設(shè)施大棚專用撒肥機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

許斌星，王少康，吳愛(ài)兵，馬 標(biāo)，陳永生，薛 臻，王阿祥

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2.南京市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，南京 210001；3.泰州常發(fā)農(nóng)業(yè)裝備有限公司，江蘇 泰州 225300)

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設(shè)施大棚專用撒肥機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

許斌星1，王少康2，吳愛(ài)兵1，馬 標(biāo)1，陳永生1，薛 臻3，王阿祥3

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2.南京市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，南京 210001；3.泰州常發(fā)農(nóng)業(yè)裝備有限公司，江蘇 泰州 225300)

施肥是作物全程機(jī)械化過(guò)程中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，我國(guó)大棚撒肥機(jī)械化水平很低，目前主要是以人工為主，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度高。為此，設(shè)計(jì)一款設(shè)施大棚專用履帶自走、5～6m幅寬、均勻撒肥的機(jī)械,由動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、輸肥裝置、撒肥裝置、機(jī)架總成與肥料喂入量控制機(jī)構(gòu)等組成。該設(shè)計(jì)為大棚作物全程機(jī)械化提供了一種機(jī)械化農(nóng)具，具有廣闊的應(yīng)用前景。

大棚；撒肥機(jī)；履帶

0 引言

我國(guó)設(shè)施大棚中傳統(tǒng)的農(nóng)家肥撒施過(guò)程目前主要是依靠人工，勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工費(fèi)占據(jù)前期費(fèi)用很大比例，從而提高了成本。特別是在設(shè)施大棚這個(gè)“封閉”空間的環(huán)境下，進(jìn)一步增加了人工操作的難度。目前，在勞動(dòng)力價(jià)值較低的貧困區(qū)，土地成塊面積較小，還存在一些手工撒肥的現(xiàn)象。然而與之相反的是，我國(guó)大部分勞動(dòng)價(jià)值較高的區(qū)域，在肥料(包括傳統(tǒng)的土雜肥、 堆漚肥、 沼氣肥、 家畜糞肥 )的運(yùn)輸、撒施等環(huán)節(jié)都存在巨大的困難[1-3]。針對(duì)相關(guān)機(jī)器的嚴(yán)重缺乏，廣大農(nóng)民提出了對(duì)相關(guān)的裝備迫切需求，研制一款設(shè)施大棚專用撒肥機(jī)已刻不容緩。

據(jù)調(diào)查，2015年設(shè)施大棚種植面積為410.9萬(wàn)hm2，并且有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。為了大棚中種植的作物更好地進(jìn)入國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，設(shè)施大棚撒肥機(jī)械化急需解決。本文設(shè)計(jì)的設(shè)施大棚專用撒肥機(jī)，包括動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、輸肥裝置、撒肥裝置、機(jī)架總成與肥料喂入量控制機(jī)構(gòu)等，主要用于設(shè)施大棚中有機(jī)肥的均勻撒施作業(yè)等。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原則

1)結(jié)合農(nóng)藝，該撒肥機(jī)總體設(shè)計(jì)應(yīng)滿足相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的融合；整體布局合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、肥料輸送連續(xù)、撒肥效果符合要求；作業(yè)后，可達(dá)到規(guī)定幅寬且均勻撒肥。

2)零部件設(shè)計(jì)過(guò)程中，由標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化到非標(biāo)件原則。

3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，配合零件的加工工藝，使得在制造過(guò)程中減少用料，同時(shí)有利于裝配。

1.2 設(shè)計(jì)原理

針對(duì)設(shè)施大棚內(nèi)肥料撒施主要靠人工、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種設(shè)施大棚專用的撒肥機(jī)。該機(jī)動(dòng)力由汽油機(jī)帶動(dòng)，履帶自走，輸肥裝置帶動(dòng)肥料向前輸送，在輸送末端通過(guò)擋板控制肥量；然后，喂入撒肥裝置通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的圓盤將肥料均勻拋撒。其工作原理圖如圖1所示。

