玉米苗期中耕松土裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

張偉欣，趙　瑋，周福君，許驍博

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

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玉米苗期中耕松土裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

張偉欣，趙瑋，周福君，許驍博

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

摘要：在綜合研究國(guó)內(nèi)外中耕作業(yè)相關(guān)機(jī)具研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)東北壟作區(qū)的區(qū)域特點(diǎn)，結(jié)合玉米小壟單行種植模式的農(nóng)藝特點(diǎn)及玉米苗期中耕松土作業(yè)的特殊要求，設(shè)計(jì)了一種玉米苗期中耕松土裝置，并開展玉米苗期中耕松土裝置關(guān)鍵技術(shù)研究，完成了樣機(jī)的試制與試驗(yàn)。結(jié)果表明：錐形釘齒盤基本實(shí)現(xiàn)了其設(shè)計(jì)功能，在壟側(cè)創(chuàng)造了用于松土升溫蓄水保墑的孔狀結(jié)構(gòu)，各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)達(dá)到了中耕松土的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：中耕松土；淺松裝置；玉米；苗期

0引言

玉米是世界上最重要的谷類糧食作物之一，在我國(guó)的栽培面積僅次于水稻、小麥，為第三大糧食高產(chǎn)作物，總產(chǎn)量位居糧食作物首位。目前，國(guó)內(nèi)外研制的淺松機(jī)具尚未達(dá)到在玉米苗期根系附近作業(yè)的農(nóng)藝要求，本文針對(duì)玉米苗期中耕松土的作業(yè)要求，研究設(shè)計(jì)了一種玉米苗期中耕松土裝置。通過設(shè)計(jì)新的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)釘齒式松土裝置，改變了原有的中耕松土方式，達(dá)到了減小土壤擾動(dòng)、減少耕作阻力、降低動(dòng)力消耗及保證作業(yè)效果的目的。

在綜合研究國(guó)內(nèi)外中耕作業(yè)相關(guān)機(jī)具研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)東北壟作區(qū)的區(qū)域特點(diǎn)，結(jié)合玉米小壟單行種植模式的農(nóng)藝特點(diǎn)及玉米苗期中耕松土作業(yè)的特殊要求，設(shè)計(jì)了一種玉米苗期中耕松土裝置。其能夠?qū)崿F(xiàn)玉米苗期的中耕松土，并可在壟側(cè)創(chuàng)造一系列的用于蓄水升溫的孔狀結(jié)構(gòu)。

本文以中耕松土裝置為研究對(duì)象，以錐形釘齒盤的作業(yè)速度及彈簧鎮(zhèn)壓力為試驗(yàn)因素，以釘齒入土深度穩(wěn)定性、釘齒盤滑移率、土壤堅(jiān)實(shí)度差為試驗(yàn)指標(biāo)，選用L9(34)正交表，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，分析規(guī)律影響，優(yōu)選最佳作業(yè)參數(shù)，并驗(yàn)證裝置能否實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

玉米苗期中耕松土裝置主要由主機(jī)架、限深輪、三點(diǎn)懸掛裝置、滑動(dòng)機(jī)架、調(diào)距絲杠、調(diào)節(jié)絲杠螺母、壓桿、壓桿彈簧、釘齒盤架及主要工作部件錐形釘齒盤組成，如圖1所示。其中，限深輪的作用是用于限制主機(jī)架的工作高度及浮動(dòng)仿形作業(yè)，調(diào)節(jié)絲杠螺母焊接于滑動(dòng)機(jī)架上。滑動(dòng)機(jī)架由4個(gè)M14螺栓固裝于主機(jī)架的長(zhǎng)槽固定板上，錐形釘齒盤上內(nèi)置軸承，并由軸固定在釘齒盤架上。

1.錐形釘齒盤　2.釘齒盤架　3.壓桿

玉米苗期中耕松土裝置由拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛作業(yè)。作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)沿著壟向前進(jìn)作業(yè)，由限深輪控制整機(jī)浮動(dòng)仿形作業(yè)，釘齒盤架一側(cè)單鉸與主機(jī)架的長(zhǎng)槽固定架上，另一側(cè)固定在錐形釘齒盤上，則錐形釘齒盤二次單鉸仿形；錐形釘齒盤沿壟向在壟的兩側(cè)被頂滾動(dòng)，錐形釘齒盤圓周上的釘齒間斷地完成入土出土，疏松苗帶兩側(cè)的土壤，并由壓桿上的鎮(zhèn)壓彈簧控制錐形釘齒盤的入土深度；針對(duì)不同的苗帶寬度可調(diào)節(jié)錐形盤內(nèi)側(cè)的間距10～20cm，針對(duì)不同的壟距，作業(yè)壟距也可進(jìn)行50～70cm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，即完成壟側(cè)扎齒式松土作業(yè)。

