摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有施肥機(jī)械易產(chǎn)生架空、撒肥不均以及通用性差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種通用型擺管式撒肥機(jī)。采用仿生學(xué)原理，模仿人的手臂撒肥往復(fù)動(dòng)作，由往復(fù)拉桿和擺動(dòng)管組成擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，并分析了擺管的運(yùn)動(dòng)特性，確定了整機(jī)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了撒肥的均勻性。針對(duì)通用性又在撒肥機(jī)肥箱中加裝了攪肥裝置，可以撒施粉狀肥料如碳酸氫銨?？v向撒肥均勻性試驗(yàn)結(jié)果表明，撒肥均勻性良好，無(wú)斷條現(xiàn)象，能較好地滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：撒肥機(jī)；擺管式；通用型；仿生學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：S224.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）21-5329-05

Design on General Fertilizer Spreading Machines of Swing Tube Type

LI Peng，XIA Jun-fang

（College of Engineering， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）

Abstract： Aiming at solving the problems of overheading， lack of versatility and uneven spreading during the work of the fertilizer spreading machines， a kind of general fertilizer spreading machine of swing tube type was designed， adopting bionics principle and simulating people’s arm swing. The swing mechanism of fertilizer spreading machine was made up of reciprocating linkages and swing tube. The paper analysed kinetic characteristic of the swing tube and defined the parameters of the machines that could spread fertilizer uniformly. Stir mechanism was installed on the fertilizer boxvolume， so that the fertilizer could spread powder fertilizer， such as ammonium hydrogen carbonate. The experiments on the uniformity were conducted with a variable rate fertilizer spreader. Results showed that the effect of spreader was well， and there was no fertilizer break phenomenon， which indicated the spreader could meet the need of practical production in the fields.

Key words： fertilizer spreading machine； swing tube type； general type； bionics

近幾年隨著秸稈還田技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用[1-3]，為了使埋入土壤中的秸稈迅速分解腐爛，滿足反硝化作用對(duì)氮的需求，含氮和磷的基肥施用量逐年增加[4]。但是在我國(guó)大部分地區(qū)現(xiàn)階段仍為人工撒施化肥，存在效率低、撒肥不均勻和肥效低等缺點(diǎn)，更大的危害是化肥對(duì)人體的傷害，尤其是像碳酸氫銨這種易揮發(fā)化肥。隨著對(duì)施肥要求的不斷提高，施肥技術(shù)和施肥機(jī)械也日趨成熟，其中研究最多的是圓盤(pán)式撒肥機(jī)[5-9]。圓盤(pán)式撒肥機(jī)有大幅寬、高效率和撒肥均勻等優(yōu)點(diǎn)，適合農(nóng)場(chǎng)大田作業(yè)，但不適合我國(guó)農(nóng)村的小田塊。

針對(duì)我國(guó)農(nóng)村田塊小的特點(diǎn)，研制一種小幅寬并且可以和本課題組研制的旋耕埋草機(jī)配套使用的通用型擺管式撒肥機(jī)[2]，該撒肥機(jī)采用仿人手臂施肥方式，通過(guò)擺動(dòng)管往復(fù)擺動(dòng)撒施化肥。另在該撒肥機(jī)肥箱中加裝攪刀式攪肥裝置，既可以撒施顆粒狀肥料又可以排施粉狀肥料。

1 擺管式撒肥機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

擺管式撒肥機(jī)主要由肥箱、攪肥裝置、排肥口、擺管機(jī)構(gòu)和擺管等組成（圖1）。其工作過(guò)程為，肥料由肥箱經(jīng)撥肥輪強(qiáng)制排出落到擺管內(nèi)；擺管由擺動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，繞落肥口正下方的支撐點(diǎn)往復(fù)擺動(dòng)，肥料在擺管不斷的往復(fù)擺動(dòng)過(guò)程中由擺管口均勻地撒施于田間。

2 擺管式撒肥機(jī)主要部件設(shè)計(jì)

