果 樹 專 用 餅 狀 緩 釋 肥 遞 肥 機 構(gòu) 設(shè) 計 與 優(yōu) 化 王 富 1 , 王 金 星 1,2 , 劉 雙 喜 1,2 , 荊 林 龍 1 , 李 友 永 1 (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) 摘 要: 針 對 現(xiàn) 代 果 園 生 產(chǎn) 過 程 中 出 現(xiàn) 的 化 肥 施 用 不 當(dāng)、 浪 費 資 源、 污 染 環(huán) 境 等 問 題, 提 出 果 園 緩 釋 肥 施 肥 方 法。 緩 釋 肥 料 由 于 肥 力 釋 放 速 率、 方 式 和 持 續(xù) 時 間 已 知 并 可 控 制 而 被 推 廣, 發(fā) 展 潛 力 大, 但 目 前 緩 釋 肥 施 肥 以 手 工 施 肥 為 主, 勞 動 強 度 大, 作 業(yè) 效 率 低。 為 解 決 這 些 問 題, 提 出 了 一 種 緩 釋 肥 施 肥 機 凸 輪 遞 肥 機 構(gòu)。 該 機 構(gòu) 由 單 片 機、 步 進 電 機、 凸 輪、 推 桿 及 遞 肥 盒 構(gòu) 成, 實 現(xiàn) 可 控 單 一 遞 肥。 基 于 碰 撞 函 數(shù) 接 觸 算 法(IMPACT-Function-based Contact) 對 不 同 基 圓 半 徑 R 的 凸 輪 進 行 仿 真, 通 過 對 凸 輪 遞 肥 機 構(gòu) 的 仿 真 試 驗, 獲 取 凸 輪 機 構(gòu) 與 推 桿 機 構(gòu) 之 間 的 接 觸 力 數(shù) 據(jù) 及 推 桿 運 動 時 的 加 速 度 和 速 度 數(shù) 據(jù)。 通 過 對 所 得 數(shù) 據(jù) 進 行 分 析, 優(yōu) 化 凸 輪 基 圓 半 徑, 結(jié) 果 表 明: 當(dāng) 基 圓 半 徑 為105mm 時, 不 僅 可 以 減 少 材 料 成 本, 而 且 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 最 優(yōu)。 關(guān) 鍵 詞: 果 樹; 緩 釋 肥 施 肥 機; 優(yōu) 化 中 圖 分 類 號: S224.22 文 獻 標 識 碼: A 文 章 編 號:1003-188X(2019)02-0085-06 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 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 3588.7 萬t 增 加 至5524.7 萬t。 其 中, 氮 肥 的 每 年 施 用 量 約3400 萬t, 而 氮 素 通 過 淋 溶、 揮 發(fā) 和 流 失 等 途 徑 年 損 失 量 高 達1530 萬t, 相 當(dāng) 于3324 萬t 尿 素, 直 接 經(jīng) 濟 損 失 達5318.7 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 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 收 稿 日 期: 2017-09-22 基 金 項 目: “ 十 三 五” 國 家 重 點 研 發(fā) 計 劃 項 目(2016YFD0201104) 作 者 簡 介: 王 富(1992-), 男, 山 東 萊 陽 人, 碩 士 研 究 生,(E-mail) 1615089111qq.com。 通 訊 作 者: 王 金 星(1970-), 男, 山 東 高 密 人, 教 授, 博 士 生 導(dǎo) 師,(E- mail)jinxingw163.com。 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(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 行 仿 真 分 析, 并 對 凸 輪 遞 肥 機 構(gòu) 進 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, 并 提 供 動 力 進 行 打 孔 作 業(yè), 后 端24V 蓄 電 池 為51 單 片 機 和 步 進 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 的 控 釋 肥 料, 其 在 提 高 肥 料 養(yǎng) 分 利 用 率、 減 少 資 源 浪 · 5 8 · 2019 年2 月 農(nóng) 機 化 研 究 第2 期 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。 現(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810cm、 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810 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 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 圖1 整 體 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 Fig.1 Schematicdiagramofthewholestructure 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 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 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 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 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 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 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 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 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 圖2 凸 輪 遞 肥 機 構(gòu) 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 Fig.2 Structuralrepresentationofcamfeedingmechanism 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 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 