袋装缓控释肥有序排肥装置设计

谢方平，刘敏章，杨米米，刘大为，王修善,3，任述光

袋装缓控释肥有序排肥装置设计

谢方平1,2,3，刘敏章1，杨米米1，刘大为1,2,3，王修善1,3，任述光1,2,3

（1. 湖南农业大学工学院，长沙 410128；2. 南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128；3. 湖南省智能农机装备重点实验室，长沙 410128）

为满足作物生长期对肥料的不同需求，人们正研究通过控制肥料颗粒内部养分释放速率的缓控释肥，试验表明其可减少施肥量，避免资源浪费和环境污染。目前，袋装缓控释肥的施放主要采用手工，耗工费时，效率低下。为实现袋装缓控释肥机械化施放，该文根据其基本物理参数及力学特性，对袋装肥有序排队机理、余量清理、定量施放进行研究，设计了一种袋装缓控释肥的有序排肥装置，它由偏心分离机构、清理机构、排肥机构及动力传输机构组成，以偏心轮转速、毛刷轮转速及毛刷轮与刮板输送带之间的间距为影响因素，以合格指数、漏排指数、重排指数为评价指标，进行正交试验，得出各因素对评价指标的影响关系。利用Design-Expert软件得到各因素的最佳参数组合为：偏心轮转速600 r/min、毛刷轮转速95 r/min、毛刷轮与刮板输送带之间的间距为18 mm，并进行验证试验得到排肥合格指数平均值为82%，漏排指数平均值9.33%，重排指数平均值8.67%。该研究为研制袋装缓控释肥有序施放排肥器提供了参考。

机械化；设计；优化；袋装缓控释肥；有序；排肥装置；可降解包装袋

0 引 言

中国是农业大国，2014年中国用于农业的化学肥料约为5 995.94万t，位居世界第一[1]。尽管中国化肥生产量及消费量持续增长，但是高施肥水平并没有带来高的化肥利用率[2]。研究表明，中国化肥的当季利用率仅为30%～35%[3]，比发达国家低20%，化肥利用率低不仅导致需多次施肥以满足作物生长需求，耗工费时，且未被作物吸收的化肥将在根系累积，造成盐害，破坏根系的细胞结构，导致作物产量下降甚至死亡，引起环境污染[4]。

为了有效控制肥料量，并能控制作物生长期内量的适时供给，近几年发明了一种利用可降解材料制成袋包装的袋装控释肥。它施放于作物根际处，能根据作物对养分的需求缓慢释放营养元素，只需在农作物整个生长阶段初期施一次底肥即可满足作物的肥料需求，进而显著提高肥料利用率，减少环境污染。缓控释肥在发达国家已取得一定的经济和生态效益，被有关农业科学家认为将是21世纪肥料产业的重要发展方向[5]。

由于袋装控释肥采用可降解纸包装，纸袋摩擦系数大，在肥箱中分离难度高，且袋装物料一般都是软包装，受力易变形，机械化施肥时肥料之间相互叠加、起拱现象严重，导致肥料连续、均匀排出困难，这是由袋装物料的基本属性决定的[6]。目前，袋装缓控释肥的施放主要采用手工开沟施肥，需要大量的劳动力。随着中国农村劳动力的转移，缺少足够的人力进行开沟施肥作业，从而减少施肥次数，影响作物生长效果，特别是对于果蔬作物，手工开沟施肥耗工费时，效率低下，不能满足施肥的农艺要求[7]。随着农业现代化程度的提高，尤其是中国农村劳动力的转移，机械化施肥成为迫切要求[8-9]。因此研制袋装缓控释肥连续、定量施放技术及机具，对实现肥料减施、节本增效有着重要的现实意义。

排肥器是施肥机具的关键部件，其工作性能直接影响施肥的质量，关系到肥料在土壤内的分布情况[10]。从查阅的相关文献来看，目前国内外还没有一款针对袋装控释肥连续、均匀和有序排放的技术与装备[6]。工业生产中，袋装物料的排序输送技术按照排序输送原理不同可分为振动排序输送、离心排序输送、带式排序输送、辊筒排序输送和机器手分拣排序输送5种技术[11-15]，通过前期试验发现仅采用上述任何一种技术对袋装控释肥进行排序输送不能达到设计要求[16]，根据农业生产要求，如何解决袋装控释肥有序且连续排出是研制袋装控释肥有序施放技术与装备的瓶颈。

