多功能固體有機肥撒施機撥料輥的設(shè)計及試驗研究

馬 標(biāo)，吳愛兵，許斌星，王阿祥，陳永生，朱德文，曹 杰

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014；2.江蘇省農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)創(chuàng)新中心，江蘇 泰州 225300)

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多功能固體有機肥撒施機撥料輥的設(shè)計及試驗研究

馬 標(biāo)1，吳愛兵1，許斌星1，王阿祥2，陳永生1，朱德文1，曹 杰1

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014；2.江蘇省農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)創(chuàng)新中心，江蘇 泰州 225300)

撥爪式撥料輥是有機肥(包括廄肥)撒施機關(guān)鍵部件。為此，根據(jù)有機肥撒施機整機設(shè)計目標(biāo)，對撥料輥進行了設(shè)計，并計算優(yōu)化了撥爪式撥料輥撥爪的折彎角、排列間距及排列方式，得到最佳設(shè)計參數(shù)。通過ANSYS Workbench對撥料輥進行模態(tài)分析，結(jié)果表明：在正常工作下?lián)芰陷伈粫l(fā)生共振，符合設(shè)計要求。對整機進行試驗驗證，有機肥拋撒幅寬為5m，拋撒均勻性橫向變異系數(shù)為15.4%，縱向變異系數(shù)為8.9%，均滿足設(shè)計的要求。

撥料輥；動平衡；模態(tài)分析；固體有機肥撒施機

0 引言

有機肥不僅含有植物必需的微量元素，還含有豐富的有機養(yǎng)分，具有改良土壤、培肥地力的功能，是最全面的肥料。有機肥施入土壤后，有機質(zhì)能有效地改善土壤理化狀況和生物特性，熟化土壤，增強土壤的保肥供肥能力和緩沖能力，為作物的生長創(chuàng)造良好的土壤條件。有機肥的生產(chǎn)與應(yīng)用符合我國現(xiàn)代高效、環(huán)保農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，利用農(nóng)村廢棄物好氧發(fā)酵生產(chǎn)固體有機肥技術(shù)以其無害化、工廠化、規(guī)?；a(chǎn)的優(yōu)勢特點，已成為當(dāng)前我國研究與推廣應(yīng)用熱點，每年得到政府的大力支持[1]。但目前我國傳統(tǒng)的有機肥施肥技術(shù)和施肥方式主要是靠農(nóng)用裝載車裝載肥料在田間行走，人工用鐵鍬將肥料拋在田里。這種方式勞動強度大、效率低、費工費時，且撒施不均勻，已經(jīng)不能夠適應(yīng)現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)對有機肥撒施的需求。通過技術(shù)創(chuàng)新，研制高效多功能有機肥撒施裝備是我國當(dāng)前進一步推進有機肥生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展以及現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)需撒施大量有機肥迫切需要解決的問題。

有機肥撒施機的撒肥機構(gòu)是有機肥撒肥機的關(guān)鍵部件。該機構(gòu)的設(shè)計是有機肥整機設(shè)計過程中的關(guān)鍵步驟，其結(jié)構(gòu)形式、撥爪折彎角度、撥爪排列順序等直接影響到撒肥的幅寬、均勻度以及肥料的破碎程度”[2-3]。國內(nèi)對圓盤撒施機構(gòu)已經(jīng)有了一定的理論基礎(chǔ)和試驗研究，但對撥爪式撥料輥的研究目前還沒有過多涉及。為了提高撥料輥式有機肥撒施機拋撒性能，本課題組對在研制的一款雙臥輥撥料輥式有機肥撒施機的撒肥機構(gòu)進行參數(shù)設(shè)計和試驗研究，并進行運動學(xué)分析和有限元模態(tài)分析，為撥料輥式有機肥撒施機整機設(shè)計提供理論分析及技術(shù)支撐。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

撥爪式有機肥撒施機的結(jié)構(gòu)主要由牽引裝置、機架、行走裝置、肥箱、鏈板輸肥機構(gòu)、鏈板調(diào)速機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、撒肥機構(gòu)及張緊裝置等組成，如圖1所示。傳動系統(tǒng)有齒輪傳動、鏈傳動及帶傳動；撒肥機構(gòu)采用圓盤撒施機構(gòu)與撥料輥破碎撒肥機構(gòu)相結(jié)合的方式，之間裝有擋肥板，便于切換撒施方式時肥料輸送至不同撒肥裝置；鏈板調(diào)速機構(gòu)采用機械式棘輪5擋位調(diào)速機構(gòu)。

