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摘要為解决有机肥施撒不均匀、费时、费力以及缓解土壤板结、酸化等问题，设计一种有机肥施耕一体机。该机通过接地驱动轮与地面的摩擦转动，带动料斗内搅拌轮的转动，对料斗内有机肥料进行一定程度的搅拌，同时电机在不同行进速度下转开不同角度，漏料口打开，肥料均匀撒落，在肥料撒落到地面的同时被旋耕机耕耙到土壤中，最终实现施肥、耕、耙机械化。该一体机结构简单、操作方便，能均匀撒落有机肥料，制造成本低，省时又省力，对农业机械设计有一定的借鉴意义。
关键词有机肥；旋耕；链传动；转角控制
中图分类号S232.9，S232.5文献标识码
A文章编号0517-6611（2017）08-0221-03
Design of Organic Fertilizer Rotary Tillage Machine
ZENG Fanming， WU Xiaojun， ZHAO Heming et al（College of Mechatronic Engineering， North University of China， Taiyuan， Shanxi 030051）
AbstractTo solve organic fertilizer applied uneven， timeconsuming， laborious， and alleviate problems such as soil compaction， acidification condition， a kind of organic fertilizer rotary tillage machine was designed.The machine through the ground drive wheel friction with the ground， driving in the hopper mixing wheel rotation， to a certain degree of mixing hopper in the organic fertilizer， at the same time， the motor turned away different angles under different speed， leakage is expected to open the mouth， fertilizer evenly scattered， scattered in fertilizer to the ground at the same time by rotary cultivator tillage work at to the soil， finally realizes the mechanization of fertilization， plough， rake.The machine has simple structure， convenient operation， low manufacturing cost， simple operation， save time and effort， which can be a reference for agricultural machinery design.
Key wordsOrganic fertilizer；Rotary tillage；Chain transmission；Angle control
合理应用有机肥，有利于改善土壤环境及作物品质、提高肥料利用率、节约资源、保护生态环境，是实现农业可持续发展的重要途径[1]。但是我国目前肥料使用现状是化肥过度使用，有机肥料使用严重不足，导致我国环境污染严重，土壤的保肥、供肥能力下降，进而导致土壤板结和酸化，严重阻碍我国农业现代化和可持续发展[2]。人工对有机肥的施撒会不均匀且比较费时、费力，有机肥料生产技术没有大面积推广应用以及农民缺乏对有机肥料重要性的认识等原因是有机肥使用率低下的几大主要因素。近些年，发达国家的农业机械化已达到相当高的水平。随着我国经济和科学技术的发展，我国农业机械化水平也有了很大提升，各种农业机械设备应运而生，如联合收割机、开沟机、播种机等。笔者针对平原地区农田施撒有机肥料的各种问题设计了有机肥施耕一体机，属于农业机械施肥和旋耕结合一体的专业设备，其结构简单、制造成本低、肥料施撒效率高，可解决目前有机肥料施肥费时、费力及施撒不均匀等问题，有效提高有机肥的使用，减少化肥的使用，有效缓解土壤板结和酸化的现状。
1整体结构及工作原理
为实现有机肥料施撒跟旋耕，必须完成有机肥的供料、搅拌、均匀撒落以及旋耕有机结合4个环节，所设计的有机肥施耕一体机主要有料斗、搅拌轮、步进电机、接地驱动轮、转动采集器、转角-肥量控制器及旋耕装置等组成。该机械的整体结构如图1所示。
料口挡板；11.旋耕刀片；12.旋耕机箱体总成；13.旋耕轴；14.燕尾铲；15.接地驱动轮；16.转动采集器
