液態(tài)施肥機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)研究

張明秋

(黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100)

液態(tài)施肥機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)研究

張明秋

(黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100)

液態(tài)肥的使用提高了化肥的利用率，使農(nóng)作物增產(chǎn)，還可減少環(huán)境污染。針對液態(tài)施肥機(jī)增速齒輪箱、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)及噴針等工作關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，使機(jī)具的作業(yè)效果，滿足中耕施肥時(shí)的農(nóng)藝要求。

液態(tài)施肥機(jī)；設(shè)計(jì)；增速齒輪箱，噴針

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)一直在春播和中耕環(huán)節(jié)施用固態(tài)化肥, 以補(bǔ)償土壤肥力的不足, 此法易產(chǎn)生揮發(fā)和淋失, 不僅污染環(huán)境, 且肥效利用率也只在30%左右。液態(tài)施肥是將液體肥料通過深施，定量均勻地施于地表以下，深度要達(dá)到深施技術(shù)的要求。實(shí)踐證明,在施肥量不變的情況下，液態(tài)施肥與固態(tài)施肥相比，化肥利用率從 30% 提高至 60%,可增加農(nóng)作物產(chǎn)量20%, 還可凈化環(huán)境,減少污染。

液態(tài)施肥機(jī)在工作時(shí)，要滿足中耕施肥時(shí)的農(nóng)藝要求。由于作業(yè)機(jī)具空間較小，要求整體結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和施藥系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工作技術(shù)要求的關(guān)鍵。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由離合器、鏈輪、支撐軸承、聯(lián)軸器及增速齒輪箱等組成；施藥系統(tǒng)主要由液肥箱、管路、液泵、噴液自控閥、過濾器、三通、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)及噴針等組成。其部件增速齒輪箱、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)及噴針是保證動(dòng)力傳輸平穩(wěn)和作業(yè)施肥準(zhǔn)確的關(guān)鍵。

在考慮施肥技術(shù)要求和工作環(huán)境(地表、天氣)等因素的影響下，為達(dá)到穴施液態(tài)施肥機(jī)的施肥效率是人工施肥效率五倍以上的目的，對影響穴施液態(tài)施肥機(jī)工作效果的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 液態(tài)施肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)具設(shè)計(jì)要求

(1)在施肥機(jī)具平穩(wěn)作業(yè)時(shí)，動(dòng)力傳送平穩(wěn)連續(xù)。

(2)整機(jī)簡單緊湊，降低制造成本。

(3)在滿足農(nóng)藝要求的前提下，通過改變輸出動(dòng)力調(diào)節(jié)整機(jī)系統(tǒng)的工作參數(shù)。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中耕施肥時(shí)，與鏵犁配套使用，液肥箱、液泵及部分管路均在拖拉機(jī)上安裝, 張緊機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)、噴液控制機(jī)構(gòu)、施肥部件均裝在鏵犁上。液箱安裝時(shí)，利用拖拉機(jī)后輪處卸下的擋泥板位置固定座,將液箱架裝配到拖拉機(jī)后橋半軸殼體上，其總結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 穴施液態(tài)施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)總裝圖

1.液壓泵 2.液肥箱 3.管路系統(tǒng) 4.中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)5.離合機(jī)構(gòu)6.張緊機(jī)構(gòu) 7.噴液自控閥 8.增速箱9.曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 10.噴針 11.鏈輪

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在作業(yè)時(shí)，動(dòng)力來源于拖拉機(jī)后驅(qū)動(dòng)輪和后動(dòng)力輸出軸，根據(jù)拖拉機(jī)作業(yè)速度得出該液態(tài)施肥機(jī)扎穴機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)臂應(yīng)在125r/min左右，增速方案選擇拖拉機(jī)后驅(qū)動(dòng)輪右側(cè)由鏈傳動(dòng)作為一級(jí)增速，經(jīng)過中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由齒輪箱的一對齒輪傳動(dòng)作為二級(jí)增速，其總傳動(dòng)比是：i=8.379。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 增速齒輪箱設(shè)計(jì)

穴施液態(tài)施肥機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用二級(jí)傳動(dòng)方式，傳動(dòng)系統(tǒng)第一級(jí)增速由鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，二級(jí)增速由增速齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。選擇一級(jí)變速箱來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的第二級(jí)增速過程。施肥機(jī)要求傳動(dòng)比大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，其在工作過程中承受過載荷沖擊較多，故變速箱齒輪采用漸開線型齒輪。

