果樹專用餅狀緩釋肥遞肥機構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

王 富 ，王金星,2，劉雙喜,2，荊林龍 ，李友永

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)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(chǎn)中關(guān)鍵的作業(yè)環(huán)節(jié)，對果品質(zhì)量、產(chǎn)量及果樹的生長起著至關(guān)重要的作用[1]。傳統(tǒng)的化肥、復(fù)合肥中氮、磷、鉀的比例都很難達(dá)到果樹的實際需求，需要果農(nóng)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(yǎng)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(jié)、水體污染、水果質(zhì)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(fā)和流失等途徑年損失量高達(dá)1 530萬t，相當(dāng)于3 324萬t尿素，直接經(jīng)濟損失達(dá)5 318.7萬元[3]。我國氮肥的生產(chǎn)和消費均居世界首位,而利用率遠(yuǎn)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(fā)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(nóng)民生產(chǎn)成本、減少氮肥使用和生產(chǎn)過程中造成的環(huán)境污染具有重要的意義[5]。緩/控釋肥料的研制與應(yīng)用成為解決上述問題的新途徑[6]。20世紀(jì)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(zhì)，有效增加單果質(zhì)量，顯著提高單位面積產(chǎn)量[8]，增加土壤中氮等礦質(zhì)元素的含量[9]。

現(xiàn)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(xiàn)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(guān)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(xiàn)單一遞肥是緩釋肥施肥機的研究難點。為保證所設(shè)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(gòu)的使用壽命，采用虛擬樣機技術(shù)對遞肥機構(gòu)進(jìn)行仿真分析，并對凸輪遞肥機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 整機結(jié)構(gòu)

1.1 餅狀緩釋肥施肥機總體結(jié)構(gòu)

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

1.2 設(shè)計原理

以有機高聚物包膜的控釋肥已成為國際所公認(rèn)的控釋肥料，其在提高肥料養(yǎng)分利用率、減少資源浪費和環(huán)境污染等方面具有普通化學(xué)肥料所無法比擬的優(yōu)點[11]。緩釋肥的養(yǎng)分釋放期長，可減少施肥勞動強度，在果園的應(yīng)用前景很好?，F(xiàn)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)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(hù)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(shè)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(chǎn)生包膜破損，造成污染與干擾；二是實現(xiàn)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(jìn)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(jìn)電機 16.遞肥盒

1.3 整機設(shè)計參數(shù)

結(jié)合緩釋肥的特殊點與農(nóng)藝耕作要求，對施肥機的設(shè)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(jié)，施肥機設(shè)計同時完成打孔、遞肥、排肥及覆土等多種作業(yè)。因為需要在每棵果樹的滴水線邊緣進(jìn)行打孔作業(yè)，單坑施單肥，工作量大，勞動強度大，要求凸輪遞肥機構(gòu)工作穩(wěn)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(yǎng)分，肥料入坑后進(jìn)行覆土作業(yè)，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(yè)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(jié)束后，凸輪遞肥機構(gòu)工作，將餅狀緩釋肥從肥桶遞送到排肥系統(tǒng)，排肥系統(tǒng)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(jìn)過程中完成覆土作業(yè)。

2 凸輪遞肥機構(gòu)設(shè)計

凸輪遞肥機構(gòu)是緩釋肥施肥機實現(xiàn)單一可控遞肥的關(guān)鍵機構(gòu)。凸輪遞肥機構(gòu)由步進(jìn)電機、凸輪、推桿、齒輪、齒條及遞肥盒組成。凸輪遞肥機構(gòu)是連接肥桶與排肥機構(gòu)的重要機構(gòu)，負(fù)責(zé)將肥桶內(nèi)的緩釋肥遞送到排肥機構(gòu)，是整個緩釋肥施肥機的核心。

工作流程：當(dāng)打孔作業(yè)完成后，單片機控制步進(jìn)電機帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，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(jìn)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(gòu)設(shè)計如圖2所示。

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

2.1 遞肥盒設(shè)計

該遞肥盒設(shè)計為斜形，在推桿帶動下可以在預(yù)定的斜向軌跡前進(jìn)后退。當(dāng)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(jìn)行滑動；遞肥盒右端設(shè)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(huán)往復(fù)，實現(xiàn)遞肥作業(yè)。

2.2 凸輪設(shè)計

為實現(xiàn)單一遞肥，需實現(xiàn)遞肥盒的循環(huán)往復(fù)運動，可控循環(huán)通過連桿機構(gòu)或凸輪機構(gòu)實現(xiàn)。連桿機構(gòu)設(shè)計困難，占用空間大，動平衡困難；凸輪機構(gòu)，尺寸緊湊，易實現(xiàn)動平衡，但表面易發(fā)生磨損，需要盡量減少機構(gòu)之間的擠壓[16]。凸輪在步進(jìn)電機帶動下轉(zhuǎn)動，其具有一個確定的外廓，可以使從動件按照固定的規(guī)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(chǎn)生斜向作用力，帶動遞肥盒沿預(yù)定軌跡運動。遞肥機構(gòu)運動參數(shù)與凸輪參數(shù)的設(shè)定如表1、表2所示。

表1 遞肥機構(gòu)運動參數(shù)

表2 凸輪參數(shù)

