王海慶，劉建華，張運(yùn)輝

（528300 廣東省 佛山市 廣東皓耘科技有限公司）

0 引言

近年來，我國畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，現(xiàn)已形成規(guī)模化、集約化，但養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的畜禽糞污未能及時有效處理，會污染地下水資源、土壤及大氣，影響人類健康與生態(tài)環(huán)境[1-2]，如何采取高效、環(huán)保及有效的措施，從根源上解決糞污顯得尤為重要。農(nóng)田長期使用化肥會造成土壤板結(jié)、肥力退化[3-4]，而施加有機(jī)肥可增加土壤有機(jī)質(zhì)與通透性，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，保障農(nóng)作物增產(chǎn)、增收[5-6]。隨著人們耕地養(yǎng)護(hù)與環(huán)保意識的提高，以畜禽糞污為原料，經(jīng)發(fā)酵處理變?yōu)橛袡C(jī)肥，撒施回歸農(nóng)田的方式，成為解決糞污的有效措施。

目前，雙立輥撒肥機(jī)是固態(tài)有機(jī)肥撒施作業(yè)中廣泛應(yīng)用的運(yùn)輸、拋撒一體設(shè)備，具有拋撒均勻、幅寬較大、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。歐美等發(fā)達(dá)國家撒肥機(jī)技術(shù)成熟、自動化程度高，但售價相對較高，配件供應(yīng)困難[10-11]。我國撒肥機(jī)處于起步階段，研究學(xué)者、企業(yè)主要針對中小機(jī)型，以引進(jìn)仿制、改進(jìn)創(chuàng)新為主[12-14]，但設(shè)計方法多為宏觀經(jīng)驗(yàn)推測，未能深入研究螺旋葉片拋撒機(jī)理、廄肥側(cè)壓規(guī)律、能量損耗等基礎(chǔ)理論，以及如何設(shè)計作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控、變量施肥控制系統(tǒng)可獲得高效、智能的拋肥裝備。

考慮到廄肥拋撒結(jié)構(gòu)、廄肥側(cè)壓力對拋肥機(jī)性能、可靠性的影響，本文采用理論分析的方法對廄肥拋撒能耗、廄肥側(cè)壓力進(jìn)行探究，以期揭示螺旋葉片拋撒機(jī)理及幅寬調(diào)控機(jī)理，為拋肥機(jī)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計提供理論依據(jù)與實(shí)現(xiàn)方法。

1 設(shè)計原則及組成

1.1 設(shè)計原則

廄肥是將畜禽糞污、秸稈碎料、飼料殘屑堆積發(fā)酵、腐熟而成，含水率較高，且含有一定的未降解植物纖維[15]。廄肥長時間堆積或在惡劣寒冷環(huán)境下會產(chǎn)生結(jié)塊，直接還田影響作物生長，拋撒作業(yè)時需將其破碎、松散。

考慮到廄肥物料特性及施肥農(nóng)藝要求，樣機(jī)設(shè)計原則如下：（1）廄肥推送、拋撒兩過程的技術(shù)參數(shù)應(yīng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，以避免作業(yè)過程中產(chǎn)生堵塞、缺料及過載，保證施肥均勻、連續(xù)及變量可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥控制；（2）推肥機(jī)構(gòu)應(yīng)避免因砂礫、石塊、結(jié)塊、植物纖維存在而產(chǎn)生的卡滯，以減少動力消耗，提升推送效率；（3）拋撒機(jī)構(gòu)應(yīng)破碎廄肥中的結(jié)塊、粘接，確保撒肥均勻；此外，針對以植物纖維形式存在的廄肥，應(yīng)及時切碎、松散，防止拋撒輥因纏繞而抱死；（4）傳動系統(tǒng)設(shè)置過載保護(hù)機(jī)構(gòu)，保證拋肥系統(tǒng)動力傳遞平穩(wěn)，以避免各零部件損害。（5）廄肥推送、拋撒邏輯動作控制應(yīng)具備監(jiān)控、反饋與調(diào)整，如拋肥輥轉(zhuǎn)速下降較大時，應(yīng)停止推肥。