1.傳動(dòng)鏈1 2.肥料箱2 3.撒肥圓盤 4.擋板圖1 結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural schematic diagram

該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)擋板對(duì)肥量進(jìn)行精確控制，協(xié)同高速旋轉(zhuǎn)的圓盤將肥料均勻的拋撒。該過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)有效的控制撒肥幅寬，改善了我國(guó)有機(jī)肥堆積的現(xiàn)狀。

1.3 總體設(shè)計(jì)

設(shè)施大棚撒肥機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

1．錐齒主動(dòng)軸 2.主動(dòng)錐齒輪 3.從動(dòng)錐齒輪 4.箱體 5.軸承座 6.錐齒從動(dòng)軸 7.圓盤軸 8.鍵槽 9.刮板 10.圓盤 11.連接板 12.履帶底盤 13.機(jī)架 14.料斗 15.主動(dòng)鏈輪 16.鏈條 17.埋刮板 18.動(dòng)力輸入軸 19.底板圖2 整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The whole structure

本文設(shè)計(jì)的設(shè)施大棚撒肥機(jī)，動(dòng)力由14kW汽油機(jī)輸出，整機(jī)通過(guò)履帶自走。該撒肥機(jī)主要有3部分組成：動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、輸肥裝置和撒肥裝置。動(dòng)力源由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)渡軸傳給輸肥裝置的主動(dòng)鏈輪，鏈條之間焊接埋刮板；主動(dòng)鏈輪同時(shí)將動(dòng)力經(jīng)系列齒輪傳給撒肥裝置，撒肥裝置在輸肥裝置的后方，撒肥圓盤安裝在輸送鏈條后下方，結(jié)構(gòu)緊湊。撒肥裝置由撒肥圓盤、圓盤軸及撒肥葉片等組成。其中，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)級(jí)變速器和鏈傳動(dòng)系統(tǒng)；輸肥裝置包括主動(dòng)鏈輪、鏈條、埋刮板及從動(dòng)鏈輪。

撒肥機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)渡軸傳送到撒肥裝置中的鏈輪，然后在兩對(duì)嚙合的錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)下帶動(dòng)圓盤撒肥；同時(shí)經(jīng)系列齒輪傳動(dòng)至輸肥裝置中的主動(dòng)鏈輪，從而帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)將肥料向前輸送，喂入撒肥裝置。這個(gè)過(guò)程中輸肥裝置與撒肥裝置協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻撒肥。

主要技術(shù)參數(shù)如下:

動(dòng)力配套/kW：14

圓盤轉(zhuǎn)速/r·min-1:585

作業(yè)速度/km·h-1:4

行走方式：履帶自走式

撒肥幅寬/m：5～6

1)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：傳動(dòng)路線既要保證總體傳動(dòng)可靠，同時(shí)不能影響撒肥機(jī)的正常工作。根據(jù)整機(jī)的布局，確定傳動(dòng)路線，使撒肥機(jī)在工作過(guò)程中滿足送肥、撒肥協(xié)調(diào)一致等工作需要。

本文中，動(dòng)力由14kW的汽油機(jī)輸出經(jīng)兩個(gè)方向分出：一是經(jīng)無(wú)級(jí)變速器傳給底盤，用于低速自走；二是傳給撒肥機(jī)，用于輸肥、撒肥工作。傳動(dòng)路線圖如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)圖Fig.3 Sketch of the transmission system

2)輸肥裝置設(shè)計(jì)：輸肥裝置主要由動(dòng)力輸入軸、主動(dòng)鏈輪、鏈條及埋刮板等組成，如圖4所示。

15.主動(dòng)鏈輪 16.鏈條 17.埋刮板 18.動(dòng)力輸入軸 20.鏈輪從動(dòng)軸 21.從動(dòng)鏈輪圖4 輸肥裝置Fig.4 System of transporting fertilizer

