螺旋式石灰播撒機的設(shè)計與試驗

高自成，李翔宇，李立君，肖詩慧，王朋輝

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

螺旋式石灰播撒機的設(shè)計與試驗

高自成，李翔宇，李立君，肖詩慧，王朋輝

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

中國酸性土壤分布廣泛、土壤酸化嚴(yán)重，治理土壤酸化是環(huán)境保護的重要內(nèi)容之一。施用石灰是一項傳統(tǒng)而有效的酸性土壤改良措施，石灰可以中和土壤酸性，降低Al等重金屬對作物的危害，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，目前市場上還沒有石灰播撒的設(shè)備。文章論述了螺旋循環(huán)式的石灰播撒機的工作原理和關(guān)鍵零部件的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上進行了播撒實驗，實驗得出，設(shè)計參數(shù)滿足播撒量的要求。石灰播撒機的開發(fā)對于降低石灰播撒勞動強度、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

農(nóng)業(yè)機械；螺旋循環(huán)；石灰播撒機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；試驗分析

酸性土壤是指pH值<6.5的土壤的總稱，在中國酸性土壤分布遍及14個省區(qū)，總面積達2.03×108hm2，約占全國耕地面積的21%。施用石灰是一項很古老的酸性土壤改良措施，在中國也有長期施用石灰的歷史，特別是在南方酸性紅、黃壤地區(qū)更為普遍。施用石灰可以降低土壤酸度，有效緩解Al和其他重金屬的毒害，補充Ca、Mg營養(yǎng)，改善植株營養(yǎng)和生長狀況，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

目前在中國正在開展利用石灰來中和土壤酸性和鈍化重金屬等環(huán)境污染治理試點工作，采用播撒量逐年遞減的方式進行石灰播撒。傳統(tǒng)的石灰播撒方式采用人工手動播撒，由于石灰具有較強堿性，農(nóng)民在播撒石灰的過程中，皮膚容易被石灰腐蝕，此外，播撒石灰需要一邊播撒一邊負(fù)重，勞動強度大，目前國內(nèi)市場還沒有石灰播撒的專用設(shè)備或者與其他農(nóng)機具組合的石灰播撒組合機具，因此研發(fā)石灰播撒機并與其他農(nóng)機具組合成復(fù)合作業(yè)農(nóng)機具對于降低勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率有著重要意義。

1 螺旋循環(huán)式石灰播撒機的總體設(shè)計

1.1 播撒對象——石灰粉的屬性

石灰播撒機的播撒對象采用從石灰窯中出來經(jīng)過粉碎的生石灰粉，主要成分為CaO，一般從爐窯中出來的石灰塊，CaO的含量為80%以上，其他成分為礦石中的雜質(zhì)，粉碎以后的石灰粉的粒度為10目-200目，即顆粒直徑在0.075～2mm之間，堆積密度為1160～1300kg/m3，由于在搬運過程中與空氣接觸，石灰粉很容易吸濕回潮生成Ca（OH）2，粘度增加，容易板結(jié)。此外由于石灰的粒度較小，在氣流或者離心力的作用下很容易揚塵，產(chǎn)生粉塵污染，影響空氣質(zhì)量。

1.2 石灰播撒——旋耕組合機具設(shè)計方案的提出

根據(jù)播撒對象石灰粉的物理屬性，在研發(fā)石灰播撒機的過程中解決3個問題，一是如何將石灰均勻連續(xù)播撒出來；二是在播撒過程中不產(chǎn)生揚塵等粉塵污染；三是控制播撒量。其次，根據(jù)農(nóng)作物種植情況，播撒石灰的時間選擇在小麥或者水稻收割之后，土地翻耕以前。因此，結(jié)合現(xiàn)有市場上農(nóng)機具的結(jié)構(gòu)形式和工作方式等實際情況，采取將石灰播撒機置于旋耕機具的前上方，與旋耕機組成旋耕石灰一體機的設(shè)計方案，這種組合機具采用輪式拖拉機懸掛。出灰口位于拖拉機后部與旋耕機中間，這樣保證

