液态施肥机关键部件设计研究

张明秋

(黑龙江工业学院，黑龙江 鸡西 158100)

液态施肥机关键部件设计研究

张明秋

(黑龙江工业学院，黑龙江 鸡西 158100)

液态肥的使用提高了化肥的利用率，使农作物增产，还可减少环境污染。针对液态施肥机增速齿轮箱、曲柄摇杆机构及喷针等工作关键部件进行结构设计和强度校核，使机具的作业效果，满足中耕施肥时的农艺要求。

液态施肥机；设计；增速齿轮箱，喷针

农业生产作业一直在春播和中耕环节施用固态化肥, 以补偿土壤肥力的不足, 此法易产生挥发和淋失, 不仅污染环境, 且肥效利用率也只在30%左右。液态施肥是将液体肥料通过深施，定量均匀地施于地表以下，深度要达到深施技术的要求。实践证明,在施肥量不变的情况下，液态施肥与固态施肥相比，化肥利用率从 30% 提高至 60%,可增加农作物产量20%, 还可净化环境,减少污染。

液态施肥机在工作时，要满足中耕施肥时的农艺要求。由于作业机具空间较小，要求整体结构紧凑，机械传动系统和施药系统是实现工作技术要求的关键。传动系统主要由离合器、链轮、支撑轴承、联轴器及增速齿轮箱等组成；施药系统主要由液肥箱、管路、液泵、喷液自控阀、过滤器、三通、曲柄摇杆机构及喷针等组成。其部件增速齿轮箱、曲柄摇杆机构及喷针是保证动力传输平稳和作业施肥准确的关键。

在考虑施肥技术要求和工作环境(地表、天气)等因素的影响下，为达到穴施液态施肥机的施肥效率是人工施肥效率五倍以上的目的，对影响穴施液态施肥机工作效果的关键部件进行设计。

1 液态施肥机整体结构设计

1.1 机具设计要求

(1)在施肥机具平稳作业时，动力传送平稳连续。

(2)整机简单紧凑，降低制造成本。

(3)在满足农艺要求的前提下，通过改变输出动力调节整机系统的工作参数。

1.2 整体结构设计

中耕施肥时，与铧犁配套使用，液肥箱、液泵及部分管路均在拖拉机上安装, 张紧机构、传动机构、变速机构、喷液控制机构、施肥部件均装在铧犁上。液箱安装时，利用拖拉机后轮处卸下的挡泥板位置固定座,将液箱架装配到拖拉机后桥半轴壳体上，其总结构图如图1所示。

图1 穴施液态施肥机的结构总装图

1.液压泵 2.液肥箱 3.管路系统 4.中间传动机构5.离合机构6.张紧机构 7.喷液自控阀 8.增速箱9.曲柄摇杆机构 10.喷针 11.链轮

1.3 传动系统设计

在作业时，动力来源于拖拉机后驱动轮和后动力输出轴，根据拖拉机作业速度得出该液态施肥机扎穴机构的转臂应在125r/min左右，增速方案选择拖拉机后驱动轮右侧由链传动作为一级增速，经过中间传动机构，由齿轮箱的一对齿轮传动作为二级增速，其总传动比是：i=8.379。

2 关键部件设计

2.1 增速齿轮箱设计

穴施液态施肥机传动系统采用二级传动方式，传动系统第一级增速由链传动机构实现，二级增速由增速齿轮传动实现。选择一级变速箱来实现传动系统的第二级增速过程。施肥机要求传动比大、体积小、重量轻、结构紧凑，其在工作过程中承受过载荷冲击较多，故变速箱齿轮采用渐开线型齿轮。

在传动系统中，要求齿轮传动机构稳定地将动力和运动传递给扎穴机构的摆臂，采用一级齿轮传动，且变速箱为增速机构，则大齿轮为主动轮，小齿轮为从动轮，确定变速箱结构，如图2所示。中间传动轴和变速箱的大齿轮轴(图2中1处)通过十字轴式万向连轴器联接，小齿轮输出轴右边联接摆臂(图2中2处)，左边输出端通过凸轮机构给分配器提供动力，末端与左摆臂联接。

图2 变速箱传动图

1.传动轴 2.右摆臂 3.分配器 4.左摆臂

拖拉机输出功率18Kw后驱动轮传递效率为0.6，链传动的传递效率为0.96, 万向联轴器的传递效率为0.98, 离合器传递效率为0.99, 中间传动轴的传递的效率为0.98，齿轮传动传递效率为0.89.则齿轮输入功率p2=9.858Kw，输出功率p1=8.77Kw。总传动比为i=8.379，链传动传动机构的传动比为3，则变速箱的齿轮传动比为μ=2.793。输出轴转速n1=125r/min， 输入轴转速n2=44.75r/min。

(1)选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数

按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动；其工作速度不高，故选用7级精度(GB10095-88)；大齿轮材料选择40Cr(调质)，硬度为280HBS，小齿轮材料为45钢(调质)，硬度为250HBS；选小齿轮齿数z1=24，则大齿轮齿数为z2=z1·μ=67.032，故取67 。

(2)强度设计及校核

标准直齿圆柱齿轮的设计计算公式：

(1)

确定公式内的各计算数值：

① 选取载荷系数为K=1.5

② 计算大齿轮传递的转矩

(2)

由式(2 ) 计算得T2=2.104×106N·mm

③ 选取齿宽系数φd=1，材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa；按齿面硬度查得大齿轮的接触疲劳强度极限σH lim2=550Mpa;σH lim1=600Mpa;

④ 计算应力循环次数

N=60n1jLh

(3)

