施繼紅,孟憲章,馮偉志,李春榮,馬 薇
(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,吉林 長春 130118;2.長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院汽車系,吉林長春 130122)
現(xiàn)階段我國種植業(yè)主要施用化學(xué)肥料,有機(jī)肥的施用相對不足,為了維持土壤肥效持久、營養(yǎng)均衡,就必須提高有機(jī)肥的施用量[1]。目前,國家出臺的相關(guān)政策大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化,農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)程,這既是農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的機(jī)遇,也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必由之路,因此,研究開發(fā)先進(jìn)的有機(jī)肥撒施機(jī)對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
撒肥裝置是撒施機(jī)的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)形式直接影響撒肥的效果。國外的撒肥裝置有離心圓盤式、漿葉式、甩鏈?zhǔn)?、錘片式、撥齒式和螺旋式等6種,而在實(shí)際應(yīng)用中,離心圓盤式、槳葉式與錘片式應(yīng)用較為廣泛[2]。國內(nèi)側(cè)重于離心單圓盤式、螺旋式2種的研究。我們研究制作了水平雙圓盤式有機(jī)肥撒肥裝置,并對雙圓盤的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究,希望能夠?qū)ο乱徊窖兄票P式有機(jī)肥撒施機(jī)提供借鑒。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)了雙圓盤式有機(jī)肥撒肥器試驗(yàn)臺(圖1),該試驗(yàn)臺主要由輸肥裝置、撒肥圓盤2部分組成。試驗(yàn)裝置配備3臺電動(dòng)機(jī),其中1臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送帶送肥,另2臺電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)雙圓盤旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)臺的工作過程為:肥料被輸送帶分別送入2個(gè)撒肥圓盤,隨后沿2個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的水平圓盤盤面運(yùn)動(dòng),由于摩擦力與離心力的共同作用,在遇到葉片前的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線。之后有機(jī)肥顆粒以葉片為導(dǎo)向沿其運(yùn)動(dòng),或者繼續(xù)保持原運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。最后顆粒飛離葉片的末端或水平圓盤的邊緣,直落在地面。為方便試驗(yàn)參數(shù)的調(diào)整,3臺電機(jī)分別連接到3臺變頻器上,通過調(diào)整變頻器的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化,進(jìn)而獲得不同輸肥轉(zhuǎn)速和撒肥轉(zhuǎn)速。
圖1 雙圓盤式有機(jī)肥撒肥器試驗(yàn)臺
1.1.1 撒肥圓盤工作參數(shù)確定 2 個(gè)水平圓盤用5 mm厚有機(jī)塑料制成,既減輕了質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,又加工方便易于安裝葉片。參照國內(nèi)外同類機(jī)型及經(jīng)驗(yàn)[3],設(shè)計(jì)時(shí)圓盤直徑取為500 mm,安裝時(shí)離地面高度為600 mm。
撒肥圓盤的轉(zhuǎn)速過大或過小都會影響撒肥性能,需確定轉(zhuǎn)速的合適范圍。當(dāng)肥料顆粒被送至其中一個(gè)圓盤的M0點(diǎn),離撒肥圓盤旋轉(zhuǎn)中心的距離為r(0圖2)。根據(jù)力學(xué)原理,只有當(dāng)m r0ω2>μmg(m為肥料顆粒質(zhì)量,r0為肥料顆粒著落點(diǎn)至盤心距離,ω為圓盤角速度,μ為肥料與盤面的摩擦系數(shù));又因?yàn)?,所以?dāng)圓盤轉(zhuǎn)速時(shí),即肥料顆粒所受離心力大于摩擦滑動(dòng)阻力時(shí),它就從著落點(diǎn)M0沿盤面運(yùn)動(dòng),遇到以一定速度旋轉(zhuǎn)的葉片前相對運(yùn)動(dòng)軌跡為曲線M0M1,則肥料顆粒的絕對速度為 Vb=Vω+Vu。
