傅延祺，孙 鹏，肖 勇，董子昆，杨琳琳，王 斌，宁旺云

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)

0 引言

随着工农业的快速发展和城市化进程的不断加快，在农业上使用各种化学产品越来越普遍，使土壤污染问题日趋严重，从而造成土壤污染主要是重金属污染。土壤污染具有明显的隐蔽性、潜伏性和不可逆性等特点，其带来对环境的影响也是极为严峻的，长期任其发展可能会导致灾难性的后果[1]。据资料显示，我国约1/5的耕地受到Cd、Pb等重金属的污染，直接导致了年均1 000多万t粮食减产，造成经济损失达200亿元以上[2]。由此可知，对已受污染土壤的治理和修复不仅涉及到基本农田保护和农业的可持续发展，而且事关食品卫生安全，该措施是公共卫生安全保障体系中的重要组成部分。

目前，在重金属污染土壤的治理和修复研究领域，国内外均采用活化和钝化两种方法。增施能够钝化重金属的有机肥、土壤改良剂等措施，既符合现阶段我国农业发展水平的基本状况，又能使农民更容易接受和掌握[3]。目前，国内现有的土壤重金属污染修复治理研究缺乏复原技术的产业化目标，难以形成以市场竞争力强、能得到广泛推广、成本低为主要目的的土壤修复产品，以及操作方便的设备和技术[4]。另外，对土壤修复粉剂的撒施目前大多采用人工撒施的方式，存在效率低、难以保证撒施均匀性等问题。所以，设计与开发出一种土壤修复粉剂均洒混合装备来降低人工劳动强度、提高劳动效率及降低劳动成本是迫切需要解决的一项重大课题，具有重要的研究意义。

1 总体结构设计与工作原理

1.1 总体结构设计

土壤修复粉剂均洒混合装备包括排料机构、旋耕机构：排料机构包括料箱、外槽轮式排肥器、排料轨道、料箱支撑板、地轮(镇压轮)、传动链，料箱底部设置有外槽轮排肥器，料箱支撑板上安装有料箱和链传动；旋耕机构包括三点悬挂总成、中间变速箱总、连接板及刀轴总成，中间变速箱总成底部设置有刀轴总成。总体结构如图1所示。

1.2 工作原理及其工作过程

工作原理：通过三点悬挂总成将本作业机整体与拖拉机连接，机组匀速前进；而后置的地轮(镇压轮)在拖拉机的牵引作用下依靠自重与地面摩擦而滚动，经链传动带动排料链轮，从而带动外槽轮式排肥器转动，排下土壤修复粉剂；排下的土壤修复粉剂经过软管输送到排料轨道，在排料轨道的作用下，土壤修复粉剂在轨道范围内均匀地落下，最后均匀地撒施在地面上。同时，拖拉机输出动力经万向节传动轴传入中间变速箱总成，带动旋耕刀轴总成做回转切削运动将土壤打碎，在切削翻转土壤的过程中把土壤表面的修复粉剂与土壤均匀的混合在一起。最后，镇压轮对已完成的土地进行镇压与再次碎土作业。

2 关键部件的设计

2.1 传动系统的设计

为了保证土壤修复粉剂排量的准确性，考虑到传动系统的中心距较大，采用链传动，如图2所示。

图2 传动简图Fig.2 Schematic diagram of driving motion

土壤修复粉剂的撒施动力来自地轮，地轮将动力传递到中间的过渡轮，再由过渡轮传递给六方传动轴上的链轮，从而带动外槽轮排肥器旋转，把土壤修复粉剂撒下。

由于土壤修复粉剂的撒施量为3 000～4 500kg/hm2，地轮的直径D=408mm长度为1 800mm。所以，可求得完成667m2地作业时地轮转的圈数N[5]。

取N=290。

为了测量外槽轮式排肥器每转1圈所能排出的土壤修复粉剂的最大排料，先调节六方传动轴上的手动旋钮，使得槽轮工作长度最大；再通过5次排料试验，每次试验让六方传动轴转5圈。试验结果如表1所示。

表1 外槽轮式排肥器排料量结果Table 1 The result of external grooved wheel fertilizer apparatus discharge volume

