刮板輸送式大棚有機肥排肥裝置的設計與試驗

徐 勇，宋明翰，孫國峻，余洪鋒，何瑞銀

(南京農(nóng)業(yè)大學 工學院，江蘇 南京 210031)

設施大棚種植業(yè)的發(fā)展能夠有效保證蔬菜、瓜果的淡季供應，具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益[1]。中國設施農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展水平相對滯后，綜合機械化水平僅為33%[2-3]。施肥是設施大棚種植作業(yè)中最重要的環(huán)節(jié)之一，施撒有機肥能夠有效改善土質(zhì)、減少溫室氣體排放、改良作物品質(zhì)、提高作物產(chǎn)量[4-8]。但是，目前大棚中有機肥的撒施仍然主要依靠人工，勞動強度大、作業(yè)效率低[9]，要實現(xiàn)高效高質(zhì)的設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，必須依靠機械施肥，排肥裝置是施撒有機肥的關(guān)鍵部件[10]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外對于有機肥施肥機械的研究很多[11-13]，但專用于設施大棚的施肥機械鮮見介紹。為了提高我國設施大棚施肥機械化水平，有必要設計大棚有機肥排肥裝置。目前用于有機肥施撒的主要排肥裝置及原理為：離心圓盤式，利用圓盤的離心力拋撒肥料[14]；槳葉式，通過槳片高速旋轉(zhuǎn)將肥料拋撒到田間[15]；錘片式，通過螺旋絞龍運送肥料至卸料口，再用高速運動的錘片將肥料撕裂、粉碎，自上而下拋出[16]；拋撒轉(zhuǎn)軸式，通過排料口擋板調(diào)節(jié)落料量，落料通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸拋撒而出[17]。以上排肥裝置都只適用于大型農(nóng)場或大田[18]，施撒效率高，排肥原理都是利用排肥器高速旋轉(zhuǎn)的離心力慣性拋撒有機肥，肥料經(jīng)排肥器排出過程中會有大量泄漏，導致排肥量不穩(wěn)定。

刮板輸送裝置對散體物料良好的輸送特性保證了散體物料運輸、排施過程的穩(wěn)定性和定量可控性[19-21]，但將刮板輸送裝置應用于有機肥施撒并不多見。本研究綜合考慮刮板輸送裝置的機構(gòu)特性和輸送原理，設計一種刮板輸送式有機肥排肥裝置，對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設計和分析，搭建排肥器性能試驗平臺，對關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化，以期為整機的設計提供參考依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 大棚有機肥施撒農(nóng)藝要求

以蘇南地區(qū)草莓大棚為例，該地區(qū)草莓種植大棚多為 8332 型大棚 (圖1)，棚高 3.2 m，棚寬 8 m，長 80 m，大棚門寬 1.2 m，高度為 1.75 m，大棚內(nèi)作業(yè)空間有限，一般采用人工作業(yè)[22-23]。為了促進草莓開花結(jié)果，一般在草莓種植之前，在整個大棚內(nèi)進行基肥施撒作業(yè)，施撒有機肥量為 1.50～2.25 kg·m-2，有機肥種類為腐熟的肥類有機肥。施肥作業(yè)先將有機肥撒于地表，后用旋耕機將有機肥旋入土壤。

圖1 8 332型大棚基本尺寸Fig.1 Basic dimensions of 8 332 greenhouse

1.2 排肥裝置整體結(jié)構(gòu)

刮板輸送式排肥裝置主要由承料箱、擋肥板升降裝置、刮板輸送式排肥器、傳動裝置和控制器組成。承料箱由箱體和擋肥板組成，其中擋肥板安裝在箱體兩邊的滑道中，可以上下升降移動。擋肥板升降裝置主要由齒輪軸、齒輪和齒條組成，齒條焊接在擋肥板上，依靠齒輪旋轉(zhuǎn)運動帶動齒條上下移動。刮板輸送式排肥器由排肥軸、鏈輪、鏈條、鏈板、刮板等組成，刮板用沉頭螺釘安裝在鏈板上，鏈板與鏈板之間采用鉸接。傳動裝置主要由步進電機、聯(lián)軸器、三相異步電機和減速機組成，步進電機通過聯(lián)軸器連接齒輪軸，減速機側(cè)面軸孔連接三相異步電機軸，正面軸孔連接排肥軸?？刂破靼ú竭M電機控制器、三相異步電機變頻器以及編碼器，編碼器通過聯(lián)軸器安裝在排肥軸上，實時測量排肥軸轉(zhuǎn)速。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 排肥裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of fertilizer discharging device