由于凸輪輪廓曲線的不規(guī)則性，其設(shè)計相對比較復(fù)雜，在設(shè)計凸輪輪廓線之前，先要確定滾輪的運動規(guī)律。常選用的運動規(guī)律有等速運動規(guī)律、多項式類運動規(guī)律及三角函數(shù)類運動規(guī)律等。因為包膜的易破特征，本機選用等速運動規(guī)律進(jìn)行凸輪的設(shè)計，等速運動規(guī)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(guī)律，若凸輪的設(shè)計不符合標(biāo)準(zhǔn)，從動件推桿不能準(zhǔn)確、有效地實現(xiàn)預(yù)期的遞肥作業(yè)。為了設(shè)計出耐用的凸輪遞肥結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)餅狀緩釋肥的單一遞肥、排肥工作，需要低速、穩(wěn)定、可控的凸輪結(jié)構(gòu)，因此選用偏心圓凸輪，運動規(guī)律采用等速運動規(guī)律。

偏置式偏心圓凸輪機構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)計是指在1個完整的運動周期中凸輪速度函數(shù)的設(shè)計[19]。從動件的運動規(guī)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(fù)移動距離為190mm，因此將凸輪的偏距設(shè)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(dǎo)入Adams仿真軟件中進(jìn)行仿真試驗。

3.1 模型環(huán)境設(shè)定

在Adams中進(jìn)行餅狀緩釋肥施肥機遞肥機構(gòu)的運動仿真試驗，對凸輪、推桿的運動狀態(tài)進(jìn)行仿真。對仿真模型進(jìn)行相關(guān)性能的分析，通過分析數(shù)據(jù)與曲線[20]可知：

①檢驗整個模型能否實現(xiàn)工作要求，主要是整體設(shè)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(fā)生偏轉(zhuǎn)過度、擠壓等現(xiàn)象；

在Adams各機構(gòu)之間添加約束和載荷，推桿與凸輪的材料均設(shè)定為cast-iron。仿真過程中假定各機構(gòu)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(gòu)之間的擠壓變形[21]。按照等速運動規(guī)律，對凸輪添加360d的恒定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動即可帶動推桿前后運動?；谂鲎埠瘮?shù)的接觸算法(IMPACT-Function-based Contact)，結(jié)合實際作業(yè)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(yīng)的接觸力及摩擦力。設(shè)置接觸力與摩擦力的參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 接觸力、摩擦力參數(shù)設(shè)置

3.2 不同基圓半徑下的仿真試驗

為使試驗仿真環(huán)境與實際工作環(huán)境相符，獲得更標(biāo)準(zhǔn)、更真實的試驗數(shù)據(jù)，設(shè)定仿真試驗在標(biāo)準(zhǔn)重力的地面上進(jìn)行。在X軸的負(fù)方向添加單位為9.806 65kg/N的標(biāo)準(zhǔn)重力，遞肥機構(gòu)的凸輪機構(gòu)與地面平行，在凸輪與x、y軸組成的平面內(nèi)添加轉(zhuǎn)動副，帶動推桿在y軸正負(fù)方向往復(fù)運動。在設(shè)定仿真總時間均為1s、固定步數(shù)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(jìn)行分析，以保證在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shù)據(jù)結(jié)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(guī)律排列，分別由直線、虛線、點線表示。當(dāng)加速度為0時，速度達(dá)到最大值，此時凸輪與推桿的接觸力最大；當(dāng)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(dāng)R<100mm時，接觸力、速度與加速度相對應(yīng)的曲線比較光滑，數(shù)據(jù)變化平緩；當(dāng)R>110mm時，加速度曲線開始出現(xiàn)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(shù)據(jù)曲線

由圖4可看出：基圓半徑R為40～180mm時，凸輪遞肥機構(gòu)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A(chǔ)max隨著基圓半徑R增大而減小。接觸力F過大會導(dǎo)致凸輪與推桿之間磨損加重，最后會導(dǎo)致凸輪遞肥機構(gòu)中的遞肥盒不能到達(dá)預(yù)定端點，從而出現(xiàn)餅狀緩釋肥破損及作業(yè)失敗等狀況；加速度過大會導(dǎo)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(xiàn)推桿損壞等情況；速度過大容易導(dǎo)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(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行分析總結(jié)后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)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(wěn)，且穩(wěn)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(gòu)仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 105mm基圓半徑的仿真數(shù)據(jù)

對基圓半徑R=105mm的偏心圓凸輪進(jìn)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(shù)據(jù)。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A(chǔ)max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(nèi)實現(xiàn)多目標(biāo)最優(yōu)，此時的凸輪遞肥機構(gòu)運行最穩(wěn)定，遞肥效果最好，且節(jié)省材料成本。

4 結(jié)論

該緩釋肥施肥機填補了國內(nèi)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(wěn)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(xiàn)單個依次排肥。

用建模軟件SolidWorks 建立了凸輪遞肥機構(gòu)的三維模型，并將其導(dǎo)入機械動力學(xué)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(jìn)行仿真試驗，通過對遞肥機構(gòu)的接觸力、速度、與加速度數(shù)據(jù)和曲線進(jìn)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(wěn)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(gòu)的使用壽命，降低了材料成本和農(nóng)機維修成本。