毕业设计（论文）-玉米中耕机整体结构设计

目录玉米中耕机整体结构设计说明书I摘要及关键词I1前言 前言1.1研究意义现在田里农耕作业的播种、施肥和中耕普遍使用专一的播种机、施肥机和中耕机。农业机械的使用的特点可以终结为种类多，季节性明显，设备闲置周期长。功能单一的农机具增加了农耕的成本[1]。因此，研发多种功能为一体的农机具，使其实现即可施肥，又可中耕作业。上个世纪60年代，我国研制出汇集播种和中耕为一体的作业机具，可以和多种型号的拖拉机都配套使用，是我国北方地区耕种的主要机型。该类中耕机主要以下四个特点：1、功能齐全。使用通用型的机架，更换作业部件，便可以完成不同的任务，如追肥、培土、起垄和中耕等。2、适用性强。可以适配各种排种器，比如气力式、圆盘型孔式和外槽轮式，若在更换不同的作业部件，便可以实现单粒精密播、穴播和条播等不同作业方式[2]。3、整机利用率高。4、成本低，经济效益好。但是，其最明显的缺点便是在进行不同的作业类型，需要频繁更换作业部件。该中耕机械，是我国农用机具从单一功能发展为多功能的第一步，该机械节省了农民的财力，提高了农机具的使用率，促进了农业机械化的发展。目前，农民在种地时，缺少化肥使用衡量标准，无法做到适量施肥和除草，为了提高产量，逐渐加大化肥的使用量，这不仅对环境造成污染，还破坏了微生物的生存环境，导致大量微生物死亡，而微生物可通过分解土壤成分为农作物提供矿物质等。来年，为进一步提高农作物的产量，不得不再次增加化肥和农药的使用量，这又导致大量微生物死亡，造成恶性循环。为此，中耕施肥机可合理控制化肥使用量，并可将化肥施于地下60-120mm处，一方面可以让农作物充分吸收肥料养分，另一方面又可降低环境污染，正在做到了劫匪增效的效果。中耕施肥的研发，规范了农民化肥的使用量，提高了农作物的产量，间接的降低了环境的污染，大大节约了农民的经济成本。1.2国内外研究现状和发展趋势近年来，随着科学技术的发展，无论是国内外都热衷于研制集多功能于一身的中耕联合作业机，不仅使工作效率大幅度提高，减少了人力物力的同时，中耕联合作业机一次进行多项中耕作业，大大地减少了拖拉机与机械进地次数，对土壤的压实次数大大减少，这样可以改善土壤的环境，减少土壤的密实度，增加了通气效果[3]。1.2.1国外中耕机的发展状况国外的农业生产特点：1、国外土地广阔，耕地面积大。2、地广人稀，农业机械化水平普遍高于我国。3、农业生产模式已大型农场为主，农机具以大型为主，工作幅宽较宽、体型巨大、价格昂贵。大多为牵引式，作业效率高，需要匹配大马力拖拉机。美国、澳大利亚、加拿大等国提倡高效率的作业方式，一般一次可完成8～12行作业。约翰迪尔2200型施肥机和凯斯IH4600型中耕施肥机都需配套大功率拖拉机，可通过液压控制其折叠，操作方便，可以完成深松以及施肥等一系列中耕作业。莫里斯公司的B-48中耕机，可用于消灭杂草。法国LIOT公司生产的SF12型前悬挂中耕机，常用于行间中耕，破碎土壤板结层，在7km/h的作业速度下，可以去掉田里60%的杂草，其生产作业效率极高。丹麦康斯基尔德公司的VRC系列中耕机，一共有五款机型，其工作幅宽为2～12行。其中，具有折叠功能的机具幅宽为8～12行，可以通过两侧液压臂进行折叠和展开从而改变工作行数，工作幅宽为2.5～9.5m。此外还有很多具有代表性的中耕机具，如美国353系列旋转锄组合式行间中耕机，英国蛛网滚动式中耕机以及日本井关TS型中耕机，都是以当地土壤环境和农艺需求所设计，一定程度上上提高了作业效率。1.2.2国内中耕机的发展状况国内中耕机械虽然起步比其他一些发达国家相比较晚，但是随着科技的进步，以及国家的迅速发展，农业机械化的水平和发达国家越来越小，部分领域的农机制造水平已超过发达国家。60、70年代大多数播种机械、收获机械、中耕机械都需要从日本、美国等农业较发达的国家进口，才能满足我国农业的需求。