固態(tài)有機(jī)肥與復(fù)合肥混合施肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

關(guān)鍵詞：固態(tài)有機(jī)肥；復(fù)合肥；施肥機(jī)；肥料機(jī)械

0 引言

由于溫室大棚作業(yè)空間有限，大多有機(jī)肥播撒機(jī)具不能在溫室大棚中自由作業(yè)，導(dǎo)致目前丘陵山區(qū)溫室大棚固態(tài)有機(jī)肥與復(fù)合肥的播撒仍然以人工為主，機(jī)械化程度低、人力成本高，嚴(yán)重影響農(nóng)戶增收，制約溫室大棚產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，國內(nèi)外科研人員對有機(jī)肥施肥機(jī)械設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了諸多研究，歐美等發(fā)達(dá)國家對有機(jī)肥施肥機(jī)械的研究起步較早。法國格力格爾?貝松公司研制的速爾齊DPXPrima型撒肥機(jī)，采用圓盤式撒肥方式，實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥穩(wěn)定拋撒。法國KUHN公司研制的ProPush2000系列撒肥機(jī)，采用液壓推進(jìn)方式，實(shí)現(xiàn)了快速卸肥[1]。ProTwin8000系列側(cè)式撒肥機(jī)，采用雙攪龍?jiān)O(shè)計(jì)，保證了有機(jī)肥拋撒的均勻性與連續(xù)性。AXNET100.1型撒肥機(jī)搭載了GPS位置傳感器與EMC（electronicmassflowcontrol）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精準(zhǔn)的施肥作業(yè)。國內(nèi)對有機(jī)肥施肥機(jī)械的研究起步晚，吳建等[2]對比國內(nèi)外有機(jī)肥的施肥機(jī)械化水平，分析了我國有機(jī)肥施肥機(jī)的研制現(xiàn)狀，指出當(dāng)前我國有機(jī)肥施肥機(jī)存在的問題，并提出了有機(jī)肥施肥機(jī)的精細(xì)化、自動化、智能化發(fā)展思路。張艷紅[3]在小型有機(jī)肥撒施機(jī)研發(fā)過程中，為進(jìn)一步降低勞動強(qiáng)度、提高有機(jī)肥撒施的均勻性、減小結(jié)構(gòu)體積、更好適用設(shè)施溫室有機(jī)肥撒施，創(chuàng)新開發(fā)了上肥機(jī)構(gòu)、送料肥料箱和撒肥機(jī)構(gòu)，以適用設(shè)施溫室蔬菜生產(chǎn)，提升設(shè)施蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化水平。柳國光等[4]針對浙江省丘陵地區(qū)果園果樹分布密集、地形不平整的情況，研制出一款結(jié)構(gòu)緊湊、爬坡性能好、具備開溝深度調(diào)整裝置的履帶式偏置開溝施肥機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，開溝深度0～300mm，施肥效率0～6L/m，空載爬坡角度22°，基本適應(yīng)緩坡果園果樹近距離開溝施肥的作業(yè)要求。有機(jī)肥施肥機(jī)多種多樣，但應(yīng)用場地多集中于大田與果園，針對丘陵山地溫室大棚固態(tài)有機(jī)肥施肥機(jī)械的研究較少。

本研究以溫室大棚的結(jié)構(gòu)與農(nóng)藝要求為設(shè)計(jì)依據(jù)，確定肥箱結(jié)構(gòu)、排肥結(jié)構(gòu)、排肥動力等關(guān)鍵參數(shù)，并通過排肥穩(wěn)定性試驗(yàn)、排肥均勻性試驗(yàn)、排肥斷條率試驗(yàn)和田間試驗(yàn)驗(yàn)證施肥機(jī)效果，以期為固態(tài)有機(jī)肥與復(fù)合肥混合施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考，切實(shí)解決溫室大棚固態(tài)有機(jī)肥與復(fù)合肥的播撒問題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 溫室大棚種植模式及施肥農(nóng)藝要求

以溫室大棚種植模式為設(shè)計(jì)參考依據(jù)，溫室大棚結(jié)構(gòu)如圖1所示。大棚為寬8m拱棚結(jié)構(gòu)，作業(yè)空間小，要求作業(yè)拖拉機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)1次機(jī)具進(jìn)地同步完成施復(fù)合肥、有機(jī)肥、耕翻土壤和土肥混合作業(yè)[5]。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

