【《一款履带式马铃薯中耕追肥机结构设计》22000字】

第1章绪论近年来云南省马铃薯大幅增产，马铃薯产量已占到全省粮食总产量的10%以上。云南省马铃薯产区大多分布在贫困山区，各级党委政府把马铃薯产业作为本区域农民脱贫增收致富的产业，很大一部分贫困群众就是靠种植马铃薯脱了贫。面对国家启动马铃薯主食产业开发的重大机遇和马铃薯产业无限广阔的发展空间，发展马铃薯产业在贫困山区大有作为，已成为带动山区脱贫致富的新型主导产业，成为广大农民脱贫致富的重要支柱，发展马铃薯产业加快扶贫攻坚，是带动群众尽快脱贫的有效途径[3]。在农机购置补贴政策的推动下，云南省农机装备结构不断得到优化，马铃薯生产全程机械化薄弱环节机具数量快速增加，提升了云南省马铃薯生产全程机械化发展水平。在农机试验示范项目的带动下，总结形成了一批包括工艺流程、技术要点、作业规范、服务方式、机具配套的马铃薯生产全程机械化技术规范或规程。研究的技术路线如图1.7所示。

收集马铃薯种植农艺相关文献、资料；调查研究现有的中耕追肥机类型马铃薯中耕追肥机的设计方案论证马铃薯中耕追肥机的设计方案论证整机与关键部件设计整机与关键部件设计利用S利用SolidWorks、CAD、ANSYS软件对整机及各机构部件进行建模和仿真分析加工样机并进行试验加工样机并进行试验是是否达到预期效果是是否达到预期效果否否分析问题并进行改进分析问题并进行改进完成设计完成设计图1.7技术路线图Fig.1.7TechnologyRoadmap

第2章马铃薯中耕追肥机设计2.1马铃薯中耕追肥机的设计要求田间作业环境与马铃薯种植农艺是中耕追肥机的设计的重要前依据，充分掌握相关知识才能有根据地设计主要技术指标。本文通过阅读相关文献、实地调研等方式，参考云南省内马铃薯种植农艺，对丘陵山地马铃薯中耕追肥机进行设计。2.1.1田间作业环境中耕追肥机的设计要考虑机具的作业环境，马铃薯的植株分布情况、垄型参数、土壤类型等条件。首先是土壤参数，机具作业时的土壤应当符合中华人民共和国机械行业标准JB/T7864-2013《中耕追肥机》中规定的要求，即：土壤为含水率在15%~25%之间、坚实度为0.4MPa~2.0MPa的中等壤土。其次是种植模式，不同的种植模式对马铃薯植株分布和作业前垄型有很大影响，云南省内马铃薯种植模式分为平作和垄作，其中垄作又分为单垄单行和单垄双行两种模式，如图2.1所示。a.单垄单行b.单垄双行图2.1马铃薯种植模式Figure2.1Potatoplantingpattern根据NY/T3483-2019《马铃薯全程机械化生产技术规范》中的要求，单垄单行种植模式：马铃薯种薯沿垄的中心线分布，株距d为16cm~30cm，垄高h为20cm~25cm、垄间距L为60cm~90cm。马铃薯单垄单行种植垄形参数如图2.2所示。图2.2马铃薯单垄单行种植垄形参数图Fig2.2Parametermapofridgeshapeofpotatosingleridgeandsinglerowplanting单垄双行种植模式：种薯距离垄边10cm~15cm，两行植株交错呈三角形分布，垄上行距S为17cm~36cm，株距d为15cm~35cm，垄高h为15cm~30cm、垄间距L为100cm~130cm。马铃薯单垄双行种植垄形如图2.3所示。图2.3马铃薯单垄双行种植垄形参数图Fig2.3Parametermapofpotatosingle-rowdouble-rowplantingridgetype2.1.2马铃薯种植农艺云南省马铃薯种植过程中肥料的施用情况为：（1）在耕整地环节，每公顷施15000kg~22500kg的有机肥作为底肥，此次施肥可以提供大部分马铃薯生长过程中所需的营养；在播种环节，在马铃薯种块附近施马铃薯专用复合肥（硫酸钾型），每公顷施1500kg左右，作为种肥；（2）在中耕环节追施两次肥料，第一次施尿素补充氮元素，每公顷150kg、第二次施复合肥补充磷元素和钾元素，每公顷225kg。但根据韩雪丰等人的研究[30]，云南省马铃薯种植过程中农户使用的氮、磷平均盈余量分别为139.2kg/hm2、60.6kg/hm2，钾的亏缺量为59kg/hm2。经调研造成这一现象的主要原因是农户对肥料的用量和施撒位置不符合农艺要求。由于特殊的根茎结构，马铃薯对肥料的吸收效率相对较低，施肥时要注意控制施肥位置和与植株的距离，太近易造成烧苗，太远则影响植株根部的吸收，应使用条施或者穴施，将肥料施撒在距离植株10cm左右的位置，并在肥料上覆土[31]。农户一般在田地中均匀施撒肥料，这种施肥方式的肥料使用量大、利用率也低。针对这些问题，在追肥环节中应改变施肥方式，由撒施改为条施。同时应减少氮肥用量、增加钾肥施用量，使施肥方式规范化、用量标准化。马铃薯的中耕环节对马铃薯产量有很大影响，通过中耕将垄面培宽、培厚，达到起垄和除草的作用，改善土壤的水、肥、透气条件，为马铃薯植株的生长和块茎的膨大提供良好的生长环境[32,33]。马铃薯生长过程中要进行两次中耕培土作业：首次培土是在出苗率达到20%后，培土厚度3cm~5cm；第二次在马铃薯苗高达到15cm~20cm时进行培土，培土厚度在5cm左右。中耕作业应配合施肥和除草同时进行，作业时避免伤根，伤苗率不大于3%，结合第一次培土施适量的尿素，第二次培土施马铃薯专用复合肥（硫酸钾型），肥料要施在垄上距离马铃薯植株10cm附近，施肥后要覆盖严密，覆土厚度≥5cm，行间及垄两侧的杂草应去除干净[34-36]。2.1.3主要技术指标丘陵山地马铃薯中耕追肥机的主要设计技术指标：整机功率、行进速度、作业行数、中耕深度、培土高度、施肥量、作物损伤率等。以上技术指标在相关国家技术标准[37,38]中也有规定，其它的技术指标应当根据机具的作业环境和马铃薯种植农艺要求[39-41]进行设计，其中比较重要的技术指标有：作业行数、中耕深度、培土高度、施肥量调节范围等。作业行数：要适应云南省丘陵地理环境和耕地面积较小的作业环境特点，设计的机具应体积较小且易于操控，使用主体为小农户，作业效率并没有过高要求，故作业行数为1行，机具行走在两垄之间的沟底，一次行走同时对两侧马铃薯植株进行施肥并培土。中耕深度：中耕深度是指完成中耕作业后，从铲锄形成的沟底至未耕地原表面的垂直距离，根据相关国家技术标准和云南省秋季马铃薯种植农艺要求，中耕深度≥5cm。培土高度（肥料覆土厚度）：培土高度是指完成中耕作业后，高于耕前地表（肥料层）的土壤厚度，根据相关国家技术标准和云南省秋季马铃薯种植农艺要求，培土高度（肥料覆盖厚度）≥3cm。施肥量调节范围：施肥量由种植农艺确定，根据云南省马铃薯追肥环节的农艺要求，施肥量调节范围为120kg/hm2-300kg/hm2。2.2中耕追肥机整机设计方案2.2.1设计方案论证中耕追肥机的设计主要研究以下几个方面：1、中耕方式：分为旋耕式、锄铲式；2、排肥方式：分为外槽轮式、水平星轮式、滚轮式等；3、行走方式：分为普通胶轮、铁质圆形棘轮、地轮、履带等。在课题组成员的讨论下，提出了三种马铃薯中耕追肥机方案，下面分别介绍。培土器2.施肥装置3.扶手操控装置4.主机架5.发动机6.减速器7.传动总成8.碎土机构总成图2.4方案一Fig2.4OptionOne方案一：如图2.4所示，本机以小型微耕机作为主体，通过旋耕刀滚对土壤进行旋耕切削，实现碎土、抛土而完成中耕作业，利用旋耕刀与土壤之间的反作用力驱动机具前进；机具中部为地轮和施肥装置，通过地轮驱动链条、链轮进行排肥作业；后方挂接培土器，将洒落到垄面的肥料用土覆盖并对马铃薯植株进行培土。