Note：1.Hopper base；2.Hopper；3.Bevel gear steering gear；4.Rotary shaft throughhole；5.Sprocket drive；6.Agitating wheel；7.Baffle rotation mechanism；8.Stepper motor；9.Angle fertilizer controller；10.Feed discharge mouth baffle；11.Rotary blade；12.rotary plow box assembly；13.Rotary shaft；14.Dovetail shovel；15.Ground connection drive wheel；16.Rotary collector 有机肥施耕一体机的工作原理：在农用拖拉机带动下，旋耕机进行工作，同时在机器行进中接地驱动轮与地面接触而转动，同步带动锥形齿轮转向转换装置运动，通过链轮传动带动3个均匀分布的搅拌轮转动，搅拌肥料，防止肥料堆积；提前将加工好的颗粒状有机肥倒进料斗中，在机械设备运动过程中，转动采集器采集接地驱动轮是否转动，根据电机上转角-肥量控制器设定好的施肥量，自动调整料口挡料板转开相应的漏料角度，也可以手动调整转角大小，肥料在搅拌轮的搅拌和重力作用下匀速撒落。有机肥撒落后即被高速旋转的旋耕刀片均匀地打入土壤中，旋耕轴上的旋耕刀片插空排列，并且旋耕轴能正反2个方向旋转，使土壤翻耕更均匀。其中在设备旋耕到耕田一侧升起过程中，振动较强烈，附着在料斗内壁上的肥料基本能振落到料口挡板所挡漏料口。
2主要参数设计
2.1设计参数配套动力：36.78～47.81 kW拖拉机；总重量400～520 kg；工作幅宽2 400 mm；挂接方式：标准三点悬挂；耕深≥8 cm；施肥量≤22 500 kg/hm2；一个车载36 V小电瓶。
2.2料斗下料量计算
为了达到设计要求，耕田施用有机肥料3 750～22 500 kg/hm2[3]，步进电机根据行进速度设计转动不同角度，使下料口撒下相应量的肥料。单位耕田肥料估计用量公式为：
M=θRLm（1）
式中，θ是漏料口打开角度（≤30°），即料口挡板转动角度；R（125 mm）是下料弧度所在半径；L（2 400 mm）是料口长度；m是单位时间在单位面积上漏料估计量（不稳定值，随漏料情况而定）。
2.3链传动设计功率计算普通链传动是一种挠性传动，由链条和链轮（主动链轮和从动链轮）组成，它通过链轮链齿与链条链节之间的啮合传递运动和动力[4]。一体机中均采用普通链传动即能满足工作要求。链轮传动机构的额定功率可以采用链的额定功率来确定。
Pa=KAP/KzKp（2）
式中，Pa为设计功率（kW）；KA为工作情况系数，具体可以参考链传动工作情况系数表；P为传递功率（kW）；Kz为小链轮齿数系数，Kz=（z1/19）1.08；Kp为链轮齿宽系数，可以采用插值法求解链轮齿宽系数Kp。要使链轮能够可靠、耐用，根据相关链轮设计准则，选择合适的链轮节距和链条型号，使得链传动的额定功率大于等于设计功率。并且文献[5]中认为，施加合理的预紧张力可以有效地降低链条节距磨损伸长引起的链条振动影响。
3重要结构设计
3.1搅拌装置的设计搅拌装置的原理示意图如图2所示。搅拌装置的工作原理：当有机肥施耕一体机在农用拖拉机的牵引下向前运动时，在接地驱动轮与地面的摩擦下开始运动，通过与接地驱动轮通轴转动的链轮和锥形齿轮通轴的链轮之间的链传动，带动锥形齿轮的方向转换，且带动第1组搅拌轮转动，第1组与第2组、第2组与第3组搅拌轮通过同步链条链接，3组搅拌轮同时工作。搅拌轮的搅拌手在正常工作状态下，搅拌有机肥翻动，防止堆积成块，同时使肥料较均匀撒落。
链传动机构设计简单、制造维修容易、成本较低，可广泛应用于一些安装空间受到限制、低速重载及工作环境较差的场合，也可形成新型的单级或者多级的减速器系列[6]。由于链轮齿数对链传动的动载荷有一定的影响，选择较适合的链轮能提高其正常工作寿命。在实际设计中，大都选择较大的链轮齿数，因为齿数大则链速度高，进而提高传递能力。沈阳农业大学的王君玲等[7]通过试验得出结论：在链传动中随着链轮齿数增加其动载荷将增大；并且在链传动设计中作为独立参数的链轮齿数对于动载荷的影响将随着链轮齿数增加而增大，链轮齿数的选择应在保证传动能力和不改变链节距前提下选取较小值。
根据满足低速重载工况下的使用要求，图2中链轮选择如下：齿数21，节距25.4 mm，传动比1，分度圆直径138.232 mm，通过有限元软件对链传动各机构进行应力和应变仿真分析，能够达到设计要求，并且各机构用润滑油、脂等定期润滑，长时间使用后能够运转良好。
3.2转角控制装置的设计转角控制装置是施肥设备的重要组成部分，由于挡料板转角大小由步进电机转角大小决定，因此步进电机同挡板上旋转链轮为定比传动。其总的传动比通过计算能够得到。
