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        玉米苗期中耕松土裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗

        2016-03-23 04:34:21張偉欣周福君許驍博
        農(nóng)機化研究 2016年4期
        關鍵詞:苗期玉米

        張偉欣,趙 瑋,周福君,許驍博

        (東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院,哈爾濱 150030)

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        玉米苗期中耕松土裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗

        張偉欣,趙瑋,周福君,許驍博

        (東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院,哈爾濱150030)

        摘要:在綜合研究國內(nèi)外中耕作業(yè)相關機具研究現(xiàn)狀的基礎上,針對東北壟作區(qū)的區(qū)域特點,結合玉米小壟單行種植模式的農(nóng)藝特點及玉米苗期中耕松土作業(yè)的特殊要求,設計了一種玉米苗期中耕松土裝置,并開展玉米苗期中耕松土裝置關鍵技術研究,完成了樣機的試制與試驗。結果表明:錐形釘齒盤基本實現(xiàn)了其設計功能,在壟側創(chuàng)造了用于松土升溫蓄水保墑的孔狀結構,各項作業(yè)指標達到了中耕松土的設計要求。

        關鍵詞:中耕松土;淺松裝置;玉米;苗期

        0引言

        玉米是世界上最重要的谷類糧食作物之一,在我國的栽培面積僅次于水稻、小麥,為第三大糧食高產(chǎn)作物,總產(chǎn)量位居糧食作物首位。目前,國內(nèi)外研制的淺松機具尚未達到在玉米苗期根系附近作業(yè)的農(nóng)藝要求,本文針對玉米苗期中耕松土的作業(yè)要求,研究設計了一種玉米苗期中耕松土裝置。通過設計新的被動旋轉釘齒式松土裝置,改變了原有的中耕松土方式,達到了減小土壤擾動、減少耕作阻力、降低動力消耗及保證作業(yè)效果的目的。

        在綜合研究國內(nèi)外中耕作業(yè)相關機具研究現(xiàn)狀的基礎上,針對東北壟作區(qū)的區(qū)域特點,結合玉米小壟單行種植模式的農(nóng)藝特點及玉米苗期中耕松土作業(yè)的特殊要求,設計了一種玉米苗期中耕松土裝置。其能夠實現(xiàn)玉米苗期的中耕松土,并可在壟側創(chuàng)造一系列的用于蓄水升溫的孔狀結構。

        本文以中耕松土裝置為研究對象,以錐形釘齒盤的作業(yè)速度及彈簧鎮(zhèn)壓力為試驗因素,以釘齒入土深度穩(wěn)定性、釘齒盤滑移率、土壤堅實度差為試驗指標,選用L9(34)正交表,進行三因素三水平正交試驗,分析規(guī)律影響,優(yōu)選最佳作業(yè)參數(shù),并驗證裝置能否實現(xiàn)其設計功能。

        1整機結構及工作原理

        玉米苗期中耕松土裝置主要由主機架、限深輪、三點懸掛裝置、滑動機架、調距絲杠、調節(jié)絲杠螺母、壓桿、壓桿彈簧、釘齒盤架及主要工作部件錐形釘齒盤組成,如圖1所示。其中,限深輪的作用是用于限制主機架的工作高度及浮動仿形作業(yè),調節(jié)絲杠螺母焊接于滑動機架上?;瑒訖C架由4個M14螺栓固裝于主機架的長槽固定板上,錐形釘齒盤上內(nèi)置軸承,并由軸固定在釘齒盤架上。

        1.錐形釘齒盤 2.釘齒盤架 3.壓桿

        玉米苗期中耕松土裝置由拖拉機三點懸掛作業(yè)。作業(yè)時,拖拉機沿著壟向前進作業(yè),由限深輪控制整機浮動仿形作業(yè),釘齒盤架一側單鉸與主機架的長槽固定架上,另一側固定在錐形釘齒盤上,則錐形釘齒盤二次單鉸仿形;錐形釘齒盤沿壟向在壟的兩側被頂滾動,錐形釘齒盤圓周上的釘齒間斷地完成入土出土,疏松苗帶兩側的土壤,并由壓桿上的鎮(zhèn)壓彈簧控制錐形釘齒盤的入土深度;針對不同的苗帶寬度可調節(jié)錐形盤內(nèi)側的間距10~20cm,針對不同的壟距,作業(yè)壟距也可進行50~70cm范圍內(nèi)調節(jié),即完成壟側扎齒式松土作業(yè)。

