袋裝緩控釋肥有序排肥裝置設(shè)計(jì)

謝方平，劉敏章，楊米米，劉大為，王修善,3，任述光

袋裝緩控釋肥有序排肥裝置設(shè)計(jì)

謝方平1,2,3，劉敏章1，楊米米1，劉大為1,2,3，王修善1,3，任述光1,2,3

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2. 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙 410128；3. 湖南省智能農(nóng)機(jī)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410128）

為滿足作物生長(zhǎng)期對(duì)肥料的不同需求，人們正研究通過控制肥料顆粒內(nèi)部養(yǎng)分釋放速率的緩控釋肥，試驗(yàn)表明其可減少施肥量，避免資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。目前，袋裝緩控釋肥的施放主要采用手工，耗工費(fèi)時(shí)，效率低下。為實(shí)現(xiàn)袋裝緩控釋肥機(jī)械化施放，該文根據(jù)其基本物理參數(shù)及力學(xué)特性，對(duì)袋裝肥有序排隊(duì)機(jī)理、余量清理、定量施放進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種袋裝緩控釋肥的有序排肥裝置，它由偏心分離機(jī)構(gòu)、清理機(jī)構(gòu)、排肥機(jī)構(gòu)及動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)組成，以偏心輪轉(zhuǎn)速、毛刷輪轉(zhuǎn)速及毛刷輪與刮板輸送帶之間的間距為影響因素，以合格指數(shù)、漏排指數(shù)、重排指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響關(guān)系。利用Design-Expert軟件得到各因素的最佳參數(shù)組合為：偏心輪轉(zhuǎn)速600 r/min、毛刷輪轉(zhuǎn)速95 r/min、毛刷輪與刮板輸送帶之間的間距為18 mm，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)得到排肥合格指數(shù)平均值為82%，漏排指數(shù)平均值9.33%，重排指數(shù)平均值8.67%。該研究為研制袋裝緩控釋肥有序施放排肥器提供了參考。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；袋裝緩控釋肥；有序；排肥裝置；可降解包裝袋

0 引 言

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，2014年中國(guó)用于農(nóng)業(yè)的化學(xué)肥料約為5 995.94萬t，位居世界第一[1]。盡管中國(guó)化肥生產(chǎn)量及消費(fèi)量持續(xù)增長(zhǎng)，但是高施肥水平并沒有帶來高的化肥利用率[2]。研究表明，中國(guó)化肥的當(dāng)季利用率僅為30%～35%[3]，比發(fā)達(dá)國(guó)家低20%，化肥利用率低不僅導(dǎo)致需多次施肥以滿足作物生長(zhǎng)需求，耗工費(fèi)時(shí)，且未被作物吸收的化肥將在根系累積，造成鹽害，破壞根系的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降甚至死亡，引起環(huán)境污染[4]。

為了有效控制肥料量，并能控制作物生長(zhǎng)期內(nèi)量的適時(shí)供給，近幾年發(fā)明了一種利用可降解材料制成袋包裝的袋裝控釋肥。它施放于作物根際處，能根據(jù)作物對(duì)養(yǎng)分的需求緩慢釋放營(yíng)養(yǎng)元素，只需在農(nóng)作物整個(gè)生長(zhǎng)階段初期施一次底肥即可滿足作物的肥料需求，進(jìn)而顯著提高肥料利用率，減少環(huán)境污染。緩控釋肥在發(fā)達(dá)國(guó)家已取得一定的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，被有關(guān)農(nóng)業(yè)科學(xué)家認(rèn)為將是21世紀(jì)肥料產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向[5]。

由于袋裝控釋肥采用可降解紙包裝，紙袋摩擦系數(shù)大，在肥箱中分離難度高，且袋裝物料一般都是軟包裝，受力易變形，機(jī)械化施肥時(shí)肥料之間相互疊加、起拱現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致肥料連續(xù)、均勻排出困難，這是由袋裝物料的基本屬性決定的[6]。目前，袋裝緩控釋肥的施放主要采用手工開溝施肥，需要大量的勞動(dòng)力。隨著中國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，缺少足夠的人力進(jìn)行開溝施肥作業(yè)，從而減少施肥次數(shù)，影響作物生長(zhǎng)效果，特別是對(duì)于果蔬作物，手工開溝施肥耗工費(fèi)時(shí)，效率低下，不能滿足施肥的農(nóng)藝要求[7]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的提高，尤其是中國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，機(jī)械化施肥成為迫切要求[8-9]。因此研制袋裝緩控釋肥連續(xù)、定量施放技術(shù)及機(jī)具，對(duì)實(shí)現(xiàn)肥料減施、節(jié)本增效有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

