喻麗華，劉光輝，張富貴，吳雪梅，胡長(zhǎng)壽

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

0 引言

發(fā)達(dá)國(guó)家移栽機(jī)的研制始于20世紀(jì)30年代[1-2]。20世紀(jì)60年代我國(guó)逐步引進(jìn)國(guó)外移栽機(jī)進(jìn)行幼苗機(jī)械化移栽，到21世紀(jì)初，推出了各種半自動(dòng)與全自動(dòng)移栽機(jī)[3-5]。但由于農(nóng)藝的差別，目前各種移栽機(jī)在我國(guó)廣大丘陵山區(qū)使用時(shí)，存在價(jià)格昂貴、年利用率低，與育苗技術(shù)、農(nóng)藝措施、破碎地塊及交通條件不相適應(yīng)等問(wèn)題[6]。2009年，丘陵山區(qū)開(kāi)始推行幼苗井窖式移栽,其是一種在井窖內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)壯苗培育、高莖深栽、適時(shí)早栽和集中移栽的新模式，應(yīng)用前景甚好[7]。

隨著幼苗井窖式移栽技術(shù)的推廣應(yīng)用，多項(xiàng)移栽井窖制作機(jī)具相關(guān)專(zhuān)利獲批準(zhǔn)[8-11]，各種井窖制作器械及機(jī)具相繼問(wèn)世。以小型汽油機(jī)為動(dòng)力源的背負(fù)式井窖制作機(jī)因其輕便、高效及操作靈活等諸多優(yōu)勢(shì)已逐步成為移栽井窖制作的主流機(jī)具，但對(duì)機(jī)具的工作效率、運(yùn)行成本、掛膜情況、回土情況以及機(jī)具的轉(zhuǎn)速、土壤濕度條件及是否覆膜對(duì)成穴質(zhì)量的影響缺乏相關(guān)的試驗(yàn)研究。為此，本文在分析井窖制作成穴原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)井窖制作機(jī)的田間測(cè)試，對(duì)機(jī)具的使用性能進(jìn)行全面的分析評(píng)價(jià)，并從提高操作舒適性與成穴質(zhì)量方面提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議，以期為井窖制作機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)及進(jìn)一步推廣使用提供一定的指導(dǎo)。

1 幼苗移栽井窖制作成穴原理分析

1.1 井窖移栽技術(shù)原理

如圖1所示：幼苗井窖式移栽技術(shù)原理是根據(jù)法國(guó)水力學(xué)家達(dá)西的達(dá)西定律，隨著外界溫濕度變化，井窖產(chǎn)生的水力遞度使井窖內(nèi)土壤水分蒸發(fā)或凝結(jié)，從而保持井窖內(nèi)溫濕度的相對(duì)穩(wěn)定，能在最佳移栽季節(jié)為幼苗提供一個(gè)適宜生長(zhǎng)的溫濕度及營(yíng)養(yǎng)環(huán)境。根據(jù)貴州省井窖移栽技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[12]，井窖制作要求需滿(mǎn)足：上部為圓柱形，下部為圓錐形，井口直徑8～10cm，井深18～20cm，無(wú)垮壁，無(wú)提漿。

圖1 井窖移栽技術(shù)原理圖[12]Fig.1 Principle diagram of well-cellar transplanting technology[12]

1.2 背負(fù)式井窖制作機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

目前，常用的背負(fù)式井窖制作機(jī)主要由背負(fù)式小型汽油機(jī)、動(dòng)力輸出座、調(diào)節(jié)器、拉手、外管、動(dòng)力輸入座和成穴頭組成，如圖2所示。動(dòng)力輸出座與動(dòng)力輸入座之間采用軟軸連接。成穴頭是一個(gè)下部為錐體，上部為柱體的空心結(jié)構(gòu)。工作時(shí)，啟動(dòng)汽油機(jī)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力通過(guò)輸出座、軟軸及輸入座帶動(dòng)成穴頭旋轉(zhuǎn)；操作者手持外管與拉手，對(duì)準(zhǔn)預(yù)成穴土體，同時(shí)施加向下的作用力使井窖成穴頭旋轉(zhuǎn)成穴，隨即提升成穴頭，即完成一個(gè)井窖的制作。

