基于可變軸距拖拉機平臺懸掛式農具的撒肥機研制*

高巧明，許鵬，王連其，黃貴東, ，唐能，寧業烈

(1. 廣西科技大學機械與交通工程學院，廣西柳州,545006；2. 廣西合浦縣惠來寶機械制造有限公司，廣西北海,536100；3. 柳州博實唯汽車科技股份有限公司，廣西柳州,545006)

0 引言

我國高原和丘陵山地面積6.66億hm2，占國土總面積的69.4%，丘陵山地農機化率長期低于平原地區，由于路窄彎多、作物多樣等因素，常常面臨無機可用的局面[1]。丘陵山地地區的農業機械化水平在播撒環節與全國其他地區差距有擴大趨勢，且目前我國有機肥應用率為20%，遠低于國外發達國家。

在產品研制上，國外針對撒肥機的機械性能研究比較多[2-4]。法國的MDS、AGT、UKS系列、美國的NC系列、德國的ZA系列、英國的HL、TL系列的撒肥機結構復雜、技術先進導致國內用戶進口成本較高；國內因受不同地區地貌特征影響，有機肥單位面積撒施量較大，人工撒布耗時費工，且有機肥存在復雜物理特性，國內市場目前仍缺乏相對成熟穩定、系列化的撒肥機[5]。目前已開展適合我國國情的代表性研究成果主要有：呂金慶等[6-8]設計了一種錐盤式撒肥裝置，建立了肥料顆粒的運動模型分析錐形撒肥圓盤結構和運動參數對拋撒的影響，施印炎等[9]基于近地光譜技術設計了一種基于傳感器的雙圓盤離心勻肥罩式水稻地表變量施肥機；胡永光等[10]基于離散元的撒肥過程仿真設計了葉片位置傾角可調的偏置式撒肥離心盤；蘆新春等人針對施肥均勻性穩定性設計了一種同軸驅動的離心式雙圓盤撒肥機；張睿等[11]應用變量施肥技術設計了一種基于處方圖的鏈條輸送式變量施肥拋撒機；陳書法等[12]研究設計了水田高地隙專用底盤、撒肥盤及排肥口調節裝置；但目前針對有機肥的拋撒均勻性和定量施肥的研究仍相對較少。

利用山地鉸接輪式可變軸距拖拉機作為平臺懸掛機具的搭建平臺，成功研制了平臺懸掛式撒肥機，并通過田間試驗，選擇合理的行走速度、撒肥機圓盤轉速、排料口處手柄調節高度等參數。

1 平臺懸掛式撒肥機技術參數與工作原理

1.1 平臺懸掛式撒肥機技術參數

設計的平臺懸掛式撒肥機如圖1所示，主要由牽引架、肥料箱、排料口處手柄調節機構、車架焊合、撒肥盤總成、送肥裝置等部件組成；整機主要的技術指標參數如表1所示。

圖1 整機結構

表1 主要設計參數Tab. 1 Primary technical parameters

1.2 撒肥機工作原理

如圖1所示，通過拖拉機液壓系統驅動液壓馬達工作，通過驅動輸肥裝置鏈板將肥料向后輸入，同時PTO傳動軸驅動齒輪箱帶動離心式撒肥盤高速轉動，排料口處設置手柄調節機構，用戶可根據所需施肥量自行調節控制下落的肥料量，并使肥料在重力作用下落到撒肥圓盤上，通過撒肥盤總成上的圓盤離心作用和推肥葉片的導向作用實現肥料在空中做斜拋運動實現肥料寬幅、均勻穩定的拋撒作業要求。

2 平臺懸掛式撒肥機結構設計

2.1 播撒裝置結構設計

撒肥盤結構設計是決定廄肥拋撒幅寬及拋撒均勻性的重要因素，也是撒肥機滿足在丘陵山地地區寬幅高效撒肥作業要求的重要保證[13]。如圖2所示，撒肥盤主要由撒肥圓盤和3個推肥葉片組成，且已有研究表明葉片長度、圓盤轉速、肥料顆粒自旋運動、撒肥高度、圓盤葉片位置角、肥料下落位置角對其拋撒均勻性及拋撒幅寬有重要影響[14-15]。設計的撒肥圓盤直徑D為520 mm，撒肥圓盤結構采用傾角3°～5°的倒錐形，以減少肥料顆粒在撒肥圓盤上的彈落損失。

