張魯云,鄭炫,秦朝民,何興村

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子　832000)

?

超深耕犁的性能試驗(yàn)與研究分析

張魯云,鄭炫,秦朝民,何興村

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子832000)

摘要：【目的】 系統(tǒng)闡述新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的翻轉(zhuǎn)超深耕犁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作業(yè)機(jī)理.【方法】 用數(shù)據(jù)采集器收集了懸掛點(diǎn)所受拉力，經(jīng)過(guò)軟件處理顯示了實(shí)時(shí)曲線，了解深耕作業(yè)時(shí)各懸掛點(diǎn)的受力變化情況.【結(jié)果】 通過(guò)田間試驗(yàn)表明，翻轉(zhuǎn)超深耕犁犁耕深度可達(dá)85 cm以上，耕深穩(wěn)定變異系數(shù)小于10%，土垡破碎率大于75%，植被覆蓋率大于85%，工作可靠性均可達(dá)80%以上，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求.【結(jié)論】 試驗(yàn)證明該型犁具有作業(yè)效率高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的超深耕作業(yè)機(jī)具.

關(guān)鍵詞：深耕犁；數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)曲線；性能試驗(yàn)

對(duì)土壤進(jìn)行深耕深松作業(yè)是大田農(nóng)業(yè)的基本措施之一，其目的在于改善土壤化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)，疏松土壤[1-5]，而且有助于消滅作物病蟲(chóng)害、田間雜草.農(nóng)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育需要一定的耕作深度，若耕作深度長(zhǎng)期達(dá)不到作物生長(zhǎng)需要的深度，土壤熟土層厚度將減少，同時(shí)犁底層厚度增加.采用深松機(jī)械進(jìn)行深松作業(yè)，為作物根系生長(zhǎng)提供深厚的耕層空間，加速土壤養(yǎng)分分解與積累，促進(jìn)土質(zhì)熟化，提高土壤蓄水保墑能力，可以加厚活土層，進(jìn)一步提高農(nóng)作物產(chǎn)量.

西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)深松機(jī)具研究較早，曾做過(guò)大量的試驗(yàn)研究工作.如美國(guó)約翰·迪爾公司生產(chǎn)的擠壓松土式深松機(jī)，德國(guó)勞爾公司生產(chǎn)的懸掛式深松機(jī)，日本研制的多功能振動(dòng)式深松機(jī)，都是性能優(yōu)良的深松機(jī)具.但是進(jìn)口農(nóng)機(jī)具價(jià)格較高，缺少零配件供給和售后服務(wù)工作，并且進(jìn)口深松機(jī)械要與超大馬力拖拉機(jī)相配套使用，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有條件往往很難滿足.

近年來(lái)我國(guó)雖然也研制出了一些與免耕作業(yè)相配套的深松機(jī)具，但大多生產(chǎn)效率較低、功率輸出有限、作業(yè)速度慢，并且當(dāng)深松速度達(dá)到一定數(shù)值后就很難再進(jìn)行工作了，而且還有可能破壞深松機(jī)具，因此也影響了深松機(jī)具的作業(yè)質(zhì)量.本試驗(yàn)系統(tǒng)闡述了新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的新型翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作業(yè)機(jī)理，以期為超深耕技術(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù).

1材料與方法

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況[6]，研制的新型翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁，如圖1所示，主要由上、下?tīng)恳?、翻轉(zhuǎn)油缸、主、副犁體、犁柱、犁架大梁等組成.

