螺旋式石灰播撒机的设计与试验

高自成，李翔宇，李立君，肖诗慧，王朋辉

（中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410004）

螺旋式石灰播撒机的设计与试验

高自成，李翔宇，李立君，肖诗慧，王朋辉

（中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410004）

中国酸性土壤分布广泛、土壤酸化严重，治理土壤酸化是环境保护的重要内容之一。施用石灰是一项传统而有效的酸性土壤改良措施，石灰可以中和土壤酸性，降低Al等重金属对作物的危害，提高作物的产量和品质，目前市场上还没有石灰播撒的设备。文章论述了螺旋循环式的石灰播撒机的工作原理和关键零部件的设计，在此基础上进行了播撒实验，实验得出，设计参数满足播撒量的要求。石灰播撒机的开发对于降低石灰播撒劳动强度、提高生产效率具有重要意义。

农业机械；螺旋循环；石灰播撒机；结构设计；试验分析

酸性土壤是指pH值<6.5的土壤的总称，在中国酸性土壤分布遍及14个省区，总面积达2.03×108hm2，约占全国耕地面积的21%。施用石灰是一项很古老的酸性土壤改良措施，在中国也有长期施用石灰的历史，特别是在南方酸性红、黄壤地区更为普遍。施用石灰可以降低土壤酸度，有效缓解Al和其他重金属的毒害，补充Ca、Mg营养，改善植株营养和生长状况，提高作物产量和品质。

目前在中国正在开展利用石灰来中和土壤酸性和钝化重金属等环境污染治理试点工作，采用播撒量逐年递减的方式进行石灰播撒。传统的石灰播撒方式采用人工手动播撒，由于石灰具有较强碱性，农民在播撒石灰的过程中，皮肤容易被石灰腐蚀，此外，播撒石灰需要一边播撒一边负重，劳动强度大，目前国内市场还没有石灰播撒的专用设备或者与其他农机具组合的石灰播撒组合机具，因此研发石灰播撒机并与其他农机具组合成复合作业农机具对于降低劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率有着重要意义。

1 螺旋循环式石灰播撒机的总体设计

1.1 播撒对象——石灰粉的属性

石灰播撒机的播撒对象采用从石灰窑中出来经过粉碎的生石灰粉，主要成分为CaO，一般从炉窑中出来的石灰块，CaO的含量为80%以上，其他成分为矿石中的杂质，粉碎以后的石灰粉的粒度为10目-200目，即颗粒直径在0.075～2mm之间，堆积密度为1160～1300kg/m3，由于在搬运过程中与空气接触，石灰粉很容易吸湿回潮生成Ca（OH）2，粘度增加，容易板结。此外由于石灰的粒度较小，在气流或者离心力的作用下很容易扬尘，产生粉尘污染，影响空气质量。

1.2 石灰播撒——旋耕组合机具设计方案的提出

根据播撒对象石灰粉的物理属性，在研发石灰播撒机的过程中解决3个问题，一是如何将石灰均匀连续播撒出来；二是在播撒过程中不产生扬尘等粉尘污染；三是控制播撒量。其次，根据农作物种植情况，播撒石灰的时间选择在小麦或者水稻收割之后，土地翻耕以前。因此，结合现有市场上农机具的结构形式和工作方式等实际情况，采取将石灰播撒机置于旋耕机具的前上方，与旋耕机组成旋耕石灰一体机的设计方案，这种组合机具采用轮式拖拉机悬挂。出灰口位于拖拉机后部与旋耕机中间，这样保证

播撒出来的石灰被土壤掩盖而渗入土壤中，根据拖拉机的动力输出方式、负载挂载的方式和挂载能力，将播撒机料箱置于旋耕机上方，而将播撒机出料口往前伸至旋耕机与拖拉机后部的间隔中间。为了能把石灰从位于旋耕机上部的料箱往前送到位于拖拉机与旋耕机中间的出灰口，采用四个螺旋循环输送的方式来完成石灰播撒。其中位于拖拉机与旋耕机中间的播撒螺旋筒体开有出灰口，与灰量调节机构组合，控制出灰量，这样就形成螺旋循环式播撒机的设计原理。播撒过程中石灰从播撒机出口自然流出，最大限度地避免扬尘。同时播撒到耕地的石灰通过旋耕机与土壤搅拌混合以后，迅速和土壤结合，很容易渗透到土壤深层，这对于土壤酸化和重金属污染的治理更为有效。此外采用一体机的作业方式比采用单一作业方式的效率提高了效率。

