葡萄綜合施肥機的設計與研制

趙潤良，曾保寧，梁 舉，楊 葉

(寧夏工商職業技術學院 機械工程系，銀川 750021)

0 引言

寧夏現種植葡萄2.93萬hm2,其中釀酒葡萄2.47萬hm2，在寧夏“十二五”規劃中將擴大到4.67萬hm2，到2020年實現6.67萬hm2的種植面積[1]。寧夏的葡萄種植模式是寬行小株距，行寬3～3.8m，冬季要用土埋藤，春季要對葡萄藤條埋土剝離起藤。葡萄生長期要進行多次施肥，特別是1～2年要進行農家肥的施播，因播深要求在35～50cm，靠人工挖，勞動強度大，需要投入大量人工，且效率低。目前，有用小型挖掘機先行開溝，由人工把肥運送并撒在溝底，再由小型挖掘機覆埋，每天勞動效率低且成本高，還有一些機械因施肥深度及播量不符合要求。因此，廣大農民急盼綜合施肥機械，能一次完成開溝、施肥、覆土3道工序，不僅能施農家肥，而且能施其它有機肥及化肥。近幾年，先后有幾種葡萄施肥機相繼投入使用，但因存在施肥單一、效率低、能耗大等問題，很不經濟。因此，研制一種適合寧夏土壤特點的葡萄綜合施肥機對促進葡萄種植機械化具有積極的意義[2]。

基于此，設計了一種葡萄綜合施肥機。利用拖拉機作為動力機，施肥機半懸掛于拖拉機后方組成作業機組。機組前進時,拖拉機的液壓懸掛機構使葡萄綜合施肥機初次入土，再由葡萄綜合施肥機上的液壓缸使旋刀總成旋深施肥溝，達到施農家肥的深度。同時，由拖拉機動力輸出軸及其傳動軸總成把動力輸入葡萄綜合施肥機的變速箱，變速箱把動力經鏈傳動裝置輸給鉸籠總成實現切碎運輸功能，在機組前進時實現連續開溝。葡萄綜合施肥機上的排肥器把肥箱里的肥按調節的播量排到導肥管，均勻地撒在旋刀總成所開的溝里，牽掛在葡萄綜合施肥機后方的覆土裝置把開溝拋在溝邊的土覆埋在肥上，覆平地表。機組在前進的同時完成了開溝、施肥及覆土的連續作業。

1 葡萄綜合施肥機結構設計與工作原理

1.1 結構設計

葡萄綜合施肥機設計申報了專利(ZL201520669988.0)，其結構與工作原理如圖1所示。葡萄綜合施肥機結構主要由機架、變速箱、旋刀總成、旋刀總成驅動傳動鏈、地輪、排肥器、排肥器驅動軸、覆土機構、起土鏟、平衡鏟及肥箱總成等組成。其中，機架是葡萄綜合施肥機的基礎。在機架的前端中部安裝變速箱；機架左側安裝左地輪支架，左地輪支架上安裝左地輪軸，左地輪軸上安裝左地輪、鏈輪；機架右側安裝右地輪支架，右地輪支架王上安裝右地輪軸，右地輪軸上安裝右地輪。機架的左側正下方安裝旋刀總成支架座，旋刀總成支架掛在旋刀總成支架座上，旋刀總成由外旋刀片、刀盤、內旋刀片組成，旋刀總成安裝在旋刀總成驅動軸左端，旋刀總成驅動軸安裝在旋刀總成支架上；旋刀總成驅動軸右端安裝著旋刀總成驅動鏈輪，旋刀總成驅動鏈輪由旋刀總成驅動鏈帶動，旋刀總成驅動鏈由鏈輪帶動，鏈輪裝在變速箱動力輸出軸上，旋刀總成支架上安裝液壓缸下支座，液壓缸下端掛在液壓缸下支座上，液壓缸上端掛在液壓缸上支座上，液壓缸上支座固定在機架上；起土鏟掛在起土鏟支架座，起土鏟支架座固定在機架上，起土鏟由連桿、連桿支座與旋刀總成支架組成四連桿鉸連機構；平衡鏟固定在機架；排肥器安裝在肥箱左側底部 ，排肥器與排肥器驅動軸右端聯接，排肥器驅動軸左端上的齒輪與鉸籠驅動鏈連接，在排肥器的下方安裝排肥導管；肥箱總成由肥箱、鉸籠、鉸籠驅動軸、鉸籠驅動鏈輪及鉸籠軸支架座組成；肥箱安裝在機架的上方，在機架的上方靠肥箱兩端安裝鉸籠軸支架座，鉸籠軸支架座上安裝鉸籠驅動軸，鉸籠驅動軸的左端安裝鉸籠驅動鏈輪；覆土機構由覆土板、覆土板支架、覆土板支座組成，覆土板支座固定在機架后邊，覆土板支架掛在覆土板支座上覆土板固定在覆土板支架上。

