蔬菜精整地機鎮(zhèn)壓部件設(shè)計與試驗

張成龍 黃銘森 張宋超 李洪昌 王峰 張濤

摘要：為有效改善土壤細碎程度和平整度較低等問題，對蔬菜精整地機的鎮(zhèn)壓器、鎮(zhèn)壓高度調(diào)節(jié)裝置進行設(shè)計及優(yōu)化。設(shè)計兩套鎮(zhèn)壓器高低調(diào)節(jié)裝置，一種鎮(zhèn)壓高度調(diào)節(jié)裝置是由雙作用液壓缸、控制閥、液壓管路、液壓操作機構(gòu)、監(jiān)測輪、壓力傳感器等部件組成，可以實現(xiàn)壓深反饋自動調(diào)節(jié)；另一種鎮(zhèn)壓高度調(diào)節(jié)裝置是通過轉(zhuǎn)動手柄來改變鎮(zhèn)壓輥與土壤的間距，可調(diào)節(jié)的最大距離為10 cm，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于維修。闡述蔬菜整地機具的鎮(zhèn)壓部件工作原理，重新設(shè)計鎮(zhèn)壓輥軸等部件，并進行田間試驗研究。田間試驗結(jié)果表明：土壤含水率在20.5%的相同情況下，牽引速度為1.2 m/s、碎土輥轉(zhuǎn)速為439 r/min時，土壤平整度效果最佳，牽引速度和碎土輥轉(zhuǎn)速對土壤平整度的影響是極顯著；牽引速度為1.1 m/s，動力輸出軸轉(zhuǎn)速為720 r/min，土壤含水率相同時，雙軸機具土壤平整度明顯優(yōu)于單軸機具。試驗結(jié)果符合優(yōu)化參數(shù)，且能夠達到目前蔬菜整地機的作業(yè)質(zhì)量標準。

關(guān)鍵詞：精整地機；鎮(zhèn)壓器；液壓系統(tǒng)；高度調(diào)節(jié)；平整度

中圖分類號：S222

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 04-0025-07

Abstract： In order to effectively improve the problems of soil fineness and low levelness， the design and optimization of the press and the press height adjustment device of the vegetable finishing machine were carried out. Two sets of ballast height adjustment devices were designed. One kind of ballast height adjustment device was composed of double-acting hydraulic cylinder， control valve， hydraulic pipeline， hydraulic operating mechanism， monitoring wheel， pressure sensor and other components， which could realize automatic adjustment of depth feedback; another kind of height adjustment device was to change the distance between the roller and the soil by turning the handle. The maximum adjustable distance was 10 cm. The structure was simple and compact， and it was convenient for maintenance. This paper expounds the working principle of the pressing parts of the vegetable land preparation machine， redesigns the pressing roller shaft and other parts， and carries out field test and research. The results of the field test showed that under the same condition of soil moisture content of 20.5%， when the traction speed was 1.2 m/s and the rotation speed of the soil breaking roller was 439 r/min， the effect of the traction speed and the rotation speed of the soil breaking roller on the soil smoothness was the best. When the traction speed was 1.1 m/s， the speed of the power output shaft was 720 r/min， and the soil moisture content was the same， the soil evenness of the two-axle machine was significantly better than that of the single-axle machine. The test results conform to the optimized parameters， and can meet the current operating quality standards of vegetable graders.

Keywords：? finishing machine; repressor; hydraulic system; height adjustment; planeness

0 引言

土壤是蔬菜生長的基礎(chǔ)條件，保證蔬菜生長一致的條件是土壤要碎、耕整要平，所以蔬菜種植前必須把高低不平的土塊整平，耕整地作業(yè)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到蔬菜的品質(zhì)及后續(xù)機械化作業(yè)能否順利進行。現(xiàn)有的蔬菜耕整地作業(yè)機械存在壟面不夠平整、鎮(zhèn)壓輥黏土等問題，且整體作業(yè)性能和穩(wěn)定性也急需提高，上述問題是制約我國蔬菜機械化生產(chǎn)的重要因素。

為了解決以上問題，需對耕整地機具的鎮(zhèn)壓部件進行優(yōu)化及改進。耕整地可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力，鎮(zhèn)壓器又是精整地機具的重要部件，直接影響土壤的壓實和平整度。因此對鎮(zhèn)壓部件進行設(shè)計和改進，可以有效減少機具對土壤的壓實和破壞，提高作業(yè)性能和效率，增加蔬菜產(chǎn)量［1］。

