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16 屆畢業(yè)設(shè)計
小型有機液肥施肥機的設(shè)計
學生姓名 姚歡歡
學 號 8031212401
所屬學院 機械電氣化工程學院
專 業(yè) 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化
班 級 16—4
指導老師 馬少輝
日 期 2016 .05
塔里木大學機械電氣化工程學院制
前 言
能源是人類社會進步和經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人們從事生產(chǎn)活動中的重要基礎(chǔ)，在城市化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等諸多方面，都起著決定性的作用，沼氣工程能利用排泄物、秸稈、餐廚垃圾等廢棄物生產(chǎn)沼氣等清潔能源，變廢為寶，對于我國的能源需求、農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式都有重要的作用。但是，沼氣工程還產(chǎn)生大量的沼液沼渣，如果不將其合理處理將導致二次污染。于此同時，沼液沼渣也是一種很好的有機液肥，能夠有效改善土壤生態(tài)環(huán)境、提供土壤肥力狀況、提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)等。
沼液沼渣等有機液肥不同于傳統(tǒng)的液態(tài)肥，它具有較高的粘度同時可揮發(fā)產(chǎn)生污染性氣體，因此需設(shè)計一種既具有防堵功能又具有減少揮發(fā)的施肥機。
本設(shè)計設(shè)計出有機液肥田間施肥機械，該施肥機械可以一次性完成開溝、施肥、起壟、鎮(zhèn)壓等作業(yè)。同時對該施肥機械的主要部件的設(shè)計原理、功用等做了分析。首先分別設(shè)計出主機架、行走裝置、施肥裝置、起壟裝置、鎮(zhèn)壓裝置以及防堵分配器等主要工作部件。在設(shè)計防堵分配器時首先需要設(shè)計出一種合理的防堵機構(gòu)，本文中通過防堵葉片對分管進行間歇性封堵，防止固態(tài)雜質(zhì)蓄積造成堵塞。
關(guān)鍵詞：沼液沼渣；有機液肥；施肥機；防堵分配器；液肥箱
目 錄
1引言 1
1.1 目的與意義 1
1.2國內(nèi)外研究概況 3
1.3研究內(nèi)容與方法 5
2 技術(shù)方案 5
2.1 設(shè)計要求 5
2.2 結(jié)構(gòu)組成 5
2.3 工作原理 6
3 零部件與總成設(shè)計 6
3.1 施肥機機架 6
3.2 限深輪 7
3.3 施肥鏟 8
3.4 起壟器 9
3.5 鎮(zhèn)壓裝置 10
4 防堵分配器的研究 12
4.1 功能分析 12
4.2 基本結(jié)構(gòu)與工作原理 13
4.3 機構(gòu)設(shè)計 15
結(jié) 論 24
致 謝 25
參考文獻 26
塔里木大學畢業(yè)設(shè)計
1引言
1.1 目的與意義
我國農(nóng)業(yè)資源豐富，每年會產(chǎn)生大量的生物質(zhì)廢棄物，農(nóng)業(yè)秸稈每年生產(chǎn)量超過600萬噸，其中可以視為能源用途的約350萬噸，且農(nóng)村普遍存在“五亂”現(xiàn)象[1]。近年我國能源分布不均衡，煤炭運輸緊張；能源生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)矛盾突出；能源消耗產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，工業(yè)部門所占比重偏高；結(jié)構(gòu)性污染等問題。傳統(tǒng)的化石能源已經(jīng)造成嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)失衡，因此，切實解決能源危機和環(huán)境保護兩大問題迫在眉睫。為緩解能源需求的壓力，兼顧經(jīng)濟增長和環(huán)境保護、能源格局的更新，開發(fā)無污染、可再生的新能源與能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是科技界的當務(wù)之急。
有機液肥具有混合均勻、配方容易調(diào)整、可添加其他農(nóng)用化學品、生產(chǎn)成本低、能耗低等許多優(yōu)點，因此已經(jīng)有許多國家開始通過農(nóng)作物灌溉系統(tǒng)對有機液肥進行使用[2]。在北美有機液肥消費量在國際上達到第一，西歐達到第二。
沼液沼渣常規(guī)工藝發(fā)酵的營養(yǎng)成份見表1-1、表1-2所示
表1-1 沼液營養(yǎng)物質(zhì)含量
代號
Ph
全氮
全磷
全鉀
水溶性氮
水溶性磷
水溶性鉀
Ca
Mg
Fe
Mn
(㎎∕L)
1
7.67
552.3
76.3
813.5
411.6
25.5
783.9
167.4
27.8
10.4
1
2
8.03
142.8
114.5
361.5
135.3
6.94
327.2
128.1
29.3
13
0.4
3
8.6
160.7
71.5
361.5
139.5
5.22
327.2
140.4
29.8
41.7
0.7
4
8.14
362
111.8
873.7
344.4
19.8
826.1
90.1
28.6
3.8
0.45
5
7.62
