涂杰 張建軍 歲立云 張正周

(成都市農(nóng)林科學(xué)院，四川 成都 611130)

土壤是種植業(yè)賴以生存的基礎(chǔ)[1]，傳統(tǒng)的耕作方式主要以拖拉機(jī)為動(dòng)力帶動(dòng)鑿式、鏟類機(jī)具的機(jī)械犁地方式為主，存在破壞地表及植被、作業(yè)阻力大、器具磨損大、能耗較高，作業(yè)成本較高和效益較低等問題[2]。

為解決農(nóng)田土壤板結(jié)，實(shí)現(xiàn)深耕深施保護(hù)性耕作方式，在土壤內(nèi)采用氣壓劈裂或氣爆原理實(shí)現(xiàn)松土的新技術(shù)正在興起。但是，目前的氣爆頭或氣爆槍等入土裝置一般采用扦插式、沖擊鉆方式。例如：沖擊式松耕裝置(專利申請(qǐng)?zhí)枺?01611092217.5)、自動(dòng)噴爆松施頭(專利申請(qǐng)?zhí)枺?01510934742.6)、土壤松土頭(專利申請(qǐng)?zhí)枺?01510152027.7)、氣流噴爆式松施裝置(專利申請(qǐng)?zhí)枺?01521047256.4)等，這種方式對(duì)于土質(zhì)較硬的土壤、板結(jié)的土壤存在著以下不足。

當(dāng)遇到土壤內(nèi)部有石塊、鐵塊等尖硬物體時(shí)，不易作業(yè)，會(huì)造成沖擊頭損傷，降低使用壽命。

需要人工向下用力，通過沖擊或扦插方式入土，所需動(dòng)力較大，耗能較大，而且入土?xí)r間較長(zhǎng)。

由于整個(gè)入土裝置會(huì)不斷受到?jīng)_擊，所以會(huì)采用厚度、重量、體積較大裝置來滿足較高的結(jié)構(gòu)、硬度等要求，這樣使整個(gè)裝置顯得笨重，影響工作精度。

入土頭扭矩較小，不容易破土，且破土面積較小，不利于疏松土壤。

取出入土頭時(shí)通常也需要人力拔出，較為費(fèi)力、麻煩。

目前為數(shù)不多的農(nóng)田土壤氣壓深松方式大多為利用高壓氣體在土壤內(nèi)部形成瞬時(shí)高壓并作用于土層內(nèi)壁上，造成土層形成裂縫并泄壓，從而實(shí)現(xiàn)氣壓劈裂松土的效果，如氣壓式土壤深松方法(專利申請(qǐng)?zhí)枺?01410456302.X)；或是利用高壓氣流噴射于土層中，強(qiáng)行刺穿土層形成裂縫來實(shí)現(xiàn)松土的效果，如基于氣流噴射松土系統(tǒng)(專利申請(qǐng)?zhí)枺?01510153006.7)。據(jù)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)這些氣壓松土方式存在不同程度的不足。

對(duì)同一氣爆處理點(diǎn)均是通過單次高壓氣體壓裂、刺穿技術(shù)實(shí)現(xiàn)的土壤深松，都存在放氣時(shí)間長(zhǎng)則耗氣量大，氣壓對(duì)土壤的有效作用時(shí)間浪費(fèi)較大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較低，不利于推廣應(yīng)用；放氣時(shí)間短則有效作用壓力下降較快、氣體對(duì)土層作用時(shí)間短、壓裂裂縫數(shù)量較少和縫長(zhǎng)較短、縫寬較窄，效果不理想等問題。

單次氣爆后形成少量裂縫，高壓氣體主要通過形成的裂縫逃逸至自由面(主要為地面)，對(duì)非裂縫區(qū)域的土壤作用效果較差，造成土壤平均容重、總體膨松度和總空隙率改變不大，深松不均勻，應(yīng)用性能有待提高。

