林 羽 ， 陳中武 ， 何 林 ， 岳丹丹

（1.廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，廣東 廣州 510515； 2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長期使用化學(xué)肥料可能造成土壤中某些營養(yǎng)元素的殘留、土壤板結(jié)以及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降等問題。而有機(jī)肥的撒施均采用人工完成，此方法存在勞動強(qiáng)度大、效率低且撒肥不均等問題。為降低長期使用化肥的潛在風(fēng)險，降低有機(jī)肥撒施勞動強(qiáng)度大的現(xiàn)狀，采用撒肥機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)是有效途徑[1-3]。

歐美發(fā)達(dá)國家對撒肥機(jī)的研究較早，鑒于其農(nóng)田地塊大、種植相對集中等農(nóng)藝特點(diǎn)，其撒肥機(jī)的研究方向更偏向于大馬力的牽引式機(jī)型。近年來，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院、新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等科研單位在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的同時，綜合我國農(nóng)田特點(diǎn)，從撒肥機(jī)結(jié)構(gòu)、拋撒效率、拋撒均勻性等方面對撒肥機(jī)進(jìn)行研究[4-7]。

為提高廣東丘陵地帶農(nóng)田管理水平，降低人工施肥勞動強(qiáng)度。本文基于機(jī)器總體結(jié)構(gòu)、工作原理，對2FZ200型自走式撒肥機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計與選型，并對撒肥機(jī)進(jìn)行了性能檢測。

1 總體闡述

1.1 總體結(jié)構(gòu)

2FZ200型撒肥機(jī)為履帶自走式撒肥機(jī)，主要用于在牽引式撒肥機(jī)無法作業(yè)的溫室、果園、松軟地面、狹小苗圃等地方進(jìn)行堆肥及土壤改良材料的拋撒作業(yè)。本機(jī)主要由行走底盤系統(tǒng)、肥料拋撒系統(tǒng)以及操縱系統(tǒng)組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。行走底盤系統(tǒng)包括變速箱總成、履帶輪系、動力單元以及駕駛員座墊；肥料拋撒系統(tǒng)主要包括左右拋撒盤、輸送鏈總成以及傳動齒輪等部件；操縱系統(tǒng)主要包括機(jī)器行駛操縱機(jī)構(gòu)、有機(jī)肥拋撒操縱機(jī)構(gòu)以及出肥量調(diào)節(jié)操縱機(jī)構(gòu)。

圖1 2FZ200型撒肥機(jī)總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

2FZ200型撒肥機(jī)的行走底盤系統(tǒng)負(fù)責(zé)承載撒肥機(jī)各部件、搭載駕駛員進(jìn)行有機(jī)肥拋撒工作以及接受發(fā)動機(jī)傳遞的動力，驅(qū)動撒肥機(jī)進(jìn)行前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)向作業(yè)；肥料拋撒系統(tǒng)負(fù)責(zé)有機(jī)肥的傳遞與拋撒，可將肥料均勻地撒向田間；通過操縱系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)撒肥機(jī)左右轉(zhuǎn)向、行走離合、油門調(diào)節(jié)、駐車制動以及撒肥機(jī)構(gòu)開閉的控制。

1.3 技術(shù)參數(shù)

課題組根據(jù)撒肥機(jī)的應(yīng)用環(huán)境與工作要求調(diào)研，分析出撒肥機(jī)采用前置雙圓盤撒布式拋撒型，肥料輸送采用鏈板推送式，結(jié)構(gòu)形式為履帶自走式，肥料出口方向?yàn)闄C(jī)器前方。該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 2FZ200型撒肥機(jī)主要參數(shù)

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計與選型

2.1 行走底盤系統(tǒng)

行走底盤系統(tǒng)主要包括履帶行走裝置、行走變速箱、發(fā)動機(jī)和駕駛員座墊，如圖2所示。行走底盤系統(tǒng)的動力來源于發(fā)動機(jī)，經(jīng)變速箱減速增扭后傳遞到驅(qū)動輪，驅(qū)動履帶底盤行走。

