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1、变量施肥装置设计（含有全套CAD图纸） 全日制普通本科生毕业设计变量施肥装置设计THE DESIGN OF VARIABLE FERTILIZATION DEVICE 由于部分原因,说明书已删除大部分,完整版说明书,CAD图纸等,联系174320523 各专业都有 学生姓名: 学号: 年级专业及班级:2008级农业机械化及其自动化1 指导老师及职称: 学院:工学院 提交日期:2012 年 5 月全日制普通本科生毕业论文(设计)诚 信 声 明 本人郑重声明:所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下,进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其
2、他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名: 年 月 日 目录 摘 要 1 关键词1 1前言2 1.1课题的目的与意义2 1.2国内外研究情况2 2 系统总体方案设计3 2.1变量施肥作业要求分析3 2.2施肥量-排肥轴转速关系分析 4 2.3变量作业原理分析5 2.3.1变量技术路线5 2.3.2 变量施肥原理6 2.4系统原理方案设计6 3 变量施肥机结构设计7 3.1变量施肥装置各部件选择7 3.1.1动力机的选型7 3.1.2传动机构的设计8 3.1.3排肥
3、器的选择 10 3.1.4开沟器的选择 10 3.2系统总体布置图 11 4 重要零部件的设计计算校核12 4.1外槽轮总体的设计 12 4.1.1外槽轮排肥器的计算 12 4.1.2外槽轮主要参数的选择 13 4.2肥料箱的设计 14 4.3主轴的选择与校核 15 4.3.1轴的计算校核与联轴器的选择 15 4.3.2联轴器与键的确定 15 4.3.3轴与键的强度校核 16 4.3.4螺旋型塑料导肥管的选用 17 5结论 17 参考文献 18 致谢19变量施肥装置设计学 生: 指导老师: 摘 要: 随着农村产业结构的变化,作物种植面积不断扩大,传统的施肥方式已经不能实现肥料的精准控制,与之相
4、应的耕种施肥技术需要提高与改进。近几年推广的精准农业技术,由于成本高和技术性强等原因还不能得到 广泛应用。精准农业的推广急需一种简易、轻便、造价低廉、适合一般用户使用的变量施肥机械。 本文是针对常用肥料研制出的新型变量施肥机构。变量施肥机械的研究对我国发展精准农业,对我国农业可持续发展有着积极的意义。本文介绍了精准施肥的概念、意义、技术体系和我国施肥现状,分析变量施肥机械的研究现状。针对不同作物的测土施肥技术应用情况进行研究,并研制出实用的配套机具,从而进一步促进测土施肥技术的发展及推广应用。 关键词 : 精准农业;变量施肥机; 步进电机; 排肥器;设计 The Design of Varia
5、ble Fertilization DeviceStudent:Tutor:College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, ChinaAbstract: Along with the countryside development,the crops sown area expanded unceasingly, applied fertilizer the technology with it corresponding cultivation also to need to enhance wi
6、th the improvementIn recent years,appeared the fine accurate agricultura1 but because the cost is high,the technical nature strong and so on the reasons cannot obtain the widespread application,therefore urgently needs one kind simple,facile,the construction cost inexpensive and suits in the common
