煙用起壟成形裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李國(guó)昌，吳雪梅，殷坤勤，丁　飛，張富貴，張培坤

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng)　550025；2.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 遵義　563000；3.福建永順機(jī)械有限公司，福建 南平　353500)

0　引言

土壤耕作的目的在于改善土壤結(jié)構(gòu)、恢復(fù)土壤肥力、改善田間地面狀態(tài)，為作物播種、生長(zhǎng)發(fā)育與成熟的各個(gè)階段創(chuàng)造良好的條件[1-3]。其中，烤煙煙田的土壤耕作管理主要包括旋耕、起壟、覆膜及打孔等作業(yè)。起壟成形裝置是為解決土壤起壟成形問(wèn)題而設(shè)計(jì)的機(jī)械，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中[4-8]。該機(jī)械主要用于起壟成形，提高與保護(hù)土壤墑情，可為覆膜、施肥和烤煙生長(zhǎng)提供優(yōu)質(zhì)的種床條件[9-12]。

目前，起壟成形機(jī)械種類繁多，其作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)效率參差不齊。許多學(xué)者等研究人員對(duì)起壟成形裝置做了大量研究。何進(jìn)[13]等人設(shè)計(jì)了一款1QL-70型固定壟起壟機(jī)，能實(shí)現(xiàn)起壟和修壟的效果，且各尺寸參數(shù)能較好地滿足河西走廊地區(qū)的農(nóng)業(yè)要求，但該機(jī)主要應(yīng)用于河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。李向軍[14]等人設(shè)計(jì)了一款1GZ-440V4玉米大壟雙行聯(lián)合整地機(jī)，其起壟裝置部分由分土板、起壟座板、起壟鏟柄和鑿形鏟尖等組成。起壟時(shí)，起壟鏟柄和鏟尖將土壤按已定溝底寬度切開(kāi)，并向兩側(cè)分開(kāi)；分土板使土壤沿兩側(cè)向后傾斜運(yùn)動(dòng)上升，達(dá)到預(yù)定溝邊時(shí)，推向壟中心，使土壤按自然休止角形成壟形，但貴州土壤類型多變，黃壤及紫色土壤類型居多且土壤濕度較大，土壤不能按自然休止角形成壟型。高明宇[15]等人設(shè)計(jì)了一款玉米大壟雙行聯(lián)合成地機(jī)起壟成形裝置，該裝置吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的成地技術(shù)，結(jié)合黑龍江省大壟雙行密植耕作模式的實(shí)際情況，能滿足作業(yè)良好、效率提升、性能可靠、控制成本的要求；但該機(jī)具主要符合玉米大壟雙行的種植模式。上述起壟成形機(jī)械應(yīng)用范圍比較單一且多為大型機(jī)械，不能適應(yīng)貴州山區(qū)小型地塊的要求。

本文結(jié)合貴州山區(qū)烤煙作業(yè)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種起壟成形裝置，使其作為起壟施肥機(jī)的一部分，且能根據(jù)不同的農(nóng)藝要求調(diào)節(jié)起壟高度、起壟寬度、起壟橫截面形狀等參數(shù)。該起壟成形裝置不僅提高了工作效率，而且能滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求。

1　成體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　作業(yè)要求

自走式底肥深施機(jī)定點(diǎn)施肥裝置采用一壟一行模式，壟間距1100mm，壟面寬20～30mm,壟底寬度60～70mm，壟高25～30mm；作業(yè)對(duì)象為貴州山區(qū)土地。在旋耕作業(yè)完成后，煙苗種植之前，起壟與施肥作業(yè)同時(shí)進(jìn)行。起壟成形裝置的煙壟的模式如圖1所示。

圖1　烤煙壟型斷面示意圖

1.2　作業(yè)成體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

起壟成形裝置主要由限深輪、限深高度調(diào)節(jié)桿、前起壟板、左側(cè)起壟板、套筒、壟寬調(diào)節(jié)套筒、轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿、上撫平板、固定導(dǎo)管、壟高調(diào)節(jié)導(dǎo)桿、支撐管、固定管、右側(cè)起壟板等部件組成，如圖2所示。

圖2　起壟成型裝置結(jié)構(gòu)圖

貴州多為山區(qū)，地塊較小且不連續(xù)，烤煙機(jī)械設(shè)備應(yīng)為小型化田間管理機(jī)。為滿足貴州遵義市匯川區(qū)烤煙種植的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)的起壟成型裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下：

壟底寬度/mm:600～700(可調(diào))

壟高/mm:250(可調(diào))

壟頂寬/mm:200～300(可調(diào))

起壟行數(shù):1 壟 1 行

作業(yè)速度/km·h-1：2～10

配套動(dòng)力/kW:6.6(單缸風(fēng)冷柴油機(jī))

