曹林，孫松林，肖名濤，周惠根，何少明，鄒楠(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128；3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128)

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擺管式石灰撒施機(jī)構(gòu)的設(shè)計與試驗

曹林1,3，孫松林1,2,3*，肖名濤1,2,3，周惠根1,3，何少明1,3，鄒楠1,3
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128；3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128)

摘 要：針對離心式撒肥機(jī)或氣流噴射式撒肥機(jī)在稻田施用生石灰粉塵污染的問題，設(shè)計了加裝在旋耕機(jī)上的擺管式石灰撒施機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由料箱、螺旋送料裝置、擺動裝置、傳動系統(tǒng)組成。以石灰撒施橫、縱向均勻性變異系數(shù)為評價指標(biāo)，對影響石灰撒施均勻性的機(jī)具前進(jìn)速度、擺管傾角、擺管的頻率3因素進(jìn)行單因素和響應(yīng)曲面試驗，確定了機(jī)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)。試驗結(jié)果表明，影響石灰撒施均勻性變異系數(shù)因素的大小依次為擺管頻率、機(jī)具前進(jìn)速度、擺管傾角；當(dāng)擺管頻率為3 Hz，擺管傾角為45°，機(jī)具前進(jìn)速度為0.97 m/s時，石灰撒施的橫向均勻性變異系數(shù)為9.1%，縱向均勻性變異系數(shù)為13.9%，能夠滿足石灰撒施的要求。

關(guān) 鍵 詞：石灰撒施機(jī)構(gòu)；旋耕機(jī)；螺旋；擺管；均勻性

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據(jù)首次全國土壤污染狀況調(diào)查公報[1]顯示，全國有20%的耕地土壤污染超標(biāo)，南方黃壤地區(qū)土壤酸化和重金屬污染較為嚴(yán)重。稻田施用生石灰是改良酸性土壤和重金屬污染最經(jīng)濟(jì)有效的方法之一[2–6]。人工撒施生石灰，揚(yáng)塵大，易對環(huán)境造成二次污染，石灰還具有腐蝕性，在撒施過程中極易損傷人的皮膚，危害工人勞動安全，且工作量大，效率低[7–8]。目前，機(jī)械撒施生石灰普遍采用離心式撒肥機(jī)或氣流噴射式撒肥機(jī)[9]，工作效率得到極大提高，但粉塵污染仍無法避免。筆者設(shè)計了一種安裝在1GQX150型旋耕機(jī)上的螺旋擺管式石灰撒施裝置，該裝置采用螺旋送料的方式控制生石灰的進(jìn)量，擺管仿手臂的運(yùn)動往復(fù)擺動，將生石灰均勻撒施在未耕地上，隨即旋耕機(jī)進(jìn)行翻耕，使生石灰粉和土壤迅速結(jié)合，生石灰很容易滲透到土壤深層，可減少粉塵污染，現(xiàn)將結(jié)果報道如下。

1　石灰撒施裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1石灰撒施裝置的結(jié)構(gòu)

石灰撒施裝置固定于旋耕機(jī)上，主要由料箱、箱蓋、機(jī)架、殼體、導(dǎo)管、攪灰輥、左右螺旋、傳遞箱、轉(zhuǎn)向器、曲柄、連桿、滑塊、支架、擺管組成，如圖1所示。

圖1　石灰撒施旋耕機(jī)的撒施裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the rotary tiller for quicklime spreading

1.2 工作原理

旋耕機(jī)由拖拉機(jī)提供動力，通過萬向節(jié)傳遞到中間傳遞箱，采用左右兩側(cè)邊傳動的方式分別驅(qū)動旋耕機(jī)和撒施機(jī)構(gòu)。右側(cè)動力輸出軸上裝有鏈輪，帶動螺旋軸旋轉(zhuǎn)，將生石灰從料箱中輸送至2擺管中，螺旋軸上裝有雙排鏈輪，帶動攪灰輥旋轉(zhuǎn)，防止生石灰粉的架空；同時右側(cè)輸出軸的動力經(jīng)轉(zhuǎn)向器帶動曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄通過連桿帶動滑塊往復(fù)運(yùn)動，使安裝在滑塊上的擺管來回擺動，生石灰在擺管離心力的作用下被撒入未耕地。左側(cè)動力驅(qū)動旋耕機(jī)工作，將生石灰粉與土壤混合，避免了生石灰粉的揚(yáng)起，一次作業(yè)實現(xiàn)撒施和旋耕。