通过表1可以得出：六方传动轴每转1圈，其上的6个外槽轮排出的土壤修复粉剂的最大量为K=416.43g。

由此可得：土壤修复粉剂排量为300kg/667m2时，六方传动轴需转的圈数n=720。由于六方传动轴处的链轮不宜过大(即齿数Z4要少)，现取Z4=16，则

地轮处的链轮与六方传动轴处的链轮中心距过大，易造成松边垂度过大，传动时造成松边颤动[6]，所以设计过渡轮，以防止中心距过大的危害，取Z2=Z3=19。

2.2 料箱的设计

料箱作为土壤修复粉剂的承载部件，不仅影响了土壤修复粉剂能否顺利排出，而且决定了是否出现积料现象。料箱的设计需要结合土壤修复粉剂的流动性能来确定，因此对土壤修复粉剂进行了休止角测试[7]，结果如表2所示。

表2 休止角测定结果Table 2 The result of angle of repose measuring

由表2可知：土壤修复粉剂的休止角为42.3°，流动性较差。所以，针对料箱的设计重点在于要避免土壤修复粉剂在料箱内出现架空现象，从而导致排料断续、不均匀地排出，造成排料的不精确[8]。本设计是在料箱内两出料口之间设置了倾斜角大于土壤修复粉剂休止角的楔形结构，可以使料箱内土壤修复粉剂集中在出料口处，有效地避免了排料断续、不均匀的现象。料箱结构如图3所示。

图3 料箱结构示意图Fig.3 Material box structure diagram

2.3 排料轨道的设计

排料轨道是土壤修复粉剂均洒混合装备的核心部件，决定了土壤修复粉剂在耕幅内撒施的均匀性。把排料轨道设计成“八”字形可以使土壤修复粉剂在排料轨道上下落的过程中均匀地分散，从而确保土壤修复粉剂在耕幅内均匀的撒施；“八”字形排料轨道的物料出口处设计了一段壳罩，不仅可以确保土壤修复粉剂在离开轨道下落过程中直接成垂直状态，还可以避免机组工作时因风大对土壤修复粉剂下落造成影响。排料轨道结构示意图如图4所示。

2.4 排轨道固定装置的设计

排料轨道在机架上安装角度直接影响着土壤修复粉剂能否顺畅地在排料轨道上滑落、安装角度小于土壤修复粉剂休止角42.3°时，则土壤修复粉剂在排料轨道上可能出现堵滞、不能顺畅滑落的现象；若安装角度过大，则土壤修复粉剂在排料轨道上滑落的速度过快，影响土壤修复粉剂在轨道上的分散效果。本设计的排料轨道安装角度为55°，结构如图5所示。

图4 排料轨道结构示意图Fig.4 Material discharged track structure diagram

图5 轨道固定片结构示意图Fig.5 Track fixture flake structure diagram

3 性能试验

3.1 试验结果

2017年5月，云南农业大学试验基地进行了土壤修复粉剂均洒混合装备性能的试验，目的主要是测量土壤修复粉剂均洒混合装备在工作中土壤修复粉剂的排量是否满足200～300kg/667m2，还有就是土壤修复粉剂均洒混合装备能否把土壤修复粉剂均匀地撒施在耕幅内。试验过程中，选取了雷沃M954-D型拖拉机为动力输出设备，型号为JY2001 Max2000g、e=1g、d=0.1g的电子天平作为质量测量工具。试验方案是：调节六方传动轴上的旋钮让外槽轮排肥器的工作长度达到最大，再让地轮旋转5圈测量外槽轮排肥器所排出的土壤修复粉剂的质量，并观察土壤修复粉剂在耕幅内是否撒施均匀，以及观察料箱内的土壤修复粉剂是否会出现架空现象。经5次试验测得地轮转5圈时土壤修复粉剂的排量如表3所示。地轮转5圈土壤修复粉剂在耕幅内撒施的均匀性如图6所示。

表3 外槽轮式排肥器排料量性能测试结果Table 3 The result of external grooved wheel fertilizer apparatus discharge volume performance Testing

图6 样机试验图Fig.6 Prototype test graph

3.2 试验分析

从5次试验测得地轮转5圈时土壤修复粉剂的排量测定结果(见表3)可以得出：土壤修复粉剂均洒混合装备完成667m2地作业时，能够撒施的土壤修复粉剂为283.68kg，完全符合200～300kg/667m2的作业要求。由图6可知：土壤修复粉剂在耕幅内撒施较为均匀，也符合要求。

4 结论与讨论

1)本土壤修复粉剂均洒混合结构简单，性能可靠，使用方便。该样机在土壤修复粉剂的排量和排料性能方面比较良好，能够满足200～300kg/667hm2的作业要求，同时不会出现土壤修复粉剂堵塞和架空的现象。

2)该样机在土壤修复粉剂撒施的均匀性方面，虽然能够符合作业要求，但还是无法做到完全均匀。为此，需要从结构上进一步改进和研究，以便能够更好地提升均匀性。