畜禽糞便堆漚有機肥撒肥機設計與試驗*

褚斌，吳愛兵，韓夢龍，李寒松，張宗超，趙峰

(1. 山東省農業機械科學研究院，濟南市，250100； 2. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國為畜牧養殖大國，畜禽養殖每年產生38億t畜禽糞便，有效處理率卻不到50%[1]，各級政府十分重視畜禽養殖污染的治理工作，將畜禽糞便堆積發酵腐熟制作肥料用于還田，好處是臭氣較少，養分齊全，但氮、磷、鉀含量少，與化肥相比施用量大[2]，裝載、運送與撒施需大量人力、物力，勞動強度大，衛生條件差。針對高含水率、多結塊的堆肥肥料，國內目前沒有合適的撒肥設備，常規撒肥機針對顆粒肥料、粉末肥料等含水率低于30%的干性肥料設計[3]，對高含水率的畜禽糞便堆肥會造成堵料，目前仍以人工拋撒為主[4]，嚴重制約了畜禽糞污的有效利用，使得未處理的畜禽糞污給環境造成了嚴重污染。

畜禽糞便簡易堆肥形成的有機肥，具有高含水率的特征，含水率約為30%～60%[5]，而且具有含水率不均衡的特點，堆肥的上部含水率低，呈塊狀，中下部含水率逐漸增高，底部甚至含水率超過80%[6-7]。已有的撒肥機，通過料斗裝料，撒肥機構位于料斗后方或者側方前部1/4處，這就導致肥料在拋撒之前必須經歷運送的過程，即從料斗前部輸送到后部，或者從一側輸送到另一側，對于含水率低于30%的肥料，肥料干燥，流動性好[8-10]，輸送過程沒有問題，可以正常撒施。而針對高含水率的肥料，由于水份較高，粘性較大，結塊較多[11-12]，現有撒肥機會造成堵塞，無法輸送，更無法完成后續的撒施作業。國外法國某公司生產的尾式拋撒和側式拋撒農家肥拋撒機，具有絞龍式或液壓背推式輸肥裝置，立式或臥式拋撒裝置，可拋撒高含水率、高含雜率和多結塊農家肥[13]。法國另一公司推出的農家肥拋撒機配備垂直布置的拋撒轉軸，此類拋撒機可拋撒各種糞肥、農家肥及沼渣[14]。但國外拋撒機械體積龐大、價格昂貴，國內推廣難度較大[15]。

針對畜禽糞便堆漚有機肥的特性以及現有設備的缺陷，設計一種適用于高含水率、多結塊、高粘性肥料，可機械化上料，智能控制撒施量的撒肥機。并通過試驗選擇合理拋撒轉速、行走速度和拋撒角度，得出最小的施肥均勻變異系數和最大的撒肥幅寬。

1 整機結構和工作原理

1.1 整機結構

整機由物料拋撒裝置、牽引式底盤、液壓與傳動系統以及控制系統組成。物料拋撒裝置主要包括肥料箱、破碎與混合機構、拋撒機構、自適應撥料板機構、料倉蓋角度調整機構；液壓與傳動系統主要包括變量泵、液壓油箱、液壓馬達、變速箱等；控制系統主要包括Arduino控制模塊、料倉肥料監測系統等。主要結構如圖1所示。

圖1 用于畜禽糞便堆漚有機肥撒肥機結構簡圖Fig. 1 Structure diagram of organic fertilizer spreader for composting livestock manure1.液壓油箱 2.牽引裝置 3.變量泵 4.變速箱 5.液壓馬達6.彈性聯軸器 7.散熱器 8.拋撒機構 9.肥料箱 10.底盤

1.2 工作原理

拖拉機的后動力輸出軸通過變速箱驅動變量泵，為液壓系統提供動力源，通過傳動系統將動力輸出到位于肥料箱內部的拋撒裝置，通過旋轉將肥料拋撒出去。肥料箱頂部安裝有開啟角度可調的料倉蓋板，用于調整肥料的拋撒角度。控制系統位于拖拉機駕駛室內，駕駛員通過人機交互界面選擇撒肥參數，由電控系統聯動控制拋撒轉速和料倉蓋板開啟角度，達到拋撒轉速和拋撒角度動態可調的目的。畜禽糞便堆漚有機肥撒肥機的主要技術參數如表1所示。

