分層深松鏟型配置參數(shù)對(duì)牽引阻力的影響

趙艷忠，楊　陽，張晨光，齊關(guān)宇，劉　林（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱　150030）

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分層深松鏟型配置參數(shù)對(duì)牽引阻力的影響

趙艷忠，楊陽，張晨光，齊關(guān)宇，劉林
（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

摘要：分層深松采用前后鏟分層作業(yè)方式，深松后土壤更松碎，土層不發(fā)生改變。文章利用深松鏟阻力測(cè)試裝置，研究分層深松鏟型配置參數(shù)對(duì)牽引阻力影響。結(jié)果表明，后鏟25 cm深松深度，鏟型組合為箭型-鑿型時(shí)，分層高度差為11.5 cm、鏟距為34.5 cm時(shí)牽引阻力最?。煌ㄟ^鑿型、箭型、雙翼型不同鏟型組合及單層深松牽引阻力對(duì)比分析表明，深松深度相同時(shí)，分層深松前后鏟型面積和越大阻力越大，分層深松阻力一般大于單層深松；分層深松交換前后鏟型試驗(yàn)得出，深度相同時(shí)，鑿型-雙翼型、箭型-雙翼型組合阻力分別小于雙翼型-鑿型、雙翼型-箭型組合，而箭型-鑿型組合阻力卻與鑿型-箭型組合十分接近。

關(guān)鍵詞：分層深松；牽引阻力；鏟型配置；深松鏟

趙艷忠,楊陽,張晨光,等.分層深松鏟型配置參數(shù)對(duì)牽引阻力的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 47(2): 102-108.

Zhao Yanzhong, Yang Yang, Zhang Chenguang, et al. Effect of the configuration parameters of the layered subsoiling shovel type on the draft resistance[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2016, 47(2): 102-108. (in Chinese with English abstract)

深松作業(yè)是保護(hù)性耕作核心技術(shù)，能打破犁底層，改變土壤壓緊、壓實(shí)狀態(tài)，增強(qiáng)土壤對(duì)雨水、空氣通透性，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，有利于土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和利用，促進(jìn)植物根系發(fā)育，提高蓄水保墑能力[1-4]。分層深松即在耕作過程中前后鏟分層作業(yè)，前鏟深松上層土壤，后鏟深松下層土壤。將土壤表層、犁底層和底土層分開，使深松過后土層不亂，土壤松碎適度，上下土層無翻轉(zhuǎn)。分層深松是在常規(guī)深松基礎(chǔ)上更有效的深松方式[5-6]。

王瑞麗等研制1HS-2型中耕深松機(jī)，在玉米收獲期對(duì)深松后土壤和未深松土壤物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果表明，該機(jī)結(jié)構(gòu)合理，深松深度等性能指標(biāo)符合農(nóng)藝要求，深松與未深松相比，耕層土壤含水量顯著增加，土壤容重顯著降低[7-8]。王天慧等研究分層深松鏟，通過受力分析及碎土效果研究，表明分層深松鏟所受阻力與鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)、土壤物理參數(shù)及作業(yè)深度高度相關(guān)，碎土效果明顯，解決地表殘留大土塊、端壟等問題，達(dá)到較好深松效果[9]。余泳昌對(duì)立柱式深松鏟進(jìn)行受力及試驗(yàn)分析，結(jié)果表明影響工作阻力主要參數(shù)是耕作深度、深松鏟起土角、鏟柄工作寬度及前進(jìn)速度[10]。王微等對(duì)鑿型深松鏟、箭形深松鏟和雙翼深松鏟深松后測(cè)試結(jié)果表明，在相同條件下，鑿型深松鏟在打破犁底層后改善土壤持水量、土壤溫度、土壤堅(jiān)實(shí)度和土壤微團(tuán)聚體含量方面綜合作用效果良好[11-12]。本文利用深松鏟阻力測(cè)試裝置，分析單層深松及分層深松在不同深度、不同鏟型配置時(shí)牽引阻力變化，為分層深松研究提供技術(shù)參考。

1試驗(yàn)條件及方法

1.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2014年10月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行，在大豆收獲后土地試驗(yàn)，壟距65 cm。土壤容重、土壤含水率、土壤硬度3個(gè)參數(shù)測(cè)定結(jié)果如表1。土壤容重測(cè)量采用環(huán)刀法；土壤含水率采用烘干法測(cè)量，參照NY/T 52-1987土壤水分測(cè)定法[13]；土壤硬度使用土壤硬度儀直接測(cè)量。3個(gè)指標(biāo)均在3個(gè)隨機(jī)點(diǎn)采集，每個(gè)采集點(diǎn)分別在0~10、10~20和20~30 cm三個(gè)土層采集，以3個(gè)隨機(jī)點(diǎn)均值作為最終測(cè)量結(jié)果[14]。