但是，科技在发展，时代在进步，如今我国的农机产业发展迅速，国内一些农机公司迅速崛起。比较具有代表性的企业有：山东五征集团有限公司、江苏沃得农业机械有限公司、雷沃重工股份有限公司、山东希森天成农业机械科技有限公司和青岛洪珠农业机械有限公司等等。这些企业农机具以性能稳定、质量可靠和售后服务好著称。如图1是山东希森天成农业机械科技有限公司生产的3ZMP-360中耕起垄施肥机，具有培垄、松土、除草和追肥等功能。并且重新设计了犁体曲面结构，使其适用于北方寒冷地区。该犁面前进阻力小，犁地垄型整齐，外形光滑，能达到节约拖拉机马力作用。而且该机具可以调节犁壁宽窄适应不同宽度的垄距。该机具结构简单、操作方便、深得农民喜爱。图13ZMP-360中耕起垄施肥机Fig.13zmp-360middleploughridgingfertilizerapplicator图2是融拓北方机械制造有限公司的3ZQ系列中耕起垄追肥机，其可以完成起垄、追肥、深松和镇压，通用广。此外，该机部件设计先进，工作可靠，入土性能好，深松深度大。图23ZQ系列中耕起垄追肥机Fig.23zqseriesfurrowandtopdressingmachine除此之外，高校、研究院也在进行中耕机械的研制。在国内，不仅有一批好的农机生产公司开发和生产农机设备，各大农业高校、研究院在国家的支持下也在进行研制，研制工作包括对不成熟的机具进行设计制造；对已有的存在问题的一些机具进行改进改良；在各高校优秀导师的领导下取得了不小的成果。华北光电技术研究所李楠楠[4]，研制出可以完成中耕、除草和施肥的3ZT-3型中耕追肥机，并且该机具可以通过电液控制系统，可以完成仿地行走，保证了施肥深度。曹海峰[5]研制的3ZQ-10型中耕追肥起垄机，采用方管框架式大刚度机架，搭配滑刀式深松铲，可以实现深松和施肥同时进行。试验表明该机具入土性好，在深松的同时可以不破坏土壤结构，并且该机具阻力小。车刚[6]等研制的3ZF-7型全方位复式中耕机，一次可完成7行作业，配套功率59.2～88.9kW的大功率拖拉机，可实现深松、培垄、追肥和行间除草，适用于大型农场。韩豹[7]等人研制的3ZCF-7700型中耕机，不仅可以完成松土、施肥、培土等任务，还可以完成行间除草。整机采用模块化设计思路，整机共有除草机构11个，可自行调整间距。通过田间试验，该机具可以除掉田间85.85%的杂草，其中地垄上的杂草除净率高达95.7%，新疆农垦科学院王吉亮[8]等人研制出3XZF-5中耕机，该机具可以去除小麦套种玉米时的小麦根茬。余泳昌[9]等人研发的SQS-2型深松起垄施肥联合作业机，可以完成施肥、深松和起垄任务，深松铲采用凿形结构，大大减少了耕作阻力。张惠友[10]等人研发的XQ-7型驱动式中耕除草复式作业机，可以完成除草、中耕和打药任务。田耘[11-12]等人研制的SZL-2深施肥整地联合作业机，可以完成破茬、深松、培垄和施肥任务，机具设计紧凑，作业幅宽仅为2垄，配套马力29～36kW，破茬耕深10～13cm，深松30cm，施肥深度8～30cm可调，并且增加了排肥控制器，达到排肥的精确控制。该机具体型小，便于运输，适用于小面积作业。河北省农业机械化研究所王进朝[13]等人研制出新型中耕联合作业机，具有深松和分层施肥功能。该机具整合了深松铲和开沟器，使其结构简单，减轻了整机重量。2设计方案论证2.1对中耕机的农艺及技术要求（1）对土壤工作部件性能的要求农业技术要求中指出：中耕的主要任务是松土施肥和除草，并且在除草的过程中不能有杂草缠绕在机具上，还要再松土的同时减少土壤中水分的蒸发，保证在松土过程中土壤不能粉碎，保持土壤层原有性能，垄形规整，沟底留有落土[14]。播前整地全幅中耕时，土壤底层平整均匀，确保播种时苗床土层深度一致。