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小型有機液肥施肥機的設計
姚歡歡1 馬少輝1
(1. 塔里木大學機械電氣化工程學院， 阿拉爾 843300）
摘要：能源是人類社會進步和經(jīng)濟發(fā)展的重要物質基礎，也是人們從事生產活動中的重要基礎，在城市化、工業(yè)化、農業(yè)現(xiàn)代化等諸多方面，都起著決定性的作用，沼氣工程能利用排泄物、秸稈、餐廚垃圾等廢棄物生產沼氣等清潔能源，變廢為寶，對于我國的能源需求、農村生態(tài)環(huán)境和農業(yè)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式都有重要的作用。但是，沼氣工程還產生大量的沼液沼渣，如果不將其合理處理將導致二次污染。于此同時，沼液沼渣也是一種很好的有機液肥，能夠有效改善土壤生態(tài)環(huán)境、提供土壤肥力狀況、提高農產品的品質等。沼液的施肥具有連續(xù)、量大的特點，因此需要結合農業(yè)機械化的技術手段設計出進行沼液沼渣田間暗灌施肥機械。
關鍵詞：沼液沼渣；有機液肥；施肥機；防堵分配器；液肥箱
中圖分類號:TD451 文獻標識碼：A
0引言
我國農業(yè)資源豐富，每年會產生大量的生物質廢棄物，農業(yè)秸稈每年生產量超過600萬噸，其中可以視為能源用途的約350萬噸，且農村普遍存在“五亂”現(xiàn)象[1]。近年我國能源分布不均衡，煤炭運輸緊張；能源生產與消費結構矛盾突出；能源消耗產業(yè)結構不合理，工業(yè)部門所占比重偏高；結構性污染等問題。傳統(tǒng)的化石能源已經(jīng)造成嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)失衡，因此，切實解決能源危機和環(huán)境保護兩大問題迫在眉睫。為緩解能源需求的壓力，兼顧經(jīng)濟增長和環(huán)境保護、能源格局的更新，開發(fā)無污染、可再生的新能源與能源轉化技術是科技界的當務之急。
有機液肥具有混合均勻、配方容易調整、可添加其他農用化學品、生產成本低、能耗低等許多優(yōu)點，因此已經(jīng)有許多國家開始通過農作物灌溉系統(tǒng)對有機液肥進行使用[2]。在北美有機液肥消費量在國際上達到第一，西歐達到第二。
據(jù)檢測，通常農戶使用的堆肥中的含氮量比沼液沼渣低40％～60％，含磷量比沼液沼渣低40％～50％，含鉀比沼液沼渣低80％～90％，作物利用率比沼液沼渣低10％～20％，數(shù)據(jù)表明，沼液沼渣作為肥料應用極具價值。
隨著沼氣工業(yè)的迅速發(fā)展，沼氣的加工和利用成為迫切需要解決的問題。如果沼液沼渣處理不當，對沼氣工程正常運行造成影響的同時，還會形二次污染[4]。當今多數(shù)選用濕法厭氧發(fā)酵的沼氣工程都以畜禽糞便混入些許秸稈為原料,該原料在厭氧發(fā)酵過程中所產生氣體的主要成分份CH4和CO2，剩余營養(yǎng)成分包括N、P、K及各種礦質均未損壞。而且微生物孕育繁殖、新陳代謝和分解均會釋放出許多有機、無機酸鹽等可溶性產品。同時大量繁殖的細菌死亡后釋放出各種生物活性物質，包括生長素、維生素、核苷酸等。所以經(jīng)厭氧發(fā)酵后的沼液沼渣的植物營養(yǎng)有增無減。
1總體設計思路
本設計根據(jù)一般沼氣工程對沼液沼渣的處置、和生態(tài)農業(yè)經(jīng)濟對有機液肥利用的需要，研發(fā)出一種有機液肥施肥機械，該機械可實現(xiàn)五壟同時施肥，具有有機液肥田間深松、暗罐、起壟和鎮(zhèn)壓等多項功能，使田間施肥作業(yè)更加省時、高效。該機械的設計和推廣可以有效解決沼液沼渣肥料化利用的最后一公里問題，具有重要的現(xiàn)實意義。
1.1設計原理
施肥機具可以根據(jù)作業(yè)地長度，面積等因素選擇采用在機架上方安裝肥箱架和肥箱，直接由拖拉機牽引進行施肥作業(yè)，也可以采用三點懸掛的方式安裝在沼液罐車后面，液肥罐內部的高壓泵將沼液沼渣從液肥罐輸送到閥門所在的總管，本文采用防堵分配器對液肥進行分配，再由分配器出口將沼液沼渣從閥門輸送到施肥鏟管內，施肥完成后進行起壟和鎮(zhèn)壓。分配器同時還具有防堵作用，能保證有機液肥施肥的均勻性和穩(wěn)性定。通過壟作施肥和其他不同施肥深度的要求分別設計了四種不同類型的施肥鏟，深松型、開溝器型、雙翼型、鼠道型，能適應不同的壟作要求。壟作施肥能將沼液沼渣完全的覆蓋,有效地減少肥料揮發(fā)和臭氣污染。保留土壤水分和消減風蝕可以利用土壤鎮(zhèn)壓[14]，通過鎮(zhèn)壓彈簧來調節(jié)鎮(zhèn)壓力。
