液压厢板式撒肥机设计与研究

2022-11-01王海庆刘建华张运辉

农业装备与车辆工程 2022年10期

王海庆，刘建华，张运辉

（528300 广东省佛山市广东皓耘科技有限公司）

0 引言

近年来，我国畜牧养殖产业快速发展，现已形成规模化、集约化，但养殖业产生的畜禽粪污未能及时有效处理，会污染地下水资源、土壤及大气，影响人类健康与生态环境[1-2]，如何采取高效、环保及有效的措施，从根源上解决粪污显得尤为重要。农田长期使用化肥会造成土壤板结、肥力退化[3-4]，而施加有机肥可增加土壤有机质与通透性，改善土壤团粒结构，保障农作物增产、增收[5-6]。随着人们耕地养护与环保意识的提高，以畜禽粪污为原料，经发酵处理变为有机肥，撒施回归农田的方式，成为解决粪污的有效措施。

目前，双立辊撒肥机是固态有机肥撒施作业中广泛应用的运输、抛撒一体设备，具有抛撒均匀、幅宽较大、不易堵塞等优点[7-9]。欧美等发达国家撒肥机技术成熟、自动化程度高，但售价相对较高，配件供应困难[10-11]。我国撒肥机处于起步阶段，研究学者、企业主要针对中小机型，以引进仿制、改进创新为主[12-14]，但设计方法多为宏观经验推测，未能深入研究螺旋叶片抛撒机理、厩肥侧压规律、能量损耗等基础理论，以及如何设计作业状态监控、变量施肥控制系统可获得高效、智能的抛肥装备。

考虑到厩肥抛撒结构、厩肥侧压力对抛肥机性能、可靠性的影响，本文采用理论分析的方法对厩肥抛撒能耗、厩肥侧压力进行探究，以期揭示螺旋叶片抛撒机理及幅宽调控机理，为抛肥机实际生产设计提供理论依据与实现方法。

1 设计原则及组成

1.1 设计原则

厩肥是将畜禽粪污、秸秆碎料、饲料残屑堆积发酵、腐熟而成，含水率较高，且含有一定的未降解植物纤维[15]。厩肥长时间堆积或在恶劣寒冷环境下会产生结块，直接还田影响作物生长，抛撒作业时需将其破碎、松散。

考虑到厩肥物料特性及施肥农艺要求，样机设计原则如下：（1）厩肥推送、抛撒两过程的技术参数应协调统一，以避免作业过程中产生堵塞、缺料及过载，保证施肥均匀、连续及变量可调，从而实现精准施肥控制；（2）推肥机构应避免因砂砾、石块、结块、植物纤维存在而产生的卡滞，以减少动力消耗，提升推送效率；（3）抛撒机构应破碎厩肥中的结块、粘接，确保撒肥均匀；此外，针对以植物纤维形式存在的厩肥，应及时切碎、松散，防止抛撒辊因缠绕而抱死；（4）传动系统设置过载保护机构，保证抛肥系统动力传递平稳，以避免各零部件损害。（5）厩肥推送、抛撒逻辑动作控制应具备监控、反馈与调整，如抛肥辊转速下降较大时，应停止推肥。

1.2 结构组成与工作原理

样机主要由车架、牵引架、料箱总成、推肥系统、抛肥系统及行走系统等组成，其结构如图1所示。其中，推肥系统采用液压厢板方式推送厩肥，主要由推肥厢板、推肥轨道、推肥油缸（2 级）组成。抛肥系统采用双立式螺旋抛肥辊，主要由抛肥叶片、破碎刀、抛肥爪、甩板及抛撒圆盘组成，具有抛撒幅宽较大等特点。

抛肥机通过拖拉机牵引运输、作业。工作时，动力首先由拖拉机后输出轴输出，经三联体变速箱换向后传递给抛肥系统，使两抛肥辊相向转动；然后，料箱肥门受到液压油缸驱动，开启至抛肥支架顶部；随后，液压动力传递给推肥油缸，驱动推肥板架将料箱内厩肥输送至抛肥辊；厩肥受到旋转破碎刀、抛肥爪的打击而破碎，碎物料随螺旋叶片向上输送不断破碎，经回转边缘抛出机外，滑落至抛撒圆盘的碎厩肥，在甩板的作用下，均匀抛撒还田。

