堆肥拋撒機(jī)的研制

李文哲，崔 亮，王慶慶，張基因，關(guān)利剛，鞠文聰

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

堆肥拋撒機(jī)的研制

李文哲，崔 亮，王慶慶，張基因，關(guān)利剛，鞠文聰

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

為解決堆肥機(jī)械化施肥問題，研究設(shè)計(jì)地輪驅(qū)動(dòng)輸肥、片式雙螺旋破碎拋撒施肥裝置。利用ANSYS Workbench對(duì)螺旋刀軸進(jìn)行有限元模態(tài)分析，確定固有頻率對(duì)螺旋刀軸影響；運(yùn)用Matlab仿真地輪驅(qū)動(dòng)輸肥模型，分析運(yùn)動(dòng)阻力轉(zhuǎn)矩與垂直載荷轉(zhuǎn)矩關(guān)系以及地輪驅(qū)動(dòng)輸肥原理。應(yīng)用Catia軟件仿真該裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)等，獲得作為樣機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)工藝參數(shù)，制作工程樣機(jī)并驗(yàn)證，試驗(yàn)過程中輸肥與拋撒配合良好，達(dá)到堆肥撒施要求。研究可為適合堆肥施用特點(diǎn)的拋撒施肥機(jī)具研發(fā)提供借鑒。

堆肥；雙螺旋；拋撒機(jī)；地輪驅(qū)動(dòng)

目前我國(guó)施肥機(jī)械大多針對(duì)化肥或粒徑均勻顆粒肥設(shè)計(jì)，開發(fā)堆肥施肥機(jī)械尤為必要。國(guó)外堆肥施肥機(jī)械經(jīng)過近二十年發(fā)展，技術(shù)水平較高[1-2]，但成本高且需要較高牽引力和大型裝載機(jī)配合。國(guó)內(nèi)堆肥拋撒機(jī)剛處于起步階段，主要以引進(jìn)與仿制改進(jìn)為主。潘世強(qiáng)等研制地輪驅(qū)動(dòng)式農(nóng)家肥撒施機(jī)，設(shè)計(jì)地輪驅(qū)動(dòng)輸肥和撥肥，無(wú)需額外動(dòng)力，只需牽引動(dòng)力，但由于左右地輪分別經(jīng)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)輸肥裝置和拋撒裝置，在作業(yè)過程中左右地輪所受轉(zhuǎn)矩不斷變化，作業(yè)穩(wěn)定性受影響，此外驅(qū)動(dòng)裝置加裝在地輪外側(cè)，機(jī)具尺寸較大[3]。

施繼紅等研究螺旋撒肥器拋撒性能，確定螺旋撒肥器最優(yōu)轉(zhuǎn)速、螺距與輸肥速度[4]。上海世達(dá)爾現(xiàn)代農(nóng)機(jī)開發(fā)有限公司研制TMS10700廄肥撒肥機(jī)，并投入生產(chǎn)[5]；張睿等基于處方圖設(shè)計(jì)鏈條輸送式變量施肥拋撒機(jī)[6]。國(guó)內(nèi)研制螺旋拋撒裝置多為普通單項(xiàng)螺旋葉片，物料在拋撒過程中向一側(cè)偏移，均勻性較差，對(duì)物料破碎、攪拌效果不理想；輸肥裝置由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供動(dòng)力，較大減速比才能滿足輸肥需要。螺旋拋撒裝置和輸肥裝置協(xié)同工作時(shí)，保證結(jié)塊和高含水率堆肥拋撒，最大限度減少動(dòng)力消耗，是堆肥拋撒機(jī)械設(shè)計(jì)關(guān)鍵和研究熱點(diǎn)。

針對(duì)國(guó)內(nèi)堆肥拋撒機(jī)存在問題，本文研制地輪驅(qū)動(dòng)片式雙螺旋破碎拋撒施肥機(jī)，該機(jī)由地輪驅(qū)動(dòng)輸肥，可降低拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸功耗，保證載重輪轉(zhuǎn)向靈活。片式雙螺旋破碎拋撒裝置，葉片布置均勻、旋向互為補(bǔ)償，保證拋撒均勻性。葉片頂部刀齒可有效破碎結(jié)塊和高含水率物料肥，增強(qiáng)適應(yīng)性，為適合堆肥施用特點(diǎn)的拋撒施肥機(jī)具研發(fā)提供借鑒。

