果園廄肥與顆粒肥混施機的設計與試驗

鄧越云,蒙賀偉,戚江濤,牛 揚,李佳豪

(石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆憑借特有的光熱條件與地域氣候優勢,已經成為我國重要的“西域大果園”[1]。截至2019年底,全疆果園種植面積達935.4khm2[2],林果業已成為新疆農村經濟發展和農民持續增收的支柱性產業。肥料作為林果的“糧食”,在林果業生產中擔當著重要的角色,是提高林果產量的關鍵。其中,廄肥可以增加土壤養分含量,改良土壤結構,改變土壤鹽堿性[3-4];顆粒肥具有養分含量高、肥效快、增產效果顯著等優點,缺點是養分單一、一般不含有機質、長期單一使用會破壞土壤理化性狀[5]。因此,需要合理施加廄肥與顆粒肥,以促進林果產業的高效、快速發展。

針對開溝施肥機械的研究,發達國家起步較早,農機與農藝結合較好,果園的標準化程度高,現階段其果園開溝施肥作業現代化水平也很高[6]。Saeya 等基于超聲波傳感器研制了一種施肥深度可以自動化控制的系統[7-8]。美國DIRCH WITCH公司生產了徒步式小型開溝機、緊湊式載人開溝機、重型開溝機等,且開發了溝深自動監測系統,能夠實現對溝深的精準控制[9]。VERMEER公司生產的RT130鏈式開溝機,最大開溝深度可達914 mm,采用液壓驅動系統,不僅能夠有效延長機具壽命,還可以有效提高作業效率;此外,該公司的RTX750開溝機還配備了計算機輔助控制系統,能夠自動根據作業狀況改變進刀量、調整開溝角度、躲避障礙物等[10]。上述結果顯示,國外開溝機具有專業化、系列化、標準化、多樣化等特點,但國外開溝機的通用性不強,只具有開溝單項功能,且開溝機型比較龐大,不適用于我國的果園作業。

國內郭振華等研制的后懸掛式果園開溝施肥覆土機,主要用于施加顆粒肥,具有操作方便、結構簡單等特點[11]。康建明等研制的圓盤式果園開溝施肥機,可實現開溝、施肥的聯合作業,滿足開溝深施肥要求[12]。祝勇仁開發了集開溝、施肥、覆土于一體的開溝深施肥機,具有溝型規范、拋土均勻、回土平整、開溝深淺可調等優點[13]。趙潤良等設計了一種葡萄綜合施肥機,機組在前進的同時完成開溝、施肥及覆土連續作業[14]。孫茂森等采用圓盤旋轉銑拋的開溝方式,利用液壓控制系統對開溝深度實時調整,其作業深度可達50cm[15]。何義川等研制出了2FK-40型果園開溝施肥機,工作速度為1.6km/h,開溝深度和施肥量能根據需要來調節,作業穩定性好,滿足果園施肥作業要求[16]。

綜上所述,現階段果園廄肥施加機械大部分能夠實現開溝、施肥、覆土一體化作業,但針對廄肥與顆粒肥混合施加的機具研究較少。為此,結合新疆林果種植模式以及施肥作業要求,設計了一種果園廄肥與顆粒肥混施機,可在葡萄園、棗園中一次性完成圓盤開溝、組合強制排肥、廄肥與顆粒肥混施以及自導流覆土等工作,對提高施肥效率、降低勞動強度具有重要意義。

1 結構組成及工作原理

1.1 整機結構

果園廄肥與顆粒肥混施機可在葡萄園、棗園中一次性完成圓盤開溝、組合強制排肥、廄肥與顆粒肥混施以及自導流覆土等工作,減少了混施機進地次數,降低了對葡萄園、棗園的破壞程度。其主要由開溝覆土裝置、顆粒肥排肥裝置、廄肥排肥裝置、螺旋攪龍排肥裝置、牽引裝置、傳動裝置以及機架等組成,如圖1所示。其中,開溝裝置主要由開溝圓盤、開溝刀、導流罩、刮土板組成,顆粒肥排肥裝置由顆粒肥箱、外槽輪排肥器、輸肥管等組成,刮板排肥裝置由排肥口開度調節板、刮板鏈條、刮板等組成,螺旋攪龍排肥裝置主要由攪龍槽、螺旋攪龍等組成。

