一種基于脈沖氣爆進行土壤深松的方法

涂杰 張建軍 歲立云 張正周

(成都市農林科學院，四川 成都 611130)

土壤是種植業賴以生存的基礎[1]，傳統的耕作方式主要以拖拉機為動力帶動鑿式、鏟類機具的機械犁地方式為主，存在破壞地表及植被、作業阻力大、器具磨損大、能耗較高，作業成本較高和效益較低等問題[2]。

為解決農田土壤板結，實現深耕深施保護性耕作方式，在土壤內采用氣壓劈裂或氣爆原理實現松土的新技術正在興起。但是，目前的氣爆頭或氣爆槍等入土裝置一般采用扦插式、沖擊鉆方式。例如：沖擊式松耕裝置(專利申請號：201611092217.5)、自動噴爆松施頭(專利申請號：201510934742.6)、土壤松土頭(專利申請號：201510152027.7)、氣流噴爆式松施裝置(專利申請號：201521047256.4)等，這種方式對于土質較硬的土壤、板結的土壤存在著以下不足。

當遇到土壤內部有石塊、鐵塊等尖硬物體時，不易作業，會造成沖擊頭損傷，降低使用壽命。

需要人工向下用力，通過沖擊或扦插方式入土，所需動力較大，耗能較大，而且入土時間較長。

由于整個入土裝置會不斷受到沖擊，所以會采用厚度、重量、體積較大裝置來滿足較高的結構、硬度等要求，這樣使整個裝置顯得笨重，影響工作精度。

入土頭扭矩較小，不容易破土，且破土面積較小，不利于疏松土壤。

取出入土頭時通常也需要人力拔出，較為費力、麻煩。

目前為數不多的農田土壤氣壓深松方式大多為利用高壓氣體在土壤內部形成瞬時高壓并作用于土層內壁上，造成土層形成裂縫并泄壓，從而實現氣壓劈裂松土的效果，如氣壓式土壤深松方法(專利申請號：201410456302.X)；或是利用高壓氣流噴射于土層中，強行刺穿土層形成裂縫來實現松土的效果，如基于氣流噴射松土系統(專利申請號：201510153006.7)。據試驗研究，發現這些氣壓松土方式存在不同程度的不足。

對同一氣爆處理點均是通過單次高壓氣體壓裂、刺穿技術實現的土壤深松，都存在放氣時間長則耗氣量大，氣壓對土壤的有效作用時間浪費較大，技術經濟性較低，不利于推廣應用；放氣時間短則有效作用壓力下降較快、氣體對土層作用時間短、壓裂裂縫數量較少和縫長較短、縫寬較窄，效果不理想等問題。

單次氣爆后形成少量裂縫，高壓氣體主要通過形成的裂縫逃逸至自由面(主要為地面)，對非裂縫區域的土壤作用效果較差，造成土壤平均容重、總體膨松度和總空隙率改變不大，深松不均勻，應用性能有待提高。

1 方法簡介

1.1 設備結構

為克服現有技術的不足，提供一種節省人力、耗能較小、利于破土、結構簡單輕便、方便出土的連續式螺旋入土裝置以及使用該裝置進行土壤深松的方法，成都農林科學院科研人員經過多年潛心研究，發明了一種基于脈沖氣爆進行土壤深松的方法。該方法采用連續式螺旋入土裝置進行土壤深松，連續式螺旋入土裝置包括驅動馬達、進氣管和送氣機構，其中送氣機構包括高壓旋轉接頭、入土頭、入土筒體、內部中空的從動輪；高壓旋轉接頭的固定端通過第1連接件與進氣管連接，高壓旋轉接頭的轉動端通過第2連接件與從動輪連接，從動輪通過第3連接件與入土筒體相連；入土筒體外側設有入土筒體外螺紋，入土筒體底部設置入土頭，入土筒體內部設有送氣通道，入土筒體上還設有進氣口和排氣口，進氣口連通進氣管，送氣通道分別連通進氣口、排氣口；驅動馬達的輸出軸上固定安裝有主動輪，主動輪與所述的從動輪傳動連接；進氣管通過連接桿固定安裝在驅動馬達的機體上。設備結構如圖1所示。

圖1 連續式螺旋入土裝置結構圖

圖2 圖1的A-A視圖

圖3 圖1的B-B視圖

圖4 圖1的C-C視圖

1.進氣管；2.第1連接件；2.1.第2連接件；2.2.第3連接件；3.高壓旋轉接頭；4.從動輪；4.1.輸出軸；4.2.主動輪；5.入土筒體；6.入土筒體外螺紋；7.送氣通道；8.排氣口；9.入土頭；10.驅動馬達；11.連接桿

