錯(cuò)位布置深松鏟距對(duì)土壤擾動(dòng)和耕作阻力的影響

張帥磊，王學(xué)振，姚毓香，朱瑞祥，黃玉祥

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

現(xiàn)有深松機(jī)布置形式多樣，主要有單排和多排布置兩種。其中，人字型、V型、M型、W型等是典型的錯(cuò)位布置形式[1-4]。錯(cuò)位布置下，橫向鏟距與縱向鏟距的不同使鏟間土壤的剪切擠壓作用產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響土壤擾動(dòng)效果和耕作阻力。因此，研究深松鏟橫向和縱向鏟距變化有助于深入理解鏟距與土壤擾動(dòng)和耕作阻力之間的關(guān)系，可以為深松鏟距的選擇提供依據(jù)。

鏟距是深松機(jī)的關(guān)鍵布置參數(shù)。Hang等研究了單排布置下橫向鏟距對(duì)土壤擾動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)鏟距布置為40cm時(shí)土壤擾動(dòng)效果較好[5]。Godwin在深松單鏟作業(yè)土壤擾動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，分析了多鏟作業(yè)時(shí)鏟間交互區(qū)域深度與鏟距的關(guān)系并建立了相關(guān)方程[6]。杭程光等研究了單排布置下橫向鏟距對(duì)深松鏟表面應(yīng)力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鏟距為40cm時(shí)深松鏟表面應(yīng)力分布較為均勻[7]。國內(nèi)外學(xué)者研究單排布置的鏟距較多，對(duì)應(yīng)用更為廣泛的錯(cuò)位布置鏟距布置研究比較匱乏[8]。

本文通過田間試驗(yàn)的方法分析不同橫向和縱向鏟距布置下土壤壟形高度、土壤坑形寬度、耕作阻力、土壤擾動(dòng)面積及比阻的差異，對(duì)比研究鏟距變化對(duì)土壤擾動(dòng)和耕作阻力的影響，從而為深松鏟的優(yōu)化布局提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)田中進(jìn)行，其土壤類型塿土，粘性較大，經(jīng)黃土母質(zhì)逐步發(fā)育演變而成[9-10]。0～15cm、15～30cm內(nèi)土壤耕層的緊實(shí)度分別為0～2 500kPa和2 500～6 000kPa，土壤密度分別為1.21g/cm3和1.48g/cm3，土壤含水率分別為17.3%和22.68%。試驗(yàn)田面積為(65×70)m2，試驗(yàn)區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)域，中間為測(cè)試區(qū)域，兩端為轉(zhuǎn)向調(diào)整區(qū)，將測(cè)試區(qū)域進(jìn)行等距劃分，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)布局圖

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)選用翼型鏟進(jìn)行深松作業(yè)。鏟柄選用中型圓弧形深松鏟鏟柄，鏟柄切土刃角為60°，鏟柄厚度為30mm，鏟尖翼張角為115°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示(仿制JB/T 9788-1999《深松鏟和深松鏟柄》)。圖2中，h為鏟柄高度(mm)；b為鏟柄長(zhǎng)度(mm)；S為鏟尖長(zhǎng)度(mm)；R為鏟柄曲率半徑(mm)；α為入土角(°)。

圖2 深松鏟結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

錯(cuò)位布置深松鏟包括橫向鏟距和縱向鏟距兩個(gè)鏟距布置因素?，F(xiàn)有深松機(jī)一般橫向鏟距的布置范圍為30～50cm，縱向鏟距一般布置為20～40cm，最大布置范圍為60cm[7]。因此，本文中橫向鏟距以5cm為梯度，選取30、35、40、45、50cm等5個(gè)水平，縱向鏟距以10cm為梯度，選取20、30、40、50、60cm等5個(gè)水平，試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平表

1.3 試驗(yàn)過程

深松過程中，東方紅1204型拖拉機(jī)以高Ⅰ檔牽引作業(yè)，行進(jìn)速度為1.74km/h，如圖3所示。通過調(diào)整活動(dòng)梁和深松鏟位置來調(diào)節(jié)深松鏟橫向與縱向鏟距，通過壟型高度、坑形寬度及擾動(dòng)面積、耕作阻力、深松比阻等參數(shù)評(píng)價(jià)不同橫向和縱向鏟距的深松作業(yè)效果。其中，耕作阻力由連接拖拉機(jī)與深松機(jī)的上拉桿傳感器和下拉桿傳感器檢測(cè)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集箱無線傳輸于電腦進(jìn)行記錄，如圖4所示。耕作后對(duì)檢測(cè)區(qū)的土壤坑形、壟型擾動(dòng)輪廓隨機(jī)選取3組進(jìn)行測(cè)繪，并計(jì)算壟型高度、坑形寬度及擾動(dòng)面積，如圖5所示。