2.1 肥箱結(jié)構(gòu)

肥箱的體積應(yīng)與地塊長(zhǎng)短和排肥量相適應(yīng)，體積過(guò)小影響工作效率，過(guò)大則增加了牽引阻力，并影響機(jī)組的縱向穩(wěn)定性。肥箱容積的設(shè)計(jì)至少應(yīng)滿足在最大排量情況下在較長(zhǎng)地塊上往返一次再添加肥料。肥箱的容積應(yīng)滿足公式（1）[10]：

V=■ （1）

式中，l為肥箱裝滿后的施肥距離， 一般為地塊長(zhǎng)度的兩倍（m）；B為施肥機(jī)的工作幅寬（m）；Q為單位面積施肥量（kg/hm2）；ρ為肥料的密度（g/L）。

設(shè)計(jì)按地塊長(zhǎng)度500 m，有效施肥幅寬1.2 m，施肥量450 kg/hm2計(jì)，以顆粒復(fù)合肥考慮（試驗(yàn)用肥料為芭田中芬，ρ=835 kg/m3），肥料箱容積為71 L，可一次加肥滿足3～4次往返撒肥量的要求。肥箱的形狀如圖1所示，肥箱底部斜面與水平面夾角為30°，確保大于試驗(yàn)用化肥的休止角，以保證化肥能自然地向下流動(dòng)。

2.2 撥肥輪設(shè)計(jì)

撒肥機(jī)的排肥方式為強(qiáng)制排肥，撥肥輪一部分進(jìn)入肥箱內(nèi)，當(dāng)排施易架空的肥料（比如碳酸氫銨）時(shí)可將肥料強(qiáng)制排出。并且為滿足不同肥料的施肥要求設(shè)計(jì)兩種不同撥齒的撥肥輪，每個(gè)撥肥輪都配有相適應(yīng)的排肥活門(mén)（圖2），可以根據(jù)排施化肥換裝相應(yīng)的撥肥輪和活門(mén)。

第一種撥肥輪為圓柱型撥齒撥肥輪，適合排施顆粒肥料，顆粒肥料流動(dòng)性好、易排出，故只需用圓柱型撥齒就能達(dá)到所需的排肥效果。圓柱型撥齒撥肥輪配套前段開(kāi)有窄口的活門(mén)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，圓柱型撥齒撥肥輪排施顆粒型復(fù)合肥（芭田中芬）的排量為0～600 kg/hm2。第二種撥肥輪為矩形截面齒形撥肥輪，適合排施粉狀肥料，粉狀肥料易架空，較難排出，撥肥輪配套前段開(kāi)有和撥齒同寬度開(kāi)口的活門(mén)。試驗(yàn)顯示，采用矩形撥齒撥肥輪能有效解決粉狀肥難排的問(wèn)題，排施碳酸氫銨的排量為0～500 kg/hm2。

2.3 攪肥裝置設(shè)計(jì)

擺管式撒肥機(jī)可以排施不同的肥料。針對(duì)粉狀肥料流動(dòng)性差、易結(jié)拱和易架空等缺點(diǎn)，在肥箱中加裝攪肥裝置（圖3）。該攪肥裝置由攪肥軸和攪刀筒組成，攪肥軸穿過(guò)攪刀筒，當(dāng)撒施顆粒肥料時(shí)，不需要攪肥可將攪刀筒卸下。攪刀筒上焊有攪刀和喂入葉片，攪刀的長(zhǎng)度根據(jù)攪肥軸到肥箱底部的距離確定，攪刀的排布按照轉(zhuǎn)動(dòng)方向螺旋排布，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)肥料向中間流動(dòng)，攪刀設(shè)計(jì)為“丫”字形，可以避免轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有未攪到的位置。

2.4 往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和擺管設(shè)計(jì)

