【正文】 機(jī)的動力輸出軸通過萬向聯(lián)軸器帶動施肥機(jī)的動力輸入軸轉(zhuǎn)動，動力輸入軸與減速機(jī)的輸入軸鏈傳動連接，減速機(jī)的輸出軸與螺旋排肥軸的小鏈輪裝有牙嵌式離合器，動力通過鏈傳動帶動螺旋軸轉(zhuǎn)動排肥。傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖32所示。開溝器的工作性能對施肥機(jī)的作業(yè)質(zhì)量有著極其重要的影響，關(guān)系著施肥深度以及肥料在肥溝內(nèi)的分布精度。造成施肥機(jī)發(fā)生偏置的一個重要原因，就是因為施肥機(jī)在施肥工作中開溝器遇到工作阻力，受力不平衡而引起的。本文根據(jù)各式開溝器的性能特點(diǎn)，結(jié)合寧夏地區(qū)葡萄園施肥的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求，完成了開溝器的鏟刀、鏟柄以及固定裝置的設(shè)計。銳角開溝器主要有芯鏵式、鋤鏟式、船形鏟式、翼鏟式等[12]；鈍角開溝器主要有單、雙圓盤式、滑刀式以及鞋靴式等。（1）鋤鏟式開溝器 鋤鏟式開溝器如圖33所示，主要有標(biāo)準(zhǔn)型、通用型、聯(lián)合型和栽植型等。開溝器一般靠拉桿所固定，鏟刀部分和前端面可以將土壤升起，達(dá)到將底層土壤上翻到表層的目的。因此，鋤鏟式開溝器一般用于單行或開溝行數(shù)不多、工作幅較窄的施肥機(jī)上，不宜用在速度較快的施肥機(jī)上?；锻ㄟ^前刀刃破土，開溝深淺通過滑板來控制，通過改變滑板與滑刀的上下相對位置來調(diào)整開溝深度。（3）雙圓盤式開溝器 雙圓盤式開溝器屬于滾動式開溝器，有普通型、交錯型和寬幅型?！?2176。開溝工作時，圓盤與土壤表面接觸并滾動前進(jìn)，同時將土壤擠向兩側(cè)，開出溝來。雙圓盤式開溝器的特點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、工作可靠，可以在整地條件較差和土壤濕度較大的情況下工作。鏟刀是開溝器最重要的部件之一，鏟刀結(jié)構(gòu)、形狀、入土角以及刀刃高度對開溝質(zhì)量的好壞有顯著影響。鏟刀較易損壞和磨損，所以設(shè)計的鏟刀需要具有更合理的耐磨形態(tài)和足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。表31 不同土壤類型的最小阻力切削角土壤條件砂土壤沙土重土壤弱沙土重壤土粘土泥炭土弱粘土最小阻力切削角20303535454045403545根據(jù)鏟刀和鏟柄寬度的關(guān)系，可以將深松鏟的鏟刀結(jié)構(gòu)形式劃分為兩種。入土角過小或過大，都會對開溝器的性能有很大的影響。當(dāng)入土角過大時，施肥機(jī)的工作阻力就會顯著增大，這樣不僅加劇開溝器的損壞，而且還會影響開溝質(zhì)量。其入土角為30鏟刀寬度為130mm。在早期，只是單純的考慮到連接鏟刀與機(jī)架的作用，所以鏟柄部分的結(jié)構(gòu)形式主要有豎直式和簡單的弧形。本文以靴式開溝器為原型，為降低開溝阻力，實現(xiàn)降低功耗的目的，設(shè)計了曲面鏟柄，如圖36所示。該鏟柄中空部分為排肥口，肥料由此部分落入溝中。開溝器固定裝置的三維模型及機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖37所示。當(dāng)液壓泵向液壓缸注油時，通過運(yùn)動的傳遞，需要將開溝器壓入土壤進(jìn)行開溝作業(yè)。