果树专用饼状缓释肥递肥机构设计与优化.pdf

果 树 专 用 饼 状 缓 释 肥 递 肥 机 构 设 计 与 优 化 王 富 1 , 王 金 星 1,2 , 刘 双 喜 1,2 , 荆 林 龙 1 , 李 友 永 1 1. 山 东 农 业 大 学 机 械 与 电 子 工 程 学 院, 山 东 泰 安 271018; 2. 山 东 省 园 艺 机 械 与 装 备 重 点 实 验 室, 山 东 泰 安 271018 摘 要 针 对 现 代 果 园 生 产 过 程 中 出 现 的 化 肥 施 用 不 当、 浪 费 资 源、 污 染 环 境 等 问 题, 提 出 果 园 缓 释 肥 施 肥 方 法。 缓 释 肥 料 由 于 肥 力 释 放 速 率、 方 式 和 持 续 时 间 已 知 并 可 控 制 而 被 推 广, 发 展 潜 力 大, 但 目 前 缓 释 肥 施 肥 以 手 工 施 肥 为 主, 劳 动 强 度 大, 作 业 效 率 低。 为 解 决 这 些 问 题, 提 出 了 一 种 缓 释 肥 施 肥 机 凸 轮 递 肥 机 构。 该 机 构 由 单 片 机、 步 进 电 机、 凸 轮、 推 杆 及 递 肥 盒 构 成, 实 现 可 控 单 一 递 肥。 基 于 碰 撞 函 数 接 触 算 法IMPACT-Function-based Contact 对 不 同 基 圆 半 径 R 的 凸 轮 进 行 仿 真, 通 过 对 凸 轮 递 肥 机 构 的 仿 真 试 验, 获 取 凸 轮 机 构 与 推 杆 机 构 之 间 的 接 触 力 数 据 及 推 杆 运 动 时 的 加 速 度 和 速 度 数 据。 通 过 对 所 得 数 据 进 行 分 析, 优 化 凸 轮 基 圆 半 径, 结 果 表 明 当 基 圆 半 径 为105mm 时, 不 仅 可 以 减 少 材 料 成 本, 而 且 凸 轮 与 推 杆 之 间 的 挤 压 与 接 触 力、 推 杆 运 动 的 加 速 度 和 速 度 在 要 求 范 围 内 实 现 多 目 标 最 优。 关 键 词 果 树; 缓 释 肥 施 肥 机; 优 化 中 图 分 类 号 S224.22 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号1003-188X201902-0085-06 0 引 言 施 肥 是 果 树 生 产 中 关 键 的 作 业 环 节, 对 果 品 质 量、 产 量 及 果 树 的 生 长 起 着 至 关 重 要 的 作 用 [1] 。 传 统 的 化 肥、 复 合 肥 中 氮、 磷、 钾 的 比 例 都 很 难 达 到 果 树 的 实 际 需 求, 需 要 果 农 自 己 混 配, 不 同 化 肥 的 用 量 和 比 例 都 不 宜 掌 握, 容 易 造 成 营 养 不 足 或 肥 料 浪 费 [2] 。 肥 料 施 用 过 量, 不 仅 增 加 了 果 园 的 施 肥 成 本, 也 易 造 成 土 壤 板 结、 水 体 污 染、 水 果 质 量 下 降, 影 响 食 用 安 全。 资 料 显 示,1996-2006 年10 年 间, 我 国 化 肥 用 量 由 3588.7 万t 增 加 至5524.7 万t。 其 中, 氮 肥 的 每 年 施 用 量 约3400 万t, 而 氮 素 通 过 淋 溶、 挥 发 和 流 失 等 途 径 年 损 失 量 高 达1530 万t, 相 当 于3324 万t 尿 素, 直 接 经 济 损 失 达5318.7 万 元 [3] 。 我 国 氮 肥 的 生 产 和 消 费 均 居 世 界 首 位, 而 利 用 率 远 低 于 世 界 平 均 水 平, 氮、 磷 和 钾 肥 利 用 率 分 别 为3035、1020 和 3550 [4] 。 开 发 与 施 用 控 缓 释 氮 素 是 提 高 氮 肥 利 用 率 的 有 效 途 径, 对 降 低 农 民 生 产 成 本、 减 少 氮 肥 使 用 和 生 产 过 程 中 造 成 的 环 境 污 染 具 有 重 要 的 意 义 [5] 。 