1.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

樣機(jī)主要由車架、牽引架、料箱總成、推肥系統(tǒng)、拋肥系統(tǒng)及行走系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，推肥系統(tǒng)采用液壓廂板方式推送廄肥，主要由推肥廂板、推肥軌道、推肥油缸（2 級）組成。拋肥系統(tǒng)采用雙立式螺旋拋肥輥，主要由拋肥葉片、破碎刀、拋肥爪、甩板及拋撒圓盤組成，具有拋撒幅寬較大等特點(diǎn)。

拋肥機(jī)通過拖拉機(jī)牽引運(yùn)輸、作業(yè)。工作時，動力首先由拖拉機(jī)后輸出軸輸出，經(jīng)三聯(lián)體變速箱換向后傳遞給拋肥系統(tǒng)，使兩拋肥輥相向轉(zhuǎn)動；然后，料箱肥門受到液壓油缸驅(qū)動，開啟至拋肥支架頂部；隨后，液壓動力傳遞給推肥油缸，驅(qū)動推肥板架將料箱內(nèi)廄肥輸送至拋肥輥；廄肥受到旋轉(zhuǎn)破碎刀、拋肥爪的打擊而破碎，碎物料隨螺旋葉片向上輸送不斷破碎，經(jīng)回轉(zhuǎn)邊緣拋出機(jī)外，滑落至拋撒圓盤的碎廄肥，在甩板的作用下，均勻拋撒還田。

表1 撒肥機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)Tab.1 Structure and technical parameters of manure spreader

2 料箱受力分析

料箱的主要作用為存儲廄肥物料，并與推肥系統(tǒng)共同作用，將廄肥向后輸送至拋肥輥。在運(yùn)輸、靜置及作業(yè)過程中，廄肥會對箱體側(cè)板、前后端板產(chǎn)生側(cè)壓作用，最大載荷主要集中于料箱高度約1/3 處。這一載荷分布特征會使箱體側(cè)板底部螺紋連接處形成傾覆力矩，直接影響側(cè)板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為此，本文借鑒朗肯土壓力、庫倫土壓力及淺存?zhèn)}側(cè)壁壓力等理論，分析箱體側(cè)板的受力情況，對側(cè)板結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。

2.1 靜置狀態(tài)廄肥側(cè)壓力

料箱內(nèi)廄肥內(nèi)部之間存在相互摩擦、土拱效應(yīng)等多物理場效應(yīng)，使廄肥沿一個或多個不規(guī)則滑動面剪切破壞，向兩側(cè)產(chǎn)生滑移（滑坡），從而對箱體側(cè)板產(chǎn)生側(cè)向壓力。側(cè)板壓力如圖2 所示。

圖2 中：H——箱體高度，m；φ——廄肥內(nèi)摩擦角，°；α——側(cè)板（擋墻）與豎直方向的夾角，°；β——廄肥坡度角，錘切面內(nèi)，廄肥切線與水平方向的夾角，°；θ——廄肥滑動水平傾角，°；δ——廄肥與側(cè)板的摩擦角，°；Ea——側(cè)壓力，N/m；N1——正壓力，N；FR——廄肥壓力，N；N2——正壓力，N。

根據(jù)朗肯土壓力、庫倫土壓力及淺存?zhèn)}側(cè)壁壓力理論[16-18]，對廄肥做出假設(shè)：物料為散粒體。廄肥對箱體的側(cè)壓力為：

式中：E——側(cè)板受到的壓力，N/m；Ka——廄肥填充壓實(shí)系數(shù)，取值1.2～1.5；γ——廄肥物料容重，kg/m3；g——重力加速度，m/s2。

