集成式全电驱颗粒肥输送及排施装置的研制

刘春旭，芦 磊，朱炫铭

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 田间机械化研究所，哈尔滨 150081)

1 常规施肥装置的构成及存在的问题

1.1 常规施肥装置的构成

目前，在大田作物播种作业过程中，同步施用的肥料主要以颗粒肥为主，尤以复合肥较为多见，为满足作业需求，播种机上的施肥装置主要由肥料输送单元和肥料排施单元构成。

如图1所示，肥料输送单元由驱动链轮、驱动轴及螺旋套管组成，其中驱动链轮安装在肥料箱的外侧，驱动轴水平安装在肥料箱内部，一端与驱动链轮连接，螺旋套管与驱动轴采用销钉固定。根据机型的不同，一只肥料箱的底部启用2～3个出肥口，每个出肥口附近均对应设置1个螺旋套管，上述螺旋套管串接在同一根驱动轴上。其工作原理为当机具行进时，地轮同步转动，经过多级链轮变速后，带动安装在肥料箱外侧的驱动链轮转动，螺旋套管随之转动，推动肥料向各个出肥口移动，从而完成肥料推送过程。

1.驱动轴；2.螺旋套管图1 常规肥料输送单元实物照片

如图2所示，肥料排施单元由驱动链轮、驱动轴及排肥盒组成，其结构组成与肥料输送单元相似，驱动轴水平安装在肥料箱底部，多只排肥盒串接在同一根驱动轴上，每只排肥盒与肥料箱底部的出肥口对接。固定在驱动轴上的驱动链轮在地轮和传动机构的带动下转动，最终驱动各个排肥盒内的排肥槽轮转动，肥料经过肥管、施肥开沟器后，进入土壤，完成肥料的排施过程。

1.驱动轴；2.排肥盒；3.驱动链轮(在链罩内)图2 常规肥料排施单元实物照片

1.2 常规施肥装置存在的问题

另外，上述装置中的肥料输送单元以及肥料排施单元均采用共轴式安装，对于零件材质、机械性能以及加工精度要求较高，加大了装配以及维修更换的难度。

2 新型装置的构成、工作原理及设计计算

针对上述问题，进行了创新性的改进设计，取消了传统的地轮传动机构，将原来的共轴式驱动改为独立单元式直驱方式，同时将肥料输送单元与肥料排施单元进行了结构集成和功能整合。

2.1 构成

如图3所示，肥料输送单元由安装底板、步进电机、电机固定端板、中间支架、输送轴、螺旋叶片、输送轴轴承支架和控制器等组成。

1.输送轴轴承支架；2.螺旋叶片；3.输送轴；4.步进电机；5.电机固定端板；6.控制器；7.安装底板图3 改进型肥料输送单元结构设计图

步进电机型号为57-H250E508，步距角1.8°，相电流3.0 A,保持力矩为1.5 N·m；为了增大输出扭矩，配套减速比为18∶1的行星减速器，其型号为57GP18B12，输出轴径12 mm，键槽规格4×2.5 mm。

输送轴选用304材质的不锈钢管，外径25 mm、壁厚3.5 mm；螺旋叶片材质为304不锈钢，外径80 mm、内径25 mm、螺距80 mm、厚度3 mm。

安装底板及支架类零件的材质采用6061铝合金板，经过激光切割、钻、铣、磨等工艺加工而成。

控制器是在DM556两相步进电机驱动器的基础上，内嵌STC8G1K08-38I-TSSOP20单片机、2.4G全双工无线串口模具块以及SDWa035T03串口液晶屏，可以在线设置工作参数及组网状态，属于专门定制产品。

2.2 工作原理

步进电机通过减速器带动输送轴旋转，固定在输送轴上的螺旋叶片随之转动，并将肥料向出肥口推送，其推送速度与步进电机的转速正相关。

在农业农村部县域耕地资源管理信息系统中，采用等间距法划分等级，最终将胶东半岛耕地地力共划分为6个等级，见表2。

步进电机的转速由控制器实时调节，控制器内嵌单片机智能控制模块，通过安装在地轮上的行进距离编码器(左右两侧各1只)，实时检测当前机具的行进速度，结合设定的工作参数，通过内置驱动器实现对步进电机的控制。

2.3 主要参数的计算校核

最大输送能力Qmax是螺旋叶片每分钟所能推送肥料的质量，易知

Q=[π(D2-d2)/4]×T×ρ×r/n

(1)

式中D—螺旋叶片外径，D=8 cm；

d—螺旋叶片内径，d=2.5 cm；

T—螺距，T=8 cm；

ρ—混合颗粒肥料平均密度，ρ=1.35 g·cm-3；

r—步进电机转速，取r=700 r·min-1；

n—减速比，n=18∶1。

通过式(1)，求得Qmax=19 040 g·min-1=19.04 kg·min-1。

最大施肥量Pmax是指每个排肥部件每分钟所需排施肥料的最大质量，单位面积施肥量的上限通常取1 000 kg·hm-2(相当于0.1 kg·m-2)，播种机最大作业速度为12 km·h-1，垄距取0.65 m，易知

Pmax=0.1×12×1 000×0.65/60

=13 kg·min-1

(2)

由式(1)、式(2)可知，Qmax>Pmax，因此本装置的最大输送能力能够满足作业需求。

3 新型装置的创新点及相关说明

在结构设计上，除了将肥料输送单元与肥料排施单元进行整合设计之外，为了进一步提高作业性能，提高作业质量，还在以下方面进行了创新性的改进：

(1)创新性地选用了不锈钢螺旋叶片作为肥料输送的功能部件，相对常规而言，具有输送能力强、耐腐蚀、易于加工等优点。

(2)创新性地增加了“出肥口垂直压力缓冲”的结构设计，能够有效减弱因肥料堆积导致的肥料排施单元中的排肥槽轮受到较大的垂直压力的现象，减小排肥槽轮的驱动力矩，提高出肥口附近肥料的流动性，保证颗粒肥排施的顺畅性。

(3)创新性地设计了肥料排施单元的快换式挂接结构。如图4所示，肥料排施单元的主要功能部件均集成在同一安装板上，该安装板与固定在肥箱一侧的快接板采用卡接的方式进行连接固定，利用重力以及限位螺钉即可做到快速连接。这种设计有利于提高生产组装以及使用维护的效率，同时由于采用了单元式的设计，提高了部件的通用性。

1.快接板；2.安装板；3.肥料排施单元图4 快换式肥料排施单元结构设计图

4 结论

本装置目前已完成了样机试制，并且在定制的排肥性能试验台上进行了模拟测试，结果表明其性能能够达到设计要求，可以进入下一步的田间测试阶段。但若要实现小批量生产，还需要解决以下几个问题：

(1)总体成本较高，目前只适用于高端机型的产品应用，还需要进一步采取控制成本的技术措施。

(2)采用直流24 V供电，部分机型的拖拉机无法提供适合的电源，只能另外增加发电装置，进一步提高了使用成本。

(3)步进电机驱动器的防护壳体需要改变设计，增加密封胶圈等设计细节，进一步增强防水防尘性能，提高在恶劣气候下连续工作的可靠性。