2材料與方法

2.1試驗(yàn)材料、儀器及裝置

試驗(yàn)于2014年12月10日-20日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)教學(xué)試驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備為自制土槽試驗(yàn)臺(tái)，包括移動(dòng)土槽、電控柜、臺(tái)車、電機(jī)及錐形釘齒盤作業(yè)單體。試驗(yàn)用塑料玉米苗，苗筒高7.5cm、直徑2.5cm，秧苗高度 12cm；卷尺的量程3m，精度為1mm；皮尺量程10m，精度為1cm；直尺量程30cm，精度1mm；TYD-2 型土壤硬度計(jì)(kg/cm2)，TZS-1土壤水分速測(cè)儀/%；土槽內(nèi)土壤含水率16%～19%。試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。

圖2　錐形釘齒盤試驗(yàn)裝置

將錐形釘齒盤成組單體固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。錐形釘齒盤固定在機(jī)架上，土槽移動(dòng)，玉米苗按株距25cm埋在土槽里。

表1　試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以錐形釘齒盤的實(shí)際作業(yè)速度A及控壓彈簧的鎮(zhèn)壓力B為試驗(yàn)因素，以試驗(yàn)前后土壤堅(jiān)實(shí)度差值y1、錐形釘齒盤滑移率y2、釘齒入土深度穩(wěn)定性y3為試驗(yàn)指標(biāo)，應(yīng)用正交試驗(yàn)方法[1-4]，選用L9(34)正交表，進(jìn)行兩因素三水平正交試驗(yàn)，分析因素對(duì)指標(biāo)的影響規(guī)律，優(yōu)選錐形釘齒盤最佳作業(yè)參數(shù)組合，每個(gè)試驗(yàn)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)因素、水平表見表2所示，試驗(yàn)方案如表3所示。

表2　因素水平表

表3　試驗(yàn)方案

2.3試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定

2.3.1土壤堅(jiān)實(shí)度差值

玉米苗及壟體處理完成后，在測(cè)試段隨機(jī)選取10點(diǎn)，測(cè)定入土深度5cm深度下的土壤堅(jiān)實(shí)度值，并求均值B前；按照對(duì)應(yīng)試驗(yàn)處理進(jìn)行試驗(yàn)，以同樣方法測(cè)定作業(yè)后土壤的堅(jiān)實(shí)度的均值B后，則土壤堅(jiān)實(shí)度差值為

B=B前-B后

(1)

式中B—土壤堅(jiān)實(shí)度差(N/cm2)；

B前—作業(yè)前土壤堅(jiān)實(shí)度均值(N/cm2)；

B后—作業(yè)后土壤堅(jiān)實(shí)度均值(N/cm2)。

2.3.2滑移率

錐形釘齒盤在土槽上作業(yè)，按每個(gè)試驗(yàn)處理測(cè)定其實(shí)際行進(jìn)的距離S1，再在錐形釘齒盤的外側(cè)貼定位標(biāo)簽，通過數(shù)標(biāo)簽轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，計(jì)算其行進(jìn)的理論距離S2，則錐形釘齒盤滑移率[5-7]為

(2)

式中η—錐形釘齒盤滑移率(%)；

S1—錐形釘齒盤實(shí)際前進(jìn)距離(cm)；

S2—錐形釘齒盤理論前進(jìn)距離(cm)。

2.3.3入土深度穩(wěn)定性

(3)

式中U—釘齒入土深度穩(wěn)定性(%)；

h—釘齒入土深度的均值(cm)；

T—釘齒入土深度的標(biāo)準(zhǔn)差(cm)；

V—釘齒入土深度的變異系數(shù)(%)。

3結(jié)果與分析

3.1試驗(yàn)方案與結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4　試驗(yàn)結(jié)果

為了評(píng)價(jià)3個(gè)因素對(duì)錐形釘齒盤作業(yè)性能的影響，尋找影響各指標(biāo)的主次因素[8]，并優(yōu)選最佳組合，對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了方差分析，結(jié)果見表5～表7所示。

