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小型有機(jī)液肥施肥機(jī)的設(shè)計(jì)
姚歡歡1 馬少輝1
(1. 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘要：能源是人類社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人們從事生產(chǎn)活動(dòng)中的重要基礎(chǔ)，在城市化、工業(yè)化、農(nóng)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(chǎn)沼氣等清潔能源，變廢為寶，對(duì)于我國(guó)的能源需求、農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式都有重要的作用。但是，沼氣工程還產(chǎn)生大量的沼液沼渣，如果不將其合理處理將導(dǎo)致二次污染。于此同時(shí)，沼液沼渣也是一種很好的有機(jī)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(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)等。沼液的施肥具有連續(xù)、量大的特點(diǎn)，因此需要結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械化的技術(shù)手段設(shè)計(jì)出進(jìn)行沼液沼渣田間暗灌施肥機(jī)械。
關(guān)鍵詞：沼液沼渣；有機(jī)液肥；施肥機(jī)；防堵分配器；液肥箱
中圖分類號(hào):TD451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
0引言
我國(guó)農(nóng)業(yè)資源豐富，每年會(huì)產(chǎn)生大量的生物質(zhì)廢棄物，農(nóng)業(yè)秸稈每年生產(chǎn)量超過(guò)600萬(wàn)噸，其中可以視為能源用途的約350萬(wàn)噸，且農(nóng)村普遍存在“五亂”現(xiàn)象[1]。近年我國(guó)能源分布不均衡，煤炭運(yùn)輸緊張；能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)矛盾突出；能源消耗產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，工業(yè)部門所占比重偏高；結(jié)構(gòu)性污染等問題。傳統(tǒng)的化石能源已經(jīng)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)失衡，因此，切實(shí)解決能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)兩大問題迫在眉睫。為緩解能源需求的壓力，兼顧經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)、能源格局的更新，開發(fā)無(wú)污染、可再生的新能源與能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是科技界的當(dāng)務(wù)之急。
有機(jī)液肥具有混合均勻、配方容易調(diào)整、可添加其他農(nóng)用化學(xué)品、生產(chǎn)成本低、能耗低等許多優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)有許多國(guó)家開始通過(guò)農(nóng)作物灌溉系統(tǒng)對(duì)有機(jī)液肥進(jìn)行使用[2]。在北美有機(jī)液肥消費(fèi)量在國(guó)際上達(dá)到第一，西歐達(dá)到第二。
據(jù)檢測(cè)，通常農(nóng)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(yīng)用極具價(jià)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(dāng)，對(duì)沼氣工程正常運(yùn)行造成影響的同時(shí)，還會(huì)形二次污染[4]。當(dāng)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(guò)程中所產(chǎn)生氣體的主要成分份CH4和CO2，剩余營(yíng)養(yǎng)成分包括N、P、K及各種礦質(zhì)均未損壞。而且微生物孕育繁殖、新陳代謝和分解均會(huì)釋放出許多有機(jī)、無(wú)機(jī)酸鹽等可溶性產(chǎn)品。同時(shí)大量繁殖的細(xì)菌死亡后釋放出各種生物活性物質(zhì)，包括生長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)有增無(wú)減。
1總體設(shè)計(jì)思路
本設(shè)計(jì)根據(jù)一般沼氣工程對(duì)沼液沼渣的處置、和生態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)對(duì)有機(jī)液肥利用的需要，研發(fā)出一種有機(jī)液肥施肥機(jī)械，該機(jī)械可實(shí)現(xiàn)五壟同時(shí)施肥，具有有機(jī)液肥田間深松、暗罐、起壟和鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)功能，使田間施肥作業(yè)更加省時(shí)、高效。該機(jī)械的設(shè)計(jì)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(shí)意義。
1.1設(shè)計(jì)原理
施肥機(jī)具可以根據(jù)作業(yè)地長(zhǎng)度，面積等因素選擇采用在機(jī)架上方安裝肥箱架和肥箱，直接由拖拉機(jī)牽引進(jìn)行施肥作業(yè)，也可以采用三點(diǎn)懸掛的方式安裝在沼液罐車后面，液肥罐內(nèi)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(duì)液肥進(jìn)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(nèi)，施肥完成后進(jìn)行起壟和鎮(zhèn)壓。分配器同時(shí)還具有防堵作用，能保證有機(jī)液肥施肥的均勻性和穩(wěn)性定。通過(guò)壟作施肥和其他不同施肥深度的要求分別設(shè)計(jì)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(yīng)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(fēng)蝕可以利用土壤鎮(zhèn)壓[14]，通過(guò)鎮(zhèn)壓彈簧來(lái)調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力。