缓/ 控 释 肥 料 的 研 制 与 应 用 成 为 解 决 上 述 问 题 的 新 途 收 稿 日 期 2017-09-22 基 金 项 目 “ 十 三 五” 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目2016YFD0201104 作 者 简 介 王 富1992-, 男, 山 东 莱 阳 人, 硕 士 研 究 生,E-mail 。 通 讯 作 者 王 金 星1970-, 男, 山 东 高 密 人, 教 授, 博 士 生 导 师,E- 。 径 [6] 。 20 世 纪90 年 代 以 后, 新 型 肥 料 控 释 肥 成 为 研 究 的 热 点 [7] , 缓 释 肥 可 以 有 效 提 高 果 品 的 综 合 品 质, 有 效 增 加 单 果 质 量, 显 著 提 高 单 位 面 积 产 量 [8] , 增 加 土 壤 中 氮 等 矿 质 元 素 的 含 量 [9] 。 现 有 果 园 施 肥 机 械 中, 化 肥 与 有 机 肥 等 肥 料 均 有 专 用 的 施 肥 机 械, 这 些 施 肥 机 械 的 排 肥 器 目 前 有 外 槽 轮 式、 离 心 式 及 振 动 式 等 [10] , 但 无 法 实 现 缓 释 肥 的 排 肥 要 求, 专 用 于 缓 释 肥 的 排 肥 器 目 前 还 没 有 相 关 研 究。 由 于 缓 释 肥 的 单 个 下 落 且 不 能 对 包 膜 造 成 破 坏 的 特 殊 性 排 放 要 求, 实 现 单 一 递 肥 是 缓 释 肥 施 肥 机 的 研 究 难 点。 为 保 证 所 设 计 的 缓 释 肥 施 肥 机 能 够 正 常 工 作, 在 工 作 过 程 中 保 证 不 对 饼 状 缓 释 肥 造 成 破 坏, 减 少 破 损 率, 延 长 递 肥 机 构 的 使 用 寿 命, 采 用 虚 拟 样 机 技 术 对 递 肥 机 构 进 行 仿 真 分 析, 并 对 凸 轮 递 肥 机 构 进 行 优 化。 1 整 机 结 构 1.1 饼 状 缓 释 肥 施 肥 机 总 体 结 构 饼 状 缓 释 肥 施 肥 机 主 要 由 机 架、 肥 桶、 打 孔 装 置、 传 动 系 统、 凸 轮 递 肥 机 构、 排 肥 机 构 及 覆 土 机 构 组 成, 整 体 结 构 示 意 图 如 图1 所 示。 其 中, 整 机 由 拖 拉 机 牵 引 带 动 前 进, 并 提 供 动 力 进 行 打 孔 作 业, 后 端24V 蓄 电 池 为51 单 片 机 和 步 进 电 机 提 供 动 力。 1.2 设 计 原 理 以 有 机 高 聚 物 包 膜 的 控 释 肥 已 成 为 国 际 所 公 认 的 控 释 肥 料, 其 在 提 高 肥 料 养 分 利 用 率、 减 少 资 源 浪 5 8 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 费 和 环 境 污 染 等 方 面 具 有 普 通 化 学 肥 料 所 无 法 比 拟 的 优 点 [11] 。 缓 释 肥 的 养 分 释 放 期 长, 可 减 少 施 肥 劳 动 强 度, 在 果 园 的 应 用 前 景 很 好。 现 在 农 业 中 应 用 的 缓 释 包 膜 材 料 大 多 为 难 以 降 解 的 聚 烯 烃 类 的 合 成 高 分 子 材 料, 以 及 可 有 机 分 解 的 微 溶 性 含 氮 化 合 物、 钙 镁 磷 肥 或 粉 煤 灰 等 材 料 为 包 膜 材 料 [12-14] , 所 选 取 的 饼 状 缓 释 肥 为 底 面 圆 直 径 为810cm、 高 为10cm 的 圆 柱。 圆 柱 状 缓 释 肥 在 化 肥 微 粒 表 面 形 成 致 密 的 保 护 层 [15] 。 每 棵 果 树 需 施 肥810 颗 缓 释 肥, 每 颗 饼 状 缓 释 肥 均 需 施 放 在 竖 直 的 孔 中。 