明安祥 陳義厚

(長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025)(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

排肥器性能檢測裝置的設(shè)計(jì)與研究

明安祥 陳義厚

(長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025)(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

設(shè)計(jì)了一種排肥器性能檢測裝置，并對其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。針對檢測裝置參數(shù)的智能控制，結(jié)合其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制要求，確定了控制系統(tǒng)方案的確定。同時(shí)，開展了機(jī)架的固有特性研究，在建立機(jī)架的三維模型基礎(chǔ)上，采用有限元軟件Workbench對機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了機(jī)架的低階振動頻率和振型。

排肥器；性能測試；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制方案；模態(tài)分析

施肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的最重要措施[1]。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在其他因素不變的情況下，施肥產(chǎn)生的最大增產(chǎn)能占到農(nóng)作物增產(chǎn)的80%[2]，施肥平均能使作物增產(chǎn)30%～60%[3,4]。在施肥過程中，有些肥料易于被土地吸收，但是碳酸氫銨和過磷酸鈣等潮濕粉末狀化肥具有潮濕、結(jié)塊、粘附、架空的特性，這改變了它們散粒體的本性，成為流動性極差的化肥。因此，對于這類化肥需要特定的排肥器來完成相應(yīng)工作[5,6]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，排肥器的應(yīng)用不僅用于流動性較差的肥料，在我國的東北平原、華北平原、江漢平原等地，施肥已經(jīng)由傳統(tǒng)的人工作業(yè)逐漸轉(zhuǎn)為自動化作業(yè).排肥器的使用不僅僅能有效降低農(nóng)民的勞作時(shí)間、增加農(nóng)民的效益，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志[7]。

排肥器一般在播種的同時(shí)向田間進(jìn)行施種肥，它的性能直接關(guān)系到播種機(jī)械施肥的可靠性、施肥量的穩(wěn)定性與均勻性等一系列性能指標(biāo)。我國現(xiàn)有的排肥器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的排肥器，質(zhì)量參差不齊，排肥性能不一，而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)化的精細(xì)發(fā)展，要求排肥器能夠?qū)崿F(xiàn)精量施肥，因此排肥器的性能測試變得尤為重要[8]。為此，本研究針對排肥器的性能測試，設(shè)計(jì)了一種排肥器性能檢測裝置，以有效測試排肥器的輸出特性，為排肥器的性能提升、精細(xì)發(fā)展提供參考。

1 排肥器性能檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)要求

排肥器性能檢測裝置根據(jù)目前市面上應(yīng)用的排肥器進(jìn)行設(shè)計(jì)，能測試目前市面上通用的排肥器。結(jié)合相關(guān)參數(shù)，排肥器的額定電壓為220V，額定功率為3kW，旋轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)速為0～200r/min，且能實(shí)現(xiàn)無級可調(diào)，整個(gè)裝置的整體尺寸為2.5m×1.0m×1.5m。

1.2 主體機(jī)架設(shè)計(jì)

排肥器性能檢測裝置的機(jī)架主要用于安裝所測試的排肥器、檢測機(jī)構(gòu)、窗洞輸出機(jī)構(gòu)等，它是相關(guān)機(jī)構(gòu)的安裝基體，也是試驗(yàn)臺的骨架，機(jī)架的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳動輥通過傳動輥安裝機(jī)構(gòu)2的左右軸承座進(jìn)行安裝，升降器通過升降臺安裝機(jī)構(gòu)3安裝；流量傳感器通過檢測安裝機(jī)構(gòu)4進(jìn)行安裝，其能進(jìn)行左右滑動，根據(jù)排肥器的位置調(diào)節(jié)流量計(jì)的位置，排肥軸固定臺5用于安裝排肥軸固定軸承座。升降臺安裝機(jī)構(gòu)3采用30mm×30mm、厚10mm的矩形鋼焊接而成，其他結(jié)構(gòu)的主體型材為50mm×50mm的矩形鋼焊接而成，整體尺寸為2.5m×1.04m×1.07m。

1.機(jī)架；2.傳動輥安裝機(jī)構(gòu)；3.升降臺安裝機(jī)構(gòu)；4.檢測臺安裝機(jī)構(gòu)；5.排肥軸固定臺圖1 排肥器性能檢測裝置機(jī)架合件

