设施大棚专用撒肥机的设计及试验

许斌星，王少康，吴爱兵，马 标，陈永生，薛 臻，王阿祥

(1.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014；2.南京市农业机械技术推广站，南京 210001；3.泰州常发农业装备有限公司，江苏 泰州 225300)



设施大棚专用撒肥机的设计及试验

许斌星1，王少康2，吴爱兵1，马 标1，陈永生1，薛 臻3，王阿祥3

(1.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014；2.南京市农业机械技术推广站，南京 210001；3.泰州常发农业装备有限公司，江苏 泰州 225300)

施肥是作物全程机械化过程中关键的环节，我国大棚撒肥机械化水平很低，目前主要是以人工为主，生产效率低，劳动强度高。为此，设计一款设施大棚专用履带自走、5～6m幅宽、均匀撒肥的机械,由动力传动系统、输肥装置、撒肥装置、机架总成与肥料喂入量控制机构等组成。该设计为大棚作物全程机械化提供了一种机械化农具，具有广阔的应用前景。

大棚；撒肥机；履带

0 引言

我国设施大棚中传统的农家肥撒施过程目前主要是依靠人工，劳动强度大，人工费占据前期费用很大比例，从而提高了成本。特别是在设施大棚这个“封闭”空间的环境下，进一步增加了人工操作的难度。目前，在劳动力价值较低的贫困区，土地成块面积较小，还存在一些手工撒肥的现象。然而与之相反的是，我国大部分劳动价值较高的区域，在肥料(包括传统的土杂肥、 堆沤肥、 沼气肥、 家畜粪肥 )的运输、撒施等环节都存在巨大的困难[1-3]。针对相关机器的严重缺乏，广大农民提出了对相关的装备迫切需求，研制一款设施大棚专用撒肥机已刻不容缓。

据调查，2015年设施大棚种植面积为410.9万hm2，并且有增长的趋势。为了大棚中种植的作物更好地进入国际国内市场，设施大棚撒肥机械化急需解决。本文设计的设施大棚专用撒肥机，包括动力传动系统、输肥装置、撒肥装置、机架总成与肥料喂入量控制机构等，主要用于设施大棚中有机肥的均匀撒施作业等。

1 设计原理及机构

1.1 设计原则

1)结合农艺，该撒肥机总体设计应满足相关要求，实现农机与农艺的融合；整体布局合理、结构简单、传动平稳、肥料输送连续、撒肥效果符合要求；作业后，可达到规定幅宽且均匀撒肥。

2)零部件设计过程中，由标准化、系列化及通用化到非标件原则。

3)结构设计合理。

4)在设计过程中，配合零件的加工工艺，使得在制造过程中减少用料，同时有利于装配。

1.2 设计原理

针对设施大棚内肥料撒施主要靠人工、劳动强度大、效率低等问题，设计了一种设施大棚专用的撒肥机。该机动力由汽油机带动，履带自走，输肥装置带动肥料向前输送，在输送末端通过挡板控制肥量；然后，喂入撒肥装置通过高速旋转的圆盘将肥料均匀抛撒。其工作原理图如图1所示。

1.传动链1 2.肥料箱2 3.撒肥圆盘 4.挡板图1 结构原理图Fig.1 Structural schematic diagram

该机的优点是可通过挡板对肥量进行精确控制，协同高速旋转的圆盘将肥料均匀的抛撒。该过程可以实现有效的控制撒肥幅宽，改善了我国有机肥堆积的现状。

1.3 总体设计

设施大棚撒肥机结构示意如图2所示。

1．锥齿主动轴 2.主动锥齿轮 3.从动锥齿轮 4.箱体 5.轴承座 6.锥齿从动轴 7.圆盘轴 8.键槽 9.刮板 10.圆盘 11.连接板 12.履带底盘 13.机架 14.料斗 15.主动链轮 16.链条 17.埋刮板 18.动力输入轴 19.底板图2 整体结构图Fig.2 The whole structure

本文设计的设施大棚撒肥机，动力由14kW汽油机输出，整机通过履带自走。该撒肥机主要有3部分组成：动力传动系统、输肥装置和撒肥装置。动力源由发动机经过渡轴传给输肥装置的主动链轮，链条之间焊接埋刮板；主动链轮同时将动力经系列齿轮传给撒肥装置，撒肥装置在输肥装置的后方，撒肥圆盘安装在输送链条后下方，结构紧凑。撒肥装置由撒肥圆盘、圆盘轴及撒肥叶片等组成。其中，动力传动系统包括发动机、无级变速器和链传动系统；输肥装置包括主动链轮、链条、埋刮板及从动链轮。

