起壟壓實機設計與試驗

程　晨，趙武云，戴　飛，李同輝

（甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070）

起壟壓實機設計與試驗

程晨，趙武云△，戴飛，李同輝

（甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070）

以西北地區沙土壤薯類種植農藝要求為出發點，設計了起壟機整機結構以及機架和起壟犁的結構，并做了三維建模，采用單因素試驗法，提出了起壟犁入土角度、起壟和壟面壓板傾角以及鎮壓滾筒直徑最優的組合，并分析了各因素對壟床寬度變異系數的影響，增強了起壟機的性能，降低了生產成本，提高了生產效率。

設計；起壟機；建模；試驗

在薯類種植的過程中旋耕起壟是一道重要的環節［1］，同時它也是生產效率低和勞動強度大的耕作環節。近年來，隨著我國西北地區種薯類種植的面積逐年擴大，依靠人工起壟的作業方式已經遠不能適應薯類種植生產和發展的需要［2］。采用機械起壟作業水平尚不足10%，旋耕起壟是阻礙發展薯類種植業的重要因素之一［3］。

起壟機的起壟作業對農作物增產增收和增質都起到積極作用，主要體現在：經過起壟機起壟作業后的底層土壤被翻到地面上來，并經過風吹日曬殺死了藏在土壤里面的寄生蟲，從而大量地減少了農藥的用量，有效地避免了農藥對地下水和土壤的污染［4］；有助于改良耕作層的土壤結構，即土壤結構疏松，使作物對土壤中的水分、無機鹽等營養成分充分地吸收。而目前市場銷售的起壟機普遍存在的缺陷是機具起壟作業方式不能適應當地土壤特性，最終使起壟作業的效果不能滿足農藝的種植要求［5］，從而推廣受限制；機具質量較重，工作時缺乏穩定性和可靠性；機具在起壟作業時，起壟犁等關鍵部件使用壽命短、質量差但價格昂貴。針對市場上出現的起壟機存在的一些缺陷，為滿足農作物種植生產和發展的需要，就迫切期望新的起壟機出現。將研制性能優良的起壟機，來降低生產成本，達到高效生產。

1　起壟機整體結構構造與設計

1.1起壟機整機結構

研制的起壟機，整機重量約為180kg。機具由起壟犁、機架、鎮壓板和鎮壓滾筒組成。其工作原理：利用位于機具兩側的起壟犁將旋耕后的土壤由兩邊向中間翻土，并通過左右鎮壓板對翻后的土壤進行鎮壓和固定，鎮壓板是通過拉簧的拉力來實現對土壤進行鎮壓的，鎮壓滾筒利用自身重力來對起壟后的土壤進行鎮壓。其整機結構如圖1所示。

圖1　起壟機整機結構

1.2機架構造與設計

機架的構造主要由拖拉機連接架、起壟犁安裝固定架以及鎮壓輥筒連接架三部分組成。本機的機架材質主要為80×80鋼管，整體大小為950mm× 1000mm（長×寬），重量約為70kg。其中拖拉機連接架、起壟犁安裝固定架共用一橫梁，且橫梁的大小為1000mm×80mm×80mm（方管），鎮壓輥筒連接架一端連接鎮壓輥筒，另一端與橫梁焊接而成。如圖2所示。

圖2　機架外形結構

1.3起壟犁構造與設計

傳統的起壟犁一般采用三角形華犁，起壟的作業方式是分為正反兩次起壟成型，其缺點在于要求壟寬一致性得不到統一，并且容易造成壟體的中部疏松和不飽滿［6］。因此為確保起壟的農藝要求，本機具的起壟犁采用一次起壟和一次成型的原理，即采用起壟犁與壓板相結合的結構，作業時位于機具兩側的起壟犁將土壤由兩邊向中間堆起，緊接著左右的壓板將中間堆起的土壤給壓實來完成起壟。起壟犁的結構如3圖所示。

圖3　起壟犁的結構圖

2　整機單因素試驗設計及分析

在翻耕地的平整度和拖拉機運行速度一定情況下，將起壟犁入土角度、起壟壓板和壟面壓板的傾角及鎮壓輥筒為自變量，壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度作為因變量，每個自變量重復出現5次，則因變量：壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度各得到4次數據進行試驗。試驗工具：SPSSforWindows軟件。