播撒出來的石灰被土壤掩蓋而滲入土壤中，根據(jù)拖拉機的動力輸出方式、負(fù)載掛載的方式和掛載能力，將播撒機料箱置于旋耕機上方，而將播撒機出料口往前伸至旋耕機與拖拉機后部的間隔中間。為了能把石灰從位于旋耕機上部的料箱往前送到位于拖拉機與旋耕機中間的出灰口，采用四個螺旋循環(huán)輸送的方式來完成石灰播撒。其中位于拖拉機與旋耕機中間的播撒螺旋筒體開有出灰口，與灰量調(diào)節(jié)機構(gòu)組合，控制出灰量，這樣就形成螺旋循環(huán)式播撒機的設(shè)計原理。播撒過程中石灰從播撒機出口自然流出，最大限度地避免揚塵。同時播撒到耕地的石灰通過旋耕機與土壤攪拌混合以后，迅速和土壤結(jié)合，很容易滲透到土壤深層，這對于土壤酸化和重金屬污染的治理更為有效。此外采用一體機的作業(yè)方式比采用單一作業(yè)方式的效率提高了效率。

1.3 螺旋循環(huán)式石灰播撒機主要結(jié)構(gòu)與原理

（1）螺旋循環(huán)式石灰播撒機的總體機構(gòu)。根據(jù)設(shè)計方案，設(shè)計出的石灰播撒機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在料箱6的下部安裝有出灰螺旋1，出灰螺旋將料箱中的石灰輸出到送灰螺旋2，送灰螺旋2將石灰送入播撒螺旋3中，在播撒螺旋筒體下面的出灰口與灰量調(diào)節(jié)機構(gòu)一起控制出灰量。因為播撒過程中，石灰是單向運動的，因此要求播撒螺旋的輸送量大于播撒要求的石灰量，這樣沒有播撒出去的石灰通過回灰螺旋4返回送到料箱中。在一些不需要播撒的地方可以用灰量調(diào)節(jié)機構(gòu)關(guān)閉播撒口，石灰通過在幾個螺旋中的循環(huán)運動完成了播撒。而灰量調(diào)節(jié)機構(gòu)控制播撒出灰量。通過手動離合器來控制播撒機的工作與停止。

圖1 石灰播撒機執(zhí)行機構(gòu)

（2）石灰播撒機的灰量調(diào)節(jié)機構(gòu)。灰量調(diào)節(jié)機構(gòu)如圖2所示，在播撒螺旋筒體7的下方安裝有同軸的活動出灰口板5，板5也為圓弧狀，并且由導(dǎo)向軸承6支撐，可以沿著軸向移動，板5上開有尺寸與筒體7下方尺寸一致的出灰口，由板7和板5上的出口重合度的大小控制出灰口的開度，當(dāng)板7和板5上的出口完全重疊時，出灰量最大，板5的一端的法蘭安裝有螺母4，螺母和螺桿2相連接，螺桿的另一端安裝有調(diào)節(jié)手柄，手柄上安裝有定位銷11，定位銷的銷軸在彈簧的作用下，插入檔位10的檔位孔中，檔位板10上開有15個檔位孔。當(dāng)手柄位于不同的檔位時，在螺桿的作用下，螺母做軸向移動，從而使活動出灰口5做軸向移動，使活動出灰口和筒體7上的固定出灰口的重合度發(fā)生變化，這樣出灰量得到調(diào)節(jié)，圖2所示為出灰口開度最大的狀態(tài)。

圖2 灰量調(diào)節(jié)機構(gòu)

2 播撒機主要技術(shù)參數(shù)的確定

（1）螺旋輸送量的確定。根據(jù)湖南省環(huán)保站、湖南省土肥所和湖南省農(nóng)機局的要求，本石灰播撒機的播撒量為三檔：即第一年播撒量為1500kg/hm2，第二年為1125kg/hm2，第三年播撒量為750kg/hm2，播撒量允許誤差為±5%。播撒機與旋耕機組成組合農(nóng)機具，554型拖拉機帶動旋耕機具旱地作業(yè)時的平均前進速度為v0=5km/h，播撒機的播撒量計算如下：