擺管是撒肥機(jī)的重要部件，直接影響撒肥機(jī)撒施化肥的均勻性。擺管的設(shè)計(jì)是運(yùn)用仿生學(xué)，模擬人手臂撒肥的動(dòng)作，采用對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和擺臂機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其肥料口的往復(fù)擺動(dòng)。動(dòng)力通過(guò)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行90°轉(zhuǎn)向，帶動(dòng)固定在輸出軸上的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將曲柄的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成往復(fù)拉桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)拉桿拉動(dòng)擺管繞支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)擺管的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。擺管與水平面呈α角度；擺管口相對(duì)于擺管上翹，位于落肥口的正下方。圖4為擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。

將擺動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為如圖5所示的工作原理示意圖，在平面先建立直角坐標(biāo)系，將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，此曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為對(duì)心曲柄滑塊，故x軸與往復(fù)拉桿重合，標(biāo)出各桿矢量及其方位角。

從圖5可以看出，封閉圖形O1AB的矢量方程為：

l1+l2=s3

寫(xiě)成投影方程：

X：-l1cosθ1+l2cosθ2=s3Z：-l1sinθ1+l2sinθ2=0 （2）

O1到O2點(diǎn)的矢量方程為：

s3+l4+s5=a+b

寫(xiě)成投影方程：

X：=-s5sinθ3+s3+l4=aY：-s5cosθ3=b （3）

以O(shè)2點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立擺管口D點(diǎn)的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)方程為：

XD=l6cosθ4YD=l6sinθ4+vt （4）

式中，l1為曲柄O1A的長(zhǎng)度；l2為連桿AB的長(zhǎng)度；s3為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心到B點(diǎn)的距離；l4為往復(fù)拉桿B點(diǎn)到轉(zhuǎn)塊C的長(zhǎng)度；s5為轉(zhuǎn)塊C到擺管支撐點(diǎn)O2點(diǎn)的距離；l6為擺管長(zhǎng)度；θ1為曲柄轉(zhuǎn)角；θ2為連桿轉(zhuǎn)角；θ3為擺管轉(zhuǎn)角；v為機(jī)組前進(jìn)速度；a為O1點(diǎn)到O2點(diǎn)的X向距離；b為O1點(diǎn)到O2點(diǎn)的Y向距離。

其中θ3、θ4的關(guān)系為θ3+θ4=■，即θ3=■-θ4。將θ3代入公式（4）得：

XD=l6sinθ3YD=l6cosθ3+vt （5）

整理公式（2）、（3），得到θ3：

θ3=arctg■

將θ3對(duì)時(shí)間求一次導(dǎo)數(shù)，得到擺管的角速度ω3：

ω3=■

將整理后的θ3代入公式（5），同時(shí)將其他各參數(shù)賦值，利用Matlab軟件繪出D點(diǎn)軌跡曲線和相應(yīng)位置擺管角速度曲線，其中機(jī)組前進(jìn)速度v=1 m/s，ω取值分別為3、4、5 π/s，繪出各自的軌跡曲線如圖6。從圖6可以看出，擺管出口處的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為“S”形曲線。分析軌跡曲線可知，當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度一定時(shí)，擺管擺動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)會(huì)存在撒肥盲區(qū)，即肥料沒(méi)有撒落到該區(qū)域，特別是擺管正下方經(jīng)過(guò)的區(qū)域，由擺管角速度曲線可以看出，當(dāng)擺管口擺動(dòng)到中間區(qū)域時(shí)擺管角速度最大，即擺管口切向速度最大，擺管快速擺過(guò)該區(qū)域，造成少施、漏施；同時(shí)還會(huì)存在重施區(qū)，即肥料重復(fù)落到該區(qū)域，在擺管擺到兩端時(shí)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成兩端施肥過(guò)多。這兩種情況都會(huì)造成施肥的不均勻。因此選擇適當(dāng)?shù)臄[動(dòng)頻率能提高施肥效率，減少肥料的浪費(fèi)。

3 施肥效果試驗(yàn)

