控释肥料颗粒形状特征与其沉积分布模式之间的关系

《Powder Technology》：Patterns of controlled-release fertilizer particle shape characteristics on deposition distribution patterns

本研究基于离散元法模拟，探究了调控释放肥料颗粒形状参数（尺寸与球形度）对沉积分布模式的影响机制。通过单颗粒和多颗粒模拟分析，结合响应面法优化参数，结果表明颗粒尺寸对多颗粒沉积均匀性影响显著，最优组合（尺寸2.115mm，球形度64%）使变异系数降至1.571%，为精准施肥设备优化提供理论依据。

　　

刘浩|曹新鹏|刘书峰|王永贤|傅康|韩欣|陈秀波|景林龙|孙琳琳|傅生辉|江远茂|张洪健|王金星

山东农业大学机电工程学院，中国泰安

摘要

沉积分布模式（DDP）是施肥过程中的一个重要评估方法。优化施肥设备的结构参数和操作参数有助于调节DDP，分析颗粒运动过程有助于提高施肥均匀性。此外，研究颗粒形状特征对DDP的影响机制也是调节的关键。本研究结合离散元模拟（DEM）和颗粒运动及DDP的评估方法，探讨了施肥的影响规律。首先，对CRF颗粒的排放-沉积过程进行了运动学建模。其次，利用DEM模拟对沟底单个CRF颗粒的运动进行了单因素和多因素实验，建立了沉积距离、沉积范围和出口速度的评估指标。然后，利用DEM模拟对CRF颗粒形状特征对多个颗粒DDP的影响进行了单因素和多因素实验，建立了均匀性变异系数（CV）和侧向沉积分布的评估模型。最后，通过响应面方法获得了最优参数。结果表明：球形度的变化会引起颗粒的侧向反弹，在单颗粒实验中球形度对运动的影响更大；在多颗粒实验中，当颗粒尺寸为2.115毫米时，最小CV为2.66%（侧向沉积分布呈“梯形”）。颗粒尺寸2.115毫米和球形度64%的最优组合使CV最小，为1.571%。在多颗粒实验中，颗粒尺寸对DDP的影响大于球形度。本研究提出通过优化颗粒形状特征参数来调节DDP，为施肥过程中的DDP控制提供了一种新方法。

影响

本研究阐明了控释肥料（CRF）颗粒形态特征对沉积分布模式的影响。通过优化颗粒形状参数组合，我们提高了施肥效率和施用均匀性，从而推动了精准农业的发展。

引言

苹果产业在全球农业经济中占据重要地位，加速了传统农业向现代农业的转型，并有效支持了中国农村振兴战略的实施[6]，[24]。开沟施肥是苹果施肥管理的重要方式，其核心任务是为果树稳定供应养分。目前，果农普遍使用开沟施用化学肥料来满足果树的养分需求[33]，[34]，[35]。在开沟施肥过程中，肥料颗粒群在沟内形成一定的沉积区域。由于沉积区域的形状多样且边界特征复杂，不同位置的控释肥料沉积量不同，导致DDP各异。DDP能够准确反映沟内控释肥料的分布范围、形状和均匀性，这是影响果树养分稳定供应的关键因素，也是校准施肥设备、优化性能测试和评估操作质量的关键指标[17]，[22]。

影响肥料沉积分布的主要因素是施肥设备和施肥操作模式（刘等人，2022；[10]）。国内外学者通过设计施肥设备提高了施肥的机械化水平，解决了复杂地形下操作性能差的问题，并填补了经济作物施肥设备的空白[21]，[27]，[31]，[34]，[35]。为了提高施肥机的性能，对结构参数对DDP的影响进行了深入研究。通过单因素参数分析和多因素交互实验揭示了结构参数影响DDP的机制。进一步采用中心复合旋转设计（CCRD）建立了多目标优化模型，并通过田间试验验证了最优参数[18]，[32]，[36]。王等人[26]开发了一种装有直叶片和曲叶片组件的无人机搭载水平螺旋钻盘撒布器，通过单因素测试和Box-Behnken设计（BBD）模拟优化了关键参数。最终进行了田间试验，研究了不同施用率下的施肥效果。孙等人[20]提出了一种螺旋交错槽轮施肥装置的结构模型，并以施肥均匀性、颗粒流动特性和颗粒力学性能作为评估指标。

