葡萄施肥机有机肥的设计.docx

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葡萄施肥机有机肥的设计

分类号：

单位代码：

10749

密级：

公开学号：

xxxxxxxxxxx

x　x　大　学

硕士学位论文

葡萄施肥机（有机肥）的设计

Designofgrapefertilizingmachine（organicfertilizer）

学位申请人：

指导教师：

合作指导教师：

申请学位门类级别：

工学硕士

专业名称：

机械工程

研究方向：

机械工程

所在学院：

机械工程学院

论文完成日期：

摘要

在葡萄栽培管理过程中，葡萄施肥是葡萄生产中的一项重要的作业环节，合理施肥能够起到调节土壤构成，改善作物发育和营养条件的作用[1]。

有机肥能够提高葡萄园土壤有机质的含量，并且养分全面，一般在葡萄采摘后至埋土前施入有机肥。

现有葡萄有机肥施肥机存在排肥器动力不足，肥料箱中肥料易架空，田间过垄通过性差，开沟深度浅等问题，这些问题易导致施肥的不均匀性，降低了施肥的工作效率，这样施肥机具不能满足高效精准施肥要求。

针对上述问题，结合宁夏地区葡萄种植模式的特点以及宁夏葡萄生产的实际情况，本文设计了一种能够一次性完成开沟、施肥、覆土作业的有机肥葡萄施肥机，由动力传动系统、开沟装置、施肥装置及液压装置和机架等几部分组成。

本文主要工作包括：

（1）根据宁夏地区葡萄栽培模式和葡萄园有机肥深施农业要求，确定整机设计方案。

通过理论计算，完成包括机架、动力传动系统、施肥装置、开沟装置以及液压系统等几部分的设计和选型。

利用Solidworks[2]软件绘制各零部件，并依据设计方案对各零部件进行装配。

（2）在对开沟器的理论分析基础上，合理设计了开沟器的铲刀及铲柄，并分别对铲刀和铲柄进行受力分析，将铲柄前端面设计成曲面，达到降低开沟阻力、减少功率消耗的目的；通过对开沟器的受力分析，计算出开沟器开沟阻力，为平衡杆尺的设计提供了依据；对开沟器的铲柄和铲刀分别进行有限元分析，通过分析结果找出铲柄和铲刀上易损坏磨损的部位。

（3）完成样机试制后，依据相关标准进行田间性能试验。

通过田间试验统计结果可知，开沟深度在40cm以上，开沟宽度在30～40cm之间，所开沟距葡萄根部50cm左右，完全满足葡萄有机肥深施的农艺要求；由排肥稳定性试验和施肥均匀性试验结果可知，该施肥机排肥稳定、可靠，施肥均匀，有效解决有机肥施肥机肥料易架空、堵塞问题。

（4）采用拖带法完成施肥机牵引力试验，分别得到总的牵引阻力和施肥机空行的前进阻力，进而得到开沟器的开沟阻力。

将试验结果和建模的受力分析结果进行对比，检验和修正建立的数学模型。

关键词：

施肥机；开沟器；有限元；田间试验

Abstract

Inthemanagementofgrapecultivation,grapefertilizationisanimportantpartofthegrapeproduction,rationalfertilizationcanplayaroleinregulatingsoilcomposition,improvingcropdevelopmentandnutritionalconditions.Organicfertilizercanimprovethecontentofthevineyardsoilorganicmatter,nutrientsandcomprehensive,ingeneralafterpickinggrapestoburiedbeforetheapplicationoforganicfertilizer.Grapeexistingorganicfertilizerapplicatorinthepresenceofthefertilizerislackofpower,thefertilizerboxandfertilizertooverhead,thefieldovertheridgethroughpoor,ditchingdepthandotherissues,theseproblemseasilyleadtofertilizationinhomogeneity,reducingtheefficiencyoffertilization,suchfertilizingequipmentcannotmeetthehighefficiencyprecisionfertilizationrequirements.

Inviewoftheaboveproblems,combinedwiththecharacteristicsofNingxiagrapeplantingpatternandtheactualsituationofgrapeproductioninNingxia,thispaperdesignsacanoncecompletetheditching,fertilizingandcoveringsoilorganicfertilizergrapefertilizationmachine,powertransmissionsystem,aditchingdevice,fertilizingdeviceandhydraulicdeviceandaframeiscomposedofseveralparts.Themainworkofthispaperincludes:

（1）AccordingtotheNingxiagrapecultivationmodeandvineyardorganicfertilizerdeepapplicationofagriculturalrequirements,determinetheoveralldesignscheme.Throughtheoreticalcalculation,includingthedesignandselectionofpartoftheframe,powertrain,fertilizingdevice,ditchingdeviceandhydraulicsystem.DrawingpartsbyusingSolidworkssoftware,andaccordingtothedesignschemeofpartsforassembly.