        2材料與方法

        2.1試驗材料、儀器及裝置

        試驗于2014年12月10日-20日在東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)機教學試驗室進行。試驗設備為自制土槽試驗臺,包括移動土槽、電控柜、臺車、電機及錐形釘齒盤作業(yè)單體。試驗用塑料玉米苗,苗筒高7.5cm、直徑2.5cm,秧苗高度 12cm;卷尺的量程3m,精度為1mm;皮尺量程10m,精度為1cm;直尺量程30cm,精度1mm;TYD-2 型土壤硬度計(kg/cm2),TZS-1土壤水分速測儀/%;土槽內(nèi)土壤含水率16%~19%。試驗臺如圖2所示。

        圖2 錐形釘齒盤試驗裝置

        將錐形釘齒盤成組單體固定在試驗臺架上,試驗臺的主要技術參數(shù)如表1所示。錐形釘齒盤固定在機架上,土槽移動,玉米苗按株距25cm埋在土槽里。

        表1 試驗臺主要技術參數(shù)

        2.2試驗設計

        以錐形釘齒盤的實際作業(yè)速度A及控壓彈簧的鎮(zhèn)壓力B為試驗因素,以試驗前后土壤堅實度差值y1、錐形釘齒盤滑移率y2、釘齒入土深度穩(wěn)定性y3為試驗指標,應用正交試驗方法[1-4],選用L9(34)正交表,進行兩因素三水平正交試驗,分析因素對指標的影響規(guī)律,優(yōu)選錐形釘齒盤最佳作業(yè)參數(shù)組合,每個試驗處理重復3次。試驗因素、水平表見表2所示,試驗方案如表3所示。

        表2 因素水平表

        表3 試驗方案

        2.3試驗指標的測定

        2.3.1土壤堅實度差值

        玉米苗及壟體處理完成后,在測試段隨機選取10點,測定入土深度5cm深度下的土壤堅實度值,并求均值B前;按照對應試驗處理進行試驗,以同樣方法測定作業(yè)后土壤的堅實度的均值B后,則土壤堅實度差值為

        B=B前-B后

        (1)

        式中B—土壤堅實度差(N/cm2);

        B前—作業(yè)前土壤堅實度均值(N/cm2);

        B后—作業(yè)后土壤堅實度均值(N/cm2)。

        2.3.2滑移率

        錐形釘齒盤在土槽上作業(yè),按每個試驗處理測定其實際行進的距離S1,再在錐形釘齒盤的外側貼定位標簽,通過數(shù)標簽轉過的圈數(shù),計算其行進的理論距離S2,則錐形釘齒盤滑移率[5-7]為

        (2)

        式中η—錐形釘齒盤滑移率(%);

        S1—錐形釘齒盤實際前進距離(cm);

        S2—錐形釘齒盤理論前進距離(cm)。

        2.3.3入土深度穩(wěn)定性

        (3)

        式中U—釘齒入土深度穩(wěn)定性(%);

        h—釘齒入土深度的均值(cm);

        T—釘齒入土深度的標準差(cm);

        V—釘齒入土深度的變異系數(shù)(%)。

        3結果與分析

        3.1試驗方案與結果

        試驗結果如表4所示。

        表4 試驗結果

        為了評價3個因素對錐形釘齒盤作業(yè)性能的影響,尋找影響各指標的主次因素[8],并優(yōu)選最佳組合,對正交試驗的結果進行了方差分析,結果見表5~表7所示。

        表5 堅實度差方差分析

        表6 滑移率方差分析

        表7 入土深度穩(wěn)定性方差分析

        根據(jù)表2~表4的因素方差分析,可以確定各個因素對指標的影響的主次順序。選定試驗的顯著性水平0.01,則對于指標土壤堅實度差,其主次順序為B、A、C,且B因素鎮(zhèn)壓力為極顯著影響,作業(yè)速度及釘齒排數(shù)為顯著影響。試驗指標滑移率為B、C,兩者皆為極顯著影響;但因素作業(yè)速度對指標滑移率無影響。對指標釘齒入土深度穩(wěn)定性為B 、A 、C,且因素作業(yè)速度及鎮(zhèn)壓力為極顯著影響,釘齒排數(shù)為顯著性影響。

