2FY-6型液態有機糞肥施肥機研制與試驗

2024-01-11 07:55:16張俊杰李霄鶴袁興茂么立申張西群焦海濤

農機化研究 2024年2期

張俊杰,李霄鶴,袁興茂,么立申,張西群,焦海濤

(河北省農業機械化研究所有限公司,石家莊 050051)

0 引言

隨著現代化技術的發展,散戶養殖正在逐漸被規模化養殖取代。以石家莊市欒城區河北鼎源牧業有限公司為例,其主要以奶牛養殖為主,奶牛數量800余頭,每日會產生大量的糞尿及清理的污水。養殖廢水主要包括部分糞尿、清洗廢水以及生活污水,每日排放約38.4m3,排放的廢水中有大量的氮、磷、有機物,是一種高濃度有機糞肥。民間流傳有“莊稼一枝花,全靠糞水來當家”的俗語,而糞水的回用率卻極低[1-7]。絕大多數養殖企業的養殖廢水未經無害化處理,直接排放入池塘或水渠,對土壤、水質、大氣造成污染,僅有極少部分被回用的養殖廢水也是通過大水漫灌方式用于農業灌溉中。造成養殖廢水亂排放、回用率低的原因:一是養殖廢水無害化處理成本較高,且費工費時;二是養殖廢水施用機械短缺[8-15],且施用量不均勻。因此,針對養殖廢水施用機械短缺及智能化程度低的問題,研制了一種液態有機糞肥施肥機。

1 液態有機糞肥施肥機的設計

液態有機糞肥施肥機由動力行走系統、貯肥裝置、糞水均分裝置、糞水開溝注射裝置及流量智能調控系統等組成,如圖1所示。

圖1 液態有機糞肥施肥機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of liquid organic manure fertilizer applicator

1.1 結構設計

液態有機糞肥施肥機采用四輪驅動工程汽車底盤,底盤上安裝貯肥裝置,貯肥裝置末端設有糞水均分裝置;糞水開溝施肥注射裝置位于汽車尾部,糞水均分裝置下方,通過軟管與糞水均分裝置連接。糞水開溝施肥注射裝置由懸掛裝置將其固定,懸掛裝置與施肥車后橋固定;貯肥罐以橢圓式結構安裝于底盤上,由螺栓固定;貯肥罐與汽車底盤之間排布管道,管道上設有電動注液控制閥、壓力表、流量計等;管道連接貯肥罐右側的泵體進液口與出液口,泵體轉動由發動機經取力器、傳動軸傳遞;流量智能調控系統設置在駕駛室內的儀表盤旁側,智控系統電源來源于施肥車蓄電池(24VDC);另外,駕駛室內還設有液位監視儀器,供駕駛員實時監測貯肥罐內液位情況。

1.2 工作原理

1)液態糞肥抽取:以糞污水泵為動力源,以施肥車蓄電池為智能控制系統電源,將液態有機糞肥施肥機靜置于養殖場的集水沉淀池旁;帶有過濾網的軟管置于沉淀池內,軟管另一端與液態有機糞肥施肥機糞肥進口連接;開啟流量智能調控系統中的吸肥開關,電動注液控制閥通電打開,同時發動機通過取力器將動力傳遞至糞污水泵,水泵轉動將糞水由沉淀池通過進肥口抽取至罐體內。

2)液態糞肥注射:將糞水運輸至田間開始作業時,開啟流量智能調控系統中的注射開關,將罐體內的糞水由水泵、連接注射管路的電動注液控制閥開啟后,通過糞水均分裝置將糞水均勻、定量地注射至各個開溝施肥器內,由開溝糞水開溝注射裝置開溝后注入田間。

2 主要工作部件設計

2.1 液態有機糞肥智能控制系統

控制系統為智能糞水注射裝備的核心,實現沉淀池內的糞水抽取與田間注射工作,由繼電器、開關、泵體、時間繼電器及注液控制閥等組成。控制系統工作原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of control system

由糞水沉淀池向儲存罐抽取糞水時,吸肥開關接通,吸肥開關通電,其連接一個正反開關,即左、右吸肥功能。右吸肥接通時,右1(電動注液控制閥)打開,糞水由此側電動調節閥流入,經過泵體、右2(電動注液控制閥)進入罐體內;左吸肥接通時,左2(電動注液控制閥)打開,糞水由此側電動調節閥流入,經過泵體、右2(電動注液控制閥)進入罐體內。

由存儲罐向田間注射糞水時,注射開關接通一個正反開關,即肥注射與肥循環功能。肥注射接通時,左1(電動注液控制閥)打開,糞水經過水泵、右3(電動注液控制閥)流入糞水均分裝置,由開溝施肥器注入田間;控制系統通過時間繼電器控制右3(電動注液控制閥)的開合程度,進行注肥流量調節。

由于糞水抽吸工作均在養殖場內的沉淀池進行,抽吸完畢后運輸至田間,為避免在運輸過程中糞水內的雜質沉淀,控制系統還設置了糞水攪拌功能。當需糞水攪拌時,接通注射開關,再接通肥循環,左1(電動注液控制閥)打開,糞水流經泵體、右2進入罐體內,使糞水流動混合,達到防止沉淀的目的。

