拖拉機耕作阻力影響參數的因子分析

高輝松,陳新博,薛金林,高 強

(南京農業大學 工學院,南京 210031)

0 引言

土壤的理化特性對農作物的生長與產量有直接的影響,耕作時的作用力又影響著土壤的力學特性,因而研究土壤的機械阻力一直農業生產的關注點。同時,拖拉機耕作阻力對拖拉機耕作質量、耕作效率與耕作能耗都有影響[1]。因此,長期以來國內外研究者一直重視對耕作機械的減阻性及其影響因素的研究,特別是隨著拖拉機自動控制技術與智能化農業裝備的發展,對其進行研究顯得更為重要與迫切。

20世紀80年代末,Ayers等人[2]構建“耕深-力”“速度-力”“土壤阻力”3種模型,開展耕深、速度與土壤阻力的關系研究。Girma[3]提出:通過拖拉機驅動輪的滑轉率來控制發動機牽引力,以有效提高拖拉機耕地耕作效率,并減少耕作時的燃油消耗量。張利民與羅錫文[4]基于差分GPS定位技術研發了土壤耕作阻力測量系統,能進行不同深度層的耕作阻力測量。李汝莘等人[5]開展了土壤容重和含水量對耕作阻力的研究,得到了土壤耕作阻力-容重-含水量數學模型。李霞等人[6]進行了土壤密度、堅實度與土壤斷面等土壤物理特性對深松阻力的影響試驗。Arvidsson等人[7]重點研究不同土壤含水量對耕作阻力與能耗的影響。Camacho-Tamayo等人[8]研究了不同作業速度和土壤含水量條件下深松牽引阻力的變化。Wang等人[9]重點針對拖拉機附著性能與滾動阻力對機具耕作阻力的影響進行研究。翟力欣等人[9]針對犁體結構參數優化設計時,研究了犁體結構對耕作的影響。周健等人[10]通過LS-DYNA軟件對深松鏟切削土壤過程進行仿真,通過單因素試驗對比分析了5種典型準線的深松鏟結構、工作速度與工作深度對耕作阻力的影響。齊關宇等人[11]研究表明:深松鏟入土深度及鏟形等形狀與結構參數直接影響著深松作業的牽引阻力及作業質量等。以上研究表明,影響拖拉機耕作阻力的因素很多,雖然杭程光等人[12]采用7因素3水平正交試驗和單因互變量方差分析法研究了深松鏟機鏟形、鏟距、入土角、土壤含水度、土壤堅實度、耕深及牽引速度對深松耕作阻力不同程度的影響,但有關影響因素對拖拉機耕作阻力的影響程度仍需系統與量化的研究。

1 拖拉機耕作阻力的影響因素

拖拉機耕作時,影響拖拉機耕作阻力的因素很多,包括土壤條件、土壤比阻、耕作速度、拖拉機與機具質量及耕作機具結構等。

1.1 土壤比阻

土壤比阻是指農業耕作中犁在作業時單位截面上所受到的土壤阻力,也稱耕作比阻,是應用土壤學的一個重要物理性能指標[13]。土壤是一種非均質的、多相的、顆粒化的、分散的、多空的系統,不同土壤條件下的土壤比阻是不同的。通過對土壤比阻的研究,可以確定不同土壤條件下拖拉機燃油消耗定額系數,也可進行犁具的強度設計與拖拉機牽引力的選擇。土壤比阻獲取一般有兩種方法[14]:一是在犁具上安裝力傳感器測量不同土壤的土壤比阻;二是建立粘土成分與土壤含水量為自變量的回歸方程,得到土壤比阻的計算值。不同地區的土壤比阻分布規律不同,而同一地區的土壤比阻分布規律也是不同的,一般情況下土壤比阻的變化范圍較大。表1為不同土壤類型的土壤比阻范圍。

表1 不同土壤類型的土壤比阻

耕作阻力與土壤比阻的關系可表示為

FT=k·β·b·H

(1)

式中FT—耕作阻力(N);

k—常系數;

β—土壤比阻(kg/cm2);

b—耕作幅寬(cm);

H—耕作深度(cm)。

由式(1)可知:當耕作幅寬與耕作深度一定時,影響耕作阻力的參數主要為土壤比阻。

1.2 耕作深度與耕作幅寬

由式(1)可知:耕作深度與耕作幅寬對耕作阻力有直接的影響,耕作阻力隨著耕作深度、耕作幅寬的增大而增大。

由于不同耕作深度時土壤特性不一樣,隨著耕作深度的變化,耕作阻力的增加幅度是不一樣的。為此,采用深松鏟進行稻麥田耕作阻力試驗。深松鏟入土深度變化范圍為10～40cm。試驗測量數據如表2所示,數據變化趨勢如圖1所示。

