呂金慶，尚琴琴，楊 穎，王英博，李紫輝

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

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1ZL5型馬鈴薯中耕機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

呂金慶，尚琴琴，楊 穎，王英博，李紫輝

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

針對(duì)馬鈴薯壟作栽培種植中肥量需求量大、土壤疏松程度高等要求，研究設(shè)計(jì)了1ZL5型馬鈴薯中耕機(jī)。通過對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理的闡述以及對(duì)開溝鏟和覆土鏵工作斷面參數(shù)的理論分析，獲得了機(jī)具關(guān)鍵部件的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時(shí),對(duì)整機(jī)的作業(yè)性能進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的馬鈴薯中耕機(jī)各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均滿足馬鈴薯中耕要求，能夠一次性完成松土、除草、筑壟等作業(yè)，還兼有蓄水、保墑的作用。該研究為馬鈴薯中耕機(jī)的研發(fā)提供了參考。

馬鈴薯；中耕機(jī)；覆土鏵

0 引言

目前，馬鈴薯應(yīng)經(jīng)成為世界第四大糧食作物之一，在世界范圍內(nèi)對(duì)馬鈴薯的重視度越來越高。現(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)成為世界第一大馬鈴薯生產(chǎn)大國(guó)，其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及保障食品安全等方面都有顯著的影響[1-5]。但隨著我國(guó)馬鈴薯的生產(chǎn)總產(chǎn)量的持續(xù)增長(zhǎng)，平均單產(chǎn)量的增長(zhǎng)仍然緩慢，單產(chǎn)水平較低，主要原因之一是馬鈴薯中耕機(jī)械作業(yè)水平較差，不能很好地進(jìn)行田間除草和疏松土壤作業(yè)。

中耕松土除草[6-7]在我國(guó)農(nóng)業(yè)精耕細(xì)作有重要的作用。中耕是將地表土壤鋤松、清除行間與苗間雜草，提高地表溫度促使有機(jī)肥料分解，還可起到蓄水保墑作用，有利于地面土壤疏松和增加植物周圍空氣相對(duì)濕度，減少病害發(fā)生的機(jī)會(huì)。另外，中耕可消除土壤板結(jié)，增加土壤的透氣性，為作物生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好的條件。及時(shí)地進(jìn)行清除雜草作業(yè)是保證農(nóng)作物豐產(chǎn)豐收的必要條件。現(xiàn)階段我國(guó)主要的除草方式是人工除草或化學(xué)除草，耗時(shí)費(fèi)力，作業(yè)效率不高，且容易造成環(huán)境污染，因此研究中耕機(jī)械是非常必要的。

國(guó)內(nèi)對(duì)馬鈴薯中耕機(jī)的研究具有代表性的有五征3ZM-4型馬鈴薯中耕機(jī)[8]及李洋[9]等人設(shè)計(jì)的1304型馬鈴薯中耕機(jī)。1304馬鈴薯中耕機(jī)可以一次性完成松土、起壟、整形及施肥等作業(yè)要求，但該裝置控制面積較小，且肥料流動(dòng)性差，易產(chǎn)生肥料架空、堵塞等問題。針對(duì)以上問題，研究設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高、施肥效果好的馬鈴薯中耕機(jī)。

通過對(duì)開溝鏟和覆土鏵的理論分析，并在田間試驗(yàn)了其松土、施肥效果，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的馬鈴薯中耕機(jī)滿足作業(yè)要求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該機(jī)具采用三點(diǎn)懸掛方式與輪式拖拉機(jī)連接，由機(jī)架、肥箱、排肥系統(tǒng)、地輪、覆土鏵、傳動(dòng)系統(tǒng)及開溝鏟等組成，如圖1所示。其中，覆土鏵單體共5個(gè)，相鄰覆土鏵單體之間的距離可以通過移動(dòng)橫梁上V型卡子的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可以適應(yīng)馬鈴薯種植區(qū)域不同行距的要求。該中耕機(jī)由兩個(gè)橡膠地輪提供傳動(dòng)動(dòng)力，在機(jī)具作業(yè)過程中動(dòng)力進(jìn)一步傳遞給排肥系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)中耕除草、施肥及松土等多項(xiàng)作業(yè)。

