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果树定量施肥机的研制(第10次修改)
分类号：S224.1 S220.2授予学位单位代码： 授予学位单位代码：10434 研 究 生 学 号：S2008083山|rI大W 硕 士 学 位 论 文果树挖坑定量施肥机的研制Study on the quantitative fertilizing machine for fruit trees研究生 ：学 科 专 业 ： 机械设计及理论 研 究 方 向 ： 现代设计方法与应用 学 院 ： 机械与电子工程学院指 导 教 师 ：2011 年 5 月 12 日关于学位论文原创性和使用授权的声明本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研究所取 得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要贡献的个人或 集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定，同意学 校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质本和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文和汇编本学位论文，同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到《中国学位论文全文数据库》 ，并向社会公众提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名： 导 师 签 名： 日 期：山东农业大学硕士学论文目录摘 要 ........................................................................................................................................ 1 ABSTRACT .............................................................................................................................. 2 1 引言 ......................................................................................................................................... 4 1.1 研究背景 .............................................................................................................................. 4 1.1.1 我国果树施肥现状 ........................................................................................................... 4 1.1.2 国内外挖坑机械、施肥控制方面研究现状 ................................................................... 5 1.2 研究内容 .............................................................................................................................. 6 1.2.1 课题来源 ........................................................................................................................... 6 1.2.2 研究内容 ........................................................................................................................... 7 1.3 研究目的和意义 .................................................................................................................. 7 1.4 研究方法与技术路线 .......................................................................................................... 8 1.4.1 研究方法 ........................................................................................................................... 8 1.4.2 技术路线 ........................................................................................................................... 8 1.5 本章小结 .............................................................................................................................. 8 2 总体方案设计 ....................................................................................................................... 10 2.1 果树施肥方法 .................................................................................................................... 10 2.2 主要工作参数 .................................................................................................................... 11 2.3 总体结构与工作原理 ........................................................................................................ 11 2.4 本章小结 ............................................................................................................................ 12 3 挖坑覆土装置设计 .............................................................................................................. 13 3.1 挖坑理论分析 .................................................................................................................... 13 3.2 钻头的设计 ........................................................................................................................ 16 3.3 传动系统的设计 ............................................................................................................... 19 3.4 土壤收集器的设计 ............................................................................................................ 22 3.5 关键零部件的优化分析 ................................................................................................... 22 3.5.1 升降托盘的静态分析 ..................................................................................................... 23 3.5.2 顶杆的分析及优化 ......................................................................................................... 24 3.6 本章小结 ............................................................................................................................ 25 4 动力与减速机构设计 .......................................................................................................... 26I果树挖坑定量施肥机的研制4.1 汽油机的选型 .................................................................................................................... 26 4.1.1 钻尖工作阻力矩的计算 ................................................................................................. 26 4.1.2 刀片切土阻力矩的计算 ................................................................................................. 27 4.1.3 升运土壤所需转矩的计算 ............................................................................................. 27 4.2 离合器的选择 ................................................................................................................... 