小型有机液肥施肥机设计.doc

前 言能源是人类社会进步和经济发展的重要物质基础，也是人们从事生产活动中的重要基础，在城市化、工业化、农业现代化等诸多方面，都起着决定性的作用，沼气工程能利用排泄物、秸秆、餐厨垃圾等废弃物生产沼气等清洁能源，变废为宝，对于我国的能源需求、农村生态环境和农业循环经济发展模式都有重要的作用。但是，沼气工程还产生大量的沼液沼渣，如果不将其合理处理将导致二次污染。于此同时，沼液沼渣也是一种很好的有机液肥，能够有效改善土壤生态环境、提供土壤肥力状况、提高农产品的品质等。沼液沼渣等有机液肥不同于传统的液态肥，它具有较高的粘度同时可挥发产生污染性气体，因此需设计一种既具有防堵功能又具有减少挥发的施肥机。本设计设计出有机液肥田间施肥机械，该施肥机械可以一次性完成开沟、施肥、起垄、镇压等作业。同时对该施肥机械的主要部件的设计原理、功用等做了分析。首先分别设计出主机架、行走装置、施肥装置、起垄装置、镇压装置以及防堵分配器等主要工作部件。在设计防堵分配器时首先需要设计出一种合理的防堵机构，本文中通过防堵叶片对分管进行间歇性封堵，防止固态杂质蓄积造成堵塞。关键词：沼液沼渣；有机液肥；施肥机；防堵分配器；液肥箱目 录1引言11.1 目的与意义11.2国内外研究概况31.3研究内容与方法52 技术方案52.1 设计要求52.2 结构组成52.3 工作原理63 零部件与总成设计63.1 施肥机机架63.2 限深轮73.3 施肥铲83.4 起垄器93.5 镇压装置104 防堵分配器的研究124.1 功能分析124.2 基本结构与工作原理134.3 机构设计15结 论24致 谢25参考文献26塔里木大学毕业设计1引言1.1 目的与意义我国农业资源丰富，每年会产生大量的生物质废弃物，农业秸秆每年生产量超过600万吨，其中可以视为能源用途的约350万吨，且农村普遍存在“五乱”现象1。近年我国能源分布不均衡，煤炭运输紧张；能源生产与消费结构矛盾突出；能源消耗产业结构不合理，工业部门所占比重偏高；结构性污染等问题。传统的化石能源已经造成严重的环境污染和生态失衡，因此，切实解决能源危机和环境保护两大问题迫在眉睫。为缓解能源需求的压力，兼顾经济增长和环境保护、能源格局的更新，开发无污染、可再生的新能源与能源转化技术是科技界的当务之急。有机液肥具有混合均匀、配方容易调整、可添加其他农用化学品、生产成本低、能耗低等许多优点，因此已经有许多国家开始通过农作物灌溉系统对有机液肥进行使用2。在北美有机液肥消费量在国际上达到第一，西欧达到第二。沼液沼渣常规工艺发酵的营养成份见表1-1、表1-2所示表1-1 沼液营养物质含量代号Ph全氮全磷全钾水溶性氮水溶性磷水溶性钾CaMgFeMn(L)17.67552.376.3813.5411.625.5783.9167.427.810.4128.03142.8114.5361.5135.36.94327.2128.129.3130.438.6160.771.5361.5139.55.22327.2140.429.841.70.748.14362111.8873.7344.419.8826.190.128.63.80.4557.62379.931.61114.7342.2291035.264.126.111.30.367.45704.7146.1780.1625.312.9474.5204.411.60.92.5277.14286.1140.4262.7226.879.722672.233.42.91.2887.2543164.4506.2376.827.5504.7116.732.82.240.697.58616.3107485.9471.839.8451.987.436.72.550.24107.61751.2188688.767584632.749.335.140.52表1-2 