李樹(shù)兵，李清華，孫冬霞

(1.濱州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,山東濱州,256600;2.東營(yíng)市第二中學(xué),山東東營(yíng),257000)

0 引言

大田施肥主要使用化學(xué)肥料,這對(duì)提高作物產(chǎn)量發(fā)揮了巨大作用,但長(zhǎng)期使用化學(xué)肥料會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田耕作層土壤有機(jī)質(zhì)含量下降,土壤肥效作用降低[1]。相比化學(xué)肥料,有機(jī)肥中有益生物活動(dòng)能改善土壤結(jié)構(gòu),增加土壤保水保肥能力,減少養(yǎng)分流失,間接培肥了土壤,其大規(guī)模使用是未來(lái)大田施肥趨勢(shì)[2-3]。

施肥機(jī)是撒施有機(jī)肥的關(guān)鍵設(shè)備,國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家早已對(duì)其進(jìn)行了深入研究[4]。美國(guó)SC7660型液體施肥機(jī)拋撒幅寬大、撒施均勻,可將有機(jī)肥料直接浸入土壤,但該機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需特定場(chǎng)所存放處理液態(tài)有機(jī)肥[5];法國(guó)ProTwin 8150錘片式有機(jī)肥撒施機(jī)配有雙攪龍型式的肥料輸送裝置和錘片式的拋撒裝置,拋撒效果穩(wěn)定,撒施效果好,但功耗較高。德國(guó)ZA-V型施肥機(jī)作業(yè)效率高并安裝有精準(zhǔn)撒肥裝置和邊界自動(dòng)識(shí)別傳感器,能夠精確控制撒肥幅寬,但肥料沿橫向和縱向分布不均勻;法國(guó)DPX Prima離心圓盤式撒肥機(jī)作業(yè)對(duì)象為高流動(dòng)性有機(jī)肥,常需通過(guò)重疊作業(yè)保證拋撒均勻性[6]。國(guó)內(nèi)施肥機(jī)械發(fā)展相對(duì)較晚,品種單一,且主要以引進(jìn)和仿制為主[7]。濱州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院郝延杰等設(shè)計(jì)了一款精準(zhǔn)有機(jī)肥施肥機(jī),利用FPGA控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸肥鏈板檔位、肥門開(kāi)度和控制罩角度,實(shí)現(xiàn)了有機(jī)肥撒施量和幅寬調(diào)節(jié);東北農(nóng)業(yè)大學(xué)呂金慶等設(shè)計(jì)了一種錐盤式撒肥裝置,獲得了較合理撒肥盤轉(zhuǎn)速等參數(shù);山東、上海的農(nóng)機(jī)公司也均針對(duì)施肥機(jī)做了相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)創(chuàng)新?？傮w來(lái)看國(guó)內(nèi)施肥機(jī)在工作效率和機(jī)器穩(wěn)定性等方面有待提高[8]。

本文設(shè)計(jì)的一款自走式上肥撒施一體機(jī),可智能調(diào)節(jié)施肥量和幅寬,能自主高效上肥、撒肥,實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛作業(yè),減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,其智能高效、作業(yè)參數(shù)可變等特征符合農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展趨勢(shì)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

自走式上肥撒施一體機(jī)主要由機(jī)架、上肥機(jī)構(gòu)、分肥機(jī)構(gòu)、稱重機(jī)構(gòu)、輸肥機(jī)構(gòu)、擋肥機(jī)構(gòu)、拋撒機(jī)構(gòu)等組成,如圖1所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure1.機(jī)架 2.上肥機(jī)構(gòu) 3.分肥機(jī)構(gòu) 4.稱重機(jī)構(gòu) 5.輸肥機(jī)構(gòu) 6.擋肥機(jī)構(gòu) 7.拋撒機(jī)構(gòu)

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)上肥機(jī)構(gòu)在液壓缸作用下下降到與堆放肥料高度一致的位置,肥料經(jīng)上肥機(jī)構(gòu)喂入,在分肥機(jī)構(gòu)絞龍旋轉(zhuǎn)作用下向肥箱前部左右兩側(cè)分配,輸肥機(jī)構(gòu)將肥料向肥箱后部輸送,肥料裝滿后安裝在肥箱下的稱重系統(tǒng)可精確稱出肥料重量;道路運(yùn)輸時(shí),上肥機(jī)構(gòu)在液壓缸作用下向上提升,避免施肥機(jī)行駛時(shí)與地面接觸;撒肥作業(yè)時(shí),拋撒機(jī)構(gòu)護(hù)罩在液壓缸作用下打開(kāi),撒肥圓盤和豎絞龍?jiān)谝簤厚R達(dá)作用下旋轉(zhuǎn),肥料擋板在液壓缸作用下打開(kāi),輸肥機(jī)構(gòu)將肥料向后移動(dòng),經(jīng)擋板和肥箱底部形成的通道落至拋撒機(jī)構(gòu)上被拋撒出去。自走式上肥撒施一體機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 上肥機(jī)構(gòu)

