小型沼液沼渣施肥機設(shè)計與試驗

摘要：由于沼液沼渣地表撒施會造成大量物質(zhì)揮發(fā)，導(dǎo)致有機成分很難被植物深入吸收利用，造成環(huán)境污染和資源浪費。為充分利用生物質(zhì)資源，在參考國內(nèi)外分開式、一體式、自走式、管道輸送式等地下施灌的基礎(chǔ)上，設(shè)計小型半掛式沼液沼渣施肥機，對沼液罐、機架、深松型施肥犁等關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，運用SolidWorks對該機進(jìn)行三維建模，利用仿真分析模塊對關(guān)鍵機構(gòu)部件進(jìn)行應(yīng)力分析，確定樣機結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行樣機制作。田間試驗表明：當(dāng)調(diào)節(jié)閥調(diào)到最大，機具以1.5 m/s的速度前進(jìn)作業(yè)時，罐內(nèi)原料在5～6 min內(nèi)排完，滲濕土壤厚度在7.3～15.6 cm之間，實現(xiàn)連續(xù)施肥。

關(guān)鍵詞：沼液沼渣；施肥機；半掛式；仿真分析

中圖分類號：S224.22" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0048?06

Design and experiment of small scale biogas slurry fertilizer applicator

Liu Xinpeng1， 2， Huang Weihua3， Li Zunxiang1， 2， Jiao Jing1， 2， Niu Zhaojun3， Li Ming3

（1. Institute of South Subtropical Crops， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Zhanjiang， 524091， China;

2. Zhanjiang Tropical Crop Straw Efficient Recycling Engineering Technology Research Center， Zhanjiang， 524091， China;

3. Institute of Agricultural Machinery， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Zhanjiang， 524088， China）

Abstract： Because the biogas slurry on the surface would have caused a lot of volatilization of substances， it is difficult for organic components to be deeply absorbed and utilized by plants， resulting in environmental pollution and resource waste. In order to make full use of biomass resources， this paper designed a small semi?hanging biogas slurry fertilizer application machine" based on reference to domestic and foreign underground irrigation of separate， integrated， self?propelled and pipe?conveyed types ， and analyzed the key components such as methane tank， frame and deep?loose type fertilizer plow， used SolidWorks to conduct three?dimensional modeling for the machine ， and used simulation analysis module to analyze the stress of key mechanism components， to determine the structure of the prototype machine， and carry out the prototype production. Field experiments showed that when the regulating valve was adjusted to the maximum and the machine was operated at the speed of 1.5 m/s， the raw materials in the tank were emptied within 5-6 min， and the thickness of the wet soil was 7.3-15.6 cm，" which achieved the purpose of continuous fertilization by the machine.

Keywords： biogas slurry; fertilizer applicator; semi?hanging; simulated analysis

0 引言

隨著我國沼氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，隨之產(chǎn)生大量的沼液沼渣，其中這些固液交融的流態(tài)沼液沼渣含有作物生長需要的氮、磷、鉀及有機物質(zhì)，并能改善土壤酸堿度，是速效、無污染、無殘毒的“生物肥料”；其利用方式主要有地表灑施和地下施灌，但由于地表撒施存在肥料使用量大、用量難以控制、易揮發(fā)物、有機成分吸收利用率不高，造成資源浪費、環(huán)境污染等問題；目前針對以上問題，德國、加拿大、以色列等國家多采用分開式機械化暗灌運施的方法，實現(xiàn)了沼液沼渣還田利用的目的；而國內(nèi)對流態(tài)田間運施一體機械施肥機研究較少，還處于表面施肥、人工施肥、地下施灌等多種方式施肥的持續(xù)完善階段，導(dǎo)致大量流態(tài)沼液沼渣無法完全還田利用，造成環(huán)境二次污染及生物質(zhì)資源的浪費[1]。綜上所述，暗灌運施的施肥技術(shù)裝備，能有效增加流態(tài)沼液沼渣在土壤中的滲透性，減少氨氮揮發(fā)、合理控制施肥量等，這一施肥方法主要是通過沼肥施罐機進(jìn)行還田利用，該施肥方法主要有分開式、一體式、自走式、管道輸送式四種[2?4]，其中管道輸送式施肥機需鋪設(shè)管道，施工量大，且對地面的平整性要求較高，不適合壟作農(nóng)田作業(yè)；自走式施罐機通過管道連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；拖拉機牽引分開式施罐機，結(jié)構(gòu)簡單，通用性強；一體式施罐機，自備動力，結(jié)構(gòu)緊湊，專用性強、成本高昂。