因 此, 在 设 计 过 程 中 需 要 解 决 两 个 难 题 一 是 包 膜 不 能 承 受 太 大 的 压 力, 否 则 易 在 递 肥、 排 肥 过 程 中 产 生 包 膜 破 损, 造 成 污 染 与 干 扰; 二 是 实 现 每 次 排1 颗 缓 释 肥, 并 保 证 缓 释 肥 竖 直 停 留 在 孔 中。 1. 肥 桶 2. 推 肥 杆 3. 推 杆 固 定 4. 步 进 电 机 5. 偏 心 圆 凸 轮 6. 钻 头 上 部 7. 悬 挂 装 置 8. 机 架 9. 钻 头 10. 车 轮 11. 排 肥 管 道 12. 覆 土 装 置 13. 齿 条 14. 齿 轮 15. 步 进 电 机 16. 递 肥 盒 图1 整 体 结 构 示 意 图 Fig.1 Schematicdiagramofthewholestructure 1.3 整 机 设 计 参 数 结 合 缓 释 肥 的 特 殊 点 与 农 艺 耕 作 要 求, 对 施 肥 机 的 设 计 提 出 以 下 要 求 施 肥 机 整 机 采 用 牵 引 式, 打 孔 装 置 可 在 液 压 装 置 控 制 下 上 升 和 下 压; 为 减 少 拖 拉 机 对 果 园 地 面 多 次 压 踏, 造 成 土 壤 紧 实、 板 结, 施 肥 机 设 计 同 时 完 成 打 孔、 递 肥、 排 肥 及 覆 土 等 多 种 作 业。 因 为 需 要 在 每 棵 果 树 的 滴 水 线 边 缘 进 行 打 孔 作 业, 单 坑 施 单 肥, 工 作 量 大, 劳 动 强 度 大, 要 求 凸 轮 递 肥 机 构 工 作 稳 定、 耐 磨 损、 各 零 件 之 间 的 接 触 力 和 挤 压 力 小。 为 保 证 缓 释 肥 正 常 释 放 养 分, 肥 料 入 坑 后 进 行 覆 土 作 业, 将 缓 释 肥 埋 于 地 下, 防 止 与 雨 水 等 直 接 接 触。 缓 释 肥 施 肥 机 作 业 流 程 由 拖 拉 机 牵 引, 钻 头 接 拖 拉 机 后 端 动 力 输 出, 带 动 钻 头 打 孔, 液 压 杆 控 制 钻 头 的 升 降; 打 孔 结 束 后, 凸 轮 递 肥 机 构 工 作, 将 饼 状 缓 释 肥 从 肥 桶 递 送 到 排 肥 系 统, 排 肥 系 统 将 肥 料 推 向 排 肥 管 道, 缓 释 肥 将 沿 着 斜 向 的 排 肥 管 道 滑 入 孔 中, 后 端 覆 土 装 置 在 拖 拉 机 行 进 过 程 中 完 成 覆 土 作 业。 2 凸 轮 递 肥 机 构 设 计 凸 轮 递 肥 机 构 是 缓 释 肥 施 肥 机 实 现 单 一 可 控 递 肥 的 关 键 机 构。 凸 轮 递 肥 机 构 由 步 进 电 机、 凸 轮、 推 杆、 齿 轮、 齿 条 及 递 肥 盒 组 成。 凸 轮 递 肥 机 构 是 连 接 肥 桶 与 排 肥 机 构 的 重 要 机 构, 负 责 将 肥 桶 内 的 缓 释 肥 递 送 到 排 肥 机 构, 是 整 个 缓 释 肥 施 肥 机 的 核 心。 工 作 流 程 当 打 孔 作 业 完 成 后, 单 片 机 控 制 步 进 电 机 带 动 凸 轮 旋 转, 凸 轮 将 推 动 推 杆 前 后 滑 动。 推 杆 后 端 留 有 斜 向 的 光 滑 闭 合 槽 口, 推 杆 的 前 后 运 动 将 带 动 递 肥 盒 在 固 定 的 轨 道 前 进 或 后 退, 在 推 程 端 点 处 递 肥 盒 接 住 从 肥 桶 落 下 的 饼 状 缓 释 肥, 接 住 肥 料 后 递 肥 盒 将 在 推 杆 带 动 下 沿 轨 道 划 回 原 位 置。 凸 轮 递 肥 机 构 设 计 如 图2 所 示。 1. 步 进 电 机 2. 推 肥 杆 3. 推 杆 固 定 4. 递 肥 盒 5. 齿 轮 6. 步 进 电 机 7. 齿 条 8. 排 肥 管 道 9. 偏 心 圆 凸 轮 图2 凸 轮 递 肥 机 构 结 构 示 意 图 Fig.2 Structuralrepresentationofcamfeedingmechanism 2.1 递 肥 盒 设 计 该 递 肥 盒 设 计 为 斜 形, 在 推 杆 带 动 下 可 以 在 预 定 的 斜 向 轨 迹 前 进 后 退。 