胡 燦,師廣強(qiáng) ,劉亞明 ,王旭峰,鄭 炫

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院, 新疆 阿拉爾 843300;2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 阿拉爾 843300;新疆農(nóng)墾科學(xué)院 機(jī)械裝備研究所,新疆 石河子 832000)

0 引言

南疆地區(qū)(以下簡稱南疆)是我國重要的優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地,由于獨(dú)特的地理環(huán)境,農(nóng)田土壤存在鹽堿度較高、土壤濕度較小的特點(diǎn),容易造成播種層鹽堿度增高及土塊板結(jié)等;受長期覆膜作業(yè)影響,土壤中含較多殘膜殘留,對土壤容積、密度、水肥運(yùn)移等有較大影響。為了改善土壤結(jié)構(gòu),深耕作業(yè)是土壤中最基本、最關(guān)鍵的一環(huán),兵團(tuán)對此有較強(qiáng)的基礎(chǔ)需求。土壤提質(zhì)工程是持續(xù)性的話題,改善土質(zhì)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化土壤中的耕作層條件關(guān)系著南疆農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[1]。

目前,南疆深耕作業(yè)主要以國產(chǎn)四鏵犁、進(jìn)口五鏵犁作業(yè)為主[2]。國產(chǎn)四鏵犁主要配套118kW拖拉機(jī)作業(yè),耕地速度為7～8km/h,耕深約為24～26cm,作業(yè)效率較低,耗能較大,且耕地質(zhì)量較低,土垡碎土分布不均勻[3]。進(jìn)口五鏵犁有雷肯公司生產(chǎn)的五鏵犁及貝松犁等[4-6],主要配套154kW拖拉機(jī),作業(yè)速度為10～11km/h,耕深約為30cm。通過調(diào)整后,作業(yè)效率較好,但仍存在較大耗能,且土垡碎土性能仍有待提升。在進(jìn)口翻轉(zhuǎn)高速犁中,雷肯犁因其較好的作業(yè)性能在新疆得到了大面積的應(yīng)用,引進(jìn)雷肯犁的數(shù)量也在增加[7]。

犁體測試是高速犁體必需經(jīng)歷的過程,也是犁體適用度的性能調(diào)配及參數(shù)整定的環(huán)節(jié)[8-10]。Formato等測試了多種鏡面式犁體[11];張魯云試驗(yàn)測試了淺翻深松犁,均提出了測試需求[12]。雖然引進(jìn)犁體作業(yè)性能優(yōu)于國產(chǎn)犁鏵,但由于南疆土質(zhì)條件差異,高速犁體作業(yè)必須與農(nóng)藝結(jié)合起來,才能發(fā)揮較優(yōu)的作業(yè)性能[13]。為此,通過測試進(jìn)口犁的作業(yè)性能,獲得其作業(yè)參數(shù),為國產(chǎn)犁作業(yè)性能的提高提供參考。

1 測試材料與方法

1.1 試驗(yàn)地塊

試驗(yàn)地塊選取新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師16團(tuán)7連所在塔河源條田,呈正方形,面積為28hm2,近10年以種植棉花作物為主,棉花行距采用66cm+10cm覆膜種植模式,試驗(yàn)時間為2018年4月2日。耕種前,棉花作物根茬最高為30.5cm,最低為8.1cm,平均為17.2cm,符合犁地作業(yè)條件。試驗(yàn)測試土壤為沙壤土,為南疆地區(qū)最典型土壤。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用拖拉機(jī)型為雷沃1854R及LEMKEN 1LFTT-550懸掛式翻轉(zhuǎn)犁,犁體為柵條高速犁體,五鏵犁。試驗(yàn)設(shè)備包括美國公司生產(chǎn)的TJSD-750-Ⅱ土壤堅(jiān)實(shí)度儀、土壤濕度檢測儀、耕深測量尺、耕寬測量尺、鹽堿度測量儀及電子稱等,另準(zhǔn)備棉布、方塊尺、取土工具等進(jìn)行碎土性測量。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) 《鏵式犁試驗(yàn)方法》GB/14225.3-93及《鏵式犁技術(shù)條件》GBT14225.2-93,對雷肯五鏵犁的工作性能進(jìn)行測定[14]。試驗(yàn)前,采用五點(diǎn)法[15],對試驗(yàn)地工作情況、含水率、土壤堅(jiān)實(shí)度和耕作條件進(jìn)行記錄。

