劉正道 王慶杰 李洪文 何 進(jìn) 盧彩云 謝立娟

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

肥料穴施技術(shù)可以定點(diǎn)定量精確施肥，單穴肥料供應(yīng)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(shè)計(jì)了腔盤式精量穴施肥裝置，裝置工作過(guò)程分取肥、輸肥和投肥3個(gè)階段，前期已經(jīng)對(duì)腔盤(肥盤)的取肥性能進(jìn)行了研究[4]。輸肥過(guò)程是指肥盤將肥料從肥箱中取出運(yùn)送至裝置底部的過(guò)程，整個(gè)輸肥過(guò)程肥盤始終在護(hù)肥腔內(nèi)，由于肥料屬于離散體，肥盤和護(hù)肥腔剛性接觸，造成肥盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力過(guò)大且極易出現(xiàn)卡肥現(xiàn)象，嚴(yán)重影響輸肥穩(wěn)定性。

柔性材料是指在外力作用下可以擠壓變形、當(dāng)外力除去后能恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的材料，經(jīng)常作為剛性機(jī)構(gòu)間緩沖件、密封件使用[5-6]。在工程領(lǐng)域，柔性材料是解決運(yùn)動(dòng)部件剛性接觸，造成摩擦過(guò)大、物料損傷等問(wèn)題的主要途徑[7-8]。田立權(quán)等[9-11]設(shè)計(jì)的彈射式耳勺型水稻芽種播種裝置中，采用同步柔性隨動(dòng)護(hù)種裝置減少水稻芽種與護(hù)種輥之間的摩擦損傷；王希英等[12-13]設(shè)計(jì)的列交錯(cuò)勺帶式馬鈴薯精量排種器，通過(guò)柔性雙列交錯(cuò)排種帶增加取種凹勺舀取充種時(shí)間，充分利用排種帶空間結(jié)構(gòu)；何騰飛[14]設(shè)計(jì)的毛刷頂針聯(lián)合清種式排種器采用主動(dòng)式圓柱毛刷，保證油菜籽播種過(guò)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(yùn)動(dòng)部件柔性接觸，達(dá)到保護(hù)種子、減少摩擦的目的。但肥料穴施過(guò)程中，肥料在肥盤的肥腔內(nèi)隨肥盤運(yùn)動(dòng)，肥料顆粒較小且以肥團(tuán)為單位輸送，設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)接觸部件的密封性和防卡性要求較高。

針對(duì)所設(shè)計(jì)的腔盤式穴施肥裝置肥盤和護(hù)肥腔剛性接觸易出現(xiàn)卡肥現(xiàn)象的問(wèn)題，本文提出一種柔性護(hù)肥方法，擬在護(hù)肥腔內(nèi)壁設(shè)計(jì)柔性護(hù)肥刷，實(shí)現(xiàn)肥盤和護(hù)肥腔柔性接觸，以期為穴施肥肥團(tuán)的穩(wěn)定輸送提供新方法。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

腔盤式穴施肥裝置柔性護(hù)肥機(jī)構(gòu)主要由肥箱、肥盤、護(hù)肥腔殼體、側(cè)護(hù)肥刷、底護(hù)肥刷組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，為便于觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖中去掉一側(cè)護(hù)肥刷。

圖1 腔盤式穴施肥裝置柔性護(hù)肥機(jī)構(gòu)Fig.1 Flexible fertilizer protection mechanism for hole-fertilizing apparatus with notched plate1.肥箱 2.底護(hù)肥刷 3.側(cè)護(hù)肥刷 4.肥盤 5.肥腔 6.護(hù)肥腔 7.進(jìn)氣口 8.出肥口

