胡長壽，喻麗華，徐志波， 張富貴，陳 懿

(1.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025；2.貴州省煙草科學研究院，貴陽 550001)

0 引言

貴州是我國重要的優(yōu)質(zhì)烤煙基地，其烤煙種植技術水平進步直接影響著西南各省乃至全國烤煙種植區(qū)的技術發(fā)展。目前，貴州的烤煙種植領域正廣泛推廣一種新型的移栽技術─井窖式移栽[1]?？緹熅咽揭圃约夹g的實施，實現(xiàn)了壯苗培育、早生快發(fā)、適時移栽、高莖深栽，為烤煙的大田生長發(fā)育提供了充足的時間。該項技術具有簡單易懂、適應能力強等優(yōu)勢，在煙區(qū)已大面積復制應用，很大程度上解決了當前貴州在烤煙移栽技術上的限制，為推動貴州烤煙種植的發(fā)展做出了重大貢獻[2-3]。

煙苗移栽技術的關鍵在于制作滿足農(nóng)藝要求的移栽井窖。目前，煙苗移栽井窖的制作常采用背負式汽油型井窖制作機完成，該機因具有機身輕便、操作簡單、成井高效等諸多優(yōu)點[4]，已在貴州烤煙主產(chǎn)區(qū)得到較為廣泛的應用；但在長期使用中發(fā)現(xiàn)各種市售井窖制作機普遍存在成井頭耐用度不高、所制井窖質(zhì)量難以滿足移栽要求等問題[5-6]。為此，通過對井窖制作機關鍵部件的改進及試驗研究，旨在為井窖制作機的優(yōu)化設計及進一步推廣應用提供一定的指導[7]。

1 煙苗移栽井窖制作技術來源與現(xiàn)狀

1.1 煙苗移栽井窖制作技術來源與農(nóng)藝要求

烤煙井窖式移栽技術是2009 年松桃縣煙草分公司的煙葉生產(chǎn)技術人員在早期田間管理督察過程中，發(fā)現(xiàn)剛覆膜幾天的煙地有幾株被牛踩過的煙苗，其中被踩進 “牛腳窩”里的兩株煙苗，在溫度較高的中午，相對于其它煙苗不僅沒有萎焉，而且葉片鮮活碧綠，長勢良好；而沒有被牛踩過的煙苗則出現(xiàn)了葉片呈黃色且全部萎焉的情況?；凇芭Ｄ_窩現(xiàn)象”，銅仁市煙草公司組織研究出了一項具有自主知識產(chǎn)權的烤煙移栽新技術[8-9]。

根據(jù)煙苗井窖式移栽農(nóng)藝要求，所制井窖需滿足如下要求：上部為圓柱形，下部為圓錐形，井窖口徑為8～10cm，井窖深18～20 cm，成形井窖底有1～3cm高的回土為最佳[10]。

1.2 煙苗移栽井窖制作技術現(xiàn)狀

隨著烤煙井窖式移栽技術的推廣應用，與之配套的井窖制作技術得到較大的發(fā)展，許多學者與科研人員申報了多項井窖制作器械相關的專利[11-12]。井窖制作器具在短短幾年時間先后研究出4代產(chǎn)品：第1代是煙草公司提供樣品，煙農(nóng)自制為主，材料為木制，規(guī)格千差萬別；第2代是煙草公司統(tǒng)一制作，材料為鐵制，加腳踏助力裝置；第3代是在第2代基礎上增加破膜裝置；前3代均以人力為動力源，勞動強度大，作業(yè)效率低；隨著研究的推進，2012年后推出的以蓄電池或小型汽油機為動力的第4代背負式井窖制作機已逐步成為主流機具[13]。

1.3 背負式井窖制作機具存在的問題分析

盡管背負式井窖制作機已在實際生產(chǎn)中得到了較為廣泛的應用，但目前此類機具的關鍵部件—成井頭普遍存在耐用度不高的問題，且對于貴州烤煙種植區(qū)常見的火石子地、黏重土壤條件，成井速率與成井質(zhì)量難以滿足要求的問題也尤為突出。圖1所示為實際生產(chǎn)中報廢的成井頭。分析其報廢的原因主要有：①成井頭的耐磨性不足；②結構設計存在一定缺陷。

圖1 成井頭報廢情況

2 井窖制作機機具改進研究

2.1 成井頭結構改進思路

通過對井窖制作機的成井過程深入分析可知：井窖制作機主要是依靠成井頭高速旋轉，同時配以向下的作用力使周圍土體產(chǎn)生壓縮變形與楔切變形，進而擠密土體成井。成井頭的結構改進應考慮如何提高成井頭旋入能力、楔切能力及拔出能力，進而提高成井速率。耐磨性的提高應同時考慮選材與結構改進兩方面的問題，具體改進方法如下：