1)土壤含水率與堅(jiān)實(shí)度測定。由于土壤堅(jiān)實(shí)度與含水率條件密切相關(guān),試驗(yàn)地按冬灌水排水順序分成A、B、C等3個區(qū),每個區(qū)選取10個樣點(diǎn)取均值,每個樣點(diǎn)按土壤層分布0～10cm、10～20cm、20～30cm進(jìn)行取樣,以計(jì)算3個區(qū)的平均含水率與堅(jiān)實(shí)度。

2)犁體主要指標(biāo)測定。試驗(yàn)時,先進(jìn)行3個行程來回作業(yè);待達(dá)到最優(yōu)效果后,試驗(yàn)測定耕深、耕寬、入土行程、作業(yè)速度、土垡破碎率、驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率、拖拉機(jī)油耗、牽引阻力、土壤中植被和殘茬覆蓋率,每項(xiàng)測試均以1個來回行程作為計(jì)算依據(jù)。設(shè)定作業(yè)耕深為30cm,具體測量參數(shù)如表1所示。

表1 五鏵犁測試指標(biāo)與試驗(yàn)安排

3)主要指標(biāo)計(jì)算方法

土垡破碎率計(jì)算公式為

(1)

其中,Gg為測量耕層內(nèi)最大尺寸≤5cm的土塊質(zhì)量(kg);G為測量區(qū)全耕層土塊總質(zhì)量(kg)。

驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率計(jì)算公式為[16]

(2)

其中,δ為驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率(%);Lk為測量區(qū)50m內(nèi)拖拉機(jī)空行時驅(qū)動輪的行進(jìn)距離(m);Lz為測量區(qū)50m內(nèi)拖拉機(jī)作業(yè)時驅(qū)動輪的行進(jìn)距離(m)。

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)測定了土壤性能指標(biāo)與犁體作業(yè)性能指標(biāo),經(jīng)左右行程對比取平均值,得出試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 試驗(yàn)地含水率結(jié)果

各土壤層含水率分布結(jié)果如圖1所示。試驗(yàn)測定A區(qū)0～10cm土層平均含水率為16.4%RH,10～20cm土層平均含水率為22.4%RH,20～30cm土層平均含水率為36.3%RH,符合南疆土壤條件特點(diǎn)。其表層土塊蒸發(fā)較快,水分流失大,底層土壤水分流失較小。試驗(yàn)測定B區(qū)0～10cm土層平均含水率為22.3%RH,10～20cm土層平均含水率為28.7%RH,20～30cm土層平均含水率為39.5%RH。試驗(yàn)測定C區(qū)0～10cm土層平均含水率為23.4%RH,10～20cm土層平均含水率為36.1%RH,20～30cm土層平均含水率為46.5%RH。其中,C區(qū)為較大濕度試驗(yàn)區(qū)。

圖1 測試區(qū)各土壤層含水率分布

2.2 土壤堅(jiān)實(shí)度測定

土壤堅(jiān)實(shí)度是反映農(nóng)田垡土性能的重要指標(biāo),也是衡量土壤耕作性能的重要指標(biāo),它與土層含水率有密切的負(fù)相關(guān)性。由于土壤堅(jiān)實(shí)度與含水率條件密切相關(guān),試驗(yàn)地隨機(jī)選取樣點(diǎn)取均值,每個樣點(diǎn)按土壤層分布0～10cm、10～20cm、20～30cm進(jìn)行取樣,以計(jì)算3個區(qū)的平均含水率與堅(jiān)實(shí)度。