圖3 田間試驗(yàn)過程

圖4 耕作阻力測(cè)量裝置

圖5 土壤擾動(dòng)輪廓測(cè)量

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土壤擾動(dòng)輪廓分析

壟形高度可反映作業(yè)時(shí)土壤的堆積效果，坑形寬度在一定程度上可反映土壤的擾動(dòng)效果[11]。圖6為橫向鏟距為35cm、縱向鏟距為30cm時(shí)的土壤輪廓圖。其中，hb和ha分別表示前、后鏟的壟形高度，lb和la分別表示前、后鏟外側(cè)土壤擾動(dòng)輪廓的坑形寬度。由圖6可知：前鏟的壟形高度大于后鏟，前鏟的坑形寬度也大于后鏟。

圖6 錯(cuò)位布置深松鏟擾動(dòng)輪廓

土壤壟形高度如表2所示。由表2可知：錯(cuò)位布置下，前鏟的壟形高度均大于后鏟；在橫向鏟距為30cm時(shí)，土壤壟形高度在縱向鏟距為40cm時(shí)，最小，前鏟壟形高度為5.65cm，后鏟壟形高度為5.16cm；在橫向鏟距為35、40cm時(shí)，土壤壟形高度在縱向鏟距為30cm時(shí)最小，前鏟壟形高度分別為5.64cm和5.84cm，后鏟壟形高度分別為4.95cm和5.45cm；橫向鏟距為45cm和50cm時(shí)，土壤前后鏟壟形高度隨縱向鏟距的增加逐漸增加?？v向鏟距以20cm布置時(shí)，橫向鏟距為40cm的土壤前鏟壟形高度最小為5.93cm，橫向鏟距為35cm的土壤后鏟壟形高度最小為5.15cm；縱向鏟距以30cm布置時(shí)，橫向鏟距為35cm的土壤前后鏟壟形高度最小，分別為5.64cm和4.95cm；縱向鏟距為40、50、60cm時(shí)，前后鏟壟形高度隨橫向鏟距的增大而增大。前后鏟壟形高度的差異隨橫向鏟距的增加而逐漸減小，橫向鏟距為50cm時(shí)前后鏟的壟形高度差異已較小。其中，以橫向鏟距為35cm、縱向鏟距為30cm時(shí)前后鏟的壟形高度最低，土壤堆積最小，地表平整性最好。

土壤坑形寬度如表3所示。由表3可知：橫向鏟距以30cm布置下，縱向鏟距為40cm時(shí)前鏟的坑形寬度最大；橫向鏟距以35、40、45cm布置、縱向鏟距為30cm時(shí)，前鏟的坑形寬度最大；橫向鏟距以50cm布置時(shí)，前鏟的坑形寬度隨縱向鏟距的增大而減小。縱向鏟距以20cm布置下，坑形寬度最大時(shí)的橫向鏟距為40cm；縱向鏟距以30cm布置下，前鏟的坑形寬度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的橫向鏟距為35cm；縱向鏟距為40、50、60cm時(shí)，前鏟的坑形寬度隨橫向鏟距的增大而減小?？傮w上，錯(cuò)位布置下前鏟的坑形寬度大于后鏟，同一縱向鏟距布置下后鏟的坑形寬度隨橫向鏟距的增大而增大。前后鏟壟形高度的差異隨橫向鏟距的增大逐漸減小，橫向鏟距為50cm時(shí)前后鏟的坑形寬度差異已較小。

因此，在同一橫向鏟距下，縱向鏟距太小或太大都會(huì)造成土壤的壟形高度增大、坑形寬度變??；同理，在同一縱向鏟距下，橫向鏟距太小或太大時(shí)土壤的壟形高度增大、坑形寬度變小。這說明，鏟距較小時(shí)容易造成土壤堆積，且雙鏟共同作用會(huì)發(fā)生部分抵消，不利于土壤縱向擾動(dòng)的拓展；鏟距較大時(shí)，深松鏟如同單獨(dú)作業(yè)，雙鏟的共同作用微弱，使土壟堆積較高且減少雙鏟協(xié)同的土壤縱向擾動(dòng)延伸。

表2 土壤壟形高度

表3 土壤坑形寬度

2.2 土壤擾動(dòng)面積分析

土壤擾動(dòng)面積是反映耕作效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。由Type Ⅲ SS輸出的方差分析結(jié)果(見表4)可知：橫向鏟距與縱向差距對(duì)土壤擾動(dòng)面積的顯著性檢驗(yàn)值分別為0.000和0.020，說明橫向鏟距對(duì)土壤擾動(dòng)面積的影響程度大于縱向鏟距。不同橫向鏟距與縱向鏟距布置下深松作業(yè)后土壤的擾動(dòng)輪廓面積如表5所示。在同一縱向鏟距布置下，隨橫向鏟距的增大，土壤的擾動(dòng)面積逐漸增加，說明隨橫向鏟距的增大，鏟間土壤交疊區(qū)域變小，總體擾動(dòng)面積變大。在橫向鏟距為30、35、40cm時(shí)，土壤擾動(dòng)面積均在縱向鏟距為30cm時(shí)最大，此時(shí)擾動(dòng)面積分別為1 422.75、1 683.3、1 738.98cm2；當(dāng)橫向鏟距為45cm和50cm時(shí)，土壤擾動(dòng)面積隨縱向鏟距的增大逐漸減小。這說明，橫向鏟距與縱向鏟距較小時(shí)雙鏟的擾動(dòng)作用發(fā)生部分抵消，導(dǎo)致土壤擾動(dòng)面積較小?？v向鏟距較大時(shí)，雙鏟的共同作用減弱同樣會(huì)造成土壤擾動(dòng)面積減小。因此，為增大深松作業(yè)擾動(dòng)面積，深松鏟鏟距應(yīng)適當(dāng)選擇，不宜太大也不宜太小。