旋耕機每小時的旋耕面積為：

S=ν0L=9000（m2/h）

每小時的最大石灰播撒量為：

因為石灰粉容易吸收水分變潮濕，而且石灰粉粘度大，流動性差，在播撒過程中容易因為機器的振動而板結(jié)，因此輸送螺旋輥軸的直徑不能太小，但是由于旋耕機與拖拉機掛架的空間限制，播撒螺旋筒體外徑允許不能太大，根據(jù)旋轉(zhuǎn)播撒作業(yè)方式，取播撒螺旋筒體外徑為110mm，內(nèi)徑為106mm，取螺旋外徑為100mm，為了便于螺旋加工，取各個螺旋的機構(gòu)相同，通過改變各個螺旋的轉(zhuǎn)速來滿足各個螺旋輸送量的要求。在播撒過程中為了保證石灰在循環(huán)運動過程中，不出現(xiàn)石灰停滯堵塞螺旋的情況，設(shè)出灰螺旋、送灰螺旋、播撒螺旋和回灰螺旋的輸送量分

每小時的最小石灰播撒量：

別為Q1m、Q2m、Q3m和Q4m，為了防止出灰口關(guān)閉時，石灰在螺旋輸送過程中出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，各個螺旋的輸送量應(yīng)該滿足Q1m

（2）各輸送螺旋設(shè)計參數(shù)的確定。由螺旋輸送機輸送量的計算公式（1）可以求出石灰在播撒螺旋中的軸向運動速度：

Q3m=3600FλVε （1）

式中：Q3m為播撒螺旋輸送量（kg/h），此處Q3m=1800kg/ h；F為螺旋筒內(nèi)物料層的橫截面積，D為螺旋直徑，φ為填充系數(shù)，取φ=0.5，D=0.1m，得F=0.003925m2；λ為石灰的堆積密度，取γ=1200kg/m3；V為石灰物料的軸向運動速度，m/s；ε為傾斜系數(shù)，播撒螺旋水平，取ε=1；代入數(shù)據(jù)得：V=0.1061m/s。

由公式：V=Sn/60，得S=0.795m=79.5mm，取整數(shù)得S= 80mm。

式中：n為螺旋轉(zhuǎn)速，取n=80r/m，S為螺距。

取螺旋芯軸直徑為d3=0.3D=30mm

采用類似的方法，計算各個螺旋的設(shè)計參數(shù)，得出各個螺旋是設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 螺旋的設(shè)計參數(shù)

（3）播撒出灰口的參數(shù)估算。在播撒過程中，一方面石灰沿著螺旋做軸向運動，另一方面由從出灰口自然下落，播撒過程中，石灰是流動的狀態(tài)，由前述可知，播撒輥中石灰的軸向運動速度V=0.1061m/s，由于播撒時石灰在播撒螺旋中的運動情況比較復(fù)雜。有軸向運動也有沿著螺旋葉片的回轉(zhuǎn)運動和離心運動，播撒出灰口與播撒螺旋軸線垂直，因此播撒出來的石灰的平均速度小于石灰的軸向運動速度，取出灰口出來的石灰的平均速度為0.07m/s。按照播撒量1500kg/h即播撒量為0.417kg/s來求播撒出灰口的面積，由公式：

Q=γVA求出播撒出灰口的面積，

式中：Q為播撒出灰量；γ為石灰的堆積密度；A為出灰口面積。

代入數(shù)據(jù)得：A=0.004963m2=4963mm2，播撒機的播撒幅度為1800mm，設(shè)在播撒幅度范圍內(nèi)均勻分布40個播撒出灰口，每個出灰口的寬度為8mm，則播撒出灰口的長度為15.5mm，考慮到石灰的粘性，使播撒時的實際出灰面積比出灰口的設(shè)計面積小，因此取播撒出灰口的尺寸為20mm×10mm（20mm為出灰口沿著半徑方向的弧長）。研制完成以后的螺旋循環(huán)式石灰播撒——旋耕一體機如圖3所示。