表1 撒肥机结构与技术参数Tab.1 Structure and technical parameters of manure spreader

2 料箱受力分析

料箱的主要作用为存储厩肥物料，并与推肥系统共同作用，将厩肥向后输送至抛肥辊。在运输、静置及作业过程中，厩肥会对箱体侧板、前后端板产生侧压作用，最大载荷主要集中于料箱高度约1/3 处。这一载荷分布特征会使箱体侧板底部螺纹连接处形成倾覆力矩，直接影响侧板结构强度。为此，本文借鉴朗肯土压力、库伦土压力及浅存仓侧壁压力等理论，分析箱体侧板的受力情况，对侧板结构设计具有一定指导意义。

2.1 静置状态厩肥侧压力

料箱内厩肥内部之间存在相互摩擦、土拱效应等多物理场效应，使厩肥沿一个或多个不规则滑动面剪切破坏，向两侧产生滑移（滑坡），从而对箱体侧板产生侧向压力。侧板压力如图2 所示。

图2 中：H——箱体高度，m；φ——厩肥内摩擦角，°；α——侧板（挡墙）与竖直方向的夹角，°；β——厩肥坡度角，锤切面内，厩肥切线与水平方向的夹角，°；θ——厩肥滑动水平倾角，°；δ——厩肥与侧板的摩擦角，°；Ea——侧压力，N/m；N1——正压力，N；FR——厩肥压力，N；N2——正压力，N。

根据朗肯土压力、库伦土压力及浅存仓侧壁压力理论[16-18]，对厩肥做出假设：物料为散粒体。厩肥对箱体的侧压力为：

式中：E——侧板受到的压力，N/m；Ka——厩肥填充压实系数，取值1.2～1.5；γ——厩肥物料容重，kg/m3；g——重力加速度，m/s2。

考虑到工程应用及料箱侧板危险位置，以厩肥侧板的最大压力为主动压力。对式 (1)求导并获取极大值，得到主动压力为：

若厩肥箱体侧板为直立侧板，则侧板主动压力公式简化为：

式中：Ea——侧板受到厩肥的主动压力，N/m；Kf——侧板立柱数量补偿系数，取值1.1～1.2；KZ——主动力压力系数，直立侧板、俯斜侧板计算公式不同；h ——压力集中点位置，mm。

由式（2）、式（4）、式（6）可知，料箱侧板受到的侧压力主要影响厩肥的压实程度、厩肥内摩擦角、侧板支撑结构，主要受力点位于料箱高度的1/3 左右。

2.2 冲击状态侧压力

在颠簸、深坑及遇石块等工况条件下，抛肥机车体会受到厩肥冲击振动，直接影响料箱侧板强度。料箱强度校验核算应考虑冲击振动这一因素[19-20]，则侧板动侧压力为：

式中：Ead——侧板动侧主压力，N/m；a——车体纵向加速度，g，a 一般取0.6～0.8g。

2.3 侧压力分层计算

料箱侧板结构形式不同时，由于各结构所对应的厩肥坡度角β、侧板与竖直方向的夹角α存在较为明显的差异，侧压力应分层计算。分层计算原则为：（1）顶层厩肥侧压力采用均质物料方法进行计算；（2）厩肥其它任意分层的侧压力计算时，其上层的物料应视为连续的均布载荷。

值得注意的是，撒肥箱体侧压力运算公式是基于厩肥状态为散粒物料（低含水率土壤性状）推算，而高含水率、较大粘度厩肥能否适应有待进一步商榷。

3 抛肥装置设计与分析

目前，市场上厩肥抛撒装置多为立式双螺旋后抛撒结构，作业幅宽较大，可提高作业效率，为此抛肥装置选用立式双螺旋结构。考虑到机具作业环境、作业效率及厩肥性质等因素，设计主要目标为增加破碎效果、撒肥宽度及降低功耗。

