自走式上肥撒施一體機設計與試驗*

李樹兵，李清華，孫冬霞

(1.濱州市農業科學院,山東濱州,256600;2.東營市第二中學,山東東營,257000)

0 引言

大田施肥主要使用化學肥料,這對提高作物產量發揮了巨大作用,但長期使用化學肥料會導致農田耕作層土壤有機質含量下降,土壤肥效作用降低[1]。相比化學肥料,有機肥中有益生物活動能改善土壤結構,增加土壤保水保肥能力,減少養分流失,間接培肥了土壤,其大規模使用是未來大田施肥趨勢[2-3]。

施肥機是撒施有機肥的關鍵設備,國外發達國家早已對其進行了深入研究[4]。美國SC7660型液體施肥機拋撒幅寬大、撒施均勻,可將有機肥料直接浸入土壤,但該機結構復雜且需特定場所存放處理液態有機肥[5];法國ProTwin 8150錘片式有機肥撒施機配有雙攪龍型式的肥料輸送裝置和錘片式的拋撒裝置,拋撒效果穩定,撒施效果好,但功耗較高。德國ZA-V型施肥機作業效率高并安裝有精準撒肥裝置和邊界自動識別傳感器,能夠精確控制撒肥幅寬,但肥料沿橫向和縱向分布不均勻;法國DPX Prima離心圓盤式撒肥機作業對象為高流動性有機肥,常需通過重疊作業保證拋撒均勻性[6]。國內施肥機械發展相對較晚,品種單一,且主要以引進和仿制為主[7]。濱州市農業科學院郝延杰等設計了一款精準有機肥施肥機,利用FPGA控制系統調節輸肥鏈板檔位、肥門開度和控制罩角度,實現了有機肥撒施量和幅寬調節;東北農業大學呂金慶等設計了一種錐盤式撒肥裝置,獲得了較合理撒肥盤轉速等參數;山東、上海的農機公司也均針對施肥機做了相關研究和開發創新。總體來看國內施肥機在工作效率和機器穩定性等方面有待提高[8]。

本文設計的一款自走式上肥撒施一體機,可智能調節施肥量和幅寬,能自主高效上肥、撒肥,實現無人駕駛作業,減輕了勞動強度,其智能高效、作業參數可變等特征符合農業機械化發展趨勢。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

自走式上肥撒施一體機主要由機架、上肥機構、分肥機構、稱重機構、輸肥機構、擋肥機構、拋撒機構等組成,如圖1所示。

圖1 整機結構Fig.1 Overall structure1.機架 2.上肥機構 3.分肥機構 4.稱重機構 5.輸肥機構 6.擋肥機構 7.拋撒機構

1.2 工作原理

作業時上肥機構在液壓缸作用下下降到與堆放肥料高度一致的位置,肥料經上肥機構喂入,在分肥機構絞龍旋轉作用下向肥箱前部左右兩側分配,輸肥機構將肥料向肥箱后部輸送,肥料裝滿后安裝在肥箱下的稱重系統可精確稱出肥料重量;道路運輸時,上肥機構在液壓缸作用下向上提升,避免施肥機行駛時與地面接觸;撒肥作業時,拋撒機構護罩在液壓缸作用下打開,撒肥圓盤和豎絞龍在液壓馬達作用下旋轉,肥料擋板在液壓缸作用下打開,輸肥機構將肥料向后移動,經擋板和肥箱底部形成的通道落至拋撒機構上被拋撒出去。自走式上肥撒施一體機設計參數如表1所示。

表1 設計參數Tab.1 Design parameters

2 關鍵部件設計

2.1 上肥機構

上肥機構如圖2所示,作為一種上料傳輸裝置是施肥機核心部件,其技術性能直接影響上肥效率,其結構由喂入裝置和升運裝置組成。

圖2 上肥機構Fig.2 Fertilizer collecting mechanism

2.1.1 喂入裝置

喂入裝置結構如圖3所示,其不僅可以起到肥料喂入作用,也可對肥料進行一次破碎。直、彎刀角度、排列方式及間距對肥料破碎均勻性和安裝輥動平衡有著直接影響,直刀、彎刀沿葉片進行間隔螺旋安裝,軸向方向繞圓周均勻排列。葉片材質要有較高的彈性極限、屈服強度和疲勞強度,其螺旋焊接至安裝輥上隨輥高速旋轉,材料選用65Mn,厚度為6 mm;安裝輥材料為Q235A;安裝至葉片上的直刀和彎刀隨輥高速旋轉切割肥料,其材質需有比普通鋼更高的強度和抗變形能力,材料選用45#鋼。螺旋外徑D設計為400 mm,螺距為90%D,即360 mm,根據公式