由式(3)得N2=0.19×109，N1=0.54×109。接触抗疲劳寿命系数KHN1=0.95;KHN2=0.90

⑤ 接触疲劳许用应力计算

取失效率为0.01，安全系数S=1,

(4)

由式(4)计算得[σH]1=523Mpa; [σH]2=540Mpa

得出主要几何尺寸：齿宽b1=50mm，b2=45mm；模数为2.5；齿高h=5.9mm；分度圆直径为d1=72.5mm，d2=202.5mm；中心距a=138mm。

2.2 曲柄摇杆机构及喷针设计

(1)工作原理

喷针及曲柄摇杆机构是液态施肥机的执行部件，动力由传动系统传递给曲柄，通过曲柄的回转运动，带动摇杆的往复运动，实现喷针上下的运动，完成扎穴和施肥的操作。

(2)曲柄摇杆机构的设计

根据农艺要求，液态肥的施肥深度为100mm左右。因此该液态施肥机在工作时，保证了喷针的喷射部位在地表以下70～120mm的喷射带内。由于喷针应具有入土容易的性能，在喷射部位的下方焊接了30mm的针尖，既方便了入土，又可以使喷针在向上运动时不易粘土。当喷针的喷射部位到达最深处时，应该保证摇杆顶端不和土面接触所以要有一定的余量，在满足喷针强度要求的同时，给出余量为50mm。经设计研究，曲柄摇杆机构的结构参数为曲柄120mm，机架700mm，连杆800mm，摇杆400mm，结构如图3所示。

图3 喷针及曲柄摇杆机构示意图

1.主梁 2.左曲柄 3.喷液自控阀 4.扎穴机构连杆 5.前摆臂转轴

(3)喷针的喷射深度及轨迹

曲柄摇杆机构是施肥机喷射深度及喷射轨迹保证的关键，施肥机喷射深度及喷射轨迹直接决定了施肥机的工作效果。由于喷射深度不受施肥机前进速度的影响，因此，在设计时只需把喷射点的纵向坐标描述出来即可。建立如图所示的坐标系，尺寸按设计的要求给出，并规定图中的两个角分别叫φi和φj，如图4所示。

图4 喷针运动坐标图

其中

(5)

yB=120cosωt

(6)

xB=120sinωt

(7)

则C点(喷针)的投影方程

yC=yB+800·cosφi=700+400·cosφj

(8)

xC=xB+800·sinφi=400·sinφj

(9)

两边平方相加整理

A0cosφi+B0sinφi-C0=0

(10)

其中

A0=2×800(700-120cosωt)=112000-19200cosωt

B0=2×800(0-120sinωt)=-19200sinωt

=111200-160000cosωt

根据装配条件

lBD≤800+400

lBD≥|800-400|

(11)

当BCD顺时针时φi取+号

(12)

(13)

(14)

(15)

式(15)是喷针喷射部位的纵向坐标。

(16)

式(16)是喷针喷射部位的行进方向坐标。

(4)喷针的校核

喷针在工作过程中，上端固定，下端受土壤的反作用力会发生微小的变形，故可简化成下端固定，上端自由的压杆。其临界压力

(17)

式中：Pcr—临界压力

EI—抗弯刚度

μ—压杆长度系数

取压杆长度系数μ=2。应用临界压力公式，临界压应力σcr为

(18)

喷针进行稳定校核。喷头由不锈钢制成，σS=350Mpa,σP=280Mpa，E=200Gpa。长度l=200mm，直径d=24mm。最大压力Pmax=5KN，规定安全系数nst=10。

采用直线公式，由表查得，不锈钢a=461,b=2.625，由公式：

喷针的柔度介于λ2和λ1之间，是中等柔度压杆。由直线公式求出临界应力为

σcr=a-bλ=306.92Mpa

Pcr=σcr·A=138.8KN

所以，满足稳定要求。

设土壤的横向载荷5KN,Mmax=5000×0.2=1000KN

满足强度要求。

3 结论

本文设计出液态施肥机的整体结构，针对其工作过程和技术要求，设计出增速齿轮箱并对其齿轮进行强度校核；提出曲柄摇杆机构和喷针机构，并对喷针的喷射深度及轨迹进行探讨，使其工作过程满足农艺上施肥的要求。但这种施肥机只能完成定量的施肥，只能适应短幅宽的作业要求，因此还有待于进一步的完善变量施肥。

[1]王金武，纪文义，冯金龙，王金峰.液态施肥机的设计与试验研究[J].农业工程学报，2008(6).

[2]冯金龙.液体施肥装置施肥机理的试验研究[J].东北农业大学学报，2007(4).

[3]王金峰，王金武，鞠金艳，何剑南.深施型液态施肥机扎穴机构研究进展[J].东北农业大学学报，2013(5).

[4]宋德庆，黄正明.我国追肥施布机械及技术研究现状与展望 [J].农机化研究学报，2014(10).

Class No.:S224.21 Document Mark：A

(责任编辑：宋瑞斌)

Design of Key Parts of the Liquid Fertilizer Applicator

Zhang Mingqiu

(Heilongjiang Universitiy of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

Application of liquid fertilizer increased the utilization of fertilizer in crop production, and also reduced environmental pollution. We discussed the key parts structure design for speed gear box of liquid fertilizer applicator, the crank rocker mechanism and spray needle and the strength check in order to meet the make the agronomic requirements of cultivation and fertilization.

liquid fertilizer applicator; design; speed gear box; spraying needle

张明秋，硕士，讲师，黑龙江工业学院机械工程系。

1672-6758(2017)05-0046-4

S224.21

A