背負式幼苗移栽井窖制作機性能測試分析

喻麗華，劉光輝，張富貴，吳雪梅，胡長壽

(貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025)

0 引言

發達國家移栽機的研制始于20世紀30年代[1-2]。20世紀60年代我國逐步引進國外移栽機進行幼苗機械化移栽，到21世紀初，推出了各種半自動與全自動移栽機[3-5]。但由于農藝的差別，目前各種移栽機在我國廣大丘陵山區使用時，存在價格昂貴、年利用率低，與育苗技術、農藝措施、破碎地塊及交通條件不相適應等問題[6]。2009年，丘陵山區開始推行幼苗井窖式移栽,其是一種在井窖內同時實現壯苗培育、高莖深栽、適時早栽和集中移栽的新模式，應用前景甚好[7]。

隨著幼苗井窖式移栽技術的推廣應用，多項移栽井窖制作機具相關專利獲批準[8-11]，各種井窖制作器械及機具相繼問世。以小型汽油機為動力源的背負式井窖制作機因其輕便、高效及操作靈活等諸多優勢已逐步成為移栽井窖制作的主流機具，但對機具的工作效率、運行成本、掛膜情況、回土情況以及機具的轉速、土壤濕度條件及是否覆膜對成穴質量的影響缺乏相關的試驗研究。為此，本文在分析井窖制作成穴原理的基礎上，通過井窖制作機的田間測試，對機具的使用性能進行全面的分析評價，并從提高操作舒適性與成穴質量方面提出結構改進建議，以期為井窖制作機的改進設計及進一步推廣使用提供一定的指導。

1 幼苗移栽井窖制作成穴原理分析

1.1 井窖移栽技術原理

如圖1所示：幼苗井窖式移栽技術原理是根據法國水力學家達西的達西定律，隨著外界溫濕度變化，井窖產生的水力遞度使井窖內土壤水分蒸發或凝結，從而保持井窖內溫濕度的相對穩定，能在最佳移栽季節為幼苗提供一個適宜生長的溫濕度及營養環境。根據貴州省井窖移栽技術標準[12]，井窖制作要求需滿足：上部為圓柱形，下部為圓錐形，井口直徑8～10cm，井深18～20cm，無垮壁，無提漿。

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

1.2 背負式井窖制作機結構與原理

目前，常用的背負式井窖制作機主要由背負式小型汽油機、動力輸出座、調節器、拉手、外管、動力輸入座和成穴頭組成，如圖2所示。動力輸出座與動力輸入座之間采用軟軸連接。成穴頭是一個下部為錐體，上部為柱體的空心結構。工作時，啟動汽油機，旋轉動力通過輸出座、軟軸及輸入座帶動成穴頭旋轉；操作者手持外管與拉手，對準預成穴土體，同時施加向下的作用力使井窖成穴頭旋轉成穴，隨即提升成穴頭，即完成一個井窖的制作。

1.背負式小型汽油機 2.動力輸出座 3.調節器 4.拉手 5.外管 6.成穴頭 7.動力輸入座 圖2 背負式井窖制作機結構示意圖Fig.2 Structure schematic drawing of the knapsack well-cellar making machine

井窖制作機主要是通過成穴頭高速旋轉使周圍土體產生壓縮變形與楔切變形，進而使土體擠密成穴。因此，土壤類型、土壤墑情、成穴頭表面結構及井窖制作機的動力匹配與轉速等將是影響井窖制作的關鍵因素。

1.3 擠密土體成穴范圍計算

假設土體為均勻的各向同性彈塑性材料，根據文獻[13]，土體成穴時有效擠密半徑R為

(1)

現在以粘土為例，結合表1粘土的物理力學參數，通過式(1)可以計算有效擠密半徑。

表1 粘土的物理力學參數Table 1 Clay physical and mechanical parameters

首先計算粘土的剪切模量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，影響范圍應該在2.82Ru以內。再據文獻[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，采用背負式成穴機實施井窖制作時，對于在壟體上制作井窖，一般壟寬應不小于25.4cm為宜。

2 背負式井窖制作機性能測試及結果分析

2.1 測試地點與測試內容

1)測試地點：遵義縣樂山鎮 (東經106°40′30″、北緯20°38′30″、海拔900m)，測試地塊選擇有代表性的坡度在17°以上的坡地。測試現場如圖3所示。

圖3 井窖制作機測試現場照片Fig. 3 Site photos of well-cellar making machine testing

2)測試內容：①空機測試。將隨機選取的無故障商品機器按照正常工作條件啟動運轉1h，測試其噪音及振動狀況。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種測試條件，分別連續制作井窖100個。結合我國丘陵山區幼苗移栽季節土壤墑情，測試中， 干燥土壤的絕對含水率為18%，高濕土壤的絕對含水率為25%。測試記錄參數包括工作效率、油耗、井窖口徑、井窖深及回土及掛膜情況等。