其工作原理是：工作過(guò)程中，肥盤頂部位于肥箱內(nèi)并繞中心軸在肥箱和護(hù)肥腔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，肥盤外圍有8個(gè)均布的肥腔，當(dāng)肥腔轉(zhuǎn)過(guò)肥箱時(shí)充滿肥料。護(hù)肥腔內(nèi)部裝有護(hù)肥刷，護(hù)肥刷采用柔性纖維材料，隨著肥盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，肥腔帶動(dòng)肥料經(jīng)過(guò)護(hù)肥腔，與護(hù)肥腔內(nèi)壁的護(hù)肥刷接觸，護(hù)肥刷分左右側(cè)護(hù)肥刷和底護(hù)肥刷，三面護(hù)肥刷和肥腔圍成密閉空間，使肥料保持在肥腔內(nèi)并隨肥腔轉(zhuǎn)動(dòng)被運(yùn)送至裝置底部，完成輸肥過(guò)程。當(dāng)肥料運(yùn)送至底部進(jìn)氣口和出肥口中間時(shí)，肥腔內(nèi)肥料在氣流作用下被快速送至肥溝，完成投肥過(guò)程。由于護(hù)肥刷采用柔性材料，整個(gè)輸肥過(guò)程肥盤與護(hù)肥腔柔性接觸，避免肥盤和護(hù)肥腔之間出現(xiàn)卡肥現(xiàn)象。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

腔盤式穴施肥裝置輸肥過(guò)程主要依靠護(hù)肥腔內(nèi)壁的柔性護(hù)肥刷，保證肥盤與護(hù)肥腔、肥料與護(hù)肥腔之間柔性接觸，避免卡肥現(xiàn)象。因此，本文主要針對(duì)柔性護(hù)肥刷進(jìn)行設(shè)計(jì)，并研究護(hù)肥刷與肥盤、護(hù)肥刷與肥料間相互作用。

2.1 護(hù)肥刷選材和布局

柔性材料多指以高分子化合物為基礎(chǔ)的有機(jī)高分子材料，如纖維、塑料、樹(shù)脂和高分子基復(fù)合材料等[15]。本文在選擇柔性材料時(shí)主要考慮材料的柔彈性和耐磨性，根據(jù)柔性材料受力時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線不同，常見(jiàn)材料的力學(xué)性能可分為硬而脆、硬而強(qiáng)、硬而韌、軟而韌和軟而弱[16]。護(hù)肥腔內(nèi)壁柔性材料應(yīng)具有一定的硬度，保證肥盤經(jīng)過(guò)護(hù)肥腔時(shí)肥腔內(nèi)肥料不會(huì)因材料過(guò)軟進(jìn)入柔性材料內(nèi)部；此外，材料應(yīng)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(nèi)。尼龍6(簡(jiǎn)稱PA6)是常見(jiàn)的工業(yè)材料，力學(xué)性能硬而韌，具有良好的疲勞強(qiáng)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(hù)肥刷，安裝在護(hù)肥腔內(nèi)壁。

護(hù)肥刷結(jié)構(gòu)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(nèi)，常見(jiàn)的植毛孔排列方式分為對(duì)齊式和梅花式兩種[14]，如圖2所示。當(dāng)植毛基大小相同時(shí)，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(jìn)入纖維束間隙，因此本文植毛孔采用梅花式排列。植毛基結(jié)構(gòu)則根據(jù)肥盤和肥箱結(jié)構(gòu)確定，如圖3所示，分為底植毛基(圖3a)和側(cè)植毛基(圖3b)，側(cè)植毛基分兩部分，一部分位于肥箱內(nèi)(圖3b左)，另一部分位于護(hù)肥腔內(nèi)(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(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagrams of fiber fixed base

2.2 單根尼龍纖維力學(xué)性能分析

2.2.1受力分析

護(hù)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(xué)性能直接影響護(hù)肥刷與肥料、肥盤間相互作用。安裝時(shí)，護(hù)肥刷與肥盤間存在負(fù)間隙，尼龍纖維受肥盤外壁的作用力，單根纖維的結(jié)構(gòu)和受力如圖4所示。在對(duì)單根尼龍纖維進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，可以將尼龍纖維看作一根圓柱形懸臂梁，受來(lái)自肥盤側(cè)壁垂直于接觸面的預(yù)緊力FN。此外，當(dāng)肥盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，單根尼龍纖維還受到肥盤側(cè)壁的摩擦力f。