因此，本文根據(jù)開溝、松土、施肥、覆土等農(nóng)藝要求，結(jié)合暗灌運施的存儲、運輸、施肥等功能要求，設(shè)計小型半掛式沼液沼渣施肥機，并為其配套施用的開溝深松機具。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

半掛式沼液沼渣施肥機主要由沼液沼渣罐、液壓缸、絲杠連接桿、沼液沼渣主流管、沼液沼渣透明塑料分流管、罐體機架、機具機架、牽引機架、深松犁、離心泵、皮帶輪、皮帶、液壓馬達(dá)、球形直通閥、車輪、活動桿等機構(gòu)組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

半掛式沼液沼渣施肥機底盤通過單點懸掛牽引與拖拉機懸掛點連接，并將罐體固定安裝在底盤上，在罐體后端，采用三點懸掛的方式，通過H型活動桿將深松犁及沼液沼渣透明塑料分流管固定連接在機架上，并由絲杠連接桿和液壓缸及拖拉機液壓系統(tǒng)對其傾斜角度及升降高度進(jìn)行前、后、上、下調(diào)節(jié)；當(dāng)進(jìn)行沼液沼渣運輸時，拖拉機液壓系統(tǒng)會通過液壓馬達(dá)進(jìn)行泵油，驅(qū)動懸掛在罐體后面的液壓缸工作，縮短液壓缸工作行程，將深松犁機具提升至運輸狀態(tài)；在裝肥料時，拖拉機通過輸出軸將動力輸送到離心泵，將沼液沼渣通過吸料管泵入罐體內(nèi)；卸料前將排料控制閥打開，離心泵反轉(zhuǎn)，將罐體內(nèi)沼液沼渣通過主流管排向深松犁上的分流管上，使肥料隨深松犁深松開溝作業(yè)進(jìn)行連續(xù)施肥作業(yè)。

1.3 關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計分析

1.3.1 罐體設(shè)計分析

為防止機具載重過大壓實土壤，方便田間作業(yè)，將罐體載重量設(shè)計為6 t，長、寬、高分別設(shè)計為2 420 mm×1 920 mm×1 920 mm的圓柱形空心三維空間結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中罐體體積由中間筒體和兩邊橢圓形封體組成，罐體選用材料為Q235-B，其疲勞極限強度為375 MPa，曲服極限強度為235 MPa，常溫狀態(tài)下，[[σ]=113] MPa，焊縫系數(shù)[?]為1.0，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47002.1-2019，可知鋼材厚度偏差[Δ]為0.5 mm。

為保證罐體的使用壽命，結(jié)合沼液沼渣的腐蝕性流體特性，取腐蝕裕量C為2 mm，并將整個罐體內(nèi)表面進(jìn)行鍍鋅防腐蝕處理；為保證罐體內(nèi)部壓力安全，參考劉宏新等[5]對半掛式流態(tài)有機肥施肥機設(shè)計時，罐體最高工作壓力為0.205 MPa，并結(jié)合純豬糞液發(fā)酵有機肥的密度882 kg/m3，對罐體壁厚進(jìn)行計算。