在傳動(dòng)系統(tǒng)中，要求齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定地將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞給扎穴機(jī)構(gòu)的擺臂，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，且變速箱為增速機(jī)構(gòu)，則大齒輪為主動(dòng)輪，小齒輪為從動(dòng)輪，確定變速箱結(jié)構(gòu)，如圖2所示。中間傳動(dòng)軸和變速箱的大齒輪軸(圖2中1處)通過十字軸式萬向連軸器聯(lián)接，小齒輪輸出軸右邊聯(lián)接擺臂(圖2中2處)，左邊輸出端通過凸輪機(jī)構(gòu)給分配器提供動(dòng)力，末端與左擺臂聯(lián)接。

圖2 變速箱傳動(dòng)圖

1.傳動(dòng)軸 2.右擺臂 3.分配器 4.左擺臂

拖拉機(jī)輸出功率18Kw后驅(qū)動(dòng)輪傳遞效率為0.6，鏈傳動(dòng)的傳遞效率為0.96, 萬向聯(lián)軸器的傳遞效率為0.98, 離合器傳遞效率為0.99, 中間傳動(dòng)軸的傳遞的效率為0.98，齒輪傳動(dòng)傳遞效率為0.89.則齒輪輸入功率p2=9.858Kw，輸出功率p1=8.77Kw?？倐鲃?dòng)比為i=8.379，鏈傳動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為3，則變速箱的齒輪傳動(dòng)比為μ=2.793。輸出軸轉(zhuǎn)速n1=125r/min， 輸入軸轉(zhuǎn)速n2=44.75r/min。

(1)選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)

按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；其工作速度不高，故選用7級(jí)精度(GB10095-88)；大齒輪材料選擇40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，小齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為250HBS；選小齒輪齒數(shù)z1=24，則大齒輪齒數(shù)為z2=z1·μ=67.032，故取67 。

(2)強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核

標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算公式：

(1)

確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值：

① 選取載荷系數(shù)為K=1.5

② 計(jì)算大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩

(2)

由式(2 ) 計(jì)算得T2=2.104×106N·mm

③ 選取齒寬系數(shù)φd=1，材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa；按齒面硬度查得大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σH lim2=550Mpa;σH lim1=600Mpa;

④ 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

N=60n1jLh

(3)

由式(3)得N2=0.19×109，N1=0.54×109。接觸抗疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.95;KHN2=0.90

⑤ 接觸疲勞許用應(yīng)力計(jì)算

取失效率為0.01，安全系數(shù)S=1,

(4)

由式(4)計(jì)算得[σH]1=523Mpa; [σH]2=540Mpa

得出主要幾何尺寸：齒寬b1=50mm，b2=45mm；模數(shù)為2.5；齒高h(yuǎn)=5.9mm；分度圓直徑為d1=72.5mm，d2=202.5mm；中心距a=138mm。

2.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)及噴針設(shè)計(jì)

(1)工作原理

噴針及曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是液態(tài)施肥機(jī)的執(zhí)行部件，動(dòng)力由傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給曲柄，通過曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)搖桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴針上下的運(yùn)動(dòng)，完成扎穴和施肥的操作。

(2)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)農(nóng)藝要求，液態(tài)肥的施肥深度為100mm左右。因此該液態(tài)施肥機(jī)在工作時(shí)，保證了噴針的噴射部位在地表以下70～120mm的噴射帶內(nèi)。由于噴針應(yīng)具有入土容易的性能，在噴射部位的下方焊接了30mm的針尖，既方便了入土，又可以使噴針在向上運(yùn)動(dòng)時(shí)不易粘土。當(dāng)噴針的噴射部位到達(dá)最深處時(shí)，應(yīng)該保證搖桿頂端不和土面接觸所以要有一定的余量，在滿足噴針強(qiáng)度要求的同時(shí)，給出余量為50mm。經(jīng)設(shè)計(jì)研究，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為曲柄120mm，機(jī)架700mm，連桿800mm，搖桿400mm，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 噴針及曲柄搖桿機(jī)構(gòu)示意圖