28 4.2.1 离心离合器概述 ............................................................................................................. 28 4.2.2 离心离合器的选型 ......................................................................................................... 30 4.3 减速器的设计 .................................................................................................................... 30 4.4 本章小结 ............................................................................................................................ 30 5 施肥装置的设计 .................................................................................................................. 32 5.1 排肥器综述 ........................................................................................................................ 32 5.2 外槽轮排肥器 .................................................................................................................... 33 5.2.1 外槽轮排肥器排肥量分析 ............................................................................................. 33 5.2.2 试验测定每转排肥量 ..................................................................................................... 34 5.3 步进电机 ............................................................................................................................ 37 5.3.1 步进电机介绍 ................................................................................................................. 37 5.3.2 步进电机选型 ................................................................................................................. 39 5.4 本章小结 ............................................................................................................................ 41 6 控制系统硬件设计 ............................................................................................................... 42 6.1 单片机 ................................................................................................................................ 42 6.1.1 单片机的发展及选择 ..................................................................................................... 42 6.1.2 AT89S52 单片机的性能及特点 .................................................................................... 43 6.2 步进电机驱动器 ................................................................................................................ 43 6.2.1 步进电机驱动特点与要求 ............................................................................................. 44 6.2.2 步进电机驱动器的选择 ................................................................................................. 45 6.3 接近开关 ............................................................................................................................ 46 6.3.1 接近开关简介 ................................................................................................................. 46 6.3.2 接近开关的选择 ............................................................................................................. 47 6.4 本章小结 ............................................................................................................................ 48 7 控制系统电路设计 ............................................................................................................... 49II山东农业大学硕士学论文7.1 键盘电路 ............................................................................................................................ 49 7.2 液晶显示器接口电路 ....................................................................................................... 49 7.3 步进电机驱动器接口电路 ................................................................................................ 50 7.4 接近开关电路 .................................................................................................................... 51 7.5 单片机时钟电路与复位电路 ............................................................................................ 51 7.6 直流稳压电路 .................................................................................................................... 52 7.7 本章小结 ............................................................................................................................ 53 8 控制系统软件设计 ............................................................................................................... 54 8.1 编程环境简介 .................................................................................................................... 54 8.2 控制系统程序设计 ............................................................................................................ 54 8.2.1 控制系统软件流程 ......................................................................................................... 54 8.2.2 控制系统主要模块程序设计 ......................................................................................... 55 8.3 控制系统的软件仿真 ........................................................................................................ 58 8.3.1 仿真软件 Proteus 介绍 ................................................................................................... 58 8.3.2 控制部分 Proteus 仿真 ................................................................................................... 59 8.4 本章小结 ............................................................................................................................ 