排肥器是施肥機(jī)具的關(guān)鍵部件，其工作性能直接影響施肥的質(zhì)量，關(guān)系到肥料在土壤內(nèi)的分布情況[10]。從查閱的相關(guān)文獻(xiàn)來看，目前國(guó)內(nèi)外還沒有一款針對(duì)袋裝控釋肥連續(xù)、均勻和有序排放的技術(shù)與裝備[6]。工業(yè)生產(chǎn)中，袋裝物料的排序輸送技術(shù)按照排序輸送原理不同可分為振動(dòng)排序輸送、離心排序輸送、帶式排序輸送、輥筒排序輸送和機(jī)器手分揀排序輸送5種技術(shù)[11-15]，通過前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅采用上述任何一種技術(shù)對(duì)袋裝控釋肥進(jìn)行排序輸送不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求[16]，根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，如何解決袋裝控釋肥有序且連續(xù)排出是研制袋裝控釋肥有序施放技術(shù)與裝備的瓶頸。

為將袋裝控釋肥分離且有序排出，本文根據(jù)其基本物理參數(shù)及力學(xué)特性，對(duì)肥料有序排隊(duì)機(jī)理、余量清理、定量施放進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種袋裝緩控釋肥的有序排肥裝置，并結(jié)合施肥農(nóng)藝要求，進(jìn)行了性能試驗(yàn)。

1 袋裝肥料有關(guān)物理特性參數(shù)測(cè)定

1.1 材料與方法

以某公司生產(chǎn)的紙質(zhì)袋裝緩控釋肥為試驗(yàn)材料，對(duì)其物理特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定內(nèi)容包括：外形尺寸、重量、含水率、滑動(dòng)摩擦角與抗彎剛度等。

1）分別用游標(biāo)卡尺、電子秤對(duì)袋裝緩控釋肥外形尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）及質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。

2）用恒溫烘箱干燥法[17]對(duì)袋內(nèi)肥料的含水率進(jìn)行測(cè)定，采用3次重復(fù)，結(jié)果取其平均值。

3）對(duì)袋裝肥滑動(dòng)摩擦角進(jìn)行測(cè)定?？紤]到工作時(shí)袋裝肥料之間、袋裝肥料與振動(dòng)板（45#鋼）及刮板輸送帶之間存在摩擦，用湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院自制斜面儀[18]（測(cè)量精度為0.01°）分別對(duì)袋裝肥料與肥料紙袋、45#鋼板、刮板輸送帶之間的滑動(dòng)摩擦角進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定時(shí)均采用10次重復(fù)，結(jié)果取其平均值。

4）袋裝肥變形程度的估測(cè)。由于袋包裝肥料變形會(huì)影響到有序排放，考慮到肥料袋采用的可降解紙包裝是多秸稈纖維，參照斜面法[19]對(duì)袋裝肥變形程度進(jìn)行測(cè)定，以抗彎剛度表示，測(cè)定裝置根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[19]進(jìn)行制作。如圖1所示，彎曲長(zhǎng)度儀長(zhǎng)250 mm，寬100 mm，高150 mm，斜面傾角41.5°，測(cè)定時(shí)肥料一端及鋼尺零點(diǎn)與平臺(tái)前緣重合，以一定的速度向前推動(dòng)肥料和鋼尺，直到肥料伸出端與斜面接觸，記錄肥料的伸出長(zhǎng)度。用同樣的方法對(duì)肥料的另一面及另一端兩面的伸出長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)定，取伸出長(zhǎng)度的一半作為彎曲長(zhǎng)度，根據(jù)式（1）計(jì)算抗彎強(qiáng)度，結(jié)果取4個(gè)抗彎強(qiáng)度的平均值。

式中G0為單位寬度的抗彎強(qiáng)度，mN·cm；m為肥料的單位面積質(zhì)量，m=7 352.94 g/m2；C為肥料的彎曲長(zhǎng)度，cm。

1.2 結(jié)果與分析

緩控釋肥兩小包連成一袋，形狀類似于長(zhǎng)方體，厚度在10～15 mm之間。測(cè)定結(jié)果如表1所示。袋裝肥料與45鋼板之間的滑動(dòng)摩擦角測(cè)定值在26.71°～29.60°范圍內(nèi)，與肥料紙袋之間的滑動(dòng)摩擦角在35.90°～37.25°范圍內(nèi)。袋裝肥料與刮板輸送帶之間的滑動(dòng)摩擦角測(cè)定值在42.42°～44.43°范圍內(nèi)。

表1 肥料物理特性參數(shù)測(cè)定結(jié)果

2 袋裝緩控釋肥有序排肥裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

袋裝緩控釋肥有序排肥試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要部件的外形尺寸如表2所示。該裝置主要由偏心分離機(jī)構(gòu)、清理機(jī)構(gòu)、排肥機(jī)構(gòu)及動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)組成。其中，偏心分離機(jī)構(gòu)包括偏心輪3、振動(dòng)板4及固定板7。用于無序堆積緩控釋肥的振動(dòng)板上部與固定板連接，固定板兩側(cè)分別焊接在擋板上，振動(dòng)板下部設(shè)置有帶動(dòng)其作往復(fù)擺動(dòng)，進(jìn)而破壞袋與袋肥料之間相互粘附的偏心輪，擋板內(nèi)側(cè)焊有限制振動(dòng)板最高位置的螺母8，使得偏心輪面始終與振動(dòng)板相切。清理機(jī)構(gòu)包括毛刷輪9及擋肥板10。擋肥板兩側(cè)分別焊接在擋板上，振動(dòng)板底部與毛刷輪組成的區(qū)域稱落肥口a。排肥機(jī)構(gòu)包括刮板輸送帶11、驅(qū)動(dòng)輪13與從動(dòng)輪12，從動(dòng)輪上方的區(qū)域b稱為排肥口。動(dòng)力通過3個(gè)調(diào)速電機(jī)提供，其中電機(jī)一帶動(dòng)偏心輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)二帶動(dòng)毛刷輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)三帶動(dòng)刮板輸送帶驅(qū)動(dòng)輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。機(jī)架選用鋁型材制成，方便各機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置調(diào)整，兩側(cè)擋板通過螺栓固定在機(jī)架上，擋板間間距200 mm，與偏心分離機(jī)構(gòu)合圍成肥箱。