7、user use variable applies fertilizer the machinery. This paper is aimed at common fertilizer developed new variable fertilization institutions. The variable rate fertilization mechanical precision agriculture to Chinese development of agricultural sustainable development, has a positive meaning. Thi
8、s paper introduces the concept, significance rational application in China, technical system, and fertilizer, analyzes the research status of mechanical variable rate fertilization. According to different crop soil testing and fertilizer technology application research, and developed a practical sup
9、porting machines, thus further promote fertilize soil testing technology and application.Key word: Precision agriculture; variable fertilization machinery; stepping motor;fertilizer apparatus;Design1 前言1.1课题的目的与意义 变量施肥技术(Variable rate fertilization)要求按照田块中不同养分水平区域施用不同量的肥料,可提高肥料的利用率和施肥的经济效益,并减少肥料浪费以及
10、对环境的不良影响。因此研究变量施肥装置的研究很有意义,可以大大的提高生产率和降低农业生产的随着现代农业的高速发展,除了依靠生物技术的进步和耕地面积、灌溉面积的扩大外,基本上是在化肥与农药等化学品和矿物能源的大量投入条件下获得的。但由此引起的水土流失、农产品和地下水污染、土壤生产力下降、水体富营养化等生态环境问题,已经引起了国际社会的广泛关注,并推动了农业可持续发展和精准农业理论的产生和发展。 精准农业是现代信息技术,作物栽培管理技术,农业工程装备技术等一系列高新技术的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式和管理模式,其核心思想是获取农田作物产量和影响作物生产的环境因素(如土壤结构、地形、气
11、候、土壤肥力病虫草害等)实际存在的空间和时间差异信息,分析影响农田产量差异的原因,采取技术上可行,经济上有效的调控措施,改变传统农业大面积、大样本平均投入的资源浪费作法,对作物栽培管理实施定位,按需求量投入成本,目前变量施肥的概念已经从提起到慢慢有前辈们不断的研究,对农业生产有很重要的意义1。1.2 国内外研究情况 从20世纪80年代末期,美国、加拿大、英国、德国、以色列等国的一些农业科研部门、大学及农业装备企业纷纷组织起来开展技术体系。随着我国农业技术和相关信息产业、工程制造业的发展,智能控制技术的广泛应用,精准农业技术必将得到不断完善与发展,并将不断地扩展到更为广泛的设施农作、养殖业和加工
12、业的精细管理与经营等其它领域中。国外用于变量施肥的控制方式主要有两种: 1.实时控制施肥:国外已研制有监测土壤肥力的实时传感器2,它应用作用中切入上中的两个园盘犁刀之间假如电位差,是在两个园盘犁刀之间的土壤形成点磁场,由于电磁场的性质受土壤的影响,因而产生可以控制并调整肥料投入数量的信号,最终通过排肥管道调节电磁阀门实现肥料的变量投入。土壤特性由于土壤类型、有机物含量、土壤阳离子交换能力、土壤湿度和氮肥水平所组成。氮肥实时投入量的控制信号由传感器输出,加上农艺学的技术要求和产量目标综合决定。美国Ag-Chem.仪器装配公司生产的施肥系统可进行干式或液态肥料的散施。它通过电子地图内的数据库处方,