(2)中耕机作业部件的装配要求中耕机需要根据农作物的农艺需求实现行距可调、深度可调，并且可以实现仿地型前进，在耕作过程中，保证作物的通过性。用于低秆作物中耕机的主梁高度一般不小于300～350mm,高秆作物中耕机不小于700mm。我国几种主要中耕作物后期的株高灌溉棉为50～70cm,大豆为40～50cm,玉米为80～120cm,高粱为80～120cm,谷子为60～70cm[15-16]。(3)对中耕机的技术要求1）结构简单，使用简便；2）作业时稳定性好，便于操纵；3）与拖拉机连接简单、便捷；4）更换作业机具可以完成中耕施肥作业。2.2土壤中耕的农艺原理土壤中耕过程中，其与中耕特性有关的参数较为复杂，不仅与土壤物理机械性质有关，还与作业部件的结构参数有关。为简便起见，将中耕锄铲设想为平面楔，分析其中耕的工艺过程。设中耕机工作部件为具有切削角的平面楔，如图3所示。若土壤为中等黏结性，即不是塑性或散粒体时，当楔在土壤中移动时,可观察到土垡位移和变形过程的三个阶段[17-18]。图3楔作用于土壤变形图Fig.3Diagramofwedgeeffectonsoildeformation压实阶段:在此阶段截面为体积的土垡被挤出,并被压入截面为的体积内。所以，在中耕过程中，土壤在分裂后变得蓬松，但是，土垡后边的土壤却因为被挤压而变坚实。尤其在深中耕时出现这种现象更为明显。移动阶段:垡层在与水平呈某一角的平面内进行位移。角可由下式确定：式中：为切削角；为楔工作面材料与土壤的摩擦角；为土壤内摩擦角。土壤挤压和相继移动的现象是由于耕机土壤工作部件在承受不平衡负荷情况下耕作而产生的振动所形成的。第三阶段:是垡片移动部分绝对位移,牵连位移和相对位移。现确定此位移的速度，为此只需求出垡片观察部分一点的速度值。考虑到:由图4得：图4土壤变形时的土粒位移方向Fig.4displacementdirectionofsoilparticlesduringsoildeformation若仔细观察位于垡片接合处截面上的土粒，随着速度的增大，邻接土垡的相互作用和破裂现粒就越剧烈，由上方程式看出,此速度值决定于工作部件的结构形式及前进运动的速度。因此，在高速作业时应加以注意。工作部件切开垡片通过的翼板后，垡片因重力作用掉落到垄沟，所以，出现如图5的现象。图5土壤变形时土粒间力的作用简图Fig.5functiondiagramofsoilparticleforceduringsoildeformation这种位移产生于截面,,等。这时，垡片的每一部分都受自身重力和相互之间的摩擦力()的影响。最初这些部分受作用于一侧的摩擦力的影响,最后,当垡片部分接近土壤底部时，则受作用于反侧摩擦力的影响并产生松土现象。疏松程度决定于工作部件翼板后部位置的高度,翼板与水平面的倾斜角及其宽度。当无须进行精细松土时，应适当减小角,并尽可能减小工作部件翼板的宽度。2.2设计思路图6设计思路Fig.6Designideas2.3整机方案设本文设计的中耕机具备中耕。施肥和起垄的功能，本机具的总体结构如图7所示。主要由机架、挂接机构、中耕机构、施肥机构和起垄机构组成。图7整机结构Fig.7Overallstructure考虑到改作业机具在工作时牵引阻力大，并为方便挂接，所以选择三点悬挂方式。挂接机构直接焊接在机架上，挂接时，通过调节拖拉机三点悬挂机构的位置，和该机具挂接。机架上方为施肥斗，正下方通过波纹管与施肥铲连接。在机架的后方两侧，设有限深装置。起垄机构被设置在机架的正后方。3主要部件设计3.1中耕机的机架设计3.1.1机架及行走系统中耕机的机架一般是多杆焊接框架结构。选用合适的矩形钢管，通过焊接，便可完成。这种结构制造方式简单，强度大。相关作业部件可以很轻松的布置在机架上，可根据田间作物的行距，调节作业宽度。若机架过大，可以将机架设计为液压折叠式，方便运输。