表1 畜禽糞便堆漚有機肥撒肥機的主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of the organic fertilizer spreader for livestock manure composting

2 主要工作部件設計和參數確定

2.1 液壓系統設計

液壓系統的動力來源是拖拉機后動力輸出軸[16]，它通過變速箱的增速與液壓泵連接，驅動液壓泵的旋轉，使液壓油箱中的液壓油產生壓力，液壓油通過比例控制閥組[17-19]，一路液壓油通過管路與液壓馬達連接，驅動液壓馬達旋轉，液壓馬達與主軸直連，以驅動拋撒機構的旋轉。另一路液壓油通過管路與調整機構連接，通過控制液壓缸的伸縮長度調整料倉蓋板的開啟角度，實現對肥料拋撒速度和角度的雙重控制。

農家肥含水率67.8%，容積密度ρ=515 kg/m3，摩擦角35.1°，休止角41.7°，摩擦系數μ=5.516[20-22]。本裝置設計撒肥效率η≥72 m3/h，轉軸設計最高轉速nmax=350 r/min，撒肥機料箱容積V=4.2 m3。

拋撒軸扭矩

M=(F摩+F重)D

式中:F摩——轉軸需克服的摩擦阻力；

F重——轉軸需克服的物料重力；

D——拋撒軸最大拋撒外徑，取設計值0.647 m。

計算得出拋撒軸扭矩M=824.8 N·m。

拋撒裝置所需功率

P拋=Mω=30 189 W

ω=2πnmax=36.6 rad/s

式中:ω——最大角速度。

2.1.1 液壓馬達的參數計算

液壓馬達排量

式中:ΔP——進出口壓差。

初選系統壓力10 MPa，一般取回油背壓1 MPa，進出口壓差按9 MPa計算。計算得出液壓馬達排量Vm=575.5 mL/r。

液壓馬達流量

qv=Vmnmax

計算得出液壓馬達流量qv=201.3 L/min。根據上述計算，選取JMDG3-450型柱塞馬達，工作壓力p1=14 MPa。

2.1.2 液壓缸的計算

活塞直徑

式中:A2——活塞作用面積，m2；

FL——液壓缸最大負載，N，此處負載為肥料箱蓋板，重量57 kg，即570 N；

Pmax——液壓缸最高工作壓力，MPa。

計算得出活塞直徑D2=8.31 mm，根據GB/T 2348—2018《流體傳動系統及元件缸徑及活塞桿直徑》，優選D2=10 mm。

活塞桿直徑

根據機械設計手冊往復運動速比φ取1.46，計算得出活塞桿直徑d2=5 mm。

液壓缸無桿腔有效作用面積

有桿腔有效作用面積

液壓缸拉力

F=P3A4-P4A3

式中:P3——液壓缸工作腔壓力，14×106Pa；

P4——液壓缸背壓，1×106Pa。

計算得出液壓缸拉力F=624.86 N，符合設計要求。

液壓缸流量

q=vmaxA3

式中:vmax——活塞與缸體的最大相對速度，取0.05 m/s。

計算得出液壓缸流量q=0.235 L/min。

由于D2=10 mm，d2=5 mm的液壓缸需要定制，所以選用市面常見的小型液壓缸代替，型號40×25×150。

代入上述公式進行校核計算，得出液壓缸拉力F=9 454 N>624.86 N，滿足設計需求，并計算出其所需的液壓缸液壓油流量q=3.768 L/min。

2.1.3 液壓泵的計算

液壓泵的工作壓力

Pp≥p1+p2+∑Δp

式中:p1——液壓馬達最大工作壓力，MPa；

p2——液壓缸最大工作壓力，MPa；

∑Δp——液壓泵與液壓執行元件間的管路損失，按設計手冊初選為0.5 MPa。

計算得出p2=0.894 MPa，前文已知液壓馬達工作壓力p1=14 MPa，代入得出Pp≥15.394 MPa。

同時應擴大25%～60%選擇液壓泵的額定壓力[23-24]，即額定壓力為19.24～24.63 MPa。

液壓泵的流量

qv p≥K∑qvmax

式中:K——系統的泄漏系數[25]，一般取1.1～1.3；

∑qvmax——同時工作的執行元件的最大總流量。

計算得出qv p≥225.5 L/min。

對應的液壓泵排量

式中:nb——液壓泵工作轉速，r/min，按常用的1 500 r/min計算。

計算得出液壓泵排量Vb=150.3 mL/r。

液壓泵的驅動功率

式中:ηp——泵的總效率，一般取0.8。

計算得出pb=72.3 kW。經查詢拖拉機相關參數，選擇東方紅LF1304型拖拉機作為撒肥機牽引機頭，其PTO輸出額定功率為77.2 kW，滿足液壓泵的驅動條件。