沼渣营养物质含量代号Ph有机质全氮全磷全钾有效氮有效磷有效钾CaMgFeMn()()18.0164.33.489.857.12358.3918690.314078.6869.4845.4797.127.63154.42.316.532.36355.3737.5469.67920576.7713.9239.236.6260.93.855.577.99329.7266.11250.97403.5634.5590.932247.3150.62.428.296.92584.9507.31400.28594.1617.9583.3329.357.8297.42.9911.52.71358.37959778544.3550.9642.2364.167.8956.22.9132.86432.61134.6762.12221.6650.3455.664.777.83157.63.337.371.25792.51999.2621.222573.41603.91178.3416.887.87162.746.161.29615.41914.3676.25925.61266.3869.794.797.88122.24.536.991.43851.42114672.36022.2926.3788.284107.89109.84.787.761.39769.41934.2676.410594709.3872.3466.5据检测，通常农户使用的堆肥中的含氮量比沼液沼渣低4060，含磷量比沼液沼渣低4050，含钾比沼液沼渣低8090，作物利用率比沼液沼渣低1020，数据表明，沼液沼渣作为肥料应用极具价值。随着沼气工业的迅速发展，沼气的加工和利用成为迫切需要解决的问题。如果沼液沼渣处理不当，对沼气工程正常运行造成影响的同时，还会形二次污染4。当今多数选用湿法厌氧发酵的沼气工程都以畜禽粪便混入些许秸秆为原料,该原料在厌氧发酵过程中所产生气体的主要成分份CH4和CO2，剩余营养成分包括N、P、K及各种矿质均未损坏。而且微生物孕育繁殖、新陈代谢和分解均会释放出许多有机、无机酸盐等可溶性产品。同时大量繁殖的细菌死亡后释放出各种生物活性物质，包括生长素、维生素、核苷酸等。所以经厌氧发酵后的沼液沼渣的植物营养有增无减。本设计根据一般沼气工程对沼液沼渣的处置、和生态农业经济对有机液肥利用的需要，研发出一种有机液肥施肥机械，该机械可实现五垄同时施肥，具有有机液肥田间深松、暗罐、起垄和镇压等多项功能，使田间施肥作业更加省时、高效。该机械的设计和推广可以有效解决沼液沼渣肥料化利用的最后一公里问题，具有重要的现实意义。1.2国内外研究概况1.2.1 国内研究我国沼气事业发展迅速，尤其在大中型沼气工程的建设中会产生大量的沼液，我国对沼液的利用方式主要有防病抑菌、农作物肥料、沼液浸种、作为饲料添加剂等几个方面。我国虽然越来越重视沼肥的合理使用。但目前，在沼液沼渣等有机液肥的利用方面与发达国家还有一定差距，差距的产生主要体现在有机液肥田间施肥机械的不完善。我国在有机液肥的施肥过程中广泛采用的施肥方式是喷洒施肥。用这种方式施肥利用率低，同时还会污染环境6。近几年我国沼气产业迅速发展 ，人们已经意识到沼液沼渣正确利用的重要性。我国已经在沼液管道施肥装置方面有所研究7，但这种施肥方式同样会造成环境污染，考虑到沼液的污染问题，暗灌施肥是一个很理想的施肥方式，但我国现有的有机液肥暗灌机械几乎一片空白，待研究空间非常广阔。1.2.2 国外研究国外有机液肥的田间施肥能力与机械比较发达，如瑞典、捷克、加拿大、澳大利亚、美国、比利时、俄罗斯等国都已对有机液肥高度重视并研制出较为成熟的有机液肥施肥机械，通常气工程都拥有沼液沼渣的运送和施肥设备，施肥方法通常有两种，一种是直接喷洒在地表，另一种是耕地暗罐施肥8-10，从而将沼气工程、生态农业、有机栽培较为完美地结合在一起。