果园厩肥与颗粒肥混施机的设计与试验

邓越云,蒙贺伟,戚江涛,牛 扬,李佳豪

(石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆凭借特有的光热条件与地域气候优势,已经成为我国重要的“西域大果园”[1]。截至2019年底,全疆果园种植面积达935.4khm2[2],林果业已成为新疆农村经济发展和农民持续增收的支柱性产业。肥料作为林果的“粮食”,在林果业生产中担当着重要的角色,是提高林果产量的关键。其中,厩肥可以增加土壤养分含量,改良土壤结构,改变土壤盐碱性[3-4];颗粒肥具有养分含量高、肥效快、增产效果显著等优点,缺点是养分单一、一般不含有机质、长期单一使用会破坏土壤理化性状[5]。因此,需要合理施加厩肥与颗粒肥,以促进林果产业的高效、快速发展。

针对开沟施肥机械的研究,发达国家起步较早,农机与农艺结合较好,果园的标准化程度高,现阶段其果园开沟施肥作业现代化水平也很高[6]。Saeya 等基于超声波传感器研制了一种施肥深度可以自动化控制的系统[7-8]。美国DIRCH WITCH公司生产了徒步式小型开沟机、紧凑式载人开沟机、重型开沟机等,且开发了沟深自动监测系统,能够实现对沟深的精准控制[9]。VERMEER公司生产的RT130链式开沟机,最大开沟深度可达914 mm,采用液压驱动系统,不仅能够有效延长机具寿命,还可以有效提高作业效率;此外,该公司的RTX750开沟机还配备了计算机辅助控制系统,能够自动根据作业状况改变进刀量、调整开沟角度、躲避障碍物等[10]。上述结果显示,国外开沟机具有专业化、系列化、标准化、多样化等特点,但国外开沟机的通用性不强,只具有开沟单项功能,且开沟机型比较庞大,不适用于我国的果园作业。

国内郭振华等研制的后悬挂式果园开沟施肥覆土机,主要用于施加颗粒肥,具有操作方便、结构简单等特点[11]。康建明等研制的圆盘式果园开沟施肥机,可实现开沟、施肥的联合作业,满足开沟深施肥要求[12]。祝勇仁开发了集开沟、施肥、覆土于一体的开沟深施肥机,具有沟型规范、抛土均匀、回土平整、开沟深浅可调等优点[13]。赵润良等设计了一种葡萄综合施肥机,机组在前进的同时完成开沟、施肥及覆土连续作业[14]。孙茂森等采用圆盘旋转铣抛的开沟方式,利用液压控制系统对开沟深度实时调整,其作业深度可达50cm[15]。何义川等研制出了2FK-40型果园开沟施肥机,工作速度为1.6km/h,开沟深度和施肥量能根据需要来调节,作业稳定性好,满足果园施肥作业要求[16]。

综上所述,现阶段果园厩肥施加机械大部分能够实现开沟、施肥、覆土一体化作业,但针对厩肥与颗粒肥混合施加的机具研究较少。为此,结合新疆林果种植模式以及施肥作业要求,设计了一种果园厩肥与颗粒肥混施机,可在葡萄园、枣园中一次性完成圆盘开沟、组合强制排肥、厩肥与颗粒肥混施以及自导流覆土等工作,对提高施肥效率、降低劳动强度具有重要意义。

1 结构组成及工作原理

1.1 整机结构

果园厩肥与颗粒肥混施机可在葡萄园、枣园中一次性完成圆盘开沟、组合强制排肥、厩肥与颗粒肥混施以及自导流覆土等工作,减少了混施机进地次数,降低了对葡萄园、枣园的破坏程度。其主要由开沟覆土装置、颗粒肥排肥装置、厩肥排肥装置、螺旋搅龙排肥装置、牵引装置、传动装置以及机架等组成,如图1所示。其中,开沟装置主要由开沟圆盘、开沟刀、导流罩、刮土板组成,颗粒肥排肥装置由颗粒肥箱、外槽轮排肥器、输肥管等组成,刮板排肥装置由排肥口开度调节板、刮板链条、刮板等组成,螺旋搅龙排肥装置主要由搅龙槽、螺旋搅龙等组成。