2.2 拋撒裝置設計

拋撒裝置包括多組與主軸螺栓連接的柔性甩料機構，每組柔性甩料機構均包括4個沿主軸周向均勻分布的環鏈組合，如圖2所示。相鄰環鏈之間的夾角為90°且相對設置的兩個環鏈位置錯開，不在同一平面內。環鏈組合的一端通過螺栓組與主軸側面的固定板相連，環鏈組合的另一端通過螺栓組連接甩塊，環鏈周向外側套設有可沿環鏈移動的甩料板，甩料板可以在甩塊與主軸之間移動。甩塊通過模鍛制造，其表面焊接有2 mm的鋅基耐磨合金[26]。

圖2 拋撒裝置結構簡圖Fig. 2 Structure diagram of spraying device1.甩塊 2.甩料板 3.環鏈組合 4.主軸

主軸靜止狀態時，環鏈、甩塊、甩料板在重力作用下自然垂下。撒肥機裝滿肥料并啟動后，環鏈首先繞著主軸纏繞，在拋撒轉速逐漸提高的過程中，環鏈逐漸甩開伸展，直至伸展至最長狀態。在這個過程中，甩料板在環鏈上，隨著肥料負載力的變化自由移動，由于主軸上安裝有多組、多條環鏈，甩料板在移動的過程中，能夠將各個深度上的肥料拋撒出去，實現肥料均勻撒施的目的。

2.3 可變長度攪料板機構設計

攪拌機構由攪料板、平衡塊、安裝桿、彈簧、限位板和鎖緊板等組成。主軸兩端沿其徑向開設兩組十字型安裝槽，攪料板從中穿過，周向套設有可沿攪料板移動的平衡塊，它可以沿著攪料板在限位板和主軸之間移動。安裝桿的外側套設有彈簧，一端與主軸固定，另一端與鎖緊板相連，并可在期間進行伸縮。在主軸靜止狀態下，由于彈簧的作用，安裝桿受到沿主軸徑向且遠離主軸中心的力，攪料板在主軸側面露出的長度最小；撒肥車裝滿肥料啟動時，此時攪料板與肥料接觸的面積最小，達到減小啟動負載，保護傳動機構的目的。隨著拋撒轉速的提高，肥料也在不斷地拋出減少，攪料板的平衡塊受到遠離主軸中心的離心力作用，會沿著攪料板向限位板方向移動，在這個過程中，彈簧被逐漸壓縮，攪料板伸出的長度逐漸增長，與肥料的接觸面積隨之增大，對肥料箱中的攪拌作用逐漸增強，直至攪料板達到最長伸出長度(圖3)。在整個撒肥過程中，實現了攪料板的伸出長度隨肥料的負載大小由短變長的自適應變化，起到平衡負載，減輕傳動系統負荷，降低撒肥機配套動力源功率的目的。

(a) 伸長狀態(b) 收縮狀態

2.4 控制系統設計

控制系統包括中央控制器、人機交互模塊和視覺識別系統，其中中央控制器主要包括Arduino控制模塊和北斗導航模塊。中央控制器的輸入端與負載傳感器、轉速傳感器和視覺識別系統相連，中央控制器的輸出端連接電子節氣門和電磁閥。電磁閥組分別控制液壓馬達和液壓伸縮油缸。負載傳感器安裝于肥料箱和撒肥車車軸之間，實時測量肥料箱中的肥料減少量；轉速傳感器安裝于撒肥車車輪內側，用于測量車輪旋轉速度。在人機交互模塊輸入預設撒肥量，負載傳感器獲取肥料變化數據，并傳輸至中央控制器；轉速傳感器收集車輪轉動速度信號，并傳輸至中央控制器，由其計算實際撒肥量、撒肥車實際行走速度；視覺識別系統識別出肥料落點邊界，并由中央控制器計算出拋撒距離。