2.1不同起壟犁入土角度對起壟機作業的變化規律

不同起壟犁入土角度的壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度分析結果。見表1。

表1　不同起壟犁入土角度的壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度差異顯著性比較

表1中，S表示起壟犁入土角度，S1表示起壟犁入土角度為10°，S2表示起壟犁入土角度為15°，S3表示起壟犁入土角度為20°，S4表示起壟犁入土角度為25°，數據中的小寫字母（a，b，c）表示顯著差異性p=0.05水平，數據中的大寫字母（A，B）表示極顯著差異p=0.01。數據中含有相同字母的表示無顯著差異，相反，數據中含有不同字母的表示差異顯著。

根據表1中的數據顯示，可以得出：在顯著差異性p=0.05水平情況下，壟床寬度一欄中的數據，起壟犁入土角度S2=15°與起壟犁入土角度S1=10°和起壟犁入土角度S4=25°顯著差異，而起壟犁入土角度S2=15°、起壟犁入土角度S3=20°差異不顯著，起壟犁入土角度S1=10°、起壟犁入土角度S4=25°和起壟犁入土角度S3=20°三者之間差異不顯著。

2.2起壟和壟面壓板傾角對起壟機作業的變化規律

不同的起壟和壟面壓板傾角對壟床寬度、壟溝寬度和壟高高度影響的分析結果。見表2。

表2　起壟和壟面壓板傾角對壟床寬度、壟溝寬度和壟高高度差異顯著性比較表

上表2中，S表示起壟和壟面壓板傾角，S1表示起壟和壟面壓板傾角為35°，S2表示起壟和壟面壓板傾角為40°，S3表示起壟和壟面壓板傾角為45°，S4表示起壟和壟面壓板傾角為50°，S5表示起壟和壟面壓板傾角為55°，S6表示起壟和壟面壓板傾角為60°，數據中的小寫字母（a，b，c，d，e）表示顯著差異性p=0.05水平，數據中的大寫字母（A，B，C，D）表示極顯著差異p=0.01。數據中含有相同字母的表示無顯著差異，相反，數據中含有不同字母的表示差異顯著。

根據表2中的數據顯示，可以得出：在顯著差異性p=0.05水平情況下，壟床寬度一欄中的數據，起壟和壟面壓板傾角為50°與起壟和壟面壓板傾角為55°差異不顯著，而起壟和壟面壓板傾角為50°和起壟和壟面壓板傾角為55°分別與起壟和壟面壓板傾角為30°、起壟和壟面壓板傾角為35°、起壟和壟面壓板傾角為40°、起壟和壟面壓板傾角為60°差異顯著；起壟和壟面壓板傾角為30°、起壟和壟面壓板傾角為35°、起壟和壟面壓板傾角為40°以及起壟和壟面壓板傾角為60°互相均差異顯著。

2.3鎮壓滾筒直徑對起壟機作業影響的變化規律

不同的鎮壓滾筒直徑對壟床寬度、壟溝寬度和壟高高度影響的分析結果。見表3。

表3　不同的鎮壓滾筒直徑對壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度差異顯著性比較

在上表3中，S表示鎮壓滾筒直徑，S1表示鎮壓滾筒直徑為10cm，S2表示鎮壓滾筒直徑為11cm，S3表示鎮壓滾筒直徑為12cm，S4表示鎮壓滾筒直徑為13cm，S5表示鎮壓滾筒直徑為14cm，S6表示鎮壓滾筒直徑為15cm，數據中的小寫字母（a，b，c，d，e）表示顯著差異性p=0.05水平，數據中的大寫字母（A，B，C，D）表示極顯著差異p=0.01。數據中含有相同字母的表示無顯著差異，相反，數據中含有不同字母的表示差異顯著。

根據表3中的數據顯示，可以得出：在顯著差異性p=0.05水平情況下，在壟床寬度一欄中的數據，而鎮壓滾筒直徑為14cm和鎮壓滾筒直徑為15cm差異不顯著，其他的直徑則互相差異顯著。

在壟溝寬度一欄中的數據中，鎮壓滾筒直徑為15cm均與其他直徑差異顯著鎮壓滾筒直徑為12cm、鎮壓滾筒直徑為13cm以及鎮壓滾筒直徑為14cm差異不顯著，鎮壓滾筒直徑為10cm與鎮壓滾筒直徑為11cm差異不顯著。