当 递 肥 盒 滑 动 到 端 点 时, 接 住 肥 桶 滑 落 下 的 饼 状 缓 释 肥, 在 推 杆 带 动 下 滑 回 到 原 点 的 排 肥 管 道 上, 将 肥 料 递 送 到 排 肥 管 道, 后 端 推 肥 板 在 齿 条 的 带 动 下, 将 缓 释 肥 推 向 斜 向 排 肥 管 道; 递 肥 盒 左 端 焊 接 一 光 滑 圆 柱, 与U 型 推 杆 前 端 槽 口 相 切, 递 肥 盒 在 推 杆 的 控 制 下 进 行 滑 动; 递 肥 盒 右 端 设 计 为 一 挡 肥 板, 递 肥 时 堵 住 肥 桶 的 落 肥 口, 阻 止 饼 状 缓 释 肥 的 下 落, 保 证 缓 释 肥 单 个 排 放; 缓 释 肥 落 肥 时, 铁 板 随 递 肥 盒 向 右 移 开, 肥 桶 落 肥。 如 此 循 环 往 复, 实 现 递 肥 作 业。 2.2 凸 轮 设 计 为 实 现 单 一 递 肥, 需 实 现 递 肥 盒 的 循 环 往 复 运 动, 可 控 循 环 通 过 连 杆 机 构 或 凸 轮 机 构 实 现。 连 杆 机 6 8 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 构 设 计 困 难, 占 用 空 间 大, 动 平 衡 困 难; 凸 轮 机 构, 尺 寸 紧 凑, 易 实 现 动 平 衡, 但 表 面 易 发 生 磨 损, 需 要 尽 量 减 少 机 构 之 间 的 挤 压 [16] 。 凸 轮 在 步 进 电 机 带 动 下 转 动, 其 具 有 一 个 确 定 的 外 廓, 可 以 使 从 动 件 按 照 固 定 的 规 律 运 动 [17] 。 斜 向 连 接 的 推 杆 与 递 肥 盒 的 外 接 连 杆 相 切, 连 杆 在 推 杆 的 作 用 力 下 产 生 斜 向 作 用 力, 带 动 递 肥 盒 沿 预 定 轨 迹 运 动。 递 肥 机 构 运 动 参 数 与 凸 轮 参 数 的 设 定 如 表1、 表2 所 示。 表1 递 肥 机 构 运 动 参 数 Table1 Movingparametersoffertilizertransfermechanism 项 目 单 位 参 数 推 杆 斜 向 夹 角 30 推 杆 槽 口 直 径 mm 30 推 杆 行 程 mm 190 表2 凸 轮 参 数 Table2 Camparameter 项 目 单 位 参 数 凸 轮 偏 距 mm 190 回 转 中 心 半 径 mm 20 凸 轮 厚 度 mm 50由 于 凸 轮 轮 廓 曲 线 的 不 规 则 性, 其 设 计 相 对 比 较 复 杂, 在 设 计 凸 轮 轮 廓 线 之 前, 先 要 确 定 滚 轮 的 运 动 规 律。 常 选 用 的 运 动 规 律 有 等 速 运 动 规 律、 多 项 式 类 运 动 规 律 及 三 角 函 数 类 运 动 规 律 等。 因 为 包 膜 的 易 破 特 征, 本 机 选 用 等 速 运 动 规 律 进 行 凸 轮 的 设 计, 等 速 运 动 规 律 适 用 于 低 速 运 动 的 场 合。 等 速 运 动 方 程 式 [18] 为 s h Φ 0 φ, v h Φ 0 ω 1 , a 00≤ φ≤ Φ 0 1 s h 1 - φ - Φ 0 Φ s Φ 0 , v h Φ 0 ω 1 , a 0 Φ 0 Φ s ≤ φ≤ Φ 0 Φ s Φ 0 2 其 中, s 为 从 动 件 的 位 移mm; v 为 从 动 件 的 速 度 m/s; a 为 从 动 件 加 速 度m/s 2 ; Φ 为 从 动 件 随 凸 轮 转 角; Φ 0 为 推 程 运 动 角; Φ s 为 远 休 止 角; Φ ’ 0 为 推 程 运 动 角; h 为 从 动 件 行 程mm。 