排肥器性能检测装置的设计与研究

明安祥 陈义厚

(长江大学农学院，湖北 荆州 434025)(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

排肥器性能检测装置的设计与研究

明安祥 陈义厚

(长江大学农学院，湖北 荆州 434025)(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

设计了一种排肥器性能检测装置，并对其主要结构进行了详细介绍。针对检测装置参数的智能控制，结合其机械结构和控制要求，确定了控制系统方案的确定。同时，开展了机架的固有特性研究，在建立机架的三维模型基础上，采用有限元软件Workbench对机架进行了模态分析，得到了机架的低阶振动频率和振型。

排肥器；性能测试；结构设计；控制方案；模态分析

施肥是现代农业生产中的重要环节，是提高农作物产量的最重要措施[1]。在现代农业生产中，在其他因素不变的情况下，施肥产生的最大增产能占到农作物增产的80%[2]，施肥平均能使作物增产30%～60%[3,4]。在施肥过程中，有些肥料易于被土地吸收，但是碳酸氢铵和过磷酸钙等潮湿粉末状化肥具有潮湿、结块、粘附、架空的特性，这改变了它们散粒体的本性，成为流动性极差的化肥。因此，对于这类化肥需要特定的排肥器来完成相应工作[5,6]。随着科学技术的发展，排肥器的应用不仅用于流动性较差的肥料，在我国的东北平原、华北平原、江汉平原等地，施肥已经由传统的人工作业逐渐转为自动化作业.排肥器的使用不仅仅能有效降低农民的劳作时间、增加农民的效益，同时也是农业现代化的重要标志[7]。

排肥器一般在播种的同时向田间进行施种肥，它的性能直接关系到播种机械施肥的可靠性、施肥量的稳定性与均匀性等一系列性能指标。我国现有的排肥器生产厂家生产的排肥器，质量参差不齐，排肥性能不一，而现代农业化的精细发展，要求排肥器能够实现精量施肥，因此排肥器的性能测试变得尤为重要[8]。为此，本研究针对排肥器的性能测试，设计了一种排肥器性能检测装置，以有效测试排肥器的输出特性，为排肥器的性能提升、精细发展提供参考。

1 排肥器性能检测装置的结构设计

1.1 结构参数要求

排肥器性能检测装置根据目前市面上应用的排肥器进行设计，能测试目前市面上通用的排肥器。结合相关参数，排肥器的额定电压为220V，额定功率为3kW，旋转工作台转速为0～200r/min，且能实现无级可调，整个装置的整体尺寸为2.5m×1.0m×1.5m。

1.2 主体机架设计

排肥器性能检测装置的机架主要用于安装所测试的排肥器、检测机构、窗洞输出机构等，它是相关机构的安装基体，也是试验台的骨架，机架的整体结构如图1所示。传动辊通过传动辊安装机构2的左右轴承座进行安装，升降器通过升降台安装机构3安装；流量传感器通过检测安装机构4进行安装，其能进行左右滑动，根据排肥器的位置调节流量计的位置，排肥轴固定台5用于安装排肥轴固定轴承座。升降台安装机构3采用30mm×30mm、厚10mm的矩形钢焊接而成，其他结构的主体型材为50mm×50mm的矩形钢焊接而成，整体尺寸为2.5m×1.04m×1.07m。

1.机架；2.传动辊安装机构；3.升降台安装机构；4.检测台安装机构；5.排肥轴固定台图1 排肥器性能检测装置机架合件

1.3 升降台的结构设计

升降台主要是用来安装排肥器，能够实现多种排肥器的安装台，它能调整排肥器肥箱的高低位置，并能调节排肥的轴向位置，升降台结构原理如图2所示。升降器联结3用来联结升降器和导轨台4，主要包括升降器联结底板、导轨台联结、联结螺孔、加强筋等。导轨台主要包括导轨台4、导轨滑块5等，导轨台是用来安装导轨滑块、肥箱的装置，导轨台能利用控制台上的滑块机构和锥形齿轮机构，实现排肥量的自动控制；导轨滑块能在丝杠的作用下，滑动到所需位置。NOSEN螺旋升降器1选取为0.5t升降器，使用灵活、动力源广、噪音低、寿命长、功能多、安全环保，能按一定的程序和步骤精确地进行升降定位，也可以通过手摇轮2进行升降，其结构如图3所示。

1手摇轮；2NOSEN螺旋升降器；3升降联结；4导轨台；5导轨滑块；6升降器联结轴；7机架图2 升降台结构原理图1丝杠；2机壳；3手轮图3 NOSEN螺旋升降器结构图