1.地輪 2.肥箱 3.排肥系統(tǒng) 4.機(jī)架 5.開溝鏟 6.傳動(dòng)系統(tǒng) 7.覆土鏵

1.2 機(jī)具工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.2.1 機(jī)具工作原理

工作時(shí)，拖拉機(jī)通過懸掛架使機(jī)組向前行駛，開溝鏟將壟溝中的土壤疏松，并除去壟溝中的雜草，其后側(cè)的覆土鏵的兩個(gè)翼板將疏松的土壤培至壟臺(tái)上，至此完成筑壟、疏松土壤和清除雜草的作用；在機(jī)具向前行駛的過程中，驅(qū)動(dòng)地輪旋轉(zhuǎn)，通過鏈傳動(dòng)將地輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給排肥裝置，使得排肥軸旋轉(zhuǎn)，將肥箱中的肥料排出，并通過輸肥管將肥料施在田間，至此完成中耕施肥的作用。

1.2.2 機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)

1ZL5型馬鈴薯中耕機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合馬鈴薯中耕的農(nóng)藝技術(shù)要求，并且可以通過調(diào)節(jié)橫梁上V型卡子的數(shù)量適應(yīng)不同行距的馬鈴薯中耕作業(yè)。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，從而可以提高馬鈴薯中耕的效率。中耕機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 中耕機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 覆土鏵的設(shè)計(jì)

覆土鏵主要是用于中耕作物的行間覆土和開灌溉溝[10-11]。當(dāng)作物生長(zhǎng)到一定的高度時(shí)，在行間將已疏松的土壤培至作物根莖部，行間則形成壟溝。為確定工作部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，做出如下假設(shè)：

1)將土壤按已定溝底寬度切開，并分向兩側(cè)，在這個(gè)過程中土壤產(chǎn)生破碎；

2)使土壤沿兩側(cè)向后傾斜運(yùn)動(dòng)上升，達(dá)到預(yù)定溝邊時(shí)，推向壟中心，使土壤按自然休止角形成要求的壟形。

對(duì)于覆土鏵部件的要求：①作業(yè)后壟形規(guī)整；②能夠適應(yīng)適應(yīng)不同行距作業(yè)；③筑成壟后，溝底應(yīng)有適量松土；④工作阻力小且作業(yè)穩(wěn)定。

2.2 覆土鏵工作面的參數(shù)確定

由覆土?xí)r所形成的壟形斷面尺寸確定覆土鏵工作面的參數(shù)，壟形斷面尺寸圖如圖2所示。

圖2 壟形斷面尺寸簡(jiǎn)圖

根據(jù)覆土鏵的工作原理，覆土鏵[7]對(duì)應(yīng)壟臺(tái)所需的土壤斷面的體積為與工作時(shí)挖出的土壤體積之間的關(guān)系為

(1)

(2)

式中V0—覆土鏵對(duì)應(yīng)壟臺(tái)所需的土壤斷面的體積(mm3)；

a0—馬鈴薯種植區(qū)域壟臺(tái)寬度(mm)；

h0—開溝深度(mm)；

θ—壟壁土壤自然休止角(°)；

V1—覆土鏵工作時(shí)由壟溝內(nèi)挖出土壤的體積(mm3)；

a1—馬鈴薯種植區(qū)域壟溝底寬度(mm)；

h——壟溝距壟臺(tái)的高度(mm)。

土壤在被開溝鏟和覆土鏵疏松和翻轉(zhuǎn)的過程中，體積發(fā)生膨脹，此時(shí)需土量和出土量之間的關(guān)系為

V0=λV1

(3)

其中，λ為土壤膨松系數(shù)。

圖2中，根據(jù)幾何關(guān)系可知

L=a0+a1+2hcotθ

(4)

(5)

將式(1)、式(2)、式(4)和式式(5)帶入式(3)得

(6)

由式(6)可知：開溝深度和土壤膨松系數(shù)、行距、壟溝寬度及壟壁土壤的自然休止角有關(guān)。當(dāng)馬鈴薯種植區(qū)域(即土壤的膨松系數(shù)、壟壁土壤的自然休止角和行距)確定時(shí)，開溝深度隨著壟溝寬度的增加而減小。根據(jù)馬鈴薯種植農(nóng)藝要求，確定合理的壟溝寬度，進(jìn)而確定開溝深度。

2.3 覆土鏵工作面的設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T 6272-2007中耕機(jī)土壤工作部件》對(duì)覆土鏵等工作部件的規(guī)定，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[12]。該馬鈴薯中耕機(jī)的覆土鏵的工作面為平面結(jié)構(gòu)，翻土能力較強(qiáng)；開溝鏟的鏟尖為三棱窄形鏟尖，開溝溝底窄，兼有較強(qiáng)的壟側(cè)除草性能。覆土鏵的正投影輪廓圖如圖3所示。

