深松鏟鏟尖對土壤擾動過程及效果的試驗與分析

杭程光，黃玉祥,2，高喜杰，李 偉，朱瑞祥,2

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西 楊凌 712100；2.陜西省農業裝備工程研究中心， 陜西 楊凌 712100)

深松鏟鏟尖對土壤擾動過程及效果的試驗與分析

杭程光1，黃玉祥1,2，高喜杰1，李 偉1，朱瑞祥1,2

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西 楊凌 712100；2.陜西省農業裝備工程研究中心， 陜西 楊凌 712100)

鏟尖是深松鏟的關鍵部件之一，其對土壤擾動產生重要影響。在分析鏟尖對土壤擾動過程及影響機理的基礎上，以鑿形鏟、箭形鏟、翼形鏟為對象，用碎土率、土壤蓬松度、土壤擾動系數、地表平整度等評價指標，并用高速攝影技術進一步研究不同鏟尖形狀對土壤擾動過程及效果的影響。結果表明：(1)鏟尖形狀對土壤擾動過程產生重要影響，翼形鏟作業形成壟溝的地表寬度及溝底寬度最大，箭形鏟次之、鑿形鏟最小；(2)隨深松鏟鏟尖與土壤接觸面積及土塊間的二次接觸概率的增加，土壤破碎效果不斷改善，采用鑿形鏟、箭形鏟、翼形鏟深松后，10 cm耕層的碎土率分別為89.29%、90.87%、94.75%，全耕層的碎土率分別為85.09%、92.23%、96.13%；(3)鏟尖形狀是影響土壤疏松程度和地表平整性的重要因素，鑿形鏟對土壤的疏松效果較箭形鏟與翼形鏟差，但其耕后地表平整度優于箭形鏟與翼形鏟。綜合考慮作業質量、減阻效果、材料等因素，應合理確定鏟尖與土壤接觸面積，加強鏟尖對土壤類型的適應性研究，強化帶翼鑿式鏟鏟翼的合理布置位置及其結構參數的研究。

深松鏟；鏟尖；土壤擾動；高速攝影；試驗研究

機械深松具有活化犁底層、提高土壤蓄水保墑能力等作用，深松鏟對土壤的擾動效果是影響土壤的疏松程度、蓄水保墑能力以及后續作業難易程度的重要因素[1-4]。鏟尖作為深松鏟的關鍵部件之一，其對深松鏟-土壤系統的相互作用過程及土壤擾動效果產生重要影響[5-7]。研究深松鏟鏟尖對土壤擾動過程及效果的影響機理是提高深松作業質量的重要途徑。

近年來，國內外學者圍繞深松鏟及其鏟尖進行了大量研究。例如，Spoor等[6]研究表明，在翼形鏟前加鑿形鏟對耕作阻力及土壤擾動量產生重要影響；Ahmet等[7]在耕深25 cm與28 cm條件下，研究了四種不同形狀的鏟對土壤擾動、圓錐指數、容重等指標的影響；Fiekle[8]對十多種不同縱剖面的深松部件進行了對比與試驗，結果表明，深松部件的水平力隨耕作速度的增大顯著增加；Badegaonkar等[9]通過仿真分析研究了鏟尖入土角及長度對耕作效果的影響；Manuwa[10]建立了不同鏟尖的阻力預測模型，并分析了耕深對牽引力的影響；Tamás等[11]研究表明，翼形鏟對土壤破壞方式及過程與鑿形鏟的相似；李洪文等[12]研究發現，相比于單柱鑿鏟式，采用可調翼鏟式深松，能夠有效提高土壤的蓄水保墑能力，增加農作物產量；齊關宇等[13]研究了鏟尖對耕作阻力的影響，結果表明，牽引阻力隨著深松鏟與土壤接觸面積的增加而增大；張紹軍、王薇等[14-15]研究發現，鑿型深松鏟在打破犁底層后改善土壤持水量、土壤溫度、土壤堅實度和土壤微團聚體含量方面的綜合作用效果優于箭形、翼形鏟。現有研究主要對鑿式鏟受力及其數學模型進行了分析[16-18]，鮮有關于深松部件對土壤擾動過程及效果影響機理的報道。