3 螺旋循環(huán)式石灰播撒——旋耕一體機現(xiàn)場試驗

為了驗證播撒機能否在實際應(yīng)用中達到設(shè)計要求，進行了石灰播撒旋耕組合作業(yè)試驗。 現(xiàn)場試驗選擇收割晚稻以后的稻田（旱地）進行試驗，試驗照片如圖3所示。

圖3 螺旋循環(huán)式石灰播撒機

在實驗時播撒機傳動系統(tǒng)傳動采用旱地播撒模式，即行駛速度平均為5km/h，播撒輥的轉(zhuǎn)速為80r/min,選擇灰量調(diào)節(jié)機構(gòu)檔位分別位于1檔、2檔、3檔、8檔、11檔、14檔和15檔進行試驗，每次試驗稱出300kg石灰裝入料箱，測量每次播撒完以后的播撒面積、時間和播撒——旋耕一體機的作業(yè)速度，計算出每次播撒的作業(yè)速度、每次播撒的面積和播撒量，每檔測量三次，試驗得出，當(dāng)檔位為1檔時播撒機不出灰，當(dāng)檔位為2檔時，僅有微量石灰撒出，3檔的出灰量也很小。其他各檔的試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 石灰播撒旋耕組合作業(yè)試驗數(shù)據(jù)表

分析上述實驗數(shù)據(jù)得出：

（1）估算出來的出灰口尺寸是符合設(shè)計要求的。

（2）當(dāng)播撒機灰量調(diào)節(jié)機構(gòu)位于14檔時，播撒量滿足播撒旋耕機在旱地作業(yè)時第一年石灰播撒量的要求，當(dāng)灰量調(diào)節(jié)機構(gòu)位于11檔和8檔時，滿足第二年和第三年的播撒量要求。

4 結(jié)語

文章論述了開發(fā)石灰播撒機的意義和石灰螺旋循環(huán)式石灰播撒機的結(jié)構(gòu)與工作原理，并對確定了各個螺旋的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，估算了播撒出灰口的尺寸，最后進行了播撒機的田間試驗，試驗結(jié)果表明：石灰播撒機的播撒速度和播撒量符合設(shè)計要求，灰量調(diào)節(jié)機構(gòu)的各檔位出灰量滿足石灰播撒量的年度要求，在播撒過程中，石灰從播撒機下部的腰形孔內(nèi)自然流出，不產(chǎn)生揚塵污染，達到了設(shè)計目標(biāo)。

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Design and Experiment of Spiral Lime Seeding Machine

GAO Zi-cheng，LI Xiang-yu，LI Li-jun，XIAO Shi-hui，WANG Peng-hui
（Mechanical and Electrical Engineering Institute，Central South University of Forestry and Technology, Changsha，Hunan 410004，China）

Acidic soil are widely distributed in China，soil acidification is severe，governing soil acidification is one of the important content of environmental protection.Liming is effective for improving acidic soil because it can neutralize acidic soil，reducethe harm of heavy metal on crops such as Al to increase crop yield and quality.At present，there is no lime seeding device on the market.The paper discusses working principle of spiral circulating lime seeding device and design of key parts，and carries out seeding experiment.The experiment show that the design parameters meet the requirements of seeding quantity.The development of lime seeding machine is of great significance to reduce the labor intensity of lime spread and improve the production efficiency.

agriculture machine；spiral circulation；lime seeding machine；structure design;test analysis

S222.4

A

2095-980X（2016）10-0020-03

2016-09-14

湖南省農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬污染防治專項支持（2013090461）；湖南省高校科技創(chuàng)新團隊支持計劃資助（2014207）。

高自成（1968-），男，湖南祁東人，博士，副教授，主要研究方向：現(xiàn)代林業(yè)（農(nóng)業(yè)）裝備技術(shù)。