装置的工作原理：转角控制装置是转角-施肥量控制器控制电机转动，提前在转角-施肥量控制器中输入单位面积施肥量，不同施肥量范围对应不同的漏料估算角度。当接收到接地驱动轮处的转动采集器发出的运动信号时，根据设置好的肥料量所在范围相对应的挡板转动链轮转角大小以及相应的链传动比，算出电机所转动角度。转角-施肥量控制器控制电机转动相应的角度，有机肥料在搅拌轮的搅拌和重力作用下均匀地撒落，达到省时省力、均匀有效的施肥。电机与转角-施肥量控制器动力由车载36 V电瓶提供，能够满足其转开角度的要求。装置的结构设计如图3所示。
4结论
有机肥施耕一体机整体设计是针对我国平原地区耕田面积大、施撒有机肥不均匀、费时又费力，且大面积施撒化肥导致土壤保肥、供肥能力下降、板结酸化等问题进行分析，提出的一种对有机肥施撒、旋耕机械化的方法。同之前人工施撒后再旋耕的处理方法相比，缩短了肥料施撒和旋耕的整体时间，提高了施撒效率和整体的效率，减轻了人工劳动强度，节省了人力物力，同时肥料施撒也较均匀，基本达到设计要求。
为增加设备的结构强度，设备都采用钢结构处理，部分部位可以采用钢板焊接[8]增加结构强度和稳定性。此设备组装大都是通过螺钉紧固，组装、拆卸、清理等较方便。该研究设计的有机肥施耕一体机结构简单、操作方便、制造成本
低，便于推广应用。但该研究设计的有机肥施耕一体机是针对我国平原地区大块耕田的专用设备，通用性不太高，为了适应不同地区、不同地形施肥耕田的需求，仍有待进一步的改善。
参考文献
[1]
耿晨光.有机农业生产中有机肥的合理施用[J].内蒙古农业科技，2008（4）：93-95.
[2] 刘梅，王咏红，高瑛，等.农户有机肥施用量及其影响因素分析[J].统计与决策，2009（12）：61-63.
[3] 李晓华.梯田玉米有机肥最佳施用量的研究[J].生态农业研究，2000，8（3）：44-46.
[4] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.
[5] 赵俊天，王顺增，王振兴.远距离输送链传动载荷分析及其磨损伸长研究[J].机械传动，2014，38（2）：25-29.
[6] 程建民.一种新型的链轮传动机构设计与研究[J].机械与电子，2011（10）：78-80.
[7] 王君玲， 杨玉芬， 程玉来.链轮齿数对链传动动载荷的影响[J].沈阳工业大学学报，2004，26（1）：17-18，22.
[8] 趙道军.长运距、大倾角、高强度带式输送机的研究[D].西安：西安理工大学，2007：19-20.
关键词有机肥；旋耕；链传动；转角控制
中图分类号S232.9，S232.5文献标识码
A文章编号0517-6611（2017）08-0221-03
Design of Organic Fertilizer Rotary Tillage Machine
ZENG Fanming， WU Xiaojun， ZHAO Heming et al（College of Mechatronic Engineering， North University of China， Taiyuan， Shanxi 030051）
AbstractTo solve organic fertilizer applied uneven， timeconsuming， laborious， and alleviate problems such as soil compaction， acidification condition， a kind of organic fertilizer rotary tillage machine was designed.The machine through the ground drive wheel friction with the ground， driving in the hopper mixing wheel rotation， to a certain degree of mixing hopper in the organic fertilizer， at the same time， the motor turned away different angles under different speed， leakage is expected to open the mouth， fertilizer evenly scattered， scattered in fertilizer to the ground at the same time by rotary cultivator tillage work at to the soil， finally realizes the mechanization of fertilization， plough， rake.The machine has simple structure， convenient operation， low manufacturing cost， simple operation， save time and effort， which can be a reference for agricultural machinery design.