為此，本研究以箭形、鑿形、翼形等三種典型深松鏟為對象，在分析鏟尖對土壤擾動過程影響機理的基礎上，采用高速攝影技術及土壤擾動效果的評價指標，深入研究了深松鏟鏟尖對土壤擾動過程及效果的影響，旨在為優化深松鏟設計方案、提高深松作業質量提供決策依據。

1 鏟尖對土壤擾動過程及效果的影響

深松鏟-土壤互作用機理分析是研究鏟尖對土壤擾動過程影響的關鍵。本研究以圓弧形鏟柄為基礎，分析了鏟尖形狀對土壤擾動過程及擾動效果的影響。

耕作機械對土壤產生切削、擠壓等作用是引起土壤失效、破碎的主要原因[19-20]。當土壤的應力或應變超過屈服值，土壤的變形將導致應力重新分布、載荷減少或土壤強度變大，從而引起土壤結構的失效與破碎[21]。在深松過程中，深松鏟與土壤接觸的零部件主要包括鏟柄與鏟尖，其與土壤之間的相互作用是引起土壤破碎的主要因素。為準確分析鏟尖對土壤擾動過程的影響，對深松鏟與土壤之間的互作用力進行了分析，如圖1所示。

圖1 深松鏟-土壤系統受力分析

由圖1可知，土壤主要受到深松鏟鏟尖的正壓力F(方向垂直于鏟尖表面)以及深松鏟表面的摩擦力f(沿鏟尖斜面向后)，將F分解成水平分力Fx及垂直分力Fy，Fx主要將土壤向前推動，Fy將土壤向上方抬升；將深松鏟圓弧段對土壤的作用力進行微元分析，土壤主要受到垂直于鏟柄刃口的切削力Fn及摩擦力fn(沿圓弧切線方向向上)，Fn主要對切土刃角輻射范圍內土壤進行切削，并將土壤向兩側擠壓，fn使土壤沿鏟柄圓弧切線方向運動；表層土壤主要受到垂直于直鏟柄段的擠壓力P的作用，土壤在擠壓力的作用下產生土垡裂紋，土垡裂紋隨深松鏟的前進逐漸擴大直至破裂、松碎。在不考慮土壤之間相互擾動作用的影響時，土壤的主要運動過程如圖2所示。其中，v為深松鏟前進方向，S1-S9為土壤的運動方向。

圖2 深松鏟-土壤系統互作用過程

深松鏟與土壤互作用過程中，鏟尖形狀的差異不僅會引起土壤的運動過程發生變化，同時也會對土壤擾動狀態及土壤之間的相互擾動作用產生影響。相比于鑿式鏟，帶翼鏟的兩側翼將會在一定程度上增大土壤的擾動范圍及擾動量；鏟尖與土壤接觸面積越大，土壤之間的相互擾動作用越強，這不僅會增加土塊之間的二次接觸概率，同時也會引起土壤運動過程發生改變，從而導致土壤的破碎程度及土壤的擾動狀態產生差異。

另外，深松作業條件較為復雜，田間土壤硬度分布均勻性、秸稈殘茬等土壤雜物也會在一定程度上影響深松鏟對土壤的擾動過程及擾動效果。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗在西北農林科技大學機械與電子工程學院數字化土槽試驗臺內開展，牽引動力為TCC-2.1電力四驅農機土槽試驗臺車。

試驗用鏟柄為圓弧形深松鏟柄，鏟柄切土刃角為60°，鏟柄厚度為30 mm。試驗共選用三種鏟尖，分別為鑿形鏟、翼形鏟和箭形鏟。

2.2 試驗方法

2.2.1 高速攝影技術 目前，高速攝影技術在農業領域已有廣泛的應用[24-25]。在深松過程中，難以用肉眼準確地觀察到土壤的運動過程及運動軌跡。為此，采用I-SPEED TR型高速攝影機，以750 幀·s-1的時間分辨率對不同鏟尖條件下的深松過程進行記錄，并使用i-SPEED Suite軟件對記錄過程進行重現，通過對整體影像及特定時刻的圖像進行分析，研究鏟尖對土壤擾動及運動過程的影響。試驗過程中，高速攝影機鏡頭垂直于機具前進方向放置，與水平面的夾角為35°，其布置位置如圖3所示。