美国的灌溉技术十分发达，他们的滴灌技术还传入了以色列，美国将灌溉与施肥相完美结合，非常看重有机液肥的制造和利用，他们在大田作物、蔬菜、瓜果和观赏植物上普遍使用有机液肥11。以色列生产的自动灌溉施肥机，对灌溉和施肥一体化的实现，大大提高了水肥利用率和耦合效应12。在俄罗斯已经生成了浓度相对较高的净化后的生态和清洁型有机肥-沼液市场、发酵后的沼沼液沼渣等有机肥在各种作物中的广泛应用13。比利时的Joskin公司率先研制并生产了各种有机液肥施肥机具。另外，还包括美国的大平原、澳大利亚的John Shearer、加拿大的BigRig等知名企业都对有机液肥施肥机械有所涉猎。（a）Terraflex/2型施肥机（b）Terrasoc型施肥机（c）Terraflex/3型施肥机图1-1 Joskin研发的系列有机液肥施肥机图1-1为比利时的Joskin研发的有机液肥施肥机，图1-2（a）为Terraflex/2型施肥机，该施肥机械具有许多坚硬灵活的细铲，细铲的底端有6.5cm宽的可反转的犁头，由于细铲的这种特殊结构，它在工作时可以很好的疏松土壤，植物残余物可以得到充分的混合。（b）为Terrasoc型施肥机，该施肥机械每间隔30或40cm装配有一个坚硬的锄刀，锄刀的底端是一个24cm宽的箭型犁头，犁头宽度根据不同的流状肥料和不同的土地情况由15cm到25cm不同，流状肥料从软管口流出后全部注到犁头上，为了满足工作要求，锄刀的工作深度为1012cm.这种锄刀形式可以很好的适合机械除草技术。（c）为Terraflex/3型施肥机，铲头分三行排列，第一行与第二行的间距大于第二行与第三行的间距，这种结构加大了铲与铲之间的宽度，能够适应田地中有较多植物残留物的情况。综上所述，由比利时Joskin研发制造的系列流状肥料施肥机均以大型为主，机重大，且需要配备大功率拖拉机，施肥效率高，适用于大地块作业，当然，机器价格也相当昂贵。而我国一般地块不大、家庭的购买力不高；并且，我国能与大型施肥机具配合使用的拖拉机很少，主要以中小型施肥机械为主，因此无论从价格上，还是从需要的配套动力来看，均与我国国情不符。所以我们只能根据我国的实际情况，设计制造适用于我国国情的有机液肥施肥机械。1.3研究内容与方法本文是在综合研究国内外有机液肥施肥机械研究现状的基础上，针对我国对沼液沼渣等有机液肥的利用情况，结合有机肥的物理特性以及我国农田对有机肥料的实际需求，设计一种可多行同时完成开沟、松土、施肥、起垄、镇压多个功能的有机液肥施肥机械。本文的主要研究内容及方法如下：施肥机的整机设计。在考虑了我国田间作业的农艺要求，施肥的工作效率以及分析垄体参数的基础上，提出有机液肥施肥机的设计要求及实现的功能。防堵分配器的设计。针对沼液沼渣等有机液肥具有较高的粘稠性，而且要实现多行同时施肥设计出一种既具有将有机液肥均匀分配到各个输肥管功能，又具有防堵塞功能的防堵分配器。2 技术方案2.1 设计要求（1）从液肥箱总管出来的沼液沼渣能均匀稳定地送到各施肥铲，且不容易堵塞。各分管的施肥量要满足农艺的要求，沼肥施肥量为50m3/hm2。（2）具有一定的施肥深度，满足农业对肥料的要求。施完肥后能将肥料完全覆盖住，防止肥料中氨的挥发造成肥效下降以及由此带来的臭气污染和氨挥发造成的温室效应（温室气体中氨的排放主要来自农业）。（3）开沟、松土、施肥、起垄、镇压多个功能能同时完成，缩减了机具和拖拉机进出农田的次数。2.2 结构组成如上所述本施肥机械主要包括施肥装置和肥箱两大部分，其中施肥装置如图2-1所示，主要由机架、施肥装置、起垄装置、镇压装置、防堵分配器、行走装置及输送管组成。肥箱下方有用于控制流量的阀门和防堵分配器连接。1.主架 2.起垄装置 3.镇压装置4.控流阀门 5.分配器 6.液肥箱 7肥箱支架 8.施肥铲 9.