为将袋装控释肥分离且有序排出，本文根据其基本物理参数及力学特性，对肥料有序排队机理、余量清理、定量施放进行了研究，设计了一种袋装缓控释肥的有序排肥装置，并结合施肥农艺要求，进行了性能试验。

1 袋装肥料有关物理特性参数测定

1.1 材料与方法

以某公司生产的纸质袋装缓控释肥为试验材料，对其物理特性参数进行测定，测定内容包括：外形尺寸、重量、含水率、滑动摩擦角与抗弯刚度等。

1）分别用游标卡尺、电子秤对袋装缓控释肥外形尺寸（长×宽×厚）及质量进行测量。

2）用恒温烘箱干燥法[17]对袋内肥料的含水率进行测定，采用3次重复，结果取其平均值。

3）对袋装肥滑动摩擦角进行测定。考虑到工作时袋装肥料之间、袋装肥料与振动板（45#钢）及刮板输送带之间存在摩擦，用湖南农业大学工学院自制斜面仪[18]（测量精度为0.01°）分别对袋装肥料与肥料纸袋、45#钢板、刮板输送带之间的滑动摩擦角进行测定，测定时均采用10次重复，结果取其平均值。

4）袋装肥变形程度的估测。由于袋包装肥料变形会影响到有序排放，考虑到肥料袋采用的可降解纸包装是多秸秆纤维，参照斜面法[19]对袋装肥变形程度进行测定，以抗弯刚度表示，测定装置根据相关国家标准[19]进行制作。如图1所示，弯曲长度仪长250 mm，宽100 mm，高150 mm，斜面倾角41.5°，测定时肥料一端及钢尺零点与平台前缘重合，以一定的速度向前推动肥料和钢尺，直到肥料伸出端与斜面接触，记录肥料的伸出长度。用同样的方法对肥料的另一面及另一端两面的伸出长度进行测定，取伸出长度的一半作为弯曲长度，根据式（1）计算抗弯强度，结果取4个抗弯强度的平均值。

式中G0为单位宽度的抗弯强度，mN·cm；m为肥料的单位面积质量，m=7 352.94 g/m2；C为肥料的弯曲长度，cm。

1.2 结果与分析

缓控释肥两小包连成一袋，形状类似于长方体，厚度在10～15 mm之间。测定结果如表1所示。袋装肥料与45钢板之间的滑动摩擦角测定值在26.71°～29.60°范围内，与肥料纸袋之间的滑动摩擦角在35.90°～37.25°范围内。袋装肥料与刮板输送带之间的滑动摩擦角测定值在42.42°～44.43°范围内。

表1 肥料物理特性参数测定结果

2 袋装缓控释肥有序排肥装置设计

2.1 总体结构

袋装缓控释肥有序排肥试验装置结构如图2所示。主要部件的外形尺寸如表2所示。该装置主要由偏心分离机构、清理机构、排肥机构及动力传输机构组成。其中，偏心分离机构包括偏心轮3、振动板4及固定板7。用于无序堆积缓控释肥的振动板上部与固定板连接，固定板两侧分别焊接在挡板上，振动板下部设置有带动其作往复摆动，进而破坏袋与袋肥料之间相互粘附的偏心轮，挡板内侧焊有限制振动板最高位置的螺母8，使得偏心轮面始终与振动板相切。清理机构包括毛刷轮9及挡肥板10。挡肥板两侧分别焊接在挡板上，振动板底部与毛刷轮组成的区域称落肥口a。排肥机构包括刮板输送带11、驱动轮13与从动轮12，从动轮上方的区域b称为排肥口。动力通过3个调速电机提供，其中电机一带动偏心轮逆时针旋转，电机二带动毛刷轮顺时针旋转，电机三带动刮板输送带驱动轮顺时针旋转。机架选用铝型材制成，方便各机构进行位置调整，两侧挡板通过螺栓固定在机架上，挡板间间距200 mm，与偏心分离机构合围成肥箱。

1.调速电机1 2.右侧挡板 3.偏心轮4.振动板 5.铰链 6.左侧挡板 7.固定板 8.限位螺母 9.毛刷轮 10.挡肥板11.刮板输送带 12.刮板输送带从动轮 13.刮板输送带驱动轮14.调速电机2 15.调速电机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：振动板底部与毛刷轮组成的区域称落肥口a，从动轮上方的区域b称为排肥口，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.

