新型智能撒肥機(jī)研究與設(shè)計(jì)

劉增輝，魏金波，霍魯鋒，陳希志，賈廣騰，王志坤

（德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東德州 253023）

0 引言

全國(guó)農(nóng)作物的種植面積逐年穩(wěn)步上升，糧食產(chǎn)量喜獲“十二連增”，而且農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平也越來(lái)越高。在增產(chǎn)增收上，全層施肥（將肥料均勻播撒于地表，然后用鏵式犁耕翻入土或及時(shí)澆水，將肥料融入土壤）可以說(shuō)起到了關(guān)鍵作用[1]。但是，通過(guò)到農(nóng)村大量走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，山東省廣大農(nóng)村仍采用人工撒化肥的方式施肥，不但導(dǎo)致播撒不均、效率低、肥效不高，而且會(huì)造成化肥對(duì)人體的傷害。我國(guó)僅有少部分地區(qū)現(xiàn)在擁有大型撒肥機(jī)械，但都為大型農(nóng)場(chǎng)，并不適用于我國(guó)較為普遍的精細(xì)化耕種方式。西方發(fā)達(dá)國(guó)家的大型撒肥機(jī)械起步早，而且發(fā)展很快，技術(shù)十分先進(jìn)，但是其價(jià)格非常昂貴，并且也不適合我國(guó)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)形勢(shì)，因此依賴進(jìn)口機(jī)械解決施肥環(huán)節(jié)的瓶頸問(wèn)題還不現(xiàn)實(shí)[2]。

1 產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)分析

智能撒肥機(jī)由機(jī)架、橡膠車輪、齒輪、鏈輪、電機(jī)、蓄電池、容納箱、控制器和調(diào)速器等組成。

智能撒肥機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，智能撒肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

表1 智能撒肥機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖1 智能撒肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 直流電動(dòng)機(jī)選配

電動(dòng)機(jī)具產(chǎn)品在田間實(shí)際工作中的功率（轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速）輸出、機(jī)械振動(dòng)、耗電量等指標(biāo)是考核、評(píng)價(jià)農(nóng)機(jī)具主要性能和節(jié)能減排的重要指標(biāo)[3-4]。直流電機(jī)的選配要考慮到機(jī)器在工作過(guò)程中需要克服摩擦力等。由摩擦力功耗計(jì)算公式可知。

m——整機(jī)質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，一般取9.8，m/s2；

f──橡膠輪胎滾動(dòng)時(shí)摩擦因數(shù)；

υ——機(jī)器行駛速度，m/s。

根據(jù)撒肥機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)表計(jì)算得：P=99.1 W，因此選用額定電壓12 V，功率100 W的無(wú)刷永磁直流減速電機(jī)。

功耗計(jì)算參數(shù)為整機(jī)質(zhì)量20 kg，橡膠輪胎滾動(dòng)時(shí)摩擦因數(shù)0.29，行駛速度1.5 m/s，效率系數(shù)0.86。

2.2 鉛酸蓄電池的選用

蓄電池的作用是用充電器將交流電轉(zhuǎn)化為直流電儲(chǔ)存起來(lái)，以便負(fù)載使用。為了保證正常工作效率，應(yīng)當(dāng)選用堅(jiān)實(shí)耐用且可持續(xù)使用的高性能鉛酸蓄電池。

蓄電池供電系統(tǒng)：電流=100 W÷12 V=50/6 A，同時(shí)需要滿足標(biāo)準(zhǔn)家庭連續(xù)工作5～10畝（1畝為0.006 7 hm2）地的工作需求。以每畝地10 min為例，蓄電池=50/6 A×1/6 h×10=500/36 A·h≈14 A·h。

另外，為了防止蓄電池過(guò)充和過(guò)放，蓄電池一般充電到90%左右，放電余留20%左右。所以，14 A·h也只是應(yīng)用中真正標(biāo)準(zhǔn)的70%左右。

選定的蓄電池額定電壓12V，蓄電池額定容量10 A·h。使用時(shí)，為了提高續(xù)航能力，建議使用2節(jié)鉛酸蓄電池。

2.3 容納箱及漏斗裝置的選用

在平時(shí)施肥的操作中，會(huì)發(fā)現(xiàn)如果用手直接接觸化肥會(huì)帶來(lái)不適反應(yīng)，而且施肥的設(shè)備與有些肥料直接接觸時(shí)，設(shè)備容易被腐蝕、生銹或溶解。比如，用鐵制的施肥機(jī)構(gòu)時(shí)，磷酸會(huì)溶解金屬鐵，鐵與磷酸根生成磷酸鐵的沉淀物。所以，用磷酸做肥料時(shí)應(yīng)用不銹鋼或非金屬材料的施肥機(jī)構(gòu)。因此，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)胤柿鲜褂玫奶攸c(diǎn)選擇適宜材料制作的肥料容納箱。

