集成式全電驅(qū)顆粒肥輸送及排施裝置的研制

劉春旭，蘆 磊，朱炫銘

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 田間機(jī)械化研究所，哈爾濱 150081)

1 常規(guī)施肥裝置的構(gòu)成及存在的問題

1.1 常規(guī)施肥裝置的構(gòu)成

目前，在大田作物播種作業(yè)過程中，同步施用的肥料主要以顆粒肥為主，尤以復(fù)合肥較為多見，為滿足作業(yè)需求，播種機(jī)上的施肥裝置主要由肥料輸送單元和肥料排施單元構(gòu)成。

如圖1所示，肥料輸送單元由驅(qū)動鏈輪、驅(qū)動軸及螺旋套管組成，其中驅(qū)動鏈輪安裝在肥料箱的外側(cè)，驅(qū)動軸水平安裝在肥料箱內(nèi)部，一端與驅(qū)動鏈輪連接，螺旋套管與驅(qū)動軸采用銷釘固定。根據(jù)機(jī)型的不同，一只肥料箱的底部啟用2～3個(gè)出肥口，每個(gè)出肥口附近均對應(yīng)設(shè)置1個(gè)螺旋套管，上述螺旋套管串接在同一根驅(qū)動軸上。其工作原理為當(dāng)機(jī)具行進(jìn)時(shí)，地輪同步轉(zhuǎn)動，經(jīng)過多級鏈輪變速后，帶動安裝在肥料箱外側(cè)的驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動，螺旋套管隨之轉(zhuǎn)動，推動肥料向各個(gè)出肥口移動，從而完成肥料推送過程。

1.驅(qū)動軸；2.螺旋套管圖1 常規(guī)肥料輸送單元實(shí)物照片

如圖2所示，肥料排施單元由驅(qū)動鏈輪、驅(qū)動軸及排肥盒組成，其結(jié)構(gòu)組成與肥料輸送單元相似，驅(qū)動軸水平安裝在肥料箱底部，多只排肥盒串接在同一根驅(qū)動軸上，每只排肥盒與肥料箱底部的出肥口對接。固定在驅(qū)動軸上的驅(qū)動鏈輪在地輪和傳動機(jī)構(gòu)的帶動下轉(zhuǎn)動，最終驅(qū)動各個(gè)排肥盒內(nèi)的排肥槽輪轉(zhuǎn)動，肥料經(jīng)過肥管、施肥開溝器后，進(jìn)入土壤，完成肥料的排施過程。

1.驅(qū)動軸；2.排肥盒；3.驅(qū)動鏈輪(在鏈罩內(nèi))圖2 常規(guī)肥料排施單元實(shí)物照片

1.2 常規(guī)施肥裝置存在的問題

另外，上述裝置中的肥料輸送單元以及肥料排施單元均采用共軸式安裝，對于零件材質(zhì)、機(jī)械性能以及加工精度要求較高，加大了裝配以及維修更換的難度。

2 新型裝置的構(gòu)成、工作原理及設(shè)計(jì)計(jì)算

針對上述問題，進(jìn)行了創(chuàng)新性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，取消了傳統(tǒng)的地輪傳動機(jī)構(gòu)，將原來的共軸式驅(qū)動改為獨(dú)立單元式直驅(qū)方式，同時(shí)將肥料輸送單元與肥料排施單元進(jìn)行了結(jié)構(gòu)集成和功能整合。

2.1 構(gòu)成

如圖3所示，肥料輸送單元由安裝底板、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)固定端板、中間支架、輸送軸、螺旋葉片、輸送軸軸承支架和控制器等組成。

1.輸送軸軸承支架；2.螺旋葉片；3.輸送軸；4.步進(jìn)電機(jī)；5.電機(jī)固定端板；6.控制器；7.安裝底板圖3 改進(jìn)型肥料輸送單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

步進(jìn)電機(jī)型號為57-H250E508，步距角1.8°，相電流3.0 A,保持力矩為1.5 N·m；為了增大輸出扭矩，配套減速比為18∶1的行星減速器，其型號為57GP18B12，輸出軸徑12 mm，鍵槽規(guī)格4×2.5 mm。

輸送軸選用304材質(zhì)的不銹鋼管，外徑25 mm、壁厚3.5 mm；螺旋葉片材質(zhì)為304不銹鋼，外徑80 mm、內(nèi)徑25 mm、螺距80 mm、厚度3 mm。