379.9
31.6
1114.7
342.2
29
1035.2
64.1
26.1
11.3
0.3
6
7.45
704.7
146.1
780.1
625.3
12.9
474.5
204.4
11.6
0.9
2.52
7
7.14
286.1
140.4
262.7
226.8
79.7
226
72.2
33.4
2.9
1.28
8
7.2
543
164.4
506.2
376.8
27.5
504.7
116.7
32.8
2.24
0.6
9
7.58
616.3
107
485.9
471.8
39.8
451.9
87.4
36.7
2.55
0.24
10
7.61
751.2
188
688.7
675
84
632.7
49.3
35.1
4
0.52
表1-2 沼渣營養(yǎng)物質(zhì)含量
代號
Ph
有機質(zhì)
全氮
全磷
全鉀
有效氮
有效磷
有效鉀
Ca
Mg
Fe
Mn
(ɡ∕㎏)
(㎎∕㎏)
1
8.01
64.3
3.48
9.85
7.12
358.3
918
690.3
14078.6
869.4
845.4
797.1
2
7.63
154.4
2.31
6.53
2.36
355.3
737.5
469.6
7920
576.7
713.9
239.2
3
6.62
60.9
3.85
5.57
7.99
329.7
266.1
1250.9
7403.5
634.5
590.9
322
4
7.31
50.6
2.42
8.29
6.92
584.9
507.3
1400.2
8594.1
617.9
583.3
329.3
5
7.82
97.4
2.99
11.5
2.71
358.3
795
977
8544.3
550.9
642.2
364.1
6
7.89
56.2
2.91
3
2.86
432.6
1134.6
762.1
2221.6
650.3
455.6
64.7
7
7.83
157.6
3.33
7.37
1.25
792.5
1999.2
621.2
22573.4
1603.9
1178.3
416.8
8
7.87
162.7
4
6.16
1.29
615.4
1914.3
676.2
5925.6
1266.3
869.7
94.7
9
7.88
122.2
4.53
6.99
1.43
851.4
2114
672.3
6022.2
926.3
788.2
84
10
7.89
109.8
4.78
7.76
1.39
769.4
1934.2
676.4
10594
709.3
872.3
466.5
據(jù)檢測，通常農(nóng)戶使用的堆肥中的含氮量比沼液沼渣低40％～60％，含磷量比沼液沼渣低40％～50％，含鉀比沼液沼渣低80％～90％，作物利用率比沼液沼渣低10％～20％，數(shù)據(jù)表明，沼液沼渣作為肥料應用極具價值。
隨著沼氣工業(yè)的迅速發(fā)展，沼氣的加工和利用成為迫切需要解決的問題。如果沼液沼渣處理不當，對沼氣工程正常運行造成影響的同時，還會形二次污染[4]。當今多數(shù)選用濕法厭氧發(fā)酵的沼氣工程都以畜禽糞便混入些許秸稈為原料,該原料在厭氧發(fā)酵過程中所產(chǎn)生氣體的主要成分份CH4和CO2，剩余營養(yǎng)成分包括N、P、K及各種礦質(zhì)均未損壞。而且微生物孕育繁殖、新陳代謝和分解均會釋放出許多有機、無機酸鹽等可溶性產(chǎn)品。同時大量繁殖的細菌死亡后釋放出各種生物活性物質(zhì)，包括生長素、維生素、核苷酸等。所以經(jīng)厭氧發(fā)酵后的沼液沼渣的植物營養(yǎng)有增無減。
本設(shè)計根據(jù)一般沼氣工程對沼液沼渣的處置、和生態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟對有機液肥利用的需要，研發(fā)出一種有機液肥施肥機械，該機械可實現(xiàn)五壟同時施肥，具有有機液肥田間深松、暗罐、起壟和鎮(zhèn)壓等多項功能，使田間施肥作業(yè)更加省時、高效。該機械的設(shè)計和推廣可以有效解決沼液沼渣肥料化利用的最后一公里問題，具有重要的現(xiàn)實意義。
1.2國內(nèi)外研究概況
1.2.1 國內(nèi)研究
我國沼氣事業(yè)發(fā)展迅速，尤其在大中型沼氣工程的建設(shè)中會產(chǎn)生大量的沼液，我國對沼液的利用方式主要有防病抑菌、農(nóng)作物肥料、沼液浸種、作為飼料添加劑等幾個方面。我國雖然越來越重視沼肥的合理使用。但目前，在沼液沼渣等有機液肥的利用方面與發(fā)達國家還有一定差距，差距的產(chǎn)生主要體現(xiàn)在有機液肥田間施肥機械的不完善。我國在有機液肥的施肥過程中廣泛采用的施肥方式是噴灑施肥。用這種方式施肥利用率低，同時還會污染環(huán)境[6]。近幾年我國沼氣產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展 ，人們已經(jīng)意識到沼液沼渣正確利用的重要性。我國已經(jīng)在沼液管道施肥裝置方面有所研究[7]，但這種施肥方式同樣會造成環(huán)境污染，考慮到沼液的污染問題，暗灌施肥是一個很理想的施肥方式，但我國現(xiàn)有的有機液肥暗灌機械幾乎一片空白，待研究空間非常廣闊。
1.2.2 國外研究
國外有機液肥的田間施肥能力與機械比較發(fā)達，如瑞典、捷克、加拿大、澳大利亞、美國、比利時、俄羅斯等國都已對有機液肥高度重視并研制出較為成熟的有機液肥施肥機械，通常氣工程都擁有沼液沼渣的運送和施肥設(shè)備，施肥方法通常有兩種，一種是直接噴灑在地表，另一種是耕地暗罐施肥[8-10]，從而將沼氣工程、生態(tài)農(nóng)業(yè)、有機栽培較為完美地結(jié)合在一起。
