甘蔗地深松施肥机设计

李俊锋， 杨永发*， 祁禹衡， 吕新宇， 崔 月， 杨云福

(1.西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224；2.云南省农业机械研究所，云南 昆明 650224)

甘蔗是云南地区主要的经济作物，在云南省种植业中占有很大的比重。云南地处我国西南地区，地形多为丘陵山地，坡度约在30°以下，土质为红壤土，具有一定的粘重比，肥力较差，该地区日照强，干旱缺水，土壤板结现象严重，影响甘蔗的产量和品质。深松可以打破梨底层，增强土壤透水与透气性，改善土壤结构，提高蓄水保墑能力[1]，因此深松施肥在田间管理中十分重要。目前云南地区深松施肥机具种类不多，且在田间实践中深松效果不理想，深松后施肥工作大多为人工完成或机具二次进地，造成大量的劳动力浪费，同时破坏蔗田，所以研制一款深松和施肥同时完成的作业机具非常必要。

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构及参数

甘蔗地深松施肥机主要由机架、深松铲、翼铲、拨叶轮、限深轮、肥料箱、排肥器、输肥管和连接装置组成，整机结构示意图如图1所示，机具主要技术参数见表1。深松铲与机架通过连接装置相连，并用螺钉固定，用于深松土地；翼铲通过螺钉与深松铲铲柄相连，其作用是增大深松面积，使深松更加充分；限深轮通过套筒与机架相连，安装在机架左右两侧，可以上下调整深松高度；肥料箱安放在机架上，左右两侧有排肥口。

图1 整机结构示意图

表1 机具主要技术参数

1.2 工作原理

机具在甘蔗地作业时，由拖拉机三点悬挂牵引前行，拨叶轮安放在深松铲前方粉碎落叶，深松铲入土深松作业，同时翼铲增大深松面积，使深松更加充分，肥料通过深松管落在深松铲后方，实现了机具一次进地同时完成深松和施肥的技术要求。

2 关键部件设计

2.1 拨叶轮设计

甘蔗地一般有落叶覆盖，深松铲前的拨叶轮可以打碎落叶，起到落叶还田的作用，同时不会被甘蔗叶缠绕阻塞，为深松铲清理出一条少甘蔗叶甚至无甘蔗叶覆盖的缝隙带，避免深松铲挂叶、堵塞和拖堆，提高通过性能，保证深松作业质量，同时预疏松出一条浅层土壤带，减小机具牵引阻力[2]。拨叶轮由直径500 mm圆盘刀、偏角调节器、连接件等组成。

2.2 深松铲

深松铲是深松部件总成的关键部件，其结构形式及结构特征参数等对深松牵引阻力有显著的影响[3-4]。深松铲主要由铲头、铲柄、翼铲等组成，深松铲结构示意图如图2(a)所示、铲尖受力简图如图2(b)所示。该铲由钢筋锻造并焊接而成，铲间宽度55 mm、铲头宽度85 mm、铲中宽度75 mm、深松铲长度180 mm，在铲刀上方440 mm处安装有两组翼铲，间距为210 mm，其中翼铲长度为260 mm、宽度为50 mm、厚度为35 mm。

图2 深松铲

根据图2(b)对铲尖进行受力分析，列出平衡方程：

Fa=Nsinr+μNcosr+kb

(1)

式中：Fa为铲尖阻力(N)；N为铲尖表面法向正压力(N)；k为单位面积土壤切削阻力(N)；b为铲尖表面宽度(cm)。

由于作业土壤中石头等大障碍物相对较少，因此k可忽略不计，铲尖受力Fb与阻力Fa大小相等、方向相反[5]，简化可得：

Fb=Nsinr+μNcosr

(2)

设计法向载荷需列出x、y轴方向的平衡方程，考虑土壤重力和土壤摩擦力等要素，深松铲铲柄受力简图如图3所示，列出平衡方程：

F0=2(P+Ta+Tb)

(3)

式中：F0为工作面阻力；P为法向力产生的阻力，P=Fasinr/2；Ta为切向力产生的阻力，Ta=Faμ1cosr/2；Tb为侧面切向力产生的阻力，Tb=2Fbμ1。

图3 深松铲铲柄受力简图

最后可得：

F0=2(Fasinr/2+Faμ1cosr/2+2Fbμ1)

(4)

其中μ1为铲柄与土壤的摩擦因数，取0.5[6]。根据实践经验，取深松铲受力为4 000 N。

2.3 肥料箱

本次设计的肥料箱侧面和底板均由3 mm的钢板焊接而成，内部呈倾斜状，便于在工作中肥料顺利下滑，不会出现断肥现象。肥料箱底板左右两边各有一个排肥口，通过排肥调节器控制调整肥料流量，达到供需平衡，肥料不浪费的目的。

2.4 机架

机架在承载肥料箱的同时还连接下方的深松铲和限深轮等装置，其中深松铲和限深轮都可拆装，采用螺栓链接，某个装置损坏时可以快速更换，在满足深松土壤的同时还可保证肥料的同步施入。机架采用较强抗弯性能的梯形框架，前梁尺寸为120 mm×90 mm×10 mm，材料选用Q235低碳钢，结构简单。

3 机具建模与分析

3.1 三维建模

机具由机架、深松装置、施肥装置、拨叶装置、行走装置五部分组成，包含多个零件。首先用Soild Works对每个零件进行草图绘制，然后在特征中生成零件实体，最后把每个装置的零件实体装配成一个整体。其余连接标准件在Toolbox中导出，严格按照国家标准要求，在每个零件间添加约束进行装配[7]。

3.2 深松铲有限元分析

机具工作过程中主要的受力装置是深松铲，其受肥料箱等部件重力和土壤的阻力作用，因此深松铲是最容易产生形变的部件，采用有限元软件分析其在土壤阻力作用下的应力应变情况，判断其力学性能。

首先把Soild Works中的深松铲导入ANSYS的Workbench模块下，对深松铲进行静力分析，点击generate，设置材料为65 Mn钢、密度为7.83×103kg/m3、泊松比为0.3、弹性模量为2.1E+11，该材料耐磨。单元类型为CTERA(10)，设置铲柄网格单元大小为20 mm、铲头网格单元大小为10 mm，进行3D四面体网格划分。铲头受垂直方向和水平方向两个分力，垂直分力主要为抬起土壤时所受的力，水平分力主要为工作时的牵引阻力，本设计希望具有较好的深松效果，同时水平方向受力机具可以承受[8]。对仿真进行简化处理，铲头施加向后的集中力，根据相关经验数据，设置力大小为4 000 N。深松铲通过铲柄安装孔固定于机架，采用Fixed Support方法对深松铲铲柄安装孔施加固定约束，最后用NXNASTRAN求解器对深松铲进行有限元分析，深松铲应力、应变云图如图4所示，整个深松铲靠近铲柄安装孔位置变形量最小，越向下受力越大，最大应力集中在铲尖位置，约为31.924 MPa，小于屈服应力1 260 MPa；铲头因受土壤阻力作用，其变形量最大，为0.918 mm，满足设计要求，本设计合理。

图4 深松铲应力、应变云图

4 小结

本次设计的机具可以在甘蔗地中同时完成深松和施肥两项作业，还装有拨叶装置，达到落叶还田的目的，防止缠绕深松铲和阻塞施肥管，采用排肥控制器可根据实际情况调节施肥量大小。对深松铲进行有限元分析，通过应力、应变云图观察受力后的结构变化，为下一步优化设计打下基础。本机具市场前景好，量产后可填补云南地区甘蔗地机械式深松施肥一体化高效作业的空白。