凸 轮 的 轮 廓 线 决 定 从 动 件 推 杆 的 运 动 轨 迹 与 运 动 规 律, 若 凸 轮 的 设 计 不 符 合 标 准, 从 动 件 推 杆 不 能 准 确、 有 效 地 实 现 预 期 的 递 肥 作 业。 为 了 设 计 出 耐 用 的 凸 轮 递 肥 结 构, 实 现 饼 状 缓 释 肥 的 单 一 递 肥、 排 肥 工 作, 需 要 低 速、 稳 定、 可 控 的 凸 轮 结 构, 因 此 选 用 偏 心 圆 凸 轮, 运 动 规 律 采 用 等 速 运 动 规 律。 偏 置 式 偏 心 圆 凸 轮 机 构 从 动 件 位 移 S 方 程 为 S R 1 - e 1 - ecos φ R 2 - R 2 1 - e 2 1 - esin φ 3 当 φ 3 2 π arcsin e 1 R e 时, 位 移 最 大, 为 S R e 2 - e 2 1 - R - e 2 - e 2 1 。 运 动 过 程 中, 速 度 V 不 发 生 突 变, 不 存 在 刚 性 冲 击。 其 中, R 为 偏 心 圆 凸 轮 半 径mm; R 1 为 基 圆 半 径 mm; φ 为 凸 轮 转 动 角 度; e 为 偏 心 距mm; e 1 为 偏 距 mm。 3 试 验 与 分 析 凸 轮 运 动 设 计 是 指 在1 个 完 整 的 运 动 周 期 中 凸 轮 速 度 函 数 的 设 计 [19] 。 从 动 件 的 运 动 规 律 主 要 受 凸 轮 的 轮 廓 影 响, 而 凸 轮 的 偏 距 与 推 杆 的 位 移 相 等, 递 肥 盒 在 推 杆 带 动 下 直 线 方 向 的 往 复 移 动 距 离 为 190mm, 因 此 将 凸 轮 的 偏 距 设 定 为190mm。 为 确 定 不 同 基 圆 半 径 的 偏 心 凸 轮 对 凸 轮 与 推 杆 之 间 的 接 触 力 的 影 响, 将 基 圆 半 径 作 为 单 因 素 变 量, 以10mm 为 间 隔, 对 基 圆 半 径 为40180mm 的 凸 轮 建 立 在Solid- Works 中 的 零 件 三 维 模 型, 导 入Adams 仿 真 软 件 中 进 行 仿 真 试 验。 3.1 模 型 环 境 设 定 在Adams 中 进 行 饼 状 缓 释 肥 施 肥 机 递 肥 机 构 的 运 动 仿 真 试 验, 对 凸 轮、 推 杆 的 运 动 状 态 进 行 仿 真。 对 仿 真 模 型 进 行 相 关 性 能 的 分 析, 通 过 分 析 数 据 与 曲 线 [20] 可 知 ① 检 验 整 个 模 型 能 否 实 现 工 作 要 求, 主 要 是 整 体 设 计 是 否 合 理;② 分 析 凸 轮 与 推 杆 之 间 的 作 用 力, 检 验 是 否 会 发 生 偏 转 过 度、 挤 压 等 现 象; 在Adams 各 机 构 之 间 添 加 约 束 和 载 荷, 推 杆 与 凸 轮 的 材 料 均 设 定 为cast-iron。 仿 真 过 程 中 假 定 各 机 构 为 刚 体, 整 个 模 型 装 配 间 隙 为0, 不 考 虑 制 造 误 差, 不 考 虑 机 构 之 间 的 挤 压 变 形 [21] 。 按 照 等 速 运 动 规 律, 对 凸 轮 添 加360d 的 恒 定 转 动 副, 推 杆 添 加 y 轴 方 向 的 前 后 移 动 副。 凸 轮 与 推 杆 间 添 加 凸 轮 副, 凸 轮 转 动 即 可 带 动 推 杆 前 后 运 动。 基 于 碰 撞 函 数 的 接 触 算 法IMPACT- Function-basedContact, 结 合 实 际 作 业 时 两 部 件 之 间 的 接 触 力, 在Adams 中 对 凸 轮 与 推 杆 之 间 添 加 相 应 的 7 8 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 接 触 力 及 摩 擦 力。 设 置 接 触 力 与 摩 擦 力 的 参 数 设 置 如 表3 所 示。 