連接方式：直接連接

生產(chǎn)率/(667m2)·h-1：1

壟形狀: 梯形或圓弧型

1.3 　工作原理

該起壟成形裝置為煙用自走式定點(diǎn)起壟施肥機(jī)的一部分，如圖3所示。該裝置由單缸風(fēng)冷6.6kW柴油機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)鏈傳動(dòng)方式將動(dòng)力傳輸給起壟刀軸，起壟刀片通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)對(duì)旋耕后的煙地土壤進(jìn)行切削、拋土，拋出的土壤向中間輸送聚集，在起壟成型裝置的作用下形成滿足烤煙種植要求的壟型。

2　主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1　起壟刀軸

起壟刀軸是起壟施肥機(jī)的主要工作部件，起壟刀的排列方式是否合理對(duì)起壟效果是否符合農(nóng)藝要求及起壟機(jī)的功率消耗量大小等有很大影響。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，本文設(shè)計(jì)刀座與刀軸軸線成25°夾角焊接，且刀座在刀軸上的排列為雙螺旋線形式[14-18]；刀片之間的角度分別為90°，刀片左右對(duì)稱安裝。圖4為起壟定點(diǎn)施肥機(jī)的刀軸示意圖。

圖3　煙用自走式起壟定點(diǎn)施肥裝置三維圖

圖4　煙用起壟定點(diǎn)施肥機(jī)刀軸示意圖

2.2　調(diào)節(jié)頂板

調(diào)節(jié)頂板通過(guò)螺栓與起壟高度調(diào)節(jié)桿連接，通過(guò)上下調(diào)節(jié)頂板可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整壟頂?shù)膶挾燃捌饓诺母叨鹊墓δ?，上下調(diào)節(jié)范圍為0～8cm。上撫平板可將壟床表面的土壤推向前方，起到平成壟頂?shù)淖饔?，使得壟型?guī)范成齊。

2.3　壟型成形部分

起壟成形裝置是用來(lái)完成起壟、壟型修復(fù)及清除溝底殘留土壤的作業(yè)過(guò)程，將其安裝在起壟裝置的后面，即已完成土壤旋耕起壟的正后面。起壟成形裝置由左、右兩塊側(cè)起壟板及兩塊后起壟板組成。

左右兩側(cè)起壟板傾角φ是起壟刮板的主要參數(shù)之一。根據(jù)田間試驗(yàn)測(cè)定，在保證起壟壟型符合烤煙農(nóng)藝要求的前提下，起壟后土壤自然滑落后的壟底角為56°，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)左右起壟板的傾角為65°，以保證成形后的壟床在土壤自然滑落后的底角接近56°。

左、右起壟板及上起壟板保證了所切削的土壤隨螺旋刀片從兩端向中間運(yùn)輸推土成壟。起壟成型裝置與起壟刀軸之間保留合適的距離，使其既能保證不與起壟刀軸發(fā)生干涉，又能保證起壟質(zhì)量。左右起壟板起阻止溝中的土壤向外運(yùn)輸?shù)淖饔?，后擋板起清除溝底殘留土壤并引?dǎo)其向中間運(yùn)輸?shù)淖饔谩?/p>

2.4　限深輪部分

限深輪組件安裝在后起壟板上，保證其工作在起壟成型后溝底的地面，使起壟機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，減輕作業(yè)者的負(fù)荷。限深輪的工作原理是：手柄與螺柱連接，螺柱與小輪叉螺紋連接，限深輪套筒聯(lián)接在后起壟板及后梁連接架上，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí)輪叉可實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。輪叉與輪子通過(guò)連接塊相連接，從而使輪子能夠隨時(shí)升降，滿足實(shí)際的深耕要求。限深輪組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5　限深輪裝置1.手柄 　2.上撫平板　3.后起壟板4.左右起壟板　5.輪子　6.升降桿Fig.5　Limit wheel device

3　田間試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法

2017年4月，在貴州遵義市匯川區(qū)試驗(yàn)區(qū)對(duì)起壟成形裝置進(jìn)行田間性能試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)為烤煙煙地，土壤類型為黃壤，土壤含水率為20.17%，土壤堅(jiān)實(shí)度為2.3；地勢(shì)平坦，土層深厚，耕性較好。在起壟前，利用旋耕機(jī)對(duì)試驗(yàn)煙地進(jìn)行旋耕，以方便起壟機(jī)進(jìn)行起壟作業(yè)，如圖6所示。

圖6　煙地旋耕作業(yè)運(yùn)行圖

旋耕后，起壟機(jī)由專業(yè)操作機(jī)手，在規(guī)定工況下進(jìn)行起壟作業(yè)，如圖7所示。

圖7　煙地起壟作業(yè)運(yùn)行圖

起壟機(jī)在規(guī)定工況下進(jìn)行起壟作業(yè)，測(cè)區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)不少于30m，前后穩(wěn)定區(qū)不應(yīng)少于5m；檢測(cè)時(shí)，往返行程各不少于3次，結(jié)果取平均值。在測(cè)區(qū)內(nèi)每單程均勻選擇2點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)處切開(kāi)壟的斷面，用直尺測(cè)量各指標(biāo)值。梯形壟起壟截面形狀如圖8所示。