圖3 喂入裝置Fig.3 Feeding device1.側板 2.葉片 3.安裝輥 4.彎刀 5.直刀 6.弧形板 7.軸承座

Q=47D2φsnΩc

(1)

式中：φ——充滿系數,取0.3;

s——螺距,m;

n——螺旋轉速,r/min;

Ω——物料容量,t/m3;

c——傾斜輸送修正系數,水平輸送取c=1.0。

按最大輸送量Q取400 kg/min計算,可得n=32.8 r/min,取螺旋最大轉速n=35 r/min。

2.1.2 升運裝置

升運裝置結構如圖4所示,對升運裝置來說,影響性能的因素主要是輸送速度v和輸送槽規格,即刮板高度H和寬度B,輸送速度快,刮板對肥料沖擊大,輸送不穩定,輸送速度過慢,容易產生肥料堆集造成堵塞,輸送槽過窄、過淺,都會導致肥料卡死,造成故障或損失。刮板大多數為矩形或梯形,高度H約為寬度B的1/4～1/2,刮板間隔距離L約為刮板高度的3～6倍。

圖4 升運裝置Fig.4 Lifting the transport unit1.從動鏈輪 2.升運器托架體焊合 3.刮板 4.托板 5.升運器體焊合 6.齒輪油泵 7.傳動鏈條 8.主動鏈輪

計算時按地塊長度800 m、有效撒肥幅寬8 m、施肥量按4 000 kg/hm2,加一次肥料可滿足兩個往返撒肥量要求,肥箱容積

(2)

(3)

式中：M——施肥量,kg/hm2;

N——施肥幅寬,m;

L——撒施距離,m;

γ——充滿系數,壓實狀態取值0.7～0.9,非壓實狀態取值0.5～0.7;

η——肥料密度,kg/m3,壓實狀態取值600～800 kg/m3,非壓實狀態取值200～500 kg/m3;

P——刮板輸送器的生產率,kg/h;

t——上料時間,min。

(4)

式中：ρ——輸送物料的密度,kg/m3,有機肥的堆積密度取700 kg/m3;

ψg——刮板輸送器的充滿系數,當鏈速度v為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s時,ψg分別為0.97、0.92、0.85和0.75;

Kg——刮板輸送器的傾斜系數,當輸送器與水平夾角α為10°、20°、30°、45°、60°、75°和90°時,Kg相應為0.85、0.65、0.5、0.4、0.3、0.25和0.15。

根據式(2)確定肥箱容積V=11 m3;根據式(3)設定每次上料時間t=30 min時刮板輸送生產率P≈257 kg/min;依據升運器殼體內部空間、刮板安裝尺寸并結合表2數據,選擇一組較為合適的刮板寬度B=280 mm,刮板高度H=80 mm;根據式(4)計算出的肥料輸送速度v約為0.72 m/s。

表2 輸送肥料常用的刮板尺寸表Tab.2 Test data of experimental factors

2.2 輸肥機構

輸肥機構結構如圖5所示,鏈條選用高強度圓環鏈形式,鏈條工作過程中主要受到肥料和刮板鏈條重力產生的摩擦力,因此需要對其進行強度校核。肥料輸送方式為水平輸送,輸送阻力受力如圖6所示。

圖5 輸肥機構Fig.5 Fertilizer transport mechanism1.鏈輪 2.傳動鏈條 3.刮肥板 4.托板 5.傳動軸

圖6 受力分析Fig.6 Force analysis

圖7 稱重機構Fig.7 Weighing quality mechanism1.稱重組件 2.稱肥板 3.刮肥板 4.擺線馬達 5.稱重傳感器 6.稱重板 7.稱重軸 8.稱重座 9.分肥絞龍

輸送裝置上有機肥的總質量

m1=ρV0

(5)

式中：V0——肥箱裝滿時肥料體積,m3。

刮板運輸裝置基本運行阻力

Wf=(m1f1+m0f2)g

(6)