根据中耕机的挂接方式，可以分为牵引式和悬挂式，牵引式需设由行走轮，便于运输，而悬挂式没有行走轮，行走时，通过悬挂机构，将其支撑起便可，工作时可依靠支出轮。3.1.2工作部件的固定装置中耕机的作业部件固定方式主要有刚性固定和铰接式。（1）刚性固定安装法工作部件直接固定在中耕机机架或附加横梁上，这种安装方法对地形适应性和中耕深度稳定性都较差，因此一般只用于幅宽不大的手扶式畜力中耕器或机力牵引式中耕机上。（2）铰接式固定安装法1）单拉杆铰接装置该装置主要用于全幅中耕机上，其结构持点是每个土壤工作部件都由单独的拉杆固定在中耕机机架上。这种固定装置能适应地形起伏、借助压力弹簧或配重强制工作部件人土。缺点是锄铲入土角随拉杆起落而变化，致使中耕深度不均匀。此外，拉杆较多，结构笨重，重量增加。2）分组单铰接固定装置该装置主要用于悬挂式中耕机上，每组安装2～3个锄铲，用压力弹簧调节耕深可保证适应地形起伏。与单拉杆比较其优点是拉杆少。在杂草多和不平整的土地上使用这种固定装置的中耕机，易被堵塞，因此应用较少。3）分组多铰接固定装置这种分组多铰接固定方式主要用于悬挂式中耕机，是具有一个自由度的行四杆机构。并且可以实现仿地行走，这主要靠仿形轮完成。当土地出现高低起伏时，在仿形轮的作用下，机架也随之起伏，因而土壤工作部件与地表面的安装角为定值即人土角不变，保持中耕深度均匀一致。为了保证锄铲工作的稳定性，应用这种安装方式时应保证一定的入土力矩,并安装仿形轮。仿形轮至锄铲的距离一般170～250mm较好，过小易堵塞。平行四杆机构的上下杆件与水平面的夹角a的实验数据：当锄铲组质量为10～15kg时,a=5°～10°;当锄铲组质量为15～60kg时,a=15°～35。-般情况下采用a=15°～18°为宜。杆件长度L的经验数据为:轻型锄铲组L=200～300mm;重型锄铲组L=400～500mm。设计合理的平行四连杆机构，必须正确选定锄铲组质量、杆件长度及其与水平面的夹角a和其他参数。在其他条件不变时，增大a角将使仿形轮支反力减少。4）框架式铰接固定装置这种固定方式主要用于牵引式中耕机上，工作部件连接在框架上，框架和机架铰接固定，这种安装方法的缺点是横向适应地形起伏性能差，与地面的通过高度小，不适于植株较高的田地。3.1.3工作部件的安全装置为了防止中耕机工作部件在瞬间过载情况下损坏，因而采用安全装置。安全装置有刚性(销式)、弹性(弹簧式、挠性等)摩擦分离式和棘轮式等。（1）刚性(销式)安全装置固定在铲柄与锄梁之间，当工作部件承受的阻力超过允许载荷时,安全销被破坏，工作部件从工作中脱开。这种安全装置结构简单，造价低廉，可以保证农机具在一定的土壤阻力下稳定工作。当工作部件超载越过障碍物后，不能自动回复其原来位置,需更换安全销。（2）弹簧式用于多石及残茬较多的土壤，这类安全装置当未碰到障碍物前，锄铲保持在要求的作业深度，牵引力通过弹簧传递。当田间土壤阻力发生变化，比如遇到石块，当阻力超过安全阈值，弹簧就会被拉伸，中耕铲便被拉起。当越过石块后，弹簧复位，中耕铲复位。工作部件越过障碍后，可自动复位，在工作过程中产生振动。（3）挠性与弹性耙齿相似，工作时产生振动的脉冲动作，从而使表土达到精耕细作的程度。（4）摩擦分离式铲柄上有一旋转座，当遇到障碍物大于旋转座和铲柄之间的摩擦力时，旋转座则反向转动，然后又回到原位。这种安全装置较弹性松脱式便宜,但可靠性较差。（5）棘龙式棘龙结构常用作业部件旋转的中耕机上，驱动式圆盘犁的悬挂方式综合有力调节和位调节。左位置调整模式下，左、右提升杆均受力，由于上、下拉杆及提升杆的两端点都采用球铰连结，因此上拉杆和左、右升降杆都是二力杆，下拉杆受3个力，为平面汇交力系。3.1.4机架整体结构该中耕机的机架总长4.5米，宽0.45米，使用80*80方管焊接而成，机架的固定装置采用三点悬挂刚性固定连接。在挂接机构左右焊接有连接杆，进一步提高了机架的整体刚度。