通用型擺管式撒肥機(jī)的設(shè)計

摘要：針對國內(nèi)現(xiàn)有施肥機(jī)械易產(chǎn)生架空、撒肥不均以及通用性差等缺點(diǎn)，設(shè)計了一種通用型擺管式撒肥機(jī)。采用仿生學(xué)原理，模仿人的手臂撒肥往復(fù)動作，由往復(fù)拉桿和擺動管組成擺動機(jī)構(gòu)，并分析了擺管的運(yùn)動特性，確定了整機(jī)的參數(shù)，實現(xiàn)了撒肥的均勻性。針對通用性又在撒肥機(jī)肥箱中加裝了攪肥裝置，可以撒施粉狀肥料如碳酸氫銨?？v向撒肥均勻性試驗結(jié)果表明，撒肥均勻性良好，無斷條現(xiàn)象，能較好地滿足實際生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：撒肥機(jī)；擺管式；通用型；仿生學(xué)

中圖分類號：S224.21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）21-5329-05

Design on General Fertilizer Spreading Machines of Swing Tube Type

LI Peng，XIA Jun-fang

（College of Engineering， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）

Abstract： Aiming at solving the problems of overheading， lack of versatility and uneven spreading during the work of the fertilizer spreading machines， a kind of general fertilizer spreading machine of swing tube type was designed， adopting bionics principle and simulating people’s arm swing. The swing mechanism of fertilizer spreading machine was made up of reciprocating linkages and swing tube. The paper analysed kinetic characteristic of the swing tube and defined the parameters of the machines that could spread fertilizer uniformly. Stir mechanism was installed on the fertilizer boxvolume， so that the fertilizer could spread powder fertilizer， such as ammonium hydrogen carbonate. The experiments on the uniformity were conducted with a variable rate fertilizer spreader. Results showed that the effect of spreader was well， and there was no fertilizer break phenomenon， which indicated the spreader could meet the need of practical production in the fields.

Key words： fertilizer spreading machine； swing tube type； general type； bionics

近幾年隨著秸稈還田技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用[1-3]，為了使埋入土壤中的秸稈迅速分解腐爛，滿足反硝化作用對氮的需求，含氮和磷的基肥施用量逐年增加[4]。但是在我國大部分地區(qū)現(xiàn)階段仍為人工撒施化肥，存在效率低、撒肥不均勻和肥效低等缺點(diǎn)，更大的危害是化肥對人體的傷害，尤其是像碳酸氫銨這種易揮發(fā)化肥。隨著對施肥要求的不斷提高，施肥技術(shù)和施肥機(jī)械也日趨成熟，其中研究最多的是圓盤式撒肥機(jī)[5-9]。圓盤式撒肥機(jī)有大幅寬、高效率和撒肥均勻等優(yōu)點(diǎn)，適合農(nóng)場大田作業(yè)，但不適合我國農(nóng)村的小田塊。

針對我國農(nóng)村田塊小的特點(diǎn)，研制一種小幅寬并且可以和本課題組研制的旋耕埋草機(jī)配套使用的通用型擺管式撒肥機(jī)[2]，該撒肥機(jī)采用仿人手臂施肥方式，通過擺動管往復(fù)擺動撒施化肥。另在該撒肥機(jī)肥箱中加裝攪刀式攪肥裝置，既可以撒施顆粒狀肥料又可以排施粉狀肥料。

1 擺管式撒肥機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

擺管式撒肥機(jī)主要由肥箱、攪肥裝置、排肥口、擺管機(jī)構(gòu)和擺管等組成（圖1）。其工作過程為，肥料由肥箱經(jīng)撥肥輪強(qiáng)制排出落到擺管內(nèi)；擺管由擺動機(jī)構(gòu)帶動，繞落肥口正下方的支撐點(diǎn)往復(fù)擺動，肥料在擺管不斷的往復(fù)擺動過程中由擺管口均勻地撒施于田間。

2 擺管式撒肥機(jī)主要部件設(shè)計

2.1 肥箱結(jié)構(gòu)

肥箱的體積應(yīng)與地塊長短和排肥量相適應(yīng)，體積過小影響工作效率，過大則增加了牽引阻力，并影響機(jī)組的縱向穩(wěn)定性。肥箱容積的設(shè)計至少應(yīng)滿足在最大排量情況下在較長地塊上往返一次再添加肥料。肥箱的容積應(yīng)滿足公式（1）[10]：