1.主梁 2.左曲柄 3.噴液自控閥 4.扎穴機(jī)構(gòu)連桿 5.前擺臂轉(zhuǎn)軸

(3)噴針的噴射深度及軌跡

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是施肥機(jī)噴射深度及噴射軌跡保證的關(guān)鍵，施肥機(jī)噴射深度及噴射軌跡直接決定了施肥機(jī)的工作效果。由于噴射深度不受施肥機(jī)前進(jìn)速度的影響，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)只需把噴射點(diǎn)的縱向坐標(biāo)描述出來即可。建立如圖所示的坐標(biāo)系，尺寸按設(shè)計(jì)的要求給出，并規(guī)定圖中的兩個(gè)角分別叫φi和φj，如圖4所示。

圖4 噴針運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)圖

其中

(5)

yB=120cosωt

(6)

xB=120sinωt

(7)

則C點(diǎn)(噴針)的投影方程

yC=yB+800·cosφi=700+400·cosφj

(8)

xC=xB+800·sinφi=400·sinφj

(9)

兩邊平方相加整理

A0cosφi+B0sinφi-C0=0

(10)

其中

A0=2×800(700-120cosωt)=112000-19200cosωt

B0=2×800(0-120sinωt)=-19200sinωt

=111200-160000cosωt

根據(jù)裝配條件

lBD≤800+400

lBD≥|800-400|

(11)

當(dāng)BCD順時(shí)針時(shí)φi取+號(hào)

(12)

(13)

(14)

(15)

式(15)是噴針噴射部位的縱向坐標(biāo)。

(16)

式(16)是噴針噴射部位的行進(jìn)方向坐標(biāo)。

(4)噴針的校核

噴針在工作過程中，上端固定，下端受土壤的反作用力會(huì)發(fā)生微小的變形，故可簡化成下端固定，上端自由的壓桿。其臨界壓力

(17)

式中：Pcr—臨界壓力

EI—抗彎剛度

μ—壓桿長度系數(shù)

取壓桿長度系數(shù)μ=2。應(yīng)用臨界壓力公式，臨界壓應(yīng)力σcr為

(18)

噴針進(jìn)行穩(wěn)定校核。噴頭由不銹鋼制成，σS=350Mpa,σP=280Mpa，E=200Gpa。長度l=200mm，直徑d=24mm。最大壓力Pmax=5KN，規(guī)定安全系數(shù)nst=10。

采用直線公式，由表查得，不銹鋼a=461,b=2.625，由公式：

噴針的柔度介于λ2和λ1之間，是中等柔度壓桿。由直線公式求出臨界應(yīng)力為

σcr=a-bλ=306.92Mpa

Pcr=σcr·A=138.8KN

所以，滿足穩(wěn)定要求。

設(shè)土壤的橫向載荷5KN,Mmax=5000×0.2=1000KN

滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出液態(tài)施肥機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，針對其工作過程和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)出增速齒輪箱并對其齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核；提出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和噴針機(jī)構(gòu)，并對噴針的噴射深度及軌跡進(jìn)行探討，使其工作過程滿足農(nóng)藝上施肥的要求。但這種施肥機(jī)只能完成定量的施肥，只能適應(yīng)短幅寬的作業(yè)要求，因此還有待于進(jìn)一步的完善變量施肥。

[1]王金武，紀(jì)文義，馮金龍，王金峰.液態(tài)施肥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008(6).

[2]馮金龍.液體施肥裝置施肥機(jī)理的試驗(yàn)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(4).

[3]王金峰，王金武，鞠金艷，何劍南.深施型液態(tài)施肥機(jī)扎穴機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(5).

[4]宋德慶，黃正明.我國追肥施布機(jī)械及技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望 [J].農(nóng)機(jī)化研究學(xué)報(bào)，2014(10).

Class No.:S224.21 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

Design of Key Parts of the Liquid Fertilizer Applicator

Zhang Mingqiu

(Heilongjiang Universitiy of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

Application of liquid fertilizer increased the utilization of fertilizer in crop production, and also reduced environmental pollution. We discussed the key parts structure design for speed gear box of liquid fertilizer applicator, the crank rocker mechanism and spray needle and the strength check in order to meet the make the agronomic requirements of cultivation and fertilization.

liquid fertilizer applicator; design; speed gear box; spraying needle

張明秋，碩士，講師，黑龍江工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系。

1672-6758(2017)05-0046-4

S224.21

A