雷肯1LFTT-550液壓翻轉高速犁田間測試試驗

胡 燦,師廣強 ,劉亞明 ,王旭峰,鄭 炫

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院, 新疆 阿拉爾 843300;2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室, 新疆 阿拉爾 843300;新疆農墾科學院 機械裝備研究所,新疆 石河子 832000)

0 引言

南疆地區(以下簡稱南疆)是我國重要的優質農產品生產基地,由于獨特的地理環境,農田土壤存在鹽堿度較高、土壤濕度較小的特點,容易造成播種層鹽堿度增高及土塊板結等;受長期覆膜作業影響,土壤中含較多殘膜殘留,對土壤容積、密度、水肥運移等有較大影響。為了改善土壤結構,深耕作業是土壤中最基本、最關鍵的一環,兵團對此有較強的基礎需求。土壤提質工程是持續性的話題,改善土質結構和優化土壤中的耕作層條件關系著南疆農業的可持續性發展[1]。

目前,南疆深耕作業主要以國產四鏵犁、進口五鏵犁作業為主[2]。國產四鏵犁主要配套118kW拖拉機作業,耕地速度為7～8km/h,耕深約為24～26cm,作業效率較低,耗能較大,且耕地質量較低,土垡碎土分布不均勻[3]。進口五鏵犁有雷肯公司生產的五鏵犁及貝松犁等[4-6],主要配套154kW拖拉機,作業速度為10～11km/h,耕深約為30cm。通過調整后,作業效率較好,但仍存在較大耗能,且土垡碎土性能仍有待提升。在進口翻轉高速犁中,雷肯犁因其較好的作業性能在新疆得到了大面積的應用,引進雷肯犁的數量也在增加[7]。

犁體測試是高速犁體必需經歷的過程,也是犁體適用度的性能調配及參數整定的環節[8-10]。Formato等測試了多種鏡面式犁體[11];張魯云試驗測試了淺翻深松犁,均提出了測試需求[12]。雖然引進犁體作業性能優于國產犁鏵,但由于南疆土質條件差異,高速犁體作業必須與農藝結合起來,才能發揮較優的作業性能[13]。為此,通過測試進口犁的作業性能,獲得其作業參數,為國產犁作業性能的提高提供參考。

1 測試材料與方法

1.1 試驗地塊

試驗地塊選取新疆生產建設兵團第一師16團7連所在塔河源條田,呈正方形,面積為28hm2,近10年以種植棉花作物為主,棉花行距采用66cm+10cm覆膜種植模式,試驗時間為2018年4月2日。耕種前,棉花作物根茬最高為30.5cm,最低為8.1cm,平均為17.2cm,符合犁地作業條件。試驗測試土壤為沙壤土,為南疆地區最典型土壤。

1.2 試驗材料

試驗采用拖拉機型為雷沃1854R及LEMKEN 1LFTT-550懸掛式翻轉犁,犁體為柵條高速犁體,五鏵犁。試驗設備包括美國公司生產的TJSD-750-Ⅱ土壤堅實度儀、土壤濕度檢測儀、耕深測量尺、耕寬測量尺、鹽堿度測量儀及電子稱等,另準備棉布、方塊尺、取土工具等進行碎土性測量。

1.3 試驗方法

試驗依據國家標準 《鏵式犁試驗方法》GB/14225.3-93及《鏵式犁技術條件》GBT14225.2-93,對雷肯五鏵犁的工作性能進行測定[14]。試驗前,采用五點法[15],對試驗地工作情況、含水率、土壤堅實度和耕作條件進行記錄。

1)土壤含水率與堅實度測定。由于土壤堅實度與含水率條件密切相關,試驗地按冬灌水排水順序分成A、B、C等3個區,每個區選取10個樣點取均值,每個樣點按土壤層分布0～10cm、10～20cm、20～30cm進行取樣,以計算3個區的平均含水率與堅實度。

2)犁體主要指標測定。試驗時,先進行3個行程來回作業;待達到最優效果后,試驗測定耕深、耕寬、入土行程、作業速度、土垡破碎率、驅動輪滑轉率、拖拉機油耗、牽引阻力、土壤中植被和殘茬覆蓋率,每項測試均以1個來回行程作為計算依據。設定作業耕深為30cm,具體測量參數如表1所示。

