腔盤式穴施肥裝置柔性護肥機構設計與試驗

劉正道 王慶杰 李洪文 何 進 盧彩云 謝立娟

(中國農業大學工學院， 北京 100083)

0 引言

肥料穴施技術可以定點定量精確施肥，單穴肥料供應單穴作物，是提高玉米、大豆等作物肥料利用效率的有效手段[1-3]。課題組前期設計了腔盤式精量穴施肥裝置，裝置工作過程分取肥、輸肥和投肥3個階段，前期已經對腔盤(肥盤)的取肥性能進行了研究[4]。輸肥過程是指肥盤將肥料從肥箱中取出運送至裝置底部的過程，整個輸肥過程肥盤始終在護肥腔內，由于肥料屬于離散體，肥盤和護肥腔剛性接觸，造成肥盤轉動阻力過大且極易出現卡肥現象，嚴重影響輸肥穩定性。

柔性材料是指在外力作用下可以擠壓變形、當外力除去后能恢復到原來狀態的材料，經常作為剛性機構間緩沖件、密封件使用[5-6]。在工程領域，柔性材料是解決運動部件剛性接觸，造成摩擦過大、物料損傷等問題的主要途徑[7-8]。田立權等[9-11]設計的彈射式耳勺型水稻芽種播種裝置中，采用同步柔性隨動護種裝置減少水稻芽種與護種輥之間的摩擦損傷；王希英等[12-13]設計的列交錯勺帶式馬鈴薯精量排種器，通過柔性雙列交錯排種帶增加取種凹勺舀取充種時間，充分利用排種帶空間結構；何騰飛[14]設計的毛刷頂針聯合清種式排種器采用主動式圓柱毛刷，保證油菜籽播種過程既不傷種，又能起到良好的清種效果。上述研究均表明，在與種子接觸的部件表面采用柔性材料，使種子與運動部件柔性接觸，達到保護種子、減少摩擦的目的。但肥料穴施過程中，肥料在肥盤的肥腔內隨肥盤運動，肥料顆粒較小且以肥團為單位輸送，設計過程對接觸部件的密封性和防卡性要求較高。

針對所設計的腔盤式穴施肥裝置肥盤和護肥腔剛性接觸易出現卡肥現象的問題，本文提出一種柔性護肥方法，擬在護肥腔內壁設計柔性護肥刷，實現肥盤和護肥腔柔性接觸，以期為穴施肥肥團的穩定輸送提供新方法。

1 結構和工作原理

腔盤式穴施肥裝置柔性護肥機構主要由肥箱、肥盤、護肥腔殼體、側護肥刷、底護肥刷組成，結構如圖1所示，為便于觀察內部結構，結構圖中去掉一側護肥刷。

圖1 腔盤式穴施肥裝置柔性護肥機構Fig.1 Flexible fertilizer protection mechanism for hole-fertilizing apparatus with notched plate1.肥箱 2.底護肥刷 3.側護肥刷 4.肥盤 5.肥腔 6.護肥腔 7.進氣口 8.出肥口

其工作原理是：工作過程中，肥盤頂部位于肥箱內并繞中心軸在肥箱和護肥腔內轉動，肥盤外圍有8個均布的肥腔，當肥腔轉過肥箱時充滿肥料。護肥腔內部裝有護肥刷，護肥刷采用柔性纖維材料，隨著肥盤的轉動，肥腔帶動肥料經過護肥腔，與護肥腔內壁的護肥刷接觸，護肥刷分左右側護肥刷和底護肥刷，三面護肥刷和肥腔圍成密閉空間，使肥料保持在肥腔內并隨肥腔轉動被運送至裝置底部，完成輸肥過程。當肥料運送至底部進氣口和出肥口中間時，肥腔內肥料在氣流作用下被快速送至肥溝，完成投肥過程。由于護肥刷采用柔性材料，整個輸肥過程肥盤與護肥腔柔性接觸，避免肥盤和護肥腔之間出現卡肥現象。

2 關鍵部件設計

腔盤式穴施肥裝置輸肥過程主要依靠護肥腔內壁的柔性護肥刷，保證肥盤與護肥腔、肥料與護肥腔之間柔性接觸，避免卡肥現象。因此，本文主要針對柔性護肥刷進行設計，并研究護肥刷與肥盤、護肥刷與肥料間相互作用。

