果樹專用餅狀緩釋肥遞肥機構設計與優化

王 富 ，王金星,2，劉雙喜,2，荊林龍 ，李友永

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018)

0 引言

施肥是果樹生產中關鍵的作業環節，對果品質量、產量及果樹的生長起著至關重要的作用[1]。傳統的化肥、復合肥中氮、磷、鉀的比例都很難達到果樹的實際需求，需要果農自己混配，不同化肥的用量和比例都不宜掌握,容易造成營養不足或肥料浪費[2]。肥料施用過量，不僅增加了果園的施肥成本，也易造成土壤板結、水體污染、水果質量下降，影響食用安全。資料顯示，1996-2006年10年間，我國化肥用量由3 588.7萬t增加至5 524.7萬t。其中，氮肥的每年施用量約3 400萬t，而氮素通過淋溶、揮發和流失等途徑年損失量高達1 530萬t，相當于3 324萬t尿素，直接經濟損失達5 318.7萬元[3]。我國氮肥的生產和消費均居世界首位,而利用率遠低于世界平均水平，氮、磷和鉀肥利用率分別為 30%～35%、10%～20%和35%～50%[4]。開發與施用控緩釋氮素是提高氮肥利用率的有效途徑,對降低農民生產成本、減少氮肥使用和生產過程中造成的環境污染具有重要的意義[5]。緩/控釋肥料的研制與應用成為解決上述問題的新途徑[6]。20世紀90年代以后，新型肥料—控釋肥成為研究的熱點[7]，緩釋肥可以有效提高果品的綜合品質，有效增加單果質量，顯著提高單位面積產量[8]，增加土壤中氮等礦質元素的含量[9]。

現有果園施肥機械中，化肥與有機肥等肥料均有專用的施肥機械，這些施肥機械的排肥器目前有外槽輪式、離心式及振動式等[10]，但無法實現緩釋肥的排肥要求，專用于緩釋肥的排肥器目前還沒有相關研究。由于緩釋肥的單個下落且不能對包膜造成破壞的特殊性排放要求，實現單一遞肥是緩釋肥施肥機的研究難點。為保證所設計的緩釋肥施肥機能夠正常工作，在工作過程中保證不對餅狀緩釋肥造成破壞，減少破損率，延長遞肥機構的使用壽命，采用虛擬樣機技術對遞肥機構進行仿真分析，并對凸輪遞肥機構進行優化。

1 整機結構

1.1 餅狀緩釋肥施肥機總體結構

餅狀緩釋肥施肥機主要由機架、肥桶、打孔裝置、傳動系統、凸輪遞肥機構、排肥機構及覆土機構組成，整體結構示意圖如圖1所示。其中，整機由拖拉機牽引帶動前進，并提供動力進行打孔作業，后端24V蓄電池為51單片機和步進電機提供動力。

1.2 設計原理

以有機高聚物包膜的控釋肥已成為國際所公認的控釋肥料，其在提高肥料養分利用率、減少資源浪費和環境污染等方面具有普通化學肥料所無法比擬的優點[11]。緩釋肥的養分釋放期長，可減少施肥勞動強度，在果園的應用前景很好?，F在農業中應用的緩釋包膜材料大多為難以降解的聚烯烴類的合成高分子材料，以及可有機分解的微溶性含氮化合物、鈣鎂磷肥或粉煤灰等材料為包膜材料[12-14]，所選取的餅狀緩釋肥為底面圓直徑為8～10cm、高為10cm的圓柱。圓柱狀緩釋肥在化肥微粒表面形成致密的保護層[15]。每棵果樹需施肥8～10顆緩釋肥，每顆餅狀緩釋肥均需施放在豎直的孔中。因此，在設計過程中需要解決兩個難題：一是包膜不能承受太大的壓力，否則易在遞肥、排肥過程中產生包膜破損，造成污染與干擾；二是實現每次排1顆緩釋肥，并保證緩釋肥豎直停留在孔中。

