新型智能撒肥机研究与设计

刘增辉，魏金波，霍鲁锋，陈希志，贾广腾，王志坤

（德州学院机电工程学院，山东德州 253023）

0 引言

全国农作物的种植面积逐年稳步上升，粮食产量喜获“十二连增”，而且农业机械化水平也越来越高。在增产增收上，全层施肥（将肥料均匀播撒于地表，然后用铧式犁耕翻入土或及时浇水，将肥料融入土壤）可以说起到了关键作用[1]。但是，通过到农村大量走访调研发现，山东省广大农村仍采用人工撒化肥的方式施肥，不但导致播撒不均、效率低、肥效不高，而且会造成化肥对人体的伤害。我国仅有少部分地区现在拥有大型撒肥机械，但都为大型农场，并不适用于我国较为普遍的精细化耕种方式。西方发达国家的大型撒肥机械起步早，而且发展很快，技术十分先进，但是其价格非常昂贵，并且也不适合我国当前的农业形势，因此依赖进口机械解决施肥环节的瓶颈问题还不现实[2]。

1 产品整体设计分析

智能撒肥机由机架、橡胶车轮、齿轮、链轮、电机、蓄电池、容纳箱、控制器和调速器等组成。

智能撒肥机技术参数见表1，智能撒肥机整体结构见图1。

表1 智能撒肥机技术参数

图1 智能撒肥机整体结构

2 关键部件设计

2.1 直流电动机选配

电动机具产品在田间实际工作中的功率（转矩、转速）输出、机械振动、耗电量等指标是考核、评价农机具主要性能和节能减排的重要指标[3-4]。直流电机的选配要考虑到机器在工作过程中需要克服摩擦力等。由摩擦力功耗计算公式可知。

m——整机质量，kg；

g——重力加速度，一般取9.8，m/s2；

f──橡胶轮胎滚动时摩擦因数；

υ——机器行驶速度，m/s。

根据撒肥机相关技术参数表计算得：P=99.1 W，因此选用额定电压12 V，功率100 W的无刷永磁直流减速电机。

功耗计算参数为整机质量20 kg，橡胶轮胎滚动时摩擦因数0.29，行驶速度1.5 m/s，效率系数0.86。

2.2 铅酸蓄电池的选用

蓄电池的作用是用充电器将交流电转化为直流电储存起来，以便负载使用。为了保证正常工作效率，应当选用坚实耐用且可持续使用的高性能铅酸蓄电池。

蓄电池供电系统：电流=100 W÷12 V=50/6 A，同时需要满足标准家庭连续工作5～10亩（1亩为0.006 7 hm2）地的工作需求。以每亩地10 min为例，蓄电池=50/6 A×1/6 h×10=500/36 A·h≈14 A·h。

另外，为了防止蓄电池过充和过放，蓄电池一般充电到90%左右，放电余留20%左右。所以，14 A·h也只是应用中真正标准的70%左右。

选定的蓄电池额定电压12V，蓄电池额定容量10 A·h。使用时，为了提高续航能力，建议使用2节铅酸蓄电池。

2.3 容纳箱及漏斗装置的选用

在平时施肥的操作中，会发现如果用手直接接触化肥会带来不适反应，而且施肥的设备与有些肥料直接接触时，设备容易被腐蚀、生锈或溶解。比如，用铁制的施肥机构时，磷酸会溶解金属铁，铁与磷酸根生成磷酸铁的沉淀物。所以，用磷酸做肥料时应用不锈钢或非金属材料的施肥机构。因此，应根据当地肥料使用的特点选择适宜材料制作的肥料容纳箱。

肥料对不同材料的腐蚀程度见表2。

表2 肥料对不同材料的腐蚀程度

结合表2，同时达到轻便目的，选用塑料为容纳箱的制作材料。

3 工作原理及性能分析

3.1 工作原理示意图及说明

智能撒肥机工作原理示意图见图2。

图2 智能撒肥机工作原理示意图

将化肥倒入料桶内，化肥通过漏斗装置底部的漏孔落下。打开电源开关，调节转速器使电机达到使用转速，电机通过链轮传动系统将动力间接传给齿轮传动系统，带动转盘做高速离心运动。转盘将上方漏孔落下的化肥，以高速离心力按一定半径完成化肥播撒工作。

3.2 产品性能分析

该智能撒肥机，是一款利用直流电机提供动力的小型农业机械，它的构造主要分为漏斗控制系统和传动控制系统两大部分。

上部主要是容纳箱及漏斗控制系统。容纳箱的材质是塑料，一方面原因是密度小、质量轻，另一方面是塑料材质可以防止化肥对箱体的腐蚀，延长使用寿命。箱体具有较大容积，一次性可容纳12.5～15.0 kg的化肥。容纳箱的上方有过滤网，能够阻挡固结成大块的肥块和化肥袋内的合格标签，避免对漏斗孔的堵塞。容纳箱底部连接着漏斗装置，3个漏孔均匀分布保证了播撒效果。漏孔的大小可以根据智能播撒系统进行调控，智能播撒系统控制漏孔开口大小并根据命令进行调节，保证土壤肥度均衡，避免了肥料的浪费，极大地节约了成本。

下部主要是电机驱动和齿轮传动控制系统。直流电机为整个系统提供动力，电机通过链轮与主轴相连，电机带动链轮转动，通过链条带动主轴转动，从而使车轮转动。齿轮传动系统控制转盘，固连在主轴上大的斜齿与转盘底部的齿轮相互啮合，转速比为1∶4，这样可使转盘在正常车速下保持做高速离心运动，从而使播撒半径大且播撒均匀。通过调速器对电机的转速进行调节，进而控制车速的快慢，同时也可定速，使电机的转速一定。

上下的整体配合，使该机器性能优越，可应用于复杂地形农田作业，同时也适合精细化耕种，使化肥的播撒工作便捷高效地完成。

4 结论

该机器结构设计小巧，适合单人操作，作业面积可达3 m，工作效率高，适合于精细化耕种的小型农场和大棚作业。该机器由电机提供动力，化肥由转盘处播撒出去，避免了化肥与人手的直接接触，减轻了化肥对人体的危害。山东省是一个农业大省，但传统的农业生产方式已不能适合当今快速发展的社会，新的生产方式亟待解决，新型智能播撒机就是对落后生产方式的转变。同时，该机械也满足了现代人要求高效、节能、环保的心理，技术水平高，未来的应用前景广阔，使产品在推广上有了很大的保证。

参考文献：

[1]刘云，王序俭.2SF-10型离心式撒肥机 [J].农业开发与装备，2005（5）：64-65.

[2]陈黎卿，陈玉，郑媛媛，等.微型电动施肥机的设计与试验 [J].机械设计，2013，30（8）：78-82.

[3]陈震邦.微型电动汽车总体设计原则的探论 [J].江苏大学学报（自然科学版），2003，24（5）：32-35.

[4]李从权，范超毅，苏爱涛.农用手扶电力驱动车的设计与试验 [J].农业工程学报，2011，27（2）：36-39.◇