链条输送式变量施肥抛撒机的设计与试验_张睿

Fig.5
图 5 肥料颗粒沿拨肥叶片运动时的受力图 Force diagram during fertilizer granular moving along spread manure vane
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农业工程学报
2012 年
根据分析，该肥料颗粒主要受力有重力、离心力、 惯性力、科里奥利力以及与圆盘和叶片间的摩擦力，这 里圆盘与叶片材料相同，因此摩擦系数相同。 如图 5 所示，当肥料颗粒从落肥口落到以角速度 ω 旋转的圆盘上时，肥料颗粒离圆盘圆心 O 距离为 r0，圆 盘的半径为 R， 当质量为 m 的肥料颗粒运动到距离圆心 O 为 r（m）时，假设当该肥料颗粒运动 dr，所用时间 dt， 由牛顿定律可得 F Fce Ff （2）
外形尺寸 （长×宽×高） / mm×mm×mm 4 400×2 170×2 070 肥箱 最大工 肥门 圆盘 链条转速 排肥 撒肥 容量/ 作幅宽 开度 直径 -1 /(r·min ) 方式 盘 m3 /m /mm /mm 链条 双圆 3.15 20 0～150 0～120 500 输送 盘
2.2 撒肥盘机构 撒肥盘是抛撒机重要的部件之一，直接影响到抛撒 施肥的均匀性。在肥料抛撒作业过程中，当肥料从落肥 口落到旋转的圆盘上时，由于旋转圆盘产生的离心力以 及肥料和圆盘间的摩擦力作用，使肥料在圆盘以及沿拨 肥叶片上经过滑动或滚动，最终通过叶片抛撒出去。 为方便分析肥料抛撒过程，假设作业过程中圆盘旋 转角速度 ω 保持恒定不变，落肥口与圆盘距离很近，肥 料束流入撒肥盘，所以忽略肥料落入圆盘产生的反弹， 忽略肥料间产生的相互作用力。 如图 4 所示，拨肥叶片安装偏置角为 0，以一个肥料 颗粒为研究对象，设该肥料颗粒质量为 m，在离心力作 用下沿撒肥盘的拨肥叶片向外运动，此过程中，该肥料 颗粒在拨肥叶片上受力如图 5 所示。
注：ω 为圆盘旋转角速度，rad/s；r0 为初始半径，mm；R 为圆盘半径，mm； θ 为肥料脱离角，rad；v 为肥料离开圆盘时速度，m/s，t 为肥料颗粒运动到 距圆盘中心 r 时所用时间， s； r 为 t 时刻肥料颗粒距离圆盘中心的距离， mm。 1. 肥料束落入圆盘区域 2. 撒肥盘（右） 3. 拨肥叶片 4.肥料颗粒
注：a 为链条小边宽，mm；b 为链条长边宽，mm；p 为链条节距，mm。 1. 穿销 2. 链节 3. 锁母
Fig.2
图 2 输送链条的结构图 Structure diagram of conveyor chain
考虑肥料颗粒尺寸、负荷、加工工艺以及设计，输 送链条采用 （厚×宽） 1 mm×12 mm 不锈钢片折压而成， 链 节 距 p=25.7 mm ， 链 条 小 边 a=15 mm ， 长 边 b=27.4 mm，链条宽 330 mm。 对于输送链条机构主要由链轮、链轮轴和网格链组 成，2 个主（从）动链轮固定链轮轴两端，并与网格链两 端的网格啮合。图 3 为链条输肥机构简图。 输送肥料机构的动力由液压马达提供，液压马达通 过柔性联轴器与链轮轴连接。该排肥机构在链轮旋转 1 周的排肥量 q 为 q πdWh （1） 式中，q 为链轮旋转一周排肥量，kg/r；d 为驱动链轮直 径，m；W 为肥门开口宽度，m；h 为肥门开口高度，m； ρ 为肥料体积质量，kg/m3。
1. 链轮 2. 链条
3.“V”型撑肥机构 4. 肥门
5. 肥料 6. 肥箱
Fig.3
图 3 链条输肥机构 Mechanism of deliver manure of conveyor chain
1. 横梁 2. 下肥口 3. 转速传感器 4. 链条 5. 肥门 6. 肥箱加强筋 7. 肥箱 8. 位移传感器 9. 监控器 10. 电动推拉杆 11. 撑肥部件固定 梁 12. 撑肥部件 13. 液压控制阀 14. 排肥马达 15. 撒肥盘和叶片 16. 行走轮 17. 撒肥盘马达 18. 撒肥盘马达固定梁
2.1 链条输送式排肥机构 为使肥料颗粒尽可能定量地输出到排肥口，肥料输 送链条采用了马蹄链结构，由扁金属片和圆金属销组成， 通过彼此相扣形成排式的网格结构（如图 2），在链条的 下方与输送链紧贴并固定有肥料托板，由此肥料颗粒便
第6期
张
睿等：链条输送式变量施肥抛撒机的设计与试验
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可以通过网格结构链条将肥料从肥箱输送到排肥口。
Ff Ff 1 Ff 2 ( Fg Fco ) Fg m g
由此，可求得肥料颗粒离开圆盘时的绝对速度 v(m/s)为
v vt2 R
2
（15）
（3） （4） （5） （6）
Fce m r
2
Fi m
d r dt 2
2
Fco 2 m
1
结构与工作原理
链条输送式变量施肥抛撒机主要由横梁、下肥口， 转速传感器、链条、肥门、肥箱加强筋、肥箱、位移传 感器、监控器、电动推拉杆、撑肥部件固定梁、撑肥部 件、液压控制阀、排肥马达、行走轮、撒肥盘和叶片、 撒肥盘马达及固定梁等组成（如图 1 所示）。 作业中，链条输送式变量施肥抛撒机由拖拉机牵引， 通过 GPS 定位，当施肥控制系统接收到所处位置基于处 方图的施肥量信息后，通过安装在输肥链轴上测速传感 器测得输肥链条转速，结合速度传感器测得的机具作业 速度，从而控制驱动输肥链的液压马达转速，实现系统 变量施肥作业。主要技术参数如表 1 所示。