2　石灰撒施試驗

2.1材料

生石灰粉氧化鈣含量大于70%，細(xì)度為通過十目標(biāo)準(zhǔn)篩(孔徑不大于1.7 mm)，堆積密度1.19 g/cm3。

2.2評價指標(biāo)

根據(jù)GB/T20346.1—2006[10]要求，以石灰撒施橫、縱向均勻性變異系數(shù)為評價指標(biāo)，參照李鵬[11]設(shè)計的擺管式撒肥機(jī)，以橫向均勻性變異系數(shù)低于15%，縱向均勻性變異系數(shù)低于20%為符合要求。

2.3試驗設(shè)計

通過前期試驗和分析，選取擺管頻率、擺管傾角、機(jī)具前進(jìn)速度3個因素，以橫、縱向均勻性變異系數(shù)為評價指標(biāo)，進(jìn)行單因素及響應(yīng)面試驗。在臺車軌道下布置石灰收集盒，規(guī)格為25 cm×25 cm × 5.5 cm，橫向6個，縱向10個。記錄收集盒中生石灰粉的質(zhì)量，每組重復(fù)3次，取3次的平均值作為試驗結(jié)果。撒施均勻性變異系數(shù)記為Y，Y越小表明撒施均勻性越好，反之，撒施均勻性越差。

2.3.1單因素試驗

參照文獻(xiàn)[12]的方法，送料螺旋轉(zhuǎn)速確定為60 r/min；從農(nóng)藝要求(碎土、耕深等)和工作效率等方面考慮，旋耕機(jī)的前進(jìn)速度取0.5 ～1.5 m/s[13]。單因素試驗：1)設(shè)定擺管頻率為3 Hz[11]，擺管傾角為45°，分別取機(jī)具前進(jìn)速度0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 m/s進(jìn)行考察；2)保持?jǐn)[管頻率為3 Hz不變，選取第1組機(jī)具前進(jìn)的最佳速度1.00 m/s，分別取擺管傾角35°、40°、45°、50°、55°進(jìn)行考察；3)保持機(jī)具前進(jìn)速度為1.00 m/s，擺管傾角為45°, 分別對擺管頻率1、2、3、4、5 Hz進(jìn)行考察，觀察并記錄試驗數(shù)據(jù)。

2.3.2響應(yīng)曲面試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，采用Box–Behnken響應(yīng)面設(shè)計法[14–15]，對3因素進(jìn)行3水平試驗(表1)，優(yōu)化石灰撒施均勻性條件。

表1　因素水平編碼設(shè)計Table 1　Design of level for experimental factors

3　 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗結(jié)果

3.1.1 機(jī)具前進(jìn)速度對橫、縱向均勻性變異系數(shù)的影響

如圖2所示，機(jī)具前進(jìn)速度為0.50～0.75 m/s時，隨著速度的提高，石灰撒施橫、縱向均勻性變異系數(shù)變??；機(jī)具前進(jìn)速度為1.25～1.50 m/s時，橫、縱向均勻性變異系數(shù)逐漸增大。機(jī)具前進(jìn)速度較小時，機(jī)具作業(yè)時間較長，易造成生石灰重復(fù)撒施，影響撒施均勻性；機(jī)具前進(jìn)速度較大時，機(jī)具作業(yè)的時間較短，易造成生石灰的少施或漏施，影響撒施的均勻性。機(jī)具前進(jìn)速度為0.75～1.25 m/s時，均勻性變異系數(shù)的變化較小，石灰撒施的均勻性較好。

圖2　不同機(jī)具前進(jìn)速度的撒施均勻性變異系數(shù)Fig.2 The variation coefficient of the uniformity dependent on the speeds