撒肥机进行作业时，由发动机经过渡轴传送到撒肥装置中的链轮，然后在两对啮合的锥齿轮转动下带动圆盘撒肥；同时经系列齿轮传动至输肥装置中的主动链轮，从而带动链条转动将肥料向前输送，喂入撒肥装置。这个过程中输肥装置与撒肥装置协调工作，实现连续均匀撒肥。

主要技术参数如下:

动力配套/kW：14

圆盘转速/r·min-1:585

作业速度/km·h-1:4

行走方式：履带自走式

撒肥幅宽/m：5～6

1)传动系统设计：传动路线既要保证总体传动可靠，同时不能影响撒肥机的正常工作。根据整机的布局，确定传动路线，使撒肥机在工作过程中满足送肥、撒肥协调一致等工作需要。

本文中，动力由14kW的汽油机输出经两个方向分出：一是经无级变速器传给底盘，用于低速自走；二是传给撒肥机，用于输肥、撒肥工作。传动路线图如图3所示。

图3 传动系统图Fig.3 Sketch of the transmission system

2)输肥装置设计：输肥装置主要由动力输入轴、主动链轮、链条及埋刮板等组成，如图4所示。

15.主动链轮 16.链条 17.埋刮板 18.动力输入轴 20.链轮从动轴 21.从动链轮图4 输肥装置Fig.4 System of transporting fertilizer

埋刮板均布焊接在两链条之间，较密集，每4个链接焊接一个埋刮板的密集分布目的是让肥料更加顺畅地喂入到撒肥装置。其主要工作过程是：由动力输入轴将动力经从动轴、链轮配合作用带动肥料沿链条转动方向向前运动。

3)施肥装置设计：施肥装置包括箱体、圆盘、刮板和圆盘高度调节装置等，如图5所示。

1.锥齿主动轴 2.主动锥齿轮 3.从动锥齿轮 4.箱体 5.轴承座 6.圆盘 7.刮板 8.圆盘轴 9.键槽 10.锥齿从动轴图5 施肥装置Fig.5 System of spreading fertilizer

箱体内设有1根水平设置的锥齿主动轴和两根垂直设置的锥齿从动轴：锥齿主动轴上固定设有两个相对设置的主动锥齿轮，两个主动锥齿轮分别与其对应的从动锥齿轮相啮合；锥齿从动轴固定在从动锥齿轮上，锥齿从动轴下端穿过箱体底部与圆盘高度调节装置的上端连接，圆盘高度调节装置的下端与设置于圆盘中心的圆盘轴连接，圆盘转速为585r/min有效地将肥料均匀抛出。

2 撒肥部件设计

2.1 撒肥部件相关零件参数的确定

据资料介绍[4]，撒肥圆盘转速取值范围为 540～700r/min，撒肥圆盘直径取值范围为400～500mm，撒肥盘距地面高度取值范围为300～350mm。通过相关文献与参照国外同类机型及经验，根据设计要求，两个参数分别确定为圆盘直径445mm，离地高度326mm。

如果撒肥圆盘转速过大，作业时质量比较轻的物料容易偏离轨道，可能造成肥料的损失，同时影响施肥质量。综合考虑，撒肥圆盘转速最终确定为585r/min。

2.2 有机肥与圆盘运动分析

1)肥料在水平圆盘上的运动分析：首先研究肥料沿圆盘表面运动的情况,假设肥料以初速度为零的值落在匀速旋转的圆盘上，考虑到肥料与刮板之间的作用对肥料的影响不大，此处忽略不计。这时，肥料与圆盘之间的摩擦力F与肥料在运动过程中受到的离心力F离(见如图6)为

F=μmg，F离=mr0ω2

式中μ—肥料与圆盘之间的摩擦系数；

r0—肥料落肥点到圆心的距离；

ω—圆盘角速度。

肥料落在圆盘上，满足肥料被抛撒的条件为

F=μmg

由此可得水平圆盘最低转速为

图6 肥料沿旋转圆盘的运动特性Fig.6 Analyses the movement of the fertilizer on centrifugal disc

2)肥料离开圆盘后的运动分析：肥料离开水平圆盘后是平抛运动,考虑肥料运动过程中对其运动影响的因素包括外界的风、肥料自身旋转作用不大,此处忽略不计，此时主要影响肥料运动的因素为重力和空气阻力,如下方程中x表示水平方向加速度和z表示重力方向的加速度[5]。