1）履帶行走裝置的設(shè)計。履帶行走裝置負(fù)責(zé)驅(qū)動機(jī)器行走以及承載地面來的載荷沖擊，主要由1組驅(qū)動輪、3組支重輪、1組導(dǎo)向輪、1組履帶、張緊螺桿和機(jī)架等部件組成，如圖2所示。本機(jī)采用的輪齒式履帶，具有良好的通過性、行走平穩(wěn)、接地比壓小、對路面的損傷小等特點(diǎn)，能更好地適應(yīng)溫室、果園等松軟地面環(huán)境下的工作。該機(jī)履帶寬度為180 mm，履帶軌距為440 mm，節(jié)距為60 mm，節(jié)數(shù)為30節(jié)，驅(qū)動輪直徑為185 mm，支重輪直徑為160 mm，張緊輪直徑為220 mm。

圖2 2FZ200型撒肥機(jī)行走底盤系統(tǒng)圖

2）行走變速箱的選型。本文涉及的2FZ200型撒肥機(jī)采用的手動變速箱具有2個前進(jìn)擋位、1個后退擋位。通過操縱變速箱手柄可對變速箱傳動比進(jìn)行改變，從而改變發(fā)動機(jī)傳遞到變速箱的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，使撒肥機(jī)可以滿足不同路況、不同工作模式下驅(qū)動牽引力的要求[8]。本文設(shè)計的撒肥機(jī)屬于低速履帶行走系統(tǒng)，滿足不同速度下的使用要求，該撒肥機(jī)采用了具有2個前進(jìn)擋與1個后退擋的手動變速箱，設(shè)計各擋位行進(jìn)速度如表2所示，變速箱三維效果如圖3所示。

表2 2FZ200型撒肥機(jī)各擋位作業(yè)速度表

圖3 2FZ200型撒肥機(jī)變速箱三維示意圖

2.2 肥料拋撒系統(tǒng)

肥料拋撒系統(tǒng)主要由輸送裝置、拋撒裝置以及中間傳動機(jī)構(gòu)等組成。肥料拋撒裝置的工作原理是在機(jī)器前行過程中，通過輸送裝置將肥料從肥箱的各個部位輸送到機(jī)器后部的拋撒裝置，然后由做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的圓盤機(jī)構(gòu)均勻地將肥料拋撒到地面。肥料拋撒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 2FZ200型撒肥機(jī)肥料拋撒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）輸送裝置。刮板式輸送和螺旋輸送為常見的兩種機(jī)械式輸送形式[9]。刮板式輸送裝置具有適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)送能力強(qiáng)以及輸送平穩(wěn)等特點(diǎn)；而螺旋式輸送裝置有輸送死角，螺旋攬龍之間易出現(xiàn)殘余物料。因此，本設(shè)計選擇比較適合的刮板式輸送裝置。

2）拋撒裝置。肥料拋撒系統(tǒng)中的拋撒裝置是撒肥機(jī)的關(guān)鍵部件，直接影響著施肥撒播的均勻性與工作寬幅[10]。常見肥料拋撒裝置按照結(jié)構(gòu)可以分為圓盤式和螺旋式。圓盤式拋撒裝置是利用圓盤旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力將肥料撒出，其具有拋撒均勻、工作幅寬大、結(jié)構(gòu)簡單可靠的特點(diǎn)；螺旋式拋撒裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單可靠，有較好的破碎功能，對有機(jī)肥的適應(yīng)性好，最大缺點(diǎn)是撒肥寬度較窄。為滿足拋撒均勻性以及足夠距離的拋撒寬幅，本設(shè)計采用圓盤式拋撒裝置。

圓盤式拋撒裝置上的撥肥葉片數(shù)量會對肥料拋撒均勻性產(chǎn)生一定影響，葉片數(shù)量過少會降低拋撒質(zhì)量，不利于分散肥料；葉片數(shù)量過多會因?yàn)榉柿系酿ば宰璧K排肥，一般設(shè)計中葉片數(shù)量為2~6個，本設(shè)計中采用撥肥葉片數(shù)量為4個。

2.3 操縱系統(tǒng)

