拖拉機耕作阻力影響參數(shù)的因子分析

高輝松,陳新博,薛金林,高 強

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,南京 210031)

0 引言

土壤的理化特性對農(nóng)作物的生長與產(chǎn)量有直接的影響,耕作時的作用力又影響著土壤的力學(xué)特性,因而研究土壤的機械阻力一直農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)注點。同時,拖拉機耕作阻力對拖拉機耕作質(zhì)量、耕作效率與耕作能耗都有影響[1]。因此,長期以來國內(nèi)外研究者一直重視對耕作機械的減阻性及其影響因素的研究,特別是隨著拖拉機自動控制技術(shù)與智能化農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展,對其進行研究顯得更為重要與迫切。

20世紀80年代末,Ayers等人[2]構(gòu)建“耕深-力”“速度-力”“土壤阻力”3種模型,開展耕深、速度與土壤阻力的關(guān)系研究。Girma[3]提出:通過拖拉機驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)率來控制發(fā)動機牽引力,以有效提高拖拉機耕地耕作效率,并減少耕作時的燃油消耗量。張利民與羅錫文[4]基于差分GPS定位技術(shù)研發(fā)了土壤耕作阻力測量系統(tǒng),能進行不同深度層的耕作阻力測量。李汝莘等人[5]開展了土壤容重和含水量對耕作阻力的研究,得到了土壤耕作阻力-容重-含水量數(shù)學(xué)模型。李霞等人[6]進行了土壤密度、堅實度與土壤斷面等土壤物理特性對深松阻力的影響試驗。Arvidsson等人[7]重點研究不同土壤含水量對耕作阻力與能耗的影響。Camacho-Tamayo等人[8]研究了不同作業(yè)速度和土壤含水量條件下深松牽引阻力的變化。Wang等人[9]重點針對拖拉機附著性能與滾動阻力對機具耕作阻力的影響進行研究。翟力欣等人[9]針對犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計時,研究了犁體結(jié)構(gòu)對耕作的影響。周健等人[10]通過LS-DYNA軟件對深松鏟切削土壤過程進行仿真,通過單因素試驗對比分析了5種典型準線的深松鏟結(jié)構(gòu)、工作速度與工作深度對耕作阻力的影響。齊關(guān)宇等人[11]研究表明:深松鏟入土深度及鏟形等形狀與結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著深松作業(yè)的牽引阻力及作業(yè)質(zhì)量等。以上研究表明,影響拖拉機耕作阻力的因素很多,雖然杭程光等人[12]采用7因素3水平正交試驗和單因互變量方差分析法研究了深松鏟機鏟形、鏟距、入土角、土壤含水度、土壤堅實度、耕深及牽引速度對深松耕作阻力不同程度的影響,但有關(guān)影響因素對拖拉機耕作阻力的影響程度仍需系統(tǒng)與量化的研究。

1 拖拉機耕作阻力的影響因素

拖拉機耕作時,影響拖拉機耕作阻力的因素很多,包括土壤條件、土壤比阻、耕作速度、拖拉機與機具質(zhì)量及耕作機具結(jié)構(gòu)等。

1.1 土壤比阻

土壤比阻是指農(nóng)業(yè)耕作中犁在作業(yè)時單位截面上所受到的土壤阻力,也稱耕作比阻,是應(yīng)用土壤學(xué)的一個重要物理性能指標[13]。土壤是一種非均質(zhì)的、多相的、顆粒化的、分散的、多空的系統(tǒng),不同土壤條件下的土壤比阻是不同的。通過對土壤比阻的研究,可以確定不同土壤條件下拖拉機燃油消耗定額系數(shù),也可進行犁具的強度設(shè)計與拖拉機牽引力的選擇。土壤比阻獲取一般有兩種方法[14]:一是在犁具上安裝力傳感器測量不同土壤的土壤比阻;二是建立粘土成分與土壤含水量為自變量的回歸方程,得到土壤比阻的計算值。不同地區(qū)的土壤比阻分布規(guī)律不同,而同一地區(qū)的土壤比阻分布規(guī)律也是不同的,一般情況下土壤比阻的變化范圍較大。表1為不同土壤類型的土壤比阻范圍。