行走装置图2-1 施肥机具整机结构图2.3 工作原理施肥机具可以根据作业地长度，面积等因素选择采用在机架上方安装肥箱架和肥箱，直接由拖拉机牵引进行施肥作业，也可以采用三点悬挂的方式安装在沼液罐车后面，液肥罐内部的高压泵将沼液沼渣从液肥罐输送到阀门所在的总管，本文采用防堵分配器对液肥进行分配，再由分配器出口将沼液沼渣从阀门输送到施肥铲管内，施肥完成后进行起垄和镇压。分配器同时还具有防堵作用，能保证有机液肥施肥的均匀性和稳性定。通过垄作施肥和其他不同施肥深度的要求分别设计了四种不同类型的施肥铲，深松型、开沟器型、双翼型、鼠道型，能适应不同的垄作要求。垄作施肥能将沼液沼渣完全的覆盖,有效地减少肥料挥发和臭气污染。保留土壤水分和消减风蚀可以利用土壤镇压14，通过镇压弹簧来调节镇压力。3 零部件与总成设计3.1 施肥机机架机架的主要作用是作为其他工作部件的承重载体，承受它们的重力作用，每一工作部件按照要求安装在机架上，为保证每个部件都能够发挥正常作用以及达到运输的要求，机架必须达到一定的强度和刚度。本文选用的机架如图3-1所示，主要包括主架、上悬挂、下悬挂、支撑架。1.主架 2.上悬挂 3.下悬挂 4.支撑架图3-1有机液肥施肥机机架主机架的相关尺寸如图3-2所示，为了满足施肥机同时挂接多个工作部件，主架设计为10010010的方形空心钢，长度为3900mm。由于施肥机要同时完成开沟施肥、起垄、镇压等多项工作，主架选择矩形架，架体宽度为600mm，将各施肥铲固定于前横梁上，起垄器和镇压装置固定于后横梁上，各相同工作部件之间的间距符合田间作业农艺要求。主架上连接有支撑架，支撑架起到支撑分液装置的功能。为保证施肥机机架与拖拉机或罐车链接的可靠性，本设计采用三点悬挂方式，两下悬挂间距为700mm。图3-2 主机架工程图3.2 限深轮限深轮具有支撑施肥机重量、为其他工作部件传递动力等作用，本次设计中限深轮采用了升降可调节地轮的形式，机架两侧各有一个行走轮，能够起到仿形、限深、驱动的作用。其结构如图3-3所示，由轮胎、安装支架、调节螺栓、连接方板组成，通过调节支架上的螺栓孔点来实现轮胎的上下高度调节，从而调节施肥高度。而且，也可以通过上下调节施肥铲来改变施肥高度。限深轮通过连接板安装在机架上，承受着施肥机具的重力，在行走过程中机具只受到水平牵引力的作用，不需要再提供垂直提升力。轮胎的负荷指数为77，即最大负荷为412kg的负载，而整个机具的总重量约为370kg，平均下来每个轮胎负重185kg,小于轮胎的最大负荷，满足使用要求。1.连接板 2.安装架 3.轮胎图3-3限深轮结构图3.3 施肥铲为了达到沼液沼渣等有机液肥的施肥量相对较大且对于不同土地情况或不同的种植环境下施肥深度有也所不同的要求，本文采用了4种不同类型的施肥铲，深松型、双翼型施肥铲、后铧型施肥铲、鼠道型等。这四种施肥铲使有机液肥的施肥方式变得更加灵活。 四种施肥铲分别为：（1）图3-4（a）为深松型施肥铲，是将施肥管焊接在现有土壤深松铲的后端而成，铲体结构主要有菱型铧尖和弧形铲柱，深松的同时将有机液肥灌入土壤中，施肥深度最深可达30cm，应用于平作或起新垄时施肥15。（2）图3-4（b）双翼型施肥铲如所示，铲柱为直立式，翼型铲头下端的翼板可以稳定沟槽，后面施肥管末端翼板是防止泥土进入施肥管淤塞。切削土壤通过两侧翼板入土刃来完成，翼板的分土和翻土作用开出的沟槽15。这种开沟器开出的沟槽较大，施肥深度最深可达20cm，适用于整地后土壤状态好且施肥量较大的土壤。（3）图3-4（c）是后铧型施肥铲，是在对固态施肥铲改造成的，能够用于固含量较高的沼液泥浆施肥。这类施肥铲不具有松动土壤的能力，只能通过后弧刃剪切土壤挤压出的一条窄沟槽流入液肥。土壤表层的秸秆、残茬可以被这类施肥铲顺着后弧刃压到土壤的下层，不会形成秸秆缠绕施肥铲柱现象。（4）鼠道型施肥铲参考外文文献结构设计，结构图如图3-4（d）所示，直立式铲柱，圆锥型铲尖，铲尖后部的圆型管起到沟槽稳定成型的作用，施肥管焊接在圆型管的后面。