式中：m0——刮板鏈條總質量,kg;

m1——滿載時輸送裝置上的物料質量,kg;

f1——物料與底板的摩擦因數;

f2——刮板鏈條與底板的摩擦因數。

刮板輸送裝置的總阻力

W=ωfWf

(7)

式中：ωf——附加阻力系數。

刮板規格和數量已知,輸送長度可查表計算,長度為4.7 m時,刮板和圓環鏈的總質量m0為123.2 kg。當肥箱裝滿時,體積為V0=11 m3,肥料的堆積密度為700 kg/m3,肥料總質量為7 700 kg,計算得Wf=45.76 kN,刮板輸送的總阻力W=48.07 kN。

安全系數

(8)

式中：λ——鏈條負荷不均勻系數;

Sp——鏈條破斷拉力,kN;

i——鏈條股數;

Sm——承受最大牽引力,kN。

選擇的鏈條破斷拉力138.6 kN,股數為2,承受的最大牽引力為48.07 kN,經計算的安全系數約為5.18,能夠滿足強度要求。

2.3 稱重機構

稱重機構結構見如7所示,肥料重量顯示在顯示屏上。稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置,當肥料重量超過所設定的重量時,稱重傳感器將信號傳至報警器,從而引起報警器報警。

2.4 拋撒機構

拋撒機構結構如圖8所示。豎直絞龍葉片上設有多個半圓形凹口并安裝有多組切割刀,在進行撒施作業時護罩在液壓缸作用下打開一定角度,拋撒圓盤和豎直絞龍在柱塞馬達的驅動下旋轉,將輸送至拋撒圓盤上的肥料均勻拋撒出去,在肥料落地前,絞龍葉片及其切割刀也能對飛濺的肥料進行二次破碎。

圖8 拋撒機構Fig.8 Fertilizer throwing and spreading mechanism1.豎直絞龍 2.護罩 3.支撐側板 4.護罩開啟油缸 5.肥門升降油缸 6.支撐輥 7.拋撒圓盤

2.4.1 拋撒圓盤

拋撒圓盤如圖9所示,作用是將散落到其上的肥料拋撒出去,防止肥料漏下來形成局部堆積[9-11]。拋撒圓盤直徑越大,肥粒拋出的速度就越大,撒肥距離越遠,撒肥幅寬與拋撒圓盤直徑呈正比關系。

圖9 拋撒圓盤Fig.9 Fertilizer throwing and spreading disc

拋出的有機肥初始速度

vi=ωiri

(9)

式中：ri——肥粒與圓盤中心的距離;

ωi——距圓盤旋轉中心為ri處肥粒旋轉角速度。

對于大田施肥來說,撒肥幅寬越大越好,但是受限于撒肥機尺寸,拋撒圓盤直徑設計為890 mm。當肥粒拋出點與初速度一定時上拋肥粒落點距離大于平拋或下拋,故將圓盤面與地面成一定角度以使肥料呈拋物線狀拋出。拋撒圓盤與地面的角度設計為9°,見圖10。

圖10 拋撒角度Fig.10 Schematic diagram of throwing angle

2.4.2 豎直絞龍

豎直絞龍結構如圖11所示,其安裝的螺旋葉片是拋肥的關鍵部件,可將肥料向上輸送,葉片上安裝撥肥板可將肥料進行第二次破碎。為使螺旋葉片輸送時掉落的肥料全部撒落到拋撒圓盤上,螺旋葉片的外輪廓尺寸需要小于拋撒圓盤的最大直徑[12-13],為保證撒肥幅寬,螺旋葉片的直徑也不能太小,該機螺旋葉片直徑設計為875 mm,葉片鋼材選用65Mn,厚度為6 mm,螺旋葉片安裝輥直徑為135 mm,材料為Q235A的鋼管,撥肥板材料選用45#鋼。

圖11 豎直絞龍Fig.11 Vertical auger1.拋撒盤 2.拋撒板 3.撥肥板 4.螺旋葉片

為增加有機肥的破碎效果,豎直絞龍螺旋葉片被均布的半圓反向切割,形成能夠對大塊肥料進行二次切割的刀狀缺口。螺旋葉片的俯視結構如圖12所示,肥料被二次切割示意圖如圖13所示。