1.2 工作原理

多功能有機肥施肥機由拖拉機牽引在田中行走，拖拉機通過后動力輸出軸將動力傳出至裝備的齒輪箱，通過齒輪箱變速換向后一部分動力傳送至棘輪調(diào)速機構(gòu)，然后傳遞到鏈板輸送的主動軸帶動鏈板將肥料往后運輸；另一部分動力在離合器的作用下將動力傳送至撥料輥破碎撒肥機構(gòu)或圓盤撒施機構(gòu)。當(dāng)撒施不規(guī)則塊狀廄肥時，驅(qū)動撥料輥破碎撒肥機構(gòu)，同時將擋肥板閉合防止肥料落入撒施圓盤上；當(dāng)撒施粉狀或顆粒狀有機肥時，驅(qū)動圓盤式撒肥機構(gòu)，同時將擋肥板打開方便肥料落入撒施圓盤上，肥料通過撒肥機構(gòu)拋撒至田中，完成作業(yè)過程[4-5]。

1.肥箱 2.鏈板輸肥機構(gòu) 3.張緊機構(gòu) 4.牽引主梁 5.車輪支撐架 6.車輪機構(gòu)

2 撥料輥的設(shè)計及有限元分析

此裝備有上下兩個撥料輥，工作原理是：下?lián)芰陷佂ㄟ^鏈輪帶動上撥料輥同向轉(zhuǎn)動，下?lián)芰陷亴⒎柿铣閾?、破碎后向后上方拋起，一部分撒入田中，另一部分被上撥料輥進行二次破碎后撒入田中。撥料輥是整個裝置的關(guān)鍵部件，其機構(gòu)特點、材料屬性、撥爪折彎角度、撥爪排列方式及其間距都對廄肥的破碎度、幅寬和均勻性有著直接的影響[6-7]。

2.1 撥爪材料及折彎角度設(shè)計

撥爪高速旋轉(zhuǎn)下直接抽擊肥料，對其強度、硬度、耐磨性有較高的要求，采用GB699中規(guī)定的65Mn鋼材料，厚度為4mm，鍛壓成形后經(jīng)熱處理硬度達到HRC48-54。

當(dāng)撥爪不經(jīng)折彎時，如果豎直放置(圖2中引線1所指)，則其功能類似于刀輥只能對廄肥進行粉碎而不能很好拋撒；如果水平放置(圖2中引線2所指)，則撥爪的面與肥料的接觸最大，受力也是最大，且肥料受向上力的作用下上拋，不能增加幅寬。為了能在增加幅寬的同時提高肥料破碎程度，撥料抓折彎角度為α，β為肥料落地時的速度方向與水平方向的夾角，假設(shè)肥料初速度為V0，末速度為Vt，肥料初始高度為h。

將式(2)的t帶入式(1)中得

(3)

Δv=v0sinα+vtsinβ

(4)

v0cosα=vtcosβ

(5)

由式(3)～式(5)得

(6)

圖2 3種不同折彎角度的撥爪

圖3 肥料運動分析

2.2 撥爪排列方式及合理密度設(shè)計

撥爪在輥軸上的排列方式直接影響撥料輥的動平衡、拋撒幅寬及破碎程度。為了減輕整機振動，將撥料抓進行遞進四周期螺旋排列[9]，相鄰撥爪相位差θ=90°，其展開圖如圖4所示。其中，單個撥爪的橫向播肥覆蓋長度是12 672mm，所以保證相鄰兩撥爪距離小于等于122mm就能保證在橫向上肥料不會被漏撥?？紤]滾軸的總長度和16件撥料爪的均勻排布，將其間距定為94mm。

圖4 安裝座在撥料輥上排列展開圖

2.3 撥爪動平衡方程建立及驗證

撥料輥產(chǎn)生振動主要是撥爪部件產(chǎn)生離心力構(gòu)成的空間力系不平衡造成的，故當(dāng)所產(chǎn)生的慣性離心力系主失為零且X和Y軸上的矩同樣是零時，即可達到動平衡狀態(tài)。因此，將撥料輥上每套撥爪所產(chǎn)生的不平衡力平移向端面，使其在兩校正面上的主矩、主矢都為零，可達到平衡狀態(tài)[10]。分別以離兩端最近的撥爪底座中間對稱面為A、B校正面，將F1a的方向定為X軸正方向，將F1a逆時針轉(zhuǎn)向90°的方向為Y軸正向，由二面平衡原理，將撥料輥上所有力Fi分別分解在兩個校正面上，撥爪動平衡方程[11]為

式中 F—撥爪及底座產(chǎn)生的離心力；

L—撥料輥兩端底座對稱中面之間的距離;

Li—第i個撥爪與B面的距離;

