球墨鑄鐵深松鏟尖磨損試驗分析

郭建永，李慶達(dá)，胡 軍，付 強(qiáng)，李宇飛

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319 )

球墨鑄鐵深松鏟尖磨損試驗分析

郭建永，李慶達(dá)，胡 軍，付 強(qiáng)，李宇飛

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319 )

通過對比球墨鑄鐵與進(jìn)口鏟尖在相同時間、相同工作量下的失重量，探究了兩種材質(zhì)的耐磨性能，驗證了球墨鑄鐵鏟尖作為鑄鋼鏟尖替代品的可能性。在相同工作量時，球墨鑄鐵的耐磨性能與進(jìn)口鏟尖一致。深松技術(shù)能提高土壤蓄水保墑的能力，球墨鑄鐵鏟尖作為進(jìn)口鏟尖的替代品，同樣能達(dá)到深松的效果，使土壤的容重降低并提高土壤的蓄水保墑能力。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，深松前土壤含水率為14.29%，深松后土壤含水率為15.30%，深松后土壤平均含水率提高1%，深松前土壤容重為1.92g/cm3，深松后土壤容重為1.35g/cm3，深松后土壤容重降低0.57g/cm3，有利于農(nóng)作物的生長。

農(nóng)業(yè)工程；保護(hù)性耕作；深松；土壤參數(shù)

0 引言

農(nóng)作物的生長離不開土壤，土壤的狀態(tài)會直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，國內(nèi)外大量的實踐研究表明，合理的耕作制度可以有效保持或提高土壤的肥力，增加作物產(chǎn)量[1]。過去我國主要的耕作方式是鏵式犁耕作，特點(diǎn)是對土壤進(jìn)行翻耕。這種方法不僅會破壞土壤的物理結(jié)構(gòu)，使土壤肥力減弱，還會破壞地表植被，導(dǎo)致土壤的保墑能力及抵抗狂風(fēng)與干旱天氣的能力下降，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。為了改善這一現(xiàn)象，深松免耕保護(hù)性耕作模式逐漸興起[2]。

保護(hù)性耕作是通過地表生物覆蓋、少耕甚至免耕的形式增加土壤水分，減輕土壤水蝕、風(fēng)蝕，減少水土流失，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種新型耕作模式，它可以有效減緩?fù)恋赝嘶?，從而抑制沙塵暴的產(chǎn)生。根據(jù)有關(guān)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，保護(hù)性耕作能減少60%的沙塵天氣，有效抑制沙塵暴的產(chǎn)生，相對于不進(jìn)行保護(hù)性耕作的土壤，應(yīng)用保護(hù)性耕作技術(shù)的耕地儲水量能增加15%，保護(hù)性耕作能減少地表水土流失60%左右。由此可以看出，在保持土壤水土和保護(hù)生態(tài)文明環(huán)境方面，保護(hù)性耕作方式具有很大的作用。除此之外，由于保護(hù)性耕作方式要求大量的作物殘茬覆蓋地表，相對于不進(jìn)行保護(hù)性耕作的土壤，土壤肥力(有機(jī)質(zhì)含量)可提高0.03%，增加單位面積內(nèi)玉米、小麥等農(nóng)作物產(chǎn)量的15%～17%。由于保護(hù)性耕作方式相對于傳統(tǒng)耕作方式可減少2～4道作業(yè)工序，可節(jié)約人工成本50%～60%，綜合經(jīng)濟(jì)效益可提高20%～30%[2]。

深松耕作是保護(hù)性耕作四大技術(shù)之一，是指利用鑿形犁或松耕鏟等松土工具在不翻轉(zhuǎn)土層的條件下對土壤進(jìn)行疏松，機(jī)械化深松作業(yè)可以打破土壤堅硬的犁底層，改善耕地土壤的物理性質(zhì)，降低土壤容重，減少水土流失，改善上下層土壤的固、液、氣三相比例，促進(jìn)根系生長，有利于作物對土壤中養(yǎng)分的吸收。同時，深松作業(yè)可以對農(nóng)作物生長發(fā)育與降水情況起到調(diào)節(jié)作用，多雨時期將大量的雨水儲蓄到地下，干旱時作物通過毛細(xì)管吸收[3-5]。