考慮到工程應(yīng)用及料箱側(cè)板危險位置，以廄肥側(cè)板的最大壓力為主動壓力。對式 (1)求導(dǎo)并獲取極大值，得到主動壓力為：

若廄肥箱體側(cè)板為直立側(cè)板，則側(cè)板主動壓力公式簡化為：

式中：Ea——側(cè)板受到廄肥的主動壓力，N/m；Kf——側(cè)板立柱數(shù)量補(bǔ)償系數(shù)，取值1.1～1.2；KZ——主動力壓力系數(shù)，直立側(cè)板、俯斜側(cè)板計算公式不同；h ——壓力集中點(diǎn)位置，mm。

由式（2）、式（4）、式（6）可知，料箱側(cè)板受到的側(cè)壓力主要影響廄肥的壓實(shí)程度、廄肥內(nèi)摩擦角、側(cè)板支撐結(jié)構(gòu)，主要受力點(diǎn)位于料箱高度的1/3 左右。

2.2 沖擊狀態(tài)側(cè)壓力

在顛簸、深坑及遇石塊等工況條件下，拋肥機(jī)車體會受到廄肥沖擊振動，直接影響料箱側(cè)板強(qiáng)度。料箱強(qiáng)度校驗(yàn)核算應(yīng)考慮沖擊振動這一因素[19-20]，則側(cè)板動側(cè)壓力為：

式中：Ead——側(cè)板動側(cè)主壓力，N/m；a——車體縱向加速度，g，a 一般取0.6～0.8g。

2.3 側(cè)壓力分層計算

料箱側(cè)板結(jié)構(gòu)形式不同時，由于各結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的廄肥坡度角β、側(cè)板與豎直方向的夾角α存在較為明顯的差異，側(cè)壓力應(yīng)分層計算。分層計算原則為：（1）頂層廄肥側(cè)壓力采用均質(zhì)物料方法進(jìn)行計算；（2）廄肥其它任意分層的側(cè)壓力計算時，其上層的物料應(yīng)視為連續(xù)的均布載荷。

值得注意的是，撒肥箱體側(cè)壓力運(yùn)算公式是基于廄肥狀態(tài)為散粒物料（低含水率土壤性狀）推算，而高含水率、較大粘度廄肥能否適應(yīng)有待進(jìn)一步商榷。

3 拋肥裝置設(shè)計與分析

目前，市場上廄肥拋撒裝置多為立式雙螺旋后拋撒結(jié)構(gòu)，作業(yè)幅寬較大，可提高作業(yè)效率，為此拋肥裝置選用立式雙螺旋結(jié)構(gòu)。考慮到機(jī)具作業(yè)環(huán)境、作業(yè)效率及廄肥性質(zhì)等因素，設(shè)計主要目標(biāo)為增加破碎效果、撒肥寬度及降低功耗。

3.1 技術(shù)參數(shù)確定

（1）拋肥輥轉(zhuǎn)速

拋肥輥轉(zhuǎn)速直接影響到螺旋葉片、破碎刀、甩板、拋撒圓盤的末端線速度，從而對拋肥裝置的破碎松散效果及拋撒寬度產(chǎn)生較大影響，決定了廄肥的拋撒均勻性、生產(chǎn)效率。此外，該轉(zhuǎn)速也是能量消耗的重要影響因素。拋肥輥轉(zhuǎn)速的提高可增大拋出的廄肥初速度，使得撒肥幅寬增大，從而提高工作效率。同時，拋肥輥轉(zhuǎn)速的提高會改善破碎效果，較好地保證拋撒均勻性，但轉(zhuǎn)速過高會增加能耗，減弱穩(wěn)定性。拋肥輥轉(zhuǎn)速為

式中：n——拋肥輥理論轉(zhuǎn)速，r/min；X——工作幅寬，m；a——兩螺旋葉片中心距，m；R——葉片回轉(zhuǎn)直徑，m；h——廄肥高度中心到地面的高度，m；ε——單位時間內(nèi)，廄肥拋撒時拋肥輥轉(zhuǎn)過的角度，°；K0——轉(zhuǎn)速修正系數(shù)。

