程　晨，趙武云，戴　飛，李同輝

（甘肅農(nóng)業(yè)大學，甘肅 蘭州 730070）

起壟壓實機設計與試驗

程晨，趙武云△，戴飛，李同輝

（甘肅農(nóng)業(yè)大學，甘肅 蘭州 730070）

以西北地區(qū)沙土壤薯類種植農(nóng)藝要求為出發(fā)點，設計了起壟機整機結(jié)構以及機架和起壟犁的結(jié)構，并做了三維建模，采用單因素試驗法，提出了起壟犁入土角度、起壟和壟面壓板傾角以及鎮(zhèn)壓滾筒直徑最優(yōu)的組合，并分析了各因素對壟床寬度變異系數(shù)的影響，增強了起壟機的性能，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

設計；起壟機；建模；試驗

在薯類種植的過程中旋耕起壟是一道重要的環(huán)節(jié)［1］，同時它也是生產(chǎn)效率低和勞動強度大的耕作環(huán)節(jié)。近年來，隨著我國西北地區(qū)種薯類種植的面積逐年擴大，依靠人工起壟的作業(yè)方式已經(jīng)遠不能適應薯類種植生產(chǎn)和發(fā)展的需要［2］。采用機械起壟作業(yè)水平尚不足10%，旋耕起壟是阻礙發(fā)展薯類種植業(yè)的重要因素之一［3］。

起壟機的起壟作業(yè)對農(nóng)作物增產(chǎn)增收和增質(zhì)都起到積極作用，主要體現(xiàn)在：經(jīng)過起壟機起壟作業(yè)后的底層土壤被翻到地面上來，并經(jīng)過風吹日曬殺死了藏在土壤里面的寄生蟲，從而大量地減少了農(nóng)藥的用量，有效地避免了農(nóng)藥對地下水和土壤的污染［4］；有助于改良耕作層的土壤結(jié)構，即土壤結(jié)構疏松，使作物對土壤中的水分、無機鹽等營養(yǎng)成分充分地吸收。而目前市場銷售的起壟機普遍存在的缺陷是機具起壟作業(yè)方式不能適應當?shù)赝寥捞匦裕罱K使起壟作業(yè)的效果不能滿足農(nóng)藝的種植要求［5］，從而推廣受限制；機具質(zhì)量較重，工作時缺乏穩(wěn)定性和可靠性；機具在起壟作業(yè)時，起壟犁等關鍵部件使用壽命短、質(zhì)量差但價格昂貴。針對市場上出現(xiàn)的起壟機存在的一些缺陷，為滿足農(nóng)作物種植生產(chǎn)和發(fā)展的需要，就迫切期望新的起壟機出現(xiàn)。將研制性能優(yōu)良的起壟機，來降低生產(chǎn)成本，達到高效生產(chǎn)。

1　起壟機整體結(jié)構構造與設計

1.1起壟機整機結(jié)構

研制的起壟機，整機重量約為180kg。機具由起壟犁、機架、鎮(zhèn)壓板和鎮(zhèn)壓滾筒組成。其工作原理：利用位于機具兩側(cè)的起壟犁將旋耕后的土壤由兩邊向中間翻土，并通過左右鎮(zhèn)壓板對翻后的土壤進行鎮(zhèn)壓和固定，鎮(zhèn)壓板是通過拉簧的拉力來實現(xiàn)對土壤進行鎮(zhèn)壓的，鎮(zhèn)壓滾筒利用自身重力來對起壟后的土壤進行鎮(zhèn)壓。其整機結(jié)構如圖1所示。

圖1　起壟機整機結(jié)構

1.2機架構造與設計

機架的構造主要由拖拉機連接架、起壟犁安裝固定架以及鎮(zhèn)壓輥筒連接架三部分組成。本機的機架材質(zhì)主要為80×80鋼管，整體大小為950mm× 1000mm（長×寬），重量約為70kg。其中拖拉機連接架、起壟犁安裝固定架共用一橫梁，且橫梁的大小為1000mm×80mm×80mm（方管），鎮(zhèn)壓輥筒連接架一端連接鎮(zhèn)壓輥筒，另一端與橫梁焊接而成。如圖2所示。

圖2　機架外形結(jié)構

1.3起壟犁構造與設計

傳統(tǒng)的起壟犁一般采用三角形華犁，起壟的作業(yè)方式是分為正反兩次起壟成型，其缺點在于要求壟寬一致性得不到統(tǒng)一，并且容易造成壟體的中部疏松和不飽滿［6］。因此為確保起壟的農(nóng)藝要求，本機具的起壟犁采用一次起壟和一次成型的原理，即采用起壟犁與壓板相結(jié)合的結(jié)構，作業(yè)時位于機具兩側(cè)的起壟犁將土壤由兩邊向中間堆起，緊接著左右的壓板將中間堆起的土壤給壓實來完成起壟。起壟犁的結(jié)構如3圖所示。

