韋麗嬌，張　園，李　明※，董學(xué)虎，牛釗君，葛　暢，覃榮剛

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江　524091；2.農(nóng)業(yè)部熱帶作物機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，湛江　524091；3.廣西貴港西江機(jī)械有限公司，貴港　537100；4.湛江市麻章區(qū)倉龍農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，湛江　524000）

基于降阻節(jié)能技術(shù)的鑿式深松機(jī)的研制與試驗(yàn)分析

韋麗嬌1，2，張園1，李明1，2※，董學(xué)虎1，牛釗君1，葛暢1，覃榮剛3，4

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江524091；2.農(nóng)業(yè)部熱帶作物機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，湛江524091；3.廣西貴港西江機(jī)械有限公司，貴港537100；4.湛江市麻章區(qū)倉龍農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，湛江524000）

針對現(xiàn)有深松農(nóng)機(jī)具作業(yè)阻力大、能耗高、易堵塞及熱帶地區(qū)適用性不強(qiáng)等問題，研制了一款降阻節(jié)能鑿式深松機(jī)。該機(jī)利用鑿擊原理，配合切盤及刃口犁柱等結(jié)構(gòu)，能顯著降低能耗、有效緩解機(jī)具堵塞。試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，生產(chǎn)率達(dá)0.55 hm2/h，油耗為25.3 kg/hm2，松土深度42mm，破土率97.8%，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

降阻節(jié)能，鑿式，深松機(jī)，研制，試驗(yàn)

0　引言

土壤深松是保護(hù)性耕作中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它是通過拖拉機(jī)帶動(dòng)深松機(jī)具作業(yè)，并通過深松鏟對土壤進(jìn)行切削與疏松作業(yè)。由于深松機(jī)不翻土而只對土壤切削和松土，因此它不會(huì)破壞耕層植被和土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而保持耕層土壤的層次和土壤的自我修復(fù)能力［1］。熱帶地區(qū)深松的耕作深度一般要求35～45cm，因而它能夠有效地打破由于常年機(jī)具作業(yè)產(chǎn)生的犁底層，加深耕作深度，形成上虛下實(shí)的耕層結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)植物根系的發(fā)育，提高作物的產(chǎn)量；同時(shí)耕層結(jié)構(gòu)的改善和耕層的增加還可以形成土壤小水庫，雨季的時(shí)候可以起到蓄水的目的，旱季的時(shí)候可以為作物提供生長所需水分，從而實(shí)現(xiàn)土壤水分的自我調(diào)節(jié)，增強(qiáng)田間土壤抗旱、排澇的能力。

近年來我國北方部分省區(qū)在深松技術(shù)方面開展了大量的試驗(yàn)研究與示范工作，并取得了一定的成果。研究結(jié)果顯示，通過轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)耕作方法，大力發(fā)展深松這項(xiàng)保護(hù)性耕作技術(shù)，對于發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的條件和生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義［2］。廣東省也出臺(tái)了相應(yīng)政策補(bǔ)貼農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)，但農(nóng)民積極性還不是很高，最主要的原因是現(xiàn)有的深松機(jī)具

適用性不高，雜草、作物殘茬堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致耕作阻力大、能耗高。因此，針對熱帶地區(qū)設(shè)計(jì)和開發(fā)一種適用的降阻節(jié)能深松機(jī)具是十分必要的。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

根據(jù)保護(hù)性耕作深松的農(nóng)藝要求，即最低程度的破壞土壤結(jié)構(gòu)，而進(jìn)行最大程度的土壤有效深度疏松。據(jù)此，設(shè)計(jì)的深松機(jī)主要由三點(diǎn)懸掛、機(jī)架、切割機(jī)構(gòu)、深松機(jī)構(gòu)等組成，主要結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1。

圖1　鑿式深松機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Figure.1 Schematic diagram of Chisel subsoiling machine

