合墑碎土機的設計與試驗研究

劉恩宏

（哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院，哈爾濱150029）

合墑碎土機的設計與試驗研究

劉恩宏

（哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院，哈爾濱150029）

針對耕整機具作業(yè)后，土垡間存在很多較大的孔隙，土壤的松碎程度與地表的平整度還不能滿足播種和栽植的要求，達不到待播狀態(tài)。設計了一種牽引式合墑碎土機，闡述了其總體結(jié)構(gòu)，研究了對稱分布的球面圓盤式合墑機構(gòu)，分析其運動特性，并以作業(yè)速度、合墑盤直徑和合墑盤偏角為影響因素對其工作性能進行正交試驗研究。田間試驗結(jié)果表明：作業(yè)速度為12 km·h-1，合墑盤直徑為460 mm，合墑盤偏角為18°時，得到較優(yōu)工作參數(shù)，即平整度標準差為0.442 cm，地表10 cm內(nèi)碎土率為90.81%，滿足深耕淺覆、鎮(zhèn)壓保墑、集雨抗旱等農(nóng)藝要求。

農(nóng)業(yè)機械；設計；試驗；合墑；碎土

我國北方（特別是東北）干旱缺水，地力下降，水土流失嚴重等問題，對農(nóng)業(yè)糧食產(chǎn)量影響甚大［1-4］。傳統(tǒng)耕作方法，無論是春播前的旋耕作業(yè)，還是秋收后的滅茬、深松聯(lián)合作業(yè)，土壤均達不到上層細碎緊實，中層全面松動，下層虛實相間的耕層結(jié)構(gòu)，無法為作物的發(fā)芽和生長創(chuàng)造良好的條件［5-6］。因此必須盡快開展以蓄水保墑、培肥地力為核心的保護性耕作技術(shù)研究，推廣研制適用于東北旱作區(qū)農(nóng)機與農(nóng)藝緊密結(jié)合的綜合技術(shù)及與之適應的關鍵技術(shù)裝備［7-9］。

針對這一現(xiàn)狀，設計了一種牽引式合墑碎土機，對整機結(jié)構(gòu)進行設計，并通過田間正交試驗研究，得出平整度值低而碎土率高時，作業(yè)速度、合墑盤直徑和合墑盤偏角三者之間的優(yōu)化組合。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

牽引式合墑碎土機主要是針對滅茬、深松等耕整機具作業(yè)后覆土碎土等問題而設計的。如圖1所示，牽引式合墑碎土機主要由牽引架、合墑裝置、機架、碎土加壓裝置和碎土裝置等組成。

主要技術(shù)參數(shù)：整機外形尺寸（長×寬×高）為2 800 mm×2 000 mm×1 100 mm，配套動力40.4 kW以上，整機質(zhì)量為460 kg，作業(yè)幅寬為1 700 mm，合墑行距為660～760 mm（可調(diào)），合墑深度為60～100 mm，作業(yè)速度為5～12 km·h-1。

圖1 合墑碎土機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of field-ditch filling and breaking machine

牽引式合墑碎土機作業(yè)時，拖拉機通過牽引裝置將牽引力傳遞給機具，在重力和牽引力的共同作用下，通過添加配重的方式，使機具達到合理的入土工作深度；通過對稱分布的球面圓盤式合墑裝置的剪切和摩擦作用力，使土壤表層出現(xiàn)相對位移，以達到疏松土壤和平整地表的作用；同時碎土裝置對地表進行鎮(zhèn)壓與平整，將土壤中較大的土塊拋起并打碎，把適合種子發(fā)芽的土壤均勻平鋪在一個平面上，形成有利于作物生長的土壤耕層結(jié)構(gòu)，使其達到待播狀態(tài)。

2 關鍵部件設計

2.1 合墑裝置設計

2.1.1 合墑盤直徑

根據(jù)球面合墑盤入土深度、土壤擾動量及根茬處理技術(shù)等要求，按照公式（1）計算球面合墑盤直徑。

式中K——徑深比系數(shù)；a——設計合墑深度，mm。

根據(jù)不同的合墑盤入土深度，計算出球面合墑盤直徑分別為460 mm、560 mm和660 mm。

2.1.2 合墑裝置結(jié)構(gòu)

因此，術(shù)前增加營養(yǎng)支持治療，改善患者自身營養(yǎng)狀況，降低患者體內(nèi)炎癥因子水平，選擇自體骨粒進行移植，尤其是對于年齡較高和累及多個椎體的患者，可促進胸腰椎結(jié)核手術(shù)患者的早期植骨融合，促進術(shù)后康復。

