车载式施肥机驱动装置的设计研究
2014-03-28
(杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 712100)
驱动装置的功能是为施肥机的肥料施撒装置提供动力，驱动其工作进行肥料的施撒。同时，也可为肥量控制系统的控制装置提供动力来源。
1 驱动装置设计要求
(1)该部分是整个肥料施撒装置正常工作的保证，因此动力源应当可靠，动力传递应连续平稳；
(2)驱动装置应结构简单，简便易行，便于安装和实现，传递要可靠；
(3)应尽量利用拖拉机已有的动力源和传动装置，降低成本。
2 动力源的选择
常用的动力源主要有机械式、液压式和电动式三种，分别讨论如下：
(1)机械式。作为机械传递的动力来源可以是拖拉机的动力输出轴或通过地轮获取动力并用链轮或齿轮进行传递。该方式可靠性高，传递平稳，但结构较复杂。
(2)液压式。采用液压系统作为动力来源可以直接利用拖拉机已有的液压油循环系统作为液压源，引入液压泵、液压马达和控制阀即可驱动工作部件。该方案体积小，结构紧凑，工作平稳，使用寿命长且易于实现自动化。但液压传动受管道密封性的影响较大，传动效率相对较低，出现故障时不易诊断。
(3)电动式。该方案采用电动机驱动工作部件，工作可靠平稳，结构较简单，易于实现。但电动机的引入对电源有着更高的要求，拖拉机原有的供电系统可能无法满足要求，对其进行改造或引入电瓶都会增加成本，且使用寿命有限，部件更新较快。
3 施撒装置驱动方案设计
由于摆杆阀门式施撒装置具有结构简单，可实现不同作业幅宽的施肥，而且易实现定量控制，撒肥均匀性好，故适合在实际中推广应用[1]。其驱动装置示意图如图1所示。
图1 驱动装置示意图
由图1可知，摆杆的摆动最终是由动力输出轴驱动的，其动力传递路线如图2所示：
图2摇杆的动力传递路线图
摇杆的摆动是通过曲柄摇杆机构转化而来。此处也可以通过凸轮机构来实现，但该方案结构较复杂，且摇杆在摆动的同时会受到复位弹簧的复位作用使凸轮的传动效率降低，因此不采用该方案，而采用曲柄摇杆机构。
为了得到不同的摆幅，以适应作业幅宽变化的要求，可以将曲柄或摇杆的长度设计成可变的。但考虑到曲柄长度受到摇杆及机架的约束，其变化范围较小，而摇杆长度是一定的，要改变摇杆的长度只需改变滑块在凹槽内的位置即可，改变曲柄长度实现起来要比改变摇杆长度困难，结构更复杂。因此，采用改变摇杆长度的方式来改变作业幅宽。由于摇杆向下倾斜与水平面成一α角度，因此用万向节连接时应使轴1倾斜向下与水平面成一α角，这样就使曲柄也倾斜向下与水平面成α角，从而使该曲柄摇杆机构各部件处于同一平面内，便于进行计算和研究。下面对当曲柄、机架、连杆长度不变，摇杆长度变化时，摆幅(即摆角θ)的变化规律进行讨论。
记曲柄、连杆、机架的长度分别为a、b、d，摇杆长度为c，该曲柄摇杆机构的示意图如图3所示：
图3 曲柄摇杆机构示意图
C1D和C2D分别为摇杆的两个极限位置，因此摆角θ=α-β。
(1)
(2)
(3)
当曲柄、连杆、机架的长度保持不变时，摇杆的摆角随摇杆长度的增大而减小，且对应于某一c值有相应的θ值，即θ是关于c的减函数。
摇杆长度c的变化范围应使该机构中杆AB为曲柄，即应满足以下条件：
(1)最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和；
(2)杆AB的长度a最小[2]。
由此可得：
当c取最大值时，应满足cmax+a≤b+d,对该式取等号可得cmax=b+d-a；
当c取最小值时，应满足cmin+b≥a+d，对该式取等号可得cmin=a+d-b。
由上可得:c的取值范围为[a+d-b,b+d-a]。
在c的取值范围内，摇杆的摆角θ随c的增大而减小。当c分别取cmax、cmin时，摆角θ对应取θmin、θmax。此时，机构的示意图分别如图4、5所示：
图4 当c=cmax时的机构示意图
图5 当c=cmin时的机构示意图
将c=cmax=b+d-a代入3式可得：
(4)
将c=cmin=a+d-b代入3式可得：
(5)
本文讨论的内容是在θ的取值范围内，对于给定的θ0值确定出对应的摇杆长度c0。为此，可做如下函数：
显然，f(cmax)=f(b+d-a)<0,f(cmin=f(a+
d-b)>0
∴f(cmax)·f(cmin)<0
据此可得，在[a+d-b,b+d-a]内必定存在c0满足f(c0)=0[3]。
考虑到当拖拉机掉头或需停止作业时，摇杆的摆动也应当停止，此时可切断动力输出轴的动力传递，使其停止转动，进而使整个摇杆系统停止工作，避免肥料的浪费和摇杆不必要的摆动。
4 小 结
本文按照要求完成了以下内容：
(1)对常用的动力源进行比较，作为选择的参考和依据；
(2)对摇杆的驱动方式进行设计，采用曲柄摇杆机构驱动；同时进行了摆角与摇杆长度之间关系的讨论，确定了二者之间的关系式。
参考文献：
[1] 王兵利.车载式施肥机施撒装置系统的研究[J].杨凌职业技术学院学报，2010，(1).
[2] 孙 桓，陈作模.机械原理.第六版[M].北京：高等教育出版社，2000.
[3] 同济大学应用数学系.高等数学.第五版，下册[M].北京：高等教育出版社,2002.