液壓頂桿和液壓油缸產(chǎn)生相對移動，運(yùn)動副形式為移動副。常用的排肥器[16]主要有以下幾種:(1)外槽輪式排肥器 當(dāng)排肥器工作時，肥箱中的顆粒狀肥料在自身重力作用下掉進(jìn)肥箱下面的肥盒，肥盒內(nèi)的肥料隨著排肥軸的轉(zhuǎn)動從肥盒的槽輪中流出。(2)星輪式排肥器 肥料分布在星齒之間，通過星輪的旋轉(zhuǎn)被強(qiáng)制排出，其排肥穩(wěn)定適中；星輪的拆卸也很方便；設(shè)計時一般在肥箱底部裝有活動式鉸鏈，清除肥箱內(nèi)殘留的化肥時可以直接打開箱底進(jìn)行清理。因此，肥料只能沿肥料槽的方向移動，直至到達(dá)肥料口，可以實現(xiàn)穩(wěn)定輸肥的功能。 (4)攪刀一撥輪式排肥器 該排肥器的工作原理是攪刀筒在肥料箱內(nèi)回轉(zhuǎn)，攪刀筒中部的喂肥葉片將肥料喂送到排肥口，攪刀同時在肥箱內(nèi)攪動，能夠消除肥料架空和堵塞的現(xiàn)象。(5)振動式排肥器 工作時，排肥凸輪的運(yùn)轉(zhuǎn)使排肥振動板不停地振動，在振動力和自身重力的作用下，肥料在肥料箱內(nèi)做循環(huán)運(yùn)動，沿振動板斜面下滑，經(jīng)排肥口排出。根據(jù)有機(jī)肥呈塊狀、容易板結(jié)等特點(diǎn)，本文設(shè)計的施肥機(jī)選用絞龍式排肥器，實現(xiàn)輸肥同時進(jìn)行攪拌，以防止堵塞和架空現(xiàn)象發(fā)生。其工作原理是：絞龍在料槽內(nèi)按設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)，使施肥箱內(nèi)的肥料由于自身重力的作用與肥料槽摩擦力之間的作用，肥料不與絞龍的螺旋一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動[17]。 圖38絞龍式排肥器結(jié)構(gòu)簡圖螺旋面作用在有機(jī)肥顆粒上的力如圖34所示。分解為與因此顆粒在力、作用下分別沿軸向運(yùn)動與徑向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即軸向運(yùn)動與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的復(fù)合運(yùn)動，所以隨著絞龍旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對有機(jī)肥輸送。由于有機(jī)肥料種類多，施肥量大，所以排肥器葉片選擇螺旋推力大、適應(yīng)性廣的齒式螺旋葉片。軸承受相同的扭矩的條件下，所需的材料，空心軸比實心軸的重量小很多。對各種材料的性能、價格等因素對比，采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235的空心軸制成。兩端軸頭采用45鋼。按照公式[18]， 輸肥量根據(jù)作業(yè)實際情況需要選取。計算得出D=，計算圓整后取D=。圖310有機(jī)肥顆粒的運(yùn)動分解由圖可以看出，在不考慮摩擦力的情況下，有個附加的物料流。但超過一定的轉(zhuǎn)速時，物料就會產(chǎn)生垂直于輸送方向的運(yùn)動。由圖可知，在半徑長度范圍內(nèi)，速度是由小變大的，因此，物料在絞龍的轉(zhuǎn)動過程中就會產(chǎn)生垂直于輸送方向的運(yùn)動。這將使內(nèi)層物料較容易隨絞龍轉(zhuǎn)動，因而絞龍轉(zhuǎn)速對輸肥量影響較大，絞龍轉(zhuǎn)速高則輸肥量大、生產(chǎn)效率高，轉(zhuǎn)速低，則效率太低。