圖4 單根尼龍纖維結(jié)構(gòu)和受力圖Fig.4 Structure and force diagram of single nylon fiber

當(dāng)肥盤靜止時(shí)，單根纖維在受到盤的預(yù)緊力作用下，發(fā)生彎曲并處于平衡狀態(tài)，單根纖維的約束狀態(tài)為一端固定，另一端自由，根據(jù)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(yù)緊力和尼龍纖維末端撓度的關(guān)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(zhǎng)度，mm

I——慣性矩，m4

ds——單根尼龍纖維直徑，mm

由式(1)、(2)得，當(dāng)單根尼龍纖維變形量已知的情況下，其對(duì)肥盤的壓力為

(3)

由式(3)可知，當(dāng)單根尼龍纖維在肥盤作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其對(duì)肥盤的壓力與尼龍纖維直徑、撓度、自由端長(zhǎng)度有關(guān)。

2.2.2有限元仿真分析

當(dāng)肥盤在護(hù)肥腔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，單根尼龍纖維除受肥盤壁給予的壓力外，還受到來(lái)自肥盤外壁的摩擦力，單根尼龍纖維發(fā)生進(jìn)一步的變形，所受肥盤側(cè)壁壓力也隨之變化。為更好地分析單根尼龍纖維在肥盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的受力和形變，本文采用ANSYS對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下單根尼龍纖維受力進(jìn)行分析。

尼龍纖維的直徑是影響其力學(xué)性能的主要因素之一，工業(yè)生產(chǎn)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(duì)肥盤外壁的壓力越大，肥盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力越大，反之刷絲越細(xì)，對(duì)肥盤外壁的壓力越小，但壓力過(guò)小肥料容易進(jìn)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(jìn)行力學(xué)分析，刷絲長(zhǎng)度為10 mm，刷絲和肥盤間摩擦因數(shù)為0.2，仿真得到刷絲應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 不同直徑的單根尼龍纖維應(yīng)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(yīng)力點(diǎn)與刷絲根部的距離減小，刷絲末端撓度較大，當(dāng)刷絲直徑為0.2、0.3 mm時(shí)，刷絲變形基本集中在刷絲根部，末端變形量較小，實(shí)際工作中與肥盤和肥料接近點(diǎn)接觸，肥料易進(jìn)入刷絲內(nèi)，因此最終選用工業(yè)生產(chǎn)常用毛刷直徑為0.1 mm。

2.3 纖維束結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)際工作過(guò)程中，護(hù)肥刷由尼龍纖維束通過(guò)梅花狀排列組成，護(hù)肥刷對(duì)肥盤的作用力為所有單根纖維對(duì)肥盤作用力的總和。因此，刷絲密度將直接影響護(hù)肥刷與肥盤間相互作用，刷絲密度越大，護(hù)肥刷對(duì)肥盤的阻力越大，但刷絲密度過(guò)小，纖維束間間隙過(guò)大，肥料易進(jìn)入刷絲間隙。在加工毛刷時(shí)，刷絲密度由植毛孔安全距離和植毛孔直徑?jīng)Q定，植毛孔的安全距離指的是相鄰兩個(gè)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(hù)肥刷纖維束結(jié)構(gòu)如圖6所示，當(dāng)相鄰兩個(gè)纖維束植毛孔直徑相同時(shí)，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(hù)肥刷纖維束結(jié)構(gòu)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(guān)，為保證安裝打孔時(shí)植毛基的力學(xué)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(shí)，刷絲固定端位于植毛孔內(nèi)，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(guò)大，肥料進(jìn)入刷絲束間隙，相鄰2刷絲束末端應(yīng)至少相切，即

L≤D0+2ltanα

(5)

式中α——分散角，(°)

