牽引式液態肥噴灑機設計與試驗

楊延強 贠瑩瑩 陳兆英 范國強 董和銀 王玉亮

(1.山東農業大學機械與電子工程學院， 泰安 271018； 2.山東省農業裝備智能化工程實驗室， 泰安 271018；3.浙江大學海洋學院， 舟山 316021； 4.泰安意美特機械有限公司， 新泰 271215；5.泰安市畜牧智能裝備產業技術研究院， 新泰 271215)

0 引言

隨著我國人民對肉、蛋和奶消費需求的增加，我國畜牧業正向規模化、現代化、集約化和標準化的養殖方式轉變[1]。2017年，我國牛、豬和家禽年產糞污量為34.9億t[2]。我國絕大多數規模化養殖場缺乏必要的污染防治設備和措施，產生的糞污基本上未得到及時處理，大量未經處理的糞污對地下水、土壤和大氣環境造成較大危害，成為重要水源、江河和湖泊富營養化的主要原因，同時也對畜牧業本身和人類健康造成巨大威脅[3-8]。中國是世界化肥生產與施用大國，化肥的盲目過量施用，致使農作物產量品質降低、土壤板結退化和水體嚴重污染，因此引發了系列農產品安全、環境污染與資源浪費等亟需解決的社會性問題[9]。

解決養殖污染問題根本有效的措施是采取種養結合和農牧結合，使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[10-11]。將液態尿和沼化液以液態肥的形式灑施到田地中，不僅解決了糞污的污染問題，還有利于改善土壤，增加土壤肥力，為植物生長提供營養[12]。施用液態有機肥面臨的難題是施用量大、勞動強度大和作業環境惡劣，無法采用人工進行大面積作業。歐美等發達國家已經實現了液態肥的噴灑、表面施、淺施和深施作業的機械化和自動化，公開文獻報道比較少，掌握著核心技術的公司主要有德國福林格、法國Jeantil和比利時Joskin等。

近年來，我國廄液和沼液灑施技術推廣取得了較大的進步，相關研究逐漸起步[2,13]。土壤施入方式氮肥保護好，氣味和污染較小，但系統復雜，價格昂貴，適合大型農場。地面噴灑方式氮保護較差，氣味較大，但結構簡單，性價比較高，適合中小型農場，是當前我國首選的作業方式。但國內對噴灑器設計及作業參數優化等關鍵技術的研究比較匱乏，提高噴灑性能成為國產液態肥噴灑機亟待解決的問題。針對以上問題，本文對20 m3牽引式液態肥噴灑機進行設計和試驗，以解決國內液態肥噴灑研究匱乏現狀，為國內相關機型設計提供理論支持。

1 結構與工作原理

1.1 整機結構

牽引式液態肥噴灑機主要由牽引架、真空泵、真空泵換向液壓缸、液氣分離器、防溢閥、泄壓閥、吸料控制閘閥、吸料軟管、罐體、噴灑液壓缸、噴灑控制閘閥、噴灑器、車橋、輪胎、車架和支腿等部件組成，20 m3牽引式液態肥噴灑機整機結構如圖1所示。為減少連接，對罐體進行加固，將車架焊接在罐體底部。車架通過鉸接銷軸與牽引架鉸接在一起，通過牽引架懸掛在拖拉機后部。懸架與輪胎承載罐體、糞污和車架的全部重量，為減小接地壓力，降低對土壤的壓實力，采用2個單點懸架，4個600/55-26.5寬輪胎增大接觸面積[14]。

圖1 20 m3牽引式液態肥噴灑機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of 20 m3 trailed liquid fertilizer sprayer1.牽引架 2.真空泵換向液壓缸 3.真空泵 4.液氣分離器 5.接頭 6.防溢閥 7.泄壓閥 8.吸料控制閘閥 9.吸料軟管 10.罐體 11.糞污排出口 12.噴灑液壓缸 13.噴灑控制閘閥 14.噴灑器 15.殘渣排出口 16.單點懸架及輪胎 17.車架 18.鉸接銷軸 19.支腿