表1 五鏵犁測試指標與試驗安排

3)主要指標計算方法

土垡破碎率計算公式為

(1)

其中,Gg為測量耕層內最大尺寸≤5cm的土塊質量(kg);G為測量區全耕層土塊總質量(kg)。

驅動輪滑轉率計算公式為[16]

(2)

其中,δ為驅動輪滑轉率(%);Lk為測量區50m內拖拉機空行時驅動輪的行進距離(m);Lz為測量區50m內拖拉機作業時驅動輪的行進距離(m)。

2 結果與分析

試驗測定了土壤性能指標與犁體作業性能指標,經左右行程對比取平均值,得出試驗結果。

2.1 試驗地含水率結果

各土壤層含水率分布結果如圖1所示。試驗測定A區0～10cm土層平均含水率為16.4%RH,10～20cm土層平均含水率為22.4%RH,20～30cm土層平均含水率為36.3%RH,符合南疆土壤條件特點。其表層土塊蒸發較快,水分流失大,底層土壤水分流失較小。試驗測定B區0～10cm土層平均含水率為22.3%RH,10～20cm土層平均含水率為28.7%RH,20～30cm土層平均含水率為39.5%RH。試驗測定C區0～10cm土層平均含水率為23.4%RH,10～20cm土層平均含水率為36.1%RH,20～30cm土層平均含水率為46.5%RH。其中,C區為較大濕度試驗區。

圖1 測試區各土壤層含水率分布

2.2 土壤堅實度測定

土壤堅實度是反映農田垡土性能的重要指標,也是衡量土壤耕作性能的重要指標,它與土層含水率有密切的負相關性。由于土壤堅實度與含水率條件密切相關,試驗地隨機選取樣點取均值,每個樣點按土壤層分布0～10cm、10～20cm、20～30cm進行取樣,以計算3個區的平均含水率與堅實度。

試驗測定了測試地塊土壤堅實度均值分布情況,如表2所示。從各采樣點所得土壤堅實度與水分分布平均數據來看,棉田主要采用膜下滴灌技術。秋后棉田收膜后,土壤表層水分有較快蒸發,使0～10cm土層含水率降低,土壤中鹽堿度增加,表層土壤堅實度較其它土層明顯要高,平均達284.3kPa。由于水分變化,越往耕作底層,濕度越大,土壤堅實度值越小,表明土壤堅實度與濕度值呈負相關關系。由測試結果來看,棉花地土壤性質以沙壤為主,土壤堅實度值均值<300kPa,可預測其比阻值也較低,屬于較易垡土區域,適宜于高速犁作業區域。

表2 南疆主要地區土壤堅實度測定值

2.3 耕深與耕寬測定

1)耕深。耕深是指犁耕形成的溝底至未耕地表面的垂直距離,不同實驗區的耕深測定結果如圖2所示。在試驗A區,最大耕深為31.4cm,最小耕深為29.7cm,平均耕深保持30.4cm,耕深較為穩定;在試驗B區,最大耕深為31.5cm,最小耕深為28.6cm,平均耕深保持30.75cm,耕深有一定的隨機性變化,且左翻與右翻在B區土壤環境下有一定影響;在試驗C區,最大耕深為31.7cm,最小耕深為28.5cm,平均耕深保持30.81cm,表明土壤水層分布與耕深變化有一定關聯性,對耕作時翻轉犁體左翻與右翻有一定影響。但由于耕深變化也與駕駛員操作有一定關系,雷肯犁在作業時最大耕深與最小耕深差值為3.0cm,在不同的土壤環境中能保持穩定的耕深輸出。測試結果表明:A區土層與B區土層含水率分布較接近,且獲得了較穩定的耕深。實際作業時,應將農田的濕度值保持在接近A區水平,即土層平均含水率在19.4%～22%RH之間。

2)耕寬。耕寬是指1個耕作行程中耕翻土垡的寬度。在雷肯犁作業過程中,分別記錄4個行程的耕深、耕寬參數,每行程測10點,取平均值。 耕寬的均值數據如表3所示。其中,各測試區作業時,翻轉犁左翻時耕寬大于右翻。A、B與C測試區各耕寬參數基本一致,表明作業環境對耕寬影響較小,耕寬主要與犁體各鏵犁之間的寬度設計系數密切相關。