上肥機(jī)構(gòu)如圖2所示,作為一種上料傳輸裝置是施肥機(jī)核心部件,其技術(shù)性能直接影響上肥效率,其結(jié)構(gòu)由喂入裝置和升運(yùn)裝置組成。

圖2 上肥機(jī)構(gòu)Fig.2 Fertilizer collecting mechanism

2.1.1 喂入裝置

喂入裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示,其不僅可以起到肥料喂入作用,也可對(duì)肥料進(jìn)行一次破碎。直、彎刀角度、排列方式及間距對(duì)肥料破碎均勻性和安裝輥動(dòng)平衡有著直接影響,直刀、彎刀沿葉片進(jìn)行間隔螺旋安裝,軸向方向繞圓周均勻排列。葉片材質(zhì)要有較高的彈性極限、屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度,其螺旋焊接至安裝輥上隨輥高速旋轉(zhuǎn),材料選用65Mn,厚度為6 mm;安裝輥材料為Q235A;安裝至葉片上的直刀和彎刀隨輥高速旋轉(zhuǎn)切割肥料,其材質(zhì)需有比普通鋼更高的強(qiáng)度和抗變形能力,材料選用45#鋼。螺旋外徑D設(shè)計(jì)為400 mm,螺距為90%D,即360 mm,根據(jù)公式

圖3 喂入裝置Fig.3 Feeding device1.側(cè)板 2.葉片 3.安裝輥 4.彎刀 5.直刀 6.弧形板 7.軸承座

Q=47D2φsnΩc

(1)

式中：φ——充滿系數(shù),取0.3;

s——螺距,m;

n——螺旋轉(zhuǎn)速,r/min;

Ω——物料容量,t/m3;

c——傾斜輸送修正系數(shù),水平輸送取c=1.0。

按最大輸送量Q取400 kg/min計(jì)算,可得n=32.8 r/min,取螺旋最大轉(zhuǎn)速n=35 r/min。

2.1.2 升運(yùn)裝置

升運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示,對(duì)升運(yùn)裝置來(lái)說(shuō),影響性能的因素主要是輸送速度v和輸送槽規(guī)格,即刮板高度H和寬度B,輸送速度快,刮板對(duì)肥料沖擊大,輸送不穩(wěn)定,輸送速度過(guò)慢,容易產(chǎn)生肥料堆集造成堵塞,輸送槽過(guò)窄、過(guò)淺,都會(huì)導(dǎo)致肥料卡死,造成故障或損失。刮板大多數(shù)為矩形或梯形,高度H約為寬度B的1/4～1/2,刮板間隔距離L約為刮板高度的3～6倍。

圖4 升運(yùn)裝置Fig.4 Lifting the transport unit1.從動(dòng)鏈輪 2.升運(yùn)器托架體焊合 3.刮板 4.托板 5.升運(yùn)器體焊合 6.齒輪油泵 7.傳動(dòng)鏈條 8.主動(dòng)鏈輪

計(jì)算時(shí)按地塊長(zhǎng)度800 m、有效撒肥幅寬8 m、施肥量按4 000 kg/hm2,加一次肥料可滿足兩個(gè)往返撒肥量要求,肥箱容積

(2)

(3)

式中：M——施肥量,kg/hm2;

N——施肥幅寬,m;

L——撒施距離,m;

γ——充滿系數(shù),壓實(shí)狀態(tài)取值0.7～0.9,非壓實(shí)狀態(tài)取值0.5～0.7;

η——肥料密度,kg/m3,壓實(shí)狀態(tài)取值600～800 kg/m3,非壓實(shí)狀態(tài)取值200～500 kg/m3;

P——刮板輸送器的生產(chǎn)率,kg/h;

t——上料時(shí)間,min。

(4)

式中：ρ——輸送物料的密度,kg/m3,有機(jī)肥的堆積密度取700 kg/m3;

ψg——刮板輸送器的充滿系數(shù),當(dāng)鏈速度v為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s時(shí),ψg分別為0.97、0.92、0.85和0.75;