對式（2）求導(dǎo)，獲得轉(zhuǎn)速n 極值

（2）拋肥輥傾斜角度

拋肥輥傾斜角度直接影響到撒肥作業(yè)性能，一般為10°～20°。研究資料表明[10]，拋肥輥傾斜角度越大，施肥均勻性變異系數(shù)越小，施肥越均勻；撒肥幅寬會隨著拋肥輥傾斜角度先增大后減小。同時，拋肥輥傾斜角度越大會減弱拋撒裝置的穩(wěn)定性?？紤]到樣機(jī)結(jié)構(gòu)、拋肥輥設(shè)計轉(zhuǎn)速等因素，拋肥輥傾斜角度設(shè)計為10°。

3.2 螺旋葉片

螺旋葉片是拋肥裝置的關(guān)鍵部件，主要作用是向上輸送物料，使物料在上升過程中不斷拋撒，保證撒肥的均勻性。此外，螺旋葉片配合破碎刀具增強(qiáng)碎肥效果。為使廄肥物料全部落入拋撒圓盤，螺旋葉片直徑須小于拋撒圓盤直徑。參見圖3。

為改善廄肥破碎效果，葉片邊緣處設(shè)置若干等直徑的圓弧切口，使受沖擊的廄肥不斷與破碎刀軌跡交叉運(yùn)動，增加破碎機(jī)率。在葉片各圓弧切口相接處，沿周向交錯配置L 型破碎刀，以切碎植物纖維，避免葉片軸因纏繞而抱死。另外，L 型破碎刀成對配置，可增大打擊面積，從而改善破碎效果。此外，沿葉片邊緣周向且與L 型破碎刀間隔配置拋肥爪，以增大撒肥效果。

3.3 拋撒圓盤

拋撒圓盤與甩板、銷軸、固定板組成底部撒肥機(jī)構(gòu)，甩板通過銷軸鉸連接于固定板。拋撒圓盤利用甩板的離心力將螺旋葉片表面滑落的廄肥拋撒還田，避免廄肥落在車體內(nèi)損害零部件。參見圖4。

4 廄肥拋撒功耗分析

拋肥裝置主要依靠螺旋葉片旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使廄肥獲得動能，同時葉片向上輸送廄肥物料克服重力做功。廄肥拋撒過程能量消耗主要分為2部分，一是拋肥葉片旋轉(zhuǎn)時從撞擊廄肥、帶廄肥運(yùn)動至拋出且使物料具有一定動能所消耗的能量；二是拋肥系統(tǒng)動力傳遞過程中軸承、萬向節(jié)、變速箱等機(jī)械傳動因摩擦而損耗的能量。

4.1 拋肥功耗分析

為便于分析、研究與計算，取拋肥葉片單位時間內(nèi)所拋送的廄肥量來確定功率消耗，不考慮大氣對廄肥的影響。此外，考慮到推肥機(jī)構(gòu)速度較小，假定廄肥在與拋肥葉片相遇之前速度為0。

（1）廄肥拋撒量

廄肥拋撒量指單位時間內(nèi)拋撒的物理量，計算公式為

式中：m——單位時間內(nèi)的施肥量，kg/s；Q——每667 m2施有機(jī)肥的質(zhì)量，kg；t0——每667 m2機(jī)具行走的時間，s。

其中，Q,t0可分別由式 (12）和式 (13）確定：

式中：ρ——廄肥密度，700～1 000 kg/m3；V——每667 m2施有機(jī)肥的體積，m3；B——拋撒寬度，m；v ——機(jī)具行走速度，m/s；S——土地面積，取S=667 m2。