1.2試驗(yàn)裝置及測(cè)試原理

試驗(yàn)中牽引力測(cè)試裝置如圖1，該裝置可測(cè)試深松作業(yè)中水平方向牽引阻力。限深輪1起限深作用，分層深松鏟柄支架4通過螺栓及固定擋塊與上下兩個(gè)傳感器7、5鉸接，傳感器記錄兩鉸接點(diǎn)處力值?；?與底座10通過導(dǎo)軌9連接，導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)有絲杠-螺母螺紋連接，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄8，可調(diào)節(jié)基座高度，滿足分層深松在不同深度作業(yè)試驗(yàn)要求。底座10與主梁11通過U型卡固定，通過主梁上懸掛裝置與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛連接，帶動(dòng)整個(gè)裝置向前行進(jìn)。

表1土壤參數(shù)Table 1 Soil parameters

試驗(yàn)使用傳感器為海寶儀器有限公司生產(chǎn)數(shù)顯式推拉力計(jì)，型號(hào)：HG-10K和HG-30K，量程分別為10和30 kN。

分層深松鏟柄材質(zhì)選用低碳鋼，截面尺寸30 cm×60 cm，鏟柄采用弧形結(jié)構(gòu)，入土角α=28°。

阻力測(cè)試原理如圖2所示，上下傳感器分別位于圖中A、B兩處，水平放置。試驗(yàn)中由于土壤阻力作用，A處傳感器將受壓，B處傳感器將受拉，因此，分層深松鏟在前進(jìn)方向耕作阻力值為B-A[15]。

試驗(yàn)中采用單層深松鏟如圖3所示，單層深松時(shí)在圖1測(cè)試裝置中去掉鏟柄支架4及上下深松鏟2、3，直接把單層深松鏟安裝在鏟柄支架4位置上，測(cè)試原理等同于分層深松測(cè)試原理。

1-限深輪；2-前鏟；3-后鏟；4-鏟柄支架；5-下傳感器；6-基座；7-上傳感器；8-手柄；9-導(dǎo)軌；10-底座；11-主梁1-Depth roller; 2-Front shovel; 3-Rear shovel; 4-Shovel handle bracket; 5-Lower sensor; 6-Pedestal; 7-Upper sensor; 8-Handle; 9-Guide; 10-Base; 11-Main girder圖1牽引阻力測(cè)試裝置Fig. 1 Traction resistance test device

圖2測(cè)試原理Fig. 2 Test principle

圖3單層深松鏟Fig. 3 Single subsoiler

試驗(yàn)中選用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用三種深松鏟，三種鏟型（鑿型、箭型、雙翼型）尺寸參數(shù)[16-17]如圖4，由于分層深松有前后兩個(gè)鏟，因此共有9種不同鏟型組合：鑿型-鑿型、鑿型-箭型、鑿型-雙翼型、箭型-鑿型、箭型-箭型、箭型-雙翼型、雙翼型-鑿型、雙翼型-箭型、雙翼型-雙翼型，各鏟型組合中兩種鏟型分別對(duì)應(yīng)前鏟-后鏟，前鏟為上層深松鏟，后鏟為下層深松鏟。

2結(jié)果與分析

2.1分層高度差與牽引阻力關(guān)系

進(jìn)行分層高度差試驗(yàn)時(shí)，總深松深度25 cm，鏟型組合為箭型-鑿型，前后鏟距35 cm，分層高度差選取5、8、11、14和17 cm五個(gè)水平值進(jìn)行單因素試驗(yàn)[18]。用寧波484-2拖拉機(jī)牽引試驗(yàn)裝置，行進(jìn)速度0.5 m·s-1，深松鏟安裝后入土角為28°。當(dāng)分層深松部件入土后開始記錄瞬時(shí)阻力值。每組試驗(yàn)3次重復(fù)[19]，其試驗(yàn)結(jié)果見表2，從標(biāo)準(zhǔn)誤差看出，每組高度差下阻力值波動(dòng)小，試驗(yàn)值可靠。

使用SPSS 17.0軟件中單因素ANOVA分析方法處理數(shù)據(jù)[20-21]，由方差分析結(jié)果可知，在0.05顯著性水平下，不同高度差下阻力有顯著性差異[22-23]。在SPSS中對(duì)分層高度差與牽引阻力關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合，得到函數(shù)表達(dá)式為：

y=13.255-1.1x+0.047x2

式中x為分層高度差，y為牽引阻力，擬合度R2=0.918，R2接近于1，說明函數(shù)擬合度較好。對(duì)應(yīng)擬合曲線如圖5所示，由圖5可知，當(dāng)分層高度差小于11 cm時(shí)，隨高度差增加阻力減小，當(dāng)分層高度差大于11 cm時(shí)，隨高度差增加阻力增加。通過極值計(jì)算得出，分層高度差為11.7 cm時(shí)對(duì)應(yīng)牽引阻力值最小，減小牽引阻力是減少深松作業(yè)能耗重要措施[24-25]，從牽引阻力最小角度考慮，高度差為11.5 cm較適宜。