此方案的中耕碎土效果最好，但存在一些问题：（1）旋耕作业时造成的振动较大，影响机具的稳定性，难以保障施肥和中耕作业质量；（2）理论上旋耕刀辊、地轮和培土铲处于同一水平面上（都与耕作土壤接触），但其纵向稳定性较差，实际作业时会出现三者其中之一被架空的现象。导致地轮不转动或附着力低而影响排肥、培土器入土深度不够影响中耕质量；（3）小型微耕机的耕作幅宽较大（约为60cm），而马铃薯两垄之间的沟底宽只有10-20cm，没有足够的空间。1.行走轮2.保险装置总成3.主机架4.皮带传动5.发动机6.齿轮变速箱7.施肥离合装置8.挂接架9.施肥装置10.培土器11.扶手操控装置图2.5方案二Fig2.5OptionTwo方案二：如图2.5所示，此方案设计的行走装置为铁质圆形棘轮，可以适应马铃薯的种植环境。机具在相邻两垄之间的沟底中行走时，发动机带动行走圆形棘轮转动，行走轮轴的另一端通过链传动带动排肥装置进行施肥作业，通过链传动的传动比确定了施肥量与行进速度之间的关系。后方挂接培土器，能同时对两侧的肥料覆土和培土作业。此方案存在一些问题，不是理想的方案：（1）圆形棘轮与耕地接触面积小，驱动力有限且容易打滑；（2）重心分布在机具前侧，机具平衡不易掌握，对机手的操控水平要求较高。（3）实际作业时行进路线难以保证直线，稳定性较差，会影响施肥和培土作业的质量。方案三：如图2.6所示，该方案设计的施肥装置和培土装置与方案二相同，将行走装置改为单履带式，履带宽度12cm，适应沟底宽度。加大与耕地在纵向和横向的接触，保证是面接触。该方案极大地增加了机具与耕地的接触面积，减少了机具对耕地的压实作用，最关键的是行走稳定性大为提高（纵向、横向都有提升），履带上的抓土齿既可以最大幅度的避免打滑，还有一定的碎土功能，是一种较优方案。履带2.减速器3.保险杆4.发动机5.皮带传动6.机架7.施肥装置8.操控装置9.挂接架10.培土装置图2.6方案三Fig2.6OptionThree经过以上三种设计方案的论证与比较得出结论：方案三的单履带式马铃薯中耕追肥机最适合作业环境和马铃薯种植农艺要求，施肥系统有较高的稳定性。2.2.2工作原理履带式马铃薯中耕追肥机工作原理如下：履带式马铃薯中耕追肥机总体结构包括机架、发动机总成、皮带传动总成、变速箱、链传动总成、履带式行走装置和履带张紧装置，以及连接在机架后方的施肥离合装置、排肥装置、施肥铲装置、开沟培土装置和操纵装置等。该机以风冷式柴油机作为动力源，通过皮带将发动机输出轴和变速箱输入轴相连接。变速箱输出轴上安装有履带驱动轮，驱动轮连续啮合履带单体从而驱动机具前进或后退。在驱动轮轴的轴端安装链轮，通过链传动将动力传递给排肥装置的牙嵌式施肥离合器，再通过链条传动带动排肥器的轴旋转迫使外槽轮排肥器一起转动而实现排肥。最后颗粒肥料通过塑料排肥弯管，在重力作用下落至排肥铲后方的马铃薯垄面上（或土壤里）。施肥离合器控制空套链轮与施肥离合器轴的啮合状态，从而控制机具行走时是否施肥（该机具倒退时，离合器必须处于断开状态）。两个外槽轮式排肥器左右对称安装在肥料箱下部，通过塑料软管将排肥器出口与施肥铲连接起来，可调节两施肥铲的高低和两施肥铲的幅宽将肥料撒到指定位置，以适用于不同垄宽、垄高需求。培土装置挂接在机架后方的挂接架最后处，入土深度可调，能一次性完成碎土、翻土并覆盖肥料、培土整形及除草等作业。2.3机架设计2.3.1主机架的设计机架是各部件安装的基础，机架的上方需要安装发动机和施肥离合器；机架的下方需要安装减速器和履带等行走装置；机架的正前方安装保险杠、正后方安装挂接架、后上方安装扶手及操控装置。同时机架亦将各机构总成连接成一个整体；完成行走、施肥、培土、修垄和除草等作业功能。1.右侧板2.上机架3.扶手及挂接架安装位置4.左侧板5.下机架图2.8机架结构示意图Figure2.8Schematicdiagramofrackstructure主机架的组成由上机架、左侧板、右侧板和下机架构件组成。在保证机架结构刚度与强度的前提条件下，选用厚度为3mm的普通碳素钢板材，通过激光切割技术、折弯加工技术和焊接制作形成各个构件，由螺栓相互连接固定。板件周边进行折弯处理，制作简单、连接拆卸便捷，能够根据安装需求增加打孔位置。履带式行走装置、保险杠总成、发动机总成、变速箱总成、扶手架总成、挂接装置等部件通过螺栓或销轴安装在机架上。主机架结构如图2.8所示。2.3.2挂接架的设计挂接架通过连接销与机架后部连接，实现牵引拖挂，选用尺寸为16×90，型号为GB/T882-2008的B型销轴和尺寸为3.2×32，型号为GB/T91-2000的开口销进行连接；通过挂接架前端左右两侧的调节螺栓来保证对中连接，或偏置连接（图中画出了孔位，未绘制螺栓和螺母）。挂接架是中耕追肥机后半部分的结构支撑部件，其主要安装施肥系统总成、培土铲和功能扩展等装置，为保证施肥机作业时的稳定可靠以及考虑到整机的经济性，挂接架采用方管焊接而成，其结构设计如图2.9所示。1.连接机架的挂接框2.排肥装置安装孔3.培土铲安装槽4.施肥宽度调节器安装槽图2.9挂接架结构示意图Figure2.9Schematicdiagramofthestructureofthemountingframe2.4行走装置设计行走底盘系统是马铃薯中耕追肥机的关键部件，受作业环境的限制，机具要行驶在两垄马铃薯中间或垄沟中，沟底并不平整且宽度较窄，经试验探索后选用履带式行走装置。履带式行走装置能够在两垄之间的沟中行走，与地面之间的接触面积较大，不会过度的压实土壤影响中耕作业；运行平稳且不易打滑，能够保障行驶的相对稳定从而更好地实现施肥作业；履带的爬坡能力和适应性也较好，可适应松软土壤、地形相对复杂的工作环境。2.4.1驱动轮的设计驱动轮选择轮齿结构，它与履带板相互啮合，通过转动的拨齿驱动各履带节板连续运动而牵引机具行驶。驱动轮的直径和节距不应过大，这样动力半径就较小，并且履带接地长度不变的情况下小节距履带具有更多的抓土齿，附着性能更好。驱动轮动力半径R由节距t及轮齿齿数Z共同决定，如式2-1所示：R=(0.54+cot(180°/Z))t/2(2-1)由上式可知，驱动轮动力半径与节距成正比，与齿数成反比。驱动轮的节距越小，动力半径就越小，并且相同接地长度的情况下小节距履带具有更多的履带抓土齿，附着性能更好；轮齿齿数越多，驱动轮动力半径越小，尽管随着轮齿齿数的增大，单位时间内轮齿与履带碰撞的齿数增多，履带及驱动轮轮齿更易发生疲劳破坏，但同时轮齿与履带碰撞引起的加速度波动亦随轮齿的增多而趋于平缓。综上所述，选定双履带式动力底盘行驶装置的驱动轮齿数为Z=10，节距为t=70mm，由此可得驱动轮动力半径R=(0.54+cot(180°/10))×70/2=126.6mm。该款驱动轮的齿厚为14mm、齿根圆直径为180mm，中心孔与减速器动力输出轴通过键、紧定螺钉连接，选择GB/T1096-2003的A型（圆头）平键，基本尺寸b×h为6×6，长度L为30mm，选择GB/T78-2007内六角的锥端紧定螺钉M10×20。驱动轮与主动轴之间形成的配合不应过紧，便于拆卸和更换履带装置中损坏的零部件，选用基轴制H8/h7的间隙配合。其结构与主要参数如图2.10所示。图2.10驱动轮二维图Figure2.10Two-dimensionaldiagramofdrivingwheel2.4.2履带板的设计履带板上的导向齿内侧与驱动轮齿啮合，外侧与承重轮啮合，避免脱齿现象的发生。各履带节板相互之间通过芯轴链接，芯轴装入后将紧定螺钉拧紧防止芯轴脱出。机具本身的重力使得履带板底部的抓土齿陷入土壤之中，可以提高该机具与土壤之间的牵引附着力。