超深耕犁的性能試驗與研究分析

張魯云,鄭炫,秦朝民,何興村

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子　832000)

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超深耕犁的性能試驗與研究分析

張魯云,鄭炫,秦朝民,何興村

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子832000)

摘要：【目的】 系統(tǒng)闡述新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的翻轉(zhuǎn)超深耕犁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作業(yè)機(jī)理.【方法】 用數(shù)據(jù)采集器收集了懸掛點(diǎn)所受拉力，經(jīng)過軟件處理顯示了實時曲線，了解深耕作業(yè)時各懸掛點(diǎn)的受力變化情況.【結(jié)果】 通過田間試驗表明，翻轉(zhuǎn)超深耕犁犁耕深度可達(dá)85 cm以上，耕深穩(wěn)定變異系數(shù)小于10%，土垡破碎率大于75%，植被覆蓋率大于85%，工作可靠性均可達(dá)80%以上，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求.【結(jié)論】 試驗證明該型犁具有作業(yè)效率高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)堅固等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的超深耕作業(yè)機(jī)具.

關(guān)鍵詞：深耕犁；數(shù)據(jù)采集；實時曲線；性能試驗

對土壤進(jìn)行深耕深松作業(yè)是大田農(nóng)業(yè)的基本措施之一，其目的在于改善土壤化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)，疏松土壤[1-5]，而且有助于消滅作物病蟲害、田間雜草.農(nóng)作物根系生長發(fā)育需要一定的耕作深度，若耕作深度長期達(dá)不到作物生長需要的深度，土壤熟土層厚度將減少，同時犁底層厚度增加.采用深松機(jī)械進(jìn)行深松作業(yè)，為作物根系生長提供深厚的耕層空間，加速土壤養(yǎng)分分解與積累，促進(jìn)土質(zhì)熟化，提高土壤蓄水保墑能力，可以加厚活土層，進(jìn)一步提高農(nóng)作物產(chǎn)量.

西方發(fā)達(dá)國家對深松機(jī)具研究較早，曾做過大量的試驗研究工作.如美國約翰·迪爾公司生產(chǎn)的擠壓松土式深松機(jī)，德國勞爾公司生產(chǎn)的懸掛式深松機(jī)，日本研制的多功能振動式深松機(jī)，都是性能優(yōu)良的深松機(jī)具.但是進(jìn)口農(nóng)機(jī)具價格較高，缺少零配件供給和售后服務(wù)工作，并且進(jìn)口深松機(jī)械要與超大馬力拖拉機(jī)相配套使用，國內(nèi)現(xiàn)有條件往往很難滿足.

近年來我國雖然也研制出了一些與免耕作業(yè)相配套的深松機(jī)具，但大多生產(chǎn)效率較低、功率輸出有限、作業(yè)速度慢，并且當(dāng)深松速度達(dá)到一定數(shù)值后就很難再進(jìn)行工作了，而且還有可能破壞深松機(jī)具，因此也影響了深松機(jī)具的作業(yè)質(zhì)量.本試驗系統(tǒng)闡述了新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的新型翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作業(yè)機(jī)理，以期為超深耕技術(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù).

1材料與方法

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所根據(jù)我國的實際情況[6]，研制的新型翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁，如圖1所示，主要由上、下牽引板、翻轉(zhuǎn)油缸、主、副犁體、犁柱、犁架大梁等組成.

1：上牽引板；2：翻轉(zhuǎn)油缸固定座：3：翻轉(zhuǎn)油缸；4：主犁鏵；5：主犁壁；6：主犁側(cè)板；7：主犁柵條；8：柵條加強(qiáng)筋；9：副犁鏵 ；10：副犁側(cè)板；11：副犁側(cè)板支撐架；12：副犁體；13：副犁柱；14：下牽引板；15：犁架大梁；16：主犁柱.圖1　翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of overturn doubleaction super-deep plow

進(jìn)行深耕作業(yè)時[7-8]，上、下牽引板與拖拉機(jī)懸掛裝置用懸掛銷進(jìn)行連接，由拖拉機(jī)牽引拖動.主犁體進(jìn)行深耕作業(yè)，副犁體進(jìn)行淺耕作業(yè).到地頭轉(zhuǎn)向時，翻轉(zhuǎn)油缸對犁架進(jìn)行1800轉(zhuǎn)向翻轉(zhuǎn)，主犁體對副犁體淺耕作業(yè)區(qū)進(jìn)行深耕作業(yè)，減小了耕作阻力和拖拉機(jī)連續(xù)進(jìn)行深耕作業(yè)，提高了工作效率.

