，， ，

(河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022)

手扶式葡萄園施肥機設計

鈕金亮，李向國，安芳，李佳鵬

(河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022)

針對葡萄農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)葡萄生產(chǎn)的實際情況，研究設計了一種能在狹窄葡萄園內(nèi)靈活作業(yè)、進行地表施肥的手扶式施肥機。

手扶式；葡萄園施肥機；地表施肥

0 引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施肥是必不可少的環(huán)節(jié)。葡萄種植季節(jié)性強、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多且復雜，而傳統(tǒng)的手工操作，勞動強度大、效率低、效果差[1]。目前，雖然有很多施肥機是專用于葡萄園施肥，但是基本都是利用大型機械驅(qū)動，例如拖拉機等[2]；然而，為了提高土地利用率，葡萄園內(nèi)空間有限，大型機械在葡萄園內(nèi)無法靈活地進行施肥作業(yè)。在實際生產(chǎn)中，對葡萄進行地表施肥次數(shù)占總施肥次數(shù)很大比例，尤其在葡萄成熟季節(jié)，由于葡萄成熟期短，為了保證葡萄的品質(zhì)，經(jīng)常會對葡萄進行催肥，催肥方式以地表施肥為主，然后通過灌溉的方式加快肥料的溶解，加快葡萄對肥料的吸收。地表施肥雖然有污染果園環(huán)境、使肥料大量流失和難于充分發(fā)揮肥效等缺點[3]，但是地表施肥具有吸收快這一其他施肥方式無可比擬的優(yōu)點，它能保證葡萄短期內(nèi)肥料的供應，能夠以最快的速度獲得施肥效果。地表施肥的方式以人工操作為主，這樣就存在施肥不均勻、增加勞動時間及強度、浪費勞動力等缺點[4]。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

葡萄園手扶式施肥機結(jié)構(gòu)圖如1所示。

圖1 施肥機總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

施肥機的動力源為微型汽油發(fā)動機。微型汽油發(fā)動機通過聯(lián)軸器與減速器輸入軸連接，減速器輸出軸上裝有鏈輪組，通過鏈條將動力向2個方向傳遞：一方面通過驅(qū)動前輪，為施肥機前進提供動力；另一方面驅(qū)動螺旋撥肥軸，撥肥軸勻速轉(zhuǎn)動能夠使肥料均勻地從肥料箱中流出，避免了因肥料自身重力因素造成出肥速度不均勻現(xiàn)象的影響。施肥機的前進方向通過萬向輪來控制，施肥機扶手上安裝有肥量控制器和鼓風機開關，通過肥量控制器來控制出肥量的大小，進而控制施肥量；鼓風機將從出肥管流出的肥料吹散，均勻地吹撒在葡萄渠中，完成施肥作業(yè)。

2 主要工作部件的設計

2.1 肥料箱

肥料箱由薄鋼板制成。肥料箱的左右兩邊有耳板，機架上有與耳板配合的凹槽，將肥料箱固定在機架上，便于裝卸。肥料箱下部分裝有螺旋撥肥軸，底部設置有出肥管總成。

2.2 萬向輪

萬向輪主要由輪胎、幅板、輪軸和叉架組成。輪胎采用經(jīng)久耐用的實心輪胎，幅板和叉架由鋼板沖壓而成，輪軸用圓鋼制造，兩端設有螺紋，與螺母配合。

2.3 扶手

扶手由機架延伸出來，扶手上有肥量控制器，通過軟軸與出肥管總成連接，控制出肥量的大小；扶手上還設置有鼓風機開關，控制鼓風機。

2.4 動力系統(tǒng)

施肥機動力系統(tǒng)由微型汽油發(fā)動機、聯(lián)軸器和減速器組成。微型汽油發(fā)動機的輸出軸與減速器輸入軸通過聯(lián)軸器連接，減速器輸出軸裝有鏈輪組[5]。整個動力系統(tǒng)放置在可移動托架上，可移動托架可以通過轉(zhuǎn)動絲杠實現(xiàn)上下移動，調(diào)節(jié)鏈傳動系統(tǒng)中鏈條的張緊度。減速器主要由箱體、齒輪、齒輪軸、軸及軸承等組成。箱體由鑄鐵鑄造，經(jīng)后續(xù)機械加工而成；各齒輪均由40Cr圓鋼制造，調(diào)制后表面淬火；各齒輪軸也采用40Cr圓鋼制造，并經(jīng)調(diào)制處理[6]。

2.5 鏈傳動系統(tǒng)

鏈傳動系統(tǒng)由鏈輪、鏈條和鏈盒組成。螺旋撥肥軸和前輪軸上都裝有鏈輪。減速器輸出軸裝有鏈輪組，通過鏈條將動力分別傳遞給螺旋撥肥軸和前輪軸。鏈條外部有鏈盒，來保護鏈盒平穩(wěn)工作。

2.6 機架

機架分前、中、后3部分，前部分機架裝有前輪，中間部分由凹槽，與肥料箱耳板配合，后部分機架裝有2個萬向輪。

2.7 出肥管總成

出肥管總成由擋板、彈簧和出肥管組成。出肥管通過軟軸與肥量控制器相連，通過肥量控制器可以改變擋板位置來控制出肥口的大小，進而控制施肥量。

3 基本參數(shù)的確定

3.1 確定鏈輪參數(shù)

選取減速器輸出軸驅(qū)動前輪鏈輪齒數(shù)z11=17，選取前輪軸上鏈輪齒數(shù)z2=38，鏈條鏈號選用08A，查表可得鏈條的節(jié)距p=12.7 mm，則大鏈輪分度圓直徑為：

(1)