根据作业环境和主动轮、负重轮的设计参数，设计的履带宽度为120mm，节距t=70mm，抓土齿入土深度为30mm，各节履带板之间通过芯轴相互连接，结构如图2.11所示。1.导向齿2.抓土齿3.限位螺栓4.履带芯轴图2.11履带板三维模型Figure2.11Three-dimensionalmodeloftrackshoe2.4.3承重轮和承重轮轴的设计承重轮通过轮轴与下机架联接，承重轮直接和履带接触并与履带之间产生滑滚运动，在机具底部起到支撑和调节履带松紧度的功能。承重轮的数量与分布形式决定了履带接地面积和对土壤的压力，与主动轮之间的安装位置决定了履带的轨迹形状。经设计，承重轮分为内承重轮、外承重轮两部分，相互啮合后通过轴承安装在承重轮轴上，其直径应与驱动轮的节圆直径相同，为190mm。具体结构和参数如图2.12、2.13和2.14所示。图2.12内承重轮二维图Figure2.12Two-dimensionaldiagramofinnerbearingwheel图2.13外承重轮二维图Figure2.13Two-dimensionaldiagramofouterbearingwheel图2.14承重轮轴二维图Figure2.14Two-dimensionaldrawingofload-bearingaxle各节履带环绕在驱动轮与承重轮外侧，通过主动轮的拨齿和履带板上的导向齿提高其防脱齿性能。每对承重轮与轴之间有两个轴承，轴承型号为：GB/T276-2013中的6204RS型深沟球轴承，RS代表轴承一端带有密封圈，可以防止在田间工作时泥土进入轴承内部，延长轴承的寿命。轴承外还套有端盖，与机架之间有限位套筒，通过螺母和弹簧垫片紧固在机架上。其装配图如图2.15所示。1.螺栓紧固件2.承重轮轴3.机架4.内承重轮5.外承重轮6.限位套筒7.履带芯轴8.限位螺栓9.履带板图2.15履带承重轮装配图Figure2.15Assemblydrawingoftrackload-bearingwheels2.4.4结构与运动参数计算履带接地长度L与履带板的宽度b共同影响着行走装置的性能，宽而短的履带滚动力大，功率消耗大，不易打滑；窄而长的履带，滚动阻力较小，牵引附着性能优越，但其转向阻力较大，左右平衡性差，转弯困难。查阅相关资料显示[42-43]，履带宽长比b／L=0.2～0.3时，履带行驶装置具有较好的综合动力性能。马铃薯两垄之间的沟底宽度为100mm～200mm，故设计的履带宽度d=120mm，带入下式：b0.3可得接地长度L的取值范围为：400mm≦L≦600mm，此处取500mm。设计驱动轮数量为1，节圆直径190mm，驱动轮中心离地高度为250mm；承重轮数量为2，外径190mm，两个承重轮之间的轴距为310mm。绘制二维简图如2.16所示。图2.16行走装置简图Figure2.16Sketchofwalkingdevice履带式行走装置的行进速度为：V=St式中：V—行进速度，m/s；S—驱动轮每转一圈带动履带行驶的距离，m；r—驱动轮节圆半径，m；n—驱动轮转速，r/m。设计的行进速度V在1m/s至1.5m/s之间，驱动轮节圆半径r=90mm，代入式2-3中求得驱动轮转速n应在1.77r/s至2.68r/s之间。履带式行走装置的预紧力由公式2-4计算：F=Lc式中：F—履带预紧力，N；Lc—驱动轮和承重轮之间的距离，mm；G0—单节履带板的重量，N；t—履带节距，mm；h—履带自然下垂量，mm。履带自然下垂量h由驱动轮和承重轮之间的距离决定，两者关系如下式：h=(0.015~0.03)Lc(2-5)将Lc=207mm代入得履带自然下垂量h的范围在3.105mm~6.21mm，代入式2-4求得履带预紧力F的范围在21.5N~43N。2.4.5履带式行走装置三维建模履带式行走装置由驱动轮、承重轮、履带、芯轴、预紧力调节装置等零部件组成，主要功能是驱动机具前进。根据前文计算结果，绘制三维模型如图2.17所示。1.承重轮2.下机架3.驱动轮4.履带5.预紧力调节装置图2.17行走装置三维模型Figure2.17Three-dimensionalmodelofwalkingdevice2.5工作装置设计2.5.1排肥装置的设计根据马铃薯种植农艺要求，马铃薯追肥阶段所施肥料为颗粒状的马铃薯专用复合肥（硫酸钾型）或尿素。马铃薯专用复合肥为白色椭球形固体颗粒、微毒、微溶于水；尿素为无色透明球状固体颗粒，易溶于水[44-47]。两种肥料特性如表2.1所示。表2.1肥料特性参数表Table2.1Fertilizercharacteristicparametertable肥料种类性状含水率%体积质量g/L自然休止角φ尿素颗粒-72035复合肥颗粒8.776628中耕施肥机选用外槽轮式排肥器，此排肥器结构简单，通用性好且经济实惠，适用于排施松散性好的颗粒状化肥，可通过改变槽轮上凹槽的工作长度调节排肥量，外槽轮的转速与机组前进速度成正比例相关[30,31]。如图2.18所示。1.肥料2.肥料箱3.排肥轮图2.18外槽轮式排肥器Figure2.18Outergroovewheeltypefertilizerdischargingdevice根据所施肥料的特性和用量，参考JB/T9783-2013《播种机外槽轮排种器》中的型式和基本参数，设计出的排肥轮排肥器结构如图2.19所示。1.阻塞套2.外槽轮图2.19排肥轮结构示意图Figure2.19Schematicdiagramofthestructureofthefertilizerwheel外槽轮和阻塞套相互啮合，两者中间有一个压缩弹簧，通过调节旋钮改变弹簧的压缩量，从而控制槽轮的工作长度，实现排肥量的控制。排肥器工作时，肥料在重力的作用下自然流动到凹槽之中，排肥轴带动外槽轮转动，实现排肥作业。外槽轮式排肥器的槽轮每转一圈的排肥量可按下式计算：（2-5）式中：d—外槽轮的直径，单位为厘米（cm）；L—工作长度，单位为厘米（cm）；γ—肥料的密度，单位为克每立方厘米（g/cm3）；α0—槽内的肥料充满系数；fq—单个凹槽的截面积，单位为平方厘米（cm2）；t—槽轮凹槽节距，单位为厘米（cm），t=πdzλ—带动层特性系数。可以通过调节弹簧的压缩量来改变排肥器上参与工作的凹槽长度、通过调节变速器的档位改变轴的转速，多个因素共同作用实现排肥量的调节。而槽数的多少和槽径的大小都会对排肥均匀性产生影响。设计的外槽轮最大工作长度为45mm，设计了3槽、6槽、8槽、12槽不同槽数和凹槽半径，以上参数都会对排肥量产生一定影响。2.5.2排肥控制装置中耕施肥机的排肥控制装置由链轮、链条、施肥离合器、施肥量调节器、落肥管、施肥铲等构件组成，主要功能是实现施肥量的调节、施肥位置的控制。1.挂接架2.支撑架3.肥料箱4.施肥链轮5.排肥器6.施肥量调节螺母7.施肥位置调节器图2.21排肥装置三维结构示意图Fig2.21Schematicdiagramofthethree-dimensionalstructureofthefertilizerdischargingdevice田间作业时，机具在马铃薯垄沟中行进，两侧是马铃薯植株，为提高肥料的有效利用率，追肥时应将肥料施撒在距离植株10cm左右的位置，且要在靠近垄沟这一侧，并在肥料上覆土。链条带动排肥器轴转动时同步带动外槽轮旋转而实现排肥，肥料颗粒通过塑料软管落入施肥铲中再落到马铃薯种植垄面上或土壤中，在距离马铃薯植株靠垄沟方向5cm～10cm的距离上形成一条宽约3cm的肥料带。转动施肥量调节螺母改变外槽轮和阻塞套之间弹簧的压缩量，以此改变槽轮的工作长度，实现施肥量的控制。