3.1 轉(zhuǎn)速校核

撒肥機(jī)的動(dòng)力由設(shè)置在側(cè)后邊的交流電動(dòng)機(jī)提供，同時(shí)為了滿足試驗(yàn)的調(diào)速要求，在交流電動(dòng)機(jī)前串聯(lián)一臺(tái)西門(mén)子MICROMASTER420型變頻器，試驗(yàn)需求的轉(zhuǎn)速范圍為80～150 r/min，將變頻器的頻率范圍設(shè)定為2～10 Hz。經(jīng)測(cè)定，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為50～200 r/min，滿足試驗(yàn)要求。

撒肥機(jī)采用電動(dòng)機(jī)-鏈輪-齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳遞到固定于攪肥軸的大鏈輪，此鏈輪為雙排鏈輪；大鏈輪再降動(dòng)力傳遞到固定于排肥軸的小鏈輪，小鏈輪同樣為雙排鏈輪；小鏈輪再次通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳到轉(zhuǎn)向器。傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速比為1∶2∶1∶1，依次為電動(dòng)機(jī)輸出軸、攪肥軸、排肥軸和轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向速度比為1∶1。通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)可保證擺管的擺動(dòng)頻率范圍為1.5～2.5 Hz。

由于存在交流電動(dòng)機(jī)對(duì)變頻器的響應(yīng)誤差和變頻器本身的精度問(wèn)題，有可能使變頻器顯示的輸出轉(zhuǎn)速和施肥圓盤(pán)的實(shí)際轉(zhuǎn)速之間存在較大差異，導(dǎo)致施肥圓盤(pán)轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確，影響試驗(yàn)精度。因此應(yīng)該對(duì)拋撒模型的轉(zhuǎn)速精度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核。采用欣寶科儀DT2236B型光電接觸兩用轉(zhuǎn)速儀測(cè)量攪肥軸的轉(zhuǎn)速，然后與此時(shí)變頻器輸出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，得到結(jié)果如表1。從表1可以看出，隨著頻率的增加絕對(duì)誤差增大，最大絕對(duì)誤差為3.43%，這在可以接受的范圍內(nèi)，因此完全可以認(rèn)為變頻器顯示的轉(zhuǎn)速即為施肥圓盤(pán)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速有很好的穩(wěn)定性。

3.2 均勻性試驗(yàn)

施肥效果最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)是排肥器的排肥均勻性，主要用排出肥的均勻程度來(lái)衡量。參照GBT 20346.1-2006對(duì)撒肥機(jī)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，于2012年11月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程試驗(yàn)實(shí)踐基地進(jìn)行，分別對(duì)顆粒狀復(fù)合肥和粉狀碳酸氫銨進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.1 橫向施肥均勻性 碳酸氫銨易分解，分解后銨離子能在土壤中運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散，對(duì)撒施均勻性要求較低；顆粒肥被施入土壤后是固定不動(dòng)，因而對(duì)均勻性要求較高一些。顆粒肥均勻性試驗(yàn)分別測(cè)定顆粒肥的橫向均勻性和縱向均勻性，試驗(yàn)中設(shè)置曲柄轉(zhuǎn)速ω取值分別為3、4、5 π/s 3種不同轉(zhuǎn)速和大小兩種不同排量，同時(shí)設(shè)置擺管的安裝角度10°和30°，共12組情況。參照標(biāo)準(zhǔn)ASAE S341.2的試驗(yàn)說(shuō)明[11]，采用二維矩陣收集的方法進(jìn)行試驗(yàn)。在相應(yīng)有效施肥幅寬內(nèi)擺放邊長(zhǎng)0.12 m的正方形肥料收集盒，橫向和縱向盒子間距為0.06 m。分別測(cè)定各情況橫向施肥變異系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