2.2.2 土壤擾動效果的評價指標 深松鏟對土壤擾動效果的影響主要體現在土壤擾動量、地表狀態、土壤破碎狀態等方面，因此，本研究采用土壤擾動度、土壤蓬松系數、耕后地表平整度等指標，研究鏟尖對土壤擾動效果的影響。碎土率、土壤蓬松度、土壤擾動系數、耕后地表平整度的測定及計算方法參考GB/T 24675.2-2009[26]。

2.3 試驗過程

為保證土槽內的土壤條件符合大田土壤環境，試驗采用分層處理的方法，根據大田土壤參數制備土槽土壤。首先，取出距離土槽表面20 cm土層的土壤，使用1GQN-125型旋耕機將剩余土壤旋耕3遍，再采用HCD80型振動沖擊夯對其進行壓實；其次，在壓實的土層表面噴灑適量自來水，隨后均勻回填挖出的部分表層土壤(約10 cm)，滲透2 d后用旋耕機將表層土壤全面松碎、打勻，并用滾子壓實；最后，對處理后的表土再度噴灑適量自來水，均勻回填剩余土壤，并用輥子壓實。土槽土壤制備過程中，保證土壤含水率在12%～17%之間，20 cm土層深度內的土壤硬度為5～10 kg·cm-2，20 cm以下土層深度內的土壤硬度達到10～20 kg·cm-2。

為保證試驗過程的一致性，取前3 m為土槽車加速區，后3 m為減速區域，中間20 m為有效試驗距離。試驗在耕深為300 mm、速度為4 km·h-1的條件下，分別采用鑿形、箭形、翼形深松鏟進行。試驗過程中，采用高速攝影獲取了深松過程圖像，旨在分析鏟尖對土壤擾動及運動過程的影響；按GB/T 24675.2-2009規定對耕深、土壤擾動輪廓截面等參數進行測量，為研究鏟尖對土壤擾動效果的影響提供依據。土槽土壤制備及土壤擾動輪廓截面測量過程如圖4所示。

3 結果與討論

3.1 鏟尖對土壤擾動過程影響的高速攝影分析

理想狀態下深松鏟-土壤系統的互作用過程分析不足以準確說明鏟尖對土壤擾動過程的影響。為此，本研究借助高速攝影技術對深松過程進行了記錄，并采用i-SPEED軟件對其進行了重現，對不同土塊的運動狀態進行了標定與對比，從而研究不同鏟尖對土壤擾動及運動過程的影響。不同鏟尖深松鏟作業過程中，土壤擾動及運動狀態如圖5所示(高速攝影圖像按時間順序排列，紅色箭頭為土壤運動方向)。

由高速攝影結果可知，不同鏟尖深松鏟的土壤破碎過程存在一定差異。與鑿式鏟相比，采用帶翼鏟深松時，鏟尖將土壤沿鏟尖正壓力F(垂直于鏟尖斜面)的相反方向向前上方擠壓，鏟尖刃口對土壤進行切削，當某一斷面的剪切力達到土壤抗剪強度極限時，形成土垡裂紋，土壤發生剪切破壞，在地表形成扇形的土壤破碎輪廓，且該輪廓隨深松鏟的前進方向逐漸擴大；隨著機具的前進，土壤在被深松鏟向前推動的同時，沿垂直于深松鏟側翼表面的方向向兩側推動，土垡裂紋逐漸擴大，土壤結構發生破裂，形成較大的土塊，土塊受到土壤與鏟尖之間摩擦力的作用，沿鏟尖側翼表面向后運動；由于運動過程中，受到鏟柄切土刃的剪切作用、直鏟柄段的擠壓作用以及土壤之間的相互擾動作用，導致土塊結構進一步破裂、松碎。