試驗(yàn)測定了測試地塊土壤堅(jiān)實(shí)度均值分布情況,如表2所示。從各采樣點(diǎn)所得土壤堅(jiān)實(shí)度與水分分布平均數(shù)據(jù)來看,棉田主要采用膜下滴灌技術(shù)。秋后棉田收膜后,土壤表層水分有較快蒸發(fā),使0～10cm土層含水率降低,土壤中鹽堿度增加,表層土壤堅(jiān)實(shí)度較其它土層明顯要高,平均達(dá)284.3kPa。由于水分變化,越往耕作底層,濕度越大,土壤堅(jiān)實(shí)度值越小,表明土壤堅(jiān)實(shí)度與濕度值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由測試結(jié)果來看,棉花地土壤性質(zhì)以沙壤為主,土壤堅(jiān)實(shí)度值均值<300kPa,可預(yù)測其比阻值也較低,屬于較易垡土區(qū)域,適宜于高速犁作業(yè)區(qū)域。

表2 南疆主要地區(qū)土壤堅(jiān)實(shí)度測定值

2.3 耕深與耕寬測定

1)耕深。耕深是指犁耕形成的溝底至未耕地表面的垂直距離,不同實(shí)驗(yàn)區(qū)的耕深測定結(jié)果如圖2所示。在試驗(yàn)A區(qū),最大耕深為31.4cm,最小耕深為29.7cm,平均耕深保持30.4cm,耕深較為穩(wěn)定;在試驗(yàn)B區(qū),最大耕深為31.5cm,最小耕深為28.6cm,平均耕深保持30.75cm,耕深有一定的隨機(jī)性變化,且左翻與右翻在B區(qū)土壤環(huán)境下有一定影響;在試驗(yàn)C區(qū),最大耕深為31.7cm,最小耕深為28.5cm,平均耕深保持30.81cm,表明土壤水層分布與耕深變化有一定關(guān)聯(lián)性,對耕作時翻轉(zhuǎn)犁體左翻與右翻有一定影響。但由于耕深變化也與駕駛員操作有一定關(guān)系,雷肯犁在作業(yè)時最大耕深與最小耕深差值為3.0cm,在不同的土壤環(huán)境中能保持穩(wěn)定的耕深輸出。測試結(jié)果表明:A區(qū)土層與B區(qū)土層含水率分布較接近,且獲得了較穩(wěn)定的耕深。實(shí)際作業(yè)時,應(yīng)將農(nóng)田的濕度值保持在接近A區(qū)水平,即土層平均含水率在19.4%～22%RH之間。

2)耕寬。耕寬是指1個耕作行程中耕翻土垡的寬度。在雷肯犁作業(yè)過程中,分別記錄4個行程的耕深、耕寬參數(shù),每行程測10點(diǎn),取平均值。 耕寬的均值數(shù)據(jù)如表3所示。其中,各測試區(qū)作業(yè)時,翻轉(zhuǎn)犁左翻時耕寬大于右翻。A、B與C測試區(qū)各耕寬參數(shù)基本一致,表明作業(yè)環(huán)境對耕寬影響較小,耕寬主要與犁體各鏵犁之間的寬度設(shè)計(jì)系數(shù)密切相關(guān)。

圖2 不同實(shí)驗(yàn)區(qū)耕深測定結(jié)果

2.4 作業(yè)速度與驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率

作業(yè)速度、驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率、入土行程等參數(shù)平均值如表3所示。在3種測試區(qū)內(nèi),作業(yè)速度基本一致,平均作業(yè)速度≥10km/h,達(dá)到高速犁作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。入土行程均大于5m,且間距基本一致,表明測試區(qū)間對入土行程影響較小。測試區(qū)內(nèi)驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率有較大影響差異:在測試A區(qū),左翻時驅(qū)動輪50m驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率為18.71%,右翻時50m驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率為19.2%;在測試B區(qū),左翻時驅(qū)動輪50m驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率為21.65%,左翻時50m驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率為20.226%;在測試C區(qū),左翻時驅(qū)動輪50m驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率為27.41%,右翻時50m驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率為22.3%。測試結(jié)果表明:濕度較大的耕作區(qū)內(nèi),驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率越高,拖拉機(jī)越容易打滑,影響作業(yè)效率。

