集成式全電驅顆粒肥輸送及排施裝置的研制

劉春旭，蘆 磊，朱炫銘

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院 田間機械化研究所，哈爾濱 150081)

1 常規(guī)施肥裝置的構成及存在的問題

1.1 常規(guī)施肥裝置的構成

目前，在大田作物播種作業(yè)過程中，同步施用的肥料主要以顆粒肥為主，尤以復合肥較為多見，為滿足作業(yè)需求，播種機上的施肥裝置主要由肥料輸送單元和肥料排施單元構成。

如圖1所示，肥料輸送單元由驅動鏈輪、驅動軸及螺旋套管組成，其中驅動鏈輪安裝在肥料箱的外側，驅動軸水平安裝在肥料箱內(nèi)部，一端與驅動鏈輪連接，螺旋套管與驅動軸采用銷釘固定。根據(jù)機型的不同，一只肥料箱的底部啟用2～3個出肥口，每個出肥口附近均對應設置1個螺旋套管，上述螺旋套管串接在同一根驅動軸上。其工作原理為當機具行進時，地輪同步轉動，經(jīng)過多級鏈輪變速后，帶動安裝在肥料箱外側的驅動鏈輪轉動，螺旋套管隨之轉動，推動肥料向各個出肥口移動，從而完成肥料推送過程。

1.驅動軸；2.螺旋套管圖1 常規(guī)肥料輸送單元實物照片

如圖2所示，肥料排施單元由驅動鏈輪、驅動軸及排肥盒組成，其結構組成與肥料輸送單元相似，驅動軸水平安裝在肥料箱底部，多只排肥盒串接在同一根驅動軸上，每只排肥盒與肥料箱底部的出肥口對接。固定在驅動軸上的驅動鏈輪在地輪和傳動機構的帶動下轉動，最終驅動各個排肥盒內(nèi)的排肥槽輪轉動，肥料經(jīng)過肥管、施肥開溝器后，進入土壤，完成肥料的排施過程。

1.驅動軸；2.排肥盒；3.驅動鏈輪(在鏈罩內(nèi))圖2 常規(guī)肥料排施單元實物照片

1.2 常規(guī)施肥裝置存在的問題

另外，上述裝置中的肥料輸送單元以及肥料排施單元均采用共軸式安裝，對于零件材質(zhì)、機械性能以及加工精度要求較高，加大了裝配以及維修更換的難度。

2 新型裝置的構成、工作原理及設計計算

針對上述問題，進行了創(chuàng)新性的改進設計，取消了傳統(tǒng)的地輪傳動機構，將原來的共軸式驅動改為獨立單元式直驅方式，同時將肥料輸送單元與肥料排施單元進行了結構集成和功能整合。

2.1 構成

如圖3所示，肥料輸送單元由安裝底板、步進電機、電機固定端板、中間支架、輸送軸、螺旋葉片、輸送軸軸承支架和控制器等組成。

1.輸送軸軸承支架；2.螺旋葉片；3.輸送軸；4.步進電機；5.電機固定端板；6.控制器；7.安裝底板圖3 改進型肥料輸送單元結構設計圖

步進電機型號為57-H250E508，步距角1.8°，相電流3.0 A,保持力矩為1.5 N·m；為了增大輸出扭矩，配套減速比為18∶1的行星減速器，其型號為57GP18B12，輸出軸徑12 mm，鍵槽規(guī)格4×2.5 mm。

輸送軸選用304材質(zhì)的不銹鋼管，外徑25 mm、壁厚3.5 mm；螺旋葉片材質(zhì)為304不銹鋼，外徑80 mm、內(nèi)徑25 mm、螺距80 mm、厚度3 mm。

安裝底板及支架類零件的材質(zhì)采用6061鋁合金板，經(jīng)過激光切割、鉆、銑、磨等工藝加工而成。

控制器是在DM556兩相步進電機驅動器的基礎上，內(nèi)嵌STC8G1K08-38I-TSSOP20單片機、2.4G全雙工無線串口模具塊以及SDWa035T03串口液晶屏，可以在線設置工作參數(shù)及組網(wǎng)狀態(tài)，屬于專門定制產(chǎn)品。

