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        土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

        2018-08-10 02:25:22傅延祺董子昆楊琳琳寧旺云
        農(nóng)機(jī)化研究 2018年12期
        關(guān)鍵詞:槽輪排料傳動(dòng)軸

        傅延祺,孫 鵬,肖 勇,董子昆,楊琳琳,王 斌,寧旺云

        (云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,昆明 650201)

        0 引言

        隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快,在農(nóng)業(yè)上使用各種化學(xué)產(chǎn)品越來越普遍,使土壤污染問題日趨嚴(yán)重,從而造成土壤污染主要是重金屬污染。土壤污染具有明顯的隱蔽性、潛伏性和不可逆性等特點(diǎn),其帶來對(duì)環(huán)境的影響也是極為嚴(yán)峻的,長期任其發(fā)展可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果[1]。據(jù)資料顯示,我國約1/5的耕地受到Cd、Pb等重金屬的污染,直接導(dǎo)致了年均1 000多萬t糧食減產(chǎn),造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200億元以上[2]。由此可知,對(duì)已受污染土壤的治理和修復(fù)不僅涉及到基本農(nóng)田保護(hù)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,而且事關(guān)食品衛(wèi)生安全,該措施是公共衛(wèi)生安全保障體系中的重要組成部分。

        目前,在重金屬污染土壤的治理和修復(fù)研究領(lǐng)域,國內(nèi)外均采用活化和鈍化兩種方法。增施能夠鈍化重金屬的有機(jī)肥、土壤改良劑等措施,既符合現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的基本狀況,又能使農(nóng)民更容易接受和掌握[3]。目前,國內(nèi)現(xiàn)有的土壤重金屬污染修復(fù)治理研究缺乏復(fù)原技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo),難以形成以市場競爭力強(qiáng)、能得到廣泛推廣、成本低為主要目的的土壤修復(fù)產(chǎn)品,以及操作方便的設(shè)備和技術(shù)[4]。另外,對(duì)土壤修復(fù)粉劑的撒施目前大多采用人工撒施的方式,存在效率低、難以保證撒施均勻性等問題。所以,設(shè)計(jì)與開發(fā)出一種土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備來降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率及降低勞動(dòng)成本是迫切需要解決的一項(xiàng)重大課題,具有重要的研究意義。

        1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

        1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備包括排料機(jī)構(gòu)、旋耕機(jī)構(gòu):排料機(jī)構(gòu)包括料箱、外槽輪式排肥器、排料軌道、料箱支撐板、地輪(鎮(zhèn)壓輪)、傳動(dòng)鏈,料箱底部設(shè)置有外槽輪排肥器,料箱支撐板上安裝有料箱和鏈傳動(dòng);旋耕機(jī)構(gòu)包括三點(diǎn)懸掛總成、中間變速箱總、連接板及刀軸總成,中間變速箱總成底部設(shè)置有刀軸總成。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        1.2 工作原理及其工作過程

        工作原理:通過三點(diǎn)懸掛總成將本作業(yè)機(jī)整體與拖拉機(jī)連接,機(jī)組勻速前進(jìn);而后置的地輪(鎮(zhèn)壓輪)在拖拉機(jī)的牽引作用下依靠自重與地面摩擦而滾動(dòng),經(jīng)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)排料鏈輪,從而帶動(dòng)外槽輪式排肥器轉(zhuǎn)動(dòng),排下土壤修復(fù)粉劑;排下的土壤修復(fù)粉劑經(jīng)過軟管輸送到排料軌道,在排料軌道的作用下,土壤修復(fù)粉劑在軌道范圍內(nèi)均勻地落下,最后均勻地撒施在地面上。同時(shí),拖拉機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)萬向節(jié)傳動(dòng)軸傳入中間變速箱總成,帶動(dòng)旋耕刀軸總成做回轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)將土壤打碎,在切削翻轉(zhuǎn)土壤的過程中把土壤表面的修復(fù)粉劑與土壤均勻的混合在一起。最后,鎮(zhèn)壓輪對(duì)已完成的土地進(jìn)行鎮(zhèn)壓與再次碎土作業(yè)。