1.2設計總體結構
如上所述本施肥機械主要包括施肥裝置和肥箱兩大部分，其中施肥裝置如圖2-1所示，主要由機架、施肥裝置、起壟裝置、鎮(zhèn)壓裝置、防堵分配器、行走裝置及輸送管組成。肥箱下方有用于控制流量的閥門和防堵分配器連接。
1.主架 2.起壟裝置 3.鎮(zhèn)壓裝置4.控流閥門 5.分配器 6.液肥箱 7肥箱支架 8.施肥鏟 9.行走裝置
圖1 施肥機具整機結構圖
2關鍵部件的設計
2.1旋轉葉片的設計
旋轉葉片由防堵葉片和葉片導桿焊接而成，在分配器中防堵葉片的主要作用是阻擋液態(tài)有機肥料流入各分管中，該分配器共有四個防堵葉片均勻等距地分配在直徑為520mm的圓周上，在隨轉子旋轉的過程中四個防堵葉片間斷性地對出料口進行封堵，從而在分管內產生脈沖高壓，沖擊發(fā)生局部阻力的部位。葉片上連接有葉片導桿，通過導桿與轉子鏈接。本文將葉片前端設計為與徑向成一定傾斜角度，同時，葉片前端設計成刀刃狀，這樣不僅可以減緩葉片在旋轉過程中所受到的液體阻力，還可以清理分液器殼體底部在上一次工作后殘留下來的淤泥。
2.2轉子的設計
轉子的主要作用是與葉片導桿鏈接帶動旋轉葉片進行轉動。轉子四周均勻分配著四個彈簧腔，當旋轉葉片遇到硬質顆粒物的情況時，防堵葉片隨著葉片導桿壓縮彈簧而在彈簧腔內滑動。為了阻礙液體填滿彈簧內腔而導致彈簧固化，在彈簧腔封口處加密封墊圈，并且在彈簧腔根部開一個通氣孔，通氣孔使彈簧腔與外界相通，這樣既確保了彈簧的可壓縮性，又確保了液態(tài)肥料不能進入彈簧腔。轉子中心處是一個正六邊形的鍵槽，與主軸配合。
2.3 錐架的設計
錐架的結構圖如圖4-13所示，錐架底部圓面直徑為350mm，錐架高度為225mm,為了減輕錐架的重量，將其設計成中空結構。錐架與轉子固定在一起，隨轉子一起轉動。當液態(tài)肥料從進料口進入分液器后首先沖擊錐架，由于錐架旋轉，液態(tài)肥料在離心力的作用下被甩向分液器殼體內壁，這樣既緩解了液態(tài)肥料對轉子的直接沖擊，影響分液器工作的穩(wěn)定性，又可以將沼液沼渣中的泥塊兒甩向器壁有利于泥塊溶于液體中。
2.4 防堵分配器
防堵分配器主要作用是對有機液肥料進行均勻穩(wěn)定的分配，但由于類似沼液沼渣這樣的有機液肥具有粘性大，雜質多等特點，流狀肥料在分配管路中很容易發(fā)生堵塞，為解決這一問題，本文設計了一種具有沖刷管壁、減緩沖擊、避讓顆粒體等功能的分配器。
（1）沖刷管壁。
液壓馬達帶動轉子轉動，封堵葉片在隨轉子轉動時會間斷性地對出料口進行封堵，使有機液肥間斷性地流入分管，從而形成脈沖高壓，沖刷管壁，實現(xiàn)防堵功能。
（2）減緩沖擊
當有機液肥從主管注入分配器后首先會沖擊錐架，由于錐架隨轉子轉動，會對肥料產生離心力，肥料在離心力的作用下被甩向內壁，從而減緩了肥料的沖擊，避免了肥料直接沖擊轉子，影響肥料的均勻穩(wěn)定分配。
（3）避讓顆粒體
本文將旋轉葉片的前端設計成具有一定傾斜角度，當葉片與硬質物體發(fā)生碰撞時硬質物體對葉片的擠壓力會產生徑向分力，從而使導桿末端壓縮彈簧完成避讓。
3總結
本文綜合研究分析國內外有機液肥施肥機的研究現(xiàn)狀，針對我國沼氣工程的快速發(fā)展但對其產生的廢棄物的利用情況不佳的現(xiàn)狀，研究設計了一種可一次性行走完成開溝、松土、施肥、起壟、鎮(zhèn)壓等多個功能的有機液肥施肥機。對其整機及管件部件進行了系統(tǒng)的理論分析，得到以下結論。
（1）本文設計了能夠同時完成開溝、松土、施肥、起壟、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)的有機液肥施肥機，并采用solidworks進行三維建模。
（2）本文針對有機液肥料因粘稠而容易堵塞分配管路設計了防堵分配器，該分配器利用旋轉葉片間斷性地對流狀肥料輸出口進行封堵，在分管口處產生脈沖高壓，從而對出料口內壁的沉積物進行沖擊、清理。該分配器能夠很好的實現(xiàn)防堵功能。
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