图2 缓控释肥有序排肥装置结构简图

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

表2 排肥装置主要部件外形尺寸

2.2 工作原理

缓控释肥的有序排放包括有序排队、余量清理、定量施放3个过程，工作原理如图3所示。工作时，振动板随偏心轮转动，为避免板面肥料因相互挤压变形，导致内摩擦系数增大而起拱停滞，适当地选择振动板的性能参数[20]（振幅、板面倾角及频率等），让底层肥料抛离板面“撞击”上层肥料，如此反复“撞击”，促使袋与袋肥料之间散开，并向下流动。肥箱上方的肥料处于“有序排队状态”，略微抛起缓缓向下输送，而落肥口a处的肥料迅速抛出振落，保证排肥连续性。

1.刮板输送带驱动轮 2.偏心轮 3. 缓控释肥 4.振动板 5.铰链 6.固定板 7.挡肥板 8.毛刷轮 9.刮板输送带从动轮 10. 刮板输送带

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为毛刷轮直径，mm；为偏心轮的偏心距，mm；1为毛刷轮与振动板之间的间距，mm；2为刮板输送带与毛刷轮之间的间距，mm；为刮板输送带倾斜角，(°)；1为振动板处于最低位置时的倾斜角，(°)。

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, (°).

图3 排肥原理示意图

Fig.3 Schematic diagram of fertilizer discharge

振动板处于最高位置时，毛刷轮与板面之间的间距1= 35 mm小于3包肥料堆叠的高度，减少多排与重排，同时，毛刷轮顺时针旋转，将堆积在落肥口a处的肥料阻滞并清理多余肥料，防止落肥口堵塞。

肥料经偏心分离机构抛出后，振落到刮板输送带上，输送带驱动轮顺时针旋转，将肥料往排肥口b运输。刮板输送带与毛刷轮之间的间距为2，只允许一层肥料通过，且毛刷轮转向与肥料的流动方向相反，用于将输送带上的多余肥料进行分离平铺。由1.2节可知袋装肥料与刮板输送带之间的摩擦系数大于袋装肥料与肥料纸袋之间的摩擦系数，设计刮板输送带倾斜角=40°（36.59°<43.41°），若肥料经毛刷轮梳理分离平铺后在输送带上仍出现堆叠现象时，由于值设置得当，堆叠的肥料在被输送至排肥口b前借助自重自动分离，从而保证肥料均匀定量排放。

2.3 关键部件的结构设计

2.3.1 偏心分离机构

偏心分离机构用于防止袋与袋肥料之间的压实起拱，促使肥料分离流动并有序排队，其整体结构原理见图3。工作时缓控释肥无序堆积在振动板上，通过前期预备试验，取振动板长为315 mm，偏心轮直径40 mm。前文测得袋装肥与肥料纸袋之间的摩擦角为36.59°，设计振动板处于最低位置时的倾斜角1= 38.00°>36.59°，促使肥料破拱流动。振动板与偏心轮面始终相切，其处于最低位置时，切点至铰链的距离为250 mm，为保证毛刷轮与振动板之间始终只允许2层肥料通过，减少多排与重排，设计偏心轮的偏心距= 5 mm（2< 15 mm），计算可知，振动板摆动幅角2.29°，其处于最高位置时的倾斜角2为35.71°。

以偏心轮的转动中心0为原点建立如图4所示的直角坐标系，工作时偏心轮以恒定的角速度0逆时针旋转，带动振动板绕铰链作往复摆动。因惯性力方向与惯性加速度方向相反，且肥料相对运动方向沿板面向下，分析振动板下摆过程中的运动情况，即可得到使肥料抛离板面时偏心轮所需达到的最低转速。

1.铰链2.振动板3.偏心轮

1. Hinge 2. Vibrating plate 3. Eccentric Wheel

注：为振动板的角速度，rad·s-1；为振动板的角加速度，m·s-2；为振动板倾斜角的余角，=1+2，(°)；为铰链；为偏心轮圆心；0为偏心轮的转动中心；为偏心轮半径，mm；为偏心轮转过的角度，(°)；0为偏心轮的角速度，rad·s-1；0为偏心轮轮面与坐标横轴的交点；为偏心轮与振动板的切点；1为偏心轮与0的交点。

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.