        2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

        2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        為了保證土壤修復(fù)粉劑排量的準(zhǔn)確性,考慮到傳動(dòng)系統(tǒng)的中心距較大,采用鏈傳動(dòng),如圖2所示。

        圖2 傳動(dòng)簡圖Fig.2 Schematic diagram of driving motion

        土壤修復(fù)粉劑的撒施動(dòng)力來自地輪,地輪將動(dòng)力傳遞到中間的過渡輪,再由過渡輪傳遞給六方傳動(dòng)軸上的鏈輪,從而帶動(dòng)外槽輪排肥器旋轉(zhuǎn),把土壤修復(fù)粉劑撒下。

        由于土壤修復(fù)粉劑的撒施量為3 000~4 500kg/hm2,地輪的直徑D=408mm長度為1 800mm。所以,可求得完成667m2地作業(yè)時(shí)地輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)N[5]。

        取N=290。

        為了測量外槽輪式排肥器每轉(zhuǎn)1圈所能排出的土壤修復(fù)粉劑的最大排料,先調(diào)節(jié)六方傳動(dòng)軸上的手動(dòng)旋鈕,使得槽輪工作長度最大;再通過5次排料試驗(yàn),每次試驗(yàn)讓六方傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)5圈。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

        表1 外槽輪式排肥器排料量結(jié)果Table 1 The result of external grooved wheel fertilizer apparatus discharge volume

        通過表1可以得出:六方傳動(dòng)軸每轉(zhuǎn)1圈,其上的6個(gè)外槽輪排出的土壤修復(fù)粉劑的最大量為K=416.43g。

        由此可得:土壤修復(fù)粉劑排量為300kg/667m2時(shí),六方傳動(dòng)軸需轉(zhuǎn)的圈數(shù)n=720。由于六方傳動(dòng)軸處的鏈輪不宜過大(即齒數(shù)Z4要少),現(xiàn)取Z4=16,則

        地輪處的鏈輪與六方傳動(dòng)軸處的鏈輪中心距過大,易造成松邊垂度過大,傳動(dòng)時(shí)造成松邊顫動(dòng)[6],所以設(shè)計(jì)過渡輪,以防止中心距過大的危害,取Z2=Z3=19。

        2.2 料箱的設(shè)計(jì)

        料箱作為土壤修復(fù)粉劑的承載部件,不僅影響了土壤修復(fù)粉劑能否順利排出,而且決定了是否出現(xiàn)積料現(xiàn)象。料箱的設(shè)計(jì)需要結(jié)合土壤修復(fù)粉劑的流動(dòng)性能來確定,因此對(duì)土壤修復(fù)粉劑進(jìn)行了休止角測試[7],結(jié)果如表2所示。

        表2 休止角測定結(jié)果Table 2 The result of angle of repose measuring

        由表2可知:土壤修復(fù)粉劑的休止角為42.3°,流動(dòng)性較差。所以,針對(duì)料箱的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于要避免土壤修復(fù)粉劑在料箱內(nèi)出現(xiàn)架空現(xiàn)象,從而導(dǎo)致排料斷續(xù)、不均勻地排出,造成排料的不精確[8]。本設(shè)計(jì)是在料箱內(nèi)兩出料口之間設(shè)置了傾斜角大于土壤修復(fù)粉劑休止角的楔形結(jié)構(gòu),可以使料箱內(nèi)土壤修復(fù)粉劑集中在出料口處,有效地避免了排料斷續(xù)、不均勻的現(xiàn)象。料箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 料箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Material box structure diagram

        2.3 排料軌道的設(shè)計(jì)