機(jī)具的特點(diǎn)在于機(jī)架適用性設(shè)計(jì)，并安裝有防堵結(jié)構(gòu)的切盤，深松犁與機(jī)架聯(lián)接方法采用螺栓連接方式，通過緊固和放松螺母及調(diào)節(jié)壓板，使得深松犁左右上下可拆可調(diào)，簡單、快捷、方便的調(diào)整到所需的工作深度，幅寬等。

整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　鑿式深松機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table.1 Main technical parameters for Chisel subsoiling machine

1.2工作原理

機(jī)具作業(yè)時(shí)，三點(diǎn)懸掛接于輪式拖拉機(jī)上，隨著拖拉機(jī)的前進(jìn)，安裝于機(jī)架上的深松齒和鑿式深松犁柱逐步入土，達(dá)到預(yù)先由深松犁調(diào)整螺母和深松犁調(diào)整螺栓調(diào)整設(shè)定好的深度；同時(shí)圓盤切割盤跟著機(jī)具邊滾動(dòng)前進(jìn)邊切割由鑿式深松犁柱擁高帶走的土壤和雜草等殘雜，使得作業(yè)持續(xù)有效的進(jìn)行。深松犁采用深松齒加刃口犁柱的模式，大大降低了深松作業(yè)的功耗。

2　主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架按照多功能和通用型的要求，幅寬設(shè)計(jì)為240cm，可滿足不同用戶使用和不同拖拉機(jī)動(dòng)力配套安裝3個(gè)、5個(gè)、7個(gè)等深松犁，也可實(shí)現(xiàn)深松犁布置成“V”、“一字”等不同型式；同時(shí)，更換深松犁安裝甘蔗、木薯、菠蘿等作物種植前用的開溝器，可完成相關(guān)作物種植開溝作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，提高機(jī)具使用率和適應(yīng)性。

2.2深松犁的設(shè)計(jì)與分析

鑿式深松犁的深松入土齒部件見圖2，主要由深松齒座、保險(xiǎn)軸銷、深松齒等組成。深松齒設(shè)計(jì)采用了30CrMnTi耐磨材料制造，入土角設(shè)計(jì)為32°，入土水平距離為12cm；設(shè)計(jì)保險(xiǎn)軸銷，當(dāng)遇到阻力過大時(shí)，斷裂破壞，可起到保護(hù)機(jī)具和拖拉機(jī)的作用，重新更換保險(xiǎn)軸銷即可正常工作。

圖2　深松犁結(jié)構(gòu)示意圖Figure2 Schematic diagram of Subsoiling plow

入土原理：根據(jù)麥克基斯試驗(yàn)提出的簡單楔對土壤的松碎模型［3-5］，如圖3所示。

圖3　土壤松土模型Figure.3 Soil ripper model

深松犁的松土過程與楔子極其相近。土壤被禊面（深松犁）向前上方擠壓、推動(dòng)的同時(shí)，又被推擠向兩側(cè)移動(dòng)，于是不斷地產(chǎn)生剪切裂紋與松碎。松碎作用可以簡化認(rèn)為：楔面前方土壤保持不變寬度b，由下往上沿土壤的斷裂面擴(kuò)展至地表dd′；兩側(cè)土壤則呈扇形，沿?cái)嗔衙鏀U(kuò)展至地表odc及o′d′c′。被松碎土壤的斷面則呈梯形斜面cc′。于是由圖3可得其縱向松土范圍L為：

式中a為松土深度，cm；α為深松犁入土角，（°）；ψ為土壤斷裂面的傾角，（°），其大小與a、α和土壤的物理性狀等因素有關(guān)。

其橫向松土范圍B為：

式中，s為犁側(cè)影響范圍，cm；P為扇形松土范圍的最火擴(kuò)展角，（°）。

由此可知，在具體土壤條件下，影響松土范圍的主要因素是松土深度a和入土角α。犁前與犁側(cè)影響范圍均隨a與α的增加而增大。據(jù)試驗(yàn)當(dāng)松土深度a超過有效松土深度后，松碎效果將明顯下降；入土角α過大將使?fàn)恳枇眲≡黾印?/p>