左右两条肥料带之间的距离和离地高度也可调控，宽度调节范围40cm～65cm，离地高度调节范围0cm～12cm。通过调节各部件的工作状态，此施肥装置可适用于马铃薯单垄单行、单垄双行以及平作几种栽培模式。施肥装置结构如图2.21所示。施肥离合器为牙嵌式离合器，通过螺栓安装在主机架上。正常施肥时由弹簧的推力保持啮合；当收紧离合器控制线时，拨片压缩弹簧，迫使牙嵌式离合件与链轮分离，停止施肥。具体结构如图2.22所示。1.主机架2.螺栓3.左侧轴承座4.弹簧5.离合器控制线6.拨片7.牙嵌式离合件8.牙嵌式离合链轮9.右侧轴承座10.离合器链轮11.离合器传动轴图2.22施肥离合器二维装配图Figure2.22Two-dimensionalassemblydrawingoffertilizationclutch弹簧参数设计：（1）弹簧的选型与材质参数弹簧的预紧力要适中，正常工作时，弹簧应保持压缩状态，提供一定的推力。不需施肥时，由拉线迫使拨片进一步压缩弹簧，达到最大压缩状态，断开施肥链轮。初始载荷F1约为50N，最大载荷F2约为100N。最终根据GB/T1239.6-1992中的相关规定，选定热卷压缩弹簧（RY），端部样式为两端圈并紧不磨，材料为碳素弹簧钢丝，其中的B级适用于低应力，其切变模量G=79GPa，弹性模量E=206GPa，许用切应力[τ]=541.2MPa（2）弹簧的结构尺寸弹簧曲度系数K由下式计算：K=4C−14C−4式中C为弹簧的旋绕比，它决定了弹簧中径D和材料直径d的比值，应根据表2.4选取。表2.4弹簧旋绕比取值范围表Tab2.4Rangetableofspringwindingratio线径d/mm0.2~0..40.5~1.01.1~2.22.5~6.07.0~16≥18旋绕比C7~145~125~104~94~84~16初步选取旋绕比C=10，带入式2-6可得弹簧的曲度系数K=1.14。弹簧材料直径由下式计算：d=1.6KCF式中：d—弹簧材料直径，mm；K—弹簧曲度系数；F2—最大载荷，N。最终选取弹簧材料直径d=2mm、弹簧中径D=20mm。接下来计算弹簧刚度，其计算公式如下：k=F式中：k—弹簧刚度，N/mm；λmax—最大工作变形量，mm。设计最大工作变形量为10mm，带入式2-8求得弹簧刚度k=5N/mm。最终确定弹簧有效圈数n，其计算公式如下：n=Gd求得弹簧有效圈数n=4，选取弹簧的端部结构形式为两端并紧不磨平，总圈数在有效圈数的基础上加两圈，故最终求得的总圈数为6。弹簧参数如表2.5所示。表2.5弹簧参数Tab2.5Springparameters线径d/mm中径D/mm自由长度H0/mm刚度k/(N/mm)有效圈数材料2204554碳素弹簧钢2.5.3培土装置设计马铃薯中耕追肥机使用的培土器为壁式开沟培土器，主要作用是将施撒的马铃薯肥料覆盖并进行培土、修垄。中耕培土可以有效增加马铃薯种植区域土壤的透气性，有利于马铃薯对肥料和水分的吸收，促进马铃薯根系的生长发育。具体起垄培土过程中垄形和土壤参数不同，因此要对其后部的铲面进行调节，通过改变铲面的角度与幅宽，可以更好地适应不同的工作环境[48,49]。根据云南省秋季马铃薯种植农艺，绘制垄形见图2.23。图2.23垄形断面图Fig2.23ridgecrosssection图中h0为耕前垄高，h1为中耕深度，a0为垄顶宽，L为行距，φ为土壤自然休止角（一般为40°～50°），图中耕作前沟底宽未标出，前往陆良县实地考察马铃薯种植情况取得的数据为200mm。由垄形图可以看出，由工作部件翻动的土壤体积计算公式为：V=S·λh式中：V—被培土器翻动的土壤体积；S—机具前进距离；λ—土壤膨胀系数；h1—中耕深度；a1—培土器底部宽度。培土器工作时与垄的接触状态，如图2.24所示。图2.24培土器与土壤接触图Figure2.24Thecontactdiagramofthesoilcultivatorandthesoil由此看出培土器适用于特定垄型需要满足以下几个条件：1.由培土器翻动的土壤体积大于需要的培土体积；2.培土器与垄接触面和地面的角度小于土壤自然休止角，才能铲锄垄斜面上的杂草；4.培土器的高度应大于原垄高和中耕深度之和，才能保障土壤不会越过培土器顶部落回到沟底；5.培土器铲面最大幅宽应大于相邻两垄顶之间的宽度，才能将土壤和肥料推送到垄顶上植株根部。根据以上条件，取L=600mm，a1=150mm，h1=100mm，λ=1.25，φ=50°。培土器的结构是成对配置的两个培土曲面，现有绘制曲面的主要方法有：水平直元线法、曲元线法、倾斜直元线法和翻土曲线法[50]。本次设计使用水平直元线法，其原理为：一条直元线沿着一条导曲线，按照元线角θ的变化规律，由上而下平行移动，构成了一个连续曲面。具体过程如下：（1）导曲线的确定导曲线位于左右两个培土曲面的中心，由三段组成：初始直线段S0、碎土曲线段S1、培土曲线段S2。其中初始直线段S0的角度为培土器的入土角α0，取值一般为25°～35°。碎土曲线段S1影响培土器的碎土效果并起到抬高土壤的作用，培土曲线段S2主要是为了推动，起到覆土、培土的作用。本培土器的导曲线方程为：Y=0.58X式中X为导曲线横坐标，mm；Y为导曲线纵坐标，mm。根据上述计算结果，培土器导曲线如图2.25所示。图2.25培土器导曲线图Fig.2.25Guidecurveofhiller（2）元线角的确定根据元线角的变化规律不同，最终的培土曲面有不同的类型，半螺旋扭柱型有较强的翻土性能和碎土性能，常用于较粘重土壤或水田作业，应用较广。元线角θ与高度h之间的方程为：θ=32（0≤h＜22.5）2.6操控装置设计扶手操控装置是农机作业人员操控马铃薯中耕追肥机进行作业的重要部件，扶手架由空心圆管折弯而成，中耕追肥机的启动、熄火、油门控制、换挡、施肥离合器的工作状态等控制器安装在扶手架上。左侧扶手把上装有施肥离合控制器，通过捏合控制接线，其连接于施肥离合装置上离合器拨片控制施肥机是否施肥。换挡手柄有四个控制挡位：1位档是慢速前进、2位档是快速前进、3位档是怠速（空挡）运转、4挡位是后退。右侧扶手上是油门控制拨片，可以控制进入发动机的燃油流量，从而决定发动机转速，实现增大或者减少输出功率。如图2.26所示。1.扶手架2.熄火开关3.油门开关4.挡位手柄4.施肥器离合手柄图2.26扶手操纵总成设计简图Fig.2.26Designsketchofarmrestcontrolassembly2.7传动系统的设计履带式中耕施肥机的动力传递经过三个部分：（1）从发动机的输出轴传递到变速箱的动力输入轴。田间作业环境复杂，载荷波动较大，发动机输出轴的转速较高，作为传递发动机动力输出动力的第一级传动方式要求适应高转速且在面对较大的瞬时载荷时起到过载保护，故选用带传动。选用型号为A900Li930Ld的三角皮带和配套的皮带轮。主动带轮的直径D1=80mm，从动带轮的直径D2=125mm。发动机传递动力到行走轮装置的带传动传动比为：i1=D1D2（2）从变速箱动力输出轴传递到行走装置和施肥离合器。齿轮变速箱具有运行稳定、传动比可调等优点，采用两个前进挡和一个空档；发动机的动力经过变速箱，可以降低轴的转速并加大扭矩，将动力传递给后续的工作装置；大部分传递到履带式行走装置的主动轮，小部分传递给施肥装置。为了减少设计和试制成本，齿轮减速器购买市场上现有的成熟产品，在此仅进行各级传动比的设定：由发动机选型可知其输出轴转速为3000r/min，经皮带传动减速后为1920r/min，即是减速器输入轴的转速。设计的机具行进速度在1m/s至1.5m/s之间，减速器输出转速即驱动轮转速n应在1.77r/s~2.68r/s之间。