土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

傅延祺，孫 鵬，肖 勇，董子昆，楊琳琳，王 斌，寧旺云

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201)

0 引言

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，在農(nóng)業(yè)上使用各種化學(xué)產(chǎn)品越來(lái)越普遍，使土壤污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，從而造成土壤污染主要是重金屬污染。土壤污染具有明顯的隱蔽性、潛伏性和不可逆性等特點(diǎn)，其帶來(lái)對(duì)環(huán)境的影響也是極為嚴(yán)峻的，長(zhǎng)期任其發(fā)展可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果[1]。據(jù)資料顯示，我國(guó)約1/5的耕地受到Cd、Pb等重金屬的污染，直接導(dǎo)致了年均1 000多萬(wàn)t糧食減產(chǎn)，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200億元以上[2]。由此可知，對(duì)已受污染土壤的治理和修復(fù)不僅涉及到基本農(nóng)田保護(hù)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且事關(guān)食品衛(wèi)生安全，該措施是公共衛(wèi)生安全保障體系中的重要組成部分。

目前，在重金屬污染土壤的治理和修復(fù)研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外均采用活化和鈍化兩種方法。增施能夠鈍化重金屬的有機(jī)肥、土壤改良劑等措施，既符合現(xiàn)階段我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的基本狀況，又能使農(nóng)民更容易接受和掌握[3]。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的土壤重金屬污染修復(fù)治理研究缺乏復(fù)原技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)，難以形成以市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)、能得到廣泛推廣、成本低為主要目的的土壤修復(fù)產(chǎn)品，以及操作方便的設(shè)備和技術(shù)[4]。另外，對(duì)土壤修復(fù)粉劑的撒施目前大多采用人工撒施的方式，存在效率低、難以保證撒施均勻性等問(wèn)題。所以，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)出一種土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備來(lái)降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率及降低勞動(dòng)成本是迫切需要解決的一項(xiàng)重大課題，具有重要的研究意義。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備包括排料機(jī)構(gòu)、旋耕機(jī)構(gòu)：排料機(jī)構(gòu)包括料箱、外槽輪式排肥器、排料軌道、料箱支撐板、地輪(鎮(zhèn)壓輪)、傳動(dòng)鏈，料箱底部設(shè)置有外槽輪排肥器，料箱支撐板上安裝有料箱和鏈傳動(dòng)；旋耕機(jī)構(gòu)包括三點(diǎn)懸掛總成、中間變速箱總、連接板及刀軸總成，中間變速箱總成底部設(shè)置有刀軸總成。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理及其工作過(guò)程

工作原理：通過(guò)三點(diǎn)懸掛總成將本作業(yè)機(jī)整體與拖拉機(jī)連接，機(jī)組勻速前進(jìn)；而后置的地輪(鎮(zhèn)壓輪)在拖拉機(jī)的牽引作用下依靠自重與地面摩擦而滾動(dòng)，經(jīng)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)排料鏈輪，從而帶動(dòng)外槽輪式排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)，排下土壤修復(fù)粉劑；排下的土壤修復(fù)粉劑經(jīng)過(guò)軟管輸送到排料軌道，在排料軌道的作用下，土壤修復(fù)粉劑在軌道范圍內(nèi)均勻地落下，最后均勻地撒施在地面上。同時(shí)，拖拉機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸傳入中間變速箱總成，帶動(dòng)旋耕刀軸總成做回轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)將土壤打碎，在切削翻轉(zhuǎn)土壤的過(guò)程中把土壤表面的修復(fù)粉劑與土壤均勻的混合在一起。最后，鎮(zhèn)壓輪對(duì)已完成的土地進(jìn)行鎮(zhèn)壓與再次碎土作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了保證土壤修復(fù)粉劑排量的準(zhǔn)確性，考慮到傳動(dòng)系統(tǒng)的中心距較大，采用鏈傳動(dòng)，如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of driving motion

