腔盘式穴施肥装置柔性护肥机构设计与试验

刘正道 王庆杰 李洪文 何 进 卢彩云 谢立娟

(中国农业大学工学院， 北京 100083)

0 引言

肥料穴施技术可以定点定量精确施肥，单穴肥料供应单穴作物，是提高玉米、大豆等作物肥料利用效率的有效手段[1-3]。课题组前期设计了腔盘式精量穴施肥装置，装置工作过程分取肥、输肥和投肥3个阶段，前期已经对腔盘(肥盘)的取肥性能进行了研究[4]。输肥过程是指肥盘将肥料从肥箱中取出运送至装置底部的过程，整个输肥过程肥盘始终在护肥腔内，由于肥料属于离散体，肥盘和护肥腔刚性接触，造成肥盘转动阻力过大且极易出现卡肥现象，严重影响输肥稳定性。

柔性材料是指在外力作用下可以挤压变形、当外力除去后能恢复到原来状态的材料，经常作为刚性机构间缓冲件、密封件使用[5-6]。在工程领域，柔性材料是解决运动部件刚性接触，造成摩擦过大、物料损伤等问题的主要途径[7-8]。田立权等[9-11]设计的弹射式耳勺型水稻芽种播种装置中，采用同步柔性随动护种装置减少水稻芽种与护种辊之间的摩擦损伤；王希英等[12-13]设计的列交错勺带式马铃薯精量排种器，通过柔性双列交错排种带增加取种凹勺舀取充种时间，充分利用排种带空间结构；何腾飞[14]设计的毛刷顶针联合清种式排种器采用主动式圆柱毛刷，保证油菜籽播种过程既不伤种，又能起到良好的清种效果。上述研究均表明，在与种子接触的部件表面采用柔性材料，使种子与运动部件柔性接触，达到保护种子、减少摩擦的目的。但肥料穴施过程中，肥料在肥盘的肥腔内随肥盘运动，肥料颗粒较小且以肥团为单位输送，设计过程对接触部件的密封性和防卡性要求较高。

针对所设计的腔盘式穴施肥装置肥盘和护肥腔刚性接触易出现卡肥现象的问题，本文提出一种柔性护肥方法，拟在护肥腔内壁设计柔性护肥刷，实现肥盘和护肥腔柔性接触，以期为穴施肥肥团的稳定输送提供新方法。

1 结构和工作原理

腔盘式穴施肥装置柔性护肥机构主要由肥箱、肥盘、护肥腔壳体、侧护肥刷、底护肥刷组成，结构如图1所示，为便于观察内部结构，结构图中去掉一侧护肥刷。

图1 腔盘式穴施肥装置柔性护肥机构Fig.1 Flexible fertilizer protection mechanism for hole-fertilizing apparatus with notched plate1.肥箱 2.底护肥刷 3.侧护肥刷 4.肥盘 5.肥腔 6.护肥腔 7.进气口 8.出肥口

其工作原理是：工作过程中，肥盘顶部位于肥箱内并绕中心轴在肥箱和护肥腔内转动，肥盘外围有8个均布的肥腔，当肥腔转过肥箱时充满肥料。护肥腔内部装有护肥刷，护肥刷采用柔性纤维材料，随着肥盘的转动，肥腔带动肥料经过护肥腔，与护肥腔内壁的护肥刷接触，护肥刷分左右侧护肥刷和底护肥刷，三面护肥刷和肥腔围成密闭空间，使肥料保持在肥腔内并随肥腔转动被运送至装置底部，完成输肥过程。当肥料运送至底部进气口和出肥口中间时，肥腔内肥料在气流作用下被快速送至肥沟，完成投肥过程。由于护肥刷采用柔性材料，整个输肥过程肥盘与护肥腔柔性接触，避免肥盘和护肥腔之间出现卡肥现象。

2 关键部件设计

腔盘式穴施肥装置输肥过程主要依靠护肥腔内壁的柔性护肥刷，保证肥盘与护肥腔、肥料与护肥腔之间柔性接触，避免卡肥现象。因此，本文主要针对柔性护肥刷进行设计，并研究护肥刷与肥盘、护肥刷与肥料间相互作用。

