I 目 目 录 摘要 ............................................................................................................................. Ⅲ Abstract ........................................................................................................................ Ⅳ 第一章绪论
................................................................................................................. 1 1.1 设计目的及意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 3 1.2.1 国内研究现状 ...................................................................................... 3 1.2.2 国外研究现状 ...................................................................................... 4 1.3 本论文的研究内容 ......................................................................................... 5 第二章
排肥器的设计 ............................................................................................... 6 2.1 排肥器的使用要求 ......................................................................................... 6 2.2 排肥器的主要类型及特点 ............................................................................. 6 2.2.1 外轮槽式 .............................................................................................. 6 2.2.2.转盘式 .................................................................................................. 7 2.2.3.螺旋式 .................................................................................................. 7 2.2.4.振动式 .................................................................................................. 8 2.2.5.水平星轮式 .......................................................................................... 8 2.3 排肥器结构设计及工作原理 ....................................................................... 10 2.3.1 设计排肥器的目的 ............................................................................ 10 2.3.2 排肥器的工作过程 ............................................................................ 10 2.3.3 螺旋排肥轴优化设计 ........................................................................ 11 2.4 本章小结 ....................................................................................................... 14 第三章 肥料调节装置 ............................................................................................... 15 3.1 控制施肥量的方法 ....................................................................................... 15 3.2 肥料调节器的技术要求 ............................................................................... 15 3.3 施肥调节装置设计方案 ............................................................................... 15 3.4 施肥量调节控制装置有关参数设计 ........................................................... 16 3.4.1 施肥量调节系数 ................................................................................ 16 3.4.2 排肥轴和动力输入链轮参数设计 .................................................... 17 3.5 本章小结 ....................................................................................................... 18 第四章肥料箱设计 ..................................................................................................... 19 4.1 肥料箱的使用要求 ....................................................................................... 19
II 4.2 肥料箱的结构设计 ....................................................................................... 19 4.2.1 肥料箱的体积设计 ............................................................................ 19 4.2.2 肥料箱的防水设计 ............................................................................ 21 4.3 肥料箱的材料选择 ....................................................................................... 21 4.4 肥料箱辅助设计 ........................................................................................... 21 4.5 本章小结 ....................................................................................................... 22 总结 ............................................................................................................................. 23 参考文献 ..................................................................................................................... 24 致谢 ............................................................................................................................. 25
III 摘
要
水稻侧深施肥技术是一项具有广大前景的技术，主要是在插秧的同时在水稻根部侧三厘米，深五厘米处为最佳位置进行施肥，这种方法不需要再次进行覆盖，避免了肥料在水中稀释，减少肥料的浪费和消耗，更有利于水稻的吸收，但由于水稻的种植需要在水中进行，化肥中所含元素具有吸水性，在潮湿有水的环境下容易结块，在施肥机的漏斗处容易出现堵塞出口的现象，因此要对水稻侧深施肥机的关键部件进行优化设计。1.对于排肥器的设计要求要有能够进行搅碎化肥结块产生较大晶体的作用,进而保证施肥过程的顺利进行，采用一种螺旋式排肥器，通过对排肥器的排肥轴进行优化设计，包括螺距，螺旋轴以及螺旋叶片等参数的设计,可以提高排肥器的工作能力，对于促进排肥均匀性有着重要的影响。2.由于老式的水稻侧深施肥机容易出现施肥调节装置动作失误的现象，容易导致施肥量不均匀影响收成，因此对于肥料调节装置要具备反应灵敏、动作准确、操作容易的功能。通过对调节装置参数设计，采用控制调节板和链轮转速两种方法不同组合的方式控制排肥量,可以达到预期的效果。3.对于化肥箱要有能够隔离水分，保证化肥干燥，提高化肥充分利用率，保持施肥连续性的功能。为了解决水稻侧深施肥机中出现化肥结块,堵塞,调节困难等一系列的问题，对肥料箱的体积设计，材料选择，防水设计以及细节方面进行优化,会对保证施肥顺利进行具有积极的作用。因此对于水稻侧深施肥机的排肥器,肥料调节装置以及肥料箱的结构要进一步改进，这对于施肥均匀，排肥顺畅，提高水稻产量具有重要的作用。
关键词:
排肥器
控制调节器
肥料箱
侧深施肥
结构
IV Abstract The technology of deep fertilization on the side of rice is a promising technology, whichis mainly to apply fertilizer at the best position of three centimeters on the side of rice root and five centimeters on the side of rice root while transplanting. This method does not need tobe covered again, avoids the dilution of fertilizer in water, reduces the waste and consumptionof fertilizer, and is more conducive to the absorption of rice. However, the planting of rice needs to be carried out in water The elements contained in fertilizer are water absorbent, easy to agglomerate in wet and watery environment, and easy to block the outlet at the funnel of fertilizer applicator. Therefore, it is necessary to optimize the design of the key components of the rice side deep fertilizer applicator. 1. For the design of the fertilizer discharger, it is required to be able to grind the fertilizer to produce large crystals, so as to ensure the smooth process of fertilization. A kind of spiral fertilizer discharger is adopted. Through the optimization design of the fertilizer discharger"s fertilizer axis, including the design of the screw pitch, spiral axis and spiral blades, It can improve the working capacity of the fertilizer exhauster and has an important influence on the uniformity of fertilizer discharge. 2. Because the old-fashioned rice side deep fertilizer applicator is prone to misoperation of the fertilizer regulating device, which may lead to uneven fertilization and affect the harvest, the fertilizer regulating device should have the functions of sensitive response, accurate action and easy operation. Through the parameter design of the regulating device, the expected effect can be achieved by using two different combinations of control plate and sprocket speed to control the amount of fertilizer discharge. 3. The fertilizer tank shall have the function of isolating water, ensuring fertilizer drying, improving fertilizer full utilization rate and maintaining fertilizer continuity. In order to solve a series of problems such as fertilizer caking, blocking and adjustment difficulty in the rice side deep fertilizer applicator, optimizing the volume design, material selection, waterproof design and details of the fertilizer box will play a positive role in ensuring the smooth fertilization. Therefore, it is necessary to further improve the structure of the fertilizer discharger, the fertilizer regulating device and the fertilizer box of the side deep fertilizer applicator, which plays an important role in the uniform fertilization, the smooth fertilizer discharge and the increase of rice yield. Keywords: fertilizer extractor ,control regulator, fertilizer tank ,side deep fertilization, structure.
