一種變量雙控制有機(jī)肥撒施機(jī)的研制

焦海濤，吳海巖，李霄鶴，張俊杰，袁興茂，彭發(fā)智，楊志杰

（河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司，河北 石家莊 050051）

在我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)耕文化中，利用畜禽糞便作為肥料具有悠久的歷史。隨著社會(huì)的發(fā)展，化肥逐漸替代有機(jī)肥成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)施肥的重要手段，但是過(guò)量使用化肥帶來(lái)的土壤板結(jié)、酸化、有機(jī)質(zhì)含量下降、肥力降低等問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重。隨著畜禽數(shù)量的增多，其產(chǎn)生的畜禽廢棄物和糞尿數(shù)量可觀，處理不當(dāng)會(huì)對(duì)周圍大氣、土壤和水體造成污染。19 世紀(jì)60 年代，日本用“畜產(chǎn)公害”的概念高度概括了畜禽養(yǎng)殖污染的嚴(yán)重性。1999年我國(guó)畜禽糞便產(chǎn)生量達(dá)19 億t，是工業(yè)固體廢棄物的2.4 倍，其中糞便中所含污染物的COD 達(dá)7 118 萬(wàn)t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)工業(yè)與生活廢水的COD之和[1]。有機(jī)肥和畜禽糞肥在露天場(chǎng)地堆放時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的NH3，影響人們的居住、工作和生活環(huán)境，應(yīng)采取覆蓋、封閉抑制、通風(fēng)驅(qū)散等有效辦法進(jìn)行防治，以減少環(huán)境污染[2]。因此，眾多專家倡導(dǎo)減少化肥投入，增施有機(jī)肥，建立生態(tài)效益型農(nóng)業(yè)，走可持續(xù)發(fā)展的道路。

果樹是河北省重要的經(jīng)濟(jì)作物，近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，林果生產(chǎn)已成為我國(guó)林果產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與農(nóng)民增收致富的新亮點(diǎn)和支柱產(chǎn)業(yè)[3]。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及果園種植規(guī)?；潭鹊募哟?，林果產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。果園管理是林果產(chǎn)業(yè)的重要組成部分[4]，其中施肥是果樹管理的主要環(huán)節(jié)。有機(jī)肥對(duì)促進(jìn)果樹生長(zhǎng)以及提高果品質(zhì)量和產(chǎn)量起著至關(guān)重要的作用，還可降低農(nóng)業(yè)對(duì)化肥的依賴程度，減少化肥施用量，防止農(nóng)業(yè)面源污染[5]。我國(guó)有機(jī)肥資源豐富，但是目前大部分地區(qū)的有機(jī)肥施用仍處于人工撒施階段，不僅工作環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且施肥效率低、均勻性較差，降低了農(nóng)民施用有機(jī)肥的積極性[6]。目前，我國(guó)果樹生產(chǎn)中每年都要施用大量有機(jī)肥，人工施肥存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題[7～9]，而現(xiàn)有的施肥機(jī)對(duì)施肥量不易控制，易造成資源浪費(fèi)，且工作效率低、標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，無(wú)法滿足果樹產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需要，嚴(yán)重影響了果樹產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。因此，我國(guó)果園管理上迫切需要提高機(jī)械化和智能化水平[10]。

目前，國(guó)外一些大型果園環(huán)境控制中已采用了精確定量的控制理念[11]。針對(duì)我國(guó)果樹生產(chǎn)上有機(jī)肥施用中出現(xiàn)的問(wèn)題，參照螺旋輸送機(jī)的原理[12]，設(shè)計(jì)一種雙攪龍變量有機(jī)肥撒施機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)一種液壓系統(tǒng)，利用液壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸肥量可調(diào)、可控施肥的功能，降低施肥機(jī)使用成本[13]，提高果園有機(jī)肥施肥機(jī)作業(yè)的機(jī)械自動(dòng)化水平。新農(nóng)藝技術(shù)要盡快應(yīng)用于生產(chǎn)，發(fā)揮其應(yīng)有的增產(chǎn)增收效果，必須與農(nóng)機(jī)相結(jié)合，這是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效化的關(guān)鍵[14]。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 總體結(jié)構(gòu)