1：上牽引板；2：翻轉(zhuǎn)油缸固定座：3：翻轉(zhuǎn)油缸；4：主犁鏵；5：主犁壁；6：主犁側(cè)板；7：主犁柵條；8：柵條加強(qiáng)筋；9：副犁鏵 ；10：副犁側(cè)板；11：副犁側(cè)板支撐架；12：副犁體；13：副犁柱；14：下?tīng)恳澹?5：犁架大梁；16：主犁柱.圖1　翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of overturn doubleaction super-deep plow

進(jìn)行深耕作業(yè)時(shí)[7-8]，上、下?tīng)恳迮c拖拉機(jī)懸掛裝置用懸掛銷進(jìn)行連接，由拖拉機(jī)牽引拖動(dòng).主犁體進(jìn)行深耕作業(yè)，副犁體進(jìn)行淺耕作業(yè).到地頭轉(zhuǎn)向時(shí)，翻轉(zhuǎn)油缸對(duì)犁架進(jìn)行1800轉(zhuǎn)向翻轉(zhuǎn)，主犁體對(duì)副犁體淺耕作業(yè)區(qū)進(jìn)行深耕作業(yè)，減小了耕作阻力和拖拉機(jī)連續(xù)進(jìn)行深耕作業(yè)，提高了工作效率.

1.2儀器與設(shè)備

1.2.1數(shù)據(jù)采集器采集器集成了4類通道組：15個(gè)模擬標(biāo)準(zhǔn)傳感器信號(hào)通道，1個(gè)扭矩/速度合成通道，3個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)通道，2個(gè)角度信號(hào)通道(圖2).將天線連接到采集器，按下電源按鈕，按鈕上的指示燈變亮，采集器開(kāi)始收集傳感器所發(fā)射數(shù)據(jù).

圖2　數(shù)據(jù)采集器Fig.2　Data acquisition

1.2.2壓力傳感器安裝懸掛式農(nóng)機(jī)具，其水平牽引力為：測(cè)得的上拉桿傳感器與兩懸掛銷傳感器三處水平牽引力分力矢量之和.

上拉桿傳感器安裝：按如圖3所示，使上拉桿與拖拉機(jī)后懸掛及被測(cè)農(nóng)機(jī)具連接在一起；用相應(yīng)的通信線纜，連接上拉桿(拉壓力信號(hào)接口)與數(shù)據(jù)采集器的對(duì)應(yīng)通道接口；用相應(yīng)的通信線纜，連接上拉桿(角度信號(hào)接口)與數(shù)據(jù)采集器的對(duì)應(yīng)通道接口.

圖3　上拉桿傳感器安裝Fig.3　The rod sensor installation

根據(jù)拖拉機(jī)牽引力學(xué)原理，上拉桿是純兩力桿結(jié)構(gòu)，受到拉力或者壓力F1，田間測(cè)試作業(yè)時(shí)，上拉桿傳感器在測(cè)力同時(shí)還實(shí)時(shí)測(cè)得上拉桿與地面的相對(duì)角度α，因此可得到上拉桿受到的水平牽引力為F1×cosα，則當(dāng)以機(jī)具牽引阻力方向?yàn)檎较驎r(shí)，上拉桿受拉力時(shí)水平牽引力為正受力，受壓力時(shí)水平牽引力為負(fù)受力；上拉桿受到的牽引阻力垂直分力為F1×sinα，則當(dāng)以機(jī)具牽引阻力方向?yàn)檎较驎r(shí)，上拉桿受壓力時(shí)牽引阻力垂直分力為正受力，受拉力時(shí)牽引阻力垂直分力為負(fù)受力.

下懸掛銷傳感器安裝：如圖4所示，使左右兩個(gè)下懸掛銷與拖拉機(jī)后懸掛及被測(cè)農(nóng)機(jī)具連接在一起；用相應(yīng)的通信線纜，連接左側(cè)下懸掛銷(拉壓力信號(hào)接口)與數(shù)據(jù)采集器的對(duì)應(yīng)通道接口；用相應(yīng)的通信線纜，連接右側(cè)下懸掛銷(角度信號(hào)接口)與數(shù)據(jù)采集器的對(duì)應(yīng)通道接口.

圖4　下懸掛銷傳感器安裝Fig.4　Under the suspension pins sensor installation

主機(jī)一般為筆記本電腦，操作系統(tǒng)為WinXP或Win7,無(wú)線設(shè)備通過(guò)USB接口連接到主機(jī),如圖5所示.