肥料對(duì)不同材料的腐蝕程度見(jiàn)表2。

表2 肥料對(duì)不同材料的腐蝕程度

結(jié)合表2，同時(shí)達(dá)到輕便目的，選用塑料為容納箱的制作材料。

3 工作原理及性能分析

3.1 工作原理示意圖及說(shuō)明

智能撒肥機(jī)工作原理示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 智能撒肥機(jī)工作原理示意圖

將化肥倒入料桶內(nèi)，化肥通過(guò)漏斗裝置底部的漏孔落下。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速器使電機(jī)達(dá)到使用轉(zhuǎn)速，電機(jī)通過(guò)鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力間接傳給齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤做高速離心運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤將上方漏孔落下的化肥，以高速離心力按一定半徑完成化肥播撒工作。

3.2 產(chǎn)品性能分析

該智能撒肥機(jī)，是一款利用直流電機(jī)提供動(dòng)力的小型農(nóng)業(yè)機(jī)械，它的構(gòu)造主要分為漏斗控制系統(tǒng)和傳動(dòng)控制系統(tǒng)兩大部分。

上部主要是容納箱及漏斗控制系統(tǒng)。容納箱的材質(zhì)是塑料，一方面原因是密度小、質(zhì)量輕，另一方面是塑料材質(zhì)可以防止化肥對(duì)箱體的腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命。箱體具有較大容積，一次性可容納12.5～15.0 kg的化肥。容納箱的上方有過(guò)濾網(wǎng)，能夠阻擋固結(jié)成大塊的肥塊和化肥袋內(nèi)的合格標(biāo)簽，避免對(duì)漏斗孔的堵塞。容納箱底部連接著漏斗裝置，3個(gè)漏孔均勻分布保證了播撒效果。漏孔的大小可以根據(jù)智能播撒系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，智能播撒系統(tǒng)控制漏孔開(kāi)口大小并根據(jù)命令進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證土壤肥度均衡，避免了肥料的浪費(fèi)，極大地節(jié)約了成本。

下部主要是電機(jī)驅(qū)動(dòng)和齒輪傳動(dòng)控制系統(tǒng)。直流電機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，電機(jī)通過(guò)鏈輪與主軸相連，電機(jī)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)鏈條帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)盤，固連在主軸上大的斜齒與轉(zhuǎn)盤底部的齒輪相互嚙合，轉(zhuǎn)速比為1∶4，這樣可使轉(zhuǎn)盤在正常車速下保持做高速離心運(yùn)動(dòng)，從而使播撒半徑大且播撒均勻。通過(guò)調(diào)速器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制車速的快慢，同時(shí)也可定速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定。

上下的整體配合，使該機(jī)器性能優(yōu)越，可應(yīng)用于復(fù)雜地形農(nóng)田作業(yè)，同時(shí)也適合精細(xì)化耕種，使化肥的播撒工作便捷高效地完成。

4 結(jié)論

該機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小巧，適合單人操作，作業(yè)面積可達(dá)3 m，工作效率高，適合于精細(xì)化耕種的小型農(nóng)場(chǎng)和大棚作業(yè)。該機(jī)器由電機(jī)提供動(dòng)力，化肥由轉(zhuǎn)盤處播撒出去，避免了化肥與人手的直接接觸，減輕了化肥對(duì)人體的危害。山東省是一個(gè)農(nóng)業(yè)大省，但傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已不能適合當(dāng)今快速發(fā)展的社會(huì)，新的生產(chǎn)方式亟待解決，新型智能播撒機(jī)就是對(duì)落后生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，該機(jī)械也滿足了現(xiàn)代人要求高效、節(jié)能、環(huán)保的心理，技術(shù)水平高，未來(lái)的應(yīng)用前景廣闊，使產(chǎn)品在推廣上有了很大的保證。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉云，王序儉.2SF-10型離心式撒肥機(jī) [J].農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備，2005（5）：64-65.

[2]陳黎卿，陳玉，鄭媛媛，等.微型電動(dòng)施肥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) [J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30（8）：78-82.

[3]陳震邦.微型電動(dòng)汽車總體設(shè)計(jì)原則的探論 [J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，24（5）：32-35.

[4]李從權(quán)，范超毅，蘇愛(ài)濤.農(nóng)用手扶電力驅(qū)動(dòng)車的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（2）：36-39.◇