图4 振动板运动规律示意图

Fig.4 Schematic diagram of vibration fender board motion

振动板从最高处下摆瞬间，偏心轮圆心处于第一象限内，0与轴正方向重合时，轮面与坐标横轴相交于0点，以该点为起点，当偏心轮逆时针转过角度（振动板下摆过程中2/π –2<3π/2 –1）,使得0点转动到1时，偏心轮圆心与轮面跟振动板2切点之间的连线垂直于板面，求角（振动板倾斜角的余角）对时间的一阶导数和二阶导数即可得到振动板的角速度及角加速度。

通过前期预备试验取= 167 mm，0= 187 mm，0= 250 mm。=1+2，由于值相对于0值极小，近似等于0，可将2看作定值，因此角的变化主要取决于1。1= arctan（/），其中=–sin，=0+cos，=0。

将对时间求导并整理简化得

将对时间求导并整理简化得

代入数值并求解，得到式（3）中正弦函数定义域范围

由式（4）可知，振动板从最高位置下摆瞬间，在顺时针方向上达到的最大值，对该瞬间板面肥料的受力情况进行分析。由于缓控释肥在振动板上的运动过程相当复杂，并且肥料之间相互挤压、相互干扰，要精确分析肥料在板面的受力情况非常困难。为简化分析，将缓控释肥视为质点[21-25]，其质量为，单包肥料加速度矢量图如图5所示，取振动板为动参考系，轴平行板面向下，轴垂直板面向上，利用加速度合成定义，牵连运动为定轴转动时

注：ar为肥料相对于振动板的加速度，m·s-2；为牵连法向加速度，= lw2，m·s-2；为牵连切向加速度，=lα，m·s-2；ak为科氏加速度，ak=2wvr，m·s-2；l为肥料至旋转中心O的距离，m。

质点相对运动的微分方程

由式（7）可知

图6 单包肥料受力示意图

Fig.6 Stress analysis chart of single-pack fertilizer

抛掷指数

抛掷指数一般在1～3.3范围内选取[26]，取处于振动板最底端肥料的抛掷指数为3.3，该位置时=0.315 mm，代入数值并求解得0= 64.80 rad/s，此时振动板上距铰链0.095 m范围外的肥料将被抛起，未起跳肥料之间的间隙因振动造成的角度变化而不断变化，使其松动分离开，并待前排抛起后“补位”。经过多次初选试验，为保证排肥连续性，振动板上约1/3的肥料需始终处于抛起状态，取距铰链0.15 m处肥料的抛掷指数为1，代入式（11）并求解得0= 51.70 rad/s。偏心轮转速应在51.70～64.80 rad/s即493.69～618.79 r/min的范围内。

2.3.2 清理机构及排肥机构

清理机构用于将堆积在落肥口处的肥料阻滞并清理多余肥料；排肥机构用于将从偏心分离机构振落的肥料分离平铺，保证排肥均匀性，其整体结构原理如图7所示。毛刷轮与刮板输送带之间的间距为2，只允许一层肥料通过，且毛刷轮转向与缓控释肥在输送带上的流动方向相反，用于将多余肥料进行分离平铺。由2.2节已知，振动板处于最高位置时，毛刷轮与其之间的间距为35 mm，欲使2满足要求，设计毛刷轮直径1176 mm。由于肥料纸袋摩擦系数大，在肥箱中分离难度高，因此毛刷轮周向上设计为长短毛刷交替布置的“波浪状”，肥料起跳后抛向毛刷轮，并在其冲击力的作用下完成分离，由短毛刷围成的凹槽弧长061.64 mm，避免整袋肥料陷入凹槽中。毛刷轮轴向上设计为间隔式，防止肥料纸袋夹入挡板与其之间的间隙，造成肥袋破损，结构原理如图8所示。

图7 清理机构及排肥机构简图

注：L0为短毛刷围成的凹槽弧长，L0=61.64 mm。

毛刷材质需根据缓控释肥物理参数得到，衡量指标包括肥袋破损率、清理效果、毛刷造价等，其中肥袋破损率是主要参考指标。考虑到尼龙具有良好的机械性能，耐热、耐磨损、尺寸稳定性好且摩擦系数低，毛刷丝选用尼龙材质[27]。毛刷丝的硬度与其直径、长度、横截面形状及每束毛孔的毛刷丝根数有关，下列等式综合描述了这些因素之间的关系[28]

式中为毛刷丝的扭曲度，mm；为引起毛刷丝的扭曲力，kg；为毛刷丝的长度mm；为毛刷丝的形变系数，kPa；为毛刷丝的直径，mm；0为每束毛孔中毛刷丝的根数。由式（12）可看出，毛刷丝越粗，硬度越高；毛刷丝越长，硬度越低。综合考虑，选择直径为0.7 mm的毛刷丝，长毛刷高25 mm，短毛刷高10 mm。