※
（1. 国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097；
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）
摘 要：针对国内变量施肥机作业幅宽小，变量施肥抛撒机缺乏的问题，该文应用变量施肥技术，设计了一种基于处方 图的链条输送式变量施肥抛撒机。通过分析肥料颗粒在撒肥盘上的运动和受力，建立了肥料颗粒在脱离撒肥机圆盘过程 中的运动方程，设计并确定了变量抛撒控制系统、肥箱、肥门自动开启装置等关键部件的结构及参数。并进行了不同施 肥量和抛撒均匀性的试验，结果表明：链条输送式变量施肥抛撒机变量效果较好，且具有较好的抛撒均匀性，在拖拉机 速度 1.5 m/s，实际施肥量与预置施肥量相对误差最大值为 7.53%；拖拉机速度 2 m/s，目标施肥量 225 kg/hm2，抛撒幅宽 设定 30 m，有效幅宽抛撒变异系数为 14.90%，能够较好的满足实际生产要求。 关键词：试验，农业机械，结构，变量施肥，链条输送，肥料抛撒机 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.06.004 中图分类号：S224.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2012)-06-0020-06 张 睿，王 秀，赵春江，等. 链条输送式变量施肥抛撒机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2012，28(6)：20－25. Zhang Rui, Wang Xiu, Zhao Chunjiang, et al. Design and experiment of variable rate fertilizer spreader with conveyor chain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(6): 20－25. (in Chinese with English abstract)
dr dt dr dt
（7） （8） （9）
Ff 1 Fco 2 m
Ff 2 m g
式（2）～（9）中，F 为该肥料颗粒所受合力，N；Fce 为肥 料颗粒所受离心力，N；Ff 为肥料颗粒所受摩擦力，N；Ff1 为肥料颗粒与拨肥叶片之间摩擦力，N；Ff2 为肥料颗粒与 撒肥盘之间摩擦力，N；Fg 为肥料颗粒所受重力，N；g 为 重力加速度，m/s2；Fi 为肥料颗粒所受惯性力，N；Fco 为肥 料颗粒所受科里奥利力，N；μ 为摩擦系数。 将式（3）～（9）代入式（2），整理可得微分方程
Fig.1
图 1 变量抛撒施肥机结构简图 Structure diagram of variable rate fertilizer spreader
表 1 链条输送式变量施肥抛撒机主要技术参数 Table 1 Main technical parameters of variable rate fertilizer spreader with conveyor chain
ห้องสมุดไป่ตู้
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引
言
变量施肥技术是精准农业一个重要组成部分， 而变 量施肥机则是精准施肥最主要的实施手段。 对于农业生 产， 为调节土壤性状， 进行全层施肥是必不可少的环节。 目前， 中国已有较多针对槽轮式小幅宽变量施肥机的研 究， 王秀等根据田间土壤肥料不一致研制了一种基于处 方图作业的变量施肥机 [1]；孟志军等基于 PC104 CPU 模块设计了机载作业终端， 通过电液比例阀控制液压马 达系统，设计了基于处方图的变量施肥作业系统 [2]；付 卫强等开发了一种基于 CAN（ controller area network） 耿向宇等基于 GPRS(general 总线变量施肥控制系统 [3]； packet radio service)进行了变量施肥机系统的研究 [4]。 对于肥料抛撒的研究， 秦朝民等针对离心式撒肥机推肥 板在撒肥盘上的布置进行了分析和研究 [5]； 宋卫堂等设 计了一种通过地轮驱动撒肥盘旋转的撒肥机 [6]； 吴辉针 对国外圆盘式施肥机进行了相关的抛撒试验及撒肥规 律研究 [7]。 然而所针对研究的肥料抛撒机主要是面向平 均施肥， 对于能够实现变量作业的肥料抛撒机方面研究 缺乏。 在国外，该环节基本使用作业效率较高的圆盘抛 撒机。而国外对于施肥抛撒机的研究，早在 1962 年就 针对肥料粒子在圆盘上的运动开始 [5-8] 。之后，许多研
Fig.4
图 4 肥料颗粒在撒肥盘抛出时刻的运动分析 Motion analysis of fertilizer granular at moment of thrown from disc border