國內(nèi)的蔬菜精整地機械研制起步較滯后，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)藝技術(shù)的發(fā)展以及機械制造水平的不斷提高，聯(lián)合整地機械的研制和推廣也有了長足的發(fā)展，但從整體技術(shù)水平來看，與國際先進水平相比還有很大差距，主要表現(xiàn)在：作業(yè)性能水平低、可靠性較差以及作業(yè)效果不理想等方面。

國外蔬菜生產(chǎn)機械化程度高，研制開發(fā)的整地機械性能穩(wěn)定，產(chǎn)品多且全，已形成標準化、系列化，適用范圍廣，普遍采用的是機械化聯(lián)合作業(yè)，大幅度提高了生產(chǎn)效率，在蔬菜生產(chǎn)領(lǐng)域，精整地、施肥、播種復式作業(yè)技術(shù)得到廣泛應用，真正意義上實現(xiàn)農(nóng)機與農(nóng)藝的有機結(jié)合，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了全程的機械化作業(yè)，推出了多款成熟的成套產(chǎn)品，例如，意大利的PERFECTA SERIES精整地機，常用于重質(zhì)地土壤作業(yè)，旋耕深度可達20 cm，同時能獲得很高的土壤細碎和平整度；還有一款AI MAXI DG+AIRONE機具，適用于高濕、雜質(zhì)碎石較多的土壤作業(yè)［2］。以上機具整地效果相對都很好，但這些裝備價格昂貴、維護維修困難，且由于我國幅員遼闊、土壤結(jié)構(gòu)復雜，在實際作業(yè)過程中還存在作業(yè)性能不穩(wěn)定等不足，所以導致國內(nèi)很少有人愿意買進口機具［3］。

1 鎮(zhèn)壓部件工作原理

鎮(zhèn)壓部件一般安裝在蔬菜精整地機的最后方，可以起到對土壤表層壓實平整的作用，防止水分蒸發(fā)流失，同時保證深層土壤水分往上上升，集中到播種層，有利于種子的發(fā)芽，也為蔬菜的移栽做好前提保障［4］。

鎮(zhèn)壓部件主要由鎮(zhèn)壓器、連接機構(gòu)、橫梁、鎮(zhèn)壓器上下調(diào)節(jié)裝置等部件組成，如圖1、圖2所示。目前蔬菜整地機具鎮(zhèn)壓器的高低控制方式有：手搖式、液壓式以及電氣控制等方式。本文鎮(zhèn)壓器高低調(diào)節(jié)設(shè)計了液壓控制和手搖式兩種方式。兩者的高低調(diào)節(jié)部件都是使用螺栓緊固的，鎮(zhèn)壓器整體也是通過螺栓固定在左右兩側(cè)的連接板上。

當拖拉機掛接蔬菜整地機具開始工作時，首先是旋耕部件開始入土加工土壤，然后碎土輥對前面環(huán)節(jié)加工過的土壤進行細碎，接著通過改變鎮(zhèn)壓輥與地面之間的間隙給土壤施加壓力，使土壤相聚在一起，從而將土壤壓實整平，土壤兩邊的壟型是通過鎮(zhèn)壓輥兩側(cè)的端盤加工而成。其中鎮(zhèn)壓器是主要工作部件，在設(shè)計時要按照蔬菜生產(chǎn)的農(nóng)藝要求來思考，其參數(shù)的變化將會影響到整機的鎮(zhèn)壓效果［5］。

2 鎮(zhèn)壓器設(shè)計

鎮(zhèn)壓環(huán)節(jié)主要是通過鎮(zhèn)壓器來完成鎮(zhèn)壓及起壟，鎮(zhèn)壓器是主要工作部件，在設(shè)計時要按照蔬菜生產(chǎn)的農(nóng)藝要求來思考，其參數(shù)的變化將會影響到整機的鎮(zhèn)壓效果［6-7］。

如圖3所示，鎮(zhèn)壓器整體由傳動軸、鎮(zhèn)壓輥以及左右兩邊的端盤拼裝而成。鎮(zhèn)壓輥的作用主要是將土壤表層的土塊碾碎，從而消除土塊間的間隙，防止水分損失以及整平壟面；鎮(zhèn)壓輥端盤的作用主要是加工出符合農(nóng)藝要求的壟型［8］。