雙攪龍變量有機(jī)肥撒施機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)由肥料箱、動(dòng)力輸入軸、螺旋攪龍、進(jìn)料口、卸載撐桿、液壓控制動(dòng)力系統(tǒng)等組成（圖1）。

圖1 機(jī)具結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of test platform

1.2 工作過(guò)程

該變量雙控制有機(jī)肥撒施機(jī)機(jī)架上設(shè)有肥料箱，肥箱是有機(jī)肥撒施機(jī)的主要工作部件，其主要作用是裝載有機(jī)肥并結(jié)合底板的輸肥裝置完成有機(jī)肥的貯存和輸送[15]，肥箱側(cè)板可根據(jù)裝載肥料的不同改變傾角。肥箱內(nèi)部設(shè)置一可開啟、閉合的蓋板，是一種大施肥量雙箱施肥機(jī)[16]。肥料箱內(nèi)底部設(shè)有2 根并列排布的螺旋攪龍。攪龍具備在數(shù)量多、重量大等惡劣環(huán)境下作業(yè)的條件[17]，螺旋攪龍的前部設(shè)有受力軸，并安裝傳動(dòng)齒輪與動(dòng)力輸入軸連接；后部與出料口尾部上的固定軸承相連接。2 根攪龍的上方分別設(shè)有卸載撐桿。

螺旋攪龍的前端設(shè)置傳動(dòng)齒輪，可以進(jìn)行聯(lián)合傳動(dòng)和單獨(dú)傳動(dòng)2 種工作狀態(tài)。當(dāng)需要無(wú)差別大量施肥作業(yè)時(shí)，采用聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，雙螺旋攪龍?jiān)趧?dòng)力裝置帶動(dòng)下同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，向落料口撥肥；當(dāng)進(jìn)行精準(zhǔn)施肥作業(yè)時(shí)，采用分別單獨(dú)傳動(dòng)狀態(tài)，2 個(gè)螺旋攪龍?jiān)诓煌膭?dòng)力裝置帶動(dòng)下單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)，向落料口撥肥。

該變量雙控制有機(jī)肥撒施機(jī)具備施（撒）堆積發(fā)酵而成的固體有機(jī)肥，以及工廠造顆粒、粉末狀有機(jī)肥和復(fù)合肥等所有底肥的功能。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

2.1 肥料箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肥料箱由前后固定側(cè)板、左右可調(diào)側(cè)板、卸載撐桿、活動(dòng)蓋板等構(gòu)成（圖2）。

圖2 肥料箱結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of fertilizer tank

前后固定側(cè)板由3 cm厚度鐵板頂部折彎加強(qiáng)，上側(cè)寬80 cm、下側(cè)寬25 cm、高55 cm，且在前后兩側(cè)板上均打孔，用于安裝卸載撐桿。在肥箱上部?jī)蓚?cè)設(shè)置螺栓孔，用于調(diào)整左右兩側(cè)板的傾角。左右兩側(cè)板由3 cm 厚度鐵板頂部折彎加強(qiáng)，且在前后兩端均折彎，與前后固定側(cè)板形成閉合的箱體輪廓，兩端預(yù)留多個(gè)螺栓孔，通過(guò)螺栓與孔位的配合調(diào)整左右兩側(cè)板的傾角改變肥料的容積，作用是讓不同種類肥料借助坡度自然地向下方移動(dòng)，解決有機(jī)肥料流動(dòng)性差的問(wèn)題。

卸載撐桿為直徑6cm、長(zhǎng)120cm 無(wú)縫鋼管，共2根，分別安裝在螺旋攪龍的正上方距攪龍中心20 cm 處。作用是當(dāng)肥箱裝滿肥料后，避免肥料的重量完全作用在螺旋攪龍上，減輕螺旋攪龍啟動(dòng)時(shí)的荷載。

活動(dòng)蓋板設(shè)計(jì)在肥箱內(nèi)部的后半部，長(zhǎng)80 cm。蓋板上端關(guān)閉后，距離肥箱后端側(cè)板10 cm，蓋板下端搭蓋螺旋攪龍上。作用是裝填肥料后，使肥箱蓋板下方只有肥箱前段40 cm 長(zhǎng)的螺旋攪龍承擔(dān)部分肥料的載荷，肥箱后端80 cm 長(zhǎng)的螺旋攪龍上方不承擔(dān)肥料的載荷，減輕螺旋攪龍啟動(dòng)時(shí)的荷載。

