近年来,中国经济处于持续高速发展阶段,对能源的消费和需求逐年增加。在过去10年中,能源消费总量由2004年的21.35亿吨标准煤增加到2014年的42.61亿吨标准煤,年均增长8%左右。面对庞大的能源需求,寻找一种可替代能源减缓能源供应压力已迫在眉睫。为解决能源供应压力,基于沼气发酵技术的沼气工程已成为替代能源的热点之一。沼气工程虽然从一定程度上缓解了能源需求,但大力发展带来的问题是大量的沼液沼渣无法及时处理,尤其是大中型沼气工程,具有沼液沼渣存在量大、连续的特点,如无法及时处理将污染环境。为此,将沼渣沼液作为基肥使用已成为重要的处理手段之一。东北农业大学研制出的将沼肥作为基肥配套使用的机具能有效的处理沼肥,但由于未对其关键部件的工作机理和结构进行进一步研究,工作效率未达到最佳水平,以致该机无法批量生产,不能达到推广使用的目标。针对这一情况,本研究结合“十二五”国家科技支撑计划资助项目“寒冷地区干湿耦合发酵气、热、电联供技术集成与示范”(项目编号:2011BAD15B04),对现有沼肥施肥机械关键性部件进行工作机理分析并对整机进行优化设计:(1)明确沼肥深施机关键部件防堵分配装置的工作机理为水击压强与振动理论,并根据该理论得出转速与挡块数量的关系,最终确定挡块数量与其对应转速的参数组合,为后续仿真提供理论支持。(2)在已测定沼肥的物理特性以及成分组成的基础上运用CFX流体动力学仿真软件建立防堵分配装置流体仿真模型,分别对不同挡块数量与其对应转数的参数组合进行虚拟仿真,找出其最优的参数组合以及流场流动和分布情况。(3)运用理论分析和CFX虚拟仿真设计能够提高沼肥分配效率的分配锥体,并研究对沼肥分配效率提高最佳的锥体锥度;由于沼肥中存在大颗粒物质,设计挡块和弹簧伸缩杆的保护结构,避免防堵分配装置在工作过程中发生卡死现象,为防堵分配装置工作的稳定提供必要条件。(4)根据《土工试验手册》中相关要求测定土壤物理性质,在此基础上运用EDEM颗粒体仿真软件建立粘湿土壤颗粒体模型并结合CATIA V5R20三维软件对沼肥深施机工作部件进行虚拟仿真,得到各工作部件工作时所受到的土壤阻力,为后续的工程分析提供理论基础。(5)运用CATIA工程分析模块对现有沼肥深施机机架和优化设计后的防堵分配装置壳体进行静态分析和模态分析,检验其可靠性和稳定性,并对不合理处进行优化。(6)以优化后的脉冲式沼肥防堵分配装置参数为准,绘制工程图,加工工作过程可视化的试验样机,应用高速摄影技术和传感器测量技术分别对脉冲式沼肥防堵分配装置内的流场和出料口处的压强波进行观测和测定,并对方案进行进一步修正和改进。研究结果表明:优化后的沼肥深施机由于其关键部件防堵分配装置能充分利用水击压力脉冲和振动,能有效实现防堵分配装置的防堵、解堵和分配的功能,同时优化后的机架在减轻重量后减小了牵引动力的功率。优化后的沼肥深施机能极大的提高了处理沼肥的效率,推动了沼肥深施机推广使用的进程,而对防堵分配装置工作机理的研究也为其他处理类似介质的机械装置提供理论基础和借鉴。