13、可以同时分别对磷肥、钾肥和石灰的施用量进行挑调整。该设备用气动或气流方法可将干肥料喷撒到22m的幅宽,并配备有4个分离的肥料仓,两个为微型营养物或除草剂料仓,另两个为化学料罐,它可实时配制8种不同成分的混合肥料。 2.在颗粒肥料变量投入方面:施肥机的变量控制机构主要有电控3、液控、气控和机械无级变速、振动等控制方式,这些机构控制难度大、价格高,直接引进很难在国内应用。所以急需要研制适应我国发展需要的变量施肥机。 近年来,世界上许多发达国家已经开展了精准农业的示范研究。在实现精准农业变量施肥技术研究方面,国外已取得部分研究成果。C.Yang,/.ritt和/.dford对变量施用液态N肥和P肥作
14、了研究,得出应用变量施肥技术可以减少产量变化的差异,提高产量和增加回报。/.p和/.ler等研究开发了一个数字控制计量装置,用于水的灌溉和化学药剂的喷洒作业。/.ris和/0.等研究开发了一个装备GPS的液态有机肥施用系统,该系统以开/关的形式控制肥料的使用,能够实现在水井、路障、河流等处控制不施肥,在耕作土地上控制施肥。Bradley A.King和Richard W.Wall研究了一个移动式的变量喷药系统。Mark D.Schrock和Darrel L.Oard等使用脉冲宽度来调节控制施用液态氨肥流量。已经商品化的有美国John Deere公司的变量撒肥机、Case公司的Flexi Soi
15、l变量施肥播种机等。 中国在20世纪90年代后期开始了对精准农业的关注和适当引入。近年来,我国在精准农业的示范研究方面发展速度较快,在引进、消化、吸收国外研究成果的基础上,研究和探讨适合我国国情的精准农业技术体系。 吉林大学的吴才聪等完成了精准农业农业田块网格的划分,为自动变量施肥的网格识别提供保证。北京农业技术信息研究中心提出了基于多维空间变异分析的自适应农艺处方单元策略,对精准农业技术体系中自动确定最佳农艺处方单元大小提出了简便的解决方法;建立了精准农业智能决策支持平台,可以为用户播种、施肥等实现精确管理提供技术支持4。浙江大学的何勇等建立了精准农业研究和开发的信息处理系统。中科院东北地理
16、与农业生态研究所与吉林大学,在吉林省德惠市国家农业高新技术示范区,利用吉林大学生物与农业工程学院研制的变量深施肥机,进行了手动控制和自动变量控制的两种试验,试验结果表明,该施肥机能够实现精准农业意义上的变量施肥操作。 黑龙江八一农垦大学精准农业研究中心在友谊农场的精准农业示范项目,已取得阶段性研究成果。利用带有GPS接收信号的收获机,完成了友谊农场五分场二队二号地、三号地大豆收获、小麦收获产量图的绘制,得到了两个地块的产量图。利用Ag132GPS型GPS接收机完成了二号地的土壤采样和样品分析报告。把土壤肥力作为信息提取目标,使用二次样条插值法等地学统计方法5,可生成土壤养分肥力分布图,并以此图
17、作为推荐施肥的基础,来解决同一地块不同区域中不同用量、不同配方的肥料施用问题。变量施肥机驱动及控制装置的研制工作已经完成,试验方案已经确定,目前研究工作正深入地进行。2 系统总体方案设计2.1变量施肥作业要求分析 假设对某一区块进行变量施肥作业,施肥作业机具幅宽为B,沿图1所示的作业路线前进,经过不同地块,假设根据施肥决策系统计算得出各个地块的施肥量分别为,。总的施肥量就为: 式中为第i行第j列的施肥量图1 作业路线图Fig1 Work map 为了便于分析取第一行进行研究,其余各行同理6。设第一行宽为B,施肥量为,的地块对应行走路线长度为施肥作业机具装载Z个排肥器,每个排肥器的排肥量为qg/
18、r,作业机具行进速度为km/h,则各个地块施肥量与排肥器之间的转速之间的关系为:所以:推广到一般形式,则有: 上式中q为每个排肥器的排肥量,即排肥轴每转一转的排肥量,q的数值有排肥器的性能决定,通常排肥器结构确定后,排肥性能稳定,则q为常数。2.2施肥量一排肥器转速关系分析 当排肥器的结构确定后,施肥量和排肥器转速的关系也就确定7。由上节公式分析可知:l当作业机具以速度匀速前进时,由施肥量可计算得出对应的排肥器转速 ,作业机具通过该地段的时间为,在该时间段内,排肥器保持转速。2当作业机具进入下一地块时,由于施肥量可计算得出对应的排肥器转速,此时排肥器转速由变换为;,接该地块的排肥量。同样,作业