圖3 高速攝影機布置位置

圖4 土槽土壤制備及土壤擾動輪廓截面測量過程

圖5 不同鏟形對土壤破碎及運動過程影響對比

根據試驗前劃分的白色線框的變化情況可知，不同鏟尖深松鏟的土壤擾動范圍存在一定差異。為進一步分析鏟尖對土壤擾動量的影響，根據深松帶土壤擾動截面輪廓，對不同鏟尖深松鏟的土壤擾動截面輪廓曲線進行了擬合，如圖6所示。

圖6 不同鏟形的土壤擾動輪廓曲線

由圖6可知，翼形鏟作業形成壟溝的地表寬度及溝底寬度最大，箭形鏟次之，鑿形鏟最小。其中，鑿形、箭形、翼形鏟壟溝的地表寬度分別為495.67、564.00、643.33 mm，翼形鏟與箭形鏟的溝底寬度差異較小。這主要是由于，鑿形、箭形、翼形鏟的鏟尖最大寬度分別為60、100、150 mm，翼形鏟對土壤的擾動作用最大，箭形鏟次之；深松鏟的入土角為23°，深松鏟尖的最大寬度位置位于鏟尖與鏟柄的接合處(距溝底約為6.4 cm)，因此翼形鏟尖與箭形鏟尖在溝底位置與土壤的接觸寬度差異較小，同時隨著深度的減小(在鏟尖與鏟柄的接合處)，土壤之間的相互擾動作用逐漸增大，鏟尖寬度對土壤擾動寬度的影響隨之減小，從而導致翼形鏟與箭形鏟的溝底寬度差異較小。另外，土壤擾動輪廓也受到土壤之間相互擾動作用的影響，翼形鏟兩側翼引起的土壤之間的相互擾動作用較箭形鏟與鑿形鏟強，其擾動輪廓截面也大于箭形鏟與鑿形鏟，這與理論分析的結果一致。

3.2 不同鏟尖對土壤擾動效果的影響

3.2.1 碎土率 碎土率主要反映了土壤受擾動后的破碎效果。由高速攝影圖像可知，不同深松鏟作業后，地表土壤的破碎狀態存在較大差異，鑿形鏟的大土塊數量明顯多于箭形鏟與翼形鏟。為準確衡量鏟尖形狀對碎土效果的影響，對10 cm耕層及全耕層的碎土率進行了測量，如表1所示。

表1 不同鏟形深松鏟的碎土率

由表1可知，鑿形、箭形、翼形鏟在10 cm耕層的碎土率分別為89.29%、90.87%、94.75%，全耕層的碎土率分別為85.09%、92.23%、96.13%，即翼形鏟的碎土效果最好，箭形鏟次之，鑿形鏟最差。引起這一現象的原因主要是：第一、土壤間的相互擾動作用隨鏟尖與土壤接觸面積的增加而增大，試驗采用的鑿形鏟、箭形鏟、翼形鏟與土壤的接觸面積分別為6 640、9 735、13 995 mm2，因此翼形鏟對土壤的破碎效果最好，箭形鏟次之；第二、土塊間的二次碰撞會引起土塊的進一步松碎，由高速攝影結果可知(圖5)，采用翼形鏟深松時土壤塊的運動過程最為復雜，因此其引起土塊間二次碰撞的概率最大，故其碎土壤效果較箭形鏟與鑿形鏟更好。

3.2.2 土壤蓬松度與土壤擾動系數 土壤蓬松度和土壤擾動系數主要反映土壤的被疏松狀態。深松作業要求土壤擾動系數較大，土壤蓬松度較小[26]。根據試驗后測繪的土壤壟形截面圖及土壤擾動輪廓截面圖，計算可得土壤蓬松度、土壤擾動系數，如表2所示。

