2FY-6型液態(tài)有機糞肥施肥機研制與試驗

張俊杰,李霄鶴,袁興茂,么立申,張西群,焦海濤

(河北省農(nóng)業(yè)機械化研究所有限公司,石家莊 050051)

0 引言

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展,散戶養(yǎng)殖正在逐漸被規(guī)模化養(yǎng)殖取代。以石家莊市欒城區(qū)河北鼎源牧業(yè)有限公司為例,其主要以奶牛養(yǎng)殖為主,奶牛數(shù)量800余頭,每日會產(chǎn)生大量的糞尿及清理的污水。養(yǎng)殖廢水主要包括部分糞尿、清洗廢水以及生活污水,每日排放約38.4m3,排放的廢水中有大量的氮、磷、有機物,是一種高濃度有機糞肥。民間流傳有“莊稼一枝花,全靠糞水來當家”的俗語,而糞水的回用率卻極低[1-7]。絕大多數(shù)養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖廢水未經(jīng)無害化處理,直接排放入池塘或水渠,對土壤、水質(zhì)、大氣造成污染,僅有極少部分被回用的養(yǎng)殖廢水也是通過大水漫灌方式用于農(nóng)業(yè)灌溉中。造成養(yǎng)殖廢水亂排放、回用率低的原因:一是養(yǎng)殖廢水無害化處理成本較高,且費工費時;二是養(yǎng)殖廢水施用機械短缺[8-15],且施用量不均勻。因此,針對養(yǎng)殖廢水施用機械短缺及智能化程度低的問題,研制了一種液態(tài)有機糞肥施肥機。

1 液態(tài)有機糞肥施肥機的設(shè)計

液態(tài)有機糞肥施肥機由動力行走系統(tǒng)、貯肥裝置、糞水均分裝置、糞水開溝注射裝置及流量智能調(diào)控系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

圖1 液態(tài)有機糞肥施肥機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of liquid organic manure fertilizer applicator

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

液態(tài)有機糞肥施肥機采用四輪驅(qū)動工程汽車底盤,底盤上安裝貯肥裝置,貯肥裝置末端設(shè)有糞水均分裝置;糞水開溝施肥注射裝置位于汽車尾部,糞水均分裝置下方,通過軟管與糞水均分裝置連接。糞水開溝施肥注射裝置由懸掛裝置將其固定,懸掛裝置與施肥車后橋固定;貯肥罐以橢圓式結(jié)構(gòu)安裝于底盤上,由螺栓固定;貯肥罐與汽車底盤之間排布管道,管道上設(shè)有電動注液控制閥、壓力表、流量計等;管道連接貯肥罐右側(cè)的泵體進液口與出液口,泵體轉(zhuǎn)動由發(fā)動機經(jīng)取力器、傳動軸傳遞;流量智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)置在駕駛室內(nèi)的儀表盤旁側(cè),智控系統(tǒng)電源來源于施肥車蓄電池(24VDC);另外,駕駛室內(nèi)還設(shè)有液位監(jiān)視儀器,供駕駛員實時監(jiān)測貯肥罐內(nèi)液位情況。

1.2 工作原理

1)液態(tài)糞肥抽取:以糞污水泵為動力源,以施肥車蓄電池為智能控制系統(tǒng)電源,將液態(tài)有機糞肥施肥機靜置于養(yǎng)殖場的集水沉淀池旁;帶有過濾網(wǎng)的軟管置于沉淀池內(nèi),軟管另一端與液態(tài)有機糞肥施肥機糞肥進口連接;開啟流量智能調(diào)控系統(tǒng)中的吸肥開關(guān),電動注液控制閥通電打開,同時發(fā)動機通過取力器將動力傳遞至糞污水泵,水泵轉(zhuǎn)動將糞水由沉淀池通過進肥口抽取至罐體內(nèi)。