根據(jù)輸肥量、螺旋直徑和有機(jī)肥特性，在滿足輸送要求的前提下，轉(zhuǎn)速不宜過高，更不允超過它的臨界轉(zhuǎn)速，初步選擇絞龍轉(zhuǎn)速為45r/min。螺旋面與肥料的摩擦關(guān)系以及速度各分量間的適當(dāng)分布關(guān)系是確定最合理的螺距的兩個關(guān)鍵條件[19]。螺旋軸徑與螺距共同決定了螺旋葉片的升角的大小，亦即決定著肥料的運(yùn)動方向和速度各分量間的分布關(guān)系。為滿足覆土厚度的要求，需要將開溝器拋至兩側(cè)的土回填進(jìn)施肥后的溝壑里，通過施肥機(jī)上的覆土器完成覆土作業(yè)將大量減輕勞動強(qiáng)度。當(dāng)覆土量大、行距大且要求覆土嚴(yán)密時，常常使用圓盤式和刮板式兩種覆土器；后面三種覆土器為全幅覆蓋，主要用于行距較窄的條播施肥方式。覆土裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖312所示:1刮板2支架3套筒4壓簧5導(dǎo)桿圖312覆土裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計圖該裝置主要由刮板、支架、導(dǎo)桿、壓簧和套筒等組成。導(dǎo)桿上端設(shè)有多個螺栓孔，導(dǎo)桿可通過螺栓與施肥機(jī)機(jī)架連接，安裝方便。刮板隨施肥機(jī)前進(jìn)，兩邊的土堆受到垂直于刮板內(nèi)側(cè)的正壓力，所以兩邊的土堆會向溝內(nèi)側(cè)移動回填到溝壑中，對肥料進(jìn)行覆蓋，實現(xiàn)覆土功能。但施肥箱的體積也不宜過大，肥箱過大不僅使?fàn)恳枇υ龃螅曳氏湓诠ぷ髦袝砘鼗蝿訉κ┓市Ч矔杏绊憽?3)肥料蓋應(yīng)關(guān)閉緊密，以防止雨水滲入，降低機(jī)具壽命。該機(jī)為葡萄有機(jī)肥施肥機(jī)，田間施肥量大，為了提高施肥效率，所以肥料箱需要具有較大容積，肥料箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖313所示。肥料箱前后兩側(cè)面由矩形鋼板組成，鋼板尺寸為長1800mm，寬500mm；左右兩側(cè)面為近似梯形的鋼板，上底邊長1000mm，下底邊長200mm；肥料箱上端幵口，下端由半徑為100mm的弧形料槽。離合器在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中可將系統(tǒng)隨時分離或接合。離合器的類型很多，常用的可分為牙嵌式和摩擦式兩大類[21]。套筒1與軸緊配，而套筒2可以沿著平鍵3在另一根軸上移動。中環(huán)5安裝在套筒1中，作用是便于兩軸對中。三角形牙用在傳遞中、小轉(zhuǎn)矩的離合器上，牙數(shù)為15～60；梯形牙的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，可傳遞的轉(zhuǎn)矩較大，當(dāng)牙磨損后產(chǎn)生牙側(cè)間隙時，梯形牙可補(bǔ)償產(chǎn)生的牙側(cè)間隙；鋸齒形只能單向工作，反轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較大的軸向分力能夠強(qiáng)迫離合器自行分離，一般用于特定的工作條件處。圖315為單片式離合器，在主動軸上安裝摩擦盤1，從動軸上安裝摩擦盤2，操縱環(huán)3的作用是使摩擦盤2沿著從動軸移動。