这类施肥铲开出的沟槽相对稳定，类似于鼠道，这种施肥铲入土效果佳，开沟效果也较好，所承受的土壤阻力相对较小，对土地质量要求不高，多适用于浅层、中层土壤16-17。（a） 深松型施肥铲（b）双翼型施肥铲（c） 后铧型施肥铲 （d）鼠道型施肥铲1.铲尖 2.施肥管 3.铲柱图3-4 四种类型的施肥铲根据本项目拟应用地区的土质特点及耕作需求，先期选择深松型施肥铲为设计形式，后铧型施肥铲作为备用。3.4 起垄器起垄器是农田施肥机具中的一种重要的触土部件，在垄作栽培作业中得到了非常广泛的应用18。本文选用普通起垄器，其结构图如图3-10所示，由起垄铲、挡板、起垄铲柱等组成，用顶丝固定在铲柱上，通过连接板固定在后梁上，移动连接板可调节垄距，本文预计的垄距为700mm，松开顶丝可调节入土深度。起垄器的外形通常为锥体，线性元素一般为直线。1.起垄铲 2.挡板 3起垄铲柱 4.顶丝 5.连接板图3-10 起垄器结构图3.5 镇压装置 本文中镇压装置采用橡胶镇压轮形式，这种形式的镇压轮不仅可以减轻机体重量，更重要的是具有黏土少，容易脱土等特点，镇压效果很好。图3-11为该镇压装置结构，安装在起垄部件中间靠后方，主要由橡胶镇压轮、镇压梁、镇压弹簧、连接杆等构成。 镇压装置不仅可以通过在起垄后的地表上形成紧密层防止紧密层下的土壤被吹透，还可以使土壤深处上升的气态水在紧密层处凝结成液态水，起到了保存水分的作用14。橡胶镇压轮通过连接杆与镇压梁相连，在连接杆与镇压梁之间装有镇压弹簧，在镇压装置对土壤进行镇压过程中镇压弹簧起到了减震作用，保护镇压装置不被震坏。1.橡胶镇压轮 2.镇压弹簧 3.连接杆 4.镇压梁图3-11 镇压装置1.橡胶轮胎 2.轮毂 3.垫圈 4.镇压轮轴图3-12 镇压轮 镇压轮采用橡胶轮，结构如图3-12所示。图3-13为镇压轮的受力分析，镇压轮上的载荷及其自身重量通过接地面积以一定的压力传到土壤，引起土壤内应力的变化，在应力作用下压实土壤。镇压轮对土壤的压实程度主要取决于镇压轮自重、载荷大小及其加载方式和加载时间、土壤含水量、镇压轮直径、镇压轮宽度等因素，其关系式如公式（3-1）所示。图3-13 镇压轮受力分析图（3-1）式中 Z镇压轮镇压深度，（mm）； G镇压轮接地重量（包括自重及转移重量），（N）； L镇压轮宽度，（mm）； D镇压轮直径，（mm）； 镇压轮的翻转角，（）。所选用的镇压轮，如图3-11所示，外形尺寸直径256mm，宽度240mm，橡胶轮胎，轮毂由5mm厚钢板冲压而成。调节压力弹簧使其处于原始长度，则镇压轮加上附件总重量为4.8kg，则计算镇压轮的镇压深度Z = 2.2mm，计算镇压轮的翻转角如式28所示。（3-2）镇压轮的接地面积S如式29所示。（3-3）则镇压强度P如式30所示。（3-4）对于多数垄作区的土地（0 10），土壤容重在1.2 1.3g /cm3之间时，土壤状况最适于作物生长发育。有实验数据可知，确保镇压强度范围3 5N/cm2,即可满足要求。在弹簧不作用的情况下，计算镇压轮的翻转角= 11.5，镇压强度P = 0.40N/cm2，由计算结果可知依靠镇压轮自重无法满足适宜于种子发芽的土壤容重要求。因此，采用弹簧加压，弹簧长度为120mm，直径为22mm，弹簧丝直径为3.5mm，螺距为12mm，刚度系数为139N/cm，最大变形量为4cm。镇压强度可在0.87 8.12N/cm2内调节，满足设计参数要求。4 防堵分配器的研究4.1 功能分析防堵分配器主要作用是对有机液肥料进行均匀稳定的分配，但由于类似沼液沼渣这样的有机液肥具有粘性大，杂质多等特点，流状肥料在分配管路中很容易发生堵塞，为解决这一问题，本文设计了一种具有冲刷管壁、减缓冲击、避让颗粒体等功能的分配器。（1）冲刷管壁。液压马达带动转子转动，封堵叶片在随转子转动时会间断性地对出料口进行封堵，使有机液肥间断性地流入分管，从而形成脉冲高压，冲刷管壁，实现防堵功能。