1.背負(fù)式小型汽油機(jī) 2.動(dòng)力輸出座 3.調(diào)節(jié)器 4.拉手 5.外管 6.成穴頭 7.動(dòng)力輸入座 圖2 背負(fù)式井窖制作機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic drawing of the knapsack well-cellar making machine

井窖制作機(jī)主要是通過(guò)成穴頭高速旋轉(zhuǎn)使周?chē)馏w產(chǎn)生壓縮變形與楔切變形，進(jìn)而使土體擠密成穴。因此，土壤類(lèi)型、土壤墑情、成穴頭表面結(jié)構(gòu)及井窖制作機(jī)的動(dòng)力匹配與轉(zhuǎn)速等將是影響井窖制作的關(guān)鍵因素。

1.3 擠密土體成穴范圍計(jì)算

假設(shè)土體為均勻的各向同性彈塑性材料，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，土體成穴時(shí)有效擠密半徑R為

(1)

現(xiàn)在以粘土為例，結(jié)合表1粘土的物理力學(xué)參數(shù)，通過(guò)式(1)可以計(jì)算有效擠密半徑。

表1 粘土的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Clay physical and mechanical parameters

首先計(jì)算粘土的剪切模量G，即

(2)

將式(2)代入式(1)，可得有效擠密半徑R與成穴頭半徑Ru的關(guān)系為

(3)

由式(3)可知：水平方向土體影響范圍半徑大約是成穴頭半徑的2.82倍，再考慮孔隙水壓力等因素，影響范圍應(yīng)該在2.82Ru以?xún)?nèi)。再據(jù)文獻(xiàn)[14-15]可知，豎直方向土體影響范圍大約是成穴頭入土深度的2倍。

水平方向影響半徑為

R≈2.82Ru=12.7cm

豎直方向影響深度為

H≈2L= 40cm

為此，采用背負(fù)式成穴機(jī)實(shí)施井窖制作時(shí)，對(duì)于在壟體上制作井窖，一般壟寬應(yīng)不小于25.4cm為宜。

2 背負(fù)式井窖制作機(jī)性能測(cè)試及結(jié)果分析

2.1 測(cè)試地點(diǎn)與測(cè)試內(nèi)容

1)測(cè)試地點(diǎn)：遵義縣樂(lè)山鎮(zhèn) (東經(jīng)106°40′30″、北緯20°38′30″、海拔900m)，測(cè)試地塊選擇有代表性的坡度在17°以上的坡地。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 井窖制作機(jī)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig. 3 Site photos of well-cellar making machine testing

2)測(cè)試內(nèi)容：①空機(jī)測(cè)試。將隨機(jī)選取的無(wú)故障商品機(jī)器按照正常工作條件啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)1h，測(cè)試其噪音及振動(dòng)狀況。②按照干燥起壟未覆膜、干燥起壟覆膜、高濕起壟未覆膜及高濕起壟覆膜4種測(cè)試條件，分別連續(xù)制作井窖100個(gè)。結(jié)合我國(guó)丘陵山區(qū)幼苗移栽季節(jié)土壤墑情，測(cè)試中， 干燥土壤的絕對(duì)含水率為18%，高濕土壤的絕對(duì)含水率為25%。測(cè)試記錄參數(shù)包括工作效率、油耗、井窖口徑、井窖深及回土及掛膜情況等。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

1)噪聲與振動(dòng)。

(1)噪音測(cè)試結(jié)果：在37.6dB環(huán)境噪聲情況下，井窖制作機(jī)怠速噪聲為81dB，工作噪聲為85dB。由此可知，作為田間作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)說(shuō)，井窖制作機(jī)的噪聲較低。