1 第一章
绪
论
中国是世界著名的农业大国，水稻在我国具有举足轻重的作用，其中世界水稻总产量的 28.5%来自中国。化肥对于提高产量具有积极的意义，对于施肥的方法有很多，比如撒肥，但是这种方法污染严重，会对水质产生污染，肥料的利用率不高，对于肥料的浪费也较多等等，不满足人们要求的可持续发展，因此这种方法在水稻施肥方面逐渐被淘汰 1。后来出现了一种侧深施肥，这种方式国外早就有研究，而且发展也逐渐趋于成熟，比较具有代表性的是日本的久保田公司研制的一台水稻直播专用机。日本的这台机器具有多种功能，可以实现水稻直播种植，侧深施肥以及喷洒农药三位一体化，水田侧深施肥是将肥料施于离植株根部三厘米深五厘米处为最佳位置，在整个施肥环节基本不需要人工，劳动力可以大幅减少，避免了农民以前泡在水中的状况。我国在二十世纪末开始了对侧深施肥机器的研究，由于一开始缺少经验和关键性的技术，所以进程非常缓慢，随着农业技术和机械技术的进步，侧深施肥设备的发展得到了质的飞跃。中国发明的水田侧深施肥设备已经具备了精量拍肥，侧深施肥等功能，对于化肥具有吸水性，为受潮容易结块导致的各种问题奠定了良好的基础。侧深施肥技术具有多种优点，其主要优点是肥料可以被充分利用，节约肥料 20％左右；实现防御低温冷害，节省劳动力、节约资金成本；减轻对河流、湖水沼泽水质的污染。因此目前侧深施肥技术在我国以及水稻大国得到了广泛的应用，而且赢得了比较好的反响 2。
1.1 设计目的及其意义 近年来，农业生产技术急速发展，传统施肥方式已经不能满足农业可持续发展的要求。普通的施肥方式不仅不能充分发挥化肥的功效，而且会造成环境污染等问题，因此在水稻施肥过程中逐渐被人们所淘汰。
为了满足人们的需求，水田侧深施肥机出现在了人们视野之中，水稻侧深施肥技术实现了插秧施肥一体化，是省力、节本、增效的一项技术措施。侧深施肥对施肥土地有一定的要求，地面尽量要平整，尽量减少到稻杆沉浸在水中产生防堵塞出肥口的情况;这款机械可以实现匀速作业，肥料用量准确，施肥均匀的要求。化肥具有多种特性，会对水田侧深施肥机的施肥过程造成多种影响。比如（1）粘接性：化肥具有多种形态，比如粉状或者颗粒状的化肥在潮湿或者接触到水的情况下，会使潮湿部分的化肥凝结在一块，如果受潮严重，很难击碎化肥晶块，容易产生大晶块堵塞排肥器口，导致施肥不均匀，因此对于水稻侧深施肥机设置破碎机构非常有必要（2）流动性：将不同类型同等质量的化肥分别倒出，会形成不同高度的小山丘，在重力的作用下自然
2 下落，小山丘的锥顶角不同，用流动性这一参数来代表锥顶角，影响流动性的因素主要有化肥的类型，颗粒直径，结晶的程度等等，另外化肥的流动性对于排肥量有着正比的关系，也就是流动性越好的化肥锥顶角越小，排肥量越大，当锥顶角大于五十五度的时候，化肥的流动性太差，导致排肥器在这种情况下不能正常工作。（3）吸潮性：任何化肥都具有吸潮性，在不同的环境下化肥所吸收的水分不同，比如在露天或者存放在仓库中的化肥，含水量可达到百分之十左右，由于化肥的亲水性，导致化肥容易结块，进而导致化肥的流动性降低，容易结块，堵塞排肥器，产生肥料在肥料箱中架空的现象，不利于施肥进程的顺利进行.（4）几何性:不同类型的化肥颗粒大小基本不相同，通常直径在一到五毫米的化肥颗粒流动性最好，颗粒过小，排肥困难，颗粒过大，流动性太差。（5）架空性：化肥具有粘连性，大块的化肥晶体容易在化肥箱中处于架空的状态称为化肥的架空性，导致堵塞化肥通道，大晶块上当的化肥颗粒无法流动，因此需要搅拌器击碎化肥，进而保持施肥的均匀性和连续性。肥料要按照水稻需肥规律、侧施需求及效果进行选择，否则会严重影响侧深施肥效果。目前的水稻侧深施肥机依然会出现排肥动作不准确，排肥口堵塞等现象，对于化肥无法改变其特性，只有对水田侧深施肥机的关键部件进行优化，比如肥料箱、肥料调节器、排肥器，只有这样才能保证施肥过程的顺利进行。
对水田侧深施肥机的关键部件进行优化设计具有多种优点。（1）利用率高：由于侧深施肥是在水中作业，若采用撒肥的方式，会造成化肥在水中的加速溶解，对于吸收养料的根部没有得到足够的养分，最后的收成也不会很高。通过对其关键部件的优化设计，例如肥料箱的防水设计，就可以缓解化肥受潮溶解或者结块的现象，保证施肥的均匀性。（2）保护环境：这种施肥方式采用侧三深五的原则，避免过多化肥直接溶解造成水中造成水质污染、杂草丛生以及水中含有过多藻类的现象，即保护了环境又提高了水田产量。（3）施肥均匀：通过对肥料调节装置的结构设计、参数选择，在施肥的过程中可以实现均匀的作业。（4）动作连续：这款水田侧深施肥机的肥料箱具有肥料不足的报警装置，可以在肥料不足时发出信号，避免做无用功；另外排肥器具有肥料破碎的功能，对于化肥潮湿的结晶体也不必担心堵塞出肥口的情况，因此可以实现施肥的连续作业。（5）排肥准确：稻田在不同的季节会对化肥用量有不同的要求，肥料调节装置的最大施肥量是最小施肥量的十倍，通过控制肥料调节装置来改变排肥量的大小具有非常精确的效果。（6）营养充足：水田侧深施肥是将肥料施在植株根部侧三深五的位置，肥料的元素可以缓慢释放元素被植株吸收，时效持久，养分也比直接撒入水中吸收的充足，对于提到产量具有非常重要的帮助。