（2）减缓冲击当有机液肥从主管注入分配器后首先会冲击锥架，由于锥架随转子转动，会对肥料产生离心力，肥料在离心力的作用下被甩向内壁，从而减缓了肥料的冲击，避免了肥料直接冲击转子，影响肥料的均匀稳定分配。（3）避让颗粒体本文将旋转叶片的前端设计成具有一定倾斜角度，当叶片与硬质物体发生碰撞时硬质物体对叶片的挤压力会产生径向分力，从而使导杆末端压缩弹簧完成避让。4.2 基本结构与工作原理4.2.1组成结构 本文所设计的防堵分配器主要由壳体、盖、锥架、转子、防堵叶片、传动轴等组成，其结构图如图4-1所示。1.盖 2.锥架 3.壳体 4.转子 5.防堵叶片 6.传动轴图4-1 防堵分配器4.2.2 工作原理液压马达和分配器轴链接起来，转子通过传动键的作用随分配器旋转。锥形架固定在转子上与转子一起转动，当有机液肥从主管流入分配器中时首先落到锥形架上，旋转中的锥形架将液态肥甩向壳体侧壁从而降低了液肥对转子的撞击力。叶片与转子装配在一起，在导向槽与叶片导杆的作用下也随着转子旋转。转子的功能是让分管中流体由连续被切为间断，增加流体能量的集中力，在分管中形成周期性脉冲高压，对存在局部阻力的地方进行冲击，防止固体杂质堵塞的积累。转子的转速为120r/min，瞬间完成每个分管的封堵，同时有机液肥自身带有流动性，封堵作用不会对施肥的均匀性造成影响。转子与弹簧装配后形成弹簧的安装腔弹簧安装在其内（如图4-2所示）。1.下壳体 2.防堵叶片 3.导杆 4.转子 5弹簧 6.分液口 7.传动轴 8.轴承图4-2 防堵分配器的工作原理图当大的杂质阻碍叶片旋转时弹簧起到自动调节作用，图4-3是杂质阻碍叶片旋转时叶片的运动情况及受力情况，当作用于叶片的阻力较大，满足FNX大于弹簧的弹力F弹力时，可迫使旋转叶片在导杆处压缩弹簧，旋转叶片在旋转的同时沿着弹簧腔向内移动，从而实现了对杂质的避让，当被阻叶片越过障碍物时阻力下降，叶片在弹簧弹力的作用下又恢复到原来工作位置。图4-3（a）、图4-3（b）分别为旋转叶片即将对硬质杂质进行避让和避让过程中的情况。（a） 即将避让（b） 避让过程中11图4-3 杂质阻碍叶片运动时的避让过程及受力分析示意图该防堵分配器也具有搅拌防堵功能，转子通过转动过程对分配器内部沼肥进行搅拌，避免固体在分配器内边缘积累而形成淤塞，也可确保每一分管沼液沼渣总固体含量的均匀性；另外该分配器还具有清除管口边缘的能力，弧形封堵叶片有规律地扫过分配器管口，预防出口处由于纤维类物质的积累而淤塞分管。4.3 机构设计4.3.1 驱动机构（1）防堵分配器的功率计算在防堵分配器的设计中，由于分配器会受到许多因素的影响，要正确确定防堵分配器的工作功率比较困难。考虑到本文所设计的防堵分配器防堵机构与搅拌机的搅拌机构很相像，结构也十分相近，因此本文中防堵分配器的功率计算与搅拌机的功率计算相类比。搅拌机在正常运转的情况下，在介质中旋转，要消耗的功率，必须大于液体对旋转叶片的摩擦力，也就是大于介质的阻力。而在启动时，液体由静态变为动态，所以防堵分配器所需要的能量还需大于液肥的惯性力。根据经验，计算液体中旋转机构的运动功率只按运转功率计算是满足不了需要的19，所以本文中防堵分配器的功率按启动功率进行计算。启动时需要的功率由两部分组成，一部分是克服液体从静止状态到运动时的惯性力所消耗的功率N1；另一部分是克服液态介质之间的摩擦力所需的功率，即运转功率N2，启动功率的计算公式为20： （4-1） （4-2） （4-3） （4-4）式中 h扇叶宽度，h = 0.04m； d旋转扇叶直径，d = 0.586m； D分液器壳体直径，D = 0.616m； H液层高度，H = 0.11米；n扇叶转速，n = 120；液体密度，； P整个旋转扇叶克服摩擦力的能量消耗，； 阻力系数，= 1.8 (经验值)； k防堵分配器的校正系数。