(2)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果：轉(zhuǎn)速位于3 000～5 300r/min時(shí)，屬于測(cè)試機(jī)型的中等轉(zhuǎn)速范圍，握把處振動(dòng)較大，振動(dòng)速度最大達(dá)到89.3mm/s，背部振動(dòng)速度8.8mm/s，在該轉(zhuǎn)速區(qū)間所制井窖質(zhì)量較差。轉(zhuǎn)速位于7 000～7 200r/min時(shí)，屬于測(cè)試機(jī)型的高轉(zhuǎn)速范圍，握把處振動(dòng)反而減小，振動(dòng)速度最大值達(dá)到65.2mm/s，背部振動(dòng)速度5.5mm/s，在該轉(zhuǎn)速區(qū)間所制井窖質(zhì)量較好。因此，井窖制作機(jī)應(yīng)盡可能選擇在高速段工作。

2)工作效率與油耗。本次測(cè)試結(jié)果：工作效率為每分鐘制作井窖60個(gè)，油耗為每100個(gè)井窖油耗約18mL。根據(jù)本地?zé)熑~種植情況，每公頃地約15 000株煙，也就是每公頃地需制作井窖15 000個(gè)。按照本機(jī)測(cè)試所得工作效率與油耗計(jì)算，每公頃地井窖制作需用時(shí)4.25h，油耗2.7L。因此，該試驗(yàn)機(jī)型工作效率高、運(yùn)行成本低。

3)不同測(cè)試條件下的井窖口徑。根據(jù)上述4種測(cè)試條件所制400個(gè)井窖口徑與井窖深測(cè)試結(jié)果，繪

制成如圖4所示井窖口徑頻數(shù)分布直方圖。

圖4 井窖口徑頻數(shù)分布直方圖Fig. 4 Frequency histogram of well-cellar caliber

由圖4可知：各測(cè)試條件下井窖口徑合格(井口直徑8～10cm)比例：干燥起壟覆膜為90%，干燥起壟未覆膜為77%，高濕起壟覆膜為96%；高濕起壟未覆膜為86%。

4)不同測(cè)試條件下的井窖深。根據(jù)上述4種測(cè)試條件所制400個(gè)井窖口徑與井窖深測(cè)試結(jié)果，繪制成如圖5所示井窖深頻數(shù)分布直方圖。

圖5 井窖深頻數(shù)分布直方圖Fig.5 Frequency histogram of well-cellar depth

由圖5可知：各種測(cè)試條件下井窖深合格(井深18～20cm)比例：干燥起壟覆膜為47%；干燥起壟未覆膜為14%；高濕起壟覆膜為61%；高濕起壟未覆膜為44%。

由上述測(cè)試結(jié)果可知：土壤水分及是否覆膜對(duì)所制井窖尺寸影響較大，絕對(duì)含水率為25%的高濕土壤較絕對(duì)含水率為18%的干燥土壤的井窖口徑與井窖深合格率高；但若進(jìn)一步增加土壤含水率，所制井窖壁易產(chǎn)生提漿現(xiàn)象。覆膜較未覆膜井窖尺寸合格率高，主要是覆膜后不僅減少了土壤水分的蒸發(fā)，且在覆膜過(guò)程中對(duì)土壤表層有輕微壓實(shí)作用，有利于井窖成形。

5)機(jī)具掛膜情況。根據(jù)干燥起壟覆膜與高濕起壟覆膜實(shí)驗(yàn)條件所制井窖掛膜情況測(cè)試結(jié)果，繪制成如圖6所示機(jī)具掛膜井窖數(shù)直方圖。由圖6可知：2種測(cè)試條件下的掛膜比例：干燥起壟覆膜為2%，高濕起壟覆膜為18%。由此可知，在干燥條件機(jī)具防掛膜性能較好，高濕條件機(jī)具防掛膜性能較差，主要是高濕條件增加了地膜的粘附性，致使機(jī)具的防掛膜性能有所降低。