2.2 測試結果分析

1)噪聲與振動。

(1)噪音測試結果：在37.6dB環境噪聲情況下，井窖制作機怠速噪聲為81dB，工作噪聲為85dB。由此可知，作為田間作業的農業機械來說，井窖制作機的噪聲較低。

(2)振動測試結果：轉速位于3 000～5 300r/min時，屬于測試機型的中等轉速范圍，握把處振動較大，振動速度最大達到89.3mm/s，背部振動速度8.8mm/s，在該轉速區間所制井窖質量較差。轉速位于7 000～7 200r/min時，屬于測試機型的高轉速范圍，握把處振動反而減小，振動速度最大值達到65.2mm/s，背部振動速度5.5mm/s，在該轉速區間所制井窖質量較好。因此，井窖制作機應盡可能選擇在高速段工作。

2)工作效率與油耗。本次測試結果：工作效率為每分鐘制作井窖60個，油耗為每100個井窖油耗約18mL。根據本地煙葉種植情況，每公頃地約15 000株煙，也就是每公頃地需制作井窖15 000個。按照本機測試所得工作效率與油耗計算，每公頃地井窖制作需用時4.25h，油耗2.7L。因此，該試驗機型工作效率高、運行成本低。

3)不同測試條件下的井窖口徑。根據上述4種測試條件所制400個井窖口徑與井窖深測試結果，繪

制成如圖4所示井窖口徑頻數分布直方圖。

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

由圖4可知：各測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)不同測試條件下的井窖深。根據上述4種測試條件所制400個井窖口徑與井窖深測試結果，繪制成如圖5所示井窖深頻數分布直方圖。

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

由圖5可知：各種測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%。

由上述測試結果可知：土壤水分及是否覆膜對所制井窖尺寸影響較大，絕對含水率為25%的高濕土壤較絕對含水率為18%的干燥土壤的井窖口徑與井窖深合格率高；但若進一步增加土壤含水率，所制井窖壁易產生提漿現象。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，且在覆膜過程中對土壤表層有輕微壓實作用，有利于井窖成形。

5)機具掛膜情況。根據干燥起壟覆膜與高濕起壟覆膜實驗條件所制井窖掛膜情況測試結果，繪制成如圖6所示機具掛膜井窖數直方圖。由圖6可知：2種測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，在干燥條件機具防掛膜性能較好，高濕條件機具防掛膜性能較差，主要是高濕條件增加了地膜的粘附性，致使機具的防掛膜性能有所降低。

圖6 機具掛膜井窖數直方圖Fig.6 Histogram of machine twining film well-cellar number

6)井窖回土情況。根據上述4種測試條件所制井窖回土情況測試結果，繪制成如圖7所示各回土井窖數直方圖。由圖7可知：各測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 回土井窖數直方圖Fig.7 Histogram of wall collapse well-cellar number

由測試結果可知：高濕條件回土情況較干燥條件好；無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，主要是覆膜過程中對土壤表層有輕微壓實作用，有利于改善回土。

3 背負式移栽井窖制作機改進建議

1)背負及操作桿部分改進。根據井窖制作機實地測試情況及長期使用該機具的機手反饋意見，可適當縮短如圖2所示的拉手的長度，選用柔韌性較好的軟軸，提高背負式墊背及背帶的舒適度，以提高井窖制作機操作的舒適性。

2)成穴頭改進。成穴頭是影響井窖制作的關鍵零件，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題，改進后的成穴頭如圖8所示。在成穴體前端設置三角形鉆尖，提高破膜能力及火石地的入土能力，成穴體中部外表面設置雙螺旋切削刃，增加楔切能力，進而提高成穴效率。成穴體小頭外表面設置雙螺旋柱齒，在提高旋入能力的同時，有利于避免所制井窖下部壁面過于光滑的問題。采用鉆尖、雙螺旋柱齒及雙螺旋切削刃三位一體的微結構能較好地解決成穴體因過早磨損而報廢的問題，提高成穴體的使用壽命。成穴體柱體表面設置擴孔板，進一步擠密上部土體，同時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.擴孔板 6.動力連接板 圖8 改進后的成穴頭結構示意圖Fig.8 Structure schematic drawing of the improved well-cellar forming unit

4 結論

1)背負式井窖制作試驗機工作效率高、運行成本低、 噪聲低，在高速段工作時，所制井窖質量較好，整機振動較小。

2)土壤水分及是否覆膜對井窖尺寸影響較大：當土壤含水量太低(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節(如每穴澆水50mL以上)后再實施井窖制作。覆膜后的井窖質量好于同等條件下未覆膜井窖質量，對干燥土壤條件應盡量利用覆膜保墑，以提高井窖質量。

3)干燥條件下機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)背負式井窖制作機的改進可以從人機工程的角度提高操作舒適性，并通過增設局部微結構提高成穴效率，改善成穴質量。

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