        因素對指標堅實度差的影響如圖3所示。

        圖3 因素對堅實度差的影響

        由圖3(a)可知:作業(yè)前后土壤堅實度差隨著機具作業(yè)速度的增加而減小,但并不呈線性減小,而存在一定加劇的趨勢。這是因為當機具作業(yè)速度增加時,由于作業(yè)速度過快,釘齒還未及入土完成松土作業(yè),土壤松土狀況不佳,會造成土壤堅實度差的減小。由圖3(b)可知:土壤堅實度差隨著彈簧鎮(zhèn)壓力的增加而增加。已知松土釘齒的入土深度主要與釘齒的結構特點及釘齒入土時的外負載有關,因此隨著彈簧鎮(zhèn)壓力的增加,釘齒入土深度增加,松土狀況較好,所以土壤堅實度差增高。由圖3(c)可知:土壤堅實度差隨著釘齒排數(shù)的增加而減小。這是因為在鎮(zhèn)壓力及作業(yè)速度相同的情況下,釘齒排數(shù)越小則釘齒的松土深度越大,即同樣的負載由多數(shù)或少數(shù)釘齒來承受,則釘齒松土深度有所不同;但當釘齒排數(shù)過少時,整個回轉圓周在作業(yè)時松土區(qū)域會有所減小。因此,在測定土壤堅實度時,因隨機性過大而導致測定了未松土區(qū)域,致使土壤堅實度差出項上述的趨勢。也就是說,在8排及10排時指標堅實度差近乎相同,而在12排時堅實度差顯著減小。

        因素對指標滑移率的影響如圖4所示?;坡孰S著彈簧鎮(zhèn)壓力的增加而減小。這是由于當彈簧鎮(zhèn)壓力增加時,釘齒入土深度增加,錐形釘齒盤滾動效果增加,滑移減小。由圖4(b)可知:滑移率隨著錐形釘齒盤釘齒排數(shù)的增加而減小。這是因為被動回轉部件(如地輪、鎮(zhèn)壓輪等)的滑移現(xiàn)象主要是由于地輪的接地處的摩擦力過小而產(chǎn)生的;而當釘齒排數(shù)增多時,同時作業(yè)的釘齒增加,摩擦力或稱之為附著力增加,因而滑移率降低。

        因素對指標入土深度穩(wěn)定性的影響如圖5所示。

        圖4 因素對滑移率的影響

        圖5 因素對入土深度穩(wěn)定性的影響

        由圖5(a)可知:釘齒入土深度穩(wěn)定性隨著作業(yè)速度的增加而減小,但減小趨勢有所減緩。主要原因是:當作業(yè)速度增加時,錐形釘齒盤的作業(yè)跳動效果增強,穩(wěn)定性降低,從而產(chǎn)生以上效果;但當作業(yè)速度過大時,由于釘齒未能完成最佳的入土效果,滑移效果增加,因此釘齒入土深度穩(wěn)定性有所減緩。由圖5(b)可知:入土深度穩(wěn)定性隨著彈簧鎮(zhèn)壓力的增加而增加。這是由于當彈簧鎮(zhèn)壓力增加時,釘齒入土深度增加,滑移率降低,完成作業(yè)效果較好。由圖5(c)及其方差分析可知:釘齒排數(shù)對入土深度穩(wěn)定性有影響,但并非極顯著,且釘齒排數(shù)的增加先減小而后增大。這是因為釘齒排數(shù)主要影響錐形釘齒盤在作業(yè)時的入土頻率,即相鄰釘齒入土的時間間隔及同時作業(yè)的釘齒數(shù)。出現(xiàn)上述趨勢的原因是:12排及10排的釘齒結構導致兩者作業(yè)時分別保證兩個釘齒作業(yè),因此穩(wěn)定性高;而10排釘齒介于兩者之間,作業(yè)波動性加大,降低了釘齒入土深度的穩(wěn)定性。