圖6 機(jī)具掛膜井窖數(shù)直方圖Fig.6 Histogram of machine twining film well-cellar number

6)井窖回土情況。根據(jù)上述4種測(cè)試條件所制井窖回土情況測(cè)試結(jié)果，繪制成如圖7所示各回土井窖數(shù)直方圖。由圖7可知：各測(cè)試條件下回土井窖比例：干燥起壟覆膜為72%，干燥起壟未覆膜為83%，高濕起壟覆膜為1%，高濕起壟未覆膜為19%。

圖7 回土井窖數(shù)直方圖Fig.7 Histogram of wall collapse well-cellar number

由測(cè)試結(jié)果可知：高濕條件回土情況較干燥條件好；無(wú)論是干燥還是高濕條件，覆膜的回土情況稍好于未覆膜的回土情況，主要是覆膜過(guò)程中對(duì)土壤表層有輕微壓實(shí)作用，有利于改善回土。

3 背負(fù)式移栽井窖制作機(jī)改進(jìn)建議

1)背負(fù)及操作桿部分改進(jìn)。根據(jù)井窖制作機(jī)實(shí)地測(cè)試情況及長(zhǎng)期使用該機(jī)具的機(jī)手反饋意見(jiàn)，可適當(dāng)縮短如圖2所示的拉手的長(zhǎng)度，選用柔韌性較好的軟軸，提高背負(fù)式墊背及背帶的舒適度，以提高井窖制作機(jī)操作的舒適性。

2)成穴頭改進(jìn)。成穴頭是影響井窖制作的關(guān)鍵零件，綜合考慮成穴頭的破膜能力、旋入能力、楔切能力、耐磨性及拔出能力等問(wèn)題，改進(jìn)后的成穴頭如圖8所示。在成穴體前端設(shè)置三角形鉆尖，提高破膜能力及火石地的入土能力，成穴體中部外表面設(shè)置雙螺旋切削刃，增加楔切能力，進(jìn)而提高成穴效率。成穴體小頭外表面設(shè)置雙螺旋柱齒，在提高旋入能力的同時(shí)，有利于避免所制井窖下部壁面過(guò)于光滑的問(wèn)題。采用鉆尖、雙螺旋柱齒及雙螺旋切削刃三位一體的微結(jié)構(gòu)能較好地解決成穴體因過(guò)早磨損而報(bào)廢的問(wèn)題，提高成穴體的使用壽命。成穴體柱體表面設(shè)置擴(kuò)孔板，進(jìn)一步擠密上部土體，同時(shí)提高成穴頭的拔出能力，避免井窖垮壁。

1.三角形鉆尖 2.柱齒 3.切削刃 4.成穴體 5.擴(kuò)孔板 6.動(dòng)力連接板 圖8 改進(jìn)后的成穴頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure schematic drawing of the improved well-cellar forming unit

4 結(jié)論

1)背負(fù)式井窖制作試驗(yàn)機(jī)工作效率高、運(yùn)行成本低、 噪聲低，在高速段工作時(shí)，所制井窖質(zhì)量較好，整機(jī)振動(dòng)較小。

2)土壤水分及是否覆膜對(duì)井窖尺寸影響較大：當(dāng)土壤含水量太低(如低于15%)或太高(如高于30%)，不適宜制作井窖。干燥土壤條件可配套澆水環(huán)節(jié)(如每穴澆水50mL以上)后再實(shí)施井窖制作。覆膜后的井窖質(zhì)量好于同等條件下未覆膜井窖質(zhì)量，對(duì)干燥土壤條件應(yīng)盡量利用覆膜保墑，以提高井窖質(zhì)量。

3)干燥條件下機(jī)具的防掛膜性能較高濕條件好，但干燥條件較高濕條件回土情況差，且同等土壤濕度條件覆膜較未覆膜回土情況好。

4)背負(fù)式井窖制作機(jī)的改進(jìn)可以從人機(jī)工程的角度提高操作舒適性，并通過(guò)增設(shè)局部微結(jié)構(gòu)提高成穴效率，改善成穴質(zhì)量。

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