[P=1.1×P1] （1）

[N=π4D2I+2ν1] （2）

[I1=PD2?[σ]-P] （3）

[Imin=2I11 000] （4）

[I2=Imin+Δ+C] （5）

式中： [P1]——初始工作壓力，MPa；

[P]——設(shè)計工作壓力，MPa；

[D]——筒體截面直徑，mm；

[Ι]——筒體長度，mm；

[ν1]——封頭體積，m3；

[Ν]——罐體體積，m3；

[?]——焊縫系數(shù)；

[[σ]] ——極限強度，MPa；

[Δ]——鋼材厚度偏差，mm；

[I1]——罐體理論計算厚度，mm；

[Imin]——罐體最小理論厚度，mm；

[I2]——罐體設(shè)計厚度，mm。

經(jīng)過計算得到罐體鋼材厚度[I2=6.1] mm，為了達(dá)到制造工藝和剛度要求，取罐體厚度為7 mm。

1.3.2 吸排系統(tǒng)分析

罐體進(jìn)行吸入作業(yè)時，駕駛員將球形直通閥打開，離心泵通過抽排動力，將罐內(nèi)空氣氣體抽出，降低罐體內(nèi)氣壓，在氣壓的推動下通過吸料管將液態(tài)沼液沼渣壓入罐體內(nèi)，透過液位計量器查看罐體內(nèi)肥料的喂入量情況，當(dāng)罐體被裝滿后，關(guān)閉吸料管上的直通閥；施肥作業(yè)時，駕駛員將沼液沼渣主流管上的球形直通閥打開，拖拉機帶動離心泵工作，將空氣進(jìn)行壓縮，壓入到罐體內(nèi)部，隨著罐內(nèi)壓縮空氣的不斷進(jìn)入，罐內(nèi)形成正壓，將罐內(nèi)液態(tài)沼液沼渣肥料由主流管經(jīng)分流管進(jìn)行施肥作業(yè)。

1.3.3 機架與牽引架分析

機架主要由主架、支撐架、懸掛等組成；機架是固定支撐罐體，連接機具、承受傳遞機具產(chǎn)生的力、力矩、動載荷的重要橋梁。機架前端通過牽引架與拖拉機進(jìn)行單點懸掛連接，后端通過三點懸掛與施肥機具連接，因此機架要具有足夠的強度和剛度，滿足機具運輸和田間作業(yè)要求。由于沼液沼渣施肥機要完成深松、開溝、施肥工作，為保證連接支撐的可靠性，機架選擇矩形架，并采用100 mm×100 mm×10 mm的方鋼，進(jìn)行加工制造安裝，滿足灌體和機具的工作使用要求。

牽引架在連接機具與拖拉機的同時，還在其支撐表面固定安裝離心泵、安全梯、液壓馬達(dá)等部件，如圖3所示，因此將機架與牽引架進(jìn)行剛性連接；為保證灌體機架與拖拉機鏈接的可靠性，方便機具拆解及彎道行駛，采用單點懸掛方式，通過固定插銷與限位銷扣將拖拉機與牽引架連接；當(dāng)牽引架越長時，傳力角度越小，傳遞力越大，影響行駛穩(wěn)定性，增加倒車難度；鑒于罐體裝載量產(chǎn)生的垂直靜態(tài)載荷與軸載荷均會經(jīng)牽引架轉(zhuǎn)移到拖拉機上；結(jié)合GB/T 21160-2007標(biāo)準(zhǔn)，并引用東北農(nóng)業(yè)大學(xué)滕偉健在有機肥采運施肥機設(shè)計中對牽引架連接點的水平垂直高度550 mm[6]，以減小牽引架與拖拉機掛接處的垂直分力，起到最佳牽引效果。