土壤修復(fù)粉劑的撒施動(dòng)力來(lái)自地輪，地輪將動(dòng)力傳遞到中間的過(guò)渡輪，再由過(guò)渡輪傳遞給六方傳動(dòng)軸上的鏈輪，從而帶動(dòng)外槽輪排肥器旋轉(zhuǎn)，把土壤修復(fù)粉劑撒下。

由于土壤修復(fù)粉劑的撒施量為3 000～4 500kg/hm2，地輪的直徑D=408mm長(zhǎng)度為1 800mm。所以，可求得完成667m2地作業(yè)時(shí)地輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)N[5]。

取N=290。

為了測(cè)量外槽輪式排肥器每轉(zhuǎn)1圈所能排出的土壤修復(fù)粉劑的最大排料，先調(diào)節(jié)六方傳動(dòng)軸上的手動(dòng)旋鈕，使得槽輪工作長(zhǎng)度最大；再通過(guò)5次排料試驗(yàn)，每次試驗(yàn)讓六方傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)5圈。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 外槽輪式排肥器排料量結(jié)果Table 1 The result of external grooved wheel fertilizer apparatus discharge volume

通過(guò)表1可以得出：六方傳動(dòng)軸每轉(zhuǎn)1圈，其上的6個(gè)外槽輪排出的土壤修復(fù)粉劑的最大量為K=416.43g。

由此可得：土壤修復(fù)粉劑排量為300kg/667m2時(shí)，六方傳動(dòng)軸需轉(zhuǎn)的圈數(shù)n=720。由于六方傳動(dòng)軸處的鏈輪不宜過(guò)大(即齒數(shù)Z4要少)，現(xiàn)取Z4=16，則

地輪處的鏈輪與六方傳動(dòng)軸處的鏈輪中心距過(guò)大，易造成松邊垂度過(guò)大，傳動(dòng)時(shí)造成松邊顫動(dòng)[6]，所以設(shè)計(jì)過(guò)渡輪，以防止中心距過(guò)大的危害，取Z2=Z3=19。

2.2 料箱的設(shè)計(jì)

料箱作為土壤修復(fù)粉劑的承載部件，不僅影響了土壤修復(fù)粉劑能否順利排出，而且決定了是否出現(xiàn)積料現(xiàn)象。料箱的設(shè)計(jì)需要結(jié)合土壤修復(fù)粉劑的流動(dòng)性能來(lái)確定，因此對(duì)土壤修復(fù)粉劑進(jìn)行了休止角測(cè)試[7]，結(jié)果如表2所示。

表2 休止角測(cè)定結(jié)果Table 2 The result of angle of repose measuring

由表2可知：土壤修復(fù)粉劑的休止角為42.3°，流動(dòng)性較差。所以，針對(duì)料箱的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于要避免土壤修復(fù)粉劑在料箱內(nèi)出現(xiàn)架空現(xiàn)象，從而導(dǎo)致排料斷續(xù)、不均勻地排出，造成排料的不精確[8]。本設(shè)計(jì)是在料箱內(nèi)兩出料口之間設(shè)置了傾斜角大于土壤修復(fù)粉劑休止角的楔形結(jié)構(gòu)，可以使料箱內(nèi)土壤修復(fù)粉劑集中在出料口處，有效地避免了排料斷續(xù)、不均勻的現(xiàn)象。料箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 料箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Material box structure diagram

2.3 排料軌道的設(shè)計(jì)

排料軌道是土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備的核心部件，決定了土壤修復(fù)粉劑在耕幅內(nèi)撒施的均勻性。把排料軌道設(shè)計(jì)成“八”字形可以使土壤修復(fù)粉劑在排料軌道上下落的過(guò)程中均勻地分散，從而確保土壤修復(fù)粉劑在耕幅內(nèi)均勻的撒施；“八”字形排料軌道的物料出口處設(shè)計(jì)了一段殼罩，不僅可以確保土壤修復(fù)粉劑在離開(kāi)軌道下落過(guò)程中直接成垂直狀態(tài)，還可以避免機(jī)組工作時(shí)因風(fēng)大對(duì)土壤修復(fù)粉劑下落造成影響。排料軌道結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2.4 排軌道固定裝置的設(shè)計(jì)