60 9 样机试制与性能试验 ........................................................................................................... 61 样机试制与性能试验 9.1 样机试制 ............................................................................................................................ 61 9.2 性能试验 ............................................................................................................................ 62 10 结论与展望 ......................................................................................................................... 65 10.1 结论 .................................................................................................................................. 65 10.2 展望 .................................................................................................................................. 65 参考文献 .................................................................................................................................. 66 致 谢 .................................................................................................................................... 73攻读学位期间发表论文情况.................................................................................................. 74III
山东农业大学硕士学论文摘要果树施肥是果树生产中关键作业环节，施肥质量直接影响果树养分的吸收状况，合 理施肥能使果树获得良好的生长条件。我国果树施肥技术处于刚刚起步阶段，机械化水 平很低，劳动强度大、效率低，设计一种能够控制施肥的果树施肥机械具有重要意义。 设计了一种果树挖坑定量施肥机械。在理论分析的基础上，利用 Solidworks 完成零 件建模和整机的虚拟装配，对关键零部件进行有限元分析；运用 Proteus 对控制部分电 路及程序进行仿真，验证其可行性。 果树挖坑定量施肥机主要由挖坑覆土装置、施肥装置、控制系统等组成。汽油机经 过减速器减速后驱动钻头旋转挖坑，控制油门实现钻头的无级变速；传动系统通过转向 轮、传动轴、链轮链条机构、齿轮齿条机构将动力作用在挖坑机构上，驱动钻头上升或 下降；土壤收集器收集挖坑过程抛出的土壤，施肥结束将土壤回填实现覆土填坑。 选用外槽轮排肥器，通过步进电机控制槽轮转动排肥，驱动器驱动步进电机，每步 转角 1.8°，能够充分保证定量施肥的精确性。通过对尿素、磷酸二铵、硫酸钾型复合肥 试验得到排肥的最佳转速及每转排肥量，确定三种施肥模式，由键盘输入施肥模式和施 肥量；应用霍尔式接近开关判断钻头高度，向单片机发出信号确定排肥时刻，单片机根 据排肥模式、排肥量及排肥时刻信号经过运算向步进电机驱动器发出一定数量及频率的 脉冲，从而控制步进电机以一定速度转过一定的角度，带动排肥器外槽轮转动排肥，实 现定量施肥的目的。 样机试验结果表明，挖坑直径为 50~200mm，深度在 300mm 内可调，施肥量在 100~1000g 之间可调，排肥误差小于 3%，能够满足果树定量施肥要求。 主要应用于果园施肥， 根据果树生长情况进行定量施肥， 能够一次完成挖坑、 施肥、 覆土工作，能较好地保持土壤水分，有效提高化肥利用率。果树挖坑定量施肥机也可用 于其他园林、田间作物的施肥，一机多用，具有良好的社会效益和经济效益，值得大力 推广。关键词：果树； 挖坑机； 单片机； 定量施肥1果树挖坑定量施肥机的研制ABSTRACTFertilization is the key link in the production operation of Fruit trees, and the quality directly affected the absorption of nutrients. The reasonable application can make fruit trees to get good growth conditions, which influences the yield of fruit trees. The fertilizer technology of fruit trees in China is just on the start stage, labor intensity and low efficiency. Designing fertilization machinery can control the fertilizer and instead of human will be the only way in fruit production. A kind of quantitative fertilization machinery is designed. Using Soildworks completes modeling, virtual assembly of the machine and finite element analysis of key parts. Part of control circuits and program are simulated by Proteus and verifying its feasibility. Quantitative fertilization machinery mainly consists of digging and casing soil part, fertilization device, control system etc. Drill is powered by gasoline engine to dig pits and the drill can realize infinitely variable speeds by controlling accelerator. The transmission system drives digging institution rising or falling through the steering wheel, transmission shaft, wheel chain institutions, and pinion and rack institution forcing on the lifting mechanism. To ensure the operation smooth, it is equipped with guide mechanism. Soil collector collects the thrown soil and backfill the soil to realize the purpose of casing soil. Fertilization device uses external tank wheeled fertilizer apparatus. The corner is controlled by stepping motor. Stepping motor is driven by stepping motor driver and the angle of each step is 1.8 degree. Its high precision control can fully guarantee the accuracy of quantitative fertilization. Determining the best speed and the quantity of fertilizer through the experiment, and it can provide the basis for the stability and accuracy of fertilizer. Choosing urea, diammonium phosphate and compound fertilizer analyze the quantity of fertilizer. Judging the height of drill and controlling the row moments by singling to Single-chip Microcomputer. MCU obtains the type of fertilizer, the quantity of fertilizer and the row moments and sends a certain number and frequency of pulse, so as to control stepping motor turning a certain angle with a certain speed. Then drive quantitative fertilizer in order to realize the expected purpose.2山东农业大学硕士学论文The result shows that the diameter of pits is 50~200 millimeters, the adjustable depth within 300 millimeters, the adjustable quantity is between 100~1000 grams and the error ofquantitative of fertilization within 3% can very good meet the need of quantitative fertilization for fruit trees. Quantitative fertilization machinery is mainly applied to complete quantitative fertilization. It can complete digging, fertilization, covering earth at a time. That can keep soil moisture better, improve utilization ratio of fertilizer effectively. Quantitative machinery also can be used in other gardens and fertilizing on field crops. It is a type of multi-used machinery. It is worth promoting because of the good social benefit and the economic benefit.Keywords: MCU; quantitative fertilization3果树挖坑定量施肥机的研制1 引言1.1 研究背景1.1.1 我国果树施肥现状目前在果树施肥工作中，多数果农仍沿用传统的人工挖沟或挖坑撒肥的方式，该方 法化肥利用率低，大大增加果农的劳动强度。