挂接机构固定在两个60*60*12的角铁上，角铁和机架焊接，挂接机构板厚12，并有拉筋焊接。其强度大，能够克服作业时土地给机架的作用力。图8机架整体结构图Fig.8overallstructureoftherack3.1.5悬挂装置的受力分析（1）空间力系平衡方程式的建立该机架悬挂方式综合有力调节和位调节。左位置调整模式下，左、右提升杆均受力，由于上、下拉杆及提升杆的两端点都采用球铰连结，因此上拉杆和左、右升降杆都是二力杆，下拉杆受3个力，为平面汇交力系。左、右下拉杆的受力如图9。图9左右下拉杆工作受力Fig.9workingforceofleftandrightlowerpullrods图中：为挂接机构的左下和拖拉机的连接点；为挂接机构的右下拉杆与拖拉机的连结点；、为左、右下拉杆的挂结点；为挂接机构左侧提升臂对下拉杆的作用力，为挂接机构右侧提升臂对下拉杆的作用力；为挂接机构的左下拉杆挂结点处受力沿下拉杆轴线方向的分力；挂接机构的右下拉杆挂结点处受力沿下拉杆轴线方向的分力。根据平面力系平衡条件得：其中：，分别为左、右提升臂对下拉杆的作用力；、分别为左、右下拉杆挂结点处受力沿提升杆方向的分力。为建立静力平衡方程作如下的简化：(1)各杆重力不计；(2)沿前进方向机组作匀速直线运动；(3)整机阻力的合力在中间位置；(4)左右下拉杆与犁架组成的四杆机构在水平面内的投影成正梯形[19]。中耕机具的受力示意图如下图10。坐标原点是左悬挂销的中心点B，x轴与机组前进的方向相反，y轴指向未耕地，z轴铅垂向下。图10驱动式圆盘犁受力分析Fig.10Forceanalysisofdrivingdiscplow以下将图3-3中各力在坐标轴上的方向余弦记为：；；；；。则空间力系6个平衡方程式（）:其中：为上拉杆作用在悬挂架上的作用力；为驱动圆盘犁的重力；为尾轮在轴方向上的分力；为尾轮在平面上的力；、分别为左、右下拉杆对悬挂架的作用力沿下拉杆方向的分力；、分别为左、右下拉杆对悬挂架的作用力沿提升杆方向的分力；分别是作用点为中间圆盘刃口平面的圆心作用在圆盘犁体上的三个坐标轴方向上的分力；分别为作用在圆盘犁体上的三个坐标轴方向的分力矩。在本论文中中耕犁的曲率半径为510mm，尾轮直径550mm，单个犁重30kg，耕深145mm，圆盘偏角α=28°，耕速v=5.7m/s。在5.6×105Pa的坚实度、水的含量为38.1%的粘壤土上测得，驱动式圆盘犁体六分力及尾轮六分力数据见表1所示。表1中耕犁及尾轮六分力测定结果Tab.1Measurementresultsofsixcomponentforcesofploughandtailwheel项目Rx/NRy/NRz/NMx/N·mMy/N·mMz/N·m中耕犁178.4278.6-252.8-69.7-66.510.9尾轮223.4-678.2-382.2159.71.04.9单盘测力所得上表中测定中耕犁的数据在尾轮六分力的耕幅为880mm时测定的。简化后工作的中心点K是中耕犁的力的作用点，尾轮圆盘的中心点Q是尾轮的力作用点。从表3-1可以看出，尾轮的，很小，可略去不计。通过平移可消去，往下平移距离，平移后水平力作用点大约在1/3耕深处。因此尾轮六分力可简化为，两个力，，。为了利于计算机编程计算，把以上六式写成矩阵的形式，其中：A为系数矩阵，B为列向量，。当中耕犁组正常耕作时，走在未耕地上的为左驱动轮，走在已耕犁沟里的是右驱动轮，尾轮走在最后圆盘的犁沟里。在这种工作状态下，测得各杆件的空间方向及各力作用点的坐标，所测得数据代入系数矩阵A和列向量B，并利用MCAD软件编程计算，结果如下：将、值分别代人得：，受拉。，受拉。3.2排肥器主要参数的确定及计算（1）肥箱体积的确定中耕机施肥箱的大小应根据当地地块的大小以及作物对肥料的需求量来确定，若设计过大，增加了整机的牵引阻力，若设计过小，需要在工作时经常添加肥料，这会影响中耕机的工作效率。