2.1 护肥刷选材和布局

柔性材料多指以高分子化合物为基础的有机高分子材料，如纤维、塑料、树脂和高分子基复合材料等[15]。本文在选择柔性材料时主要考虑材料的柔弹性和耐磨性，根据柔性材料受力时应力应变曲线不同，常见材料的力学性能可分为硬而脆、硬而强、硬而韧、软而韧和软而弱[16]。护肥腔内壁柔性材料应具有一定的硬度，保证肥盘经过护肥腔时肥腔内肥料不会因材料过软进入柔性材料内部；此外，材料应具有一定的韧性，使材料与肥盘间具有一定的正压力，将肥料密封在肥腔内。尼龙6(简称PA6)是常见的工业材料，力学性能硬而韧，具有良好的疲劳强度、刚性、耐热性和吸湿性，是尼龙纤维的主要材料[17-19]，因此本文选用PA6纤维制成护肥刷，安装在护肥腔内壁。

护肥刷结构包括植毛基和刷丝(尼龙纤维)，刷丝成束安装在植毛基的圆孔内，常见的植毛孔排列方式分为对齐式和梅花式两种[14]，如图2所示。当植毛基大小相同时，梅花式排列尼龙纤维密度更大，纤维束间间隙更小，可有效避免肥料进入纤维束间隙，因此本文植毛孔采用梅花式排列。植毛基结构则根据肥盘和肥箱结构确定，如图3所示，分为底植毛基(图3a)和侧植毛基(图3b)，侧植毛基分两部分，一部分位于肥箱内(图3b左)，另一部分位于护肥腔内(图3b右)。

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

图3 植毛基结构图Fig.3 Structure diagrams of fiber fixed base

2.2 单根尼龙纤维力学性能分析

2.2.1受力分析

护肥刷由梅花式排列的纤维束组成，而纤维束又由单根尼龙纤维组成，单根尼龙纤维的力学性能直接影响护肥刷与肥料、肥盘间相互作用。安装时，护肥刷与肥盘间存在负间隙，尼龙纤维受肥盘外壁的作用力，单根纤维的结构和受力如图4所示。在对单根尼龙纤维进行力学分析时，可以将尼龙纤维看作一根圆柱形悬臂梁，受来自肥盘侧壁垂直于接触面的预紧力FN。此外，当肥盘转动时，单根尼龙纤维还受到肥盘侧壁的摩擦力f。

图4 单根尼龙纤维结构和受力图Fig.4 Structure and force diagram of single nylon fiber

当肥盘静止时，单根纤维在受到盘的预紧力作用下，发生弯曲并处于平衡状态，单根纤维的约束状态为一端固定，另一端自由，根据集中载荷作用下悬臂梁的挠曲线方程[20-21]可得尼龙纤维所受预紧力和尼龙纤维末端挠度的关系为

(1)

(2)

式中yB——尼龙纤维末端挠度，mm

E——尼龙纤维的弹性模量，PA6弹性模量为2.32 GPa

l——尼龙纤维自由端长度，mm

I——惯性矩，m4

ds——单根尼龙纤维直径，mm

由式(1)、(2)得，当单根尼龙纤维变形量已知的情况下，其对肥盘的压力为

(3)

由式(3)可知，当单根尼龙纤维在肥盘作用下处于稳定状态时，其对肥盘的压力与尼龙纤维直径、挠度、自由端长度有关。

2.2.2有限元仿真分析

当肥盘在护肥腔内转动时，单根尼龙纤维除受肥盘壁给予的压力外，还受到来自肥盘外壁的摩擦力，单根尼龙纤维发生进一步的变形，所受肥盘侧壁压力也随之变化。为更好地分析单根尼龙纤维在肥盘转动时的受力和形变，本文采用ANSYS对不同结构参数下单根尼龙纤维受力进行分析。

尼龙纤维的直径是影响其力学性能的主要因素之一，工业生产中作为刷丝的尼龙纤维的直径在0.08～2.5 mm[22-23]，刷丝直径越大，对肥盘外壁的压力越大，肥盘转动阻力越大，反之刷丝越细，对肥盘外壁的压力越小，但压力过小肥料容易进入刷丝间隙。因此本文选取3种直径的刷丝(0.1、0.2、0.3 mm)进行力学分析，刷丝长度为10 mm，刷丝和肥盘间摩擦因数为0.2，仿真得到刷丝应力云图如图5所示。

