摘要
本文采用了新技术创新，老技术创新应用的方法设计了一型大型号、多用途作业车，现己完成了正样机制造和实验。样机测试显示，各个机件的工作性能稳定、可靠，组件间配合顺畅，作业效率高，能快而好的把有机肥施进农田等，整体技术指标达到了设计要求。获发明专利：ZL201510647668.X。
关键词
多功能施肥机、输送管道、进料口、拨料装置。
引言
往农田施有机肥的难处是有机肥的纤维物多，相互盘结和粘连，极易于形成拱形结构[1]，并且数量多、重量大。铰龙虽然具备在数量多、重量大等恶劣环境下作业的条件[2]，适合施有机肥。但是传统的输送管道[3]、进料口，均因不能适用于有机肥的拱形结构特性，被拒在了施肥机的设计之外。绞龙受其影响，失去在有机肥施肥机上的应用。无奈之下，有的地方把动物粪便，加工成颗粒肥或烘干发电[4];也有的人采用了链条式输送[5]设计有机肥施肥机。链条式输送有诸多优点，却不适合在粉尘多的施肥作业。例如施肥作业时，链条被直接埋在粉尘里，磨损严重，作业技术的可靠性得不到保证。同时，有机肥的拱形结构，也制约了链式施肥机的容量设计。因此，只能设计小型号的施肥机。目前使用小型施肥机为大农田施有机肥，装运1车肥料仅施1亩地，大部分时间祓浪费在了，装车和运肥料的路上，效率低，成本高[6]。这种施肥现状与新疆兵团大条田以及全国农业，向集约化、规模化发展所需要的施肥要求相差甚远。笔者依据现代机构手册[7-8]的设计原理，设计了一种新型输送管道、一种具有A=?hθr特性的进料口[9]，一种具备P= PT+PM机械特性拨料装置[10]等机构，终于把绞龙设计在了施肥机上[11]。还通过传统机械功能的创新应用，设计了液压与机械混合式传动[12]和变速的输出装置和抛甩装置[13]，实现了施肥机一机多能和容量做大，为降低施肥机使用成本，提高农业机械化水平[14]，提供了技术支撑。本技术的创新设计，还可应用于其他机械领域，能够降低制造成本，提高作业效益。
1施肥车原理
多功能有机肥施(撒)车机构造图，由肥料箱、动力输入轴、输送管道、螺旋铰龙、进料口、拨料装置、变速系统、液压系统等组成。如下图：
施肥车由汽车为载体，机架上设有肥料箱。肥料箱内底部设有螺旋铰龙，图1-15所示。螺旋铰龙的前部设有受力轴，图1-13所示，与动力输入轴连接，后部与出料口尾部上的固定轴承相连接;
螺旋绞龙前部设有液压动力系统;螺旋铰龙的轴一端上设有动力输出链轮，图5-3所示;绞龙的上方设有拨料装置，图5-20所示。拨料装置轴上设计了受力链轮，5-18所示，接受来自绞龙链轮上输出的动力。
液压动力驱动绞龙转动时，螺旋铰龙轴上的动力输出链轮，驱动拨料装置转动，往进料口內拨料，图9-4所示。肥料从进料口进入输送管道，图5-3所示，绞龙将肥料输送到肥料箱外的抛料盘上，图6所示，抛料盘旋转把肥料抛撒到田间。
多功能有机肥施(撒)车具备施(撒)堆积发酵而成的固体有机肥，以及工厂造颗粒、粉末状有机肥、复合肥等所有底肥的施(撒)功能。还能拉运粮食、锅炉粉尘和为公路撒盐融雪等。
2 结构设计原理
2.1输送管道的结构设计
新输送管道，图9-11所示。由屋脊(上弧)形盖板、半圆(下弧)形板、进料口、固定架等构成。
屋脊形盖板，图9-7所示。由3CM厚度铁板，轧制而成为三角型.高30CM,宽30CM。长度为2.5M,比输送管道短50CM,安装在铰龙上部4厘米的固定架上，图9-10所示。一端与绞龙齿轮箱连接,一端与出料量控制坡板相连接.图9-9所示，两侧横向宽度各比铰龙横向宽度窄9厘米。
弧形板，图9-3所示。共二块，长度与绞龙长度相等，分别安装在绞龙下方两侧部位。二块弧形板构成一个半圆型槽体，与上方的盖板连接后，组成一个输送管。