磨損是造成農(nóng)業(yè)機(jī)械部件失效的最主要原因，約占農(nóng)機(jī)部件失效的80%[6]。所以，目前我國發(fā)展深松作業(yè)面臨的主要問題是如何解決深松機(jī)械磨損問題[7-9]。深松機(jī)械的鏟尖部分由于與土壤直接接觸，并且要破壞堅硬的犁底層，所以鏟尖部分磨損最嚴(yán)重。圖1為海拉爾地區(qū)某農(nóng)場使用報廢的深松鏟尖，鏟尖磨損后會引起變形，增加拖拉機(jī)牽引時的工作阻力，油耗量增加，經(jīng)濟(jì)成本也會隨之增加。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的鏟尖主要以鑄鋼為主，國內(nèi)生產(chǎn)的深松鏟尖價格低廉，但性能較差，工作壽命約為進(jìn)口鏟尖的1/3左右；進(jìn)口的深松鏟尖性能較好，但價格昂貴。如何研發(fā)出一款價格相對較低、性能較好的深松鏟尖成為目前深松耕作發(fā)展的一個新方向。

圖1 磨損鏟尖與新鏟尖對比圖Fig.1 Comparison of the wear shovel tip and the new shovel tip

根據(jù)農(nóng)民使用完鑄鋼鏟尖后給的反饋可以看出：鑄鋼性能雖然耐磨性能較好，但塑性較差，在田間耕作時，由于地下情況較為復(fù)雜，容易碰到石頭等堅硬的物體發(fā)生沖擊導(dǎo)致鏟尖破碎。針對這一現(xiàn)象，本次試驗對象采用的球墨鑄鐵鏟尖，作為鋼的替代品。1949年，人類開發(fā)出了球墨鑄鐵，球墨鑄鐵在成本上比鑄鋼低，且球墨鑄鐵的鑄造效率更高，加工成本較低。在強(qiáng)度方面，球墨鑄鐵比普通鑄鐵具有絕對的優(yōu)勢，在球墨鑄鐵的微觀照片中(見圖2)，球狀的石墨能有效阻止內(nèi)部裂縫的蔓延，所以球墨鑄鐵制成的鏟尖(見圖3)具有良好的韌性，可有效降低鏟尖斷裂的幾率。

圖2 球墨鑄鐵中的石墨組織Fig.2 graphite structure in nodular graphite cast iron

1 田間試驗

相對于鑄鋼成分的鏟尖，球墨鑄鐵制成的鏟尖具有生產(chǎn)和加工成本低、在保證強(qiáng)度的同時韌性高的優(yōu)點(diǎn)。此次試驗分別在2015年10月份和2016年5月份進(jìn)行，試驗對象為凱斯聯(lián)合整地機(jī)9300，如圖4所示。此款聯(lián)合整地機(jī)整地幅寬為6.9m，試驗時使用凱斯393kW的大馬力拖拉機(jī)進(jìn)行牽引。圖5為凱斯393kW拖拉機(jī)，耕深為30cm，拖拉機(jī)行駛速度為8～10km/h，試驗方法采用靜態(tài)失重法，試驗結(jié)束后對鏟尖進(jìn)行清理、拆卸，用電子稱對鏟尖進(jìn)行稱重并記錄。

圖3 球墨鑄鐵鏟尖微觀照片F(xiàn)ig.3 micro photo of ductile cast iron shovel

圖4 凱斯9300聯(lián)合整地機(jī)Fig.4 case 9300 combination machine

圖5 凱斯大馬力拖拉機(jī)(246kW)Fig.5 case of large horsepower tractor (246kW)