Key wordsOrganic fertilizer；Rotary tillage；Chain transmission；Angle control
合理应用有机肥，有利于改善土壤环境及作物品质、提高肥料利用率、节约资源、保护生态环境，是实现农业可持续发展的重要途径[1]。但是我国目前肥料使用现状是化肥过度使用，有机肥料使用严重不足，导致我国环境污染严重，土壤的保肥、供肥能力下降，进而导致土壤板结和酸化，严重阻碍我国农业现代化和可持续发展[2]。人工对有机肥的施撒会不均匀且比较费时、费力，有机肥料生产技术没有大面积推广应用以及农民缺乏对有机肥料重要性的认识等原因是有机肥使用率低下的几大主要因素。近些年，发达国家的农业机械化已达到相当高的水平。随着我国经济和科学技术的发展，我国农业机械化水平也有了很大提升，各种农业机械设备应运而生，如联合收割机、开沟机、播种机等。笔者针对平原地区农田施撒有机肥料的各种问题设计了有机肥施耕一体机，属于农业机械施肥和旋耕结合一体的专业设备，其结构简单、制造成本低、肥料施撒效率高，可解决目前有机肥料施肥费时、费力及施撒不均匀等问题，有效提高有机肥的使用，减少化肥的使用，有效缓解土壤板结和酸化的现状。
1整体结构及工作原理
为实现有机肥料施撒跟旋耕，必须完成有机肥的供料、搅拌、均匀撒落以及旋耕有机结合4个环节，所设计的有机肥施耕一体机主要有料斗、搅拌轮、步进电机、接地驱动轮、转动采集器、转角-肥量控制器及旋耕装置等组成。该机械的整体结构如图1所示。
料口挡板；11.旋耕刀片；12.旋耕机箱体总成；13.旋耕轴；14.燕尾铲；15.接地驱动轮；16.转动采集器
Note：1.Hopper base；2.Hopper；3.Bevel gear steering gear；4.Rotary shaft throughhole；5.Sprocket drive；6.Agitating wheel；7.Baffle rotation mechanism；8.Stepper motor；9.Angle fertilizer controller；10.Feed discharge mouth baffle；11.Rotary blade；12.rotary plow box assembly；13.Rotary shaft；14.Dovetail shovel；15.Ground connection drive wheel；16.Rotary collector 有机肥施耕一体机的工作原理：在农用拖拉机带动下，旋耕机进行工作，同时在机器行进中接地驱动轮与地面接触而转动，同步带动锥形齿轮转向转换装置运动，通过链轮传动带动3个均匀分布的搅拌轮转动，搅拌肥料，防止肥料堆积；提前将加工好的颗粒状有机肥倒进料斗中，在机械设备运动过程中，转动采集器采集接地驱动轮是否转动，根据电机上转角-肥量控制器设定好的施肥量，自动调整料口挡料板转开相应的漏料角度，也可以手动调整转角大小，肥料在搅拌轮的搅拌和重力作用下匀速撒落。有机肥撒落后即被高速旋转的旋耕刀片均匀地打入土壤中，旋耕轴上的旋耕刀片插空排列，并且旋耕轴能正反2个方向旋转，使土壤翻耕更均匀。其中在设备旋耕到耕田一侧升起过程中，振动较强烈，附着在料斗内壁上的肥料基本能振落到料口挡板所挡漏料口。
2主要参数设计
2.1设计参数配套动力：36.78～47.81 kW拖拉机；总重量400～520 kg；工作幅宽2 400 mm；挂接方式：标准三点悬挂；耕深≥8 cm；施肥量≤22 500 kg/hm2；一个车载36 V小电瓶。
2.2料斗下料量计算
为了达到设计要求，耕田施用有机肥料3 750～22 500 kg/hm2[3]，步进电机根据行进速度设计转动不同角度，使下料口撒下相应量的肥料。单位耕田肥料估计用量公式为：
M=θRLm（1）
式中，θ是漏料口打开角度（≤30°），即料口挡板转动角度；R（125 mm）是下料弧度所在半径；L（2 400 mm）是料口长度；m是单位时间在单位面积上漏料估计量（不稳定值，随漏料情况而定）。
2.3链传动设计功率计算普通链传动是一种挠性传动，由链条和链轮（主动链轮和从动链轮）组成，它通过链轮链齿与链条链节之间的啮合传递运动和动力[4]。一体机中均采用普通链传动即能满足工作要求。链轮传动机构的额定功率可以采用链的额定功率来确定。
Pa=KAP/KzKp（2）