1.2 使用步驟

將進氣管與脈沖氣體發生裝置的輸出端相連；

根據需要深松的土壤確定若干氣爆點，每個氣爆點的水平距離為0.5～5m；

啟動驅動馬達，手持連續式螺旋入土裝置，并使入土頭對準氣爆點，將連續式螺旋入土裝置旋入土壤下10～40cm，關閉驅動馬達；

啟動脈沖氣體發生裝置，設置1個脈沖周期為0.02～2s，通過排氣口向土壤內釋放至少2個脈沖周期的壓縮空氣，單次脈沖中釋放壓縮空氣的時間為0.5個脈沖周期，其中壓縮空氣的氣壓為0.3～3.0MPa；

啟動驅動馬達，控制驅動馬達反轉，將連續式螺旋入土裝置旋出土壤；

選取另外1個氣爆點，重復以上第3步驟到第5步驟，直到所有氣爆點均被處理。

設備中的從動輪與主動輪均為齒輪且相互嚙合；第1連接件、第2連接件和第3連接件均為法蘭盤；入土頭為圓錐形尖頭或帶棱的錐形尖頭；進氣管上設有刻度；送氣通道的內徑為0.5～5cm。

2 有益效果

2.1 降低成本，方便省力

在驅動馬達的驅動作用下，入土筒體可通過配合入土筒體外螺紋旋向的旋轉方式進入土中，避免了扦插用力和間隙的沖擊，有利于減少土壤阻力的影響，提高入土效率，降低使用成本；在入土過程中，沒有采用現有技術中的沖擊方式，有效減少了對入土頭的沖擊損耗，延長了入土頭的使用壽命，由于減少了沖擊的影響，降低了對整個裝置的材質要求，可進一步減少入土裝置的厚度、重量和體積，使得入土裝置結構更加簡單、小巧、輕便、耐用，降低制造成本；采用驅動馬達作為動力源，不需人為向下使力，或僅需使用較小的力量，入土筒體即可通過螺旋方式自行入土，有效減輕了勞動強度，方便省力。

2.2 增加土壤的有效壓力

實驗結果顯示，其它起爆深松方法在農田土壤中每次氣爆后10～50ms產生壓力峰值，隨后以壓力峰值產生時間3～10倍的時間衰減下來，而該基于脈沖氣爆進行土壤深松的方法采用以0.5～50Hz的脈沖頻率實施氣爆松土，能在較短時間內，以較少氣量形成多個壓力峰值，對土壤反復加壓，大大延長了對農田土壤的有效壓力作用時間，實驗結果顯示，氣爆后土壤裂紋數量、裂紋長度均明顯大幅增加。

2.3 深松效果穩定

多次脈沖高壓氣體作用于土層后，由于周期性反復加壓、泄壓的過程，形成振蕩效應，造成土壤層振動坍塌、碎裂，土壤的容重、總空隙率，碎土率等顯著提高，形成了較好的深松效果和深松穩定性。

2.4 適用廣泛

每次氣爆壓力控制在0.3～3.0MPa，對一般農田土壤均較適合，即不會因壓力過大產生危害，又能達到氣爆松土的效果，提高了氣爆處理的效率、減少了高壓氣體用量和能耗，提高了該發明的經濟適用性。

2.5 提高土壤性能

適宜的氣爆壓力、頻率和脈沖次數、入土深度處理后，土壤的滲透性、深松均勻性和深松穩定性均大幅提高。

2.6 滿足市場需求

整個氣爆深松方法科學合理、可操作強，生產條件溫和、對設備要求低，適合不同規模的農戶及合作社作業，具有良好的應用效果和市場需求。

2.7 市場應用前景良好

該方法在較短處理時間和使用較少高壓氣量情況下，具有土壤深松土壤裂縫數量多、縫隙長且寬，土壤容重小、總空隙率大，碎土率、土壤膨松度較高，深松均勻，滲透性好等優點，適用于農田土壤的高效深松作業，特別是對于板結土壤，作用效果更為明顯。該方法創新性地改變了傳統農業的耕作模式，對我國土壤耕地質量的保護和改善、農業生產效率的提高和轉型升級，具有重要的現實意義和戰略意義，市場應用前景和發展潛力良好。

3 實施方式

3.1 連續式螺旋入土裝置

包括驅動馬達10、進氣管1和送氣機構。

3.1.1 驅動馬達

驅動馬達10為氣動馬達，其與電動馬達相比，體積小功率高，具有高適應性，溫升較小，轉速可隨負載改變，直至超載停機而不會對氣動馬達產生任何損傷，而且可以無級調速，操作靈活，入土時驅動馬達10正轉，出土時驅動馬達10反轉，換向容易。驅動馬達10上設有把手，以便于操作人員驅使驅動馬達10向土中旋進。