图 1-1 小型果树施肥器 Fig.1-1 Small fertilizing machine for fruit trees图1-1所示为一种小型果树施肥器，已被很多果农采用，得到了一定的推广，该施 肥器由人力操作，通过一只脚向下用力将施肥杆端尖嘴压入土壤中，达到需要的深度后 施肥器挡板被打开，储肥盒中的肥料流入土壤中；工作中，可以根据需要适当调整钻孔 的深度及每孔的排肥量。该施肥器结构简单，使用方便，能够提高肥料的利用率，但劳 动强度仍较大，而且孔的直径、深度有很大局限性，每次施肥量较少，比较适合农作物 的田间追肥。图 1-2 果树挖沟施肥机 Fig.1-2 The ditching machine for orchard fertilization 4山东农业大学硕士学论文江西某农机厂参照农田播种机的结构，研制出果树挖沟施肥机，如图1-2所示。该 机依靠发动机取代人力，大大减轻了果农的劳动量，但由于整机体积较大，部分果园无 法通过，而且在施肥上，不能具体控制施肥量，不能根据果树及土壤的实际情况进行施 肥量的调节，造成肥料的浪费，产生一定的农业环境污染。 目前国外在果树施肥机械的研究方面， 也处于刚刚起步阶段。 果树施肥机械的研究， 可以从以下两个方面考察：首先，根据果树生长特点，确定施肥方式，多数果树采用挖 沟或挖坑的形式；第二，参照精准农业变量施肥机具的研究，确定施肥器的类型及其控 制方式。果树挖坑定量施肥机拟采用挖坑方式定量施肥，在挖坑机械及精密施肥控制方 面，国内外已有大量研究，并已取得了一定成果，可以很好的借鉴。1.1.2 国内外挖坑机械、施肥控制方面研究现状在挖坑机械的研究方面，国内的一些高等院校和科研院所进行了大量研究分析，对 挖坑机械进行了大量研究，对钻头升土理论及钻头临界转速的研究、钻头螺旋面强度的 分析以及螺旋升角的选择等问题，得出了在不同条件下挖坑机的动态力学参数，指出了 钻头转矩的主要影响因素，对挖坑机的一些结构参数的确定起到了指导作用，为挖坑机 的优化设计提供了理论支持（屈锦卫，2006）。 相比之下，国外挖坑机械的研究状况更好一些，日本生产的自走式高性能挖坑整地 机采用柴油机作动力，行走装置除轮胎外还配有行走脚，平时用轮胎行驶，坡地靠行走 脚行走，可在坡度高达56°的陡坡林地作业，作业时，4只脚可上下左右移动，并能保 证包括驾驶室在内的机器上半部始终呈水平状态；英国生产的05H8300型悬挂式挖坑机 和美国生产的悬挂式三钻头挖坑机钻头之间的距离可调节，工作效率很高；美国生产的 MDL-5B型挖坑机， 充分考虑了人-机工程学原理， 工作时发动机离操作者有较远的距离， 大大减少了噪音对操作者的影响；有的手提式挖坑机安装了1个支点(即轮子)，使挖坑 机的携带比较方便，工作时还可以把挖坑机的反向转矩释放给轮体，减小操作者手上的 反向力矩，增加其安全性，并减轻了操作者的疲劳程度。 施肥方面的进展，主要体现在农业方面，包括施肥机械的发展及控制方式的多样 化、智能化等，可以将其归结到精确农业的范畴。以精密施肥为重点的精确农业近几年 发展势头迅猛，以航空为主的遥感技术开始在精确农业中广泛采用。国外对精确农业的 发展侧重点有所不同，其中北美的精确农业技术以施肥上的应用最为成熟。 法国的精确农业研究和应用起步较晚， 但研究内容却相当广泛， 应用水平也相当高，5果树挖坑定量施肥机的研制尤其是联合收获机产量图生成及质量测定、施肥机械和电子化植保机械，已经能够利用 GPS和GIS系统进行变量作业；如法国“女骑士”肥料撒播变量控制系统已大量应用于 各种类型的离心式肥料施肥机上（汪懋华，1998）。 德国有关专家在提高农业生产技术、改善经营方式，合理使用肥料和农药方面作了 许多研究。 如POTSDAM-BENNIM农业技术研究所在1993年就提出利用全球定位卫星来 解决局部土地因多样性、复杂性带来的耕作问题，在生产技术上采用因地制宜的不同处 理方式。日本京都大学和日本国家农业机械化研究所对小型地块在变量施肥、作物测产 和农业机械卫星导航等方面的研究都处于比较独特地位（北京精准农业示范工程工作简 报，2002）。其变量施肥机的主要工作原理是每个单独的排肥机构通过各自相联的电机 驱动，排肥量的多少通过调节电机的转速来实现，拖拉机的位置由GPS来实现定位。肥 料从排种机构排出后，通过旋转风机的气流把肥料输送到各个排肥口，然后散落在土壤 地表，每个电机由固定在拖拉机上的计算机来进行控制，计算机即作为导航机构同时又 承担实现变量施肥的控制功能。 我国精确农业的思想也已经逐渐被社会接受，并将一部分研究成果应用到实际中。 目前，我国比较有代表性的研究机构有：中国农业大学精细农业研究中心，北京农业信 息技术研究中心，上海精确农业公司，浙江大学精确农业研究中心，中国农业科学院， 黑龙江八一农垦大学和吉林大学精确农业研究中心（杨印生等，2000）。吉林大学马成 林教授作为学科带头人开辟了精确农业研究的新方向，已经完成国家“九五”攻关项目 “变量深施肥机的研制”和吉林省科委项目“精确农业自动变量施肥技术的研究”，对 如何实施精确农业自动变量施肥技术进行了深入地探讨，提出了分步实施“精确农业” 的设想：第一步进行手控变量投入；第二步采用智能化机具进行全自动变量投入。吉林 大学为了适应第一步手控变量投入技术的应用，已完成了“手动变量深施肥机”的研究 开发。目前正在吉林省榆树市进行“机械化精确施肥技术示范”，已开始第二步“精确 农业”研究示范应用。1.2 研究内容1.2.1 课题来源本课题得到了科技部支撑计划项目资助（编号 2008BAD092B08，主要果树高效标 准生产技术研究） 。6山东农业大学硕士学论文1.2.2 研究内容运用农机与果品生产工艺相结合的方法，根据果树栽培的要求及农业施肥机械的发 展现状，对农业施肥机械优化并加以集成和耦合，研究开发一种经济实用、能够控制施 肥量的果树挖坑定量施肥机，主要研究内容： （1）综合分析、比较各种果树施肥方法及特点，选择最佳施肥方案。 （2）参照挖坑机械、施肥机械等现有农用机具的结构和工作原理，结合果树生长 要求，确定果树挖坑定量施肥机的实施方案：以小型汽油机作动力驱动钻头挖坑，以步 进电机为排肥执行机构驱动排肥器排肥，控制部分以单片机为核心，通过控制排肥器转 过的角度实现定量施肥。 （3）根据化肥的多样性，拟设定三种排肥模式，通过所选择肥料试验确定每种肥 料的最佳转速及每转排肥量，并根据试验结果进行控制部分的软件编程。 （4）设计土壤收集器，在挖坑过程收集抛出的土壤，施肥结束，将土壤回填。 （5）根据施肥要求，选择单片机、接近开关、步进电机驱动器等，并合理设计电 路，利用 C 语言编写相关软件程序，通过 Proteus 仿真验证程序与电路的正确性，完成 控制部分的设计。 （6）试制样机，进行样机性能试验，根据试验情况，进行改进设计。1.3 研究目的和意义随着农村经济的发展，产业结构的调整，林果业已成为农民致富的一条重要渠道， 果树成为农村重要的经济作物之一。在果树栽培方面，我国果树施肥机械化水平很低， 仅在植保和运输上推广了低水平的作业机械，化肥成本在果树生产的投入中占有较大的 比重，其投入量与利用率直接影响果农收入和环境质量，传统的果树施肥方式，大大增 强了果农的劳动强度，造成大量人力物力的浪费，由于施肥的不合理性，产生了一定的 环境危害，果树栽培存在平均单产低，产量不稳定，果品质量差等缺点。 参考发达国家因农业工程技术所带来的劳动效率和产量增长的经验，我国果树生产 有必要加大工程技术的投入，必须依靠高科技手段，利用现代化机械设备实现果树施肥 的机械化，自动化，实现按需定量施肥，提高土地利用率、劳动生产率。果树定量施肥 能够有效利用资源，并能保护环境资源。 果树挖坑定量施肥机的研制得到国家科技部支撑计划项目资助（编号 2008BAD092B08，主要果树高效标准生产技术研究） 。能够根据果树生长情况进行定量7果树挖坑定量施肥机的研制施肥，具有施肥均匀，深度可调，覆土良好等优点。能够一次完成挖坑、施肥、覆土工 作，不仅工效高，而且能较好地保持土壤水分，有效提高化肥利用率，减少养分和环境 污染。同时，能够大大减轻果农的劳动强度，显著提高果树的产量。果树挖坑定量施肥 机的研制对我国果树的生产具有重大的意义。1.4 研究方法与技术路线1.4.1 研究方法查阅相关资料，完成前期调研，确定果树挖坑定量施肥机整体方案，以计算机为手 段，通过 SolidWorks 进行零部件设计和运动仿真，依据分析结果进行参数优化，利用 Autocad 绘制零件图及装配图，对个别重要零部件进行有限元分析，并优化设计；控制 系统电路及软件程序通过 Proteus 仿真验证其可行性；试制样机，对样机进行性能试验， 根据测定指标值进行改进设计。1.4.2 技术路线技术路线如图 1-3 所示。1.5 本章小结（1）介绍研究背景，包括国内外果树施肥相关机械发展现状以及目前我国果树施 肥存在的问题。 （2）针对现有果树施肥方法的欠缺，以及果树施肥的具体要求确定了研究内容、 研究方法及技术路线。 （3）介绍果树挖坑定量施肥机研制的目的与意义。8山东农业大学硕士学论文了解现有果树施肥机械的结构和工作原理 果树施肥的工艺要求确定果树挖坑定量施肥机的总体方案关键参数的确定及关键部件的结构设计计算机建实体模型对果树挖坑定量施肥机进行结构分析是否满足要求？否是 绘制零件图、装配图控制部分硬件设计与软件编程软件仿真验证电路及程序的可行性是否可行？否是 试制样机样机试验及改进课题鉴定 图 1-3 技术路线Fig.1-3 Technical route9果树挖坑定量施肥机的研制2 总体方案设计2.1 果树施肥方法果园施肥中，肥料种类、施肥时期、施肥量、施肥方法的确定，受果树种类、环境 条件、栽培措施以及土壤测试结果等综合因素的影响，统筹安排才能达到科学施肥、经 济用肥、提高肥料使用率的目的。果树根系的生长具有向肥性，水平根和垂直根均有这 种特性，由于施肥方法不同，可造成根系分布的较大差异；施肥深度对根系的影响因时 而异，一般在生长后期或休眠期，即使断伤部分根系，影响也不大。但在生长季节伤害 根系，会破坏根系吸收水分和蒸腾作用的平衡关系，对果树的生长发育不利，因而基肥 深施为好，追肥则以浅施较为安全；肥料性质不同，施肥方法也有所不同，有机肥分解 缓慢，肥效长，宜堆沤腐熟后做基肥均匀深施，速效性的化肥，易溶速效，肥效短，在 土壤中渗透性强，一般宜做追肥浅施。果树施肥方法主要有以下几种（周东晓，2005）。 （1） 环状施肥。 又叫轮状施肥， 是在树冠外围稍远处挖一环状沟， 沟宽约30~40 cm， 深约20~40 cm，把肥料施入沟内，与土壤混合后覆盖。此法具有操作简便、经济用肥等 优点，适用于幼龄树使用，但挖沟时易切断水平根，且施肥范围较小，易使根系上浮而 分布于表土层。 （2）放射状沟施肥。放射状沟施肥是在树冠下，距主干100 cm以外，顺水平根生 长方向放射状挖5~8条施肥沟，宽约30~50 cm，深约20~40 cm，将肥料施入。为防止大 根被切断，应内浅外深挖沟，来年或隔次更换位置，并逐年扩大施肥面积，以扩大根系 吸收范围。 （3）条沟施肥。即在果树行间，树冠投影内外，挖宽约20～30 cm，深约30 cm的 条状沟，将肥料施入，每年更换位置。此法适宜于宽行密株栽培的果园，较便于机械操 作。 （4）穴状施肥。即在树冠外围，每隔50 cm左右环状挖穴3～5个，直径约20 cm， 深约20～30 cm。此法多用于追肥，如施液态肥，以减少与土壤接触面，免于土壤固定。 （5）全园施肥。即在果园树冠已交接，根系已布满全园时，先将肥料散于地面， 再翻入土中，深约30 cm。但因施肥较浅，常诱发根系上浮，降低根系抗逆性。 （6）灌溉式施肥 即将肥料溶于水中，与喷灌、滴灌相结合施入土壤中。 