圖5　主機(jī)連接Fig.5　Host computer connection

2結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)于2014年11月12日-13日在位于新疆石河子農(nóng)墾科學(xué)院試驗(yàn)基地[9-10](樣區(qū)中心坐標(biāo)為N 43°26＇,E 84°58＇)的一塊收割過(guò)的玉米地進(jìn)行，該地段約為500 m×800 m,形狀呈矩形.試驗(yàn)樣機(jī)為翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁1號(hào)樣機(jī)，配套動(dòng)力為雷沃歐豹TG1454拖拉機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率106.2 kW，標(biāo)準(zhǔn)牽引力32 kN，最大提升力28 kN.地理位置屬于溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)，年平均氣溫為6.5～7.2 ℃，年平均降水量125.0～207.7 mm.土壤地質(zhì)為粘質(zhì)土壤，土壤含水率為7.6%，平均干容積密度為1.5～1.7 g/cm3.該時(shí)期剛進(jìn)行過(guò)秋季作物收獲，土壤裸露無(wú)植被，處于秋季末期，還未下雪，是進(jìn)行秋季深耕作業(yè)的理想時(shí)期.

2.2翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁性能試驗(yàn)

試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14225-2008《鏵式犁的參數(shù)與技術(shù)要求》，GB/5667-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》，并結(jié)合實(shí)際情況確定試驗(yàn)指標(biāo)：作業(yè)速度、純小時(shí)生產(chǎn)率、耕深、耕深穩(wěn)定變異系數(shù)、碎土率、植被覆蓋率、工作可靠性等,田間實(shí)地測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1[11-13].

表1　超深耕犁田間試驗(yàn)結(jié)果

2.3軟件操作運(yùn)行

軟件操作界面如圖6所示，此次試驗(yàn)主要測(cè)量、收集上懸掛點(diǎn)和左右兩個(gè)下懸掛點(diǎn)數(shù)據(jù).

2.4數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本檢測(cè)軟件將數(shù)據(jù)分為3個(gè)層次，如圖7所示.

虛擬通道與物理通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示，其中物理通道數(shù)據(jù)來(lái)自數(shù)據(jù)采集器各路通道的原始數(shù)值，對(duì)于4～20 mA的一般傳感器信號(hào)，系統(tǒng)在內(nèi)部將其轉(zhuǎn)變?yōu)?00～4 000的數(shù)值，對(duì)于特殊的角度信號(hào)0.5～4.5 V，系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)?～4 000的數(shù)值；將物理通道數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定(如800～4 000值換算成電流值，即除以200后再換算成扭矩值)后即為虛擬通道數(shù)據(jù)，這種比例的換算軟件已內(nèi)置；通過(guò)對(duì)虛擬通道數(shù)據(jù)進(jìn)行組合運(yùn)算(如ch1+ch2+ch3*ch4或ch1等等)后即為顯示數(shù)據(jù).

圖6　軟件界面Fig.6　Software interface

圖7　數(shù)據(jù)層次Fig.7　Data hierarchy

虛擬通道物理通道ch0～ch14通道1～通道15ch15扭矩/速度1:扭矩ch16角度1ch17角度2ch18扭矩/速度1:速度1ch19速度2

2.5數(shù)據(jù)采樣顯示

測(cè)試數(shù)據(jù)界面如圖8所示，顯示各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).

上拉桿、左右懸掛銷的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線顯示界面如圖9所示.

根據(jù)收集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所生成曲線如圖10所示，僅以左下懸掛點(diǎn)為例，在拖拉機(jī)平穩(wěn)作業(yè)時(shí)，截取試

圖8　測(cè)試數(shù)據(jù)界面Fig.8　Test data interface

圖9　數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線界面Fig.9　Data real-time curve interface

圖10　拉力曲線圖Fig.10　Pull graph

驗(yàn)時(shí)間5 min內(nèi)數(shù)據(jù).