1.調(diào)速電機(jī)1 2.右側(cè)擋板 3.偏心輪4.振動(dòng)板 5.鉸鏈 6.左側(cè)擋板 7.固定板 8.限位螺母 9.毛刷輪 10.擋肥板11.刮板輸送帶 12.刮板輸送帶從動(dòng)輪 13.刮板輸送帶驅(qū)動(dòng)輪14.調(diào)速電機(jī)2 15.調(diào)速電機(jī)3

1. Speed motor 1 2. Right side baffle 3. Eccentric wheel 4. Vibrating plate 5. Hinge 6. Left side baffle 7. Fixing plate 8. Limit nut 9. Brush wheel 10. Fender plate 11. Scraper conveyor belt 12. Conveyor belt driven wheel 13. Conveyor belt drive wheel 14. Speed motor 2 15. Speed motor 3

注：振動(dòng)板底部與毛刷輪組成的區(qū)域稱落肥口a，從動(dòng)輪上方的區(qū)域b稱為排肥口，下同。

Note: The area composed of bottom of vibrating plate and brush wheel is fertilizer drop exit a, and area b above driven wheel is referred to as a fertilizer discharge port, the same below.

圖2 緩控釋肥有序排肥裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

Fig.2 Schematic diagram of bagged slow-release fertilizer ordered fertilizer device

表2 排肥裝置主要部件外形尺寸

2.2 工作原理

緩控釋肥的有序排放包括有序排隊(duì)、余量清理、定量施放3個(gè)過程，工作原理如圖3所示。工作時(shí)，振動(dòng)板隨偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，為避免板面肥料因相互擠壓變形，導(dǎo)致內(nèi)摩擦系數(shù)增大而起拱停滯，適當(dāng)?shù)剡x擇振動(dòng)板的性能參數(shù)[20]（振幅、板面傾角及頻率等），讓底層肥料拋離板面“撞擊”上層肥料，如此反復(fù)“撞擊”，促使袋與袋肥料之間散開，并向下流動(dòng)。肥箱上方的肥料處于“有序排隊(duì)狀態(tài)”，略微拋起緩緩向下輸送，而落肥口a處的肥料迅速拋出振落，保證排肥連續(xù)性。

1.刮板輸送帶驅(qū)動(dòng)輪 2.偏心輪 3. 緩控釋肥 4.振動(dòng)板 5.鉸鏈 6.固定板 7.擋肥板 8.毛刷輪 9.刮板輸送帶從動(dòng)輪 10. 刮板輸送帶

1. Conveyor belt drive wheel 2. Eccentric Wheel 3. Bagged slow-release fertilizer 4. Vibrating plate 5. Hinge 6. Fixing fender board 7. Fender plate 8. Brush Wheel 9. Conveyor belt driven wheel 10. Scraper conveyor Belt

注：1為毛刷輪直徑，mm；為偏心輪的偏心距，mm；1為毛刷輪與振動(dòng)板之間的間距，mm；2為刮板輸送帶與毛刷輪之間的間距，mm；為刮板輸送帶傾斜角，(°)；1為振動(dòng)板處于最低位置時(shí)的傾斜角，(°)。

Note:1is diameter of the brush wheel, mm;is eccentricity of the eccentric wheel, mm;1is distance between the brush wheel and vibrating plate，mm;2is distance between scraper conveyor belt and brush wheel, mm;is inclination angle of scraper conveyor belt, (°)；1is inclination angle when vibrating plate at the lowest position, (°).

圖3 排肥原理示意圖

Fig.3 Schematic diagram of fertilizer discharge

振動(dòng)板處于最高位置時(shí)，毛刷輪與板面之間的間距1= 35 mm小于3包肥料堆疊的高度，減少多排與重排，同時(shí)，毛刷輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將堆積在落肥口a處的肥料阻滯并清理多余肥料，防止落肥口堵塞。