此外，肥箱不宜装满，以免因颠簸而流失。为了减少对排肥量的影响，在设计计算施肥箱的容积时,可适当放大其体积。其体积计算公式如下所示。其中：为肥箱体积（）；要求一次撞飞的施肥长度（）；为施肥工作幅宽（），对于单组式肥箱，=行距排肥口数，对于全幅式肥箱=行距行数；为单位面积施肥量（）；为肥料的体积质量（）；体积系数，。设计的箱体如图112所示。排肥箱主要由箱体、排肥器和动力输入轴组成，在工作时，动力由拖拉机的动力输出轴输入，通过链轮带动施肥轴转动，在箱体的施肥口下方，设置有施肥轮，通过是施肥轮的旋转，将肥料均匀送入施肥管中。图11肥箱三维图Fig.11Threedimensionalstructureoffertilizerbox（2）施肥量的计算设机组在行距为的田间施追肥，机组上有个排肥器,每个排肥器有个排肥口，则在一公顷田地的面积上一个排肥器应施肥的地段长度为:若要求单位面积施肥量为，则机组工作时每个排肥口在单位地段长度上的排肥量为:（3）排肥能力的计算转盘式排肥器排肥器的排肥能力是指单位时间内的排肥量可由下式计算:其中：化肥流带断面积（）；化肥流动速度（）；化肥体积质量（）；肥料导板工作可靠性系数。1）化肥流带断面积肥料流动断面形状是两边为直角，斜边为弧线形的曲边三角形或梯形。弧线形状与化肥物理机械性质、排肥器转盘转速及其结构等有关。为计算方便，可近似认为是直角三角形如图12。图12化肥流带Fig.12Fertilizerflowzone角是由于转盘转动化肥产生离心力所引起的，由于转盘转速很低，数值很小（）。可忽略不计，故得：2）化肥流动的速度在化肥流带的垂直断面上各点的化肥顾粒运动速度是不一致的。例如在同一高度上，更离回转中心较远(转盘边缘)的化肥切向远动速度较大，又如在同一回转半径上，靠近转盘底面的下层化肥切向运动速度又比上层切向运动速度大。因此，在同一肥料流带截面上，其颗粒的切向运动速度是有速度神度的。为简化计算，选取肥料流带断面的中心质点运动速度作为其运动速度。其中：为速度系数，即化肥流带断面中心质点的运动速度与转盘外缘线速度之比，一般取；为转盘的线速度，设化肥流带断面中心距转盘回转中心的距离为，则所以：其中：为转盘转动角速度；为转盘转速；为排出口至转盘回转中心的距离。3）导肥板工作可靠性系数值与导肥板的结构参数、制造装配质量及化肥性质等有关。一般取。所以，排肥量可以写为：其中：是系数；与化肥性质有关，可通过测定；与是排肥器的结构参数，需在设计时确定。适当选择以上各参数，使其满足所施化肥的最大施肥量要求，可用试算的方法确定。如换算成单位面积的施肥量，则：其中：为机组前进速度，。4）星轮式排肥器的排肥能力星轮每转的排肥量由下式计算:其中：为肥料充满系数，一般取0.7；星轮每个齿槽面积，；为星轮齿槽数；为星轮齿厚，；为活门至星轮上表面的距离，；为化肥的体积质量，。换算成单位面积施肥量：其中：为排肥星轮传动比；为排肥口数；为地轮直径；为地轮划转率；为作物行距，。综上，采用转盘式排肥器，其整体结构如图13所示。图13转盘式排肥器Fig.13Rotaryfertilizerdischarger（4）转盘式排肥器转盘的极限转速转盘转动时化肥随着转动，在转盘斜边上化肥质点受到（重力）、（离心力）和摩擦力的作用，如图14所示。图14肥料质点上的作用力Fig.14Forcesonfertilizerparticles即有：其中：为转盘斜面与水平面间的夹角，为化肥与盘缘斜面在运动时的摩擦系数。为使化肥能从斜面上滑落，向下的作用力应大于零，即应满足以下条件:因为，带入上式可得：由于进一步化简得：（5）转盘式排肥器转盘的最高速度施肥管输肥管与肥箱的排肥口相连，可以随着中耕机具在田间的起伏变化而变化，也就是说施肥管必须具备柔软并不易折断的特性，时刻保证肥料能送入开沟器中。