表3 幾種犁體的耕深、耕寬等作業(yè)指標(biāo)參數(shù)對比

2.5 土垡破碎率

土垡破碎率是反映作業(yè)性能的重要指標(biāo),圖3為LEMKEN 1LFTT-550懸掛式翻轉(zhuǎn)犁作業(yè)實(shí)測圖。在不同的試驗(yàn)條件下,雷肯犁能獲得較穩(wěn)定的土垡破碎率。試驗(yàn)A區(qū)測試結(jié)果如表4所示。其中,0～8cm土層破碎率均值穩(wěn)定在78.29%,8～30cm土層破碎率平均值穩(wěn)定在79.2%,全耕層穩(wěn)定在78.745%,在作業(yè)速度為10.9km/h時,獲得較好的垡土效果。試驗(yàn)B區(qū)測試結(jié)果如表5所示,0～8cm土層破碎率均值穩(wěn)定在65.2%,8～30cm土層破碎率平均值穩(wěn)定在76.2%,全耕層穩(wěn)定在70.7%,在以作業(yè)速度9.7 km/h時,獲得了較穩(wěn)定的垡土效果;但在土壤淺表層土層破碎率較低,表明當(dāng)土壤濕度較大時,對破碎率有較大影響。另外,土層濕度差異也造成了不同程度的土壤堅(jiān)實(shí)度分布,影響翻轉(zhuǎn)犁的比阻作用,使底層隨犁垡曲面的作業(yè)行程未能充分完成,降低了作業(yè)效果。試驗(yàn)C區(qū)測試結(jié)果如表6所示。其中,0～8cm土層破碎率均值降低至55.7%,8～30cm土層破碎率平均值穩(wěn)定在74.8%,全耕層穩(wěn)定在65.2%,在以作業(yè)速度10.06km．h時,垡土效果有較大影響。受土壤底層濕度與土壤堅(jiān)實(shí)度影響,表層土壤土垡破碎率有明顯降低,影響了作業(yè)質(zhì)量,但表層土壤作業(yè)質(zhì)量較穩(wěn)定,能保持穩(wěn)定的碎土性能輸出。

圖3 雷肯五鏵犁作業(yè)性能田間實(shí)測圖

表4 試驗(yàn)田A區(qū)土垡破碎率

表5 試驗(yàn)田B區(qū)土垡破碎率

表6 試驗(yàn)田C區(qū)土垡破碎率

續(xù)表6

2.6 拖拉機(jī)油耗

圖4所示為測試中幾種犁作業(yè)時拖拉機(jī)油油耗對比,此油耗根據(jù)拖拉機(jī)駕駛員連續(xù)作業(yè)加油量的結(jié)果計(jì)算。當(dāng)作業(yè)田為測試區(qū)A時,雷肯犁平均每小時32.72L;測試區(qū)B時,雷肯犁每小時油耗為36.36L;測試區(qū)C時,雷肯犁每小時油耗為35.21L。結(jié)果表明:測試區(qū)A的工作狀況更有利于拖拉機(jī)油耗的經(jīng)濟(jì)性能,這與犁體曲面的適應(yīng)度有較大關(guān)系,高速犁體曲面應(yīng)有更好的減阻性與翻垡效果。

圖4 各測試區(qū)犁拖拉機(jī)油耗對比

3 結(jié)論

1)測試結(jié)果表明,耕作層水層為16～20%RH的土壤更適合南疆沙壤土的耕地作業(yè)。LEMKEN 1LFTT-550懸掛式翻轉(zhuǎn)犁在耕深穩(wěn)定性、驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率、土垡破碎率等作業(yè)指標(biāo)方面有較好的作業(yè)效果,全耕層穩(wěn)定在78.745%,在作業(yè)速度為10.9km/h時獲得較好的垡土效果,且能獲得較經(jīng)濟(jì)的油耗性能。

2)土壤堅(jiān)實(shí)度與濕度值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。南疆農(nóng)田土壤性質(zhì)以沙壤為主,土壤堅(jiān)實(shí)度值均值<300kPa,可預(yù)測其比阻值也較低,屬于較易垡土區(qū)域,適宜于高速犁作業(yè)區(qū)域。

3)南疆土壤特點(diǎn)是沙土壤為主,屬于適宜于高速犁作業(yè)區(qū)域,但從測試結(jié)果來看,整體作業(yè)性能指標(biāo)較好的雷肯犁并未能取得最優(yōu)的作業(yè)效果,在土垡破碎率、耕深耕寬穩(wěn)定性方面仍有待進(jìn)一步優(yōu)化提升。