由表2可知，采用不同鏟尖深松鏟作業后，土壤的被疏松狀態存在較大差異。其中，鑿形鏟的土壤蓬松度最大、土壤擾動系數最小，分別為21.03%、51.81%，即鑿形鏟對土壤的疏松效果較箭形鏟與翼形鏟差；同時，翼形鏟的耕前地表至實際深松溝底的橫斷面面積大于箭形鏟，但其土壤蓬松度及土壤擾動系數卻小于箭形鏟，這主要是由于采用鑿形、箭形、翼形鏟壟溝的地表寬度分別為499、564、643 mm，較大的地表寬度將會引起耕前地表至理論深松溝底的橫斷面積隨之變大，從而引起土壤蓬松度及土壤擾動系數呈發生變化。因此，鏟尖表面積不宜過大，但適當增大鏟尖表面積能夠在一定程度上提高深松鏟對土壤疏松效果。

3.2.3 耕后地表平整度 耕后地表平整度是反映深松鏟對地表土壤擾動狀態的評價指標[26]，其對播種等后續作業產生重要影響。試驗后在每個深松行程各取三個位置對耕后地表平整度數據進行了測量并對比，如表3所示。

表2 土壤蓬松度和土壤擾動系數

表3 耕后地表平整度

由表3可知，鑿形鏟深松后，位置1、位置2、位置3的耕后地表平整度分別為11.499、15.317、18.027，均小于箭形鏟、翼形鏟在同位置的地表平整度，即鑿形鏟的耕后地表平整度優于箭形鏟與翼形鏟。產生這一現象的主要原因是，深松過程中鑿形鏟對土壤的擾動作用較小，土壤的主要運動狀態包括抬升、前進、回落，向兩側的移動較少，從而引起地表土壟的平均高度較大，但由于回落土壤較多，回填了深松形成的壟溝，提高了地表的平整程度；采用箭形、翼形鏟作業時，深松鏟對土壤的擾動作用較強，增加了向兩側運動土壤的量，雖然有利于降低地表土壤高度，但由于回落土壤的量減小，導致地表土壤高度差較大，耕后地表平整度較差。

3.3 討論

(1) 鏟尖與土壤的接觸面積對耕作阻力、土壤擾動效果及耕后地表平整度產生影響。鏟尖與土壤接觸面積過大，會增大耕作阻力[13]、降低耕后地表平整度；鏟尖與土壤接觸面積過小，會導致土壤擾動和碎土效果變差。因此，鏟尖面積不宜過大或過小，綜合考慮作業質量、減阻效果、材料等因素，合理確定鏟尖與土壤的接觸面積，有利于提高耕作質量、降低能源消耗。

(2) 研究表明，不同鏟尖對土壤類型的適應性不同，其對土壤的擾動效果及理化性狀的改善效果均有較大差異。例如，箭形鏟或翼形鏟適用于多年耕作的熟土地，鑿形鏟可有效保證荒地的開墾效果。因此，根據不同土壤類型，確定先進、適用的鏟尖形狀是未來深松鏟優化設計的關鍵問題之一。

(3) 相比于帶翼鏟與鑿式鏟，帶有鏟翼的鑿式鏟不僅可以提高土壤的蓄水保墑能力，同時可有效保證土壤的理化性狀、疏松效果及碎土效果。鏟翼的布置位置及其結構參數對深松作業質量產生重要影響。鏟翼過高會造成深松鏟對地表土壤的過度擾動，降低地表平整度；同時，鏟翼過大將會增加耕作阻力。因此，需要加強帶翼鑿式鏟鏟翼的合理布置位置及其結構參數的研究，從而為深松鏟結構設計提供依據。

4 結論與建議

1) 采用高速攝影技術，進一步驗證了不同鏟尖對土壤擾動過程及擾動范圍的影響。鏟尖形狀對土壤擾動過程產生重要影響，不同鏟尖的土壤擾動范圍存在較大差異，翼形鏟作業形成壟溝的地表寬度及溝底寬度最大，箭形鏟次之、鑿形鏟最小。同時，相比于鑿式鏟，帶翼深松鏟會增大沿側翼向兩側運動土壤的量，從而增加土塊間二次接觸過程，引起土壤的運動狀態發生較大改變。