中耕追肥机常用的输肥管有漏斗型如图15（a）及橡胶波纹型如图15（b）橡胶波纹输肥管在气温0～30℃范围内应能保证工作性能,相对伸长率不小于280%,冷脆温度不高于-30℃。圆度误差不大于3mm,残留变型不大于100mm。（a）（b）（a）漏斗型输肥管；（b）橡胶管型输肥管图15输肥管Fig.15Fertilizerpipe3.3中耕铲的设计计算中耕产的结构如图16所示，其切面型如三棱楔，其主要参数有：翼张角，铲胸升角，切土角，碎土角，刃角，幅宽，铲翼宽和铲翼上缘高，材料厚度等。图16中耕铲的三棱楔Fig.16Thetriangularwedgeoftheplough（1）翼张角在中耕铲工作时，不能让杂草缠绕在中耕铲上，因此，必须使杂草沿着锄铲刃口滑走。由图17可知，只有当杂草阻力沿刃口的分力大于草根和刃口间的摩擦力时,草根才能沿刃口向后移动，即，或:其中，是杂草对铲刃的摩擦角，较接近，因此，。图17切断杂草时做用于锄铲刃口之力简图Fig.17Asketchoftheforceusedtocutweeds（2）切土角切土角、刃口锋利程度和角影响了锄铲切割杂草的干净程度，在与刃口垂直的截面内,刃口上边与水平面所形成的角叫做切土角。切土角等于刃角和隙角之和，刃角一般取，隙角一般取。（3）碎土角刃口可自上、下或从两边同时磨刃。若碎土角，应为上磨刃,若，应为上下磨刃，若，应为下磨刃。选择碎土角及铲胸升角之值,应保证疏松土壤，又不将底层土壤翻到表层。若锄铲的及值选取较大，那么在锄铲工作时，土壤向两边运动。耕作层升起的高度对松土的程度影响很大。中耕产铲翼的宽度和碎土角影响了工作部件的碎土程度，所以角较小的锄铲为了增强碎土性能，可增大锄铲翼板上缘高度,为此只须增加锄铲翼板宽度即可。在定速情况下，为了减少中耕时土壤高速移动使得土层不规整，通常铲翼的宽度根据经验值选取，，。（4）锄铲工作幅度锄铲幅宽根据人土条件、疏松性能和对不同行距的作物进行行间中耕时中耕机配置的方便合理等。也可根据强度要求来决定，据田间试验结果，各种锄铲最大宽度为：单翼平铲：双翼平铲：双翼通用铲：各种锄铲的最小宽度，为前后两列锄铲间的重叠量。其整体结构如图18所示。图18中耕铲整体结构Fig.18Overallstructureofploughshovel3.4培土器的设计开沟培土器顾名思义，在中耕作业的时候将铲翻起的土块定型，形成垄沟用于灌溉。随着作物的生长，垄沟土质疏松，可以再次使用中耕培土器，将疏松的垄沟加固。培土器的加工方式和铧式犁的加工过程不同，其设计方式也有所不同。但是，培土器的切面结构和犁一样，仍然为三面楔。确定工作部件设计依据时，设:（1）将土壤按已定沟底宽度切开,并分向两侧，在此过程中土壤产生破碎[20]。（2）使土壤沿两侧向后倾斜运动上升，达到预定沟边时,推向垄中心，使土壤按自然休止角形成要求的垄形[21]。培土部件应满足以下要求:（1）垄形规整；（2）适应不同行距作业；（3）在培土器完成起垄培土后，垄沟底部留存少许浮土；（4）工作阻力小，作业稳定。培土器工作面的参数由培土时所形成的垄形断面尺寸确定如图19所示。图19培土垄型断面图Fig.19Crosssectionofsoilridge主要参数为行距(通常为6070cm),沟底宽(-般为1011cm)，垄顶宽(一般为812cm),沟底至垄顶总高，开沟深度，垄高，袭壁土壤自然体止角(一般为)。4有限元分析4.1.1有限元方法与ANSYS简介在遇到工程的数值问题后，通常使用有限元的分析方法来解决。现代应用有限元方法进行求解各类工程问题的数值问题起源于上世纪。ANSYS是一个通用的有限元计算机程序[22]。在本次设计中，运用ANSYS软件对施肥犁进行分析。