《Computers and Electronics in Agriculture》：Breakage mitigation optimization strategy for a spiral-groove wheel fertilizer distributor based on a controlled-release fertilizer breakage model
编辑推荐：
机械应用中缓释肥料易受多源力学作用破碎，影响养分释放性能。本研究基于Tavares随机破碎模型，通过实验室单轴压缩和落重冲击试验标定等效破碎参数，结合离散元法对螺旋沟槽计量轮结构进行多因素优化，最终确定转速43r/min、螺旋角70°、出料口倾角22°的优化组合，实验验证显示破碎率相对误差5.54%，出料率相对误差5.02%。
张宏健|陈旭波|曹新鹏|王永贤|韩欣|徐俊硕|孙琳琳|王静|景琳龙|王金星
中国山东省泰安市山东农业大学机械电气工程学院
摘要
控释肥料在发展高效和可持续农业中发挥着关键作用。然而，在机械化施用过程中，控释肥料容易在复杂的多源机械力作用下发生破碎，从而影响其释放性能。为了解决这一问题，本研究开发了一种控释肥料的等效破碎模型，并提出了一种用于螺旋槽计量轮施肥机的破碎减少优化策略。首先，通过实验室测量确定了颗粒的物理和几何特性，并建立了相应的模拟颗粒模型。其次，通过单轴压缩和落重冲击试验获得了等效破碎模型的关键参数，从而能够准确再现颗粒的破碎行为。第三，使用离散元方法进行了单因素和多因素优化模拟。选择计量轮转速、螺旋角和肥料出口舌倾斜度作为测试因素，而排放率和破碎比例作为评估指标。此外，应用响应面方法确定了最佳破碎减少策略：计量轮转速为43 r/min，螺旋角为70°，肥料出口舌倾斜度为22°。最后，通过台架试验验证了模拟模型和最佳参数组合的准确性，排放率的相对误差为5.02%，破碎比例的相对误差为5.54%。这些发现为提高破碎减少率和施用效率以及优化控释肥料施肥机的设计提供了理论支持和技术指导。
引言
肥料在农业生产中发挥着不可替代的作用，是确保高作物产量和维持土壤肥力的关键投入之一（Alewell等人，2020年）。传统肥料的特点是释放速度快、挥发性高，并且通过淋溶和径流导致养分流失。作为一种在现代农业中越来越被采用的新型肥料（Lawrencia等人，2021年），控释肥料可以以可控的方式释放养分，其释放速率与作物生长周期相匹配。施用控释肥料可以减少施肥频率，降低养分损失，改善土壤质量，并降低劳动力成本（Zhai等人，2022年）。然而，随着施肥机械和技术的快速发展，控释肥料在机械化施用过程中容易因复杂的多源载荷而发生破碎。这种破碎影响了其控释性能，使得难以实现精确的养分调节（Shi等人，2022年）。这一挑战已成为限制控释肥料更广泛应用和施肥设备智能化发展的主要瓶颈。
现代机械化施肥主要使用槽轮和离心盘计量装置，通过条带或撒布方式实现定量施用（Chen等人，2023a；Chen等人，2023b）。其中，槽轮装置应用最为广泛，其结构设计直接影响颗粒运动、载荷特性和排放性能（Sun等人，2020年）。许多研究致力于优化槽轮计量装置的设计以提高运行性能（Wang等人，2024年；Wang等人，2023年；Gao等人，2022年），主要考察槽轮参数对施用性能的影响。Song等人（2021年）研究了不同转速下无人机搭载的槽轮施肥机的脉动特性，重点关注槽截面和排数对复合肥料和尿素施用性能的影响。Liu等人（2021年）使用离散元方法（DEM）模拟了可调巢轮孔施肥机的施肥过程，分析了结构参数对性能的影响，并通过多目标优化确定了最佳参数组合。Yan等人（2023年）应用DEM模拟了四槽变比施肥机中颗粒的混合和排放过程，并研究了二次混合结构参数在提高施用均匀性中的作用。尽管这些研究在结构优化和均匀性改进方面取得了进展，但对控释肥料在计量过程中的破碎情况的定量分析仍然较少，尤其是在力载荷过程和破碎机制方面。