V=■ （1）

式中，l為肥箱裝滿后的施肥距離， 一般為地塊長度的兩倍（m）；B為施肥機(jī)的工作幅寬（m）；Q為單位面積施肥量（kg/hm2）；ρ為肥料的密度（g/L）。

設(shè)計按地塊長度500 m，有效施肥幅寬1.2 m，施肥量450 kg/hm2計，以顆粒復(fù)合肥考慮（試驗用肥料為芭田中芬，ρ=835 kg/m3），肥料箱容積為71 L，可一次加肥滿足3～4次往返撒肥量的要求。肥箱的形狀如圖1所示，肥箱底部斜面與水平面夾角為30°，確保大于試驗用化肥的休止角，以保證化肥能自然地向下流動。

2.2 撥肥輪設(shè)計

撒肥機(jī)的排肥方式為強(qiáng)制排肥，撥肥輪一部分進(jìn)入肥箱內(nèi)，當(dāng)排施易架空的肥料（比如碳酸氫銨）時可將肥料強(qiáng)制排出。并且為滿足不同肥料的施肥要求設(shè)計兩種不同撥齒的撥肥輪，每個撥肥輪都配有相適應(yīng)的排肥活門（圖2），可以根據(jù)排施化肥換裝相應(yīng)的撥肥輪和活門。

第一種撥肥輪為圓柱型撥齒撥肥輪，適合排施顆粒肥料，顆粒肥料流動性好、易排出，故只需用圓柱型撥齒就能達(dá)到所需的排肥效果。圓柱型撥齒撥肥輪配套前段開有窄口的活門。根據(jù)實驗測得，圓柱型撥齒撥肥輪排施顆粒型復(fù)合肥（芭田中芬）的排量為0～600 kg/hm2。第二種撥肥輪為矩形截面齒形撥肥輪，適合排施粉狀肥料，粉狀肥料易架空，較難排出，撥肥輪配套前段開有和撥齒同寬度開口的活門。試驗顯示，采用矩形撥齒撥肥輪能有效解決粉狀肥難排的問題，排施碳酸氫銨的排量為0～500 kg/hm2。

2.3 攪肥裝置設(shè)計

擺管式撒肥機(jī)可以排施不同的肥料。針對粉狀肥料流動性差、易結(jié)拱和易架空等缺點(diǎn)，在肥箱中加裝攪肥裝置（圖3）。該攪肥裝置由攪肥軸和攪刀筒組成，攪肥軸穿過攪刀筒，當(dāng)撒施顆粒肥料時，不需要攪肥可將攪刀筒卸下。攪刀筒上焊有攪刀和喂入葉片，攪刀的長度根據(jù)攪肥軸到肥箱底部的距離確定，攪刀的排布按照轉(zhuǎn)動方向螺旋排布，轉(zhuǎn)動時推動肥料向中間流動，攪刀設(shè)計為“丫”字形，可以避免轉(zhuǎn)動時有未攪到的位置。

2.4 往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)和擺管設(shè)計

擺管是撒肥機(jī)的重要部件，直接影響撒肥機(jī)撒施化肥的均勻性。擺管的設(shè)計是運(yùn)用仿生學(xué)，模擬人手臂撒肥的動作，采用對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和擺臂機(jī)構(gòu)實現(xiàn)其肥料口的往復(fù)擺動。動力通過轉(zhuǎn)向器進(jìn)行90°轉(zhuǎn)向，帶動固定在輸出軸上的曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將曲柄的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換成往復(fù)拉桿的往復(fù)運(yùn)動，往復(fù)拉桿拉動擺管繞支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)擺管的往復(fù)轉(zhuǎn)動。擺管與水平面呈α角度；擺管口相對于擺管上翹，位于落肥口的正下方。圖4為擺動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。

將擺動機(jī)構(gòu)簡化為如圖5所示的工作原理示意圖，在平面先建立直角坐標(biāo)系，將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在曲柄的轉(zhuǎn)動中心，此曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為對心曲柄滑塊，故x軸與往復(fù)拉桿重合，標(biāo)出各桿矢量及其方位角。

從圖5可以看出，封閉圖形O1AB的矢量方程為：

l1+l2=s3

寫成投影方程：

X：-l1cosθ1+l2cosθ2=s3Z：-l1sinθ1+l2sinθ2=0 （2）

O1到O2點(diǎn)的矢量方程為：

s3+l4+s5=a+b

寫成投影方程：

X：=-s5sinθ3+s3+l4=aY：-s5cosθ3=b （3）

以O(shè)2點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立擺管口D點(diǎn)的動態(tài)坐標(biāo)方程為：