θ— 撥爪周向角。

通過計算可得

即此排列滿足平衡條件。

3 撥料輥模型建立及有限元分析

3.1 有限元模型建立

ANSYS Workbench可通過DM建立共分析使用的模型，但是相對于專業(yè)的三維建模軟件還是有點差距，因此選擇Creo2.0對撥料輥模型進行建立。由于要進行模態(tài)分析，因而將模型簡化成只有輥軸、端蓋及撥爪座，如圖5所示。將模型另存為Parasolid(*.x-t)中間格式文件，然后在ANSYS Workbench中打開模型并將其材料屬性定義為Structural Steel。

圖5 撥料輥結(jié)構(gòu)模型圖

3.2 網(wǎng)格劃分及模態(tài)分析

選擇Outline欄中的Mesh選項單擊鼠標(biāo)右鍵，然后選擇Generate Mesh對模型進行自動化分網(wǎng)格，結(jié)果生成28 018個網(wǎng)格和102808個節(jié)點，通過檢查發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格劃分效果良好。

選擇撥料輥左右兩段面對其進行全約束，選擇Modal>Analysis Settings將最大模態(tài)階數(shù)設(shè)為6，選擇Solution工具欄中的Deformation>Total，然后右鍵單擊Total Deformation選項再選擇Evaluation All Results進行求解，求解結(jié)果變形云圖如圖6所示。

由圖6及表1可知：撥料輥在1、2階模態(tài)時產(chǎn)生彎曲變形，在3、4階模態(tài)時產(chǎn)生劇烈扭動，在5、6階模態(tài)時產(chǎn)生劇烈脹縮變形，而撥料輥的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為360r/min，既f=n/60=6，遠遠低于各節(jié)模態(tài)不會產(chǎn)生共振[12]。

圖6 撥料輥前6節(jié)振型

模態(tài)頻率/Hz模態(tài)頻率/Hz1281.722823695.84696.35779.26820.9

4 試驗驗證

基于以上理論計算、設(shè)計，試制的第1輪樣機性能于2015年12月在江蘇省太倉綠豐生物有機肥料有限公司進行了場地試驗。

4.1 試驗條件

試驗場地為水泥平地，地面較平整，坡度不大于5°。肥料采用綠豐生物有機肥料有限公司堆制的廄肥，濕度為40%，容重為0.7t/m3，肥料總質(zhì)量1.5t；牽引動力為常發(fā)8004型拖拉機。

4.2 試驗方法

將390mm×260mm×40mm的料盤排成5橫9縱的形狀，橫向料盤間間距為100mm，縱向料盤間間距為500mm。機具運行平穩(wěn)后以1.4m/s的速度勻速通過料盤。

4.3 試驗結(jié)果

測量有效撒肥幅寬為5m，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2所示。

表2 料盤內(nèi)肥料質(zhì)量

由表2可知：縱1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。

(7)

(8)

(9)

5 結(jié)論

1)經(jīng)過運動學(xué)分析計算，將撥爪折彎角度定為30°，可增大幅寬和肥料覆蓋面。

2)經(jīng)過計算可知，將撥料抓進行遞進四周期螺旋排列滿足動平衡條件，其撒肥幅寬也滿足設(shè)計要求。

3)通過試驗可知，肥料撒施均勻性分別為橫向15.4%，縱向8.9%，滿足GB/T 25401—2010規(guī)定最高不得超過40%的要求。

4)通過ANSYS Workbench對撥料輥進行模態(tài)分析可知，撥料輥在額定轉(zhuǎn)速下頻率為6，遠小于1階模態(tài)281.65，不會產(chǎn)生共振。

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Design and Experimental Study on Multifunctional Solid Manure Spreader Poking Roller

Ma Biao1, Wu Aibing1, Xu Binxing1, Wang Axiang2, Chen Yongsheng1, Zhu Dewen1, Cao Jie1

(1.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China; 2.Agricultural Equipment Engineering Technology Innovation Center of Jiangsu Province, Taizhou 225300, China)

The manure poking roller is the key component of manure spreader (including manure spreader) .According to the goal of machine design of manure spreader , design of the shifting roller , then, calculate and optimize the optimized poking claw type shifting and poking claw of the bending angle, arrangement spacing and arrangement mode of the claw, finally, get the best design parameters. Take the modal analysis of the manure poking roller by Workbench ANSYS. The results show that in normal work the manure poking roller would not be resonance, comply with the design requirements. To test and verify the machine ，the results show that the manure throwing width is 5 meters, thrown uniformly horizontal coefficient of variation was 15.4%, longitudinal variation coefficient was 8.9%, both to meet the design requirements.

poking roller; dynamic balance; modal analysis; solid manure spreader

2016-03-29

江蘇省農(nóng)機“三新”工程項目(NJ2015-09)

馬 標(biāo)(1987-)，男，安徽亳州人，助理研究員，碩士，(E-mail)949704383@qq.com。

S224.22

A

1003-188X(2017)04-0112-05