通用型摆管式撒肥机的设计

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摘要：针对国内现有施肥机械易产生架空、撒肥不均以及通用性差等缺点，设计了一种通用型摆管式撒肥机。采用仿生学原理，模仿人的手臂撒肥往复动作，由往复拉杆和摆动管组成摆动机构，并分析了摆管的运动特性，确定了整机的参数，实现了撒肥的均匀性。针对通用性又在撒肥机肥箱中加装了搅肥装置，可以撒施粉状肥料如碳酸氢铵。纵向撒肥均匀性试验结果表明，撒肥均匀性良好，无断条现象，能较好地满足实际生产的要求。

关键词：撒肥机；摆管式；通用型；仿生学

中图分类号：S224.21 文献标识码：A 文章编号：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

近几年随着秸秆还田技术的不断进步和应用[1-3]，为了使埋入土壤中的秸秆迅速分解腐烂，满足反硝化作用对氮的需求，含氮和磷的基肥施用量逐年增加[4]。但是在我国大部分地区现阶段仍为人工撒施化肥，存在效率低、撒肥不均匀和肥效低等缺点，更大的危害是化肥对人体的伤害，尤其是像碳酸氢铵这种易挥发化肥。随着对施肥要求的不断提高，施肥技术和施肥机械也日趋成熟，其中研究最多的是圆盘式撒肥机[5-9]。圆盘式撒肥机有大幅宽、高效率和撒肥均匀等优点，适合农场大田作业，但不适合我国农村的小田块。

针对我国农村田块小的特点，研制一种小幅宽并且可以和本课题组研制的旋耕埋草机配套使用的通用型摆管式撒肥机[2]，该撒肥机采用仿人手臂施肥方式，通过摆动管往复摆动撒施化肥。另在该撒肥机肥箱中加装搅刀式搅肥装置，既可以撒施颗粒状肥料又可以排施粉状肥料。

1 摆管式撒肥机结构及工作原理

摆管式撒肥机主要由肥箱、搅肥装置、排肥口、摆管机构和摆管等组成（图1）。其工作过程为，肥料由肥箱经拨肥轮强制排出落到摆管内；摆管由摆动机构带动，绕落肥口正下方的支撑点往复摆动，肥料在摆管不断的往复摆动过程中由摆管口均匀地撒施于田间。

2 摆管式撒肥机主要部件设计

2.1 肥箱结构

肥箱的体积应与地块长短和排肥量相适应，体积过小影响工作效率，过大则增加了牵引阻力，并影响机组的纵向稳定性。肥箱容积的设计至少应满足在最大排量情况下在较长地块上往返一次再添加肥料。肥箱的容积应满足公式（1）[10]：

V=■ （1）

式中，l为肥箱装满后的施肥距离， 一般为地块长度的两倍（m）；B为施肥机的工作幅宽（m）；Q为单位面积施肥量（kg/hm2）；ρ为肥料的密度（g/L）。

设计按地块长度500 m，有效施肥幅宽1.2 m，施肥量450 kg/hm2计，以颗粒复合肥考虑（试验用肥料为芭田中芬，ρ=835 kg/m3），肥料箱容积为71 L，可一次加肥满足3～4次往返撒肥量的要求。肥箱的形状如图1所示，肥箱底部斜面与水平面夹角为30°，确保大于试验用化肥的休止角，以保证化肥能自然地向下流动。

2.2 拨肥轮设计

撒肥机的排肥方式为强制排肥，拨肥轮一部分进入肥箱内，当排施易架空的肥料（比如碳酸氢铵）时可将肥料强制排出。并且为满足不同肥料的施肥要求设计两种不同拨齿的拨肥轮，每个拨肥轮都配有相适应的排肥活门（图2），可以根据排施化肥换装相应的拨肥轮和活门。

第一种拨肥轮为圆柱型拨齿拨肥轮，适合排施颗粒肥料，颗粒肥料流动性好、易排出，故只需用圆柱型拨齿就能达到所需的排肥效果。圆柱型拨齿拨肥轮配套前段开有窄口的活门。根据实验测得，圆柱型拨齿拨肥轮排施颗粒型复合肥（芭田中芬）的排量为0～600 kg/hm2。第二种拨肥轮为矩形截面齿形拨肥轮，适合排施粉状肥料，粉状肥料易架空，较难排出，拨肥轮配套前段开有和拨齿同宽度开口的活门。试验显示，采用矩形拨齿拨肥轮能有效解决粉状肥难排的问题，排施碳酸氢铵的排量为0～500 kg/hm2。