1.2儀器與設(shè)備

1.2.1數(shù)據(jù)采集器采集器集成了4類通道組：15個模擬標(biāo)準(zhǔn)傳感器信號通道，1個扭矩/速度合成通道，3個轉(zhuǎn)速脈沖信號通道，2個角度信號通道(圖2).將天線連接到采集器，按下電源按鈕，按鈕上的指示燈變亮，采集器開始收集傳感器所發(fā)射數(shù)據(jù).

圖2　數(shù)據(jù)采集器Fig.2　Data acquisition

1.2.2壓力傳感器安裝懸掛式農(nóng)機(jī)具，其水平牽引力為：測得的上拉桿傳感器與兩懸掛銷傳感器三處水平牽引力分力矢量之和.

上拉桿傳感器安裝：按如圖3所示，使上拉桿與拖拉機(jī)后懸掛及被測農(nóng)機(jī)具連接在一起；用相應(yīng)的通信線纜，連接上拉桿(拉壓力信號接口)與數(shù)據(jù)采集器的對應(yīng)通道接口；用相應(yīng)的通信線纜，連接上拉桿(角度信號接口)與數(shù)據(jù)采集器的對應(yīng)通道接口.

圖3　上拉桿傳感器安裝Fig.3　The rod sensor installation

根據(jù)拖拉機(jī)牽引力學(xué)原理，上拉桿是純兩力桿結(jié)構(gòu)，受到拉力或者壓力F1，田間測試作業(yè)時，上拉桿傳感器在測力同時還實時測得上拉桿與地面的相對角度α，因此可得到上拉桿受到的水平牽引力為F1×cosα，則當(dāng)以機(jī)具牽引阻力方向為正方向時，上拉桿受拉力時水平牽引力為正受力，受壓力時水平牽引力為負(fù)受力；上拉桿受到的牽引阻力垂直分力為F1×sinα，則當(dāng)以機(jī)具牽引阻力方向為正方向時，上拉桿受壓力時牽引阻力垂直分力為正受力，受拉力時牽引阻力垂直分力為負(fù)受力.

下懸掛銷傳感器安裝：如圖4所示，使左右兩個下懸掛銷與拖拉機(jī)后懸掛及被測農(nóng)機(jī)具連接在一起；用相應(yīng)的通信線纜，連接左側(cè)下懸掛銷(拉壓力信號接口)與數(shù)據(jù)采集器的對應(yīng)通道接口；用相應(yīng)的通信線纜，連接右側(cè)下懸掛銷(角度信號接口)與數(shù)據(jù)采集器的對應(yīng)通道接口.

圖4　下懸掛銷傳感器安裝Fig.4　Under the suspension pins sensor installation

主機(jī)一般為筆記本電腦，操作系統(tǒng)為WinXP或Win7,無線設(shè)備通過USB接口連接到主機(jī),如圖5所示.

圖5　主機(jī)連接Fig.5　Host computer connection

2結(jié)果與分析

2.1試驗場地

試驗于2014年11月12日-13日在位于新疆石河子農(nóng)墾科學(xué)院試驗基地[9-10](樣區(qū)中心坐標(biāo)為N 43°26＇,E 84°58＇)的一塊收割過的玉米地進(jìn)行，該地段約為500 m×800 m,形狀呈矩形.試驗樣機(jī)為翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁1號樣機(jī)，配套動力為雷沃歐豹TG1454拖拉機(jī)，發(fā)動機(jī)功率106.2 kW，標(biāo)準(zhǔn)牽引力32 kN，最大提升力28 kN.地理位置屬于溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)，年平均氣溫為6.5～7.2 ℃，年平均降水量125.0～207.7 mm.土壤地質(zhì)為粘質(zhì)土壤，土壤含水率為7.6%，平均干容積密度為1.5～1.7 g/cm3.該時期剛進(jìn)行過秋季作物收獲，土壤裸露無植被，處于秋季末期，還未下雪，是進(jìn)行秋季深耕作業(yè)的理想時期.

