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 機電工程學院，昆明 650201)

0 引言

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，在農(nóng)業(yè)上使用各種化學產(chǎn)品越來越普遍，使土壤污染問題日趨嚴重，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，其帶來對環(huán)境的影響也是極為嚴峻的，長期任其發(fā)展可能會導致災難性的后果[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，直接導致了年均1 000多萬t糧食減產(chǎn)，造成經(jīng)濟損失達200億元以上[2]。由此可知，對已受污染土壤的治理和修復不僅涉及到基本農(nóng)田保護和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且事關食品衛(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研究領域，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治理研究缺乏復原技術的產(chǎn)業(yè)化目標，難以形成以市場競爭力強、能得到廣泛推廣、成本低為主要目的的土壤修復產(chǎn)品，以及操作方便的設備和技術[4]。另外，對土壤修復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，設計與開發(fā)出一種土壤修復粉劑均灑混合裝備來降低人工勞動強度、提高勞動效率及降低勞動成本是迫切需要解決的一項重大課題，具有重要的研究意義。

1 總體結構設計與工作原理

1.1 總體結構設計

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

1.2 工作原理及其工作過程

工作原理：通過三點懸掛總成將本作業(yè)機整體與拖拉機連接，機組勻速前進；而后置的地輪(鎮(zhèn)壓輪)在拖拉機的牽引作用下依靠自重與地面摩擦而滾動，經(jīng)鏈傳動帶動排料鏈輪，從而帶動外槽輪式排肥器轉動，排下土壤修復粉劑；排下的土壤修復粉劑經(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，拖拉機輸出動力經(jīng)萬向節(jié)傳動軸傳入中間變速箱總成，帶動旋耕刀軸總成做回轉切削運動將土壤打碎，在切削翻轉土壤的過程中把土壤表面的修復粉劑與土壤均勻的混合在一起。最后，鎮(zhèn)壓輪對已完成的土地進行鎮(zhèn)壓與再次碎土作業(yè)。

2 關鍵部件的設計

2.1 傳動系統(tǒng)的設計

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

圖2 傳動簡圖Fig.2 Schematic diagram of driving motion

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

由于土壤修復粉劑的撒施量為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)時地輪轉的圈數(shù)N[5]。

取N=290。

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

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

通過表1可以得出：六方傳動軸每轉1圈，其上的6個外槽輪排出的土壤修復粉劑的最大量為K=416.43g。

由此可得：土壤修復粉劑排量為300kg/667m2時，六方傳動軸需轉的圈數(shù)n=720。由于六方傳動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軸處的鏈輪中心距過大，易造成松邊垂度過大，傳動時造成松邊顫動[6]，所以設計過渡輪，以防止中心距過大的危害，取Z2=Z3=19。

2.2 料箱的設計

料箱作為土壤修復粉劑的承載部件，不僅影響了土壤修復粉劑能否順利排出，而且決定了是否出現(xiàn)積料現(xiàn)象。料箱的設計需要結合土壤修復粉劑的流動性能來確定，因此對土壤修復粉劑進行了休止角測試[7]，結果如表2所示。

表2 休止角測定結果Table 2 The result of angle of repose measuring

由表2可知：土壤修復粉劑的休止角為42.3°，流動性較差。所以，針對料箱的設計重點在于要避免土壤修復粉劑在料箱內(nèi)出現(xiàn)架空現(xiàn)象，從而導致排料斷續(xù)、不均勻地排出，造成排料的不精確[8]。本設計是在料箱內(nèi)兩出料口之間設置了傾斜角大于土壤修復粉劑休止角的楔形結構，可以使料箱內(nèi)土壤修復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。料箱結構如圖3所示。

圖3 料箱結構示意圖Fig.3 Material box structure diagram

2.3 排料軌道的設計

排料軌道是土壤修復粉劑均灑混合裝備的核心部件，決定了土壤修復粉劑在耕幅內(nèi)撒施的均勻性。把排料軌道設計成“八”字形可以使土壤修復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計了一段殼罩，不僅可以確保土壤修復粉劑在離開軌道下落過程中直接成垂直狀態(tài)，還可以避免機組工作時因風大對土壤修復粉劑下落造成影響。排料軌道結構示意圖如圖4所示。

2.4 排軌道固定裝置的設計

排料軌道在機架上安裝角度直接影響著土壤修復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粉劑休止角42.3°時，則土壤修復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，則土壤修復粉劑在排料軌道上滑落的速度過快，影響土壤修復粉劑在軌道上的分散效果。本設計的排料軌道安裝角度為55°，結構如圖5所示。

圖4 排料軌道結構示意圖Fig.4 Material discharged track structure diagram

圖5 軌道固定片結構示意圖Fig.5 Track fixture flake structure diagram

3 性能試驗

3.1 試驗結果

2017年5月，云南農(nóng)業(yè)大學試驗基地進行了土壤修復粉劑均灑混合裝備性能的試驗，目的主要是測量土壤修復粉劑均灑混合裝備在工作中土壤修復粉劑的排量是否滿足200～300kg/667m2，還有就是土壤修復粉劑均灑混合裝備能否把土壤修復粉劑均勻地撒施在耕幅內(nèi)。試驗過程中，選取了雷沃M954-D型拖拉機為動力輸出設備，型號為JY2001 Max2000g、e=1g、d=0.1g的電子天平作為質(zhì)量測量工具。試驗方案是：調(diào)節(jié)六方傳動軸上的旋鈕讓外槽輪排肥器的工作長度達到最大，再讓地輪旋轉5圈測量外槽輪排肥器所排出的土壤修復粉劑的質(zhì)量，并觀察土壤修復粉劑在耕幅內(nèi)是否撒施均勻，以及觀察料箱內(nèi)的土壤修復粉劑是否會出現(xiàn)架空現(xiàn)象。經(jīng)5次試驗測得地輪轉5圈時土壤修復粉劑的排量如表3所示。地輪轉5圈土壤修復粉劑在耕幅內(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果Table 3 The result of external grooved wheel fertilizer apparatus discharge volume performance Testing

圖6 樣機試驗圖Fig.6 Prototype test graph

3.2 試驗分析

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

4 結論與討論

1)本土壤修復粉劑均灑混合結構簡單，性能可靠，使用方便。該樣機在土壤修復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，同時不會出現(xiàn)土壤修復粉劑堵塞和架空的現(xiàn)象。

2)該樣機在土壤修復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，需要從結構上進一步改進和研究，以便能夠更好地提升均勻性。