表1 不同土壤類型的土壤比阻

耕作阻力與土壤比阻的關(guān)系可表示為

FT=k·β·b·H

(1)

式中FT—耕作阻力(N);

k—常系數(shù);

β—土壤比阻(kg/cm2);

b—耕作幅寬(cm);

H—耕作深度(cm)。

由式(1)可知:當耕作幅寬與耕作深度一定時,影響耕作阻力的參數(shù)主要為土壤比阻。

1.2 耕作深度與耕作幅寬

由式(1)可知:耕作深度與耕作幅寬對耕作阻力有直接的影響,耕作阻力隨著耕作深度、耕作幅寬的增大而增大。

由于不同耕作深度時土壤特性不一樣,隨著耕作深度的變化,耕作阻力的增加幅度是不一樣的。為此,采用深松鏟進行稻麥田耕作阻力試驗。深松鏟入土深度變化范圍為10～40cm。試驗測量數(shù)據(jù)如表2所示,數(shù)據(jù)變化趨勢如圖1所示。

表2 作業(yè)深度與耕作阻力數(shù)據(jù)

圖1 耕作阻力隨作業(yè)深度變化趨勢

由表1和圖1可知:耕作阻力隨著作業(yè)深度增加而增加;作業(yè)深度為10 cm和15 cm時,深松鏟受到的阻力增加不顯著,但當深度達到20 cm以上時,隨著深度的增加,耕作阻力顯著增加,與文獻[11]、[15]的研究結(jié)果是一致的。這是因為目前大多數(shù)農(nóng)田耕作層在20 cm以內(nèi),而犁底層長期受農(nóng)具耕犁壓實,變得越來越緊實,容重就越來越大,從而導(dǎo)致犁底層土壤的耕作比阻更大。

根據(jù)以上數(shù)據(jù),得到牽引阻力與作業(yè)深度之間關(guān)系式為

FT=0.0059H2-0.1228H+1.0343

(2)

式中H—耕作深度(cm)。

本研究以犁耕為例,耕作深度的變化范圍取為10～30cm。

對于耕作幅寬的影響,只考慮單鏵犁耕作情況。在耕作比阻、耕作深度一定時,應(yīng)用公式(1)進行耕作阻力的理論計算。這時,單鏵犁的耕作幅寬變化范圍取為25～30cm。

1.3 土壤容重與土壤含水量

耕作阻力主要決定于土壤的反作用力,而土壤的反作用力取決于土壤強度。土壤強度與茬口、有機質(zhì)、土壤容重和含量水量有關(guān)。因此,對于同一土壤類型,土壤容重和含水量是影響拖拉機牽引阻力的主要影響因素,但土壤容重與土壤含水量對耕作阻力的交互作用不明顯。為研究土壤容重和含水量對拖拉機耕作阻力的影響,采用單鏵犁進行土槽試驗,以測量不同土壤容重與含水量條件下的耕作阻力。

1.3.1 土壤容重

土壤容重又稱為干容重,指一定容積的土壤烘干后的質(zhì)量與同容積水重的比值,用符號ρ表示。土壤容重由土壤容重儀測定。

表3為土壤含水量為15%的條件下不同土壤容重時耕作阻力值,數(shù)據(jù)變化趨勢如圖2所示。

表3 土壤容重與耕作阻力數(shù)據(jù)

圖2 耕作阻力隨土壤容重變化趨勢

由表3、圖2可知:在土壤含水量一定的情況下,耕作阻力隨著土壤容重的增加而增加;在土壤容重小(小于1.4 g/cm3)時,耕作阻力變化不大,隨著土壤容重進一步增加,耕作阻力增大幅度明顯,與文獻[5]的實驗結(jié)果是相似的。耕作阻力與土壤容重之間的關(guān)系為

FT=A1·ρ/(A2+A3·ρ)

(3)

式中ρ—土壤容重(g/cm3);