為了滿足固態(tài)有機(jī)肥與復(fù)合肥混合施肥的農(nóng)藝要求，結(jié)合施肥、旋耕、混合的實(shí)際作業(yè)順序，整機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括混合肥箱、動力裝置、復(fù)合肥排肥裝置和有機(jī)肥排肥裝置等。肥箱安裝在旋耕機(jī)正上方，施肥口位于旋耕機(jī)前方，與旋轉(zhuǎn)機(jī)配套能夠?qū)崿F(xiàn)施肥、旋耕、混合的作業(yè)工序。

1.3 工作原理

作業(yè)前，首先通過拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛完成旋耕機(jī)掛接，并完成拖拉機(jī)與旋耕機(jī)動力連接。將混合施肥裝置左右箱體安裝至旋耕機(jī)上方，左側(cè)單體結(jié)構(gòu)如圖2所示，將排肥動力裝置電源線接入拖拉機(jī)供電系統(tǒng)，施肥機(jī)的動力裝置采用電驅(qū)動方式，拖拉機(jī)需要配備12V供電系統(tǒng)。機(jī)具連接完成后在有機(jī)肥料倉和復(fù)合肥料倉中分別裝填有機(jī)肥料和復(fù)合肥料，根據(jù)兩種肥料施肥量需求，調(diào)整肥箱中間位置分料板，控制裝填肥料比例。結(jié)合兩種肥料施肥比例要求，復(fù)合肥排肥量通過調(diào)節(jié)排肥器調(diào)節(jié)手柄可調(diào)節(jié)排肥量，有機(jī)肥排肥量通過調(diào)節(jié)有機(jī)肥排肥電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。作業(yè)時(shí)，旋耕機(jī)從地頭開始啟動，打開排肥動力裝置開關(guān)。復(fù)合肥排肥動力電機(jī)帶動復(fù)合肥排肥器將復(fù)合肥從肥箱前方排肥口均勻撒布于未耕地表；有機(jī)肥排肥電機(jī)帶動排肥刮板膠帶均勻地將有機(jī)肥從肥箱前方排肥口排出，排出的有機(jī)肥呈條狀平鋪在未耕地表。旋耕機(jī)前進(jìn)，將鋪撒在地表的肥料與土壤旋耕混合，滿足施肥農(nóng)藝要求[6]。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)溫室大棚種植模式及施肥農(nóng)藝要求，確定混合施肥機(jī)結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 肥箱

為滿足同時(shí)施用有機(jī)肥和復(fù)合肥，肥箱設(shè)計(jì)采用前后雙層的結(jié)構(gòu)形式，分料板可前后調(diào)節(jié)，并設(shè)置有限位孔，以滿足不同的有機(jī)肥、復(fù)合肥的裝填比例[7]。肥箱結(jié)構(gòu)如圖3所示，肥料裝填效果如圖4所示。結(jié)合溫室大棚施肥農(nóng)藝要求，肥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能減少裝肥次數(shù)，以節(jié)省勞動力，提高工作效率。溫室大棚寬8m、長30m，每個(gè)大棚施用有機(jī)肥量300kg左右，結(jié)合旋耕機(jī)工作幅寬，應(yīng)設(shè)計(jì)單側(cè)肥箱最小可裝載有機(jī)肥質(zhì)量150kg，有機(jī)肥的平均密度700kg/m3，計(jì)算可知有機(jī)肥有效容積應(yīng)≥0.21m3，此容積能夠滿足一次裝填有機(jī)肥完成一個(gè)大棚的施肥量[8]。

有機(jī)肥流動性較差，為避免出現(xiàn)箱體側(cè)壁黏附，同時(shí)考慮到裝填有機(jī)肥后整機(jī)的重心穩(wěn)定，肥箱外形設(shè)計(jì)成方形結(jié)構(gòu)，背板與旋耕機(jī)尾部齊平，側(cè)壁均為豎直布置，角度均大于有機(jī)肥料休止角，以保證有機(jī)肥順利下落[9-11]。

結(jié)合溫室大棚用旋耕機(jī)單側(cè)可放置空間尺寸，設(shè)計(jì)肥箱整體長720mm、寬500mm。復(fù)合肥排肥裝置采用內(nèi)嵌式布置，選用槽輪式排肥器，結(jié)合排肥器實(shí)際尺寸，預(yù)留出復(fù)合肥排肥空間寬200mm、高400mm、長720mm，已知需求有效容積≥0.21m3，經(jīng)體積計(jì)算可得h≥800mm，本設(shè)計(jì)肥箱高度取值800mm。