表2 作業深度與耕作阻力數據

圖1 耕作阻力隨作業深度變化趨勢

由表1和圖1可知:耕作阻力隨著作業深度增加而增加;作業深度為10 cm和15 cm時,深松鏟受到的阻力增加不顯著,但當深度達到20 cm以上時,隨著深度的增加,耕作阻力顯著增加,與文獻[11]、[15]的研究結果是一致的。這是因為目前大多數農田耕作層在20 cm以內,而犁底層長期受農具耕犁壓實,變得越來越緊實,容重就越來越大,從而導致犁底層土壤的耕作比阻更大。

根據以上數據,得到牽引阻力與作業深度之間關系式為

FT=0.0059H2-0.1228H+1.0343

(2)

式中H—耕作深度(cm)。

本研究以犁耕為例,耕作深度的變化范圍取為10～30cm。

對于耕作幅寬的影響,只考慮單鏵犁耕作情況。在耕作比阻、耕作深度一定時,應用公式(1)進行耕作阻力的理論計算。這時,單鏵犁的耕作幅寬變化范圍取為25～30cm。

1.3 土壤容重與土壤含水量

耕作阻力主要決定于土壤的反作用力,而土壤的反作用力取決于土壤強度。土壤強度與茬口、有機質、土壤容重和含量水量有關。因此,對于同一土壤類型,土壤容重和含水量是影響拖拉機牽引阻力的主要影響因素,但土壤容重與土壤含水量對耕作阻力的交互作用不明顯。為研究土壤容重和含水量對拖拉機耕作阻力的影響,采用單鏵犁進行土槽試驗,以測量不同土壤容重與含水量條件下的耕作阻力。

1.3.1 土壤容重

土壤容重又稱為干容重,指一定容積的土壤烘干后的質量與同容積水重的比值,用符號ρ表示。土壤容重由土壤容重儀測定。

表3為土壤含水量為15%的條件下不同土壤容重時耕作阻力值,數據變化趨勢如圖2所示。

表3 土壤容重與耕作阻力數據

圖2 耕作阻力隨土壤容重變化趨勢

由表3、圖2可知:在土壤含水量一定的情況下,耕作阻力隨著土壤容重的增加而增加;在土壤容重小(小于1.4 g/cm3)時,耕作阻力變化不大,隨著土壤容重進一步增加,耕作阻力增大幅度明顯,與文獻[5]的實驗結果是相似的。耕作阻力與土壤容重之間的關系為

FT=A1·ρ/(A2+A3·ρ)

(3)

式中ρ—土壤容重(g/cm3);

A、B、C—常數。

當含水量適中時,A、B、C為常數分別為117.33、0.998、-0.513[5]。

1.3.2 土壤含水量

土壤含水量也稱土壤含水率,一般指土壤絕對含水量,即100g烘干土中所含的水分量(g)。當土壤含水量變化時,土壤的內聚力和塑性都會產生變化,從而對拖拉機耕作時的阻力產生影響。土壤含水量的測量方法有稱重法、張力計法、電阻法及光學法等。

通過實驗,得到一定土壤容重條件下不同土壤含水量時耕作阻力數據,如表4所示。

表4 土壤含水量與耕作阻力數據

由表4可以看出:當土壤容重值為定值時,隨著土壤含水量的增加,耕作阻力變化不大,但有微小的變小趨勢,如圖3所示。這與文獻[5]的實驗結果也是相似的。

圖3 耕作阻力隨土壤含水量變化趨勢

采用拋物線進行擬合,得到土壤含水量S和牽引力FT的關系式為

“方”在典籍中常訓為“并”，如：《諸子平議·莊子二》“方陳乎前而不得入其舍”，俞樾按：“方者并也，方之本義為兩舟相并故方有并義。”

FT=C0+C2S2+C3S3

(4)

式中S—土壤含水量(%);

C1、C2、C3—常數。

當土壤容重ρ適中時,C0、C2、C3的取值分別為184.381、-19.773、58.212。

1.4 拖拉機耕作速度、拖拉機質量、耕作路面

當拖拉機勻速耕作時,根據拖拉機功率守恒方程,即發動機的輸出的有效功率Pe應等于牽引功率PT、滾動阻力功率Pf、風阻功率PW、坡度阻力功率Pi之,即

Pe=PT+Pf+PW+Pi

(5)

因此,可以得出耕作阻力功率PT為

PT=Pe-Pf-PW-Pi

(6)

進一步得耕作阻力為

(7)

式中Pe—拖拉機發動機輸出的有效功率(kW);

v—拖拉機耕作速度(km/h);

A為拖拉機迎風面積(m2);

i—耕作路面坡度(%);

f—車輪的滾動阻力系數;