3 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内研究现状 在 2017 年，中央发布了“推行绿色生产方式，增强农业可持续发展能力”的文件指示，绿色发展是全人类发展的宗旨，为此全国农业工作会议为了推进绿色发展做了全面部署，对农业污染防治方面做了多方准备。水稻的生存环境离不开水田，在施肥过程中具有多方面的限制，例如肥料直接溶解在水田中，导致植株根部没有得到足够的养料，另外也会对水田产生污染，水田侧深施肥机可以实现插秧和施肥两项工作同时进行的要求，肥料直接被埋入深五厘米的土中，对实现养料的充分供给以及环境保护具有非常重要的帮助，因此在业界被广泛认为是水稻生产减少施肥量的最有效方式之一。
在中国水田侧深施肥机可谓蓬勃发展，下面介绍几种中国比较具有代表性的水田侧深施肥机。（1）富来威 2ZG-6DMF 乘坐式侧深施肥机。这是由国内的富来威农业装备有限公司所设计的一款机器，其可以实现插秧和施肥的同步作业，肥料调节装置灵敏准确以及控制调节范围广是其突出的特点，不会对水质产生过多的污染，响应了中央的绿色发展的号召。下面介绍一下其动力源，与普通的水田侧深施肥机不同的是它采用的是洋马四冲程发动机，主要的燃料采用柴油，采用四轮共同驱动进行作业，在这台施肥机中含有液压元素，对实现肥料控制装置的无级调速具有非常明显的帮助。采用侧深施肥的方式避免了化肥直接溶解在水中，可以节省肥料，每亩的施肥量在 12和 78 公斤之间不等，施肥的速度可以根据施肥量的不同进行调节，多则可以达到 5.22公里每小时的速度。为了防止出现化肥堵塞肥口导致施肥障碍以及肥料不足做无用工的情况发生，设有报警装置提醒操作者。这款设备具备了普通施肥机的特点，但是在普通的施肥机的基础上做了一些调整，比如液压的无限调级以及报警装置都对保证施肥作业的顺利进行做出了一定帮助。（2）河北锦禾高光效不等距插秧机。河北锦禾农业机械有限公司设计的这款机器，与普通的肥料调节装置不同，这款设备通过纵行筛盘滚筒加气吹式肥料排出装置进行施肥量控制，刻度盘各行之间可以进行调节，利用这一特性改变排肥量的大小，这种控肥方式与液压控制具有类似的特点，都可以实现无极调控。肥料箱分为四个，每个容量为 19 升，化肥箱的总容量达到 76 升，每亩的施肥量在 10 到 60 公斤的范围之间，在短时间内不需要对肥料箱进行频繁加肥，在施肥过程中，直接将肥料施进侧三深五厘米的植株根部，降低了肥料流失，可以节省百分之二十的肥料，在植株的生长前期对于幼苗的生长具有促进作用，对于植株根部吸收养料提高产量也有帮助。（3）亚美柯 2fc-630(NC-630AM)高速插秧施肥机。这款施肥机由亚美柯机械设备有限公司设计研发，它的主要特点就是在插秧的同时可以实现精确的施肥，二者同时进行，肥料调节控制装置是用来控制排肥量多少的装置，要具
4 备动作准确，反应灵敏，容易操作控制的功能，这款施肥机利用机械式定量可以达到精确施肥这一要求。其显著的优点是肥量可以根据不同的要求进行调节，排肥均匀，施肥过程中动作连续准确，同亩可减少 25%的化肥施用量，肥料的利用率相比其他的水田侧深施肥机高，产量增加。这款设备的肥料箱相比其他的施肥机要大些，六个开沟器，每两个开沟器使用一个肥料箱，每个肥料箱可容纳 28 升化肥，利用带有沟槽的滚轮机械设备进行排肥工作，通过控制肥料沟的宽度调节控制排肥量，每小时的工作面积可以达到 0.3 公顷。从上述的三个例子中足以见得我国的水田侧深施肥机的发展具有远大的前景，但是在施肥过程中仍然会出现各种问题，比如排肥堵塞，用肥不均等问题，需要进一步改进。
目前的水田侧深施肥机大多数为气吹式，对于动力侧深施肥比较少，在施肥过程中会出现一些问题。例如（1）在施肥的过程中，当肥料被开沟器埋入深五厘米的土中时，会产生刮板不及时埋平施肥沟的现象，会造成肥料直接迅速溶解在水中，植株根部不能充分吸收的现象。（2）当施肥机在作业时，开沟器和施肥管漏口处是在泥土中工作的，施肥管是肥料通过拨料器后送入搅龙的管道，属于易损部位，请注意保护。