圖2 撒肥盤結構

撒肥盤的材料采用Q235鋼板，厚度為3 mm，撒肥盤內肥料為10 kg，要求轉速為700 r/min，撒肥盤5 s內達到額定轉速。

撒肥盤的質量

m轉=πR12hρ

式中：R1——撒肥盤半徑，m；

h——撒肥盤厚度，m；

ρ——鋼板的密度，kg/m。

角加速度

m總=m轉+m肥=14.96 kg

式中：ω——撒肥盤的角速度，rad/s；

t——時間，s；

n——撒肥盤的轉速，r/min；

m肥——肥料質量,kg；

m總——撒肥盤的總質量，kg。

轉動慣量

轉動扭矩

2.2 輸肥裝置結構設計

輸肥裝置結構設計決定了肥料輸送的穩定性，間接決定撒肥機的拋撒性能。為了保證肥料穩定、均勻的輸送，本文設計采取結構簡單、輸送能力大、運行平穩的刮板式輸送裝置，如圖3所示，主要由主動鏈輪軸總成、刮肥板總成、礦用圓環鏈、從動鏈輪軸總成組成；主動鏈輪帶動刮肥板運動，進而給肥料箱中肥料反作用力用來克服與肥料箱的滑動摩擦力從而將肥料輸送給撒肥圓盤上進行拋撒作業。

圖3 輸肥裝置結構

2.3 撒肥機液壓系統設計

液壓系統控制結構原理如圖4所示。

圖4 液壓系統圖

系統采用拖拉機的液壓油箱，通過進油節流調速回路，使液壓馬達轉速通過PWM電路控制流量達到調速目的，同時通過編碼器進行液壓馬達轉速反饋，同時使用快速接頭可通過簡單動作實現拆斷和連接油路時，快速接頭上的單向閥封閉油路避免油液流出而造成油壓損失，同時也節省時間和人力。液壓泵最大工作壓力

Ppmax≥P1max+∑ΔP

式中：P1max——液壓執行元件最大工作壓力；

∑ΔP——從液壓泵出口到執行元件入口之間的壓力損失總和。

已知液壓馬達的型號為BMP-100，其額定壓力為17.5 MPa，液壓泵出口到執行元件入口之間的壓力損失總和∑ΔP按設計手冊初選為0.5 MPa，帶入計算得出液壓泵最大工作壓力Ppmax≥18 MPa。因為在選取液壓泵過程中，需要使液壓泵有一定的壓力儲備。一般額定工作壓力比最大工作壓力高20%～60%。所以液壓泵的額定壓力為21.60～28.80 MPa。

液壓泵的流量

qp≥K(∑q)max

式中：K——考慮系統泄露和溢流閥保持最小溢流量的系數。一般取值為1.1～1.3之間，現取K=1.2；

(∑q)max——同時工作的執行元件的最大總流量；

計算得出qp≥93.6 L/min

驅動功率

式中：ηp——液壓泵的總效率，一般取ηp=0.8。

驅動功率Pp=21.06 kW，由表1可知，牽引裝置的額定功率為36.8 kW，滿足驅動條件。

3 肥料運動特性分析

肥料從撒肥盤中脫離時，同時受到空氣阻力和重力等多重作用，在空氣中作斜拋運動，運動軌跡如圖5所示。肥料脫離撒肥盤的必要條件為：滑動摩擦的阻力小于撒肥盤的離心力，即滿足公式

f摩=umg

f離=mrω2

式中：u——肥料與圓盤表面摩擦系數；

m——肥料顆粒質量；

g——重力加速度；

r——肥料顆粒落在圓盤到圓盤中心的距離。

圖5 肥料拋撒運動學分析示意圖

當f摩

此時圓盤角速度和最低轉速

肥料剛離開圓盤的速度

v=2πnr

肥料離心拋出任意時刻t內速度方程

vx=vcosθ

vy=vsinθ-gt

且

肥料拋撒落地位移

S=Vx(t1+t2)

由于拋撒機構與連接座相連接的轉軸轉速恒定，忽略肥料自身運動和空氣阻力影響時，拋撒落地點距離只與入射角θ有關，當θ=π/4時，拋撒距離最遠。

4 離心撒肥過程仿真分析

4.1 仿真參數設置

有機肥主要由農業秸稈、畜禽糞便、各種餅肥等組成，撒肥圓盤和車架選用45號鋼，通過查閱相關文獻[16]得出材料的各個參數如表2所示。

表2 主要設計參數Tab. 2 Material parameters

有機肥與撒肥圓盤之間選用Herta-MinDlin (No slip)接觸模型。在分析過程中，有機肥和撒肥盤之間為彈性接觸，假設Ri，Rj分別是兩個肥料顆粒的半徑，δn為兩肥料顆粒之間的法相重疊量，肥料顆粒間所受到的法向接觸力

