12SX-230石灰精量撒施旋耕一体机的研制与应用_刘欣.pdf

第 50 卷第 2 期 农业工程与装备 2023 年 4 月Vol.50 No.2 AGRICULTURAL ENGINEERING AND EQUIPMENTApr.2023 12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机的研制与应用 刘 欣1，沈炫利1，黄 勇1，汪 霞1，刘海霞2(1.常德市农业机械化技术推广站，湖南 常德 415000；2.常德市农业农村局，湖南 常德 415000)摘 要：为解决撒施石灰治理土壤重金属污染时存在的劳动强度大、撒施量不可控、撒施不均匀等问题，根据作业参数需求和湖南省地方标准，研制了 12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机。该机型由大马力拖拉机驱动，可实现旋耕和撒施同步作业，将石灰与土壤充分混合后完成深土层撒施，可有效防止石灰扬尘和环境污染。田间试验结果表明，该机型的撒施均匀度和撒施量等参数均能满足石灰撒施的作业要求。关 键 词：土壤污染；石灰撒施；结构设计；性能测试 中图分类号：S220.2 文献标志码：A 文章编号：20968736(2023)02000603 Development and application of 12SX-230 precise lime spreading and rotary machine LIU Xin1,SHEN Xuanli1,HUAN Yong1,WANG Xia1,LIU Haixia2(1.Station of Popularization of Agricultural Mechanization Technology Changde,Changde,Hunan 415000,China;2.Bureau of Agriculture and Rural Changde,Changde,Hunan 415000,China)【Abstract】To solve the problems of high labor intensity,uncontrollable spraying amount,and uneven spraying in the process of using lime spraying to control soil heavy metal pollution,a 12SX-230 lime precision spraying rotary tillage machine has been developed based on the requirements of operating parameters and local standards in Hunan Province.This model is driven by a high-power tractor and can achieve simultaneous operation of rotary tillage and spreading,fully mixing lime with soil to complete deep soil spreading,effectively preventing lime dust,pollution,and loss.Field experiments have shown that the parameters such as uniformity and amount of lime application can meet the operational requirements for lime application.【Keywords】soil contaminated;lime spreading;structure design;performance test 2014 年，我国发布的全国土壤污染状况调查公报中显示，全国耕地土壤点位超标率为 19.4%，其中镉等重金属为主要污染物，镉的点位超标率高达 7.0%1。土壤环境中的镉等重金属具有不可降解性和迁移性，会随着水源渗透到农作物中，通过食物链富集2-3的方式间接进入人体，给人体脏器造成不同程度的器质性损伤4-5。近年的研究表明，我国五大粮食产区的土壤重金属污染为轻度，但呈现逐 作者简介：刘欣(1992)，男，湖南常德人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为农业机械结构设计与研发、农业机械技术推广。年上升的趋势，镉等重金属的污染已经对粮食安全和公众健康造成严重威胁。目前，撒施石灰已成为我国治理土壤重金属污染的主要方式，但作业过程中存在劳动强度大、撒施量不可控、撒施不均匀等问题，如果采用人工撒施还容易灼伤皮肤，存在安全隐患。针对以上问题，将石灰撒施装置与旋耕机有效结合，研制了一种石灰精量撒施旋耕一体机，不但可避免石灰与人体直接接触，还能精准控制石灰撒施量，避免拖拉机多次下田碾压土壤，减轻土壤板结，降低作业成本。第 50 卷第 2 期 刘欣等 12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机的研制与应用 7 1 整机结构和作业原理 1.1 整机结构 12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机主要由伺服电机、料斗、分料器、离心风机、风门等组成，如图 1 所示。整机悬挂于大马力拖拉机后，由拖拉机驱动旋耕装置，伺服电机驱动石灰撒施装置，同时完成旋耕、撒施作业。1 伺服电机；2 料斗；3 分料器；4 角度分流板；5 离心风机；6 风门；7 电控面板；8 风门控制器；9 螺旋绞龙输送器；10 连接管道；11 喷嘴；12 旋耕装置。图 1 12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机结构 1.2 基本参数 根据农业部印发的稻田重金属镉污染防控技术指导意见和湖南省地方标准 DB43/T 1331-2017的要求，确定 12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机的基本参数，如表 1 所示。