1.4 排肥轴传动的设计

试验的排肥器由排肥驱动轴控制，排肥轴传动主要由控制电机、减速器、齿轮、链条排肥轴等组成，其传动原理如图4所示。传动机构能够通过减速器-电机组1将电机的高转速转化为实验装置所需的0～200r/min，链传动5为排肥轴输送传递动力，扭矩传感器6能检测排肥器的工作阻力；排肥轴2分别可驱动水平排肥轴3和竖直排肥轴4，从而驱动排肥器。

1.电机组；2.排肥轴；3.水平轴排肥器；4.竖直轴排肥器；5.链传动；6.扭矩传感器图4 排肥轴转动原理图

图5 试验台控制结构框图

2 排肥器性能检测装置控制方案

排肥器性能检测装置要求实现检测的智能控

制，控制台能够根据不同的排肥器型号设定不同的化肥种类、工作转速、工作时间、排肥量、排肥器工作长度(或角度)等参数[9]。结合排肥器性能检测装置的机械结构及其控制要求，设计的控制系统方案如图5所示。设计的控制系统能通过界面控制电机转速、PLC工作时间，使得排肥器能按照设定的实验条件进行工作，测试系统的扭矩传感器、流量传感器、称重传感器所测量的值能够实时反馈给计算机，相应的结果能通过计算机实时输出并根据需求进行打印。采用该方案完成的排肥器性能检测装置PLC控制系统能有效完成各参数的设定，实现排肥器性能检测装置自动化操作。

3 机架稳定性分析

机架作为排肥器性能检测装置的主体部分，在工作时，由于各部件的振动可能引起机架的弯曲裂纹、疲劳断裂等结构破坏，因此需要对机架进行模态分析，以了解机架的振动情况及其薄弱环节，为机架结构的进一步优化设计和加工工艺提供理论基础。

3.1 机架的振动学方程

模态分析通过对结构的激励和响应进行特性分析，从而得到其动特性参数[10,11]。根据弹性力学有限元法，机架的运动微分方程为

(1)

(2)

(3)

式中，ωi为机架第i阶模态固有频率。

为求解机架结构的自由振动固有频率，通过有限元法对其进行求解。

3.2 机架有限元模型

图6 机架有限元模型

采用Solidworks软件对机架进行三维建模，将机架的三维模型保存成“.xt”格式导入有限元软件Workbench中，设置材料属性后，进行网格划分，划分节点数为48123，网格数为25335，其网格划分图如图6所示。

3.3 加载与求解

结合机架实际工作状况，约束

机架底部4个支腿，并求解其前8阶模态，通过分析得到的前8阶固有频率如表1所示，各阶振型如图7所示。

由表1可知，随着阶次的增加，机架的固有频率逐渐增加；低阶次模态下，机架的相邻两阶

表1 机架各阶固有频率

间的固有频率之差较小，产生共振的效应可能性较大。由图7可知，机架的前三阶振型图表现为机架上部的弯曲振动及部分扭转振动。第四阶到第八阶振型图主要表现为机架中间连杆的弯曲振动和扭转振动。相关分析结果显示，在对应固有频率作用下，机架的结构容易产生较大的振动，为此工作时，要求各部件所运动的频率应偏离各阶固有频率，同时针对分析结果，后续针对机架上端和中部进行了改进，增加其稳定性和强度。

图7 八阶机架振型图

4 小结

1)针对排肥器的性能测试问题，设计了一种排肥器性能检测装置，对其主要结构进行了详细的设计与说明，并对排肥器性能检测装置的控制方案进行了介绍，该装置能有效测量目前市面上排肥器的性能。

2)通过Solidworks软件建立了机架的三维模型，并应用有限元软件Workbench对机架进行了模态分析。通过对机架的模态分析，得到了机架的一至八阶固有频率及其振型图，对各阶频率和振型图进行了探讨。机架一到三阶表现为机架上部的弯曲振动及部分扭转振动，第四阶到第八阶振型图主要表现为机架中间连杆的弯曲振动和扭转的振动。本研究可为机架的保护及进一步设计优化提供参考。

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[编辑] 余文斌

2017-02-23

明安祥(1984-)，男，硕士生，研究方向为农业机械设计。通信作者：陈义厚，349374780@qq.com。

TS203;S224.21

A

1673-1409(2017)10-0069-05

[引著格式]明安祥,陈义厚.排肥器性能检测装置的设计与研究[J].长江大学学报(自科版)，2017，14(10)：69～73.