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 · 6 8 · 2019 年2 月 農(nóng) 機 化 研 究 第2 期 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 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) Table1 Movingparametersoffertilizertransfermechanism 項 目 單 位 參 數(shù) 推 桿 斜 向 夾 角 (°) 30 推 桿 槽 口 直 徑 mm 30 推 桿 行 程 mm 190 表2 凸 輪 參 數(shù) Table2 Camparameter 項 目 單 位 參 數(shù) 凸 輪 偏 距 mm 190 回 轉(zhuǎn) 中 心 半 徑 mm 20 凸 輪 厚 度 mm 50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 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 s = h 0 , v = h 0 1 , a =0(0 0 ) (1) s = h 1 - - ( 0 + s ) ' 0 é ë ù û , v = h 0 1 , a =0( 0 + s 0 + s + ' 0 ) (2) 其 中, s 為 從 動 件 的 位 移(mm); v 為 從 動 件 的 速 度 (m/s); a 為 從 動 件 加 速 度(m/s 2 ); 為 從 動 件 隨 凸 輪 轉(zhuǎn) 角; 0 為 推 程 運 動 角; s 為 遠 休 止 角; 0 為 推 程 運 動 角; h 為 從 動 件 行 程(mm)。 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 準, 從 動 件 推 桿 不 能 準 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 S = R 1 - e 1 - ecos R æ è ö ø 2 - R 2 1 - e 2 1 - esin (3) 當(dāng) = 3 2 +arcsin e 1 R + e 時, 位 移 最 大, 為 S = R + e ( ) 2 - e 2 1 - R - e ( ) 2 - e 2 1 。 運 動 過 程 中, 速 度 V 不 發(fā) 生 突 變, 不 存 在 剛 性 沖 擊。 其 中, R 為 偏 心 圓 凸 輪 半 徑(mm); R 1 為 基 圓 半 徑 (mm); 為 凸 輪 轉(zhuǎn) 動 角 度; e 為 偏 心 距(mm); e 1 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40180mm 的 凸 輪 建 立 在Solid- Works 中 的 零 件 三 維 模 型, 導(dǎo) 入Adams 仿 真 軟 件 中 進 行 仿 真 試 驗。 3.1 模 型 環(huán) 境 設(shè) 定 在Adams 中 進 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 行 仿 真。 對 仿 真 模 型 進 行 相 關(guān) 性 能 的 分 析, 通 過 分 析 數(shù) 據(jù) 與 曲 線 20 可 知: 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; 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。 基 于 碰 撞 函 數(shù) 的 接 觸 算 法(IMPACT- Function-basedContact), 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 · 7 8 · 2019 年2 月 農(nóng) 機 化 研 究 第2 期 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 Table3 Contactforceparametersetting 參 數(shù) 名 稱 單 位 參 數(shù) 值 標 準 Impact 壓 力 指 數(shù) 2.2 阻 尼 N·s/mm 1.0E+004 穿 透 深 度 mm 1.0E+004 靜 摩 擦 系 數(shù) 0.3 動 摩 擦 系 數(shù) 0.1 靜 摩 擦 滑 移 速 度 mm/s 0.1 動 摩 擦 滑 移 速 度 mm/s 1.0 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 準、 更 真 實 的 試 驗 數(shù) 據(jù), 設(shè) 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9.80665 kg/N 的 標 準 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 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 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 確 性。 Adams 仿 真 試 驗 下, 在40180mm 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 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 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。 · 8 8 · 2019 年2 月 農(nóng) 機 化 研 究 第2 期 圖3 不 同 基 圓 半 徑 R 下 凸 輪 仿 真 試 驗 圖 Fig.3 SimulationexperimentofcamwithdifferentbaseradiusR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 Fig.4 Simulationdatacurvebetweencamandpushrod 由 圖4 可 看 出: 基 圓 半 徑 R 為40180mm 時, 凸 輪 遞 肥 機 構(gòu) 之 間 接 觸 力 F 的 最 大 值 F max 隨 著 基 圓 半 徑 R 增 大 而 增 大, 速 度 V 的 最 大 值 V max 隨 著 基 圓 半 徑 R 增 大 而 減 小, 加 速 度 A 的 最 大 值 A 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 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 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/s 2 ; 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) Fig.5 Simulationdataofradiusof105mmbasecircle 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 · 9 8 · 2019 年2 月 農(nóng) 機 化 研 究 第2 期 加 速 度 A 的 數(shù) 據(jù)。 