3.1 技术参数确定

（1）抛肥辊转速

抛肥辊转速直接影响到螺旋叶片、破碎刀、甩板、抛撒圆盘的末端线速度，从而对抛肥装置的破碎松散效果及抛撒宽度产生较大影响，决定了厩肥的抛撒均匀性、生产效率。此外，该转速也是能量消耗的重要影响因素。抛肥辊转速的提高可增大抛出的厩肥初速度，使得撒肥幅宽增大，从而提高工作效率。同时，抛肥辊转速的提高会改善破碎效果，较好地保证抛撒均匀性，但转速过高会增加能耗，减弱稳定性。抛肥辊转速为

式中：n——抛肥辊理论转速，r/min；X——工作幅宽，m；a——两螺旋叶片中心距，m；R——叶片回转直径，m；h——厩肥高度中心到地面的高度，m；ε——单位时间内，厩肥抛撒时抛肥辊转过的角度，°；K0——转速修正系数。

对式（2）求导，获得转速n 极值

（2）抛肥辊倾斜角度

抛肥辊倾斜角度直接影响到撒肥作业性能，一般为10°～20°。研究资料表明[10]，抛肥辊倾斜角度越大，施肥均匀性变异系数越小，施肥越均匀；撒肥幅宽会随着抛肥辊倾斜角度先增大后减小。同时，抛肥辊倾斜角度越大会减弱抛撒装置的稳定性。考虑到样机结构、抛肥辊设计转速等因素，抛肥辊倾斜角度设计为10°。

3.2 螺旋叶片

螺旋叶片是抛肥装置的关键部件，主要作用是向上输送物料，使物料在上升过程中不断抛撒，保证撒肥的均匀性。此外，螺旋叶片配合破碎刀具增强碎肥效果。为使厩肥物料全部落入抛撒圆盘，螺旋叶片直径须小于抛撒圆盘直径。参见图3。

为改善厩肥破碎效果，叶片边缘处设置若干等直径的圆弧切口，使受冲击的厩肥不断与破碎刀轨迹交叉运动，增加破碎机率。在叶片各圆弧切口相接处，沿周向交错配置L 型破碎刀，以切碎植物纤维，避免叶片轴因缠绕而抱死。另外，L 型破碎刀成对配置，可增大打击面积，从而改善破碎效果。此外，沿叶片边缘周向且与L 型破碎刀间隔配置抛肥爪，以增大撒肥效果。

3.3 抛撒圆盘

抛撒圆盘与甩板、销轴、固定板组成底部撒肥机构，甩板通过销轴铰连接于固定板。抛撒圆盘利用甩板的离心力将螺旋叶片表面滑落的厩肥抛撒还田，避免厩肥落在车体内损害零部件。参见图4。

4 厩肥抛撒功耗分析

抛肥装置主要依靠螺旋叶片旋转所产生的离心力使厩肥获得动能，同时叶片向上输送厩肥物料克服重力做功。厩肥抛撒过程能量消耗主要分为2部分，一是抛肥叶片旋转时从撞击厩肥、带厩肥运动至抛出且使物料具有一定动能所消耗的能量；二是抛肥系统动力传递过程中轴承、万向节、变速箱等机械传动因摩擦而损耗的能量。

4.1 抛肥功耗分析

为便于分析、研究与计算，取抛肥叶片单位时间内所抛送的厩肥量来确定功率消耗，不考虑大气对厩肥的影响。此外，考虑到推肥机构速度较小，假定厩肥在与抛肥叶片相遇之前速度为0。

（1）厩肥抛撒量

厩肥抛撒量指单位时间内抛撒的物理量，计算公式为

式中：m——单位时间内的施肥量，kg/s；Q——每667 m2施有机肥的质量，kg；t0——每667 m2机具行走的时间，s。

其中，Q,t0可分别由式 (12）和式 (13）确定：

式中：ρ——厩肥密度，700～1 000 kg/m3；V——每667 m2施有机肥的体积，m3；B——抛撒宽度，m；v ——机具行走速度，m/s；S——土地面积，取S=667 m2。

