曹林，孙松林，肖名涛，周惠根，何少明，邹楠(1.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省现代农业机械装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128；3.南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙 410128)



摆管式石灰撒施机构的设计与试验

曹林1,3，孙松林1,2,3*，肖名涛1,2,3，周惠根1,3，何少明1,3，邹楠1,3
(1.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省现代农业机械装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128；3.南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙 410128)

摘 要：针对离心式撒肥机或气流喷射式撒肥机在稻田施用生石灰粉尘污染的问题，设计了加装在旋耕机上的摆管式石灰撒施机构，该机构主要由料箱、螺旋送料装置、摆动装置、传动系统组成。以石灰撒施横、纵向均匀性变异系数为评价指标，对影响石灰撒施均匀性的机具前进速度、摆管倾角、摆管的频率3因素进行单因素和响应曲面试验，确定了机构的最优参数。试验结果表明，影响石灰撒施均匀性变异系数因素的大小依次为摆管频率、机具前进速度、摆管倾角；当摆管频率为3 Hz，摆管倾角为45°，机具前进速度为0.97 m/s时，石灰撒施的横向均匀性变异系数为9.1%，纵向均匀性变异系数为13.9%，能够满足石灰撒施的要求。

关 键 词：石灰撒施机构；旋耕机；螺旋；摆管；均匀性

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据首次全国土壤污染状况调查公报[1]显示，全国有20%的耕地土壤污染超标，南方黄壤地区土壤酸化和重金属污染较为严重。稻田施用生石灰是改良酸性土壤和重金属污染最经济有效的方法之一[2–6]。人工撒施生石灰，扬尘大，易对环境造成二次污染，石灰还具有腐蚀性，在撒施过程中极易损伤人的皮肤，危害工人劳动安全，且工作量大，效率低[7–8]。目前，机械撒施生石灰普遍采用离心式撒肥机或气流喷射式撒肥机[9]，工作效率得到极大提高，但粉尘污染仍无法避免。笔者设计了一种安装在1GQX150型旋耕机上的螺旋摆管式石灰撒施装置，该装置采用螺旋送料的方式控制生石灰的进量，摆管仿手臂的运动往复摆动，将生石灰均匀撒施在未耕地上，随即旋耕机进行翻耕，使生石灰粉和土壤迅速结合，生石灰很容易渗透到土壤深层，可减少粉尘污染，现将结果报道如下。

1　石灰撒施装置的结构与工作原理

1.1石灰撒施装置的结构

石灰撒施装置固定于旋耕机上，主要由料箱、箱盖、机架、壳体、导管、搅灰辊、左右螺旋、传递箱、转向器、曲柄、连杆、滑块、支架、摆管组成，如图1所示。

图1　石灰撒施旋耕机的撒施装置的结构Fig.1 Overall structure of the rotary tiller for quicklime spreading

1.2 工作原理

旋耕机由拖拉机提供动力，通过万向节传递到中间传递箱，采用左右两侧边传动的方式分别驱动旋耕机和撒施机构。右侧动力输出轴上装有链轮，带动螺旋轴旋转，将生石灰从料箱中输送至2摆管中，螺旋轴上装有双排链轮，带动搅灰辊旋转，防止生石灰粉的架空；同时右侧输出轴的动力经转向器带动曲柄转动，曲柄通过连杆带动滑块往复运动，使安装在滑块上的摆管来回摆动，生石灰在摆管离心力的作用下被撒入未耕地。左侧动力驱动旋耕机工作，将生石灰粉与土壤混合，避免了生石灰粉的扬起，一次作业实现撒施和旋耕。

2　石灰撒施试验

2.1材料

生石灰粉氧化钙含量大于70%，细度为通过十目标准筛(孔径不大于1.7 mm)，堆积密度1.19 g/cm3。

2.2评价指标

根据GB/T20346.1—2006[10]要求，以石灰撒施横、纵向均匀性变异系数为评价指标，参照李鹏[11]设计的摆管式撒肥机，以横向均匀性变异系数低于15%，纵向均匀性变异系数低于20%为符合要求。