其中，E*和R*分別為等效彈性模量和等效直徑，其計算公式分別為

式中：Ei——肥料顆粒i的彈性模量；

Ej——肥料顆粒j的彈性模量；

vi——肥料顆粒i的泊松比；

vj——肥料顆粒j的泊松比。

有機肥之間選用Herta-MinDlin with JKR cohesion 接觸模型。JKR法向力基于重疊量δ和相互作用參數、表面能量γ

查閱相關文獻[16]得，各接觸參數如表3所示。

表3 材料基本接觸參數Tab. 3 Material basic contact parameters

有機肥顆粒選用三球面顆粒來模擬，顆粒如圖6所示，大小分布如表4所示。

圖6 肥料顆粒模型

表4 顆粒大小占比Tab. 4 Percentage of particle size

最小單個有機肥顆粒質量為0.003 16 kg。撒肥盤轉速為700 r/min，撒肥機作業速度為0.8 m/s，時間步設置為20%，仿真時間為3.5 s，需要迭代2.37×105次，每0.01 s存儲一次數據。

4.2 仿真結果分析

撒肥機在作業過程中，每一個有機肥的運動軌跡、受力情況以及速度變化情況不盡相同，如圖7所示，在EDEM中將其運動軌跡進行可視化處理。并將其數據導出，分別對肥料受力以及速度變化的規律進行分析，為進一步研究提供依據。

圖7 有機肥顆粒運動軌跡

4.2.1 有機肥顆粒受力情況分析

由圖8可以看出，在0.9 s之前，由于有機肥在顆粒工廠中還未生成，所以受到的合力為0；在0.9～1 s期間，有機肥由顆粒工廠中落下，到達撒肥盤，此時受到的力約為4×10-4N；1～2.9 s之間，此時有機肥顆粒較多，伴隨著撒肥圓盤的轉動，有機肥顆粒之間會產生一定的相互作用，此時有機肥受到的力是多種因素的合力，因此，這段期間顆粒的受力波動性較大，其中，在1.1 s時達到頂峰，為8.8×10-4N，在2.9 s之后，有機肥顆粒受到撒肥盤的離心力作用，拋到地面，完成施肥作業。

圖8 力隨時間變化曲線

4.2.2 有機肥顆粒速度變化情況分析

圖9為顆粒速度隨時間變化曲線，由圖9可知，肥料顆粒在1 s生成，受到重力的作用而呈自由落體運動，1.2～3 s之間有機肥顆粒在撒肥盤上做無規則運動，此時肥料的速度一直是波動狀態，其中，在1.5 s時，肥料運動的速度達到最大值，為6.49 m/s，在3 s過后，此時施肥已經完成作業，肥料顆粒落地，但由于撒肥機仍勻速向前運動，所以，此時的有機肥顆粒相對于撒肥機仍然是0.8 m/s。

圖9 速度隨時間變化曲線

5 田間試驗

5.1 樣機試制與試驗

通過調研優化國內外已有撒肥機的成熟技術生產工藝，在天氣晴朗，溫度和空氣濕度適宜，微風的環境下，試驗方法根據文獻[17-19]，選擇肥料為廄肥，試驗場地選擇在廣西合浦縣惠來寶機械制造有限公司的平整無明顯坡度路面進行撒肥性能檢測，選擇試驗場地為8 m×10 m矩形區域，為了便于收集肥料，在試驗區域事先鋪好塑料布，試驗采用定點收集的方法對拋撒裝置拋出的肥料進行收集，在拋撒裝置寬幅穩定運行范圍內擺放30個形成6×5的收集矩陣，其中列間隔1.5 m,行間隔1 m，按從左到右，從下到上編號0～30，撒肥機以一定的作業速度從縱向對稱中心穿過后，收集盒擺放如圖10所示。Y軸為撒肥機的中軸線，正方向為撒肥機的行駛方向。試驗以橫向撒肥變異系數為評價指標，其計算公式

式中：CV——均勻度變異系數；

s——標準差；

k——收集盒的列數；

xi——i列收集盒中肥料的質量之和，kg。

試驗選取撒肥機行走速度、撒肥機圓盤轉速、排料口處手柄調節高度3個因素設計三元二次回歸正交旋轉組合試驗，試驗因素編碼如表5所示，試驗設計與結果如表6所示，表6中A、B、C分別為3個因素編碼，變異系數為Y,每組試驗完成后，對每個框中的肥料進行裝袋稱量，記錄數據并計算肥料分布變異系數填入表6中。

