張 周, 陳 雪, 張富貴, 符德龍, 黃化剛, 荊雙偉
(1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025; 2.貴州省煙草公司畢節(jié)市公司,貴州 畢節(jié) 551700)
施肥機(jī)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)體系中的主要配套機(jī)具之一,提高肥料利用率并減少肥料損失是施肥機(jī)械發(fā)展的重點(diǎn)。中國(guó)化肥的施用量較高,但利用率遠(yuǎn)低于許多發(fā)達(dá)國(guó)家的水平(60%~70%),目前只能達(dá)到30%[1]?;适┯昧恳悦磕?1.0×106t的速度增長(zhǎng),同時(shí)以每年 1.8×107t的速度流失,化肥使用率總體呈下降的趨勢(shì)[2]。化肥的不合理使用會(huì)導(dǎo)致化肥利用率降低,土壤肥力下降,環(huán)境污染加劇以及經(jīng)濟(jì)作物品質(zhì)下降等多種問題[3-6]。同時(shí),隨著釀酒業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等快速發(fā)展,會(huì)產(chǎn)生大量酒糟、家禽糞便等有機(jī)肥原料。據(jù)文獻(xiàn)記載,中國(guó)每年產(chǎn)生的酒糟等有機(jī)肥原料達(dá) 1.9×109t[7],如果任其流失會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。
國(guó)內(nèi)外對(duì)施肥機(jī)做了大量研究,Hosseini等[8]采用作物定位管理(SSCM)技術(shù)提高施肥的精確度。Ishola等[9]和于英杰等[10]采用位置定位的方法,根據(jù)機(jī)具田間位置實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥,通過改變旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速來控制施肥量。精準(zhǔn)施肥機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟,但仍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴和不易維修等問題,并且在南方丘陵地區(qū)存在施肥穩(wěn)定性不高和適應(yīng)性差等問題[11]。在排肥器研究方面,潘世強(qiáng)等[12]和田耘等[13]通過理論計(jì)算及仿真確定了變量施肥機(jī)外槽輪排肥器的參數(shù)。德國(guó)Hanovre農(nóng)機(jī)展會(huì)上出現(xiàn)了一種全自動(dòng)操縱的雙盤式施肥機(jī)[14]。楊欣倫等[15]先通過理論計(jì)算初步確定葉片式排肥器參數(shù),利用VB6.0軟件對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真優(yōu)化,應(yīng)用Pro/e軟件快速生成模型,最后確定排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)。陳雄飛等[16]研制了一種2級(jí)螺旋排肥裝置,有效改善了施肥效果。以上排肥器在實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)效果較好,但對(duì)南方多雨地區(qū)潮解肥料的適用性不好,并且只能施用一種肥料。有機(jī)肥排肥器一般采用撒肥的形式[17],這種方式不能對(duì)肥料進(jìn)行深施和均勻施肥,且有機(jī)肥濕度大,易發(fā)生堵塞。因此,研制一種能同時(shí)施用2種不同物理性質(zhì)肥料的施肥機(jī)十分必要。
為了能同時(shí)施用有機(jī)肥和復(fù)合肥,減少肥料對(duì)環(huán)境的污染,并對(duì)肥料進(jìn)行深施,本研究擬根據(jù)有機(jī)肥和復(fù)合肥的物理性質(zhì),設(shè)計(jì)一種可以同時(shí)施用有機(jī)肥和復(fù)合肥的施肥機(jī)裝置,并對(duì)施肥機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)和性能分析。
雙料箱施肥機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(圖1)顯示,其主要由料箱、排肥機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋耕起壟機(jī)構(gòu)等組成,主要技術(shù)參數(shù)見表1。
施肥機(jī)料箱由有機(jī)肥料箱和復(fù)合肥料箱組成,料箱底部設(shè)有排肥口,有機(jī)肥料箱內(nèi)安裝了有機(jī)肥攪攏軸。復(fù)合肥采用外槽輪式的排肥機(jī)構(gòu),有機(jī)肥采用螺旋式的排肥機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、有機(jī)肥旋轉(zhuǎn)軸、復(fù)合肥旋轉(zhuǎn)軸和攪攏軸構(gòu)成,旋耕起壟機(jī)構(gòu)由開溝器、起壟器和旋耕刀構(gòu)成。