4.1.2机架有限元分析（1）施肥犁的有限元模型的生成首先，在SolidWorks中对绘制成中耕机的整体结构，并将施肥犁的三维模型保存为.x_t格式，然后在ANSYS软件中，点击file按钮，并打开其下import\PARA导入solidworks保存的.x_t文件，导入模型后，对窗口显示风格进行修改，通过plotctrls\style\solidmodelfacets,选择styleofareaandvolumeplots选项中的normalfaceting。（2）施肥犁的划分网格定义材料属性。施肥铲属于加工件，其施肥铲起到开沟作用，和土壤摩擦较大，固此部分材料为耐磨的锰钢材料。而为了降低加工成本，施肥铲其余部分采用普通碳钢q235。因此，根据q235的材料属性已经结构设计，这里选择施肥犁模型为实体单元solidTet10node187模型，其中tet10是拥有10个nodes的四面体solid单元。最后根据q235材料的特性定义其材料属性的弹性模量EX为2e11，泊松比PRXY为0.33[23]，材料属性定义如图20所示。图20材料属性定义Fig.20Materialpropertydefinition最后，模型进行网格划分。网格划分结果如图21所示。图21网格划分Fig.21Gridding（3）施肥犁的约束、加载以及求解首先对网格划分后的模型进行约束，根据施肥犁的实际安装情况，分别用ANSYS中GUI:preprocessor\solution\DefinrLoads\Apply\structural\displacement和pressure对模型进行位移约束和受力加载，对施肥犁4个螺栓安装位置进行对应方向的位移约束，对施肥犁的背面进行X方向的位移约束，同时，对施肥犁的三个安装角度调节盘的三个螺栓孔进行受力加载。位移约束和受力加载完成后用GUI:preprocessor\solution\solve\currentLS对当前载荷进行求解。对模型求解后的受力加载如图22所示，求解后的整体应变云图如图23所示，压力云图如图24所示。图22受力加载图Fig.22Loadingdiagram图23应变云图Fig.23Strainnephogram图24压力云图Fig.24Pressurenephogram5结论中耕作业是农耕时不可或缺的环节，在中耕过程中伴随着施肥，起垄等任务，为此，设计了中耕施肥起垄培土机具，首先，查阅资料，对中耕施肥培土的结构有了初步了解，然后确定了整机的设计方案。然后再SolidWorks中对中耕机的机架、排肥器、中耕铲和培土器进行了设计计算和三维绘制。最后使用ANSYS软件，对受力较大的施肥铲进行了有限元分析，分析表明，施肥铲在工作中压力较大部分为中间部位。应变最大为施肥铲端部。通过这次设计计算，对中耕培土有了进一步了解。下一步可使用ANSYS对机架进行分析，了解在工作过程中机架的变形量，进而轻量化机架，可以起到节约成本。参考文献薛少平，朱瑞祥，党小选，等．一种组合式播种施肥中耕机[J]．西北农林科技大学，2006．SadekMA，ChenY．Micropmpertiescalibrationofdiscreteelementmodelsforsoil—toolinteraction[C]／／2014Montreal，QuebecCanadaJuly13．July16，2014．AmericanSocietyofAgriculturalandBiologicalEngineers，2014：1王佳琦.辽西褐土区深松培垄施肥中耕机的设计与试验[D].沈阳农业大学,2018.李楠楠,刘宏俊,赵淑红,等.3ZT－3型中耕追肥机设计与试验[J].农机化研究,2016,(11):181-185.曹海峰.3ZQ-10型中耕追肥起垄机的研究设计[J].农机使用与维修,2016,(2):1-3.车刚,张伟,梁远,等.3ZFC-7型全方位复式中耕机的设计与试验[J].农业工程学报,2011,27(1):130-135.韩豹,申建英,李悦梅