开沟器是用来开沟施肥的部件，由于开沟器有一定的倾斜角，会造成一部分化肥没有被埋入深五厘米的土中，直接悬浮在水中，不仅会对环境造成污染，肥料元素也没有充分吸收。由于这两种缺点的存在导致水田侧深施肥机并没有得到绝对的认可。
1.2.2 国外研究现状 日本和韩国的主要粮食作物是水稻，实现了标准化育苗、侧深施肥、标准化插秧于一体的水稻生产，在水稻种植的机械方面实现了系列化和标准化，因此水稻的产量实现了较高水平。日韩两国在二十世纪八十年代就对水田侧深施肥机进行研究，如今的水田侧深施肥技术的发展也是非常的先进，尤其是排肥器和拨料机构的设计，排肥器是完成精准施肥的主要部件，是将肥管中肥料强制推进到施肥点的部件。为防止堵塞，进行独特的技术设计，为防止锈蚀采用 304 不锈钢材料制作；拨料机构是控制施肥量的主要部件，其中拨料轮伸出的长短即为施肥量的大小。每一行一套几行插秧机即并联几套。每套拨料轮有一根不锈钢连接。在拨料横梁一端设有调节旋钮，旋转旋钮可实现施肥量大小调整。在拨料器背面装有电机和清理毛刷。工作时打开电源毛刷便自动清理拨料槽。也可以按强制清理按钮，随时进行拨料槽清理。正常工作时每 40分钟自动清理一次，无需另外关注。电源开关，强制清理按钮和清理指示灯在主仪表盘上安置。这两种技术研发使日本的水田侧深施肥机得到广泛的应用。日本洋马公司所生产高速乘坐式和气吹式侧深肥机技术水平较高，这种设备最显著的优点是稳定性要比其他的机型设备高，但是依然会出现排肥堵塞的现象，在施肥机发生颠簸或者转弯时极为容易出现这种情况；化肥具有吸潮性以及粘结性，肥料在碰水的情况下会直接粘连在施肥管壁上，导致施肥不均匀，如果施肥量过大，水稻会出现倒伏的现象，
5 如果施肥量过小，会直接影响产量；在施肥机的行驶过程中，会直接碾压在施过肥的水稻两侧，由于施肥机行驶过去会带有泥巴，将刚覆盖在施肥沟处的泥土直接带走，将肥料直接裸露在水中，影响了吸收，污染了环境。第二个比较具有代表性的是久保田 2ZGQ-6D1(2FH-1.8AFSPV6)多功能乘坐式插秧机，这款机器是国外比较先进的设计，通过在发动机周围安装鼓风机保持与肥料箱相连的排除软管干燥，解决化肥潮湿结块堵塞的现象，通过对这一细节方面的改进对促进排肥连续顺畅提供了较大的帮助，这款设备适用于直径 2-4 厘米的圆颗粒化肥，生产率也较高 3。
1.3 本论文的研究内容 为了解决普通的水田侧深施肥机出现的各种施肥问题，比如施肥动作不准确，排肥堵塞，动作过程不连续，肥箱生锈等一系列的问题，需要对水田侧深施肥机的一些关键部件进行优化设计。首先应该解决的是排肥器容易出现的排肥堵塞的问题，其次是肥料调节装置容易出现排肥动作失误的问题，最后对于肥料箱进行结构细节进行设计，确保整个施肥过程的顺利进行。
6 第二章
排肥器的设计
2.1 排肥器的使用要求 排肥器是水稻侧田施肥机的关键部件，其工作性能直接影响施肥过程的顺利进行，因此对于施肥机的工作性能具有六条要求：
（1）排肥可靠，对不同含水量的化肥敏感性不高。
（2）排肥过程稳定，不受前进速度的影响，对于地形的要求不高。
（3）排肥灵敏，精确，对不同的化肥品种和植株的不同可以进行调节。
（4）对于不同的化肥品种以及化肥颗粒大小均可使用。
（5）剩余的化肥便于清理。
（6）对于排肥器的材料尽量采用抗腐蚀材质的金属制作 4。
2.2 排肥器的主要类型及特点 排肥器在我国的发展是一个朝阳产业，一个优良品质的排肥器对于肥料的分布以及粮食的产量具有极其重要作用，最初的时候排肥器有定孔式，螺旋式，纹盘式，气流式等等，对于这些排肥器有的是中国自主研发的，也有的是在国外引进的，但是真正实现应用可靠，排肥性良好的施肥机却并不常见。如今化肥排肥器的种类有很多，其中外槽轮式，转盘式，螺旋式，星轮式还有振动式应用最为广泛。
2.2.1 外轮槽式
排松散性好的化肥应用广泛，其中在外轮槽式的排肥器中非常常见，这种排肥器排肥稳定，容易控制调节等，目前应用非常广泛，但化肥吸湿后，容易导致槽轮沾满化肥结块，堵塞通口而失去排肥能力。
排肥量是排肥器最重要的性能指标，排肥器工作参数会对排肥量产生重要的影响。在水田侧深施肥机的工作过程中,若想改变排肥量，可以采用改变排肥器的工作参数实现改变化肥排量的目的。目前可以通过采用台架试验与离散元仿真排肥试验这两种方式来研究排肥器工作参数对排肥量的影响，通过排肥量与工作参数两者之间的关系建立数学模型了解它们的关系，从而可以为水稻侧田施肥机中的排肥器所用不同的化肥量做出相适应改变。