肥料經(jīng)偏心分離機(jī)構(gòu)拋出后，振落到刮板輸送帶上，輸送帶驅(qū)動(dòng)輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將肥料往排肥口b運(yùn)輸。刮板輸送帶與毛刷輪之間的間距為2，只允許一層肥料通過，且毛刷輪轉(zhuǎn)向與肥料的流動(dòng)方向相反，用于將輸送帶上的多余肥料進(jìn)行分離平鋪。由1.2節(jié)可知袋裝肥料與刮板輸送帶之間的摩擦系數(shù)大于袋裝肥料與肥料紙袋之間的摩擦系數(shù)，設(shè)計(jì)刮板輸送帶傾斜角=40°（36.59°<43.41°），若肥料經(jīng)毛刷輪梳理分離平鋪后在輸送帶上仍出現(xiàn)堆疊現(xiàn)象時(shí)，由于值設(shè)置得當(dāng)，堆疊的肥料在被輸送至排肥口b前借助自重自動(dòng)分離，從而保證肥料均勻定量排放。

2.3 關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 偏心分離機(jī)構(gòu)

偏心分離機(jī)構(gòu)用于防止袋與袋肥料之間的壓實(shí)起拱，促使肥料分離流動(dòng)并有序排隊(duì)，其整體結(jié)構(gòu)原理見圖3。工作時(shí)緩控釋肥無序堆積在振動(dòng)板上，通過前期預(yù)備試驗(yàn)，取振動(dòng)板長(zhǎng)為315 mm，偏心輪直徑40 mm。前文測(cè)得袋裝肥與肥料紙袋之間的摩擦角為36.59°，設(shè)計(jì)振動(dòng)板處于最低位置時(shí)的傾斜角1= 38.00°>36.59°，促使肥料破拱流動(dòng)。振動(dòng)板與偏心輪面始終相切，其處于最低位置時(shí)，切點(diǎn)至鉸鏈的距離為250 mm，為保證毛刷輪與振動(dòng)板之間始終只允許2層肥料通過，減少多排與重排，設(shè)計(jì)偏心輪的偏心距= 5 mm（2< 15 mm），計(jì)算可知，振動(dòng)板擺動(dòng)幅角2.29°，其處于最高位置時(shí)的傾斜角2為35.71°。

以偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心0為原點(diǎn)建立如圖4所示的直角坐標(biāo)系，工作時(shí)偏心輪以恒定的角速度0逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)振動(dòng)板繞鉸鏈作往復(fù)擺動(dòng)。因慣性力方向與慣性加速度方向相反，且肥料相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向沿板面向下，分析振動(dòng)板下擺過程中的運(yùn)動(dòng)情況，即可得到使肥料拋離板面時(shí)偏心輪所需達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速。

1.鉸鏈2.振動(dòng)板3.偏心輪

1. Hinge 2. Vibrating plate 3. Eccentric Wheel

注：為振動(dòng)板的角速度，rad·s-1；為振動(dòng)板的角加速度，m·s-2；為振動(dòng)板傾斜角的余角，=1+2，(°)；為鉸鏈；為偏心輪圓心；0為偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心；為偏心輪半徑，mm；為偏心輪轉(zhuǎn)過的角度，(°)；0為偏心輪的角速度，rad·s-1；0為偏心輪輪面與坐標(biāo)橫軸的交點(diǎn)；為偏心輪與振動(dòng)板的切點(diǎn)；1為偏心輪與0的交點(diǎn)。

Note:is angular velocity of vibrating plate，rad·s-1；isangular acceleration of vibrating plate, m·s-2;is residual angle of tilt angle of vibrating plate,=1+2，(°)；is hinge；is eccentric wheel center；0is the center of rotation of the eccentric;is eccentric radius, mm;iseccentric rotation angle, (°);0is eccentric angular velocity, rad·s-1;0isintersection of eccentric and horizontal axis of coordinate;is cutting point of eccentric wheel and vibrating plate;1isintersection of eccentric and0.

圖4 振動(dòng)板運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖

Fig.4 Schematic diagram of vibration fender board motion

振動(dòng)板從最高處下擺瞬間，偏心輪圓心處于第一象限內(nèi)，0與軸正方向重合時(shí)，輪面與坐標(biāo)橫軸相交于0點(diǎn)，以該點(diǎn)為起點(diǎn)，當(dāng)偏心輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)過角度（振動(dòng)板下擺過程中2/π –2<3π/2 –1）,使得0點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到1時(shí)，偏心輪圓心與輪面跟振動(dòng)板2切點(diǎn)之間的連線垂直于板面，求角（振動(dòng)板傾斜角的余角）對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)即可得到振動(dòng)板的角速度及角加速度。

通過前期預(yù)備試驗(yàn)取= 167 mm，0= 187 mm，0= 250 mm。=1+2，由于值相對(duì)于0值極小，近似等于0，可將2看作定值，因此角的變化主要取決于1。1= arctan（/），其中=–sin，=0+cos，=0。

將對(duì)時(shí)間求導(dǎo)并整理簡(jiǎn)化得

將對(duì)時(shí)間求導(dǎo)并整理簡(jiǎn)化得

代入數(shù)值并求解，得到式（3）中正弦函數(shù)定義域范圍

由式（4）可知，振動(dòng)板從最高位置下擺瞬間，在順時(shí)針方向上達(dá)到的最大值，對(duì)該瞬間板面肥料的受力情況進(jìn)行分析。由于緩控釋肥在振動(dòng)板上的運(yùn)動(dòng)過程相當(dāng)復(fù)雜，并且肥料之間相互擠壓、相互干擾，要精確分析肥料在板面的受力情況非常困難。為簡(jiǎn)化分析，將緩控釋肥視為質(zhì)點(diǎn)[21-25]，其質(zhì)量為，單包肥料加速度矢量圖如圖5所示，取振動(dòng)板為動(dòng)參考系，軸平行板面向下，軸垂直板面向上，利用加速度合成定義，牽連運(yùn)動(dòng)為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)