1.3.4 深松型施肥犁設(shè)計分析

沼液沼渣施肥犁是施肥機具的關(guān)鍵阻力部件，其結(jié)構(gòu)對施肥深度、施肥質(zhì)量、開溝阻力有著重要影響，直接影響肥料與土壤的滲透結(jié)合情況[7， 8]。結(jié)構(gòu)如圖4所示，上端釆用的是直立固定孔柄，孔柄下端是橢圓弧形犁臂，犁頭采用楔形尖，并在犁臂后端上固定可拆卸沼液沼渣透明塑料分流管固定夾；在拖拉機動力牽引施肥過程中，拖動犁頭楔形尖進(jìn)入土層中對土壤進(jìn)行剪切、擠壓、撕裂等作用，使土壤發(fā)生剪切失效，達(dá)到深松施肥的效果。作業(yè)過程中主要受到土壤的壓力和摩擦力，如圖5所示。犁頭楔形尖切入土壤，橢圓弧形犁臂靠弧形犁臂擠壓出一條施肥溝槽，將沼液沼渣通過分流管施入土壤中。

楔形尖頭所受的水平和豎直阻力分別為

[F1=Fsinθ+μFcosθ] （6）

[F2=Fcosθ-μFsinθ] （7）

式中： [F1]——土壤對楔形尖水平阻力，N；

[F2]——土壤對楔形尖豎直阻力，N；

[μ]——土壤摩擦系數(shù)；

[θ]——犁頭作業(yè)楔形角，（°）。

2 機架與深松犁仿真分析

2.1 機架仿真分析

車架是罐體、吸排系統(tǒng)、液壓懸掛系統(tǒng)等零部件的安裝基體，在進(jìn)行后端施肥機具提升和罐體肥料施運過程中，承擔(dān)工作機具的負(fù)載和罐體肥料的垂直重力載荷以及牽引架與拖拉機掛接牽引力和力矩。因此需要對車架進(jìn)行仿真分析，調(diào)整應(yīng)力過于集中結(jié)構(gòu)，達(dá)到車架使用要求。對機架進(jìn)行三維建模，材料選用Q235，由于牽引架的牽引座通過牽引銷掛接拖拉機，行駛過程中該處受沖擊載荷與磨損突出，因此需要選用屈服強度較高的合金鋼20Cr Mn Mo。對三維建模機架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以罐體滿載和機具自身重量之和作為機架表面施加載荷，在機架縱梁上施加垂直載荷，橫梁上施加扭矩與彎矩；將機架、懸架、車橋通過夾緊約束固定在一起，仿真時作柔性虛件代替；牽引架的牽引座通過牽引銷與拖拉機掛接，仿真時施加約束[9， 10]。經(jīng)過仿真分析后得到機架應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖6所示。機架模型的應(yīng)力主要集中在機架與車橋連接處和牽引架的牽引座處，最大應(yīng)力為104 MPa，小于曲服應(yīng)力885 MPa，說明機架滿足靜載荷條件下的強度要求。

2.2 深松型施肥犁仿真分析

為了提高深松型施肥犁的強度和硬度，選用合金鋼Q235，其彈性模量為1.2×1011 Pa，泊松比為0.291，密度為7 870 kg/m3，屈服強度為3.1×108 Pa。運用SolidWorks對深松型施肥犁進(jìn)行三維建模，進(jìn)行定義模型單元類型，網(wǎng)格劃分，對每個深松型施肥犁受力部位施加相同的載荷，并進(jìn)行仿真分析，得到深松型施肥犁的應(yīng)力與位移云圖[11， 12]，如圖7所示。

[τT=TWT≈9 550 000pn0.2d3≤τT] （8）

式中： [τT]——切應(yīng)力，MPa;

[T]——受到的扭矩，N ? mm;

[WT]——抗扭截面系數(shù);

[n]——轉(zhuǎn)速，r/min;

[p]——傳遞功率，kW;

[d]——計算刀具端截面處直徑，mm；

[τT]—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。

在深松型施肥犁的應(yīng)力應(yīng)變云圖中，最大應(yīng)力發(fā)生在深松型施肥犁柄掛接處；在位移云圖中深松型施肥犁主要變形發(fā)生在犁頭的最下部；經(jīng)過強度計算得到深松型施肥犁最大需用應(yīng)力為156 MPa，遠(yuǎn)小于許用曲服應(yīng)力235 MPa，滿足深松型施肥犁的工作性能要求。