2.2 糞水均分裝置

液態肥量均分機構包括錐形分流筒、余液貯存箱、肥液導流管及排肥管等,如圖3所示。

圖3 糞水均分器Fig. 3 Manure equalizer

其中,錐形分流筒呈圓錐形結構且內部中空,其錐面上設置有3排(每排大小相同)排肥孔。第1排排肥孔尺寸最小,第3排排肥孔尺寸最大。第1排與第2排排肥孔數量相同,與肥液導流管數量相同,數量均為9;第3排排肥孔數量為18。在錐形分流筒的內部設有與排肥孔連接的排肥管,第1、2排排肥管一一對應插入肥液導流管內,第3排相鄰兩個排肥管插入相近的肥液導流管內。錐形分流筒底部與余液貯存箱底部密封固定,其頂部與液體排肥管密封連接,當肥液流入貯存箱內時,肥液從錐形表面留下時,由一排排的排肥孔流入排肥管內,未流入排肥孔的剩余肥液留存至貯存箱內,當其肥液高度大于錐形表面上的排肥孔時,再由排肥孔內流出。在余液貯存箱底部設置觀察口,用于觀測、調整排肥管。

2.3 罐體及管路設計

罐體設計為長2.9m、寬1.78m、高1.3m方形(四角圓弧)罐體,罐體頂端設有人孔(直徑450mm),同時人孔也可以作為糞水的進入口,人孔蓋采用電動形式開合,如圖4所示。罐體較長,抽取糞水后需運輸,內設防浪板以避免液體晃動對車體造成的不穩定問題。

圖4 罐體與防浪板結構圖Fig.4 Structure Diagram of tank and wave board

罐體底部中間的最前端設置排肥觀察口,用于停機工作后排出罐體內剩余的糞水;出肥口、進肥口在尾端開設孔用于管路穿過罐體內部連接尾部的糞水均分肥裝置,有利于縮短施肥機整體長度。管路布局(見圖5)為:罐體兩側設置糞水抽取口接頭,兩側接頭通過直管連接(其為管路1),在抽水口接頭端均設置電動注液控制閥,緊鄰右側電動注液控制閥(有水泵的一側)設置一條管路(管路2)連接水泵頂端接口;水泵另一端口接通兩路管路,管路3連接罐體底部進肥口,在此管路上設置電動注液控制閥;管路4由罐體底部穿過罐體內,延伸至液態糞水均勻裝置,此管路上設置流量計和電動注液控制閥;罐體左側抽水口電動注液控制閥內側設置管路5,其一端連通管路一,另一端延伸至罐體底部的出肥口,且此管路上設置電動注液控制閥。

圖5 管路旁側與底部排布圖Fig.5 Side and bottom layout of pipeline

1.電動執行機構 2.閥板 3.閥體圖6 電動注液控制閥結構圖Fig.6 Electric injection control valve structure diagram

向罐體內抽取糞水時,電動注液控制閥打開,糞水流經管路1、管路2進入水泵,再流經管路3、電動注液控制閥進入罐體內;由罐體向田間注射施肥時,電動注液控制閥打開,糞水流經管路5、管路1、管路2進入水泵,再經水泵另一端口、管路4、流量計、電動注液控制閥至糞水均分肥裝置內注入田間。考慮到運輸時糞水中雜質易沉淀,增設了糞水混合攪拌路線:糞水由出肥口流出,經管路5、電動注液控制閥、管路1、管路2進入水泵,再經水泵另一端口流經管路3、電動注液控制閥進入罐體底部的進肥口,實現糞水在罐體內循環。

2.4 取力器設計

首先,取力器輸出轉速應滿足水泵的轉速要求;其次,取力方式應快捷、方便,同時需滿足水泵旋向要求;最后,取力器位置應有利于整機傳動排布。水泵參數如表1所示。

表1 水泵參數Table 1 Pump parameters

經測試,發動機輸出軸轉速為982r/min(范圍值),水泵轉速在960r/min左右為水泵運行的最佳狀態。為滿足水泵額定轉速要求,需設計一款傳動比在發動機與水泵轉速之比范圍內的取力器,即

i=n泵/n發

式中n泵-水泵額定轉速;

n發-發動機輸出軸轉速。

由此計算出傳動比i在0.81～1.02范圍內。

由于發動機轉速高于泵體最佳轉速為960r/min,故取力器的傳動比i取0.98較為適宜。取力器與發動機變速箱末端齒輪嚙合,發動機變速箱末端齒輪齒數為32齒,取力器與發動機末端齒輪嚙合齒輪齒數為32,輸出軸齒輪為31齒,由此計算取力器傳動比i為0.97,水泵轉速為952.54r/min,此值較為接近水泵轉速的最佳狀態。

2.5 電動注液控制閥的選擇

該機具采用電動法蘭軟密封蝶閥(見圖4),其由電動執行機構、閥體、閥板與密封材料組成,執行器電源為DC24V,電機功率13W,輸出力矩50N·m,動作時間為25s,轉動角度為0°～(90°±5°),能夠滿足管路內糞水的啟閉要求。

2.6 液位儀的選擇

在注射施肥作業過程中,駕駛員要觀察機具前的作業條件,不方便觀察身后的糞水液位狀態,為防止糞水流干造成泵體空轉、損壞,需要安裝液位儀檢測糞水高度。由于糞水具有腐蝕性,首選耐腐蝕的不銹鋼材質;工作、運輸時糞水晃動,漂浮式結構簡單,但其檢測液位高度精度差,故采用投入式液位變送器,其通過壓力反映液位高度,精度較高。

QDY30A-JX液位變送器檢測液位高度到達所設上限液位、下限液位均有上、下限報警提示,具體參數如表2所示。