合墑裝置主要由固定連接架、壓縮彈簧、支撐梁、連接板、合墑支柄及合墑盤等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。球面合墑盤通過帶座軸承安裝在合墑支柄上，螺栓將合墑支柄固定在連接板上，連接板上的槽可以調(diào)整其安裝角度，連接板焊接在支撐梁上，并與固定連接架相連，壓縮彈簧安裝在固定連接架與支撐板之間，提供預緊力，并可以通過雙螺母來調(diào)節(jié)預緊力的大小。

圖2 合墑裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of field-ditch filling implement

由于合墑盤刃口平面與機具的前進方向成一定的銳角，合墑盤在滾動的同時沿前進方向平動，從而起到推土、鏟草、碎土和覆土的作用，如圖3所示。

圖3 合墑盤任意一點運動軌跡分析簡圖Fig.3 Diagram of moving trajectory on the field-ditch filling disc

2.2 碎土裝置設計

2.2.1 碎土裝置結(jié)構(gòu)

碎土裝置的作用是對土壤表層土塊再次疏碎并壓實，以減小土塊的間隙，被揚起的小土塊和細土粒落在地表，形成上虛下實的理想種床，防止水分蒸發(fā)損失（保墑），同時還利于深層土壤水分通過毛細管上升，聚集在播種層，促進種子發(fā)芽（提墑）［10-13］。如圖4所示，碎土裝置由橫梁、連接板、帶座軸承和碎土輥等組成。

圖4 碎土裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of soil breaking implement

2.2.2 碎土輥直徑

碎土輥是由六片凹面鋼板焊接而成的，這種結(jié)構(gòu)即保留了柵條式碎土棍的入土、復土和滾動碎土功能，又可利用凹形曲面對土壤進行細化和鎮(zhèn)壓，并且具有下透力大，能將心土壓實，滾動阻力小和作業(yè)效率高等優(yōu)點。

根據(jù)阻力的大小與碎土輥的半徑成反比的原理，適當加大碎土輥直徑以減小滾動阻力。并且依據(jù)碎土輥最小直徑應滿足式（2）的計算值

式中d——碎土輥直徑，mm；a1——碎土輥輪轍深度，mm；α——碎土輥翻轉(zhuǎn)角。

由公式（2）確定碎土輥直徑d=460 mm較為適宜。

2.3 碎土加壓裝置

碎土鎮(zhèn)壓強度低起不到提墑效果，但過高又會造成土壤板結(jié)而影響作物出苗生長，因此在保證碎土鎮(zhèn)壓強度的條件下，直徑和寬度應盡量取小值［13-15］。碎土輥直徑為460 mm，寬度為1 700 mm，用厚度為6 mm的凹面鋼板焊接而成，質(zhì)量為189 kg，碎土輥接地面積為

式中L——碎土輥與地面接觸弧段的弦長，mm；b—碎土輥寬度，mm；r——鎮(zhèn)壓輪半徑，mm；φ為土壤對碎土輥阻力的合力與垂直方向的夾角。

鎮(zhèn)壓強度為

3 平整碎土性能試驗

3.1 試驗條件

2011年在農(nóng)業(yè)科學院實驗基地安排了樣機的田間試驗。土壤類型為黑土，土壤容重為1.4 g·cm-3，土壤含水率平均值為21.7%，地表10 cm內(nèi)土壤堅實度平均值為23.7 kPa。試驗前對試驗田進行滅茬、深松處理，使試驗地表面平坦，無浮茬，達到理想的試驗條件。

試驗儀器設備有紐荷蘭904型拖拉機一臺，電子天平一臺，土壤水分測定儀一臺，土壤堅實度儀一臺，SET-1型電子秒表一塊，30 m纖維卷尺一把，耕深尺一把。

3.2 試驗方案

試驗目的是尋求合墑碎土的最優(yōu)工藝參數(shù)，即保證碎土率高、平整度值低的情況下，關鍵部件的最優(yōu)參數(shù)組合。根據(jù)牽引式合墑碎土機的結(jié)構(gòu)、工作原理及關鍵工作部件的位置關系，結(jié)合前期單因素試驗的分析結(jié)果，選擇試驗因素為：作業(yè)速度、合墑盤直徑和合墑盤偏角，并考慮合墑盤直徑與合墑盤偏角之間的交互作用。試驗因素水平如表1所示。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels table of experiment

選用L9（34）的正交表來安排正交試驗，試驗以碎土率和平整度作為響應指標，試驗參數(shù)和實驗結(jié)果如表2和表3所示，圖4和圖5分別為碎土率和平整度的變化趨勢圖。