注：ar為肥料相對(duì)于振動(dòng)板的加速度，m·s-2；為牽連法向加速度，= lw2，m·s-2；為牽連切向加速度，=lα，m·s-2；ak為科氏加速度，ak=2wvr，m·s-2；l為肥料至旋轉(zhuǎn)中心O的距離，m。

質(zhì)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的微分方程

由式（7）可知

圖6 單包肥料受力示意圖

Fig.6 Stress analysis chart of single-pack fertilizer

拋擲指數(shù)

拋擲指數(shù)一般在1～3.3范圍內(nèi)選取[26]，取處于振動(dòng)板最底端肥料的拋擲指數(shù)為3.3，該位置時(shí)=0.315 mm，代入數(shù)值并求解得0= 64.80 rad/s，此時(shí)振動(dòng)板上距鉸鏈0.095 m范圍外的肥料將被拋起，未起跳肥料之間的間隙因振動(dòng)造成的角度變化而不斷變化，使其松動(dòng)分離開，并待前排拋起后“補(bǔ)位”。經(jīng)過多次初選試驗(yàn)，為保證排肥連續(xù)性，振動(dòng)板上約1/3的肥料需始終處于拋起狀態(tài)，取距鉸鏈0.15 m處肥料的拋擲指數(shù)為1，代入式（11）并求解得0= 51.70 rad/s。偏心輪轉(zhuǎn)速應(yīng)在51.70～64.80 rad/s即493.69～618.79 r/min的范圍內(nèi)。

2.3.2 清理機(jī)構(gòu)及排肥機(jī)構(gòu)

清理機(jī)構(gòu)用于將堆積在落肥口處的肥料阻滯并清理多余肥料；排肥機(jī)構(gòu)用于將從偏心分離機(jī)構(gòu)振落的肥料分離平鋪，保證排肥均勻性，其整體結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。毛刷輪與刮板輸送帶之間的間距為2，只允許一層肥料通過，且毛刷輪轉(zhuǎn)向與緩控釋肥在輸送帶上的流動(dòng)方向相反，用于將多余肥料進(jìn)行分離平鋪。由2.2節(jié)已知，振動(dòng)板處于最高位置時(shí)，毛刷輪與其之間的間距為35 mm，欲使2滿足要求，設(shè)計(jì)毛刷輪直徑1176 mm。由于肥料紙袋摩擦系數(shù)大，在肥箱中分離難度高，因此毛刷輪周向上設(shè)計(jì)為長(zhǎng)短毛刷交替布置的“波浪狀”，肥料起跳后拋向毛刷輪，并在其沖擊力的作用下完成分離，由短毛刷圍成的凹槽弧長(zhǎng)061.64 mm，避免整袋肥料陷入凹槽中。毛刷輪軸向上設(shè)計(jì)為間隔式，防止肥料紙袋夾入擋板與其之間的間隙，造成肥袋破損，結(jié)構(gòu)原理如圖8所示。

圖7 清理機(jī)構(gòu)及排肥機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

注：L0為短毛刷圍成的凹槽弧長(zhǎng)，L0=61.64 mm。

毛刷材質(zhì)需根據(jù)緩控釋肥物理參數(shù)得到，衡量指標(biāo)包括肥袋破損率、清理效果、毛刷造價(jià)等，其中肥袋破損率是主要參考指標(biāo)?？紤]到尼龍具有良好的機(jī)械性能，耐熱、耐磨損、尺寸穩(wěn)定性好且摩擦系數(shù)低，毛刷絲選用尼龍材質(zhì)[27]。毛刷絲的硬度與其直徑、長(zhǎng)度、橫截面形狀及每束毛孔的毛刷絲根數(shù)有關(guān)，下列等式綜合描述了這些因素之間的關(guān)系[28]

式中為毛刷絲的扭曲度，mm；為引起毛刷絲的扭曲力，kg；為毛刷絲的長(zhǎng)度mm；為毛刷絲的形變系數(shù)，kPa；為毛刷絲的直徑，mm；0為每束毛孔中毛刷絲的根數(shù)。由式（12）可看出，毛刷絲越粗，硬度越高；毛刷絲越長(zhǎng)，硬度越低。綜合考慮，選擇直徑為0.7 mm的毛刷絲，長(zhǎng)毛刷高25 mm，短毛刷高10 mm。

假定所選施肥對(duì)象前后株距為1（m），根據(jù)農(nóng)田經(jīng)驗(yàn)，小型開溝施肥機(jī)前進(jìn)速度0約為0.2 m/s，單袋緩控釋肥寬10.08 m，為滿足每株作物旁排一袋肥料的農(nóng)藝要求，計(jì)算可知肥料在輸送帶上須緊密排布且流動(dòng)速度1·0/1，m/s。現(xiàn)計(jì)算刮板輸送帶驅(qū)動(dòng)輪最低轉(zhuǎn)速