假定所选施肥对象前后株距为1（m），根据农田经验，小型开沟施肥机前进速度0约为0.2 m/s，单袋缓控释肥宽10.08 m，为满足每株作物旁排一袋肥料的农艺要求，计算可知肥料在输送带上须紧密排布且流动速度1·0/1，m/s。现计算刮板输送带驱动轮最低转速

式中为驱动轮最低转速，r/min；1为驱动轮直径，设计138 mm；为肥料在刮板输送带上的最小流动速度。

3 排肥试验及结果分析

3.1 试验设计

3.1.1 性能指标

以受肥作物茄子为例，株距为0.4 m，可得参数= 20 r/min，排肥时间间隔0= 2 s进行试验。在尚无定量评价袋装缓控释肥排肥质量标准的情况下，装置作业质量的评价根据以实现每株茄子旁（即每2 s）排一袋肥料的实际农艺要求为准，参照排种器作业质量的评价标准[29-30]，将合格指数1漏排指数2和重排指数3作为主要性能评价指标进行60 s排肥试验，每隔2 s掉落单袋肥料视为合格，超过1袋视为重排，超过2 s视为漏排（超过4 s视为漏排2次，以此类推）。各项评价指标的计算公式如下

式中1为60 s内单袋肥料次数；2为60 s内漏排次数；3为60 s内重排次数；为60 s内理论排肥袋数，= 30。

为了更好地寻求各因素的最优组合，将合格指数、漏排指数和重排指数转换成它们的隶属度i、i和i[31]。在缓控释肥排放作业中，首要原则为单袋排放，在此基础上尽可能减少漏排情况，允许发生少量的重排现象，因此漏排指数的权重应大于重排指数。凭借经验，合格指数、漏排指数和重排指数的权重分别取 0.7、0.2和0.1，用综合评分i作为评价依据，i=0.7(1–i)+0.2i+0.1i，i值越小，各因素组合越优。

3.1.2 试验方法

由以上分析可知，肥料的运动状况主要取决于偏心轮转速，此外还考虑到毛刷轮转速及毛刷轮与刮板输送带之间的间距对清理效果有着密切的关系，选取偏心轮转速（1）、毛刷轮转速（2）及毛刷轮与刮板输送带之间的间距（3）作为3个影响因素。图9为装置实物图。

根据之前的计算可以确定偏心轮转速（1）的大致影响范围，1分别取500、550、600 r/min。经多次预备试验发现，当毛刷轮转速（2）低于65 r/min时，无法及时将落肥口处的肥料分离，而当其高于105 r/min，易将肥料卷至挡肥板处堆积，2分别取75、85和95 r/min；当毛刷轮与刮板输送带之间的间距（3）小于16 mm时，将影响肥料在输送带上的正常流动，而当大于26 mm时，重排指数显著增大，3分别取18、21和24 mm。以合格指数漏排指数和重排指数作为主要性能评价指标，根据Box-Behnken组合设计原理，利用Design-Expert软件设计了三因素三水平正交组合试验，因素水平编码如表3所示[31]。

图9 装置实物图

表3 因素水平编码

正常情况下出厂肥料的抗弯强度为318.34 mN·cm中、受振或持续与高速旋转的毛刷轮接触将导致其抗弯强度显著下降，采用同组肥料进行7~8次试验后，料包出现明显水渍与皱褶，抗弯强度下降至10 mN·cm以下，此时肥料表面摩擦系数显著增大，肥料相互粘附严重、易变形，导致毛刷轮无法及时清理落肥口处的肥料，同时，料包厚度减小，无法保证毛刷轮与刮板输送带之间仅通过一包肥料，有序排出困难。采用同组肥料进行3次试验后，料包表面并未出现水渍与皱褶，此时抗弯强度下降至约198 mN·cm，但适当的变形不影响肥料有序排放，即料包的抗弯强度在198～318.34 mN·cm范围内时适用于机械化排放。

每进行3组试验更换一次肥料，试验开始前将料包置于振动板上，并通过变频器使各电机预先达到所需转速。试验过程中由3名观察员分别对合格次数、漏排次数及重排次数进行记录。试验涉及到的仪器见表4。