1.3 排肥裝置工作原理

步進電機通過聯(lián)軸器將驅(qū)動力傳輸?shù)烬X輪軸，固定在齒輪軸上的齒輪帶動齒條升降，把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動從而驅(qū)動擋肥板升降，精準控制排肥裝置開度。三相異步電機的動力通過減速機驅(qū)動排肥軸，帶動鏈條、鏈板和刮板向排肥口處運動，刮板可把料箱底部的物料刮走，上方物料在自身重力作用下，克服摩擦力和內(nèi)聚力而下落，繼續(xù)受刮板作用力，使物料連續(xù)不斷地穩(wěn)定排出[24]。實施排肥作業(yè)時，分別調(diào)節(jié)步進電機控制器和三相異步電機變頻器旋鈕，設置對應排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速。根據(jù)設定的開度值，步進電機轉(zhuǎn)動相應的步距角，調(diào)節(jié)擋肥板開度；根據(jù)設定的轉(zhuǎn)速值，三相異步電機帶動排肥軸實施排肥作業(yè)。

2 排肥器主要參數(shù)

2.1 排肥量的確定

排肥軸的單轉(zhuǎn)排肥量是衡量排肥裝置排肥性能的重要指標[25]，排肥器單轉(zhuǎn)排肥量的穩(wěn)定性決定了整個排肥裝置的排肥穩(wěn)定性。不考慮軸承座和支架兩側(cè)壁摩擦力影響，其排肥軸理論單轉(zhuǎn)排肥量用下式計算：

式中，q表示輸送鏈輪旋轉(zhuǎn)一周排出的肥料，kg·r-1；H為排肥器的開度，m；b為排肥刮板的長度，m；a為刮板間距，m；z為刮板厚度，m；d為輸送鏈輪直徑，m；ρ為有機肥的密度，kg·m-3。

2.2 刮板間距與高度

有機肥在承料箱中運動時，呈連續(xù)的均質(zhì)流輸送，整個肥料流分為上下兩層，下層有機肥高h1，刮板上方的有機肥高h2，任取1個刮板間距的有機肥為1個單元體，參考文獻[26]，對刮板上層的有機肥進行受力分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 單元體有機肥的受力分析Fig.3 Force analysis of unit organic fertilizer

由散體力學理論可得，由于上層有機肥對承料箱壁有側(cè)向壓力作用，其大小隨有機肥深度呈線性增加，并作三角形分布，其值為該點深度處的正壓力與側(cè)壓系數(shù)之積，則承料箱每側(cè)邊單位面積的平均側(cè)向力為：

式中，n為側(cè)壓系數(shù)；g為重力加速度，m·s-2；θ為有機肥的休止角，(°)。

有機肥對承料箱側(cè)壁產(chǎn)生一個作用在1/3h2高度處的外摩擦力(FS），為：

式中，f1為有機肥與承料箱的外摩擦系數(shù)。

如果假設在兩刮板垂直平面之間的上層肥料流為一固定單元體，摩擦力FS使單元體承受一個彎矩，彎矩在刮板A 的上表面產(chǎn)生壓應力，在刮板B的上表面產(chǎn)生一個大小相等、方向相反的拉應力，此應力將與上層有機肥在刮板A、B表面上產(chǎn)生的壓應力疊加，使A壓應力增加，B壓應力減小，此時B內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的剪應力為上下層有機肥接觸面上各處內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的剪應力的最小值。則B內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的剪應力(τB)為：

式中，f為內(nèi)摩擦系數(shù)。

只有使上、下層有機肥接觸面上各處的內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的剪應力均大于有機肥和承料箱兩側(cè)外摩擦力作用于整個接觸面上均勻分布的剪應力，才能保證有機肥能夠整體運動，在沒有擋肥板的情況下，傾倉而出，根據(jù)這一條件得：