美國的灌溉技術(shù)十分發(fā)達，他們的滴灌技術(shù)還傳入了以色列，美國將灌溉與施肥相完美結(jié)合，非常看重有機液肥的制造和利用，他們在大田作物、蔬菜、瓜果和觀賞植物上普遍使用有機液肥[11]。
以色列生產(chǎn)的自動灌溉施肥機，對灌溉和施肥一體化的實現(xiàn)，大大提高了水肥利用率和耦合效應[12]。在俄羅斯已經(jīng)生成了濃度相對較高的凈化后的生態(tài)和清潔型有機肥--沼液市場、發(fā)酵后的沼沼液沼渣等有機肥在各種作物中的廣泛應用[13]。
比利時的Joskin公司率先研制并生產(chǎn)了各種有機液肥施肥機具。另外，還包括美國的大平原、澳大利亞的John Shearer、加拿大的BigRig等知名企業(yè)都對有機液肥施肥機械有所涉獵。
（a）Terraflex/2型施肥機
（b）Terrasoc型施肥機
（c）Terraflex/3型施肥機
圖1-1 Joskin研發(fā)的系列有機液肥施肥機
圖1-1為比利時的Joskin研發(fā)的有機液肥施肥機，圖1-2（a）為Terraflex/2型施肥機，該施肥機械具有許多堅硬靈活的細鏟，細鏟的底端有6.5cm寬的可反轉(zhuǎn)的犁頭，由于細鏟的這種特殊結(jié)構(gòu)，它在工作時可以很好的疏松土壤，植物殘余物可以得到充分的混合。（b）為Terrasoc型施肥機，該施肥機械每間隔30或40cm裝配有一個堅硬的鋤刀，鋤刀的底端是一個24cm寬的箭型犁頭，犁頭寬度根據(jù)不同的流狀肥料和不同的土地情況由15cm到25cm不同，流狀肥料從軟管口流出后全部注到犁頭上，為了滿足工作要求，鋤刀的工作深度為10—12cm.這種鋤刀形式可以很好的適合機械除草技術(shù)。（c）為Terraflex/3型施肥機，鏟頭分三行排列，第一行與第二行的間距大于第二行與第三行的間距，這種結(jié)構(gòu)加大了鏟與鏟之間的寬度，能夠適應田地中有較多植物殘留物的情況。
綜上所述，由比利時Joskin研發(fā)制造的系列流狀肥料施肥機均以大型為主，機重大，且需要配備大功率拖拉機，施肥效率高，適用于大地塊作業(yè)，當然，機器價格也相當昂貴。而我國一般地塊不大、家庭的購買力不高；并且，我國能與大型施肥機具配合使用的拖拉機很少，主要以中小型施肥機械為主，因此無論從價格上，還是從需要的配套動力來看，均與我國國情不符。所以我們只能根據(jù)我國的實際情況，設(shè)計制造適用于我國國情的有機液肥施肥機械。
1.3研究內(nèi)容與方法
本文是在綜合研究國內(nèi)外有機液肥施肥機械研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對我國對沼液沼渣等有機液肥的利用情況，結(jié)合有機肥的物理特性以及我國農(nóng)田對有機肥料的實際需求，設(shè)計一種可多行同時完成開溝、松土、施肥、起壟、鎮(zhèn)壓多個功能的有機液肥施肥機械。本文的主要研究內(nèi)容及方法如下：
施肥機的整機設(shè)計。在考慮了我國田間作業(yè)的農(nóng)藝要求，施肥的工作效率以及分析壟體參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出有機液肥施肥機的設(shè)計要求及實現(xiàn)的功能。
防堵分配器的設(shè)計。針對沼液沼渣等有機液肥具有較高的粘稠性，而且要實現(xiàn)多行同時施肥設(shè)計出一種既具有將有機液肥均勻分配到各個輸肥管功能，又具有防堵塞功能的防堵分配器。
2 技術(shù)方案
2.1 設(shè)計要求
（1）從液肥箱總管出來的沼液沼渣能均勻穩(wěn)定地送到各施肥鏟，且不容易堵塞。各分管的施肥量要滿足農(nóng)藝的要求，沼肥施肥量為50m3/hm2。
（2）具有一定的施肥深度，滿足農(nóng)業(yè)對肥料的要求。施完肥后能將肥料完全覆蓋住，防止肥料中氨的揮發(fā)造成肥效下降以及由此帶來的臭氣污染和氨揮發(fā)造成的溫室效應（溫室氣體中氨的排放主要來自農(nóng)業(yè)）。
（3）開溝、松土、施肥、起壟、鎮(zhèn)壓多個功能能同時完成，縮減了機具和拖拉機進出農(nóng)田的次數(shù)。
2.2 結(jié)構(gòu)組成
如上所述本施肥機械主要包括施肥裝置和肥箱兩大部分，其中施肥裝置如圖2-1所示，主要由機架、施肥裝置、起壟裝置、鎮(zhèn)壓裝置、防堵分配器、行走裝置及輸送管組成。肥箱下方有用于控制流量的閥門和防堵分配器連接。
1.主架 2.起壟裝置 3.鎮(zhèn)壓裝置4.控流閥門 5.分配器 6.液肥箱 7肥箱支架 8.施肥鏟 9.行走裝置
圖2-1 施肥機具整機結(jié)構(gòu)圖
2.3 工作原理
施肥機具可以根據(jù)作業(yè)地長度，面積等因素選擇采用在機架上方安裝肥箱架和肥箱，直接由拖拉機牽引進行施肥作業(yè)，也可以采用三點懸掛的方式安裝在沼液罐車后面，液肥罐內(nèi)部的高壓泵將沼液沼渣從液肥罐輸送到閥門所在的總管，本文采用防堵分配器對液肥進行分配，再由分配器出口將沼液沼渣從閥門輸送到施肥鏟管內(nèi)，施肥完成后進行起壟和鎮(zhèn)壓。分配器同時還具有防堵作用，能保證有機液肥施肥的均勻性和穩(wěn)性定。通過壟作施肥和其他不同施肥深度的要求分別設(shè)計了四種不同類型的施肥鏟，深松型、開溝器型、雙翼型、鼠道型，能適應不同的壟作要求。壟作施肥能將沼液沼渣完全的覆蓋,有效地減少肥料揮發(fā)和臭氣污染。保留土壤水分和消減風蝕可以利用土壤鎮(zhèn)壓[14]，通過鎮(zhèn)壓彈簧來調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力。