1) Arduino控制模塊可以接收肥料報警傳感器信號，當肥料剩余量不足時，會通過人機交互界面給予提醒。人機交互界面用于輸入撒肥參數，提示駕駛員行車路線、行車速度、肥料拋撒范圍以及肥料剩余量等信息。

2) 北斗導航模塊接收衛星信號，并通過輔助駕駛系統的運算在人機交互界面上顯示出實際行駛路線和參考路線，同時測算出撒肥機的行進速度，通過提示駕駛員調整行進速度來控制每平方米的撒肥量，當速度和行進路線保持在合理區間時，即可完成預定參數的撒肥作業。

3) 人機交互模塊連接中央控制器，其包括觸摸屏、語音提示模塊。觸摸屏安裝于拖拉機操作室內，能夠輸入預設值和實時顯示拋撒畫面。觸摸屏采用UART串口觸摸屏，中央控制器的型號為Arduino mega 2560。

4) 視覺識別系統用于檢測肥料拋撒的距離，安裝在肥料箱側板的頂端位置，安裝角度滿足既能觀測到肥料箱內部，也能觀測到肥料拋撒出去的邊界。包括cmucam5(pixy)圖像傳感器、OpenMV3智能攝像頭和存儲卡。

撒肥控制系統的控制流程是：首先，通過觸摸屏輸入預設撒肥量L，預設撒肥量數值來自于對土地養分含量的測量；觸摸屏將數值信息傳輸到中央控制器，中央控制器將預設值與存儲器中的數據庫進行比對，自動調用標準數據啟動撒肥車；通過電子節氣門開度大小來控制撒肥車行進速度，按照數據庫標準數據控制主軸拋撒轉速和料倉蓋開啟角度。負載傳感器將肥料箱中肥料減少量數據信息傳輸到中央控制器，由中央控制器計算出撒肥速度K。視覺識別系統通過識別肥料拋撒邊緣的分界線，并將數據傳輸到中央控制器，由中央控制器計算出拋撒距離S。轉速傳感器測量車輪旋轉速度，并將數據傳輸到中央控制器，由中央控制器計算出撒肥車瞬時行進速度Vi。

單位時間t內的撒肥量

然后，將實際撒肥量與預設撒肥量對比。

1) 當Lt

2) 當Lt>L時，中央控制器發布指令降低拋撒轉速，增大料倉蓋開啟角度，提高撒肥車行進速度，直至Lt=L時，中央控制器保持撒肥車在既有參數下運轉。

3) 當Lt=L時，中央控制器不做指令調整。

其中，控制拋撒轉速的過程是：中央控制器控制電磁閥Ⅰ，從而控制液壓油流量，進而控制與拋撒主軸直連的液壓馬達轉速。

控制拋撒距離的過程是：中央控制器控制電磁閥Ⅱ，從而控制液壓缸的伸縮，帶動料倉蓋繞支點旋轉，改變開啟角度，其直接影響肥料拋出的切線方向，因此可以改變肥料的拋撒距離。

撒肥車行進速度的控制過程是：中央控制器控制拖拉機電子節氣門的開啟程度，即發動機的油氣進入量，改變發動機的轉速和輸出功率，最終控制撒肥車的行進速度。

視覺識別系統實時拍攝撒肥的畫面，視頻信號通過中央控制器的轉化，最終在人機交互模塊的觸摸屏上顯示出來，并在畫面中實時模擬顯示拋撒邊界線，便于駕駛員控制撒肥車行進方向。如果撒肥邊界線偏離上一輪的撒肥邊界線過多，會觸發語音提示模塊報警，提醒駕駛員及時修正行進方向，避免肥料漏撒或者重復撒施。控制系統的工作流程如圖4所示。

圖4 撒肥控制系統工作流程Fig. 4 Work flow of the spreading control system

3 試驗與分析

3.1 試驗條件

在山東省濟南市濟陽區太平鎮進行了畜禽糞便堆漚有機肥撒肥機的性能試驗，試驗物料為堆漚25 d后的牛糞，含水率為70.5%，容積密度為514.6 kg/m3，滑動摩擦角為30.1°，自然休止角為36.7°。動力源為88.2 kW 的福田雷沃拖拉機。試驗現場如圖5所示。