1.3 螺旋循环式石灰播撒机主要结构与原理

（1）螺旋循环式石灰播撒机的总体机构。根据设计方案，设计出的石灰播撒机的结构如图1所示。在料箱6的下部安装有出灰螺旋1，出灰螺旋将料箱中的石灰输出到送灰螺旋2，送灰螺旋2将石灰送入播撒螺旋3中，在播撒螺旋筒体下面的出灰口与灰量调节机构一起控制出灰量。因为播撒过程中，石灰是单向运动的，因此要求播撒螺旋的输送量大于播撒要求的石灰量，这样没有播撒出去的石灰通过回灰螺旋4返回送到料箱中。在一些不需要播撒的地方可以用灰量调节机构关闭播撒口，石灰通过在几个螺旋中的循环运动完成了播撒。而灰量调节机构控制播撒出灰量。通过手动离合器来控制播撒机的工作与停止。

图1 石灰播撒机执行机构

（2）石灰播撒机的灰量调节机构。灰量调节机构如图2所示，在播撒螺旋筒体7的下方安装有同轴的活动出灰口板5，板5也为圆弧状，并且由导向轴承6支撑，可以沿着轴向移动，板5上开有尺寸与筒体7下方尺寸一致的出灰口，由板7和板5上的出口重合度的大小控制出灰口的开度，当板7和板5上的出口完全重叠时，出灰量最大，板5的一端的法兰安装有螺母4，螺母和螺杆2相连接，螺杆的另一端安装有调节手柄，手柄上安装有定位销11，定位销的销轴在弹簧的作用下，插入档位10的档位孔中，档位板10上开有15个档位孔。当手柄位于不同的档位时，在螺杆的作用下，螺母做轴向移动，从而使活动出灰口5做轴向移动，使活动出灰口和筒体7上的固定出灰口的重合度发生变化，这样出灰量得到调节，图2所示为出灰口开度最大的状态。

图2 灰量调节机构

2 播撒机主要技术参数的确定

（1）螺旋输送量的确定。根据湖南省环保站、湖南省土肥所和湖南省农机局的要求，本石灰播撒机的播撒量为三档：即第一年播撒量为1500kg/hm2，第二年为1125kg/hm2，第三年播撒量为750kg/hm2，播撒量允许误差为±5%。播撒机与旋耕机组成组合农机具，554型拖拉机带动旋耕机具旱地作业时的平均前进速度为v0=5km/h，播撒机的播撒量计算如下：

旋耕机每小时的旋耕面积为：

S=ν0L=9000（m2/h）

每小时的最大石灰播撒量为：

因为石灰粉容易吸收水分变潮湿，而且石灰粉粘度大，流动性差，在播撒过程中容易因为机器的振动而板结，因此输送螺旋辊轴的直径不能太小，但是由于旋耕机与拖拉机挂架的空间限制，播撒螺旋筒体外径允许不能太大，根据旋转播撒作业方式，取播撒螺旋筒体外径为110mm，内径为106mm，取螺旋外径为100mm，为了便于螺旋加工，取各个螺旋的机构相同，通过改变各个螺旋的转速来满足各个螺旋输送量的要求。在播撒过程中为了保证石灰在循环运动过程中，不出现石灰停滞堵塞螺旋的情况，设出灰螺旋、送灰螺旋、播撒螺旋和回灰螺旋的输送量分

每小时的最小石灰播撒量：

别为Q1m、Q2m、Q3m和Q4m，为了防止出灰口关闭时，石灰在螺旋输送过程中出现堵塞现象，各个螺旋的输送量应该满足Q1m

（2）各输送螺旋设计参数的确定。由螺旋输送机输送量的计算公式（1）可以求出石灰在播撒螺旋中的轴向运动速度：

Q3m=3600FλVε （1）

式中：Q3m为播撒螺旋输送量（kg/h），此处Q3m=1800kg/ h；F为螺旋筒内物料层的横截面积，D为螺旋直径，φ为填充系数，取φ=0.5，D=0.1m，得F=0.003925m2；λ为石灰的堆积密度，取γ=1200kg/m3；V为石灰物料的轴向运动速度，m/s；ε为倾斜系数，播撒螺旋水平，取ε=1；代入数据得：V=0.1061m/s。

