Vol42 No2
Feb 2021
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42 22021 2中国农机化学报
JournalofChineseAgriculturalMechanization
DOI ： 10.13733/j.jcam.issn.2095—5553.2021.02.009
畜禽粪便堆返有机肥撒肥机设计与试验
褚斌⑴，吴爱兵2，韩梦龙S 李寒松S 张宗超S 赵峰1
(1.山东省农业机械科学研究院，济南市，250100； 2.农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)
摘要：针对高含水率的畜禽粪便堆肥易堵料、难抛撒，使用人工撒施劳动强度大，严重制约畜禽粪污有效利用的问题，对农 家肥的含水率、容积密度、滑动摩擦角、自然休止角等物理特性进行统计分析，以此为基础设计整机液压系统，并创新设计 柔性甩料机构、可变长度搅料板机构.Arduino 控制模块与北斗导航集成在一起的辅助控制系统。选取抛撒转速、行走速 度和抛撒角度为试验因素，以均匀度变异系数和撒肥幅宽为试验指标作正交试验及响应曲面分析。结果表明，抛撒转速、 抛撒角度、行走速度对撒肥均匀度变异系数的影响依次减小，利用Design-Expert12.0.3.0软件进行响应曲面分析，当抛撒 转速为305 r/min，行走速度为4 km/h ，抛撒角度为20°时，均匀度变异系数为268%，撒肥幅宽为52 m，此时撒肥幅宽满
足设计要求且均匀度变异系数最小，并通过试验进行验证&
关键词：畜禽粪便；农家肥；撒肥机；环链；响应面
中图分类号:S224.9 文献标识码:A 文章编号：2095-5553 (2021) 02-0058-08
褚斌，吴爱兵，韩梦龙，李寒松，张宗超，赵峰.畜禽粪便堆派有机肥撒肥机设计与试验中国农机化学报，2021, 42(2)：58—65
Chu Bin , Wu Aibing , Han Menglong , Li Hansong , Zhang Zongchao , Zhao Feng. Design and experiment of the organic fertilizer spreader for livestock and poultry manure composting Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2021,
42(2)：58—65
0引言
我国为畜牧养殖大国，畜禽养殖每年产生38亿t 畜 禽粪便，有效处理率却不到50%[1]，各级政府十分重视
畜禽养殖污染的治理工作，将畜禽粪便堆积发酵腐熟制 作肥料用于还田，好处是臭气较少，养分齐全，但氮、磷、 钾含量少，与化肥相比施用量大⑵，装载、运送与撒施需 大量人力、物力，劳动强度大，卫生条件差。针对高含水
率、多结块的堆肥肥料，国内目前没有合适的撒肥设备，
常规撒肥机针对颗粒肥料、粉末肥料等含水率低于30% 的干性肥料设计3 ，对高含水率的畜禽粪便堆肥会造成堵
料，目前仍以人工抛撒为主4 ，严重制约了畜禽粪污的有 效利用，使得未处理的畜禽粪污给环境造成了严重污染&
畜禽粪便简易堆肥形成的有机肥，具有高含水率 的特征，含水率约为30%〜60% •，而且具有含水率 不均衡的特点，堆肥的上部含水率低，呈块状，中下部
含水率逐渐增高，底部甚至含水率超过80%(67。已 有的撒肥机，通过料斗装料，撒肥机构位于料斗后方或
者侧方前部1/4处，这就导致肥料在抛撒之前必须经 历运送的过程，即从料斗前部输送到后部，或者从一侧
输送到另一侧，对于含水率低于30%的肥料，肥料干 燥，流动性好80，输送过程没有问题，可以正常撒施&
而针对高含水率的肥料，由于水份较高，粘性较大，结 块较多(112，现有撒肥机会造成堵塞，无法输送，更无 法完成后续的撒施作业。国外法国某公司生产的尾式
抛撒和侧式抛撒农家肥抛撒机，具有绞龙式或液压背 推式输肥装置，立式或卧式抛撒装置，可抛撒高含水
率、高含杂率和多结块农家肥™&法国另一公司推出 的农家肥抛撒机配备垂直布置的抛撒转轴，此类抛撒 机可抛撒各种粪肥、农家肥及沼渣但国外抛撒机
械体积庞大、价格昂贵，国内推广难度较大(5) &
针对畜禽粪便堆泯有机肥的特性以及现有设备的
缺陷，设计一种适用于高含水率、多结块、高粘性肥料, 可机械化上料，智能控制撒施量的撒肥机。并通过试
验选择合理抛撒转速、行走速度和抛撒角度，得出最小 的施肥均匀变异系数和最大的撒肥幅宽&