從表2可以看出，擺管安裝角度為30°時(shí)該撒肥機(jī)橫向均勻性明顯優(yōu)于安裝角度為10°時(shí)。當(dāng)擺管安裝角度為30°時(shí)，擺管口距離地面高度較低，肥料顆粒飛離擺管至落在地面的時(shí)間要短，拋撒遠(yuǎn)度小，施肥幅寬也相應(yīng)較小，橫向施肥變異系數(shù)降低。隨著擺動(dòng)頻率的增加，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性降低，造成橫向施肥變異系數(shù)增大。該撒肥機(jī)在擺管安裝角度為30°撒施顆粒肥的有效幅寬為1.2 m。

由于碳酸氫銨不易流動(dòng)，故采用安裝角度為45°的擺管，此角度擺管口距離地面高度較低，造成有效施肥幅寬減小，有效幅寬為1.0 m，試驗(yàn)時(shí)設(shè)置曲柄轉(zhuǎn)速ω取值分別為4 π/s和5 π/s兩種不同轉(zhuǎn)速，直接將肥料撒施到地面，拖動(dòng)平鋪在地面的油布，拖動(dòng)速度為1 m/s， 將有效幅寬分為三段進(jìn)行稱(chēng)重，測(cè)定其變異系數(shù)，得到變異系數(shù)值分別為49.17%和40.07%。

3.2.2 縱向施肥均勻性 縱向施肥與擺管無(wú)關(guān)，故設(shè)置曲柄轉(zhuǎn)速ω取值分別為3、4、5 π/s 3組不同轉(zhuǎn)速，5 s為計(jì)時(shí)單位，每組選定三段稱(chēng)重，測(cè)定各組的變異系數(shù)，得到結(jié)果如表3。由表3可以看出，顆粒肥的縱向均勻性明顯優(yōu)于碳酸氫銨，原因在于顆粒狀肥料流動(dòng)性好，碳酸氫銨流動(dòng)性差、易粘連。該撒肥機(jī)撒施兩種肥料都沒(méi)有出現(xiàn)斷條的現(xiàn)象。

4 小結(jié)

針對(duì)小田塊作業(yè)地區(qū)，設(shè)計(jì)了一種通用型擺管式撒肥機(jī)，并確定了整機(jī)的撒施方案以及參數(shù)，該撒肥機(jī)可撒施不同肥料，效果良好。通過(guò)分析擺管的運(yùn)動(dòng)特性，建立了擺管的運(yùn)動(dòng)方程，通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程找出最佳的前進(jìn)速度和擺動(dòng)頻率的組合，提高了肥料撒施的均勻性。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該撒肥機(jī)通用性好，能撒施大顆粒肥料和易吸濕性粉狀肥料，撒施均勻性良好。未出現(xiàn)空段，即斷條率為零，能較好地滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張國(guó)忠，許綺川，夏俊芳，等.1GMC-70型船式旋耕埋草機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（10）：214-217.

[2] 周 勇，余水生，夏俊芳. 水田高茬秸稈還田耕整機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（8）：46-49.

[3] 李永磊，宋建農(nóng)，王繼承，等. SGTN-180型旋耕埋草施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，16（2）：143-147.

[4] 鄒國(guó)元，張福鎖，陳新平，等.秸稈還田對(duì)旱地土壤反硝化的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2001，3（6）：47-50.

[5] 宋衛(wèi)堂，封 俊，劉亞佳.地輪驅(qū)動(dòng)離心式化肥撒布機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33（1）：39-42.

[6] 秦朝民，劉君輝.離心式撒肥機(jī)撒肥部件研究設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（10）：100-102.

[7] LIEDEKERKE P V， PIRON E， VANGEYTE J， et al. Recent results of experimentation DEM modeling of centrifugal fertilizer spreading[J]. Granular Matter，2008，10（4）：247-255.

[8] 張 睿，王 秀，趙春江，等.鏈條輸送式變量施肥拋撒機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（6）：20-25.

[9] 李寶筏.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[10] 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，2007.

[11] ASAE S341.3 FEB04， Procedure for measuring distribution uniformity and calibrating granular broadcast spreaders[S].