1 堆肥拋撒機(jī)械設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

堆肥主要是秸稈和畜禽糞便堆制發(fā)酵而成，含有50 mm左右未降解植物纖維。長(zhǎng)時(shí)間堆放可能結(jié)塊，拋撒時(shí)需將粘結(jié)或結(jié)塊肥料破碎松散，研制過程中須解決3個(gè)難點(diǎn)問題。① 施肥均勻性控制，確保行走速度、輸肥速度和螺旋刀軸轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)，滿足耕地施用基肥要求；② 最大限度避免結(jié)塊和纖維對(duì)輸肥效率與螺旋刀軸切削拋撒效果影響，不能發(fā)生肥料抱軸，以及輸肥機(jī)構(gòu)與螺旋刀軸工作區(qū)域產(chǎn)生堵塞等現(xiàn)象；③ 保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)，輸肥裝置將肥料勻速輸送到肥箱尾部，轉(zhuǎn)速較慢，轉(zhuǎn)矩較大，與施肥裝置轉(zhuǎn)速差近200倍，動(dòng)力傳動(dòng)需平穩(wěn)分配。

結(jié)合農(nóng)藝耕作要求，設(shè)計(jì)條件如下：① 堆肥拋撒機(jī)采用牽引式，拋撒機(jī)行走輪要有獨(dú)立半軸，在轉(zhuǎn)彎時(shí)實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)動(dòng)，作業(yè)時(shí)左右半軸和輸肥軸通過控制器結(jié)合，為輸肥裝置提供動(dòng)力。有足夠類似田間地埂等非硬化道路通過能力，盡量減少輪胎接地壓強(qiáng)，防止輪胎過度下陷，為輸肥裝置提供足夠動(dòng)力。② 螺旋拋撒裝置可將粘結(jié)、結(jié)塊和以纖維形式存在肥料破碎，并均勻拋撒到地面，確保無(wú)堵塞和抱軸等現(xiàn)象。③ 輸肥裝置工作時(shí)均勻穩(wěn)定，并與拋撒速度協(xié)調(diào)配合，無(wú)擁塞和斷料現(xiàn)象，確保拋撒連續(xù)性，可根據(jù)農(nóng)藝要求控制施肥量。

1.2 堆肥拋撒機(jī)械組成及工作原理

堆肥拋撒機(jī)施肥裝置主要由底盤、肥箱、螺旋拋撒裝置及傳動(dòng)裝置、刮板輸肥裝置、地輪驅(qū)動(dòng)裝置、行走輪等組成，樣機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中地輪驅(qū)動(dòng)輸肥裝置由左右分體地輪、差速器、轉(zhuǎn)動(dòng)鏈輪、離合器、減速器、刮板輸肥機(jī)構(gòu)組成。

作業(yè)時(shí)由拖拉機(jī)牽引，地輪驅(qū)動(dòng)輸肥裝置開啟，將輸肥動(dòng)力由分動(dòng)行走輪經(jīng)過地輪驅(qū)動(dòng)裝置傳遞給刮板輸肥裝置，肥箱內(nèi)肥料在刮板輸肥裝置作用下向后移動(dòng)，配置在拋撒機(jī)上雙螺旋破碎拋撒裝置由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供動(dòng)力，將肥料邊破碎邊拋撒，使肥料均勻拋撒到作業(yè)區(qū)域。

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地輪驅(qū)動(dòng)堆肥撒肥機(jī)傳動(dòng)系在保證輸肥效果同時(shí)，隨車速變化調(diào)節(jié)輸肥速度，降低拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸功耗，由撥叉控制地輪輸肥開關(guān)，保證左右載重輪轉(zhuǎn)向靈活。拋撒機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定特點(diǎn)。

圖1 施肥機(jī)具整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of Fertilizing machine

地輪驅(qū)動(dòng)輸肥機(jī)構(gòu)主要功用：①將作業(yè)機(jī)械行駛阻力轉(zhuǎn)化為輸肥動(dòng)力，輸肥速度在合理范圍內(nèi)隨作業(yè)速度變化，適應(yīng)作業(yè)工況需要。②作業(yè)時(shí)輸肥機(jī)構(gòu)由地輪提供動(dòng)力，非作業(yè)時(shí)分離離合器，實(shí)現(xiàn)分動(dòng)。③從動(dòng)地輪在轉(zhuǎn)向時(shí)差速運(yùn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)向靈活，減少地面阻力與輪胎磨損。