式中，τ為有機肥和承料箱兩側(cè)外摩擦力作用于整個接觸面上均勻分布的剪應力，N·m-2。

取式(4)的τB和式(3)的FS代入式(5)，得到h2的二次方程式：

經(jīng)過試驗測得有機肥休止角θ=47°，內(nèi)摩擦系數(shù)f=tanθ=1.07，根據(jù)文獻[27]，有機肥與承料箱的外摩擦系數(shù)f1=0.35，b為刮板長度，取b為1 m。刮板高度通過試驗取為0.01 m，可以達到施肥量的要求。承料箱中有機肥的最大輸送高度依據(jù)排肥裝置最大開度設定并預留一定的承肥空間，承料箱高度取整為0.2 m。由式(6)可得h2和a的函數(shù)關(guān)系如圖4所示。

圖4 肥料高度和刮板間距的關(guān)系Fig.4 The relationship between fertilizer height and scraper spacing

由式(6)可得刮板間距的下極限值：

假設兩刮板之間整體肥料為一固定單元體，不考慮擋肥板的阻力，將肥料體即將產(chǎn)生滑移面時的情況作為受力平衡情況，得：

式中，有機肥體與承料箱底板的外摩擦力(Fr)為：

由于上層有機肥和承料箱側(cè)壁外摩擦力Fs對上層肥料產(chǎn)生一個彎矩，該彎矩在前后刮板上表面分別產(chǎn)生拉、壓應力，則前、后刮板上方的垂直壓應力分別為式中，σA1為后刮板上方的垂直壓應力，N·m-2；σB1為前刮板上方的垂直壓應力，N·m-2。

刮板下方的垂直應力不受該彎矩的影響，則有：式中，σA2為后刮板下方的垂直壓應力，N·m-2；σB2為前刮板下方的垂直壓應力，N·m-2。

用刮板上、下方的平均側(cè)壓力代替刮板對于單元體的作用力(FA、FB)，則FA、FB分別為：

將式 (3)、(9)、(13)、(14)的各計算值代入式 (8)，化簡后得刮板間距上限值的二次方程式：

令

代入式(15)得：

為保證有機肥的穩(wěn)定排施，a的合理范圍應為amin～amax。依據(jù)式 (7)、(20)得 amin=0.004 m，amax=0.166 m。為了獲得較大的有機肥承載量，由圖4中h2和a的函數(shù)關(guān)系，刮板間距應該選取盡可能大的值，為了便于加工，a取值為0.15 m。

2.3 排肥器轉(zhuǎn)速

根據(jù)刮板輸送式排肥裝置的排肥原理，由式(1)可以計算出刮板輸送式排肥裝置排施有機肥的理論單轉(zhuǎn)排肥量。依據(jù)“1.1”所述蘇南地區(qū)草莓大棚施撒基肥習慣用量，假設施肥機械的行駛速度為 0.5～1.2 m·s-1，為了滿足當?shù)鼗柿晳T量，刮板輸送式排肥器的轉(zhuǎn)速應該為 16.5～59.5 r·min-1。

2.4 排肥器開度

排肥器開度的下限值取為刮板的高度，上限值為最大單轉(zhuǎn)排肥量所對應的排肥器開度。單位面積內(nèi)的排肥量(Q)可由下式計算：

式中，q為排肥器單轉(zhuǎn)的排肥量，kg·r-1；n為排肥器轉(zhuǎn)速，r·min-1；s為施肥面積，m2；b 為施肥幅寬 (即刮板長度)，m；v為施肥機具前進速度，m·s-1。

根據(jù)“1.1”所述最大基肥習慣用量可得單位面積內(nèi)的最大施肥量Q為2.25 kg，施肥機具前進速度為 1.2 m·s-1；轉(zhuǎn)速 n 為 16.5 r·min-1時，所對應的擋肥板開度為35 mm，則排肥器開度調(diào)節(jié)為10～35 mm范圍內(nèi)即可滿足排肥量的要求。