3.1.2 送氣機構

送氣機構包括高壓旋轉接頭3、入土頭9、入土筒體5、內部中空的從動輪4，高壓旋轉接頭3的固定端通過第1連接件2與進氣管1連接，高壓旋轉接頭3的轉動端通過第2連接件2.1與從動輪4連接，從動輪4通過第3連接件2.2與入土筒體5相連，從動輪4內部為中空結構，以實現將來自高壓旋轉接頭3的氣體傳輸至入土筒體5。

第1連接件2、第2連接件2.1和第3連接件2.2均為法蘭盤，各個部件之間拆卸方便、強度高、密封性能好。

驅動馬達10的輸出軸4.1上固定安裝有主動輪4.2，從動輪4與主動輪4.2均為齒輪且相互嚙合時可達到傳動目的，其作用過程為：主動輪4.2隨輸出軸4.1旋轉，主動輪4.2帶動從動輪4旋轉，進而帶動入土筒體5旋轉。

3.1.3 進氣管

進氣管1 通過連接桿11固定安裝在驅動馬達10的機體上，以保證驅動馬達10與從動輪4的相對位置不變，進氣管1的管壁較厚以承載驅動馬達10。

驅動馬達10將動能輸送至中從動輪4，進而帶動入土筒體5以及高壓旋轉接頭3的轉動端旋轉，達到入土筒體5旋轉而進氣管1不旋轉的目的，通過高壓旋轉接頭3的轉接作用，進氣管1可在旋轉連接組件4隨驅動馬達10的轉動過程中不隨入土筒體5一起作旋轉運動。

入土筒體5外側設有入土筒體外螺紋6，在驅動馬達10的驅動作用下，入土筒體5可通過配合入土筒體外螺紋6旋向的旋轉方式進入土中，避免了扦插用力和間隙地沖擊，有利于減少土壤阻力的影響，提高入土效率，降低使用成本；在入土過程中，沒有采用現有技術中的沖擊方式，有效減少了對入土頭9的沖擊損耗，延長入土頭9的使用壽命，再者，由于減少了沖擊的影響，降低了對整個裝置的材質要求，可進一步減少入土裝置的厚度、重量和體積，使得入土裝置結構更加簡單、小巧、輕便、耐用、制造成本低；采用驅動馬達10作為動力源，不需人為向下使力，或僅需使用較小的力量，入土筒體5即可通過螺旋方式自行入土，有效減輕了勞動強度，方便省力。

入土筒體外螺紋6可為右螺紋，也可為左螺紋，入土時根據不同螺紋方向采用相應轉動的驅動馬達10帶動旋轉入土，退出時采用反向旋轉方向退出即可，入土筒體外螺紋6采用右螺紋或左螺紋的方式配合正、反向轉動的驅動馬達10，既可使入土筒體5按右手螺旋方式旋轉自行前進和入土，又可使入土筒體5按左手螺旋方式旋轉，從而帶動自行后退和退出土壤，減輕了入土的勞作和作業完成后拔管的勞作。

入土筒體5底部設置入土頭9，入土頭9為圓錐形尖頭，便于入土時將來自動力裝置的力集中，快速進入土中，利于入土工作，在特殊狹窄空間，也能夠通過尖端體積較小的錐頭使得整個入土頭9的入土深度更深，受土壤阻力影響更小。

入土筒體5內部設有送氣通道7，送氣通道的內徑為0.5cm，入土筒體5上還設有進氣口和排氣口8，進氣口連通進氣管1，進氣管1上設有刻度，方便觀察入土深度。送氣通道7分別連通進氣口、排氣口8，則送氣通道7、進氣口、排氣口8三者在入土筒體5上形成一個完整的輸氣通道。

3.2 針對板結的農田土壤，一種基于脈沖氣爆進行土壤深松的方法操作步驟

將進氣管1與脈沖氣體發生裝置的輸出端相連；

預處理333m2土壤，設置100個均勻排布的氣爆點，每個氣爆點的水平距離為2m；

啟動驅動馬達10，手持連續式螺旋入土裝置，并使入土頭9對準氣爆點，將連續式螺旋入土裝置旋入土壤下40cm，關閉驅動馬達10；

啟動脈沖氣體發生裝置，設置1個脈沖周期為1/30s，通過排氣口8向土壤內釋放15個脈沖周期的壓縮空氣，單次脈沖中釋放壓縮空氣的時間為0.5個脈沖周期，即1/60s，所述壓縮空氣的氣壓為2.5MPa；

啟動驅動馬達10，控制驅動馬達10反轉，將連續式螺旋入土裝置旋出土壤;

將連續式螺旋入土裝置移至第2個氣爆點，重復以上步驟第3到第5步，處理333m2土壤后，單點裂紋達6條，縫長達1.8m，土壤平均緊密度從2883kPa降低為1164kPa，土壤平均容重從1.805g/cm3降低為1.420g/cm3，土壤總空隙度從35.4%提高到43.2%。