圖4鏟型結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig. 4 Structure parameters of shovel type

表2高度差試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of height difference experiment

圖5擬合曲線Fig. 5 Fitting curve

2.2分層前后鏟距與牽引阻力關(guān)系

分層前后鏟距試驗(yàn)，固定總深松深度為25 cm，鏟型組合選擇箭型-鑿型，分層深松高度差取11.5 cm，前后鏟距設(shè)置為：25、30、35、40和45 cm五個(gè)水平，試驗(yàn)方法同上，牽引阻力測(cè)試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)誤如表3。

使用單因素ANOVA分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，從結(jié)果可知，在0.05顯著性水平下，不同鏟距下阻力差異顯著。在SPSS 17.0中對(duì)分層前后鏟距和牽引阻力關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合方程為：

y=26.007-1.173x+0.017x2

式中，x為分層前后鏟距，y為牽引阻力，擬合度R2=0.937，擬合度接近于1，擬合程度好，其擬合曲線如圖6所示，由圖6可知，當(dāng)分層前后鏟距小于35 cm時(shí)，隨著前后鏟距增加阻力減小，當(dāng)分層前后鏟距大于35 cm時(shí)，隨著前后鏟距增加阻力增加。通過極值計(jì)算得出，當(dāng)鏟距為34.5 cm時(shí)，阻力值最小，因此確定34.5 cm為合適鏟距。

表3鏟距試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Result of shovel distance experiment

圖6擬合曲線Fig. 6 Fitting curve

2.3分層深松與單層深松牽引阻力對(duì)比

分層深松較單層深松多一個(gè)淺層深松鏟，為比較分層深松與單層深松阻力情況，在分層深松中分別試驗(yàn)三種深度（15、25和35 cm）下九種鏟型，在單層深松中分別試驗(yàn)三種深度下三種鏟型。根據(jù)前面試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定分層高度差為11.5 cm、前后鏟距為34.5 cm，每組試驗(yàn)3次重復(fù)。對(duì)比時(shí)將分層深松后鏟鏟型和單層深松鏟型一致放在同一組，共a、b、c三組，a組代表鏟型為鑿型，b組代表鏟型為箭型，c組代表鏟型為雙翼型。對(duì)比如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)深松深度為25 cm時(shí)，在分層深松中，當(dāng)后鏟鏟型相同時(shí)，牽引阻力隨著前鏟面積增加而增大，當(dāng)前鏟鏟型相同時(shí)，牽引阻力又隨著后鏟面積增加而增大，在分層深松中前后鏟面積和越大，牽引阻力越大。在單層深松中，鏟形面積越大，牽引阻力越大，原因是深松作業(yè)時(shí)鏟型直接與土壤相接觸，鏟形面積越大，與土壤接觸面積越大，即深松深度相同時(shí)，牽引阻力隨鏟型面積增加而增大。深松深度為15和35 cm時(shí)牽引阻力與鏟型面積關(guān)系與深松深度為25 cm時(shí)結(jié)果相同。

圖7不同鏟型阻力Fig. 7 Resistance of different shovel type

由圖7可知，無論是分層深松還是單層深松，對(duì)同一種鏟型而言，深度由15~35 cm，牽引阻力呈增加趨勢(shì)。且深松深度由15增加到25 cm時(shí)，牽引阻力增幅大于深度由25增加到35 cm時(shí)阻力增幅，原因是隨深度增加，阻力趨于穩(wěn)定[26]，因此阻力增加速度減緩。

單層深松與分層深松對(duì)比可知，在25和35 cm深度時(shí)，分層深松阻力大于單層深松阻力。原因是分層深松較單層深松多一個(gè)深松鏟，使?fàn)恳枇υ黾?。而?5 cm深度，鑿型-鑿型、箭型-鑿型、鑿型-箭型、鑿型-雙翼型阻力分別小于單層深松，原因是在分層深松中，當(dāng)總深度為15 cm時(shí)，分層高度差為11.5 cm定值，前鏟深度只有3.5 cm，前面鏟柄未入土，鏟尖入土面積小，前鏟疏松部分土壤，為后鏟通過減小部分阻力，分層深松阻力小于單層深松。