在確定 h1、a、b、z、d、ρ這些參數(shù)后，排肥裝置的排肥量只與排肥軸轉(zhuǎn)速(n)和開度(H)有關(guān)。

3 排肥器工作性能試驗

排肥器開度大小會影響出料高度，進而影響排肥過程中肥料的下落，影響排肥量的穩(wěn)定性；排肥軸轉(zhuǎn)速影響出料的初始速度和排肥裝置的振動，從而影響有機肥的落肥效果，造成排肥量穩(wěn)定性的變化。排肥器開度、排肥軸轉(zhuǎn)速不僅影響排肥穩(wěn)定性，也是影響排肥量的重要因素，為探討排肥器工作性能，優(yōu)化其設計參數(shù)，搭建試驗臺并進行排肥量和排肥穩(wěn)定性試驗。

3.1 材料與評價指標

3.1.1 試驗材料 試驗使用的有機肥為長春市新陽光有機肥料有限公司生產(chǎn)的粉末狀有機肥，主要以雞糞為主，其中氮、磷、鉀總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)為9.9%，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為75%。

試驗裝置如圖5所示，采用步進電機(86BYG250H)通過步進電機控制器(KH-01)調(diào)節(jié)排肥器開度；采用三相異步電機(YS-903-4)連接減速機(型號為NMRV63，減速比為1∶20)，通過變頻器(AE200-2-1PH-3.0G)調(diào)節(jié)排肥軸轉(zhuǎn)速，并用編碼器(LPD3806-400BM-G5-24C)實時讀取排肥軸轉(zhuǎn)速。

圖5 有機肥施肥試驗臺Fig.5 Test bench of organic fertilizer discharging

3.1.2 排肥性能評價指標 試驗以排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)作為評價標準，計算方法如下：

式中，xi為各次排肥量，kg；x為各次排肥量的平均值，kg；S為標準差，kg；V為排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)，%；n為測定次數(shù)。

3.2 轉(zhuǎn)速與排肥量相關(guān)性試驗

排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器開度影響排肥量，為考察各因素對排肥量的影響，基于前文的分析，在轉(zhuǎn)速15～60 r·min-1和開度 10～35 mm 范圍內(nèi)進行試驗，試驗時根據(jù)排肥器開度與步進電機步距角對應關(guān)系，設置開度分別為 10、15、20、25、30、35 mm，調(diào)節(jié)變頻器旋鈕，設置轉(zhuǎn)速分別為 15、24、33、42、51、60 r·min-1，排肥裝置在設定參數(shù)下運行10 s，在排肥口處用塑料盆接肥，結(jié)束后采用精度±5 g的電子秤稱量并記錄排肥量，每個轉(zhuǎn)速和開度重復3次試驗，試驗結(jié)果見圖6。

圖6 不同開度水平下轉(zhuǎn)速與排肥流量的關(guān)系Fig.6 The relationship between rotational speed and fertilizer discharging flow under different opening degrees

由圖6可得，排肥量與排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥器開度密切相關(guān)，排肥量隨著排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速的增大而增加，且同一排肥器開度下排肥軸轉(zhuǎn)速與排肥量呈良好的線性關(guān)系(整體決定系數(shù)≥0.9857)，不同的轉(zhuǎn)速匹配不同的排肥器開度可實現(xiàn)不同排肥量的需求。因此可以通過實時控制排肥軸轉(zhuǎn)速或同時控制排肥器開度實現(xiàn)變量施肥。

3.3 響應面試驗

3.3.1 試驗設計 通過分析排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器開度對刮板輸送式排肥裝置的排肥效果，對排肥裝置的結(jié)果參數(shù)和運行參數(shù)進行優(yōu)化。選用二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗方法，分析排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器開度對排肥穩(wěn)定性的影響，以排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為評價指標，試驗因素及水平編碼見表1。

表1 試驗因素及水平編碼表Table 1 Coding of test factors and levels

3.3.2 試驗方案與結(jié)果分析 應用 Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行回歸分析，以確定2個試驗因素下排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的變化規(guī)律，試驗方案及結(jié)果如表2所示。以排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速為試驗因素，以排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為試驗指標，運用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行方差分析，方差分析結(jié)果見表3。