1)設置三角形鉆尖。考慮鉆尖的作用是使成井頭快速破膜并進一步旋入土體，為此將圓錐形鉆尖改為三角形鉆尖，同時按照成井頭旋向在兩側開切削刃。

2)增設雙螺旋切削刃?；诔删^擠密土體的成井過程分析，為了有效解決椎體表面耐磨性不足的問題，在成井頭椎體外表面增設雙螺旋切削刃，不但可借助切削刃的楔切作用提高成井效率，而且能極大地提高成井頭的耐磨性。為了使所設計的雙螺旋切削刃具有一定的排土功能，螺旋升角最佳取值范圍是α=18°～22°[14]。根據(jù)螺旋升角的計算公式[15]，則

α=arctan(h/πD)

(1)

其中，h為螺旋導程；D為螺旋最大直徑。

依據(jù)農(nóng)藝要求，井窖深需達16cm以上，除去成井頭底部的三角鉆尖和頂部的圓柱，取h=11cm；井窖直徑為8～10cm,取中間值D=9cm。將初選參數(shù)代入公式，取整得α=21°。

2.2 改進后的成井頭結構

1)1號成井頭。如圖2所示為所設計的1號成井頭結構示意圖，1號成井頭在前端設置了三角形鉆尖，并在椎體外表面增設雙螺旋切削刃。

圖2 1號成井頭結構示意圖

2)2號成井頭設計。如圖3所示為所設計的2號成井頭結構示意圖。2號成井頭是基于1號成井頭，將椎體表面的切削刃延伸至柱體表面，延伸端的切削刃為直線形，目的是提高成井頭的拔出能力。

圖3 2號成井頭結構示意圖

3)3號成井頭設計。為了解決貴州煙區(qū)黏重土壤條件及火石地的成井問題，設計了如圖4所示的3號成井頭。3號成井頭的設計是基于2號成井頭，將錐體小端的部分螺旋切削刃改為螺旋形柱齒，螺旋柱齒的高度與切削刃的高度一致，相鄰兩柱齒之間1cm。在成井頭高速入土的過程中，柱齒一方面可以提高成井頭在黏重土壤條件及火石地的旋入能力，同時還具有一定的疏松井窖底部土體的作用。

4)4號成井頭設計。通過長期觀察小苗移栽后的長勢情況，發(fā)現(xiàn)膜下移栽的小苗若遇高溫高濕天氣，易發(fā)生燒苗現(xiàn)象。為此，設計了如圖5所示的4號成井頭。該成井頭主體結構為錐形，大端直徑增到100cm，使所制井窖口徑增大，以此增大井窖上部的空氣流通與采光面，解決移栽期高溫高濕煙區(qū)的燒苗問題。

圖4 3號成井頭結構示意圖

圖5 4號成井頭結構示意圖

2.3 成井頭選材研究

成井頭材質(zhì)直接關系到其使用壽命，成井頭的材料選擇主要綜合考慮耐磨性、加工性、價格、質(zhì)量及安全性等5方面因素。表1所示為遵義永欣科技開發(fā)有限公司對成井頭備選的優(yōu)質(zhì)碳素鋼、鋁合金及白口鑄鐵的對比分析[16]。

表1 3種材質(zhì)的成井頭綜合性能對比

Table 1 Comprehensive performance comparison of 3 types of Well-Cellar Forming Unit

成井頭性能耐磨性加工性加工性價格/元·個-1質(zhì)量/kg·個-1優(yōu)質(zhì)碳素鋼成井頭耐磨較 難加 工安全800.9鋁合金成井頭不耐磨易加工安 全1500.6白口鑄鐵成井頭耐 磨難加工有隱患700.8

由表1可知：優(yōu)質(zhì)碳素鋼不僅耐磨，加工難度也不大，價格適中，所制成井頭質(zhì)量上較為理想，安全性高，綜合性能優(yōu)于其它兩種材質(zhì)。為此，所設計的成井頭均采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

2.4 成井頭制作

在遵義永欣科技開發(fā)有限公司的大力協(xié)助下，上述4種成井頭已完成制造工作。所制成井頭樣品如圖6所示。

圖6 4種成井頭樣機實物圖

3 樣機測試與結果分析

3.1 試驗條件與方法

考慮到植煙地土質(zhì)的代表性、交通的便利性和農(nóng)機化工作的基礎條件，測試地點為開陽縣龍崗基地(東經(jīng)107°2′48″、北緯27°4′31″、海拔960m，測試地塊選擇有代表性的植煙地，待測地已于測試前10天搶墑起壟(每行約30m，旋耕2次、起壟)。測試時間為2017年4月13日,測試前觀察壟體情況，發(fā)現(xiàn)壟體表面約有1～1.5cm的土層有一定程度的板結。

