黃正明，宋德慶*，薛 忠，李 玲，王 剛 (中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東湛江524091)

2014年第八次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示:全國(guó)森林面積2.08億hm2，我國(guó)森林資源總量繼續(xù)位居世界前列，人工林面積繼續(xù)保持世界首位，達(dá) 4 666.7 萬(wàn) hm2［1－3］。其中，桉樹(shù)、馬尾松、杉木等［4－6］人工林面積均已經(jīng)超過(guò) 1 000萬(wàn)hm2，人工林的發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大，大大緩解了我國(guó)木材和林產(chǎn)品供需矛盾［7］。

人工林的大面積種植，必然產(chǎn)生巨大的肥料需求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐表明，科學(xué)的施肥措施不僅可以保持和提高土壤肥力和生產(chǎn)力，還可以促進(jìn)作物增產(chǎn)［8－11］。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛使用的速效化肥普遍存在利用率低、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題。因此，各國(guó)均在研制肥料效果好、環(huán)境污染少、經(jīng)濟(jì)效益高的新型肥料，如緩釋肥［12］。唐春紅等人［13］開(kāi)展了桉樹(shù)長(zhǎng)效緩釋肥與普通桉樹(shù)專(zhuān)用肥肥效對(duì)比的研究，該研究結(jié)果與劉子江［14］、李燕婷等［15］、盧艷麗等［16］在不同作物上使用長(zhǎng)效緩釋肥得到的結(jié)果類(lèi)似，長(zhǎng)效緩釋肥具有用量減少、肥效穩(wěn)長(zhǎng)、利用率提高、增產(chǎn)增收等優(yōu)勢(shì)。因此，研究設(shè)計(jì)長(zhǎng)效緩釋肥的壓縮成型機(jī)械具有重要的意義。

1 壓縮成型方案的選擇

目前，國(guó)內(nèi)外顆粒(或粉末)常見(jiàn)的成型技術(shù)主要有3種:螺旋擠壓式、模輥式和沖壓式［17］。

螺旋擠壓式，成型原理為物料經(jīng)過(guò)加料口，在旋轉(zhuǎn)螺桿的作用下，被搓成團(tuán)狀并沿螺槽滾動(dòng)前進(jìn)，因螺桿的剪切、壓縮與攪拌作用，物料受到進(jìn)一步的混煉和塑化，隨著溫度和壓力的逐步升高，呈現(xiàn)出粘流狀態(tài)，并以一定的壓力和溫度通過(guò)機(jī)頭，最后得到所需形狀的制品。該技術(shù)主要用于塑性材料、粉體或基質(zhì)的造粒，得到的產(chǎn)品一般為顆粒，尺寸較小。

模輥式按照壓輥和壓模的形狀差異又可以細(xì)分為直輥式、錐輥式以及平模式和環(huán)模式。模輥式成型技術(shù)利用壓模與壓輥之間的摩擦力與擠壓力在常溫下使粉碎后的原料不斷的被壓緊，進(jìn)入?？缀箢w粒位置及其間隙重新排列并發(fā)生機(jī)械變形和塑性變形，經(jīng)歷成型、保型等過(guò)程，最終被壓縮成為形狀規(guī)則、密度較大的塊狀或顆粒狀產(chǎn)品。模輥式成型屬冷壓成型加工工藝，與熱壓成型工藝相比減少了環(huán)境污染且效率高［18］。

沖壓式成型又稱(chēng)活塞沖壓式成型，按照模具腔的不同可以分為開(kāi)式?jīng)_壓成型和閉式?jīng)_壓成型。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，其工作主要部件為上沖頭、下沖頭、成型腔以及脫模機(jī)構(gòu)等，可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)模具，得到不同尺寸大小的產(chǎn)品。

圖1 壓縮成型方案示意圖

根據(jù)林業(yè)種植所需肥料的要求，最終得到的緩釋肥應(yīng)為固體圓柱狀，因此，該文采用的壓縮成型方案為更加簡(jiǎn)便靈活的沖壓式(圖1)。具體過(guò)程為:裝料—沖壓—保壓—沖頭上升—脫模。