式中c—空气阻力系数；

ρα—空气密度单位(kg/m3)；

d—水平圆盘的直径单位(cm)。

ρp—有机肥的密度单位(kg/m3)。

考虑到肥料中不同物料的形状大小各不一样，从而对应的空气阻力系数存在差异,根据实际情况，为了便于设计计算，将不同物料用球体来代替。根据球体的空气阻力系数确定，c=0.44[5]。

通过MatLab中的ode45函数,Runge-Kutta算法将数据代入，可以得到水平方向距离x及垂直方向距离z。当z=0时，x对应值为肥料在水平方向的抛撒距离，则

3 试验与结果

3.1 试验基本条件

试验场地为水泥平地，地面较平整，坡度不大于3°；肥料采用海门市兴农生物科技有限公司的有机肥，湿度为50%，容重为0.86t/m3，肥料总质量1t；牵引动力为功率14kW汽油机。

3.2 试验方法

将310mm×225mm×40mm的料盘以扇形的形式排成“5弧7径”的形状，横向料盘间间距为100mm，纵向料盘间间距为400mm。机具前进速度为1.5m/s，向前行走时通过测量肥料盘中落入的肥料质量，分析所有肥料盘中有机肥的分布情况。

3.3 试验结果

测量有效撒肥幅宽为6m，分别将料盘里的肥料称重并记录，然后对数据进行分析，结果如表1所示。由表1可知：弧5的数据和其他数据差距较大，可视为有效幅宽之外，将其排除。

表1 料盘内肥料质量

4 结论

该撒肥机在配套动力下一次进棚，转弯灵活，可以实现在5～6m幅宽内均匀施肥；施肥可以实现抛撒有机肥，也可以实现抛撒颗粒肥。该撒肥机在输肥装置与撒肥装置的协调工作下能将肥料连续、均匀地抛撒在地面，不仅在一定程度上高效地解决了废弃物堆积环、境污染等问题，且可有效改良土壤，为作物生长提供养分。机具结构简单、紧凑，调整方便，使用稳定可靠，是一种新型的均匀撒肥的大棚专用撒肥机具。

[1] 李秋国，张秀平.有机肥撒施机撒肥装置的研究[J].河北农机，2014(2)：34-35.

[2] 韩冰，刘斐，慕军营，等.一种果园挖坑施肥机构设计[J].农机化研究，2015，37(3)：123-125.

[3] 申屠留芳，杨刚，孙星钊. 葡萄园专用开沟施肥机的设计[J].农机化研究，2012，34(11)：87-89.

[4] 秦朝民，刘君辉.离心式撒肥机撒肥部件研究设计[J].农机化研究，2006(10)：100-102.

[5] ReumersJ,E Tijsken,H.Ramon. Experimental Characterization of the Cylindrical Distribution Pattern of Centrifugal Fertiliser Sperader:towards an Alternative for Spreading Hall Measuerments[J].Biosystems Engineering，2003，86(4):431-439.

Design of Spreading Machinery Special for Greenhouses

Xu Binxing1，Wang Shaokang2, Wu Aibing1，Ma Biao1，Chen Yongsheng1， Xue Zhen3, Wang Axiang3

(1.Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization，Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China;2.Agricultural Machinery Technology Extension Station Nanjing, Nanjing 210001,China; 3.Taizhou Changfa Agricultural Equipment Corporation，Taizhou 225300， China)

Fertilizer is a key session to full mechanization of the crop,In china,the level of mechanization for spreading machinery is lower in greenhouse, At present based on mainly artificial, low productivity, high labor intensity. For these reason, design of track self-propelled, 5-6m width, evenly sprinkle fertilizer machinery special for greenhouses, Including powertrain, System of transporting fertilizer ,System of spreading fertilizer and so on. The design for greenhouse crop fully mechanized provides a mechanization of farming tools, has a broad application prospect.

greenhouse；spreading machinery；track

2016-06-23

江苏省农机“三新工程”项目(NJ2015-09)

许斌星(1990-)，男，安徽宿松人，研究实习员， (E-mail)702076554@qq.com。

S625.3

A

1003-188X(2017)06-0158-04