表2 碎土率試驗結(jié)果Table 2 Results of soil breaking rate

圖5 碎土率變化趨勢Fig.5 Soil breaking rate trend

圖6 平整度變化趨勢Fig.6 Flatness trend

4 試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)分析

由表2、表3的極差大小可以得出各因素對目標函數(shù)影響的主次順序。碎土率依次為B、A、C、B×C，平整度依次為C、B、A、B×C。根據(jù)表2、表3中的試驗結(jié)果，得出初步最優(yōu)組合為A3B1C3。為了尋求最優(yōu)的參數(shù)水平組合，對數(shù)據(jù)進行方差分析，分析結(jié)果如表4、表5所示。

由表4、表5的方差分析表可以看出，當顯著性水平α為0.05時，因素A、B對碎土率和平整度有顯著影響，其他因素對試驗指標的影響相對較小。碎土率數(shù)值越大說明碎土效果越好，而平整度值越小表明地表平整度越高，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析可知，最優(yōu)的參數(shù)組合為A3B1C3，該試驗水平組合即為試驗7，與運用極差分析所得結(jié)果一致，即作業(yè)速度為12 km·h-1、合墑盤直徑為460 mm、合墑盤偏角為18°，此時平整度標準差為0.442 cm，地表10 cm內(nèi)碎土率為90.81%。

4.2 驗證試驗

為了驗證最優(yōu)方案的穩(wěn)定性與合理性，選取上述試驗中的最優(yōu)參數(shù)水平做多次重復試驗，并取試驗結(jié)果的平均值進行驗證，驗證試驗結(jié)果如表6所示。

表3 平整度試驗結(jié)果Table 3 Results of flatness experiment

表4 試驗結(jié)果對碎土率影響的方差分析表Table 4 Variance analysis of experiment results to soil breaking rate

表5 試驗結(jié)果對平整度影響的方差分析表Table 5 Variance analysis of experiment results to flatness

表6 驗證試驗結(jié)果Table 6 Verification experiment results

由表6可知，驗證試驗結(jié)果表明，采用最優(yōu)組合方案，碎土率和平整度的實測值雖然比預測值稍小一點，但差值不大，且均在農(nóng)藝要求范圍內(nèi)，碎土率大于90%，平整度小于0.45 cm。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)保護性耕作要求，設計了一種牽引式合墑碎土機。整機主要由牽引架、合墑裝置、機架、碎土連接架、碎土裝置等組成，合墑裝置采用對稱式球面圓盤，碎土裝置由六片凹面鋼板焊接而成，實現(xiàn)了碎土覆土、鎮(zhèn)壓保墑的目的。

（2）以碎土率和平整度為響應指標，進行了田間正交試驗，確定了合墑碎土機的最優(yōu)工作參數(shù)組合為：作業(yè)速度為12 km·h-1、合墑盤直徑為460 mm、合墑盤偏角為18°。驗證試驗表明，該機地表10 cm內(nèi)碎土率大于90%，平整度小于0.25 cm，在作業(yè)性能上滿足了農(nóng)業(yè)技術(shù)要求。

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Design and Experiment of Field-ditch Filling and Breaking M achine

Liu Enhong
（Harbin Academy of Agricultural Sciences，Harbin 150029）

There were a lot of larger pores between the soil，the loose level and flatness of the soil after tillage equipment working，which could not fulfill the sowing and planting requirements.A trailing type of field-ditch filling and breaking machine was designed.Its general structure was expounded，the symmetrical type of spherical field-ditch filling disc studied and the motion characteristics analyzed.The three factors and three levels orthogonal tests were designed in the experiment that working velocity，diameter of the soil moisture filling disc，angle of the soil moisture fill disc as influence factors.The field experiment results showed that：the optimal parameters that working velocity was 12 km/h-1，diameter of the soil moisture fill disc was 460 mm，angle of the soil moisture fill disc was 18°，at that time the soil-breaking rate was 90.81%，the field surface flatness was 0.442 cm，which could meet all the agricultural demands.

agriculture machinery；design；experiment；field-ditch filling；soil breaking

S222.4

A

1002-2090（2016）03-0118-06

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.03.023

2015-10-12

“十一五”國家科技支撐計劃資助項目（2006BAD11A053）；哈爾濱市科技攻關計劃資助項目（2011AA6BN023）。

劉恩宏（1971-），男，高級工程師，哈爾濱工業(yè)大學畢業(yè)，現(xiàn)主要主要從事植保機械、耕整地機械的研究。