2.2进料口结构设计
2.2.1构结设计
进料口由屋脊形盖板、弧形板、坡板等组成。
进料口设计在绞龙两侧的上半部，长度与输送管道相等，图9-3所示。屋脊形盖板的下沿是进料口的上沿;弧形板的上沿，是进料口下沿。 前端与输送管道支承架铰接，图9-10所示。后端与肥料箱后边板铰接，组成一个长300CM，宽27CM的进料口。
弧形板上沿与坡板的下沿铰接;坡板的上沿与肥料等铰接，图9-8所示，坡度为30度，作用是让肥料借助坡度的作用，自然的向下方移动，解决有机肥料流动性差的问题。
在车箱底设计进料口，图9-4所示。与常规进料口有相同的地方，例如进料口上方两侧的坡度。不同的地方是，进料口的长度需要设计为3M长，才能足了输送肥料的需要;而常规的输送管道只需要在它的一端上，设计一个30CM×30CM的进料口，就满足了输送物料的需要，例如康拜因的输送管道上只设计了一个进料口，粮仓底部的螺旋铰龙一转动，粮食随机进入。这样的进料口无法在施肥机上使用，原因是有机肥的流动性差。
由于肥料的流动性差，其流动性只能满足，进料口上方的肥料进入，除此之外的肥料，均不能进入到进料口内。把进料口设计为几M长，是为了使‘除此之外的肥料’下方，均成为进料口，上方的肥料，才能进入进料口。
2.2.2进料方式
进料口的规格大了，进料数量也大了。进料口上方的肥料，必然对铰龙造成过大压力[15]。假设所施肥料里有27CM的块头，若让它进入输送管道,进料口至少得大于27CM。一个宽27CM，长3M进料口的肥料压力，将使过长的铰龙发生变形;同时，输送阻力也必然大。阻力大了，将消耗太多的发动机动力。
采用这么大的进料口进料，无法实施外部控制进料，必须是进料口自身具备控制功能，从內部自动控制肥料进入的数量。因此，所设新进料口，利用了肥料从进料口进入到输送管道时,所产生的物体自由堆积规律，在进料口和管道内形成一个，A=?hθr的堆积体[16]，如图10所示，来控制进料口肥料的进入数量。例如图10中肥料静止在圆锥上(A )时，受到重力、支持力、静摩擦力的作用，是三力平衡的,肥料不再进入;
当铰龙转动时，圆锥面及倾角(θ) 上的肥料被移走，使三力失去平衡，肥料(A ) 向圆锥面倾角底部下移，进入到圆锥体和半个圆锥底角。
对这种控制方式的实验显示，当盖板高度低于铰龙顶部5CM时，由于盖板和铰龙两者之间的空间小，受到物体自然堆积特性的限制后，从进料口进入的肥料，只能进入到铰龙下部，不能进入到铰龙的上方，因此所形成的圆锥体较低，圆锥底半径就小。实验显示,最大施肥量时,撒在地面上肥料的幅宽是8.1N,厚度是0.4CM;
而当盖板处于铰龙上部的高度是10CM时，圆锥体增高，圆锥底半径向铰龙方向延伸，进入的肥料数量就多了，铰龙上部复盖了约3CM厚度的肥料。实验显示,最大施肥量时,撒在地面上的肥料幅宽是8.1M,厚度是1.3CM。
评估了这两组实验信息后，确定以下两点：第一点以距铰龙上部约4CM的地方安装盖板，作为物体圆锥体的限控基点，来额定圆锥体的高度和圆锥底角<450宽度(有机肥圆锥底角约350-400);
第二点是把进料口下沿横向宽度，设计得比上沿横向宽度大9CM，以增大进料口进大块肥料的功能。由于进料口是利用坡度堆积进料的，设计一个9CM宽度的垂直口径，可以在27CM坡度囗产生一种垂直压力，一是促进进料顺利，二能保证27CM以下的大块肥料顺利通过。
2.3 出料量控制坡板
施肥车在铰龙尾部上方的肥料箱上，设计了一个可拆、装的坡板，图9-9所示。它有二个作用：不安装时,可利用自落体多出料;反之，则是利用坡板控制进入输送管道的肥料数量。由于坡板主要功能是控制出料量,坡板的坡度设计为10度左右即可.