19、机具通过该地段的时间为,在该时间段内,排肥器保持转速。3如果作业机具非匀速前进,当增大,则也应该随之增大,当减少,则也应该随之减少,当O时,0,否则会造成施肥量的误差。所以当机具的前进速度匀速时,可考虑排肥器转速应该与机具驱动地轮同步变化。4在确定不同地块施肥量时,如果取地块的长度均为1个单位长度,可以是10m,50m,100m等,则机具通过各个地段的时间应该相同,都为1个单位长度/,这样,方便编写速度转换程序。2.3变量作业原理分析2.3.1 变量技术路线 自动变量施肥技术分为基于传感器和基于地图两种。在基于传感器的方式中,通过传感器实时得到田间土壤养分、水分、种子等方面的数据后,实时自动控
20、制变量投入;在基于地图的工作方式中,数据被收集和存储后,经过分析处理做出变量决策,然后进行控制变量投入操作。目前大多数变量施肥是基于地图的,但是随着实时传感器技术的日益成熟,基于传感器的变量施肥控制系统将得到越来越广泛的应用。 本文自动变量施肥控制系统是基于地图的,控制系统技术路线如图 2 所示。图2控制系统技术路线Fig2 Control techniques system map2.3.2 变量施肥原理1 施肥控制公式此处已删除B?工作幅宽(m)?单位面积最大施肥量(?/亩)?肥料的饿单位面积容积质量(?/L)以最大施肥量设计,综合上述对休止角的研究,单程为1000米,肥箱的尺寸为:长宽高
21、1700340260 mm4.3主轴的选用与校核 由图3.3可知,系统总共使用了6个电动机,因此与电机联接的输出总轴强度要求最高。由于动力要求不高,且每个排肥轴的转速要求一致,因此每个传动轴的动力需求是一样的,直接将输出总轴的强度要求作为所有传动轴的强度要求,为安装方便,主,从动轴轴径一致。且所有传动轴仅作轴心转动,因此只需校核其扭转强度。4.3.1 轴的计算校核与联轴器的选择 由外槽轮的设计可知轴的最大转速与排肥器最大转速相同,因此要求轴的最大转速为100r/min。则输入功率 13: 其中Me为电机扭矩,为5.88N.m,n为电机最大转速100r/min。将数据带入上式可得:P0. 061
22、6 kw故主动轴的最小直径为其中C是与轴的材料有关的系数,由于机器动作对动力的要求较低,因此轴的材料选取45钢调质处理可满足要求 查机械设计基础表14-3得C的范围是118, 据此取C115故13: mm由于主动轴由联轴器与电动机轴相连,故轴上有键槽,则最小直径:Dmm由步进电机110BYG404可得电机轴的轴径为16mm,再由下面联轴器的确定可以确定主轴的直径。4.3.2联轴器与键的确定 由于执行机械需频繁的变速,且联轴器部分存有较小轴向冲击力14(外槽轮套筒冲击力)。参考机械设计课程设计手册可查得LT2型弹性套柱销联轴器可符号要求。其输出边的孔径选为16mm,输入边孔径为20mm,孔深为4
23、2mm。因此确定联轴器为LT2型弹性套柱销联轴器主轴直径为20mm,参考机械设计课程设计手册可查得键槽公称尺寸为87mm,由联轴器孔深减去10mm得键的长度为32mm。1 主轴长度确定:主轴承件为联轴器输出端与阻塞套,其长度分别为42mm和47mm,为弱化应力集中现象,需在两件承件间留空白轴段,按比例取为17mm。故主轴长度为106mm。2 从动轴长度确定:由4.2 肥箱的设计与图6可确定从动轴的大致长度,若能满足强度要求即可符合要求。4.3.3轴与键的强度校核1主动轴的强度校核:主动轴的轴径为20mm,最大扭矩即为步进电机扭矩5.88Nm,因为主动轴的长度为116mm,故由强度校核公式有:其
24、中:P为电机的功率,为0.0616Kw n为最大转速,为100r/min 为抗扭截面系数 为轴材料的许用扭转剪应力 d为轴的直径带入数据解得:33.338Mpa,查得45钢的许用许用切应力为3040Mpa16,故该轴满足要求。(2)从动轴的校核:由于主、从动轴轴径一致,材料相同,且主动轴承受扭矩大于或等于从动轴,因此从动轴的扭转强度必然符合要求,这里不予校核。(3)键的校核:该键属平键(普通键),静联接,其强度条件为17:其中:为挤压应力Mpa; P为压强Mpa; T为轴传动的转矩(Nm); d为轴的直径(mm); 为键与轮毂的高度,取mm;L为键的长度(mm),其中A型键,lL-b,B型键,