1.排肥口开度调节板 2.厩肥箱 3.颗粒肥箱 4.外槽轮排肥器 5.液压升降装置 6.导流罩 7.牵引架 8.开沟圆盘 9.开沟刀 10.刮土板 11.颗粒肥输肥管 12.螺旋搅龙 13.搅龙槽 14.机架 15.行走轮 16.刮板 17.刮板链条图1 厩肥与颗粒肥混施机结构示意图Fig.1 Structure diagram of the mixed applicator of barn manure and granular fertilizer

1.2 技术参数

果园厩肥与颗粒肥混施机主要技术参数如表1所示。

表1 机具主要技术参数Table 1 Main technical parameters of machine tools

1.3 工作原理

工作时,由拖拉机后输出轴提供动力,动力由传动装置引入变速箱内,经变速后分别驱动圆盘开沟装置、颗粒肥排肥装置、刮板排肥装置、螺旋排肥装置工作。首先,圆盘开沟装置在液压升降装置作用下缓慢下降,在距葡萄、红枣根部50cm位置开沟;施肥装置将厩肥与颗粒肥输送至搅龙滚筒内,在螺旋叶片搅拌作用下对厩肥与颗粒肥进行混合、输送,排施到开好的肥沟内;开沟装置抛起的土壤在导流罩作用下,将沟内厩肥与颗粒肥覆盖,完成开沟、施肥、覆土作业。

2 关键工作部件设计

2.1 开沟装置设计

2.1.1开沟刀端点速度分析

开沟刀在某一时刻的绝对运动是由机具前行方向的速度与随刀盘的旋转速度两种运动的矢量合成,如图2所示。

1.土壤 2.开沟刀 3.刀架 4.刀轴注:R为开沟刀回转半径(mm),ω为开沟刀回转角速度(rad/s),Vm为机具前进速度(m/s)。图2 开沟刀运动示意图Fig.2 Schematic diagram of ditching knife movement

取开沟刀端点为参考点,以刀轴中心为原点,建立直角坐标系。以x轴正方作为前进方向,并且围绕轴线在正方向上进行旋转运动,轨迹如图3 所示。

注:R为开沟刀盘回转半径(mm),ω为开沟刀回转角速度(rad/s),Vm为机具前进速度(m/s)。图3 开沟刀端点的运动轨迹Fig.3 The trajectory of the end point of the grooving knife

开沟刀端点运动轨迹方程为

(1)

式中R—开沟刀盘回转半径(mm);

vm—机具前进速度(m/s);

ω—开沟刀回转角速度(rad/s);

ωt—开沟刀的转角(rad)。

开沟刀端点在任意时刻x轴与y轴分速度为

(2)

因此,开沟刀端点的绝对速度为

(3)

开沟刀通过螺栓固定在刀架上,每个刀架上安装2把开沟刀,相邻的两个刀架为1组,整个开沟圆盘上均匀安装5组,共计20把开沟刀,如图4所示。

1.开沟刀 2.刀架 3.开沟圆盘图4 刀盘结构示意图Fig.4 Schematic diagram of cutter head structure

2.1.2刀盘直径设计

刀盘直径较小会导致开沟深度不足,过大则会导致开沟功耗增加、运输困难。刀盘直径[17]计算公式为

D=(1.25～1.45)H

(4)

式中D—开沟刀盘直径(cm);

H—开沟深度(cm)。

设计的开沟深度是不低于30cm,因此根据最大开沟深度可以确定刀盘直径D=37.5～43.5cm。在充分考虑实际作业环境的基础上,取D=40cm。刀盘材料为65Mn。为了减少土壤切削及抛撒功耗,保证旋转刀具切土均匀且充分抛撒,综合考虑作业空间和动力等因素,刀盘回转直径设计为80cm;根据施肥量及空间布局,确定开沟宽度为25cm。