Kg——刮板輸送器的傾斜系數(shù),當(dāng)輸送器與水平夾角α為10°、20°、30°、45°、60°、75°和90°時(shí),Kg相應(yīng)為0.85、0.65、0.5、0.4、0.3、0.25和0.15。

根據(jù)式(2)確定肥箱容積V=11 m3;根據(jù)式(3)設(shè)定每次上料時(shí)間t=30 min時(shí)刮板輸送生產(chǎn)率P≈257 kg/min;依據(jù)升運(yùn)器殼體內(nèi)部空間、刮板安裝尺寸并結(jié)合表2數(shù)據(jù),選擇一組較為合適的刮板寬度B=280 mm,刮板高度H=80 mm;根據(jù)式(4)計(jì)算出的肥料輸送速度v約為0.72 m/s。

表2 輸送肥料常用的刮板尺寸表Tab.2 Test data of experimental factors

2.2 輸肥機(jī)構(gòu)

輸肥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示,鏈條選用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈形式,鏈條工作過(guò)程中主要受到肥料和刮板鏈條重力產(chǎn)生的摩擦力,因此需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。肥料輸送方式為水平輸送,輸送阻力受力如圖6所示。

圖5 輸肥機(jī)構(gòu)Fig.5 Fertilizer transport mechanism1.鏈輪 2.傳動(dòng)鏈條 3.刮肥板 4.托板 5.傳動(dòng)軸

圖6 受力分析Fig.6 Force analysis

圖7 稱重機(jī)構(gòu)Fig.7 Weighing quality mechanism1.稱重組件 2.稱肥板 3.刮肥板 4.擺線馬達(dá) 5.稱重傳感器 6.稱重板 7.稱重軸 8.稱重座 9.分肥絞龍

輸送裝置上有機(jī)肥的總質(zhì)量

m1=ρV0

(5)

式中：V0——肥箱裝滿時(shí)肥料體積,m3。

刮板運(yùn)輸裝置基本運(yùn)行阻力

Wf=(m1f1+m0f2)g

(6)

式中：m0——刮板鏈條總質(zhì)量,kg;

m1——滿載時(shí)輸送裝置上的物料質(zhì)量,kg;

f1——物料與底板的摩擦因數(shù);

f2——刮板鏈條與底板的摩擦因數(shù)。

刮板輸送裝置的總阻力

W=ωfWf

(7)

式中：ωf——附加阻力系數(shù)。

刮板規(guī)格和數(shù)量已知,輸送長(zhǎng)度可查表計(jì)算,長(zhǎng)度為4.7 m時(shí),刮板和圓環(huán)鏈的總質(zhì)量m0為123.2 kg。當(dāng)肥箱裝滿時(shí),體積為V0=11 m3,肥料的堆積密度為700 kg/m3,肥料總質(zhì)量為7 700 kg,計(jì)算得Wf=45.76 kN,刮板輸送的總阻力W=48.07 kN。

安全系數(shù)

(8)

式中：λ——鏈條負(fù)荷不均勻系數(shù);

Sp——鏈條破斷拉力,kN;

i——鏈條股數(shù);

Sm——承受最大牽引力,kN。

選擇的鏈條破斷拉力138.6 kN,股數(shù)為2,承受的最大牽引力為48.07 kN,經(jīng)計(jì)算的安全系數(shù)約為5.18,能夠滿足強(qiáng)度要求。

2.3 稱重機(jī)構(gòu)

稱重機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見(jiàn)如7所示,肥料重量顯示在顯示屏上。稱重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置,當(dāng)肥料重量超過(guò)所設(shè)定的重量時(shí),稱重傳感器將信號(hào)傳至報(bào)警器,從而引起報(bào)警器報(bào)警。

2.4 拋撒機(jī)構(gòu)

拋撒機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8所示。豎直絞龍葉片上設(shè)有多個(gè)半圓形凹口并安裝有多組切割刀,在進(jìn)行撒施作業(yè)時(shí)護(hù)罩在液壓缸作用下打開(kāi)一定角度,拋撒圓盤和豎直絞龍?jiān)谥R達(dá)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn),將輸送至拋撒圓盤上的肥料均勻拋撒出去,在肥料落地前,絞龍葉片及其切割刀也能對(duì)飛濺的肥料進(jìn)行二次破碎。