外槽轮式排肥器的工作过程:肥料箱中的肥料在重力的作用下流向槽轮，槽轮通过旋转用轮齿带动肥料转动，并可以将结块的化肥搅碎，确保流通稳定，减少堵塞发生，通过改变槽轮的转速控制经槽轮的肥量，进而控制排肥量。如图 2-1 外槽轮排肥器原理图 5。
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图 2-1 外槽轮排肥器原理图
每亩的平均排肥量是外槽轮排肥器仿真试验的重要指标。评价方式是通过在监测区监测化肥箱内所用的肥料颗粒的质量和记录累计排肥时间来计算的，可以通过以下方式计算出平均排肥量。
1 21 21t tm mF
（2-1）
式中: 1F ——平均排肥量 1m ——1t 时刻排肥量监测区内肥料颗粒的质量
2m ——2t 时刻排肥量监测区内肥料颗粒的质量 2.2.2.转盘式 这种排肥器通常是放置在肥料箱的底部，通过肥料箱下的两个孔口由于地球引力产生的重力自动流淌进入水平转盘内进行排肥工作。两个孔口流来化肥经过转盘的转动作用可以实现两个排肥盘的转动。由于排肥盘尺寸较小，而且位于水平转盘的边缘部分，沿垂直于水平转盘的方向转动。通过利用水平转盘与排肥器产生的相对速度和肥料与排肥盘之间产生的摩擦力实现排肥转动，使肥料可以通过从水平转盘的边缘部分产生离心力甩出进入导肥管内。
2.2.3.螺旋式 水平配置排肥螺旋为螺旋式排肥器的重要零部件之一，工作过程是通过螺旋回转，将化肥粘连的大颗粒打碎以及散碎的化肥均匀地推入排肥口，后经过输肥管落入排肥沟内，通过排肥口的插板的拉伸收缩控制排肥量的大小，如图 2-2 螺旋式排肥器原理图。排肥螺旋叶片可分为普通型、中空型和钢丝弹簧型三种。普通型的螺旋叶片比较大，排肥量大，但容易使潮湿的肥料产生架空,同时叶片上因粘满肥料而失去推送作用。中空型能把多余的肥料留待下一螺距输送,使压实肥料的作用减轻，施肥量比较均匀。相比前两种排肥器，钢丝弹簧型不易被肥料粘连，排放潮湿肥料能力均比上两种较强，
8 而且直径较大，有利于清除肥料的架空现象，但当肥箱装肥较满时阻力大，易将粒肥粉碎 6 图 2-2 螺旋式排肥器原理图 2.2.4.振动式 由肥箱、振动板振动凸轮以及其他一些零部件组成。振动式排肥器可以大致分为两种，单振动槽轮式以及双振动槽轮式这两种应用比较多，对于这两种排肥器具有共同的工作特点，都是利用槽轮动作施肥，这种工作方式可以避免化肥在肥料箱中出现架空的现象影响正常工作，如果是肥料比较干燥，运用这种类型的排肥器就具有比较多的优点，例如施肥过程灵敏，节省能源消耗，在排肥器工作时，为了避免产生肥料箱内化肥的架空的现象，可以通过凸轮的不规则外缘转动促使振动板产生不断振动，使化肥在肥箱内循环运动。排肥量大小通过控制调节板的位置来实现，由于振动，振动板倾角通常是 60°为最佳角度，振幅为 18 到 20 毫米为最佳范围,振动频率为 250到 280 次每分钟。实验证明对于不同含水量的化肥，有不同的最佳振动频率，振动频率的快慢对于排肥量有着重要的影响。
特点：肥箱内肥料多少对于排肥量的多少有明显的作用，不同肥料的密度、化肥潮湿产生的粘结力同时也是影响排肥量的重要因素，另外振动式排肥器的排肥量稳定性和均匀性并不是特别高。
2.2.5.水平星轮式 水平星轮式条状化肥施肥器的主要工作部件为水平星轮,如图2-3水平星轮式条状化肥施肥器。工作时，水平星轮绕垂直轴转动，然后通过传动机构带动排肥星轮转动传动动力，肥料箱中的肥料在星轮齿槽及星轮表面工作的带动下，后经肥料的调节装置调节后，然后输送到施肥机的排肥口，肥料通过自重或打捶的作用落入输肥管内，由于轴向方向会受力不均，可以采用两个相邻的星轮轮系对转来抵消肥料架空和锥齿轮产生的轴向力。排肥量用改变排肥活门开度和星轮转速来调节。
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图 2-3 水平星轮式条状化肥施肥器结构图
1.活门轴 2. 挡肥板 3.排肥活门 4.导肥板 5.星轮 6.大锥齿轮 7. 活动箱底 8.箱底挂钩 9.小锥齿轮 10. 排肥轴 11. 轴销 12.导肥管 13.铰链轴
14.卡簧 15.排肥器支座 特点:
结构较复杂，工作阻力大，适于干粒、粉粒化肥，主要用于谷物条播机上，不太适应潮湿环境。