1 方法簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種節(jié)省人力、耗能較小、利于破土、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便、方便出土的連續(xù)式螺旋入土裝置以及使用該裝置進(jìn)行土壤深松的方法，成都農(nóng)林科學(xué)院科研人員經(jīng)過多年潛心研究，發(fā)明了一種基于脈沖氣爆進(jìn)行土壤深松的方法。該方法采用連續(xù)式螺旋入土裝置進(jìn)行土壤深松，連續(xù)式螺旋入土裝置包括驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、進(jìn)氣管和送氣機(jī)構(gòu)，其中送氣機(jī)構(gòu)包括高壓旋轉(zhuǎn)接頭、入土頭、入土筒體、內(nèi)部中空的從動(dòng)輪；高壓旋轉(zhuǎn)接頭的固定端通過第1連接件與進(jìn)氣管連接，高壓旋轉(zhuǎn)接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)端通過第2連接件與從動(dòng)輪連接，從動(dòng)輪通過第3連接件與入土筒體相連；入土筒體外側(cè)設(shè)有入土筒體外螺紋，入土筒體底部設(shè)置入土頭，入土筒體內(nèi)部設(shè)有送氣通道，入土筒體上還設(shè)有進(jìn)氣口和排氣口，進(jìn)氣口連通進(jìn)氣管，送氣通道分別連通進(jìn)氣口、排氣口；驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的輸出軸上固定安裝有主動(dòng)輪，主動(dòng)輪與所述的從動(dòng)輪傳動(dòng)連接；進(jìn)氣管通過連接桿固定安裝在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的機(jī)體上。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 連續(xù)式螺旋入土裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 圖1的A-A視圖

圖3 圖1的B-B視圖

圖4 圖1的C-C視圖

1.進(jìn)氣管；2.第1連接件；2.1.第2連接件；2.2.第3連接件；3.高壓旋轉(zhuǎn)接頭；4.從動(dòng)輪；4.1.輸出軸；4.2.主動(dòng)輪；5.入土筒體；6.入土筒體外螺紋；7.送氣通道；8.排氣口；9.入土頭；10.驅(qū)動(dòng)馬達(dá)；11.連接桿

1.2 使用步驟

將進(jìn)氣管與脈沖氣體發(fā)生裝置的輸出端相連；

根據(jù)需要深松的土壤確定若干氣爆點(diǎn)，每個(gè)氣爆點(diǎn)的水平距離為0.5～5m；

啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，手持連續(xù)式螺旋入土裝置，并使入土頭對(duì)準(zhǔn)氣爆點(diǎn)，將連續(xù)式螺旋入土裝置旋入土壤下10～40cm，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)馬達(dá)；

啟動(dòng)脈沖氣體發(fā)生裝置，設(shè)置1個(gè)脈沖周期為0.02～2s，通過排氣口向土壤內(nèi)釋放至少2個(gè)脈沖周期的壓縮空氣，單次脈沖中釋放壓縮空氣的時(shí)間為0.5個(gè)脈沖周期，其中壓縮空氣的氣壓為0.3～3.0MPa；

啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)反轉(zhuǎn)，將連續(xù)式螺旋入土裝置旋出土壤；

選取另外1個(gè)氣爆點(diǎn)，重復(fù)以上第3步驟到第5步驟，直到所有氣爆點(diǎn)均被處理。

設(shè)備中的從動(dòng)輪與主動(dòng)輪均為齒輪且相互嚙合；第1連接件、第2連接件和第3連接件均為法蘭盤；入土頭為圓錐形尖頭或帶棱的錐形尖頭；進(jìn)氣管上設(shè)有刻度；送氣通道的內(nèi)徑為0.5～5cm。

2 有益效果

2.1 降低成本，方便省力

在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)作用下，入土筒體可通過配合入土筒體外螺紋旋向的旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)入土中，避免了扦插用力和間隙的沖擊，有利于減少土壤阻力的影響，提高入土效率，降低使用成本；在入土過程中，沒有采用現(xiàn)有技術(shù)中的沖擊方式，有效減少了對(duì)入土頭的沖擊損耗，延長(zhǎng)了入土頭的使用壽命，由于減少了沖擊的影響，降低了對(duì)整個(gè)裝置的材質(zhì)要求，可進(jìn)一步減少入土裝置的厚度、重量和體積，使得入土裝置結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、小巧、輕便、耐用，降低制造成本；采用驅(qū)動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力源，不需人為向下使力，或僅需使用較小的力量，入土筒體即可通過螺旋方式自行入土，有效減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，方便省力。

2.2 增加土壤的有效壓力

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其它起爆深松方法在農(nóng)田土壤中每次氣爆后10～50ms產(chǎn)生壓力峰值，隨后以壓力峰值產(chǎn)生時(shí)間3～10倍的時(shí)間衰減下來，而該基于脈沖氣爆進(jìn)行土壤深松的方法采用以0.5～50Hz的脈沖頻率實(shí)施氣爆松土，能在較短時(shí)間內(nèi)，以較少氣量形成多個(gè)壓力峰值，對(duì)土壤反復(fù)加壓，大大延長(zhǎng)了對(duì)農(nóng)田土壤的有效壓力作用時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氣爆后土壤裂紋數(shù)量、裂紋長(zhǎng)度均明顯大幅增加。