2.2 有機(jī)肥排肥裝置

為實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥精量施肥、均勻撒布，本設(shè)計(jì)采用下置刮板傳送帶式排肥結(jié)構(gòu)，如圖5所示，主要由刮板膠帶、動力滾筒、支撐架、支撐滾筒組、張緊滾筒和張緊拉桿組成。排肥裝置通過螺栓將左右支撐板與肥箱固定，工作時(shí)，刮板膠帶通過動力滾筒帶動，以設(shè)定速度在肥箱底部將有機(jī)肥輸送出肥箱。有機(jī)肥排肥裝置通過螺栓安裝在旋耕機(jī)正上方，旋耕機(jī)前進(jìn)方向?yàn)槟z帶輸送方向。

為保證有機(jī)肥能夠有效地輸送至未耕地側(cè)，有機(jī)肥排肥機(jī)構(gòu)的長度尺寸應(yīng)大于箱體寬度尺寸500mm，取值700mm。為保證刮板膠帶能夠穩(wěn)定運(yùn)行，動力傳遞穩(wěn)定，能夠均勻輸送有機(jī)肥，刮板間距取100mm，刮板寬度取600mm。為確保徑向尺寸緊湊，參照帶式輸送機(jī)滾筒最小直徑標(biāo)準(zhǔn)，選擇主動滾筒、張緊滾筒直徑80mm，進(jìn)而確定排肥裝置整體高度140mm[12-13]。

2.2.1 排肥量及膠帶速度

結(jié)合溫室大棚肥料施用需求，每米需施有機(jī)肥約2kg[14]，拖拉機(jī)工作時(shí)行走速度0.5m/s[15]，則刮板式排肥器的排肥量Q為1kg/s。

為保證出肥量穩(wěn)定，刮板高度不宜過高，取30mm，代入式（1）計(jì)算可知傳送帶運(yùn)行速度約40mm/s。

2.2.2 排肥口高度

施肥機(jī)排肥過程中，肥料受到的摩擦力是影響排肥性能的主要因素。將肥箱中有機(jī)肥料分為上下兩層，便于分析，下層為傳送帶上刮板之間與刮板等高的有機(jī)肥料，刮板高度之上為上層。排肥機(jī)構(gòu)工作時(shí)，下層物料在傳送帶的帶動下穩(wěn)定地輸出物料，上層物料除了自身重力及料箱側(cè)壁的約束，還受到下層物料提供的前進(jìn)摩擦力F0與側(cè)壁接觸所產(chǎn)生的摩擦力F作用。為保證有機(jī)肥的輸送能形成均勻穩(wěn)定的物料流，需要F0≥F[16]，此時(shí)上層物料隨下層物料共同向料箱末端移動。取相鄰隔板間的肥料進(jìn)行受力分析，如圖6所示。

查閱文獻(xiàn)[16]可知，有機(jī)肥的上下層間內(nèi)摩擦因數(shù)取0.3，有機(jī)肥與側(cè)壁的外摩擦因數(shù)取0.5、側(cè)壓系數(shù)0.43，結(jié)合上述分析，需要F0≥F時(shí)，上層有機(jī)肥可隨下層有機(jī)肥向末端移動，由此可得ha≤1.395b。

本設(shè)計(jì)刮板長度b=600mm，計(jì)算可知，當(dāng)上層肥料高度≤837mm時(shí)，肥料能夠持續(xù)穩(wěn)定地排出肥箱，肥箱高度800mm，滿足穩(wěn)定排肥需求。

2.3 排肥動力系統(tǒng)

施肥機(jī)動力采取電驅(qū)動形式，動力傳遞使用鏈傳動，以12V拖拉機(jī)蓄電瓶為電源，拖拉機(jī)搭載的配套發(fā)電機(jī)額定發(fā)電功率1000W，因此排肥動力電機(jī)功率在滿足需求的情況下應(yīng)盡可能小[17]。

主動托輥扭矩應(yīng)≥86.3N·m，托輥轉(zhuǎn)速應(yīng)為9.6r/min，電機(jī)功率應(yīng)≥108.4W。按照功率要求選擇減速電機(jī)功率120W，最大轉(zhuǎn)速100r/min，轉(zhuǎn)速85r/min時(shí)扭矩13.4N·m，計(jì)算可知需減速比應(yīng)≥8.8，為滿足排肥量需求，速比取9，采用2級鏈輪傳動，扭矩滿足需求。

