水平雙圓盤式有機(jī)肥撒肥器的試驗(yàn)研究

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(zhǎng)春 130118；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院汽車系，吉林長(zhǎng)春 130122）

現(xiàn)階段我國(guó)種植業(yè)主要施用化學(xué)肥料，有機(jī)肥的施用相對(duì)不足，為了維持土壤肥效持久、營(yíng)養(yǎng)均衡，就必須提高有機(jī)肥的施用量［1］。目前，國(guó)家出臺(tái)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(duì)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(guó)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(guó)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(duì)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。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了雙圓盤式有機(jī)肥撒肥器試驗(yàn)臺(tái)（圖1），該試驗(yàn)臺(tái)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(tái)電動(dòng)機(jī)，其中1臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送帶送肥，另2臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)雙圓盤旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)臺(tái)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(tái)電機(jī)分別連接到3臺(tái)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(tái)

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(guó)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(huì)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(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡為曲線M0M1，則肥料顆粒的絕對(duì)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(huì)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(huì)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(zhǎng)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(duì)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

1.2 試驗(yàn)肥料

采用前期經(jīng)過堆肥化處理的腐熟肥料，無大硬塊，少粗長(zhǎng)雜草，不黏結(jié)，含水量68%以下［4］。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(duì)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(cè)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

1.4 測(cè)試方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

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(cè)試方法是將14個(gè)邊長(zhǎng)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(cè)試模式的要求，每次試驗(yàn)后測(cè)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(hào)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

2 結(jié)果與分析

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(duì)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(duì)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

3 結(jié)論

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(tái)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(duì)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。

［1］ 田 耘，趙亞祥，潘世強(qiáng)，等.小型手扶自走式有機(jī)肥撒施機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（4）：55-58.

［2］ 李 潔，吳明亮，湯遠(yuǎn)菊，等.有機(jī)肥施肥機(jī)械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39（1）：97-100.

［3］ 秦朝民，劉君輝.離心式撒肥機(jī)撒肥部件研究設(shè)計(jì)［J］. 農(nóng)機(jī)化研究，2006（10）：100-102.

［4］ 施繼紅，孟憲章，潘世強(qiáng)，等.農(nóng)家肥撒施機(jī)螺旋式撒肥器拋撒性能的試驗(yàn)研究［J］.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（1）：111-113.

［5］ 任露泉.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析［M］.長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2001：8-33.

［6］ 潘世強(qiáng).水平圓盤式撒肥部件的試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004：12-13.