2)液態(tài)糞肥注射:將糞水運輸至田間開始作業(yè)時,開啟流量智能調(diào)控系統(tǒng)中的注射開關(guān),將罐體內(nèi)的糞水由水泵、連接注射管路的電動注液控制閥開啟后,通過糞水均分裝置將糞水均勻、定量地注射至各個開溝施肥器內(nèi),由開溝糞水開溝注射裝置開溝后注入田間。

2 主要工作部件設(shè)計

2.1 液態(tài)有機糞肥智能控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)為智能糞水注射裝備的核心,實現(xiàn)沉淀池內(nèi)的糞水抽取與田間注射工作,由繼電器、開關(guān)、泵體、時間繼電器及注液控制閥等組成。控制系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of control system

由糞水沉淀池向儲存罐抽取糞水時,吸肥開關(guān)接通,吸肥開關(guān)通電,其連接一個正反開關(guān),即左、右吸肥功能。右吸肥接通時,右1(電動注液控制閥)打開,糞水由此側(cè)電動調(diào)節(jié)閥流入,經(jīng)過泵體、右2(電動注液控制閥)進入罐體內(nèi);左吸肥接通時,左2(電動注液控制閥)打開,糞水由此側(cè)電動調(diào)節(jié)閥流入,經(jīng)過泵體、右2(電動注液控制閥)進入罐體內(nèi)。

由存儲罐向田間注射糞水時,注射開關(guān)接通一個正反開關(guān),即肥注射與肥循環(huán)功能。肥注射接通時,左1(電動注液控制閥)打開,糞水經(jīng)過水泵、右3(電動注液控制閥)流入糞水均分裝置,由開溝施肥器注入田間;控制系統(tǒng)通過時間繼電器控制右3(電動注液控制閥)的開合程度,進行注肥流量調(diào)節(jié)。

由于糞水抽吸工作均在養(yǎng)殖場內(nèi)的沉淀池進行,抽吸完畢后運輸至田間,為避免在運輸過程中糞水內(nèi)的雜質(zhì)沉淀,控制系統(tǒng)還設(shè)置了糞水攪拌功能。當需糞水攪拌時,接通注射開關(guān),再接通肥循環(huán),左1(電動注液控制閥)打開,糞水流經(jīng)泵體、右2進入罐體內(nèi),使糞水流動混合,達到防止沉淀的目的。

2.2 糞水均分裝置

液態(tài)肥量均分機構(gòu)包括錐形分流筒、余液貯存箱、肥液導(dǎo)流管及排肥管等,如圖3所示。

圖3 糞水均分器Fig. 3 Manure equalizer

其中,錐形分流筒呈圓錐形結(jié)構(gòu)且內(nèi)部中空,其錐面上設(shè)置有3排(每排大小相同)排肥孔。第1排排肥孔尺寸最小,第3排排肥孔尺寸最大。第1排與第2排排肥孔數(shù)量相同,與肥液導(dǎo)流管數(shù)量相同,數(shù)量均為9;第3排排肥孔數(shù)量為18。在錐形分流筒的內(nèi)部設(shè)有與排肥孔連接的排肥管,第1、2排排肥管一一對應(yīng)插入肥液導(dǎo)流管內(nèi),第3排相鄰兩個排肥管插入相近的肥液導(dǎo)流管內(nèi)。錐形分流筒底部與余液貯存箱底部密封固定,其頂部與液體排肥管密封連接,當肥液流入貯存箱內(nèi)時,肥液從錐形表面留下時,由一排排的排肥孔流入排肥管內(nèi),未流入排肥孔的剩余肥液留存至貯存箱內(nèi),當其肥液高度大于錐形表面上的排肥孔時,再由排肥孔內(nèi)流出。在余液貯存箱底部設(shè)置觀察口,用于觀測、調(diào)整排肥管。

2.3 罐體及管路設(shè)計

罐體設(shè)計為長2.9m、寬1.78m、高1.3m方形(四角圓弧)罐體,罐體頂端設(shè)有人孔(直徑450mm),同時人孔也可以作為糞水的進入口,人孔蓋采用電動形式開合,如圖4所示。罐體較長,抽取糞水后需運輸,內(nèi)設(shè)防浪板以避免液體晃動對車體造成的不穩(wěn)定問題。