2015年10月，鏟尖田間磨損試驗共安裝3個鏟尖，分別編號1#、2#、3#。其中，1#、2#鏟尖，材質(zhì)為球墨鑄鐵，3#為進(jìn)口鏟尖。試驗過程中的測量參數(shù)如表1所示。

表1 海拉爾試驗數(shù)據(jù)記錄

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出：在工作量與工作環(huán)境相同時，球墨鑄鐵制成的深松鏟尖的耐磨性能與進(jìn)口鏟尖一致，甚至比進(jìn)口鏟尖耐磨性能稍佳。

2016年5月，再次來到海拉爾地區(qū)進(jìn)行深松鏟尖的田間磨損試驗。此次試驗共安裝了6個鏟尖，材質(zhì)為球墨鑄鐵。此次試驗安裝的6個鏟尖中，有2個是2015年在海拉爾做過磨損試驗的，分別編號1#、2#，與2015年田間磨損試驗時的編號保持一致；其余4個安裝的鏟尖均為新鏟尖，未做過磨損試驗的，分別編號3#、4#、5#、6#，材質(zhì)為球墨鑄鐵。試驗開始前對鏟尖分別進(jìn)行稱重，并記錄；試驗結(jié)束后，將鏟尖表面附著的土壤清理干凈，并進(jìn)行稱重，兩次稱重質(zhì)量的差值即為鏟尖的磨損量，磨損量的大小可以直接反應(yīng)出鏟尖的耐磨性能。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 鏟尖失重量記錄

經(jīng)過35h的磨損試驗之后，安裝的6個鏟尖1個丟失，其余5個基本報廢。對鏟尖清理后發(fā)現(xiàn)鏟尖的形狀有嚴(yán)重的變形，如圖6所示。除了在形狀上有很大的變化外，厚度方面也具有很大的變化，如圖7所示。

圖6、圖7中，編號為8#的鏟尖為農(nóng)場使用中遺棄的鏟尖，在形狀上與本次試驗的鏟尖做對比。為了更加準(zhǔn)確地表示出鏟尖形狀上的變化量，本次田間磨損試驗結(jié)束后，用游標(biāo)卡尺對鏟尖的形狀進(jìn)行了測量。由于鏟尖的下方磨損不嚴(yán)重，在鏟尖的末端位置選取一條基準(zhǔn)線，每隔10mm用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。基準(zhǔn)選擇如圖8所示，鏟尖的磨損高度變化量如表3所示。

圖6 磨損鏟尖與新鏟尖形狀對比Fig.6 Comparison of the shape of the worn shovel and the new shovel

圖7 磨損鏟尖與新鏟尖厚度對比Fig.7 Comparison of the blade tip and the thickness of the new shovel

圖8 基準(zhǔn)線選擇標(biāo)準(zhǔn)Fig.8 baseline selection criteria表3 鏟尖磨損高度變化量Table 3 The height change of the tip of the shovel mm

選取適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噷︾P尖進(jìn)行加工可有效提高鏟尖的耐磨性能，但由于熱處理加工成本較高，目前并沒有在鏟尖方面大規(guī)模推廣使用。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，鏟尖的磨損主要為中間1/3處。針對這一發(fā)現(xiàn)，以后在解決鏟尖耐磨性能不足這一問題時，可以采取在鏟尖中間1/3處進(jìn)行表面處理、提高指定區(qū)域耐磨性能的方法，可大大降低加工成本。

2 土壤參數(shù)

作為進(jìn)口鏟尖的替代品，球墨鑄鐵鏟尖需要具備能夠提高土壤蓄水保墑能力的作用，還要降低土壤的容重，促進(jìn)農(nóng)作物的生長。由于深松鏟尖磨損是與土壤顆粒進(jìn)行摩擦，土壤的一些參數(shù)(如含砂率、含水率、容重)對鏟尖的磨損有很大的影響。土壤容重的大小是衡量土壤是否利于作物生長的一個重要指標(biāo)，所以2016年5月在進(jìn)行田間磨損試驗，對土壤參數(shù)進(jìn)行了測量。