利用自落体多出料，是指在铰龙位移的一周內，因为铰龙轴末端螺旋片下方已没有底板,螺旋片之间,一侧被螺旋片挡住时,另外一侧则必然不挡;反之亦然。
随着铰龙位移,两侧的缺口持续不断地“开通和闭合”。开通时铰龙两片叶片之间的空隙，与下方的甩料盘之间是直通的，铰龙轴之下的肥料，直接落在甩料盘上。待其位移到与铰龙轴水平位置时，缺口闭合，肥料随既补满了空档，另一侧的缺口则开启，继续做着前面缺口的闭与合。不安装坡板时，铰龙上方的肥料从此自落，使出肥量增大，对亩施量大到数吨的有机肥有利;
安装坡板后，挡住了上方的肥料下落。铰龙轴上的肥料下去后,因为失去了补充来源，出肥量减少。这便于对施量小的工厂造粉状有机肥、颗粒有机肥、二胺等实施控制。在绞龙转速的配合下，坡板可把1亩地的最小施肥量，控制在120-80千克之间。
2.4 拨肥装置的结构设计与机械特性
2.4.1结构设计
拨料装置,图9所示。由拨料轴、拐臂、拨料板、受力机件等构成，安装在屋脊盖板内侧和外侧。
铰龙转动时，肥料从进料口进入输送管道，进料口上方易形成拱形空腔，即F=Mg-N结构。这个拱形空腔的下部宽度约35CM，上部宽度1CM厘米，高度约30CM，挡住肥料向下方移动。这种结构与文献[6]中的拱形类似，虽然作用完全不同，但它在施肥机上产生的作用，如果没有外力的作用，它是不会塌陷的。因此就在盖板下方易形成拱形空腔的位置上，设计了一个拨料装置,切割掉空腔支承力形成的条件。
拨料轴，图9-2所示，是一根直径20CM，长度2.5M的圆柱形体,图4-19所示，安装在弧形盖板两端下方的轴承内;拨肥轴两端的侧面，设计了两个拐臂,图4-18所示，呈90度焊接在拨肥轴上;拨肥轴轴承处设计了一个受力齿轮，通过链条与输送铰龙上的齿轮连接，输送铰龙转动时带动拨肥轴转动;
拐臂受盖板的屋脊形状限制，2/4的时间在盖板内转动，不做功;2/4的时间从盖板两端的长方形开口处伸出,图9-1所示，驱动盖板外面的拨肥板位移。
拨肥板，图9-6所示。样车上的拨肥板，是一块厚1.2CM、宽12CM、长2.5M的平面铁板。其中心点上设有一个钻孔作为安装孔，安装在盖板中心点上的拨肥板轴上，图9-5所示。拨料板的两端，受拨料轴两端拐臂的拨动，贴着盖板两侧易形成拱形结构的位置，做往返式上、下重复移动，刮走在此滞留的肥料，从根上切割掉空腔支承力形成的条件。
2.4.2 机械特性
拨料轴围绕轴心运动，其上的拐臂，随着拨料轴绕轴心运动，这种机械特性用P表示;拨料轴一端拐臂，驱动着拨料板，绕其轴心顺时针位移，其机械特性用PT(正)表示;另一端的拐臂驱动着拨料板，绕其轴心逆时针运动，其机械特性用PM(反)表示。公式为：
拨料轴的绕轴心运动，通过拨料轴两端拐臂的作用，转换成了拨料板上的机械往返式重复位移。然而这种往返式重复位移运动不是依靠凸轮、齿轮、偏心轮、曲柄-连杆机构[17]实现的，而是由拨料轴、拐臂、拨料板在不同部位，所产生的不同作用实现的。因此，拨料装置将依照下列公式：
完成一个运动周期;例如：拨料轴转动时，通过拐臂把一端的拨料板压下去、再抬高另一端的拨料板，围绕着拨料板轴所做的往返重复运动。例如：当甲拐臂位移到拨料板一端时(A)，压迫拨料板绕拨料板轴下移，另一端的拨料板则围绕着拨料板轴升高。完成作业后，甲拐臂进入盖板内区(B) ;乙拐臂从盖板内区(C)，进入作业区(D),完成作业后，进入盖板内区(E) ;甲拐臂从盖板内区(B) 进入作业区(F), 压迫拨料板绕拨料板轴下移后，另一端的拨料板被抬高。完成作业后，进入盖板内区(G);乙拨叉从(S) 区，进入作业区(H), 把拨肥板抬起，绕拨料板轴上移后，另一端的拨料板落下来。至此，一个运动周期结束。下一个运动周期, 又从甲拨叉出盖板内区(G), 进入作业区(A) 开始。
2.5 甩料装置的设计方法
甩料装置由甩盘和齿轮箱等组成。甩盘上设有拨料板、安装孔，安装在从齿轮箱内伸出的动力轴上，如图6所示：
齿轮箱内设有液压泵、齿轮、齿轮轴、轴承座等，安装在出肥口的下方。
甩料装置采用文献[12]油压与机械混合式传动和变速，驱动甩盘旋转作业。