2.3切盤的設(shè)計(jì)

為解決復(fù)雜地塊深松犁柱擁堵及進(jìn)一步減少工作阻力，機(jī)具上設(shè)有一防堵圓盤切割刀，圓盤切割刀直徑為52cm，通過調(diào)整桿上下調(diào)節(jié)圓盤切割刀的切割入土深度，調(diào)節(jié)范圍為5～15cm，以5cm為單位上下增減調(diào)整，以適應(yīng)不同土壤性質(zhì)需要。

3　試驗(yàn)分析

3.1試驗(yàn)條件

技術(shù)設(shè)計(jì)與研發(fā)和推廣單位于2016年4月13日在廣東省湛江市遂溪縣一合作社連片地塊進(jìn)行了試驗(yàn)，測試工作由農(nóng)業(yè)部熱帶作物機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心完成。該地塊較平坦，坡度≤5°，紅壤土，土質(zhì)較粘重，無石塊雜物，土壤平均含水率19.4%，土壤平均堅(jiān)實(shí)度549.36 kPa。試驗(yàn)過程配套804拖拉機(jī)，慢Ⅱ檔（0.9 m/s）作業(yè)，試驗(yàn)效果見圖4。

圖4　鑿式深松機(jī)作業(yè)效果圖Figure4　Renderings of Chisel subsoiling machine

3.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合實(shí)際需求測試指標(biāo)：工作效率、油耗、深松深度及地表平整度等。試驗(yàn)的儀器設(shè)備主要有卷尺、米尺、秒表、汽車拖拉機(jī)綜合測試儀、測速儀、土壤水分測定儀、土壤緊實(shí)度儀等。相關(guān)指標(biāo)的測試方法按照 GB/T 24675.2—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械深松機(jī)》進(jìn)行。

3.2.1深松深度及穩(wěn)定性

每隔2 m測定一點(diǎn)，每行程測定不少于10點(diǎn)，測定每點(diǎn)深度。并按如下計(jì)算公式計(jì)算深松深度平均值及其穩(wěn)定性系數(shù)。

A行程的深松深度平均值

式中aj為第j行程的深松深度平均值；aji為第j行程中第i個(gè)測定點(diǎn)的深度值；nj為第j行程中測定點(diǎn)數(shù)。

B工況的深松深度平均值

式中a為工況的深松深度平均值；N為同一工況中的行程數(shù)。

C行程的深松深度穩(wěn)定性系數(shù)

式中Saj為第j行程的深松深度標(biāo)準(zhǔn)差，cm；Vaj為第j行程深松深度變異系數(shù)，%；Uaj為第j行程深松深度穩(wěn)定系數(shù)，%。

D工況的深松深度穩(wěn)定性系數(shù)

式中Sa為工況的深松深度標(biāo)準(zhǔn)差，cm；Va為工況的深松深度變異系數(shù)，%；Ua為工況的深松深度穩(wěn)定系數(shù)，%。

3.2.2碎土率

五點(diǎn)法測定，每點(diǎn)取0.5 m×0.5 m的面積，測定小于5㎝的土塊質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。

式中Gq為碎土率，%；Nh為小于5cm的土塊質(zhì)量，kg；Na為測定區(qū)內(nèi)土塊總質(zhì)量，kg。

3.2.3地表平整度

五點(diǎn)法測定。在每點(diǎn)過耕后地表線的最高點(diǎn)，垂直于機(jī)組前進(jìn)方向作一水平直線為基準(zhǔn)線，取略大于一個(gè)機(jī)耕幅寬的寬度，分成10等分，并在等分點(diǎn)上作垂線與地表線相交，量出地表線上各交點(diǎn)至基準(zhǔn)線的距離，以平均值表示該點(diǎn)的平整度。最后求出5點(diǎn)的平均值即為耕后地表平整度。

