通用型擺管式撒肥機的設計

摘要：針對國內現有施肥機械易產生架空、撒肥不均以及通用性差等缺點，設計了一種通用型擺管式撒肥機。采用仿生學原理，模仿人的手臂撒肥往復動作，由往復拉桿和擺動管組成擺動機構，并分析了擺管的運動特性，確定了整機的參數，實現了撒肥的均勻性。針對通用性又在撒肥機肥箱中加裝了攪肥裝置，可以撒施粉狀肥料如碳酸氫銨。縱向撒肥均勻性試驗結果表明，撒肥均勻性良好，無斷條現象，能較好地滿足實際生產的要求。

關鍵詞：撒肥機；擺管式；通用型；仿生學

中圖分類號：S224.21 文獻標識碼：A 文章編號：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的不斷進步和應用[1-3]，為了使埋入土壤中的秸稈迅速分解腐爛，滿足反硝化作用對氮的需求，含氮和磷的基肥施用量逐年增加[4]。但是在我國大部分地區現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，更大的危害是化肥對人體的傷害，尤其是像碳酸氫銨這種易揮發化肥。隨著對施肥要求的不斷提高，施肥技術和施肥機械也日趨成熟，其中研究最多的是圓盤式撒肥機[5-9]。圓盤式撒肥機有大幅寬、高效率和撒肥均勻等優點，適合農場大田作業，但不適合我國農村的小田塊。

針對我國農村田塊小的特點，研制一種小幅寬并且可以和本課題組研制的旋耕埋草機配套使用的通用型擺管式撒肥機[2]，該撒肥機采用仿人手臂施肥方式，通過擺動管往復擺動撒施化肥。另在該撒肥機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 擺管式撒肥機結構及工作原理

擺管式撒肥機主要由肥箱、攪肥裝置、排肥口、擺管機構和擺管等組成（圖1）。其工作過程為，肥料由肥箱經撥肥輪強制排出落到擺管內；擺管由擺動機構帶動，繞落肥口正下方的支撐點往復擺動，肥料在擺管不斷的往復擺動過程中由擺管口均勻地撒施于田間。

2 擺管式撒肥機主要部件設計

2.1 肥箱結構

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

V=■ （1）

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

設計按地塊長度500 m，有效施肥幅寬1.2 m，施肥量450 kg/hm2計，以顆粒復合肥考慮（試驗用肥料為芭田中芬，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°，確保大于試驗用化肥的休止角，以保證化肥能自然地向下流動。

2.2 撥肥輪設計

撒肥機的排肥方式為強制排肥，撥肥輪一部分進入肥箱內，當排施易架空的肥料（比如碳酸氫銨）時可將肥料強制排出。并且為滿足不同肥料的施肥要求設計兩種不同撥齒的撥肥輪，每個撥肥輪都配有相適應的排肥活門（圖2），可以根據排施化肥換裝相應的撥肥輪和活門。

第一種撥肥輪為圓柱型撥齒撥肥輪，適合排施顆粒肥料，顆粒肥料流動性好、易排出，故只需用圓柱型撥齒就能達到所需的排肥效果。圓柱型撥齒撥肥輪配套前段開有窄口的活門。根據實驗測得，圓柱型撥齒撥肥輪排施顆粒型復合肥（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，撥肥輪配套前段開有和撥齒同寬度開口的活門。試驗顯示，采用矩形撥齒撥肥輪能有效解決粉狀肥難排的問題，排施碳酸氫銨的排量為0～500 kg/hm2。

2.3 攪肥裝置設計

擺管式撒肥機可以排施不同的肥料。針對粉狀肥料流動性差、易結拱和易架空等缺點，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，攪肥軸穿過攪刀筒，當撒施顆粒肥料時，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，攪刀的長度根據攪肥軸到肥箱底部的距離確定，攪刀的排布按照轉動方向螺旋排布，轉動時推動肥料向中間流動，攪刀設計為“丫”字形，可以避免轉動時有未攪到的位置。

2.4 往復運動機構和擺管設計

擺管是撒肥機的重要部件，直接影響撒肥機撒施化肥的均勻性。擺管的設計是運用仿生學，模擬人手臂撒肥的動作，采用對心曲柄滑塊機構和擺臂機構實現其肥料口的往復擺動。動力通過轉向器進行90°轉向，帶動固定在輸出軸上的曲柄轉動，曲柄滑塊機構將曲柄的圓周運動轉換成往復拉桿的往復運動，往復拉桿拉動擺管繞支撐點轉動，從而實現擺管的往復轉動。擺管與水平面呈α角度；擺管口相對于擺管上翹，位于落肥口的正下方。圖4為擺動機構的結構圖。

將擺動機構簡化為如圖5所示的工作原理示意圖，在平面先建立直角坐標系，將坐標原點設置在曲柄的轉動中心，此曲柄滑塊機構為對心曲柄滑塊，故x軸與往復拉桿重合，標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

寫成投影方程：

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

O1到O2點的矢量方程為：

s3+l4+s5=a+b

寫成投影方程：

X：=-s5sinθ3+s3+l4=aY：-s5cosθ3=b （3）

以O2點為坐標原點建立擺管口D點的動態坐標方程為：

XD=l6cosθ4YD=l6sinθ4+vt （4）

式中，l1為曲柄O1A的長度；l2為連桿AB的長度；s3為曲柄轉動中心到B點的距離；l4為往復拉桿B點到轉塊C的長度；s5為轉塊C到擺管支撐點O2點的距離；l6為擺管長度；θ1為曲柄轉角；θ2為連桿轉角；θ3為擺管轉角；v為機組前進速度；a為O1點到O2點的X向距離；b為O1點到O2點的Y向距離。