2.4交換前后鏟型對(duì)牽引阻力影響

由表4可知，在SPSS 17.0中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。檢驗(yàn)變量為阻力，分組變量為兩種鏟型，每組分別在15、25、35cm三個(gè)深度下進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。差異性顯著檢驗(yàn)值大于0.05，即在0.05置信水平上差異不顯著，反之則差異顯著。在SPSS分析結(jié)果中顯示，1組鑿型-箭型與箭型-鑿型之間差異不顯著，原因是試驗(yàn)中使用鑿型鏟和箭型鏟寬度相差較小，交換前后鏟對(duì)阻力影響很小，在使用時(shí)阻力差異不大；2、3組鑿型-雙翼型與雙翼型-鑿型、箭型-雙翼型與雙翼型-箭型之間都存在顯著性差異，變換前后鏟型阻力有明顯變化，且鑿型-雙翼型、箭型-雙翼型組合阻力分別小于雙翼型-鑿型、雙翼型-箭型組合。原因是位于前面小鏟先疏松部分土壤，鏟型小牽引阻力小，后部大鏟只需再疏松大于小鏟寬度部分土壤，二者阻力之和相對(duì)較小[27-28]。

表4交換前后鏟型阻力值Table 4 Resistance of exchange front and rear shovel type

3討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，牽引阻力與深松深度及鏟型面積呈正相關(guān)，與齊關(guān)宇等研究結(jié)果一致[15]；結(jié)果表，王天慧等設(shè)計(jì)分層深松鏟結(jié)構(gòu)，在一個(gè)深松鏟柄上設(shè)計(jì)上下雙層鏟尖，分層深松能夠減小牽引阻力[9]，而本文設(shè)計(jì)分層深松裝置采用兩個(gè)獨(dú)立深松鏟柄，增加牽引阻力，結(jié)果表明，多數(shù)分層深松阻力大于單層深松。王微研究分層深松阻力，但其在鏟型配置時(shí)只考慮鏟型及深度變化，未涉及分層高度差及前后鏟距變化[5]。王瑞麗等研究中設(shè)計(jì)類似分層深松機(jī)構(gòu)[7]，但其在鏟型配置時(shí)僅將上下層耕深作為變量，前后鏟距及鏟型都為定量[7]。而本文試驗(yàn)結(jié)果顯示，分層高度差及前后鏟距變化對(duì)牽引阻力影響顯著，是研究牽引阻力必要因素。本文試驗(yàn)方法采用全因素試驗(yàn)，試驗(yàn)不同深度不同鏟型全部情況，數(shù)據(jù)結(jié)果更準(zhǔn)確全面。

4結(jié)論

a.分層深松牽引阻力與分層高度差、前后鏟距函數(shù)關(guān)系均呈二次向上拋物線形式，高度差為11.5 cm、前后鏟距為34.5 cm時(shí)牽引阻力最小。

b.牽引阻力與深松深度、鏟型面積呈正相關(guān)。當(dāng)深松深度為25cm以上時(shí)，分層深松牽引阻力大于單層深松。鏟型之一為雙翼型時(shí)，應(yīng)將其置于分層深松下層，以減小牽引阻力；不選用雙翼型鏟時(shí)，前后鏟型位置可互換。

c.分層深松從阻力最小角度考慮鏟型配置參數(shù)，鏟型組合選擇順序依次為鑿型-鑿型、箭型-鑿型、鑿型-箭型、鑿型-雙翼型、箭型-箭型、箭型-雙翼型、雙翼型-鑿型、雙翼型-箭型、雙翼型-雙翼型。

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Effect of the configuration parameters of the layered subsoiling shovel type on the draft resistance

ZHAO Yanzhong, YANG Yang, ZHANG Chenguang, QI Guanyu, LIU Lin(School of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract:Layered subsoiling used the way of layered operation with the front and rear shovel, after the subsoiling, the soil was looser, the soillayer did not change. In this paper, the experiment used resistance test device to research the influence of the configuration parameters of the layered subsoiling shovel type on the draft resistance. Through the single factor experiment, it conclude that when the subsoiling depth of the rear shovel was 25 cm and shovel type combination was arrow-chisel type, draft resistance reached the minimum if the height difference was 11.5 cm and shovel distance was 34.5 cm; Through comparative analysised the draft resistance of chisel type, arrow type, double wings type and single subsoiling, it indicated that when in the same subsoiling depth, if the sum of the front and rear shovel area was big, then the resistance was large, the resistance of layered subsoiling was generally larger than that of the single subsoiling; After the exchange shovel type experiment, it could draw a conclusion that in the same depth, the resistance of chisel-double wings type and arrow-double wings type were less than that of double wings-chisel type and double wings-arrow type, while the resistance of arrow-chisel type were very close to that of chisel-arrow type.

Key words:layered subsoiling; draft resistance; shovel type configuration; subsoiler

作者簡(jiǎn)介：趙艷忠（1967-），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楸Ｗo(hù)性耕作機(jī)具。E-mail: yzzhao89723@163. com

基金項(xiàng)目：十二五國家科技支撐項(xiàng)目（2014BAD11B01）

收稿日期：2015-11-10

中圖分類號(hào)：S222.29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-9369（2016）02-0102-07