2FYP-20 型棉田液態肥撒施機的研制

王保興 ，王忠宇 ，范國強 ※，張曉輝 ，董和銀 ，齊自成 ，韓 見

（1.山東農業大學機械與電子工程學院，山東泰安271018；2.山東省農業裝備智能化工程實驗室；3.泰安意美特機械有限公司；4.泰安市畜牧智能裝備產業技術研究院；5.山東省農業機械科學研究院）

0 引言

我國幅員遼闊，宜棉區域廣闊，目前按大的流域劃分，有黃河流域、長江流域和西北內陸3 大棉區[1]。農民為了增加棉花產量大量使用化肥，長期使用化肥，尤其是長期使用一種化肥會致使土壤酸化，土壤酸化后會溶解土壤中的營養物質，在下雨或者灌溉后會導致土壤中營養物質的流失，形成土壤板結，肥力下降。大量使用化肥還會影響土壤中微生物的生存，影響農作物的生長。

為減少上述危害，部分地區開始使用糞污處理后的有機肥來替代化肥。近年來我國的畜禽養殖業發展迅速，但隨著養殖業比重的增加，所產生的糞污量也急劇上升，如果不能進行有效的處理，糞污中的氮元素會影響土壤、河流和地下水，造成土壤以及河流的酸化，對環境造成巨大破壞。2010 年我國畜禽排出糞尿的總和約為24.6 億t[2]。隨著我國養殖業的進一步發展，養殖業所產生的糞便進一步增多，由此造成的環境污染也更加嚴重。2014 年1 月1 日，《畜禽規模養殖污染防治條例》正式實施[3]，說明養殖場糞污的無害化處理及利用已成為亟待解決的重大問題。解決養殖污染的根本措施是采取種養結合和農牧結合，讓畜禽糞污變成有機肥回歸農田，發展以循環和生態為主的環保型畜牧業[4,5]。

液態有機肥撒施作業勞動量大，環境條件惡劣，歐美發達國家已經研發了運輸及田間撒施作業的機具，實現了液態有機肥機械化撒施。我國液態有機肥撒施機械的發展還比較落后，主要以引進與仿制改進為主。

為了提高液態有機肥的使用量，讓畜禽糞污變成有機肥回歸農田，山東農業大學機械與電子工程學院與泰安意美特機械有限公司聯合研制了2FYP-20 型棉田液態肥撒施機，實現液態有機肥拋撒的機械化作業，解決了傳統拋撒作業效率低、拋撒不均勻的問題。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

2FYP-20 型棉田用牽引型液態肥撒施機主要由牽引架、車架、輪胎及車橋、真空泵、真空泵轉向調節液壓缸、液氣分離器、接頭、防溢閥、罐體、泄壓閥、糞污排出口、撒施液壓缸、撒施控制閘閥、扇形散射板、殘渣排出口、糞污吸入控制閘閥和吸料軟管組成，整機結構如圖1。

圖1 2FYP-20 型棉田液態肥撒施機結構示意

1.2 主要技術參數

1.3 工作原理

2FYP-20 型棉田用液態肥撒施機由拖拉機牽引作業，吸取和撒施動力由拖拉機后動力通過萬向聯軸器帶動真空泵提供，真空泵轉向調整液壓缸和撒施控制液壓油缸由拖拉機齒輪泵提供液壓動力。將液態肥吸入罐體，開動拖拉機牽引撒施機到農田進行作業。

1.3.1 吸取液態肥

先控制撒施液壓缸關閉撒施控制閘閥，打開糞污入口的閘閥，將與糞污入口連接的吸料管浸入液態肥中。控制真空泵轉向，調節液壓缸，調節真空泵的轉向，拖拉機的后動力輸出帶動真空泵工作，將罐體中的空氣排出，使得罐體內部與大氣之間形成負壓，液態肥在大氣壓的作用下流入罐體內部。

當罐體內部的肥料達到所能裝載的極限值時，切斷拖拉機后動力輸出，并關閉糞污吸入控制閘閥，收起吸料管，完成液態肥填充工作。

1.3.2 撒施作業

作業時拖拉機牽引撒施機到農田，控制撒施液壓缸開啟撒施控制閘閥?？刂普婵毡棉D向調節液壓缸，調節真空泵的轉向，拖拉機的后動力輸出帶動真空泵工作，向罐體中注入空氣，將液態肥從罐體中排出。

由糞污出口噴射出的液態肥撞擊在撒施機構中的扇形面上，呈扇形噴出，覆蓋一定的幅寬。拖拉機帶動液態肥撒施機在棉田間行走，使得液態肥均勻的灑在棉田中，完成施肥工作。

2 設計計算

2.1 真空泵計算與選取

根據工作要求，真空泵是抽取和排出液態肥的關鍵部件，真空泵的抽氣速率是決定真空泵性能的關鍵因素。由于風冷式真空泵最大連續工作時間為10min，真空泵使得罐體內部達到既定真空度所需的時間為1.5 min。初始真空度p1為標準大氣壓（760 mmHg），真空泵的工作真空度p2為303 mmHg[6]。罐體容積V 為20 000L，達到既定真空度需要的時間t 為60 s。

真空泵的抽氣速率S[6]：

計算得真空泵抽氣速率為S=12 283 L/min，選取意大利MORO 公司的PM80AM 型風冷式真空泵。

2.2 功率計算

棉田液態肥撒施機滿載在農田中行走時所需要牽引壓力：

式中μ—撒施機輪胎與農田摩擦系數，0.35；m—滿載后整機質量，27 000 kg；g —重力加速度，9.8m/s2。

計算得撒施機牽引力F為92 610 N。

牽引棉田液態肥撒施機前進的功率：

式中v—撒施機牽引速度，0~1.39m/s。

在最高牽引速度下，P1為128.7 kW，真空泵最大排氣功率為P2為34 kW，整機作業功率P≥162.7 kW，配套拖拉機動力≥170 kW。

3 試驗及結論

2020 年10 月在內蒙古呼倫貝爾牙克石鴻發祥牧場完成液態肥撒施機試驗，撒施的為豬糞沼液，圖2 為作業效果圖。

圖2 樣機撒施作業效果

試驗測得，當樣機牽引速度為1.5 km/h 時，有效拋撒幅寬為12m，拋撒平均厚度為1.5cm，均勻性變異系數CV為29%，最大作業效率為4hm2/h作業效果良好。