则传动比i应在11~18之间，输出档位取4档，前进一档时的传动比i2=16.5，前进二档的传动比i3=11.5，空档的传动比i4=0，倒挡的传动比为i5=19.5。（3）从施肥离合器传递到施肥装置。施肥装置工作时要求动力传递平稳且无滑动，故选用链传动。链传动设计包括链条选型、中心距的确定、链轮的设计等方面：链条传动将动力传递到施肥装置，其中的载荷并不大，选用型号为ISO081的滚子链条，其节距P=12.7，滚子外径d1=7.75，链条内链节内宽b1=6.25。绘制中耕追肥机三维模型后测定主动链轮到离合器链轮的中心距为256.6mm，离合器链轮到施肥链轮的中心距为354.6mm。各链轮齿数均为12，传动比为1。施肥链轮的二维图如图2.26所示。图2.26链轮二维图Figure2.26Two-dimensionalengineeringdrawingofsprocket综上所述，传动系统如图2.27所示：图2.27传动系统简图Figure2.27Schematicdiagramoftransmissionsystem2.8功耗计算与发动机选型中耕施肥机设计使用履带式底盘行走装置，发动机的动力经过皮带传动装置传递到主动轮上，主动轮旋转驱动与其啮合的履带板，各接地履带板和土壤之间相互作用，为机具提供牵引力[51]。阻碍机具前进的切向合力为行驶阻力。其中有：履带式行走装置的内部阻力、各履带板上与土壤之间的滚动阻力、培土器工作阻力、上坡行驶时的坡度阻力、空气阻力、加速度阻力等[52]。由于该中耕追肥机作业速度较低且履带式底盘的内部阻力计算较为复杂，故在功耗计算中采取修正系数的方法略去空气阻力、加速度阻力和内部阻力。可由上述分析得到中耕追肥机的行驶阻力：（2-13）式中：—履带与地面之间的滚动阻力，单位为牛（N）；—培土器工作阻力，单位为牛（N）；—行驶时的坡度阻力，单位为牛（N）；又有：（2-14）（2-15）式中：—行走阻力系数；α—田间最大坡度，°；G—整机最大工作重量，kg。可以看出，对中耕施肥机的功耗影响较大的主要因素为机具本身自重G、田间最大坡度α和培土器工作阻力。经过虚拟样机装配可得机具整机重量约为80kg，行走阻力系数参考表2.2取0.1。故求得履带与地面之间的滚动阻力约为80N；行驶时的坡度阻力约为450N。表2.2履带式机器行走阻力系数表Table2.2Walkingresistancecoefficienttableofcrawlermachine路面情况行走阻力系数附着系数砖石路面0.050.60～0.80干土路面0.070.80～0.90沙土路面0.100.60～0.70泥土路面0.10～0.150.50～0.60开垦的田地0.10～0.120.70～0.90冻结路面0.03～0.040.20利用土槽试验台和应力采集分析系统，模拟马铃薯中耕培土时的工作状态，测得在工作速度（1m/s）下培土器最大工作阻力约为250N，其原理如下：试验台车通过导轨在土槽上方运动，其速度可通过电机控制。后方挂接培土器，将其入土深度调节为最大中耕深度，培土器工作阻力F作用于培土器铲柄上，使得铲柄受到弯矩作用，将电阻式应变片粘贴在培土器铲柄上，可测得两测量点之间的应变差，测量信号经屏蔽电缆线传递给智能采集仪。通过式2-16可求得培土器工作阻力F：F=∆ε∆l式中：F—培土器工作阻力，N；△ε—铲柄上两点间的应变差，με；△l—铲柄上两点间的高度差，m；E—培土器铲柄材料的弹性模量，N/m2；W—培土器铲柄材料的抗弯截面系数，m3。采集过程如图2.28所示，采集到的最大应变信号（即最大工作阻力）如图2.29所示。图2.28土槽试验台Figure2.28Soilchanneltestbench图2.29应变信号曲线Figure2.29Strainsignalcurve根据前文计算结果，将=80N；=450N；=250N，带入公式2-13求得驱动力F应大于780N，发动机功率P应大于3.96kW。在对比分析了国内现有的多款小功率发动机后，采用了功率为4.05kW的CF173F柴油发动机，该发动机的主要特点是外形尺寸小，批量生产，产品质量可靠，动力满足需求。

第3章关键构件仿真分析与样机制造3.1软件介绍ANSYS软件作为一款工业仿真软件，其利用强大的有限元法在工业机械的结构分析（包括强度分析、屈曲分析与特征值分析）中占有主导地位，目前在工程设计和仿真模拟上被广泛推崇应用[53,54]。有限元法的基本原理是将整个工件划分为有限数目个有特定形状的单元，这些单元之间通过节点相互相连，通过求解域网格上若干规则单元的计算问题，解决了复杂截面的结构分析问题，使得复杂问题简单化，提高了计算效率。其优势在于各单元的形状规则简单，可以在节点处建立各小单元之间的应力和能量关系方程，再将单个节点的方程整合组成构件总体的方程组，由此可以在边界条件的约束下得出方程组的解[55]。3.2关键部件的有限元分析本节首先采用ANSYS软件其中的结构静力学分析功能对履带芯轴和驱动轮进行静力分析，完成其在工作状态下的强度校核；再通过模态分析得出主机架装配体的多阶振荡频率，为避免共振的发生提供理论参考[56]。3.2.1承重轮轴的有限元静力学分析（1）承重轮轴材料定义及网格划分本设计中有两个承重轮轴，但其结构、材料和受力情况均相同，故为节省资源与时间，选取其中一个进行分析即可。承重轮轴长190mm，最细处的直径为16mm，材质为45号钢，通过SolidWorks软件对其进行绘制建模后，另存为Parasoild(*.x_t)格式导入ANSYS软件中进行静力分析。首先在workbench材料库中添加45号钢参数:密度7.85g/cm3,泊松比0.269,杨氏模量209000MPa.如图3.1所示。图3.1添加材料参数图Fig.3.1addingmaterialdiagram下一步是进行有限元网格的划分，其类型有：自由网格划分(FreeMesh)、扫略法网格划分(Sweep)以及映射网格划分(MappedMesh)三种。其中，自由网格划分的自动化程度较高，该网格划分法能够自动使体生成四面体网格[57]，使面生成三角形、四边形网格。采用该方法划分简单方便，常用于对于结构简单的模型。因此，在此次对承重轮轴单元格划分时就采用了自由网格划分方法，生成的网格模型如图5-16所示。划分后的轴一共生成48713个单元，205939个节点。图3.3网格模型图Figure3.3gridmodel（2）承重轮轴受力分析和施加载荷通过对履带行驶装置工作过程及其原理进行分析可知承重轮轴的受力情况为：轴通过轴承与承重轮配合，相邻两段与机架连接，以此承载机具的全部重量，大小为800N。因此在施加载荷时，将轴与轴承配合段（图中A段）固定，限制轴x、y、z三个方向的自由度。之后根据上文计算的承重轮轴的受力情况，在B、C段加载两个平行向下的力，重力合力为800N，方向沿Z轴，如图3.4所示。对承重轮轴施加相应的载荷之后，点击Solve对承重轮轴模型进行有限元静力求解。图3.4连接轴受力加载Fig.3.4forceloadingofconnectingshaft（3）承重轮轴有限元计算及结果分析对履带芯轴进行有限元求解后，通过后处理器查看结果，分别得到总变形图3.5和等效应力云图3.6，可以看到承重轮轴受力后的变形和应力集中部位。图3.5中表现了承重轮轴的形变情况，从图中可知，履带芯轴最大变形出现在轴的两端，最大总变形量为0.00064mm，变形量很小，不会对轴的正常工作产生影响，故设计满足要求。