1.排肥口開度調節板 2.廄肥箱 3.顆粒肥箱 4.外槽輪排肥器 5.液壓升降裝置 6.導流罩 7.牽引架 8.開溝圓盤 9.開溝刀 10.刮土板 11.顆粒肥輸肥管 12.螺旋攪龍 13.攪龍槽 14.機架 15.行走輪 16.刮板 17.刮板鏈條圖1 廄肥與顆粒肥混施機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the mixed applicator of barn manure and granular fertilizer

1.2 技術參數

果園廄肥與顆粒肥混施機主要技術參數如表1所示。

表1 機具主要技術參數Table 1 Main technical parameters of machine tools

1.3 工作原理

工作時,由拖拉機后輸出軸提供動力,動力由傳動裝置引入變速箱內,經變速后分別驅動圓盤開溝裝置、顆粒肥排肥裝置、刮板排肥裝置、螺旋排肥裝置工作。首先,圓盤開溝裝置在液壓升降裝置作用下緩慢下降,在距葡萄、紅棗根部50cm位置開溝;施肥裝置將廄肥與顆粒肥輸送至攪龍滾筒內,在螺旋葉片攪拌作用下對廄肥與顆粒肥進行混合、輸送,排施到開好的肥溝內;開溝裝置拋起的土壤在導流罩作用下,將溝內廄肥與顆粒肥覆蓋,完成開溝、施肥、覆土作業。

2 關鍵工作部件設計

2.1 開溝裝置設計

2.1.1開溝刀端點速度分析

開溝刀在某一時刻的絕對運動是由機具前行方向的速度與隨刀盤的旋轉速度兩種運動的矢量合成,如圖2所示。

1.土壤 2.開溝刀 3.刀架 4.刀軸注:R為開溝刀回轉半徑(mm),ω為開溝刀回轉角速度(rad/s),Vm為機具前進速度(m/s)。圖2 開溝刀運動示意圖Fig.2 Schematic diagram of ditching knife movement

取開溝刀端點為參考點,以刀軸中心為原點,建立直角坐標系。以x軸正方作為前進方向,并且圍繞軸線在正方向上進行旋轉運動,軌跡如圖3 所示。

注:R為開溝刀盤回轉半徑(mm),ω為開溝刀回轉角速度(rad/s),Vm為機具前進速度(m/s)。圖3 開溝刀端點的運動軌跡Fig.3 The trajectory of the end point of the grooving knife

開溝刀端點運動軌跡方程為

(1)

式中R—開溝刀盤回轉半徑(mm);

vm—機具前進速度(m/s);

ω—開溝刀回轉角速度(rad/s);

ωt—開溝刀的轉角(rad)。

開溝刀端點在任意時刻x軸與y軸分速度為

(2)

因此,開溝刀端點的絕對速度為

(3)

開溝刀通過螺栓固定在刀架上,每個刀架上安裝2把開溝刀,相鄰的兩個刀架為1組,整個開溝圓盤上均勻安裝5組,共計20把開溝刀,如圖4所示。

1.開溝刀 2.刀架 3.開溝圓盤圖4 刀盤結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of cutter head structure

2.1.2刀盤直徑設計

刀盤直徑較小會導致開溝深度不足,過大則會導致開溝功耗增加、運輸困難。刀盤直徑[17]計算公式為

D=(1.25～1.45)H

(4)

式中D—開溝刀盤直徑(cm);

H—開溝深度(cm)。

設計的開溝深度是不低于30cm,因此根據最大開溝深度可以確定刀盤直徑D=37.5～43.5cm。在充分考慮實際作業環境的基礎上,取D=40cm。刀盤材料為65Mn。為了減少土壤切削及拋撒功耗,保證旋轉刀具切土均勻且充分拋撒,綜合考慮作業空間和動力等因素,刀盤回轉直徑設計為80cm;根據施肥量及空間布局,確定開溝寬度為25cm。