蔬菜生產(chǎn)農(nóng)藝要求壓實的主要是表層土壤，所以鎮(zhèn)壓輥直徑不宜過大。通常鎮(zhèn)壓輥輪翻轉(zhuǎn)角不大于20°，鎮(zhèn)壓器才能正常工作，本文鎮(zhèn)壓輥輪翻轉(zhuǎn)角設(shè)為7°，通過計算得出鎮(zhèn)壓輥輪直徑D為160 mm，如圖4所示。

鎮(zhèn)壓輥表面光滑，是由鑄鐵制成，這樣可以最大程度地避免在含水率高的土壤作業(yè)時，輥體表面黏土，從而影響壓實效果。

蔬菜整地機作業(yè)時壟型整理主要依靠的是鎮(zhèn)壓輥端盤，在設(shè)計端盤時需考慮壟頂寬、壟高、壟底寬等壟型參數(shù)，通過走訪調(diào)研江蘇等地的種植蔬菜種類，得出參數(shù)如下：起壟數(shù)量1行，壟底寬為120～140 mm，壟頂寬為100～120 mm，壟高為150～200 mm，壟距為≥150 mm。

蔬菜整地機的壟型角度通常由端盤傾角所決定，壟寬可以通過改變端盤與鎮(zhèn)壓輥的軸向距離來調(diào)節(jié)［10］。根據(jù)蔬菜生產(chǎn)農(nóng)藝要求，設(shè)計的鎮(zhèn)壓輥端盤參數(shù)如下：頂圓直徑D1為500 mm，高度h為140 mm，端盤傾角為35°，圖5為端盤結(jié)構(gòu)圖。

3 鎮(zhèn)壓高度調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

鎮(zhèn)壓輥是鎮(zhèn)壓部件的重要組成部件，鎮(zhèn)壓輥對土壤施加壓力的大小，將直接影響著作物的產(chǎn)量［11］。如果對土壤鎮(zhèn)壓強度太大，蔬菜的出芽率將會受到影響，同時也不利于后期的生長。如果鎮(zhèn)壓強度過小，會使土壤間間隙過大，不利于土壤保存水分，導致種子吸收水分不均勻，發(fā)芽不整齊，甚至達不到平整土壤的目的。綜上所述，有著可靠的鎮(zhèn)壓高度調(diào)節(jié)裝置至關(guān)重要。

本文設(shè)計了兩種鎮(zhèn)壓器高度調(diào)節(jié)裝置，一種機具鎮(zhèn)壓高度調(diào)節(jié)裝置是由雙作用液壓缸、控制閥、液壓管路、液壓操作機構(gòu)、監(jiān)測輪、壓力傳感器等部件組成。通過液壓操作手柄來控制液壓缸的動作，可以實現(xiàn)壓深反饋自動調(diào)節(jié)，設(shè)計鎮(zhèn)壓輥壓力監(jiān)測和鎮(zhèn)壓深度自動調(diào)節(jié)方法及裝置，用于精整地機作業(yè)后土壤密實度的連續(xù)測量和實時反饋調(diào)節(jié)，在精整地機上設(shè)計鎮(zhèn)壓輥的鎮(zhèn)壓深度自動調(diào)節(jié)機構(gòu)，并在鎮(zhèn)壓輥后部安裝監(jiān)測輪和壓力傳感器，精整地作業(yè)過程中，控制器實時采集壓力傳感器測量的土壤對監(jiān)測輪的水平和垂直方向作用力，并根據(jù)建立的監(jiān)測輪受力、壓入深度與土壤密實度的關(guān)系模型。控制器根據(jù)鎮(zhèn)壓輥的鎮(zhèn)壓深度與土壤密實度的關(guān)系，實時反饋調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓輥的鎮(zhèn)壓深度，以使土壤密實度穩(wěn)定在設(shè)定的目標值范圍，滿足不同作物種植的農(nóng)藝要求，提高整機在不同土壤環(huán)境下作業(yè)性能的穩(wěn)定性和作業(yè)效果。如圖6所示，通過液壓缸的伸縮長度來改變鎮(zhèn)壓輥與土壤的間距，最終實現(xiàn)整平壟面和壓實表層土壤的目的。

通過計算可得缸體內(nèi)徑d=69.56 mm，取d=70 mm；設(shè)計活塞的最大行程H=117 mm，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》選取合適的活塞行程，選定活塞桿的最大允許行程S=200 mm。