經(jīng)測(cè)量得，當(dāng)刷絲直徑為0.1 mm時(shí)，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(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)刷絲耐磨性能降低，易發(fā)生折斷、脫落現(xiàn)象，因此取整得刷絲長(zhǎng)度l=13 mm。

相鄰刷絲束末端的間隙是引起肥料進(jìn)入護(hù)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(jìn)入刷絲束間隙的條件為刷絲束末端間隙內(nèi)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(cè)肥料半徑基本分布在大于0.5 mm范圍，當(dāng)R=0.5 mm時(shí)，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(shù)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(hù)肥刷與肥料間相互作用

護(hù)肥刷分為底護(hù)肥刷和側(cè)護(hù)肥刷，側(cè)護(hù)肥刷為平面刷，底護(hù)肥刷為圓弧刷，肥盤轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，受肥腔內(nèi)壁作用，肥腔內(nèi)肥料更偏向于圓弧刷方向運(yùn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)首先滿足底護(hù)肥刷受力，再對(duì)側(cè)護(hù)肥刷進(jìn)行設(shè)計(jì)。

肥腔內(nèi)肥料除受到重力和肥腔側(cè)壁的作用力外，還受到3面護(hù)肥刷的擠壓作用。肥料在底護(hù)肥刷的推擠作用下肥料間間隙變小，當(dāng)?shù)鬃o(hù)肥刷的推擠作用過(guò)大，肥料向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，擠壓側(cè)護(hù)肥刷，為保證充分密封效果的同時(shí)減小護(hù)肥刷對(duì)肥盤的阻力，側(cè)護(hù)肥刷受力應(yīng)盡可能小，即底護(hù)肥刷對(duì)肥腔內(nèi)肥料的力不傳遞給側(cè)護(hù)肥刷。

離散元法是研究離散顆粒運(yùn)動(dòng)和受力的一種主要方法，近年來(lái)逐漸被應(yīng)用到施肥領(lǐng)域，對(duì)肥料運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行分析[25-27]。為研究肥腔內(nèi)肥料隨底護(hù)肥刷推擠作用的增大，側(cè)護(hù)肥刷受力變化情況，本文運(yùn)用EDEM軟件進(jìn)行模擬仿真，如圖7所示。仿真過(guò)程用底板代替底護(hù)肥刷，側(cè)板代替?zhèn)茸o(hù)肥刷，分別計(jì)算在底板推擠肥料過(guò)程中，底板和側(cè)板所受壓力隨時(shí)間的變化。為使計(jì)算過(guò)程肥腔內(nèi)肥料均處于平衡狀態(tài)，底板運(yùn)動(dòng)速度不應(yīng)過(guò)大，設(shè)為0.01 m/s，材料參數(shù)和接觸參數(shù)參照作者前期研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖7 肥團(tuán)受壓運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)Fig.7 Fertilizer group motion simulation test under pressure1.肥盤 2.肥料顆粒 3.側(cè)板 4.底板

圖8 肥團(tuán)受壓過(guò)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(kāi)始向肥團(tuán)側(cè)運(yùn)動(dòng)，在0.41～0.55 s內(nèi)，隨底板運(yùn)動(dòng)，底板和側(cè)板受力很小且基本恒定，主要由于肥腔內(nèi)肥料顆粒間存在自由間隙，此過(guò)程為消除自由間隙階段，整段過(guò)程底板運(yùn)動(dòng)距離為1.4 mm。從0.55 s開(kāi)始，底板和側(cè)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(nèi)部應(yīng)力增大，產(chǎn)生對(duì)底板和側(cè)板的反作用力。為保證良好的密封性，護(hù)肥刷對(duì)肥料應(yīng)具有一定的預(yù)緊力，且預(yù)緊力不應(yīng)過(guò)大，因此，肥盤和底護(hù)肥刷間安裝負(fù)間隙取1.6 mm。側(cè)護(hù)肥刷受力較小，設(shè)計(jì)時(shí)只要求具有一定的負(fù)間隙即可，取側(cè)護(hù)肥刷與肥盤間安裝負(fù)間隙為0.5 mm。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