XD=l6cosθ4YD=l6sinθ4+vt （4）

式中，l1為曲柄O1A的長度；l2為連桿AB的長度；s3為曲柄轉(zhuǎn)動中心到B點(diǎn)的距離；l4為往復(fù)拉桿B點(diǎn)到轉(zhuǎn)塊C的長度；s5為轉(zhuǎn)塊C到擺管支撐點(diǎn)O2點(diǎn)的距離；l6為擺管長度；θ1為曲柄轉(zhuǎn)角；θ2為連桿轉(zhuǎn)角；θ3為擺管轉(zhuǎn)角；v為機(jī)組前進(jìn)速度；a為O1點(diǎn)到O2點(diǎn)的X向距離；b為O1點(diǎn)到O2點(diǎn)的Y向距離。

其中θ3、θ4的關(guān)系為θ3+θ4=■，即θ3=■-θ4。將θ3代入公式（4）得：

XD=l6sinθ3YD=l6cosθ3+vt （5）

整理公式（2）、（3），得到θ3：

θ3=arctg■

將θ3對時間求一次導(dǎo)數(shù)，得到擺管的角速度ω3：

ω3=■

將整理后的θ3代入公式（5），同時將其他各參數(shù)賦值，利用Matlab軟件繪出D點(diǎn)軌跡曲線和相應(yīng)位置擺管角速度曲線，其中機(jī)組前進(jìn)速度v=1 m/s，ω取值分別為3、4、5 π/s，繪出各自的軌跡曲線如圖6。從圖6可以看出，擺管出口處的運(yùn)動軌跡近似為“S”形曲線。分析軌跡曲線可知，當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度一定時，擺管擺動的一個周期內(nèi)會存在撒肥盲區(qū)，即肥料沒有撒落到該區(qū)域，特別是擺管正下方經(jīng)過的區(qū)域，由擺管角速度曲線可以看出，當(dāng)擺管口擺動到中間區(qū)域時擺管角速度最大，即擺管口切向速度最大，擺管快速擺過該區(qū)域，造成少施、漏施；同時還會存在重施區(qū)，即肥料重復(fù)落到該區(qū)域，在擺管擺到兩端時停留時間過長，造成兩端施肥過多。這兩種情況都會造成施肥的不均勻。因此選擇適當(dāng)?shù)臄[動頻率能提高施肥效率，減少肥料的浪費(fèi)。

3 施肥效果試驗

3.1 轉(zhuǎn)速校核

撒肥機(jī)的動力由設(shè)置在側(cè)后邊的交流電動機(jī)提供，同時為了滿足試驗的調(diào)速要求，在交流電動機(jī)前串聯(lián)一臺西門子MICROMASTER420型變頻器，試驗需求的轉(zhuǎn)速范圍為80～150 r/min，將變頻器的頻率范圍設(shè)定為2～10 Hz。經(jīng)測定，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為50～200 r/min，滿足試驗要求。

撒肥機(jī)采用電動機(jī)-鏈輪-齒輪傳動設(shè)計，電動機(jī)通過鏈條將動力傳遞到固定于攪肥軸的大鏈輪，此鏈輪為雙排鏈輪；大鏈輪再降動力傳遞到固定于排肥軸的小鏈輪，小鏈輪同樣為雙排鏈輪；小鏈輪再次通過鏈條將動力傳到轉(zhuǎn)向器。傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速比為1∶2∶1∶1，依次為電動機(jī)輸出軸、攪肥軸、排肥軸和轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向速度比為1∶1。通過傳動系統(tǒng)可保證擺管的擺動頻率范圍為1.5～2.5 Hz。

由于存在交流電動機(jī)對變頻器的響應(yīng)誤差和變頻器本身的精度問題，有可能使變頻器顯示的輸出轉(zhuǎn)速和施肥圓盤的實際轉(zhuǎn)速之間存在較大差異，導(dǎo)致施肥圓盤轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確，影響試驗精度。因此應(yīng)該對拋撒模型的轉(zhuǎn)速精度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核。采用欣寶科儀DT2236B型光電接觸兩用轉(zhuǎn)速儀測量攪肥軸的轉(zhuǎn)速，然后與此時變頻器輸出電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，得到結(jié)果如表1。從表1可以看出，隨著頻率的增加絕對誤差增大，最大絕對誤差為3.43%，這在可以接受的范圍內(nèi)，因此完全可以認(rèn)為變頻器顯示的轉(zhuǎn)速即為施肥圓盤的實際轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速有很好的穩(wěn)定性。