1.3 升降臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降臺主要是用來安裝排肥器，能夠?qū)崿F(xiàn)多種排肥器的安裝臺，它能調(diào)整排肥器肥箱的高低位置，并能調(diào)節(jié)排肥的軸向位置，升降臺結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。升降器聯(lián)結(jié)3用來聯(lián)結(jié)升降器和導(dǎo)軌臺4，主要包括升降器聯(lián)結(jié)底板、導(dǎo)軌臺聯(lián)結(jié)、聯(lián)結(jié)螺孔、加強(qiáng)筋等。導(dǎo)軌臺主要包括導(dǎo)軌臺4、導(dǎo)軌滑塊5等，導(dǎo)軌臺是用來安裝導(dǎo)軌滑塊、肥箱的裝置，導(dǎo)軌臺能利用控制臺上的滑塊機(jī)構(gòu)和錐形齒輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)排肥量的自動控制；導(dǎo)軌滑塊能在絲杠的作用下，滑動到所需位置。NOSEN螺旋升降器1選取為0.5t升降器，使用靈活、動力源廣、噪音低、壽命長、功能多、安全環(huán)保，能按一定的程序和步驟精確地進(jìn)行升降定位，也可以通過手搖輪2進(jìn)行升降，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1手搖輪；2NOSEN螺旋升降器；3升降聯(lián)結(jié)；4導(dǎo)軌臺；5導(dǎo)軌滑塊；6升降器聯(lián)結(jié)軸；7機(jī)架圖2 升降臺結(jié)構(gòu)原理圖1絲杠；2機(jī)殼；3手輪圖3 NOSEN螺旋升降器結(jié)構(gòu)圖

1.4 排肥軸傳動的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)的排肥器由排肥驅(qū)動軸控制，排肥軸傳動主要由控制電機(jī)、減速器、齒輪、鏈條排肥軸等組成，其傳動原理如圖4所示。傳動機(jī)構(gòu)能夠通過減速器-電機(jī)組1將電機(jī)的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)裝置所需的0～200r/min，鏈傳動5為排肥軸輸送傳遞動力，扭矩傳感器6能檢測排肥器的工作阻力；排肥軸2分別可驅(qū)動水平排肥軸3和豎直排肥軸4，從而驅(qū)動排肥器。

1.電機(jī)組；2.排肥軸；3.水平軸排肥器；4.豎直軸排肥器；5.鏈傳動；6.扭矩傳感器圖4 排肥軸轉(zhuǎn)動原理圖

圖5 試驗(yàn)臺控制結(jié)構(gòu)框圖

2 排肥器性能檢測裝置控制方案

排肥器性能檢測裝置要求實(shí)現(xiàn)檢測的智能控

制，控制臺能夠根據(jù)不同的排肥器型號設(shè)定不同的化肥種類、工作轉(zhuǎn)速、工作時(shí)間、排肥量、排肥器工作長度(或角度)等參數(shù)[9]。結(jié)合排肥器性能檢測裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其控制要求，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)方案如圖5所示。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能通過界面控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、PLC工作時(shí)間，使得排肥器能按照設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行工作，測試系統(tǒng)的扭矩傳感器、流量傳感器、稱重傳感器所測量的值能夠?qū)崟r(shí)反饋給計(jì)算機(jī)，相應(yīng)的結(jié)果能通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)輸出并根據(jù)需求進(jìn)行打印。采用該方案完成的排肥器性能檢測裝置PLC控制系統(tǒng)能有效完成各參數(shù)的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)排肥器性能檢測裝置自動化操作。

3 機(jī)架穩(wěn)定性分析

機(jī)架作為排肥器性能檢測裝置的主體部分，在工作時(shí)，由于各部件的振動可能引起機(jī)架的彎曲裂紋、疲勞斷裂等結(jié)構(gòu)破壞，因此需要對機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，以了解機(jī)架的振動情況及其薄弱環(huán)節(jié)，為機(jī)架結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工工藝提供理論基礎(chǔ)。

3.1 機(jī)架的振動學(xué)方程

模態(tài)分析通過對結(jié)構(gòu)的激勵和響應(yīng)進(jìn)行特性分析，從而得到其動特性參數(shù)[10,11]。根據(jù)彈性力學(xué)有限元法，機(jī)架的運(yùn)動微分方程為

(1)

(2)

(3)

式中，ωi為機(jī)架第i階模態(tài)固有頻率。

為求解機(jī)架結(jié)構(gòu)的自由振動固有頻率，通過有限元法對其進(jìn)行求解。

3.2 機(jī)架有限元模型

圖6 機(jī)架有限元模型

采用Solidworks軟件對機(jī)架進(jìn)行三維建模，將機(jī)架的三維模型保存成“.xt”格式導(dǎo)入有限元軟件Workbench中，設(shè)置材料屬性后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為48123，網(wǎng)格數(shù)為25335，其網(wǎng)格劃分圖如圖6所示。