3 零部件與總成設(shè)計
3.1 施肥機機架
機架的主要作用是作為其他工作部件的承重載體，承受它們的重力作用，每一工作部件按照要求安裝在機架上，為保證每個部件都能夠發(fā)揮正常作用以及達到運輸?shù)囊螅瑱C架必須達到一定的強度和剛度。本文選用的機架如圖3-1所示，主要包括主架、上懸掛、下懸掛、支撐架。
1.主架 2.上懸掛 3.下懸掛 4.支撐架
圖3-1有機液肥施肥機機架
主機架的相關(guān)尺寸如圖3-2所示，為了滿足施肥機同時掛接多個工作部件，主架設(shè)計為100×100×10的方形空心鋼，長度為3900mm。由于施肥機要同時完成開溝施肥、起壟、鎮(zhèn)壓等多項工作，主架選擇矩形架，架體寬度為600mm，將各施肥鏟固定于前橫梁上，起壟器和鎮(zhèn)壓裝置固定于后橫梁上，各相同工作部件之間的間距符合田間作業(yè)農(nóng)藝要求。主架上連接有支撐架，支撐架起到支撐分液裝置的功能。為保證施肥機機架與拖拉機或罐車鏈接的可靠性，本設(shè)計采用三點懸掛方式，兩下懸掛間距為700mm。
圖3-2 主機架工程圖
3.2 限深輪
限深輪具有支撐施肥機重量、為其他工作部件傳遞動力等作用，本次設(shè)計中限深輪采用了升降可調(diào)節(jié)地輪的形式，機架兩側(cè)各有一個行走輪，能夠起到仿形、限深、驅(qū)動的作用。其結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，由輪胎、安裝支架、調(diào)節(jié)螺栓、連接方板組成，通過調(diào)節(jié)支架上的螺栓孔點來實現(xiàn)輪胎的上下高度調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)施肥高度。而且，也可以通過上下調(diào)節(jié)施肥鏟來改變施肥高度。
限深輪通過連接板安裝在機架上，承受著施肥機具的重力，在行走過程中機具只受到水平牽引力的作用，不需要再提供垂直提升力。輪胎的負荷指數(shù)為77，即最大負荷為412kg的負載，而整個機具的總重量約為370kg，平均下來每個輪胎負重185kg,小于輪胎的最大負荷，滿足使用要求。
1.連接板 2.安裝架 3.輪胎
圖3-3限深輪結(jié)構(gòu)圖
3.3 施肥鏟
為了達到沼液沼渣等有機液肥的施肥量相對較大且對于不同土地情況或不同的種植環(huán)境下施肥深度有也所不同的要求，本文采用了4種不同類型的施肥鏟，深松型、雙翼型施肥鏟、后鏵型施肥鏟、鼠道型等。這四種施肥鏟使有機液肥的施肥方式變得更加靈活。
四種施肥鏟分別為：
（1）圖3-4（a）為深松型施肥鏟，是將施肥管焊接在現(xiàn)有土壤深松鏟的后端而成，鏟體結(jié)構(gòu)主要有菱型鏵尖和弧形鏟柱，深松的同時將有機液肥灌入土壤中，施肥深度最深可達30cm，應用于平作或起新壟時施肥[15]。
（2）圖3-4（b）雙翼型施肥鏟如所示，鏟柱為直立式，翼型鏟頭下端的翼板可以穩(wěn)定溝槽，后面施肥管末端翼板是防止泥土進入施肥管淤塞。切削土壤通過兩側(cè)翼板入土刃來完成，翼板的分土和翻土作用開出的溝槽[15]。這種開溝器開出的溝槽較大，施肥深度最深可達20cm，適用于整地后土壤狀態(tài)好且施肥量較大的土壤。
（3）圖3-4（c）是后鏵型施肥鏟，是在對固態(tài)施肥鏟改造成的，能夠用于固含量較高的沼液泥漿施肥。這類施肥鏟不具有松動土壤的能力，只能通過后弧刃剪切土壤擠壓出的一條窄溝槽流入液肥。土壤表層的秸稈、殘茬可以被這類施肥鏟順著后弧刃壓到土壤的下層，不會形成秸稈纏繞施肥鏟柱現(xiàn)象。
（4）鼠道型施肥鏟參考外文文獻結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)圖如圖3-4（d）所示，直立式鏟柱，圓錐型鏟尖，鏟尖后部的圓型管起到溝槽穩(wěn)定成型的作用，施肥管焊接在圓型管的后面。這類施肥鏟開出的溝槽相對穩(wěn)定，類似于鼠道，這種施肥鏟入土效果佳，開溝效果也較好，所承受的土壤阻力相對較小，對土地質(zhì)量要求不高，多適用于淺層、中層土壤[16-17]。
（a） 深松型施肥鏟 （b）雙翼型施肥鏟
（c） 后鏵型施肥鏟 （d）鼠道型施肥鏟
1.鏟尖 2.施肥管 3.鏟柱
圖3-4 四種類型的施肥鏟
根據(jù)本項目擬應用地區(qū)的土質(zhì)特點及耕作需求，先期選擇深松型施肥鏟為設(shè)計形式，后鏵型施肥鏟作為備用。
3.4 起壟器
起壟器是農(nóng)田施肥機具中的一種重要的觸土部件，在壟作栽培作業(yè)中得到了非常廣泛的應用[18]。本文選用普通起壟器，其結(jié)構(gòu)圖如圖3-10所示，由起壟鏟、擋板、起壟鏟柱等組成，用頂絲固定在鏟柱上，通過連接板固定在后梁上，移動連接板可調(diào)節(jié)壟距，本文預計的壟距為700mm，松開頂絲可調(diào)節(jié)入土深度。起壟器的外形通常為錐體，線性元素一般為直線。
1.起壟鏟 2.擋板 3起壟鏟柱 4.頂絲 5.連接板
圖3-10 起壟器結(jié)構(gòu)圖
3.5 鎮(zhèn)壓裝置