圖4 罐體與防浪板結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure Diagram of tank and wave board

罐體底部中間的最前端設(shè)置排肥觀察口,用于停機工作后排出罐體內(nèi)剩余的糞水;出肥口、進肥口在尾端開設(shè)孔用于管路穿過罐體內(nèi)部連接尾部的糞水均分肥裝置,有利于縮短施肥機整體長度。管路布局(見圖5)為:罐體兩側(cè)設(shè)置糞水抽取口接頭,兩側(cè)接頭通過直管連接(其為管路1),在抽水口接頭端均設(shè)置電動注液控制閥,緊鄰右側(cè)電動注液控制閥(有水泵的一側(cè))設(shè)置一條管路(管路2)連接水泵頂端接口;水泵另一端口接通兩路管路,管路3連接罐體底部進肥口,在此管路上設(shè)置電動注液控制閥;管路4由罐體底部穿過罐體內(nèi),延伸至液態(tài)糞水均勻裝置,此管路上設(shè)置流量計和電動注液控制閥;罐體左側(cè)抽水口電動注液控制閥內(nèi)側(cè)設(shè)置管路5,其一端連通管路一,另一端延伸至罐體底部的出肥口,且此管路上設(shè)置電動注液控制閥。

圖5 管路旁側(cè)與底部排布圖Fig.5 Side and bottom layout of pipeline

1.電動執(zhí)行機構(gòu) 2.閥板 3.閥體圖6 電動注液控制閥結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Electric injection control valve structure diagram

向罐體內(nèi)抽取糞水時,電動注液控制閥打開,糞水流經(jīng)管路1、管路2進入水泵,再流經(jīng)管路3、電動注液控制閥進入罐體內(nèi);由罐體向田間注射施肥時,電動注液控制閥打開,糞水流經(jīng)管路5、管路1、管路2進入水泵,再經(jīng)水泵另一端口、管路4、流量計、電動注液控制閥至糞水均分肥裝置內(nèi)注入田間。考慮到運輸時糞水中雜質(zhì)易沉淀,增設(shè)了糞水混合攪拌路線:糞水由出肥口流出,經(jīng)管路5、電動注液控制閥、管路1、管路2進入水泵,再經(jīng)水泵另一端口流經(jīng)管路3、電動注液控制閥進入罐體底部的進肥口,實現(xiàn)糞水在罐體內(nèi)循環(huán)。

2.4 取力器設(shè)計

首先,取力器輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足水泵的轉(zhuǎn)速要求;其次,取力方式應(yīng)快捷、方便,同時需滿足水泵旋向要求;最后,取力器位置應(yīng)有利于整機傳動排布。水泵參數(shù)如表1所示。

表1 水泵參數(shù)Table 1 Pump parameters

經(jīng)測試,發(fā)動機輸出軸轉(zhuǎn)速為982r/min(范圍值),水泵轉(zhuǎn)速在960r/min左右為水泵運行的最佳狀態(tài)。為滿足水泵額定轉(zhuǎn)速要求,需設(shè)計一款傳動比在發(fā)動機與水泵轉(zhuǎn)速之比范圍內(nèi)的取力器,即

i=n泵/n發(fā)

式中n泵-水泵額定轉(zhuǎn)速;

n發(fā)-發(fā)動機輸出軸轉(zhuǎn)速。

由此計算出傳動比i在0.81～1.02范圍內(nèi)。

由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于泵體最佳轉(zhuǎn)速為960r/min,故取力器的傳動比i取0.98較為適宜。取力器與發(fā)動機變速箱末端齒輪嚙合,發(fā)動機變速箱末端齒輪齒數(shù)為32齒,取力器與發(fā)動機末端齒輪嚙合齒輪齒數(shù)為32,輸出軸齒輪為31齒,由此計算取力器傳動比i為0.97,水泵轉(zhuǎn)速為952.54r/min,此值較為接近水泵轉(zhuǎn)速的最佳狀態(tài)。