2.1 土壤堅實度

土壤的堅實度大小會影響鏟尖的受力，如果土壤的堅實度過大，鏟尖發(fā)生斷裂的可能性會大大增加。此次試驗時，測量土壤堅實度的儀器為土壤堅實度測量儀，將儀器的探針插入到指定深度，此次深松鏟尖田間試驗的耕深為30cm，所以此次測量土壤堅實度將探針插入到30cm。該土壤堅實度儀有兩種鉆頭，大鉆頭適用于較軟的土層，讀取表盤外側(cè)示數(shù)；小號鉆頭適用于較硬的土層，讀取表盤內(nèi)測示數(shù)，讀取示數(shù)后根據(jù)公式換算成常用的壓強(qiáng)單位。土壤堅實度田間測量試驗如圖9所示。儀表的單位為磅/英寸(psi)，與常見的壓強(qiáng)單位(kg/cm2)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：1 psi=0.070 3kg/cm2。此次試驗共隨機(jī)選取了7處未進(jìn)行深松的土地，土壤堅實度數(shù)據(jù)如表4所示。

編號示數(shù)/psi壓強(qiáng)/kg·cm-21160.411.32143.410.13124.58.84128.39.05134.09.46167.911.87183.012.9平均值148.810.5

董升濤[10]在其文獻(xiàn)中寫到:黑龍江龍鎮(zhèn)農(nóng)場的土壤堅實度平均為25 kg/cm2堅實度，高出海拉爾地區(qū)土壤堅實度2倍以上。

2.2 土壤含水率

深松的意義很多，其中有一條是提高土壤的保墑性能及土壤的抗旱能力，所以對比深松前和深松后土壤的含水率具有重要的意義。此次試驗共采集10個樣本，深松前和深松后的土壤樣本均為5個。將采集回來的土壤樣本進(jìn)行稱重，在鼓風(fēng)式干燥機(jī)中進(jìn)行干燥，干燥時長為10h；將烘干前后的質(zhì)量做差，其同初始土壤質(zhì)量之比即為土壤的含水率。測量結(jié)果如表5所示。

表5 土壤樣本含水率記錄

從表5中可以看出：深松后的土壤含水率大于深松前含水率，但只是高出了一個百分點(diǎn)。推測原因可能是因為取土?xí)r深松前、后間隔時間太短，深松對提高土壤保墑能力的作用體現(xiàn)得不是十分明顯。

2.3 土壤含砂率

土壤中的沙粒大小會直接影響鏟尖的磨損速度，沙粒粒徑越大，鏟尖的磨損速度越快。從海拉爾取回來的土樣進(jìn)行含水率測量之后，取適量干燥后的土壤進(jìn)行土壤級配試驗，用到的標(biāo)準(zhǔn)篩分別為20、26、40、60、80、100目；通過不同目數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)篩對土壤進(jìn)行篩分，可將土壤按粒徑大小不同進(jìn)行區(qū)分。篩分后的土壤進(jìn)行稱量，得到的數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 土壤粒度級配實驗記錄

根據(jù)土壤粒度級配實驗得到的結(jié)構(gòu)看出：粗砂占土壤總量的17.3%，中砂含量占土壤總量的4.5%，細(xì)砂含量占土壤總量的6.0%，特細(xì)砂含量占土壤總量的72.2%。對鏟尖磨損有影響的主要為粗砂和中砂，共占土壤總含量的21.8%。2016年5月在海拉爾的田間磨損試驗相比較2015年10月的鏟尖磨損速度有很大提升，主要原因為2016年的試驗地點(diǎn)為海拉爾地區(qū)蘭竹農(nóng)牧場，土壤含砂率較大。