3.1.2擺管傾角對橫、縱向均勻性變異系數(shù)的影響

如圖3所示，擺管傾角為35°～45°時，橫、縱向均勻性變異系數(shù)隨著擺管傾角的增大而減小，擺管傾角為45°～55°時，橫、縱向均勻性變異系數(shù)隨著擺管傾角的增大而增大。由于擺管的設(shè)計幅寬是固定的，因此，出料口高度會隨擺管傾角的改變而發(fā)生改變。當(dāng)擺管傾角較大時，出料口離地面較近，石灰在空中運(yùn)動的時間較短，石灰不能撒開，均勻性差。擺管傾角減小時，石灰在擺管中會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，不能及時排出，致使石灰撒施不均勻。擺管傾角為40°～50°，均勻性變異系數(shù)的變化較小，石灰撒施的均勻性較好。

圖3　不同擺管傾角的撒施均勻性變異系數(shù)Fig.3 The variation coefficient of the uniformity dependent on dip angle of the swing tube

3.1.3擺管頻率對橫、縱向均勻性變異系數(shù)的影響

如圖4所示，擺管頻率為1～3 Hz時，橫、縱向均勻性變異系數(shù)隨著擺管頻率的增大都減小，擺管頻率大于3～5 Hz時，橫、縱向均勻性變異系數(shù)隨著擺管頻率的增大都增大。隨著擺管頻率的增大，擺管的角速度和角加速度增大，導(dǎo)致離心力增大，石灰快速流動，減少了石灰之間的相互作用，使其有規(guī)律的撒在地上，提高了均勻性，但隨著擺管頻率的不斷增大，擺管口在中間位置時的切向速度非常大，快速的擺過了該區(qū)域，造成漏施或少施，影響均勻性，因此，擺管頻率在2～4 Hz時，橫、縱向均勻性變異系數(shù)均較小。

圖4　不同擺管頻率的撒施均勻性變異系數(shù)Fig.4 The variation coefficient of the uniformity dependent on the frequencies

3.2Box–Behnken響應(yīng)曲面試驗結(jié)果

響應(yīng)曲面試驗結(jié)果列于表2。

表2　響應(yīng)面試驗結(jié)果Table 2　Design and experimental results of process variables and levels in response surface

以擺管頻率(X1)，擺管傾角(X2)，機(jī)具前進(jìn)速度(X3)為自變量，以橫向均勻性變異系數(shù)(Y1)、縱向均勻性變異系數(shù)(Y2)為響應(yīng)值，對表2的試驗結(jié)果進(jìn)行二次擬合，得到二次多元回歸方程。

Y1=737.73–82.69X1–29.92X2+150.23X3+

0.58X1X2–28.20X1X3–3.46X2X3+13.55X12+ 0.35X22 + 48.36X32 (1) Y2=1 125.91–113.91X1– 44.94X2+ 160.89X3+

0.68X1X2–35.20X1X3–4.10X2X3+18.97X12+ 0.52X22 + 68.68X32(2)

二次多元回歸模型的方差及顯著性檢驗[16–17]結(jié)果列于表3、表4，模型值P小于0.01，且差異極顯著，表明模型回歸方程合理，失擬項P大于0.05，且差異不顯著，表明模型方程與試驗結(jié)果擬合好；R2>0.9，說明該模型方程所得到預(yù)測值與實際值之間有較好的相關(guān)性。

由表3、表4可知，因素X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3對橫、縱向均勻性變異系數(shù)影響顯著。對比F值可發(fā)現(xiàn)，自變量對Y1的影響大小依次為X1X3、X1、X2X3、X1X2、X3、X2；自變量對Y2的影響大小依次為X1X3、X1、X2X3、X1X2、X3、X2。

表3　Y1模型系數(shù)顯著性檢驗和模型方差Table 3　Significance test for Y1model coefficient and analysis of model variables

表4　Y2模型系數(shù)顯著性檢驗和模型方差Table 4　Significance test for Y2model coefficient and analysis of model variables

