李繼成，左勝甲，梁歆雅，陳亞雙，陳佳怡

保護性耕作技術(shù)作為一項科學(xué)的、可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)新技術(shù)已被公認(rèn)為是一種先進的農(nóng)業(yè)技術(shù)，可在全球范圍內(nèi)減少干旱并改善土壤的物理條件［1］.根據(jù)試驗及應(yīng)用證明保護性耕作增產(chǎn)效果明顯，對保護性耕作技術(shù)的推廣與應(yīng)用是必要的［2］.土壤深松和土壤改良是保護性耕作技術(shù)的兩種重要措施.土壤深松是指借助深松機械裝備，在不翻轉(zhuǎn)土壤狀況的前提下，打破耕地犁底層.土壤改良是指適量往土里注入藥水（液態(tài)肥料），從而實現(xiàn)改善土質(zhì)的作用，兩者結(jié)合可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)土壤固液氣三相比，改善土壤的結(jié)構(gòu)與質(zhì)量，提高自然降水的利用率，為農(nóng)作物的正常生長創(chuàng)造良好的環(huán)境，從而實現(xiàn)農(nóng)作物高產(chǎn)高質(zhì)的種植目標(biāo)，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［3］.

目前，國內(nèi)外對深松和注藥技術(shù)已有許多研究.荷蘭凱斯公司制造了730C 大型聯(lián)合耕整地機［4］，能夠有效打破犁底層，具備深松、滅茬、碎土等多種作業(yè)功能.美國約翰迪爾公司設(shè)計制造了2700 大型聯(lián)合耕整地機［5］，該機一次進地能夠完成多項作業(yè)，減少了作業(yè)次數(shù)，提高了作業(yè)效率.日本馬克株式會社增子利一等［6］研制出一種小型手扶式土壤改良機，通過向果樹根部注入壓縮空氣實現(xiàn)快速松土，能夠有效改善根區(qū)土壤環(huán)境.MARCELO等［7］設(shè)計了一種土壤鉆孔施液肥裝置，該裝置采用了凸輪機械結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)鉆頭的豎直往復(fù)運動進行鉆孔，從而為施液肥提供孔洞.趙春江等［8-9］設(shè)計了一種移動式注肥噴藥一體裝置，將注肥機構(gòu)集成到機架形成移動式裝備，可大幅度提升作業(yè)效率.左勝甲等［10］基于氣壓劈裂原理，設(shè)計了一種拖拉機牽引式氣壓深松機，實現(xiàn)了在不翻動土壤的情況下對耕地實施有效地深松.奚小波等［11-12］設(shè)計了一種與拖拉機后懸掛的果園氣爆松土注肥機，可完成氣爆松土和液肥注射，并對氣爆松土參數(shù)進行了優(yōu)化.

目前，國內(nèi)外在旱作耕地上，深松與注藥一體化作業(yè)裝備研究還很少見，關(guān)于深松與注藥的研究主要集中在通過兩種不同的裝備分開進行作業(yè).本文基于前人提出的氣壓劈裂原理，針對旱作耕地的深松和注藥，設(shè)計了一種新型的氣松注藥一體化作業(yè)裝備，該裝備可在不停車的情況下，連續(xù)對耕地犁底層進行氣壓深松作業(yè)和土壤注藥作業(yè)，論文闡明了氣松注藥一體化作業(yè)裝備的工作原理，同時對整機結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵部件進行了設(shè)計，并構(gòu)建了整機的三維虛擬樣機模型.

1 設(shè)計原則

氣松注藥一體化作業(yè)裝備的研究設(shè)計必須在滿足深松注藥農(nóng)藝要求和功能的情況下，遵循一定的機械原理和機械設(shè)計的基本準(zhǔn)則，設(shè)計原則如下：

（1）所設(shè)計的裝備應(yīng)該有一定的通用性，應(yīng)該盡量適應(yīng)多種硬度的耕地犁底層.

（2）所設(shè)計的裝備應(yīng)具有合理的結(jié)構(gòu)，防止在作業(yè)過程中出現(xiàn)空松的現(xiàn)象.

（3）所設(shè)計的裝備應(yīng)具有操作簡單、使用方便的特征.

（4）在滿足使用強度的情況下，應(yīng)該使作業(yè)裝備的結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，以減少作業(yè)過程中的燃料損失.