通過單因素試驗分析，從本試驗的顯著性差異比較與分析，得出起壟犁入土角度為20°、起壟和壟面壓板傾角為50°及鎮壓滾筒直徑為13cm對起壟效果的影響要明顯比其他組合要明顯，并且這一組合參數設計的結構比較穩定，確保起壟機在起壟作業時穩定性和可靠性，因而壟床寬度、壟溝寬度和壟高高度變異率下降。

3　各因素對壟床寬度變異系數的影響分析

采用正交旋轉實驗法，以起壟犁入土角度，起壟和壟面壓板傾角，鎮壓滾筒直徑為影響因素，以壟床寬度變異系數為目標函數，實施試驗。試驗結果如下：

隨著鎮壓滾筒直徑與起壟和壟面壓板傾角的增大，壟床寬度變異系數先升高后降低，而隨著鎮壓滾筒直徑的增加，壟床寬度變異系數先降低后升高。這是由于起壟和壟面壓板傾角的增大，鎮壓滾筒對壟床的鎮壓作用就減弱，壟床寬度變異系數就降低；相反鎮壓滾筒直徑與起壟和壟面壓板傾角均減小，對壟床寬度鎮壓和壟型的能力就會減小，壟床寬度變異系數就升高。當鎮壓滾筒直徑達到12cm、起壟和壟面壓板傾角達到45°，壟床寬度變異系數達到最大值。如圖4a所示。

隨著鎮壓滾筒直徑增大，壟床寬度變異系數先升高后降低，而起壟犁的入土角度不斷的增加，壟床寬度變異系數先升高后降低。這是由于鎮壓滾筒直徑增大，鎮壓滾筒對壟床的鎮壓作用就減弱，造成壟床寬度變異系數增大；相反鎮壓滾筒直徑減小和起壟犁的入土角度減小能夠確保起壟機工作時穩定和可靠，當然壟床寬度變異系數就降低。當起壟犁的入土角度達到30°、鎮壓滾筒直徑達到12cm，壟床寬度變異系數達到最大值。如圖b所示。

隨著起壟和壟面壓板傾角的增大和起壟犁的入土角度增大，壟床寬度變異系數先升高后降低。起壟犁的入土角度達到25°，起壟和壟面壓板傾角達到55°時，繼續增大起壟和壟面壓板傾角和起壟犁的入土角度，起壟和壟面壓板對翻堆的土壤鎮壓作用增強，壟床寬度變異系數就下降。如圖4c所示。

圖4　各因素對壟床寬度變異系數影響的響應曲面

4　結論

1）起壟機的研制是一項具有前沿性的課題，同時，也是農業機械產品研發設計與制造中一項新的研究領域。本文是基于在前期起壟機的研究基礎上，利用起壟犁、機架、起壟壓板、壟面壓板以及鎮壓滾筒等關鍵部件為研究對象，設計了最合理的起壟機結構。

2）起壟機試驗與研究，采用單因素試驗，對起壟犁入土角度、起壟和壟面壓板傾角、鎮壓滾筒直徑提出最優的組合。

3）選擇起壟犁入土角度、起壟和壟面壓板傾角、鎮壓滾筒直徑作為自變量，并且選擇壟床寬度變異系數作為因變量，其正交試驗結果表明選擇的自變量和因變量是合理的。

［1］ 李洪民.國內外甘薯機械化產業發展現狀［J］.江蘇農機化.2010，（10）：76～77.

［2］ Iqbal，A.，Ning，H.，Khan，I.，Liang，L.，Dar，N.U.，2008.Modeling the effects of cutting parameters in MQL-employed finish hard-milling process using D-optimal method.Journal of Materials Processing Technology199，379-390.

［3］ 王廷生，陳廣德，李艷.甘南縣向日葵生產現狀及對策［J］.黑龍江農業科學2010（7）：169～170.

［4］ Belluco，W.，De Chiffre，L.，2002.Surface integrity and part accuracy in reaming and tapping stainless steel with new vegetable based cutting oils［J］.Tribology International35，865-870.

［5］ F.KaraosmanogIlua，G.Kurta，T.OEzaktas.Longterm CI engine test of sunower oil［J］.Renewable Energy19（2000）219-221.

［6］ 何進.北方灌溉區固定壟保護性耕作技術研究［D］.北京：中國農業大學，2007.

S223.25

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目（2012BAD14B10），國家自然科學基金資助項目（51405086）。

趙武云（1966-）男，教授，博士，研究方向為農業工程技術與裝備。Email：zhaowy@gsau.edu.cn。