当肥料从出料口出来后，落在2个旋转的甩盘上，把肥料抛(撒)在甩盘装置周围[18]。以下依据文献[18]计算出施肥机抛料幅宽：
3 传统技术的创新应用
3.1 变速技术的创新应用
为了使施肥机实现多功能，既能施有机肥，又能施化肥等，样机上设计了一个机械式变速装置和一个快、慢档器。变速装置的前端与动力相连接，后端与慢速度器连接，慢速度器与铰龙连接。变速器上设计了5个档位，第1档位与输出动力同速，即动力转速185转/分，样机的铰龙转速同为185转/分。第2档位转速142转/分，第3档位转速100转/分，第4档位转60转/分，第5档位转速30转/分。
慢速器也叫半档器，它的作用是把变速装置输出转速再减少一半。例如输出动力转速195转/分，通过它后，受力机械上第1档位的转速为130转/分，第5档位的转速，则由20转/分减为13转/分。通过变换铰龙的转动速度，来满足各种肥料的施肥特性。例如1亩地施5000千克有机肥，就选择第3(快)或第4(慢)档位。1亩地施200千克复合肥，或者粉末状肥料，可选择第1(快)档位。1亩地施80-120千克颗粒肥(二胺)，可选择第1(慢)档位。
在样机上设计了10个档位，作业时可以根据不同的需求。通过变换铰龙的转动速度和作业车的行驶速度，可满足各种施肥量需要，下面以第3档位转速100转/分为例，依据文献[2]螺旋输送机输送机理及其主要参数的确定[J]，计算出铰龙1小时的输送量：
3.2 液压技术的创新应用
样机的肥料箱长度为5M，而铰龙的长度为3M，铰龙只能把3M上部的肥料输出来，其余2M的肥料输不出来。如果把铰龙也设计成5M长，就能把肥料箱的肥料全部输出来了，但是阻力会非常大,消耗过多动力;铰龙过长自身就要变形。这种变形，是施肥机不能做大的主要原因。
为使样机能把其余2M的肥料输出来,本机是在液压应用上，创新了操作方法，例如：当肥料箱铰龙上方的肥料输出完时,再使用液压把肥料箱的前部升高，前部2M(或更长M)的肥料，就会移动到下方的铰龙位置上。放下肥料箱前部,又能继续施肥。
4实验
4.1样车实验
4.1.1实验用材料、场地等
实验样车.选用了东风牌柴油翻斗车，核载量4.5吨，肥料箱规格为5M×2.1M×2M;铰龙直径46CM，铰龙轴直径10.8CM，倾斜系数1，螺距35.5CM，最高轴转速195转/分，物料填充系数0.32，有机肥容重0.7/M3。
实验肥料：固体，为发酵过的牛粪。肥料成分里最大结块，规格为20×12×10CM，数量占15%左右。以下规格及末状肥料占85%左右。
实验场地：石河子西部牧业公司旺泉奶牛场的牛粪堆积区。
实验时间：2016年8月5日-2016年9月29日。
实验组数：共三组。1、原地做二组实验，即高速实验和低速实验。每一组实验分为3小组，每组输出肥料1分钟，每组输出的肥料单独堆放、计算。2、农田施肥做一组实验，撒肥实验以样车行驶距离300M为限。
原地实验使用动力：选择发动机高中速转速。测速显示高转速时动力驱动铰龙轴的转速，约为100转/分。低转速时铰龙轴的转速，约为70转/分。实验转速从第1组开始至6组至实验结束, 均保持固定不变。
4.1.2 原地高转速实验结果
高速原地实验选择发动机中高速转速。测速显示中高转速时,动力驱动铰龙轴的转速，约为100转/分。实验转速从第1组开始至6组至实验结束, 均保持固定不变。
第1组：1分钟的输出肥料时间满。将车向前移动3M，进行下一个组实验。丈量结果为：下底长、宽为2M×2.1M，上底长、宽均为0.3M×0.3M,高0.9M.
第2组：1分钟的输出肥料时间满，丈量结果为：下底长、宽为2.1M×2.1M，上底长、宽均为0.3M×0.3M,高0.9M3。将车向前移动3M，进行下一个组实验。
第3组：1分钟的输出肥料时间满，丈量结果为：下底长、宽均为2.1M×2.1M，上底长、宽为0.3M×0.3M,高0.9M。将车向前移动3M，进行下一个组实验。
计算结果：(2M×2M+0.3M×0.3M)×0.9M÷2=1.84M3.