图5 不同直径的单根尼龙纤维应力云图Fig.5 Stress nephograms of single nylon fiber under different diameters

由图5可知，随着刷丝直径的增大，刷丝最大应力点与刷丝根部的距离减小，刷丝末端挠度较大，当刷丝直径为0.2、0.3 mm时，刷丝变形基本集中在刷丝根部，末端变形量较小，实际工作中与肥盘和肥料接近点接触，肥料易进入刷丝内，因此最终选用工业生产常用毛刷直径为0.1 mm。

2.3 纤维束结构参数设计

实际工作过程中，护肥刷由尼龙纤维束通过梅花状排列组成，护肥刷对肥盘的作用力为所有单根纤维对肥盘作用力的总和。因此，刷丝密度将直接影响护肥刷与肥盘间相互作用，刷丝密度越大，护肥刷对肥盘的阻力越大，但刷丝密度过小，纤维束间间隙过大，肥料易进入刷丝间隙。在加工毛刷时，刷丝密度由植毛孔安全距离和植毛孔直径决定，植毛孔的安全距离指的是相邻两个植毛孔的圆心连线距离减去两根毛孔半径之和后的距离。护肥刷纤维束结构如图6所示，当相邻两个纤维束植毛孔直径相同时，植毛孔安全距离为

δ=L-D0

(4)

式中δ——植毛孔安全距离，mm

L——相邻两植毛孔中心距，mm

D0——植毛孔直径，mm

图6 护肥刷纤维束结构图Fig.6 Fiber bundle structure diagram of fertilizer protection brush 1.纤维束 2.植毛孔 3.植毛基

植毛孔的安全距离与植毛基的材料有关，为保证安装打孔时植毛基的力学性能，本文所用植毛基材料为聚丙烯(PP)[24]，植毛孔安全距离δ=2 mm。刷丝安装时，刷丝固定端位于植毛孔内，自由端由于刷丝间相互排斥形成一定的分散角，刷丝束末端的直径为分散直径。为避免刷丝束间间隙过大，肥料进入刷丝束间隙，相邻2刷丝束末端应至少相切，即

L≤D0+2ltanα

(5)

式中α——分散角，(°)

经测量得，当刷丝直径为0.1 mm时，α=4.6°。

由式(4)、(5)得l≥12.71 mm。由于所选用刷丝直径较小，刷丝长度过长刷丝耐磨性能降低，易发生折断、脱落现象，因此取整得刷丝长度l=13 mm。

相邻刷丝束末端的间隙是引起肥料进入护肥刷的主要原因，因相邻刷丝末端相切且梅花状布置，肥料颗粒不进入刷丝束间隙的条件为刷丝束末端间隙内切圆直径不大于肥料颗粒直径，即

(6)

式中R——肥料颗粒半径，mm

所测肥料半径基本分布在大于0.5 mm范围，当R=0.5 mm时，植毛孔直径D0≤4.37 mm。植毛孔直径越大，单位面积植毛基上纤维束数量越小，纤维束间形成的间隙越少，取整后取最大值得植毛孔直径为4 mm。

2.4 护肥刷与肥料间相互作用

护肥刷分为底护肥刷和侧护肥刷，侧护肥刷为平面刷，底护肥刷为圆弧刷，肥盘转动过程，受肥腔内壁作用，肥腔内肥料更偏向于圆弧刷方向运动，在设计过程中应首先满足底护肥刷受力，再对侧护肥刷进行设计。

肥腔内肥料除受到重力和肥腔侧壁的作用力外，还受到3面护肥刷的挤压作用。肥料在底护肥刷的推挤作用下肥料间间隙变小，当底护肥刷的推挤作用过大，肥料向两侧运动，挤压侧护肥刷，为保证充分密封效果的同时减小护肥刷对肥盘的阻力，侧护肥刷受力应尽可能小，即底护肥刷对肥腔内肥料的力不传递给侧护肥刷。

离散元法是研究离散颗粒运动和受力的一种主要方法，近年来逐渐被应用到施肥领域，对肥料运动和受力进行分析[25-27]。为研究肥腔内肥料随底护肥刷推挤作用的增大，侧护肥刷受力变化情况，本文运用EDEM软件进行模拟仿真，如图7所示。仿真过程用底板代替底护肥刷，侧板代替侧护肥刷，分别计算在底板推挤肥料过程中，底板和侧板所受压力随时间的变化。为使计算过程肥腔内肥料均处于平衡状态，底板运动速度不应过大，设为0.01 m/s，材料参数和接触参数参照作者前期研究，试验结果如图8所示。