水平星轮式条状化肥施肥器对于化肥的适用性较强，比如对于排晶状化肥和复合颗粒肥以及干燥的粉状化肥可以选择上述的水平星轮式条状化肥施肥器，对于要使用含水量高的粉状化肥时，由于化肥具有吸潮性，排肥星轮易被化肥包裹粘连，容易发生化肥堵塞通口的现象。所以不太适应于这种方式。
(1)排肥星轮 1D =110-160mm，盘厚 h =5-12mm,齿厚 a =3-6mm，齿深 15-19mm，齿数 6-12 个， 星轮背面的凸棱 A 和 B 可把星轮下面的肥料推送到排肥口以消除积肥。多为铸铁件，也有钢板压制或塑料制成。
(2)排肥能力计算 排肥活门调节到一定开度时，排肥量由齿槽内肥料和进肥口进入的肥料层两部分组成。每转排肥量为 q 1000q0h aFzy
（2-2）
式中: F ——单个齿槽面积 2cm
0 ——齿厚 cm
h ——活门开度 cm
a ——充肥系数，取 0.7
10 z ——齿槽数
y ——肥料容重Lg 每亩星轮转数 n: 17 . 66Dbmin
(2-3) 式中: i —— 排肥传动比 D ——地轮直径 m
m ——排肥器数
b ——行距 m
——滑移率 则:每亩排肥量 Q: kgnqQ1000
(2-4)
2.3 排肥器结构设计及工作原理 2.3.1 设计排肥器的目的 普通的排肥器往往会出现化肥结块堵塞发生施肥不均匀的现象，因此设计一款新的或者在原有的排肥器的基础上加以改进非常有必要。在诸多类型的排肥器中，螺旋式排肥器的结构有非常突出的优点，比如施肥量比一般的排肥器大，安全可靠，但是对于排肥的精确度还有待提高。螺旋式排肥器最主要的零部件是螺旋排肥轴、外壳、轴套。
2.3.2 排肥器的工作过程
图 2-4 螺旋排肥器原理图 1.如肥口 2.箱体 3.螺旋排肥轴 4.螺旋叶片 5.排肥口 如图 2-4 螺旋排肥器原理图，在电动机的带动下，通过传动装置将动力传递给传
11 动轴，通过联轴器连接两轴，动力可达到螺旋排肥轴，化肥通过入料口进入螺旋排肥轴与壳体围成的封闭空间，在螺旋搅动的带动下，可以实现肥料的左右移动，螺旋叶片可以实现搅碎较大化肥结晶块的情况，不易出现堵塞的现象。在螺旋排肥轴上的螺旋片是不同的两部分，这两部分的螺旋片除了旋向不同，高度和螺距完全相同，可以实现肥料从入料口到出料口的转移，这两部分螺旋片对称分布在螺旋排肥轴的两端，可以通过控制螺旋排肥轴的转动频率来控制螺旋排肥轴与外壳形成空腔带动的化肥量，转动频率越快，带动的化肥越多，进而控制排肥量 7。
2.3.3 螺旋排肥轴优化设计
图 2-5 螺旋排肥轴 如图 2-5 为螺旋排肥轴示意图。螺旋排肥轴是螺旋排肥器的关键部件，螺旋排肥轴上的螺旋叶片，螺旋轴以及螺距都对排肥量有重要的影响。
（1）螺旋轴 d 螺旋轴是螺旋式排肥器的关键部件，通过轴承和轴端挡圈固定在排肥器上，动力传到轴端，通过螺旋轴上的螺旋叶片刮动化肥运动，因此对于螺旋轴的材料有一定的要求，可以采用合金钢，合金钢中含有的合金元素可以提高金属的强度刚度以及韧性，各方面的力学性能都比铸铁一类的材料要高，但是对于合金钢硬度高但是减震性能比较差，因此对于含碳量有一定要求，低碳合金钢是制作螺旋轴最合适的材料。
（2）螺旋叶片 螺旋叶片分为左旋螺旋叶片和右旋螺旋叶片，螺旋叶片具有实现肥料搅拌混合以及打碎的作用。螺旋叶片分为带式螺旋面，实体螺旋面以及叶片螺旋面三种不同形式，对于松散性好干燥的化肥，螺旋叶片不仅可以实现大的排肥量，而且排肥的推力大速
12 度快，其中螺旋升角的大小对于排肥量的大小有着重要的影响。螺旋升角是螺旋轴与螺旋叶片上任意一点法线方向上的夹角，以在壳体与螺旋叶片之前的化肥颗粒为参考点，化肥会在受到螺旋叶片的法向推力作用下使化肥颗粒与螺旋叶片之间产生切向摩擦力，这个法向推力就称为合力 F，促使化肥运动偏转一个角度，这个角度近似等于化肥颗粒的外摩擦当量角。化肥所受的合力 F 可以分解为垂直的两个分力，分别为轴向力ZF 和周向力tF ，周向力和螺旋叶片之间的切向摩擦力会使化肥颗粒发生周向的转动，另外化肥颗粒的重力作用和封闭空腔之间的摩擦也会对化肥的运动产生影响，因此一定要对螺旋叶片的螺旋升角α加以控制。
iXDS1tan
(2-5)
式中 S ——螺旋装置的螺距 mm
D i ——螺旋叶片某点的直径 mm
理想流动速度 v : 60nSv
(2-6) 垂直于螺旋叶片流动速度av : cos60cos nSv v a
(2-7) 考虑摩擦后的流动速度v : cos 60coscos nS vv
(2-8)
实际流动速度fv : ) cos( v v f
(2-9) 由（2-7）与（2-8）可得 ) tan 1 ( cos602 fnSv f
(2-10)