圖3 覆土鏵正投影輪廓簡(jiǎn)圖

根據(jù)東北壟作馬鈴薯行距和壟臺(tái)尺寸，考慮覆土鏵工作時(shí)土壤因獲得某些動(dòng)能而膨松，可能出現(xiàn)部分土壤從培土壁上部越過，導(dǎo)致溝底浮土多、覆土量不夠等情況，設(shè)計(jì)覆土鏵的覆土壁高度為

h2=1.2h

(7)

H=1.1h2

(8)

根據(jù)式(7)和式(8)，最終確定覆土鏵的結(jié)構(gòu)尺寸為：h2=394mm，H=433mm。由于各地區(qū)壟壁自然休止角不盡相同，覆土鏵的兩翼板所圍成的角度也隨之改變，確定覆土鏵的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，覆土鏵由覆土鏵柄、開溝鏟、覆土鏵翼板和開度支板等組成。兩個(gè)覆土鏵支板由絞軸合頁(yè)連接，便于調(diào)整之間的角度；將開度支板不同的定位孔連接可以對(duì)兩翼板之間的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可以適應(yīng)不同的壟形作業(yè)。

1.覆土鏵柄 2.開溝鏟 3.覆土鏵翼板 4.開度支板

2.4 覆土鏵受到土壤的作用力分析

中耕作業(yè)[13]時(shí)，開溝鏟開出壟溝，覆土鏵兩翼板將疏松的土壤翻至兩邊，從橫斷面上看，形成的壟溝形狀為倒三角形狀。以覆土鏵翼板上一點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立OXYZ坐標(biāo)系。其中，X方向?yàn)橹懈麢C(jī)前進(jìn)方向，Y方向?yàn)闄M斷面方向，Z方向?yàn)樨Q直向上方向，則該機(jī)具在作業(yè)過程中的受力分析如圖5所示。

圖5 覆土鏵翼板受力分析

根據(jù)圖5可知：中耕作業(yè)的覆土鏵受到X、Y、Z等3個(gè)方向力，X方向的分力為

Fx=ηkab

(9)

k=c0+c1τ+c2v2

(10)

式中η—覆土鏵的效率(%)；

a—土壤垡塊的長(zhǎng)(mm)；

b—土壤垡塊的寬(mm)；

k—土壤比阻；

Fx—覆土鏵受到的X方向的分力(N)；

τ—土壤抗剪強(qiáng)度(Pa)；

v—覆土鏵的工作速度(m/s)；

c0、c1、c2—變量系數(shù)。

覆土鏵受到的Y方向和Z方向的分力為

(11)

式中Fy—覆土鏵受到的Y方向的分力(N)；

Fz—覆土鏵受到的Z方向的分力(N)；

n—覆土鏵受到Y(jié)方向分量和X方向分量的比值；

m—覆土鏵受到Z方向分量和X方向分量的比值。

由式(9)～式(11)得到覆土鏵受到的土壤的作用力為

(12)

由上述分析可知：覆土鏵受到土壤的作用力與土壤的物理性質(zhì)、耕深、機(jī)具作業(yè)速度及覆土鏵形狀有關(guān)。為減小土壤對(duì)覆土鏵的作用力，將覆土鏵兩側(cè)翼板設(shè)計(jì)為平面結(jié)構(gòu)，并通過開度支板調(diào)節(jié)兩翼板之間的角度。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2014年6月和2015年6月，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊農(nóng)場(chǎng)(黑黏土)、黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地(黑黏土)進(jìn)行了該中耕機(jī)的田間試驗(yàn)。試驗(yàn)基地為旱地壟播，試驗(yàn)區(qū)的壟長(zhǎng)長(zhǎng)度大于500m，壟距為800mm，壟高為280mm，壟溝土壤堅(jiān)實(shí)度為3.12×104Pa，土壤絕對(duì)含水率為25.3%，田間有雜草。馬鈴薯中耕機(jī)配套動(dòng)力為NEW HOLLAND110拖拉機(jī)，功率為80.85kW，作業(yè)面積為40hm2，作業(yè)情況如圖6所示。