3.3參數(shù)優(yōu)化及驗證試驗

對方程(1)、(2)的擬合結(jié)果表明，擺管頻率為3.09 Hz，擺管傾角為45.14°，機(jī)具前進(jìn)速度為0.97 m/s時，生石灰的撒施均勻性較好，橫、縱向均勻性變異系數(shù)均能取得較小值，分別為8.1%、12.3%。為進(jìn)一步驗證回歸方程及軟件分析的可靠性，對上述優(yōu)化方案進(jìn)行試驗驗證。考慮到實際情況，選擇擺管頻率為3 Hz，擺管傾角為45°，機(jī)具前進(jìn)速度為0.97 m/s，進(jìn)行5次重復(fù)試驗，結(jié)果橫向均勻性變異系數(shù)為9.1%，縱向均勻性變異系數(shù)為13.9%，Y1偏差率為2.3%，Y2偏差率為13.0%，說明該優(yōu)化方案可靠。

4　結(jié)論

單因素試驗結(jié)果表明，擺管頻率為2～4 Hz，擺管傾角為40°～50°，機(jī)具前進(jìn)速度為0.75～1.25 m/s，是機(jī)構(gòu)參數(shù)的最佳取值范圍。

Box–Behnken 響應(yīng)面設(shè)計試驗結(jié)果表明，擺管頻率、擺管傾角、機(jī)具前進(jìn)速度、擺管頻率與擺管傾角交互項、擺管頻率與機(jī)具前進(jìn)速度交互項、機(jī)具前進(jìn)速度與擺管傾角交互項均為影響生石灰粉撒施均勻性的顯著因子。自變量對響應(yīng)值的影響大小依次為擺管頻率、機(jī)具前進(jìn)速度、擺管傾角。交互項對響應(yīng)值的影響大小依次為擺管頻率與機(jī)具前進(jìn)速度交互項、機(jī)具前進(jìn)速度與擺管傾角、擺管頻率與擺管傾角交項。

模型預(yù)測最優(yōu)試驗條件是擺管頻率3 Hz、擺管傾角45°、機(jī)具前進(jìn)速度0.97 m/s，驗證試驗結(jié)果表明，生石灰撒施的橫向均勻變異性系數(shù)為9.1%，縱向均勻性變異系數(shù)為13.9%，能夠滿足生石灰粉的撒施要求。

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責(zé)任編輯：羅慧敏英文編輯：吳志立

Experiment on the swing-tube type mechanism for quicklime spreading

Cao Lin1,3, Sun Songlin1,2,3*, Xiao Mingtao1,2,3, Zhou Huigen1,3, He Shaoming1,3, Zou Nan1,3
(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Provincial Engineering Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128, China; 3.Collaboration Innovation Center of Southern Chinese Grain and Oilseed, Changsha 410128, China)

Abstract:In order to solve the problem of dust pollution caused by centrifugal or airflow jet quicklime spreader in paddy fields, a quicklime spreading mechanism of swing-tube type was designed and installed on the rotary tiller, which was mainly composed of bins, spiral feeding device, oscillation device, and the transmission system. Taking the variation coefficient of uniformity as the evaluation index, the optimal parameters of the mechanism were revealed by test on single factor such as machine moving speed, dip angle and frequency of the swing tube as well as the analysis of response surface. The results show that the frequency of swing tube takes the priority in effecting the uniformity of lime spreading volume, as followed by the machine moving speed, and the dip angle of swing tube. When the frequency of swing tube is 3 Hz with 45° dip angle of swing tube and the machine moving speed of 0.97 m/s, the variation coefficient for horizontal and vertical uniformity is 9.1 % and 13.9%, respectively, which can meet the requirements for quicklime spreading.

Keywords:quicklime spreading mechanism; rotary tiller; spiral; swing tube; uniformity

中圖分類號：S224.22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007?1032(2016)02?0217?05

收稿日期：2015–12–22 修回日期：2016–02–08

基金項目：湖南省農(nóng)業(yè)機(jī)械管理局企業(yè)創(chuàng)新項目(2014–3)

作者簡介：曹林(1988—)，男，湖南婁底人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計研究，1259672782@qq.com；*通信作者，孫松林，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究，hnndssl@163.com