1.肥桶 2.推肥桿 3.推桿固定 4.步進電機 5.偏心圓凸輪 6.鉆頭上部 7.懸掛裝置 8.機架 9.鉆頭 10.車輪 11.排肥管道 12.覆土裝置 13.齒條 14.齒輪 15.步進電機 16.遞肥盒

1.3 整機設計參數

結合緩釋肥的特殊點與農藝耕作要求，對施肥機的設計提出以下要求：施肥機整機采用牽引式，打孔裝置可在液壓裝置控制下上升和下壓；為減少拖拉機對果園地面多次壓踏，造成土壤緊實、板結，施肥機設計同時完成打孔、遞肥、排肥及覆土等多種作業。因為需要在每棵果樹的滴水線邊緣進行打孔作業，單坑施單肥，工作量大，勞動強度大，要求凸輪遞肥機構工作穩定、耐磨損、各零件之間的接觸力和擠壓力小。為保證緩釋肥正常釋放養分，肥料入坑后進行覆土作業，將緩釋肥埋于地下，防止與雨水等直接接觸。

緩釋肥施肥機作業流程：由拖拉機牽引，鉆頭接拖拉機后端動力輸出，帶動鉆頭打孔，液壓桿控制鉆頭的升降；打孔結束后，凸輪遞肥機構工作，將餅狀緩釋肥從肥桶遞送到排肥系統，排肥系統將肥料推向排肥管道，緩釋肥將沿著斜向的排肥管道滑入孔中，后端覆土裝置在拖拉機行進過程中完成覆土作業。

2 凸輪遞肥機構設計

凸輪遞肥機構是緩釋肥施肥機實現單一可控遞肥的關鍵機構。凸輪遞肥機構由步進電機、凸輪、推桿、齒輪、齒條及遞肥盒組成。凸輪遞肥機構是連接肥桶與排肥機構的重要機構，負責將肥桶內的緩釋肥遞送到排肥機構，是整個緩釋肥施肥機的核心。

工作流程：當打孔作業完成后，單片機控制步進電機帶動凸輪旋轉，凸輪將推動推桿前后滑動。推桿后端留有斜向的光滑閉合槽口，推桿的前后運動將帶動遞肥盒在固定的軌道前進或后退，在推程端點處遞肥盒接住從肥桶落下的餅狀緩釋肥，接住肥料后遞肥盒將在推桿帶動下沿軌道劃回原位置。凸輪遞肥機構設計如圖2所示。

1.步進電機 2.推肥桿 3.推桿固定 4.遞肥盒 5.齒輪 6.步進電機 7.齒條 8.排肥管道 9.偏心圓凸輪

2.1 遞肥盒設計

該遞肥盒設計為斜形，在推桿帶動下可以在預定的斜向軌跡前進后退。當遞肥盒滑動到端點時，接住肥桶滑落下的餅狀緩釋肥，在推桿帶動下滑回到原點的排肥管道上，將肥料遞送到排肥管道，后端推肥板在齒條的帶動下，將緩釋肥推向斜向排肥管道；遞肥盒左端焊接一光滑圓柱，與U型推桿前端槽口相切，遞肥盒在推桿的控制下進行滑動；遞肥盒右端設計為一擋肥板，遞肥時堵住肥桶的落肥口，阻止餅狀緩釋肥的下落，保證緩釋肥單個排放；緩釋肥落肥時，鐵板隨遞肥盒向右移開，肥桶落肥。如此循環往復，實現遞肥作業。

2.2 凸輪設計

為實現單一遞肥，需實現遞肥盒的循環往復運動，可控循環通過連桿機構或凸輪機構實現。連桿機構設計困難，占用空間大，動平衡困難；凸輪機構，尺寸緊湊，易實現動平衡，但表面易發生磨損，需要盡量減少機構之間的擠壓[16]。凸輪在步進電機帶動下轉動，其具有一個確定的外廓，可以使從動件按照固定的規律運動[17]。斜向連接的推桿與遞肥盒的外接連桿相切，連桿在推桿的作用力下產生斜向作用力，帶動遞肥盒沿預定軌跡運動。遞肥機構運動參數與凸輪參數的設定如表1、表2所示。

