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沼液沼渣暗灌施肥机械的研制及关键部件的仿真研究

袁虎  
【摘要】:沼气工程利用粪便、秸秆、餐厨垃圾等废弃物生产沼气,变废为宝,对于缓解我国的能源需求紧张、改善农村生态环境和发展农业循环经济都有重要的作用。但是,沼气工程还产生大量的沼液沼渣,如果不将其有效处理将导致二次污染。沼液沼渣既是速效与迟效兼备、速效多于迟效的有机肥,又是防治病虫害的无污染、无残毒、无抗药性的“生物农药”。但由于没有类似沼液沼渣这种液态沼肥的机械化施肥技术和装备,沼肥虽好却无法施用于田间。本研究针对大型沼气工程对沼液沼渣的消纳、以及生态农业循环经济对沼液沼渣肥料化利用的需求,研制出一种液态沼肥暗灌施肥机械,该机械具有沼液沼渣抽装、运输以及田间深松、暗罐、起垄等功能。 沼液不同于传统的液态肥,因此需要测定其基本物性参数来为沼液施肥机械的设计及分析做参考。在一般的沼液TS水平2%-10%下,测定了沼液的密度和黏度,发现沼液在各个TS水平下十密度分接近于水,而沼液黏度在低TS水平下很小,随着TS增大黏度增加十分快,在TS为10%时,沼液运动黏度为1.46×10-3m2/s。 在参照前面沼液物性参数的基础上,进行沼液沼渣施肥机整机设计与制作,同时对该施肥机械的关键部件的设计原理、功能等进行了分析。首先用流体力学对沼液在分配器及施肥管道的流动性进行分析,计算出了沼液在分配器和管道中的流动损失,分配器能提高了分管入口处流体的总的能量水头,起到了将连续流体分成周期性断续流体以集中流体能量的作用。另外,通过土壤动力学方法分析了四种施肥铲与土壤的作用力,得出铲尖受到的土壤的阻力远小于铲柄。 运用计算流体动力学分析软件FLUENT对分配器的流场进行了分析,由分析得知在沼液TS为10%水平下当分配器转子为120r/min时,转子几乎形成了一个封阻平面,分管处几乎不流出沼液流体;当分配器转子为90r/min时,流体在分配器中的流体很好的实现了理论分析中设计的功能。 运用显示动力求解器LS-DYNA对施肥铲切削土壤的作用过程进行了分析,分析中采用的动态接触面侵蚀算法和弹塑性材料模型MAT147都非常适合施肥铲切削土壤的过程分析,由分析结果得到的施肥铲阻力曲线知道了施肥铲过程中的土壤变化情况,以及最后阻力的稳定值。对鼠道型施肥铲与土壤的作用过程进行模拟试验,得到的阻力稳定值与理论值差异性在5%及以下,说明施肥铲与切削土壤的作用过程模拟符合实际情况。 在哈尔滨双城市杏山镇顺利村对施肥机进行了性能实验,试验原料为分布式新农村资源站沼气工程的沼液沼渣,并经过搅拌、加水稀释将TS调节到5%左右。牵引动力为东方红904型拖拉机,其最大牵引功率大于49.88KW,罐车悬挂装置动力来自拖拉机的液压输出,施肥装置分配器动力来源为车载220V电瓶。试验结果表明,拖拉机能正常牵引罐车行驶运输,行驶速度为1.5m/s;罐车悬挂装置可正确完成升降和定位作业,并将沼肥顺利排入到各个施肥铲出口;沼肥最大排出流量时,罐车内沼肥在2.5min内排净,在管道中没有出现堵塞现象,达到了沼肥抽排和运输的预期性能。


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