式中為驅(qū)動(dòng)輪最低轉(zhuǎn)速，r/min；1為驅(qū)動(dòng)輪直徑，設(shè)計(jì)138 mm；為肥料在刮板輸送帶上的最小流動(dòng)速度。

3 排肥試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 性能指標(biāo)

以受肥作物茄子為例，株距為0.4 m，可得參數(shù)= 20 r/min，排肥時(shí)間間隔0= 2 s進(jìn)行試驗(yàn)。在尚無定量評(píng)價(jià)袋裝緩控釋肥排肥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的情況下，裝置作業(yè)質(zhì)量的評(píng)價(jià)根據(jù)以實(shí)現(xiàn)每株茄子旁（即每2 s）排一袋肥料的實(shí)際農(nóng)藝要求為準(zhǔn)，參照排種器作業(yè)質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[29-30]，將合格指數(shù)1漏排指數(shù)2和重排指數(shù)3作為主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行60 s排肥試驗(yàn)，每隔2 s掉落單袋肥料視為合格，超過1袋視為重排，超過2 s視為漏排（超過4 s視為漏排2次，以此類推）。各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算公式如下

式中1為60 s內(nèi)單袋肥料次數(shù)；2為60 s內(nèi)漏排次數(shù)；3為60 s內(nèi)重排次數(shù)；為60 s內(nèi)理論排肥袋數(shù)，= 30。

為了更好地尋求各因素的最優(yōu)組合，將合格指數(shù)、漏排指數(shù)和重排指數(shù)轉(zhuǎn)換成它們的隸屬度i、i和i[31]。在緩控釋肥排放作業(yè)中，首要原則為單袋排放，在此基礎(chǔ)上盡可能減少漏排情況，允許發(fā)生少量的重排現(xiàn)象，因此漏排指數(shù)的權(quán)重應(yīng)大于重排指數(shù)。憑借經(jīng)驗(yàn)，合格指數(shù)、漏排指數(shù)和重排指數(shù)的權(quán)重分別取 0.7、0.2和0.1，用綜合評(píng)分i作為評(píng)價(jià)依據(jù)，i=0.7(1–i)+0.2i+0.1i，i值越小，各因素組合越優(yōu)。

3.1.2 試驗(yàn)方法

由以上分析可知，肥料的運(yùn)動(dòng)狀況主要取決于偏心輪轉(zhuǎn)速，此外還考慮到毛刷輪轉(zhuǎn)速及毛刷輪與刮板輸送帶之間的間距對(duì)清理效果有著密切的關(guān)系，選取偏心輪轉(zhuǎn)速（1）、毛刷輪轉(zhuǎn)速（2）及毛刷輪與刮板輸送帶之間的間距（3）作為3個(gè)影響因素。圖9為裝置實(shí)物圖。

根據(jù)之前的計(jì)算可以確定偏心輪轉(zhuǎn)速（1）的大致影響范圍，1分別取500、550、600 r/min。經(jīng)多次預(yù)備試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)毛刷輪轉(zhuǎn)速（2）低于65 r/min時(shí)，無法及時(shí)將落肥口處的肥料分離，而當(dāng)其高于105 r/min，易將肥料卷至擋肥板處堆積，2分別取75、85和95 r/min；當(dāng)毛刷輪與刮板輸送帶之間的間距（3）小于16 mm時(shí)，將影響肥料在輸送帶上的正常流動(dòng)，而當(dāng)大于26 mm時(shí)，重排指數(shù)顯著增大，3分別取18、21和24 mm。以合格指數(shù)漏排指數(shù)和重排指數(shù)作為主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)Box-Behnken組合設(shè)計(jì)原理，利用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)了三因素三水平正交組合試驗(yàn)，因素水平編碼如表3所示[31]。

圖9 裝置實(shí)物圖

表3 因素水平編碼

正常情況下出廠肥料的抗彎強(qiáng)度為318.34 mN·cm中、受振或持續(xù)與高速旋轉(zhuǎn)的毛刷輪接觸將導(dǎo)致其抗彎強(qiáng)度顯著下降，采用同組肥料進(jìn)行7~8次試驗(yàn)后，料包出現(xiàn)明顯水漬與皺褶，抗彎強(qiáng)度下降至10 mN·cm以下，此時(shí)肥料表面摩擦系數(shù)顯著增大，肥料相互粘附嚴(yán)重、易變形，導(dǎo)致毛刷輪無法及時(shí)清理落肥口處的肥料，同時(shí)，料包厚度減小，無法保證毛刷輪與刮板輸送帶之間僅通過一包肥料，有序排出困難。采用同組肥料進(jìn)行3次試驗(yàn)后，料包表面并未出現(xiàn)水漬與皺褶，此時(shí)抗彎強(qiáng)度下降至約198 mN·cm，但適當(dāng)?shù)淖冃尾挥绊懛柿嫌行蚺欧?，即料包的抗彎?qiáng)度在198～318.34 mN·cm范圍內(nèi)時(shí)適用于機(jī)械化排放。