根据设计要求，选用穴状施肥，即通过挖坑的方式，将肥料施入坑内，与土壤混合 后覆盖。10山东农业大学硕士学论文2.2 主要工作参数果树挖坑定量施肥机主要工作环境为果园或者农田、菜地等，根据果树施肥相关要 求，确定其总体要求与主要工作参数如下： (1)挖坑深度：0~300mm； (2)挖坑直径：在 50~200 mm 范围内； (3)施肥量：100~1000 g/坑； (4)施肥误差：小于 3 %； (5)施肥结束能够直接覆土填坑。2.3 总体结构与工作原理整机总体结构如图 2-1 所示，主要由挖坑覆土装置，施肥装置，控制部分，机架等 组成。图 2-1 果树挖坑定量施肥机整体结构图 Fig.2-1 Total structure of fertilizing machine for fruit trees 1.机架 2.齿轮轴 3.齿条套筒 4.升降底架 5.圆柱齿条 6.挖坑机构 7.链轮链条机构 8.肥料箱 9.排肥器 10.步进电机 11.棘轮机构 12.转向轮 13.传动轴 14.万向节 15.后轮 16.输肥管 17.钻头 18.土壤收集器 19.前轮11果树挖坑定量施肥机的研制挖坑覆土装置主要包括由挖坑机构、传动系统、升降机构、土壤收集器等，主要完 成挖坑与覆土工作。挖坑机构主要由动力部分、离合器、减速器组成，汽油机减速后驱 动钻头旋转切土；升降机构用于连接挖坑机构与传动系统，通过滑轮进行导向；传动系 统主要由齿轮齿条机构、链轮链条机构、棘轮机构、万向节、传动轴等组成，实现远距 离对钻头升降的控制；土壤收集器用于收集挖坑过程抛出的土壤并在排肥后将土壤回 填，进行覆土。排肥装置执行部分为步进电机与排肥器，由步进电机驱动排肥器实现定 量排肥；控制部分以单片机为核心，通过单片机采集施肥模式、排肥量、排肥时刻等信 息，通过步进电机驱动器控制排肥装置排出定量的肥料。 果树挖坑定量施肥机工作过程如图 2-2 所示，首先开启发动机，在键盘上输入施肥 量信息后，通过传动系统、升降机构驱动钻头下降，并操纵油门控制器使钻头以一定的 速度转动进行挖坑；挖坑结束，降低钻头转速并提升钻头，当钻头提起至某一高度，接 近开关向单片机发出信号，单片机输出一定频率、数量的脉冲信号到步进电机驱动器， 从而控制步进电机转动，带动排肥槽轮排肥。传动系统中设有棘轮装置可对钻头在不同 高度进行定位。 排肥结束继续提升钻头进行覆土工作，覆土工作主要依靠土壤收集器实现，钻头挖 坑过程抛出的土壤顺着钻头螺旋进人套筒上部，并被钻头螺旋挡在上面；排肥结束，随 着钻头继续上升，当钻头螺旋部分离开套筒下部，土壤顺着套筒内壁滑落到坑中，完成 覆土工作。启动发动 机运转 键盘输入 施肥量 驱动钻 头挖坑 提升钻 头排肥 提升钻 头覆土图 2-2 果树挖坑定量施肥机工作流程 Fig.2-2 The workflow of fertilizing machine for fruit trees2.4 本章小结（1）介绍了果树的施肥方法及要求，确定了主要工作参数。 （2）确定果树挖坑定量施肥机的整体方案及工作过程。12山东农业大学硕士学论文3 挖坑覆土装置设计3.1 挖坑理论分析(1)土壤质点的运动规律。钻头工作包括切削土壤和升运土壤两个过程，为了能够 更好的实现升土工作，应该研究任意土壤质点的运动规律。现取钻头螺旋面外缘的土壤 质点 M 进行分析，ω 为钻头旋转的角速度，钻头在旋转的同时沿 Z 轴以线速度 Vs 向下 做进给运动，图 3-1 所示为该土壤质点的速度图，图 3-2 为该土壤质点的受力图。r0r0图 3-1 土壤质点的速度图 Fig.3-1Velocity diagram of soil particle图 3-2 土壤质点的受力图 Fig.3-2 Force diagram of soil particleu v uu v 由图 3-1 可知，钻头外缘 r0 处的圆周速度 V 与钻头垂直向下进给速度 Vs 的矢量和为uu v uu v uu v 质点 M 的牵连速度 Ve ，其牵连速度 Ve 与与相对速度 Vr 的矢量和为质点 M 的绝对速度 uu v Va ，即： uu u uu v v v Ve = V + Vs uu uu uu v v v Va = Ve + Vr可得到：Vs = Sω = r0ω tan γ 2π (3-1)式中： S ―钻头工作时每转进给量，mm；13果树挖坑定量施肥机的研制r0 ―钻头螺旋叶片的外圆半径，mm；γ ―M 点的牵连速度与水平面的夹角。Vz = Vrx tan α ? r0ω tan γ(3-2)由于质点 M 位于匀速转动的钻头螺旋面上，且相对于钻头螺旋面向上滑动，所以 其运动轨迹为曲线，根据曲线运动的特点，其绝对加速度等于牵连加速度、相对加速度 和科氏加速度的矢量和。 即：aa = ae + ar + ak通过受力分析，可以得到土壤质点 M 所受到的作用力有:G ―质点 M 的重力，N； N1 ―螺旋面对质点 M 的垂直反力，N； F1 ―钻头表面作用于质点 M 的摩擦力，N， F1 = f1 N1 ； N 2 ―坑壁对质点 M 的垂直反力，N； F2 ―坑壁侧面作用于质点 M 的摩擦力，N， F2 = f 2 N 2 。根据力系平衡推导，得出：Vz = r0 tan α ?ω ?? ?? ?? ω tan γ g ? ? ? tan α r0 f 2 cos β [cot(α + ?1 ) ? tan β ] ? ?(3-3)式中： α ―钻头螺旋面 r0 处的螺旋角；β ―质点 M 的绝对速度 Va 与水平面的夹角；f1 ―土壤与金属之间的摩擦系数， f1 = tan ?1 ； f 2 ―土壤的内摩擦系数。由上式可知，土壤质点的垂直速度随着钻头角速度和直径的增加而线性增加，随着β 的增加，土壤质点随钻头升运至地面所完成的圆周运动减小。(2)钻头升运土壤的条件。由式(3-3)可知，要使土壤质点从坑内向上升运至地面， 必须使 Vz & 0 ，则应该满足以下条件：tan α & tan γ ，即 α & γ14山东农业大学硕士学论文cot(α + ?1 ) ? tan β & 0 ，即 900 ? (α + ?1 ) & β令 β & 0 ，则有 (α + ?1 ) & 900 ，结合以上不等式得钻头升运土壤的条件为：γ & α & 900 ? ?1若在式(3-3)中取 Vz = 0 和 β = 0 ，可求得钻头转速的临界值 n临 ,即临界转速：(3-4)n临 =9.6g tan(α + ?1 ) (1 ? tan γ / tan α )2 r0 f 2(3-5)式中： g ―重力加速度；α ―螺旋面外缘处的螺旋角；?1 ―土壤与钢(螺旋面)之间的摩擦角， ?1 = 30o ；γ ―螺旋面外缘处土壤质点牵连速度与水平面的夹角， γ = 22' ；r0 ―钻头螺旋半径，m， r0 = 0.1 m；f 2 ―土壤的内摩擦系数， f 2 = 0.96 ；只有当钻头的转速大于临界转速时，土壤质点才能向上升运。在设计钻头时，首先 结合 γ & α & 900 ? ?1 ，选取 α ，将选取的 α 值代入（3-4）计算 n临 ，使钻头工作转速大 于临界转速即可。 根据国内外试验资料，手提式挖坑机通常取 α = 10°~16°。 (3)土流运动规律与钻头不堵塞的条件。在钻头的表面上可以划分为三个区：在与 坑壁接触的第一区，整个土层以同样的垂直速度 Vz 向上运动；在距坑壁一定距离的第二 区，土层运动的垂直速度由一、二区交界处的 Vz 减小到二、三区交界处的零；从第二区 到钻头主轴为第三区，该区的土壤没有向上运动的速度，仅在下层土壤的支承和挤压下 有所上升(曾德超，1995)。 通过选择第二区单元体进行分析，得出其垂直运动速度 Vzcp ：Vzcp = Vz C式中： C ―土流垂直运动速度减小系数。 如果进入钻头的土壤聚集在钻头表面，充满整个钻头空间，则钻头会被堵塞而无法15果树挖坑定量施肥机的研制进行工作，若用 Q 表示钻头的空间，用 Q ' 表示积聚在钻头表面的土壤体积，即Kr0 2 S ω H Q= 2VzcpQ ' = π r0 2 H(3-6) (3-7)KS ω 2π (3-8)则保证钻头工作不堵塞的临界条件为：Vzcp ≥ 式中： K ―土壤的蓬松系数；S ―钻头每转一转的进给量，mm；ω ―钻头的角速度，rad/s。通过（3-8）可以看出，使钻头正常工作不堵塞，必须根据土壤条件，钻头转速， 钻头每转进给量等参数进行综合考虑。3.2 钻头的设计选用螺旋式钻头，螺旋式钻头主要由钻杆、螺旋翼片、钻尖组成。图3-3为钻头模 型图。图3-3 SolidWorks下生成的钻头模型 Fig3-3 Drill model in SolidWorks工作时钻头旋转同时向下作进给运动，在挖坑过程中钻尖不仅起到定心作用，并切 去中心部分的土壤，继而按一定角度配置的钻铧切土，钻铧切下的土壤沿着螺旋翼片上 升，并抛出坑外，土壤出坑的数量由钻头螺旋部分的长度决定。螺旋式钻头分为单头螺 旋钻头和多头螺旋钻头，单头螺旋钻头工作时消耗能量较少，但由于切土负载不对称， 因此工作稳定性比双头螺旋式钻头差，为了克服上述存在的缺点，单头螺旋式钻头可安16山东农业大学硕士学论文装两个钻铧，按径向对称布置（卓凤英，1989）。为保证较高的输送效率和尽量降低工 作扭矩，根据有关数据提供的实验数据，在本设计中，螺旋升角选为10°，在该角度下， 可适量降低扭矩， 钻头对土壤的输送能力强， 工作阻力小， 输送效果好 （黄仁楚， 1996） 。 （1）螺旋外径 D 的确定。螺旋外径 D 根据挖坑直径 D0 确定，因为挖坑过程中，钻 头摆动会将坑径扩大，所以在设计时，钻头螺旋的外径 D 应取略小于坑直径 D0 。随着 挖坑的土壤类型不同，其取值有所差异，可根据下列经验公式确定。 （卓风英，1989） D = (0.92 ? 0.98) D0 本设计取 D = 0.95 D0 = 0.95 × 200 = 190 mm。 （2）螺旋长度 H 0 的确定。钻头的螺旋才长度 H 0 应大于坑深 H ，本设计中需要钻 头螺旋将挖出的土壤输送到土壤收集器上套筒中，螺旋长度选为 H 0 =400 mm。 （3）螺旋升角 α 和导程 h 的确定。根据螺旋直径 D 按下列经验公式计算导程 h ，h = 0.55 ? 0.9 D (3-10)(3-9)取 h = 0.8 D = 0.8 × 190 = 155 mm；计算螺旋升角 αα = cotα = 15oh πD(3-11)（4）进给量 S 的确定。钻头每转进给量 S ，应视土壤情况和动力大小而定，一般10~60 mm（刘少刚，1989）。钻头每转进给量 S 与螺旋外缘一点运动方向与水平面的夹角 ξ 的关系由下式确定得：S = πD0 tgξ ×103 ，式中： D0 ― 穴径（m） ，作为螺旋钻头的计算直径；(3-12)ξ = 0 .6 o 。S = π × 200 × tg 0.6 × 103 = 6.58 mm；取整得S=10 mm。 （5）螺旋工作转速 n 的确定。根据式（3-4） ，钻头升土运动的临界转速：n临 = 121 r/min；确定工作转速 n ：n = knk(3-13)式中： k ―系数，经验值， k = 1.2 ? 2 ，取 k = 1.717果树挖坑定量施肥机的研制n=200 r/min 选定参数，通过式（3-5）分析，钻头能够正常工作，不堵塞。 （6）钻头主轴的设计。挖坑机钻头主轴在工作过程中主要承受扭矩，为保证钻头 正常工作，钻头主轴的抗扭强度必须满足设计要求，因此应对轴进行抗扭强度校核，强 度校核公式如下：τ max =式中： τ max ―最大切应力，MPa； Tmax ―最大扭矩，N.m；W p ―抗扭截面系数。Tmax ≤ [τ ] Wp(3-14)通过强度校核公式得知，钻头材料及最大扭矩确定后，其抗扭强度主要取决于抗扭 截面系数，抗扭截面系数是机械零件和构件的一种截面几何参量，仅与截面的形状与尺 寸有关。对于实心轴与空心轴其抗扭截面系数分别为：W p实 =Wp空 =π D实 316d空 D空(3-15) ）π D空316(1 ? α 4 ) （其中 α =(3-16)式中： W p空 ―空心轴抗扭截面系数；W p实 ―实心轴抗扭截面系数；D实 ―实心轴的外径，mm； D空 ―空心轴的外径，mm； d空 ―空心轴内径，mm。