2FYP-20 型棉田液态肥撒施机的研制

王保兴 ，王忠宇 ，范国强 ※，张晓辉 ，董和银 ，齐自成 ，韩 见

（1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安271018；2.山东省农业装备智能化工程实验室；3.泰安意美特机械有限公司；4.泰安市畜牧智能装备产业技术研究院；5.山东省农业机械科学研究院）

0 引言

我国幅员辽阔，宜棉区域广阔，目前按大的流域划分，有黄河流域、长江流域和西北内陆3 大棉区[1]。农民为了增加棉花产量大量使用化肥，长期使用化肥，尤其是长期使用一种化肥会致使土壤酸化，土壤酸化后会溶解土壤中的营养物质，在下雨或者灌溉后会导致土壤中营养物质的流失，形成土壤板结，肥力下降。大量使用化肥还会影响土壤中微生物的生存，影响农作物的生长。

为减少上述危害，部分地区开始使用粪污处理后的有机肥来替代化肥。近年来我国的畜禽养殖业发展迅速，但随着养殖业比重的增加，所产生的粪污量也急剧上升，如果不能进行有效的处理，粪污中的氮元素会影响土壤、河流和地下水，造成土壤以及河流的酸化，对环境造成巨大破坏。2010 年我国畜禽排出粪尿的总和约为24.6 亿t[2]。随着我国养殖业的进一步发展，养殖业所产生的粪便进一步增多，由此造成的环境污染也更加严重。2014 年1 月1 日，《畜禽规模养殖污染防治条例》正式实施[3]，说明养殖场粪污的无害化处理及利用已成为亟待解决的重大问题。解决养殖污染的根本措施是采取种养结合和农牧结合，让畜禽粪污变成有机肥回归农田，发展以循环和生态为主的环保型畜牧业[4,5]。

液态有机肥撒施作业劳动量大，环境条件恶劣，欧美发达国家已经研发了运输及田间撒施作业的机具，实现了液态有机肥机械化撒施。我国液态有机肥撒施机械的发展还比较落后，主要以引进与仿制改进为主。

为了提高液态有机肥的使用量，让畜禽粪污变成有机肥回归农田，山东农业大学机械与电子工程学院与泰安意美特机械有限公司联合研制了2FYP-20 型棉田液态肥撒施机，实现液态有机肥抛撒的机械化作业，解决了传统抛撒作业效率低、抛撒不均匀的问题。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

2FYP-20 型棉田用牵引型液态肥撒施机主要由牵引架、车架、轮胎及车桥、真空泵、真空泵转向调节液压缸、液气分离器、接头、防溢阀、罐体、泄压阀、粪污排出口、撒施液压缸、撒施控制闸阀、扇形散射板、残渣排出口、粪污吸入控制闸阀和吸料软管组成，整机结构如图1。

图1 2FYP-20 型棉田液态肥撒施机结构示意

1.2 主要技术参数

1.3 工作原理

2FYP-20 型棉田用液态肥撒施机由拖拉机牵引作业，吸取和撒施动力由拖拉机后动力通过万向联轴器带动真空泵提供，真空泵转向调整液压缸和撒施控制液压油缸由拖拉机齿轮泵提供液压动力。将液态肥吸入罐体，开动拖拉机牵引撒施机到农田进行作业。

1.3.1 吸取液态肥

先控制撒施液压缸关闭撒施控制闸阀，打开粪污入口的闸阀，将与粪污入口连接的吸料管浸入液态肥中。控制真空泵转向，调节液压缸，调节真空泵的转向，拖拉机的后动力输出带动真空泵工作，将罐体中的空气排出，使得罐体内部与大气之间形成负压，液态肥在大气压的作用下流入罐体内部。

当罐体内部的肥料达到所能装载的极限值时，切断拖拉机后动力输出，并关闭粪污吸入控制闸阀，收起吸料管，完成液态肥填充工作。

1.3.2 撒施作业

作业时拖拉机牵引撒施机到农田，控制撒施液压缸开启撒施控制闸阀。控制真空泵转向调节液压缸，调节真空泵的转向，拖拉机的后动力输出带动真空泵工作，向罐体中注入空气，将液态肥从罐体中排出。

由粪污出口喷射出的液态肥撞击在撒施机构中的扇形面上，呈扇形喷出，覆盖一定的幅宽。拖拉机带动液态肥撒施机在棉田间行走，使得液态肥均匀的洒在棉田中，完成施肥工作。

2 设计计算

2.1 真空泵计算与选取

根据工作要求，真空泵是抽取和排出液态肥的关键部件，真空泵的抽气速率是决定真空泵性能的关键因素。由于风冷式真空泵最大连续工作时间为10min，真空泵使得罐体内部达到既定真空度所需的时间为1.5 min。初始真空度p1为标准大气压（760 mmHg），真空泵的工作真空度p2为303 mmHg[6]。罐体容积V 为20 000L，达到既定真空度需要的时间t 为60 s。

真空泵的抽气速率S[6]：

计算得真空泵抽气速率为S=12 283 L/min，选取意大利MORO 公司的PM80AM 型风冷式真空泵。

2.2 功率计算

棉田液态肥撒施机满载在农田中行走时所需要牵引压力：

式中μ—撒施机轮胎与农田摩擦系数，0.35；m—满载后整机质量，27 000 kg；g —重力加速度，9.8m/s2。

计算得撒施机牵引力F为92 610 N。

牵引棉田液态肥撒施机前进的功率：

式中v—撒施机牵引速度，0~1.39m/s。

在最高牵引速度下，P1为128.7 kW，真空泵最大排气功率为P2为34 kW，整机作业功率P≥162.7 kW，配套拖拉机动力≥170 kW。

3 试验及结论

2020 年10 月在内蒙古呼伦贝尔牙克石鸿发祥牧场完成液态肥撒施机试验，撒施的为猪粪沼液，图2 为作业效果图。

图2 样机撒施作业效果

试验测得，当样机牵引速度为1.5 km/h 时，有效抛撒幅宽为12m，抛撒平均厚度为1.5cm，均匀性变异系数CV为29%，最大作业效率为4hm2/h作业效果良好。