2 總體方案

2.1 總體設(shè)計思想

本設(shè)計參考改進已有深松機械的工作過程，采用氣壓深松注藥的設(shè)計方法，在作業(yè)時，整個裝備由汽油發(fā)動機牽引前進，通過間歇機構(gòu)在不停車的情況下，控制注射槍做往復(fù)運動，利用高壓氣體在對土壤進行深松產(chǎn)生裂隙后注入藥物.

裝備的設(shè)計優(yōu)勢為：利用氣壓劈裂技術(shù)對耕地進行深松，可以減少土表土壤的翻動量，保持耕層結(jié)構(gòu)，改善土壤固液氣三相比，另外，在不改變作業(yè)裝備的情況下，深松后及時對其注入藥物，增加了作業(yè)效率，提升了土壤吸收效果.

2.2 作業(yè)機的基本結(jié)構(gòu)和工作過程

本文所設(shè)計的氣松注藥一體化作業(yè)裝備能夠高效地完成氣壓深松和土壤注藥，其三維虛擬模型如圖1所示，主要部件包括：汽油發(fā)動機、控制系統(tǒng)、間歇機構(gòu)、高壓氣泵、氣壓傳動箱、藥水箱、高壓深松注藥裝置、注射槍和機架等.

圖1 作業(yè)機整體機構(gòu)基本結(jié)構(gòu)圖

圖2為作業(yè)機注射槍作業(yè)過程圖，本機在作業(yè)過程中，如圖2（a）所示，整機通過汽油發(fā)動機驅(qū)動向前移動，并通過方向手柄控制行走方向，汽油發(fā)動機通過減速器和離合器驅(qū)動間歇機構(gòu)上的高壓深松注藥裝置使固定在高壓深松注藥裝置上的注射槍迅速刺入土壤中，當(dāng)注射槍刺入相應(yīng)深度時，如圖2（b）所示，控制系統(tǒng)控制高壓氣泵開始工作，產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)注射槍注入土壤深層，實現(xiàn)土壤深松作業(yè)；待深松作業(yè)完成時，控制系統(tǒng)開始停止注氣并控制藥水通過注射槍注入深松后的土壤，實現(xiàn)土壤注藥作業(yè)，如圖2（c）所示；待注藥作業(yè)完成后，間歇機構(gòu)使注射槍快速從土壤中收回，如圖2（d）所示，此時控制系統(tǒng)控制高壓氣泵停止工作，深松和注藥過程結(jié)束，即完成一次工作循環(huán).

圖2 作業(yè)機注射槍作業(yè)過程圖

當(dāng)需要調(diào)整本機作業(yè)位置或所有耕地深松作業(yè)和注藥作業(yè)完成時，可通過電控開關(guān)，關(guān)閉減速器與高壓深松注藥裝置之間相連的離合器，使汽油發(fā)動機啟動后間歇機構(gòu)停止工作，便可進行移動調(diào)整或駛離耕地.

2.3 整機工作參數(shù)

（1）向前移動速度.為保證作業(yè)機的工作穩(wěn)定性，本機向前移動速度選定為0.5 m/s.

（2）本機深松深度.根據(jù)耕地犁底層的所在位置，本機深松深度選定為0.25～0.26 m.

（3）本機工作幅寬.本機設(shè)計五支注射槍，呈線型水平排布，相鄰注射槍水平距離相距0.6 m，工作幅寬為3 m.

（4）本機工作效率.經(jīng)過計算得本機的工作效率為1.2 m2/s，完成一次深松過程時間為0.8 s.

（5）前后深松點距離.本機設(shè)計的前后深松點的距離定為1.2 m.

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計

本設(shè)計的作業(yè)裝備中控制系統(tǒng)的作用是控制氣壓深松和土壤注藥.因此，控制系統(tǒng)設(shè)置為氣路和液路兩部分，其中氣路布置主要是將高壓氣泵產(chǎn)生的部分高壓氣體引導(dǎo)至土壤深處釋放，液路的布置思路主要是使用高壓氣泵產(chǎn)生的部分高壓氣體將藥水箱內(nèi)的藥水進行高壓注射至深松后的土壤深處.