如圖7所示，該系統(tǒng)由液壓泵、卸載提升閥、電液比例換向閥、單向閥、節(jié)流閥、梭閥和液壓缸等組成。電液比例換向閥可控制液壓缸動作及運動速度；梭閥可將液壓缸兩端的負載最高壓力反饋至提升閥；液壓泵的輸出流量的調(diào)節(jié)根據(jù)提升閥根據(jù)負載壓力的大??；液壓系統(tǒng)最高壓力由壓力切斷閥來限制，當系統(tǒng)壓力大于設(shè)定壓力時，液壓泵以最小流量輸出，溢流損失很小，起到保護作用。

電液比例換向閥閥口前后壓差保持恒定，可控制通過液壓缸的流量，液壓缸運動速度將不受負載變化影響；該鎮(zhèn)壓高度調(diào)節(jié)裝置液壓系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高和控制精度準等優(yōu)點。

另一種機具鎮(zhèn)壓高度調(diào)節(jié)裝置是通過轉(zhuǎn)動手柄來改變鎮(zhèn)壓輥與土壤的間距，可調(diào)節(jié)的最大距離為10 cm，如圖8所示，順時針轉(zhuǎn)動手柄，可以減小鎮(zhèn)壓輥與地面的間距；逆時針轉(zhuǎn)動手柄，可以增大鎮(zhèn)壓輥與地面的間距。準確的調(diào)整鎮(zhèn)壓器高度裝置，既可以獲得很好的鎮(zhèn)壓效果，又可以為后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)打下堅實的基礎(chǔ)。

4 試驗與分析

4.1 材料與方法

4.1.1 試驗材料

久保田954拖拉機、江蘇750拖拉機，土壤水分測定儀、土壤堅實度儀、水平儀、細線、鋼卷尺、皮尺、耕深尺、秒表、精量天平、烘箱、標桿等。

4.1.2 試驗方法

本次試驗于2020年7月8日在江蘇常州選擇了3塊不同的試驗田。試驗當天使用烘干法分別測出3塊不同試驗田的土壤含水率，含水率分別為14.5%、21.9%、26.1%。土壤含水率測定方法：在每個測區(qū)對角線上分別取5個測點，每個測點按10 cm為單位分層取樣，每層取樣量去掉石塊和殘渣等雜質(zhì)應不少于30 g，需裝入土壤盒中稱重，溫度設(shè)定為105 ℃，需持續(xù)烘干6～7 h，至恒重，然后取出放入干燥容器中冷卻，直至和室溫一致時開始稱重，所有測點的平均值就是本次試驗田塊的土壤含水率。

4.2 土壤平整度的單因素對比試驗

4.2.1 牽引速度對土壤平整度的影響

土壤平整度的測定方法：當機具作業(yè)后，在壟面上的最高點位置作一條水平直線為基準線，在基準線在以10 cm的間距等分，并在每個等分點上測出耕后的土壤表面到基準線的垂直距離，每個壟上均勻的選取3個測量段。按式（3）、式（4）可計算出平均值和標準差，算出的標準差的值就表示土壤平整度，值越小，表示土壤平整效果越好。

在土壤含水率以及動力輸出軸轉(zhuǎn)速相同的情況下，改變機具的牽引速度。當動力輸出軸轉(zhuǎn)速在720 r/min，土壤含水率在20.5%的相同情況下，機具的牽引速度分別選取為A1=0.8 m/s，A2=1.0 m/s，A3=1.2 m/s，A4=1.4 m/s，分別重復試驗3次，試驗結(jié)果如表1所示。

通過單因素方差法分析，顯著水平設(shè)定為0.05，利用最小顯著差異法LSD對牽引速度的變化對土壤平整度的影響進行分析，判斷牽引速度對土壤平整度影響的顯著程度。方差分析結(jié)果如表2、表3所示。

通過對單軸和雙軸作業(yè)參數(shù)的對比，在相同牽引速度情況下，雙軸機具的土壤平整度明顯要優(yōu)于單軸的機具的土壤平整度。

4.2.2 土壤含水率對土壤平整度的影響

為了對比兩個機具的土壤平整度情況以及土壤含水率對平整度的影響，通過在土壤含水率不同的田塊上作業(yè)，以及牽引速度為1.1 m/s，動力輸出軸轉(zhuǎn)速為720 r/min的情況下，土壤含水率分別選取B=14.5%，B2=21.9%，B3=26.1%，分別重復試驗3次，試驗結(jié)果如表4所示。