（2）廄肥受葉片撞擊、隨葉片消耗的功率

廄肥進(jìn)入拋肥裝置后，受到葉片（破碎刀）打擊、帶動并加速到與葉片相同轉(zhuǎn)速。由動量矩定理可得

式中：Jr——拋送輥轉(zhuǎn)動慣量，kg·mm2；ω——拋肥輥角速度，rad/s；ω0——撞擊后（瞬間）拋肥輥角速度，rad/s；l ——廄肥旋轉(zhuǎn)半徑；n0——拋肥輥轉(zhuǎn)速，r/min。

由能量守恒可得廄肥受葉片撞擊、隨葉片消耗的功率：

式中：P1——廄肥受葉片撞擊、隨葉片消耗的功率，kW；R——拋肥輥回轉(zhuǎn)半徑，mm；A——廄肥非均勻性系數(shù)，取值1.1～1.3。

（3）廄肥沿葉片滑移摩擦所消耗的功率

廄肥沿葉片滑移所消耗的功率為

式中：P2——單位時間內(nèi)拋肥需要的功率，kW；t1——單位施肥時間，1 s；R0——拋肥輥中間軸半徑，mm。

（4）廄肥離開螺旋葉片時獲得的功率

式中：P3——廄肥離開葉片獲得的功率，kW；vr——廄肥相對速度，m/s；ζ——牽連速度與相對速度的夾角，°。

4.2 動力傳遞損耗

拋肥系統(tǒng)動力傳遞過程中，功率損耗主要為軸承摩擦、萬向節(jié)傳動，以及變速箱內(nèi)部的齒輪嚙合、潤滑油的油阻及軸承摩擦等引起的損耗。動力傳遞功率損耗計算公式為

式中：ΣJTi——各傳動軸轉(zhuǎn)動慣量總和，kg·mm2；J1——變速箱輸入軸轉(zhuǎn)動慣量，kg·mm2；Ji——變速箱前其它旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動慣量，kg·mm2；J2——拋送輥轉(zhuǎn)動慣量，kg·mm2；J——折算到變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)動慣量，kg·mm2；i——傳動系統(tǒng)減速比；ω——拋肥輥角速度，rad/s；n0——拋肥輥轉(zhuǎn)速，r/min；t——拋送輥啟動時間，s；T——拋送系統(tǒng)啟動需要的扭矩，N·m；P3——拋送系統(tǒng)啟動需要的功率，kW。Pc——動力傳遞損耗功率，kW；A0——損耗修正系數(shù)，取值1.1～1.3；η0——萬向節(jié)傳遞效率，取值0.97～0.99；η1——變速箱傳遞效率；η2——滾動軸承傳遞效率，取值0.99。

5 智能精準(zhǔn)變量施肥控制策略

5.1 設(shè)計原則

廄肥主要是土壤性狀肥料，多用于底肥、基肥，精準(zhǔn)變量施肥設(shè)計原則：

（1）針對不同的土壤特性、田間環(huán)境及土壤分布概況，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量拋撒肥量。

（2）廄肥物料喂入速率（推送速率）與撒肥速率（拋肥轉(zhuǎn)速）、作業(yè)速度等可采集、反饋與調(diào)控。

5.2 工作原理

精準(zhǔn)變量施肥控制系統(tǒng)主要由稱重傳感器、推肥速度傳感器、車速傳感器，一、二級推肥油缸及控制閥組組成。推肥油缸通過控制閥組流量來實(shí)現(xiàn)推肥速度的精準(zhǔn)控制。

作業(yè)時，精準(zhǔn)施肥系統(tǒng)分別通過稱重傳感器、速度傳感器、車速傳感器實(shí)時采集廄肥質(zhì)量、推肥速度、作業(yè)速度等數(shù)據(jù)信息，利用CAN 協(xié)議傳輸至車載ECU，并顯示在人機(jī)交互界面。用戶通過交互界面設(shè)置“目標(biāo)施肥量”，并根據(jù)上述傳感數(shù)據(jù)信息計算施肥量，與目標(biāo)施肥量實(shí)時追蹤對比與反饋，從而自動調(diào)控推肥速度、行駛速度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。此外，該系統(tǒng)也可根據(jù)土壤肥力分布圖，實(shí)現(xiàn)田間不同區(qū)域的變量施肥。

