一种变量双控制有机肥撒施机的研制

焦海涛，吴海岩，李霄鹤，张俊杰，袁兴茂，彭发智，杨志杰

（河北省农业机械化研究所有限公司，河北 石家庄 050051）

在我国传统的农耕文化中，利用畜禽粪便作为肥料具有悠久的历史。随着社会的发展，化肥逐渐替代有机肥成为了现代农业施肥的重要手段，但是过量使用化肥带来的土壤板结、酸化、有机质含量下降、肥力降低等问题愈来愈严重。随着畜禽数量的增多，其产生的畜禽废弃物和粪尿数量可观，处理不当会对周围大气、土壤和水体造成污染。19 世纪60 年代，日本用“畜产公害”的概念高度概括了畜禽养殖污染的严重性。1999年我国畜禽粪便产生量达19 亿t，是工业固体废弃物的2.4 倍，其中粪便中所含污染物的COD 达7 118 万t，远远超过工业与生活废水的COD之和[1]。有机肥和畜禽粪肥在露天场地堆放时会产生大量的NH3，影响人们的居住、工作和生活环境，应采取覆盖、封闭抑制、通风驱散等有效办法进行防治，以减少环境污染[2]。因此，众多专家倡导减少化肥投入，增施有机肥，建立生态效益型农业，走可持续发展的道路。

果树是河北省重要的经济作物，近年来，随着我国农业产业结构的调整，林果生产已成为我国林果产区经济发展与农民增收致富的新亮点和支柱产业[3]。随着农业产业结构调整以及果园种植规模化程度的加大，林果产业得到了快速发展。果园管理是林果产业的重要组成部分[4]，其中施肥是果树管理的主要环节。有机肥对促进果树生长以及提高果品质量和产量起着至关重要的作用，还可降低农业对化肥的依赖程度，减少化肥施用量，防止农业面源污染[5]。我国有机肥资源丰富，但是目前大部分地区的有机肥施用仍处于人工撒施阶段，不仅工作环境恶劣、劳动强度大，而且施肥效率低、均匀性较差，降低了农民施用有机肥的积极性[6]。目前，我国果树生产中每年都要施用大量有机肥，人工施肥存在劳动强度大、作业效率低、生产成本高等问题[7～9]，而现有的施肥机对施肥量不易控制，易造成资源浪费，且工作效率低、标准化程度不高，无法满足果树产业快速发展的需要，严重影响了果树产业的健康可持续发展。因此，我国果园管理上迫切需要提高机械化和智能化水平[10]。

目前，国外一些大型果园环境控制中已采用了精确定量的控制理念[11]。针对我国果树生产上有机肥施用中出现的问题，参照螺旋输送机的原理[12]，设计一种双搅龙变量有机肥撒施机试验平台，并设计一种液压系统，利用液压技术实现输肥量可调、可控施肥的功能，降低施肥机使用成本[13]，提高果园有机肥施肥机作业的机械自动化水平。新农艺技术要尽快应用于生产，发挥其应有的增产增收效果，必须与农机相结合，这是实现农业高效化的关键[14]。

1 总体结构与工作过程

1.1 总体结构

双搅龙变量有机肥撒施机试验平台由肥料箱、动力输入轴、螺旋搅龙、进料口、卸载撑杆、液压控制动力系统等组成（图1）。

图1 机具结构图Fig.1 Structure chart of test platform

1.2 工作过程

该变量双控制有机肥撒施机机架上设有肥料箱，肥箱是有机肥撒施机的主要工作部件，其主要作用是装载有机肥并结合底板的输肥装置完成有机肥的贮存和输送[15]，肥箱侧板可根据装载肥料的不同改变倾角。肥箱内部设置一可开启、闭合的盖板，是一种大施肥量双箱施肥机[16]。肥料箱内底部设有2 根并列排布的螺旋搅龙。搅龙具备在数量多、重量大等恶劣环境下作业的条件[17]，螺旋搅龙的前部设有受力轴，并安装传动齿轮与动力输入轴连接；后部与出料口尾部上的固定轴承相连接。2 根搅龙的上方分别设有卸载撑杆。

螺旋搅龙的前端设置传动齿轮，可以进行联合传动和单独传动2 种工作状态。当需要无差别大量施肥作业时，采用联动状态，双螺旋搅龙在动力装置带动下同时转动，向落料口拨肥；当进行精准施肥作业时，采用分别单独传动状态，2 个螺旋搅龙在不同的动力装置带动下单独转动，向落料口拨肥。

