許斌星，王少康，吳愛兵，馬 標，陳永生，薛 臻，王阿祥

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014；2.南京市農(nóng)業(yè)機械技術(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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設施大棚專用撒肥機的設計及試驗

許斌星1，王少康2，吳愛兵1，馬 標1，陳永生1，薛 臻3，王阿祥3

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014；2.南京市農(nóng)業(yè)機械技術(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)

施肥是作物全程機械化過程中關鍵的環(huán)節(jié)，我國大棚撒肥機械化水平很低，目前主要是以人工為主，生產(chǎn)效率低，勞動強度高。為此，設計一款設施大棚專用履帶自走、5～6m幅寬、均勻撒肥的機械,由動力傳動系統(tǒng)、輸肥裝置、撒肥裝置、機架總成與肥料喂入量控制機構(gòu)等組成。該設計為大棚作物全程機械化提供了一種機械化農(nóng)具，具有廣闊的應用前景。

大棚；撒肥機；履帶

0 引言

我國設施大棚中傳統(tǒng)的農(nóng)家肥撒施過程目前主要是依靠人工，勞動強度大，人工費占據(jù)前期費用很大比例，從而提高了成本。特別是在設施大棚這個“封閉”空間的環(huán)境下，進一步增加了人工操作的難度。目前，在勞動力價值較低的貧困區(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，我國大部分勞動價值較高的區(qū)域，在肥料(包括傳統(tǒng)的土雜肥、 堆漚肥、 沼氣肥、 家畜糞肥 )的運輸、撒施等環(huán)節(jié)都存在巨大的困難[1-3]。針對相關機器的嚴重缺乏，廣大農(nóng)民提出了對相關的裝備迫切需求，研制一款設施大棚專用撒肥機已刻不容緩。

據(jù)調(diào)查，2015年設施大棚種植面積為410.9萬hm2，并且有增長的趨勢。為了大棚中種植的作物更好地進入國際國內(nèi)市場，設施大棚撒肥機械化急需解決。本文設計的設施大棚專用撒肥機，包括動力傳動系統(tǒng)、輸肥裝置、撒肥裝置、機架總成與肥料喂入量控制機構(gòu)等，主要用于設施大棚中有機肥的均勻撒施作業(yè)等。

1 設計原理及機構(gòu)

1.1 設計原則

1)結(jié)合農(nóng)藝，該撒肥機總體設計應滿足相關要求，實現(xiàn)農(nóng)機與農(nóng)藝的融合；整體布局合理、結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、肥料輸送連續(xù)、撒肥效果符合要求；作業(yè)后，可達到規(guī)定幅寬且均勻撒肥。

2)零部件設計過程中，由標準化、系列化及通用化到非標件原則。

3)結(jié)構(gòu)設計合理。

4)在設計過程中，配合零件的加工工藝，使得在制造過程中減少用料，同時有利于裝配。

1.2 設計原理

針對設施大棚內(nèi)肥料撒施主要靠人工、勞動強度大、效率低等問題，設計了一種設施大棚專用的撒肥機。該機動力由汽油機帶動，履帶自走，輸肥裝置帶動肥料向前輸送，在輸送末端通過擋板控制肥量；然后，喂入撒肥裝置通過高速旋轉(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

該機的優(yōu)點是可通過擋板對肥量進行精確控制，協(xié)同高速旋轉(zhuǎn)的圓盤將肥料均勻的拋撒。該過程可以實現(xiàn)有效的控制撒肥幅寬，改善了我國有機肥堆積的現(xiàn)狀。

1.3 總體設計

設施大棚撒肥機結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

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

本文設計的設施大棚撒肥機，動力由14kW汽油機輸出，整機通過履帶自走。該撒肥機主要有3部分組成：動力傳動系統(tǒng)、輸肥裝置和撒肥裝置。動力源由發(fā)動機經(jīng)過渡軸傳給輸肥裝置的主動鏈輪，鏈條之間焊接埋刮板；主動鏈輪同時將動力經(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，動力傳動系統(tǒng)包括發(fā)動機、無級變速器和鏈傳動系統(tǒng)；輸肥裝置包括主動鏈輪、鏈條、埋刮板及從動鏈輪。

撒肥機進行作業(yè)時，由發(fā)動機經(jīng)過渡軸傳送到撒肥裝置中的鏈輪，然后在兩對嚙合的錐齒輪轉(zhuǎn)動下帶動圓盤撒肥；同時經(jīng)系列齒輪傳動至輸肥裝置中的主動鏈輪，從而帶動鏈條轉(zhuǎn)動將肥料向前輸送，喂入撒肥裝置。這個過程中輸肥裝置與撒肥裝置協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)連續(xù)均勻撒肥。