2.3试验设计

通过前期试验和分析，选取摆管频率、摆管倾角、机具前进速度3个因素，以横、纵向均匀性变异系数为评价指标，进行单因素及响应面试验。在台车轨道下布置石灰收集盒，规格为25 cm×25 cm × 5.5 cm，横向6个，纵向10个。记录收集盒中生石灰粉的质量，每组重复3次，取3次的平均值作为试验结果。撒施均匀性变异系数记为Y，Y越小表明撒施均匀性越好，反之，撒施均匀性越差。

2.3.1单因素试验

参照文献[12]的方法，送料螺旋转速确定为60 r/min；从农艺要求(碎土、耕深等)和工作效率等方面考虑，旋耕机的前进速度取0.5 ～1.5 m/s[13]。单因素试验：1)设定摆管频率为3 Hz[11]，摆管倾角为45°，分别取机具前进速度0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 m/s进行考察；2)保持摆管频率为3 Hz不变，选取第1组机具前进的最佳速度1.00 m/s，分别取摆管倾角35°、40°、45°、50°、55°进行考察；3)保持机具前进速度为1.00 m/s，摆管倾角为45°, 分别对摆管频率1、2、3、4、5 Hz进行考察，观察并记录试验数据。

2.3.2响应曲面试验

根据单因素试验结果，采用Box–Behnken响应面设计法[14–15]，对3因素进行3水平试验(表1)，优化石灰撒施均匀性条件。

表1　因素水平编码设计Table 1　Design of level for experimental factors

3　 结果与分析

3.1 单因素试验结果

3.1.1 机具前进速度对横、纵向均匀性变异系数的影响

如图2所示，机具前进速度为0.50～0.75 m/s时，随着速度的提高，石灰撒施横、纵向均匀性变异系数变小；机具前进速度为1.25～1.50 m/s时，横、纵向均匀性变异系数逐渐增大。机具前进速度较小时，机具作业时间较长，易造成生石灰重复撒施，影响撒施均匀性；机具前进速度较大时，机具作业的时间较短，易造成生石灰的少施或漏施，影响撒施的均匀性。机具前进速度为0.75～1.25 m/s时，均匀性变异系数的变化较小，石灰撒施的均匀性较好。

图2　不同机具前进速度的撒施均匀性变异系数Fig.2 The variation coefficient of the uniformity dependent on the speeds

3.1.2摆管倾角对横、纵向均匀性变异系数的影响

如图3所示，摆管倾角为35°～45°时，横、纵向均匀性变异系数随着摆管倾角的增大而减小，摆管倾角为45°～55°时，横、纵向均匀性变异系数随着摆管倾角的增大而增大。由于摆管的设计幅宽是固定的，因此，出料口高度会随摆管倾角的改变而发生改变。当摆管倾角较大时，出料口离地面较近，石灰在空中运动的时间较短，石灰不能撒开，均匀性差。摆管倾角减小时，石灰在摆管中会出现堵塞现象，不能及时排出，致使石灰撒施不均匀。摆管倾角为40°～50°，均匀性变异系数的变化较小，石灰撒施的均匀性较好。

图3　不同摆管倾角的撒施均匀性变异系数Fig.3 The variation coefficient of the uniformity dependent on dip angle of the swing tube

3.1.3摆管频率对横、纵向均匀性变异系数的影响

如图4所示，摆管频率为1～3 Hz时，横、纵向均匀性变异系数随着摆管频率的增大都减小，摆管频率大于3～5 Hz时，横、纵向均匀性变异系数随着摆管频率的增大都增大。随着摆管频率的增大，摆管的角速度和角加速度增大，导致离心力增大，石灰快速流动，减少了石灰之间的相互作用，使其有规律的撒在地上，提高了均匀性，但随着摆管频率的不断增大，摆管口在中间位置时的切向速度非常大，快速的摆过了该区域，造成漏施或少施，影响均匀性，因此，摆管频率在2～4 Hz时，横、纵向均匀性变异系数均较小。