圖2 不同實驗區耕深測定結果

2.4 作業速度與驅動輪滑轉率

作業速度、驅動輪滑轉率、入土行程等參數平均值如表3所示。在3種測試區內,作業速度基本一致,平均作業速度≥10km/h,達到高速犁作業標準。入土行程均大于5m,且間距基本一致,表明測試區間對入土行程影響較小。測試區內驅動輪滑轉率有較大影響差異:在測試A區,左翻時驅動輪50m驅動輪滑轉率為18.71%,右翻時50m驅動輪滑轉率為19.2%;在測試B區,左翻時驅動輪50m驅動輪滑轉率為21.65%,左翻時50m驅動輪滑轉率為20.226%;在測試C區,左翻時驅動輪50m驅動輪滑轉率為27.41%,右翻時50m驅動輪滑轉率為22.3%。測試結果表明:濕度較大的耕作區內,驅動輪滑轉率越高,拖拉機越容易打滑,影響作業效率。

表3 幾種犁體的耕深、耕寬等作業指標參數對比

2.5 土垡破碎率

土垡破碎率是反映作業性能的重要指標,圖3為LEMKEN 1LFTT-550懸掛式翻轉犁作業實測圖。在不同的試驗條件下,雷肯犁能獲得較穩定的土垡破碎率。試驗A區測試結果如表4所示。其中,0～8cm土層破碎率均值穩定在78.29%,8～30cm土層破碎率平均值穩定在79.2%,全耕層穩定在78.745%,在作業速度為10.9km/h時,獲得較好的垡土效果。試驗B區測試結果如表5所示,0～8cm土層破碎率均值穩定在65.2%,8～30cm土層破碎率平均值穩定在76.2%,全耕層穩定在70.7%,在以作業速度9.7 km/h時,獲得了較穩定的垡土效果;但在土壤淺表層土層破碎率較低,表明當土壤濕度較大時,對破碎率有較大影響。另外,土層濕度差異也造成了不同程度的土壤堅實度分布,影響翻轉犁的比阻作用,使底層隨犁垡曲面的作業行程未能充分完成,降低了作業效果。試驗C區測試結果如表6所示。其中,0～8cm土層破碎率均值降低至55.7%,8～30cm土層破碎率平均值穩定在74.8%,全耕層穩定在65.2%,在以作業速度10.06km．h時,垡土效果有較大影響。受土壤底層濕度與土壤堅實度影響,表層土壤土垡破碎率有明顯降低,影響了作業質量,但表層土壤作業質量較穩定,能保持穩定的碎土性能輸出。

圖3 雷肯五鏵犁作業性能田間實測圖

表4 試驗田A區土垡破碎率

表5 試驗田B區土垡破碎率

表6 試驗田C區土垡破碎率

續表6

2.6 拖拉機油耗

圖4所示為測試中幾種犁作業時拖拉機油油耗對比,此油耗根據拖拉機駕駛員連續作業加油量的結果計算。當作業田為測試區A時,雷肯犁平均每小時32.72L;測試區B時,雷肯犁每小時油耗為36.36L;測試區C時,雷肯犁每小時油耗為35.21L。結果表明:測試區A的工作狀況更有利于拖拉機油耗的經濟性能,這與犁體曲面的適應度有較大關系,高速犁體曲面應有更好的減阻性與翻垡效果。

圖4 各測試區犁拖拉機油耗對比

3 結論

1)測試結果表明,耕作層水層為16～20%RH的土壤更適合南疆沙壤土的耕地作業。LEMKEN 1LFTT-550懸掛式翻轉犁在耕深穩定性、驅動輪滑轉率、土垡破碎率等作業指標方面有較好的作業效果,全耕層穩定在78.745%,在作業速度為10.9km/h時獲得較好的垡土效果,且能獲得較經濟的油耗性能。

2)土壤堅實度與濕度值呈負相關關系。南疆農田土壤性質以沙壤為主,土壤堅實度值均值<300kPa,可預測其比阻值也較低,屬于較易垡土區域,適宜于高速犁作業區域。

3)南疆土壤特點是沙土壤為主,屬于適宜于高速犁作業區域,但從測試結果來看,整體作業性能指標較好的雷肯犁并未能取得最優的作業效果,在土垡破碎率、耕深耕寬穩定性方面仍有待進一步優化提升。