圖5 試驗現場Fig. 5 Test site

3.2 試驗參數

為確定撒肥機在滿足拋撒幅寬設計要求的前提下，施肥均勻度變異系數最小。選定拋撒轉速、拋撒機行走速度、料倉蓋開啟角度為試驗因素，以撒肥幅寬、均勻度變異系數CV為試驗指標開展正交試驗。確定影響撒肥幅寬、均勻度變異系數主次因素和較優組合，設計因素水平如表2所示。根據因素水平，選用L13(33)正交表。試驗方案與結果如表3所示。

表2 因素水平Tab. 2 Factor level

表3 試驗方案與試驗結果Tab. 3 Test plan and test results

通過正交因素水平試驗，對測得的原始數據利用Design-Expert 12.0.3.0軟件進行方差分析，見表4、表5。

表4 均勻度變異系數方差分析Tab. 4 Coefficient of variance analysis of uniformity

表5 撒肥幅寬方差分析Tab. 5 Variance analysis of spreading width

由表4可知，因素A顯著性水平P=0.005 1<0.01，對撒肥均勻度變異系數影響高度顯著；因素B顯著性水平P=0.688 3>0.1，對撒肥均勻度變異系數影響不顯著；因素C顯著性水平P=0.046 3<0.05，對撒肥均勻度變異系數影響顯著。因素主次順序為A>C>B。同理，由表5可知，因素A顯著性水平P=0.001 2<0.01，對撒肥幅寬影響高度顯著；因素B和因素C顯著性水平P>0.1，對撒肥幅寬影響不顯著；對撒肥幅寬影響顯著性的因素主次順序為A>C>B。

3.3 響應曲面分析

利用Design-Expert 12.0.3.0軟件進行三因素對均勻度變異系數和撒肥幅寬影響的響應曲面分析，如圖6、圖7所示。當拋撒轉速一定時，均勻度變異系數隨拋撒角度增大呈小幅度減小后增加；當拋撒角度一定時，均勻度變異系數隨拋撒轉速升高呈先減后增趨勢。當拋撒轉速一定時，撒肥幅寬幾乎不隨撒肥機拋撒角度變化而變化；當拋撒角度一定時，撒肥幅寬隨拋撒轉速的增大而增大。

為確定優化試驗因素水平組合，對試驗指標優化求解，選取撒肥幅寬趨于最大，同時變異系數趨于最小時參數組合為最優解。得到最佳因素組合，見表6。

圖6 拋撒角度、拋撒轉速兩因素對變異系數影響的響應曲面Fig. 6 Response surface of the influence of and spindle speed on the coefficient of variation

圖7 拋撒角度、拋撒轉速兩因素對撒肥幅寬影響的響應曲面Fig. 7 Response surface of the influence of throwing angle and spindle speed on the spreading width

表6 最佳優化因素及指標Tab. 6 Optimal optimization factors and indicators

為驗證優化結果，取拋撒轉速305 r/min、行走速度4 km/h、拋撒角度20°進行試驗，試驗結果變異系數CV為26.8%，撒肥幅寬為5.2 m，與軟件優化結果相近，并且達到了設計要求。

4 結論

1) 設計了一種適用于高含水率畜禽糞便堆漚有機肥的側向撒肥機，以均勻度變異系數和撒肥幅寬作為設計目標，設計了以拖拉機PTO為動力來源、液壓變量無級調速系統、環鏈鞭打破碎機構、浮動式甩塊拋撒機構、自適應負載的撥料板機構，可有效對堆肥產生的結塊進行破碎，并與含水率較高的肥料進行充分混合，更佳的耐磨性、更長的使用壽命和更好的配件易換性。

2) 通過多因素水平正交試驗，設定拋撒轉速、施肥機行走速度、拋撒角度為試驗因素，分別以均勻度變異系數、撒肥幅寬為試驗指標。方差和響應面分析結果表明，對于均勻度變異系數和撒肥幅寬兩試驗指標，影響因素主次順序為：拋撒轉速、拋撒角度、行走速度；最優參數組合為：拋撒轉速305 r/min、行走速度4 km/h、拋撒角度20°；通過實際試驗驗證與軟件優化結果相近，滿足畜禽糞便堆漚有機肥撒肥機的設計目標要求。