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)

對置分體式混合施肥機(jī)樣機(jī)試制完成后，需要對設(shè)計(jì)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，檢測其各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)目標(biāo)值。樣機(jī)性能試驗(yàn)主要包括排肥量穩(wěn)定性試驗(yàn)、施肥量均勻性試驗(yàn)和施肥斷條率試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)條件及依據(jù)

3.1.1 試驗(yàn)條件

對置分體式混合施肥機(jī)樣機(jī)（左側(cè)單體）1臺、溫室大棚用旋耕機(jī)1臺、沃得704型拖拉機(jī)1臺、溫室大棚用有機(jī)肥150kg、復(fù)合肥100kg、電子秤1臺及米尺1把，試驗(yàn)場地選擇平整水泥路面，試驗(yàn)地點(diǎn)在重慶市萬州區(qū)重慶三峽職業(yè)學(xué)院內(nèi)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。

3.1.2 試驗(yàn)依據(jù)

對置分體式混合施肥機(jī)試驗(yàn)以NY/T1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》與GB/T20346.1—2006《施肥機(jī)械 第1部分：全幅寬撒肥機(jī)》中參數(shù)指標(biāo)、試驗(yàn)方法為依據(jù)。

3.2 排肥量穩(wěn)定性試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中有機(jī)肥、復(fù)合肥料裝填肥箱的2/3，整機(jī)位于平整路面，旋耕機(jī)處于最低位，置于地面，將有機(jī)肥、復(fù)合肥排肥驅(qū)動電機(jī)調(diào)至最大轉(zhuǎn)速，復(fù)合肥排肥盒開度調(diào)至最大。在出肥口下方放置收集盒，如圖8所示，分別收集排出的有機(jī)肥和復(fù)合肥，使用電子秤測量10s內(nèi)排肥機(jī)排出的肥料質(zhì)量，共進(jìn)行5次重復(fù)測量，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

排肥量穩(wěn)定性用排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)表示。計(jì)算公式為

計(jì)算可得有機(jī)肥排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)4.12%，復(fù)合肥排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)0.28%。

3.2.3 結(jié)果分析

結(jié)果表明，施肥機(jī)左側(cè)單體最大有機(jī)肥排肥量0.8887kg/s，最大復(fù)合肥排肥量0.2975kg/s，有機(jī)肥設(shè)計(jì)單邊排肥量≥0.5kg/s，滿足設(shè)計(jì)需求。有機(jī)肥、復(fù)合肥排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)分別為4.12%、0.28%，均小于國家標(biāo)準(zhǔn)中7.8%的標(biāo)準(zhǔn)值，排肥量穩(wěn)定性滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 排肥均勻性試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方法

為了檢驗(yàn)樣機(jī)的排肥均勻性，分別對有機(jī)肥、復(fù)合肥進(jìn)行施肥量均勻性試驗(yàn)。

（1）有機(jī)肥試驗(yàn)。選擇平整、光潔、硬實(shí)的水泥地面，拖拉機(jī)以低速Ⅰ擋（2m/s）速度行駛，將排肥驅(qū)動電機(jī)調(diào)至最大轉(zhuǎn)速100r/min進(jìn)行排肥，測區(qū)長度取30m，如圖9所示，沿機(jī)具前進(jìn)方向隨機(jī)選取10個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測量點(diǎn)長度取30cm，分別收集測點(diǎn)內(nèi)的肥料并稱量，測量數(shù)據(jù)如表3所示。

（2）復(fù)合肥試驗(yàn)。拖拉機(jī)行駛速度相同，排肥盒開度調(diào)至最大，排肥電機(jī)調(diào)至最大轉(zhuǎn)速45r/min，測量方式相同，測量數(shù)據(jù)如表3所示。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理

代入式（7）、式（8）和式（9）中，計(jì)算可得有機(jī)肥排肥量均勻性變異系數(shù)2.61%，復(fù)合肥排肥量均勻性變異系數(shù)3.61%。