圖3　起壟犁的結(jié)構圖

2　整機單因素試驗設計及分析

在翻耕地的平整度和拖拉機運行速度一定情況下，將起壟犁入土角度、起壟壓板和壟面壓板的傾角及鎮(zhèn)壓輥筒為自變量，壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度作為因變量，每個自變量重復出現(xiàn)5次，則因變量：壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度各得到4次數(shù)據(jù)進行試驗。試驗工具：SPSSforWindows軟件。

2.1不同起壟犁入土角度對起壟機作業(yè)的變化規(guī)律

不同起壟犁入土角度的壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度分析結(jié)果。見表1。

表1　不同起壟犁入土角度的壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度差異顯著性比較

表1中，S表示起壟犁入土角度，S1表示起壟犁入土角度為10°，S2表示起壟犁入土角度為15°，S3表示起壟犁入土角度為20°，S4表示起壟犁入土角度為25°，數(shù)據(jù)中的小寫字母（a，b，c）表示顯著差異性p=0.05水平，數(shù)據(jù)中的大寫字母（A，B）表示極顯著差異p=0.01。數(shù)據(jù)中含有相同字母的表示無顯著差異，相反，數(shù)據(jù)中含有不同字母的表示差異顯著。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)顯示，可以得出：在顯著差異性p=0.05水平情況下，壟床寬度一欄中的數(shù)據(jù)，起壟犁入土角度S2=15°與起壟犁入土角度S1=10°和起壟犁入土角度S4=25°顯著差異，而起壟犁入土角度S2=15°、起壟犁入土角度S3=20°差異不顯著，起壟犁入土角度S1=10°、起壟犁入土角度S4=25°和起壟犁入土角度S3=20°三者之間差異不顯著。

2.2起壟和壟面壓板傾角對起壟機作業(yè)的變化規(guī)律

不同的起壟和壟面壓板傾角對壟床寬度、壟溝寬度和壟高高度影響的分析結(jié)果。見表2。

表2　起壟和壟面壓板傾角對壟床寬度、壟溝寬度和壟高高度差異顯著性比較表

上表2中，S表示起壟和壟面壓板傾角，S1表示起壟和壟面壓板傾角為35°，S2表示起壟和壟面壓板傾角為40°，S3表示起壟和壟面壓板傾角為45°，S4表示起壟和壟面壓板傾角為50°，S5表示起壟和壟面壓板傾角為55°，S6表示起壟和壟面壓板傾角為60°，數(shù)據(jù)中的小寫字母（a，b，c，d，e）表示顯著差異性p=0.05水平，數(shù)據(jù)中的大寫字母（A，B，C，D）表示極顯著差異p=0.01。數(shù)據(jù)中含有相同字母的表示無顯著差異，相反，數(shù)據(jù)中含有不同字母的表示差異顯著。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)顯示，可以得出：在顯著差異性p=0.05水平情況下，壟床寬度一欄中的數(shù)據(jù)，起壟和壟面壓板傾角為50°與起壟和壟面壓板傾角為55°差異不顯著，而起壟和壟面壓板傾角為50°和起壟和壟面壓板傾角為55°分別與起壟和壟面壓板傾角為30°、起壟和壟面壓板傾角為35°、起壟和壟面壓板傾角為40°、起壟和壟面壓板傾角為60°差異顯著；起壟和壟面壓板傾角為30°、起壟和壟面壓板傾角為35°、起壟和壟面壓板傾角為40°以及起壟和壟面壓板傾角為60°互相均差異顯著。

2.3鎮(zhèn)壓滾筒直徑對起壟機作業(yè)影響的變化規(guī)律

不同的鎮(zhèn)壓滾筒直徑對壟床寬度、壟溝寬度和壟高高度影響的分析結(jié)果。見表3。

表3　不同的鎮(zhèn)壓滾筒直徑對壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度差異顯著性比較

在上表3中，S表示鎮(zhèn)壓滾筒直徑，S1表示鎮(zhèn)壓滾筒直徑為10cm，S2表示鎮(zhèn)壓滾筒直徑為11cm，S3表示鎮(zhèn)壓滾筒直徑為12cm，S4表示鎮(zhèn)壓滾筒直徑為13cm，S5表示鎮(zhèn)壓滾筒直徑為14cm，S6表示鎮(zhèn)壓滾筒直徑為15cm，數(shù)據(jù)中的小寫字母（a，b，c，d，e）表示顯著差異性p=0.05水平，數(shù)據(jù)中的大寫字母（A，B，C，D）表示極顯著差異p=0.01。數(shù)據(jù)中含有相同字母的表示無顯著差異，相反，數(shù)據(jù)中含有不同字母的表示差異顯著。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)顯示，可以得出：在顯著差異性p=0.05水平情況下，在壟床寬度一欄中的數(shù)據(jù)，而鎮(zhèn)壓滾筒直徑為14cm和鎮(zhèn)壓滾筒直徑為15cm差異不顯著，其他的直徑則互相差異顯著。