圖8 拋撒機(jī)構(gòu)Fig.8 Fertilizer throwing and spreading mechanism1.豎直絞龍 2.護(hù)罩 3.支撐側(cè)板 4.護(hù)罩開(kāi)啟油缸 5.肥門升降油缸 6.支撐輥 7.拋撒圓盤

2.4.1 拋撒圓盤

拋撒圓盤如圖9所示,作用是將散落到其上的肥料拋撒出去,防止肥料漏下來(lái)形成局部堆積[9-11]。拋撒圓盤直徑越大,肥粒拋出的速度就越大,撒肥距離越遠(yuǎn),撒肥幅寬與拋撒圓盤直徑呈正比關(guān)系。

圖9 拋撒圓盤Fig.9 Fertilizer throwing and spreading disc

拋出的有機(jī)肥初始速度

vi=ωiri

(9)

式中：ri——肥粒與圓盤中心的距離;

ωi——距圓盤旋轉(zhuǎn)中心為ri處肥粒旋轉(zhuǎn)角速度。

對(duì)于大田施肥來(lái)說(shuō),撒肥幅寬越大越好,但是受限于撒肥機(jī)尺寸,拋撒圓盤直徑設(shè)計(jì)為890 mm。當(dāng)肥粒拋出點(diǎn)與初速度一定時(shí)上拋肥粒落點(diǎn)距離大于平拋或下拋,故將圓盤面與地面成一定角度以使肥料呈拋物線狀拋出。拋撒圓盤與地面的角度設(shè)計(jì)為9°,見(jiàn)圖10。

圖10 拋撒角度Fig.10 Schematic diagram of throwing angle

2.4.2 豎直絞龍

豎直絞龍結(jié)構(gòu)如圖11所示,其安裝的螺旋葉片是拋肥的關(guān)鍵部件,可將肥料向上輸送,葉片上安裝撥肥板可將肥料進(jìn)行第二次破碎。為使螺旋葉片輸送時(shí)掉落的肥料全部撒落到拋撒圓盤上,螺旋葉片的外輪廓尺寸需要小于拋撒圓盤的最大直徑[12-13],為保證撒肥幅寬,螺旋葉片的直徑也不能太小,該機(jī)螺旋葉片直徑設(shè)計(jì)為875 mm,葉片鋼材選用65Mn,厚度為6 mm,螺旋葉片安裝輥直徑為135 mm,材料為Q235A的鋼管,撥肥板材料選用45#鋼。

圖11 豎直絞龍F(tuán)ig.11 Vertical auger1.拋撒盤 2.拋撒板 3.撥肥板 4.螺旋葉片

為增加有機(jī)肥的破碎效果,豎直絞龍螺旋葉片被均布的半圓反向切割,形成能夠?qū)Υ髩K肥料進(jìn)行二次切割的刀狀缺口。螺旋葉片的俯視結(jié)構(gòu)如圖12所示,肥料被二次切割示意圖如圖13所示。

圖12 螺旋葉片F(xiàn)ig.12 Spiral blade

圖13 切割肥料Fig.13 Chopped fertilizer

3 拋撒試驗(yàn)與分析

自走式上肥撒施一體機(jī)肥料拋撒試驗(yàn)在某合作社進(jìn)行,試驗(yàn)場(chǎng)地選擇水泥地面,寬度約10 m,長(zhǎng)度取800 m,無(wú)風(fēng)環(huán)境;試驗(yàn)物料選用發(fā)酵牛糞。試驗(yàn)因變量是施肥量、施肥幅寬、施肥速度,影響因變量因素中,定量因素為拋撒圓盤與水平地面傾斜角度,為9°;自變量因素為行駛檔位,輸肥鏈板檔位,控肥閘門開(kāi)度,護(hù)罩開(kāi)啟角度,豎直絞龍轉(zhuǎn)速。若設(shè)計(jì)全面試驗(yàn)法,工作量太大,且數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繁雜,考慮采用正交法[14],在試驗(yàn)因素確定后,根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?、?shí)際情況綜合考慮每個(gè)試驗(yàn)因素變化范圍并設(shè)置各因素取相同的水平數(shù),結(jié)合試驗(yàn)工作量的大小按照五因素四水平選用L32(49)來(lái)完成本次正交試驗(yàn),見(jiàn)表3。