表1 遞肥機構運動參數

表2 凸輪參數

由于凸輪輪廓曲線的不規則性，其設計相對比較復雜，在設計凸輪輪廓線之前，先要確定滾輪的運動規律。常選用的運動規律有等速運動規律、多項式類運動規律及三角函數類運動規律等。因為包膜的易破特征，本機選用等速運動規律進行凸輪的設計，等速運動規律適用于低速運動的場合。

等速運動方程式[18]為

(1)

(2)

凸輪的輪廓線決定從動件推桿的運動軌跡與運動規律，若凸輪的設計不符合標準，從動件推桿不能準確、有效地實現預期的遞肥作業。為了設計出耐用的凸輪遞肥結構，實現餅狀緩釋肥的單一遞肥、排肥工作，需要低速、穩定、可控的凸輪結構，因此選用偏心圓凸輪，運動規律采用等速運動規律。

偏置式偏心圓凸輪機構從動件位移S方程為

(3)

其中，R為偏心圓凸輪半徑(mm)；R1為基圓半徑(mm)；φ為凸輪轉動角度；e為偏心距(mm)；e1為偏距(mm)。

3 試驗與分析

凸輪運動設計是指在1個完整的運動周期中凸輪速度函數的設計[19]。從動件的運動規律主要受凸輪的輪廓影響，而凸輪的偏距與推桿的位移相等，遞肥盒在推桿帶動下直線方向的往復移動距離為190mm，因此將凸輪的偏距設定為190mm。為確定不同基圓半徑的偏心凸輪對凸輪與推桿之間的接觸力的影響，將基圓半徑作為單因素變量，以10mm為間隔，對基圓半徑為40～180mm的凸輪建立在SolidWorks中的零件三維模型，導入Adams仿真軟件中進行仿真試驗。

3.1 模型環境設定

在Adams中進行餅狀緩釋肥施肥機遞肥機構的運動仿真試驗，對凸輪、推桿的運動狀態進行仿真。對仿真模型進行相關性能的分析，通過分析數據與曲線[20]可知：

①檢驗整個模型能否實現工作要求，主要是整體設計是否合理；②分析凸輪與推桿之間的作用力，檢驗是否會發生偏轉過度、擠壓等現象；

在Adams各機構之間添加約束和載荷，推桿與凸輪的材料均設定為cast-iron。仿真過程中假定各機構為剛體，整個模型裝配間隙為0，不考慮制造誤差，不考慮機構之間的擠壓變形[21]。按照等速運動規律，對凸輪添加360d的恒定轉動副，推桿添加y軸方向的前后移動副。

凸輪與推桿間添加凸輪副，凸輪轉動即可帶動推桿前后運動?；谂鲎埠瘮档慕佑|算法(IMPACT-Function-based Contact)，結合實際作業時兩部件之間的接觸力，在Adams中對凸輪與推桿之間添加相應的接觸力及摩擦力。設置接觸力與摩擦力的參數設置如表3所示。

表3 接觸力、摩擦力參數設置

3.2 不同基圓半徑下的仿真試驗

為使試驗仿真環境與實際工作環境相符，獲得更標準、更真實的試驗數據，設定仿真試驗在標準重力的地面上進行。在X軸的負方向添加單位為9.806 65kg/N的標準重力，遞肥機構的凸輪機構與地面平行，在凸輪與x、y軸組成的平面內添加轉動副，帶動推桿在y軸正負方向往復運動。在設定仿真總時間均為1s、固定步數為500步的情況下，對基圓半徑R在40～180mm的凸輪與推桿兩部件之間的接觸力及推桿運動的速度和加速度進行分析，以保證在不同結構參數條件下試驗數據的準確性。