2.2翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁性能試驗

試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14225-2008《鏵式犁的參數(shù)與技術(shù)要求》，GB/5667-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗方法》，并結(jié)合實際情況確定試驗指標(biāo)：作業(yè)速度、純小時生產(chǎn)率、耕深、耕深穩(wěn)定變異系數(shù)、碎土率、植被覆蓋率、工作可靠性等,田間實地測試結(jié)果見表1[11-13].

表1　超深耕犁田間試驗結(jié)果

2.3軟件操作運(yùn)行

軟件操作界面如圖6所示，此次試驗主要測量、收集上懸掛點(diǎn)和左右兩個下懸掛點(diǎn)數(shù)據(jù).

2.4數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本檢測軟件將數(shù)據(jù)分為3個層次，如圖7所示.

虛擬通道與物理通道的對應(yīng)關(guān)系如表2所示，其中物理通道數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)采集器各路通道的原始數(shù)值，對于4～20 mA的一般傳感器信號，系統(tǒng)在內(nèi)部將其轉(zhuǎn)變?yōu)?00～4 000的數(shù)值，對于特殊的角度信號0.5～4.5 V，系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)?～4 000的數(shù)值；將物理通道數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定(如800～4 000值換算成電流值，即除以200后再換算成扭矩值)后即為虛擬通道數(shù)據(jù)，這種比例的換算軟件已內(nèi)置；通過對虛擬通道數(shù)據(jù)進(jìn)行組合運(yùn)算(如ch1+ch2+ch3*ch4或ch1等等)后即為顯示數(shù)據(jù).

圖6　軟件界面Fig.6　Software interface

圖7　數(shù)據(jù)層次Fig.7　Data hierarchy

虛擬通道物理通道ch0～ch14通道1～通道15ch15扭矩/速度1:扭矩ch16角度1ch17角度2ch18扭矩/速度1:速度1ch19速度2

2.5數(shù)據(jù)采樣顯示

測試數(shù)據(jù)界面如圖8所示，顯示各個傳感器的實時數(shù)據(jù).

上拉桿、左右懸掛銷的數(shù)據(jù)實時曲線顯示界面如圖9所示.

根據(jù)收集、存儲數(shù)據(jù)所生成曲線如圖10所示，僅以左下懸掛點(diǎn)為例，在拖拉機(jī)平穩(wěn)作業(yè)時，截取試

圖8　測試數(shù)據(jù)界面Fig.8　Test data interface

圖9　數(shù)據(jù)實時曲線界面Fig.9　Data real-time curve interface

圖10　拉力曲線圖Fig.10　Pull graph

驗時間5 min內(nèi)數(shù)據(jù).

2.6數(shù)據(jù)分析

從試驗采集數(shù)據(jù)生成曲線圖10可以看出：拉力在26～30.5 kN變化，受力相對均勻，沒有較大的波動.翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁三點(diǎn)懸掛受力均衡，設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，且工作可靠、動作協(xié)調(diào)、性能穩(wěn)定.

試驗結(jié)果表明：翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁可較好地完成超深耕作業(yè)[14-15]；具有良好的作業(yè)性能和作業(yè)效果；土垡破碎率、植被覆蓋率、工作可靠性均可達(dá)80%以上，通過現(xiàn)場實地挖掘測量，主犁最大耕深85 cm,小副犁最大耕深15 cm，完全達(dá)到了設(shè)計要求.