埋刮板均布焊接在兩鏈條之間，較密集，每4個(gè)鏈接焊接一個(gè)埋刮板的密集分布目的是讓肥料更加順暢地喂入到撒肥裝置。其主要工作過(guò)程是：由動(dòng)力輸入軸將動(dòng)力經(jīng)從動(dòng)軸、鏈輪配合作用帶動(dòng)肥料沿鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)方向向前運(yùn)動(dòng)。

3)施肥裝置設(shè)計(jì)：施肥裝置包括箱體、圓盤、刮板和圓盤高度調(diào)節(jié)裝置等，如圖5所示。

1.錐齒主動(dòng)軸 2.主動(dòng)錐齒輪 3.從動(dòng)錐齒輪 4.箱體 5.軸承座 6.圓盤 7.刮板 8.圓盤軸 9.鍵槽 10.錐齒從動(dòng)軸圖5 施肥裝置Fig.5 System of spreading fertilizer

箱體內(nèi)設(shè)有1根水平設(shè)置的錐齒主動(dòng)軸和兩根垂直設(shè)置的錐齒從動(dòng)軸：錐齒主動(dòng)軸上固定設(shè)有兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的主動(dòng)錐齒輪，兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪分別與其對(duì)應(yīng)的從動(dòng)錐齒輪相嚙合；錐齒從動(dòng)軸固定在從動(dòng)錐齒輪上，錐齒從動(dòng)軸下端穿過(guò)箱體底部與圓盤高度調(diào)節(jié)裝置的上端連接，圓盤高度調(diào)節(jié)裝置的下端與設(shè)置于圓盤中心的圓盤軸連接，圓盤轉(zhuǎn)速為585r/min有效地將肥料均勻拋出。

2 撒肥部件設(shè)計(jì)

2.1 撒肥部件相關(guān)零件參數(shù)的確定

據(jù)資料介紹[4]，撒肥圓盤轉(zhuǎn)速取值范圍為 540～700r/min，撒肥圓盤直徑取值范圍為400～500mm，撒肥盤距地面高度取值范圍為300～350mm。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)與參照國(guó)外同類機(jī)型及經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，兩個(gè)參數(shù)分別確定為圓盤直徑445mm，離地高度326mm。

如果撒肥圓盤轉(zhuǎn)速過(guò)大，作業(yè)時(shí)質(zhì)量比較輕的物料容易偏離軌道，可能造成肥料的損失，同時(shí)影響施肥質(zhì)量。綜合考慮，撒肥圓盤轉(zhuǎn)速最終確定為585r/min。

2.2 有機(jī)肥與圓盤運(yùn)動(dòng)分析

1)肥料在水平圓盤上的運(yùn)動(dòng)分析：首先研究肥料沿圓盤表面運(yùn)動(dòng)的情況,假設(shè)肥料以初速度為零的值落在勻速旋轉(zhuǎn)的圓盤上，考慮到肥料與刮板之間的作用對(duì)肥料的影響不大，此處忽略不計(jì)。這時(shí)，肥料與圓盤之間的摩擦力F與肥料在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的離心力F離(見(jiàn)如圖6)為

F=μmg，F(xiàn)離=mr0ω2

式中μ—肥料與圓盤之間的摩擦系數(shù)；

r0—肥料落肥點(diǎn)到圓心的距離；

ω—圓盤角速度。

肥料落在圓盤上，滿足肥料被拋撒的條件為

F=μmg

由此可得水平圓盤最低轉(zhuǎn)速為

圖6 肥料沿旋轉(zhuǎn)圓盤的運(yùn)動(dòng)特性Fig.6 Analyses the movement of the fertilizer on centrifugal disc

2)肥料離開(kāi)圓盤后的運(yùn)動(dòng)分析：肥料離開(kāi)水平圓盤后是平拋運(yùn)動(dòng),考慮肥料運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)其運(yùn)動(dòng)影響的因素包括外界的風(fēng)、肥料自身旋轉(zhuǎn)作用不大,此處忽略不計(jì)，此時(shí)主要影響肥料運(yùn)動(dòng)的因素為重力和空氣阻力,如下方程中x表示水平方向加速度和z表示重力方向的加速度[5]。

