新型智能撒肥機研究與設計

劉增輝，魏金波，霍魯鋒，陳希志，賈廣騰，王志坤

（德州學院機電工程學院，山東德州 253023）

0 引言

全國農作物的種植面積逐年穩步上升，糧食產量喜獲“十二連增”，而且農業機械化水平也越來越高。在增產增收上，全層施肥（將肥料均勻播撒于地表，然后用鏵式犁耕翻入土或及時澆水，將肥料融入土壤）可以說起到了關鍵作用[1]。但是，通過到農村大量走訪調研發現，山東省廣大農村仍采用人工撒化肥的方式施肥，不但導致播撒不均、效率低、肥效不高，而且會造成化肥對人體的傷害。我國僅有少部分地區現在擁有大型撒肥機械，但都為大型農場，并不適用于我國較為普遍的精細化耕種方式。西方發達國家的大型撒肥機械起步早，而且發展很快，技術十分先進，但是其價格非常昂貴，并且也不適合我國當前的農業形勢，因此依賴進口機械解決施肥環節的瓶頸問題還不現實[2]。

1 產品整體設計分析

智能撒肥機由機架、橡膠車輪、齒輪、鏈輪、電機、蓄電池、容納箱、控制器和調速器等組成。

智能撒肥機技術參數見表1，智能撒肥機整體結構見圖1。

表1 智能撒肥機技術參數

圖1 智能撒肥機整體結構

2 關鍵部件設計

2.1 直流電動機選配

電動機具產品在田間實際工作中的功率（轉矩、轉速）輸出、機械振動、耗電量等指標是考核、評價農機具主要性能和節能減排的重要指標[3-4]。直流電機的選配要考慮到機器在工作過程中需要克服摩擦力等。由摩擦力功耗計算公式可知。

m——整機質量，kg；

g——重力加速度，一般取9.8，m/s2；

f──橡膠輪胎滾動時摩擦因數；

υ——機器行駛速度，m/s。

根據撒肥機相關技術參數表計算得：P=99.1 W，因此選用額定電壓12 V，功率100 W的無刷永磁直流減速電機。

功耗計算參數為整機質量20 kg，橡膠輪胎滾動時摩擦因數0.29，行駛速度1.5 m/s，效率系數0.86。

2.2 鉛酸蓄電池的選用

蓄電池的作用是用充電器將交流電轉化為直流電儲存起來，以便負載使用。為了保證正常工作效率，應當選用堅實耐用且可持續使用的高性能鉛酸蓄電池。

蓄電池供電系統：電流=100 W÷12 V=50/6 A，同時需要滿足標準家庭連續工作5～10畝（1畝為0.006 7 hm2）地的工作需求。以每畝地10 min為例，蓄電池=50/6 A×1/6 h×10=500/36 A·h≈14 A·h。

另外，為了防止蓄電池過充和過放，蓄電池一般充電到90%左右，放電余留20%左右。所以，14 A·h也只是應用中真正標準的70%左右。

選定的蓄電池額定電壓12V，蓄電池額定容量10 A·h。使用時，為了提高續航能力，建議使用2節鉛酸蓄電池。

2.3 容納箱及漏斗裝置的選用

在平時施肥的操作中，會發現如果用手直接接觸化肥會帶來不適反應，而且施肥的設備與有些肥料直接接觸時，設備容易被腐蝕、生銹或溶解。比如，用鐵制的施肥機構時，磷酸會溶解金屬鐵，鐵與磷酸根生成磷酸鐵的沉淀物。所以，用磷酸做肥料時應用不銹鋼或非金屬材料的施肥機構。因此，應根據當地肥料使用的特點選擇適宜材料制作的肥料容納箱。

肥料對不同材料的腐蝕程度見表2。

表2 肥料對不同材料的腐蝕程度

結合表2，同時達到輕便目的，選用塑料為容納箱的制作材料。

3 工作原理及性能分析

3.1 工作原理示意圖及說明

智能撒肥機工作原理示意圖見圖2。

圖2 智能撒肥機工作原理示意圖

將化肥倒入料桶內，化肥通過漏斗裝置底部的漏孔落下。打開電源開關，調節轉速器使電機達到使用轉速，電機通過鏈輪傳動系統將動力間接傳給齒輪傳動系統，帶動轉盤做高速離心運動。轉盤將上方漏孔落下的化肥，以高速離心力按一定半徑完成化肥播撒工作。

3.2 產品性能分析

該智能撒肥機，是一款利用直流電機提供動力的小型農業機械，它的構造主要分為漏斗控制系統和傳動控制系統兩大部分。

上部主要是容納箱及漏斗控制系統。容納箱的材質是塑料，一方面原因是密度小、質量輕，另一方面是塑料材質可以防止化肥對箱體的腐蝕，延長使用壽命。箱體具有較大容積，一次性可容納12.5～15.0 kg的化肥。容納箱的上方有過濾網，能夠阻擋固結成大塊的肥塊和化肥袋內的合格標簽，避免對漏斗孔的堵塞。容納箱底部連接著漏斗裝置，3個漏孔均勻分布保證了播撒效果。漏孔的大小可以根據智能播撒系統進行調控，智能播撒系統控制漏孔開口大小并根據命令進行調節，保證土壤肥度均衡，避免了肥料的浪費，極大地節約了成本。

下部主要是電機驅動和齒輪傳動控制系統。直流電機為整個系統提供動力，電機通過鏈輪與主軸相連，電機帶動鏈輪轉動，通過鏈條帶動主軸轉動，從而使車輪轉動。齒輪傳動系統控制轉盤，固連在主軸上大的斜齒與轉盤底部的齒輪相互嚙合，轉速比為1∶4，這樣可使轉盤在正常車速下保持做高速離心運動，從而使播撒半徑大且播撒均勻。通過調速器對電機的轉速進行調節，進而控制車速的快慢，同時也可定速，使電機的轉速一定。

上下的整體配合，使該機器性能優越，可應用于復雜地形農田作業，同時也適合精細化耕種，使化肥的播撒工作便捷高效地完成。

4 結論

該機器結構設計小巧，適合單人操作，作業面積可達3 m，工作效率高，適合于精細化耕種的小型農場和大棚作業。該機器由電機提供動力，化肥由轉盤處播撒出去，避免了化肥與人手的直接接觸，減輕了化肥對人體的危害。山東省是一個農業大省，但傳統的農業生產方式已不能適合當今快速發展的社會，新的生產方式亟待解決，新型智能播撒機就是對落后生產方式的轉變。同時，該機械也滿足了現代人要求高效、節能、環保的心理，技術水平高，未來的應用前景廣闊，使產品在推廣上有了很大的保證。

參考文獻：

[1]劉云，王序儉.2SF-10型離心式撒肥機 [J].農業開發與裝備，2005（5）：64-65.

[2]陳黎卿，陳玉，鄭媛媛，等.微型電動施肥機的設計與試驗 [J].機械設計，2013，30（8）：78-82.

[3]陳震邦.微型電動汽車總體設計原則的探論 [J].江蘇大學學報（自然科學版），2003，24（5）：32-35.

[4]李從權，范超毅，蘇愛濤.農用手扶電力驅動車的設計與試驗 [J].農業工程學報，2011，27（2）：36-39.◇