本文中鎮(zhèn)壓裝置采用橡膠鎮(zhèn)壓輪形式，這種形式的鎮(zhèn)壓輪不僅可以減輕機體重量，更重要的是具有黏土少，容易脫土等特點，鎮(zhèn)壓效果很好。圖3-11為該鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)，安裝在起壟部件中間靠后方，主要由橡膠鎮(zhèn)壓輪、鎮(zhèn)壓梁、鎮(zhèn)壓彈簧、連接桿等構(gòu)成。
鎮(zhèn)壓裝置不僅可以通過在起壟后的地表上形成緊密層防止緊密層下的土壤被吹透，還可以使土壤深處上升的氣態(tài)水在緊密層處凝結(jié)成液態(tài)水，起到了保存水分的作用[14]。橡膠鎮(zhèn)壓輪通過連接桿與鎮(zhèn)壓梁相連，在連接桿與鎮(zhèn)壓梁之間裝有鎮(zhèn)壓彈簧，在鎮(zhèn)壓裝置對土壤進行鎮(zhèn)壓過程中鎮(zhèn)壓彈簧起到了減震作用，保護鎮(zhèn)壓裝置不被震壞。
1.橡膠鎮(zhèn)壓輪 2.鎮(zhèn)壓彈簧 3.連接桿 4.鎮(zhèn)壓梁
圖3-11 鎮(zhèn)壓裝置
1.橡膠輪胎 2.輪轂 3.墊圈 4.鎮(zhèn)壓輪軸
圖3-12 鎮(zhèn)壓輪
鎮(zhèn)壓輪采用橡膠輪，結(jié)構(gòu)如圖3-12所示。圖3-13為鎮(zhèn)壓輪的受力分析，鎮(zhèn)壓輪上的載荷及其自身重量通過接地面積以一定的壓力傳到土壤，引起土壤內(nèi)應力的變化，在應力作用下壓實土壤。鎮(zhèn)壓輪對土壤的壓實程度主要取決于鎮(zhèn)壓輪自重、載荷大小及其加載方式和加載時間、土壤含水量、鎮(zhèn)壓輪直徑、鎮(zhèn)壓輪寬度等因素，其關(guān)系式如公式（3-1）所示。
圖3-13 鎮(zhèn)壓輪受力分析圖
（3-1）
式中
Z—鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓深度，（mm）；
G—鎮(zhèn)壓輪接地重量（包括自重及轉(zhuǎn)移重量），（N）；
L—鎮(zhèn)壓輪寬度，（mm）；
D—鎮(zhèn)壓輪直徑，（mm）；
—鎮(zhèn)壓輪的翻轉(zhuǎn)角，（）。
所選用的鎮(zhèn)壓輪，如圖3-11所示，外形尺寸直徑256mm，寬度240mm，橡膠輪胎，輪轂由5mm厚鋼板沖壓而成。調(diào)節(jié)壓力彈簧使其處于原始長度，則鎮(zhèn)壓輪加上附件總重量為4.8kg，則計算鎮(zhèn)壓輪的鎮(zhèn)壓深度Z = 2.2mm，計算鎮(zhèn)壓輪的翻轉(zhuǎn)角如式28所示。
（3-2）
鎮(zhèn)壓輪的接地面積S如式29所示。
（3-3）
則鎮(zhèn)壓強度P如式30所示。
（3-4）
對于多數(shù)壟作區(qū)的土地（0 ~ 10），土壤容重在1.2 ~ 1.3g /cm3之間時，土壤狀況最適于作物生長發(fā)育。有實驗數(shù)據(jù)可知，確保鎮(zhèn)壓強度范圍3 ~ 5N/cm2,即可滿足要求。在彈簧不作用的情況下，計算鎮(zhèn)壓輪的翻轉(zhuǎn)角= 11.5，鎮(zhèn)壓強度P = 0.40N/cm2，由計算結(jié)果可知依靠鎮(zhèn)壓輪自重無法滿足適宜于種子發(fā)芽的土壤容重要求。
因此，采用彈簧加壓，彈簧長度為120mm，直徑為22mm，彈簧絲直徑為3.5mm，螺距為12mm，剛度系數(shù)為139N/cm，最大變形量為4cm。鎮(zhèn)壓強度可在0.87 ~ 8.12N/cm2內(nèi)調(diào)節(jié)，滿足設(shè)計參數(shù)要求。
4 防堵分配器的研究
4.1 功能分析
防堵分配器主要作用是對有機液肥料進行均勻穩(wěn)定的分配，但由于類似沼液沼渣這樣的有機液肥具有粘性大，雜質(zhì)多等特點，流狀肥料在分配管路中很容易發(fā)生堵塞，為解決這一問題，本文設(shè)計了一種具有沖刷管壁、減緩沖擊、避讓顆粒體等功能的分配器。
（1）沖刷管壁。
液壓馬達帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，封堵葉片在隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時會間斷性地對出料口進行封堵，使有機液肥間斷性地流入分管，從而形成脈沖高壓，沖刷管壁，實現(xiàn)防堵功能。
（2）減緩沖擊
當有機液肥從主管注入分配器后首先會沖擊錐架，由于錐架隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，會對肥料產(chǎn)生離心力，肥料在離心力的作用下被甩向內(nèi)壁，從而減緩了肥料的沖擊，避免了肥料直接沖擊轉(zhuǎn)子，影響肥料的均勻穩(wěn)定分配。
（3）避讓顆粒體
本文將旋轉(zhuǎn)葉片的前端設(shè)計成具有一定傾斜角度，當葉片與硬質(zhì)物體發(fā)生碰撞時硬質(zhì)物體對葉片的擠壓力會產(chǎn)生徑向分力，從而使導桿末端壓縮彈簧完成避讓。
4.2 基本結(jié)構(gòu)與工作原理
4.2.1組成結(jié)構(gòu)
本文所設(shè)計的防堵分配器主要由殼體、蓋、錐架、轉(zhuǎn)子、防堵葉片、傳動軸等組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。
1.蓋 2.錐架 3.殼體 4.轉(zhuǎn)子 5.防堵葉片 6.傳動軸
圖4-1 防堵分配器
4.2.2 工作原理