本文中的施肥机械主要针对沼液沼渣而设计的，我们估算其介质比重为= 0.60 ，则介质密度=/g = 600/9.81 = 61.2 。代入（4-1）（4-4）可得，克服液体从静止状态到运动状态时的惯性力所消耗的功率N1的值为：防堵分配器的校正系数k值按下式计算： = 0.14克服液体介质之间的摩擦力所需的功率N2：= 8.53由此可得：N启= N1 + N2= 8.94 + 8.53= 17.47（2）液压马达的选择 本设计中分液器转子所需转速为120r/min，属于低速运转工况，所以在这里选用低速液压马达即可，综合考虑实际情况，本文中选用BM-E系列摆线液压马达中的BM-ES630型液压马达，具有一下结构特点：端面配流式摆线液压马达； 先进的嵌入式列类型转子参数设计,启动压力低、效率高、低速平稳运行； 先进的轴封设计，高背压承受能力。先进可靠的联动轴设计，使马达具有长寿命； 先进的配流机构设计，具有配流精度高和磨损自动补偿的特点；多种法兰、输出轴、油口等安装衔接方式。4.3.2 分液器壳体分配器壳体的结构和容量的大小是液态有机肥能否均匀稳定分配的关键，其主要由上盖和下壳体组成，上盖顶端为总管即防堵分配器的进料口。下壳体均匀分配有5个分管口即防堵分配器的出料口。分配器的壳体结构图如图4-4所示。1.进料口 2.上盖 3.夹具 4.下壳体 5.出料口 6.轴套图4-4分液器壳体图4-5 上盖零件图图4-6 下壳体零件图为满足5垄同时施肥对施肥量的要求，我们选择下壳体的外侧直径为600mm,高度为170mm。分配器将阀门出来的沼液沼渣平均稳定地分配到每一个施肥管中。从肥箱或罐车到防堵分配器的总管内部直径为100毫米，本次设计为5垄同时施肥，分配器出口和施肥管内径应为45毫米，为了扩大分配器的内部压力防止淤塞，施肥管的实际设计内径为36毫米，以便在分配器到分管出口之间形成二次压差，使沼液沼渣能够稳定的注入作物的土壤。考虑到下壳体底部有防堵叶片随着转子转动，一方面液体对器壁有一定的冲击力，另一方面沼液沼渣中的硬质木棒等物质与防堵叶片发生作用，硬质木棒会对器壁产生较大的挤压力，因此防堵叶片工作范围内的器壁略厚一些，选择厚度为8mm，其余器壁厚度为5mm。防堵分配器上盖与下壳体的零件图如图4-5、图4-6所示。另外，本文中上盖与下壳体采用如图4-7所示，箱体扣连接，这一连接方式便于分配器的拆装，可定期清理，同时也便于分管堵塞时对堵塞情况进行检查与处理。图4-7 箱体扣4.3.3旋转叶片旋转叶片由防堵叶片和叶片导杆焊接而成，在分配器中防堵叶片的主要作用是阻挡液态有机肥料流入各分管中，该分配器共有四个防堵叶片均匀等距地分配在直径为520mm的圆周上，在随转子旋转的过程中四个防堵叶片间断性地对出料口进行封堵，从而在分管内产生脉冲高压，冲击发生局部阻力的部位。叶片上连接有叶片导杆，通过导杆与转子链接。旋转叶片的结构图如图4-8所示。1防堵叶片2.叶片导杆图4-8 旋转叶片防堵叶片的形状及相关尺寸如图4-9所示，叶片内外侧边缘分别是半径为237mm和287mm的圆弧，图中圆心O也是转子旋转的中心。这种将内外侧边缘设计成与旋转中心同心的结构，不仅大大降低了叶片转动时所受到的阻力，同时也节省了材料。防堵叶片除了封堵作用，还具有对硬质木棒、石子等较坚硬的物体进行避让的作用。本文将叶片前端设计为与径向成一定倾斜角度，同时，叶片前端设计成刀刃状，这样不仅可以减缓叶片在旋转过程中所受到的液体阻力，还可以清理分液器壳体底部在上一次工作后残留下来的淤泥。叶片导杆的零件图如图4-10所示，叶片导杆在转子端盖内侧位置设计成轴环，在末端与弹簧安装腔内的弹簧相连，这样叶片导杆既在端部与弹簧接触又在转子端盖处靠轴环定位，保证了旋转叶片在不受到硬质物体阻碍的情况下在确定的圆周上稳定地旋转。当硬质木棒与叶片前端发生作用时，木棒对叶片施加的压力在径直方向上的分力通过叶片导杆挤压弹簧，从而避让了硬质木棒，避免了叶片与硬质木棒撞击而破损。