1:雙料箱;2:攪攏軸;3:機(jī)架;4:復(fù)合肥排肥機(jī)構(gòu);5:有機(jī)肥排肥機(jī)構(gòu);6:電機(jī);7:混肥漏斗; 8:旋耕起壟機(jī)構(gòu);9:旋耕刀;10:覆土輪;11:起壟器;12:傳動(dòng)機(jī)構(gòu);13:有機(jī)肥料箱;14:復(fù)合肥排肥軸;15:復(fù)合肥料箱;16:攪攏軸葉片;17:螺旋排肥器;18:有機(jī)肥排肥軸;19:料箱隔板;20:外槽輪排肥器。圖1 雙料箱施肥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified structure of the double fertilizer boxes
雙料箱施肥機(jī)用拖拉機(jī)連接懸掛裝置,通過萬向節(jié)傳遞動(dòng)力,使旋耕刀旋轉(zhuǎn)從而對(duì)土壤進(jìn)行旋耕。機(jī)具行進(jìn)時(shí),使用者根據(jù)施肥要求選擇合適的檔位,當(dāng)選擇自動(dòng)檔時(shí),固定在拖拉機(jī)后輪上的速度傳感器將采集機(jī)具的速度信號(hào)。控制系統(tǒng)將機(jī)具行進(jìn)速度與排肥直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配。對(duì)有機(jī)肥排肥軸和復(fù)合肥排肥軸進(jìn)行匹配后,通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)板改變排肥口的開口度,實(shí)現(xiàn)固定比例施肥,最后達(dá)到精準(zhǔn)施肥的效果[18]。在電機(jī)的帶動(dòng)下,有機(jī)肥在攪攏軸的帶動(dòng)下通過2個(gè)反裝的螺旋排肥器進(jìn)入混肥漏斗,復(fù)合肥通過外槽輪排肥器進(jìn)入混肥漏斗,最后進(jìn)入排肥管。在施肥前,應(yīng)先調(diào)節(jié)排肥管的距離,控制施肥深度,通過機(jī)架后方起壟板的可調(diào)拖板刮平壟頂來控制壟高,一次性完成旋耕、施肥和起壟。
表1雙料箱施肥機(jī)主要參數(shù)
Table1Themainparametesofthedoublefertilizerboxes
指 標(biāo)參數(shù)外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高,mm)860×1180×1200配套動(dòng)力(kW)60行進(jìn)速度(km/h)0.37~29.91掛接方式后三點(diǎn)懸掛作業(yè)幅寬(cm)110作業(yè)行數(shù)一壟單行起壟高度(cm)25~30施肥間距(cm)80~130施肥深度(cm)20~25有機(jī)肥施肥量(kg/hm2)1125有機(jī)肥和復(fù)合肥的施肥比例3∶1施肥方式條施、深施施肥傳動(dòng)方式直流電機(jī)有機(jī)肥排肥器螺旋式復(fù)合肥排肥器外槽輪式作業(yè)效率(hm2/h)0.2~0.5
2.1.1 測(cè)定內(nèi)容 肥料物理性質(zhì)與施肥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有直接關(guān)聯(lián)[19],分別對(duì)貴州畢節(jié)市使用的復(fù)合肥(畢節(jié)靈豐復(fù)肥有限公司產(chǎn)品)和遵義酒糟有機(jī)肥的物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定的物理量有粒徑、含水率、休止角、體積密度。測(cè)試前將有機(jī)肥的含水率控制在10%以內(nèi)。
2.1.2 測(cè)定結(jié)果 肥料物理性質(zhì)測(cè)定結(jié)果(表2)顯示,含水率在10.00%以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求。復(fù)合肥和有機(jī)肥料箱壁的傾斜角分別為45°和60°,料箱壁傾斜角度大于休止角。體積密度影響排肥時(shí)肥料的摩擦特性和流動(dòng)特性,與排肥器的選擇密切相關(guān)。
表2復(fù)合肥與酒糟有機(jī)肥的物理性質(zhì)
Table2Thephysicalpropertiesofcompoundfertilizerandvinasseorganicfertilizer
物理性質(zhì)復(fù)合肥酒糟有機(jī)肥粒徑(mm)2.81-含水率(%)4.389.01休止角(°)30.7243.18體積密度(g/cm2)1.230.83
2.2.1 外槽輪排肥器 復(fù)合肥的排肥器為外槽輪式,適用于流動(dòng)性好的松散化肥和復(fù)合顆粒肥[20]。外槽輪排肥量是施肥機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo),外槽輪每一轉(zhuǎn)排肥量的計(jì)算公式為:
(1)
從式(1)中可以看出,外槽輪排肥量與d、L、γ、α0、fq、z和λ有關(guān)。依據(jù)李潔[19]的研究結(jié)果,α0接近1.00,考慮誤差取0.95,λ的帶動(dòng)層特性系數(shù)為 0.20~0.60(取0.30)。通過改變轉(zhuǎn)速來滿足對(duì)排肥量的設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)外槽輪外徑d為6.0 cm,L為 10.0~20.0 cm(取12.0 cm),外槽輪槽深為1.6 cm,fq為1.76 cm3,z為8。
2.2.2 螺旋排肥器
2.2.2.1 排肥量 根據(jù)酒糟有機(jī)肥的物理性質(zhì),排肥器采用螺旋排肥器,螺旋排肥器的單圈排肥量是評(píng)價(jià)排肥裝置性能的一個(gè)重要指標(biāo)。排肥裝置的穩(wěn)定性和均勻性取決于螺旋排肥器排肥的穩(wěn)定性和均勻性,其中排肥器的轉(zhuǎn)速和軸向阻力都會(huì)影響其排肥性能[16]。在不考慮轉(zhuǎn)速和軸向阻力的情況下,理論上單圈排肥量的計(jì)算公式為:
q=[π(D2-d2)S/4-bhLp]ρφ
(2)
式(2)中:q為理論單圈排肥量(g),D為排肥螺旋的外徑(mm),d為排肥螺旋的內(nèi)徑(mm),S為螺距(mm),b為螺牙平均厚度(mm),h為螺牙深度(mm),h=(D-d)/2,Lp為螺牙平均長(zhǎng)度(mm),ρ為肥料容重(g/mm3),φ為排肥螺旋的填充系數(shù)。
安裝好的螺旋排肥器基本是固定的,排肥量很難通過機(jī)械結(jié)構(gòu)來改變。因此,只有通過改變轉(zhuǎn)速來改變螺旋排肥器單位時(shí)間內(nèi)的排肥量。其中螺旋的填充系數(shù)φ與肥料的物理性質(zhì)和排肥螺旋的轉(zhuǎn)速等有關(guān),為保證足夠的肥料流以及螺旋排肥的均勻性和穩(wěn)定性,應(yīng)使填充系數(shù)接近1[21]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和肥料物理性質(zhì),設(shè)計(jì)螺旋排肥器的螺旋外徑(D)為100.0 mm,螺旋內(nèi)徑(d)為20.0 mm,螺距(S)為80.0 mm,螺牙深度(h)為7.5 mm,螺旋長(zhǎng)度(Lp)為240.0 mm,采用2個(gè)螺旋排肥器。
2.2.2.2 轉(zhuǎn)速 螺旋排肥器的轉(zhuǎn)速對(duì)其排肥量和排肥性能有較大影響。當(dāng)螺旋排肥器的轉(zhuǎn)速超過其極限值時(shí),肥料會(huì)因離心過大而向外壁堆積,無法排出[22],所以要對(duì)螺旋排肥器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行限定,不能超過其極限。在螺旋外徑有機(jī)肥不產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)并且不考慮肥料不同的情況下,螺旋排肥器的轉(zhuǎn)速與其相關(guān)參數(shù)的關(guān)系如下:
(3)
(4)
(5)
式中:r為螺旋排肥器半徑(m),nmax為螺旋排肥器的極限轉(zhuǎn)速(r/min),g為重力加速度(s2),K為物料綜合特性系數(shù),D為排肥螺旋外徑(mm)。根據(jù)所設(shè)計(jì)的參數(shù)可得nmax=3.23 r/s。
2.2.3 排肥控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu) 為保證排肥量的均勻性和穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)排肥控制系統(tǒng),由可編程邏輯控制器(PLC)控制,設(shè)置不同速度進(jìn)行施肥,共5個(gè)檔位(1檔、2檔、3檔、4檔和自動(dòng)檔),自動(dòng)檔施肥時(shí)的施肥量主要取決于排肥器轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2顯示。
1:料箱;2:排肥器;3:24 V直流電機(jī);4:拖拉機(jī)后輪;5:拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)軸;6:傳感器;PLC:可編程邏輯控制器。圖2 排肥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic structure of fertilizer control system
機(jī)具運(yùn)作時(shí),使用者可通過控制箱設(shè)置不同檔位,選擇合適的速度以控制施肥量。自動(dòng)檔是通過PLC控制電路收集機(jī)具前進(jìn)速度和地輪旋轉(zhuǎn)速度信息,將信息轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)后輸入直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,通過電機(jī)控制各排肥軸的轉(zhuǎn)速,從而控制有機(jī)肥和復(fù)合肥的施肥量。