表4 试验设备

3.2 结果及分析

正交试验结果列于表5。

表5 试验方案及结果

3.2.1 试验结果分析

对试验结果进行回归分析，得到合格指数对各因素的回归方程如下，回归模型2值为0.85。

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

经数据处理后，得到合格指数的方差分析结果如表6所示，因素13、22和32在<0.05时显著，各因素对合格指数的显著性顺序从大到小依次为偏心轮转速、毛刷轮与刮板输送带之间的间距和毛刷轮转速。

表6 合格指数方差分析

对试验结果进行回归分析，得到漏排指数对各因素的回归方程如下，回归模型2值为0.72。

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

经数据处理后，得到漏排指数的方差分析结果如表7所示，因素1在<0.05时显著，偏心轮转速越快，物料在振动板面的流动性能越好，漏排概率减小。各因素对漏排指数的显著性顺序从大到小依次为偏心轮转速、刮板输送带之间的间距和毛刷轮转速。

表7 漏排指数方差分析

对试验结果进行回归分析，得到重排指数对各因素的回归方程如下，回归模型2值为0.72。

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

经数据处理后，得到重排指数的方差分析结果如表8所示，因素32在<0.05时显著，毛刷轮转速对重排指数的显著性大于偏心轮转速和刮板输送带之间的间距。

表8 重排指数方差分析

3.2.2 响应曲面分析

由表6可知1和3间的交互作用对合格指数有显著影响，图10为交互因素对合格指数影响的响应曲面，由图可知在试验水平下合格指数随的增大先略微减小后急剧增大，随3的增大先减后增，增大量大于减小量。

图10 偏心轮转速和毛刷轮与刮板输送带之间的间距对合格指数的影响

3.3 最优组合及验证

通过Design-Expert软件获得综合分最小值的组合为：偏心转速600 r/min、毛刷轮转速95 r/min、毛刷轮与刮板输送带之间的间距18 mm，验证试验依然由上述试验材料和装置完成。为了消除随机误差，进行5次重复试验，结果如表9所示，合格指数平均值82%，漏排指数平均值9.33%，重排指数平均值8.67%。漏排的主要原因是：肥料由偏心分离机构振落后，其表面未完全与输送带贴合，经毛刷轮梳理时受摩擦力产生“回流”现象；重排的主要原因是：肥料振落速度略大于其在输送带上的流动速度，毛刷轮与输送带之间容易发生拥堵，拥堵时肥料向下挤压输送带，不能保证该位置仅通过一包肥料，且肥料挤压变形导致其表面摩擦系数增大，无法通过自身重力进行分离。

表9 试验结果

4 结论与讨论

1）对袋装缓控释肥物理特性参数进行了测定，正常情况下出厂肥料的抗弯强度为318.34 mN·cm左右，料包长时间暴露在空气中、受振或持续与高速旋转的毛刷轮接触将导致其抗弯强度显著下降，当料包抗弯强度低于198 mN·cm时，不再适用于机械化排放。

2）对该装置偏心分离机构进行了较为全面的运动学分析，利用振动原理计算振动板的运动参数，找出影响缓控释肥运动的因素，验证运动参数设计合理。

3）采用正交组合设计，建立试验因素与评价指标的数学模型。分析响应曲面图，得出因素对合格指数影响趋势和因素交互作用的关系。

4）利用Design-Expert软件得到各因素的最佳参数组合：偏心轮转速600 r/min、毛刷轮转速95 r/min、毛刷轮与刮板输送带之间的间距为18 mm，并通过验证试验得到排肥合格指数平均值为82%，漏排指数平均值9.33%，重排指数平均值8.67%。偏心轮转速越快，袋装肥在振动板面的流动性能越好，可有效减少因肥料互相黏附而造成的漏排现象，但与此同时也容易导致毛刷轮与输送带之间拥堵，无法控制肥料定量排放。如何有效降低漏排指数与重排指数值得进一步研究。

5）根据材料力学可知，毛刷丝长度越短，单位力作用下毛刷丝顶端产生的静挠度越小，对肥料的最大分离力越大，但其对承肥纸袋的磨损也越大，因此毛刷长度对清理效果的影响值得进一步研究。

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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

湖南省农机装备创新发展项目，（湘财农指(2018)175号）

谢方平，教授，主要从事农业机械性能试验与创新设计。Email：hunanxie2002@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.005

S222.3

A

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

谢方平，刘敏章，杨米米，刘大为，王修善，任述光. 袋装缓控释肥有序排肥装置设计[J]. 农业工程学报，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