安裝底板及支架類零件的材質(zhì)采用6061鋁合金板，經(jīng)過激光切割、鉆、銑、磨等工藝加工而成。

控制器是在DM556兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的基礎(chǔ)上，內(nèi)嵌STC8G1K08-38I-TSSOP20單片機(jī)、2.4G全雙工無線串口模具塊以及SDWa035T03串口液晶屏，可以在線設(shè)置工作參數(shù)及組網(wǎng)狀態(tài)，屬于專門定制產(chǎn)品。

2.2 工作原理

步進(jìn)電機(jī)通過減速器帶動輸送軸旋轉(zhuǎn)，固定在輸送軸上的螺旋葉片隨之轉(zhuǎn)動，并將肥料向出肥口推送，其推送速度與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速正相關(guān)。

在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)中，采用等間距法劃分等級，最終將膠東半島耕地地力共劃分為6個(gè)等級，見表2。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，控制器內(nèi)嵌單片機(jī)智能控制模塊，通過安裝在地輪上的行進(jìn)距離編碼器(左右兩側(cè)各1只)，實(shí)時(shí)檢測當(dāng)前機(jī)具的行進(jìn)速度，結(jié)合設(shè)定的工作參數(shù)，通過內(nèi)置驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。

2.3 主要參數(shù)的計(jì)算校核

最大輸送能力Qmax是螺旋葉片每分鐘所能推送肥料的質(zhì)量，易知

Q=[π(D2-d2)/4]×T×ρ×r/n

(1)

式中D—螺旋葉片外徑，D=8 cm；

d—螺旋葉片內(nèi)徑，d=2.5 cm；

T—螺距，T=8 cm；

ρ—混合顆粒肥料平均密度，ρ=1.35 g·cm-3；

r—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，取r=700 r·min-1；

n—減速比，n=18∶1。

通過式(1)，求得Qmax=19 040 g·min-1=19.04 kg·min-1。

最大施肥量Pmax是指每個(gè)排肥部件每分鐘所需排施肥料的最大質(zhì)量，單位面積施肥量的上限通常取1 000 kg·hm-2(相當(dāng)于0.1 kg·m-2)，播種機(jī)最大作業(yè)速度為12 km·h-1，壟距取0.65 m，易知

Pmax=0.1×12×1 000×0.65/60

=13 kg·min-1

(2)

由式(1)、式(2)可知，Qmax>Pmax，因此本裝置的最大輸送能力能夠滿足作業(yè)需求。

3 新型裝置的創(chuàng)新點(diǎn)及相關(guān)說明

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，除了將肥料輸送單元與肥料排施單元進(jìn)行整合設(shè)計(jì)之外，為了進(jìn)一步提高作業(yè)性能，提高作業(yè)質(zhì)量，還在以下方面進(jìn)行了創(chuàng)新性的改進(jìn)：

(1)創(chuàng)新性地選用了不銹鋼螺旋葉片作為肥料輸送的功能部件，相對常規(guī)而言，具有輸送能力強(qiáng)、耐腐蝕、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。

(2)創(chuàng)新性地增加了“出肥口垂直壓力緩沖”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效減弱因肥料堆積導(dǎo)致的肥料排施單元中的排肥槽輪受到較大的垂直壓力的現(xiàn)象，減小排肥槽輪的驅(qū)動力矩，提高出肥口附近肥料的流動性，保證顆粒肥排施的順暢性。

(3)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了肥料排施單元的快換式掛接結(jié)構(gòu)。如圖4所示，肥料排施單元的主要功能部件均集成在同一安裝板上，該安裝板與固定在肥箱一側(cè)的快接板采用卡接的方式進(jìn)行連接固定，利用重力以及限位螺釘即可做到快速連接。這種設(shè)計(jì)有利于提高生產(chǎn)組裝以及使用維護(hù)的效率，同時(shí)由于采用了單元式的設(shè)計(jì)，提高了部件的通用性。

1.快接板；2.安裝板；3.肥料排施單元圖4 快換式肥料排施單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)論

本裝置目前已完成了樣機(jī)試制，并且在定制的排肥性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行了模擬測試，結(jié)果表明其性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)入下一步的田間測試階段。但若要實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，還需要解決以下幾個(gè)問題：

(1)總體成本較高，目前只適用于高端機(jī)型的產(chǎn)品應(yīng)用，還需要進(jìn)一步采取控制成本的技術(shù)措施。

(2)采用直流24 V供電，部分機(jī)型的拖拉機(jī)無法提供適合的電源，只能另外增加發(fā)電裝置，進(jìn)一步提高了使用成本。

(3)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的防護(hù)殼體需要改變設(shè)計(jì)，增加密封膠圈等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，進(jìn)一步增強(qiáng)防水防塵性能，提高在惡劣氣候下連續(xù)工作的可靠性。