2FYP-20 型棉田液態(tài)肥撒施機(jī)的研制

王保興 ，王忠宇 ，范國強(qiáng) ※，張曉輝 ，董和銀 ，齊自成 ，韓 見

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安271018；2.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實驗室；3.泰安意美特機(jī)械有限公司；4.泰安市畜牧智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院；5.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院）

0 引言

我國幅員遼闊，宜棉區(qū)域廣闊，目前按大的流域劃分，有黃河流域、長江流域和西北內(nèi)陸3 大棉區(qū)[1]。農(nóng)民為了增加棉花產(chǎn)量大量使用化肥，長期使用化肥，尤其是長期使用一種化肥會致使土壤酸化，土壤酸化后會溶解土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，在下雨或者灌溉后會導(dǎo)致土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的流失，形成土壤板結(jié)，肥力下降。大量使用化肥還會影響土壤中微生物的生存，影響農(nóng)作物的生長。

為減少上述危害，部分地區(qū)開始使用糞污處理后的有機(jī)肥來替代化肥。近年來我國的畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，但隨著養(yǎng)殖業(yè)比重的增加，所產(chǎn)生的糞污量也急劇上升，如果不能進(jìn)行有效的處理，糞污中的氮元素會影響土壤、河流和地下水，造成土壤以及河流的酸化，對環(huán)境造成巨大破壞。2010 年我國畜禽排出糞尿的總和約為24.6 億t[2]。隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，養(yǎng)殖業(yè)所產(chǎn)生的糞便進(jìn)一步增多，由此造成的環(huán)境污染也更加嚴(yán)重。2014 年1 月1 日，《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》正式實施[3]，說明養(yǎng)殖場糞污的無害化處理及利用已成為亟待解決的重大問題。解決養(yǎng)殖污染的根本措施是采取種養(yǎng)結(jié)合和農(nóng)牧結(jié)合，讓畜禽糞污變成有機(jī)肥回歸農(nóng)田，發(fā)展以循環(huán)和生態(tài)為主的環(huán)保型畜牧業(yè)[4,5]。

液態(tài)有機(jī)肥撒施作業(yè)勞動量大，環(huán)境條件惡劣，歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)研發(fā)了運輸及田間撒施作業(yè)的機(jī)具，實現(xiàn)了液態(tài)有機(jī)肥機(jī)械化撒施。我國液態(tài)有機(jī)肥撒施機(jī)械的發(fā)展還比較落后，主要以引進(jìn)與仿制改進(jìn)為主。

為了提高液態(tài)有機(jī)肥的使用量，讓畜禽糞污變成有機(jī)肥回歸農(nóng)田，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院與泰安意美特機(jī)械有限公司聯(lián)合研制了2FYP-20 型棉田液態(tài)肥撒施機(jī)，實現(xiàn)液態(tài)有機(jī)肥拋撒的機(jī)械化作業(yè)，解決了傳統(tǒng)拋撒作業(yè)效率低、拋撒不均勻的問題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

2FYP-20 型棉田用牽引型液態(tài)肥撒施機(jī)主要由牽引架、車架、輪胎及車橋、真空泵、真空泵轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)液壓缸、液氣分離器、接頭、防溢閥、罐體、泄壓閥、糞污排出口、撒施液壓缸、撒施控制閘閥、扇形散射板、殘渣排出口、糞污吸入控制閘閥和吸料軟管組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 2FYP-20 型棉田液態(tài)肥撒施機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

1.3 工作原理

2FYP-20 型棉田用液態(tài)肥撒施機(jī)由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，吸取和撒施動力由拖拉機(jī)后動力通過萬向聯(lián)軸器帶動真空泵提供，真空泵轉(zhuǎn)向調(diào)整液壓缸和撒施控制液壓油缸由拖拉機(jī)齒輪泵提供液壓動力。將液態(tài)肥吸入罐體，開動拖拉機(jī)牽引撒施機(jī)到農(nóng)田進(jìn)行作業(yè)。