（2）Intheanalysisofthetheoryoftheopeneronthebasisofreasonabledesignoftheopenerbladeandshankrespectively,andbladeandshankwerestressanalysis,theshankfrontfaceofthedesignsurface,toreducethediggingresistance,reducethepowerconsumption;Basedonmechanicalanalysisoftheopener,calculatetheopeneropenerresistance,whichprovidesthebasisfordesignofthebalancebar;Theopeneroftheshovelhandleandbladewerefiniteelementanalysis,findshovelhandleandbladeeasywearpartsthroughtheanalysisoftheresults.

（3）Aftertheprototypeisdeveloped,thefieldperformancetestiscarriedoutaccordingtotherelevantstandards.Thestatisticalresultsoffieldexperimentindicatedthat,trenchingdepthbymorethan40cm,widthofditchingbetween30~40cm,graperoot50cmawayfromthetrenchesaround,fullymeetthegrapeorganicfertilizerdeepapplyingagronomicrequirements;Theresultsofstabilitytestandfertilizationuniformitytestresultsshowthatthefertilizerisstableandreliable,andcaneffectivelysolvetheproblemofthefertilizeriseasytobeelevatedandblocked.

（4）Thetowingmethodcompletefertilizingmachinetractionforcetest,respectivelythetotaltractionresistanceandfertilizingmachineblanklinesforwardresistance,thengettheopeneroftheditchingresistance.Thetestresultsarecomparedwiththeanalyticalresultsofthemodel,andthemathematicalmodelsareestablished.

Keywords:

Fertilizermachine;Opener;Finiteelement;Fieldexperiment

第一章概述

1.1研究的意义

宁夏独特的光热和水土等自然环境非常适宜葡萄的种植，生产的酿酒葡萄具有产量高、无污染、无病虫害、含糖量高、含酸量适中、品质优良等特点，已逐渐成为我国优质葡萄主产区，是中国最具发展潜力的高档葡萄酒产区。

近年来，宁夏积极进行农业结构调整，作为地区特色产业，葡萄产业快速的发展起来，无论是葡萄种植面积以及产量，还是深加工能力都大幅提高。

在2014年，全区葡萄种植面积达到59万亩，产量20万吨，投产葡萄酒庄72家，综合产值65亿元。

在葡萄种植管理过程中，施肥是葡萄生产中的一项重要的作业环节，施肥是调节土壤构成，改善作物生育、营养条件的重要措施，合理施用肥料可增加葡萄产量40%—60%[3]，因而施肥质量直接影响葡萄的产量和品质。

随着全球环保意识的提高，国际市场已经越来越关注绿色无污染有机食品的生产问题。

而施用有机肥作为一项重要的措施，已在进行绿色有机食品生产中得到了大力推广和使用[4]。

葡萄施肥方式主要有基肥、追肥和叶面肥，施肥的种类主要有无机肥、有机肥以及无机肥和有机肥的混施。

其中，基肥是葡萄周年生产中最重要的施肥措施，一般在葡萄采摘后至埋土前施入有机肥，具有施肥量大、周期短等突出特征，其施肥量达75以上，因此，葡萄施加有机肥机械需要满足大施肥量、深开沟、高生产率等要求。

近年来，随着葡萄产业的快速发展，种植面积持续增加，针对葡萄施肥的新装备、新机械不断涌现，极大的提高了葡萄施肥作业效率，降低了劳动强度。

然而，由于葡萄深施有机肥作业要求高，此类型的施肥机非常少。

目前，宁夏地区使用的有机肥葡萄施肥机存在问题主要有：

施肥量不均匀，缺乏有效的施肥量调节装置；传动系统布置不合理，致使输肥绞龙轴扭转变形大，而且普遍采用液压马达作为排肥器动力，但使用过程中动力不足，对拖拉机液压系统要求较高；运行过程中存在偏置问题，由于是单侧施肥，从而导致受力不均，不可避免出现偏置问题。

因此亟需研究人员依据不同土壤条件和施肥要求，寻求合适的施肥方法和施肥技术，研制出开沟深、施肥量大、下肥连续的有机肥深施机，以推动葡萄有机肥深施机械的发展，提高葡萄有机肥施肥作业的机械水平。