3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)實(shí)際測試試驗(yàn)、計(jì)算，相關(guān)參數(shù)結(jié)果見表2。

表2　主要測試指標(biāo)結(jié)果Table The main indicators of the test results

從表2可知：鑿式深松犁生產(chǎn)率0.55 hm2/h，油耗25.3 kg/hm2，松土深度42mm，破土率97.8%，以上均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，經(jīng)使用者反饋表現(xiàn)出較高的認(rèn)可度。相關(guān)指標(biāo)的測試均按照結(jié)構(gòu)或參數(shù)調(diào)整后取值，實(shí)際作業(yè)情況可根據(jù)農(nóng)藝需求有所變化。

4　結(jié)論

1）鑿式深松機(jī)采用深松齒、深松齒座、保險(xiǎn)軸銷組合結(jié)構(gòu)，與刃口犁柱及切盤結(jié)構(gòu)配合，起到了降低能耗、有效緩解犁體堵塞的作用，利于深松技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

2）整機(jī)試驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠，生產(chǎn)率達(dá)0.55 hm2/h，油耗為25.3 kg/hm2，松土深度42mm，破土率97.8%，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3）基于操作機(jī)手對于機(jī)具使用程度的不同，鑿式深松機(jī)表現(xiàn)的工作質(zhì)量、動(dòng)力消耗等指標(biāo)依然受到波動(dòng)；同時(shí)，受現(xiàn)代農(nóng)藝發(fā)展趨勢的要求，機(jī)具進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度及智能監(jiān)控技術(shù)的意義重大。

［1］陳源泉，隋鵬，高旺盛.不同方法對保護(hù)性耕作的生態(tài)評價(jià)結(jié)果對比［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（6）：80-87.

［2］李洋陽，劉思宇，單春艷，等.保護(hù)性耕作綜合效益評價(jià)體系構(gòu)建及實(shí)例分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（15）：48-54.

［3］董學(xué)虎，盧敬銘，李明，等.3ZSP-2型中型多功能甘蔗施肥培土機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013.40（15）；180-182.

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［5］張金波，佟 金，馬云海.仿生減阻深松鏟設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（4）：141-145.

Analysis of Development and Test Resistance Reduction of Energy-saving Technologies Chisel Subsoiler

Wei Lijiao1，2，Zhang Yuan1，Li Ming1*，2，Dong Xuehu1，Niu Zhaojun1，Ge Chang1，Tan Ronggang3，4
（1.Tropical Agricultural Machinery Research Institute，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，
Zhanjiang 524091，China；2.The Center of Quality Supervision and Testing for Tropical Agriculture Machinerye，Zhanjiang 524091，China；
3.Xijiang machinery co.，LTD，Guigang 524091，China；4.The Center of CangLong Agricultural Technology Service for Zhanjiang City，Zhanjiang 524000，China）

Aiming at the existing operation of farm machinery subsoiling resistance，high energy consumption，easy to plug and tropical regions of applicability is not strong and other issues，we developed an energy-saving reduction in resistance subsoiler chisel，machine use Gouge principle，with disc plow blade and cut columns and other structures，can significantly reduce energy consumption，relieve clogged equipment.The results showed that:The machine structure is relatively simple，the production rate 0.55 hm2/h，fuel consumption of 25.3kg/ hm2，tillage depth of 42mm，a ground-breaking rate of 97.8%，the indicators meet the design requirements.

resistance Reducing energy saving，chisel，subsoiler，develop，text

海南省自然科學(xué)基金（20155208）；科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2014GB2E000040）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃（桂科合1599005-1-8）

韋麗嬌（1984-），女，壯族，廣西人，碩士，助理研究員，E-mail：weilijiao2008@163.com。

李明（1964-），男，漢族，廣東人，研究員，E-mail：Liming282@21cn.com。