通過試驗也表明了兩點(diǎn)不足之處：

1)配套動力雷沃歐豹TG1454拖拉機(jī)，因其發(fā)動機(jī)功率僅為106.2 kW，在進(jìn)行深耕作業(yè)時(尤其是高速行駛時)容易熄火，明顯感到發(fā)動機(jī)率偏小，建議采用大馬力拖拉機(jī)與深耕犁配套使用，更好地發(fā)揮深耕犁的優(yōu)異性能.

2)深耕作業(yè)后犁體后部柵條出現(xiàn)變形，影響作業(yè)質(zhì)量，建議采用高強(qiáng)度鋼制作犁體柵條，并進(jìn)行熱強(qiáng)度處理，避免深耕作業(yè)時犁體柵條出現(xiàn)變形情況.

3討論與結(jié)論

1)實踐證明長期單一的種植模式[16-17]，尤其是近年來實施的保護(hù)性免耕耕作方式，導(dǎo)致土壤肥力下降、板結(jié)加劇、病菌感染、病蟲害增加，土壤容重增大導(dǎo)致作物根系對水分和養(yǎng)分的吸收能力下降，直接影響了作物的產(chǎn)量和質(zhì)量.

2)經(jīng)過多年試驗表明，通過超深耕深翻作業(yè)可以有效改善土壤結(jié)構(gòu),消滅雜草、減少病蟲害，增加土壤蓄水保墑抗旱的能力，提高了作物產(chǎn)量、質(zhì)量[18].統(tǒng)計數(shù)據(jù)證明，相對于傳統(tǒng)翻耕地，深松耕作能使0～30 cm土層容重降低0.1 t/m3左右[19]，提高0～50 cm土層含水率10.9%左右，0～2 m土層含水率11.2%左右，增加作物產(chǎn)量5.7%～11.3%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益.

3)新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的新型翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁，根據(jù)我國北方旱區(qū)農(nóng)業(yè)實際情況設(shè)計，通過田間實地測試證明，可以較好地完成深耕作業(yè).該型深耕犁設(shè)計思想前衛(wèi)，結(jié)構(gòu)合理，可進(jìn)行調(diào)幅和入土角調(diào)整.通過田間試驗，樣機(jī)犁的耕深、耕寬穩(wěn)定性、翻垡效果、殘茬覆蓋率、作業(yè)效果均滿足設(shè)計要求.采用附帶小副犁的獨(dú)特設(shè)計能有效減小主犁體耕作阻力，提高耕深及拖拉機(jī)行走穩(wěn)定性.

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(責(zé)任編輯趙曉倩)

Performance test and analysis of super-deep plow

ZHANG Lu-yun，ZHENG Xuan，QIN Zhao-min，HE Xing-cun

(Machinery and Equipment Institute of Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences,Shihezi 832000,China)

Abstract：【Objective】Expounding the structural characteristics and operation mechanism of overturn super-deep plow to provide theoretical reference data for application of super-deep technology.【Method】The tensile at suspension point was collected by data acquisition and processed by software to get real-time curve and learn the change of force at each suspension point during deep plowing work.【Result】 Field test showed that plowed depth by the overturn super-deep plow above 85 cm,variation coefficient of tillage depth stability was less than 10%,breaking rate of soil furrow was above 75% ,vegetation coverage was over 85% and work reliability could reach more than 80%,which met the design requirements.【Conclusion】Super-deep plow characterized by high efficiency,good stability and firm structure and was a super-deep plow work tool with good performance.

Key words：super-deep plow；data acquisition；real-time curve；performance test

通信作者：鄭炫，女，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)具設(shè)計與理論研究.E-mail：jiazhengxuan@sohu.com

基金項目：國家科技支撐計劃(2014BAD06B00)；新疆農(nóng)墾科學(xué)院引導(dǎo)計劃(79YYD201504).

收稿日期：2015-03-27；修回日期：2015-04-24

中圖分類號：S 222.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)01-0156-05

第一作者：張魯云(1972-)，男，碩士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)具設(shè)計制造研究.E-mail：zhangluyun1972@163.com