張明秋

(黑龍江工業(yè)學院，黑龍江 雞西 158100)

液態(tài)施肥機關鍵部件設計研究

張明秋

(黑龍江工業(yè)學院，黑龍江 雞西 158100)

液態(tài)肥的使用提高了化肥的利用率，使農(nóng)作物增產(chǎn)，還可減少環(huán)境污染。針對液態(tài)施肥機增速齒輪箱、曲柄搖桿機構(gòu)及噴針等工作關鍵部件進行結(jié)構(gòu)設計和強度校核，使機具的作業(yè)效果，滿足中耕施肥時的農(nóng)藝要求。

液態(tài)施肥機；設計；增速齒輪箱，噴針

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)一直在春播和中耕環(huán)節(jié)施用固態(tài)化肥, 以補償土壤肥力的不足, 此法易產(chǎn)生揮發(fā)和淋失, 不僅污染環(huán)境, 且肥效利用率也只在30%左右。液態(tài)施肥是將液體肥料通過深施，定量均勻地施于地表以下，深度要達到深施技術的要求。實踐證明,在施肥量不變的情況下，液態(tài)施肥與固態(tài)施肥相比，化肥利用率從 30% 提高至 60%,可增加農(nóng)作物產(chǎn)量20%, 還可凈化環(huán)境,減少污染。

液態(tài)施肥機在工作時，要滿足中耕施肥時的農(nóng)藝要求。由于作業(yè)機具空間較小，要求整體結(jié)構(gòu)緊湊，機械傳動系統(tǒng)和施藥系統(tǒng)是實現(xiàn)工作技術要求的關鍵。傳動系統(tǒng)主要由離合器、鏈輪、支撐軸承、聯(lián)軸器及增速齒輪箱等組成；施藥系統(tǒng)主要由液肥箱、管路、液泵、噴液自控閥、過濾器、三通、曲柄搖桿機構(gòu)及噴針等組成。其部件增速齒輪箱、曲柄搖桿機構(gòu)及噴針是保證動力傳輸平穩(wěn)和作業(yè)施肥準確的關鍵。

在考慮施肥技術要求和工作環(huán)境(地表、天氣)等因素的影響下，為達到穴施液態(tài)施肥機的施肥效率是人工施肥效率五倍以上的目的，對影響穴施液態(tài)施肥機工作效果的關鍵部件進行設計。

1 液態(tài)施肥機整體結(jié)構(gòu)設計

1.1 機具設計要求

(1)在施肥機具平穩(wěn)作業(yè)時，動力傳送平穩(wěn)連續(xù)。

(2)整機簡單緊湊，降低制造成本。

(3)在滿足農(nóng)藝要求的前提下，通過改變輸出動力調(diào)節(jié)整機系統(tǒng)的工作參數(shù)。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設計

中耕施肥時，與鏵犁配套使用，液肥箱、液泵及部分管路均在拖拉機上安裝, 張緊機構(gòu)、傳動機構(gòu)、變速機構(gòu)、噴液控制機構(gòu)、施肥部件均裝在鏵犁上。液箱安裝時，利用拖拉機后輪處卸下的擋泥板位置固定座,將液箱架裝配到拖拉機后橋半軸殼體上，其總結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 穴施液態(tài)施肥機的結(jié)構(gòu)總裝圖

1.液壓泵 2.液肥箱 3.管路系統(tǒng) 4.中間傳動機構(gòu)5.離合機構(gòu)6.張緊機構(gòu) 7.噴液自控閥 8.增速箱9.曲柄搖桿機構(gòu) 10.噴針 11.鏈輪

1.3 傳動系統(tǒng)設計

在作業(yè)時，動力來源于拖拉機后驅(qū)動輪和后動力輸出軸，根據(jù)拖拉機作業(yè)速度得出該液態(tài)施肥機扎穴機構(gòu)的轉(zhuǎn)臂應在125r/min左右，增速方案選擇拖拉機后驅(qū)動輪右側(cè)由鏈傳動作為一級增速，經(jīng)過中間傳動機構(gòu)，由齒輪箱的一對齒輪傳動作為二級增速，其總傳動比是：i=8.379。