3 試驗與分析

通過雷沃1204拖拉機牽引沼液沼渣施肥機在湛江雷州龍門鎮(zhèn)甘蔗種植地進(jìn)行性能試驗。試驗原料采用豬場發(fā)酵的沼液沼渣，其固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)已達(dá)到到5%～10%左右，試驗前通過單點懸掛將沼液沼渣施肥機固定安裝在拖拉機上，并將施肥機液壓懸掛裝置與拖拉機液壓系統(tǒng)連接，調(diào)節(jié)液壓升降裝置使深松型施肥犁離地高度符合試驗要求[13?15]，并將沼液沼渣填充到罐體內(nèi)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其分流管內(nèi)徑尺寸是參考李文哲等[16]對沼液沼渣暗灌施肥機設(shè)計與試驗。

為了避免施肥機在加、減速前進(jìn)與準(zhǔn)備停車階段出現(xiàn)速度波動，而引起施肥流量斷續(xù)與不均勻的問題，所以在機具前進(jìn)10 m后與停車前的10 m之間，進(jìn)行試驗樣本采集與取樣，為了減小試驗誤差，對施肥流量均勻連續(xù)性能的影響，分別在100 m×20 m的區(qū)域內(nèi)，劃定5條100 m×4 m試驗采樣區(qū)，進(jìn)行5組重復(fù)試驗。田間試驗作業(yè)時，將沼液沼渣調(diào)節(jié)閥調(diào)到最大，并保持拖拉機以1.5 m/s的速度勻速前進(jìn)；在完成施肥作業(yè)后，等待30 min使土壤與肥料充分吸滲，采用鋼直尺在采樣區(qū)內(nèi)以5 m間隔，在機具前進(jìn)方向進(jìn)行垂直滲濕土壤厚度的測量取樣，并將測量的試驗樣本數(shù)據(jù)記錄，如表2所示。

田間試驗結(jié)果表明：罐內(nèi)原料在5～6 min內(nèi)排完，沼液沼渣順利排入到緊固在深松犁上的透明塑料分流管出口，在分流管道中沒有堵塞現(xiàn)象；并通過試驗數(shù)據(jù)分析得到5塊試驗地的沼液沼渣滲濕土壤厚度在7.3～15.6 cm之間，如圖8所示，達(dá)到沼液沼渣肥料在土壤表層以下連續(xù)淺施的目的，有助于肥料與土壤的充分滲濕，防止肥料露置土壤表層，造成沼液蒸發(fā)、肥料養(yǎng)分流失的資源浪費現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1） 根據(jù)沼液沼渣地表撒施會造成大量物質(zhì)揮發(fā)特性，在參考國內(nèi)外分開式、一體式、自走式、管道輸送式等地下施灌的基礎(chǔ)上，設(shè)計小型半掛式沼液沼渣施肥機。

2） 對小型沼液沼渣施肥機的沼液罐、機架、深松型施肥犁等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計分析，運用SolidWorks對該機進(jìn)行三維建模，利用仿真分析模塊對機架與深松型施肥犁進(jìn)行應(yīng)力分析，確定樣機結(jié)構(gòu)。

3） 在沼液沼渣施肥機械通過拖拉機配套牽引進(jìn)行施肥工作時，將沼液沼渣調(diào)節(jié)閥調(diào)到最大，拖拉機以1.5 m/s的速度前進(jìn)作業(yè)， 罐內(nèi)原料在5～6 min內(nèi)排完，排入到各個深松型施肥犁沼液沼渣分流管道中，沒有堵塞現(xiàn)象。

4） 經(jīng)過田間試驗后，測量分析5塊試驗地滲濕土壤厚度在7.3～15.6 cm之間，達(dá)到沼液沼渣肥料在土壤表層以下連續(xù)淺施的目的，有助于肥料與土壤的充分滲濕，防止肥料露置土壤表層，造成沼液蒸發(fā)、肥料養(yǎng)分流失的資源浪費現(xiàn)象。

參 考 文 獻(xiàn)

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