地輪驅(qū)動(dòng)輸肥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)輕巧緊湊，效率高，造價(jià)低，運(yùn)行中盡可能磨損少。① 具有合適傳動(dòng)比，保證機(jī)械具有穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速；② 工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修保養(yǎng)方便；③ 離合操縱方便；④ 結(jié)構(gòu)布置合理，無(wú)相互干擾，噪音??；⑤ 保證作業(yè)機(jī)械滿負(fù)荷工況下傳動(dòng)部件應(yīng)有足夠強(qiáng)度。

如圖2所示，輸肥機(jī)構(gòu)由從動(dòng)地輪、后橋部分、中間鏈輪、擺線針輪減速機(jī)和最終傳動(dòng)部分組成。作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)從動(dòng)車輪為輸肥機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，動(dòng)力在傳遞過程中經(jīng)過后橋1，由后橋鏈輪傳遞給中間鏈輪2，離合器3控制輸肥機(jī)構(gòu)工作與停止，動(dòng)力經(jīng)由擺線針輪減速機(jī)傳 遞給鏈輪4，最終由鏈輪5將動(dòng)力傳遞給輸肥軸，輸肥軸帶動(dòng)刮板輸肥。數(shù)字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示傳動(dòng)軸。

圖2 輸肥機(jī)構(gòu)傳動(dòng)Fig.2 Transmission schematic of fertilizer transfer mechanism

堆肥拋撒機(jī)構(gòu)主要功用：① 將作業(yè)機(jī)械輸出動(dòng)力轉(zhuǎn)化為拋撒機(jī)構(gòu)動(dòng)力，適應(yīng)作業(yè)工況需要。② 將動(dòng)力輸出方向調(diào)整為所需旋向。

對(duì)拋撒機(jī)構(gòu)要求：① 具有合適傳動(dòng)比，保證機(jī)械具有穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速；② 工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修保養(yǎng)方便；③ 結(jié)構(gòu)布置合理，無(wú)干擾，噪音小、振動(dòng)??；④ 鏈條采用油脂潤(rùn)滑。⑤ 保證作業(yè)機(jī)械滿負(fù)荷工況下，各傳動(dòng)部件有足夠強(qiáng)度。

如圖3所示，拋撒機(jī)構(gòu)由動(dòng)力輸出軸、換向器、中間鏈輪和最終傳動(dòng)部分組成。

作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸為拋撒機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，動(dòng)力在傳遞過程中經(jīng)過驅(qū)動(dòng)軸，由換向器1傳遞給中間鏈輪2，最終傳動(dòng)鏈輪3帶動(dòng)拋撒機(jī)構(gòu)拋撒堆肥。數(shù)字Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ表示傳動(dòng)軸。

圖3 拋撒機(jī)構(gòu)傳動(dòng)Fig.3 Dispersal of an export institutions transmission

2 堆肥拋撒裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 螺旋拋撒裝置設(shè)計(jì)

螺旋拋撒裝置外形結(jié)構(gòu)如圖4所示，由拋撒葉片和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，拋撒葉片由8個(gè)右旋拋撒葉片和8個(gè)左旋拋撒葉片交錯(cuò)排列，焊接在旋轉(zhuǎn)軸（無(wú)縫鋼管）上，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸軸向中心對(duì)稱，葉片由4 mm厚鋼板制成，頂端有規(guī)則刀齒，使拋撒葉片具有良好破碎能力，葉片兩側(cè)有20 mm肋板，提高葉片強(qiáng)度，減小葉片作業(yè)時(shí)形變，增大葉片掃掠有效區(qū)域，交錯(cuò)葉片組成無(wú)重復(fù)，無(wú)遺漏螺旋攪動(dòng)空間，保證在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)切削和拋撒均勻穩(wěn)定。

應(yīng)用CATIA軟件對(duì)螺旋拋撒裝置建模、裝配，通過CATIA Sweep Volume掃掠體功能預(yù)覽螺旋拋撒裝置操作時(shí)所占空間體積，檢查葉片掃掠區(qū)域，調(diào)整葉片位置，避免出現(xiàn)未掃掠空間，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2 螺旋拋撒裝置有限元分析