1.2研究的现状

葡萄园施肥机主要有三种类型：

链式开沟施肥机、旋转开沟施肥机和铧式犁开沟施肥机。

链式开沟施肥机通过链轮的转动带动链条传动，链条上的链刀切削土壤，链条将被切下的土壤传送至螺旋排土器；螺旋排土器再将土壤输送到沟渠的一侧或两侧，进而达到开沟目的。

链式开沟施肥机结构简单，效率高，所开沟壁整齐，沟底干净不留碎土，通过液压装置易于调整沟深和沟宽，适于开窄而深的沟渠；但刀片易磨损，功耗大。

旋转开沟施肥机通过动力系统带动1个或者2个铣刀盘高速旋转，铣刀盘切削土壤进行开沟作业，并将土壤抛掷在沟渠的一侧或者两侧。

双圆盘式开沟机开出沟的断面呈上口宽、沟底窄的倒梯形。

旋转开沟机结构复杂，制造工艺要求高，效率较低；由于刀盘一般在机身中间，所开沟距根系较远加上部分机型开沟深度较浅，这些问题大大降低了肥料利用率；旋转开沟施肥机走直性能力较差，易跑偏，导致所开沟形不稳定，影响施肥效果。

铧式犁开沟施肥机在动力机械的牵引下，铧式犁切削土壤，完成开沟作业，通过排肥器将肥料输送到沟内，最后通过覆土装置回填土壤。

铧式犁开沟施肥机的特点是结构简单，工作效率高，并且工作可靠，一般成本较低；但如果土壤土质较硬或有石块等杂物，开沟阻力会较大，导致所开沟形不稳定，增加了功耗。

1.2.1国外研究现状

首先出现的果园开沟施肥机械是开沟机械，早在20世纪50年代初，美国就出现了以铧式犁为主要工作部件的开沟机械，其开沟深度为30～50cm，其结构简单，开沟速度快，效率高缺点是不宜在较坚硬的土壤里进行开沟作业，所开沟形很不规则，且靠拖拉机的牵引动力开沟，功率消耗非常大。

到了20世纪50年代后期，随着大功率拖拉机的出现，旋转式开沟机械已有生产，开沟深度30～100cm，其所需的牵引力较小，适应性强，能够破除土块，所开沟形稳定规则，缺点是结构复杂，行走速度慢，生产率偏低，功率消耗较高。

到了20世纪70年代，出现了链式开沟机，可开深而窄的沟槽，其结构简单，所开沟形稳定，开沟深度调节范围广，作业效率高!

缺点是刀具磨损较快，易破坏树木深层根系。

国外很早就开始进行了施肥机的研究，如美国、日本、意大利和法国等，主要施加液态肥和有机肥。

其中，液肥在美国、加拿大、英国、荷兰等发达国家的肥料使用中占有较大的比例，并研制了多种条施及穴施的液态施肥机具。

有机肥施肥机械主要有螺旋式撒肥机、甩链式撒肥机等型式，其中以螺旋式最为常见[5]。

螺旋式撒肥机是由装在车厢式肥料箱底部的输肥链将整车厩肥缓缓向后移动，喂给撒肥部件进行撒布，撒肥部件包括撒肥滚筒、击肥轮和撒布螺旋。

甩链式撒肥机采用圆筒形肥箱，筒内有根纵轴，轴上交错地固定着若干根端部装有甩锤的甩肥链，工作时，甩链由拖拉机动力输出轴驱动以200——300r/min的转速旋转，破碎厩肥，并将其甩出。

国外对葡萄园施肥相当重视，正向着智能化、集约化、自动化、低耗高速方向发展。

国外有些施肥机装在高架拖拉机上，可同时施两行或四行。

苏联很早使用了YOM-50型施肥机，这种施肥机将肥料装入可自动倾斜的肥料箱内，肥料靠自重流到固定肥料箱的输送链上，通过输送链的输送落入开沟器开的沟内，并用覆土器覆土。