控制系統(tǒng)主要包括高壓氣泵、注射槍、藥水箱、溢流閥、電磁換向閥一、壓力表、單向閥、電磁換向閥二等，控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示；其工作過程為當(dāng)注射槍插入土壤指定位置時，觸動傳感器，此時控制高壓氣泵開始工作，產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)電磁換向閥一通過注射槍瞬間注入土壤深層，實現(xiàn)氣壓深松作業(yè)；待深松作業(yè)完成時，控制系統(tǒng)使電磁換向閥一右移，注射槍停止注氣，控制系統(tǒng)使電磁換向閥二左移，藥水箱的藥水受到高壓作用通過注射槍注入深松后的土壤深處，實現(xiàn)土壤注藥作業(yè)；待注藥作業(yè)完成后，控制系統(tǒng)使電磁換向閥二右移，間歇機構(gòu)使注射槍從土壤中收回，安裝在注射槍上的傳感器控制高壓氣泵停止工作，深松和注藥過程結(jié)束.當(dāng)系統(tǒng)的工作壓力大于安全壓力時，溢流閥自動泄壓，保證控制系統(tǒng)的安全.通過觀察壓力表，利用調(diào)壓閥等對氣壓進行調(diào)解，得到深松所需高壓氣體的壓力.

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

3.2 間歇機構(gòu)的設(shè)計

本設(shè)計的作業(yè)裝備采用間歇機構(gòu)實現(xiàn)不停車，達(dá)到深松注藥循環(huán)往復(fù)的目的.間歇機構(gòu)主要包括間歇滑桿、導(dǎo)向支撐架、周轉(zhuǎn)桿、作業(yè)傳動軸、支撐座和高壓深松注藥裝置，以及注射槍.間歇機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示.

圖4 間歇機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

（1）間歇結(jié)構(gòu)的設(shè)計.本結(jié)構(gòu)的設(shè)計為滿足注射槍的循環(huán)往復(fù)運動，以及結(jié)構(gòu)簡單易于生產(chǎn)制造和維修，設(shè)計了圖5所示的間歇結(jié)構(gòu).傳動軸、周轉(zhuǎn)桿和圓滑桿是間歇結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵零件，其間歇運動通過作業(yè)傳動軸帶動周轉(zhuǎn)桿做周轉(zhuǎn)運動，使與周轉(zhuǎn)桿相接的圓滑桿做間歇的上下移動；其中周轉(zhuǎn)桿由OA 位置移動到OC 位置時，即為注射槍向下移動，由OC位置移動到OD 位置時，即為注射槍向上移動，則圓弧AD 段為間歇時段.

圖5 間歇結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)本結(jié)構(gòu)的工作參數(shù)，傳動軸的材質(zhì)選用45 號鋼并調(diào)質(zhì)，長度為3.2 m，直徑為40 mm.本設(shè)計中，前后注射孔之間距離設(shè)定為1.2 m，計算得到的周轉(zhuǎn)桿長度為254.78 mm，圓滑桿的圓直徑約為509.55 mm，弦長為509.46 mm.

（2）注射槍的設(shè)計.通過參考相關(guān)文獻(xiàn)，為減小注射槍入土阻力并盡可能地滿足出流效果的穩(wěn)定性.本機設(shè)計為：槍頭錐角為30°，柱體半徑為12.5 mm，內(nèi)孔通道半徑為7.5 mm，槍頭孔數(shù)為2、3、4 個，孔直徑為7 mm，孔中心到底部的距離為20 mm.

4 討論與結(jié)論

（1）相對于傳統(tǒng)土壤深松機和注藥機，深松注藥作業(yè)分開效率低的缺陷，所設(shè)計的氣松注藥一體化作業(yè)裝備采用氣壓深松注藥方法，能夠同時完成氣壓深松和土壤注藥作業(yè).該機不僅大大提高了深松注藥作業(yè)的效率，而且有效調(diào)節(jié)了土壤固液氣三相比，有效改善了土壤的結(jié)構(gòu)，增加了土壤肥力，減少了水土流失.

（2）該機的移動速度為0.5 m/s、深松深度為0.25～0.26 m、工作幅寬為3 m、工作效率為1.2 m2/s，前后深松點的距離為1.2 m，具有效率高、操作便捷的特點.

（3）該裝備采用汽油發(fā)動機為整個機器提供動力，具有較好的通用性和適應(yīng)性.

綜上所述，本文設(shè)計的氣松注藥一體化作業(yè)裝備，整體方案選擇合理，結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)制造，便于后續(xù)的維護保養(yǎng)，具有較強的市場推廣性和實用性.