2 壓縮成型工藝的研究

目前，市場(chǎng)上正在銷(xiāo)售的棒狀肥料多為園藝用料，形狀為圓柱狀，其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)應(yīng)的成型模具較簡(jiǎn)單，但其直徑一般小于20 mm，顯然不能滿(mǎn)足林業(yè)種植的需求。為了探討當(dāng)緩釋肥的直徑增大時(shí)，是否采用圓柱狀更合理，以現(xiàn)有的林業(yè)種植專(zhuān)用肥料顆粒為對(duì)象，采用不同形狀的模具，兩端為平面(A)、一端為錐面(B)、一端為凹面(C)以及兩端為凹面(D)進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，結(jié)合ANSYS的理論分析，得到了不同情況下壓縮過(guò)程中力的傳遞和分布規(guī)律(圖2)。

圖2 壓縮試驗(yàn)用不同形狀的模具

2.1 ANSYS理論分析 為了得到成型塊在不同情況下單向受壓后壓力的分布規(guī)律，利用ANSYS對(duì)上述4種壓縮情況進(jìn)行了建模分析。

圖3 模型A的受力分析

圖4 模型B的受力分析

圖5 模型C的受力分析

圖6 模型D的受力分析

從圖3～6得到的受力分析結(jié)果可以看出，兩端為平面(試驗(yàn)A)和一端為錐面(試驗(yàn)B)單向受壓時(shí)，成型塊內(nèi)部的應(yīng)力分布規(guī)律類(lèi)似，越靠近上端受壓面的區(qū)域應(yīng)力值越大，向下逐漸減小，在下端面的邊緣和錐底邊沿處應(yīng)力值最大，軸心和錐頂處應(yīng)力值最小。整體看來(lái)為周邊處(即靠近成型腔處)的應(yīng)力值大于軸心區(qū)域的應(yīng)力值，即壓縮過(guò)程中，中心區(qū)域的肥料最不容易粘結(jié)成型;一端為凹面(試驗(yàn)C)和兩端為凹面(試驗(yàn)D)的對(duì)比結(jié)果可以明顯看出試驗(yàn)D中間絕大部分區(qū)域的應(yīng)力值大于試驗(yàn)C，而且靠近軸心區(qū)域的應(yīng)力值也較大，說(shuō)明試驗(yàn)D的成型效果明顯優(yōu)于試驗(yàn)C。

圖7 模型D兩端同時(shí)受壓的受力分析

總的看來(lái)，4次試驗(yàn)中試驗(yàn)D的應(yīng)力值大小以及應(yīng)力的分布情況都優(yōu)于前3種。從圖(6)中還可看出，盡管兩端均為凹面，應(yīng)力分布情況有所改善，但是上端受壓面周邊的應(yīng)力值明顯高于下端沒(méi)有受壓的應(yīng)力值，因此可以考慮上下兩凹面同時(shí)受壓，效果可能會(huì)更好。為此，進(jìn)行了如圖(7)所示的進(jìn)一步分析?？梢钥闯?，當(dāng)上下兩端同時(shí)受壓時(shí)，模型中分布的應(yīng)力值更大，成型效果更優(yōu)。因此，設(shè)計(jì)壓縮模具時(shí)，應(yīng)考慮同時(shí)實(shí)現(xiàn)上下模的壓縮。

2.2 不同模具下的壓縮試驗(yàn) 根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)及預(yù)試驗(yàn)。結(jié)果可以判定，當(dāng)試驗(yàn)所用專(zhuān)用顆粒肥在壓力大約為4 000 N時(shí)，能較好的粘合成型。因此，在以下試驗(yàn)中所用壓力極值定為4 000 N，每次試驗(yàn)稱(chēng)取等質(zhì)量的肥料。壓縮試驗(yàn)所用主要設(shè)備為JS-805電腦式雙柱拉力試驗(yàn)機(jī)，其最大拉壓力荷重元2 000 kg，荷重精度±0.5%，測(cè)試速度為1～1 000 mm/min;電子天平(精度:0.001 g)。