螺旋攪龍推肥腔體是由3 cm 厚鐵板做成的半圓腔體，腔體直徑較螺旋攪龍直徑大2 cm，長(zhǎng)度與螺旋攪龍相等。在螺旋攪龍末端設(shè)置出料口，位于螺旋攪龍正下方。其在水平面上的投影是一個(gè)長(zhǎng)40 cm、寬22.5 cm 的矩形落料口。

2.2 進(jìn)料口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在肥箱底部?jī)蓚?cè)設(shè)計(jì)進(jìn)料口。利用肥箱左右兩側(cè)板與螺旋攪龍的間隙作為肥料進(jìn)入螺旋攪龍腔體的通道?？紤]到有機(jī)肥的流動(dòng)性差，常出現(xiàn)板結(jié)成塊現(xiàn)象，工作時(shí)只有進(jìn)料口上方的肥料進(jìn)入到螺旋攪龍腔體，故將肥料進(jìn)口的空間設(shè)計(jì)得較大，以防止在工作時(shí)肥料不能及時(shí)地填充到螺旋攪龍的腔體，影響肥料撒施的均勻性、穩(wěn)定性。

在最初的卸載撐桿設(shè)計(jì)中設(shè)置了3 根，分別位于兩螺旋攪龍正上方距離中心10 cm 處各1 根，以及兩螺旋攪龍中心線垂直向上45 cm 處。該種布置方式進(jìn)料口的通道充滿整個(gè)箱體，進(jìn)料數(shù)量也很巨大。實(shí)驗(yàn)顯示，在肥箱裝滿粉末狀有機(jī)肥和塊狀有機(jī)肥時(shí)均出現(xiàn)攪龍過(guò)載而無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。在肥箱填裝半箱粉末狀有機(jī)肥和塊狀有機(jī)肥時(shí)，螺旋攪龍?jiān)趩?dòng)瞬間出現(xiàn)明顯的卡頓現(xiàn)象，攪龍正常開始工作后轉(zhuǎn)動(dòng)變得平順、流暢。而當(dāng)拆除位于肥箱中部的卸載撐桿，并加裝活動(dòng)蓋板，蓋板處于攪龍上部的高度是10 cm 時(shí)，有利于機(jī)具的平穩(wěn)啟動(dòng)。分析原因，最初的3 根卸載撐桿布置僅有攪龍上方的卸載撐桿對(duì)攪龍起到保護(hù)和減輕肥料壓力的作用，且作用微小，而布置于肥箱中部的卸載撐桿起不到該有的作用，肥箱的肥料必然對(duì)螺旋攪龍?jiān)斐蛇^(guò)大壓力，且長(zhǎng)時(shí)間的肥料堆積也必將使過(guò)長(zhǎng)的攪龍發(fā)生變形；同時(shí)，在攪龍啟動(dòng)瞬間，其產(chǎn)生的輸送阻力過(guò)大，超過(guò)動(dòng)力輸入裝置的最大功率，消耗的動(dòng)力太多。

2.3 力矩檢測(cè)裝置

該裝置由動(dòng)態(tài)扭矩傳感器和數(shù)據(jù)顯示器兩部分組成。

動(dòng)態(tài)扭矩傳感器通過(guò)鍵連接，兩端分別與液壓馬達(dá)和攪龍傳動(dòng)軸連接，數(shù)據(jù)顯示器通過(guò)外接交流電220 V電源顯示傳動(dòng)軸扭矩的實(shí)時(shí)大小。其量程：0～100 N；外接電源電壓：220 V（儀表電壓）；輸出靈敏度：1.0～2.0 mV/V；輸出信號(hào)：mV；出線方式：直接出線；工作溫度：-35～75 ℃；過(guò)載范圍：≤150%；IP等級(jí)：IP67（傳感器）。