该变量双控制有机肥撒施机具备施（撒）堆积发酵而成的固体有机肥，以及工厂造颗粒、粉末状有机肥和复合肥等所有底肥的功能。

2 结构设计原理

2.1 肥料箱结构设计

肥料箱由前后固定侧板、左右可调侧板、卸载撑杆、活动盖板等构成（图2）。

图2 肥料箱结构图Fig.2 Structure chart of fertilizer tank

前后固定侧板由3 cm厚度铁板顶部折弯加强，上侧宽80 cm、下侧宽25 cm、高55 cm，且在前后两侧板上均打孔，用于安装卸载撑杆。在肥箱上部两侧设置螺栓孔，用于调整左右两侧板的倾角。左右两侧板由3 cm 厚度铁板顶部折弯加强，且在前后两端均折弯，与前后固定侧板形成闭合的箱体轮廓，两端预留多个螺栓孔，通过螺栓与孔位的配合调整左右两侧板的倾角改变肥料的容积，作用是让不同种类肥料借助坡度自然地向下方移动，解决有机肥料流动性差的问题。

卸载撑杆为直径6cm、长120cm 无缝钢管，共2根，分别安装在螺旋搅龙的正上方距搅龙中心20 cm 处。作用是当肥箱装满肥料后，避免肥料的重量完全作用在螺旋搅龙上，减轻螺旋搅龙启动时的荷载。

活动盖板设计在肥箱内部的后半部，长80 cm。盖板上端关闭后，距离肥箱后端侧板10 cm，盖板下端搭盖螺旋搅龙上。作用是装填肥料后，使肥箱盖板下方只有肥箱前段40 cm 长的螺旋搅龙承担部分肥料的载荷，肥箱后端80 cm 长的螺旋搅龙上方不承担肥料的载荷，减轻螺旋搅龙启动时的荷载。

螺旋搅龙推肥腔体是由3 cm 厚铁板做成的半圆腔体，腔体直径较螺旋搅龙直径大2 cm，长度与螺旋搅龙相等。在螺旋搅龙末端设置出料口，位于螺旋搅龙正下方。其在水平面上的投影是一个长40 cm、宽22.5 cm 的矩形落料口。

2.2 进料口结构设计

在肥箱底部两侧设计进料口。利用肥箱左右两侧板与螺旋搅龙的间隙作为肥料进入螺旋搅龙腔体的通道。考虑到有机肥的流动性差，常出现板结成块现象，工作时只有进料口上方的肥料进入到螺旋搅龙腔体，故将肥料进口的空间设计得较大，以防止在工作时肥料不能及时地填充到螺旋搅龙的腔体，影响肥料撒施的均匀性、稳定性。

在最初的卸载撑杆设计中设置了3 根，分别位于两螺旋搅龙正上方距离中心10 cm 处各1 根，以及两螺旋搅龙中心线垂直向上45 cm 处。该种布置方式进料口的通道充满整个箱体，进料数量也很巨大。实验显示，在肥箱装满粉末状有机肥和块状有机肥时均出现搅龙过载而无法转动的情况。在肥箱填装半箱粉末状有机肥和块状有机肥时，螺旋搅龙在启动瞬间出现明显的卡顿现象，搅龙正常开始工作后转动变得平顺、流畅。而当拆除位于肥箱中部的卸载撑杆，并加装活动盖板，盖板处于搅龙上部的高度是10 cm 时，有利于机具的平稳启动。分析原因，最初的3 根卸载撑杆布置仅有搅龙上方的卸载撑杆对搅龙起到保护和减轻肥料压力的作用，且作用微小，而布置于肥箱中部的卸载撑杆起不到该有的作用，肥箱的肥料必然对螺旋搅龙造成过大压力，且长时间的肥料堆积也必将使过长的搅龙发生变形；同时，在搅龙启动瞬间，其产生的输送阻力过大，超过动力输入装置的最大功率，消耗的动力太多。

2.3 力矩检测装置

该装置由动态扭矩传感器和数据显示器两部分组成。

动态扭矩传感器通过键连接，两端分别与液压马达和搅龙传动轴连接，数据显示器通过外接交流电220 V电源显示传动轴扭矩的实时大小。其量程：0～100 N；外接电源电压：220 V（仪表电压）；输出灵敏度：1.0～2.0 mV/V；输出信号：mV；出线方式：直接出线；工作温度：-35～75 ℃；过载范围：≤150%；IP等级：IP67（传感器）。

在系统工作时，对连接的传动轴实时采集扭矩数值，当搅龙启动瞬间，传动轴负载最大，液压泵站的动力主要用来克服摩擦力做功，此阶段伴随着大量热能的转换、消耗。当搅龙转到趋于平稳时，传动轴的负载也会逐渐趋于平稳，其扭矩值也会降低，动力的损耗也会达到最低。马达转速与输入马达的流量呈正比，即输入马达的油液流量越大，搅龙转速越高；反之，搅龙转速越低。液压泵站上的节流阀可以对液压马达的流量进行调节。

2.4 液压泵站选择

液压泵站结构示意图如图3 所示。电机带动油泵旋转，泵从油泵中吸油后打油，将机械能转化为液压油的压力能，液压油通过集成块（或阀组合）液压阀实现方向、压力、流量调节后经外接管路传输到液压机械的油缸或油马达中，从而控制液动机方向的变换、力量的大小以及速度的快慢，推动各种液压机械做功。