在施肥過程中，螺旋拋撒裝置受周期性沖擊載荷作用，為保證拋撒裝置工作可靠性和使用壽命，基于ANSYS Workbench分析拋撒裝置有限元模態(tài)。拋撒葉片與旋轉(zhuǎn)軸材料參數(shù)為：彈性模量2×1011Pa，泊松比 0.3，密度 7 850 kg·m3，屈服強(qiáng)度 3.1×108Pa。為保證計(jì)算精度，適當(dāng)增加網(wǎng)格劃分密度，最終劃分拋撒裝置實(shí)體單元個(gè)數(shù)為40 302，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為83 925。螺旋拋撒裝置有限元網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖4 螺旋刀軸結(jié)構(gòu)Fig.4 Spiral blade shaft structure diagram

圖5 螺旋刀軸掃掠體Fig.5 Spiral blade shaft Sweep Volume

圖6 螺旋刀軸有限元網(wǎng)格劃分Fig.6 Finite element grid division of spiral knife shaft

設(shè)計(jì)螺旋刀軸轉(zhuǎn)速為350～400 r·min-1，基頻5.8～6.7 Hz。螺旋刀軸最低階頻率為1階固有頻率2.48 Hz，2階固有頻率117.06 Hz，隨著階數(shù)增大頻率逐漸增大，小于模態(tài)分析2階及2階以上固有頻率，無(wú)共振（見表1）。

可見對(duì)螺旋刀軸可能產(chǎn)生影響的是第1階固有頻率。在第1階固有頻率2.48 Hz狀態(tài)下，刀軸整體為徑向膨脹振型，刀軸基頻大于1階固有頻率，但頻率較為接近，由于螺旋刀軸啟動(dòng)工作轉(zhuǎn)速經(jīng)過第1階固有頻率所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速，在螺旋刀軸啟動(dòng)工作瞬間可能引起刀軸徑向膨脹共振現(xiàn)象，因?yàn)槭撬查g短暫共振，所以當(dāng)螺旋刀軸達(dá)到工作速度穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)共振。螺旋刀軸有限元模態(tài)分析如圖7所示。

表1 螺旋刀軸模態(tài)分析結(jié)果Table1 Modal analysis results of the Spiral knife shaft

圖7 螺旋刀軸1階振型Fig.7 Spiral knife shaft 1 sketch mode

2.3 輸肥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮板輸肥裝置由鏈輪、鏈條和固定在鏈條上的刮板組成。輸肥動(dòng)力由行走輪經(jīng)過傳動(dòng)裝置傳遞給刮板輸肥裝置，經(jīng)鏈輪帶動(dòng)鏈條將肥料向后輸送。

行走輪提供足夠輸肥動(dòng)力為關(guān)鍵因素，由于施肥量所需轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)矩較大，為保證正常工作，應(yīng)計(jì)算所需扭矩。參照文獻(xiàn)[7]各參數(shù)如表2所示。

表2 輸肥機(jī)構(gòu)基本參數(shù)Table 2 Transfer mechanism basic parameters

輸送量計(jì)算公式：

式中，Qo—計(jì)算輸送量（m3 · h-1）；

B—肥箱寬度（m）；

H —肥箱高度（m）；

v—刮板鏈條輸送速度（m·s-1）；

η—輸送效率（%）。

鏈條張力計(jì)算公式：

式中，F(xiàn)—刮板鏈條最大張力（N）；

Lo—肥箱長(zhǎng)度（m）；

g—重力加速度，取g=9.81（m · s-2）；

m—刮板鏈條每米質(zhì)量（kg·m-1）；

mv—物料每米質(zhì)量（kg·m-1）；

f—物料內(nèi)摩擦系數(shù)；

f1—物料外摩擦系數(shù)；

n—物料對(duì)肥箱兩側(cè)側(cè)壓系數(shù)；

hˊ—輸送物料高度；

求得：Qo=10.8 m3·h-1； F=2 587N

輸肥機(jī)構(gòu)動(dòng)力由承重地輪提供，承重地輪既是行走機(jī)構(gòu)又是輸肥機(jī)構(gòu)動(dòng)力來源，而輸肥速度控制直接源于對(duì)作業(yè)速度控制，降低拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸功耗。從動(dòng)承重地輪受地面行駛阻力發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩為輸肥機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。剛性輪行駛阻力為壓實(shí)阻力和推土阻力，充氣輪胎還要考慮輪胎反復(fù)變形阻力，取決于輪胎尺寸、結(jié)構(gòu)、材料和行駛條件。假設(shè)理想狀態(tài)下輪胎充氣壓力Pi和輪胎剛性產(chǎn)生壓力Po之和等于臨界壓力Por，即輪胎行駛狀態(tài)下呈剛性狀態(tài)[8-9]。為預(yù)測(cè)剛性輪行走阻力，Bekker提出半經(jīng)驗(yàn)方法[10]。承重地輪受力分析如圖8所示。