图3.5履带芯轴总形变Fig.3.5totaldeformationofconnectingshaft通过对等效应力云图3.6分析可知：承重轮轴的最大应力集中在配合轴承段与机架连接处之间，最大应力值为5.5045MPa，符合45号钢的屈服极限要求：小于355MPa。图3.6等效应力云图Figure3.6cloudchartofequivalentforce3.2.2驱动轮的有限元静力学分析（1）驱动轮材料定义及网格划分本设计中的驱动轮材质为45号钢，材料定义过程如上节所示，此处不再重复。在此次对驱动轮单元格划分时不同于履带芯轴自由网格划分的方法，而是使用了生成的网格模型如图3.7所示。划分后的轴一共生成471665个单元，1875638个节点。图3.7网格模型图Figure3.7gridmodel（2）驱动轮受力分析和施加载荷通过对履带行驶装置工作过程及其原理进行分析可知驱动轮的受力情况为：驱动轮通过键与主动轴链接并传递动力，其拨齿与履带板接触并传递驱动力，以此带动各节履带使得机具能够行驶。因此在施加载荷时，将驱动轮中心（图中B处）固定，限制打塘轴x、y、z三个方向的自由度。之后根据上文计算的驱动轮的受力情况，在拨齿与履带板的接触面（图中A处）加载一个载荷，如图3.8所示。力的大小为800N，方向垂直接触面并指向内侧。对驱动轮施加相应的载荷之后，点击Solve对驱动轮模型进行有限元静力求解。图3.8驱动轮受力加载Fig.3.8forceloadingofconnectingshaft（3）驱动轮有限元计算及结果分析对驱动轮进行有限元求解后，通过后处理器查看结果，分别得到总变形图3.9和等效应力云图3.10，可以看到驱动轮受力后的变形和应力集中部位。图3.9中表现了驱动轮的形变情况，从图中可知，最大变形出现在拨齿的顶端，最大总变形量为0.0105mm，变形量很小，不会对驱动轮的正常工作产生影响，故设计满足要求。图3.9驱动轮总形变Fig.3.9totaldeformationofconnectingshaft通过对等效应力云图3.10分析可知：驱动轮的最大应力集中在轴与驱动轮进行键连接处，最大应力值为25.815MPa，符合45号钢的屈服极限要求：小于355MPa。图3.10等效应力云图Figure3.10cloudchartofequivalentforce3.2.3主机架的有限元模态分析（1）主机架材料定义及网格划分主机架设计采用的材料为Q253，在workbench材料库中添加Q235的参数:密度7.85g/cm3,泊松比0.25,杨氏模量206000MPa.如图3.11所示。图3.11添加材料参数图Fig.3.1addingmaterialdiagram对主机架的单元格划分采用自由网格划分的方法，划分后的轴一共生成1100136个单元，1819952个节点。如图3.12所示。图3.12网格模型图Figure3.12gridmodel（2）六阶模态分析接下来对机架的前六阶振动模态进行仿真分析，判断其在发动机额定转速及怠速状态下是否发生共振。设置部件间的联接方式为全局接触，定义发动机为远程质量，刚性连接到上机架上，并设置上机架为固定约束做为频率分析的边界条件。如图3.13所示。a.一阶模态b.二阶模态c.三阶模态d.四阶模态e.五阶模态f.六阶模态图3.13机架各阶模态下的URES合位移图解Fig.3.13URESdisplacementofenginecarrierunderModaltypes解得机架的前六阶振动模态，如表3.1所示。表3.1机架的前六阶振动模态Table3.1Thefirstsixvibrationmodesoftheframe模态阶数频率（Hz）变形类型振动最大幅值（mm）160.204弯曲0.41632142.85弯曲0.65873156.19弯曲0.91324264.66弯曲0.95765312.64弯曲0.97846336.86弯曲1.0372为了避免产生共振，需要计算发动机在额定转速时产生的振动频率，计算公式如下：f=Mn/60（3-1）式中：f—振动频率，（Hz）M—缸体数目，此处为1；n—发动机额定转速，（r/min）。由2.8节可知，选用CF173F柴油发动机，其额定转速为3000r/min，于是求得发动机在额定转速时产生的振动频率f=1×3000/60=50Hz。可以看出，其数值小于机架的最低共振频率60.204Hz，不会引起共振。3.3样机加工与制造在完成图纸绘制和有限元仿真分析后，进行了样机的加工制造，样机照片见3.11。图3.11样机照片Fig3.11Prototypephoto3.4本章小结（1）应用ANSYS软件对承重轮轴和驱动轮进行了静力学分析，解得：承重轮轴在工作状态下的最大变形量0.00064mm，最大应力为5.5045MPa；驱动轮在工作状态下的最大变形量0.0105mm，最大应力为25.815MPa。（2）应用ANSYS软件对主机架进行了六阶模态分析，解得其共振频率范围为：60.204Hz~336.86Hz。选型的发动机工作转速为3000r/min，振动频率为50Hz，可以确认机具工作中不会产生共振。（3）根据仿真分析结果和二维图纸加工了一台样机，为后续的试验提供基础条件。

第4章中耕施肥机的试验与改进查阅和研究马铃薯中耕追肥农艺需求以及国家农机作业相关要求后，结合云南省内的大春、秋马铃薯种植栽培情况，对马铃薯中耕追肥机的施肥、中耕、培土、除草的作业效果进行检测。通过对试验结果的分析，评估中耕追肥机在作业过程中的施肥、培土作业质量是否符合相关农艺要求和标准[58-60]，为该机型的设计、产品定型和生产试制提供依据。4.1静态排肥试验根据中华人民共和国机械行业标准JB/T7864-2013《中耕追肥机》中的试验方法，进行了静态排肥试验，实验场地平整，实验现场如图4.1所示。图4.1排肥性能试验Fig4.1Performanceexperimentoffertilizer试验设备：直尺、卷尺、电子秤等。选取长度50m、宽3m的平整场地为试验区，机具工作时的状态如表4.1所示。表4.1机具工作状态Table4.1Workingstatusofthemachine行进速度/m·s-1肥料箱容积/L肥料带间距/cm排肥口离地高度/cm0.5~1.52740104.1.1排肥量测定试验使用国产SLA600设备，通过3D打印技术试制了四种不同槽数、不同槽径的外槽轮式排肥器材料及尺寸参数如表4.2所示。表4.2四种槽轮的参数表Table4.2Parametersofthefourtypesofsheaves编号材质槽数槽径/mm1光敏树脂3102光敏树脂6123光敏树脂8124光敏树脂128对四种排肥器进行排肥量测试，试验时，排肥箱内所装肥料应占总肥料箱体积的三分之二以上。调节排肥器的槽轮工作长度至最小、最大位置，收集排肥口所排肥料并称重，共取30m并取每米长度上肥料重量的平均值，最终换算单位得到每公顷最小、最大排肥量。试验数据如表4.3与表4.4所示。