在施肥操作过程中，结构参数和操作参数共同控制颗粒运动。学者们开发了肥料颗粒在排放和运输过程中的运动学模型[9]，[11]，[14]，[15]，[26]，[28]，从理论上阐明了螺旋角、沟槽数量、柱数和直径与宽比（DAR）等参数对DDP的影响。通过整合理论框架、多因素实验和响应面方法，实现了沉积剖面的宏观控制[5]，[26]；辛等人（2023；[7]，[8]）。除了上述结构参数和操作参数对DDP的影响外，肥料颗粒的机械相互作用和运动行为（主要由颗粒形状特征如大小和球形度控制）通过其对碰撞动力学和轨迹稳定性的影响，决定了沉积的空间均匀性。为了解决由肥料颗粒形状特征引起的DDP差异，学者们使用离散元模拟技术模拟和分析施肥设备内的颗粒，或基于肥料颗粒形状特征建立了预测颗粒轨迹的模型[2]，[3]，[4]。

学者们主要关注结构参数或操作参数的优化，并初步探讨了肥料颗粒形状特征对DDP的影响，这为探索DDP的影响因素提供了理论基础[13]；Pasha等人（2016；[1]）。然而，尚未研究颗粒形状特征对颗粒轨迹的影响，需要进一步探讨影响DDP的机制。为此，本文的研究目标如下：（1）建立控释肥料颗粒在再施肥过程中的运动学模型。（2）通过单颗粒离散元模拟研究颗粒形态特征对颗粒运动的影响。（3）通过多颗粒离散元模拟研究颗粒形态对DDP的影响。（4）使用响应面方法确定沉积均匀性的最佳形态参数组合。

完整机器结构

根据果树短砧密植模式的要求，团队早期开发了果园开沟施肥机。整机主要由框架、肥料箱、开沟装置、肥料排放装置等组成。肥料排放装置是开沟施肥机的核心部件，主要由肥料箱、肥料入口、肥料排放轴等组成。

单颗粒尺寸测试

如图7(a)和7(c)所示，CRF颗粒的出口速度随着颗粒尺寸的增加而在左侧、中间和右侧释放区逐渐增加。中间区域的CRF颗粒出口速度高于两侧区域。同样，三个区域的沉积距离也随着颗粒尺寸的增加而增加，其中中间区域的沉积距离大于两侧区域。运动学分析显示，中间区域的颗粒

结论

据我们所知，这是首次使用离散元模拟（DEM）作为工具，分别模拟单个颗粒和多个颗粒，以分析控释肥料（CRF）颗粒形状特征对DDP的影响。我们的研究表明：

(1)

颗粒形状特征（颗粒尺寸和球形度）影响CRF颗粒在肥料导向机构和沟底的运动过程，这一点已得到证实

软件和工具

本手稿中的图表使用Origin 2021（美国）和WPS Office 2023（中国）生成，用于创建和编辑多种复杂图表，以确保它们具有高质量的可视化和准确的数据处理能力，以支持手稿中的分析和讨论。在准备这项工作时，作者使用ChatGPT进行了部分语言润色。

作者贡献声明

刘浩：撰写——初稿，软件，方法论，调查，概念化。曹新鹏：可视化，验证，软件，形式分析。刘书峰：调查，数据管理。王永贤：调查，数据管理。傅康：调查，数据管理。韩欣：可视化，调查，数据管理。陈秀波：可视化，数据管理。景林龙：撰写——审阅与编辑，概念化。孙琳琳：撰写——审阅与编辑，

未引用参考文献

[12]，[16]，[19]，[23]，[25]

利益冲突声明

我们声明与可能不恰当地影响我们工作的其他人或组织没有财务和个人关系，对于任何产品、服务和/或公司没有专业或其他形式的个人利益，这些利益可能会影响本文所述内容或对手稿的评审。“控释肥料颗粒形状特征对沉积分布模式的影响”。

致谢

本工作得到了以下项目的资助：国家自然科学基金（32201682），中国博士后科学基金（2024M751869），山东省博士后创新项目（SDCX-ZG-202400200），中国农业研究系统（CARS-27），山东省青年科技人才提升工程（SDAST2024QTA050），山东省“大学青年创新团队”计划（2023KJ160）。