式中 f——肥料与螺旋叶片间摩擦系数， tan f
忽略螺旋叶片厚度时，传输肥料重量 Q: rdr f dpnSQDd) tan 1 ( cos6020222
(2-11) 为了确保螺旋叶片具有一定的强度，对其制造工艺有一定的要求。螺旋叶片的制作方法有多种，例如冲压焊接，挤压制造，缠绕制造以及冷轧的工艺方法等。其中利用冷轧制造螺旋叶片应用非常广泛，冷轧制造可以节省原材料，强度高，耐磨，以及生产效率非常高，原材料的扎锟温度以及钢材的厚度会对轧制效果产生影响，采用连续冷轧的方法制作螺旋叶片不仅可以实现叶片表面光滑，硬度高耐磨成型快的特点，而且可以实现焊接无接缝的优点。
（3）螺距
13 螺距是相邻两螺纹之间在轴线方向测量的距离，螺纹分为单线螺纹和多线螺纹，单线螺纹具有自锁的功能，而多线螺纹的传递速度快。螺距直接影响螺旋升角的大小，螺旋升角对于不同类型的化肥颗粒传动有着一定的影响，另外对于螺距的大小有着一定的要求，螺距要保证化肥和螺旋叶之间的有一定的摩擦力可以带动化肥的传动。
由（2-11）式可知螺距 S 为变量,当 0 ) (0" " s f Q 时，可得 Q 最大值，0S 为所求的最佳螺距值。
令QPSn240) （,
) ("S y
，可得 ) (240" "SPQn
只要求出 0" Q , 0 ) (" S ,只需求出 ) ("S y ,便可求得0S
SdSDfS DS fDS dS fdS S S y 1 12 2 2 2 2 22 "tan tan 6 2 ) (
fS d D d DS dS DS 4 ln 32 2 22 2 22
(2-12)
利用近似解法，通过计算机可得相应的参数 8。
表 2-1 螺旋排肥器参数选择
序号 绞龙直径 D 轴径 d 摩擦系数 f 最佳螺距0S
1 93 20 0.6 93 2 77 20 0.8 77 3 66 20 1 66 4 57 20 1.2 57 5 42 20 1.7 42 6 68 25 1 68 7 36 12 1 36 8 53 16 1 53 9 88 25 1 88 10 90 30 1 90
通过对表 2-1 的分析，利用控制变量的方式，摩擦系数会随其他三个参数的变化而变化。摩擦系数比较大时，螺距略大于绞龙直径 D，反之亦然，要考虑排肥器工作性质以及材质等诸多因素，建议取最佳螺距与绞龙直径相等的尺寸。在设计时要考虑很多方面，只有这样，设计的螺旋式排肥器才能合理。
14 2.4 本章小结 通过对螺旋式排肥器的螺距，排肥轴以及螺旋叶片的参数设计，可以有效避免普通排肥器容易出现排肥堵塞的现象，采用螺旋式的排肥器对于保持施肥连续性和均匀性具有促进作用，设计的这款排肥器会对提高水稻的产量具有积极的作用。
15 第三章
肥料调节装置
3.1 控制施肥量的方法 （1）通过控制排肥口的通流面积来控制排肥量的大小是一个非常简单的方法，但对于这种方法容易出现堵塞的现象，排肥口的通流面积幅度变化不大，排肥量较少，因此这种方式应用在比较简单的机械设备上。
（2）利用液压动力元件或者电动机通过改变排肥轮的转速也可以达到改变排肥量的目的，这种方法采用的液压元件精密度高，结构比较复杂，制造困难，价格也相对比较昂贵。
（3）排肥轴上焊接了除旋向不同其余完全相同对称的两部分螺旋叶片，这两部分螺旋叶片分别连接进肥口和出肥口。可以通过改变与进肥口相连的螺旋轴长度进而改变排肥量的大小，这种调节方法比较敏感，如果排肥杆过长，排肥量增大，但是容易出现振动的现象，且排肥器的尺寸增大结构复杂，如果排肥轴过短，化肥会在密封腔出现架空的现象。
3.2 肥料调节器的技术要求 肥料分为多种，不同种类的化肥颗粒直径不同，有时为了满足水稻生长需求，需要把不同种类的化肥之间混合，肥料调节器要实现不同直径的化肥颗粒之间的连续均匀排放，而且动作准确灵敏，不可以出现化肥堵塞排肥口的现象，保持排肥顺畅均匀，避免化肥出现架空的情况，另外对于肥料调节器的控制要简单可靠，操作方便 9。
3.3 施肥调节装置设计方案
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图 3-1 肥料调节装置简图
1.调节板 2.螺旋排肥轴 3.大链轮 4.小链轮 5.中间轴 6.动力输入链轮
普通的施肥机容易出现施肥不均匀的现象，为了保证稻田中的每一棵水稻都有充足的养料，肥料调节装置保证施肥得均匀性极其重要，为此设计了一款新型的调节装置,如图 3-1 为肥料调节装置简图。