收稿日期：2020年12月11 0 修回日期：2021年1月12日
*基金项目：山东省农机装备研发创新计划项目(2018YF024)；山东省农业重大应用技术创新项目(SD2019NJ008)；山东省农业科学院农业科技创新
工程项目(CXGC2018D06)
第一作者：褚斌，男⑴985年生，山东枣庄人，工程师；研究方向为农产品加工机械和畜牧机械& E-mail ： 156****************通讯作者：赵峰，男⑴972年生，山东济南人，高级工程师；研究方向为农产品加工技术与装备& E-mail ： **************
2褚斌等：畜禽粪便堆泯有机肥撒肥机设计与试验59
1整机结构和工作原理
1.1整机结构
机由物料抛撒、牵引式、液压动系统以及控制系统组成&物料抛撒装簷
箱、混合机构、抛撒机构、自适应拨料板机构、料仓盖角度调整机构；液压动系统变量泵、液压油箱、液压马达、变速箱等；控制系统Arduino、料仓监测系统等&构如图1所示&
图1用于有机机图
Fig1Structurediagram oforganicfertilizer
spreaderforcompostinglivestock manure
1.液压油箱
2.刺
3.变量泵
4.变速箱
5.液压马达
6.弹性联轴器
7.散热器
8.抛撒机构
9.肥料箱10.[测试探针
1.2工作原理
拖拉机的后动力输出轴通过变速箱驱动变量泵，为液压系统提供动力源，通过传动系统将动力输出到于箱内部的抛撒装置，通过旋转将抛撒出&箱顶部有开启角度可调的料仓盖板，用于调的抛撒角度&系统于拖机
内，驾驶员通过人机撒肥参数，E系统联动控制抛撒转速和料仓盖板开启角度，达到抛撒转速和抛撒角度动态可调的目的&便有机撒肥机的参数如表1所示&
表1有机肥撒肥机的主要参数TaT1Maintechnicalparametersoftheorganicfertilizer spreaderforlivestock manurecomposting
参数数
外形尺寸(长X宽X高)/(mmXmmXmm)4158X1900X2040配套动力/kW&73
输入转速/(r・min-1)1000
抛撒轴转速/(r・min-1)200
〜350
撒肥效率/(m3・h-1)30
〜72
肥料箱容积/m3425
撒肥宽度/m3〜5.5
施肥变异系数/%530
2主要工作部件设计和参数确定
2.1液压系统设计
液压系统的动力来源是拖拉机后动力输出轴(16)，它通过变速箱的增速与液压泵连接，驱动液压泵的旋转，使液压油箱中的液压油产生压力，液压油通过〕(1719)，—路液压油通过管路与液压马达连接，动液压马达旋转，液压马达，以驱动抛撒机构的旋转&路液压油通过管路与调整机构连接，通过
液压缸的长度调仓盖板的开启角度，实抛撒速度和角度的双重&农家肥含水率67.8%，容积密度q=515kg/m3，摩擦角35.1°，休止角41.7°，摩擦系数0=5.516「20如。本设计撒肥效率#&72m3/h，转轴设计最高转速n max=350r/min，撒肥机料箱容积V=4.2m3&抛撒
5=(F摩(F重%
F摩=^°=458.8N
26
式中：F摩---转轴需克服的摩擦阻力；
F重 转轴需克服的物料重力；
N——抛撒轴最大抛撒外径，取设计值0.647m&
计算得出抛撒5=824.8N・m&
抛撒所需
蒸汽熨刷
P抛=5m=30189W
i=2+n max=36.6rad/s
式中:1最大角速度&
2.1.1液压马达的参数计算
液压马达排量
2+5
式中:"P——进出口压差&
初选系统压力10MPa，—般取回油背压1MPa，进出口压差按9MPa计算&计算得出液压马达排量V R=575.5mL/r。
液压马达流量
=V m n max
计算得出液压马达流量q v=201.3L/min。根据上述计算，选取JMDG3-450型柱塞马达，工作压力"]=14MPa。
2.1.2液压缸的计算
活塞直径
式中：A2活塞作用面积，m2
；
60中国农机化学报2021
F l一一液压缸最大负载，N，此处负载为肥料箱
盖板，重量57kg，即570N；
P max一一液压缸最高工作压力，MPa。
计算得出活塞直径^2f8.31mm，根据GB/T 2348—2018（（流体传动系统及元件缸径及活塞杆直径》，优选N2f10mm。
活塞杆径
根据机械设计手册往复运动速比+取146，计算得出活塞杆直径“2=5mm。
液压缸无杆腔有效作用面积
人+N22
==0.785cm
34
有杆腔有效作用
—p2）