G—拖拉機質量(kg);

g—重力加速度(m/s2)。

農田坡度不宜過大,否則不利于農業生產。一般情況下,農田坡度在2°以內,能夠忽略坡道阻力的影響。因此,式(7)可以改寫為

(8)

由式(8)可知,拖拉機耕作速度、質量、滾動阻力系數對拖拉機耕作阻力有影響。本文沒有考慮拖拉機的空氣阻力系數與迎風面積的影響,是因為拖拉機的空氣阻力系數基本恒定,而拖拉機迎風面積的變化基本與拖拉機外形尺寸有關,從而與拖拉機質量有關。

滾動阻力系數與路面種類、輪胎構造、材料、氣壓等有關。當拖拉機輪胎確定后,不同的耕作路面對拖拉機車輪的滾動阻力系數影響較大,表5列出一些耕作路面下拖拉機車輪滾動阻力系數范圍。由表5可知,拖拉機耕作時車輪的滾動阻力系數范圍為0.06～0.10。

表5 不同路面的滾動阻力系數[16]

1.5 耕作機具結構

耕作機具的結構形狀會影響拖拉機耕作時作用于土壤上的力,從而影響耕作阻力。以犁耕的犁體為例,其主要結構參數有推土角、起土角、覆土角、犁體高度與耕作寬度。在文獻[9]中,以推土角、起土角、覆土角及犁體高度為試驗因素,進行四因素三水平正交試驗,得出推土角、起土角及梨體高度對耕作阻力影響明顯的結論,并構建出基于推土角、起土角及梨體高度的耕作比阻模型。

設起土角θF、推土角θE、犁體高度HT,當耕寬為287mm、耕深為200mm時,耕作阻力FT可表示為

0.28θEHT+7.98θE+1.97HT

(9)

2 基于變異系數法因子分析

通過以上分析可知,影響拖拉機耕作阻力的因素有土壤比阻、耕作深度、耕作寬度、土壤容重、土壤含水量、拖拉機車速、車重、耕作路面及犁體結構參數等。但是,這些因素對拖拉機耕作阻力的影響程度并不相同,且這些參數的量綱不同,不適合直接比較其差別程度,從而不能直接比較各參數的影響程度(即權重值)。

為了消除各項評價指標的量綱不同的影響,可以用變異系數來衡量各項指標的差異程度,從而能把不同量綱的參數結合起來分析[17]。各項指標的變異系數公式為

(10)

式中Vi—第i項影響因素變化引起耕作阻力變化的標準差系數,即變異系數;

σi—第i項影響因素變化時耕作阻力變化的標準差。

各影響參數的影響程度(即權重值)通過下式來計算,即

(11)

式中Wi—各影響因素的權重值。

根據計算出的權重值,就可以看出各影響參數的影響大小。

首先,確定土壤比阻、耕作深度、耕作寬度、土壤容重、土壤含水量、拖拉機車速、車質量、耕作路面及犁體結構等影響參數的變化范圍;然后,分別計算出各影響參數在一定變化范圍內耕作阻力值變化的平均數、耕作阻力變化的標準差;最后,根據式(10)和式(11)計算出各影響參數的變異系數與權重值,結果如表6所示。

由表6可知:各影響因素對拖拉機耕作阻力的影響各不相同,按權重值由大到小排列為:土壤容重、拖拉機速度、土壤比阻、耕作深度、耕作幅寬、犁具推土角、犁具高度、拖拉機重量、輪胎滾動阻力系數、犁具起土角、土壤含水量。其中,土壤容重的影響最大,其變異系數達0.735 1,權重值為0.298 0;拖拉機速度與土壤比阻的影響也很大,權重值分別為0.271 3與0.213 6;耕作深度的影響權重值為0.134 4。以上4個參數的影響權重值之和達0.917 3,而其它參數的影響很小,特別是犁具結構中起土角參數(權重0.007 3)、拖拉機質量(權重0.009 5)、耕作路面(權重0.007 8)與土壤含水量(權重0.001 1)的影響可以忽略。

表6 影響參數的變化范圍、變異系數與權重

3 結論

拖拉機耕作阻力對耕作質量、耕作效率與耕作能耗都有影響,而影響拖拉機耕作阻力的影響參數很多。本文通過實驗數據與理論計算等方式,分析了對耕作阻力有影響的耕作比阻、耕作深度、耕作幅寬、土壤容重、土壤含水量、拖拉機耕作速度、拖拉機質量、耕作路面及耕作機具結構等參數,并采用變異系數法對耕作比阻、耕作深度、耕作幅寬、土壤容重、土壤含水量、拖拉機耕作速度、拖拉機質量、耕作路面及耕作機具結構等影響因素進行影響因子分析。結果表明:土壤容重、拖拉機速度、土壤比阻與耕作深度對耕作阻力的影響很大,而其余參數的影響較小,甚至可以忽略。