式中，Pa为设计功率（kW）；KA为工作情况系数，具体可以参考链传动工作情况系数表；P为传递功率（kW）；Kz为小链轮齿数系数，Kz=（z1/19）1.08；Kp为链轮齿宽系数，可以采用插值法求解链轮齿宽系数Kp。要使链轮能够可靠、耐用，根据相关链轮设计准则，选择合适的链轮节距和链条型号，使得链传动的额定功率大于等于设计功率。并且文献[5]中认为，施加合理的预紧张力可以有效地降低链条节距磨损伸长引起的链条振动影响。
3重要结构设计
3.1搅拌装置的设计搅拌装置的原理示意图如图2所示。搅拌装置的工作原理：当有机肥施耕一体机在农用拖拉机的牵引下向前运动时，在接地驱动轮与地面的摩擦下开始运动，通过与接地驱动轮通轴转动的链轮和锥形齿轮通轴的链轮之间的链传动，带动锥形齿轮的方向转换，且带动第1组搅拌轮转动，第1组与第2组、第2组与第3组搅拌轮通过同步链条链接，3组搅拌轮同时工作。搅拌轮的搅拌手在正常工作状态下，搅拌有机肥翻动，防止堆积成块，同时使肥料较均匀撒落。
链传动机构设计简单、制造维修容易、成本较低，可广泛应用于一些安装空间受到限制、低速重载及工作环境较差的场合，也可形成新型的单级或者多级的减速器系列[6]。由于链轮齿数对链传动的动载荷有一定的影响，选择较适合的链轮能提高其正常工作寿命。在实际设计中，大都选择较大的链轮齿数，因为齿数大则链速度高，进而提高传递能力。沈阳农业大学的王君玲等[7]通过试验得出结论：在链传动中随着链轮齿数增加其动载荷将增大；并且在链传动设计中作为独立参数的链轮齿数对于动载荷的影响将随着链轮齿数增加而增大，链轮齿数的选择应在保证传动能力和不改变链节距前提下选取较小值。
根据满足低速重载工况下的使用要求，图2中链轮选择如下：齿数21，节距25.4 mm，传动比1，分度圆直径138.232 mm，通过有限元软件对链传动各机构进行应力和应变仿真分析，能够达到设计要求，并且各机构用润滑油、脂等定期润滑，长时间使用后能够运转良好。
3.2转角控制装置的设计转角控制装置是施肥设备的重要组成部分，由于挡料板转角大小由步进电机转角大小决定，因此步进电机同挡板上旋转链轮为定比传动。其总的传动比通过计算能够得到。
装置的工作原理：转角控制装置是转角-施肥量控制器控制电机转动，提前在转角-施肥量控制器中输入单位面积施肥量，不同施肥量范围对应不同的漏料估算角度。当接收到接地驱动轮处的转动采集器发出的运动信号时，根据设置好的肥料量所在范围相对应的挡板转动链轮转角大小以及相应的链传动比，算出电机所转动角度。转角-施肥量控制器控制电机转动相应的角度，有机肥料在搅拌轮的搅拌和重力作用下均匀地撒落，达到省时省力、均匀有效的施肥。电机与转角-施肥量控制器动力由车载36 V电瓶提供，能够满足其转开角度的要求。装置的结构设计如图3所示。
4结论
有机肥施耕一体机整体设计是针对我国平原地区耕田面积大、施撒有机肥不均匀、费时又费力，且大面积施撒化肥导致土壤保肥、供肥能力下降、板结酸化等问题进行分析，提出的一种对有机肥施撒、旋耕机械化的方法。同之前人工施撒后再旋耕的处理方法相比，缩短了肥料施撒和旋耕的整体时间，提高了施撒效率和整体的效率，减轻了人工劳动强度，节省了人力物力，同时肥料施撒也较均匀，基本达到设计要求。
为增加设备的结构强度，设备都采用钢结构处理，部分部位可以采用钢板焊接[8]增加结构强度和稳定性。此设备组装大都是通过螺钉紧固，组装、拆卸、清理等较方便。该研究设计的有机肥施耕一体机结构简单、操作方便、制造成本
低，便于推广应用。但该研究设计的有机肥施耕一体机是针对我国平原地区大块耕田的专用设备，通用性不太高，为了适应不同地区、不同地形施肥耕田的需求，仍有待进一步的改善。
参考文献
[1]
耿晨光.有机农业生产中有机肥的合理施用[J].内蒙古农业科技，2008（4）：93-95.
[2] 刘梅，王咏红，高瑛，等.农户有机肥施用量及其影响因素分析[J].统计与决策，2009（12）：61-63.
[3] 李晓华.梯田玉米有机肥最佳施用量的研究[J].生态农业研究，2000，8（3）：44-46.
[4] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.
[5] 赵俊天，王顺增，王振兴.远距离输送链传动载荷分析及其磨损伸长研究[J].机械传动，2014，38（2）：25-29.
[6] 程建民.一种新型的链轮传动机构设计与研究[J].机械与电子，2011（10）：78-80.
[7] 王君玲， 杨玉芬， 程玉来.链轮齿数对链传动动载荷的影响[J].沈阳工业大学学报，2004，26（1）：17-18，22.
[8] 趙道军.长运距、大倾角、高强度带式输送机的研究[D].西安：西安理工大学，2007：19-20.