2.2 螺旋搅龙排肥装置参数确定

2.2.1螺旋叶片设计

螺旋叶片是混合排肥装置的关键部件,其型式有实体螺旋面型、带式螺旋面型以及叶片螺旋面型等。结合混合排肥装置送肥量大的特性,采用实体螺旋面型螺旋叶片。螺旋叶片直径的计算公式为[18]

(5)

式中D—螺旋叶片直径(mm);

K—物料特性系数;

Q1—螺旋搅龙输送能力(t/h);

Ψ—填充系数;

ρ—物料松散密度(t/m3);

C—倾角系数。

根据阅文献[19]可得:输送肥料的填充系数ψ=0.35,特性系数K=0.0490。根据田间试验可得:搅龙排肥装置的输送能力为19.6t/h(根据厩肥与颗粒肥混施机的米施肥量、运行速度等计算)。由于搅龙排肥装置水平放置,则倾角ρ=0°、倾角系数C=1.0。结合螺旋搅龙输送效率以及输送量等因素,将各值代入式(5),可得螺旋叶片直径D=250mm。

2.2.2螺距

螺距是决定螺旋升角重要因素之一,同时对肥料运行的滑移面有重要影响,计算公式为

S=K1D

(6)

式中S—螺距(mm);

K1—螺距与螺旋叶片直径的比例系数。

对于标准的螺旋输送装置[20],一般取K1=0.8～1.0。由于肥料流动性较好,取K1=0.8,则搅龙叶片螺距S=200mm。

2.3 刮板排肥装置参数确定

2.3.1刮板间距

刮板间距是刮板排肥装置的一个重要参数,刮板间距过大会导致肥料输送不均匀,过小会导致传动部件负载增加。刮板间距计算公式为

t=0.6B

(7)

式中t—刮板间距(mm);

B—刮板宽度,B>200mm。

结合葡萄园种植模式与施肥作业要求,适当调整刮板间距t=400mm。

2.3.2排肥口开度

结合葡萄种植施肥要求,刮板输送量Q2应满足Q2>Q1。刮板输送量计算公式为[21-23]

Q2=3600Avφρ

(8)

(9)

式中Q2—刮板运输量(t/h);

A—出肥口横断面积(m2);

v—链轮速度(m/s);

φ—装满系数,一般取φ=0.5～0.8;

ρ—肥料松散密度(t/m3);

n—链轮转速(r/min);

r—链轮分度圆半径(m)。

本文选取φ=0.5,n=20～30r/min,r=0.055m,计算得A≥0.063。

2.4 外槽轮排肥装置参数确定

利用式(10)计算排肥器每转排肥量[17],可根据不同施肥作业要求调节外槽轮开度,文中外槽轮凹槽断面为圆弧形。

(10)

式中Q3—排肥器每转排肥量(g/r);

d—外槽轮外径(cm);

L—槽轮有效工作长度,即槽轮开度(cm);

γ—颗粒肥颗粒容重(g/cm3);

α0—肥料对外槽轮凹槽的充满系数,与槽轮工作转速有关;

fq—单个凹槽的截面积(cm2);

t—槽轮凹槽节距(cm),t=πd/z,z为槽数;

λ—带动层特性系数;取λ=0.5。

fq计算公式为

(11)

式(11)中,α、θ以弧度计,sinα和sinθ的α、θ以度(°)计。α和θ的计算公式为

(12)

(13)

(14)

(15)

式中dg—槽轮根圆直径(cm);

r—凹槽圆弧半径(cm)。

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

3 性能试验与结果

3.1 试验依据和试验场地

果园厩肥与颗粒肥混施机样机试制完成后,根据标准《DG/T 174-2019施肥机》《NY/T 1003-2006 施肥机械质量评价技术规范》,对其质量性能及技术指标在新疆生产建设兵团第一师十二连进行了检测。土壤类型为砂性土壤,土壤坚实度为3.042MPa。