图4-9 防堵叶片零件图图4-10 叶片导杆零件图但是由于在避让过程中，叶片会与硬质木棒产生摩擦力，类比摩擦角原理，若要实现叶片顺利避让硬质木棒，叶片前端倾角需要满足一定条件。假设当叶片前端倾角等于时，叶片与硬质木棒刚好可以相互滑动完成避让，此时我们对叶片进行受力分析如图4-11（a）所示。其中，FN1是弹簧腔内壁对弹簧导杆的弹力，fN1是弹簧导杆与弹簧腔内壁的摩擦力，FN2是硬质木棒对防堵叶片的弹力，fN2是叶片前端与硬质木棒之间的摩擦力。将这几个力平移到旋转叶片上的一点O，以O点为原点，叶片相对硬质木棒的滑动方向为X轴建立坐标系，如图4-11（b）所示。 （a）（b）图4-11 旋转叶片受力分析图分析：只有当沿X轴负方向的合力大于沿X轴正方向的合力时，叶片才能与硬质木棒发生相对滑动，我们可选取一个临界点，即叶片刚要与硬质木棒发生相互滑动，此时叶片受力情况应满足：X方向： （4-5）Y方向： （4-6）设叶片导杆与弹簧腔的内壁摩擦因数为，叶片与硬质木棒间的摩擦因数为，则有： （4-7） （4-8）将（4-5）、（4-6）代入（4-7）、（4-8）可得： （4-9） （4-10）联立（4-9）、（4-10）方程得：即 （4-11）查阅相关资料得到钢与钢(油润滑)之间的摩擦因数，钢与硬质木棒之间的摩擦因数。将的值代入方程（4-11）得： 所以= Arctan（0.466） = 25 综上所述，旋转叶片要想实现对硬质物体的避让作用，叶片前端倾角应满足25。由于叶片与硬质木棒发生相对滑动时，叶片导杆压缩弹簧，弹簧对旋转叶片产生弹力。所以，我们分别选择叶片前端倾角的值为30、45、60进行试验，最终选定理想的前端倾角的值为454.3.4 转子转子的主要作用是与叶片导杆链接带动旋转叶片进行转动，其结构如图4-11所示。转子四周均匀分配着四个弹簧腔，当旋转叶片遇到图4-3所示的情况时，防堵叶片随着叶片导杆压缩弹簧而在弹簧腔内滑动。为了阻碍液体填满弹簧内腔而导致弹簧固化，在弹簧腔封口处加密封垫圈，并且在弹簧腔根部开一个通气孔，通气孔使弹簧腔与外界相通，这样既确保了弹簧的可压缩性，又确保了液态肥料不能进入弹簧腔。转子中心处是一个正六边形的键槽，与主轴配合。图 4-12 转子4.3.5 锥架 锥架的结构图如图4-13所示，锥架底部圆面直径为350mm，锥架高度为225mm,为了减轻锥架的重量，将其设计成中空结构。锥架与转子固定在一起，随转子一起转动。当液态肥料从进料口进入分液器后首先冲击锥架，由于锥架旋转，液态肥料在离心力的作用下被甩向分液器壳体内壁，这样既缓解了液态肥料对转子的直接冲击，影响分液器工作的稳定性，又可以将沼液沼渣中的泥块儿甩向器壁有利于泥块溶于液体中。图4-13 锥架4.3.6 机械密封设备密封的目的在于对一处会产生泄漏而要对其施以密封的地方，设置一个完善的物理壁垒21。防堵分配器内部充满了液体肥料，为了防止液态肥料溢出，需要对分配器进行严格机械密封。分析防堵分配器的结构功能可知，该装置有以下几处需要密封。首先是下壳体的主轴内、外轴孔处，采用橡胶密封垫片，这种密封方式具有装配简单、价格低廉、密封效果好的优点。其装配关系如图4-14所示。图4-14 橡胶垫片密封第二处是转子端盖处，采用轴用密封。其作用是防止液态肥料进入弹簧腔，使弹簧固化，破坏旋转叶片对硬质物体的避让作用。另外，壳体与上盖之间为静态密封，采用橡胶密封圈。壳体与上盖通过自锁装置进行密封和连接。结 论本文综合研究分析国内外有机液肥施肥机的研究现状，针对我国沼气工程的快速发展但对其产生的废弃物的利用情况不佳的现状，研究设计了一种可一次性行走完成开沟、松土、施肥、起垄、镇压等多个功能的有机液肥施肥机。对其整机及管件部件进行了系统的理论分析，得到以下结论。（1）本文设计了能够同时完成开沟、松土、施肥、起垄、覆土镇压等作业的有机液肥施