圖315單片式摩擦離合器本文采用簡易的牙嵌式離合器，其結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制造以及工作性能可靠。當(dāng)離合器嚙合時，鏈輪和軸一起轉(zhuǎn)動；當(dāng)離合器分離時，空套在軸上的一半與鏈輪實行空轉(zhuǎn)。為了保證離合器工作性能的可靠，因此在設(shè)計離合器時，按下式計算扭矩： (31)式中，——工作儲備系數(shù)；——離合器需傳遞的扭矩 ——離合器的許用扭矩以安裝在小鏈輪軸上的離合器為例進(jìn)行計算,已知: 取 ，帶入式（31）中，可以得到滿足工作要求。所以，開溝阻力的主要承受部位是開溝器鏟柄工作段和鏟刀[22] [23]，研究時可將鏟柄和鏟刀分開進(jìn)行受力分析。開溝器工作時，鏟刀可看做為一個斜面在土壤中做水平勻速運(yùn)動，在運(yùn)動過程中使土壤的前端面發(fā)生剪切失效，因此，對開溝器鏟刀部分的受力分析可以參照 Soehne對傾斜耕作部件在土壤中做直線運(yùn)動的分析。圖41 鏟頭受力分析圖對深開溝器的鏟刀面進(jìn)行受力分析，建立平衡方程并整理可得： (41) 式中： —代表水平牽引力；—代表鏟刀的入土角，這里取值為；—代表作用到鏟刀上的正壓力，由于鏟刀對土壤有一個擠壓力，這個力實際上是土壤對鏟頭的反作用力，施力物體是土壤；—代表鏟刀與土壤之間的摩擦系數(shù)，；k—代表單位寬度上土壤的純切削阻力；b—代表鏟刀面的寬度。因為鏟刀受到的力和牽引力大小相等，方向相反，得式（42）： (42)式（42）中兩部分的內(nèi)容都包括法向壓力因此開溝器的鏟刀受到的力主要是來自土壤的反作用力，圖42是土壤對鏟刀作用力簡圖，主要對其工作時鏟起的土塊進(jìn)行受力分析，用數(shù)學(xué)方程建立水平和垂直方向上的平衡方程式，如下： (43) (44)上式中：G —代表開溝器鏟刀上部的土壤的重力；—代表土壤之間的摩擦系數(shù)，取值 ；—代表前部法向載荷；—代表后部法向載荷；—代表開溝器入土角，取值為30176。；代表剪切失效面積，C 代表土壤的單位粘聚力，數(shù)值為。 (46)其中：式中：—表示土壤密度，這里取平均值2650g—表示重力加速度，d—表示鏟刀的寬度，；—表示鏟刀上表面的寬度，m；h—表示鏟刀工作的深度。通過分析鏟柄結(jié)構(gòu)可知，鏟柄在開溝工作時，只受到水平方向上的阻力。 圖43 鏟柄橫截面受力圖鏟柄橫截面受力如圖43所示，為鍥刃上切向產(chǎn)生的水平阻力分量，為鍥刃上承受的力，為側(cè)刀刃承受的法向力。分析可知，開溝器在土壤內(nèi)開溝時，開溝前土壤是處于靜止?fàn)顟B(tài)的，即土壤的初始速度=0，而當(dāng)開溝器在開溝運(yùn)動的過程中，它帶動土壤一起運(yùn)動，即土壤隨開溝器一起向前運(yùn)動，所以在工作過程中土壤所能達(dá)到的速度即為開溝器的工作速度，所以應(yīng)等于開溝器的工作速度，而在開溝過程中，可認(rèn)為開溝器是勻速運(yùn)動的，即工作速度為一定值，因此也應(yīng)為一常數(shù)。在開溝過程中，被撓動土壤的體積可以認(rèn)為是開溝器由靜止達(dá)到最終工作速度所經(jīng)過的位移內(nèi)撓動的土壤體積，為了便于分析計算，開溝器由靜止達(dá)到工作速度的過程可以看作是勻加速運(yùn)動過程[27]，于是可以計算出這個過程內(nèi)深開溝器所經(jīng)歷的位移L： (49)式中，a表示開溝器的加速度；表示加速所用的時間。由世界上最大CAE公司之一的美國ANSYS開發(fā)，隨著版本的不斷更新升級，其核心技術(shù)