圖8 承重地輪受力分析Fig.8 Bearing wheel force analysis

從動(dòng)剛性輪平衡方程為：

式中，Re—運(yùn)動(dòng)阻力，W—垂直載荷，σ—法向應(yīng)力，B—車輪寬度（為兩輪寬之和）。由于假定徑向載荷 σ等于在相同深度 z處單位載荷P，應(yīng)用方程（3～6）可得出剛性輪運(yùn)動(dòng)阻力方程：

式中，R—運(yùn)動(dòng)阻力(kN)；

W—垂直載荷（kN）；

n—沉降指數(shù)；

kc—土壤內(nèi)聚性（kN · m-3/）2；

kφ—摩擦性變形模數(shù)（kN ·m-5/2）；

B—車輪寬度（m）；

D—車輪直徑（m）；

可見，當(dāng)車輪參數(shù)和土壤參數(shù)一定情況下，車輪運(yùn)動(dòng)阻力R與垂直載荷W成正比。為得到滿意預(yù)測(cè)結(jié)果，選取貝式儀測(cè)定含水率為38%土壤參數(shù)，并將原英制單位化為常用單位。

車輪轉(zhuǎn)動(dòng)平衡方程：

式中，r為輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，a為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，Mm克服轉(zhuǎn)矩?？梢娺\(yùn)動(dòng)阻力Re是決定輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)重要因素，由運(yùn)動(dòng)阻力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩Rer，Wa是堆肥拋撒機(jī)自身質(zhì)量在輪子上垂直載荷和滾動(dòng)摩擦系數(shù)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，Mm是驅(qū)動(dòng)輸肥機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩，必須大于Wa+Mm才能正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

經(jīng)計(jì)算Rer≈3 583 N ·m；Wa≈1 200 N ·m；Mm≈478 N ·m。滿足Rer≥Wa+Mm，即車輪可以轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)滿載輸肥機(jī)構(gòu)。堆肥拋撒機(jī)輸肥是勻速過程，輪胎受垂直載荷逐漸減小，探討輪胎垂直載荷W與運(yùn)動(dòng)阻力R關(guān)系，預(yù)測(cè)地輪是否有足夠和穩(wěn)定動(dòng)力提供給出輸肥機(jī)構(gòu)。

利用Matlab GUI模擬剛性輪運(yùn)動(dòng)阻力，計(jì)算不同垂直載荷下輪胎運(yùn)動(dòng)阻力R，運(yùn)動(dòng)阻力與垂直載荷關(guān)系如圖9所示，其他參數(shù)見表3。

由圖9可知，當(dāng)土壤參數(shù)和車輪參數(shù)一定時(shí)，在不同垂直載荷條件下，運(yùn)動(dòng)阻力隨垂直載荷增大而增加。

圖9 運(yùn)動(dòng)阻力與垂直載荷關(guān)系Fig.9 Motion resistance and vertical load

表3 輸肥機(jī)構(gòu)基本參數(shù)Table 3 Transfer mechanism institutions basic parameters

將刮板鏈條最大張力公式（2）和剛性輪運(yùn)動(dòng)阻力方程（10）帶入車輪轉(zhuǎn)動(dòng)平衡方程，運(yùn)用Matlab GUI模擬剛性輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，建立運(yùn)動(dòng)阻力剩余轉(zhuǎn)矩和垂直載荷關(guān)系如圖10。

設(shè)運(yùn)動(dòng)阻力轉(zhuǎn)矩為y，垂直載荷為x。將個(gè)參數(shù)帶入方程（10）整理可得到函數(shù)：

圖10 運(yùn)動(dòng)阻力轉(zhuǎn)矩與垂直載荷關(guān)系Fig.10 Motion resistance and vertical load

將垂直載荷即施肥機(jī)載肥量加大，觀察運(yùn)動(dòng)阻力轉(zhuǎn)矩與垂直載荷關(guān)系變化趨勢(shì)。

由圖10可知，肥箱內(nèi)肥料減少，垂直載荷減小，運(yùn)動(dòng)阻力剩余轉(zhuǎn)矩值成曲線變化，存在極小值。即在作業(yè)過程中運(yùn)動(dòng)阻力剩余轉(zhuǎn)矩極小值＞0，可滿足堆肥拋撒機(jī)工作條件。