如果令空心轴与实心轴具有相同的抗扭强度，即抗扭截面系数相等，将式(3-15)(3-16) 代入则有：D实3 =D空3 -α 4） （1假设钻轴长度为 L ，则实心钻轴与空心钻轴质量分别为：1 m实 =ρ . π D实 2 l 4 1 m空 =ρ . π D空 2 -d空 2）l （ 418(3-17)(3-18) (3-19)山东农业大学硕士学论文对式(3-17)(3-18)(3-19)进行整理得：m空 =m实 -α ） (1-α 2 ) （14?2 3(3-20)令 f (α ) = (1 ? α )4?2 3(1 ? α 2 ) ，则可表示为：(3-21)m空 =m实 f (α ) ， (0 & α & 1)因为函数 f (α ) 为在(0,1)区间的单调递减函数，取值为 0 & f (α ) & 1 ，如图3-4所示， 则 m空 & m实 且 α 取值越大， m空 值越小。图3-4 函数 f (α ) = (1 ? α 4 )?2 3(1 ? α 2 )? 2Fig.3-4 The graph of f (α ) = (1 ? α 4 ) 3 (1 ? α 2 )上述分析说明，在满足同样抗扭强度条件下，空心轴与实心轴相比，质量可以明显 降低，所以选择空心轴可以节省材料，而且 α 值越大，质量越小。根据式(3-16)空心轴 抗扭截面系数公式，如果 α 增加，需同时增加空心轴的外径来保证抗扭截面系数不变。 因此，选择空心轴，需要合理选择内径与外径，实现既能满足强度条件又能最大程度地 节省材料。 确定钻头主轴为空心轴，计算得外径34 mm，内径26 mm。3.3 传动系统的设计钻头的下降或提升主要通过传动系统实现，传动系统包括齿轮齿条机构，链轮链条 机构，棘轮机构，转向轮，传动轴等，图3-5为传动系统传动路线图。 传动路线如下：转动转向轮将动力传至输入轴，通过万向节、中间轴、输出轴，带 动输入链轮转动， 在链轮链条机构作用下， 将动力传到齿轮轴， 通过齿轮与齿条的啮合，19果树挖坑定量施肥机的研制带动圆柱齿条上升或下降，并通过升降底架带动挖坑机构运动，实现钻头的升降。输入 轴上设有棘轮机构，可对钻头在不同高度进行定位。图 3-5 传动系统示意图 Fig.3-5 Drive system of lifting parts 1.圆柱齿条 2.齿轮轴 3.输入链轮 4.输出链轮 5.输出轴 6.8.万向节 7.中间轴 9.输入轴 10.棘轮机构 11 转向轮齿轮齿条机构中，采用圆柱齿条，直径40 mm，在圆柱齿条上开有导向槽，并配合 定位销，防止传动中齿条发生周向偏移。与齿条相啮合的齿轮选择标准直齿圆柱齿轮， 齿轮分度圆直径 d =47.5 mm，模数 m =2.5 mm。 根据设计要求，如果挖坑深度选择200mm，齿条的行程为400 mm ，对应齿轮转过 2.7圈，整个工作过程，齿条需要完成两个行程，对应转向轮正反分别转过2.7圈，完成 一次工作过程。 选用常用的08A链条和链轮啮合传动，输入链轮的转动为人力操作，转速较低，选 定输入链轮齿数 z1 与输出链轮齿数 z 2 相等， z1 = z 2 =17，链条节距pr=12.7 mm。 棘轮机构一般用来作为机械中防止逆转的制动装置或用于间歇传动，在某些低速， 手动操纵的场合使用比较频繁。棘轮的齿形已经标准化，棘轮的齿数通常在6~30的范围 内选取，齿数越大冲击越小，但尺寸较大（成大先，2007）,图3-6为棘轮模型图。20山东农业大学硕士学论文图 3-6 棘轮模型图 Fig.3-6 The model of ratchetin根据工作状况及使用条件， 选用棘轮齿数 Z = 12 。 棘轮模数按齿受弯曲计算来确定：m = 1.75 3 T zψ mσ p (3-22)式中： m ―棘轮模数，mm；T ―棘轮轴所受的转矩，N.m，取 T =500 N.m；z ―棘轮齿数，取 z =12；ψ m ―齿宽系数，取ψ m =1.5；σ p ―棘轮齿材料的许用弯曲应力，MPa，选用45钢， σ p =120 MPa；选择 m =6 mm，能够满足齿弯曲强度条件，按齿受挤压进行验算： m≥2T zψ m Pp (3-23)式中： Pp ―许用单位线压力，N/mm，选用45钢， Pp =400 N/mm； 经验算，模数 m =6 mm满足齿受挤压的强度条件，根据选定模数进行其它参数的计 算，棘轮各项参数如表3-1所示。表3-1 棘轮齿形参数计算Tab.3-1 Parameters calculation of ratchet模数m (mm) 6齿距 t (mm) 18.85齿高 h (mm) 4.5a(mm) 6齿根圆角半径 r (mm) 1.521果树挖坑定量施肥机的研制3.4 土壤收集器的设计根据设计要求，排肥后直接进行覆土，覆土工作主要由钻头与土壤收集器完成。土 壤收集器由上下两个直径不同的圆筒组成，根据钻头螺旋外直径及土壤自然休止角确定 套筒尺寸，保证覆土过程土壤能顺利滑下。土壤收集器通过提升拉杆与升降底架连接， 拉杆可以沿着土壤收集器上下滑动。下降过程，当土壤收集器与地面接触后，钻头需要 继续下降，从而在土壤收集器静止的情况下，拉杆可以沿着导向环继续下降，直到满足 钻头下降要求；工作结束后，提升拉杆，可以利用拉杆下端的圆盘将土壤收集器托起。 挖坑过程，抛出的土壤顺着钻头螺旋翼片上升到土壤收集器中；挖坑结束，土壤收 集器不动，将钻头提起一定高度开始排肥，肥料顺着排肥管流入坑中；排肥结束继续提 升钻头，随着钻头的上升，土壤收集器中的土壤沿着筒壁滑落，回填到坑中完成覆土工 作，如图 3-7 所示。挖坑施肥 图3-7 工作过程示意图 Fig.3-7 Diagam of working process.覆土3.5 关键零部件的优化分析能否研发设计出更好的产品，关键零部件的设计尤为重要，在升降机构的设计中对 个别关键零部件通过Pro/Mechanica模块进行了有限元分析。 Pro/Mechanica是一个有CAD 模块为奥援的结构、热力分析软件。通过Pro/E所建构的几何模型，可以完全转到 Pro/Mechanica里来做结构/热力分析，而无兼容性的问题。Pro/Mechanica主要包含两个 子模块：Pro/Mechanica Structure与Pro/Mechanica Thermal。Pro/Mechanica Structure专门22山东农业大学硕士学论文用来进行零件和组件模式下的结构分析， 其分析种类有静态分析、 模态分析、 屈曲分析、 接触分析、预应力分析及振动分析等；Pro/Mechanica Thermal专门用来进行零件和组件 模式下的稳态和温度分析，也可以根据热力状态进行灵敏度分析和优化设计。3.5.1 升降托盘的静态分析挖坑机构通过升降托盘与升降部分连接，升降托盘外形结构如图3-8所示，托盘上 大孔周围均布六个小孔，通过螺栓将挖坑机构连接在上面，托盘的另一侧与升降底架连 接，由于整个挖坑机构重量全部集中在托盘的一侧，使托盘形成悬臂现象，钻头周围设 有土壤收集器， 如果托盘发生弯曲变形会使钻头发生倾斜， 从而与土壤收集器发生干涉， 影响正常工作。在完成托盘的结构尺寸设计后通过Pro/E的Mechanical功能对其进行静态 分析，获取其受力及变形信息。 具体操作步骤如下： （1）创建模型。通过拉伸等特征创建升降托盘的简单模型，如图3-8所示。图3-8 升降托盘模型图 Fig.3-8 Diagam of chassis(2)添加材料属性、定义约束及载荷。材料选择steel(钢)用于零件的制作，在零件 左端以面的形式施加位移约束，在与挖坑机构接触的部分施加竖直方向的载荷。 (3)建立静态分析，并运行分析。静态分析将根据模型中指定的约束和载荷来计算 模型中变形和应力情况，通过计算机运行后得出结果。 (4)查看结果。根据不同的需求，可以用不同的显示方式和选项设置来显示结果， 对升降托盘主要分析其变形情况，主要对其位移进行分析。如图3-9所示，左侧为其位 移云纹图，右侧为应力云纹图。结果显示，孔中心变形的位移为0.598 mm，托盘的右侧 边缘变形量最大为1.495 mm，考虑到钻头工作的实际情况，对托盘右侧底板加厚，以保 证工作的可靠性。23果树挖坑定量施肥机的研制图3-9位移应力结果云纹图Fig.3-9 The fringe of the result3.5.2 顶杆的分析及优化优化设计是一种寻找最优方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础，以计 算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件 下，寻求最优的设计方案。通常设计方案可以用一组参数来表示，这些参数有些已经给 定，有些没有给定，需要在设计中优选，称为设计变量。如何在允许的范围内找到一组 最合适的设计变量， 能使所设计的产品结构最合理、 性能最好、 质量最高、 成本最低 （即 技术经济指标最佳） ，有市场竞争能力，同时设计的时间又不要太长，这就是优化设计 所要解决的问题（渠聚鑫等，2009） 。 顶杆位于升降底架上端，与圆柱齿条连接，为主要受力件，通过Pro/Mechanichal进 行建模分析，其应力、应变、位移、应变能结果云纹图如图3-10所示。图3-10 优化前结果云图 Fig.3-10 The fringe of the result before optimization由应力云纹图得知：顶杆应力主要集中在中间部位，可以通过增加中间部分直径的 方式，改善其强度，通过Pro/E的行为建模功能进行优化分析。24山东农业大学硕士学论文优化分析需要设定的属性如下：给定设计要满足的约束：最大应力 σ & [σ ] ； 定义 优化目标：质量最小,即成本最低；定义设计变量：设计变量为可以改变的模型尺寸， 为轴中间部分的直径d及长度L，其范围为：26 mm&d&33 mm，35 mm&L&45 mm 。 收敛性选择0.5%，最大迭代次数选择50，选用标准算法优化模型，使用当前模型条 件作为起始点，经过优化计算后，d=28 mm，L=37 mm，保存研究。对优化后的模型进 行Mechanical分析，结果如图3-11所示。对比分析优化后云纹图，其应力、应变、位移、 应变能均有了明显的改善。图3-11 优化后应力、应变、位移、应变能结果云图Fig.3-11 The fringe of the result after optimization3.6 本章小结（1）进行钻头挖坑理论分析，通过计算确定钻头的各项参数，对空心轴与实心轴 的抗扭强度进行比较，最终确定钻头主轴的结构尺寸。 （2）设计传动系统，确定齿轮齿条机构，链轮机构，棘轮机构的结构尺寸。 （3）设计土壤收集器，介绍挖坑覆土工作的实现过程。 （4）应用Pro/E的Mechanical功能及行为建模模块对关键零部件进行分析及优化。25果树挖坑定量施肥机的研制4 动力与减速机构设计通过计算完成选型， 确定各零部件的尺寸及各部件之间的尺寸关系， 利用 Solidworks 的零件设计功能绘制零件图， 然后利用 Solidworks 的装配设计功能将各部件装配成装配 体并进行三维仿真、干涉检查，绘制二维工程图，设计流程如图 4-1 所示。选择、确定设计方案 计算、初步确定零部件结构尺寸 非标准零件的三维造型 标准零部件的调入修 改用户图库 标准图库装配设计 二维工程图 仿真、干涉检查图 4-1 Solidworks 设计流程 Fig.4-1 Solidworks design flow chart4.1 汽油机的选型钻头传动所需总转矩由以下转矩组成： M 总 = M 尖 + M 刀 + M 升土 式中： M 尖 ―钻尖工作时的阻力矩，N.m； M 刀 ―刀片切土时的阻力矩，N.m； M 升土 ―升运土壤所需的转矩，N.m。 (4-1)4.1.1 钻尖工作阻力矩的计算M 尖 = ( q1 + k1S ) D12(4-2)式中： q1 ―系数，N/m，对坚实土壤 q1 = 32.37 × 102 N/m，一般土壤取其值的2/3，取q1 = 21.58 × 102 N/m；k1 ―与钻头形式和土壤物理机械性质有关的系数，kpa，对坚实土壤 k1 = 91.226山东农业大学硕士学论文1 2 kpa，经过种植深耕的土壤 k1 值比上述小 ? ，本设计取 k1 = 78.48 (kpa)； 2 3S ―钻尖每转一周的进给量，m，取 S = 1 × 10 ?2 (m)；D1 ―钻尖回转直径，m，本设计为一般机动挖坑机，取 D1 = 1 × 10 ?1 (m)；M 尖 = 21.58 × 102 + 78.48 × 103 × 10?2 × (10?1 ) 2=29.43 N.m4.1.2 刀片切土阻力矩的计算M 刀 = 0.5[iq cosψ + k 2 s sin(δ + ?1 )](r0 ? r1 )2 2(4-3)式中: i ―螺旋头数， i =1；q ―土壤阻力比例系数，Pa，取 q = 23.544 × 104 Pa；ψ ―土壤切削阻力与水平面的夹角，ψ = 30 0 ? 58 0 ，对于坚实土壤取大值，对于疏松土壤取小值，取ψ = 55 0 ；k 2 ―土壤变形阻力， pa ，对于坚实土壤取大值，对于疏松土壤取小值，取k 2 = 16.67 × 10 4 ( Pa ) ；s ―钻头每转进给量，m， s = 1 × 10 ?2 (m) ；δ ―钻铧的入土角，取 δ = 300 ；?1 ―土壤对钢的摩擦角， ?1 = 300 ；r0 ―刀片的回转半径，m，取 r0 = 0.1 m；r1 ―刀尖半径，m， r1 = 0.05 m；M 刀 = 0.5[1 × 23.544 × 104 × cos 550 + 16.67 × 104 × 10?2 × sin(300 + 300 )] ×(0.12 ? 0.052 )=3.49 N.m4.1.3 升运土壤所需转矩的计算M 升土 =b1 tg? 0 cos β [r0 (3r0 ? 4r2 ) + r2 ]3 4(4-4)式中 b1 ―系数，kg/m?；? 0 ―过钻头轴线断面 r0 处土流曲线与水平面的夹角； β ―土流绝对速度与水平面的夹角；r2 ―土流内径，m；27果树挖坑定量施肥机的研制经计算， b1 =1621 kg/m?， ? 0 = 26o13' ， β = 1o35' ， r2 = 0.0125 m，代人公式中， M 升土 = 21.78 N.m 根据式(4-1)， M 总 = 29.43 + 3.49 + 21.78 = 54.7 (N.m) 钻头工作时所需功率计算： N = M 总ωk s 式中： M 总 ―钻头工作所需总转矩，N.m，(4-5)ω ―钻头的角速度，rad/s，k s ―动力储备系数， k s = 1.1 ? 1.3 ，取 k s = 1.1 ；N = 54.7 × 21.5 × 1.1=1.293 kw根据钻头工作时所需功率1.293 kw，选用1E43FB型汽油机。 1E43FB型汽油机是西北 林业机械厂在1E40F型汽油机的基础上，经过改进制造的产品，为二冲程强制风冷式单 缸汽油机，额定功率为1.63 kw，额定转速为7000 r/min，净重4.2 kg。该机缸盖、缸体及 曲轴箱均为铝合金铸件，因而重量轻，容易散热；采用手拉索自动回绕式启动器，操作 方便，具有重量轻、功率大、油耗低、体积小等特点。4.2 离合器的选择4.2.1 离心离合器概述离心离合器通过摩擦力来传递扭矩，它的基本结构由三个部分组成：主动件、离心 体和从动件，离心体滑装于主动件上，由原动机驱动主动件旋转加速而将其径向甩出， 当主动件达到规定角速度时，甩出的离心体与从动件内壁压紧，由摩擦力强制其进入运 动状态而传递扭矩。离合器的从动件可以直接或通过皮带轮等机构与负载连接。 离心离合器的结构形式较多，根据离心体组件形状可分为两大类，即刚性闸块离心 体和钢珠等散状物的离心体。所谓刚性闸块是指离心体在离心力场中保持它原来的形 状，离心力只存在于接触体的公法线，而散状物的离心体在离心力场中的自由表面随着 离心力的变化而变化，它具有流体的某些特性（段广汉等，1985） 。刚性闸块离心体有 自由闸块和弹簧闸块等形式，以散状物体作为离心体的有钢珠和钢柱等形式。自由闸块 离心离合器在启动时闸块便开始和壳体边打滑边接触，这个接合过程要造成摩擦发热， 一般在其额定转速的 70％~80％开始完全接合，传递扭矩。这种离合器的接合平稳性稍28山东农业大学硕士学论文差，但结构简单，闸块重量较轻，因此应用较多。弹簧闸块离心离合器，是以离心力和 弹簧二者自动控制的摩擦式离合器。常用的大多为常开式离合器，也可制成常闭式离合 器(制动器)，前者在离心力作用下接合，后者则与其相反。这种离合器接合平稳，结构 上可布置成有周向弹簧、径向弹簧、片簧、橡胶弹簧等不同形式。 离心离合器靠原动机本身的转速而实现两轴自动接合或断开,形成了它固有的一些 特点（成大先，2007）: （1）超载保护作用。离心离合器通过摩擦力传递扭矩，当负载大于额定扭矩的负 荷时，离心体与从动件打滑，动力传递中断，可以有效地保护操作者和机器安全，所以 离心离合器具有安全离合器的功能。当负载转矩下降到小于极限摩擦力转矩时，主动件 和离心体与从动件又自动恢复结合。 （2）启动平稳。使用离心离合器时，其离心力是随转速的增加而逐渐增加，这就 相当于将负荷逐渐地加到原动机上，因而可以直接启动工作机械，而获得平稳启动的效 果。若用于电动机启动，能非常有效地降低机床主电机带载启动所造成的冲击电流的滞 留时间，可以显著地减小启动电流，从而减轻电动机发热（高泽祥等，1997） 。 （3）无需专门的操纵机构。离心离合器的工作过程是常开式的，通过原动机转速 改变接合状态，因而无需专门的操纵机构。 （4）结构简单、尺寸紧凑。离心离合器，由于其工作特性，决定其整体结构通常 都比较紧凑。 离心离合器也具有一些明显缺点： （1）离心离合器在启动结合阶段及超载过程中伴有摩擦发热和摩擦副的磨损，并 消耗部分能量，所以，不宜用于频繁启动和启动过程太长的场合。 （2）由于离心力正比于转速的平方，而输出功率则要随工作转速的立方而变化， 因此不宜在变速传动系统中使用。 （3）传递同样的转矩和功率，转速越低时，所需离合器的尺寸和质量越大，因此， 离心离合器不宜于转速过低的场合。 离心离合器具有其它离合器所没有的一些特点，所以在工业中得到广泛的应用。其 典型的应用包括小型工程机械、园林机械、钻探机械、风机，离心机，压缩机和压力机 以及轻纺工业中陶瓷器皿的传递及纺织机等需要平稳起动的地方，在园林机械的应用中 离心离合器除具有上述功能外，还要起到怠速时工作部件不随动及超负荷时发动机不熄 。 火的作用（林石，1996）29果树挖坑定量施肥机的研制4.2.2 离心离合器的选型根据选定二冲程汽油机额定功率为1.63 kw，额定转速为7000 r/min，钻头转矩为 54.7 N.m ，选择AS1型双摩擦片销式离心离合器，该离心离合器许用转速7600 r/min，结 合转速5200 r/min，结构及外形如图4-2所示，转子与与发动机输出轴连接，鼓轮与减速 器输入端连接，当发动机转速达到5200 r/min，离心力克服弹簧弹力使得摩擦片与鼓轮 紧靠在一起，通过摩擦力带动鼓轮转动，从而实现离心离合器的结合。1 23 4 5 6图 4-2 离心离合器结构 Fig.4-2 Structure of Centrifugal clutch 1.摩擦片 2.圆柱销 3.弹簧 4.转子 5.衬片 6.鼓轮4.3 减速器的设计挖坑机构要求减速器所需传递的传动比高达35 :1，若选用齿轮式减速器，则需要多 级减速，从而造成机器体积过大，整机重量增加；如果选用摆线针轮式减速器，会增加 整个机器的高度； 综合考虑， 本机选用蜗杆蜗轮减速器。 该减速器由蜗轮蜗杆啮合组成， 传动比较大，传动效率较高，结构紧凑，相对体积较小，重量轻，同时其适用性比较广， 运转平稳，噪声小，符合本设计结构紧凑，体积小的要求。蜗杆传动设计参数如表4-1 所示。4.4 本章小结（1）根据钻头的各项参数，确定发动机的型号。 （2）完成离合器与减速器的选型设计。30山东农业大学硕士学论文 表4-1 蜗杆传动设计计算Tab.4-1 Parameters calculation of worm transmission 项目 符号 单位 公式和参数选定 说明中心距aa = ( d 1 + d 2 + 2 x 2 m) / 2mma =58传动比ii = n1 / n21i =35蜗杆头数z1 z2蜗轮齿数 蜗杆轴向齿形角35 20o 阿基米得圆柱蜗杆 蜗杆轴向模数αmqmm模数2.5 蜗轮端面模数蜗杆直径系数q = d1 / m0.5q =10.4蜗轮变位系数x2 d1d a1mm蜗杆分度圆直径d1 =26d a1 = d1 + 2ha m**蜗杆齿顶圆直径mmd a1 =31齿顶高系数 ha =1 顶隙系数*d f 1 = d a ? 2( h a + c * ) m蜗杆齿根圆直径d f1mmd f 1 =20蜗轮分度圆直径c * =0.2d2mmd 2 = mz 2d 2 =87.5*蜗轮喉圆 直径d a 2 = d 2 + 2m(ha + x 2 )d a2mmd a 2 =95d f 2 = d 2 ? 2m(ha ? x 2 + c **蜗轮齿根圆直径df2mmd f 2 =84蜗杆轴向齿距pxmmp x = πmp x =7.8531果树挖坑定量施肥机的研制5 施肥装置的设计图5-1 施肥装置执行部分结构 Fig.5-1 Fertilization part structure 1.外槽轮 2.槽轮轴 3.联轴器 4.步进电机施肥装置主要由肥料箱、排肥器、步进电机、接肥盒、输肥管等组成，其中排肥器 与步进电机为排肥执行部分，执行部分结构如图5-1所示。步进电机通过联轴器直接与 排肥器的槽轮轴连接，通过控制步进电机的转角，实现对排肥器外槽轮的控制，步进电 机前进一步，外槽轮即转过相应角度，将肥料箱内的肥料按要求排出。5.1 排肥器综述排肥器是精密施肥机械的重要工作部件，其工作性能的好坏，直接影响施肥机械的 工作质量，因此，排肥器应满足以下性能要求： （1）要有一定的排肥能力，排肥量均匀稳定，不受肥箱肥料多少，地形倾斜起伏 及作业速度等因素的影响。 （2）能施播多种肥料，排肥可靠，通用性好。 （3）排肥量调节灵敏、准确，调节范围能适应不同化肥品种与不同作物的施用要 求。 （4）排肥可靠、工作阻力小，且为了满足不同地区，不同农时对不同果树的不同 施肥量的要求，应使施肥量调节方便可靠。 （5）条件允许时，排肥器所有与肥料接触的机构、零件最好采用防腐耐磨材料制 造。 排肥器的种类较多，其工作原理也有所差异，因而结构形式、适用的肥料类别、排 肥量的控制方式等均有所不同。几十年来，我国排肥器的研究工作经历了一个蓬勃发展 的时期，我国自行研制或从国外引进了多种类型的排肥器，对促进我国施肥机械技术的 发展起到一定的积极作用。现有的排肥器种类很多，常用的有外槽轮式、转盘式、离心32山东农业大学硕士学论文式、螺旋式、星轮式和振动式等几种（王素霞，2005）。5.2 外槽轮排肥器5.2.1 外槽轮排肥器排肥量分析果树施肥选用颗粒状化肥，而且要求施用在一定深度的土壤中，采用普通的外槽轮 式排肥器，其结构如图5-2所示。该排肥器结构简单，施肥均匀性好，适用于排流动性 好的松散化肥和复合粒肥，每转排肥量稳定性较好，能够满足果树挖坑施肥机对定量施 肥的要求。 外槽轮排肥器排肥特点：当具有圆弧形凹槽的槽轮以低速回转时，肥料一方面渐次 填满凹槽，随后一起转动，进行强制排肥；另一方面，处在凹槽外面的一层肥料，由于 肥料颗粒之间的摩擦， 在槽轮凹槽的间断冲击作用下， 也被带动起来， 此层称为带动层。 它以比槽轮圆周切线速度更低的速度运动（桑国旗，2001）。图5-2 排肥器及外槽轮结构 Fig.5-2 Structure of fertilizer and outer groove-wheel外槽轮式排肥器每转排肥量计算式为：q = q1 + q2 = π dLγ (α ( n) ft+ cn (n))(5-1)式中： q1 ―排肥器每转强制层的排肥量，g；q2 ―排肥器每转带动层的排肥量，g；d ―外槽轮的直径，cm；L ―外槽轮工作长度，cm；γ ―肥料容重，g/cm?