2.6數(shù)據(jù)分析

從試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)生成曲線圖10可以看出：拉力在26～30.5 kN變化，受力相對(duì)均勻，沒(méi)有較大的波動(dòng).翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁三點(diǎn)懸掛受力均衡，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，且工作可靠、動(dòng)作協(xié)調(diào)、性能穩(wěn)定.

試驗(yàn)結(jié)果表明：翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁可較好地完成超深耕作業(yè)[14-15]；具有良好的作業(yè)性能和作業(yè)效果；土垡破碎率、植被覆蓋率、工作可靠性均可達(dá)80%以上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地挖掘測(cè)量，主犁最大耕深85 cm,小副犁最大耕深15 cm，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

通過(guò)試驗(yàn)也表明了兩點(diǎn)不足之處：

1)配套動(dòng)力雷沃歐豹TG1454拖拉機(jī)，因其發(fā)動(dòng)機(jī)功率僅為106.2 kW，在進(jìn)行深耕作業(yè)時(shí)(尤其是高速行駛時(shí))容易熄火，明顯感到發(fā)動(dòng)機(jī)率偏小，建議采用大馬力拖拉機(jī)與深耕犁配套使用，更好地發(fā)揮深耕犁的優(yōu)異性能.

2)深耕作業(yè)后犁體后部柵條出現(xiàn)變形，影響作業(yè)質(zhì)量，建議采用高強(qiáng)度鋼制作犁體柵條，并進(jìn)行熱強(qiáng)度處理，避免深耕作業(yè)時(shí)犁體柵條出現(xiàn)變形情況.

3討論與結(jié)論

1)實(shí)踐證明長(zhǎng)期單一的種植模式[16-17]，尤其是近年來(lái)實(shí)施的保護(hù)性免耕耕作方式，導(dǎo)致土壤肥力下降、板結(jié)加劇、病菌感染、病蟲(chóng)害增加，土壤容重增大導(dǎo)致作物根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收能力下降，直接影響了作物的產(chǎn)量和質(zhì)量.

2)經(jīng)過(guò)多年試驗(yàn)表明，通過(guò)超深耕深翻作業(yè)可以有效改善土壤結(jié)構(gòu),消滅雜草、減少病蟲(chóng)害，增加土壤蓄水保墑抗旱的能力，提高了作物產(chǎn)量、質(zhì)量[18].統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)證明，相對(duì)于傳統(tǒng)翻耕地，深松耕作能使0～30 cm土層容重降低0.1 t/m3左右[19]，提高0～50 cm土層含水率10.9%左右，0～2 m土層含水率11.2%左右，增加作物產(chǎn)量5.7%～11.3%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益.

3)新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的新型翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁，根據(jù)我國(guó)北方旱區(qū)農(nóng)業(yè)實(shí)際情況設(shè)計(jì)，通過(guò)田間實(shí)地測(cè)試證明，可以較好地完成深耕作業(yè).該型深耕犁設(shè)計(jì)思想前衛(wèi)，結(jié)構(gòu)合理，可進(jìn)行調(diào)幅和入土角調(diào)整.通過(guò)田間試驗(yàn)，樣機(jī)犁的耕深、耕寬穩(wěn)定性、翻垡效果、殘茬覆蓋率、作業(yè)效果均滿足設(shè)計(jì)要求.采用附帶小副犁的獨(dú)特設(shè)計(jì)能有效減小主犁體耕作阻力，提高耕深及拖拉機(jī)行走穩(wěn)定性.