在系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)連接的傳動(dòng)軸實(shí)時(shí)采集扭矩?cái)?shù)值，當(dāng)攪龍啟動(dòng)瞬間，傳動(dòng)軸負(fù)載最大，液壓泵站的動(dòng)力主要用來(lái)克服摩擦力做功，此階段伴隨著大量熱能的轉(zhuǎn)換、消耗。當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)到趨于平穩(wěn)時(shí)，傳動(dòng)軸的負(fù)載也會(huì)逐漸趨于平穩(wěn)，其扭矩值也會(huì)降低，動(dòng)力的損耗也會(huì)達(dá)到最低。馬達(dá)轉(zhuǎn)速與輸入馬達(dá)的流量呈正比，即輸入馬達(dá)的油液流量越大，攪龍轉(zhuǎn)速越高；反之，攪龍轉(zhuǎn)速越低。液壓泵站上的節(jié)流閥可以對(duì)液壓馬達(dá)的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.4 液壓泵站選擇

液壓泵站結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。電機(jī)帶動(dòng)油泵旋轉(zhuǎn)，泵從油泵中吸油后打油，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓油的壓力能，液壓油通過(guò)集成塊（或閥組合）液壓閥實(shí)現(xiàn)方向、壓力、流量調(diào)節(jié)后經(jīng)外接管路傳輸?shù)揭簤簷C(jī)械的油缸或油馬達(dá)中，從而控制液動(dòng)機(jī)方向的變換、力量的大小以及速度的快慢，推動(dòng)各種液壓機(jī)械做功。

根據(jù)公式Pp≥∑Δp+p1，確定液壓泵的最大工作壓力。式中，p1—液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓力，為11 MPa；∑Δp—從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)入口之間總的管路損失?！痞的準(zhǔn)確計(jì)算要待元件選定并繪出管路圖時(shí)才能進(jìn)行，初算時(shí)可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。汗苈泛?jiǎn)單、流速不大的，取∑Δp=0.2～0.5 MPa；管路復(fù)雜、進(jìn)口有調(diào)節(jié)閥的，取∑Δp=0.5～1.5 MPa。選擇管路損失∑Δp=1 MPa，則可得液壓泵的最大工作壓力為6 MPa。

根據(jù)公式Qp≥K（∑Qmax），確定液壓泵的流量。式中，K—系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3；∑Qmax—同時(shí)動(dòng)作的液壓缸或液壓馬達(dá)的最大總流量，可從Q-t 圖上查得。對(duì)于在工作過(guò)程中用節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，還須加上溢流閥的最小溢流量，一般取2～3 L/min 。由題知系統(tǒng)的最大工作流量為15 L/min，此處取K=1.2，則可預(yù)選液壓泵的流量QP=18 L/min。

圖3 液壓泵站結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural chart of hydraulic pump station

根據(jù)以上求得的Pp和Qp，按系統(tǒng)中擬定的液壓泵形式，從產(chǎn)品樣本或本手冊(cè)中選擇相應(yīng)的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)備，所選泵的額定壓力一般較最大工作壓力大25%～60%。根據(jù)以上壓力和流量的數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，最后選取CBN-F310 型齒輪泵，其泵排量為10 mL/r，額定壓力16 MPa，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，最高壓力20 MP，最低轉(zhuǎn)速900 r/min，額定功率6.58 kW。

在前面已經(jīng)確定了液壓泵的型號(hào)為CBN-F310 型齒輪泵，驅(qū)動(dòng)功率為50.4 kW，液壓泵工作壓力為4.4 Pa，流量240 L/min，根據(jù)表1 取泵的總效率ηp=0.65，則液壓泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需的功率為2.769 kW。

表1 液壓泵的總效率Table 1 Total efficiency of hydraulic pump

查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[18]選取YL100L2-4 單相異步電動(dòng)機(jī)，其額定功率為3 kW，同步轉(zhuǎn)速1 440 r/min，η 為 82%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2019 年11 月16 日在石家莊市深澤縣石家莊雙收農(nóng)機(jī)裝備有限公司院內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)有機(jī)肥類型有粉末狀有機(jī)肥、顆粒狀有機(jī)肥、塊狀有機(jī)肥3種，規(guī)格均為45kg/袋，含水率均很低；四輪拖拉機(jī)1 臺(tái)，型號(hào)WH-15HP，額定功率11.03 kW；攪龍轉(zhuǎn)速120 r/min。