表3 接 触 力、 摩 擦 力 参 数 设 置 Table3 Contactforceparametersetting 参 数 名 称 单 位 参 数 值 标 准 Impact 压 力 指 数 2.2 阻 尼 Ns/mm 1.0E004 穿 透 深 度 mm 1.0E004 静 摩 擦 系 数 0.3 动 摩 擦 系 数 0.1 静 摩 擦 滑 移 速 度 mm/s 0.1 动 摩 擦 滑 移 速 度 mm/s 1.0 3.2 不 同 基 圆 半 径 下 的 仿 真 试 验 为 使 试 验 仿 真 环 境 与 实 际 工 作 环 境 相 符, 获 得 更 标 准、 更 真 实 的 试 验 数 据, 设 定 仿 真 试 验 在 标 准 重 力 的 地 面 上 进 行。 在 X 轴 的 负 方 向 添 加 单 位 为9.80665 kg/N 的 标 准 重 力, 递 肥 机 构 的 凸 轮 机 构 与 地 面 平 行, 在 凸 轮 与 x、 y 轴 组 成 的 平 面 内 添 加 转 动 副, 带 动 推 杆 在 y 轴 正 负 方 向 往 复 运 动。 在 设 定 仿 真 总 时 间 均 为 1s、 固 定 步 数 为500 步 的 情 况 下, 对 基 圆 半 径 R 在40 180mm 的 凸 轮 与 推 杆 两 部 件 之 间 的 接 触 力 及 推 杆 运 动 的 速 度 和 加 速 度 进 行 分 析, 以 保 证 在 不 同 结 构 参 数 条 件 下 试 验 数 据 的 准 确 性。 Adams 仿 真 试 验 下, 在40180mm 之 间 每 隔 10mm 选 取1 个 试 验 样 本。 不 同 基 圆 半 径 R 的 偏 心 圆 凸 轮 的 的 接 触 力、 加 速 度、 速 度 随 时 间 变 化 的 数 据 结 果 如 图3 所 示。 由 图3 可 以 看 出 凸 轮 与 推 杆 之 间 的 接 触 力、 速 度 与 加 速 度 均 按 照 一 定 的 规 律 排 列, 分 别 由 直 线、 虚 线、 点 线 表 示。 当 加 速 度 为0 时, 速 度 达 到 最 大 值, 此 时 凸 轮 与 推 杆 的 接 触 力 最 大; 当 加 速 度 为 最 大 值 时, 速 度 为0, 此 时 凸 轮 与 推 杆 的 接 触 力 最 大。 另 外, 当 R 110mm 时, 加 速 度 曲 线 开 始 出 现 波 纹, 表 明 半 径 大 于110mm 的 凸 轮 对 推 杆 造 成 的 加 速 度 变 化 剧 烈, 此 时 的 基 圆 半 径 的 凸 轮 不 适 合 用 于 缓 施 肥 施 肥 机。 8 8 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 图3 不 同 基 圆 半 径 R 下 凸 轮 仿 真 试 验 图 Fig.3 SimulationexperimentofcamwithdifferentbaseradiusR凸 轮 与 推 杆 之 间 接 触 力、 加 速 度 与 速 度 最 大 值 曲 线, 分 别 由 直 线、 虚 线、 点 线 表 示, 如 图4 所 示。 图4 凸 轮 与 推 杆 之 间 仿 真 数 据 曲 线 Fig.4 Simulationdatacurvebetweencamandpushrod 由 图4 可 看 出 基 圆 半 径 R 为40180mm 时, 凸 轮 递 肥 机 构 之 间 接 触 力 F 的 最 大 值 F max 随 着 基 圆 半 径 R 增 大 而 增 大, 速 度 V 的 最 大 值 V max 随 着 基 圆 半 径 R 增 大 而 减 小, 加 速 度 A 的 最 大 值 A max 随 着 基 圆 半 径 R 增 大 而 减 小。 接 触 力 F 过 大 会 导 致 凸 轮 与 推 杆 之 间 磨 损 加 重, 最 后 会 导 致 凸 轮 递 肥 机 构 中 的 递 肥 盒 不 能 到 达 预 定 端 点, 从 而 出 现 饼 状 缓 释 肥 破 损 及 作 业 失 败 等 状 况; 加 速 度 过 大 会 导 致 推 杆 的 速 度 变 化 过 快, 容 易 使 得 推 杆 瞬 间 承 受 的 载 荷 过 大, 会 出 现 推 杆 损 坏 等 情 况; 速 度 过 大 容 易 导 致 缓 释 肥 在 传 送 过 程 中 造 成 损 伤。 