一種變量雙控制有機肥撒施機的研制

焦海濤，吳海巖，李霄鶴，張俊杰，袁興茂，彭發智，楊志杰

（河北省農業機械化研究所有限公司，河北 石家莊 050051）

在我國傳統的農耕文化中，利用畜禽糞便作為肥料具有悠久的歷史。隨著社會的發展，化肥逐漸替代有機肥成為了現代農業施肥的重要手段，但是過量使用化肥帶來的土壤板結、酸化、有機質含量下降、肥力降低等問題愈來愈嚴重。隨著畜禽數量的增多，其產生的畜禽廢棄物和糞尿數量可觀，處理不當會對周圍大氣、土壤和水體造成污染。19 世紀60 年代，日本用“畜產公害”的概念高度概括了畜禽養殖污染的嚴重性。1999年我國畜禽糞便產生量達19 億t，是工業固體廢棄物的2.4 倍，其中糞便中所含污染物的COD 達7 118 萬t，遠遠超過工業與生活廢水的COD之和[1]。有機肥和畜禽糞肥在露天場地堆放時會產生大量的NH3，影響人們的居住、工作和生活環境，應采取覆蓋、封閉抑制、通風驅散等有效辦法進行防治，以減少環境污染[2]。因此，眾多專家倡導減少化肥投入，增施有機肥，建立生態效益型農業，走可持續發展的道路。

果樹是河北省重要的經濟作物，近年來，隨著我國農業產業結構的調整，林果生產已成為我國林果產區經濟發展與農民增收致富的新亮點和支柱產業[3]。隨著農業產業結構調整以及果園種植規模化程度的加大，林果產業得到了快速發展。果園管理是林果產業的重要組成部分[4]，其中施肥是果樹管理的主要環節。有機肥對促進果樹生長以及提高果品質量和產量起著至關重要的作用，還可降低農業對化肥的依賴程度，減少化肥施用量，防止農業面源污染[5]。我國有機肥資源豐富，但是目前大部分地區的有機肥施用仍處于人工撒施階段，不僅工作環境惡劣、勞動強度大，而且施肥效率低、均勻性較差，降低了農民施用有機肥的積極性[6]。目前，我國果樹生產中每年都要施用大量有機肥，人工施肥存在勞動強度大、作業效率低、生產成本高等問題[7～9]，而現有的施肥機對施肥量不易控制，易造成資源浪費，且工作效率低、標準化程度不高，無法滿足果樹產業快速發展的需要，嚴重影響了果樹產業的健康可持續發展。因此，我國果園管理上迫切需要提高機械化和智能化水平[10]。

目前，國外一些大型果園環境控制中已采用了精確定量的控制理念[11]。針對我國果樹生產上有機肥施用中出現的問題，參照螺旋輸送機的原理[12]，設計一種雙攪龍變量有機肥撒施機試驗平臺，并設計一種液壓系統，利用液壓技術實現輸肥量可調、可控施肥的功能，降低施肥機使用成本[13]，提高果園有機肥施肥機作業的機械自動化水平。新農藝技術要盡快應用于生產，發揮其應有的增產增收效果，必須與農機相結合，這是實現農業高效化的關鍵[14]。

1 總體結構與工作過程

1.1 總體結構

雙攪龍變量有機肥撒施機試驗平臺由肥料箱、動力輸入軸、螺旋攪龍、進料口、卸載撐桿、液壓控制動力系統等組成（圖1）。

圖1 機具結構圖Fig.1 Structure chart of test platform

1.2 工作過程

該變量雙控制有機肥撒施機機架上設有肥料箱，肥箱是有機肥撒施機的主要工作部件，其主要作用是裝載有機肥并結合底板的輸肥裝置完成有機肥的貯存和輸送[15]，肥箱側板可根據裝載肥料的不同改變傾角。肥箱內部設置一可開啟、閉合的蓋板，是一種大施肥量雙箱施肥機[16]。肥料箱內底部設有2 根并列排布的螺旋攪龍。攪龍具備在數量多、重量大等惡劣環境下作業的條件[17]，螺旋攪龍的前部設有受力軸，并安裝傳動齒輪與動力輸入軸連接；后部與出料口尾部上的固定軸承相連接。2 根攪龍的上方分別設有卸載撐桿。