与物理实验相比，离散元方法（DEM）具有更高的效率和更直观的可视化效果。通过整合牛顿力学和接触模型，DEM能够有效模拟颗粒运动、接触和破碎行为，是描述颗粒和不连续介质行为的有效工具（Su等人，2021年）。粘结颗粒模型（BPM）是一种常用的破碎建模方法，已广泛应用于肥料（Song等人，2023年）、水稻（Yang等人，2025年）和玉米（Han等人，2018年）等农业材料的建模和分析中。Sun等人（2024年）使用BPM研究了控释肥料的涂层损伤机制，并基于颗粒损伤程度建立了损伤分类方法。Zeng等人（2019年）使用BPM研究了水稻粒子的冲击破碎机制，并确定了影响团聚体强度的关键参数。Fan等人（2019年）使用BPM开发了玉米穗团聚体模型，并在脱粒模拟中验证了其参数。尽管BPM在物理上是一致的，但它需要设置大量的粘结参数，并涉及复杂的参数校准，因此不适合大规模颗粒破碎模拟。
为了提高建模效率并更好地捕捉真实的破碎行为，Tavares提出了一种完全随机的颗粒破碎模型（Tavares和King，2002年），该模型使用对数正态分布函数描述随机破碎，避免了传统模型中单一破碎阈值的限制（Tavares和Anderson，2021年）。该模型可以准确描述颗粒破碎行为、尺寸演变和能量消耗，而无需依赖粘结结构（Cheng等人，2022年）。控释肥料颗粒的破碎包括脆性断裂和多尺度颗粒生成，其行为本质上是随机和多样的（Long等人，2025年）。因此，随机破碎模型可以更好地反映控释肥料在载荷下的破碎模式和颗粒尺寸分布。然而，目前Tavares模型的应用主要限于工业矿石颗粒，很少有研究关注农业材料中控释肥料的破碎模拟。特别是，缺乏对控释肥料破碎机制及其与施肥机耦合作用的深入建模和实验研究，这限制了该模型在农业颗粒系统中的应用。
为了解决这些挑战，本研究首次开发了一种结合物理实验和模拟实验的等效破碎模型。该模型描述了控释肥料在计量过程中的破碎行为、内部损伤演变和破碎后的颗粒尺寸分布。在此基础上，分析了施肥机参数对排放率和破碎比例的单因素和双因素交互效应，并研究了施用过程中颗粒的速度变化、运动轨迹和碰撞频率。最后，通过台架试验验证了所提出的破碎减少优化策略的准确性和可行性。这项工作为阐明控释肥料的破碎机制和优化施肥机设计提供了理论参考和技术支持。
工作原理
槽轮施肥机的主要组成部分包括肥料料斗、肥料挡板、槽轮、肥料出口舌和排放口，如图1(a)所示。其工作原理如图1(b)所示。计量过程可分为三个阶段：填充、输送和排放。在填充阶段，肥料在重力和颗粒间相互作用的作用下进入槽轮的凹槽中。随后，在输送阶段，
破碎模型的验证
通过单轴压缩试验和落重冲击试验系统地校准了控释肥料颗粒群体的破碎模型参数。基于单轴压缩试验数据，拟合了不同尺寸颗粒的特定破碎能量及其概率分布。落重冲击试验用于评估颗粒在重复冲击下的损伤累积行为，以及损伤累积常数
结论
- 1.
基于Tavares模型开发了一种控释肥料颗粒的等效破碎模型，有效表征了颗粒破碎行为。通过单轴压缩和落重冲击试验获得了关键模型参数，从而能够准确模拟破碎过程、内部损伤演变和破碎后的颗粒尺寸分布。台架试验结果与模拟数据高度一致，相对误差在
CRediT作者贡献声明
张宏健：撰写——原始稿件、软件、方法论、研究。
陈旭波：撰写——审稿与编辑、撰写——原始稿件、方法论、形式分析。
曹新鹏：撰写——原始稿件、软件、方法论。
王永贤：撰写——审稿与编辑、形式分析、概念化。
韩欣：研究、形式分析。
徐俊硕：监督、概念化。
孙琳琳：可视化、验证、形式分析。
王静：形式分析、数据
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：32201682）、中国博士后科学基金（资助项目编号：2024M751869）、山东省博士后创新项目（编号：SCCX-ZG-202400200）、中国农业研究系统（编号：CARS-27）、山东省重点研发计划（编号：2022CXGC020706）、山东省科技创新青年人才计划（编号：SDAST2024QTA050）以及山东省“大学青年的支持。