A、B、C—常數(shù)。

當含水量適中時,A、B、C為常數(shù)分別為117.33、0.998、-0.513[5]。

1.3.2 土壤含水量

土壤含水量也稱土壤含水率,一般指土壤絕對含水量,即100g烘干土中所含的水分量(g)。當土壤含水量變化時,土壤的內(nèi)聚力和塑性都會產(chǎn)生變化,從而對拖拉機耕作時的阻力產(chǎn)生影響。土壤含水量的測量方法有稱重法、張力計法、電阻法及光學(xué)法等。

通過實驗,得到一定土壤容重條件下不同土壤含水量時耕作阻力數(shù)據(jù),如表4所示。

表4 土壤含水量與耕作阻力數(shù)據(jù)

由表4可以看出:當土壤容重值為定值時,隨著土壤含水量的增加,耕作阻力變化不大,但有微小的變小趨勢,如圖3所示。這與文獻[5]的實驗結(jié)果也是相似的。

圖3 耕作阻力隨土壤含水量變化趨勢

采用拋物線進行擬合,得到土壤含水量S和牽引力FT的關(guān)系式為

“方”在典籍中常訓(xùn)為“并”，如：《諸子平議·莊子二》“方陳乎前而不得入其舍”，俞樾按：“方者并也，方之本義為兩舟相并故方有并義?！?/p>

FT=C0+C2S2+C3S3

(4)

式中S—土壤含水量(%);

C1、C2、C3—常數(shù)。

當土壤容重ρ適中時,C0、C2、C3的取值分別為184.381、-19.773、58.212。

1.4 拖拉機耕作速度、拖拉機質(zhì)量、耕作路面

當拖拉機勻速耕作時,根據(jù)拖拉機功率守恒方程,即發(fā)動機的輸出的有效功率Pe應(yīng)等于牽引功率PT、滾動阻力功率Pf、風阻功率PW、坡度阻力功率Pi之,即

Pe=PT+Pf+PW+Pi

(5)

因此,可以得出耕作阻力功率PT為

PT=Pe-Pf-PW-Pi

(6)

進一步得耕作阻力為

(7)

式中Pe—拖拉機發(fā)動機輸出的有效功率(kW);

v—拖拉機耕作速度(km/h);

A為拖拉機迎風面積(m2);

i—耕作路面坡度(%);

f—車輪的滾動阻力系數(shù);

G—拖拉機質(zhì)量(kg);

g—重力加速度(m/s2)。

農(nóng)田坡度不宜過大,否則不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。一般情況下,農(nóng)田坡度在2°以內(nèi),能夠忽略坡道阻力的影響。因此,式(7)可以改寫為

(8)

由式(8)可知,拖拉機耕作速度、質(zhì)量、滾動阻力系數(shù)對拖拉機耕作阻力有影響。本文沒有考慮拖拉機的空氣阻力系數(shù)與迎風面積的影響,是因為拖拉機的空氣阻力系數(shù)基本恒定,而拖拉機迎風面積的變化基本與拖拉機外形尺寸有關(guān),從而與拖拉機質(zhì)量有關(guān)。

滾動阻力系數(shù)與路面種類、輪胎構(gòu)造、材料、氣壓等有關(guān)。當拖拉機輪胎確定后,不同的耕作路面對拖拉機車輪的滾動阻力系數(shù)影響較大,表5列出一些耕作路面下拖拉機車輪滾動阻力系數(shù)范圍。由表5可知,拖拉機耕作時車輪的滾動阻力系數(shù)范圍為0.06～0.10。

表5 不同路面的滾動阻力系數(shù)[16]

1.5 耕作機具結(jié)構(gòu)

耕作機具的結(jié)構(gòu)形狀會影響拖拉機耕作時作用于土壤上的力,從而影響耕作阻力。以犁耕的犁體為例,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有推土角、起土角、覆土角、犁體高度與耕作寬度。在文獻[9]中,以推土角、起土角、覆土角及犁體高度為試驗因素,進行四因素三水平正交試驗,得出推土角、起土角及梨體高度對耕作阻力影響明顯的結(jié)論,并構(gòu)建出基于推土角、起土角及梨體高度的耕作比阻模型。