參考文獻(xiàn)

[1]陳德新.土壤機(jī)械化深耕深松技術(shù)及注意事項(xiàng)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011(19):265-269

[2]時(shí)均蓮，邱立春.國(guó)內(nèi)外深松技術(shù)及深松機(jī)具概況[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2005(3):58-59

[3]廖植樨，鄧健，谷謁白，等.全方位深松對(duì)土壤物理化學(xué)的影響[J].北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，15(1)：18-24

[4]谷謁白，劉向陽(yáng).1SQ-250型全方位深松機(jī)的研制與試驗(yàn)[J].北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，14(4)：42-48

[5]高煥文，李問(wèn)盈.保護(hù)性耕作技術(shù)與機(jī)具[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：170-172

[6]李志紅，楊良玖，全臘珍.我國(guó)耕整機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005(3)：46-48

[7]楊麗，蘇益明，張東興，等.玉米紙筒苗移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡分析與性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(13)：35-42

[8]魯力群，李其昀，趙靜.深松旋耕溝播聯(lián)合作業(yè)機(jī)深松技術(shù)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，17(6):72-75

[9]李守仁，林金天.驅(qū)動(dòng)型土壤耕作機(jī)械的理論與計(jì)算[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004

[10]余坤，馮浩，李正鵬，等.秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤水分與冬小麥耗水特征的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(10)：116-121

[11]孫美，張曉琳，馮紹元，等.基于交叉驗(yàn)證的農(nóng)田土壤飽和導(dǎo)水率傳遞函數(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(10)：116-121

[12]李永磊，宋建農(nóng)，康小軍，等.雙輥秸稈還田旋耕機(jī)試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(6)：45-49

[13]鄭炫，賈首星，秦朝民，等.翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁的研究與設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010(3)：108-114

[14]劉建輝，袁山城.懸掛式單鏵翻轉(zhuǎn)深翻犁的研制與應(yīng)用[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2007(6):12-13

[15]席海亮，趙春花，連文香.基于ADAMS的4GH120型牧草收割機(jī)切割器運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,48(6):160-163

[16]劉百合.超深耕種植技術(shù)與機(jī)具[J].農(nóng)機(jī)市場(chǎng)，2003(4):18

[17]高煥文，何明，蔣金琳，等.保護(hù)性耕作機(jī)械化種植模式與播量試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012,43(8):42-45

[18]孫悅超，麻碩士，陳智，等.植被蓋度和殘茬高度對(duì)保護(hù)性耕作農(nóng)田防風(fēng)蝕效果的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(8)：156-159

[19]何進(jìn)，李洪文，高煥文.中國(guó)北方保護(hù)性耕作條件下深松效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(10)：62-67

(責(zé)任編輯趙曉倩)

Performance test and analysis of super-deep plow

ZHANG Lu-yun，ZHENG Xuan，QIN Zhao-min，HE Xing-cun

(Machinery and Equipment Institute of Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences,Shihezi 832000,China)

Abstract：【Objective】Expounding the structural characteristics and operation mechanism of overturn super-deep plow to provide theoretical reference data for application of super-deep technology.【Method】The tensile at suspension point was collected by data acquisition and processed by software to get real-time curve and learn the change of force at each suspension point during deep plowing work.【Result】 Field test showed that plowed depth by the overturn super-deep plow above 85 cm,variation coefficient of tillage depth stability was less than 10%,breaking rate of soil furrow was above 75% ,vegetation coverage was over 85% and work reliability could reach more than 80%,which met the design requirements.【Conclusion】Super-deep plow characterized by high efficiency,good stability and firm structure and was a super-deep plow work tool with good performance.

Key words：super-deep plow；data acquisition；real-time curve；performance test

通信作者：鄭炫，女，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)具設(shè)計(jì)與理論研究.E-mail：jiazhengxuan@sohu.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAD06B00)；新疆農(nóng)墾科學(xué)院引導(dǎo)計(jì)劃(79YYD201504).

收稿日期：2015-03-27；修回日期：2015-04-24

中圖分類號(hào)：S 222.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-4315(2016)01-0156-05

第一作者：張魯云(1972-)，男，碩士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)具設(shè)計(jì)制造研究.E-mail：zhangluyun1972@163.com