式中c—空氣阻力系數(shù)；

ρα—空氣密度單位(kg/m3)；

d—水平圓盤的直徑單位(cm)。

ρp—有機(jī)肥的密度單位(kg/m3)。

考慮到肥料中不同物料的形狀大小各不一樣，從而對(duì)應(yīng)的空氣阻力系數(shù)存在差異,根據(jù)實(shí)際情況，為了便于設(shè)計(jì)計(jì)算，將不同物料用球體來(lái)代替。根據(jù)球體的空氣阻力系數(shù)確定，c=0.44[5]。

通過(guò)MatLab中的ode45函數(shù),Runge-Kutta算法將數(shù)據(jù)代入，可以得到水平方向距離x及垂直方向距離z。當(dāng)z=0時(shí)，x對(duì)應(yīng)值為肥料在水平方向的拋撒距離，則

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

試驗(yàn)場(chǎng)地為水泥平地，地面較平整，坡度不大于3°；肥料采用海門市興農(nóng)生物科技有限公司的有機(jī)肥，濕度為50%，容重為0.86t/m3，肥料總質(zhì)量1t；牽引動(dòng)力為功率14kW汽油機(jī)。

3.2 試驗(yàn)方法

將310mm×225mm×40mm的料盤以扇形的形式排成“5弧7徑”的形狀，橫向料盤間間距為100mm，縱向料盤間間距為400mm。機(jī)具前進(jìn)速度為1.5m/s，向前行走時(shí)通過(guò)測(cè)量肥料盤中落入的肥料質(zhì)量，分析所有肥料盤中有機(jī)肥的分布情況。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)量有效撒肥幅寬為6m，分別將料盤里的肥料稱重并記錄，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：弧5的數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)差距較大，可視為有效幅寬之外，將其排除。

表1 料盤內(nèi)肥料質(zhì)量

4 結(jié)論

該撒肥機(jī)在配套動(dòng)力下一次進(jìn)棚，轉(zhuǎn)彎靈活，可以實(shí)現(xiàn)在5～6m幅寬內(nèi)均勻施肥；施肥可以實(shí)現(xiàn)拋撒有機(jī)肥，也可以實(shí)現(xiàn)拋撒顆粒肥。該撒肥機(jī)在輸肥裝置與撒肥裝置的協(xié)調(diào)工作下能將肥料連續(xù)、均勻地拋撒在地面，不僅在一定程度上高效地解決了廢棄物堆積環(huán)、境污染等問(wèn)題，且可有效改良土壤，為作物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分。機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，調(diào)整方便，使用穩(wěn)定可靠，是一種新型的均勻撒肥的大棚專用撒肥機(jī)具。

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Design of Spreading Machinery Special for Greenhouses

Xu Binxing1，Wang Shaokang2, Wu Aibing1，Ma Biao1，Chen Yongsheng1， Xue Zhen3, Wang Axiang3

(1.Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization，Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China;2.Agricultural Machinery Technology Extension Station Nanjing, Nanjing 210001,China; 3.Taizhou Changfa Agricultural Equipment Corporation，Taizhou 225300， China)

Fertilizer is a key session to full mechanization of the crop,In china,the level of mechanization for spreading machinery is lower in greenhouse, At present based on mainly artificial, low productivity, high labor intensity. For these reason, design of track self-propelled, 5-6m width, evenly sprinkle fertilizer machinery special for greenhouses, Including powertrain, System of transporting fertilizer ,System of spreading fertilizer and so on. The design for greenhouse crop fully mechanized provides a mechanization of farming tools, has a broad application prospect.

greenhouse；spreading machinery；track

2016-06-23

江蘇省農(nóng)機(jī)“三新工程”項(xiàng)目(NJ2015-09)

許斌星(1990-)，男，安徽宿松人，研究實(shí)習(xí)員， (E-mail)702076554@qq.com。

S625.3

A

1003-188X(2017)06-0158-04