2.3.1 試驗(yàn)條件及方法 2017年4月1日在貴州省畢節(jié)市威寧縣黑石科技園煙草基地進(jìn)行施肥起壟測(cè)試。田間測(cè)試面積約1 600 m2,測(cè)試區(qū)為無茬田地,土壤全耕層的絕對(duì)含水率平均為18.13%。采用雷沃604拖拉機(jī)懸掛雙料箱施肥機(jī)(圖3)。
圖3 樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Prototype experiment site
測(cè)試內(nèi)容主要包括施肥均勻性、幅寬、深度、斷條率,以及在不同轉(zhuǎn)速下有機(jī)肥和復(fù)合肥單位時(shí)間的施肥量、墑面寬、壟高、壟基寬和壟距。測(cè)試工具主要有:100 m皮尺、5 m卷尺、米尺、秒表、水平儀、小鏟、電子天平等。
2.3.1.1 施肥均勻性 施肥均勻性的測(cè)試在地面進(jìn)行,排肥管口處用容量足夠大的收納袋固定。機(jī)具調(diào)整到合適的高度,在不同速度(1檔、2檔、3檔、4檔、自動(dòng)檔)下進(jìn)行5次測(cè)試,測(cè)試長(zhǎng)度為50 m。計(jì)算肥料施肥均勻性相關(guān)指標(biāo)系數(shù),變化率、變異系數(shù)、均勻度按如下公式計(jì)算:
(6)
(7)
(8)
式中:qv為變化率,qmax為最大變化率,qmin為最小變化率,CV為變異系數(shù),S為樣本方差,qmean為樣本均值,UC為均勻度,n為樣本數(shù),qi為第i個(gè)樣本值。
2.3.1.2 施肥幅寬、深度和斷條率 在田間起壟施肥5行,從中隨機(jī)選取3行,每行選取5個(gè)點(diǎn),將土層橫斷面切開,進(jìn)行施肥幅寬和施肥深度(起壟頂層距肥料的距離)的測(cè)定。為便于觀察施肥斷條率的情況,在地面進(jìn)行斷條率測(cè)試。
2.3.1.3 單位時(shí)間施肥量 以不同速度行駛50 m,測(cè)量每行總施肥量,并記錄每一行有效段施肥所用的時(shí)間,有機(jī)肥和復(fù)合肥分開測(cè)量,得到有機(jī)肥和復(fù)合肥單位時(shí)間的施肥量及二者之間的關(guān)系。
2.3.1.4 墑面寬、壟高、壟基寬及壟距 在4.2.2試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,每行選取5個(gè)等距的點(diǎn),測(cè)定墑面寬、壟高、壟基寬及壟距。按下列公式計(jì)算壟高、墑面寬、壟基寬。
(9)
(10)
(11)
2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果
2.3.2.1 施肥均勻性 分別對(duì)有機(jī)肥和復(fù)合肥的均勻性進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試過程中,保持拖拉機(jī)在不同施肥速度下的前進(jìn)速度相同,均為0.9 m/s。所測(cè)結(jié)果(表3、表4)顯示,有機(jī)肥最大變化率為0.15,最大變異系數(shù)為0.04,最低均勻度為96%。復(fù)合肥最大變化率為0.11,最大變異系數(shù)為0.03,最低均勻度為94%,均滿足設(shè)計(jì)要求。在一定速度范圍內(nèi),施肥量隨施肥速度的增加而增加,變化率和變異系數(shù)隨施肥速度的增大而減小,但自動(dòng)檔下的變化率和變異系數(shù)較高,這主要是因?yàn)橥侠瓩C(jī)前進(jìn)中速度的波動(dòng)較大。
表3雙料箱施肥機(jī)施用有機(jī)肥的均勻性
Table3Uniformityoforganicfertilizerappliedbyfertilizerapplicatorwithdoublefertilizerboxes
檔位施肥量(kg)變化率變異系數(shù)均勻度(%)自動(dòng)檔(0.93r/s)6.900.150.04971檔(0.65r/s)4.530.100.03962檔(0.83r/s)6.010.070.02983檔(1.10r/s)7.130.060.02984檔(1.36r/s)7.740.030.0199
表4雙料箱施肥機(jī)施用復(fù)合肥的均勻性
Table4Uniformityofcompoundfertilizerappliedbyfertilizerapplicatorwithdoublefertilizerboxes
檔位施肥量(kg)變化率變異系數(shù)均勻度(%)自動(dòng)檔(0.93r/s)2.140.060.02971檔(0.65r/s)1.540.110.03942檔(0.83r/s)2.020.090.03953檔(1.10r/s)2.250.080.02974檔(1.36r/s)2.580.050.0298