2.2 螺旋攪龍排肥裝置參數確定

2.2.1螺旋葉片設計

螺旋葉片是混合排肥裝置的關鍵部件,其型式有實體螺旋面型、帶式螺旋面型以及葉片螺旋面型等。結合混合排肥裝置送肥量大的特性,采用實體螺旋面型螺旋葉片。螺旋葉片直徑的計算公式為[18]

(5)

式中D—螺旋葉片直徑(mm);

K—物料特性系數;

Q1—螺旋攪龍輸送能力(t/h);

Ψ—填充系數;

ρ—物料松散密度(t/m3);

C—傾角系數。

根據閱文獻[19]可得:輸送肥料的填充系數ψ=0.35,特性系數K=0.0490。根據田間試驗可得:攪龍排肥裝置的輸送能力為19.6t/h(根據廄肥與顆粒肥混施機的米施肥量、運行速度等計算)。由于攪龍排肥裝置水平放置,則傾角ρ=0°、傾角系數C=1.0。結合螺旋攪龍輸送效率以及輸送量等因素,將各值代入式(5),可得螺旋葉片直徑D=250mm。

2.2.2螺距

螺距是決定螺旋升角重要因素之一,同時對肥料運行的滑移面有重要影響,計算公式為

S=K1D

(6)

式中S—螺距(mm);

K1—螺距與螺旋葉片直徑的比例系數。

對于標準的螺旋輸送裝置[20],一般取K1=0.8～1.0。由于肥料流動性較好,取K1=0.8,則攪龍葉片螺距S=200mm。

2.3 刮板排肥裝置參數確定

2.3.1刮板間距

刮板間距是刮板排肥裝置的一個重要參數,刮板間距過大會導致肥料輸送不均勻,過小會導致傳動部件負載增加。刮板間距計算公式為

t=0.6B

(7)

式中t—刮板間距(mm);

B—刮板寬度,B>200mm。

結合葡萄園種植模式與施肥作業要求,適當調整刮板間距t=400mm。

2.3.2排肥口開度

結合葡萄種植施肥要求,刮板輸送量Q2應滿足Q2>Q1。刮板輸送量計算公式為[21-23]

Q2=3600Avφρ

(8)

(9)

式中Q2—刮板運輸量(t/h);

A—出肥口橫斷面積(m2);

v—鏈輪速度(m/s);

φ—裝滿系數,一般取φ=0.5～0.8;

ρ—肥料松散密度(t/m3);

n—鏈輪轉速(r/min);

r—鏈輪分度圓半徑(m)。

本文選取φ=0.5,n=20～30r/min,r=0.055m,計算得A≥0.063。

2.4 外槽輪排肥裝置參數確定

利用式(10)計算排肥器每轉排肥量[17],可根據不同施肥作業要求調節外槽輪開度,文中外槽輪凹槽斷面為圓弧形。

(10)

式中Q3—排肥器每轉排肥量(g/r);

d—外槽輪外徑(cm);

L—槽輪有效工作長度,即槽輪開度(cm);

γ—顆粒肥顆粒容重(g/cm3);

α0—肥料對外槽輪凹槽的充滿系數,與槽輪工作轉速有關;

fq—單個凹槽的截面積(cm2);

t—槽輪凹槽節距(cm),t=πd/z,z為槽數;

λ—帶動層特性系數;取λ=0.5。

fq計算公式為

(11)

式(11)中,α、θ以弧度計,sinα和sinθ的α、θ以度(°)計。α和θ的計算公式為

(12)

(13)

(14)

(15)

式中dg—槽輪根圓直徑(cm);

r—凹槽圓弧半徑(cm)。

本文選取d=5cm、L=5.5cm、γ=1.267g/cm3、z=6,dg=2.65cm、r=0.775cm、α0=0.75～0.85,計算得Q3=73.19～75.60g/r。

3 性能試驗與結果

3.1 試驗依據和試驗場地

果園廄肥與顆粒肥混施機樣機試制完成后,根據標準《DG/T 174-2019施肥機》《NY/T 1003-2006 施肥機械質量評價技術規范》,對其質量性能及技術指標在新疆生產建設兵團第一師十二連進行了檢測。土壤類型為砂性土壤,土壤堅實度為3.042MPa。