3.2 试验内容及结果分析

3.2.1施肥深度试验

厩肥与颗粒肥混施机作业时,施肥试验距离为50m。考虑到刀具入土和出土时可能会造成误差,前后10m范围内不设置测量点。在两个往返行程中各取3个测定区域,正对施肥行中心线的方位扒开土层,以施肥覆土后的地点为测量基准点,测量肥料至基准点的距离[合格施肥深度为(设计值±2)cm]。试验过程如图5所示,试验结果如表2所示。

表2 施肥深度试验数据Table 2 Test data of fertilization depth cm

施肥深度合格率计算公式为

(16)

式中α—施肥深度合格率;

Hh—施肥深度合格的点数;

H—测量点个数,H=30。

通过计算,3次行程的平均施肥深度值分别为34.69、31.96、32.06cm。施肥深度为(30±2)cm为合格值,所以施肥深度合格率为100%,测量结果满足标准《NY/T 1003-2006 施肥机械质量评价技术规范》中施肥深度合格率不低于80%的要求。

3.2.2施肥量均匀性试验

选择平整、光滑的水泥地面,所选测区长度为10m,宽度覆盖机具的1个工作幅宽,调整使排肥管口距离地面高度3～5cm。机具平稳行驶通过测区并排肥,沿机具前进方向按10cm长度连续等分不少于30段,分别收集掉落在各小段内的肥料并称其质量,计算试验数据的均匀性变异系数,判断机具施肥量均匀性。试验过程如图6所示,试验结果如表3所示。

表3 施肥量试验数据表Table 3 Test data table of fertilization amount kg

图6 施肥量均匀性试验Fig.6 Uniformity test of fertilization amount

施肥量均匀性计算公式为

(17)

(18)

(19)

式中n—试验次数;

xi—每次收集肥料的质量(kg);

x—施肥量的平均值(kg);

S—施肥量均匀性的标准差(kg);

V—施肥均匀性变异系数(%)。

经计算,果园厩肥与颗粒肥混施机的施肥量均匀性变异系数为8.64%,小于《NY/T 1003-2006施肥机械质量评价技术规范》中的规定值40%,满足果园施肥使用要求。

3.2.3断条率试验

根据《DG/T 174-2019施肥机》,连续施肥测定断条率。机具正常工作期间,长度在10cm以上的无肥料区段为断条。测定5m内断条数和断条长度,计算断条率,公式为

(20)

式中δd—断条率;

k—断条个数;

Li—第i个断条长度(cm),i=1,2,3,...,k;

L—排肥总长度(cm)。

通过测定施肥均匀性试验的测量区域,施肥断条率为0,施肥断条率试验为合格。

3.2.4排肥量稳定性

将施肥机静置于平整的场地上,机具处于正常工作状态。将肥料收集器置于螺旋搅龙排肥口下方,测量10s内排出的肥料质量,进行5次。排肥质量试验数据如表4所示。

表4 排肥质量试验数据Table 4 Test data of fertilizer discharge quality

通过计算,果园厩肥与颗粒肥混施机的排肥量稳定性变异系数为5.48%,小于《NY/T 1003-2006施肥机械质量评价技术规范》中的规定值7.80%,满足果园施肥使用要求。

4 结论

1)针对新疆林果施肥人工作业劳动强度大、效率低、现有机具功能单一等问题,设计了集开沟、覆土、组合式强制排肥、厩肥与颗粒肥混合施加等功能于一体的果园厩肥与颗粒肥混施机,并对机具关键关键部件进行设计,确定了圆盘开沟装置、螺旋搅龙排肥装置、刮板排肥装置、外槽轮排肥装置的结构参数。机具可以一次性完成开沟、施肥、覆土作业,减少了机具进入果园的次数,提高了施肥效率,降低了人工劳动强度。

2)试验结果表明:施肥深度合格率为100%,施肥量均匀性变异系数为8.64%,排肥量稳定性变异系数为5.48%,断条率为0。各项指标检验结果均符合国家标准,可为新疆果园肥料施加技术研究提供参考。