1.3.1 吸取液態(tài)肥

先控制撒施液壓缸關(guān)閉撒施控制閘閥，打開糞污入口的閘閥，將與糞污入口連接的吸料管浸入液態(tài)肥中?？刂普婵毡棉D(zhuǎn)向，調(diào)節(jié)液壓缸，調(diào)節(jié)真空泵的轉(zhuǎn)向，拖拉機(jī)的后動力輸出帶動真空泵工作，將罐體中的空氣排出，使得罐體內(nèi)部與大氣之間形成負(fù)壓，液態(tài)肥在大氣壓的作用下流入罐體內(nèi)部。

當(dāng)罐體內(nèi)部的肥料達(dá)到所能裝載的極限值時，切斷拖拉機(jī)后動力輸出，并關(guān)閉糞污吸入控制閘閥，收起吸料管，完成液態(tài)肥填充工作。

1.3.2 撒施作業(yè)

作業(yè)時拖拉機(jī)牽引撒施機(jī)到農(nóng)田，控制撒施液壓缸開啟撒施控制閘閥。控制真空泵轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)液壓缸，調(diào)節(jié)真空泵的轉(zhuǎn)向，拖拉機(jī)的后動力輸出帶動真空泵工作，向罐體中注入空氣，將液態(tài)肥從罐體中排出。

由糞污出口噴射出的液態(tài)肥撞擊在撒施機(jī)構(gòu)中的扇形面上，呈扇形噴出，覆蓋一定的幅寬。拖拉機(jī)帶動液態(tài)肥撒施機(jī)在棉田間行走，使得液態(tài)肥均勻的灑在棉田中，完成施肥工作。

2 設(shè)計計算

2.1 真空泵計算與選取

根據(jù)工作要求，真空泵是抽取和排出液態(tài)肥的關(guān)鍵部件，真空泵的抽氣速率是決定真空泵性能的關(guān)鍵因素。由于風(fēng)冷式真空泵最大連續(xù)工作時間為10min，真空泵使得罐體內(nèi)部達(dá)到既定真空度所需的時間為1.5 min。初始真空度p1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（760 mmHg），真空泵的工作真空度p2為303 mmHg[6]。罐體容積V 為20 000L，達(dá)到既定真空度需要的時間t 為60 s。

真空泵的抽氣速率S[6]：

計算得真空泵抽氣速率為S=12 283 L/min，選取意大利MORO 公司的PM80AM 型風(fēng)冷式真空泵。

2.2 功率計算

棉田液態(tài)肥撒施機(jī)滿載在農(nóng)田中行走時所需要牽引壓力：

式中μ—撒施機(jī)輪胎與農(nóng)田摩擦系數(shù)，0.35；m—滿載后整機(jī)質(zhì)量，27 000 kg；g —重力加速度，9.8m/s2。

計算得撒施機(jī)牽引力F為92 610 N。

牽引棉田液態(tài)肥撒施機(jī)前進(jìn)的功率：

式中v—撒施機(jī)牽引速度，0~1.39m/s。

在最高牽引速度下，P1為128.7 kW，真空泵最大排氣功率為P2為34 kW，整機(jī)作業(yè)功率P≥162.7 kW，配套拖拉機(jī)動力≥170 kW。

3 試驗及結(jié)論

2020 年10 月在內(nèi)蒙古呼倫貝爾牙克石鴻發(fā)祥牧場完成液態(tài)肥撒施機(jī)試驗，撒施的為豬糞沼液，圖2 為作業(yè)效果圖。

圖2 樣機(jī)撒施作業(yè)效果

試驗測得，當(dāng)樣機(jī)牽引速度為1.5 km/h 時，有效拋撒幅寬為12m，拋撒平均厚度為1.5cm，均勻性變異系數(shù)CV為29%，最大作業(yè)效率為4hm2/h作業(yè)效果良好。