由公式：V=Sn/60，得S=0.795m=79.5mm，取整数得S= 80mm。

式中：n为螺旋转速，取n=80r/m，S为螺距。

取螺旋芯轴直径为d3=0.3D=30mm

采用类似的方法，计算各个螺旋的设计参数，得出各个螺旋是设计参数如表1所示。

表1 螺旋的设计参数

（3）播撒出灰口的参数估算。在播撒过程中，一方面石灰沿着螺旋做轴向运动，另一方面由从出灰口自然下落，播撒过程中，石灰是流动的状态，由前述可知，播撒辊中石灰的轴向运动速度V=0.1061m/s，由于播撒时石灰在播撒螺旋中的运动情况比较复杂。有轴向运动也有沿着螺旋叶片的回转运动和离心运动，播撒出灰口与播撒螺旋轴线垂直，因此播撒出来的石灰的平均速度小于石灰的轴向运动速度，取出灰口出来的石灰的平均速度为0.07m/s。按照播撒量1500kg/h即播撒量为0.417kg/s来求播撒出灰口的面积，由公式：

Q=γVA求出播撒出灰口的面积，

式中：Q为播撒出灰量；γ为石灰的堆积密度；A为出灰口面积。

代入数据得：A=0.004963m2=4963mm2，播撒机的播撒幅度为1800mm，设在播撒幅度范围内均匀分布40个播撒出灰口，每个出灰口的宽度为8mm，则播撒出灰口的长度为15.5mm，考虑到石灰的粘性，使播撒时的实际出灰面积比出灰口的设计面积小，因此取播撒出灰口的尺寸为20mm×10mm（20mm为出灰口沿着半径方向的弧长）。研制完成以后的螺旋循环式石灰播撒——旋耕一体机如图3所示。

3 螺旋循环式石灰播撒——旋耕一体机现场试验

为了验证播撒机能否在实际应用中达到设计要求，进行了石灰播撒旋耕组合作业试验。 现场试验选择收割晚稻以后的稻田（旱地）进行试验，试验照片如图3所示。

图3 螺旋循环式石灰播撒机

在实验时播撒机传动系统传动采用旱地播撒模式，即行驶速度平均为5km/h，播撒辊的转速为80r/min,选择灰量调节机构档位分别位于1档、2档、3档、8档、11档、14档和15档进行试验，每次试验称出300kg石灰装入料箱，测量每次播撒完以后的播撒面积、时间和播撒——旋耕一体机的作业速度，计算出每次播撒的作业速度、每次播撒的面积和播撒量，每档测量三次，试验得出，当档位为1档时播撒机不出灰，当档位为2档时，仅有微量石灰撒出，3档的出灰量也很小。其他各档的试验数据如表2所示。

表2 石灰播撒旋耕组合作业试验数据表

分析上述实验数据得出：

（1）估算出来的出灰口尺寸是符合设计要求的。

（2）当播撒机灰量调节机构位于14档时，播撒量满足播撒旋耕机在旱地作业时第一年石灰播撒量的要求，当灰量调节机构位于11档和8档时，满足第二年和第三年的播撒量要求。

4 结语

文章论述了开发石灰播撒机的意义和石灰螺旋循环式石灰播撒机的结构与工作原理，并对确定了各个螺旋的关键技术参数，估算了播撒出灰口的尺寸，最后进行了播撒机的田间试验，试验结果表明：石灰播撒机的播撒速度和播撒量符合设计要求，灰量调节机构的各档位出灰量满足石灰播撒量的年度要求，在播撒过程中，石灰从播撒机下部的腰形孔内自然流出，不产生扬尘污染，达到了设计目标。

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Design and Experiment of Spiral Lime Seeding Machine

GAO Zi-cheng，LI Xiang-yu，LI Li-jun，XIAO Shi-hui，WANG Peng-hui
（Mechanical and Electrical Engineering Institute，Central South University of Forestry and Technology, Changsha，Hunan 410004，China）

Acidic soil are widely distributed in China，soil acidification is severe，governing soil acidification is one of the important content of environmental protection.Liming is effective for improving acidic soil because it can neutralize acidic soil，reducethe harm of heavy metal on crops such as Al to increase crop yield and quality.At present，there is no lime seeding device on the market.The paper discusses working principle of spiral circulating lime seeding device and design of key parts，and carries out seeding experiment.The experiment show that the design parameters meet the requirements of seeding quantity.The development of lime seeding machine is of great significance to reduce the labor intensity of lime spread and improve the production efficiency.

agriculture machine；spiral circulation；lime seeding machine；structure design;test analysis

S222.4

A

2095-980X（2016）10-0020-03

2016-09-14

湖南省农产品产地重金属污染防治专项支持（2013090461）；湖南省高校科技创新团队支持计划资助（2014207）。

高自成（1968-），男，湖南祁东人，博士，副教授，主要研究方向：现代林业（农业）装备技术。