2 關鍵部件設計

2.1 增速齒輪箱設計

穴施液態(tài)施肥機傳動系統(tǒng)采用二級傳動方式，傳動系統(tǒng)第一級增速由鏈傳動機構(gòu)實現(xiàn)，二級增速由增速齒輪傳動實現(xiàn)。選擇一級變速箱來實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的第二級增速過程。施肥機要求傳動比大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，其在工作過程中承受過載荷沖擊較多，故變速箱齒輪采用漸開線型齒輪。

在傳動系統(tǒng)中，要求齒輪傳動機構(gòu)穩(wěn)定地將動力和運動傳遞給扎穴機構(gòu)的擺臂，采用一級齒輪傳動，且變速箱為增速機構(gòu)，則大齒輪為主動輪，小齒輪為從動輪，確定變速箱結(jié)構(gòu)，如圖2所示。中間傳動軸和變速箱的大齒輪軸(圖2中1處)通過十字軸式萬向連軸器聯(lián)接，小齒輪輸出軸右邊聯(lián)接擺臂(圖2中2處)，左邊輸出端通過凸輪機構(gòu)給分配器提供動力，末端與左擺臂聯(lián)接。

圖2 變速箱傳動圖

1.傳動軸 2.右擺臂 3.分配器 4.左擺臂

拖拉機輸出功率18Kw后驅(qū)動輪傳遞效率為0.6，鏈傳動的傳遞效率為0.96, 萬向聯(lián)軸器的傳遞效率為0.98, 離合器傳遞效率為0.99, 中間傳動軸的傳遞的效率為0.98，齒輪傳動傳遞效率為0.89.則齒輪輸入功率p2=9.858Kw，輸出功率p1=8.77Kw。總傳動比為i=8.379，鏈傳動傳動機構(gòu)的傳動比為3，則變速箱的齒輪傳動比為μ=2.793。輸出軸轉(zhuǎn)速n1=125r/min， 輸入軸轉(zhuǎn)速n2=44.75r/min。

(1)選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)

按傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動；其工作速度不高，故選用7級精度(GB10095-88)；大齒輪材料選擇40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，小齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為250HBS；選小齒輪齒數(shù)z1=24，則大齒輪齒數(shù)為z2=z1·μ=67.032，故取67 。

(2)強度設計及校核

標準直齒圓柱齒輪的設計計算公式：

(1)

確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值：

① 選取載荷系數(shù)為K=1.5

② 計算大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩

(2)

由式(2 ) 計算得T2=2.104×106N·mm

③ 選取齒寬系數(shù)φd=1，材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa；按齒面硬度查得大齒輪的接觸疲勞強度極限σH lim2=550Mpa;σH lim1=600Mpa;

④ 計算應力循環(huán)次數(shù)

N=60n1jLh

(3)

由式(3)得N2=0.19×109，N1=0.54×109。接觸抗疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.95;KHN2=0.90

⑤ 接觸疲勞許用應力計算

取失效率為0.01，安全系數(shù)S=1,

(4)

由式(4)計算得[σH]1=523Mpa; [σH]2=540Mpa

得出主要幾何尺寸：齒寬b1=50mm，b2=45mm；模數(shù)為2.5；齒高h=5.9mm；分度圓直徑為d1=72.5mm，d2=202.5mm；中心距a=138mm。

2.2 曲柄搖桿機構(gòu)及噴針設計

(1)工作原理

噴針及曲柄搖桿機構(gòu)是液態(tài)施肥機的執(zhí)行部件，動力由傳動系統(tǒng)傳遞給曲柄，通過曲柄的回轉(zhuǎn)運動，帶動搖桿的往復運動，實現(xiàn)噴針上下的運動，完成扎穴和施肥的操作。

(2)曲柄搖桿機構(gòu)的設計

根據(jù)農(nóng)藝要求，液態(tài)肥的施肥深度為100mm左右。因此該液態(tài)施肥機在工作時，保證了噴針的噴射部位在地表以下70～120mm的噴射帶內(nèi)。由于噴針應具有入土容易的性能，在噴射部位的下方焊接了30mm的針尖，既方便了入土，又可以使噴針在向上運動時不易粘土。當噴針的噴射部位到達最深處時，應該保證搖桿頂端不和土面接觸所以要有一定的余量，在滿足噴針強度要求的同時，給出余量為50mm。經(jīng)設計研究，曲柄搖桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為曲柄120mm，機架700mm，連桿800mm，搖桿400mm，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 噴針及曲柄搖桿機構(gòu)示意圖