        排料軌道是土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備的核心部件,決定了土壤修復(fù)粉劑在耕幅內(nèi)撒施的均勻性。把排料軌道設(shè)計(jì)成“八”字形可以使土壤修復(fù)粉劑在排料軌道上下落的過程中均勻地分散,從而確保土壤修復(fù)粉劑在耕幅內(nèi)均勻的撒施;“八”字形排料軌道的物料出口處設(shè)計(jì)了一段殼罩,不僅可以確保土壤修復(fù)粉劑在離開軌道下落過程中直接成垂直狀態(tài),還可以避免機(jī)組工作時(shí)因風(fēng)大對(duì)土壤修復(fù)粉劑下落造成影響。排料軌道結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

        2.4 排軌道固定裝置的設(shè)計(jì)

        排料軌道在機(jī)架上安裝角度直接影響著土壤修復(fù)粉劑能否順暢地在排料軌道上滑落、安裝角度小于土壤修復(fù)粉劑休止角42.3°時(shí),則土壤修復(fù)粉劑在排料軌道上可能出現(xiàn)堵滯、不能順暢滑落的現(xiàn)象;若安裝角度過大,則土壤修復(fù)粉劑在排料軌道上滑落的速度過快,影響土壤修復(fù)粉劑在軌道上的分散效果。本設(shè)計(jì)的排料軌道安裝角度為55°,結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        圖4 排料軌道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Material discharged track structure diagram

        圖5 軌道固定片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Track fixture flake structure diagram

        3 性能試驗(yàn)

        3.1 試驗(yàn)結(jié)果

        2017年5月,云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行了土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備性能的試驗(yàn),目的主要是測量土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備在工作中土壤修復(fù)粉劑的排量是否滿足200~300kg/667m2,還有就是土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備能否把土壤修復(fù)粉劑均勻地撒施在耕幅內(nèi)。試驗(yàn)過程中,選取了雷沃M954-D型拖拉機(jī)為動(dòng)力輸出設(shè)備,型號(hào)為JY2001 Max2000g、e=1g、d=0.1g的電子天平作為質(zhì)量測量工具。試驗(yàn)方案是:調(diào)節(jié)六方傳動(dòng)軸上的旋鈕讓外槽輪排肥器的工作長度達(dá)到最大,再讓地輪旋轉(zhuǎn)5圈測量外槽輪排肥器所排出的土壤修復(fù)粉劑的質(zhì)量,并觀察土壤修復(fù)粉劑在耕幅內(nèi)是否撒施均勻,以及觀察料箱內(nèi)的土壤修復(fù)粉劑是否會(huì)出現(xiàn)架空現(xiàn)象。經(jīng)5次試驗(yàn)測得地輪轉(zhuǎn)5圈時(shí)土壤修復(fù)粉劑的排量如表3所示。地輪轉(zhuǎn)5圈土壤修復(fù)粉劑在耕幅內(nèi)撒施的均勻性如圖6所示。

        表3 外槽輪式排肥器排料量性能測試結(jié)果Table 3 The result of external grooved wheel fertilizer apparatus discharge volume performance Testing

        圖6 樣機(jī)試驗(yàn)圖Fig.6 Prototype test graph

        3.2 試驗(yàn)分析

        從5次試驗(yàn)測得地輪轉(zhuǎn)5圈時(shí)土壤修復(fù)粉劑的排量測定結(jié)果(見表3)可以得出:土壤修復(fù)粉劑均灑混合裝備完成667m2地作業(yè)時(shí),能夠撒施的土壤修復(fù)粉劑為283.68kg,完全符合200~300kg/667m2的作業(yè)要求。由圖6可知:土壤修復(fù)粉劑在耕幅內(nèi)撒施較為均勻,也符合要求。

        4 結(jié)論與討論

        1)本土壤修復(fù)粉劑均灑混合結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠,使用方便。該樣機(jī)在土壤修復(fù)粉劑的排量和排料性能方面比較良好,能夠滿足200~300kg/667hm2的作業(yè)要求,同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)土壤修復(fù)粉劑堵塞和架空的現(xiàn)象。

        2)該樣機(jī)在土壤修復(fù)粉劑撒施的均勻性方面,雖然能夠符合作業(yè)要求,但還是無法做到完全均勻。為此,需要從結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步改進(jìn)和研究,以便能夠更好地提升均勻性。

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