每進(jìn)行3組試驗(yàn)更換一次肥料，試驗(yàn)開始前將料包置于振動(dòng)板上，并通過變頻器使各電機(jī)預(yù)先達(dá)到所需轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)過程中由3名觀察員分別對(duì)合格次數(shù)、漏排次數(shù)及重排次數(shù)進(jìn)行記錄。試驗(yàn)涉及到的儀器見表4。

表4 試驗(yàn)設(shè)備

3.2 結(jié)果及分析

正交試驗(yàn)結(jié)果列于表5。

表5 試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到合格指數(shù)對(duì)各因素的回歸方程如下，回歸模型2值為0.85。

167.33 + 3.331+ 2.082– 2.083– 513– 2.523+ 4.2512+ 5.0822+ 6.7532（17）

經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到合格指數(shù)的方差分析結(jié)果如表6所示，因素13、22和32在<0.05時(shí)顯著，各因素對(duì)合格指數(shù)的顯著性順序從大到小依次為偏心輪轉(zhuǎn)速、毛刷輪與刮板輸送帶之間的間距和毛刷輪轉(zhuǎn)速。

表6 合格指數(shù)方差分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到漏排指數(shù)對(duì)各因素的回歸方程如下，回歸模型2值為0.72。

214.67 – 4.171+ 2.082+ 2.923– 1.6712+ 513+ 0.8423+ 0.5812– 1.9222– 0.2532（18）

經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到漏排指數(shù)的方差分析結(jié)果如表7所示，因素1在<0.05時(shí)顯著，偏心輪轉(zhuǎn)速越快，物料在振動(dòng)板面的流動(dòng)性能越好，漏排概率減小。各因素對(duì)漏排指數(shù)的顯著性順序從大到小依次為偏心輪轉(zhuǎn)速、刮板輸送帶之間的間距和毛刷輪轉(zhuǎn)速。

表7 漏排指數(shù)方差分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到重排指數(shù)對(duì)各因素的回歸方程如下，回歸模型2值為0.72。

318+0.831–4.172–0.833+1.6612+0.002513+ 1.6623–4.8312–3.1722–6.532（19）

經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到重排指數(shù)的方差分析結(jié)果如表8所示，因素32在<0.05時(shí)顯著，毛刷輪轉(zhuǎn)速對(duì)重排指數(shù)的顯著性大于偏心輪轉(zhuǎn)速和刮板輸送帶之間的間距。

表8 重排指數(shù)方差分析

3.2.2 響應(yīng)曲面分析

由表6可知1和3間的交互作用對(duì)合格指數(shù)有顯著影響，圖10為交互因素對(duì)合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面，由圖可知在試驗(yàn)水平下合格指數(shù)隨的增大先略微減小后急劇增大，隨3的增大先減后增，增大量大于減小量。

圖10 偏心輪轉(zhuǎn)速和毛刷輪與刮板輸送帶之間的間距對(duì)合格指數(shù)的影響

3.3 最優(yōu)組合及驗(yàn)證

通過Design-Expert軟件獲得綜合分最小值的組合為：偏心轉(zhuǎn)速600 r/min、毛刷輪轉(zhuǎn)速95 r/min、毛刷輪與刮板輸送帶之間的間距18 mm，驗(yàn)證試驗(yàn)依然由上述試驗(yàn)材料和裝置完成。為了消除隨機(jī)誤差，進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果如表9所示，合格指數(shù)平均值82%，漏排指數(shù)平均值9.33%，重排指數(shù)平均值8.67%。漏排的主要原因是：肥料由偏心分離機(jī)構(gòu)振落后，其表面未完全與輸送帶貼合，經(jīng)毛刷輪梳理時(shí)受摩擦力產(chǎn)生“回流”現(xiàn)象；重排的主要原因是：肥料振落速度略大于其在輸送帶上的流動(dòng)速度，毛刷輪與輸送帶之間容易發(fā)生擁堵，擁堵時(shí)肥料向下擠壓輸送帶，不能保證該位置僅通過一包肥料，且肥料擠壓變形導(dǎo)致其表面摩擦系數(shù)增大，無法通過自身重力進(jìn)行分離。

表9 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論與討論

1）對(duì)袋裝緩控釋肥物理特性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，正常情況下出廠肥料的抗彎強(qiáng)度為318.34 mN·cm左右，料包長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中、受振或持續(xù)與高速旋轉(zhuǎn)的毛刷輪接觸將導(dǎo)致其抗彎強(qiáng)度顯著下降，當(dāng)料包抗彎強(qiáng)度低于198 mN·cm時(shí)，不再適用于機(jī)械化排放。

2）對(duì)該裝置偏心分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行了較為全面的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用振動(dòng)原理計(jì)算振動(dòng)板的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，找出影響緩控釋肥運(yùn)動(dòng)的因素，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

3）采用正交組合設(shè)計(jì)，建立試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。分析響應(yīng)曲面圖，得出因素對(duì)合格指數(shù)影響趨勢(shì)和因素交互作用的關(guān)系。