1.主梁 2.左曲柄 3.噴液自控閥 4.扎穴機構(gòu)連桿 5.前擺臂轉(zhuǎn)軸

(3)噴針的噴射深度及軌跡

曲柄搖桿機構(gòu)是施肥機噴射深度及噴射軌跡保證的關鍵，施肥機噴射深度及噴射軌跡直接決定了施肥機的工作效果。由于噴射深度不受施肥機前進速度的影響，因此，在設計時只需把噴射點的縱向坐標描述出來即可。建立如圖所示的坐標系，尺寸按設計的要求給出，并規(guī)定圖中的兩個角分別叫φi和φj，如圖4所示。

圖4 噴針運動坐標圖

其中

(5)

yB=120cosωt

(6)

xB=120sinωt

(7)

則C點(噴針)的投影方程

yC=yB+800·cosφi=700+400·cosφj

(8)

xC=xB+800·sinφi=400·sinφj

(9)

兩邊平方相加整理

A0cosφi+B0sinφi-C0=0

(10)

其中

A0=2×800(700-120cosωt)=112000-19200cosωt

B0=2×800(0-120sinωt)=-19200sinωt

=111200-160000cosωt

根據(jù)裝配條件

lBD≤800+400

lBD≥|800-400|

(11)

當BCD順時針時φi取+號

(12)

(13)

(14)

(15)

式(15)是噴針噴射部位的縱向坐標。

(16)

式(16)是噴針噴射部位的行進方向坐標。

(4)噴針的校核

噴針在工作過程中，上端固定，下端受土壤的反作用力會發(fā)生微小的變形，故可簡化成下端固定，上端自由的壓桿。其臨界壓力

(17)

式中：Pcr—臨界壓力

EI—抗彎剛度

μ—壓桿長度系數(shù)

取壓桿長度系數(shù)μ=2。應用臨界壓力公式，臨界壓應力σcr為

(18)

噴針進行穩(wěn)定校核。噴頭由不銹鋼制成，σS=350Mpa,σP=280Mpa，E=200Gpa。長度l=200mm，直徑d=24mm。最大壓力Pmax=5KN，規(guī)定安全系數(shù)nst=10。

采用直線公式，由表查得，不銹鋼a=461,b=2.625，由公式：

噴針的柔度介于λ2和λ1之間，是中等柔度壓桿。由直線公式求出臨界應力為

σcr=a-bλ=306.92Mpa

Pcr=σcr·A=138.8KN

所以，滿足穩(wěn)定要求。

設土壤的橫向載荷5KN,Mmax=5000×0.2=1000KN

滿足強度要求。

3 結(jié)論

本文設計出液態(tài)施肥機的整體結(jié)構(gòu)，針對其工作過程和技術要求，設計出增速齒輪箱并對其齒輪進行強度校核；提出曲柄搖桿機構(gòu)和噴針機構(gòu)，并對噴針的噴射深度及軌跡進行探討，使其工作過程滿足農(nóng)藝上施肥的要求。但這種施肥機只能完成定量的施肥，只能適應短幅寬的作業(yè)要求，因此還有待于進一步的完善變量施肥。

[1]王金武，紀文義，馮金龍，王金峰.液態(tài)施肥機的設計與試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2008(6).

[2]馮金龍.液體施肥裝置施肥機理的試驗研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報，2007(4).

[3]王金峰，王金武，鞠金艷，何劍南.深施型液態(tài)施肥機扎穴機構(gòu)研究進展[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報，2013(5).

[4]宋德慶，黃正明.我國追肥施布機械及技術研究現(xiàn)狀與展望 [J].農(nóng)機化研究學報，2014(10).

Class No.:S224.21 Document Mark：A

(責任編輯：宋瑞斌)

Design of Key Parts of the Liquid Fertilizer Applicator

Zhang Mingqiu

(Heilongjiang Universitiy of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

Application of liquid fertilizer increased the utilization of fertilizer in crop production, and also reduced environmental pollution. We discussed the key parts structure design for speed gear box of liquid fertilizer applicator, the crank rocker mechanism and spray needle and the strength check in order to meet the make the agronomic requirements of cultivation and fertilization.

liquid fertilizer applicator; design; speed gear box; spraying needle

張明秋，碩士，講師，黑龍江工業(yè)學院機械工程系。

1672-6758(2017)05-0046-4

S224.21

A