圖10 撒肥示意圖

表5 因素水平編碼Tab. 5 Factor level coding

表6 試驗設計與結果Tab. 6 Experimental design and results

5.2 試驗結果分析與回歸模型的建立

采用Design-Expert 8.0.6軟件對表6中結果進行回歸分析得到的變異系數二次多項式模型的方差分析如表7所示,調整R2為0.989表明回歸模型與試驗值符合程度較好，依據系數間不存在線性相關性，經逐步回歸法剔除不顯著因素得到變異系數Y與撒肥機行走速度A、撒肥機圓盤轉速B、排料口處手柄調節高度C的二次回歸方程

Y=10.15-12.00A+3.20B-1.15C-3.59AB+0.88AC-1.31BC+10.64A2+1.16B2+4.25C2

由方程中系數絕對值大小決定該因素對分布變異系數的影響可知，各因素對試驗指標影響的顯著性由大到小依次為撒肥機行走速度、撒肥機圓盤轉速、排料口處手柄調節高度。

表7 變異系數二次多項式模型的方差分析Tab. 7 Analysis of variance of the quadratic polynomialmodel of coefficient of variation

5.3 響應面分析

為直觀地分析試驗指標撒肥變異系數和3個因素之間的關系，利用 Design-Expert 8.0.6 軟件繪制交互作用顯著因素間的3D響應曲面，如圖11所示，得到以分布變異系數最小為原則，撒肥機行走速度在0.6 m/s, 撒肥機圓盤轉速在700 r/min，排料口處手柄調節高度在40 mm時變異系數最小為8.24%。而雙因素交互作用對分布變異系數的影響主要有以下3點。

1) 由圖11(a)可知，撒肥機行走速度對分布變異系數的影響比撒肥機圓盤轉速大，分布變異系數隨著撒肥機行走速度和撒肥機圓盤轉速的增加均呈現出先快速減小后緩慢增大的趨勢;在撒肥機行走速度在0.7～0.9 m/s,撒肥機圓盤轉速在600～700 r/min范圍內，分布變異系數較小。

2) 由圖11(b)可知，撒肥機行走速度對分布變異系數的影響比排料口處手柄調節高度大，分布變異系數隨著撒肥機行走速度和排料口處手柄調節高度的增加均呈現出先快速減小后緩慢增大的趨勢;在撒肥機行走速度在0.7～0.9 m/s, 排料口處手柄調節高度在36～44 mm范圍內，分布變異系數較小。

3) 由圖11(c)可知，撒肥機圓盤轉速對分布變異系數的影響比排料口處手柄調節高度大，分布變異系數隨著撒肥機圓盤轉速增加呈現出增大的趨勢；隨著排料口處手柄調節高度的增加呈現出先減小后增大的趨勢;撒肥機圓盤轉速在700～750 r/min范圍內，排料口處手柄調節高度在36～44 mm范圍內，分布變異系數較小。

(a) 撒肥機行走速度A與撒肥機圓盤轉速B交互作用

(b) 撒肥機行走速度A與排料口處手柄調節高度C交互作用

(c) 撒肥機圓盤轉速B與排料口處手柄調節高度C交互作用

6 結論

1) 利用山地鉸接輪式可變軸距拖拉機作為平臺懸掛機具的搭建平臺，研制了平臺懸掛式撒肥機。實現了丘陵山地地區寬幅高效、均勻穩定的撒肥作業要求，降低了生產成本并提高了農機化率。

2) 對撒肥機的播撒裝置、輸肥裝置及液壓系統進行設計。通過計算得出撒肥盤的轉動扭矩為7.42 N·m，液壓泵最大工作壓力為18 MPa，液壓泵流量為93.6 L/min，進一步得出驅動功率為21.06 kW。

3) 通過對拋撒肥料運動特性分析以及利用EDEM軟件對有機肥顆粒的離心撒肥過程進行分析，得出有機肥顆粒在1.1 s時受力達到頂峰，為8.8×10-4N；在1.5 s時，運動的速度達到最大值，為6.49 m/s。

4) 通過多元回歸正交旋轉試驗二次回歸方程與響應面分析表明，各因素對試驗指標撒肥均勻分布變異系數影響的顯著性由大到小依次為撒肥機行走速度、撒肥機圓盤轉速、排料口處手柄調節高度；且撒肥機行走速度與撒肥機圓盤轉速交互作用、撒肥機行走速度與排料口處手柄調節高度時對分布變異系數的影響較為明顯。

5) 利用 Design-Expert 8.0.6 軟件繪制交互作用顯著因素間的3D響應曲面，得到以分布變異系數最小為原則，撒肥機行走速度在0.6 m/s, 撒肥機圓盤轉速在700 r/min，排料口處手柄調節高度在40 mm時變異系數最小為8.24%。