2.3 搅肥装置设计

摆管式撒肥机可以排施不同的肥料。针对粉状肥料流动性差、易结拱和易架空等缺点，在肥箱中加装搅肥装置（图3）。该搅肥装置由搅肥轴和搅刀筒组成，搅肥轴穿过搅刀筒，当撒施颗粒肥料时，不需要搅肥可将搅刀筒卸下。搅刀筒上焊有搅刀和喂入叶片，搅刀的长度根据搅肥轴到肥箱底部的距离确定，搅刀的排布按照转动方向螺旋排布，转动时推动肥料向中间流动，搅刀设计为“丫”字形，可以避免转动时有未搅到的位置。

2.4 往复运动机构和摆管设计

摆管是撒肥机的重要部件，直接影响撒肥机撒施化肥的均匀性。摆管的设计是运用仿生学，模拟人手臂撒肥的动作，采用对心曲柄滑块机构和摆臂机构实现其肥料口的往复摆动。动力通过转向器进行90°转向，带动固定在输出轴上的曲柄转动，曲柄滑块机构将曲柄的圆周运动转换成往复拉杆的往复运动，往复拉杆拉动摆管绕支撑点转动，从而实现摆管的往复转动。摆管与水平面呈α角度；摆管口相对于摆管上翘，位于落肥口的正下方。图4为摆动机构的结构图。

将摆动机构简化为如图5所示的工作原理示意图，在平面先建立直角坐标系，将坐标原点设置在曲柄的转动中心，此曲柄滑块机构为对心曲柄滑块，故x轴与往复拉杆重合，标出各杆矢量及其方位角。

从图5可以看出，封闭图形O1AB的矢量方程为：

l1+l2=s3

写成投影方程：

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

O1到O2点的矢量方程为：

s3+l4+s5=a+b

写成投影方程：

X：=-s5sinθ3+s3+l4=aY：-s5cosθ3=b （3）

以O2点为坐标原点建立摆管口D点的动态坐标方程为：

XD=l6cosθ4YD=l6sinθ4+vt （4）

式中，l1为曲柄O1A的长度；l2为连杆AB的长度；s3为曲柄转动中心到B点的距离；l4为往复拉杆B点到转块C的长度；s5为转块C到摆管支撑点O2点的距离；l6为摆管长度；θ1为曲柄转角；θ2为连杆转角；θ3为摆管转角；v为机组前进速度；a为O1点到O2点的X向距离；b为O1点到O2点的Y向距离。

其中θ3、θ4的关系为θ3+θ4=■，即θ3=■-θ4。将θ3代入公式（4）得：

XD=l6sinθ3YD=l6cosθ3+vt （5）

整理公式（2）、（3），得到θ3：

θ3=arctg■

将θ3对时间求一次导数，得到摆管的角速度ω3：

ω3=■

将整理后的θ3代入公式（5），同时将其他各参数赋值，利用Matlab软件绘出D点轨迹曲线和相应位置摆管角速度曲线，其中机组前进速度v=1 m/s，ω取值分别为3、4、5 π/s，绘出各自的轨迹曲线如图6。从图6可以看出，摆管出口处的运动轨迹近似为“S”形曲线。分析轨迹曲线可知，当机组前进速度一定时，摆管摆动的一个周期内会存在撒肥盲区，即肥料没有撒落到该区域，特别是摆管正下方经过的区域，由摆管角速度曲线可以看出，当摆管口摆动到中间区域时摆管角速度最大，即摆管口切向速度最大，摆管快速摆过该区域，造成少施、漏施；同时还会存在重施区，即肥料重复落到该区域，在摆管摆到两端时停留时间过长，造成两端施肥过多。这两种情况都会造成施肥的不均匀。因此选择适当的摆动频率能提高施肥效率，减少肥料的浪费。

3 施肥效果试验

3.1 转速校核

撒肥机的动力由设置在侧后边的交流电动机提供，同时为了满足试验的调速要求，在交流电动机前串联一台西门子MICROMASTER420型变频器，试验需求的转速范围为80～150 r/min，将变频器的频率范围设定为2～10 Hz。经测定，电动机的转速范围为50～200 r/min，满足试验要求。