3.2 試驗內容及結果分析

3.2.1施肥深度試驗

廄肥與顆粒肥混施機作業時,施肥試驗距離為50m。考慮到刀具入土和出土時可能會造成誤差,前后10m范圍內不設置測量點。在兩個往返行程中各取3個測定區域,正對施肥行中心線的方位扒開土層,以施肥覆土后的地點為測量基準點,測量肥料至基準點的距離[合格施肥深度為(設計值±2)cm]。試驗過程如圖5所示,試驗結果如表2所示。

表2 施肥深度試驗數據Table 2 Test data of fertilization depth cm

施肥深度合格率計算公式為

(16)

式中α—施肥深度合格率;

Hh—施肥深度合格的點數;

H—測量點個數,H=30。

通過計算,3次行程的平均施肥深度值分別為34.69、31.96、32.06cm。施肥深度為(30±2)cm為合格值,所以施肥深度合格率為100%,測量結果滿足標準《NY/T 1003-2006 施肥機械質量評價技術規范》中施肥深度合格率不低于80%的要求。

3.2.2施肥量均勻性試驗

選擇平整、光滑的水泥地面,所選測區長度為10m,寬度覆蓋機具的1個工作幅寬,調整使排肥管口距離地面高度3～5cm。機具平穩行駛通過測區并排肥,沿機具前進方向按10cm長度連續等分不少于30段,分別收集掉落在各小段內的肥料并稱其質量,計算試驗數據的均勻性變異系數,判斷機具施肥量均勻性。試驗過程如圖6所示,試驗結果如表3所示。

表3 施肥量試驗數據表Table 3 Test data table of fertilization amount kg

圖6 施肥量均勻性試驗Fig.6 Uniformity test of fertilization amount

施肥量均勻性計算公式為

(17)

(18)

(19)

式中n—試驗次數;

xi—每次收集肥料的質量(kg);

x—施肥量的平均值(kg);

S—施肥量均勻性的標準差(kg);

V—施肥均勻性變異系數(%)。

經計算,果園廄肥與顆粒肥混施機的施肥量均勻性變異系數為8.64%,小于《NY/T 1003-2006施肥機械質量評價技術規范》中的規定值40%,滿足果園施肥使用要求。

3.2.3斷條率試驗

根據《DG/T 174-2019施肥機》,連續施肥測定斷條率。機具正常工作期間,長度在10cm以上的無肥料區段為斷條。測定5m內斷條數和斷條長度,計算斷條率,公式為

(20)

式中δd—斷條率;

k—斷條個數;

Li—第i個斷條長度(cm),i=1,2,3,...,k;

L—排肥總長度(cm)。

通過測定施肥均勻性試驗的測量區域,施肥斷條率為0,施肥斷條率試驗為合格。

3.2.4排肥量穩定性

將施肥機靜置于平整的場地上,機具處于正常工作狀態。將肥料收集器置于螺旋攪龍排肥口下方,測量10s內排出的肥料質量,進行5次。排肥質量試驗數據如表4所示。

表4 排肥質量試驗數據Table 4 Test data of fertilizer discharge quality

通過計算,果園廄肥與顆粒肥混施機的排肥量穩定性變異系數為5.48%,小于《NY/T 1003-2006施肥機械質量評價技術規范》中的規定值7.80%,滿足果園施肥使用要求。

4 結論

1)針對新疆林果施肥人工作業勞動強度大、效率低、現有機具功能單一等問題,設計了集開溝、覆土、組合式強制排肥、廄肥與顆粒肥混合施加等功能于一體的果園廄肥與顆粒肥混施機,并對機具關鍵關鍵部件進行設計,確定了圓盤開溝裝置、螺旋攪龍排肥裝置、刮板排肥裝置、外槽輪排肥裝置的結構參數。機具可以一次性完成開溝、施肥、覆土作業,減少了機具進入果園的次數,提高了施肥效率,降低了人工勞動強度。

2)試驗結果表明:施肥深度合格率為100%,施肥量均勻性變異系數為8.64%,排肥量穩定性變異系數為5.48%,斷條率為0。各項指標檢驗結果均符合國家標準,可為新疆果園肥料施加技術研究提供參考。