%4==0.502cm
44
液压力
F=#3%4—#4%3
式中：P3——液压缸工作腔压力14X106Pa；
P4——液压缸背压1X106Pa。
计算得出液压力F=624.86N，符合设计。
液压流量注塑鞋
,=@max%3
式中：@max——活塞与缸体的最大相对速度，取0.05
m/s。
计算得出液压缸流量,=0.235L/min。
由于N2=10mm,P2=5mm的液压缸需要定制，所用市面常见的小型液压，型号40X 25X150。
上述公式进行校核计算，得出液压缸拉力F=9454N>624.86N，满足设计需求，并计算出其所需的液压缸液压油流量,=3.768L/min。
2.1.3液压泵的计算
液压泵的工作压力
P p&"1+"2+6△"
式中："1-----液压马达最大工作压力，MPa；
p2-----液压缸最大工作压力，MPa；
6""一一液压泵与液压执行元件间的管路损
失，按设计手册初选为0回MPa。
1.2F l
"2&——
工N2—P2%
422
计算得出"2=0回94MPa，前文已知液压马达工作压力"1=14MPa，代入得出P p&15.394MPa。
时应扩大25%〜60%液压泵的额定压力「2324），即额定压力为19回4〜24回3MPa。
液压泵的流量
，@p&K6,@max
式中:K----系统的泄漏系数（5），—般取1.1〜1.3；
一一同时工作的执行元件的最大总
流量。
计算得出q@p&225.5L/min。
应的液压泵量
式中:n H----液压泵工作转速，r/min，按常用的1500 ;/min计算。
计算得出液压泵排量兀=150.3mL/r。
石材磨光机液压泵的动
P_P p
，@p
P b=
#p
式中：#p泵的总效率,—般取0回。
计算得出p b=72.3kW。经查询拖拉机相关参数,LF1304型拖拉机作为撒肥机牵引机头，其PTO输出额定功率为77.2kW，满足液压泵的动件。
2.2抛撒装置设计
抛撒多组与主轴螺栓连接的柔性甩料机构，每组柔性机构4分布的环链组合，如图2所示&相链之间的夹角为90°且相对设置的两个环链，不在同一平面内。环链组合的一端通过螺的固定板相连，环链组合的通过螺，环链周设有可链移动的板，甩料板可以在
间移动&通过，其表1接有2mm的锌基耐磨合金「26）。
图2图
Fig.2Structure diagram of spraying device
1•甩块2.甩料板3.环链组合4.主轴
主轴静止状态时，环链、甩块、甩料板在重力作用下自然垂下&撒肥机装满启动后，环链首先绕缠绕，在抛撒转速提高的过程中，环链r
展，直至伸展至最长状态&在这个过程中，甩料
2褚斌等：畜禽粪便堆泯有机肥撒肥机设计与试验61
板在环链上，随着肥料负载力的变化自由移动，由于主轴上安装有多组、多链，甩料板在移动的过程中，将各度上的抛撒出去，实撒的目的&
2.3可变长度搅料板机构设计
搅拌机构板、平衡块、安装杆、弹簧、限位板和板成&两径设两组十字型槽，搅料板从中穿过，设有可板移动的平衡块，它可板在板和间移动&杆的设有弹簧，-定，另一板相连，并可在期间进行&在静止状态下，由于弹簧的作用，安装杆受到径向且远中心的力，搅料板在露出的长度最小；撒肥车装满启动时，此时板的面最小，达到启动负载，保护传动机构的目的&随抛撒转速的提高，肥料也在抛出
减少，搅料板的平衡到中心的力作用，会，搅板板移动，在这个过程中，弹簧压，板出的长度长，的随大，-箱中的搅拌作用强，直至板达到最长伸出长度（图3）。在撒肥过程中，实现了板的伸出长度随肥料的负载大短变长的自适应变化，起到平衡负载，-动系统负荷，降低撒肥机配套动力源的目的&
#）伸长状态
图3搅料板机构的伸长与收图
Fig3Structurediagram oftheextensionand
contraction state of the stirring plate mechanism
1限位板2.平衡块3.搅料板4.安装杆
5.弹簧
6.锁紧板
7.主轴
2.4控制系统设计
系统中央控制器、人机交互模块和视觉识别系统，其中中央器Arduino|模和&中央器的输载传感器、转速传感器和系统相连，中央器的输出子和&分别液压马达和液压油缸。负载传感器于肥料箱和撒肥车车轴之间，实时测量箱中的肥少量；转速传感器于撒肥车车轮内狈9，用于测量车轮旋转速度&在人机输入预设撒肥量，负载传感器获取肥料变化数据，并传输至中央控
制器；转速传感器收集车轮转动速度，并传输至中央控制器，由其计算实际撒肥量、撒肥车实际行走速度；系统出点，并由中央器计算出抛撒距离&