1.右地輪軸 2.右地輪支架 3.右地輪 4.平衡鏟 5.右懸掛座 6.機架 7.變速箱 8.傳動鏈防護罩 9.旋刀總成驅動鏈 10.旋刀總成驅動鏈輪 11.旋刀總成驅動軸 12.旋刀總成支架 13.排肥導管 14.起土鏟 15.旋刀總成 16.左地輪支架 17.鏈輪 18.左地輪 19.左地輪軸 20.鉸籠驅動鏈 21.鉸籠驅動鏈輪 22.鉸籠驅動軸 23.肥箱 24.排肥器驅動軸 25.排肥器 26.鏈輪 27.變速箱動力輸出軸 28.鉸籠總成 39.旋刀總成支架座 41.起土鏟支架座

1.2 工作原理

利用拖拉機作為動力機，葡萄綜合施肥機半懸掛于拖拉機后方組成作業機組。機組前進時,拖拉機的液壓懸掛機構使葡萄綜合施肥機初次入土，先由起土鏟鏟松地表土壤，再由葡萄綜合施肥機上的液壓缸推壓旋刀總成旋深施肥溝，達到施農家肥的深度；同時，由葡萄綜合施肥機的左地輪帶動鏈輪、鉸籠驅動鏈、排肥器驅動軸及排肥器，排肥器把肥均勻地、按量地導出并由排肥導管引導撒在旋刀總成旋深的施肥溝里；掛在機架后邊的覆土板將把開溝拋在溝邊的土覆埋在肥上，覆平地表，機組在前進的過程完成了開溝、施肥及覆土的連續作業。

旋刀總成的旋轉動力(見圖2)是由拖拉機動力輸出軸經傳動軸總成(屬于拖拉機上的工作件)把動力輸入葡萄綜合施肥機的變速箱動力輸入軸 ，再由變速箱動力輸出軸、鏈輪、旋刀總成驅動鏈、旋刀總成驅動鏈輪、旋刀總成驅動軸把動力傳輸給旋刀總成；旋刀總成由外旋刀片、刀盤及內旋刀片組成，旋刀總成轉動時外旋刀片、內旋刀片隨著旋轉，刀片切下土塊并推動后移而拋向后方，實現切土、拋土功能；旋刀總成旋深的調節由液壓缸控制，液壓缸的液壓油來自拖拉機排肥器，驅動動力是由葡萄綜合施肥機的左地輪帶動鏈輪、鉸籠驅動鏈及排肥器驅動軸輸入排肥器，使排肥量與機組前進速度相適應，確保單位面積排肥量的均勻，總排量可由排肥器調節。

3.右地輪 6.機架 7.變速箱 12.旋刀總成支架 14.起土鏟 15.旋刀總成 29.變速箱動力輸入軸 30.左懸掛座 31.連桿支座 32.連桿 33.液壓缸下支座 34.液壓缸 35.液壓缸上支座 36.覆土板 37.覆土板支架 38.覆土板支座 39.旋刀總成支架座 40.鉸籠軸支架座 41.起土鏟支架座