排料軌道在機(jī)架上安裝角度直接影響著土壤修復(fù)粉劑能否順暢地在排料軌道上滑落、安裝角度小于土壤修復(fù)粉劑休止角42.3°時(shí)，則土壤修復(fù)粉劑在排料軌道上可能出現(xiàn)堵滯、不能順暢滑落的現(xiàn)象；若安裝角度過(guò)大，則土壤修復(fù)粉劑在排料軌道上滑落的速度過(guò)快，影響土壤修復(fù)粉劑在軌道上的分散效果。本設(shè)計(jì)的排料軌道安裝角度為55°，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 排料軌道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Material discharged track structure diagram

圖5 軌道固定片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Track fixture flake structure diagram

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

2017年5月，云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行了土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備性能的試驗(yàn)，目的主要是測(cè)量土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備在工作中土壤修復(fù)粉劑的排量是否滿足200～300kg/667m2，還有就是土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備能否把土壤修復(fù)粉劑均勻地撒施在耕幅內(nèi)。試驗(yàn)過(guò)程中，選取了雷沃M954-D型拖拉機(jī)為動(dòng)力輸出設(shè)備，型號(hào)為JY2001 Max2000g、e=1g、d=0.1g的電子天平作為質(zhì)量測(cè)量工具。試驗(yàn)方案是：調(diào)節(jié)六方傳動(dòng)軸上的旋鈕讓外槽輪排肥器的工作長(zhǎng)度達(dá)到最大，再讓地輪旋轉(zhuǎn)5圈測(cè)量外槽輪排肥器所排出的土壤修復(fù)粉劑的質(zhì)量，并觀察土壤修復(fù)粉劑在耕幅內(nèi)是否撒施均勻，以及觀察料箱內(nèi)的土壤修復(fù)粉劑是否會(huì)出現(xiàn)架空現(xiàn)象。經(jīng)5次試驗(yàn)測(cè)得地輪轉(zhuǎn)5圈時(shí)土壤修復(fù)粉劑的排量如表3所示。地輪轉(zhuǎn)5圈土壤修復(fù)粉劑在耕幅內(nèi)撒施的均勻性如圖6所示。

表3 外槽輪式排肥器排料量性能測(cè)試結(jié)果Table 3 The result of external grooved wheel fertilizer apparatus discharge volume performance Testing

圖6 樣機(jī)試驗(yàn)圖Fig.6 Prototype test graph

3.2 試驗(yàn)分析

從5次試驗(yàn)測(cè)得地輪轉(zhuǎn)5圈時(shí)土壤修復(fù)粉劑的排量測(cè)定結(jié)果(見(jiàn)表3)可以得出：土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備完成667m2地作業(yè)時(shí)，能夠撒施的土壤修復(fù)粉劑為283.68kg，完全符合200～300kg/667m2的作業(yè)要求。由圖6可知：土壤修復(fù)粉劑在耕幅內(nèi)撒施較為均勻，也符合要求。

4 結(jié)論與討論

1)本土壤修復(fù)粉劑均灑混合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，使用方便。該樣機(jī)在土壤修復(fù)粉劑的排量和排料性能方面比較良好，能夠滿足200～300kg/667hm2的作業(yè)要求，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)土壤修復(fù)粉劑堵塞和架空的現(xiàn)象。

2)該樣機(jī)在土壤修復(fù)粉劑撒施的均勻性方面，雖然能夠符合作業(yè)要求，但還是無(wú)法做到完全均勻。為此，需要從結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步改進(jìn)和研究，以便能夠更好地提升均勻性。