螺旋攪龍的前端設置傳動齒輪，可以進行聯合傳動和單獨傳動2 種工作狀態。當需要無差別大量施肥作業時，采用聯動狀態，雙螺旋攪龍在動力裝置帶動下同時轉動，向落料口撥肥；當進行精準施肥作業時，采用分別單獨傳動狀態，2 個螺旋攪龍在不同的動力裝置帶動下單獨轉動，向落料口撥肥。

該變量雙控制有機肥撒施機具備施（撒）堆積發酵而成的固體有機肥，以及工廠造顆粒、粉末狀有機肥和復合肥等所有底肥的功能。

2 結構設計原理

2.1 肥料箱結構設計

肥料箱由前后固定側板、左右可調側板、卸載撐桿、活動蓋板等構成（圖2）。

圖2 肥料箱結構圖Fig.2 Structure chart of fertilizer tank

前后固定側板由3 cm厚度鐵板頂部折彎加強，上側寬80 cm、下側寬25 cm、高55 cm，且在前后兩側板上均打孔，用于安裝卸載撐桿。在肥箱上部兩側設置螺栓孔，用于調整左右兩側板的傾角。左右兩側板由3 cm 厚度鐵板頂部折彎加強，且在前后兩端均折彎，與前后固定側板形成閉合的箱體輪廓，兩端預留多個螺栓孔，通過螺栓與孔位的配合調整左右兩側板的傾角改變肥料的容積，作用是讓不同種類肥料借助坡度自然地向下方移動，解決有機肥料流動性差的問題。

卸載撐桿為直徑6cm、長120cm 無縫鋼管，共2根，分別安裝在螺旋攪龍的正上方距攪龍中心20 cm 處。作用是當肥箱裝滿肥料后，避免肥料的重量完全作用在螺旋攪龍上，減輕螺旋攪龍啟動時的荷載。

活動蓋板設計在肥箱內部的后半部，長80 cm。蓋板上端關閉后，距離肥箱后端側板10 cm，蓋板下端搭蓋螺旋攪龍上。作用是裝填肥料后，使肥箱蓋板下方只有肥箱前段40 cm 長的螺旋攪龍承擔部分肥料的載荷，肥箱后端80 cm 長的螺旋攪龍上方不承擔肥料的載荷，減輕螺旋攪龍啟動時的荷載。

螺旋攪龍推肥腔體是由3 cm 厚鐵板做成的半圓腔體，腔體直徑較螺旋攪龍直徑大2 cm，長度與螺旋攪龍相等。在螺旋攪龍末端設置出料口，位于螺旋攪龍正下方。其在水平面上的投影是一個長40 cm、寬22.5 cm 的矩形落料口。

2.2 進料口結構設計

在肥箱底部兩側設計進料口。利用肥箱左右兩側板與螺旋攪龍的間隙作為肥料進入螺旋攪龍腔體的通道。考慮到有機肥的流動性差，常出現板結成塊現象，工作時只有進料口上方的肥料進入到螺旋攪龍腔體，故將肥料進口的空間設計得較大，以防止在工作時肥料不能及時地填充到螺旋攪龍的腔體，影響肥料撒施的均勻性、穩定性。