；n ―排肥轴转速，r/min；33果树挖坑定量施肥机的研制α (n) ―肥料对凹槽的充满系数，与转速有关；f ―每个凹槽的端面积，cm2；t ―槽的节距，cm； c n (n) ―带动层的特性系数或计算厚度，cm，与转速有关。 本设计中，外槽轮的直径 d =55 mm，外槽轮工作长度 L =67 mm，排肥器结构、尺 寸确定后，对于某种特定的颗粒状肥料，其自身的松散性、架空性、成块性和流动性等 物理特性对排肥量影响很大。松散性好、不易架空、不易成块、流动性好的肥料，利于 实现顺利排肥（中国农业科学院土壤肥料研究所，1994） 。式中 α (n) 、 cn (n) 为不确定因 素，影响因素较多，通过式5-1很难精确计算出每转排肥量， 本设计采取试验的方式直接测定某种化肥每转排肥量，并确定最佳转速，从而能更 好的实现定量排肥的目的。5.2.2 试验测定每转排肥量选择尿素，磷酸二铵，硫酸钾型复合肥，通过试验确定每种肥料的每转排肥量及最 佳转速，作为设计依据，确定三种定量施肥模式。试验测定了每种化肥在不同转速下槽 轮转过10转的排肥情况，每个转速进行10次试验，将测试数据记录并进行分析，图5-3 所示为试验过程部分截图。图5-3 确定排肥转速试验 Fig.5-3 Test to choose the speed（1)尿素每转排肥量的测定及最佳转速的确定 试验中选定的尿素由山东寿光联盟尿素厂生成，为白色棒状结晶体，密度 1．335 g/cm?，表 5-1 为尿素不同转速排肥情况。 根据同一转速每次排肥量的差异性，计算出每个转速 10 次排肥量的标准偏差，标 准偏差反映了数据的离散程度，标准偏差越小说明每次排肥量偏离平均数值越小，即排34山东农业大学硕士学论文表 5-1 尿素最佳转速及排肥量确定Tab.5-1 The optimum speed and fertilizer of urea转速 (r/min ) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 236.7 232.2 230.9 224.8 216.9 191.3 190.7 190.9 194.5 195.8 195.7 196.9 233.4 235.7 233.5 230.8 215.3 190.2 192.5 195.1 195.6 196.4 195.8 194.8 232.1 235.2 229.3 225.4 214.3 194.3 194.8 193 197.2 195.7 197.6 194 236.4 233.5 232.1 227.8 218.2 191.2 191.5 194.2 194.3 196.2 197.5 193.9 235.5 230.9 231.5 229.5 217.5 195.5 190.8 195.5 197.3 195.3 198.2 194.5 232.3 229.5 233.7 225.2 214.6 194.2 190.5 193.9 195.5 197.1 196.3 195.8 236.4 233.3 231.3 227.1 217.2 190.2 194.5 196.6 194.6 195.9 195.7 194.4 235.2 232.9 229.8 226.6 217.2 193.4 194.3 190.2 197 197.9 195.7 193.7 235.7 232.7 232.3 228.1 218.5 191.5 192.7 194.9 196.5 197.0 195.0 193.9 232.3 230.2 233.0 227.3 215.3 190.2 190.6 191.0 194.8 196.2 196.2 195.5 1.68 1.81 1.40 1.90 1.44 1.84 1.62 1.99 1.13 0.87 0.96 0.99 23.4 23.2 23.1 22.7 21.6 19.2 19.2 19.3 19.5 19.6 19.6 19.4 10 转排肥量 (g) 标准 偏差 每转 排量肥量更加靠近某一个值，说明排肥稳定性更好，确定的参数有利于排肥的定量控制，根 据表 5-1 的结果，在 100 r/min 时，标准偏差最小，因此将 100 r/min 确定为尿素排肥的 最佳转速，该转速下每转排肥量为 19.6 g。表 5-2 磷酸二铵最佳转速及排肥量确定 Tab.5-2 The optimum speed and fertilizer of diammonium 转速 (r/min) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 293.6 285.5 274.9 264.7 256.8 250.6 246.8 243.6 245.5 245.9 246.9 244.2 300.8 284.6 275.6 266.8 259.6 251.8 247.9 245.7 247.6 246.5 240.6 238.8 297.0 287.6 279.8 275.3 258.1 258.2 259.6 240.2 243.5 244.8 251.8 254.9 299.95 283.1 283.5 270.5 263.5 253.1 254.6 251.9 240.5 241.3 257.9 253.9 292.6 279.8 280.6 272.2 255.1 249.5 244.9 243.6 248.3 239.8 239.9 236.6 10 转排肥量 (g) 298.3 286.1 284.9 273.6 265.4 256.7 255.7 239.8 249.8 244.5 255.6 251.5 293.6 292.5 275.6 271.5 256.7 252.3 250.9 240.8 244.7 233.6 248.3 238.8 295.7 294.7 280.9 274.8 264.1 257.4 245.6 249.9 246.8 249.8 243.2 248.9 295.8 290.5 285.7 278.6 263.9 248.7 252.3 246.7 253.6 244.5 231.2 244.2 297.5 293.2 280.2 275.1 255.9 250.5 249.6 243.6 250.6 240.2 245.6 234.9 标准 偏差 2.60 4.59 3.66 3.95 3.72 3.23 4.53 3.83 3.58 4.28 7.52 6.95 每转 排量 29.6 28.7 28.0 27.2 25.9 25.2 25.0 24.4 24.7 24.3 24.0 24.4（2）磷酸二铵每转排肥量的测定及最佳转速的确定。试验中选定的磷酸二铵由兖35果树挖坑定量施肥机的研制矿鲁南化肥厂生产，为深灰色颗粒，密度 1.619g/cm?，易溶于水，有一定吸湿性，在潮 湿空气中容易分解，通过试验测定了磷酸二铵不同转速的排肥量，试验数据如表 5-2 所 示，对比每个转速的标准偏差，确定 60 r/min 为最佳转速，该转速下每转排肥量 25.2 g。 （3）硫酸钾复合肥每转排肥量的测定及最佳转速的确定。试验选用兖矿鲁南化肥厂 生产的硫酸钾型复合肥，硫酸钾型复合肥的主要成分有 MAP (磷酸一铵)、 DAP(磷 酸二铵)、硫酸钾 、尿素等其它一些少量的杂质，如硫酸钙、磷酸铁、铝、镁等盐 以及微量未反应完全的氯化钾、 硫酸铵。 分析试验数据， 根据标准偏差值， 确定50 r/min 为复合肥最佳转速，在该转速下每转排肥量25.4 g。表 5-3 硫酸钾型复合肥最佳转速及排肥量确定试验 Tab.5-3 The optimum speed and fertilizer of compound fertilizer 转速 (r/min) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 303.3 285.8 283.1 269.9 253.1 234.5 215.3 190.2 198.7 190.2 192.3 195.4 310.6 295.6 290.6 268.9 254.6 235.5 210.3 193.5 188.2 194.5 187.5 192.5 303.4 298 293.1 260.3 250.6 236.8 219.5 200.3 192.1 188.6 185.3 187.6 304.2 291.5 286.7 258.2 246.9 245.3 205.6 196.5 186.4 185.4 191.2 183.5 313.8 297.7 284.1 256.8 256.8 248.6 211.4 199.2 197.2 197.3 188.7 196.8 10 转排肥量 (g) 298.8 286.3 282.5 257.2 249.5 230.2 208.6 205.6 188.2 195.6 182.6 181.2 302.8 287.2 285.6 258.9 258.8 254.2 204.8 192.5 193.2 185.7 184.2 196.5 310.5 297.2 292.6 268.3 259.7 243.1 216.9 196.3 200.1 186.4 190.6 192.1 312.2 296.5 293.1 269.6 252.3 239.6 210.5 210.6 196.3 195.4 198.7 190.2 301.1 288.5 291.2 255.7 256.2 240 205.5 213.2 199.5 192.3 185.6 183.2 标准 偏差 4.93 4.83 4.07 5.68 3.92 6.81 4.79 7.33 4.84 4.25 4.50 5.47 每转 排量 30.6 29.2 28.8 26.2 25.4 24.1 21.1 20.0 19.4 19.1 18.9 19.0通过测定三种肥料的排肥状况，依据试验结果确定的最佳转速与每转排肥量，设计 三种定量排肥模式，具体方案如表5-4所示。表 5-4 定量排肥方案 Tab.5-4 quantitative Fertilization scheme施肥模式 模式 1（尿素） 模式 2（磷酸二铵） 模式 3（硫酸钾复合肥）排肥转速(r/min) 100 60 50每转排肥量(g) 19.6 25.2 25.436山东农业大学硕士学论文考察转速对排肥量的影响，图5-4为三种化肥不同转速的排肥量关系曲线图，从图 中得知：随着转速升高排肥量逐渐减少，转速达到一定值排肥量趋于稳定，试验测定的 三种化肥均有此特性，发生这种现象主要与外槽轮排肥器的排肥特性有关，三种肥料排 肥情况有一定的差异性，说明肥料的物理性质对排肥量有很大的影响。32 31 30 29 28 27尿素 磷酸二铵 复合肥排肥量(g/r)26 25 24 23 22 21 20 19 18 0 20 40 60 80 100 120转速(r/min)图5-4 不同化肥转速与排肥量关系曲线图 Fig.5-4 The relation of speed and fertilizer to Different fertilizers分别对三种化肥转速与每转排肥量的关系进行拟合分析，其关系与以下类型函数比 较接近：y = Ax 2 ? Bx + C（5-2）磷酸二铵的拟合效果比较好，R 2 值达到0.92，R 为相关系数，R 2 为决定系数，R 2 值 的范围在0~1之间，是反映拟合关系优劣的重要指标， R 2 的值越接近1，拟合效果越好， 对于不同化肥其相关系数略有区别，但相差不大，拟合后的函数关系可为精密排肥的进 一步研究提供一定的参考。5.3 步进电机5.3.1 步进电机介绍步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线运动的执行机构，由步进电机和 步进电机驱动器构成开环的定位控制系统，当步进电机驱动器接受一个脉冲信号，驱动37果树挖坑定量施肥机的研制步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步距角） （高军礼等，2007；王盈，2007） 。 脉冲信号的数量决定着步进电机转动的总角}