3.2 計算確定鏈傳動系統(tǒng)各參數(shù)

人正常行走速度為1.1～1.5 m/s，這里按照vp=1.5 m/s計算，施肥機的前進速度和人的正常行走速度相等，所以v=vp=1.5 m/s，前輪直徑d=0.36 m。

計算驅(qū)動鏈條的速度為：

(2)

v2=0.64 m/s。

計算大鏈輪的轉(zhuǎn)速：

(3)

n2=79.6 r / min。

計算減速器輸出軸鏈輪組轉(zhuǎn)速為：

(4)

n1=178 r/min。

3.3 選擇汽油發(fā)動機

施肥機自重M=100 kg，最大裝肥量m=50 kg，施肥機輪胎采用實心輪胎，與泥土路的摩擦系數(shù)μ=0.3～0.35，重力加速度g=9.8 m/s2，則輪胎抓地力為：

F=μ(M+m)g=514.5 N

(5)

根據(jù)功率計算公式有：

P=F·v=771.75 W

(6)

選用汽油發(fā)動機的功率P=0.9 kW，轉(zhuǎn)速n0=6 500 r/min，輸出扭矩為：

(7)

3.4 減速比計算

減速器減速比為：

(8)

驅(qū)動前輪的鏈輪減速比為：

(9)

輸入軸提供扭矩為：

T0=i0×i1×T=106 N·m

(10)

輸出軸所需最大扭矩為：

(11)

T0>T1，所以發(fā)動機選用合理。

由于螺旋撥肥軸所需功率較小，在這里可以忽略不計。

3.5 螺旋撥肥軸相關參數(shù)的確定

螺旋撥肥軸采用梯形螺紋，查取國家標準，選用梯形螺紋參數(shù)[7]，大徑d=100 mm，中徑d2=90 mm，小徑d1=78 mm，螺距p=20 mm，旋向為左旋。

化肥的堆密度ρ=900～1 200 kg/m3。

通過計算，得梯形螺紋旋轉(zhuǎn)1周所旋出化肥的體積V=9.9 π·cm3。

化肥的堆密度按照ρ1=1 200 kg/m3計算，螺旋撥肥軸每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)所旋出的化肥的質(zhì)量，即

m1=ρ1×V=0.011 88 πkg/r

(12)

根據(jù)葡萄園實際施肥情況，計算得葡萄園最大施肥量為S=0.225 kg/m2；人前進速度為vp=1.5 m/s；葡萄渠寬L=1.0 m；計算得施肥機的排肥量為：

m2=S×vp×L=0.11～0.337 5 kg/s

(13)

施肥機排肥量按照m2=0.337 5 kg/s計算，即20.25 kg/min。

所以有：

m×n3=20.25 kg/min

(14)

計算的得螺旋撥肥軸轉(zhuǎn)速為n3=542.6 r/min。

選取螺旋撥肥軸鏈輪齒數(shù)z3=17，鏈傳動系統(tǒng)的傳動比為：

(15)

進而可得減速器輸出軸驅(qū)動螺旋撥肥軸鏈輪齒數(shù)為：

(16)

計算得z12=51。

手扶式施肥機其他參數(shù)如表1所示。

表1 施肥機參數(shù)

外形尺寸mm1420，880，1290鼓風機額定功率W1 5～10肥料箱容積L50操作人數(shù)人1

4 主要特點

a.結(jié)構(gòu)簡單。簡單輕便的機構(gòu)，小巧的體積，使施肥機工作起來靈活、平穩(wěn)、耐用。

b.適應性強。體積小，可以在狹小的葡萄園內(nèi)進行施肥作業(yè)，不受空間的限制。

c.操作簡單。施肥機容易操作，農(nóng)民朋友能夠快速的掌握使用技巧。

d.節(jié)約勞動力成本。施肥機取代人工施肥，減少了勞動量，降低了勞動強度。

5 結(jié)束語

葡萄園手扶式施肥機的研究設計，為農(nóng)業(yè)機械領域增添了新機械，使葡萄園地表施肥作業(yè)發(fā)生了質(zhì)的變化，明顯地提高了施肥的效率和質(zhì)量，節(jié)約勞動力，滿足廣大葡萄園種植戶的需要，對葡萄農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提高葡萄果品起到了重要的作用。該機質(zhì)量小、成本低、體積小、便于操作，具有良好的推廣和應用價值。

[1] 王曉東，王合.2BF-1型自走式播種施肥機的研究設計[J].農(nóng)業(yè)機械，2012(31):107-108.

[2] 屠留芳，楊剛，孫星釗.葡萄園專用開溝施肥機的設計[J].農(nóng)機化研究，2012，31(11):87-89.

[3] 楊淑艷.人工栽培山葡萄施肥技術(shù)[J].北方園藝，2012(19):46-47.

[4] 陰喜文.葡萄旋耕施肥機：中國，201220139017.1[P].2012-12-26.

[5] 王欽連.自動施肥機:中國,200920092945.5[P].2009-12-30.

[6] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7] 魯屏宇.工程圖學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

Design of Vineyard Walk-behind Fertilizer Machine

NIUJinliang，LIXiangguo，ANFang，LIJiapeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China)

This walk-behind fertilizer machine is designed in the light of current development of domestic grape farming and production.It functions as one which works flexibly on surface fertilization in narrow vineyard.

walk-behind; vineyards fertilizer machine; surface fertilization

2014-07-03

S224.21

A

1001-2257(2014)12-0040-03

鈕金亮(1992-)，男，河北樂亭人，本科，機械工程及自動化專業(yè)；李向國(1979-)，男，吉林松原人，碩士，講師，研究方向為機電系統(tǒng)控制及自動化技術(shù)。