2.1 護肥刷選材和布局

柔性材料多指以高分子化合物為基礎的有機高分子材料，如纖維、塑料、樹脂和高分子基復合材料等[15]。本文在選擇柔性材料時主要考慮材料的柔彈性和耐磨性，根據柔性材料受力時應力應變曲線不同，常見材料的力學性能可分為硬而脆、硬而強、硬而韌、軟而韌和軟而弱[16]。護肥腔內壁柔性材料應具有一定的硬度，保證肥盤經過護肥腔時肥腔內肥料不會因材料過軟進入柔性材料內部；此外，材料應具有一定的韌性，使材料與肥盤間具有一定的正壓力，將肥料密封在肥腔內。尼龍6(簡稱PA6)是常見的工業材料，力學性能硬而韌，具有良好的疲勞強度、剛性、耐熱性和吸濕性，是尼龍纖維的主要材料[17-19]，因此本文選用PA6纖維制成護肥刷，安裝在護肥腔內壁。

護肥刷結構包括植毛基和刷絲(尼龍纖維)，刷絲成束安裝在植毛基的圓孔內，常見的植毛孔排列方式分為對齊式和梅花式兩種[14]，如圖2所示。當植毛基大小相同時，梅花式排列尼龍纖維密度更大，纖維束間間隙更小，可有效避免肥料進入纖維束間隙，因此本文植毛孔采用梅花式排列。植毛基結構則根據肥盤和肥箱結構確定，如圖3所示，分為底植毛基(圖3a)和側植毛基(圖3b)，側植毛基分兩部分，一部分位于肥箱內(圖3b左)，另一部分位于護肥腔內(圖3b右)。

圖2 植毛孔排列方式Fig.2 Arrangement modes of nylon fiber mounting hole

圖3 植毛基結構圖Fig.3 Structure diagrams of fiber fixed base

2.2 單根尼龍纖維力學性能分析

2.2.1受力分析

護肥刷由梅花式排列的纖維束組成，而纖維束又由單根尼龍纖維組成，單根尼龍纖維的力學性能直接影響護肥刷與肥料、肥盤間相互作用。安裝時，護肥刷與肥盤間存在負間隙，尼龍纖維受肥盤外壁的作用力，單根纖維的結構和受力如圖4所示。在對單根尼龍纖維進行力學分析時，可以將尼龍纖維看作一根圓柱形懸臂梁，受來自肥盤側壁垂直于接觸面的預緊力FN。此外，當肥盤轉動時，單根尼龍纖維還受到肥盤側壁的摩擦力f。

圖4 單根尼龍纖維結構和受力圖Fig.4 Structure and force diagram of single nylon fiber

當肥盤靜止時，單根纖維在受到盤的預緊力作用下，發生彎曲并處于平衡狀態，單根纖維的約束狀態為一端固定，另一端自由，根據集中載荷作用下懸臂梁的撓曲線方程[20-21]可得尼龍纖維所受預緊力和尼龍纖維末端撓度的關系為

(1)

(2)

式中yB——尼龍纖維末端撓度，mm

E——尼龍纖維的彈性模量，PA6彈性模量為2.32 GPa

l——尼龍纖維自由端長度，mm

I——慣性矩，m4

ds——單根尼龍纖維直徑，mm

由式(1)、(2)得，當單根尼龍纖維變形量已知的情況下，其對肥盤的壓力為

(3)

由式(3)可知，當單根尼龍纖維在肥盤作用下處于穩定狀態時，其對肥盤的壓力與尼龍纖維直徑、撓度、自由端長度有關。

2.2.2有限元仿真分析

當肥盤在護肥腔內轉動時，單根尼龍纖維除受肥盤壁給予的壓力外，還受到來自肥盤外壁的摩擦力，單根尼龍纖維發生進一步的變形，所受肥盤側壁壓力也隨之變化。為更好地分析單根尼龍纖維在肥盤轉動時的受力和形變，本文采用ANSYS對不同結構參數下單根尼龍纖維受力進行分析。

尼龍纖維的直徑是影響其力學性能的主要因素之一，工業生產中作為刷絲的尼龍纖維的直徑在0.08～2.5 mm[22-23]，刷絲直徑越大，對肥盤外壁的壓力越大，肥盤轉動阻力越大，反之刷絲越細，對肥盤外壁的壓力越小，但壓力過小肥料容易進入刷絲間隙。因此本文選取3種直徑的刷絲(0.1、0.2、0.3 mm)進行力學分析，刷絲長度為10 mm，刷絲和肥盤間摩擦因數為0.2，仿真得到刷絲應力云圖如圖5所示。

