葡萄廄肥施肥機的設(shè)計與試驗

曾繁偉,張東峰,楊術(shù)明,胡 超,胡新德,白 發(fā)

(寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院,銀川 750021)

0 引言

寧夏作為葡萄主要的種植地區(qū)之一,以其獨特的地理氣候條件,為葡萄種植提供了非常理想的種植環(huán)境。葡萄所衍生的產(chǎn)業(yè)鏈也是寧夏地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速的原因之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步及人們對于物質(zhì)水平要求的上升,葡萄種植的品質(zhì)還需要不斷提高,葡萄種植器械的性能也需不斷地改善。葡萄施肥是葡萄種植技術(shù)中不容小視的一環(huán),施肥質(zhì)量的好壞會直接影響到葡萄的品質(zhì)。

葡萄種植的行距一般在3～4m,株距一般在0.6～1m,其處于結(jié)果期的根系一般穩(wěn)定在樹干0.8m處,并在離地0.4～0.6m處分布最多。葡萄廄肥施入時間一般在11月左右,土壤未結(jié)凍前葡萄種植施肥量約為75m3/hm2。葡萄施肥機作為葡萄施肥的主要器械,其施肥深度、排肥量及均勻程度等都是影響葡萄種植品質(zhì)的主要性能指標(biāo)。

為了推進寧夏葡萄種植技術(shù)的發(fā)展,推動葡萄產(chǎn)業(yè)的綠色持續(xù)化,減少施肥過程中不必要的人力財力等資源浪費,研制出一種高傳動效率、開溝深度達45～50cm、集開溝施肥功能為一體的大容量葡萄廄肥施肥機是非常有必要的。本次設(shè)計的葡萄廄肥施肥機能夠解決施肥深度不足、開溝施肥不能一體、排肥量小及肥料箱容量小等問題[1-3]。

1 結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)

葡萄廄肥施肥機主要由牽引裝置、動力輸入軸、鏈條、傳動軸、機架、排肥器、齒輪箱、肥料箱、萬向軸、開溝器及輸肥裝置等組成,如圖1所示。

1.牽引裝置 2.動力輸入軸 3.機架 4.輸肥絞龍 5.齒輪箱 6.支撐輪 7.開溝器 8.開溝器外殼 9.排肥器 10.肥料箱圖1 葡萄用廄肥施肥機總體設(shè)計方案

施肥機的機架承載著開溝總成、排肥總成及肥料箱等零部件,因此對機架的承載能力有一定要求。機架承受載荷的強度等級應(yīng)達到8.8級以上,因此選用厚度為4mm的Q235方管。機架的設(shè)計總長度為2800mm,寬度為1000mm。為保證機器作業(yè)的靈活性,選用的行走輪直徑為700mm,寬度為220mm。開溝器布置在機架右側(cè),符合人作業(yè)時的日常習(xí)慣,便于觀察機器開溝作業(yè)情況。為了實現(xiàn)先開溝后施肥,排肥器的排肥口布置在開溝器的后方。

肥料箱的設(shè)計直接影響到施肥機排肥效率、排肥均勻程度等性能指標(biāo),應(yīng)充分結(jié)合作業(yè)實際情況進行分析。為減少添肥所造成的人工資源浪費,提升施肥機有效工作時間,肥料箱設(shè)計成4m3的大容量。為結(jié)合機架尺寸考慮整體機器的外形設(shè)計,同時考慮到廄肥的物理特性及落料是否順利,將肥料箱的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計成兩部分。上半部分為矩形,長度為2250mm,寬度為1660mm,高度為600mm;下半部分為倒梯形,下底長度為300mm,上底長度為1660mm,高度為830mm。

1.2 技術(shù)參數(shù)

葡萄廄肥施肥機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 廄肥施肥機主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵工作部件的設(shè)計