在最初的卸載撐桿設計中設置了3 根，分別位于兩螺旋攪龍正上方距離中心10 cm 處各1 根，以及兩螺旋攪龍中心線垂直向上45 cm 處。該種布置方式進料口的通道充滿整個箱體，進料數量也很巨大。實驗顯示，在肥箱裝滿粉末狀有機肥和塊狀有機肥時均出現攪龍過載而無法轉動的情況。在肥箱填裝半箱粉末狀有機肥和塊狀有機肥時，螺旋攪龍在啟動瞬間出現明顯的卡頓現象，攪龍正常開始工作后轉動變得平順、流暢。而當拆除位于肥箱中部的卸載撐桿，并加裝活動蓋板，蓋板處于攪龍上部的高度是10 cm 時，有利于機具的平穩啟動。分析原因，最初的3 根卸載撐桿布置僅有攪龍上方的卸載撐桿對攪龍起到保護和減輕肥料壓力的作用，且作用微小，而布置于肥箱中部的卸載撐桿起不到該有的作用，肥箱的肥料必然對螺旋攪龍造成過大壓力，且長時間的肥料堆積也必將使過長的攪龍發生變形；同時，在攪龍啟動瞬間，其產生的輸送阻力過大，超過動力輸入裝置的最大功率，消耗的動力太多。

2.3 力矩檢測裝置

該裝置由動態扭矩傳感器和數據顯示器兩部分組成。

動態扭矩傳感器通過鍵連接，兩端分別與液壓馬達和攪龍傳動軸連接，數據顯示器通過外接交流電220 V電源顯示傳動軸扭矩的實時大小。其量程：0～100 N；外接電源電壓：220 V（儀表電壓）；輸出靈敏度：1.0～2.0 mV/V；輸出信號：mV；出線方式：直接出線；工作溫度：-35～75 ℃；過載范圍：≤150%；IP等級：IP67（傳感器）。

在系統工作時，對連接的傳動軸實時采集扭矩數值，當攪龍啟動瞬間，傳動軸負載最大，液壓泵站的動力主要用來克服摩擦力做功，此階段伴隨著大量熱能的轉換、消耗。當攪龍轉到趨于平穩時，傳動軸的負載也會逐漸趨于平穩，其扭矩值也會降低，動力的損耗也會達到最低。馬達轉速與輸入馬達的流量呈正比，即輸入馬達的油液流量越大，攪龍轉速越高；反之，攪龍轉速越低。液壓泵站上的節流閥可以對液壓馬達的流量進行調節。

2.4 液壓泵站選擇

液壓泵站結構示意圖如圖3 所示。電機帶動油泵旋轉，泵從油泵中吸油后打油，將機械能轉化為液壓油的壓力能，液壓油通過集成塊（或閥組合）液壓閥實現方向、壓力、流量調節后經外接管路傳輸到液壓機械的油缸或油馬達中，從而控制液動機方向的變換、力量的大小以及速度的快慢，推動各種液壓機械做功。

根據公式Pp≥∑Δp+p1，確定液壓泵的最大工作壓力。式中，p1—液壓缸或液壓馬達最大工作壓力，為11 MPa；∑Δp—從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達入口之間總的管路損失。∑Δp的準確計算要待元件選定并繪出管路圖時才能進行，初算時可按經驗數據選取：管路簡單、流速不大的，取∑Δp=0.2～0.5 MPa；管路復雜、進口有調節閥的，取∑Δp=0.5～1.5 MPa。選擇管路損失∑Δp=1 MPa，則可得液壓泵的最大工作壓力為6 MPa。

根據公式Qp≥K（∑Qmax），確定液壓泵的流量。式中，K—系統泄漏系數，一般取1.1～1.3；∑Qmax—同時動作的液壓缸或液壓馬達的最大總流量，可從Q-t 圖上查得。對于在工作過程中用節流調速的系統，還須加上溢流閥的最小溢流量，一般取2～3 L/min 。由題知系統的最大工作流量為15 L/min，此處取K=1.2，則可預選液壓泵的流量QP=18 L/min。

圖3 液壓泵站結構示意圖Fig.3 Structural chart of hydraulic pump station

根據以上求得的Pp和Qp，按系統中擬定的液壓泵形式，從產品樣本或本手冊中選擇相應的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓力儲備，所選泵的額定壓力一般較最大工作壓力大25%～60%。根據以上壓力和流量的數值查閱產品樣本，最后選取CBN-F310 型齒輪泵，其泵排量為10 mL/r，額定壓力16 MPa，額定轉速2 000 r/min，最高壓力20 MP，最低轉速900 r/min，額定功率6.58 kW。