2.3.2.2 施肥幅寬、深度和斷條率 雙料箱施肥機(jī)施肥幅寬、深度和斷條率的結(jié)果(表5、表6)顯示,施肥幅寬為5.43 cm,其方差為0.14,變異系數(shù)為0.07。施肥深度為21.64 cm,其方差為0.71,變異系數(shù)為0.04。有機(jī)肥的斷條率為2.03%,剛剛達(dá)到煙草施肥的要求,其主要原因是有機(jī)肥流動(dòng)性較差,導(dǎo)致斷條率偏高,但基本滿足了設(shè)計(jì)要求。復(fù)合肥的斷條率為0,效果理想,滿足施肥要求。
表5雙料箱施肥機(jī)施肥幅寬和斷條率
Table5Fertilizationwidthanddiscontinuousrateoffertilizerapplicatorwithdoublefertilizerboxes
測(cè)試號(hào)施肥幅寬(cm)測(cè)定值方差斷條率(%)有機(jī)肥復(fù)合肥行15.380.172.300行25.480.151.700行35.420.092.100均值5.430.142.030
表6雙料箱施肥機(jī)施肥深度
Table6Fertilizationdepthoffertilizerapplicatorwithdoublefertilizerboxes
測(cè)試號(hào)施肥深度(cm)方差變異系數(shù)行121.831.220.05行221.410.470.03行321.720.450.03均值21.640.710.04
2.3.2.3 單位時(shí)間施肥量 單位時(shí)間內(nèi),有機(jī)肥和復(fù)合肥施肥量隨檔位(自動(dòng)檔除外)的提升而增大(圖4)。滿足煙草有機(jī)肥與復(fù)合肥 3∶1施肥比例的要求。
圖4 單位時(shí)間施肥量Fig.4 Amount of fertilizer per unit time
2.3.2.4 墑面寬、壟高、壟基寬及壟距 雙料箱施肥機(jī)起壟結(jié)果(表7)顯示,墑面寬、壟高、壟基寬和壟距的均值分別為34.30 cm、25.57 cm、85.35 cm、111.90 cm,方差分別為1.40、1.54、2.16、11.00,變異系數(shù)分別為0.040、0.070、0.023、0.095,合格率分別為90%、92%、100%、93%。壟型較好,壟體飽滿,并且壟面平實(shí),滿足煙草起壟農(nóng)藝要求。壟高變異系數(shù)偏大,主要是由山地地面不平整導(dǎo)致的。壟距變異系數(shù)最大,主要是受人為因素的干擾。
表7雙料箱施肥機(jī)起壟結(jié)果
Table7Theridgingresultsoffertilizerapplicatorwithdoublefertilizerboxes
測(cè)試內(nèi)容測(cè)試號(hào)測(cè)量值(cm)方差變異系數(shù)合格率(%)墑面寬行134.801.200.030-行234.402.300.060-行333.800.700.020-均值34.301.400.04090壟高行125.502.020.080-行226.040.880.060-行325.181.710.070-均值25.571.540.07092壟基寬行185.042.950.030-行285.621.690.020-行385.401.850.020-均值85.352.160.023100壟距行1與行2111.2012.700.110-行2與行3112.609.300.080-均值111.9011.000.09593
通過理論分析與試驗(yàn),所設(shè)計(jì)的雙料箱施肥機(jī)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥和復(fù)合肥的精準(zhǔn)施用,并且能根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖┓室筮M(jìn)行施肥。
雙料箱施肥機(jī)中有機(jī)肥和復(fù)合肥各檔位施肥量的均值都符合要求,變化率、變異系數(shù)均在要求范圍內(nèi),均勻度全部達(dá)到要求(94%以上)。有機(jī)肥和復(fù)合肥單位時(shí)間的施肥量滿足煙草有機(jī)肥與復(fù)合肥3∶1施肥比例的要求。
雙料箱施肥機(jī)施肥幅寬為5 cm以上,施肥深度為20 cm以上,變異系數(shù)符合煙草施肥要求,滿足田間作業(yè)要求。
雙料箱施肥機(jī)在田間的起壟試驗(yàn)結(jié)果表明,該機(jī)具起壟效果較好,合格率均在90%以上,墑面寬、壟高、壟基寬及壟距均值分別為34.30 cm、25.57 cm、85.35 cm、111.90 cm,其變異系數(shù)分別為0.040、0.070、0.023、0.095,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。
雙料箱施肥機(jī)仍存在一些問題,例如在有機(jī)肥含水率較高時(shí),有堵塞架空現(xiàn)象,說明該機(jī)具仍需繼續(xù)改進(jìn)。
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