肥箱總成用于儲存一定量的肥料，確保機組的連續作業。為防止農家肥懸空和提高農家肥的流動性，保證排肥器連續排肥，在肥箱底部安裝有鉸籠；鉸籠由左地輪帶動鏈輪、鉸籠驅動鏈、鉸籠驅動鏈輪及鉸籠驅動軸傳來的動力驅動，鉸籠旋轉使肥料連續輸送到排肥器，保證連續播肥，

平衡鏟平衡鏟布置在葡萄綜合施肥機機架的右下方，在施肥時平衡鏟平衡鏟也鏟入土壤中：一是對土壤松土；二是利用其對土壤松土時產生的阻力與起土鏟、旋刀總成所產生阻力進行平衡，保證葡萄綜合施肥機工作時不偏轉。

為了葡萄綜合施肥機不作業時的轉移，液壓缸升起時，提升旋刀總成支架經連桿、連桿支座帶動起土鏟一同繞起土鏟支架座、旋刀總成支架座在機架靠近收起，方便機組轉移地塊或地頭調頭 ，運輸時離地高而防止損傷旋刀總成及起土鏟等部件。

1.3 試制優化后的結構與工作的基本原理

按照葡萄綜合施肥機申報專利設計的結構，采用CAD工程設計并進行機構動作模擬，各部機構運轉良好，無干涉，之后按這一方案制作樣機。樣機在田間試驗中發現了幾個問題：一是起土鏟與旋刀總成之間有堵塞現象；二是生產校率低，達不到設計要求；三是農民反饋結構復雜且成本高(樣機制作2.6萬元)。為解決以上問題，在樣機的基礎上進行了優化設計，結構如圖3所示。試制的2代樣機經過田間試驗，解決了第1代樣機存在的問題，滿足了農業生產的需要，各項性能都達到了設計要求。

1.開溝器 2.開溝器搖臂支座 3.機架 4.開溝器上搖臂 5.液壓缸支架 6.開溝器液壓缸 7.液壓缸上掛架 8.肥箱左支柱 9.肥箱 10.肥箱右支柱 11.鉸籠鏈輪 12.鉸籠驅動鏈輪 13.減速器動力輸出軸 14.平衡鏟 15.減速器 16.右下懸掛支座 17.減速器動力輸入鏈條 18.運輸右輪 19.運輸架 20.運輸左輪 21.運輸架液壓缸 23.左下懸掛支座 24.開溝器下搖臂 25.鉸籠

優化設計葡萄綜合施肥機主要由開溝器 、機架、肥箱、施肥鉸籠及其驅動機構、運輸機構等組成，如圖3所示。工作原理：葡萄綜合施肥機與拖拉機組成聯合機組，利用拖拉機液壓懸掛裝置與葡萄綜合施肥機的掛接，使綜合施肥機升降，便于運輸與初始施肥深度調節。當機組進入葡萄行間后，先由拖拉機液壓懸掛裝置使葡萄綜合施肥機下降，同時操縱拖拉機液系統的液壓分配器，使開溝器入土并達到規定深度,其入土過程如圖4所示。當給開溝器液壓缸提供液壓時，開溝器液壓缸伸張推動開溝器上搖臂，開溝器上搖臂推動推動開溝器繞開溝器支架座旋轉下降；達到規定耕深后，拖拉機液系統的液壓分配器處于中立位,開溝器液壓缸不再伸張保證耕深一致,在開溝器旋轉下降時開溝器下搖臂也隨著一起擺動,工作狀態時與開溝器、上下搖臂、開溝器搖臂支座組四連桿機構支持開溝器,保證開溝器工作時受力而向后反轉改變耕深。