液態肥噴灑機由拖拉機牽引作業，吸取和灑施動力由拖拉機后動力輸出軸通過萬向聯軸器帶動真空泵提供，真空泵換向液壓缸和噴灑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，開動拖拉機牽引灑施機到農田進行作業。整機設計參數如表1所示。

表1 設計參數Tab.1 Design parameters of machine

1.2 罐體

參考國外液態肥灑施機械設備，參照作業要求和國家相關標準，將廄液罐直徑設置為2 m，廄液罐容積定為20 m3，罐體結構如圖2所示。為防止噴灑機啟動或爬坡時液體流動引起的沖擊和質心偏移，在罐體內部的前端和后端焊接防波板。根據李鑫[15]研究結果，防波板面積設為橫截面積的50%與60%所達到的防沖擊效果相仿，本設計防波板面積為橫截面積的50%。在防波板上部開設貫氣孔，便于不同部位液體的流動。為方便檢修，在防波板中部開設檢修孔，前后防波板的檢修孔對稱布置。在防波板底部開設殘渣傾瀉孔，便于罐體內液體的流動和殘渣的傾瀉。

圖2 罐體結構圖Fig.2 Tank structure1.后防波板 2.前防波板 3.貫氣孔 4.檢修孔 5.殘渣傾瀉孔

1.3 吸料和排料系統

真空泵、真空泵換向液壓缸、液氣分離器、吸料控制閘閥、吸料軟管、罐體、噴灑液壓缸、噴灑控制閘閥和噴灑器等部件組成吸料和排料系統。采用雙萬向聯軸器將拖拉機輸出動力軸與真空泵輸入軸連接，驅動真空泵工作。通過真空泵換向液壓缸控制真空泵換向桿改變真空泵轉向，實現吸氣或排氣。

填充肥料時將吸料軟管一端浸入糞池，關閉尾部噴灑控制閘閥，打開吸料控制閘閥，真空泵排氣，罐體內壓力降低，實現吸料。吸料結束后，關閉吸料控制閘閥。當田間作業時，開啟噴灑控制閘閥，真空泵吸氣，罐體內壓力升高，液態肥從尾部噴出，在噴灑器的作用下實現扇形噴灑。

1.4 噴灑器

噴灑器主要由噴嘴、擋板、散射擋板組成(圖3)。為減小阻力并達到一定流速，采用錐形收口噴嘴。

圖3 噴灑器結構圖Fig.3 Nozzle device structure1.錐形收口噴嘴 2.豎直擋板 3.散射擋板

2 關鍵部件設計

2.1 真空泵計算與選取

根據工作要求，真空泵抽氣速率是決定真空泵性能的關鍵因素[16-17]。取真空泵使罐體內達到既定真空度所需時間t為1.5 min，罐體容積V為20 000 L，初始壓力p1為標準大氣壓。如圖4所示在負壓吸取糞污時，設真空泵工作壓力為p2，抽液最大高度hmax為6.5 m，糞污密度ρ為1.05×103kg/m3，重力加速度g為9.8 m/s2。

圖4 真空吸污示意圖Fig.4 Schematic diagram of vacuum suction manure1.糞池 2.廄液罐 3.真空泵

由伯努利方程得

(1)

計算得p2=34 kPa，則真空泵抽氣速率S為[18]

(2)

計算得真空泵抽氣速率S為14 517 L/min，選取意大利MORO公司PM110AP型風冷葉片式真空泵，性能參數如表2所示。

表2 PM110AP型風冷葉片式真空泵性能參數Tab.2 Parameters of PM110AP vacuum pump

2.2 罐體設計

我國車輛標準規定半掛牽引車寬度限制2.5 m，參考國外相關設備，結合我國農村道路現狀，選取罐體直徑為2 m。選用如圖5所示的THB碟形封頭，封頭直徑D0為2 m，封頭大徑R0為2 m。

圖5 THB碟形封頭示意圖Fig.5 Schematic of THB dish-shaped head

根據壓力容器標準[19]，封頭厚度應不小于封頭內徑的0.3%，設計封頭厚度δn為10 mm，封頭過渡段轉角內半徑r0=200 mm，封頭總高度H0為485 mm，封頭直邊高度h為100 mm。則封頭伸角為