25、lL-,b为键宽;为许用弯曲应力 。由于本键属于A型键,宽b8mm,长l32mm,T5Nm h7mm,带入上式得:71.429Mpa,而铸铁的许用弯曲应力为70-80Mpa 18,故该键也符合强度要求。(3)地轮支撑轴的校核 地轮支撑轴地轮支撑轴受地轮向上的径向压力作用,大小为整机的重量。且当肥料箱盛满肥料时,整机重量达到最大 装满肥料时,取容重最大的尿素为例18,肥料箱为1700,容积为15208,于是肥料重 15208m3660kg/m39.8N/Kg,取整机重20000N,于是地轮支撑轴的承重,该承重由左右两个支撑轴平分,即每个轴承重: 查表的45碳素钢的弯曲应力为500Mpa19 ,而
26、实际弯曲应力为F/0.1d2,远远小于500Mpa ,故该地轮轴符合强度要求。4.3.4 螺旋型塑料导肥管的选用螺旋形塑料导肥管是以1mm的钢丝或是尼龙绳作骨架缠敷塑料薄膜,并加热压制而成。具有机构简单,重量轻,弯曲灵活,耐腐蚀,管内壁光滑的特点。其缺点是在30度以下时塑料管变硬脆,易产生裂缝20,由于本机采用了插销接头的设计,便于塑料导管的安装和拆卸,综合经济上的性价比,因此波型塑料管为理想的输料管。5 结论 由上所设计的变量施肥机械结构简单,拆卸、维修方便,机械总质量轻,简单的传动系统使其有效功率大大提高,这次毕业设计是我们对自己在大学四年里获得的知识的综合应用,通过这次毕业设计我们获益匪
27、浅,将四年来所学过的东西一一回顾了一遍,温故而知新也,而最让我感到有所领悟的就是要认真分析问题,同时也要善于查找资料来解决问题,机械设计不是一朝一夕的事情,只能慢慢的摸索,慢慢的前进,当然这次设计只是一个小小的尝试,不足之处还有很多,但我相信只要我今后继续努力,一定会干出自己的一片天来的! 参考文献1 濮良贵,纪名刚主编.机械设计M.北京:高等教育出版社,1995.2 郑文维,吴克坚主编.机械原理第七版M.北京:高等教育出版社,2002:45-138.3 成大先.机械设计手册M.北京:化学工业出版社,2004.4 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京:高等教育出版社,2006:20-2
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29、肥机具的设计J.农业机械学报,2005,112 刘微,赵同科,方正,等.精确农业研究进展J.河北农业科学,2005,91:107-109.13 张淑娟,全腊真主编.画法几何与机械制图M.中国农业出版社,200714 唐保宁,倪宜平主编.机械设计制图M.上海交通大学出版社,200615 胡凤兰 主编.互换性与技术测量基础M.北京:高等教育出版社,201016 赵军,于洁,王熙等.机械驱动式精密变量施肥播种机的研制J.黑龙江八一农垦大学学报,2006,182:49一5217 刘保廷.步进电机及其驱动控制系统M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,199718 桑国旗.变量施肥机构的研究汇D.吉林大学,2
30、00119 Babcock Bmea A. Pautseh Gregory R. Moving from unifoma to variable fertilizer ratesOn lowa corn J. Effects on rates and return. J of Agri. and Economics,1998,2:385-40020 Jonathan Wickert.An Introduction to Mechanical EngineeringM.New York:CL-Engineer-ing,2005.致 谢 本论文是在指导老师向阳老师的悉心指导和热情关怀下完成的,首先要感谢我的指导老师向阳老师。向老师治学严谨,学识渊博,待人诚恳,其严以律己、宽以待人,朴实无华、平易近人的人格魅力,使我不仅在学术上取得了进步,同时也明白了许多为人处世的道理,特此表示衷心的感谢。当然,如果没有同学们的帮忙,我的这个设计也不会这么顺利,因此我还要感谢每位帮住过我的同学,谢谢你们! 这次设计尚有很多不足之处,请多多指教,谢谢!