表5　堅(jiān)實(shí)度差方差分析

表6　滑移率方差分析

表7　入土深度穩(wěn)定性方差分析

根據(jù)表2～表4的因素方差分析，可以確定各個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響的主次順序。選定試驗(yàn)的顯著性水平0.01，則對(duì)于指標(biāo)土壤堅(jiān)實(shí)度差，其主次順序?yàn)锽、A、C，且B因素鎮(zhèn)壓力為極顯著影響，作業(yè)速度及釘齒排數(shù)為顯著影響。試驗(yàn)指標(biāo)滑移率為B、C，兩者皆為極顯著影響；但因素作業(yè)速度對(duì)指標(biāo)滑移率無影響。對(duì)指標(biāo)釘齒入土深度穩(wěn)定性為B 、A 、C，且因素作業(yè)速度及鎮(zhèn)壓力為極顯著影響，釘齒排數(shù)為顯著性影響。

因素對(duì)指標(biāo)堅(jiān)實(shí)度差的影響如圖3所示。

圖3　因素對(duì)堅(jiān)實(shí)度差的影響

由圖3(a)可知：作業(yè)前后土壤堅(jiān)實(shí)度差隨著機(jī)具作業(yè)速度的增加而減小，但并不呈線性減小，而存在一定加劇的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)機(jī)具作業(yè)速度增加時(shí)，由于作業(yè)速度過快，釘齒還未及入土完成松土作業(yè)，土壤松土狀況不佳，會(huì)造成土壤堅(jiān)實(shí)度差的減小。由圖3(b)可知：土壤堅(jiān)實(shí)度差隨著彈簧鎮(zhèn)壓力的增加而增加。已知松土釘齒的入土深度主要與釘齒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及釘齒入土?xí)r的外負(fù)載有關(guān)，因此隨著彈簧鎮(zhèn)壓力的增加，釘齒入土深度增加，松土狀況較好，所以土壤堅(jiān)實(shí)度差增高。由圖3(c)可知：土壤堅(jiān)實(shí)度差隨著釘齒排數(shù)的增加而減小。這是因?yàn)樵阪?zhèn)壓力及作業(yè)速度相同的情況下，釘齒排數(shù)越小則釘齒的松土深度越大，即同樣的負(fù)載由多數(shù)或少數(shù)釘齒來承受，則釘齒松土深度有所不同；但當(dāng)釘齒排數(shù)過少時(shí)，整個(gè)回轉(zhuǎn)圓周在作業(yè)時(shí)松土區(qū)域會(huì)有所減小。因此，在測(cè)定土壤堅(jiān)實(shí)度時(shí)，因隨機(jī)性過大而導(dǎo)致測(cè)定了未松土區(qū)域，致使土壤堅(jiān)實(shí)度差出項(xiàng)上述的趨勢(shì)。也就是說，在8排及10排時(shí)指標(biāo)堅(jiān)實(shí)度差近乎相同，而在12排時(shí)堅(jiān)實(shí)度差顯著減小。

因素對(duì)指標(biāo)滑移率的影響如圖4所示?；坡孰S著彈簧鎮(zhèn)壓力的增加而減小。這是由于當(dāng)彈簧鎮(zhèn)壓力增加時(shí)，釘齒入土深度增加，錐形釘齒盤滾動(dòng)效果增加，滑移減小。由圖4(b)可知：滑移率隨著錐形釘齒盤釘齒排數(shù)的增加而減小。這是因?yàn)楸粍?dòng)回轉(zhuǎn)部件(如地輪、鎮(zhèn)壓輪等)的滑移現(xiàn)象主要是由于地輪的接地處的摩擦力過小而產(chǎn)生的；而當(dāng)釘齒排數(shù)增多時(shí)，同時(shí)作業(yè)的釘齒增加，摩擦力或稱之為附著力增加，因而滑移率降低。