日本研制出了能在树枝较低的果园内的树冠下进行中耕作业的乘坐式拖拉机（中耕机），前方安装有检查杆，只要一接触树干就能避开[6]。

欧美国家研制的变量施肥机，可以通过激光扫描等方式检测树形、树高等特征参数，根据树体大小调节施肥量。

有的利用高光谱图像技术等对叶片营养状态进行评判，优化营养配。

施意大利有代表性的开沟机开发商Tesmec公司研制出了适合不同作业环境的开沟机，产品的研发升级正朝向设备自动化及电子控制的方向快速发展。

目前，国外开沟施肥机制造商的研发重点，代表了开沟机技术的发展方向。

包括：

可供用户根据作业做出选择的不同工作装置和辅助装置，基于用户需求的定制解决方案，高技术控制开沟深度的系统等。

1.2.2国内研究现状

我国葡萄施肥机械的研究比较晚，所以施肥机械设备相对落后，经历了从犁铧式开沟机、圆盘式开沟机和链式开沟机的发展历程。

目前，我国的葡萄施肥方式主要以小功率的拖拉机带动施肥机械进行浅施肥为主，施肥技术不合理使植株所需要的营养元素不能高效的吸收，不符合可持续发展的要求。

因此，由于葡萄植株根系趋肥和趋水的特性，肥料施肥深度过浅导致植株根系大量处于土壤的表层，使植株的抗旱、抗寒能力大大降低，影响葡萄的成长速度和产量。

最近几年，我国在引进外国先进机械装备和农业技术的基础上，根据各地的葡萄生产特性及葡萄种植方式，各地的科研院所和高校也加大了对葡萄施肥机械的研究力度,开始研制设计符合各地特色的葡萄施肥机。

申屠留芳、杨刚等设计了一种专门用于葡萄园开沟的回转盘式深开沟机[7]，由动力传动装置、开沟装置、施肥装置和松（排）土装置等4部分组成。

该机选用振动式排肥器，排肥量的调节主要可以动调节板和改变排肥孔大小来达到；圆盘松土装置采用偏置式，偏距e在50～500mm间可调，偏置的目的是为了让肥料尽可能施在离葡萄根系近的地方，有利于葡萄的生长。

该葡萄园施肥机转弯灵活，可以实现深松、深施肥等一体化复式联合作业，施肥可实现单一施肥，也可实现复合施肥，是一种新型的深松深施肥的萄园专用施肥机具。

2011年，山东农业大学姜建辉等研制的3ZF-1.2型可调式葡萄振动深施机[8]，在开沟施肥过程中，拖拉机动力输出轴输出动力，经由变速箱将动力传至偏心装置，然后由偏心装置带动连杆在竖直方向运动，连杆带动振动臂绕铰点摆动。

由于开沟器通过螺栓安装在振动臂上，振动臂摆动的同时也带动开沟器周期性的摆动，随着拖拉机的前行完成开沟作业#施肥的动力则来自地轮的行走，地轮通过链传动带动排肥轴转动，驱动外槽轮排肥器实现排肥，肥料经由输肥管落入所开沟内，完成施肥作业。

新疆农科院农业机械化研究所研制的1KF-35型葡萄开沟深施肥机，该机具的施肥装置选用的是外槽轮排肥器，其动力靠地轮提供，主要用于果园开沟施肥，施肥深度范围可达30-50cm。

淮阴工学院研制的果园开沟施肥机，通过加入提升装置，使该施肥机工作时可以实现提、放和牵引等功能。

此机具行走的动力由拖拉机提供，通过万向节与拖拉机动力输出轴连接，带动该机具进行施肥工作。

该施肥机一次工作，可以同时完成开沟、施肥、土回填整平和压实等功能，其使用简便、工作效率高以及降低了生产成本。

现阶段，随着我国对农业机械的大力投入，我国农业机械化正朝着先进化、标准化和一体化方向迅速发展。

虽然我国与国外在农业机械方面还存在差距，但我国在很短的时间内在农业机械方面就已经取得了显著成绩，目前，在葡萄施肥方面我们也取得了很大的成就。

例如：

陕西悦达机械制造有限公司自主研制的型号为1KFL-30型的自走式果园开沟施肥机，选用功率范围为14.7-16.2kW的电力启动柴油机，并且为适应更复杂的地形的工作，采用了加强履带传动，该机具可一次性将开沟施肥、覆土和旋耕等作业完成。

西北农林科技大学研制的自动导航果园智能开沟施肥机，主要包括自动导航装置、行走装置和施肥装置。

自动导航装置用于实施自动导航和果树位置的确定；施肥装置主要由施肥装置变速箱、旋耕刀具、限深轮、开沟器、覆土器、机架、肥料箱、排肥器、施肥装置步进电机和施肥装置电机驱动器等组成，通过激光扫描仪确定位置信息，控制施肥装置电机驱动器带动施肥装置步进电机实施果园环境下定点定量施肥。