液壓馬達和分配器軸鏈接起來，轉(zhuǎn)子通過傳動鍵的作用隨分配器旋轉(zhuǎn)。錐形架固定在轉(zhuǎn)子上與轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，當有機液肥從主管流入分配器中時首先落到錐形架上，旋轉(zhuǎn)中的錐形架將液態(tài)肥甩向殼體側(cè)壁從而降低了液肥對轉(zhuǎn)子的撞擊力。葉片與轉(zhuǎn)子裝配在一起，在導向槽與葉片導桿的作用下也隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的功能是讓分管中流體由連續(xù)被切為間斷，增加流體能量的集中力，在分管中形成周期性脈沖高壓，對存在局部阻力的地方進行沖擊，防止固體雜質(zhì)堵塞的積累。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為120r/min，瞬間完成每個分管的封堵，同時有機液肥自身帶有流動性，封堵作用不會對施肥的均勻性造成影響。轉(zhuǎn)子與彈簧裝配后形成彈簧的安裝腔彈簧安裝在其內(nèi)（如圖4-2所示）。
1.下殼體 2.防堵葉片 3.導桿 4.轉(zhuǎn)子 5彈簧 6.分液口 7.傳動軸 8.軸承
圖4-2 防堵分配器的工作原理圖
當大的雜質(zhì)阻礙葉片旋轉(zhuǎn)時彈簧起到自動調(diào)節(jié)作用，圖4-3是雜質(zhì)阻礙葉片旋轉(zhuǎn)時葉片的運動情況及受力情況，當作用于葉片的阻力較大，滿足FNX大于彈簧的彈力F彈力時，可迫使旋轉(zhuǎn)葉片在導桿處壓縮彈簧，旋轉(zhuǎn)葉片在旋轉(zhuǎn)的同時沿著彈簧腔向內(nèi)移動，從而實現(xiàn)了對雜質(zhì)的避讓，當被阻葉片越過障礙物時阻力下降，葉片在彈簧彈力的作用下又恢復到原來工作位置。圖4-3（a）、圖4-3（b）分別為旋轉(zhuǎn)葉片即將對硬質(zhì)雜質(zhì)進行避讓和避讓過程中的情況。
（a） 即將避讓
（b） 避讓過程中
1
1
圖4-3 雜質(zhì)阻礙葉片運動時的避讓過程及受力分析示意圖
該防堵分配器也具有攪拌防堵功能，轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)動過程對分配器內(nèi)部沼肥進行攪拌，避免固體在分配器內(nèi)邊緣積累而形成淤塞，也可確保每一分管沼液沼渣總固體含量的均勻性；另外該分配器還具有清除管口邊緣的能力，弧形封堵葉片有規(guī)律地掃過分配器管口，預防出口處由于纖維類物質(zhì)的積累而淤塞分管。
4.3 機構(gòu)設(shè)計
4.3.1 驅(qū)動機構(gòu)
（1）防堵分配器的功率計算
在防堵分配器的設(shè)計中，由于分配器會受到許多因素的影響，要正確確定防堵分配器的工作功率比較困難?？紤]到本文所設(shè)計的防堵分配器防堵機構(gòu)與攪拌機的攪拌機構(gòu)很相像，結(jié)構(gòu)也十分相近，因此本文中防堵分配器的功率計算與攪拌機的功率計算相類比。
攪拌機在正常運轉(zhuǎn)的情況下，在介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)，要消耗的功率，必須大于液體對旋轉(zhuǎn)葉片的摩擦力，也就是大于介質(zhì)的阻力。而在啟動時，液體由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，所以防堵分配器所需要的能量還需大于液肥的慣性力。根據(jù)經(jīng)驗，計算液體中旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的運動功率只按運轉(zhuǎn)功率計算是滿足不了需要的[19]，所以本文中防堵分配器的功率按啟動功率進行計算。
啟動時需要的功率由兩部分組成，一部分是克服液體從靜止狀態(tài)到運動時的慣性力所消耗的功率N1；另一部分是克服液態(tài)介質(zhì)之間的摩擦力所需的功率，即運轉(zhuǎn)功率N2，啟動功率的計算公式為[20]：
（4-1）
（4-2）
（4-3）
（4-4）
式中
h—扇葉寬度，h = 0.04m；
d—旋轉(zhuǎn)扇葉直徑，d = 0.586m；
D—分液器殼體直徑，D = 0.616m；
H—液層高度，H = 0.11米；
n—扇葉轉(zhuǎn)速，n = 120；
—液體密度，；
P—整個旋轉(zhuǎn)扇葉克服摩擦力的能量消耗，；
—阻力系數(shù)，= 1.8 (經(jīng)驗值)；
k—防堵分配器的校正系數(shù)。
本文中的施肥機械主要針對沼液沼渣而設(shè)計的，我們估算其介質(zhì)比重為= 0.60 ，則介質(zhì)密度=/g = 600/9.81 = 61.2 。代入（4-1）—（4-4）可得，克服液體從靜止狀態(tài)到運動狀態(tài)時的慣性力所消耗的功率N1的值為：
防堵分配器的校正系數(shù)k值按下式計算：
= 0.14
克服液體介質(zhì)之間的摩擦力所需的功率N2：
= 8.53
由此可得：
N啟= N1 + N2
= 8.94 + 8.53
= 17.47
（2）液壓馬達的選擇
本設(shè)計中分液器轉(zhuǎn)子所需轉(zhuǎn)速為120r/min，屬于低速運轉(zhuǎn)工況，所以在這里選用低速液壓馬達即可，綜合考慮實際情況，本文中選用BM-E系列擺線液壓馬達中的BM-ES630型液壓馬達，具有一下結(jié)構(gòu)特點：
①端面配流式擺線液壓馬達；
②先進的嵌入式列類型轉(zhuǎn)子參數(shù)設(shè)計,啟動壓力低、效率高、低速平穩(wěn)運行；
③先進的軸封設(shè)計，高背壓承受能力。先進可靠的聯(lián)動軸設(shè)計，使馬達具有長壽命；