2.5 電動注液控制閥的選擇

該機具采用電動法蘭軟密封蝶閥(見圖4),其由電動執(zhí)行機構(gòu)、閥體、閥板與密封材料組成,執(zhí)行器電源為DC24V,電機功率13W,輸出力矩50N·m,動作時間為25s,轉(zhuǎn)動角度為0°～(90°±5°),能夠滿足管路內(nèi)糞水的啟閉要求。

2.6 液位儀的選擇

在注射施肥作業(yè)過程中,駕駛員要觀察機具前的作業(yè)條件,不方便觀察身后的糞水液位狀態(tài),為防止糞水流干造成泵體空轉(zhuǎn)、損壞,需要安裝液位儀檢測糞水高度。由于糞水具有腐蝕性,首選耐腐蝕的不銹鋼材質(zhì);工作、運輸時糞水晃動,漂浮式結(jié)構(gòu)簡單,但其檢測液位高度精度差,故采用投入式液位變送器,其通過壓力反映液位高度,精度較高。

QDY30A-JX液位變送器檢測液位高度到達所設(shè)上限液位、下限液位均有上、下限報警提示,具體參數(shù)如表2所示。

表2 QDY30A-JX液位變送器參數(shù)Table 2 QDY30A-JX Liquid level transmitter parameters

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗條件

項目試驗區(qū)位于石家莊市欒城區(qū)中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站,試驗面積100m×50m,矩形,地塊規(guī)整,土壤質(zhì)地壤土,土壤肥力中等,植被平均覆蓋量353g/m2,土壤含水率19.4%(0～10cm土層),土壤堅實度0.75MPa,于2021年7月21日進行糞水注射作業(yè)。

3.2 注射深度及注射深度穩(wěn)定性效果試驗

U=1-V

表3 注射深度試驗數(shù)據(jù)Table 3 Injection depth test data mm

Sj-第j個行程開溝注射深度的標準差(cm);

N-同一工況中的行程數(shù);

S-注射深度標準差(cm);

V-注射深度變異系數(shù)(%);

U-注射深度穩(wěn)定性系數(shù)(%)。

3.3 各行排肥量一致性效果試驗

此次注射排肥量測定試驗測定行數(shù)為6行,重復(fù)5次,每次測定長度為20m,數(shù)據(jù)如表4所示。測定各行總排量與各行排量平均值后,通過計算標準差S和變異系數(shù)a,確定各行排肥量一致性。標準差S和變異系數(shù)a計算公式分別為

表4 注射排肥量試驗數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data of fertilizer displacement by injection

式中X-每行排量(kg);

n-測定行數(shù)。

將表4中各行排肥量試驗數(shù)據(jù)代入公式,計算得出標準差平均值S=0.861,各行排肥量變異系數(shù)a=3.4%。

對液態(tài)有機糞肥施肥機進行的注射深度、注射深度穩(wěn)定性與各行排肥量一致性測試試驗(見表5)證明:該機具性能指標達到設(shè)計預(yù)期指標,能滿足田間注射施肥的各項作業(yè)功能。

表5 液態(tài)有機糞肥施肥機試驗結(jié)果Table 5 Test results of liquid organic manure fertilizer applicator

4 結(jié)論

1)基于養(yǎng)殖廢水回用率低的現(xiàn)狀,設(shè)計了一種液態(tài)有機糞肥施肥機,可將沉淀池內(nèi)的液態(tài)糞肥抽取至施肥機內(nèi),并運輸、精準注射至農(nóng)作物根部。

2)對智能控制系統(tǒng)進行設(shè)計,通過對智控系統(tǒng)中電動注液控制閥的控制,使得注肥作業(yè)時糞水能夠精準、定量地施入作物根部。

3)對糞水均分裝置進行設(shè)計,保證各行排肥量均勻一致性較好。