5.3 廄肥稱重傳感器標(biāo)定思考

以推肥速度方向?yàn)閤 軸，車架體寬度方向?yàn)閥軸，豎直為z 軸建立直角坐標(biāo)系?？紤]到撒肥機(jī)箱體內(nèi)廄肥裝載狀態(tài)各異，廄肥向后推送過程中，物料質(zhì)心會發(fā)生x、y、z 三個方向的變化，質(zhì)心會對稱重傳感器產(chǎn)生繞x、y 兩方向的力矩，影響稱重傳感器讀數(shù)。稱重傳感器動態(tài)標(biāo)定時，需要考慮x、y 方向質(zhì)心坐標(biāo)變化，x 方向可建立時間t 的線性標(biāo)定函數(shù)，y 方向建立時間t 的非線性標(biāo)定函數(shù)。

標(biāo)定策略：以箱體底板為平面，廄肥沿x、y、z 軸細(xì)分成若干等分，記錄等分廄肥不同組合下（不同位置，不同質(zhì)量）的質(zhì)量，并獲取相對應(yīng)廄肥質(zhì)量下的傳感器讀數(shù)。基于遺傳算法等搜索記憶算法，以x、y、z 位置坐標(biāo)以及傳感器讀數(shù)為輸入，廄肥質(zhì)量為輸出建立標(biāo)定函數(shù)關(guān)系式。

6 試驗(yàn)與方法

6.1 試驗(yàn)條件與材料

田間作業(yè)試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)在內(nèi)蒙古通遼農(nóng)場進(jìn)行，試驗(yàn)場地地表平整，坡度小于6°。試驗(yàn)采用約翰迪爾1804 拖拉機(jī)，要求拖拉機(jī)使用前具備良好的性能狀態(tài)，駕駛員操作熟練，且了解廄肥拋肥機(jī)使用操作要求與規(guī)范。試驗(yàn)用肥為牛羊糞堆肥，內(nèi)部含有石塊、砂礫、粘接塊等。參見圖5。

6.2 試驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)廄肥拋肥機(jī)的田間作業(yè)性能與可靠性，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25401-2010《農(nóng)業(yè)機(jī)械 廄肥撒施機(jī) 環(huán)保要求和試驗(yàn)方法》[21]及DG/T 106-2021《撒肥機(jī)》[22]，主要測試內(nèi)容包括拋撒寬度、施肥均勻性變異系數(shù)、軸承溫升等。

6.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 田間試驗(yàn)測試結(jié)果Tab.2 Field test results

由表2 可知，拋肥機(jī)撒肥寬度為12.6 m，施肥均勻性變異系數(shù)為20.1%，各項(xiàng)指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。拋撒裝置軸承溫升較低，滿足設(shè)計要求。

7 結(jié)論

（1）基于理論力學(xué)等理論對機(jī)具料箱進(jìn)行了受力分析，初步獲取了料箱側(cè)邊受力計算公式，但修正系數(shù)仍需進(jìn)一步測試驗(yàn)證；

（2）通過對廄肥拋肥過程中的功耗分析可知，拋肥功耗主要由拋撒廄肥、傳遞損失兩部分組成，其中，動力傳遞損失為軸承摩擦、萬向節(jié)傳動，以及變速箱內(nèi)部的齒輪嚙合、潤滑油的油阻及軸承摩擦等引起的損耗。這一損耗可采用合理的加工精度與方法減少；

（3）田間試驗(yàn)結(jié)果表明，拋肥機(jī)撒肥寬度、施肥均勻性變異系數(shù)分別為12.6 m、20.1%，滿足設(shè)計技術(shù)指標(biāo)。