設(shè)起土角θF、推土角θE、犁體高度HT,當耕寬為287mm、耕深為200mm時,耕作阻力FT可表示為

0.28θEHT+7.98θE+1.97HT

(9)

2 基于變異系數(shù)法因子分析

通過以上分析可知,影響拖拉機耕作阻力的因素有土壤比阻、耕作深度、耕作寬度、土壤容重、土壤含水量、拖拉機車速、車重、耕作路面及犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)等。但是,這些因素對拖拉機耕作阻力的影響程度并不相同,且這些參數(shù)的量綱不同,不適合直接比較其差別程度,從而不能直接比較各參數(shù)的影響程度(即權(quán)重值)。

為了消除各項評價指標的量綱不同的影響,可以用變異系數(shù)來衡量各項指標的差異程度,從而能把不同量綱的參數(shù)結(jié)合起來分析[17]。各項指標的變異系數(shù)公式為

(10)

式中Vi—第i項影響因素變化引起耕作阻力變化的標準差系數(shù),即變異系數(shù);

σi—第i項影響因素變化時耕作阻力變化的標準差。

各影響參數(shù)的影響程度(即權(quán)重值)通過下式來計算,即

(11)

式中Wi—各影響因素的權(quán)重值。

根據(jù)計算出的權(quán)重值,就可以看出各影響參數(shù)的影響大小。

首先,確定土壤比阻、耕作深度、耕作寬度、土壤容重、土壤含水量、拖拉機車速、車質(zhì)量、耕作路面及犁體結(jié)構(gòu)等影響參數(shù)的變化范圍;然后,分別計算出各影響參數(shù)在一定變化范圍內(nèi)耕作阻力值變化的平均數(shù)、耕作阻力變化的標準差;最后,根據(jù)式(10)和式(11)計算出各影響參數(shù)的變異系數(shù)與權(quán)重值,結(jié)果如表6所示。

由表6可知:各影響因素對拖拉機耕作阻力的影響各不相同,按權(quán)重值由大到小排列為:土壤容重、拖拉機速度、土壤比阻、耕作深度、耕作幅寬、犁具推土角、犁具高度、拖拉機重量、輪胎滾動阻力系數(shù)、犁具起土角、土壤含水量。其中,土壤容重的影響最大,其變異系數(shù)達0.735 1,權(quán)重值為0.298 0;拖拉機速度與土壤比阻的影響也很大,權(quán)重值分別為0.271 3與0.213 6;耕作深度的影響權(quán)重值為0.134 4。以上4個參數(shù)的影響權(quán)重值之和達0.917 3,而其它參數(shù)的影響很小,特別是犁具結(jié)構(gòu)中起土角參數(shù)(權(quán)重0.007 3)、拖拉機質(zhì)量(權(quán)重0.009 5)、耕作路面(權(quán)重0.007 8)與土壤含水量(權(quán)重0.001 1)的影響可以忽略。

表6 影響參數(shù)的變化范圍、變異系數(shù)與權(quán)重

3 結(jié)論

拖拉機耕作阻力對耕作質(zhì)量、耕作效率與耕作能耗都有影響,而影響拖拉機耕作阻力的影響參數(shù)很多。本文通過實驗數(shù)據(jù)與理論計算等方式,分析了對耕作阻力有影響的耕作比阻、耕作深度、耕作幅寬、土壤容重、土壤含水量、拖拉機耕作速度、拖拉機質(zhì)量、耕作路面及耕作機具結(jié)構(gòu)等參數(shù),并采用變異系數(shù)法對耕作比阻、耕作深度、耕作幅寬、土壤容重、土壤含水量、拖拉機耕作速度、拖拉機質(zhì)量、耕作路面及耕作機具結(jié)構(gòu)等影響因素進行影響因子分析。結(jié)果表明:土壤容重、拖拉機速度、土壤比阻與耕作深度對耕作阻力的影響很大,而其余參數(shù)的影響較小,甚至可以忽略。