2.2 工作原理

步進電機通過減速器帶動輸送軸旋轉，固定在輸送軸上的螺旋葉片隨之轉動，并將肥料向出肥口推送，其推送速度與步進電機的轉速正相關。

在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)中，采用等間距法劃分等級，最終將膠東半島耕地地力共劃分為6個等級，見表2。

步進電機的轉速由控制器實時調(diào)節(jié)，控制器內(nèi)嵌單片機智能控制模塊，通過安裝在地輪上的行進距離編碼器(左右兩側各1只)，實時檢測當前機具的行進速度，結合設定的工作參數(shù)，通過內(nèi)置驅動器實現(xiàn)對步進電機的控制。

2.3 主要參數(shù)的計算校核

最大輸送能力Qmax是螺旋葉片每分鐘所能推送肥料的質(zhì)量，易知

Q=[π(D2-d2)/4]×T×ρ×r/n

(1)

式中D—螺旋葉片外徑，D=8 cm；

d—螺旋葉片內(nèi)徑，d=2.5 cm；

T—螺距，T=8 cm；

ρ—混合顆粒肥料平均密度，ρ=1.35 g·cm-3；

r—步進電機轉速，取r=700 r·min-1；

n—減速比，n=18∶1。

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

最大施肥量Pmax是指每個排肥部件每分鐘所需排施肥料的最大質(zhì)量，單位面積施肥量的上限通常取1 000 kg·hm-2(相當于0.1 kg·m-2)，播種機最大作業(yè)速度為12 km·h-1，壟距取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，因此本裝置的最大輸送能力能夠滿足作業(yè)需求。

3 新型裝置的創(chuàng)新點及相關說明

在結構設計上，除了將肥料輸送單元與肥料排施單元進行整合設計之外，為了進一步提高作業(yè)性能，提高作業(yè)質(zhì)量，還在以下方面進行了創(chuàng)新性的改進：

(1)創(chuàng)新性地選用了不銹鋼螺旋葉片作為肥料輸送的功能部件，相對常規(guī)而言，具有輸送能力強、耐腐蝕、易于加工等優(yōu)點。

(2)創(chuàng)新性地增加了“出肥口垂直壓力緩沖”的結構設計，能夠有效減弱因肥料堆積導致的肥料排施單元中的排肥槽輪受到較大的垂直壓力的現(xiàn)象，減小排肥槽輪的驅動力矩，提高出肥口附近肥料的流動性，保證顆粒肥排施的順暢性。

(3)創(chuàng)新性地設計了肥料排施單元的快換式掛接結構。如圖4所示，肥料排施單元的主要功能部件均集成在同一安裝板上，該安裝板與固定在肥箱一側的快接板采用卡接的方式進行連接固定，利用重力以及限位螺釘即可做到快速連接。這種設計有利于提高生產(chǎn)組裝以及使用維護的效率，同時由于采用了單元式的設計，提高了部件的通用性。

1.快接板；2.安裝板；3.肥料排施單元圖4 快換式肥料排施單元結構設計圖

4 結論

本裝置目前已完成了樣機試制，并且在定制的排肥性能試驗臺上進行了模擬測試，結果表明其性能能夠達到設計要求，可以進入下一步的田間測試階段。但若要實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，還需要解決以下幾個問題：

(1)總體成本較高，目前只適用于高端機型的產(chǎn)品應用，還需要進一步采取控制成本的技術措施。

(2)采用直流24 V供電，部分機型的拖拉機無法提供適合的電源，只能另外增加發(fā)電裝置，進一步提高了使用成本。

(3)步進電機驅動器的防護殼體需要改變設計，增加密封膠圈等設計細節(jié)，進一步增強防水防塵性能，提高在惡劣氣候下連續(xù)工作的可靠性。