試驗使用的主要儀器為鋼直尺、水平尺、相機、標桿及秒表。測試項目主要包括井窖口徑、井窖深、回土深度、入土能力、拔出能力及成井效率。測試流程：①啟動井窖制作機，試作業(yè)檢測運行是否正常；②種成井頭分別制作井窖50個；③記錄相關檢測項目。

3.2 測試結果及分析

1)井窖口徑。根據(jù)4種成井頭所制200個井窖口徑測試結果，繪制成如圖7所示井窖口徑頻數(shù)分布直方圖。

圖7 井窖口徑頻數(shù)分布直方圖

由圖7可知：1號、2號、3號成井頭所制井窖口徑9～10cm，符合井窖口徑8～10cm的農(nóng)藝標準；4號成井頭所制井窖口徑10～11cm，且有64%井窖口徑達11cm，實現(xiàn)了增大井窖口徑的設計目的。

2)井窖深。根據(jù)4種成井頭所制200個井窖，繪制成井窖深頻數(shù)分布直方圖如圖8所示。

圖8 井窖深頻數(shù)分布直方圖

由圖8可知：1號、2號、3號成井頭所制井窖深16～20cm。參照農(nóng)藝標準，深度小于18cm井窖未達到農(nóng)藝要求。造成一定數(shù)量的井窖深未達標的主要原因是：機手操作時，未等井窖深達到要求即提升成井頭所致。

4號成井頭所制井窖深14～18cm，且有64%井窖深未達農(nóng)藝要求。分析原因如下：一方面，機手操作不當；另一方面，主要是4號成井頭尺寸增大后質(zhì)量顯著增大，致使操作較為費力所致。

3)回土高度。根據(jù)4種成井頭所制200個井窖的回土高度測試結果，繪制成回土高度頻數(shù)分布直方圖如圖9所示。

圖9 回土高度頻數(shù)分布直方圖

由圖9可知：回土高度主要集中在1～4cm之間，事實上井窖底部有一定的回土對幼苗的生長是有利的；當井窖底部有1～3cm的回土時，幼苗的成活率最高。4種成井頭回土在1～3cm所占比例如表2所示。

表2 4種成井頭最佳回土百分比

由表2可知：回土作用最佳的是3號成井頭，其次依次是1號、2號和4號成井頭。4號成井頭所制井窖回土高度大于3cm的比例高達34%，主要原因是：4號成井頭尺寸增大，制作時動平衡難以達到要求，作業(yè)時成井頭振動過大。

4)成井效率。4種成井頭所制50個井窖所用時間如表3所示。

表3 4種成井頭制作50個井窖所用時間 Table 3 The time of 4 type well-cellar forming unit prototype

由表3可知：3號成井頭用時最短。主要原因是：成井頭小端外表面設有雙螺旋柱齒，在土壤有一定板結和小砂石的情況下，入土能力較強的緣故。4號成井頭用時最長，主要是由于成井頭過于笨重所致。

5)旋入能力及拔出能力。與傳統(tǒng)成井頭相比，改進后的成井頭增加了三角形轉尖和表面雙螺旋切削刃，提高了成井頭旋入和拔出的能力。特別是3號成井頭，對于粘重或板結的土壤條件，甚至是火石子地，其旋入能力有明顯的優(yōu)勢。4號成井頭因體積和質(zhì)量的增加，其旋入和拔出能力受到一定的影響。

4 結論

1)為了提高井窖制作機的耐磨性、旋入能力、楔切能力及拔出能力，成井頭的結構改進應從最前端設置三角形鉆尖和成井表面增設螺旋切削刃兩方面入手。在選材方面，優(yōu)質(zhì)碳素鋼是目前加工成井頭的最佳選擇。

2)1號、2號、3號成井頭所制井窖口徑9～10cm，符合農(nóng)藝要求。井窖深16～20cm，排除機手操作不當?shù)纫蛩氐挠绊懀焉羁蛇_農(nóng)藝要求。3號成井頭回土作用、成井效率優(yōu)于1號與2號成井頭，且對于粘重、板結土壤條件或火石子地有明顯的優(yōu)勢。

3)4號成井頭達到了增大井窖口徑的目的，但因其質(zhì)量大、操作費力，且動平衡未達要求，致使井窖深普遍較小，回土高度偏大、成井效率偏低。