4.1.3原地低转速实验结果
低转速实验测试的铰龙轴转速，约为70转/分。实验转速从第1组开始至6组至实验结束, 均保持固定不变。
第1组：2分钟的输出肥料时间满，丈量结果为：下底长、宽均为1.8M×1.8M，上底长、宽均为0.3CM×0.3M。高0.9M。将车向前移动3M，进行下一个组实验。
第2组：2分钟的输出肥料时间满，丈量结果为：下底长、宽为1.8M×1.8M，上底长、宽均为0.3CM1.8×0.3M,高0.9M。将车向前移动3M，进行下一个组实验。
第3组：2分钟的输出肥料时间满，丈量结果为：下底长、宽为1.8M×1.8M，上底长、宽为0.3M×0.3M,高0.9M。将车向前移动3M，进行下一个组实验。
计算结果：(1.8M×1.8M+0.1M×0.1M)×0.9÷2=1.37M2.
说明：两组实验的出肥量，只有1-5CM的变化,为了计划方便，1-5CM采取了4舍5入。
4.2样车农田抛(撒)肥料实验结果
施肥量计算的依据来自铰龙输送量、甩盘抛料距离和施肥车行驶速度等。
绞龙转速：100转/分。甩盘转速：800转/分。实验车速：3千M/时。实验时间长度：10分钟。
丈量结果：施肥车抛(撒)肥料距离长度：300M;抛(撒)肥料地面幅宽：8.1M;撒肥厚度：0.5CM
实验说明：8.1M幅宽，从内至外先是碎末、碎块、小块、大块。块小的抛(撒)的近，块大的远。
4.3 结构实验结果
新输送管道构造设计与功能的实验结果：实验证明输送管道有足够的强度、刚度与管道张度和变形相协调。管道件连接处不会造成管道内部流体的阻力或增加管体内部阻力。在进料口和拨料装置的配合下,所设输送管道具备了常规输送管道的基本功能，且安装方便，便于维修等，符合文献[8]现代机构手册中的设计要求和行业标准;
进料口构造与功能的实验结果：实验显示，按照上述结构和规格设计的进料口，满足了施肥车的进料进料。其结构和规格设计，可作为法定技术标准。
拨料装置构造与功能的实验结果：实验显示，按照上述结构和规格设计的拨料装置，能够破解由文献[1]中的拱形原理，所形成的肥料拱形结构，满足了施肥车的进料。其结构和规格设计，可作为法定技术标准。
甩盘构造与功能的实验结果：实验显示，按照上述结构和规格设计的甩盘构造，满足了施肥车的撒料要求，可作为法定技术标准。
铰龙规格与工作量的实验结果：把绞龙规格设计为直径46CM，螺距35.5CM，动力的最高转速设计为120转/分，最低转速设计为9转/分，可满足各种肥料的施肥需求。该直径、螺距设计，可作为法定技术标准。
4.4 传统液压技术创新应用的实验结果
液压技术创新应用的操作方法，可使施肥车的设计制造，能根据实际需要往大处做，做6M、8M长的肥料箱都行。这是解决文献[6]提出的经济成因和文献[14]提出的提高农业机械化水平的必须规格。
同时，这种创新应用，使施肥车成为一型多用途车辆，还可以设计为拉运粮食、锅炉粉尘、高速公路除雪撒盐等，能节省大量劳动成本。例如运粮：传统的运粮方法是工人卸货，卸1吨货15元，好几个小时卸一车，300-400元卸车费。卸车人汗水乱流，鞋子里进满了粮食，很不卫生。
卸下车还得再用铲车堆积，入库时再用铲车装在输送带上入库。人工成本、机械成本都很高。十来吨重的铲车，来、回在粮食上辗轧，不可避免的辗轧坏了一部分粮食。
本车则可以把出粮口对准输送带直接入库，2升柴油就能卸一车粮食，成本是人工卸车、机械铲、堆粮成本的几十分之一，还可避免辗轧粮食又卫生。
再如传统的粉尘车使用气压卸载，粉尘升到大气造成污染，使用本技术卸载，粉尘就像流水流出来一样,避免了粉尘升到大气悬浮。同时能大幅度降低制造成本，例如气压封闭的要求很严格，仅一个压力罐的成本，就相当于一辆普通汽车的价格。
5 结论
机器自诞生以来，一直代替人类，进行各种繁重和危险作业。数十年来的经验证明，仅凭劳动者拼体力把脏、臭、重的有机肥施进农田是行不通的。通过对多功能有机肥施肥车的实验，认为它是往农田施肥的有力工具。能快而好、低成本地把有机肥施进农田，把种植者从繁重的施肥劳动中解放出来。它的研制成功，既符合解决有机肥施肥难的问题，也符合即将到来的农业集约化、规模化的发展趋势，对解决化肥污染、动物粪便污染、生活垃圾污染和种植业回归传统的种植方式，具有重大推动作用和深远地历史和现实意义。
不足之处，欢迎批评指正。
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