2.4 土壤容重

對土壤進(jìn)行深松除了能提高土壤的蓄水保墑能力外，還有一個很重要的作用是降低土壤容重，有利于作物生長。田間自然壘結(jié)狀態(tài)下單位容積土體(包括土粒和間隙)的質(zhì)量稱為土壤容重，常用單位有g(shù)/cm3和t/m3。此次試驗取土環(huán)刀體積為200cm3，計算土壤容重的公式為

式中dv—土壤容重(g/cm3)；

G—濕土質(zhì)量(g)；

V—環(huán)刀體積(cm3)；

W—含水率(%)。

經(jīng)過計算，深松前土壤容重為1.92g/cm3，深松后土壤容重為1.35g/cm3。土壤的容重能反應(yīng)出土壤的緊實度，土壤越疏松多孔，容重越小，越有利于農(nóng)作物生長；土壤越緊實，容重越大，越不利于作物生長。一般砂性土壤的容重在1.4～1.7g/cm3，此次測量的土壤容重為1.92g/cm3，說明土壤孔隙度小，含有的有機(jī)質(zhì)少。一般農(nóng)業(yè)耕作土壤含有有機(jī)質(zhì)多，容重在1.1～1.4g/cm3之間，此次測量的土壤容重為1.35g/cm3，達(dá)到耕作土壤的標(biāo)準(zhǔn)，說明球墨鑄鐵材質(zhì)的深松鏟尖對土壤深松能起到明顯的作用。

3 結(jié)論

球墨鑄鐵鏟尖作為進(jìn)口鏟尖的替代品，強(qiáng)度性能能與鑄鋼相媲美，韌性超過鑄鋼，解決了鑄鋼鏟尖發(fā)脆容易發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。經(jīng)過在海拉爾地區(qū)的田間磨損數(shù)據(jù)可以看出：球墨鑄鐵制成的鏟尖與進(jìn)口鏟尖在相同的工作環(huán)境下，相同的工作量磨損質(zhì)量一致。

土壤深松的意義包括降低土壤容重及提高土壤蓄水保墑的能力。經(jīng)過測定，球墨鑄鐵制成的深松鏟尖深松后土壤容重由1.92g/cm3降低為1.35g/cm3，達(dá)到一般耕作土壤的標(biāo)準(zhǔn)，有利于作物的生長。由于采集的深松前、深松后土壤樣本間隔時間太短，深松對提高土壤含水率的效果不太明顯，但深松后的土壤平均含水率比深松前土壤平均含水率高出一個百分點(diǎn)，說明深松確實具有提高土壤蓄水保墑的能力。

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Analysis on the Wear Test of the Deep Loosening Shovel of Nodular Cast Iron

Guo Jianyong, Li Qingda, Hu Jun, Fu Qiang, Li Yufei

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319, China)

This paper through the comparison of nodular cast iron and imported shovel tip at the same time, the same amount of weight loss, to explore the wear resistance of two kinds of material, to verify the possibility of ductile cast iron as cast steel shovel shovel tip tip alternatives. In the same amount of work, the wear resistance of ductile cast iron is consistent with that of the imported blade. Subsoiling technology can improve the ability of soil water conservation, ductile iron shovel shovel pointed tip as import substitutes, to achieve the same effect of subsoiling, the soil bulk density decreased and increased soil water holding capacity.According to statistics, subsoiling before soil water content was 14.29%,after subsoiling soil water content was 15.30%, the average soil water content after subsoiling subsoiling increased 1%, before the soil bulk density is 1.92g/cm3, after subsoiling soil bulk density is 1.35g/cm3, after subsoiling soil bulk density decreased 0.57g/cm3, conducive to the growth of crops.

agricultural engineering; conservation tillage; deep soil; soil parameters

2016-10-12

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)裝備研究示范項目(2014BAD06B00)；黑龍江省農(nóng)墾總局項目(HNKXIV-10-04a)

郭建永(1992-)，男，河北任丘人，碩士研究生，(E-mail)gcxygjy@126.com。

胡 軍(1972-)，男，江蘇新沂人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)Gcxykj@126.com。

S222.2；S220.6

A

1003-188X(2017)12-0135-06