撒肥机采用电动机-链轮-齿轮传动设计，电动机通过链条将动力传递到固定于搅肥轴的大链轮，此链轮为双排链轮；大链轮再降动力传递到固定于排肥轴的小链轮，小链轮同样为双排链轮；小链轮再次通过链条将动力传到转向器。传动系统的转速比为1∶2∶1∶1，依次为电动机输出轴、搅肥轴、排肥轴和转向器，转向器的转向速度比为1∶1。通过传动系统可保证摆管的摆动频率范围为1.5～2.5 Hz。

由于存在交流电动机对变频器的响应误差和变频器本身的精度问题，有可能使变频器显示的输出转速和施肥圆盘的实际转速之间存在较大差异，导致施肥圆盘转速不准确，影响试验精度。因此应该对抛撒模型的转速精度和稳定性进行校核。采用欣宝科仪DT2236B型光电接触两用转速仪测量搅肥轴的转速，然后与此时变频器输出电动机转速进行比较，得到结果如表1。从表1可以看出，随着频率的增加绝对误差增大，最大绝对误差为3.43%，这在可以接受的范围内，因此完全可以认为变频器显示的转速即为施肥圆盘的实际转速，且转速有很好的稳定性。

3.2 均匀性试验

施肥效果最重要的评价指标是排肥器的排肥均匀性，主要用排出肥的均匀程度来衡量。参照GBT 20346.1-2006对撒肥机进行了室内试验，于2012年11月在华中农业大学现代农业工程试验实践基地进行，分别对颗粒状复合肥和粉状碳酸氢铵进行试验。

3.2.1 横向施肥均匀性 碳酸氢铵易分解，分解后铵离子能在土壤中运动扩散，对撒施均匀性要求较低；颗粒肥被施入土壤后是固定不动，因而对均匀性要求较高一些。颗粒肥均匀性试验分别测定颗粒肥的横向均匀性和纵向均匀性，试验中设置曲柄转速ω取值分别为3、4、5 π/s 3种不同转速和大小两种不同排量，同时设置摆管的安装角度10°和30°，共12组情况。参照标准ASAE S341.2的试验说明[11]，采用二维矩阵收集的方法进行试验。在相应有效施肥幅宽内摆放边长0.12 m的正方形肥料收集盒，横向和纵向盒子间距为0.06 m。分别测定各情况横向施肥变异系数，试验结果如表2。

从表2可以看出，摆管安装角度为30°时该撒肥机横向均匀性明显优于安装角度为10°时。当摆管安装角度为30°时，摆管口距离地面高度较低，肥料颗粒飞离摆管至落在地面的时间要短，抛撒远度小，施肥幅宽也相应较小，横向施肥变异系数降低。随着摆动频率的增加，机组运行稳定性降低，造成横向施肥变异系数增大。该撒肥机在摆管安装角度为30°撒施颗粒肥的有效幅宽为1.2 m。

由于碳酸氢铵不易流动，故采用安装角度为45°的摆管，此角度摆管口距离地面高度较低，造成有效施肥幅宽减小，有效幅宽为1.0 m，试验时设置曲柄转速ω取值分别为4 π/s和5 π/s两种不同转速，直接将肥料撒施到地面，拖动平铺在地面的油布，拖动速度为1 m/s， 将有效幅宽分为三段进行称重，测定其变异系数，得到变异系数值分别为49.17%和40.07%。

3.2.2 纵向施肥均匀性 纵向施肥与摆管无关，故设置曲柄转速ω取值分别为3、4、5 π/s 3组不同转速，5 s为计时单位，每组选定三段称重，测定各组的变异系数，得到结果如表3。由表3可以看出，颗粒肥的纵向均匀性明显优于碳酸氢铵，原因在于颗粒状肥料流动性好，碳酸氢铵流动性差、易粘连。该撒肥机撒施两种肥料都没有出现断条的现象。

4 小结

针对小田块作业地区，设计了一种通用型摆管式撒肥机，并确定了整机的撒施方案以及参数，该撒肥机可撒施不同肥料，效果良好。通过分析摆管的运动特性，建立了摆管的运动方程，通过运动方程找出最佳的前进速度和摆动频率的组合，提高了肥料撒施的均匀性。

试验结果表明，该撒肥机通用性好，能撒施大颗粒肥料和易吸湿性粉状肥料，撒施均匀性良好。未出现空段，即断条率为零，能较好地满足实际生产的要求。

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