1）Arduino可以接收肥料报警传感器信号，当肥料剩余量时，会通过人机提醒。人机用于输入撒肥参数，提员行
车路线、行车速度、肥料抛撒范围量等。
2）北斗导航模块接收卫星信号，并通过辅助驾驶系统的运算在人机上出实际行驶路线和参考路线，同时测算出撒肥机的行进速度，通过提；
员调整行进速度来平的撒肥量，当速度和行进路线保持在合理区间时，即可完成预定参数的撒作。
3）人机交互模块连接中央控制器，其包括触摸屏、语音提示模块。触摸于拖拉机操作室内，能够输入预设值和实时抛撒画面。触摸屏采用UART串口触摸屏，中央控制器的型号为Arduino mega2560。
4）系统用于检测肥料抛撒的距离，安装在肥料箱侧板的顶，安装角度满观测到箱内部，也能观测到抛撒出去的&；cmucam5（pixy）图像传感器、OpenMV3智能摄像头和存储卡&
撒肥控制系统的控制流程是：首先，通过触摸屏输入预设撒肥量L，预设撒肥量数值来自于养分含量的测量；触摸屏将数输到中央器，中央器将预设存储器中的数据库进行，自动调用标准数据启动撒肥车；通过电子度大来撒肥车行进速度，按照数据库标准数据〕抛撒转速和料仓盖开启角度。负载传感器将：箱中少量数据输到中央器，中央器计算出撒速度K。系统通过抛撒的分线，将数据输到中央器，
中央器计算出抛撒距S。转速感器测量车轮旋转速度，将数据输到中央器，中央器计算出撒车时行进速度V i。
单位时间t内的撒肥量
K
L t=-
a sv9
然后，将实际撒肥量与预设撒肥量对比&
1）当L t5L时，中央器发布指令提高抛撒转速$仓盖启角度$撒车行进速度$
62中国农机化学报2021直至L t=L时，中央控制器保持撒肥车在既有参数
下运转&
2）当'〉'时，中央控制器发布指令降低抛撒
转速，增大料仓盖开启角度，提高撒肥车行进速度,
至L t=L时，中央器保持撒肥车在既有参数
下运转&
3）当'='时，中央控制器不做指令调整&
其中，控制抛撒转速的过程是：中央器控制电
垃圾打捞船
磁阀I，从而液压油流量，进而抛撒I直的液压马达转速&
抛撒距离的过程是：中央控制器控制电磁阀
%，从而液压缸的，带动料仓盖绕支点旋转，改变开启角度，抛出的切线，因此可以改变的抛撒距离&
撒肥车行进速度的过程是：中央控制器控制拖拉机电子的开启程度，即发动机的油气进入量，改变发动机的转速和输出，最终撒肥车的行进速度&
视觉识别系统实时拍摄撒肥的画面，视频信号通过中央器的转化，最终在人机的触摸屏上显示出来，并在画面中实时模拟显示抛撒边界线，便于员撒肥车行进&撒线；上一轮的撒线过多，会音提示模
提醒员及时修正行进，撒重复撒施。控制系统的工作流程4所示&
图4撒肥控制系统工作流程
Fig.4Work flow of the spreading control system
3试验与分析
3.1试验条件
在山济南市济阳区太平镇进行了畜禽粪便堆派有机肥撒肥机的性能试验，试验物料为堆派25d后的牛粪，含水率为70.5%，容积密度为514.6kg/m3，滑动摩擦角为30.1°,|角为36.7°。动力源为88.2kW的福田雷沃拖拉机&试验现场如图5所示&
图5试验现场
Fig5Testsite
3.2试验参数
为确定撒肥机在满足抛撒幅宽设计要求的前提下，度变异系数最小。选定抛撒转速、抛撒机行走速度、料仓盖开启角度为试验，以撒肥幅宽、均匀度变异系数CV为试验展正交试验&确定撒肥幅宽、均匀度变异系数主次因素和较优组合，设计水平如表2所示。根据水平，选用'13（33）正交表&试验方案与结果如表3所示&
试验因素
表2因素水平
TaT2Factorlevel
水平抛撒转速
A/(r•min-1)
行走速度
B/(km•h-1)
抛撒角度
C/（。）126030
23054535
3350670
表3试验方案与试验结果
TaT3Testplanandtestresults
因素
试验A/
(r•min1)
B/
(km•h-1)
C/
(°)
屮田见
/m/%
130********
23053048273 335045052287 426045704131
526063545298 630567056295 73056052285 835063561295 9305453554267 102603355291 112604504287 12350457058315 1335033568293
通过正交因素水平试验，
对测得的原始数据利用
豫公网安备41160202000603
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