主要技術(shù)參數(shù)如下:

動力配套/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)傳動系統(tǒng)設計：傳動路線既要保證總體傳動可靠，同時不能影響撒肥機的正常工作。根據(jù)整機的布局，確定傳動路線，使撒肥機在工作過程中滿足送肥、撒肥協(xié)調(diào)一致等工作需要。

本文中，動力由14kW的汽油機輸出經(jīng)兩個方向分出：一是經(jīng)無級變速器傳給底盤，用于低速自走；二是傳給撒肥機，用于輸肥、撒肥工作。傳動路線圖如圖3所示。

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

2)輸肥裝置設計：輸肥裝置主要由動力輸入軸、主動鏈輪、鏈條及埋刮板等組成，如圖4所示。

15.主動鏈輪 16.鏈條 17.埋刮板 18.動力輸入軸 20.鏈輪從動軸 21.從動鏈輪圖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個鏈接焊接一個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。其主要工作過程是：由動力輸入軸將動力經(jīng)從動軸、鏈輪配合作用帶動肥料沿鏈條轉(zhuǎn)動方向向前運動。

3)施肥裝置設計：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.錐齒主動軸 2.主動錐齒輪 3.從動錐齒輪 4.箱體 5.軸承座 6.圓盤 7.刮板 8.圓盤軸 9.鍵槽 10.錐齒從動軸圖5 施肥裝置Fig.5 System of spreading fertilizer

箱體內(nèi)設有1根水平設置的錐齒主動軸和兩根垂直設置的錐齒從動軸：錐齒主動軸上固定設有兩個相對設置的主動錐齒輪，兩個主動錐齒輪分別與其對應的從動錐齒輪相嚙合；錐齒從動軸固定在從動錐齒輪上，錐齒從動軸下端穿過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 撒肥部件設計

2.1 撒肥部件相關零件參數(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。通過相關文獻與參照國外同類機型及經(jīng)驗，根據(jù)設計要求，兩個參數(shù)分別確定為圓盤直徑445mm，離地高度326mm。

如果撒肥圓盤轉(zhuǎn)速過大，作業(yè)時質(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 有機肥與圓盤運動分析

1)肥料在水平圓盤上的運動分析：首先研究肥料沿圓盤表面運動的情況,假設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肥料的影響不大，此處忽略不計。這時，肥料與圓盤之間的摩擦力F與肥料在運動過程中受到的離心力F離(見如圖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)圓盤的運動特性Fig.6 Analyses the movement of the fertilizer on centrifugal disc

2)肥料離開圓盤后的運動分析：肥料離開水平圓盤后是平拋運動,考慮肥料運動過程中對其運動影響的因素包括外界的風、肥料自身旋轉(zhuǎn)作用不大,此處忽略不計，此時主要影響肥料運動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，從而對應的空氣阻力系數(shù)存在差異,根據(jù)實際情況，為了便于設計計算，將不同物料用球體來代替。根據(jù)球體的空氣阻力系數(shù)確定，c=0.44[5]。

通過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z=0時，x對應值為肥料在水平方向的拋撒距離，則

3 試驗與結(jié)果

3.1 試驗基本條件

試驗場地為水泥平地，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肥，濕度為50%，容重為0.86t/m3，肥料總質(zhì)量1t；牽引動力為功率14kW汽油機。

3.2 試驗方法

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。機具前進速度為1.5m/s，向前行走時通過測量肥料盤中落入的肥料質(zhì)量，分析所有肥料盤中有機肥的分布情況。

3.3 試驗結(jié)果

測量有效撒肥幅寬為6m，分別將料盤里的肥料稱重并記錄，然后對數(shù)據(jù)進行分析，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

該撒肥機在配套動力下一次進棚，轉(zhuǎn)彎靈活，可以實現(xiàn)在5～6m幅寬內(nèi)均勻施肥；施肥可以實現(xiàn)拋撒有機肥，也可以實現(xiàn)拋撒顆粒肥。該撒肥機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)、境污染等問題，且可有效改良土壤，為作物生長提供養(yǎng)分。機具結(jié)構(gòu)簡單、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“三新工程”項目(NJ2015-09)

許斌星(1990-)，男，安徽宿松人，研究實習員， (E-mail)702076554@qq.com。

S625.3

A

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