制作好相應(yīng)模具后，稱(chēng)取300 g試驗(yàn)用肥料，加入成型腔。下模固定不動(dòng)，上模連接材料試驗(yàn)機(jī) (測(cè)試速度，20 mm/min)，設(shè)定好壓力極值4 000 N后，開(kāi)始?jí)嚎s。結(jié)果4種模具壓縮得到的力量－位移曲線基本一致，呈現(xiàn)出如圖8所示的變化規(guī)律。

圖8 壓縮試驗(yàn)力量－位移曲線

圖9 壓縮實(shí)際效果

由圖8可以看出，壓縮過(guò)程中位移變化逐漸減小，最終接近0，而壓縮力的變化是越來(lái)越大，也就是越來(lái)越難壓縮。4次壓縮試驗(yàn)得到的力量－位移曲線之間的差異在于達(dá)到4 000 N的壓力極值時(shí)，得到的位移不一樣，即壓縮百分比不一樣。其中模具兩端為凹面的壓縮位移最大，為39.6 mm，壓縮百分比達(dá)到了36%，成型塊能較好的脫模，粘結(jié)牢固，成型效果最好。而采用目前最普遍的圓柱體模具壓縮得到的壓縮百分比最小，脫模后，成型塊較為松散，成型效果不太理想。4次壓縮試驗(yàn)的結(jié)果如表1和圖9所示。試驗(yàn)所得結(jié)果與前述ANSYS理論分析結(jié)果吻合，理論分析得到了有效的驗(yàn)證。

表1 壓縮成型試驗(yàn)結(jié)果

3 壓縮成型樣機(jī)的試制

根據(jù)上述ANSYS理論分析和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，初步試制了如圖(10)所示固體緩釋肥壓縮成型機(jī)，成型效率為每分鐘2個(gè)。利用氣缸作為壓縮時(shí)的動(dòng)力源(工作壓力為0.6 MPa)，利用彈簧的壓縮特性來(lái)實(shí)現(xiàn)上下模的同時(shí)沖壓。

圖10 壓縮成型機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理:初始時(shí)，推動(dòng)手柄將下模移到模腔的正下方(通過(guò)左側(cè)一定位銷(xiāo)可實(shí)現(xiàn)定位)，將稱(chēng)取好的肥料加入模腔內(nèi)。開(kāi)啟氣泵，氣泵產(chǎn)生的壓縮氣體經(jīng)空氣過(guò)濾器過(guò)濾后進(jìn)入腳踏開(kāi)關(guān)，然后分兩路導(dǎo)出，進(jìn)入氣缸。踩下腳踏開(kāi)關(guān)，上模下移，對(duì)物料進(jìn)行壓縮，氣缸達(dá)到最大行程后，松開(kāi)腳踏開(kāi)關(guān)，上模上移復(fù)位。通過(guò)手柄將下模移開(kāi)，再次踩下腳踏開(kāi)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)脫模，如此往復(fù)進(jìn)行?？梢愿鶕?jù)不同的需求，更換模具的大小即可得到不同規(guī)格的固體緩釋肥，大大提高了其適用性。

4 結(jié)論

(1)對(duì)比現(xiàn)在常用的壓縮成型技術(shù)后，得到最適合固體緩釋肥的成型技術(shù)為沖壓式成型。

(2)ANSYS理論分析表明4種不同模具的壓縮成型中，兩端為凹面的受力分布最符合肥料成型的要求，不存在明顯的松散區(qū)域，應(yīng)力分布較為均勻。

(3)4種不同情況下的壓縮試驗(yàn)顯示兩端為凹面的壓縮位移最大，壓縮百分比達(dá)到了36%，得到的成型塊粘結(jié)效果最牢固，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(4)初步試制了一臺(tái)氣壓式成型機(jī)，效果較為理想。

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