4）利用Design-Expert軟件得到各因素的最佳參數(shù)組合：偏心輪轉(zhuǎn)速600 r/min、毛刷輪轉(zhuǎn)速95 r/min、毛刷輪與刮板輸送帶之間的間距為18 mm，并通過驗(yàn)證試驗(yàn)得到排肥合格指數(shù)平均值為82%，漏排指數(shù)平均值9.33%，重排指數(shù)平均值8.67%。偏心輪轉(zhuǎn)速越快，袋裝肥在振動(dòng)板面的流動(dòng)性能越好，可有效減少因肥料互相黏附而造成的漏排現(xiàn)象，但與此同時(shí)也容易導(dǎo)致毛刷輪與輸送帶之間擁堵，無法控制肥料定量排放。如何有效降低漏排指數(shù)與重排指數(shù)值得進(jìn)一步研究。

5）根據(jù)材料力學(xué)可知，毛刷絲長(zhǎng)度越短，單位力作用下毛刷絲頂端產(chǎn)生的靜撓度越小，對(duì)肥料的最大分離力越大，但其對(duì)承肥紙袋的磨損也越大，因此毛刷長(zhǎng)度對(duì)清理效果的影響值得進(jìn)一步研究。

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Design of ordered fertilizer device for bagged slow-release fertilizer

Xie Fangping1,2,3, Liu Minzhang1, Yang Mimi1, Liu Dawei1,2,3, Wang Xiushan1,3, Ren Shuguang1,2,3

(1.,,410128,; 2.,410128,; 3.,410128,)

By controlling the release rate of fertilizer nutrients, bagged slow-release fertilizer can reduce the amount of fertilizer application. In the past, the fertilization method of bagged slow-release controlled release fertilizer was mainly manual, high cost and low efficiency. In order to realize the mechanized application of bagged slow-release fertilizer, we measured its basic physical parameters and mechanical properties, based on the measured data,we had studied the ordered queuing mechanism, residual material cleaning and quantitative application of bagged slow-release fertilizer, designed a bagged slow-release fertilizer ordered fertilizer device, which was composed of an eccentric separating mechanism, a cleaning mechanism, a fertilizer discharging mechanism and a power transmission mechanism. We performed kinematic analysis on the eccentric separation mechanism, calculated the motion parameters of the vibrating plate by vibration principle, found out the factors affecting the movement of the bagged fertilizer, and verified the synonym of the motion parameters. Theoretical analysis showed that the eccentric speed should be in the range of 493.69-618.79 r/min. For the pre-test surface, the flexural strength of the fertilizer was suitable for mechanized discharge in the range of 198-318.34 mN·cm, took the eccentric wheel speed, the brush wheel speed and the distance between the brush wheel and the scraper conveyor belt as the influencing factors. The orthogonal index test was carried out with qualified rate, miss rate and repeat rate as the evaluation indicators. It established a mathematical model of influencing factors and evaluation indicators. We analyzed the response surface map，drove the relationship between influencing factors affecting the trend of the qualification index and the interaction of influencing factors. We used the Design-Expert software, and the optimal combination of parameters was obtained: the eccentric wheel speed was 600 r/min, the brush wheel speed was 95 r/min, and the distance between the brush wheel and the squeegee conveyor belt was 18 mm. Through the verification test, the average value of the qualified rate of was 82%, the average value of the miss rate was 9.33%, and the average value of the repeat rate was 8.67%. Main reason for fertilizer miss was that the fertilizer was oscillated by the eccentric separation mechanism, and its surface was not completely attached to the conveyor belt. When the brush wheel rotated, it was going to “returned” by friction.The main reason for fertilizer repeat was that the rate of vibration of the fertilizer was slightly larger than that of the conveyor belt, and the contusion between the brush wheel and the conveyor belt was prone to occurr, led to the discharge of fertilizers. The faster the eccentric wheel speed, the better the flow performance of the bagged fertilizer on the vibrating plate surface, which could effectively reduce the miss rate. At the same time, it was easy to cause congestion between the brush wheel and the conveyor belt, resulting in an increase in the repeat rate.This study provides a reference for the development of bagged slow-release fertilizers for the ordered application of fertilizers, however, the effect of brush length on cleaning effect is worth further study.

mechanization; design; optimization;bagged slow-release fertilizer; ordered; fertilizer device;degradable packaging bag

2019-05-21

2019-07-30

湖南省農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新發(fā)展項(xiàng)目，（湘財(cái)農(nóng)指(2018)175號(hào)）

謝方平，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械性能試驗(yàn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)。Email：hunanxie2002@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.005

S222.3

A

1002-6819(2019)-16-0040-10

謝方平，劉敏章，楊米米，劉大為，王修善，任述光. 袋裝緩控釋肥有序排肥裝置設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(16)：40－49. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.005 http://www.tcsae.org

Xie Fangping, Liu Minzhang, Yang Mimi, Liu Dawei, Wang Xiushan, Ren Shuguang. Design of ordered fertilizer device for bagged slow-release fertilizer[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 40－49. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.005 http://www.tcsae.org