表3 多因素組合試驗(yàn)Tab.3 Multifactor combination test

當(dāng)大田土壤基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到4%～5%時(shí),每年只需補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)礦化而消耗的數(shù)量,一般土壤有機(jī)質(zhì)含量約為166.2 t/hm2,土壤的年礦化率為1%左右,每年應(yīng)補(bǔ)充1.662 t/hm2。按有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)含量55%計(jì)算,則每公頃土壤施肥量為1.662÷55%≈3 t;參考農(nóng)技人員經(jīng)驗(yàn),施肥機(jī)撒肥幅寬6～8 m時(shí),撒肥均勻度好,肥料覆蓋面廣,撒肥效率高,能夠較好滿足大田施肥要求,從表3施肥量、施肥幅寬兩列數(shù)據(jù)中可見(jiàn),序號(hào)2、3、4、5、8、10、12、19、20、23、24、26、28、31的拋撒試驗(yàn)組均能夠滿足大田施肥要求?，F(xiàn)按照大田撒肥施肥量3 000 kg/hm2、施肥幅寬7 m,選取序號(hào)4、24、26、31的拋撒試驗(yàn)組取樣分析并計(jì)算變異系數(shù)。施肥機(jī)行駛方向?yàn)榭v向,用取樣框沿縱向等間距取樣9處,選取9組縱向樣本數(shù)據(jù);幅寬方向?yàn)闄M向,從中間向兩側(cè)等間距取樣35處,選取35組橫向樣本數(shù)據(jù)。縱向取樣數(shù)據(jù)見(jiàn)表4,橫向取樣數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表4 大田施肥拋撒試驗(yàn)縱向取樣數(shù)據(jù)Tab.4 Longitudinal sampling data of field fertilization and scattering experiment

表5 大田施肥拋撒試驗(yàn)橫向取樣數(shù)據(jù)Tab.5 Transverse sampling data of field fertilization and scattering experiment

從表4可以看出,質(zhì)量分布波動(dòng)較小,即在沿施肥機(jī)前進(jìn)方向上,肥料撒施比較均勻;從表5可以看出,中間質(zhì)量最大,越遠(yuǎn)離施肥機(jī)的兩側(cè)質(zhì)量越小,且以施肥機(jī)中軸線呈近似對(duì)稱分布;縱、橫兩方向撒肥質(zhì)量分布說(shuō)明了該施肥機(jī)工作平穩(wěn),不存在間斷性拋撒等異常狀況。

變異系數(shù)[15-16]計(jì)算公式如式(10)所示,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 施肥量變異系數(shù)Tab.6 Coefficient of variation in fertilization amount

(10)

(11)

(12)

式中：a——施肥均勻度變異系數(shù);

s——標(biāo)準(zhǔn)差;

X——收集器的數(shù)量;

xi——每個(gè)收集器中收集的肥料量;

從表6可以看出,第4組試驗(yàn)縱向變異度系數(shù)為14.6%,橫向變異度系數(shù)為30.3%;第24組試驗(yàn)縱向變異度系數(shù)為15.5%,橫向變異度系數(shù)為32.2%;第26組試驗(yàn)縱向變異度系數(shù)為15.3%,橫向變異度系數(shù)為31.6%;第31組試驗(yàn)縱向變異度系數(shù)為15.4%,橫向變異度系數(shù)為31.8%;按大田施肥3 000 kg/hm2、幅寬7 m選取的四組試驗(yàn)取樣變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果均小于GB/T25401—2010規(guī)定的40%,表明該施肥機(jī)撒肥時(shí)縱向前進(jìn)方向工作平穩(wěn),橫向幅寬方向拋撒均勻,其技術(shù)參數(shù)能夠滿足大田施肥要求。

4 結(jié)論

1) 創(chuàng)新設(shè)計(jì)了上肥機(jī)構(gòu),能夠自主上肥且輸肥均勻穩(wěn)定;整機(jī)采用自走式設(shè)計(jì),能夠快速轉(zhuǎn)場(chǎng),作業(yè)效率高;集成的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

2) 實(shí)現(xiàn)了施肥量和施肥幅寬有效調(diào)節(jié),通過(guò)設(shè)置輸肥鏈板速度、控肥閘門開(kāi)度、護(hù)罩開(kāi)啟角度、豎絞龍轉(zhuǎn)速不同參數(shù)組合,可變?nèi)鍪┝? 000～4 000 kg/hm2,幅寬范圍4～7.5 m。

3) 按施肥量3 000 kg/hm2、撒施幅寬7 m做拋撒試驗(yàn),結(jié)果顯示：撒施均勻性好,縱向施肥變異系數(shù)約為15%,橫向施肥變異系數(shù)約為30%,滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),施肥機(jī)能夠滿足大田施肥作業(yè)要求。