表 1 12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机基本参数 参数 单位 数值 整机尺寸 mm 25009001500 作业方式/悬挂式 作业幅宽 mm 2300 料斗容积 m3 0.6 撒施量调节方式/转速调节 1.3 作业原理 12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机悬挂于大马力拖拉机之后，利用拖拉机牵引力驱动旋耕装置，由伺服电机驱动石灰撒施装置。在作业过程中，由电机驱动螺旋绞龙将料斗中的石灰定量输送至分料器中，操作人员通过调节绞龙转速精准控制石灰输送量，通过调节风门开合大小控制进风量；在离心风机驱动下将高速气流吹向分料器，高速气流在角度分流板的作用下，使分料器中的石灰随气流通过喷嘴均匀地撒施在旋耕装置前方；旋耕装置在进行旋耕作业的同时，可将石灰与土壤充分混合，实现深土层撒施。2 部件参数设计 2.1 螺旋绞龙输送量 根据湖南省石灰精量撒施机农业机械专项鉴定大纲 DG43/Z 013-2021要求，石灰撒施装置最大撒施量4500 kg/hm2，最小撒施量750 kg/hm2，撒施量误差5%。12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机的石灰输送装置由两个对称的螺旋绞龙组成，因此单个螺旋绞龙输送量为标定额要求的一半，故设定本装置最大撒施量 Qmax=2250 kg/hm2，最小撒施量 Qmin=375 kg/hm2。2.2 螺旋绞龙主要参数 为简化石灰输送装置结构，避免动力传动系统结构过于复杂，设定由伺服电机驱动螺旋绞龙。综合考虑到电机启动功率需求，石灰流动性，装置内部空间结构等因素，设定螺旋绞龙内径 D=90 mm，螺旋轴直径 d=0.3D6。根据石灰输送装置结构，可知螺旋绞龙每小时输送量 Qh：Qh=3600 4(D2-d2)V1 (1)式中：V1为石灰轴向运动速度(m/s)；为石灰的堆积密度，取=1200 kg/m3；为倾斜系数，螺旋绞龙水平输送，故取=1。石灰在输送过程中既有轴向直线运动，也有旋转运动7。为简化运算，忽略石灰与叶片之间的摩擦，即石灰轴向输送速度为：21cos 60n SV=(2)式中：n 为绞龙转速(r/min)；S 为螺距，考虑螺旋绞龙工作状况和螺旋叶片的制造工艺等因素6-8，由S=0.8D计算得S=72mm；为螺旋升角，13.8。石灰撒施装置与旋耕装置同时作业，拖拉机带动旋耕装置的平均作业速度 V2=2 km/h，作业幅宽L=2.3 m，完成 1hm2的作业时间 H(h)为：1212.17VL 10H-=(3)根据公式(1)、(2)、(3)可知，石灰撒施装置完 8 农业工程与装备 2023 年 4 月 成 1hm2撒施作业所需的石灰量 Q 为：()22232.55 cos D-dSQn=(4)根据公式(4)，当螺旋绞龙理论转速 n=738 r/min 时，螺旋绞龙输送器可满足最大撒施量和最小撒施量要求。3 石灰撒施性能试验 为了测试 12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机的作业性能，选择 10 m3 m 的平整水泥地面进行样机撒施试验，如图 2 所示。图 2 样机试验 操作人员驾驶旋耕机以正常作业模式行驶，行驶速度平均为 2 km/h，有效行驶距离 10 m，螺旋绞龙转速设定为 5 r/min、20 r/min、40 r/min 三挡，并实时调整风门开合大小。每个转速挡位进行三次试验，试验后统计撒施量，并按照农业机械专项鉴定大纲中的方法计算撒施均匀度9。试验结果表明，每小时撒施量和均匀度均符合设计要求，试验数据如图 3 所示。图 3 12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机试验数据 田间试验在常德市武陵区七里桥街道进行，试验场地为晚稻收割后的稻田(地表无水)。试验结果表明，12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机可使石灰与土壤充分混合，完成深土层撒施，撒施量精准可控，撒施分布均匀，作业效率高，田间撒施效果如图 4 所示。图 4 田间试验 4 结语 样机试验和田间试验证明，12SX-230 石灰精量撒施旋耕一体机，可有效解决石灰撒施过程中存在的劳动强度大、撒施量不可控、撒施不均匀等问题，满足作业参数需求，符合湖南省地方标准。该机型可同时完成旋耕、撒施作业，能将石灰与土壤充分混合，实现深土层撒施，保证了撒施量的精准可控和石灰的均匀分布，可有效减轻扬尘污染，对开展土壤重金属污染治理工作具有重要意义。参考文献 1 环境保护部和国土资源部.全国土壤污染状况调查公报R.北京,2014.2 郭志娟,周亚龙,王乔林,等.雄安新区土壤重金属污染特征及健康风险J.中国环境科学,2021,41(1):431-441.3 LIU X M,ZHONG L B,MENG J,et al.A multi-medium chain modeling approach to estimate the cumulative effects of cadmium pollution on human healthJ.Environmental Pollution,2018,239:308-317.4 Nordberg G F,Nogawa K,Nordberg M.Cadmium M/Nordberg G F,Fowler B A,Nordberg M.Handbook on the toxicology of metals.Waltham:Academic Press is an imprint of Elsevier.2014.5 SATARUG S.Dietary cadmium intake and its effects on kidneysJ.Toxics,2018,6(1):15.6 徐余伟.螺旋输送机设计参数选择J.砖瓦世界,2008(7):21-26.7 姚茂河,易怀安.螺旋输送机螺距优化设计J.机械研究与应用,2011,24(5):83-84.8 胡勇克,戴莉莉,皮亚南.螺旋输送器的原理与设计J.南昌大学学报(工科版),2000,22(4):29-33,91.9 农业机械专项鉴定大纲 DG43/Z013-2021S.湖南省农业农村厅,2022.责任编辑：阳湘晖 英文编辑：唐琦军 0%20%40%60%80%100%051015202530555202020404040绞龙转速r/min速度km/h撒施量kg撒施均匀度