3.2 試驗(yàn)方法

將有機(jī)肥撒施平臺(tái)的2 根攪龍軸，一根與拖拉機(jī)后輸出經(jīng)由萬(wàn)向接頭傳至底盤下方主軸[19]，工作時(shí)始終保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；另一根與液壓泵站、聯(lián)軸器相連，從而實(shí)現(xiàn)由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)[20]，工作時(shí)模擬間斷工作狀態(tài)，即：在果樹根部分布密集區(qū)2 根攪龍同時(shí)工作排肥，在果樹根部分布稀疏區(qū)單根攪龍單獨(dú)工作排肥。啟動(dòng)連接2 根攪龍運(yùn)轉(zhuǎn)3 s 后，攪龍的腔體預(yù)充滿肥料，開始進(jìn)行試驗(yàn)：模擬設(shè)定實(shí)際作業(yè)中機(jī)車行駛速度5 km/h，其中設(shè)置液壓控制排肥軸間隔3 s啟動(dòng)1 次，每次啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間1 s，運(yùn)行時(shí)間8 s，然后對(duì)排肥量進(jìn)行稱重。同時(shí)設(shè)置2 組對(duì)照試驗(yàn)：一組為拖拉機(jī)后輸出作為動(dòng)力帶動(dòng)2 根排肥攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)；一組為液壓泵站作為動(dòng)力帶動(dòng)2 根排肥攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3 結(jié)果與分析

測(cè)試結(jié)果（表2）表明，分別由拖拉機(jī)后輸出軸、液壓泵站提供輸出軸動(dòng)力時(shí)，針對(duì)同一種狀態(tài)有機(jī)肥的雙攪龍排肥量基本一致；由拖拉機(jī)后輸出軸和液壓泵站雙動(dòng)力分時(shí)提供輸出軸動(dòng)力時(shí)，同一種狀態(tài)有機(jī)肥的雙攪龍排肥量均低于單動(dòng)力源作用下的排肥量。測(cè)算結(jié)果顯示，不同形狀的肥料，采用雙動(dòng)力排肥分別較拖拉機(jī)后輸出軸、液壓泵站作為單一動(dòng)力排肥的節(jié)肥效果不同，其中應(yīng)用粉狀肥料時(shí)分別節(jié)省23.86%和24.14%，應(yīng)用顆粒肥料時(shí)分別節(jié)省24.00%和24.87%，應(yīng)用塊狀肥料時(shí)分別節(jié)省23.65%和24.72%。按照每生產(chǎn)1 kg 蘋果施用優(yōu)質(zhì)農(nóng)家肥1.5～2 kg，施肥量為45 000～75 000 kg/hm2計(jì)算，采用雙動(dòng)力、雙攪龍情況下，可節(jié)省農(nóng)家肥11 100～18 600 kg/hm2，節(jié)肥效果顯著。

表2 不同動(dòng)力輸出形式的攪龍排肥量Table 2 The fertilizer spreading rate of auger with different power output forms （kg）

4 結(jié)論

基于現(xiàn)代果園種植模式，結(jié)合傳統(tǒng)施肥管理工藝和有機(jī)肥特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種以拖拉機(jī)為配套動(dòng)力并配合液壓泵站作為輔助動(dòng)力源的雙攪龍有機(jī)肥撒施平臺(tái)，其由肥料箱、動(dòng)力輸入軸、螺旋攪龍、進(jìn)料口、卸載撐桿、液壓控制動(dòng)力系統(tǒng)等組成，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥、實(shí)時(shí)施肥。通過(guò)理論分析和計(jì)算，確定肥箱結(jié)構(gòu)樣式為和液壓系統(tǒng)參數(shù)。在完成平臺(tái)的裝配后，選定3 種動(dòng)力輸出形式，以排肥量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了施肥試驗(yàn)，結(jié)果表明，雙攪龍變量有機(jī)肥撒施試驗(yàn)平臺(tái)能夠完成設(shè)計(jì)要求，節(jié)肥效果顯著。