操縱系統(tǒng)包括前進(jìn)/后退換擋手柄、左右轉(zhuǎn)向把手、出料口開度調(diào)節(jié)手柄、肥料拋撒離合操縱裝置等。通過對手柄的操縱，可實(shí)現(xiàn)包括換擋、左右轉(zhuǎn)向、油門開度、出料口開度以及肥料拋撒狀態(tài)的調(diào)節(jié)。

肥箱內(nèi)的有機(jī)肥通過排肥傳動裝置輸送到撒肥傳動裝置處，撒肥裝置將有機(jī)肥拋撒在田間，通過操縱裝置對肥箱、肥料拋撒裝置進(jìn)行操控，同時操縱裝置控制底盤行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動帶動撒肥機(jī)向前移動，實(shí)現(xiàn)邊撒肥邊移動。

3 性能檢測

3.1 試驗(yàn)條件

1）試驗(yàn)前，樣機(jī)處于連續(xù)正常工作狀態(tài)。試驗(yàn)樣機(jī)和配套動力按照使用說明書的規(guī)定進(jìn)行安裝、調(diào)整，技術(shù)狀態(tài)良好，駕駛員駕駛技術(shù)熟練。

2）試驗(yàn)地選擇平整、光潔、硬實(shí)的泥土地面。

3）試驗(yàn)使用物料應(yīng)滿足樣機(jī)作業(yè)要求的球狀復(fù)合肥料。

4）試驗(yàn)過程中，在距地面高1.5 m處測量的風(fēng)速，應(yīng)不大于3 m/s，且撒肥機(jī)的前進(jìn)方向應(yīng)盡可能與風(fēng)向相反。

5）試驗(yàn)前，記錄測試拋撒物名稱、拋撒物形狀、拋撒物容重、拋撒物尺寸直徑。拋撒物容重、尺寸測定時，在物料存放處取樣，容重測定3次，取平均值；尺寸測定10次，取平均值。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

撒肥機(jī)的性能檢測主要是檢驗(yàn)機(jī)器是否達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。檢驗(yàn)的指標(biāo)包括：最大載重量、拋撒寬度以及拋撒作業(yè)效率。

1）最大載重量。撒肥機(jī)的肥料箱應(yīng)均勻裝載200 kg的物料，從干硬、平坦路面駛?cè)?0%（11°18＇）的坡道，坡道長度不小于5 m，如果可以穩(wěn)定通過，則整機(jī)最大載重量合格。

2）拋撒寬度。試驗(yàn)前，將200 kg的肥料加入肥料箱。試驗(yàn)時，樣機(jī)停駛，使拋撒機(jī)處于正常拋撒作業(yè)狀態(tài)下，直至拋撒最邊緣處的肥料與地面能形成明顯的界線。測量測區(qū)內(nèi)拋撒肥料左右兩側(cè)最外端之間的距離，重復(fù)3次，每次測3點(diǎn)，結(jié)果取平均值。

3）拋撒作業(yè)效率。將100 kg試驗(yàn)物料全部拋撒完畢，記錄拋撒純工作時間，計算作業(yè)面積，按式（1）計算拋撒作業(yè)效率。

式中，E為拋撒作業(yè)效率，單位為hm2/h；S0為測區(qū)面積，單位為m2；t為純工作時間，單位為h。

經(jīng)性能測驗(yàn)得，2FZ200型撒肥機(jī)主要性能指標(biāo)如表3所示。

表3 2FZ200型撒肥機(jī)主要性能指標(biāo)

4 結(jié)論

課題組針對肥料撒施勞動強(qiáng)度大、工作效率低等問題，研制一款可乘坐的自走式履帶撒肥機(jī)，以提高肥料拋撒均勻性，降低人工施肥勞動強(qiáng)度。首先，對撒肥機(jī)總體結(jié)構(gòu)、工作原理與技術(shù)參數(shù)進(jìn)行闡述；其次，對撒肥機(jī)行駛底盤系統(tǒng)與肥料拋撒系統(tǒng)中關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計與選型；最后，對撒肥機(jī)工作性能、載重量、拋撒寬度以及作業(yè)效率進(jìn)行檢測。測試結(jié)果表明，該履帶自走式撒肥機(jī)3擋可換，最大載重量為200 kg，肥料拋撒寬度為4 m，拋撒作業(yè)效率≥0.2 hm2/h。