表4.3槽轮最小工作状态排肥量记录表Table4.3Fertilizerdischargeintheminworkingstateofthegroovedwheel编号0m-10m排肥量/g10m-20m排肥量/g20m-30m排肥量/g平均排肥量m/g1号施尿素80.588.776.78.21号施复合肥106.3118.2114.511.32号施尿素160.4175.3168.316.82号施复合肥188.3182.1172.618.13号施尿素206.3215.3193.420.53号施复合肥247.8240.6222.623.74号施尿素205.3196.5186.219.64号施复合肥221.7215.7201.621.3表4.4槽轮最大工作状态排肥量记录表Table4.4Fertilizerdischargeinthemaxworkingstateofthegroovedwheel编号0m-10m排肥量/g10m-20m排肥量/g20m-30m排肥量/g平均排肥量m/g1号施尿素330.6326.7320.732.61号施复合肥476.1457.2437.745.72号施尿素545.3520.4494.3522号施复合肥814.2770.5743.377.63号施尿素641.6603.4591.161.23号施复合肥885.7839.1804.284.34号施尿素629.3595.4566.359.74号施复合肥859.2814.6783.281.9整理以上原始数据可以得到各类槽轮在施撒不同肥料时的排肥量范围，云南省马铃薯中耕追肥农艺要求：按照每公顷约67500棵马铃薯植株计算，马铃薯出苗后每公顷需要施不少于150kg尿素，马铃薯苗高10cm-20cm时每公顷需要施不少于225kg马铃薯复合肥。由此换算出单垄单行种植模式的马铃薯需要的尿素量不少于8.9g/m，复合肥量不少于13.3g/m；单垄双行种植模式的马铃薯需要的尿素量不少于17.8g/m，复合肥量不少于26.7g/m。4.1.2排肥量稳定性试验调节槽轮工作长度，控制排肥量符合农艺要求，机具以正常速度在平整的地面上行驶，施肥长度20m，取其中10m，平均分为10段。计算每段的平均排肥量、标准差和变异系数。排肥量稳定性由各段距离内排肥量的差异决定，实验数据见表4.3与表4.3，本节仅介绍计算公式，结果在4.1.4中表示。每段平均排肥量即机具每米排肥量，按式（4-1）计算：(4-1)式中：—每米排肥量的平均值，g；—第i段排出的肥料重量，g；n—测定时分段总数，此处n=10。排肥量标准差按式（4-2）计算：(4-2)式中：S—排肥量标准差，g。排肥量变异系数按式（4-3）计算：(4-3)式中：V—排肥量变异系数，%。4.1.3施肥断条率试验施肥过程中，长度大于10cm的无肥料区段为断条。测定5m内的断条数量和最大断条长度，计算断条总长度占排肥总长度的百分比，即为施肥断条率。实验中没有出现断条现象，施肥断条率为0%。4.1.4静态排肥试验结果经过试验并整理原始数据，得到该机具的施肥性能试验结果如表4.5所示。表4.5施肥性能试验结果Table4.5Fertilizerperformancetestresults肥料种类最小排肥量kg/hm2最大排肥量kg/hm2断条率/%变异系数/%尿素20565004.74复合肥20596004.86试验结果表明：该机具可按相关农艺要求完成尿素和马铃薯复合肥的施肥。选用槽数为3、槽径16mm的排肥器，调节外槽轮工作长度，使尿素和复合肥的排肥量符合农艺要求。两种肥料的流动性好，断条率为0%；排肥器的排肥均匀性好，排肥量变异系数≤6%。4.2田间试验为了验证履带式马铃薯中耕追肥机中耕性能，在云南省玉溪市江川区进行了田间试验。试验用到的设备主要有：SC-900型数字式土壤紧实度仪、直尺、卷尺、电子秤等。4.2.1土壤参数测定采用土壤水分测试仪测定土壤含水率，土壤坚实度测试仪测定土壤坚实度，其方法为在试验区地块对角线上取5点，然后在每个测点用25厘米×25厘米方框框定，并在其区域内测定0cm～5cm、5cm～10cm、10cm～15cm深度土壤含水率和土壤坚实度，并记录在记录表内。表4.6各层土壤含水率检测记录表Tab4.6Testrecordtableofsoilmoisturecontentofeachlayer土壤厚度（cm）采样点0-55-1010-15样方1烘干前质量（g）181.6192.7203.4烘干后质量（g）156.2156.6154.4含水率（%）13.9818.7424.13样方2烘干前质量（g）195.3201.3214.5烘干后质量（g）167.5162.1162.6含水率（%）14.2319.4624.21样方3烘干前质量（g）159.3175.1187.5烘干后质量（g）136.4140.1140.3含水率（%）14.3720.1225.17样方4烘干前质量（g）163.4168.7176.1烘干后质量（g）140.1135.2132.8含水率（%）14.2619.8524.56样方5烘干前质量（g）172.8185.4193.3烘干后质量（g）148.9150.7147.1含水率（%）13.8318.6823.92表4.7各层土壤坚实度检测记录表Table4.7Testrecordofsoilfirmnessofeachlayer土层厚度（cm）土壤坚实度（MPa）0-55-1010-15样方10.3270.4260.618样方20.3320.4220.616样方30.3150.4160.608样方40.3220.4180.613样方50.3250.4210.614将原始数据处理后得到土壤特性参数表。表4.8试验区域土壤参数Table4.8Soilparametersoftestplots土层厚度/cm土壤坚实度/MPa土壤含水率/%0~50.32414.135~100.42119.3710~150.61424.40试验条件符合中华人民共和国机械行业标准JB/T7864-2013《中耕追肥机》中规定的要求，即：土壤为含水率在15%~25%之间、坚实度为0.4MPa~2.0MPa的中等壤土；颗粒状肥料含水率不大于12%，排肥量在150kg/hm2~225kg/4.2.2碎土率测定在机具工作后的行间宽度内,往返行程中随机选取五个深0.1m、面积0.25m2的区域，称量其中直径小于25mm的土块质量和土壤的总质量。计算小于25mm的土块质量和土壤总质量的比值，得出碎土率。按式（4-4）计算：(4-4)式中：E—碎土率，%；—土壤总质量；—直径小于25mm的土块质量。表4.9碎土情况记录表Tab4.9Recordofbrokensoil取样点直径25mm以上（kg）直径25mm以下（kg）碎土率（%）10.281.9586.830.311.1578.740.302.1587.850.212.05伤苗率测定选取试验区域内机具行程上5垄，以作业幅宽为宽度，长度20m的区域。在中耕前后，测定区域内马铃薯植株的数量，伤苗率按式（4-5）计算：(4-5)式中:S—马铃薯植株损伤率，%；—测定长度内伤苗、埋苗数；—测定长度内总苗数。表4.10伤苗情况记录表Tab4.10RecordFormofInjurySeedlings试验组马铃薯植株伤苗数量伤苗率（%）119831.5220541.9319621.0420752.4520除草率测定在中耕作业区域内选取5条垄沟各20m长度为测定区域，测定中耕前后区域内杂草的数量。取平均值，除草率按式（4-6）计算。(4-6)式中：—中耕前的杂草数量；—中耕后的杂草数量。表4.11除草情况记录表Tab4.11Recordsheetofweedingsituation试验组中耕前的杂草数量中耕后的杂草数量除草率（%）112283.3210190.039188.8414285.7512中耕深度和培土高度测定在正常行驶速度和工作状态下测定，每个测区间隔5m长度，等距离选取5个测点，插上标杆，各垄行的中耕机测定点应交错排列，用耕深尺或其他测量仪器，测量耕深。分别计算出每一垄的平均耕深，参数如表4.9所示。