        3.2優(yōu)化分析

        本次正交試驗的目的是尋求因素對指標的影響規(guī)律,優(yōu)選最佳參數(shù)組合。本次優(yōu)化的條件是:在保證作業(yè)質量的前提下,提高釘齒入土深度的穩(wěn)定性及土壤堅實度差,減小釘齒盤的滑移率。利用Design-Expert 6.0.10軟件的“參數(shù)優(yōu)化”模塊,對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化分析,設定入土深度穩(wěn)定性趨于最大,土壤堅實度差趨于最大,滑移率趨于最小,優(yōu)化得出數(shù)值解:當機具作業(yè)速度為0.5m/s、彈簧鎮(zhèn)壓力為1 000N、釘齒排數(shù)為12排時,錐形釘齒盤的滑移率為5.1%,入土穩(wěn)定性為94%,土壤堅實度差為30.6N/cm2。

        4驗證試驗

        為了檢驗模型預測的準確性,在最佳參數(shù)范圍內(nèi)進行試驗驗證。當機具作業(yè)速度為0.5m/s、彈簧鎮(zhèn)壓力為1 000N、釘齒排數(shù)為12排時,測得錐形釘齒盤的滑移率為4.9%,入土穩(wěn)定性為90%,土壤堅實度差為29.2N/cm2。這說明,優(yōu)化結果是可信的,進一步驗證了數(shù)學模型的適合性。

        5結論

        1)對錐形釘齒盤組進行了土槽試驗,結果表明:錐形釘齒盤基本實現(xiàn)了其設計功能,在壟側創(chuàng)造了用于松土、升溫、蓄水保墑的孔狀結構。

        2)經(jīng)正交試驗優(yōu)選最佳組合:當作業(yè)速度0.5m/s、鎮(zhèn)壓力為1 000N、釘齒排數(shù)為12排時,錐形釘齒盤的滑移率為5.1%,入土穩(wěn)定性為94%,土壤堅實度差為30.6N/cm2。在優(yōu)化性能指標區(qū)間內(nèi),優(yōu)化結果可信,可作為松土機構進一步優(yōu)化試驗的參考。

        參考文獻:

        [1]朱瑞祥,李成鑫,程陽,等.被動式圓盤刀作業(yè)性能優(yōu)化試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(18):47-54.

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        [3]張居敏,賀小偉,夏俊芳,等. 高茬秸稈還田耕整機功耗檢測系統(tǒng)設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(18):38-46.

        [4]董全成,馮顯英. 基于CFD離散相模型的氣流式皮棉清理機參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(2):9-16.

        [5]夏連明,王常江,趙奎兵.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的播種機地輪滑移率預測[J].農(nóng)機化研究,2012,34(11):167-170.

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        [7]沈俊,宋健,王會義.用小波分析獲取路面最佳滑移率的研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2007,38(7):29-31.

        [8]Wang Qingjie, Li Hongwen. Effect of ridge culture and no-tillage on soil moisture and maize yield[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct,2012,28(10):146-150.

        Design and Research of Corn Inter-tillage Ripping Device in Seedling Period

        Zhang Weixin, Zhao Wei, Zhou Fujun, Xv Xiaobo

        (College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

        Abstract:The paper based on comprehensiveresearching the research status of inter-till operation machine at home and abroad, aimed at state character of the northeast ridge area and combined with the agronomic character of one row in a small ridge cropping pattern and the special requirement about corn inter-tillage ripping operation in seedling period, a new corn inter-tillage ripping device in seedling period has been designed.Complete the prototype test and experiment, the main work content and the results of the test results show as follows: taper pin tooth plate to realize the function of its design, basic on the side of the ridge created for heating water soil conservaton dirt of pore structure. The operation indexes reached the design requirements of cultivating scarification.

        Key words:inter-tillage in seeding period; ripping device; corn; seedling period

        文章編號:1003-188X(2016)04-0190-05

        中圖分類號:S224.1

        文獻標識碼:A

        作者簡介:張偉欣(1987-),女,河北寧晉人,碩士研究生,(E-mail)zwx8700@126.com。通訊作者:周福君(1969-),男,哈爾濱人,教授,博士生導師,(E-mail)fjzhou@163.com。

        基金項目:“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-1-04)

        收稿日期:2015-03-31

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