加工試制了所設(shè)計(jì)的柔性護(hù)肥機(jī)構(gòu)，如圖9所示。加工完成后與原裝置(無(wú)柔性護(hù)肥機(jī)構(gòu))進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)用肥料為顆粒狀復(fù)合肥(中農(nóng)集團(tuán)，N-P2O5-K2O，15%-15%-15%)，質(zhì)量含水率為4.37%，排肥盤轉(zhuǎn)速為60 r/min。在裝置運(yùn)行平穩(wěn)后，測(cè)量排肥盤中心軸扭矩，分別測(cè)量10次求平均值。此外，在穴施顆粒狀肥料過(guò)程中，肥料碾壓破碎是造成機(jī)構(gòu)間摩擦過(guò)大、排肥穩(wěn)定性差的重要因素。在試驗(yàn)前后，分別隨機(jī)取200粒肥料，數(shù)出不完整(破損)顆粒數(shù)，計(jì)算肥料顆粒破損率并進(jìn)行對(duì)比。

圖9 柔性護(hù)肥機(jī)構(gòu)Fig.9 Flexible fertilizer protection mechanism

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)在無(wú)柔性護(hù)肥機(jī)構(gòu)條件下，極易出現(xiàn)卡肥現(xiàn)象，肥盤平均每轉(zhuǎn)動(dòng)1～2周，出現(xiàn)一次卡肥現(xiàn)象，需停止試驗(yàn)對(duì)肥盤和護(hù)肥腔間隙進(jìn)行清理；在無(wú)卡肥現(xiàn)象時(shí)測(cè)得肥盤中心軸平均扭矩為11.36 N·m。

(2)在有柔性護(hù)肥機(jī)構(gòu)情況下，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程未出現(xiàn)卡肥現(xiàn)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(hù)肥機(jī)構(gòu)可極大程度上減小輸肥阻力，保證輸肥穩(wěn)定性。

(3)試驗(yàn)前測(cè)得所用肥料顆粒破損率為1.5%，無(wú)柔性護(hù)肥機(jī)構(gòu)裝置作業(yè)后肥料破損率為7%，原因?yàn)榉时P轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，肥料顆粒與箱體、護(hù)肥腔間剛性接觸，加工、安裝間隙的存在，使肥料傳輸過(guò)程縫隙附近肥料顆粒被不斷碾壓破損；有柔性護(hù)肥機(jī)構(gòu)裝置作業(yè)后肥料顆粒破損率為2%，作業(yè)前后無(wú)顯著差異。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種柔性護(hù)肥機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由梅花狀布置的尼龍纖維束組成，安裝在護(hù)肥腔內(nèi)壁，保證肥盤和護(hù)肥腔間柔性接觸。

(2)通過(guò)對(duì)單根尼龍纖維進(jìn)行受力分析得出，尼龍纖維對(duì)肥盤外壁的壓力與纖維長(zhǎng)度、直徑、安裝間隙有關(guān)；利用ANSYS軟件對(duì)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(jìn)行仿真分析，最終確定所選用毛刷直徑為0.1 mm；通過(guò)對(duì)纖維束和植毛基結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)刷絲長(zhǎng)度為13 mm，植毛孔直徑為4 mm；用EDEM軟件模擬肥腔內(nèi)肥料受壓過(guò)程各壁面受力情況，確定肥盤與底護(hù)肥刷間安裝負(fù)間隙為1.6 mm，與側(cè)護(hù)肥刷間安裝負(fù)間隙為0.5 mm。

(3)加工所設(shè)計(jì)柔性護(hù)肥機(jī)構(gòu)并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)無(wú)卡肥現(xiàn)象，肥盤轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩為4.71 N·m，與原機(jī)構(gòu)相比，肥盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力減小58.54%；工作前后肥料顆粒破損率僅增加0.5個(gè)百分點(diǎn)，無(wú)碾壓破碎現(xiàn)象。