(3)

則封頭容積為[20]

(4)

其中

由總容積求得罐體中段長度為

(5)

計算罐體總長為7 248 mm，圓整為7 250 mm。

2.3 噴灑器設計

在灑施裝置高度一定的情況下，灑施過程中，液態肥在壓力和重力雙重作用下排出，液態肥排出流量Q與壓力差Δp、出口面積A有關，計算公式為

(6)

式中μ——孔口流量系數，0.8[21]

h0——液面高度，m

文獻[22-23]研究表明，灑施量維持在25 t/hm2左右可以降低本地輪作系統的氮素損失，提高營養利用率，減少灑施過量造成的土地富營養化等問題。隨著農作物和灑施季節的不同，液態有機肥灑施量控制在25～45 t/hm2，噴灑平均厚度為2.4～4.3 mm。取拖拉機牽引速度為3 km/h，灑施寬度8 m，則噴灑效率為16～28.7 L/s。真空泵最大工作壓力為300 kPa，取直徑為d的圓形出口，計算得d=43 mm。為進一步提高流速，擴大噴灑幅寬，取d=40 mm。

液態肥流出噴嘴的流速由罐體壓力控制，罐體壓力恒定，即可保持液態肥噴出流速恒定。在噴嘴截面面積不變時，流體流量與流速呈正比例關系，即

Q=Av

(7)

式中v——流體速度，m/s

當噴嘴入口壓力為0.2 MPa，環境壓力為0.1 MPa，真空泵連續作業時間小于等于20 min，將20 m3液態肥撒施完成，由式(6)、(7)可計算得流出噴嘴速度為13.2 m/s。

3 噴灑仿真

3.1 仿真模型建立

VOF模型是一種求解氣液兩相流動和自由表面流動的算法。該方法通過引入流體體積組分α函數及其控制方程來表示混合流體的密度并跟蹤自由面的位置。液態肥密度以及黏度與液態水極為接近，為簡化計算過程，將液態肥等效為液態水模型。采用計算流體動力學分析軟件STAR-CCM+對液態肥經噴嘴的運動建立外流場進行數值模擬。本文研究的物理模型如圖6所示，計算域由內流場和外流場組成，內流場為液態肥在管道以及噴嘴內部的流域，外流場為液態肥從噴嘴離開后的流域。按1∶1比例在SolidWorks中完成該模型的建立，并以.igs的格式導入仿真軟件。各區域幾何參數如表3所示。

表3 仿真模型區域幾何參數Tab.3 Geometric parameters of simulation model area

圖6 物理模型Fig.6 Physical model1.內流場 2.外流場

3.2 仿真試驗設計

影響噴灑效果的關鍵因素為噴嘴形狀、散射擋板形狀、噴射速度、散射擋板傾斜角等，以噴灑幅寬、均勻性變異系數(CV)、平均厚度為噴灑性能指標。使用Matlab編寫程序，對水體積分數分布云圖進行量化處理和數據統計。在規定的參數下作業，測量每個測量區的水體積。

3.2.1散射擋板形狀選取

仿真條件為：圓形噴嘴、噴嘴出口速度13 m/s、噴嘴高度1.5 m、散射擋板傾斜角45°、車速5 km/h。散射擋板形狀及初始水的體積分數分布云圖如圖7所示。由圖7可知，扇形散射擋板的散布效果較好，矩形散射擋板的散布效果最差。

圖7 不同散射擋板形狀水體積分數分布Fig.7 Volume distributions of water with different scattering baffle shapes

散射擋板形狀對地面水橫向厚度分布的影響如圖8所示。散射擋板形狀對噴灑性能的影響如表4所示。

圖8 散射擋板形狀對地面水橫向厚度分布的影響Fig.8 Effect of scattering baffle shape on transverse thickness distribution of surface water