其中θ3、θ4的關系為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對時間求一次導數，得到擺管的角速度ω3：

ω3=■

將整理后的θ3代入公式（5），同時將其他各參數賦值，利用Matlab軟件繪出D點軌跡曲線和相應位置擺管角速度曲線，其中機組前進速度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，擺管出口處的運動軌跡近似為“S”形曲線。分析軌跡曲線可知，當機組前進速度一定時，擺管擺動的一個周期內會存在撒肥盲區，即肥料沒有撒落到該區域，特別是擺管正下方經過的區域，由擺管角速度曲線可以看出，當擺管口擺動到中間區域時擺管角速度最大，即擺管口切向速度最大，擺管快速擺過該區域，造成少施、漏施；同時還會存在重施區，即肥料重復落到該區域，在擺管擺到兩端時停留時間過長，造成兩端施肥過多。這兩種情況都會造成施肥的不均勻。因此選擇適當的擺動頻率能提高施肥效率，減少肥料的浪費。

3 施肥效果試驗

3.1 轉速校核

撒肥機的動力由設置在側后邊的交流電動機提供，同時為了滿足試驗的調速要求，在交流電動機前串聯一臺西門子MICROMASTER420型變頻器，試驗需求的轉速范圍為80～150 r/min，將變頻器的頻率范圍設定為2～10 Hz。經測定，電動機的轉速范圍為50～200 r/min，滿足試驗要求。

撒肥機采用電動機-鏈輪-齒輪傳動設計，電動機通過鏈條將動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；小鏈輪再次通過鏈條將動力傳到轉向器。傳動系統的轉速比為1∶2∶1∶1，依次為電動機輸出軸、攪肥軸、排肥軸和轉向器，轉向器的轉向速度比為1∶1。通過傳動系統可保證擺管的擺動頻率范圍為1.5～2.5 Hz。

由于存在交流電動機對變頻器的響應誤差和變頻器本身的精度問題，有可能使變頻器顯示的輸出轉速和施肥圓盤的實際轉速之間存在較大差異，導致施肥圓盤轉速不準確，影響試驗精度。因此應該對拋撒模型的轉速精度和穩定性進行校核。采用欣寶科儀DT2236B型光電接觸兩用轉速儀測量攪肥軸的轉速，然后與此時變頻器輸出電動機轉速進行比較，得到結果如表1。從表1可以看出，隨著頻率的增加絕對誤差增大，最大絕對誤差為3.43%，這在可以接受的范圍內，因此完全可以認為變頻器顯示的轉速即為施肥圓盤的實際轉速，且轉速有很好的穩定性。

3.2 均勻性試驗

施肥效果最重要的評價指標是排肥器的排肥均勻性，主要用排出肥的均勻程度來衡量。參照GBT 20346.1-2006對撒肥機進行了室內試驗，于2012年11月在華中農業大學現代農業工程試驗實踐基地進行，分別對顆粒狀復合肥和粉狀碳酸氫銨進行試驗。

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動擴散，對撒施均勻性要求較低；顆粒肥被施入土壤后是固定不動，因而對均勻性要求較高一些。顆粒肥均勻性試驗分別測定顆粒肥的橫向均勻性和縱向均勻性，試驗中設置曲柄轉速ω取值分別為3、4、5 π/s 3種不同轉速和大小兩種不同排量，同時設置擺管的安裝角度10°和30°，共12組情況。參照標準ASAE S341.2的試驗說明[11]，采用二維矩陣收集的方法進行試驗。在相應有效施肥幅寬內擺放邊長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。分別測定各情況橫向施肥變異系數，試驗結果如表2。

從表2可以看出，擺管安裝角度為30°時該撒肥機橫向均勻性明顯優于安裝角度為10°時。當擺管安裝角度為30°時，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間要短，拋撒遠度小，施肥幅寬也相應較小，橫向施肥變異系數降低。隨著擺動頻率的增加，機組運行穩定性降低，造成橫向施肥變異系數增大。該撒肥機在擺管安裝角度為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，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，試驗時設置曲柄轉速ω取值分別為4 π/s和5 π/s兩種不同轉速，直接將肥料撒施到地面，拖動平鋪在地面的油布，拖動速度為1 m/s， 將有效幅寬分為三段進行稱重，測定其變異系數，得到變異系數值分別為49.17%和40.07%。

3.2.2 縱向施肥均勻性 縱向施肥與擺管無關，故設置曲柄轉速ω取值分別為3、4、5 π/s 3組不同轉速，5 s為計時單位，每組選定三段稱重，測定各組的變異系數，得到結果如表3。由表3可以看出，顆粒肥的縱向均勻性明顯優于碳酸氫銨，原因在于顆粒狀肥料流動性好，碳酸氫銨流動性差、易粘連。該撒肥機撒施兩種肥料都沒有出現斷條的現象。

4 小結

針對小田塊作業地區，設計了一種通用型擺管式撒肥機，并確定了整機的撒施方案以及參數，該撒肥機可撒施不同肥料，效果良好。通過分析擺管的運動特性，建立了擺管的運動方程，通過運動方程找出最佳的前進速度和擺動頻率的組合，提高了肥料撒施的均勻性。

試驗結果表明，該撒肥機通用性好，能撒施大顆粒肥料和易吸濕性粉狀肥料，撒施均勻性良好。未出現空段，即斷條率為零，能較好地滿足實際生產的要求。

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