圖8　梯形壟起壟截面示意

逐點(diǎn)對(duì)起壟高度、壟底寬、壟面寬及壟距等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并記錄。其中，壟距對(duì)于雙壟作業(yè)機(jī)而言是指單程作業(yè)所形成的兩條壟間的距離，而非大壟雙行的大壟距。

起壟機(jī)各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)是依據(jù)貴州煙草農(nóng)業(yè)機(jī)械測(cè)試規(guī)范有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上確定的，能滿足貴州煙區(qū)起壟作業(yè)的農(nóng)藝要求。起壟高度、壟頂寬度、壟底寬度及壟間距等參數(shù)是反映起壟成型的主要技術(shù)指標(biāo)，其作業(yè)效果指標(biāo)測(cè)定如下：

1)起壟高度的測(cè)定。機(jī)械起壟作業(yè)后，壟溝底至壟頂?shù)呢Q直高度(cm)。

2)壟底寬的測(cè)定。機(jī)械起壟作業(yè)后，壟體底部的水平寬度(cm)。

3)壟面寬的測(cè)定。機(jī)械起壟作業(yè)后，梯形壟為頂面寬度，三角形壟和圓弧面壟為壟高2/3處的壟體水平寬度(cm)。

4)壟距的測(cè)定。機(jī)械起壟作業(yè)后，測(cè)量鄰接壟中心線之間的垂直距離(cm)。

起壟高度、壟底寬、壟面寬、壟距等參數(shù)的均值、方差、變異系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算方法可由公式(1)～(4)計(jì)算得出，即

(1)

(2)

(3)

U=1-V

(4)

式中ai—單次測(cè)定值；

n—測(cè)點(diǎn)數(shù)；

S—測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)差；

V—測(cè)定值的變異系數(shù)；

U—測(cè)定值的穩(wěn)定性系數(shù)。

土壟壟形一致性參數(shù)是反映起壟機(jī)作業(yè)性能的重要指標(biāo)之一，可由公式(5)～(7)計(jì)算得出，即

(5)

(6)

(7)

式中i—測(cè)點(diǎn)數(shù)，1，2……n;

b1i—每個(gè)測(cè)點(diǎn)壟面寬度 (cm) ;

b2i—每個(gè)測(cè)點(diǎn)壟底寬度 (cm) ;

hi—每個(gè)測(cè)點(diǎn)起壟高度 (cm) ;

Ai—每測(cè)點(diǎn)土壟橫截面面積 (cm2) ;

SA—土壟橫截面面積標(biāo)準(zhǔn)差 (cm2) ;

WA—土壟壟形一致性 (%)。

按照式(5)、式(6)、式(7)可計(jì)算出起壟壟形一致性參數(shù)。

3.2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

田間試驗(yàn)結(jié)果表明(見(jiàn)表1)：該起壟成形裝置培土均勻，起壟成齊平成；壟頂寬度、壟底寬度、起壟高度、壟距等參數(shù)均可調(diào)，其試驗(yàn)值均滿足貴州匯川區(qū)烤煙的種植要求。試驗(yàn)測(cè)得壟高、壟底寬、壟頂寬和壟距的穩(wěn)定性系數(shù)都在95%以上，起壟壟形一致性為99.6%。該起壟成形裝置不僅提高了工作效率，而且能滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求。

表1　單機(jī)組測(cè)試起壟作業(yè)效果數(shù)據(jù)記錄表

根據(jù)貴州省《煙草農(nóng)業(yè)機(jī)械測(cè)試選型規(guī)范》，合格機(jī)組的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：平均壟高、壟底寬、壟頂寬和壟距在根據(jù)農(nóng)藝要求設(shè)定值上下10%范圍內(nèi)，且穩(wěn)定性系數(shù)不小于80%時(shí)為合格。起壟成形裝置滿足該選型規(guī)范，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

4　結(jié)論

1)該起壟成形裝置對(duì)于貴州煙草地塊的起壟作業(yè)具有良好的效果，在壟高、壟寬、壟面平成度等重要農(nóng)藝要求方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2)該裝置為自走式起壟施肥機(jī)的配套設(shè)備，起壟成形裝置與旋耕裝置及施肥裝置集成于一體，使得旋耕、起壟、施肥3種作業(yè)工序同時(shí)進(jìn)行，大大提高了效率，節(jié)省了勞動(dòng)時(shí)間。

3)試驗(yàn)測(cè)得壟高、壟底寬、壟頂寬和壟距的穩(wěn)定性系數(shù)都在95%以上，起壟壟形一致性為99.6%，能滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求。

4)為提高調(diào)整壟型參數(shù)的效率，建議在壟寬調(diào)整支架、壟高支架及限深輪支架上添加刻度。