3.3 加載與求解

結(jié)合機(jī)架實(shí)際工作狀況，約束

機(jī)架底部4個(gè)支腿，并求解其前8階模態(tài)，通過分析得到的前8階固有頻率如表1所示，各階振型如圖7所示。

由表1可知，隨著階次的增加，機(jī)架的固有頻率逐漸增加；低階次模態(tài)下，機(jī)架的相鄰兩階

表1 機(jī)架各階固有頻率

間的固有頻率之差較小，產(chǎn)生共振的效應(yīng)可能性較大。由圖7可知，機(jī)架的前三階振型圖表現(xiàn)為機(jī)架上部的彎曲振動及部分扭轉(zhuǎn)振動。第四階到第八階振型圖主要表現(xiàn)為機(jī)架中間連桿的彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動。相關(guān)分析結(jié)果顯示，在對應(yīng)固有頻率作用下，機(jī)架的結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生較大的振動，為此工作時(shí)，要求各部件所運(yùn)動的頻率應(yīng)偏離各階固有頻率，同時(shí)針對分析結(jié)果，后續(xù)針對機(jī)架上端和中部進(jìn)行了改進(jìn)，增加其穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

圖7 八階機(jī)架振型圖

4 小結(jié)

1)針對排肥器的性能測試問題，設(shè)計(jì)了一種排肥器性能檢測裝置，對其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與說明，并對排肥器性能檢測裝置的控制方案進(jìn)行了介紹，該裝置能有效測量目前市面上排肥器的性能。

2)通過Solidworks軟件建立了機(jī)架的三維模型，并應(yīng)用有限元軟件Workbench對機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析。通過對機(jī)架的模態(tài)分析，得到了機(jī)架的一至八階固有頻率及其振型圖，對各階頻率和振型圖進(jìn)行了探討。機(jī)架一到三階表現(xiàn)為機(jī)架上部的彎曲振動及部分扭轉(zhuǎn)振動，第四階到第八階振型圖主要表現(xiàn)為機(jī)架中間連桿的彎曲振動和扭轉(zhuǎn)的振動。本研究可為機(jī)架的保護(hù)及進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

[1]溫延臣,李燕青,袁亮,等.長期不同施肥制度土壤肥力特征綜合評價(jià)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(7):91～99.

[2]娶振邦．化肥與農(nóng)業(yè)[M]．北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2003．

[3]邢英英,張富倉,張燕,等.滴灌施肥水肥耦合對溫室番茄產(chǎn)量、品質(zhì)和水氮利用的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,48(4):713～726.

[4]王麗,李軍,李娟,等.輪耕與施肥對渭北旱作玉米田土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳含量的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2014,25(3):759～768.

[5]劉秀珍,鄭德聰,馬駿,等.精確灌溉與施肥自動化管理系統(tǒng)的研制與實(shí)現(xiàn)[J].水土保持學(xué)報(bào),2006,(5):197～200.

[6]金錦源,鄭華.2種自動化灌溉施肥機(jī)混肥系統(tǒng)的比較[J].現(xiàn)代園藝,2015,(24):228～229.

[7]陳遠(yuǎn)鵬,龍慧,劉志杰.我國施肥技術(shù)與施肥機(jī)械的研究現(xiàn)狀及對策[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,(4):255～260.

[8]段潔利,李君,盧玉華.變量施肥機(jī)械研究現(xiàn)狀與發(fā)展對策[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,(5):245～248.

[9]栗文雁,王威立,胡豐收,等.排肥器試驗(yàn)臺智能控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2009,16(4):26～28.

[10]孫巧雷,向正新,夏成宇,等.動力貓道推塊液壓缸桿穩(wěn)定性的研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2017,17(6):50～54.

[11]葉友東,周哲波.基于ANSYS直齒圓柱齒輪有限元模態(tài)分析[J].機(jī)械傳動,2006,30(5):63～65.

[編輯] 余文斌

2017-02-23

明安祥(1984-)，男，碩士生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)。通信作者：陳義厚，349374780@qq.com。

TS203;S224.21

A

1673-1409(2017)10-0069-05

[引著格式]明安祥,陳義厚.排肥器性能檢測裝置的設(shè)計(jì)與研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017，14(10)：69～73.