图4　不同摆管频率的撒施均匀性变异系数Fig.4 The variation coefficient of the uniformity dependent on the frequencies

3.2Box–Behnken响应曲面试验结果

响应曲面试验结果列于表2。

表2　响应面试验结果Table 2　Design and experimental results of process variables and levels in response surface

以摆管频率(X1)，摆管倾角(X2)，机具前进速度(X3)为自变量，以横向均匀性变异系数(Y1)、纵向均匀性变异系数(Y2)为响应值，对表2的试验结果进行二次拟合，得到二次多元回归方程。

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)

二次多元回归模型的方差及显著性检验[16–17]结果列于表3、表4，模型值P小于0.01，且差异极显著，表明模型回归方程合理，失拟项P大于0.05，且差异不显著，表明模型方程与试验结果拟合好；R2>0.9，说明该模型方程所得到预测值与实际值之间有较好的相关性。

由表3、表4可知，因素X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3对横、纵向均匀性变异系数影响显著。对比F值可发现，自变量对Y1的影响大小依次为X1X3、X1、X2X3、X1X2、X3、X2；自变量对Y2的影响大小依次为X1X3、X1、X2X3、X1X2、X3、X2。

表3　Y1模型系数显著性检验和模型方差Table 3　Significance test for Y1model coefficient and analysis of model variables

表4　Y2模型系数显著性检验和模型方差Table 4　Significance test for Y2model coefficient and analysis of model variables

3.3参数优化及验证试验

对方程(1)、(2)的拟合结果表明，摆管频率为3.09 Hz，摆管倾角为45.14°，机具前进速度为0.97 m/s时，生石灰的撒施均匀性较好，横、纵向均匀性变异系数均能取得较小值，分别为8.1%、12.3%。为进一步验证回归方程及软件分析的可靠性，对上述优化方案进行试验验证。考虑到实际情况，选择摆管频率为3 Hz，摆管倾角为45°，机具前进速度为0.97 m/s，进行5次重复试验，结果横向均匀性变异系数为9.1%，纵向均匀性变异系数为13.9%，Y1偏差率为2.3%，Y2偏差率为13.0%，说明该优化方案可靠。

4　结论

单因素试验结果表明，摆管频率为2～4 Hz，摆管倾角为40°～50°，机具前进速度为0.75～1.25 m/s，是机构参数的最佳取值范围。

Box–Behnken 响应面设计试验结果表明，摆管频率、摆管倾角、机具前进速度、摆管频率与摆管倾角交互项、摆管频率与机具前进速度交互项、机具前进速度与摆管倾角交互项均为影响生石灰粉撒施均匀性的显著因子。自变量对响应值的影响大小依次为摆管频率、机具前进速度、摆管倾角。交互项对响应值的影响大小依次为摆管频率与机具前进速度交互项、机具前进速度与摆管倾角、摆管频率与摆管倾角交项。

模型预测最优试验条件是摆管频率3 Hz、摆管倾角45°、机具前进速度0.97 m/s，验证试验结果表明，生石灰撒施的横向均匀变异性系数为9.1%，纵向均匀性变异系数为13.9%，能够满足生石灰粉的撒施要求。

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责任编辑：罗慧敏英文编辑：吴志立

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

中图分类号：S224.22

文献标志码：A

文章编号：1007−1032(2016)02−0217−05

收稿日期：2015–12–22 修回日期：2016–02–08

基金项目：湖南省农业机械管理局企业创新项目(2014–3)

作者简介：曹林(1988—)，男，湖南娄底人，硕士研究生，主要从事农业机械设计研究，1259672782@qq.com；*通信作者，孙松林，教授，主要从事农业机械研究，hnndssl@163.com