④先進的配流機構(gòu)設(shè)計，具有配流精度高和磨損自動補償?shù)奶攸c；
⑤多種法蘭、輸出軸、油口等安裝銜接方式。
4.3.2 分液器殼體
分配器殼體的結(jié)構(gòu)和容量的大小是液態(tài)有機肥能否均勻穩(wěn)定分配的關(guān)鍵，其主要由上蓋和下殼體組成，上蓋頂端為總管即防堵分配器的進料口。下殼體均勻分配有5個分管口即防堵分配器的出料口。分配器的殼體結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示。
1.進料口 2.上蓋 3.夾具 4.下殼體 5.出料口 6.軸套
圖4-4分液器殼體
圖4-5 上蓋零件圖
圖4-6 下殼體零件圖
為滿足5壟同時施肥對施肥量的要求，我們選擇下殼體的外側(cè)直徑為600mm,高度為170mm。分配器將閥門出來的沼液沼渣平均穩(wěn)定地分配到每一個施肥管中。從肥箱或罐車到防堵分配器的總管內(nèi)部直徑為100毫米，本次設(shè)計為5壟同時施肥，分配器出口和施肥管內(nèi)徑應為45毫米，為了擴大分配器的內(nèi)部壓力防止淤塞，施肥管的實際設(shè)計內(nèi)徑為36毫米，以便在分配器到分管出口之間形成二次壓差，使沼液沼渣能夠穩(wěn)定的注入作物的土壤?？紤]到下殼體底部有防堵葉片隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，一方面液體對器壁有一定的沖擊力，另一方面沼液沼渣中的硬質(zhì)木棒等物質(zhì)與防堵葉片發(fā)生作用，硬質(zhì)木棒會對器壁產(chǎn)生較大的擠壓力，因此防堵葉片工作范圍內(nèi)的器壁略厚一些，選擇厚度為8mm，其余器壁厚度為5mm。防堵分配器上蓋與下殼體的零件圖如圖4-5、圖4-6所示。另外，本文中上蓋與下殼體采用如圖4-7所示，箱體扣連接，這一連接方式便于分配器的拆裝，可定期清理，同時也便于分管堵塞時對堵塞情況進行檢查與處理。
圖4-7 箱體扣
4.3.3旋轉(zhuǎn)葉片
旋轉(zhuǎn)葉片由防堵葉片和葉片導桿焊接而成，在分配器中防堵葉片的主要作用是阻擋液態(tài)有機肥料流入各分管中，該分配器共有四個防堵葉片均勻等距地分配在直徑為520mm的圓周上，在隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過程中四個防堵葉片間斷性地對出料口進行封堵，從而在分管內(nèi)產(chǎn)生脈沖高壓，沖擊發(fā)生局部阻力的部位。葉片上連接有葉片導桿，通過導桿與轉(zhuǎn)子鏈接。旋轉(zhuǎn)葉片的結(jié)構(gòu)圖如圖4-8所示。
1．防堵葉片2.葉片導桿
圖4-8 旋轉(zhuǎn)葉片
防堵葉片的形狀及相關(guān)尺寸如圖4-9所示，葉片內(nèi)外側(cè)邊緣分別是半徑為237mm和287mm的圓弧，圖中圓心O也是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的中心。這種將內(nèi)外側(cè)邊緣設(shè)計成與旋轉(zhuǎn)中心同心的結(jié)構(gòu)，不僅大大降低了葉片轉(zhuǎn)動時所受到的阻力，同時也節(jié)省了材料。防堵葉片除了封堵作用，還具有對硬質(zhì)木棒、石子等較堅硬的物體進行避讓的作用。本文將葉片前端設(shè)計為與徑向成一定傾斜角度，同時，葉片前端設(shè)計成刀刃狀，這樣不僅可以減緩葉片在旋轉(zhuǎn)過程中所受到的液體阻力，還可以清理分液器殼體底部在上一次工作后殘留下來的淤泥。葉片導桿的零件圖如圖4-10所示，葉片導桿在轉(zhuǎn)子端蓋內(nèi)側(cè)位置設(shè)計成軸環(huán)，在末端與彈簧安裝腔內(nèi)的彈簧相連，這樣葉片導桿既在端部與彈簧接觸又在轉(zhuǎn)子端蓋處靠軸環(huán)定位，保證了旋轉(zhuǎn)葉片在不受到硬質(zhì)物體阻礙的情況下在確定的圓周上穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。當硬質(zhì)木棒與葉片前端發(fā)生作用時，木棒對葉片施加的壓力在徑直方向上的分力通過葉片導桿擠壓彈簧，從而避讓了硬質(zhì)木棒，避免了葉片與硬質(zhì)木棒撞擊而破損。
圖4-9 防堵葉片零件圖
圖4-10 葉片導桿零件圖
但是由于在避讓過程中，葉片會與硬質(zhì)木棒產(chǎn)生摩擦力，類比摩擦角原理，若要實現(xiàn)葉片順利避讓硬質(zhì)木棒，葉片前端傾角需要滿足一定條件。假設(shè)當葉片前端傾角等于時，葉片與硬質(zhì)木棒剛好可以相互滑動完成避讓，此時我們對葉片進行受力分析如圖4-11（a）所示。其中，F(xiàn)N1是彈簧腔內(nèi)壁對彈簧導桿的彈力，fN1是彈簧導桿與彈簧腔內(nèi)壁的摩擦力，F(xiàn)N2是硬質(zhì)木棒對防堵葉片的彈力，fN2是葉片前端與硬質(zhì)木棒之間的摩擦力。將這幾個力平移到旋轉(zhuǎn)葉片上的一點O，以O(shè)點為原點，葉片相對硬質(zhì)木棒的滑動方向為X軸建立坐標系，如圖4-11（b）所示。
（a）
（b）
圖4-11 旋轉(zhuǎn)葉片受力分析圖
分析：只有當沿X軸負方向的合力大于沿X軸正方向的合力時，葉片才能與硬質(zhì)木棒發(fā)生相對滑動，我們可選取一個臨界點，即葉片剛要與硬質(zhì)木棒發(fā)生相互滑動，此時葉片受力情況應滿足：
X方向：
（4-5）
Y方向：
（4-6）