通過單因素方差法分析，顯著水平設(shè)定為0.05，利用最小顯著差異法LSD對牽引速度的變化對土壤平整度的影響進行分析，判斷牽引速度對土壤平整度影響的顯著程度。方差分析結(jié)果如表5和表6所示。

通過對單軸和雙軸作業(yè)參數(shù)的對比，在相同土壤含水率情況下，雙軸機具的土壤平整度明顯要優(yōu)于單軸的機具的土壤平整度。

4.2.3 碎土輥軸轉(zhuǎn)速對土壤平整度的影響

為了探索出碎土輥軸轉(zhuǎn)速對平整度的影響情況，當土壤含水率在20.7%，牽引速度為1.1 m/s的相同情況下，改變機具碎土輥軸的轉(zhuǎn)速，從而研究出土壤平整度變化的規(guī)律，碎土輥轉(zhuǎn)速分別選取C1=237 r/min，C2=315 r/min，C3=439 r/min，分別重復試驗3次，試驗結(jié)果如表7所示。

通過單因素方差法分析，顯著水平設(shè)定為0.05，利用最小顯著差異法LSD對碎土輥轉(zhuǎn)速的變化對土壤平整度的影響進行分析，判斷碎土輥轉(zhuǎn)速對土壤平整度影響的顯著程度。方差分析結(jié)果如表8所示。

分析可知，P值遠小于0.001，說明碎土輥轉(zhuǎn)速在其他條件不變的情況下，對土壤平整度的影響是極顯著的，亦即土壤平整度與碎土輥轉(zhuǎn)速的相關(guān)度很高。

從表7可以發(fā)現(xiàn)，碎土輥轉(zhuǎn)速越高，土壤平整度數(shù)值越小，呈明顯下降趨勢。根據(jù)土壤平整度的計算公式可以得出，土壤平整度數(shù)值越小，平整度越好，因此也可以得出，適度提高碎土輥轉(zhuǎn)速可以提高土壤平整度，但當速度碎土輥轉(zhuǎn)速大于440 r/min時，平整度提高幅度將會減小。通過對不同碎土輥轉(zhuǎn)速下的土壤平整度平均值進行擬合，雙軸機具可以得到擬合方程式（9），決定系數(shù)分別是R2=1，說明擬合方程是有效的?？梢岳迷摲匠填A測不同碎土輥轉(zhuǎn)速下的平整度。

5 結(jié)論

本文將蔬菜整地機具作為研究對象，設(shè)計了兩套鎮(zhèn)壓器高低調(diào)節(jié)裝置。手搖式鎮(zhèn)壓調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于維修；液壓式設(shè)計裝置可以實現(xiàn)壓深反饋自動調(diào)節(jié)，設(shè)計鎮(zhèn)壓輥壓力監(jiān)測和鎮(zhèn)壓深度自動調(diào)節(jié)方法及裝置。從理論分析角度對蔬菜整地機具的鎮(zhèn)壓部件進行了設(shè)計優(yōu)化，提高了機具的作業(yè)質(zhì)量和整體性能，并掛接樣機進行了田間試驗研究，通過試驗得到以下結(jié)論。

1）? 針對蔬菜生產(chǎn)的農(nóng)藝要求，對蔬菜精整地機鎮(zhèn)壓部件進行參數(shù)設(shè)計，主要技術(shù)參數(shù)如下：根據(jù)蔬菜種植對壟型參數(shù)要求，鎮(zhèn)壓輥直徑為16 cm，壟距≥150 mm，鎮(zhèn)壓輥端盤的參數(shù)：鎮(zhèn)壓輥直徑（頂圓直徑）為50 cm，高度為14 cm，傾角為35°。

2） 本文以土壤平整度為響應指標，牽引速度、土壤含水率以及碎土輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，通過單因素試驗分析法得出：碎土輥轉(zhuǎn)速、牽引速度對土壤平整度的影響都是極顯著，土壤含水率對碎土率的影響是顯著的，而對土壤平整度的影響不顯著；土壤平整度隨土壤含水率的增加而基本不變，而隨碎土輥轉(zhuǎn)速和牽引速度的增加而降低。雙軸機具的機構(gòu)相對比較復雜，但是在土壤平整度方面要明顯優(yōu)于單軸機具的作業(yè)效果。

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