.68）	0.3（0）	0（0）	0.657 0
	11	300（0）	0.13（-1.68）	0（0）	0.473 2
	12	300（0）	0.47（+1.68）	0（0）	0.567 8
	13	300（0）	0.3（0）	-16.8（-1.68）	0.580 7
	14	300（0）	0.3（0）	16.8（+1.68）	0.570 6

耕作方式 Tillage method	序号 No.	o t a r y s p e e d /（r·min^-1）转速 R	p e e d /（m·s^-1）前进速度 S	n g l e /（°）倾斜角度 A	变异系数 Coefficient of variation
粉垄耕作 Vertical smashing rotary tillage	15	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.394 7
	16	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.369 7
	17	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.345 2
	18	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.439 7
	19	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.449 7
	20	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.401 2
旋耕耕作 Rotary tillage	1	300（-1）	0.1（-1）	—	0.673 4
	2	500（+1）	0.1（-1）	—	0.727 0
	3	300（-1）	0.3（+1）	—	0.618 3
	4	500（+1）	0.3（+1）	—	0.526 9
	5	258（-1.68）	0.2（0）	—	0.669 7
	6	541（+1.68）	0.2（0）	—	0.639 5
	7	400（0）	0.06（-1.68）	—	0.637 1
	8	400（0）	0.34（+1.68）	—	0.579 5
	9	400（0）	0.2（0）	—	0.501 0
	10	400（0）	0.2（0）	—	0.530 1
	11	400（0）	0.2（0）	—	0.510 9
	12	400（0）	0.2（0）	—	0.499 3
	13	400（0）	0.2（0）	—	0.529 8

耕作方式 Tillage method	序号 No.	o t a r y s p e e d /（r·min^-1）转速 R	p e e d /（m·s^-1）前进速度 S	n g l e /（°）倾斜角度 A	变异系数 Coefficient of variation
粉垄耕作 Vertical smashing rotary tillage	15	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.394 7
	16	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.369 7
	17	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.345 2
	18	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.439 7
	19	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.449 7
	20	300（0）	0.3（0）	0（0）	0.401 2
旋耕耕作 Rotary tillage	1	300（-1）	0.1（-1）	—	0.673 4
	2	500（+1）	0.1（-1）	—	0.727 0
	3	300（-1）	0.3（+1）	—	0.618 3
	4	500（+1）	0.3（+1）	—	0.526 9
	5	258（-1.68）	0.2（0）	—	0.669 7
	6	541（+1.68）	0.2（0）	—	0.639 5
	7	400（0）	0.06（-1.68）	—	0.637 1
	8	400（0）	0.34（+1.68）	—	0.579 5
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	10	400（0）	0.2（0）	—	0.530 1
	11	400（0）	0.2（0）	—	0.510 9
	12	400（0）	0.2（0）	—	0.499 3
	13	400（0）	0.2（0）	—	0.529 8

属性参数 Property parameter	土壤 Soil				化肥 Fertilizer	刀具 Blade
属性参数 Property parameter	0—10 cm	10—20 cm	20—30 cm	30—40 cm	化肥 Fertilizer	刀具 Blade
弹性模量 Elastic modulus	1.820 1×10⁷	5.248 4×10⁷	6.004 1×10⁷	10.457 8×10⁷	7.9×10¹⁰	2.05×10¹¹
剪切模量 Shear modulus	0.719 5×10⁷	2.016 3×10⁷	2.173 7×10⁷	3.79 67×10⁷	3.16×10¹⁰	7.9×10¹⁰
泊松比 Poisson ratio	0.26	0.30	0.38	0.38	0.25	0.3
e n s i t y /（kg·cm^-3）密度 D	1 414	1 559	1 602	1 613	1 670	7 861
含水率 Water content/%	17.71	18.79	18.83	18.66	—	—