1.肥箱 2.開溝器液壓缸 3.開溝器搖臂支座 4.開溝器上搖臂 5.開溝器下搖臂 開溝器 7.開溝器支座 8.機架 9.覆土器

機組前進并開始使使整機下降,開溝器入土后，即接通拖拉機動力輸出軸的運動，經萬向傳動軸把動力輸給萄綜合施肥機施肥鉸籠(見圖3)；鉸籠旋轉把肥輸送到開溝器上方經導肥管沿開溝器后壁流入溝地，再由覆土器(見圖4)刮土覆蓋，達到深施肥的標準。施肥鉸籠的動力傳動及肥量調節如圖5所示。

1.開溝器肥箱 2.鉸籠支承軸承 3.開溝器后壁室導肥管 4.鉸籠 5.鉸籠驅動鏈輪 6.鉸籠驅動鏈 7.減速器動力輸出齒輪軸鏈輪 8.減速器動力輸出齒輪軸 9.減速器動力輸入齒輪軸 10.減速器動力輸入齒輪軸鏈輪Ⅰ 11.減速器動力輸入齒輪軸鏈輪Ⅱ 12.減速器動力輸入鏈條 13.中間軸輸出鏈輪Ⅰ 14.中間軸輸出鏈輪Ⅱ 15.中間軸支座 16.中間軸

施肥鉸籠的動力傳動是由拖拉機動力輸出軸經連接施肥機的萬向傳動軸，把動力輸給施肥機上的中間軸，由裝在中間軸上的中間軸輸出鏈輪Ⅰ經減速器動力輸入鏈條、減速器動力輸入齒輪軸鏈輪Ⅰ、減速器動力輸入齒輪軸傳入減速器，經減速器動力輸入齒輪軸減速器動力輸出齒輪軸減速并改變轉向90°輸出，減速器動力輸出齒輪軸上的減速器動力輸出齒輪軸鏈輪帶動鉸籠驅動鏈經鉸籠驅動鏈輪驅動鉸籠旋轉，運送肥料移動到開溝器后，壁室導肥管上方落下流入開好的溝底。鉸籠不僅運送肥料，其在旋轉過程中還具有攪拌和切碎有機肥與農家肥中的莖稈的作用。鉸籠的切碎作用得益于螺旋葉片外圓邊加工成齒狀，在旋轉中具有切碎的能力。

鉸籠旋轉即播肥，鉸籠不旋轉就停止播肥，鉸籠的旋轉是由是否接通拖拉機動力輸出軸控制。因此，只要能改變鉸籠的旋轉轉速，就可以改變播肥量。鉸籠旋轉轉速采用兩級鏈傳動進行調節，有機肥及化肥用中間軸輸出鏈輪Ⅰ減速器動力輸入鏈條經減速器動力輸入齒輪軸鏈輪Ⅰ輸入減速器實現一級傳動(見圖5)；農家肥用中間軸輸出鏈輪Ⅱ減速器動力輸入鏈條經減速器動力輸入齒輪軸鏈輪Ⅱ輸入減速器實現二級傳動(見圖5)，滿足不同種類肥料及播量的調節。拖拉機動力輸出軸的轉速有540r/min與720r/min兩種，一般拖拉機多為前者，也有具有兩種轉速的。對于葡萄綜合施肥機調節肥量，可通過更換上述兩對鏈輪實現。減速器主要由殼體、減速器動力輸出齒輪軸減速器動力輸入齒輪軸等組成，主要是改變運動的旋轉方向及旋轉平面轉90°。

2 主要部件設計

2.1 減速器的設計

箱體采用灰鑄鐵鑄造成型，尺寸為320mm×200mm×210mm，壁厚為15mm；軸承支承座孔的尺寸根據軸承等零件設計厚度，為保證承載強度,其與內壁連接處沿圓周均布了4個加強筋。減速器動力輸出齒輪軸與減速器動力輸入齒輪軸(見圖5)采用齒輪與軸整體結構，選用40Cr合金鋼，齒輪采用雙曲面齒形，主動錐齒輪的齒數為17，從動錐齒輪齒數為28，模數為8，傳動比為i=28/17=1.647。