因素對(duì)指標(biāo)入土深度穩(wěn)定性的影響如圖5所示。

圖4　因素對(duì)滑移率的影響

圖5　因素對(duì)入土深度穩(wěn)定性的影響

由圖5(a)可知：釘齒入土深度穩(wěn)定性隨著作業(yè)速度的增加而減小，但減小趨勢(shì)有所減緩。主要原因是：當(dāng)作業(yè)速度增加時(shí)，錐形釘齒盤的作業(yè)跳動(dòng)效果增強(qiáng)，穩(wěn)定性降低，從而產(chǎn)生以上效果；但當(dāng)作業(yè)速度過大時(shí)，由于釘齒未能完成最佳的入土效果，滑移效果增加，因此釘齒入土深度穩(wěn)定性有所減緩。由圖5(b)可知：入土深度穩(wěn)定性隨著彈簧鎮(zhèn)壓力的增加而增加。這是由于當(dāng)彈簧鎮(zhèn)壓力增加時(shí)，釘齒入土深度增加，滑移率降低，完成作業(yè)效果較好。由圖5(c)及其方差分析可知：釘齒排數(shù)對(duì)入土深度穩(wěn)定性有影響，但并非極顯著，且釘齒排數(shù)的增加先減小而后增大。這是因?yàn)獒旪X排數(shù)主要影響錐形釘齒盤在作業(yè)時(shí)的入土頻率，即相鄰釘齒入土的時(shí)間間隔及同時(shí)作業(yè)的釘齒數(shù)。出現(xiàn)上述趨勢(shì)的原因是：12排及10排的釘齒結(jié)構(gòu)導(dǎo)致兩者作業(yè)時(shí)分別保證兩個(gè)釘齒作業(yè)，因此穩(wěn)定性高；而10排釘齒介于兩者之間，作業(yè)波動(dòng)性加大，降低了釘齒入土深度的穩(wěn)定性。

3.2優(yōu)化分析

本次正交試驗(yàn)的目的是尋求因素對(duì)指標(biāo)的影響規(guī)律，優(yōu)選最佳參數(shù)組合。本次優(yōu)化的條件是：在保證作業(yè)質(zhì)量的前提下，提高釘齒入土深度的穩(wěn)定性及土壤堅(jiān)實(shí)度差，減小釘齒盤的滑移率。利用Design-Expert 6.0.10軟件的“參數(shù)優(yōu)化”模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分析，設(shè)定入土深度穩(wěn)定性趨于最大，土壤堅(jiān)實(shí)度差趨于最大，滑移率趨于最小，優(yōu)化得出數(shù)值解：當(dāng)機(jī)具作業(yè)速度為0.5m/s、彈簧鎮(zhèn)壓力為1 000N、釘齒排數(shù)為12排時(shí)，錐形釘齒盤的滑移率為5.1%，入土穩(wěn)定性為94%，土壤堅(jiān)實(shí)度差為30.6N/cm2。

4驗(yàn)證試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，在最佳參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)機(jī)具作業(yè)速度為0.5m/s、彈簧鎮(zhèn)壓力為1 000N、釘齒排數(shù)為12排時(shí)，測(cè)得錐形釘齒盤的滑移率為4.9%，入土穩(wěn)定性為90%，土壤堅(jiān)實(shí)度差為29.2N/cm2。這說明，優(yōu)化結(jié)果是可信的，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的適合性。

5結(jié)論

1)對(duì)錐形釘齒盤組進(jìn)行了土槽試驗(yàn)，結(jié)果表明：錐形釘齒盤基本實(shí)現(xiàn)了其設(shè)計(jì)功能，在壟側(cè)創(chuàng)造了用于松土、升溫、蓄水保墑的孔狀結(jié)構(gòu)。

2)經(jīng)正交試驗(yàn)優(yōu)選最佳組合：當(dāng)作業(yè)速度0.5m/s、鎮(zhèn)壓力為1 000N、釘齒排數(shù)為12排時(shí)，錐形釘齒盤的滑移率為5.1%，入土穩(wěn)定性為94%，土壤堅(jiān)實(shí)度差為30.6N/cm2。在優(yōu)化性能指標(biāo)區(qū)間內(nèi)，優(yōu)化結(jié)果可信，可作為松土機(jī)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)的參考。

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Design and Research of Corn Inter-tillage Ripping Device in Seedling Period

Zhang Weixin, Zhao Wei, Zhou Fujun, Xv Xiaobo

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

Abstract：The paper based on comprehensiveresearching the research status of inter-till operation machine at home and abroad, aimed at state character of the northeast ridge area and combined with the agronomic character of one row in a small ridge cropping pattern and the special requirement about corn inter-tillage ripping operation in seedling period, a new corn inter-tillage ripping device in seedling period has been designed.Complete the prototype test and experiment, the main work content and the results of the test results show as follows: taper pin tooth plate to realize the function of its design, basic on the side of the ridge created for heating water soil conservaton dirt of pore structure. The operation indexes reached the design requirements of cultivating scarification.

Key words：inter-tillage in seeding period; ripping device; corn; seedling period

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0190-05

中圖分類號(hào)：S224.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張偉欣(1987-)，女，河北寧晉人，碩士研究生，(E-mail)zwx8700@126.com。通訊作者：周福君(1969-)，男，哈爾濱人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)fjzhou@163.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B04-1-04)

收稿日期：2015-03-31