3 堆肥拋撒機(jī)總體結(jié)構(gòu)

堆肥拋撒機(jī)總體結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖11所示，采用被動(dòng)牽引轉(zhuǎn)向作業(yè)，輸肥裝置和施肥裝置懸掛在拖拉機(jī)后面施肥作業(yè)。肥料通裝載機(jī)裝載，輸肥動(dòng)力由行走承重地輪經(jīng)過驅(qū)動(dòng)裝置傳遞給刮板輸肥裝置，輸肥速度隨作業(yè)速度改變。

樣機(jī)設(shè)計(jì)堆肥容量為2 t，工作幅寬為1.2 m，作業(yè)速度為6 km·h-1，施肥機(jī)械單次最遠(yuǎn)施肥距離為280 m。

圖11 堆肥拋撒機(jī)械布局結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物Fig.11 Layout structure and Physical diagram of compost machinery

4 堆肥拋撒機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)

在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院作室外臺(tái)架試驗(yàn)，以50 mm玉米秸稈為原料，混合沼液接種物堆肥和牛糞堆肥，密度分別為352.8和514.6 kg·m3，含水率64.21%和42.75%。

試驗(yàn)材料參數(shù)符合GB/T25401-2010農(nóng)業(yè)機(jī)械廄肥撒施機(jī)環(huán)保要求和試驗(yàn)方法要求[11]。按照樣機(jī)預(yù)期實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，試驗(yàn)參照美國(guó)ASAE（American society of agricultural engineers）S341.3中規(guī)定試驗(yàn)方法作堆肥拋撒機(jī)臺(tái)架和田間作業(yè)試驗(yàn)[12]，臺(tái)架試驗(yàn)動(dòng)力裝置置采用三相異步電機(jī)（Y100L1-4，2.2 kW）提供動(dòng)力，由變頻器（SMIV-C40009BAMB）控制轉(zhuǎn)速。輸肥速度控制在0.01～0.02 m·s-1，螺旋拋撒軸轉(zhuǎn)速控制在360～400 r·min-1，刮板間距控制在0.15～0.3 m。在距離臺(tái)架0.8 m處設(shè)置2m×2m 矩形區(qū)域收集拋撒肥料，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)用線繩拉出0.1 m×0.1 m，橫縱間隔為0.3 m網(wǎng)格，形成6行3列收集矩陣，收集每一列網(wǎng)格中肥料，用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。動(dòng)力來源為2個(gè)3 kW電機(jī)，用變頻器改變電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，模擬實(shí)際作業(yè)轉(zhuǎn)速，如圖12所示。選取撒施均勻度變異系數(shù)作為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)體現(xiàn)樣機(jī)工作性能測(cè)試指標(biāo)。觀察輸肥機(jī)構(gòu)、螺旋拋撒機(jī)構(gòu)工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

圖12 試驗(yàn)臺(tái)架Fig.12 Testing block

撒施均勻度變異系數(shù)計(jì)算公式為

式中，CV—變異系數(shù)（%）；

S—標(biāo)準(zhǔn)差；

Xˉ—絕對(duì)平均值（kg）；

Xi—i列收集盒中肥料質(zhì)量之和（kg）；

n—收集盒列數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在刮板間距為0.15 m，拋撒機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速375 r·min-1，輸肥速度為0.02 m·s-1時(shí)，幅寬1.2 m，拋撒均勻度較好，變異系數(shù)為23.1%，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)施肥變異系數(shù)小于30%要求。

圖13為堆肥拋撒機(jī)試驗(yàn)作業(yè)圖，拖拉機(jī)為約翰迪爾280，最大牽引力為8.25 kN，大于施肥機(jī)所需牽引力1.5 kN，可正常作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果表明堆肥拋撒機(jī)地輪轉(zhuǎn)向靈敏，驅(qū)動(dòng)輸肥連續(xù)穩(wěn)定，螺旋拋撒可將結(jié)塊堆肥破碎并均勻拋撒，達(dá)到預(yù)期性能。

