有機(jī)肥施耕一體機(jī)設(shè)計

曾繁明 吳曉軍 趙河明 張鋒 韓廣超

摘要為解決有機(jī)肥施撒不均勻、費時、費力以及緩解土壤板結(jié)、酸化等問題，設(shè)計一種有機(jī)肥施耕一體機(jī)。該機(jī)通過接地驅(qū)動輪與地面的摩擦轉(zhuǎn)動，帶動料斗內(nèi)攪拌輪的轉(zhuǎn)動，對料斗內(nèi)有機(jī)肥料進(jìn)行一定程度的攪拌，同時電機(jī)在不同行進(jìn)速度下轉(zhuǎn)開不同角度，漏料口打開，肥料均勻撒落，在肥料撒落到地面的同時被旋耕機(jī)耕耙到土壤中，最終實現(xiàn)施肥、耕、耙機(jī)械化。該一體機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，能均勻撒落有機(jī)肥料，制造成本低，省時又省力，對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞有機(jī)肥；旋耕；鏈傳動；轉(zhuǎn)角控制

中圖分類號S232.9，S232.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2017）08-0221-03

Design of Organic Fertilizer Rotary Tillage Machine

ZENG Fanming， WU Xiaojun， ZHAO Heming et al（College of Mechatronic Engineering， North University of China， Taiyuan， Shanxi 030051）

AbstractTo solve organic fertilizer applied uneven， timeconsuming， laborious， and alleviate problems such as soil compaction， acidification condition， a kind of organic fertilizer rotary tillage machine was designed.The machine through the ground drive wheel friction with the ground， driving in the hopper mixing wheel rotation， to a certain degree of mixing hopper in the organic fertilizer， at the same time， the motor turned away different angles under different speed， leakage is expected to open the mouth， fertilizer evenly scattered， scattered in fertilizer to the ground at the same time by rotary cultivator tillage work at to the soil， finally realizes the mechanization of fertilization， plough， rake.The machine has simple structure， convenient operation， low manufacturing cost， simple operation， save time and effort， which can be a reference for agricultural machinery design.

Key wordsOrganic fertilizer；Rotary tillage；Chain transmission；Angle control

合理應(yīng)用有機(jī)肥，有利于改善土壤環(huán)境及作物品質(zhì)、提高肥料利用率、節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1]。但是我國目前肥料使用現(xiàn)狀是化肥過度使用，有機(jī)肥料使用嚴(yán)重不足，導(dǎo)致我國環(huán)境污染嚴(yán)重，土壤的保肥、供肥能力下降，進(jìn)而導(dǎo)致土壤板結(jié)和酸化，嚴(yán)重阻礙我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展[2]。人工對有機(jī)肥的施撒會不均勻且比較費時、費力，有機(jī)肥料生產(chǎn)技術(shù)沒有大面積推廣應(yīng)用以及農(nóng)民缺乏對有機(jī)肥料重要性的認(rèn)識等原因是有機(jī)肥使用率低下的幾大主要因素。近些年，發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)機(jī)械化已達(dá)到相當(dāng)高的水平。隨著我國經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平也有了很大提升，各種農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，如聯(lián)合收割機(jī)、開溝機(jī)、播種機(jī)等。筆者針對平原地區(qū)農(nóng)田施撒有機(jī)肥料的各種問題設(shè)計了有機(jī)肥施耕一體機(jī)，屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械施肥和旋耕結(jié)合一體的專業(yè)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、肥料施撒效率高，可解決目前有機(jī)肥料施肥費時、費力及施撒不均勻等問題，有效提高有機(jī)肥的使用，減少化肥的使用，有效緩解土壤板結(jié)和酸化的現(xiàn)狀。

1整體結(jié)構(gòu)及工作原理

為實現(xiàn)有機(jī)肥料施撒跟旋耕，必須完成有機(jī)肥的供料、攪拌、均勻撒落以及旋耕有機(jī)結(jié)合4個環(huán)節(jié)，所設(shè)計的有機(jī)肥施耕一體機(jī)主要有料斗、攪拌輪、步進(jìn)電機(jī)、接地驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)動采集器、轉(zhuǎn)角-肥量控制器及旋耕裝置等組成。該機(jī)械的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

料口擋板；11.旋耕刀片；12.旋耕機(jī)箱體總成；13.旋耕軸；14.燕尾鏟；15.接地驅(qū)動輪；16.轉(zhuǎn)動采集器

Note：1.Hopper base；2.Hopper；3.Bevel gear steering gear；4.Rotary shaft throughhole；5.Sprocket drive；6.Agitating wheel；7.Baffle rotation mechanism；8.Stepper motor；9.Angle fertilizer controller；10.Feed discharge mouth baffle；11.Rotary blade；12.rotary plow box assembly；13.Rotary shaft；14.Dovetail shovel；15.Ground connection drive wheel；16.Rotary collector