2.2 開溝器的設計

2.2.1 總體結構

開溝器主要由立柱體、掛接環座、側切土刀 、鉸軸、開溝鏟、底托等組成，如圖6所示。其中，立柱體與底托采用焊接組成箱體結構，側切土刀用螺栓固定在立柱體上，開溝鏟與底托由鉸軸鉸連接。

2.2.2 開溝器的工作過程

開溝器在拖拉機液壓的作用下，掛接環座繞支座軸轉動，開溝鏟切入土壤，并在液壓力作用下入土到規定深度。在機組前進時，開溝鏟配合側切土刀把土切開并向左后側翻轉形成溝槽，方便肥料落入溝槽底，再由覆土器覆埋。

2.3 鉸籠驅動鏈與鏈輪的結構設計

鉸籠驅動鏈與鏈輪的結構設計按國標GB1243.1.83的規定設計。從減速器至鉸籠的驅動鏈選用16A號鏈，主動鏈輪齒數為16齒，從動鏈輪齒數為19齒，節距為25.4mm；從中間軸至減速器選用12A號鏈，主從鏈輪齒數均為26齒/18齒，20齒/16齒節距為19.05mm。

1.立柱體 2.掛接環座 3.側切土刀 4.鉸軸 5.開溝鏟 6.底托

3 試制樣機

經過多次方案調整，依據設計圖紙 ，完成定型機的制造與試驗。試驗前，進行檢查調試，主要運動件進行潤滑保養，添加齒輪油，使各配合關系良好，工作部件強度滿足生產需要。葡萄綜合施肥機定型機如圖7所示。主要技術參數：外形尺寸為2.8m×1.2m×1.56m,肥箱可以裝2 000kg,施肥深度35～50cm可調,適宜在葡萄行距在2.9～3.5m使用。

4 性能試驗與結果分析

4.1 空載試運轉試驗

葡萄綜合施肥機與拖拉機采用懸掛連接，懸掛試驗是檢機組連接的匹配及可靠性，連接安裝簡便，與拖拉機連接后升降操作方便可靠。用萬向傳動裝置連接拖拉機動力輸入裝置，安裝簡便，接通拖拉機動力輸入裝置空運轉，從中間軸到絞籠動力傳遞運轉良好。液壓傳動的開溝器及運輸架升降自如,無卡滯,調整方便。拖拉機選用動力為75～90kW,液壓輸出接口4個，液壓傳動管采用快速接頭，方便駕駛員操作，主要用于驅動開溝器及運輸架的升降。

圖 7 樣機整機照片

4.2 機組空載試運行試驗

1)各傳遞動力零件試驗。葡萄綜合施肥機與拖拉機組成機組，進行道路空載試驗。各傳遞動力部件、萬向傳動裝置聯接、定位良好牢靠，運動分離操作靈活、輕便。

2)空駛試驗。與拖拉機連接并輸入動力空轉試驗，各鏈條傳動部件運轉良好，無干涉，無卡滯，滿足工作要求。在道路上行駛時，運輸架總成升降平穩，無橫向偏擺，使機組轉移時安全可靠。

4.3 機組田間試驗

1)地塊條件。5年生長期的釀酒葡萄地，行距3m,行間無套種的空地，地條中間凸起。

2)機組試驗。照葡萄種植施肥的要求及方法，結合葡萄地塊的基本條件，進行了作業試驗，測試數據如表1所示。

續表1

4.4 數據分析及試驗結論

1)開溝耕深平均值為

式中α—耕深平均值；

αn—測量點實際耕深；

n—選擇的測量點數。

2)開溝耕寬平均值為

式中b—開溝器耕寬平均值；

bn—測量點實際耕寬；

n—選擇的測量點數。

3)施肥厚度平均值為

式中c—施肥厚度平均值；

cn—測量點實際施肥厚度；

n—選擇的測量點數。

5 結論

1)該機結構設計合理，安裝、調試、維護方便，安全措施完善。

2)施肥耕深符合葡萄生長要求，施肥量均勻、播量可調，埋土厚實均勻，符合農藝要求。

3)操作方便，傳動可靠，轉速平穩。