設(shè)葉片導桿與彈簧腔的內(nèi)壁摩擦因數(shù)為，葉片與硬質(zhì)木棒間的摩擦因數(shù)為，則有：
（4-7）
（4-8）
將（4-5）、（4-6）代入（4-7）、（4-8）可得：
（4-9）
（4-10）
聯(lián)立（4-9）、（4-10）方程得：
即 （4-11）
查閱相關(guān)資料得到鋼與鋼(油潤滑)之間的摩擦因數(shù)，鋼與硬質(zhì)木棒之間的摩擦因數(shù)。將的值代入方程（4-11）得：
所以 = Arctan（0.466）
= 25
綜上所述，旋轉(zhuǎn)葉片要想實現(xiàn)對硬質(zhì)物體的避讓作用，葉片前端傾角應滿足25。由于葉片與硬質(zhì)木棒發(fā)生相對滑動時，葉片導桿壓縮彈簧，彈簧對旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生彈力。所以，我們分別選擇葉片前端傾角的值為30、45、60進行試驗，最終選定理想的前端傾角的值為45
4.3.4 轉(zhuǎn)子
轉(zhuǎn)子的主要作用是與葉片導桿鏈接帶動旋轉(zhuǎn)葉片進行轉(zhuǎn)動，其結(jié)構(gòu)如圖4-11所示。轉(zhuǎn)子四周均勻分配著四個彈簧腔，當旋轉(zhuǎn)葉片遇到圖4-3所示的情況時，防堵葉片隨著葉片導桿壓縮彈簧而在彈簧腔內(nèi)滑動。為了阻礙液體填滿彈簧內(nèi)腔而導致彈簧固化，在彈簧腔封口處加密封墊圈，并且在彈簧腔根部開一個通氣孔，通氣孔使彈簧腔與外界相通，這樣既確保了彈簧的可壓縮性，又確保了液態(tài)肥料不能進入彈簧腔。轉(zhuǎn)子中心處是一個正六邊形的鍵槽，與主軸配合。
圖 4-12 轉(zhuǎn)子
4.3.5 錐架
錐架的結(jié)構(gòu)圖如圖4-13所示，錐架底部圓面直徑為350mm，錐架高度為225mm,為了減輕錐架的重量，將其設(shè)計成中空結(jié)構(gòu)。錐架與轉(zhuǎn)子固定在一起，隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動。當液態(tài)肥料從進料口進入分液器后首先沖擊錐架，由于錐架旋轉(zhuǎn)，液態(tài)肥料在離心力的作用下被甩向分液器殼體內(nèi)壁，這樣既緩解了液態(tài)肥料對轉(zhuǎn)子的直接沖擊，影響分液器工作的穩(wěn)定性，又可以將沼液沼渣中的泥塊兒甩向器壁有利于泥塊溶于液體中。
圖4-13 錐架
4.3.6 機械密封
設(shè)備密封的目的在于對一處會產(chǎn)生泄漏而要對其施以密封的地方，設(shè)置一個完善的物理壁壘[21]。防堵分配器內(nèi)部充滿了液體肥料，為了防止液態(tài)肥料溢出，需要對分配器進行嚴格機械密封。分析防堵分配器的結(jié)構(gòu)功能可知，該裝置有以下幾處需要密封。
首先是下殼體的主軸內(nèi)、外軸孔處，采用橡膠密封墊片，這種密封方式具有裝配簡單、價格低廉、密封效果好的優(yōu)點。其裝配關(guān)系如圖4-14所示。
圖4-14 橡膠墊片密封
第二處是轉(zhuǎn)子端蓋處，采用軸用密封。其作用是防止液態(tài)肥料進入彈簧腔，使彈簧固化，破壞旋轉(zhuǎn)葉片對硬質(zhì)物體的避讓作用。
另外，殼體與上蓋之間為靜態(tài)密封，采用橡膠密封圈。殼體與上蓋通過自鎖裝置進行密封和連接。
結(jié) 論
本文綜合研究分析國內(nèi)外有機液肥施肥機的研究現(xiàn)狀，針對我國沼氣工程的快速發(fā)展但對其產(chǎn)生的廢棄物的利用情況不佳的現(xiàn)狀，研究設(shè)計了一種可一次性行走完成開溝、松土、施肥、起壟、鎮(zhèn)壓等多個功能的有機液肥施肥機。對其整機及管件部件進行了系統(tǒng)的理論分析，得到以下結(jié)論。
（1）本文設(shè)計了能夠同時完成開溝、松土、施肥、起壟、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)的有機液肥施肥機，并采用solidworks進行三維建模。
（2）本文針對有機液肥料因粘稠而容易堵塞分配管路設(shè)計了防堵分配器，該分配器利用旋轉(zhuǎn)葉片間斷性地對流狀肥料輸出口進行封堵，在分管口處產(chǎn)生脈沖高壓，從而對出料口內(nèi)壁的沉積物進行沖擊、清理。該分配器能夠很好的實現(xiàn)防堵功能。
致 謝
四年的學習和生活即將結(jié)束，但在我的生活只是一個逗號，我將面對另一個旅程的開始。畢業(yè)答辯的步伐正加速向我走來，此時此刻我思緒萬千，心情久久不能平靜。非常感謝我的指導老師，馬少輝老師，在畢業(yè)設(shè)計過程中，您認真幫助我解決了一個又一個難題，幫助我在遇到困難的時候找到思路。在此，我要對您表示忠誠的感謝！
還有其他教過我的其他老師，是您們教授給我們的知識，才讓我們能順利完成這次畢業(yè)設(shè)計，在學習的過程中，您們都是充滿耐心的。這激起了我們更多的學習的興趣，在這里，真心的感謝您們。
感謝我的母校，塔里木大學，是母校給我一個良好的環(huán)境，讓我們在這樣一個良好的環(huán)境下成長為一個對社會有用的人。
畢業(yè)設(shè)計馬上就要順利“竣工”了，內(nèi)心深處忐忑還為平息，從寫開題報告到設(shè)計的完美落幕，許許多多優(yōu)秀的老師、同學、舍友給了我許多的幫助，在這里也向你們表達我最誠摯的謝意。同時也感謝學院為我提供了一個良好的做畢業(yè)設(shè)計的環(huán)境。
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