手扶式葡萄园施肥机设计
2014-09-06，，，
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(河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022)
手扶式葡萄园施肥机设计
钮金亮，李向国，安芳，李佳鹏
(河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022)
针对葡萄农业的发展现状，根据葡萄生产的实际情况，研究设计了一种能在狭窄葡萄园内灵活作业、进行地表施肥的手扶式施肥机。
手扶式；葡萄园施肥机；地表施肥
0 引言
在农业生产中，施肥是必不可少的环节。葡萄种植季节性强、生产环节多且复杂，而传统的手工操作，劳动强度大、效率低、效果差[1]。目前，虽然有很多施肥机是专用于葡萄园施肥，但是基本都是利用大型机械驱动，例如拖拉机等[2]；然而，为了提高土地利用率，葡萄园内空间有限，大型机械在葡萄园内无法灵活地进行施肥作业。在实际生产中，对葡萄进行地表施肥次数占总施肥次数很大比例，尤其在葡萄成熟季节，由于葡萄成熟期短，为了保证葡萄的品质，经常会对葡萄进行催肥，催肥方式以地表施肥为主，然后通过灌溉的方式加快肥料的溶解，加快葡萄对肥料的吸收。地表施肥虽然有污染果园环境、使肥料大量流失和难于充分发挥肥效等缺点[3]，但是地表施肥具有吸收快这一其他施肥方式无可比拟的优点，它能保证葡萄短期内肥料的供应，能够以最快的速度获得施肥效果。地表施肥的方式以人工操作为主，这样就存在施肥不均匀、增加劳动时间及强度、浪费劳动力等缺点[4]。
1 结构与工作原理
1.1 结构
葡萄园手扶式施肥机结构图如1所示。
图1 施肥机总体结构
1.2 工作原理
施肥机的动力源为微型汽油发动机。微型汽油发动机通过联轴器与减速器输入轴连接，减速器输出轴上装有链轮组，通过链条将动力向2个方向传递：一方面通过驱动前轮，为施肥机前进提供动力；另一方面驱动螺旋拨肥轴，拨肥轴匀速转动能够使肥料均匀地从肥料箱中流出，避免了因肥料自身重力因素造成出肥速度不均匀现象的影响。施肥机的前进方向通过万向轮来控制，施肥机扶手上安装有肥量控制器和鼓风机开关，通过肥量控制器来控制出肥量的大小，进而控制施肥量；鼓风机将从出肥管流出的肥料吹散，均匀地吹撒在葡萄渠中，完成施肥作业。
2 主要工作部件的设计
2.1 肥料箱
肥料箱由薄钢板制成。肥料箱的左右两边有耳板，机架上有与耳板配合的凹槽，将肥料箱固定在机架上，便于装卸。肥料箱下部分装有螺旋拨肥轴，底部设置有出肥管总成。
2.2 万向轮
万向轮主要由轮胎、幅板、轮轴和叉架组成。轮胎采用经久耐用的实心轮胎，幅板和叉架由钢板冲压而成，轮轴用圆钢制造，两端设有螺纹，与螺母配合。
2.3 扶手
扶手由机架延伸出来，扶手上有肥量控制器，通过软轴与出肥管总成连接，控制出肥量的大小；扶手上还设置有鼓风机开关，控制鼓风机。
2.4 动力系统
施肥机动力系统由微型汽油发动机、联轴器和减速器组成。微型汽油发动机的输出轴与减速器输入轴通过联轴器连接，减速器输出轴装有链轮组[5]。整个动力系统放置在可移动托架上，可移动托架可以通过转动丝杠实现上下移动，调节链传动系统中链条的张紧度。减速器主要由箱体、齿轮、齿轮轴、轴及轴承等组成。箱体由铸铁铸造，经后续机械加工而成；各齿轮均由40Cr圆钢制造，调制后表面淬火；各齿轮轴也采用40Cr圆钢制造，并经调制处理[6]。
2.5 链传动系统
链传动系统由链轮、链条和链盒组成。螺旋拨肥轴和前轮轴上都装有链轮。减速器输出轴装有链轮组，通过链条将动力分别传递给螺旋拨肥轴和前轮轴。链条外部有链盒，来保护链盒平稳工作。
2.6 机架
机架分前、中、后3部分，前部分机架装有前轮，中间部分由凹槽，与肥料箱耳板配合，后部分机架装有2个万向轮。
2.7 出肥管总成
出肥管总成由挡板、弹簧和出肥管组成。出肥管通过软轴与肥量控制器相连，通过肥量控制器可以改变挡板位置来控制出肥口的大小，进而控制施肥量。
3 基本参数的确定
3.1 确定链轮参数
选取减速器输出轴驱动前轮链轮齿数z11=17，选取前轮轴上链轮齿数z2=38，链条链号选用08A，查表可得链条的节距p=12.7 mm，则大链轮分度圆直径为：
(1)
3.2 计算确定链传动系统各参数
人正常行走速度为1.1～1.5 m/s，这里按照vp=1.5 m/s计算，施肥机的前进速度和人的正常行走速度相等，所以v=vp=1.5 m/s，前轮直径d=0.36 m。
计算驱动链条的速度为：
(2)
v2=0.64 m/s。
计算大链轮的转速：
(3)
n2=79.6 r / min。
计算减速器输出轴链轮组转速为：
(4)
n1=178 r/min。
3.3 选择汽油发动机