3.2 均勻性試驗

施肥效果最重要的評價指標(biāo)是排肥器的排肥均勻性，主要用排出肥的均勻程度來衡量。參照GBT 20346.1-2006對撒肥機(jī)進(jìn)行了室內(nèi)試驗，于2012年11月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程試驗實踐基地進(jìn)行，分別對顆粒狀復(fù)合肥和粉狀碳酸氫銨進(jìn)行試驗。

3.2.1 橫向施肥均勻性 碳酸氫銨易分解，分解后銨離子能在土壤中運(yùn)動擴(kuò)散，對撒施均勻性要求較低；顆粒肥被施入土壤后是固定不動，因而對均勻性要求較高一些。顆粒肥均勻性試驗分別測定顆粒肥的橫向均勻性和縱向均勻性，試驗中設(shè)置曲柄轉(zhuǎn)速ω取值分別為3、4、5 π/s 3種不同轉(zhuǎn)速和大小兩種不同排量，同時設(shè)置擺管的安裝角度10°和30°，共12組情況。參照標(biāo)準(zhǔn)ASAE S341.2的試驗說明[11]，采用二維矩陣收集的方法進(jìn)行試驗。在相應(yīng)有效施肥幅寬內(nèi)擺放邊長0.12 m的正方形肥料收集盒，橫向和縱向盒子間距為0.06 m。分別測定各情況橫向施肥變異系數(shù)，試驗結(jié)果如表2。

從表2可以看出，擺管安裝角度為30°時該撒肥機(jī)橫向均勻性明顯優(yōu)于安裝角度為10°時。當(dāng)擺管安裝角度為30°時，擺管口距離地面高度較低，肥料顆粒飛離擺管至落在地面的時間要短，拋撒遠(yuǎn)度小，施肥幅寬也相應(yīng)較小，橫向施肥變異系數(shù)降低。隨著擺動頻率的增加，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性降低，造成橫向施肥變異系數(shù)增大。該撒肥機(jī)在擺管安裝角度為30°撒施顆粒肥的有效幅寬為1.2 m。

由于碳酸氫銨不易流動，故采用安裝角度為45°的擺管，此角度擺管口距離地面高度較低，造成有效施肥幅寬減小，有效幅寬為1.0 m，試驗時設(shè)置曲柄轉(zhuǎn)速ω取值分別為4 π/s和5 π/s兩種不同轉(zhuǎn)速，直接將肥料撒施到地面，拖動平鋪在地面的油布，拖動速度為1 m/s， 將有效幅寬分為三段進(jìn)行稱重，測定其變異系數(shù)，得到變異系數(shù)值分別為49.17%和40.07%。

3.2.2 縱向施肥均勻性 縱向施肥與擺管無關(guān)，故設(shè)置曲柄轉(zhuǎn)速ω取值分別為3、4、5 π/s 3組不同轉(zhuǎn)速，5 s為計時單位，每組選定三段稱重，測定各組的變異系數(shù)，得到結(jié)果如表3。由表3可以看出，顆粒肥的縱向均勻性明顯優(yōu)于碳酸氫銨，原因在于顆粒狀肥料流動性好，碳酸氫銨流動性差、易粘連。該撒肥機(jī)撒施兩種肥料都沒有出現(xiàn)斷條的現(xiàn)象。

4 小結(jié)

針對小田塊作業(yè)地區(qū)，設(shè)計了一種通用型擺管式撒肥機(jī)，并確定了整機(jī)的撒施方案以及參數(shù)，該撒肥機(jī)可撒施不同肥料，效果良好。通過分析擺管的運(yùn)動特性，建立了擺管的運(yùn)動方程，通過運(yùn)動方程找出最佳的前進(jìn)速度和擺動頻率的組合，提高了肥料撒施的均勻性。

試驗結(jié)果表明，該撒肥機(jī)通用性好，能撒施大顆粒肥料和易吸濕性粉狀肥料，撒施均勻性良好。未出現(xiàn)空段，即斷條率為零，能較好地滿足實際生產(chǎn)的要求。

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