有機(jī)肥施耕一體機(jī)的工作原理：在農(nóng)用拖拉機(jī)帶動下，旋耕機(jī)進(jìn)行工作，同時在機(jī)器行進(jìn)中接地驅(qū)動輪與地面接觸而轉(zhuǎn)動，同步帶動錐形齒輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換裝置運(yùn)動，通過鏈輪傳動帶動3個均勻分布的攪拌輪轉(zhuǎn)動，攪拌肥料，防止肥料堆積；提前將加工好的顆粒狀有機(jī)肥倒進(jìn)料斗中，在機(jī)械設(shè)備運(yùn)動過程中，轉(zhuǎn)動采集器采集接地驅(qū)動輪是否轉(zhuǎn)動，根據(jù)電機(jī)上轉(zhuǎn)角-肥量控制器設(shè)定好的施肥量，自動調(diào)整料口擋料板轉(zhuǎn)開相應(yīng)的漏料角度，也可以手動調(diào)整轉(zhuǎn)角大小，肥料在攪拌輪的攪拌和重力作用下勻速撒落。有機(jī)肥撒落后即被高速旋轉(zhuǎn)的旋耕刀片均勻地打入土壤中，旋耕軸上的旋耕刀片插空排列，并且旋耕軸能正反2個方向旋轉(zhuǎn)，使土壤翻耕更均勻。其中在設(shè)備旋耕到耕田一側(cè)升起過程中，振動較強(qiáng)烈，附著在料斗內(nèi)壁上的肥料基本能振落到料口擋板所擋漏料口。

2主要參數(shù)設(shè)計

2.1設(shè)計參數(shù)配套動力：36.78～47.81 kW拖拉機(jī)；總重量400～520 kg；工作幅寬2 400 mm；掛接方式：標(biāo)準(zhǔn)三點懸掛；耕深≥8 cm；施肥量≤22 500 kg/hm2；一個車載36 V小電瓶。

2.2料斗下料量計算

為了達(dá)到設(shè)計要求，耕田施用有機(jī)肥料3 750～22 500 kg/hm2[3]，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)行進(jìn)速度設(shè)計轉(zhuǎn)動不同角度，使下料口撒下相應(yīng)量的肥料。單位耕田肥料估計用量公式為：

M=θRLm（1）

式中，θ是漏料口打開角度（≤30°），即料口擋板轉(zhuǎn)動角度；R（125 mm）是下料弧度所在半徑；L（2 400 mm）是料口長度；m是單位時間在單位面積上漏料估計量（不穩(wěn)定值，隨漏料情況而定）。

2.3鏈傳動設(shè)計功率計算普通鏈傳動是一種撓性傳動，由鏈條和鏈輪（主動鏈輪和從動鏈輪）組成，它通過鏈輪鏈齒與鏈條鏈節(jié)之間的嚙合傳遞運(yùn)動和動力[4]。一體機(jī)中均采用普通鏈傳動即能滿足工作要求。鏈輪傳動機(jī)構(gòu)的額定功率可以采用鏈的額定功率來確定。

Pa=KAP/KzKp（2）

式中，Pa為設(shè)計功率（kW）；KA為工作情況系數(shù)，具體可以參考鏈傳動工作情況系數(shù)表；P為傳遞功率（kW）；Kz為小鏈輪齒數(shù)系數(shù)，Kz=（z1/19）1.08；Kp為鏈輪齒寬系數(shù)，可以采用插值法求解鏈輪齒寬系數(shù)Kp。要使鏈輪能夠可靠、耐用，根據(jù)相關(guān)鏈輪設(shè)計準(zhǔn)則，選擇合適的鏈輪節(jié)距和鏈條型號，使得鏈傳動的額定功率大于等于設(shè)計功率。并且文獻(xiàn)[5]中認(rèn)為，施加合理的預(yù)緊張力可以有效地降低鏈條節(jié)距磨損伸長引起的鏈條振動影響。