圖5 不同直徑的單根尼龍纖維應力云圖Fig.5 Stress nephograms of single nylon fiber under different diameters

由圖5可知，隨著刷絲直徑的增大，刷絲最大應力點與刷絲根部的距離減小，刷絲末端撓度較大，當刷絲直徑為0.2、0.3 mm時，刷絲變形基本集中在刷絲根部，末端變形量較小，實際工作中與肥盤和肥料接近點接觸，肥料易進入刷絲內，因此最終選用工業生產常用毛刷直徑為0.1 mm。

2.3 纖維束結構參數設計

實際工作過程中，護肥刷由尼龍纖維束通過梅花狀排列組成，護肥刷對肥盤的作用力為所有單根纖維對肥盤作用力的總和。因此，刷絲密度將直接影響護肥刷與肥盤間相互作用，刷絲密度越大，護肥刷對肥盤的阻力越大，但刷絲密度過小，纖維束間間隙過大，肥料易進入刷絲間隙。在加工毛刷時，刷絲密度由植毛孔安全距離和植毛孔直徑決定，植毛孔的安全距離指的是相鄰兩個植毛孔的圓心連線距離減去兩根毛孔半徑之和后的距離。護肥刷纖維束結構如圖6所示，當相鄰兩個纖維束植毛孔直徑相同時，植毛孔安全距離為

δ=L-D0

(4)

式中δ——植毛孔安全距離，mm

L——相鄰兩植毛孔中心距，mm

D0——植毛孔直徑，mm

圖6 護肥刷纖維束結構圖Fig.6 Fiber bundle structure diagram of fertilizer protection brush 1.纖維束 2.植毛孔 3.植毛基

植毛孔的安全距離與植毛基的材料有關，為保證安裝打孔時植毛基的力學性能，本文所用植毛基材料為聚丙烯(PP)[24]，植毛孔安全距離δ=2 mm。刷絲安裝時，刷絲固定端位于植毛孔內，自由端由于刷絲間相互排斥形成一定的分散角，刷絲束末端的直徑為分散直徑。為避免刷絲束間間隙過大，肥料進入刷絲束間隙，相鄰2刷絲束末端應至少相切，即

L≤D0+2ltanα

(5)

式中α——分散角，(°)

經測量得，當刷絲直徑為0.1 mm時，α=4.6°。

由式(4)、(5)得l≥12.71 mm。由于所選用刷絲直徑較小，刷絲長度過長刷絲耐磨性能降低，易發生折斷、脫落現象，因此取整得刷絲長度l=13 mm。

相鄰刷絲束末端的間隙是引起肥料進入護肥刷的主要原因，因相鄰刷絲末端相切且梅花狀布置，肥料顆粒不進入刷絲束間隙的條件為刷絲束末端間隙內切圓直徑不大于肥料顆粒直徑，即

(6)

式中R——肥料顆粒半徑，mm

所測肥料半徑基本分布在大于0.5 mm范圍，當R=0.5 mm時，植毛孔直徑D0≤4.37 mm。植毛孔直徑越大，單位面積植毛基上纖維束數量越小，纖維束間形成的間隙越少，取整后取最大值得植毛孔直徑為4 mm。

2.4 護肥刷與肥料間相互作用

護肥刷分為底護肥刷和側護肥刷，側護肥刷為平面刷，底護肥刷為圓弧刷，肥盤轉動過程，受肥腔內壁作用，肥腔內肥料更偏向于圓弧刷方向運動，在設計過程中應首先滿足底護肥刷受力，再對側護肥刷進行設計。

肥腔內肥料除受到重力和肥腔側壁的作用力外，還受到3面護肥刷的擠壓作用。肥料在底護肥刷的推擠作用下肥料間間隙變小，當底護肥刷的推擠作用過大，肥料向兩側運動，擠壓側護肥刷，為保證充分密封效果的同時減小護肥刷對肥盤的阻力，側護肥刷受力應盡可能小，即底護肥刷對肥腔內肥料的力不傳遞給側護肥刷。

離散元法是研究離散顆粒運動和受力的一種主要方法，近年來逐漸被應用到施肥領域，對肥料運動和受力進行分析[25-27]。為研究肥腔內肥料隨底護肥刷推擠作用的增大，側護肥刷受力變化情況，本文運用EDEM軟件進行模擬仿真，如圖7所示。仿真過程用底板代替底護肥刷，側板代替側護肥刷，分別計算在底板推擠肥料過程中，底板和側板所受壓力隨時間的變化。為使計算過程肥腔內肥料均處于平衡狀態，底板運動速度不應過大，設為0.01 m/s，材料參數和接觸參數參照作者前期研究，試驗結果如圖8所示。