综 合 考 虑 以 上 因 素, 通 过 对 数 据 和 图 像 进 行 分 析 总 结 后 发 现 当 基 圆 半 径 为 C D 时, 代 表 速 度 的 曲 线 与 代 表 接 触 力 的 曲 线 相 交; 基 圆 半 径 在 A B 之 间 时, 加 速 度 变 化 趋 势 趋 于 平 稳, 且 稳 定 在2.4m/s 2 ; 与 此 同 时, 推 杆 的 速 度、 接 触 力 与 加 速 度 均 为 中 间 值。 因 此, 选 取 基 圆 半 径 C D 之 间 的 中 点 值, 即 基 圆 半 径 为105mm 的 偏 心 凸 轮 用 于 缓 施 肥 施 肥 机 的 凸 轮 递 肥 部 件。 基 圆 半 径 R105mm 时, 对 凸 轮 递 肥 机 构 仿 真 结 果 如 图5 所 示。 图5 105mm 基 圆 半 径 的 仿 真 数 据 Fig.5 Simulationdataofradiusof105mmbasecircle 对 基 圆 半 径 R105mm 的 偏 心 圆 凸 轮 进 行 建 模 与 仿 真 试 验, 得 到 凸 轮 与 推 杆 之 间 的 接 触 力 F、 速 度 V 与 9 8 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 加 速 度 A 的 数 据。 接 触 力 最 大 值F max 为0.3295N, 速 度 最 大 值 V max 为0.5656m/s, 加 速 度 最 大 值 A max 为 2.475m/s 2 , 则 R105mm 时 不 仅 可 以 保 证 凸 轮 的 强 度, 也 能 够 保 证 凸 轮 与 推 杆 之 间 的 挤 压 与 接 触 力、 推 杆 运 动 的 加 速 度 和 速 度 在 要 求 范 围 内 实 现 多 目 标 最 优, 此 时 的 凸 轮 递 肥 机 构 运 行 最 稳 定, 递 肥 效 果 最 好, 且 节 省 材 料 成 本。 4 结 论 该 缓 释 肥 施 肥 机 填 补 了 国 内 缓 释 肥 施 肥 机 械 的 空 白, 解 决 了 饼 状 缓 释 肥 单 个 排 肥 的 困 难。 该 装 置 可 以 稳 定 地 排 放 饼 状 缓 释 肥, 解 决 了 人 工 施 肥 时 需 要 频 繁 搬 动、 劳 动 强 度 大、 成 本 高 等 的 缺 点。 整 机 体 积 小, 易 检 修, 实 现 单 个 依 次 排 肥。 用 建 模 软 件SolidWorks 建 立 了 凸 轮 递 肥 机 构 的 三 维 模 型, 并 将 其 导 入 机 械 动 力 学 仿 真 软 件ADAMS 中 建 立 仿 真 模 型; 对 仿 真 模 型 添 加 各 种 约 束、 接 触 力, 对 基 圆 半 径 R 为40180mm 之 间 偏 心 圆 凸 轮 进 行 仿 真 试 验, 通 过 对 递 肥 机 构 的 接 触 力、 速 度、 与 加 速 度 数 据 和 曲 线 进 行 分 析, 选 出 合 适 的 凸 轮, 保 证 凸 轮 与 推 杆 之 间 的 挤 压 与 磨 损 小, 运 行 稳 定, 递 肥 速 度 合 适。 选 用 基 圆 半 径 为105mm 的 偏 心 圆 凸 轮, 不 仅 减 少 了 凸 轮 与 推 杆 之 间 的 挤 压 变 形, 还 延 长 了 凸 轮 递 肥 机 构 的 使 用 寿 命, 降 低 了 材 料 成 本 和 农 机 维 修 成 本。 参 考 文 献 [1] 韩 大 勇, 吕 钊 钦, 崔 方 方, 等. 新 型 果 树 施 肥 机 的 设 计 [J]. 农 机 化 研 究,2010,321265-68. 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