3重要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1攪拌裝置的設(shè)計攪拌裝置的原理示意圖如圖2所示。攪拌裝置的工作原理：當(dāng)有機(jī)肥施耕一體機(jī)在農(nóng)用拖拉機(jī)的牽引下向前運(yùn)動時，在接地驅(qū)動輪與地面的摩擦下開始運(yùn)動，通過與接地驅(qū)動輪通軸轉(zhuǎn)動的鏈輪和錐形齒輪通軸的鏈輪之間的鏈傳動，帶動錐形齒輪的方向轉(zhuǎn)換，且?guī)拥?組攪拌輪轉(zhuǎn)動，第1組與第2組、第2組與第3組攪拌輪通過同步鏈條鏈接，3組攪拌輪同時工作。攪拌輪的攪拌手在正常工作狀態(tài)下，攪拌有機(jī)肥翻動，防止堆積成塊，同時使肥料較均勻撒落。

鏈傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計簡單、制造維修容易、成本較低，可廣泛應(yīng)用于一些安裝空間受到限制、低速重載及工作環(huán)境較差的場合，也可形成新型的單級或者多級的減速器系列[6]。由于鏈輪齒數(shù)對鏈傳動的動載荷有一定的影響，選擇較適合的鏈輪能提高其正常工作壽命。在實際設(shè)計中，大都選擇較大的鏈輪齒數(shù)，因為齒數(shù)大則鏈速度高，進(jìn)而提高傳遞能力。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)的王君玲等[7]通過試驗得出結(jié)論：在鏈傳動中隨著鏈輪齒數(shù)增加其動載荷將增大；并且在鏈傳動設(shè)計中作為獨立參數(shù)的鏈輪齒數(shù)對于動載荷的影響將隨著鏈輪齒數(shù)增加而增大，鏈輪齒數(shù)的選擇應(yīng)在保證傳動能力和不改變鏈節(jié)距前提下選取較小值。

根據(jù)滿足低速重載工況下的使用要求，圖2中鏈輪選擇如下：齒數(shù)21，節(jié)距25.4 mm，傳動比1，分度圓直徑138.232 mm，通過有限元軟件對鏈傳動各機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變仿真分析，能夠達(dá)到設(shè)計要求，并且各機(jī)構(gòu)用潤滑油、脂等定期潤滑，長時間使用后能夠運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

3.2轉(zhuǎn)角控制裝置的設(shè)計轉(zhuǎn)角控制裝置是施肥設(shè)備的重要組成部分，由于擋料板轉(zhuǎn)角大小由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角大小決定，因此步進(jìn)電機(jī)同擋板上旋轉(zhuǎn)鏈輪為定比傳動。其總的傳動比通過計算能夠得到。

裝置的工作原理：轉(zhuǎn)角控制裝置是轉(zhuǎn)角-施肥量控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，提前在轉(zhuǎn)角-施肥量控制器中輸入單位面積施肥量，不同施肥量范圍對應(yīng)不同的漏料估算角度。當(dāng)接收到接地驅(qū)動輪處的轉(zhuǎn)動采集器發(fā)出的運(yùn)動信號時，根據(jù)設(shè)置好的肥料量所在范圍相對應(yīng)的擋板轉(zhuǎn)動鏈輪轉(zhuǎn)角大小以及相應(yīng)的鏈傳動比，算出電機(jī)所轉(zhuǎn)動角度。轉(zhuǎn)角-施肥量控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，有機(jī)肥料在攪拌輪的攪拌和重力作用下均勻地撒落，達(dá)到省時省力、均勻有效的施肥。電機(jī)與轉(zhuǎn)角-施肥量控制器動力由車載36 V電瓶提供，能夠滿足其轉(zhuǎn)開角度的要求。裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

4結(jié)論

有機(jī)肥施耕一體機(jī)整體設(shè)計是針對我國平原地區(qū)耕田面積大、施撒有機(jī)肥不均勻、費時又費力，且大面積施撒化肥導(dǎo)致土壤保肥、供肥能力下降、板結(jié)酸化等問題進(jìn)行分析，提出的一種對有機(jī)肥施撒、旋耕機(jī)械化的方法。同之前人工施撒后再旋耕的處理方法相比，縮短了肥料施撒和旋耕的整體時間，提高了施撒效率和整體的效率，減輕了人工勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力物力，同時肥料施撒也較均勻，基本達(dá)到設(shè)計要求。

為增加設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)備都采用鋼結(jié)構(gòu)處理，部分部位可以采用鋼板焊接[8]增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此設(shè)備組裝大都是通過螺釘緊固，組裝、拆卸、清理等較方便。該研究設(shè)計的有機(jī)肥施耕一體機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、制造成本

低，便于推廣應(yīng)用。但該研究設(shè)計的有機(jī)肥施耕一體機(jī)是針對我國平原地區(qū)大塊耕田的專用設(shè)備，通用性不太高，為了適應(yīng)不同地區(qū)、不同地形施肥耕田的需求，仍有待進(jìn)一步的改善。

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