本机具的优点是，采用传感器和伺服电机实现对树木的精准施肥，开沟、施肥和覆土作业一体化完成。

张书慧利用DPS定位的原理，基于GPS、GIS和DDS等技术设计了一个自动变量施肥作业的系统，该系统的主要作用是将需要决策的施肥数据信息利用PC机烧录在IC卡上，在正常工况下施肥机具可以利用安装在自身上的GPS接收机来接收机械装备的位置信息。

然后，通过接收的位置信息来引发烧录在IC卡上的施肥决策指令信息，进而根据指令对施肥作业进行决策，单片机可以通过施肥决策指令来控制施肥装备上排肥轴的转速大小，从而实现精准农业中的自动化变量施肥作业[9]。

1.3课题的研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

根据葡萄栽培管理的农业技术要求及农业施肥机械的发展现状，完成对葡萄施肥机的总体构造的设计。

主要研究内容：

（1）根据宁夏地区葡萄栽培模式和葡萄园有机肥深施农业要求，确定整机设计方案。

通过理论计算，完成包括机架、动力传动系统、施肥装置、开沟装置以及液压系统等几部分的设计和选型。

利用Solidworks软件绘制各零部件，并依据设计方案对各零部件进行装配。

（2）解决葡萄有机肥施肥机在施肥过程中存在的问题。

本次设计的葡萄有机肥施肥机主要解决的问题是：

排肥器动力不足，肥料箱中肥料易架空施肥不均匀，田间过垄通过性差，开沟深度浅等问题。

排肥器动力改为由拖拉机动力输出轴提供，减少了对拖拉机液压系统动力输出的要求，提高施肥机的适用性；针对施肥均匀性问题，采用绞龙式排肥器，设置肥料搅拌装置和改变排肥绞龙缘结构，减少架空现象的发生；针对偏置问题，在机架右侧尾部设有平衡杆；活动底盘结构的设计，来改善拖拉机会翘头现象，提高田间过垄通过性差。

（3）在对开沟器的理论分析基础上，合理设计了开沟器的铲刀及铲柄，并分别对铲刀和铲柄进行受力分析，将铲柄前端面设计成曲面，达到降低开沟阻力、减少功率消耗的目的；通过对开沟器的受力分析，计算出开沟器开沟阻力，为平衡杆尺的设计提供了依据；对开沟器的铲柄和铲刀分别进行有限元分析，由分析结果找出铲柄和铲刀上易损坏磨损的部位。

（4）完成样机试制后，依据相关标准进行田间性能试验。

通过田间试验统计结果可知，开沟深度在40cm以上，开沟宽度在30～40cm之间，所开沟距葡萄根部50cm左右，满足葡萄有机肥深施的农艺要求；由排肥稳定性试验和施肥均匀性试验结果可知，该施肥机排肥稳定、可靠，施肥均匀，解决有机肥施肥机肥料易架空、堵塞问题。

（5）采用拖带法完成施肥机牵引力试验，分别得到总的牵引阻力和施肥机空行的前进阻力，进而得到开沟器的开沟阻力。

将试验结果和建模的受力分析结果进行对比，检验和修正建立的数学模型。

1.3.2技术路线

葡萄有机肥施肥机设计及分析的技术路线如图1-1所示：

图1-1技术路线

第二章总体方案的设计

2.1总体结构

本文设计的葡萄有机肥施肥机主要由传动系统、施肥装置、开沟装置、液压装置和机架等部分组成，作业流程是先开沟，再施肥，最后覆土。

为了提高肥料利用率，该机设计成偏置式，在整体结构布置上，开沟器布置在整机的左边侧面，通过纵撑将施肥装置架起，覆土装置悬挂在机架左侧尾部。

其中，动力传动系统由动力输入轴、链轮、减速机、动力输出轴和牙嵌式离合器等构成；施肥装置由肥箱和绞龙式排肥器构成，其中，绞龙式排肥器由螺旋轴和螺旋叶片构成；机架

和机架

通过螺栓连接，通过控制液压装置可将与机架Ⅰ连接的肥箱升起；开沟装置包括开沟器、通过拉杆与开沟器相连的液压缸

，开沟器和拉杆、拉杆和液压缸的顶杆皆是螺栓连接；施肥机三维模型如图2-1所示。

1.肥料箱2.绞龙排肥装置3.牙嵌式离合器4.机架5.机架6.平衡杆7.减速机8.液压缸