2) 隨深松鏟鏟尖與土壤接觸面積及土塊間的二次接觸概率的增加，土壤破碎效果不斷改善，采用鑿形鏟、箭形鏟、翼形鏟深松后，10 cm耕層的碎土率分別為89.29%、90.87%、94.75%，全耕層的碎土率分別為85.09%、92.23%、96.13%。因此，采用帶翼鏟進行深松作業有利于土壤的破碎。

3) 鏟尖形狀是影響土壤被疏松程度和地表平整性的重要因素，鑿形鏟對土壤的疏松效果較箭形鏟與翼形鏟差，但其耕后地表平整度優于箭形鏟與翼形鏟。同時，現有研究表明，深松耕作阻力隨鏟尖與土壤接觸面積的增大顯著增加[13]。因此，鏟尖面積不宜過大，但適當增大鏟尖與土壤接觸面積能夠在一定程度上提高深松鏟對土壤的疏松效果。

4) 綜合考慮作業質量、減阻效果、材料等因素，合理確定鏟尖與土壤接觸面積，加強鏟尖對土壤類型的適應性研究，強化帶翼鑿式鏟鏟翼的合理布置位置及其結構參數的研究，有助于深松鏟的優化設計，對于提高耕作質量，減少能源消耗具有重要意義。

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Experimentandanalysisofthesubsoilertineshapetothesoildisturbanceprocessandeffect

HANG Cheng-guang1, HUANG Yu-xiang1,2, GAO Xi-jie1, LI Wei1, ZHU Rui-xiang1,2

(1.CollegeofMechanicalandElectricEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.ShaanxiEngineeringResearchcenterforAgriculturalEquipment,Yangling,Shaanxi712100,China)

Tine shape is one of the key components of subsoiler, and it has an important impact on soil disturbance. Based on the influence mechanism to analyze the tine shape to soil disturbance process, taking the chisel shovel, arrow shovel and wing shovel as the objects, using evaluation indexes such as soil breaking rate, soil bulkiness and loose degree, soil disturbance coefficient and soil surface roughness, and the high-speed photographic technique further researched the influence of different shovel shapes on the soil disturbance process and effect. The results were indicated: (1) The shovel shape would produced an important impact to the soil disturbance process, the furrow surface width and furrow bottom width were the highest when operated by the wing shovel, the arrow shovel was the second, and the chisel shovel was the minimun. (2) With increasing contact area of subsoiler shovel to soil and second contact probability between soil blocks, the soil crushing effect was continuously improved. Aftersubsoiling by using the chisel shovel, arrow shovel and wing shovel, soil breaking rate in 10 cm topsoil was 89.29%, 90.87% and 94.75% respectively, and soil breaking rate in whole topsoil was 85.09%, 92.23% and 96.13% separately. (3) The shovel shape was the important factor to influence soil loosening degree and soil surface roughness. The soil loose effect by chisel shovel was less than arrow shovel and wing shovel, but its soil surface roughness was better than arrow shovel and wing shovel. Comprehensively considered the factors as tillage quality, drag reduction effect, material and so on, the contact area of shovel tine to soil should be rationally confirmed, adaptable research of shovel to soil types should be enhanced, and the research of reasonable layout and its structure parameters of wing shovel should be strengthened.

subsoiler; subsoiler tine shape; soil disturbance; high-speed photography; experimental research

1000-7601(2017)03-0285-07doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.44

2016-05-23

：2017-05-10

：陜西省科技攻關課題(2013K02-11)；楊凌示范區科技計劃項目(2014NY-29)；2015年西北農林科技大學重點項目(Z101021501)

杭程光(1992—)，男，陜西西安人，研究生，研究方向為土壤-機器系統。 E-mail: hcg@nwsuaf.edu.cn。

黃玉祥(1980—)，男，寧夏中寧人，副教授，博士，主要從事土壤-機器系統研究。 E-mail: hyx@nwsuaf.edu.cn。

S275

： A