根据公式Pp≥∑Δp+p1，确定液压泵的最大工作压力。式中，p1—液压缸或液压马达最大工作压力，为11 MPa；∑Δp—从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。∑Δp的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取∑Δp=0.2～0.5 MPa；管路复杂、进口有调节阀的，取∑Δp=0.5～1.5 MPa。选择管路损失∑Δp=1 MPa，则可得液压泵的最大工作压力为6 MPa。

根据公式Qp≥K（∑Qmax），确定液压泵的流量。式中，K—系统泄漏系数，一般取1.1～1.3；∑Qmax—同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，可从Q-t 图上查得。对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取2～3 L/min 。由题知系统的最大工作流量为15 L/min，此处取K=1.2，则可预选液压泵的流量QP=18 L/min。

图3 液压泵站结构示意图Fig.3 Structural chart of hydraulic pump station

根据以上求得的Pp和Qp，按系统中拟定的液压泵形式，从产品样本或本手册中选择相应的液压泵。为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般较最大工作压力大25%～60%。根据以上压力和流量的数值查阅产品样本，最后选取CBN-F310 型齿轮泵，其泵排量为10 mL/r，额定压力16 MPa，额定转速2 000 r/min，最高压力20 MP，最低转速900 r/min，额定功率6.58 kW。

在前面已经确定了液压泵的型号为CBN-F310 型齿轮泵，驱动功率为50.4 kW，液压泵工作压力为4.4 Pa，流量240 L/min，根据表1 取泵的总效率ηp=0.65，则液压泵驱动电动机所需的功率为2.769 kW。

表1 液压泵的总效率Table 1 Total efficiency of hydraulic pump

查阅《机械设计手册》[18]选取YL100L2-4 单相异步电动机，其额定功率为3 kW，同步转速1 440 r/min，η 为 82%。

3 试验结果与分析

3.1 试验条件

试验于2019 年11 月16 日在石家庄市深泽县石家庄双收农机装备有限公司院内进行。试验有机肥类型有粉末状有机肥、颗粒状有机肥、块状有机肥3种，规格均为45kg/袋，含水率均很低；四轮拖拉机1 台，型号WH-15HP，额定功率11.03 kW；搅龙转速120 r/min。

3.2 试验方法

将有机肥撒施平台的2 根搅龙轴，一根与拖拉机后输出经由万向接头传至底盘下方主轴[19]，工作时始终保持运转状态；另一根与液压泵站、联轴器相连，从而实现由马达驱动的排肥轴转动[20]，工作时模拟间断工作状态，即：在果树根部分布密集区2 根搅龙同时工作排肥，在果树根部分布稀疏区单根搅龙单独工作排肥。启动连接2 根搅龙运转3 s 后，搅龙的腔体预充满肥料，开始进行试验：模拟设定实际作业中机车行驶速度5 km/h，其中设置液压控制排肥轴间隔3 s启动1 次，每次启动持续时间1 s，运行时间8 s，然后对排肥量进行称重。同时设置2 组对照试验：一组为拖拉机后输出作为动力带动2 根排肥搅龙转动；一组为液压泵站作为动力带动2 根排肥搅龙转动。

3.3 结果与分析

测试结果（表2）表明，分别由拖拉机后输出轴、液压泵站提供输出轴动力时，针对同一种状态有机肥的双搅龙排肥量基本一致；由拖拉机后输出轴和液压泵站双动力分时提供输出轴动力时，同一种状态有机肥的双搅龙排肥量均低于单动力源作用下的排肥量。测算结果显示，不同形状的肥料，采用双动力排肥分别较拖拉机后输出轴、液压泵站作为单一动力排肥的节肥效果不同，其中应用粉状肥料时分别节省23.86%和24.14%，应用颗粒肥料时分别节省24.00%和24.87%，应用块状肥料时分别节省23.65%和24.72%。按照每生产1 kg 苹果施用优质农家肥1.5～2 kg，施肥量为45 000～75 000 kg/hm2计算，采用双动力、双搅龙情况下，可节省农家肥11 100～18 600 kg/hm2，节肥效果显著。

表2 不同动力输出形式的搅龙排肥量Table 2 The fertilizer spreading rate of auger with different power output forms （kg）

4 结论

基于现代果园种植模式，结合传统施肥管理工艺和有机肥特点，设计了一种以拖拉机为配套动力并配合液压泵站作为辅助动力源的双搅龙有机肥撒施平台，其由肥料箱、动力输入轴、螺旋搅龙、进料口、卸载撑杆、液压控制动力系统等组成，能实现精准施肥、实时施肥。通过理论分析和计算，确定肥箱结构样式为和液压系统参数。在完成平台的装配后，选定3 种动力输出形式，以排肥量作为评价指标进行了施肥试验，结果表明，双搅龙变量有机肥撒施试验平台能够完成设计要求，节肥效果显著。