3.3.3 結(jié)果分析

NY/T1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，耕翻施肥機(jī)械施肥均勻性變異系數(shù)≤40%，經(jīng)試驗(yàn)計(jì)算，施肥機(jī)有機(jī)肥、復(fù)合肥排肥量均勻性變異系數(shù)分別為2.61%、3.61%，遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)值要求，因此排肥量均勻性滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 施肥斷條率試驗(yàn)

NY/T1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，長度在10cm以上的無肥料區(qū)段稱為斷條，測定5m內(nèi)各行斷條數(shù)和斷條長度，計(jì)算斷條率應(yīng)≤2%。如圖10所示，通過觀察，有機(jī)肥和復(fù)合肥在施肥均勻性試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)均不存在無肥料區(qū)段，因此施肥機(jī)斷條率0%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 旋耕混合性能試驗(yàn)

3.5.1 試驗(yàn)條件及方法

2024年4月22日，在重慶三峽職業(yè)學(xué)院校內(nèi)進(jìn)行旋耕混合試驗(yàn)，使用的有機(jī)肥同樣機(jī)性能試驗(yàn)一致，為便于混合試驗(yàn)取樣處理，如圖11a所示，對100kg有機(jī)肥用藍(lán)色染料染色，將有機(jī)肥加入肥箱，進(jìn)行田間施肥作業(yè)；如圖11b所示，作業(yè)時(shí)旋耕深度調(diào)整為10cm，采用低速Ⅰ擋速度前進(jìn)。作業(yè)后，取中間穩(wěn)定階段取樣，按5點(diǎn)取樣法以200cm3的環(huán)刀進(jìn)行5次取樣，如圖11c所示，每次取樣間隔1m，取樣分上下兩層，每層取5cm。

旋耕作業(yè)后，難以將土肥分離，為便于觀察土肥混合濃度，將上下兩層土肥分別倒入并平鋪在265mm×200mm的方盒中，通過圖像采集裝置對上下層土肥混合物進(jìn)行圖像采集，通過圖像處理技術(shù)，對圖像進(jìn)行分割、形態(tài)學(xué)處理和有機(jī)肥區(qū)域面積比例計(jì)算等操作，如圖12所示，計(jì)算出樣本上下層有機(jī)肥顆粒比例[19-20]。如表4所示，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算有機(jī)肥相對比例標(biāo)準(zhǔn)差，5個(gè)取樣區(qū)域取平均值。忽略外部因素及系統(tǒng)誤差，有機(jī)肥與土壤混合比例7.87%[20]。

3.5.2 結(jié)果分析

由表4可知，田間試驗(yàn)的有機(jī)肥土壤混合比例平均值10.22%，上層有機(jī)肥顆粒比例平均值13.94%，高于理論值7.87%，下層有機(jī)肥顆粒混合比例平均值6.50%，略低于理論值。經(jīng)過一次旋耕后，上層土肥比例比下層混合比例高，隨著深度的增加，土肥混合比例降低。

4 結(jié)束語

（1）本研究針對溫室大棚施肥作業(yè)機(jī)械化程度低的問題，設(shè)計(jì)了固態(tài)有機(jī)肥與復(fù)合肥混合施肥機(jī)?；跍厥掖笈锏慕Y(jié)構(gòu)與施肥的農(nóng)藝要求，確定了肥箱結(jié)構(gòu)、排肥結(jié)構(gòu)、排肥動力等關(guān)鍵參數(shù)。

（2）根據(jù)NY/T1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》與GB/T20346.1—2006《施肥機(jī)械 第1部分：全幅寬撒肥機(jī)》中參數(shù)指標(biāo)、試驗(yàn)方法，開展了排肥穩(wěn)定性試驗(yàn)、排肥均勻性試驗(yàn)、排肥斷條率試驗(yàn)。結(jié)果表明，有機(jī)肥、復(fù)合肥排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)分別為4.12%、0.28%；有機(jī)肥、復(fù)合肥排肥量均勻性變異系數(shù)分別為2.61%、3.61%；有機(jī)肥、復(fù)合肥在施肥均勻性試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)均不存在無肥料區(qū)段，施肥機(jī)斷條率0%，3項(xiàng)指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）田間試驗(yàn)的有機(jī)肥土壤混合比例平均值10.22%，上層有機(jī)肥顆粒比例平均值13.94%，高于理論值7.87%，下層有機(jī)肥顆?；旌媳壤骄?.50%，略低于理論值。經(jīng)過一次旋耕后，上層土肥比例比下層混合比例高，隨著深度的增加，土肥混合比例降低。