接 觸 力 最 大 值F max 為0.3295N, 速 度 最 大 值 V max 為0.5656m/s, 加 速 度 最 大 值 A max 為 2.475m/s 2 , 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 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40180mm 之 間 偏 心 圓 凸 輪 進 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 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。 參 考 文 獻: 1 韓 大 勇, 呂 釗 欽, 崔 方 方, 等. 新 型 果 樹 施 肥 機 的 設(shè) 計 J. 農(nóng) 機 化 研 究,2010,32(12):65-68. 2 王 作 琳, 葉 全, 遲 金 強, 等. 果 樹 專 用 緩 釋 肥 在 果 樹 上 的 應(yīng) 用 效 果J. 煙 臺 果 樹,2006(1):27-28. 3 ZhaoY,ZhangX,WangJ,LiuJ.Preparationofhighlyor- deredcubicNaAzeolitefromhalloysitemineralforadsorption ofammoniumionsJ.JournalofHazardousMaterials,2010, 178:658-664. 4 陳 潤, 張 文 輝. 包 膜 型 緩 控 釋 肥 料 的 研 究 綜 述J. 化 學(xué) 工 程 與 裝 備,2010(10):126-128. 5 曲 萍, 常 志 州, 趙 永 富, 等. 蛋 白 水 解 物 改 性 脲 甲 醛 緩 釋 肥 的 結(jié) 構(gòu) 及 氮 素 釋 放 特 征J. 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報,2016,32 (21):240-245. 6 周 寶 元, 王 新 兵, 王 志 敏, 等. 不 同 耕 作 方 式 下 緩 釋 肥 對 夏 玉 米 產(chǎn) 量 及 氮 素 利 用 效 率 的 影 響J. 植 物 營 養(yǎng) 與 肥 料 學(xué) 報,2016,22(3):821-829. 7 MantinezMT.RomeroC.GavilanJM.CharacteristicsofHA -CacomplexespreparedfromlignitehumicacidsJ.Fuel, 1983,62(8):956-958. 8 樊 小 林, 劉 芳, 廖 照 源, 等. 我 國 控 釋 肥 料 研 究 的 現(xiàn) 狀 和 展 望J. 植 物 營 養(yǎng) 與 肥 料 學(xué) 報,2009(2):463-473. 9 邵 蕾, 王 麗 霞, 張 民, 等. 控 釋 肥 類 型 及 氮 素 水 平 對 氮 磷 鉀 利 用 率 的 影 響J. 水 土 保 持 學(xué) 報,2009(4):170-175. 10 呂 昊. 外 槽 輪 排 肥 器 優(yōu) 化 設(shè) 計 新 方 法 研 究D. 長 春: 吉 林 大 學(xué),2014. 11 楊 越 超. 控 釋 肥 膜 性 質(zhì) 對 養(yǎng) 分 釋 放 特 征 的 影 響 及 其 評 價 D. 泰 安: 山 東 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué),2006. 12 . 陳 強, 張 文 清, 呂 偉 嬌, 等. 可 生 物 降 解 的 殼 聚 糖 肥 料 包 膜 材 料 的 研 究J. 高 分 子 材 料 科 學(xué) 與 工 程,2005(3): 290-293. 13 邱 現(xiàn) 奎. 粉 煤 灰 包 膜 緩 釋 肥 的 制 備 及 其 對 作 物 生 長 的 影 響 研 究D. 泰 安: 山 東 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué),2011. 14 黃 暄 暄, 馬 海 紅, 孫 暢, 等. 改 性 酰 化 殼 聚 糖 緩 釋 肥 包 膜 材 料 的 制 備 與 表 征J. 高 分 子 材 料 科 學(xué) 與 工 程,2016, 32(6):133-137. 15 青 島 煒 燁 鍛 壓 機 械 有 限 公 司. 一 種 可 生 物 降 解 的 膨 化 緩 釋 肥: 中 國,CN105367192AP.2016-03-02. 16 姚 海 蓉. 平 面 凸 輪 設(shè) 計 及 運 動 仿 真 系 統(tǒng) 的 研 究D. 北 京: 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué),2004. 17 LIFangyi,MAShilei,HEYang,etal.MechanismDesign ofPalletizingRobotBasedonTranslatingCamPrincipleJ. 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( 下 轉(zhuǎn) 第97 頁) · 0 9 · 2019 年2 月 農(nóng) 機 化 研 究 第2 期 rightgrainlifter,aclampingbelt,afloatingtensioningwheel,aswinginghinge,acutter,aspring,aDCclampingmo- torandacuttermotor.Itcanrealizetheoperationofcollectingtobaccobuds,clampingcutting,cuttingknifesterilizing andsprayingabudinhibitor,hastheadvantagesofcompactstructureandcompletefunctions.Atthesametime,through themechanicalcharacteristicstestoftobaccostemcutting,theshearlawisobtained,whichprovidestheexperimentalba- sisforthestudyofcuttingforceoftobaccotopping.Theresultoftobaccotoppingtestshowsthattheaccuracyoftopping is97%,andtheaccuracyofclampingis98%,whichcanmeettherequirementofuse. K