施肥机自重M=100 kg，最大装肥量m=50 kg，施肥机轮胎采用实心轮胎，与泥土路的摩擦系数μ=0.3～0.35，重力加速度g=9.8 m/s2，则轮胎抓地力为：
F=μ(M+m)g=514.5 N
(5)
根据功率计算公式有：
P=F·v=771.75 W
(6)
选用汽油发动机的功率P=0.9 kW，转速n0=6 500 r/min，输出扭矩为：
(7)
3.4 减速比计算
减速器减速比为：
(8)
驱动前轮的链轮减速比为：
(9)
输入轴提供扭矩为：
T0=i0×i1×T=106 N·m
(10)
输出轴所需最大扭矩为：
(11)
T0>T1，所以发动机选用合理。
由于螺旋拨肥轴所需功率较小，在这里可以忽略不计。
3.5 螺旋拨肥轴相关参数的确定
螺旋拨肥轴采用梯形螺纹，查取国家标准，选用梯形螺纹参数[7]，大径d=100 mm，中径d2=90 mm，小径d1=78 mm，螺距p=20 mm，旋向为左旋。
化肥的堆密度ρ=900～1 200 kg/m3。
通过计算，得梯形螺纹旋转1周所旋出化肥的体积V=9.9 π·cm3。
化肥的堆密度按照ρ1=1 200 kg/m3计算，螺旋拨肥轴每转1转所旋出的化肥的质量，即
m1=ρ1×V=0.011 88 πkg/r
(12)
根据葡萄园实际施肥情况，计算得葡萄园最大施肥量为S=0.225 kg/m2；人前进速度为vp=1.5 m/s；葡萄渠宽L=1.0 m；计算得施肥机的排肥量为：
m2=S×vp×L=0.11～0.337 5 kg/s
(13)
施肥机排肥量按照m2=0.337 5 kg/s计算，即20.25 kg/min。
所以有：
m×n3=20.25 kg/min
(14)
计算的得螺旋拨肥轴转速为n3=542.6 r/min。
选取螺旋拨肥轴链轮齿数z3=17，链传动系统的传动比为：
(15)
进而可得减速器输出轴驱动螺旋拨肥轴链轮齿数为：
(16)
计算得z12=51。
手扶式施肥机其他参数如表1所示。
表1 施肥机参数
外形尺寸mm1420，880，1290鼓风机额定功率W1 5～10肥料箱容积L50操作人数人1
4 主要特点
a.结构简单。简单轻便的机构，小巧的体积，使施肥机工作起来灵活、平稳、耐用。
b.适应性强。体积小，可以在狭小的葡萄园内进行施肥作业，不受空间的限制。
c.操作简单。施肥机容易操作，农民朋友能够快速的掌握使用技巧。
d.节约劳动力成本。施肥机取代人工施肥，减少了劳动量，降低了劳动强度。
5 结束语
葡萄园手扶式施肥机的研究设计，为农业机械领域增添了新机械，使葡萄园地表施肥作业发生了质的变化，明显地提高了施肥的效率和质量，节约劳动力，满足广大葡萄园种植户的需要，对葡萄农业的发展，提高葡萄果品起到了重要的作用。该机质量小、成本低、体积小、便于操作，具有良好的推广和应用价值。
[1] 王晓东，王合.2BF-1型自走式播种施肥机的研究设计[J].农业机械，2012(31):107-108.
[2] 屠留芳，杨刚，孙星钊.葡萄园专用开沟施肥机的设计[J].农机化研究，2012，31(11):87-89.
[3] 杨淑艳.人工栽培山葡萄施肥技术[J].北方园艺，2012(19):46-47.
[4] 阴喜文.葡萄旋耕施肥机：中国，201220139017.1[P].2012-12-26.
[5] 王钦连.自动施肥机:中国,200920092945.5[P].2009-12-30.
[6] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.
[7] 鲁屏宇.工程图学[M].北京：机械工业出版社，2009.
Design of Vineyard Walk-behind Fertilizer Machine
NIUJinliang，LIXiangguo，ANFang，LIJiapeng
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China)
This walk-behind fertilizer machine is designed in the light of current development of domestic grape farming and production.It functions as one which works flexibly on surface fertilization in narrow vineyard.
walk-behind; vineyards fertilizer machine; surface fertilization
2014-07-03
S224.21
A
1001-2257(2014)12-0040-03
钮金亮(1992-)，男，河北乐亭人，本科，机械工程及自动化专业；李向国(1979-)，男，吉林松原人，硕士，讲师，研究方向为机电系统控制及自动化技术。