表2 正交試驗方案及結(jié)果1)Table 2 Orthogonal test plan and results

由表3可知，模型的顯著性檢驗F=25.70，P＜0.01，決定系數(shù)R2=0.9483，表示回歸模型極顯著，且在試驗范圍內(nèi)擬合程度好。由變異系數(shù)模型可知，x2、x1x2、x22對方程影響極顯著 (P＜0.01)，x1、x12對方程影響顯著(P＜0.05)，得到變異系數(shù)的回歸方程為：

表3 方差分析表1)Table 3 Variation analysis table

3.3.3 試驗因素對指標的影響 排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速對排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響如圖7所示，由圖7a可知，在排肥器開度較大時變異系數(shù)隨著排肥軸轉(zhuǎn)速減小而增大，在排肥器開度較小時變異系數(shù)隨著排肥軸轉(zhuǎn)速先增大后減小。由圖7b可知排肥軸轉(zhuǎn)速對排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響比排肥器開度大，該結(jié)論與方差分析得出的結(jié)論相吻合。

圖7 試驗因素對變異系數(shù)的影響Fig.7 Influence of experimental factor on the coefficient of variation

3.3.4 試驗結(jié)果目標優(yōu)化與試驗驗證 為尋求各因素最優(yōu)組合，以排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)最小為原則，應用Design-Expert軟件對排肥穩(wěn)定性系數(shù)優(yōu)化求解，得排肥器開度 30.42 mm，排肥軸轉(zhuǎn)速 51.5 r·min-1，預測變異系數(shù)最優(yōu)值為1.84%。在自制試驗臺上進行排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)和排肥量試驗，重復5次，試驗結(jié)果如表4所示。變異系數(shù)的相對誤差最大值為4.89%，最小值為0.54%，平均相對誤差僅為2.95%，相對誤差均在5%范圍內(nèi)，為可接受的誤差范圍，滿足實際試驗要求。

表4 最優(yōu)條件驗證試驗結(jié)果Table 4 Verification test result of optimal condition

3.3.5 排肥穩(wěn)定性對比驗證試驗 為驗證排肥器排肥穩(wěn)定性，與目前果園施撒有機肥應用最多的螺旋式排肥器[28-30]進行試驗對比。果園內(nèi)施肥作業(yè)空間有限，基肥的施撒量也同樣巨大[31]。試驗時設定兩者的工作轉(zhuǎn)速都是 51.5 r·min-1，試驗時間 10 s，進行5組試驗，每組試驗重復3次取平均值，統(tǒng)計排肥量和試驗的穩(wěn)定性變異系數(shù)，試驗結(jié)果如表5所示。本研究設計的刮板輸送式排肥器排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的均值為1.84%，而螺旋式排肥器排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)達6.12%，相較于螺旋式排肥器有效提高了有機肥的排肥穩(wěn)定性，滿足設計要求。

表5 排肥穩(wěn)定性對比驗證試驗結(jié)果Table 5 Comparative verification test results of fertilization stability

4 結(jié)論

1)設計了一種刮板輸送式有機肥排肥裝置，通過受力分析確定排肥裝置的相關(guān)參數(shù)，保證排肥裝置具有較好的排肥性能。

2)試驗研究表明，在試驗設定的轉(zhuǎn)速和開度范圍內(nèi)，不同開度條件下，轉(zhuǎn)速和排肥量均呈良好的線性關(guān)系，整體的決定系數(shù)大于0.9857，表明可通過實時調(diào)節(jié)開度和轉(zhuǎn)速實現(xiàn)排肥量的調(diào)節(jié)。

3)通過排肥穩(wěn)定性二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗的二次回歸分析和響應面分析，表明排肥軸轉(zhuǎn)速對排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響大于排肥器開度；在排肥器開度為 30.42 mm、排肥軸轉(zhuǎn)速為 51.5 r·min-1時排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)最優(yōu)，為1.84%，驗證試驗與優(yōu)化結(jié)果基本吻合，對比目前常用的螺旋式有機肥排肥器，設計的刮板輸送式有機肥排肥器有效地提高了有機肥的排肥穩(wěn)定性。

4)初步試驗表明，該排肥裝置設計合理，滿足大棚內(nèi)有機肥施撒的農(nóng)藝要求，能夠?qū)崿F(xiàn)有機肥的定量準確施撒。