Adams仿真試驗下，在40～180mm之間每隔10mm選取1個試驗樣本。不同基圓半徑R的偏心圓凸輪的的接觸力、加速度、速度隨時間變化的數據結果如圖3所示。

由圖3可以看出：凸輪與推桿之間的接觸力、速度與加速度均按照一定的規律排列，分別由直線、虛線、點線表示。當加速度為0時，速度達到最大值，此時凸輪與推桿的接觸力最大；當加速度為最大值時，速度為0，此時凸輪與推桿的接觸力最大。另外，當R<100mm時，接觸力、速度與加速度相對應的曲線比較光滑，數據變化平緩；當R>110mm時，加速度曲線開始出現波紋，表明半徑大于110mm的凸輪對推桿造成的加速度變化劇烈，此時的基圓半徑的凸輪不適合用于緩施肥施肥機。

圖3 不同基圓半徑R下凸輪仿真試驗圖

凸輪與推桿之間接觸力、加速度與速度最大值曲線，分別由直線、虛線、點線表示，如圖4所示。

圖4 凸輪與推桿之間仿真數據曲線

由圖4可看出：基圓半徑R為40～180mm時，凸輪遞肥機構之間接觸力F的最大值Fmax隨著基圓半徑R增大而增大，速度V的最大值Vmax隨著基圓半徑R增大而減小，加速度A的最大值Amax隨著基圓半徑R增大而減小。接觸力F過大會導致凸輪與推桿之間磨損加重，最后會導致凸輪遞肥機構中的遞肥盒不能到達預定端點，從而出現餅狀緩釋肥破損及作業失敗等狀況；加速度過大會導致推桿的速度變化過快，容易使得推桿瞬間承受的載荷過大，會出現推桿損壞等情況；速度過大容易導致緩釋肥在傳送過程中造成損傷。綜合考慮以上因素，通過對數據和圖像進行分析總結后發現：當基圓半徑為C～D時，代表速度的曲線與代表接觸力的曲線相交；基圓半徑在A～B之間時，加速度變化趨勢趨于平穩，且穩定在2.4m/s2；與此同時，推桿的速度、接觸力與加速度均為中間值。因此，選取基圓半徑C～D之間的中點值，即基圓半徑為105mm的偏心凸輪用于緩施肥施肥機的凸輪遞肥部件。

基圓半徑R=105mm時，對凸輪遞肥機構仿真結果如圖5所示。

圖5 105mm基圓半徑的仿真數據

對基圓半徑R=105mm的偏心圓凸輪進行建模與仿真試驗，得到凸輪與推桿之間的接觸力F、速度V與加速度A的數據。接觸力最大值Fmax為0.329 5N，速度最大值Vmax為0.565 6m/s，加速度最大值Amax為2.475m/s2，則R=105mm時不僅可以保證凸輪的強度，也能夠保證凸輪與推桿之間的擠壓與接觸力、推桿運動的加速度和速度在要求范圍內實現多目標最優，此時的凸輪遞肥機構運行最穩定，遞肥效果最好，且節省材料成本。

4 結論

該緩釋肥施肥機填補了國內緩釋肥施肥機械的空白，解決了餅狀緩釋肥單個排肥的困難。該裝置可以穩定地排放餅狀緩釋肥，解決了人工施肥時需要頻繁搬動、勞動強度大、成本高等的缺點。整機體積小，易檢修，實現單個依次排肥。

用建模軟件SolidWorks 建立了凸輪遞肥機構的三維模型，并將其導入機械動力學仿真軟件ADAMS 中建立仿真模型；對仿真模型添加各種約束、接觸力，對基圓半徑R為40～180mm之間偏心圓凸輪進行仿真試驗，通過對遞肥機構的接觸力、速度、與加速度數據和曲線進行分析，選出合適的凸輪，保證凸輪與推桿之間的擠壓與磨損小，運行穩定，遞肥速度合適。選用基圓半徑為105mm的偏心圓凸輪，不僅減少了凸輪與推桿之間的擠壓變形，還延長了凸輪遞肥機構的使用壽命，降低了材料成本和農機維修成本。