表4 散射擋板形狀對噴灑性能的影響Tab.4 Effect of scattering baffle shape on spraying performance

由圖8和表4可知，扇形散射擋板噴灑的均勻性變異系數略高，但噴灑幅寬遠大于矩形與月牙形，散布效果較好。因此為提高噴灑幅寬和散布效果，選擇扇形散射擋板。

3.2.2散射擋板朝向

仿真條件為：圓錐形噴嘴、噴嘴噴射速度13 m/s、散射擋板傾斜角45°、噴嘴高度1.5 m、車速5 km/h。液態肥噴灑機的散射擋板朝向有兩種類型：散射擋板與水平面所成夾角為正夾角；散射擋板與水平面所成夾角為負夾角。對兩種朝向的散射擋板進行仿真，得到地面上水的體積分數分布如圖9所示，正夾角散布效果較好。

圖9 不同散射擋板朝向時地面水體積分數分布Fig.9 Volume distributions of water with different scattering baffle direction1.圓錐形噴嘴 2.豎直擋板 3.散射擋板

散射擋板朝向對噴灑性能的影響如表5所示。散射擋板呈正夾角噴灑機構的噴灑幅寬遠大于散射擋板呈負夾角的噴灑機構，散布效果較好。為提高噴灑幅寬和散布效果，選取散射擋板呈正夾角的噴灑機構。

表5 散射擋板朝向對噴灑性能的影響Tab.5 Effect of scattering baffle direction on spraying performance

3.2.3噴嘴形狀選取

吳澤兵等[24]對不同形狀噴嘴的空化性能進行了數值模擬，闡述了噴嘴形狀對撒施效果的影響。丁素明等[25]對扇形噴嘴不同噴霧方式下的空間沉積情況進行了研究。杜哲等[26]選取WJ-7010、WJ-8010型噴嘴噴霧對茶果的降溫效果進行了研究。本文選取幾個具有代表性的噴嘴形狀：圓錐形、十字形、扁平形。為保證仿真效果真實有效，無論噴嘴為何種形狀，其截面面積都保持相等。仿真條件為：噴嘴出口速度13 m/s、散射擋板形狀為扇形、半徑為40 cm、噴嘴高度為1.5 m、散射擋板傾斜角為45°。圖10為不同噴嘴形狀的地面水體積分數分布云圖。

圖10 不同噴嘴形狀的水體積分數分布Fig.10 Volume distributions of water with different nozzle shapes

噴嘴形狀對地面水橫向厚度分布影響如圖11所示。由圖10、11可知，圓錐形噴嘴散布效果好。

圖11 噴嘴形狀對地面水橫向厚度分布的影響Fig.11 Effect of nozzle shape on transverse thickness distribution of surface water

3種噴嘴形狀對噴灑效果的影響如表6所示。從噴灑幅寬效果來看，圓錐形噴嘴優于其他形狀噴嘴，因此選用圓錐形噴嘴。

表6 噴嘴形狀對噴灑性能的影響Tab.6 Effect of nozzle shape on spraying performance

3.2.4噴射速度選取

仿真條件為：噴嘴形狀圓錐形、散射擋板形狀扇形、噴嘴高度1.5 m、散射擋板傾斜角45°。噴嘴出口速度分別選取9、13、17 m/s進行仿真設計，其仿真分布云圖如圖12所示。

圖12 不同噴射速度時的水體積分數分布Fig.12 Water volume distributions at different outlet velocities

噴射速度對地面水橫向厚度分布的影響如圖13所示。由圖12、13可知，隨著出口噴射速度的增加，噴灑幅寬先增加后減小，散布效果先變優后變差。

圖13 噴射速度對地面水橫向厚度分布的影響Fig.13 Effect of outlet velocity on transverse thickness distribution of surface water

噴射速度對噴灑效果的影響如表7所示。

表7 噴射速度對噴灑性能的影響Tab.7 Effect of outlet velocity on spraying performance

噴灑幅寬與噴射速度的關系大致呈倒U形關系，因此出口噴射速度應選取13 m/s左右為宜。

3.3 噴灑正交試驗仿真分析

正交試驗設計選用散射擋板長軸長度、噴嘴出口速度、噴嘴高度、散射擋板傾斜角4個因素，每個因素采用3個水平，如表8所示。以灑施幅寬、平均厚度、均勻性變異系數CV3個性能指標來綜合判定不同因素對灑施效果的影響。采用L9(34)正交試驗法，正交試驗結果如表9所示。得到9組試驗的幅寬、均勻性變異系數和平均厚度后進行極差分析，結果如表10所示。