在壟溝寬度一欄中的數(shù)據(jù)中，鎮(zhèn)壓滾筒直徑為15cm均與其他直徑差異顯著鎮(zhèn)壓滾筒直徑為12cm、鎮(zhèn)壓滾筒直徑為13cm以及鎮(zhèn)壓滾筒直徑為14cm差異不顯著，鎮(zhèn)壓滾筒直徑為10cm與鎮(zhèn)壓滾筒直徑為11cm差異不顯著。

通過單因素試驗分析，從本試驗的顯著性差異比較與分析，得出起壟犁入土角度為20°、起壟和壟面壓板傾角為50°及鎮(zhèn)壓滾筒直徑為13cm對起壟效果的影響要明顯比其他組合要明顯，并且這一組合參數(shù)設計的結(jié)構比較穩(wěn)定，確保起壟機在起壟作業(yè)時穩(wěn)定性和可靠性，因而壟床寬度、壟溝寬度和壟高高度變異率下降。

3　各因素對壟床寬度變異系數(shù)的影響分析

采用正交旋轉(zhuǎn)實驗法，以起壟犁入土角度，起壟和壟面壓板傾角，鎮(zhèn)壓滾筒直徑為影響因素，以壟床寬度變異系數(shù)為目標函數(shù)，實施試驗。試驗結(jié)果如下：

隨著鎮(zhèn)壓滾筒直徑與起壟和壟面壓板傾角的增大，壟床寬度變異系數(shù)先升高后降低，而隨著鎮(zhèn)壓滾筒直徑的增加，壟床寬度變異系數(shù)先降低后升高。這是由于起壟和壟面壓板傾角的增大，鎮(zhèn)壓滾筒對壟床的鎮(zhèn)壓作用就減弱，壟床寬度變異系數(shù)就降低；相反鎮(zhèn)壓滾筒直徑與起壟和壟面壓板傾角均減小，對壟床寬度鎮(zhèn)壓和壟型的能力就會減小，壟床寬度變異系數(shù)就升高。當鎮(zhèn)壓滾筒直徑達到12cm、起壟和壟面壓板傾角達到45°，壟床寬度變異系數(shù)達到最大值。如圖4a所示。

隨著鎮(zhèn)壓滾筒直徑增大，壟床寬度變異系數(shù)先升高后降低，而起壟犁的入土角度不斷的增加，壟床寬度變異系數(shù)先升高后降低。這是由于鎮(zhèn)壓滾筒直徑增大，鎮(zhèn)壓滾筒對壟床的鎮(zhèn)壓作用就減弱，造成壟床寬度變異系數(shù)增大；相反鎮(zhèn)壓滾筒直徑減小和起壟犁的入土角度減小能夠確保起壟機工作時穩(wěn)定和可靠，當然壟床寬度變異系數(shù)就降低。當起壟犁的入土角度達到30°、鎮(zhèn)壓滾筒直徑達到12cm，壟床寬度變異系數(shù)達到最大值。如圖b所示。

隨著起壟和壟面壓板傾角的增大和起壟犁的入土角度增大，壟床寬度變異系數(shù)先升高后降低。起壟犁的入土角度達到25°，起壟和壟面壓板傾角達到55°時，繼續(xù)增大起壟和壟面壓板傾角和起壟犁的入土角度，起壟和壟面壓板對翻堆的土壤鎮(zhèn)壓作用增強，壟床寬度變異系數(shù)就下降。如圖4c所示。

圖4　各因素對壟床寬度變異系數(shù)影響的響應曲面

4　結(jié)論

1）起壟機的研制是一項具有前沿性的課題，同時，也是農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品研發(fā)設計與制造中一項新的研究領域。本文是基于在前期起壟機的研究基礎上，利用起壟犁、機架、起壟壓板、壟面壓板以及鎮(zhèn)壓滾筒等關鍵部件為研究對象，設計了最合理的起壟機結(jié)構。

2）起壟機試驗與研究，采用單因素試驗，對起壟犁入土角度、起壟和壟面壓板傾角、鎮(zhèn)壓滾筒直徑提出最優(yōu)的組合。

3）選擇起壟犁入土角度、起壟和壟面壓板傾角、鎮(zhèn)壓滾筒直徑作為自變量，并且選擇壟床寬度變異系數(shù)作為因變量，其正交試驗結(jié)果表明選擇的自變量和因變量是合理的。

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S223.25

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目（2012BAD14B10），國家自然科學基金資助項目（51405086）。

趙武云（1966-）男，教授，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)工程技術與裝備。Email：zhaowy@gsau.edu.cn。