1.2設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)
如上所述本施肥機(jī)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(jī)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(jī)具整機(jī)結(jié)構(gòu)圖
2關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)
2.1旋轉(zhuǎn)葉片的設(shè)計(jì)
旋轉(zhuǎn)葉片由防堵葉片和葉片導(dǎo)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(jī)肥料流入各分管中，該分配器共有四個(gè)防堵葉片均勻等距地分配在直徑為520mm的圓周上，在隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中四個(gè)防堵葉片間斷性地對(duì)出料口進(jìn)行封堵，從而在分管內(nèi)產(chǎn)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(dǎo)桿，通過(guò)導(dǎo)桿與轉(zhuǎn)子鏈接。本文將葉片前端設(shè)計(jì)為與徑向成一定傾斜角度，同時(shí)，葉片前端設(shè)計(jì)成刀刃狀，這樣不僅可以減緩葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)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(lái)的淤泥。
2.2轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)子的主要作用是與葉片導(dǎo)桿鏈接帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子四周均勻分配著四個(gè)彈簧腔，當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉片遇到硬質(zhì)顆粒物的情況時(shí)，防堵葉片隨著葉片導(dǎo)桿壓縮彈簧而在彈簧腔內(nèi)滑動(dòng)。為了阻礙液體填滿彈簧內(nèi)腔而導(dǎo)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(gè)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(jìn)入彈簧腔。轉(zhuǎn)子中心處是一個(gè)正六邊形的鍵槽，與主軸配合。
2.3 錐架的設(shè)計(jì)
錐架的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)。錐架與轉(zhuǎn)子固定在一起，隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)液態(tài)肥料從進(jìn)料口進(jìn)入分液器后首先沖擊錐架，由于錐架旋轉(zhuǎn)，液態(tài)肥料在離心力的作用下被甩向分液器殼體內(nèi)壁，這樣既緩解了液態(tài)肥料對(duì)轉(zhuǎn)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(duì)有機(jī)液肥料進(jìn)行均勻穩(wěn)定的分配，但由于類似沼液沼渣這樣的有機(jī)液肥具有粘性大，雜質(zhì)多等特點(diǎn)，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(shè)計(jì)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(dá)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，封堵葉片在隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)間斷性地對(duì)出料口進(jìn)行封堵，使有機(jī)液肥間斷性地流入分管，從而形成脈沖高壓，沖刷管壁，實(shí)現(xiàn)防堵功能。
（2）減緩沖擊
當(dāng)有機(jī)液肥從主管注入分配器后首先會(huì)沖擊錐架，由于錐架隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)對(duì)肥料產(chǎn)生離心力，肥料在離心力的作用下被甩向內(nèi)壁，從而減緩了肥料的沖擊，避免了肥料直接沖擊轉(zhuǎn)子，影響肥料的均勻穩(wěn)定分配。
（3）避讓顆粒體
本文將旋轉(zhuǎn)葉片的前端設(shè)計(jì)成具有一定傾斜角度，當(dāng)葉片與硬質(zhì)物體發(fā)生碰撞時(shí)硬質(zhì)物體對(duì)葉片的擠壓力會(huì)產(chǎn)生徑向分力，從而使導(dǎo)桿末端壓縮彈簧完成避讓。
3總結(jié)
本文綜合研究分析國(guó)內(nèi)外有機(jī)液肥施肥機(jī)的研究現(xiàn)狀，針對(duì)我國(guó)沼氣工程的快速發(fā)展但對(duì)其產(chǎn)生的廢棄物的利用情況不佳的現(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)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(gè)功能的有機(jī)液肥施肥機(jī)。對(duì)其整機(jī)及管件部件進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析，得到以下結(jié)論。
（1）本文設(shè)計(jì)了能夠同時(shí)完成開溝、松土、施肥、起壟、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)的有機(jī)液肥施肥機(jī)，并采用solidworks進(jìn)行三維建模。
（2）本文針對(duì)有機(jī)液肥料因粘稠而容易堵塞分配管路設(shè)計(jì)了防堵分配器，該分配器利用旋轉(zhuǎn)葉片間斷性地對(duì)流狀肥料輸出口進(jìn)行封堵，在分管口處產(chǎn)生脈沖高壓，從而對(duì)出料口內(nèi)壁的沉積物進(jìn)行沖擊、清理。該分配器能夠很好的實(shí)現(xiàn)防堵功能。
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