2.3 深松效果穩(wěn)定

多次脈沖高壓氣體作用于土層后，由于周期性反復(fù)加壓、泄壓的過程，形成振蕩效應(yīng)，造成土壤層振動(dòng)坍塌、碎裂，土壤的容重、總空隙率，碎土率等顯著提高，形成了較好的深松效果和深松穩(wěn)定性。

2.4 適用廣泛

每次氣爆壓力控制在0.3～3.0MPa，對(duì)一般農(nóng)田土壤均較適合，即不會(huì)因壓力過大產(chǎn)生危害，又能達(dá)到氣爆松土的效果，提高了氣爆處理的效率、減少了高壓氣體用量和能耗，提高了該發(fā)明的經(jīng)濟(jì)適用性。

2.5 提高土壤性能

適宜的氣爆壓力、頻率和脈沖次數(shù)、入土深度處理后，土壤的滲透性、深松均勻性和深松穩(wěn)定性均大幅提高。

2.6 滿足市場(chǎng)需求

整個(gè)氣爆深松方法科學(xué)合理、可操作強(qiáng)，生產(chǎn)條件溫和、對(duì)設(shè)備要求低，適合不同規(guī)模的農(nóng)戶及合作社作業(yè)，具有良好的應(yīng)用效果和市場(chǎng)需求。

2.7 市場(chǎng)應(yīng)用前景良好

該方法在較短處理時(shí)間和使用較少高壓氣量情況下，具有土壤深松土壤裂縫數(shù)量多、縫隙長(zhǎng)且寬，土壤容重小、總空隙率大，碎土率、土壤膨松度較高，深松均勻，滲透性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于農(nóng)田土壤的高效深松作業(yè)，特別是對(duì)于板結(jié)土壤，作用效果更為明顯。該方法創(chuàng)新性地改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的耕作模式，對(duì)我國(guó)土壤耕地質(zhì)量的保護(hù)和改善、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提高和轉(zhuǎn)型升級(jí)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義，市場(chǎng)應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿α己谩?/p>

3 實(shí)施方式

3.1 連續(xù)式螺旋入土裝置

包括驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10、進(jìn)氣管1和送氣機(jī)構(gòu)。

3.1.1 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)

驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10為氣動(dòng)馬達(dá)，其與電動(dòng)馬達(dá)相比，體積小功率高，具有高適應(yīng)性，溫升較小，轉(zhuǎn)速可隨負(fù)載改變，直至超載停機(jī)而不會(huì)對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生任何損傷，而且可以無級(jí)調(diào)速，操作靈活，入土?xí)r驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10正轉(zhuǎn)，出土?xí)r驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10反轉(zhuǎn)，換向容易。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10上設(shè)有把手，以便于操作人員驅(qū)使驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10向土中旋進(jìn)。

3.1.2 送氣機(jī)構(gòu)

送氣機(jī)構(gòu)包括高壓旋轉(zhuǎn)接頭3、入土頭9、入土筒體5、內(nèi)部中空的從動(dòng)輪4，高壓旋轉(zhuǎn)接頭3的固定端通過第1連接件2與進(jìn)氣管1連接，高壓旋轉(zhuǎn)接頭3的轉(zhuǎn)動(dòng)端通過第2連接件2.1與從動(dòng)輪4連接，從動(dòng)輪4通過第3連接件2.2與入土筒體5相連，從動(dòng)輪4內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)將來自高壓旋轉(zhuǎn)接頭3的氣體傳輸至入土筒體5。

第1連接件2、第2連接件2.1和第3連接件2.2均為法蘭盤，各個(gè)部件之間拆卸方便、強(qiáng)度高、密封性能好。

驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10的輸出軸4.1上固定安裝有主動(dòng)輪4.2，從動(dòng)輪4與主動(dòng)輪4.2均為齒輪且相互嚙合時(shí)可達(dá)到傳動(dòng)目的，其作用過程為：主動(dòng)輪4.2隨輸出軸4.1旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)輪4.2帶動(dòng)從動(dòng)輪4旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)入土筒體5旋轉(zhuǎn)。

3.1.3 進(jìn)氣管

進(jìn)氣管1 通過連接桿11固定安裝在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10的機(jī)體上，以保證驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10與從動(dòng)輪4的相對(duì)位置不變，進(jìn)氣管1的管壁較厚以承載驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10。

驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10將動(dòng)能輸送至中從動(dòng)輪4，進(jìn)而帶動(dòng)入土筒體5以及高壓旋轉(zhuǎn)接頭3的轉(zhuǎn)動(dòng)端旋轉(zhuǎn)，達(dá)到入土筒體5旋轉(zhuǎn)而進(jìn)氣管1不旋轉(zhuǎn)的目的，通過高壓旋轉(zhuǎn)接頭3的轉(zhuǎn)接作用，進(jìn)氣管1可在旋轉(zhuǎn)連接組件4隨驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不隨入土筒體5一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

入土筒體5外側(cè)設(shè)有入土筒體外螺紋6，在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10的驅(qū)動(dòng)作用下，入土筒體5可通過配合入土筒體外螺紋6旋向的旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)入土中，避免了扦插用力和間隙地沖擊，有利于減少土壤阻力的影響，提高入土效率，降低使用成本；在入土過程中，沒有采用現(xiàn)有技術(shù)中的沖擊方式，有效減少了對(duì)入土頭9的沖擊損耗，延長(zhǎng)入土頭9的使用壽命，再者，由于減少了沖擊的影響，降低了對(duì)整個(gè)裝置的材質(zhì)要求，可進(jìn)一步減少入土裝置的厚度、重量和體積，使得入土裝置結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、小巧、輕便、耐用、制造成本低；采用驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10作為動(dòng)力源，不需人為向下使力，或僅需使用較小的力量，入土筒體5即可通過螺旋方式自行入土，有效減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，方便省力。

入土筒體外螺紋6可為右螺紋，也可為左螺紋，入土?xí)r根據(jù)不同螺紋方向采用相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)入土，退出時(shí)采用反向旋轉(zhuǎn)方向退出即可，入土筒體外螺紋6采用右螺紋或左螺紋的方式配合正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10，既可使入土筒體5按右手螺旋方式旋轉(zhuǎn)自行前進(jìn)和入土，又可使入土筒體5按左手螺旋方式旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)自行后退和退出土壤，減輕了入土的勞作和作業(yè)完成后拔管的勞作。

入土筒體5底部設(shè)置入土頭9，入土頭9為圓錐形尖頭，便于入土?xí)r將來自動(dòng)力裝置的力集中，快速進(jìn)入土中，利于入土工作，在特殊狹窄空間，也能夠通過尖端體積較小的錐頭使得整個(gè)入土頭9的入土深度更深，受土壤阻力影響更小。

入土筒體5內(nèi)部設(shè)有送氣通道7，送氣通道的內(nèi)徑為0.5cm，入土筒體5上還設(shè)有進(jìn)氣口和排氣口8，進(jìn)氣口連通進(jìn)氣管1，進(jìn)氣管1上設(shè)有刻度，方便觀察入土深度。送氣通道7分別連通進(jìn)氣口、排氣口8，則送氣通道7、進(jìn)氣口、排氣口8三者在入土筒體5上形成一個(gè)完整的輸氣通道。

3.2 針對(duì)板結(jié)的農(nóng)田土壤，一種基于脈沖氣爆進(jìn)行土壤深松的方法操作步驟

將進(jìn)氣管1與脈沖氣體發(fā)生裝置的輸出端相連；

預(yù)處理333m2土壤，設(shè)置100個(gè)均勻排布的氣爆點(diǎn)，每個(gè)氣爆點(diǎn)的水平距離為2m；

啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10，手持連續(xù)式螺旋入土裝置，并使入土頭9對(duì)準(zhǔn)氣爆點(diǎn)，將連續(xù)式螺旋入土裝置旋入土壤下40cm，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10；

啟動(dòng)脈沖氣體發(fā)生裝置，設(shè)置1個(gè)脈沖周期為1/30s，通過排氣口8向土壤內(nèi)釋放15個(gè)脈沖周期的壓縮空氣，單次脈沖中釋放壓縮空氣的時(shí)間為0.5個(gè)脈沖周期，即1/60s，所述壓縮空氣的氣壓為2.5MPa；

啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10，控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10反轉(zhuǎn)，將連續(xù)式螺旋入土裝置旋出土壤;

將連續(xù)式螺旋入土裝置移至第2個(gè)氣爆點(diǎn)，重復(fù)以上步驟第3到第5步，處理333m2土壤后，單點(diǎn)裂紋達(dá)6條，縫長(zhǎng)達(dá)1.8m，土壤平均緊密度從2883kPa降低為1164kPa，土壤平均容重從1.805g/cm3降低為1.420g/cm3，土壤總空隙度從35.4%提高到43.2%。