图7 肥团受压运动仿真试验Fig.7 Fertilizer group motion simulation test under pressure1.肥盘 2.肥料颗粒 3.侧板 4.底板

图8 肥团受压过程受力变化曲线Fig.8 Force changing curve of fertilizer group under pressure

由图8可知，底板在0.41 s开始向肥团侧运动，在0.41～0.55 s内，随底板运动，底板和侧板受力很小且基本恒定，主要由于肥腔内肥料颗粒间存在自由间隙，此过程为消除自由间隙阶段，整段过程底板运动距离为1.4 mm。从0.55 s开始，底板和侧板受到的压力急剧增大，由于肥料颗粒间自由间隙消除，肥料因底板的压缩内部应力增大，产生对底板和侧板的反作用力。为保证良好的密封性，护肥刷对肥料应具有一定的预紧力，且预紧力不应过大，因此，肥盘和底护肥刷间安装负间隙取1.6 mm。侧护肥刷受力较小，设计时只要求具有一定的负间隙即可，取侧护肥刷与肥盘间安装负间隙为0.5 mm。

3 试验验证

加工试制了所设计的柔性护肥机构，如图9所示。加工完成后与原装置(无柔性护肥机构)进行对比试验，试验用肥料为颗粒状复合肥(中农集团，N-P2O5-K2O，15%-15%-15%)，质量含水率为4.37%，排肥盘转速为60 r/min。在装置运行平稳后，测量排肥盘中心轴扭矩，分别测量10次求平均值。此外，在穴施颗粒状肥料过程中，肥料碾压破碎是造成机构间摩擦过大、排肥稳定性差的重要因素。在试验前后，分别随机取200粒肥料，数出不完整(破损)颗粒数，计算肥料颗粒破损率并进行对比。

图9 柔性护肥机构Fig.9 Flexible fertilizer protection mechanism

试验结果表明：

(1)在无柔性护肥机构条件下，极易出现卡肥现象，肥盘平均每转动1～2周，出现一次卡肥现象，需停止试验对肥盘和护肥腔间隙进行清理；在无卡肥现象时测得肥盘中心轴平均扭矩为11.36 N·m。

(2)在有柔性护肥机构情况下，整个试验过程未出现卡肥现象；肥盘中心轴扭矩为4.71 N·m，与原装置相比减小58.54%。柔性护肥机构可极大程度上减小输肥阻力，保证输肥稳定性。

(3)试验前测得所用肥料颗粒破损率为1.5%，无柔性护肥机构装置作业后肥料破损率为7%，原因为肥盘转动过程中，肥料颗粒与箱体、护肥腔间刚性接触，加工、安装间隙的存在，使肥料传输过程缝隙附近肥料颗粒被不断碾压破损；有柔性护肥机构装置作业后肥料颗粒破损率为2%，作业前后无显著差异。

4 结论

(1)设计了一种柔性护肥机构。该机构由梅花状布置的尼龙纤维束组成，安装在护肥腔内壁，保证肥盘和护肥腔间柔性接触。

(2)通过对单根尼龙纤维进行受力分析得出，尼龙纤维对肥盘外壁的压力与纤维长度、直径、安装间隙有关；利用ANSYS软件对不同直径(0.1、0.2、0.3 mm)和单根尼龙纤维受压变形情况进行仿真分析，最终确定所选用毛刷直径为0.1 mm；通过对纤维束和植毛基结构分析，设计刷丝长度为13 mm，植毛孔直径为4 mm；用EDEM软件模拟肥腔内肥料受压过程各壁面受力情况，确定肥盘与底护肥刷间安装负间隙为1.6 mm，与侧护肥刷间安装负间隙为0.5 mm。

(3)加工所设计柔性护肥机构并进行验证试验，结果表明：该机构无卡肥现象，肥盘转动扭矩为4.71 N·m，与原机构相比，肥盘转动阻力减小58.54%；工作前后肥料颗粒破损率仅增加0.5个百分点，无碾压破碎现象。