2.1 開溝裝置的設(shè)計

開溝裝置是葡萄廄肥施肥機的關(guān)鍵部件之一,主要由液壓馬達、絲杠、導(dǎo)軌、齒輪箱及溝器等組成,如圖2所示。

1.開溝器 2.外殼 3.齒輪箱Ⅰ 4.液壓馬達 5.套筒 6.圓管導(dǎo)軌Ⅰ 7.齒輪箱Ⅱ圖2 開溝器與外殼、連接件裝配圖

開溝裝置頂部的液壓馬達與拖拉機液壓油口連接,為梯形螺紋的絲杠升降裝置提供動力來源,以達到控制開溝深度的效果。開溝器的前進速度設(shè)計值為239mm/s,轉(zhuǎn)速設(shè)計值為667r/min,需大于臨界轉(zhuǎn)速588r/min,以保證開溝器作業(yè)的正常進行。選用的是圓柱形立式螺旋開溝器,為了滿足開溝深度達到45～50cm,開溝器的螺旋葉片高度至少應(yīng)達到55cm以上,同時螺旋葉片外徑D應(yīng)大于20cm的開溝寬度。為了順利地將土塊排出,防止土塊飛濺,在開溝器螺旋葉片上端設(shè)有兩個高度為15cm的排土葉片。考慮到開溝器螺旋角過小、螺旋升角過大時會造成功耗增加開溝效率降低,開溝器螺旋角過大、螺旋升角多小時會造成回土現(xiàn)象,將開溝器的螺旋角選為θ選為63°,螺旋升角α選為27°。開溝器的螺旋葉片選用3mm的65Mn鋼,在保證剛性好的前提下也具有良好的耐磨性[4-5]。

2.2 輸肥裝置的設(shè)計

輸肥裝置位于肥料箱底部,通過齒輪傳動獲取動力,將肥料傳送至排肥器。輸肥裝置主要采用螺旋絞龍輸送,為了穩(wěn)定均勻地輸送肥料,設(shè)計出旋向相反的雙絞龍進行輸肥作業(yè)。絞龍肥料的輸送量是衡量其作業(yè)性能的主要指標(biāo),直接影響到整個裝置的工作效率,一般由具體的生產(chǎn)需求進行確定,計算公式為

Q=47D2·S·n·φ·λ·ε

(1)

式中D—螺旋葉片外徑(m);

S—螺距(m);

n—轉(zhuǎn)速(r/min);

φ—填充系數(shù);

λ—物料容重(t/m3);

ε—傾斜輸送系數(shù)。

參考農(nóng)戶對于葡萄種植的施肥要求,每667hm2地廄肥施肥量為7200kg/hm2,0.2hm2地施肥時間為1h,每小時的施肥量為14 400kg,因此設(shè)計肥料輸送量為15t/h。由于是雙絞龍設(shè)計,單絞龍的輸送量應(yīng)按照7.5t/h進行計算。絞龍的主要技術(shù)參數(shù)有絞龍的轉(zhuǎn)速、螺旋葉片直徑、節(jié)距及螺旋軸直徑等[6-7]。

1)螺旋葉片直徑。葉片直徑關(guān)系到攪龍的輸送效率及結(jié)構(gòu)尺寸,則

(2)

其中,K為物料綜合特性系數(shù);λ、ε、φ、K值可由物料的特性決定,各不同物料的物理特性參數(shù)不同。

廄肥的物理特性系數(shù)如表2所示。

表2 廄肥物理特性參數(shù)

經(jīng)過計算圓整后,螺旋葉片的直徑D為200mm。

2)螺旋軸直徑計算公式為

d=(0.2～0.35)D

(3)

由D=200mm,將螺旋軸直徑選取為d=50mm。

3)絞龍轉(zhuǎn)速。絞龍螺旋軸的轉(zhuǎn)速對于肥料的傳輸效率有直接的影響,標(biāo)志著其生產(chǎn)能力。轉(zhuǎn)速越快,輸送能力越高,但轉(zhuǎn)速也不能超越一定的臨界值,否則物料的離心力過大反而對輸送起著不利的影響。轉(zhuǎn)速計算公式為

(4)

其中,A為物料的綜合特性系數(shù)。經(jīng)計算,絞龍的轉(zhuǎn)速為110r/min。

4)螺旋葉片節(jié)距計算公式為

S=K1D

(5)

絞龍水平放置時,通常取K1=0.6～0.8。本文選取K1=0.8,故螺距S=160mm。

3 試驗

3.1 試驗條件及依據(jù)

葡萄廄肥施肥機樣機制作完畢后,依據(jù)NY/T1003-2006《施肥機械質(zhì)量評價規(guī)范》及GB/T20346.2-2006《施肥機械試驗方法》第2部分:行間施肥機的標(biāo)準(zhǔn),對其質(zhì)量性能及技術(shù)指標(biāo)在寧夏天鴻陽光農(nóng)場進行了測試。