在前面已經確定了液壓泵的型號為CBN-F310 型齒輪泵，驅動功率為50.4 kW，液壓泵工作壓力為4.4 Pa，流量240 L/min，根據表1 取泵的總效率ηp=0.65，則液壓泵驅動電動機所需的功率為2.769 kW。

表1 液壓泵的總效率Table 1 Total efficiency of hydraulic pump

查閱《機械設計手冊》[18]選取YL100L2-4 單相異步電動機，其額定功率為3 kW，同步轉速1 440 r/min，η 為 82%。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗條件

試驗于2019 年11 月16 日在石家莊市深澤縣石家莊雙收農機裝備有限公司院內進行。試驗有機肥類型有粉末狀有機肥、顆粒狀有機肥、塊狀有機肥3種，規格均為45kg/袋，含水率均很低；四輪拖拉機1 臺，型號WH-15HP，額定功率11.03 kW；攪龍轉速120 r/min。

3.2 試驗方法

將有機肥撒施平臺的2 根攪龍軸，一根與拖拉機后輸出經由萬向接頭傳至底盤下方主軸[19]，工作時始終保持運轉狀態；另一根與液壓泵站、聯軸器相連，從而實現由馬達驅動的排肥軸轉動[20]，工作時模擬間斷工作狀態，即：在果樹根部分布密集區2 根攪龍同時工作排肥，在果樹根部分布稀疏區單根攪龍單獨工作排肥。啟動連接2 根攪龍運轉3 s 后，攪龍的腔體預充滿肥料，開始進行試驗：模擬設定實際作業中機車行駛速度5 km/h，其中設置液壓控制排肥軸間隔3 s啟動1 次，每次啟動持續時間1 s，運行時間8 s，然后對排肥量進行稱重。同時設置2 組對照試驗：一組為拖拉機后輸出作為動力帶動2 根排肥攪龍轉動；一組為液壓泵站作為動力帶動2 根排肥攪龍轉動。

3.3 結果與分析

測試結果（表2）表明，分別由拖拉機后輸出軸、液壓泵站提供輸出軸動力時，針對同一種狀態有機肥的雙攪龍排肥量基本一致；由拖拉機后輸出軸和液壓泵站雙動力分時提供輸出軸動力時，同一種狀態有機肥的雙攪龍排肥量均低于單動力源作用下的排肥量。測算結果顯示，不同形狀的肥料，采用雙動力排肥分別較拖拉機后輸出軸、液壓泵站作為單一動力排肥的節肥效果不同，其中應用粉狀肥料時分別節省23.86%和24.14%，應用顆粒肥料時分別節省24.00%和24.87%，應用塊狀肥料時分別節省23.65%和24.72%。按照每生產1 kg 蘋果施用優質農家肥1.5～2 kg，施肥量為45 000～75 000 kg/hm2計算，采用雙動力、雙攪龍情況下，可節省農家肥11 100～18 600 kg/hm2，節肥效果顯著。

表2 不同動力輸出形式的攪龍排肥量Table 2 The fertilizer spreading rate of auger with different power output forms （kg）

4 結論

基于現代果園種植模式，結合傳統施肥管理工藝和有機肥特點，設計了一種以拖拉機為配套動力并配合液壓泵站作為輔助動力源的雙攪龍有機肥撒施平臺，其由肥料箱、動力輸入軸、螺旋攪龍、進料口、卸載撐桿、液壓控制動力系統等組成，能實現精準施肥、實時施肥。通過理論分析和計算，確定肥箱結構樣式為和液壓系統參數。在完成平臺的裝配后，選定3 種動力輸出形式，以排肥量作為評價指標進行了施肥試驗，結果表明，雙攪龍變量有機肥撒施試驗平臺能夠完成設計要求，節肥效果顯著。