（2）厩肥受叶片撞击、随叶片消耗的功率

厩肥进入抛肥装置后，受到叶片（破碎刀）打击、带动并加速到与叶片相同转速。由动量矩定理可得

式中：Jr——抛送辊转动惯量，kg·mm2；ω——抛肥辊角速度，rad/s；ω0——撞击后（瞬间）抛肥辊角速度，rad/s；l ——厩肥旋转半径；n0——抛肥辊转速，r/min。

由能量守恒可得厩肥受叶片撞击、随叶片消耗的功率：

式中：P1——厩肥受叶片撞击、随叶片消耗的功率，kW；R——抛肥辊回转半径，mm；A——厩肥非均匀性系数，取值1.1～1.3。

（3）厩肥沿叶片滑移摩擦所消耗的功率

厩肥沿叶片滑移所消耗的功率为

式中：P2——单位时间内抛肥需要的功率，kW；t1——单位施肥时间，1 s；R0——抛肥辊中间轴半径，mm。

（4）厩肥离开螺旋叶片时获得的功率

式中：P3——厩肥离开叶片获得的功率，kW；vr——厩肥相对速度，m/s；ζ——牵连速度与相对速度的夹角，°。

4.2 动力传递损耗

抛肥系统动力传递过程中，功率损耗主要为轴承摩擦、万向节传动，以及变速箱内部的齿轮啮合、润滑油的油阻及轴承摩擦等引起的损耗。动力传递功率损耗计算公式为

式中：ΣJTi——各传动轴转动惯量总和，kg·mm2；J1——变速箱输入轴转动惯量，kg·mm2；Ji——变速箱前其它旋转部件转动惯量，kg·mm2；J2——抛送辊转动惯量，kg·mm2；J——折算到变速箱输出轴的转动惯量，kg·mm2；i——传动系统减速比；ω——抛肥辊角速度，rad/s；n0——抛肥辊转速，r/min；t——抛送辊启动时间，s；T——抛送系统启动需要的扭矩，N·m；P3——抛送系统启动需要的功率，kW。Pc——动力传递损耗功率，kW；A0——损耗修正系数，取值1.1～1.3；η0——万向节传递效率，取值0.97～0.99；η1——变速箱传递效率；η2——滚动轴承传递效率，取值0.99。

5 智能精准变量施肥控制策略

5.1 设计原则

厩肥主要是土壤性状肥料，多用于底肥、基肥，精准变量施肥设计原则：

（1）针对不同的土壤特性、田间环境及土壤分布概况，实现精准变量抛撒肥量。

（2）厩肥物料喂入速率（推送速率）与撒肥速率（抛肥转速）、作业速度等可采集、反馈与调控。

5.2 工作原理

精准变量施肥控制系统主要由称重传感器、推肥速度传感器、车速传感器，一、二级推肥油缸及控制阀组组成。推肥油缸通过控制阀组流量来实现推肥速度的精准控制。

作业时，精准施肥系统分别通过称重传感器、速度传感器、车速传感器实时采集厩肥质量、推肥速度、作业速度等数据信息，利用CAN 协议传输至车载ECU，并显示在人机交互界面。用户通过交互界面设置“目标施肥量”，并根据上述传感数据信息计算施肥量，与目标施肥量实时追踪对比与反馈，从而自动调控推肥速度、行驶速度，实现精准施肥。此外，该系统也可根据土壤肥力分布图，实现田间不同区域的变量施肥。

5.3 厩肥称重传感器标定思考

以推肥速度方向为x 轴，车架体宽度方向为y轴，竖直为z 轴建立直角坐标系。考虑到撒肥机箱体内厩肥装载状态各异，厩肥向后推送过程中，物料质心会发生x、y、z 三个方向的变化，质心会对称重传感器产生绕x、y 两方向的力矩，影响称重传感器读数。称重传感器动态标定时，需要考虑x、y 方向质心坐标变化，x 方向可建立时间t 的线性标定函数，y 方向建立时间t 的非线性标定函数。

标定策略：以箱体底板为平面，厩肥沿x、y、z 轴细分成若干等分，记录等分厩肥不同组合下（不同位置，不同质量）的质量，并获取相对应厩肥质量下的传感器读数。基于遗传算法等搜索记忆算法，以x、y、z 位置坐标以及传感器读数为输入，厩肥质量为输出建立标定函数关系式。