由于水稻侧田施肥机所处的工作环境相对比较潮湿，环境比较恶劣，采用链传动可以适应这一环境，链传动不仅可以在油污潮湿的环境下工作，也可以用做传动链。
211212nnZZi
（3-1）
(3-1)为链传动的传动比计算方法
式中: 1n ——主动链轮的转速
2n ——从动链轮的转速 1Z ——从动链轮的齿数
2Z ——从动链轮的齿数 工作时具体的传递动力过程:动力通过动力输入链轮经过中间轴把能量传递给小链轮，通过链传动进而传给大链轮，与大链轮相连的螺旋排肥轴转动，将肥料排除，肥料通过 1 调节板的高度达到控制排肥量的多少。这种控制装置施肥比较稳定，经过两道排肥控制点，很少有大的肥料块，不容易堵塞排肥口。可以通过两种方式达到控制排肥量的目地，第一种通过改变链传动的转速可以改变与大链轮相连的螺旋排肥轴的转速，大链轮转的越快，排肥轴转的越快，排肥量越大，同样的是，大链轮转的越慢，排肥轴转的越慢，排肥量就会变得越小。第二种是通过控制调节板的高度，调节板的高度越高，排肥量越大，同样也是，调节板的高度越低，通肥面积越小，排肥量越低。这两种控制排肥量的方法相互配合，共同控制排肥量的大小。
3.4 施肥量调节控制装置有关参数设计 3.4.1 施肥量调节系数 上述有两种方式可以达到控制排肥量的方法，一种是控制螺旋排肥轴的转速，一种是控制调节板的高度。以控制变量的方法研究这两种控制调节方式的最大排肥量与最小排肥量的比值。
17 1.调节板高度一定时，可以通过改变两个链轮的齿数改变传动比的方式，改变排肥轴的转速可以达到控制排肥量的目的。
2211 ZZQ
(3-2) 式中1Q ——转速调节系数 1Z ——大链轮齿数 2Z ——小链轮齿数 2.大小链轮转速一定，排肥轴转速不变，通过控制调节板的高度达到控制排肥量的大小。
122llQ
(3-3) 式中2Q ——调节板调节系数 1l ——排肥轴在保证良好的传动条件下最小轴向的施肥长度 2l ——排肥轴在保证良好的传动条件下最大轴向的施肥长度 3.两种控制装置共同使用时 2 1Q Q K
(3-4)
式中 K ——施肥量调节总系数 不同种类的化肥颗粒直径大小不同，为了保证排肥过程连续平稳可靠，不出现堵塞现象，对于最大排肥量和最小排肥量的比值系数要大于等于 10，对于这两种排肥控制方式，因为肥料在肥料调节装置中的最终通过地点在排肥板处,所以控制调节板的高度最终对排肥量的影响要大于控制排肥轴的转速。为了保证排肥过程连续可靠，设计各参数1l 为 36mm,2l 为 130mm，1Z 为 20，2Z 为 12，可得1Q 为 2.788，2Q 为 3.61， K 为10.07，可以达到施肥量调节总系数大于等于十，调节板调节系数大于转速调节系数的要求，因此设计合理。
3.4.2 排肥轴和动力输入链轮参数设计 不仅大小链轮齿数以及排肥轴轴向施肥长度会对排肥量产生影响，另外排肥轴的排肥面积和动力输入链轮齿数也会对排肥量产生影响，每公顷稻田至少施肥 915 千克。
bv sl nj Q 3 50
（3-5）
其中 Q 为每亩的施肥量，n 为排肥轴的转速，j 为充满系数，ρ为化肥密度,s 为排肥轮的排肥面积， l 为排肥轴的有效排肥长度，b 为垄间距， v 为机器前进速度。
取参数 j 为 0.85，ρ为 950 千克每平方米，b 为 1.24 米， v 为 0.3 米每秒，可得nsl Q 361788 。
取动力输入链轮齿数为 25，s 为 1800×-610 平方米，通过对大链轮小链轮齿数选定，n 最小可选 40 转每分，最高 120 转每分，把最小转速，有效排肥长度，以及有效
18 排肥面积代入 nsl Q 361788 ，可得最小施肥量 938 千克，可得最大施肥量 9380 千克，最大施肥量为最小施肥量的十倍，与最少施肥量要求的 915 千克差距较小，因此对于取动力输入链轮齿数为 25，s 为 1800×-610 平方米的参数设计合适 10。
表 3-1 肥料调节装置参数设计 1l
2l
1Z
2Z
1Q
36mm 130mm 20 12 2.788 2Q
K
输入链轮齿数 s n 3.61 10.07 25 1800×-610 平方米 40-120 转每分 通过对肥料调节装置的方案设计，以及表 3-1 各个参数选择，改变了普通的调节装置容易出现堵塞，施肥不均匀不连续的现象。
3.5 本章小结 这款肥料调节装置可以实现调节简便快捷，具有动作灵敏以及施肥过程中均匀可靠的功能，可以实现施肥的连续工作，化肥种类不同，颗粒大...
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