圖12 螺旋葉片Fig.12 Spiral blade

圖13 切割肥料Fig.13 Chopped fertilizer

3 拋撒試驗與分析

自走式上肥撒施一體機肥料拋撒試驗在某合作社進行,試驗場地選擇水泥地面,寬度約10 m,長度取800 m,無風環境;試驗物料選用發酵牛糞。試驗因變量是施肥量、施肥幅寬、施肥速度,影響因變量因素中,定量因素為拋撒圓盤與水平地面傾斜角度,為9°;自變量因素為行駛檔位,輸肥鏈板檔位,控肥閘門開度,護罩開啟角度,豎直絞龍轉速。若設計全面試驗法,工作量太大,且數據統計繁雜,考慮采用正交法[14],在試驗因素確定后,根據試驗目的、實際情況綜合考慮每個試驗因素變化范圍并設置各因素取相同的水平數,結合試驗工作量的大小按照五因素四水平選用L32(49)來完成本次正交試驗,見表3。

表3 多因素組合試驗Tab.3 Multifactor combination test

當大田土壤基質中有機質含量達到4%～5%時,每年只需補充有機質礦化而消耗的數量,一般土壤有機質含量約為166.2 t/hm2,土壤的年礦化率為1%左右,每年應補充1.662 t/hm2。按有機肥中有機質含量55%計算,則每公頃土壤施肥量為1.662÷55%≈3 t;參考農技人員經驗,施肥機撒肥幅寬6～8 m時,撒肥均勻度好,肥料覆蓋面廣,撒肥效率高,能夠較好滿足大田施肥要求,從表3施肥量、施肥幅寬兩列數據中可見,序號2、3、4、5、8、10、12、19、20、23、24、26、28、31的拋撒試驗組均能夠滿足大田施肥要求?，F按照大田撒肥施肥量3 000 kg/hm2、施肥幅寬7 m,選取序號4、24、26、31的拋撒試驗組取樣分析并計算變異系數。施肥機行駛方向為縱向,用取樣框沿縱向等間距取樣9處,選取9組縱向樣本數據;幅寬方向為橫向,從中間向兩側等間距取樣35處,選取35組橫向樣本數據?？v向取樣數據見表4,橫向取樣數據見表5。

表4 大田施肥拋撒試驗縱向取樣數據Tab.4 Longitudinal sampling data of field fertilization and scattering experiment

表5 大田施肥拋撒試驗橫向取樣數據Tab.5 Transverse sampling data of field fertilization and scattering experiment

從表4可以看出,質量分布波動較小,即在沿施肥機前進方向上,肥料撒施比較均勻;從表5可以看出,中間質量最大,越遠離施肥機的兩側質量越小,且以施肥機中軸線呈近似對稱分布;縱、橫兩方向撒肥質量分布說明了該施肥機工作平穩,不存在間斷性拋撒等異常狀況。

變異系數[15-16]計算公式如式(10)所示,計算結果見表6。

表6 施肥量變異系數Tab.6 Coefficient of variation in fertilization amount

(10)

(11)

(12)

式中：a——施肥均勻度變異系數;

s——標準差;

X——收集器的數量;

xi——每個收集器中收集的肥料量;

從表6可以看出,第4組試驗縱向變異度系數為14.6%,橫向變異度系數為30.3%;第24組試驗縱向變異度系數為15.5%,橫向變異度系數為32.2%;第26組試驗縱向變異度系數為15.3%,橫向變異度系數為31.6%;第31組試驗縱向變異度系數為15.4%,橫向變異度系數為31.8%;按大田施肥3 000 kg/hm2、幅寬7 m選取的四組試驗取樣變異系數計算結果均小于GB/T25401—2010規定的40%,表明該施肥機撒肥時縱向前進方向工作平穩,橫向幅寬方向拋撒均勻,其技術參數能夠滿足大田施肥要求。

4 結論

1) 創新設計了上肥機構,能夠自主上肥且輸肥均勻穩定;整機采用自走式設計,能夠快速轉場,作業效率高;集成的北斗導航系統實現無人駕駛,減輕了勞動強度。

2) 實現了施肥量和施肥幅寬有效調節,通過設置輸肥鏈板速度、控肥閘門開度、護罩開啟角度、豎絞龍轉速不同參數組合,可變撒施量1 000～4 000 kg/hm2,幅寬范圍4～7.5 m。

3) 按施肥量3 000 kg/hm2、撒施幅寬7 m做拋撒試驗,結果顯示：撒施均勻性好,縱向施肥變異系數約為15%,橫向施肥變異系數約為30%,滿足國家標準相應標準,施肥機能夠滿足大田施肥作業要求。