3.2 試驗內(nèi)容

1)施肥深度試驗。廄肥施肥機以正常的工作方式進行開溝施肥,施肥深度的總試驗距離為50m,考慮到刀具入土和出土?xí)r可能會造成誤差,前后10m范圍將不設(shè)置測量點,即實際測量距離為30m。試驗共進行3次行程測量,每次行程取10個測量點,一共取得30個測量點的試驗數(shù)據(jù)。每個測量點進行測量時,需將開溝作業(yè)完的表面土層刨開,以便確認(rèn)底部廄肥位置,同時利用鋼尺對深度數(shù)據(jù)進行測量。開溝試驗過程如圖3所示。

圖3 施肥深度試驗過程

2)施肥量均勻性試驗。施肥量均勻性的試驗選擇在平整光潔的場地上進行,以提高試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。調(diào)整施肥機的開溝器高度,避免與地面接觸,讓施肥機以正常的工作狀態(tài)行進30m,每隔3m設(shè)置一個測量點,進行3次,分別測量每個測量點的肥料質(zhì)量,共得到30次試驗數(shù)據(jù)。最后,計算試驗數(shù)據(jù)的均勻性變異系數(shù),判斷機器施肥量的均勻性。

3)排肥量穩(wěn)定性試驗。將施肥機靜置于平整的場地上,拖拉機的動力輸出軸與施肥機的動力輸入軸連接并處于正常工作狀態(tài)。將肥料收集器靜置于施肥器下方,測量10s內(nèi)施肥器排出的肥料質(zhì)量,共進行10次。

4)施肥斷條率試驗。依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可知,機器正常工作期間無肥料區(qū)段的長度大于10cm以上確認(rèn)為斷條。試驗時,讓施肥機正常行進10m,觀察并記錄試驗區(qū)段的斷條長度,以計算斷條率指標(biāo)。

3.3 數(shù)據(jù)分析及試驗結(jié)果

1)施肥深度。葡萄廄肥施肥機的施肥深度數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 施肥深度試驗數(shù)據(jù) cm

各行程施肥深度及施肥深度合格率為

(6)

(7)

式中h—各行程施肥深度平均值(cm);

hi—各行程第i個測量點的深度值(cm);

n—各行程所選定測量點個數(shù),n=10;

nh—各行程施肥深度合格點數(shù);

r—各行程施肥合格率。

通過計算,3次行程的平均深度值分別為50.5、50.8、50.5cm。施肥深度為(50±2)cm為合格值,那么施肥深度合格率為100%,測量結(jié)果滿足國家標(biāo)準(zhǔn)NY/T1003-2006《施肥機械質(zhì)量評價規(guī)范》中施肥深度合格率≥80%的要求。

2)施肥量均勻性計算公式為

(8)

(9)

(10)

式中n—試驗的次數(shù);

xi—每次收集肥料的質(zhì)量(kg);

x—施肥量的平均值(kg);

s—施肥量均勻性的標(biāo)準(zhǔn)差(kg);

σ—施肥均勻性變異系數(shù)(%)。

通過計算,葡萄用廄肥施肥機的施肥量均勻性變異系數(shù)分別為10.4%、10.5%、9.1%,均小于NY/T1003-2006《施肥機械質(zhì)量評價規(guī)范》中的規(guī)定值40%,滿足田間施肥使用要求。

3)排肥量穩(wěn)定性。排肥量穩(wěn)定性數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 排肥量穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)

通過計算,葡萄用廄肥施肥機每小時最大排肥量為20.2t,約為25.8m3。排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)σ為4.3%,小于國家標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值7.8%,因此排肥量穩(wěn)定性滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4)施肥斷條率。通過觀察施肥均勻性試驗的測量區(qū)域,施肥斷條率為0,施肥斷條率試驗為合格。

4 結(jié)論與展望

結(jié)合葡萄農(nóng)藝種植模式,設(shè)計了施肥機,實現(xiàn)了開溝施肥一體化,且滿足葡萄種植的深開溝要求。施肥機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,可連續(xù)作業(yè)不損傷葡萄根系,機器運行可靠,傳動效率高,且其施肥機的施肥量均勻性及穩(wěn)定性皆滿足相關(guān)農(nóng)藝要求。由于考慮到結(jié)構(gòu)緊湊的緣故,選用了立式螺旋開溝器,開溝效率略低,后續(xù)的研究可選用其他開溝器或者調(diào)整立式螺旋開溝器的安裝角度,適當(dāng)提高工作效率。此次設(shè)計的施肥機沒有體現(xiàn)出智能化施肥,隨著科技的不斷發(fā)展,應(yīng)該緊跟精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求,在后續(xù)的研究工作還可以研究智能化控制,實現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。