圖13 堆肥拋撒機(jī)實(shí)物Fig.13 Compost scatters machine

5 結(jié)論

a.通過ANSYS Workbench對(duì)螺旋刀軸模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)第1階固有頻率2.48 Hz對(duì)螺旋刀軸產(chǎn)生影響，運(yùn)行穩(wěn)定后影響消除。螺旋拋撒機(jī)構(gòu)通過左旋和右旋交錯(cuò)螺旋排列葉片及其頂端刀齒可解決肥料拋撒不均勻、粉碎不徹底問題，實(shí)現(xiàn)肥料切削拋撒各旋向互補(bǔ)。

b.利用Matlab對(duì)地輪驅(qū)動(dòng)輸肥過程建模分析，描述作業(yè)過程中垂直載荷和運(yùn)動(dòng)阻力剩余轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)，作業(yè)過程中運(yùn)動(dòng)阻力剩余轉(zhuǎn)矩極小值＞0，即堆肥拋撒機(jī)可連續(xù)正常工作，地輪驅(qū)動(dòng)輸肥機(jī)構(gòu)輸肥速度隨作業(yè)速度而改變，并與裝置拋撒能力有機(jī)配合，確保拋撒連續(xù)性。

[1] 施衛(wèi)省,訾琨.國(guó)內(nèi)外農(nóng)機(jī)化施肥新技術(shù)[J].南方農(nóng)機(jī),2004(3)：43-44.

[2] 李潔,吳明亮,湯遠(yuǎn)菊,等.農(nóng)家肥施肥機(jī)械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,39(1)：98-100.

[3]潘世強(qiáng),梁文甲,溫越英,等.地輪驅(qū)動(dòng)式農(nóng)家肥撒施機(jī)的研制[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(2)：229-231.

[4] 施繼紅,孟憲章,潘世強(qiáng),等.農(nóng)家肥撒施機(jī)螺旋式撒肥器拋撒性能的試驗(yàn)與研究[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(1)：111-113.

[5]來永見,王巖,馮艷輝.介紹一種高效的農(nóng)家肥施用機(jī)械-廄肥拋撒機(jī)[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2014(4)：50.

[6] 張睿,王秀,趙春江,等.鏈條輸送式變量施肥拋撒機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(6)：20-25.

[7] 任文都,張興輝.運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)(下冊(cè))[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1999.

[8] 黃祖永,地面車輛原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1985.

[9] 拉賈馬尼.車輛動(dòng)力學(xué)控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[10]Bekker M G.地面車輛系統(tǒng)導(dǎo)論 [M].《地面車輛系統(tǒng)導(dǎo)論》編譯組,譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1978.

[11]全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).農(nóng)業(yè)機(jī)械 廄肥撒施機(jī) 環(huán)保要求和試驗(yàn)方法(GB/T 25401-2010)[s].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版,2010.

[12] American Society of Agricultural and Biological Engineers.Procedure for Measuring Distribution Uniformity and Calibrating Granular Broadcast Spreaders(ASAE S341.3 FEB04)[s].USA：ASABE,2006.

Design on compost scatters machine/

LI Wenzhe,CUI Liang,WANG Qingqing,ZHANG Jiyin,GUAN Ligang,JU Wencong
(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

To solve the problem of compost fertilizer mechanization,a ground wheel drive to delivery of fertilizer and vane-type double helix broken scatter fertilizer machine was designed.During the process of designing,ANSYS Workbench was used to carry on finite element modal analysis on the spiral knife shaft and confirmed the effect of inherent frequency on the spiral knife shaft.Matlab was used to make simulation experiment on the ground wheel driven spread fertilization,analyzing the relationship between the motion resistance torque and vertical load torque,also the ground wheel driven spread fertilization theory.At the same time,using Catia simulated and optimized this equipment structure parameter to gain prototype design reference's structural parameter and corresponding operation process parameters,and on this basis made the engineering prototype and done the verification test.During the test,fertilizer delivery and drip combined very well,it was satisfy the requirement of organic fertilization.It can provide a reference for the research and development of compost fertilizer application tools.

compost;double helix;scatter fertilizer machine;ground wheel drive

S224.2

A

1005-9369（2017）10-0065-10

李文哲,崔亮,王慶慶,等.堆肥拋撒機(jī)的研制[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(10)：65-74.

Li Wenzhe,Cui Liang,Wang Qingqing,et al.Design on compost scatters machine[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(10)：65-74.(in Chinese with English abstract)

2017-04-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2015BAD21B00）；生物燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)模式研究與利用示范

李文哲（1955-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能源與利用。E-mail：liwenzhe9@163.com