表4 土壤擾動(dòng)面積單因素變量方差分析 Table 4 Single factor variance analysis of soil disturbance area

表5 土壤擾動(dòng)面積

2.3 耕作阻力分析

耕作阻力是反映深松作業(yè)性能的重要指標(biāo)，可以反應(yīng)耕作過程中的機(jī)具的功率消耗情況[12-13]。由Type Ⅲ SS輸出的方差分析結(jié)果(見表6)可知：橫向鏟距與縱向差距對(duì)耕作阻力顯著性檢驗(yàn)值均為0.000，說明二者對(duì)耕作阻力均有顯著影響。耕作阻力如表7所示。由表7可知：在橫向與縱向鏟距分別布置為35cm和30cm時(shí)，耕作阻力最小。在同一縱向鏟距布置下，耕作阻力隨橫向鏟距的增大呈先減小后增大的變化趨勢(shì)；橫向鏟距為30、35cm時(shí)，同一橫向鏟距布置下耕作阻力最小值對(duì)應(yīng)的縱向鏟距分別為40、30cm。橫向鏟距為40、45、50cm時(shí)，在同一橫向鏟距布置下，耕作阻力隨縱向鏟距的增大而增大。這說明，深松鏟在以縱向鏟距為20cm、橫向鏟距在30～35cm范圍內(nèi)布置時(shí)，鏟間土壤發(fā)生壅積，造成耕作阻力變大?？v向鏟距為60cm或橫向鏟距為50cm時(shí)，因鏟距較大，雙鏟協(xié)同作用微小，深松鏟如獨(dú)立作業(yè)，導(dǎo)致各鏟的耕作阻力較大，同時(shí)深松鏟間距變大，也造成雙鏟作業(yè)力矩增大，導(dǎo)致雙鏟共同作業(yè)時(shí)的耕作阻力增大。

表6 耕作阻力的影響單因素變量方差分析結(jié)果

表7 耕作阻力

2.4 比阻分析

比阻SDF(Specific Draft Force)能夠反映耕作阻力及土壤擾動(dòng)的綜合效果[14]，其計(jì)算公式為

(1)

式中DF—牽引阻力(N)；

A—深松作業(yè)后土壤橫截面擾動(dòng)面積(cm2)。

由Type Ⅲ SS輸出的方差分析結(jié)果(見表8)可知：橫向鏟距與縱向差距對(duì)比阻的變顯著性檢驗(yàn)值均為0.000，說明二者對(duì)比阻均有顯著影響。比阻如表9所示。由表9可知：在橫向鏟距以30cm和35cm布置下，縱向鏟距為30cm時(shí)，比阻最小，分別為4.559和3.496；橫向鏟距為40、45、50cm時(shí)，在同一橫向鏟距布置下，比阻隨縱向鏟距的增大而增大。在同一縱向鏟距布置下，比阻隨橫向鏟距的增大呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。諸多鏟距布置中，橫向鏟距為35cm、縱向鏟距為30cm時(shí)，比阻值最小為3.496，此時(shí)深松作業(yè)的耕作阻力和土壤擾動(dòng)的綜合作業(yè)效果最好。

表8 比阻的影響單因素變量方差分析結(jié)果

表9 比阻

3 結(jié)論

1)通過田間試驗(yàn)，研究了深松鏟鏟距變化對(duì)土壤擾動(dòng)和耕作阻力的影響。結(jié)果表明：深松鏟橫向和縱向鏟距變化對(duì)土壤擾動(dòng)和耕作阻力均產(chǎn)生重要影響。

2)深松鏟橫向鏟距與縱向鏟距太小時(shí)，鏟間土壤發(fā)生壅積，雙鏟擾動(dòng)作用發(fā)生部分抵消，造成壟形高度大、耕作阻力大，不利于土壤擾動(dòng)的縱向延伸，坑形寬度和土壤擾動(dòng)面積變小。深松鏟橫向鏟距與縱向鏟距太大時(shí)，雙鏟間協(xié)同作用較弱，且力矩較大，導(dǎo)致耕作阻力大、坑形寬度小、土壟堆積較高，深松作業(yè)效果較差。

3)當(dāng)橫向鏟距和縱向鏟距布置為35cm和30cm時(shí)，耕作比阻最小，且壟形高度最低、坑形寬度較大，表明該鏟距布置方案的耕作阻力及土壤擾動(dòng)的綜合效果較好。