表4.12中耕深度测量数据记录表Table4.12Cultivationdepthmeasurementdatarecordtable测区位置测点1测点2测点3测点4测点5平均值/cm第一垄9.89.710.310.510.710.2第二垄第三垄第四垄11.210.710.1在正常行驶速度和工作状态下测定，在测定中耕深度的同一测点记录培土高度，并计算出每一垄的平均培土高度，参数如表4.10所示。表4.13培土高度测量数据记录表Table4.13Cultivationheightmeasurementdatarecordtable测区位置测点1测点2测点3测点4测点5平均值/cm第一垄第二垄第三垄第四垄4.2.6田间试验结果表4.14中耕性能试验结果Table4.14Cultivatorperformancetestresults碎土率/%除草率/%伤苗率/%土壤蓬松度/%86.287.91.715.6中耕性能试验结果如表4.9所示,试验结果表明：在中耕深度10cm，机具行驶速度1m/s的情况下，可完成马铃薯的中耕作业。碎土率达到86.2%，除草率达到93.2%，伤苗率1.7%，土壤蓬松度达到15.6%，培土高度≥4cm。4.3问题与改进经过试验发现，该马铃薯中耕追肥机在工作时存在如下问题：（1）履带的宽度较窄，工作时不易掌握左右平衡，（2）履带接地面积不足，培土阻力过大时有打滑的现象发生；（3）换挡杆过长，拨动较为费力，不易挂挡。根据试验中发现的问题，特进行如下改进：（1）加宽履带的宽度，由原本的13cm加宽到16cm；（2）增加一对承重轮，加大了接地面积；（3）加长、加宽了主机架，将减速器由原本的位置移动到机架上方，缩短了挂挡杆的长度，更易换挡。最终的机型结构如图4.5所示。1.履带式行走装置2.机架3.发动机4.变速箱5.施肥离合装置6.肥料箱7.排肥装置8.操控装置9.施肥开沟装置10.培土装置图4.5整机结构示意图Fig4.5Schematicdiagramofthewholemachinestructure马铃薯中耕追肥机产品定型后通过了云南省机械产品质量检测检验站的检验检测，最终由新天力农业装备制造有限公司批量生产制造，并应用山地马铃薯全程机械化推广示范。图4.6铭牌照片Fig.4.6Nameplatephoto4.4本章小结本章通过进行静态排肥试验和田间试验对马铃薯中耕追肥机的性能进行了检测，试验结果显示：在中耕深度10cm，机具行驶速度1m/s的情况下，此款机型可完成马铃薯的中耕作业。尿素的施肥量调节范围205kg/hm2~650kg/hm2，马铃薯专用复合肥的施肥量调节范围205kg/hm2~960kg/hm2。碎土率达到86.2%，除草率达到87.9%，伤苗率1.7%，土壤蓬松度达到15.6%，培土高度≥4cm。该机具能够适用于0.6m~1.2m垄距的马铃薯中耕追肥作业，作业效率为0.135hm2/h，相关性能指标满足云南省马铃薯中耕追肥农艺要求。根据田间试验中产生的一些问题进行了结构优化：增大了履带与地面之间的接触面积；更改了减速器位置，使得整机结构更加合理。产品定型生产后用于山地马铃薯的种植生产，将有利于促进农机农艺融合、提高云南省马铃薯中耕环节的机械化率。该机型能一次完成松土除草、施肥覆土、培土起垄等作业，小型化的同时具有培土阻力小、施肥均匀性好、节约肥料等特点。第5章结论基于掌握的相关资料，参考市面上现有的中耕机提出整体设计方案并完成方案论证。运用SolidWorks软件对马铃薯中耕追肥机进行三维模型的建立；同时应用CAD软件进行中耕追肥机各零部件与整机装配二维工程图的绘制。通过理论分析和对关键核心零部件进行计算机仿真分析，在确保承受力和质量的基础上，加工了一台样机，对样机进行静态排肥试验和田间试验，通过试验分析、结构改进再次试验，得出如下结论：（1）通过查阅资料和实地调研，掌握了云南省马铃薯中耕环节现状，了解到了相关农艺和农户对中耕环节机械化的迫切需求。根据云南省秋季、冬季马铃薯种植农艺和中耕追肥机相关国家标准，马铃薯垄间距为0.6m~1.2m，沟底宽度10cm~20cm。中耕追肥阶段每公顷所需的施肥量为：尿素150kg、马铃薯专用复合肥（硫酸钾型）225kg。（2）设计并制造了一款单履带式马铃薯中耕追肥机，适用于单垄单行、单垄双行、平作的马铃薯种植模式。该机型针对山区丘陵农田地块较小、有坡度起伏等特点地块的作业而设计，体积小、不易打滑、施肥时不易断条，调整好施肥幅宽后作业的伤苗率低，能够一次性碎土、翻土并覆盖肥料、培土整形及除草等马铃薯中耕追肥作业。机具配套动力为4.05kW的CF173F柴油发动机，排肥装置采用外槽轮式排肥器，配套培土装置适用于单垄单行和单垄双行马铃薯种植模式。机具主要参数为：整机质量80kg，肥料箱容积为27L，中耕深度≥10cm，行进速度1m/s时的最大培土阻力约为250N。（3）通过进行静态排肥试验和田间试验对马铃薯中耕追肥机的性能进行了检测，试验结果显示：在中耕深度10cm，机具行驶速度1m/s的情况下，此款机型可完成马铃薯的中耕作业。尿素的施肥量调节范围205kg/hm2~650kg/hm2，马铃薯专用复合肥的施肥量调节范围205kg/hm2~960kg/hm2。碎土率达到86.2%，除草率达到87.9%，伤苗率1.7%，土壤蓬松度达到15.6%，培土高度≥4cm。该机具能够适用于0.6m~1.2m垄距的马铃薯中耕追肥作业，作业效率为0.135hm2/h，相关性能指标满足云南省马铃薯中耕追肥农艺要求。参考文献桑月秋,杨琼芬,刘彦和,等.云南省马铃薯种植区域分布和周年生产[J].西南农业学报,2014,27(3):1003-1008.卢丽丽,包丽仙,刘凌云,等.云南省马铃薯产业及贸易分析[J].作物研究,2018,32(3)：227-233.吴郁青,包丽仙.马铃薯产业在加快云南省扶贫攻坚中的重要作用探讨[J].云南农业科技,2019(4):20-22.Nationaldata国家数据中华人民共和国国家统计局[EB/OL].金黎平.我国马铃薯产业发展现状和展望[C].中国作物学会马铃薯专业委员会.马铃薯产业与农村区域发展.中国作物学会马铃薯专业委员会:中国作物学会,2013:20-30.宁旺云.云南马铃薯机械化生产现状及发展对策[J].安徽农业科学,2011,39(34):21497-21498.JorgeS.PérezdeCorchoFuentes,MiguelHerreraSuárez,RamiroVivasVivas,etal.Lamecanizaciónagrícola:campodeaccióndelaingenieríaagronómica.2017,4(1):59-65.金攀.发达国家农机化发展启示[J].当代农机,2012(02):59-61.BerthaChipoBangara,JohnPaulDunne.MacroeconomicEffectsofCommodityPriceShocksinaLow‐incomeEconomy:TheCaseofTobaccoinMalawi[J].SouthAfricanJournalofEconomics,2018,86(1).方文熙.美国农业机械化装备与发展趋势[J].福建农机,2016(02):48-52.JafariM,HeminatA,SadeghiM.DevelopmentandperformanceofaDCelectricvariablerate.Controllerforuseongraindrills[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2010,73(1):56-65.H.Auernharraner.2004.Off-RoadAutomation.TechnologyIn