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T 7864-2013 中耕追肥機(jī)》規(guī)定的試驗(yàn)方法[14]，在旱地壟播類馬鈴薯種植田間進(jìn)行中耕試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的中耕機(jī)的作業(yè)性能。分別測(cè)定該馬鈴薯中耕機(jī)的行間除草率、碎土率和各行排肥一致性變異系數(shù)，考察覆土鏵和排肥系統(tǒng)等部件及整機(jī)的作業(yè)性能。

3.2.1 行間除草率的測(cè)定

在中耕作業(yè)之后，隨機(jī)抽查5個(gè)小測(cè)試區(qū)，測(cè)定出中耕作業(yè)后馬鈴薯種植區(qū)每平方米內(nèi)的除草率，并按式(13)進(jìn)行計(jì)算，則

(13)

式中c—除草率(%)；

Qz—中耕作業(yè)前雜草株數(shù)；

Hz—中耕作業(yè)后雜草株數(shù)。

圖6 樣機(jī)和田間試驗(yàn)

3.2.2 碎土率的測(cè)定

在中耕作業(yè)后任一行間的寬度內(nèi)，隨機(jī)選取0.25m2的測(cè)試區(qū)域，將耕松的土塊按照直徑(土塊長(zhǎng)度)分為≤25mm和>25mm兩個(gè)等級(jí)，分別測(cè)定各個(gè)等級(jí)土塊質(zhì)量。在一個(gè)往返行程內(nèi)各測(cè)定兩點(diǎn)，并按式(14)對(duì)碎土率進(jìn)行計(jì)算，則

(14)

式中t—碎土率(%)；

Xt—中耕作業(yè)后耕松土塊直徑≤25mm的土塊質(zhì)量(kg)；

Dt—中耕作業(yè)后耕松土塊直徑>25mm的土塊質(zhì)量(kg)。

3.2.3 各行排肥一致性變異系數(shù)

在機(jī)具工作區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選定6行作為測(cè)定區(qū)域，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，并按如下關(guān)系式計(jì)算各行排肥量一致性變異系數(shù)，則

(15)

式中V—各行排肥量變異系數(shù)(%)；

S—各行排肥量標(biāo)準(zhǔn)差(kg)；

Qi—每行排肥量(kg)；

n—測(cè)定行數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知：各項(xiàng)指標(biāo)符合馬鈴薯中耕作業(yè)要求，可以一次性完成松土、筑壟、施肥和除草等多項(xiàng)作業(yè)，作業(yè)效率高，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定性好。

表1 1ZL5型馬鈴薯中耕機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果 %

4 結(jié)論

1)1ZL5.0馬鈴薯中耕機(jī)結(jié)構(gòu)合理，能夠一次性完成松土、除草、筑壟和施肥等多項(xiàng)作業(yè)。

2)通過改變開度支板不同的定位孔連接，可以改變覆土鏵兩翼板之間的角度，從而適應(yīng)不同的壟形；調(diào)節(jié)V型卡子在橫梁上的位置，可以調(diào)節(jié)覆土鏵之間的距離，從而使改中耕機(jī)適應(yīng)不同行距的馬鈴薯中耕作業(yè)。

3)試驗(yàn)表明：行間除草率、碎土率和各行排肥一致性變異系數(shù)均滿足馬鈴薯中耕作業(yè)要求，機(jī)具作業(yè)穩(wěn)定性較高。

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Design and Experiment Analysis of 1ZL5 Type Cultivator

Lv Jinqing, Shang Qinqin, Yang Ying, Wang Yingbo, Li Zihui

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

According to the large quantity of fertilizer and high degree of loose soil in potato planting, this paper researched and designed 1ZL5 type cultivator. According to the analyzed of structure and working principle of cultivator and theoretical analyzed of furrower and soil plough work section parameters, the specific structure parameters of the key parts of the machine tool were obtained. Field experiments were carried out on the performance of the whole machine. The test indices that all of the index meet the requirements of potato cultivation. The design potato cultivator can accomplish many works at once time, including the loose earth, the weeding, build the ridge and so on. At the same time the cultivator also has the functions of water storage and preservation of soil moisture. This research has provided the reference for the potato cultivator research and development.

potato; cultivator; soil plough

2015-12-23

“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B03)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-10-P22)；黑龍江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目 (GA15B401)

呂金慶(1970-)，男，哈爾濱人，研究員，國(guó)家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家，(E-mail)ljq6666688888@163.com。

S224.1

A

1003-188X(2017)02-0079-05