矢量Vω和Vu在曲線上各點(diǎn)方向不同,因而Vb值很小,使撒肥區(qū)的寬度也很小。從M1之后肥料顆粒沿葉片直線運(yùn)動(dòng)到M2點(diǎn),然后以速度Vb被拋出圓盤。如果葉片如圖2所示呈一個(gè)正角度γ安裝,則速度矢量關(guān)系為:
合成速度Vb越大,會使撒肥區(qū)寬度較大,同時(shí)改善撒肥均勻性。通過計(jì)算及試驗(yàn),可得當(dāng)2圓盤轉(zhuǎn)速n≥100 r/min時(shí),肥料會被拋撒在直徑為2 m左右的環(huán)帶上,滿足工作要求。
圖2 有機(jī)肥顆粒運(yùn)動(dòng)分析
1.1.2 撒肥圓盤葉片布置形式 當(dāng)偏心地安裝2組L型葉片時(shí),葉片長200 mm,寬20 mm,高40 mm,厚1 mm。第1組葉片A1、A2、A3偏心距為38 mm,3個(gè)葉片均勻分布在盤面上;第2組葉片B1、B2、B3偏心距為60 mm,安裝時(shí)與第1組錯(cuò)開,也均勻分布在盤面上。2個(gè)盤面上葉片需對稱安裝,不能相同方向排列(圖3)。
圖3 撒肥圓盤葉片排列方式
采用前期經(jīng)過堆肥化處理的腐熟肥料,無大硬塊,少粗長雜草,不黏結(jié),含水量68%以下[4]。
該研究主要考查水平圓盤轉(zhuǎn)速(A)、輸肥速度(B)、2盤安裝中心距(C)和圓盤結(jié)構(gòu)(D)4個(gè)因素對撒肥均勻性的影響。采用擬水平法正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),將圓盤結(jié)構(gòu)水平1虛設(shè)為水平3,重復(fù)1次,變圓盤結(jié)構(gòu)為3水平因素進(jìn)行測試[5],試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。
表1 撒肥均勻度擬水平法正交試驗(yàn)因素與水平
該研究采用肥料質(zhì)量的平均偏差衡量撒肥的均勻度。其測試方法是將14個(gè)邊長150 mm的接肥盒分成7組,每組2個(gè)前后放置,按圖4徑向均布在撒肥器后180°的落肥環(huán)帶內(nèi),按照切向圓柱式撒肥測試模式的要求,每次試驗(yàn)后測出接肥盒中肥料質(zhì)量,再利用每組肥料質(zhì)量的平均偏差來判定有機(jī)肥撒施的均勻度[6]。計(jì)算公式為:
式中,adev表示肥料質(zhì)量的平均偏差;n表示接肥盒組數(shù);xi表示每組接肥盒中肥料質(zhì)量;xˉ表示每組肥料質(zhì)量平均值。
每個(gè)試驗(yàn)號均重復(fù)3次,稱量出每組接肥盒中肥料的質(zhì)量,并取其平均值作為計(jì)算平均偏差的基數(shù),平均偏差越小,撒肥的均勻性就越好。
圖4 撒肥圓盤有機(jī)肥接肥盒分布
正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可看出,極差最大的是A因素,之后是D,接著是C和B。因此,A因素對試驗(yàn)的影響最大,取第3水平最好;再次是因素D,取第1水平最好;再次是因素C,取第2水平最好;因素B的影響最小,取第2水平為好。確定各試驗(yàn)因素的最佳組合為A3B2C2D1。但分析發(fā)現(xiàn)該組合并不在正交試驗(yàn)表中,為了驗(yàn)證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,按照最佳組合的試驗(yàn)條件又進(jìn)行了追加試驗(yàn)[6],得出平均偏差結(jié)果為adev=75.89 g,比正交試驗(yàn)表中最小平均偏差88.04 g還要小,表明追加試驗(yàn)選用的試驗(yàn)參數(shù)對撒肥的均勻性更好。
表2 撒肥均勻度擬水平法正交試驗(yàn)結(jié)果
1)設(shè)計(jì)了水平雙圓盤式有機(jī)肥撒肥器試驗(yàn)裝置,分析了有機(jī)肥顆粒在盤面的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過臺架試驗(yàn)找出了圓盤轉(zhuǎn)速、輸肥速度、2盤安裝中心距和圓盤結(jié)構(gòu)對撒肥均勻性的影響,為后續(xù)研究設(shè)計(jì)有機(jī)肥撒施機(jī)奠定了基礎(chǔ)。
2)通過擬水平法正交試驗(yàn)得出撒肥器適宜工作參數(shù)組合,即圓盤轉(zhuǎn)速200 r/min、輸送速度800 mm/s、2盤安裝中心距750 mm和盤面偏心安裝2組葉片。影響撒肥均勻性的因素主次順序依次為圓盤轉(zhuǎn)速、盤面偏心安裝2組葉片、2盤安裝中心距、輸送速度。
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