表8 正交試驗因素水平Tab.8 Factors and levels of orthogonal test

表9 正交試驗結果Tab.9 Orthogonal experiment results

由表10可知，4個因素對噴灑幅寬影響由大到小為B、D、A、C，最佳組合為A1B3C2D1。4個因素對地面水平均厚度的影響由大到小為A、B、D、C，最佳組合為A2B3C3D3。4個因素對噴灑均勻性變異系數的影響不太顯著，影響由大到小為A、C、B、D，最佳組合為A3B1C1D1。

表10 極差分析Tab.10 Range analysis

噴灑幅寬與地面水平均厚度是兩個相反的指標，幅寬越大，地面水平均厚度越小。仿真分析表明，提高噴嘴高度有利于擴大噴幅，降低地面水的厚度。但在實際作業中，為了提高整機的穩定性，罐體重心不能太高，噴嘴離地高度小有利于液態肥的排出和提高地面水的平均厚度。結合設計目標，選取行進速度5 km/h、散射擋板與水平夾角35°、擋板長軸長度32 cm、噴射速度13 m/s和噴嘴高度1 m進行試驗。

4 試驗

在泰安意美特機械有限公司廠內進行試驗，在平整干凈的混凝土地面上(長50 m，寬26 m)使用水作為試驗材料，選取仿真分析得到的最優參數進行試驗，現場無風，樣機性能試驗如圖14所示。

圖14 樣機性能試驗Fig.14 Performance test of prototype

采用400 mm×300 mm×150 mm(長×寬×高)的長方形接水盤測量噴灑到地面水厚度。將8個接水盤垂直于噴灑機行走方向，沿著噴灑中心向一側等間距直線擺放，間隔0.8 m。試驗取3次測量數據的平均值進行分析，主要測試指標：噴灑幅寬、地面堆積水平均厚度、噴灑均勻性變異系數和機具作業穩定性。

仿真與試驗對比如圖15所示。由圖15可知，仿真效果與試驗效果曲線基本擬合，仿真具有準確性和可靠性。試驗測試的噴灑幅寬為11 m，地面水平均厚度為1.65 mm，拋灑均勻性變異系數CV為34.86%，均達到了設計目標，滿足使用要求。

圖15 仿真與試驗對比Fig.15 Comparison between simulated and experiment results

5 結論

(1)設計了主要由牽引架、罐體、吸料系統、排料系統、噴灑器、車架和車橋等部件組成的牽引式液態肥噴灑機，建立了噴灑作業的理論模型，并對真空泵排量選擇、罐體結構、噴嘴噴射速度等關鍵參數進行了設計與計算。

(2)采用仿真軟件對散射擋板形狀、散射擋板朝向、噴嘴形狀和噴嘴噴射速度等關鍵因素進行了分析，以噴灑幅寬、均勻性變異系數、平均厚度為噴灑性能指標。分析表明，為達到較好的噴灑效果，應選擇扇形散射擋板、散射擋板與水平面呈正夾角、圓錐形噴嘴和13 m/s左右的噴射速度。

(3)采用正交試驗對噴灑作業進行了優化仿真分析，分析表明對噴灑幅寬影響由大到小為散射擋板長軸長度、長軸噴嘴高度、散射擋板傾斜角、噴嘴噴射速度，對地面水平均厚度影響由大到小為散射擋板傾斜角、散射擋板長軸長度、噴嘴高度、噴嘴出口速度，4個因素對于噴灑均勻性變異系數的影響不太顯著。在實際作業中為提高整機穩定性，采取較小的噴嘴離地高度有利于液態肥排出和提高地面水的平均厚度。結合設計目標，當行進速度5 km/h時，優先選取散射擋板與水平夾角35°、散射擋板長軸長度32 cm、噴射速度13 m/s和噴嘴高度1 m進行試驗。仿真分析與試驗結果基本一致，拋撒幅寬為11 m，地面水平均厚度為1.65 mm，拋灑均勻性變異系數CV為34.86%，達到了設計目標，滿足使用要求。