圖7 肥團受壓運動仿真試驗Fig.7 Fertilizer group motion simulation test under pressure1.肥盤 2.肥料顆粒 3.側板 4.底板

圖8 肥團受壓過程受力變化曲線Fig.8 Force changing curve of fertilizer group under pressure

由圖8可知，底板在0.41 s開始向肥團側運動，在0.41～0.55 s內，隨底板運動，底板和側板受力很小且基本恒定，主要由于肥腔內肥料顆粒間存在自由間隙，此過程為消除自由間隙階段，整段過程底板運動距離為1.4 mm。從0.55 s開始，底板和側板受到的壓力急劇增大，由于肥料顆粒間自由間隙消除，肥料因底板的壓縮內部應力增大，產生對底板和側板的反作用力。為保證良好的密封性，護肥刷對肥料應具有一定的預緊力，且預緊力不應過大，因此，肥盤和底護肥刷間安裝負間隙取1.6 mm。側護肥刷受力較小，設計時只要求具有一定的負間隙即可，取側護肥刷與肥盤間安裝負間隙為0.5 mm。

3 試驗驗證

加工試制了所設計的柔性護肥機構，如圖9所示。加工完成后與原裝置(無柔性護肥機構)進行對比試驗，試驗用肥料為顆粒狀復合肥(中農集團，N-P2O5-K2O，15%-15%-15%)，質量含水率為4.37%，排肥盤轉速為60 r/min。在裝置運行平穩后，測量排肥盤中心軸扭矩，分別測量10次求平均值。此外，在穴施顆粒狀肥料過程中，肥料碾壓破碎是造成機構間摩擦過大、排肥穩定性差的重要因素。在試驗前后，分別隨機取200粒肥料，數出不完整(破損)顆粒數，計算肥料顆粒破損率并進行對比。

圖9 柔性護肥機構Fig.9 Flexible fertilizer protection mechanism

試驗結果表明：

(1)在無柔性護肥機構條件下，極易出現卡肥現象，肥盤平均每轉動1～2周，出現一次卡肥現象，需停止試驗對肥盤和護肥腔間隙進行清理；在無卡肥現象時測得肥盤中心軸平均扭矩為11.36 N·m。

(2)在有柔性護肥機構情況下，整個試驗過程未出現卡肥現象；肥盤中心軸扭矩為4.71 N·m，與原裝置相比減小58.54%。柔性護肥機構可極大程度上減小輸肥阻力，保證輸肥穩定性。

(3)試驗前測得所用肥料顆粒破損率為1.5%，無柔性護肥機構裝置作業后肥料破損率為7%，原因為肥盤轉動過程中，肥料顆粒與箱體、護肥腔間剛性接觸，加工、安裝間隙的存在，使肥料傳輸過程縫隙附近肥料顆粒被不斷碾壓破損；有柔性護肥機構裝置作業后肥料顆粒破損率為2%，作業前后無顯著差異。

4 結論

(1)設計了一種柔性護肥機構。該機構由梅花狀布置的尼龍纖維束組成，安裝在護肥腔內壁，保證肥盤和護肥腔間柔性接觸。

(2)通過對單根尼龍纖維進行受力分析得出，尼龍纖維對肥盤外壁的壓力與纖維長度、直徑、安裝間隙有關；利用ANSYS軟件對不同直徑(0.1、0.2、0.3 mm)和單根尼龍纖維受壓變形情況進行仿真分析，最終確定所選用毛刷直徑為0.1 mm；通過對纖維束和植毛基結構分析，設計刷絲長度為13 mm，植毛孔直徑為4 mm；用EDEM軟件模擬肥腔內肥料受壓過程各壁面受力情況，確定肥盤與底護肥刷間安裝負間隙為1.6 mm，與側護肥刷間安裝負間隙為0.5 mm。

(3)加工所設計柔性護肥機構并進行驗證試驗，結果表明：該機構無卡肥現象，肥盤轉動扭矩為4.71 N·m，與原機構相比，肥盤轉動阻力減小58.54%；工作前后肥料顆粒破損率僅增加0.5個百分點，無碾壓破碎現象。