海南熱區香蕉地預破土鑿式深松機設計與試驗

張喜瑞，張 銳，汝紹鋒，張秀梅，李 粵，梁 棟

海南熱區香蕉地預破土鑿式深松機設計與試驗

張喜瑞，張 銳，汝紹鋒※，張秀梅，李 粵，梁 棟

（海南大學機電工程學院，海口 570228）

針對海南熱帶農業區香蕉地現有深松機具匱乏、松土質量差等問題，該研究研制了一款預破土鑿式深松機，首先確定整機深松方式，并采用三維建模方法建立深松機整體模型；進一步確定了深松機的整體結構與工作原理，并設計闡述了深松機的關鍵結構參數。基于田間試驗，對深松作業后的土壤堅實度及土壤容重進行測定，確定了前進速度、深松深度、破土刃入土深度為對土壤堅實度及土壤容重有顯著影響效果的因素。進一步以土壤堅實度及土壤容重為響應值，基于Box-Behnken設計試驗得到響應值與顯著性參數的二階回歸模型，并針對顯著性參數進行尋優，得到最佳組合：前進速度為1.15 m/s、深松深度為350 mm、破土刃入土深度為250 mm。在標定的最優參數下進行的田間驗證試驗結果表明，土壤堅實度為752 Pa，土壤容重為1.48 g/cm3，與預測值（734 Pa、1.42 g/cm3）之間的誤差分別為2.4%、4.2%，驗證了分析的可信性。最后通過與現有傳統深松機具開展的對比試驗得出：相較于傳統深松機具，預破土鑿式深松機作業后，土壤堅實度下降6.39%，土壤容重下降9.76%，進一步證明該試驗研制樣機適用于海南熱區香蕉地深松作業，該機器的設計可為海南熱帶地區香蕉地深松技術的推廣與應用提供參考。

農業機械；設計；試驗；深松機；香蕉地；鑿式

0 引 言

土壤耕層自上而下分為3層，分別為耕作層、犁底層和黃土層，長期傳統耕作過程中，耕作層受犁鏵等耕作部件擠壓作用，不斷壓實形成堅硬的犁底層[1-2]。犁底層一般距離地表120～180 mm，厚度約為80～100 mm，且土壤容重較大、總孔隙度較小[3]。犁底層阻礙了耕作層和黃土層之間的水分流動和能量傳遞[4]。通過深松技術，可在維持原有狀態和肥力的前提下，打破犁底層，保持土壤耕作層結構不變，改善農作物生長所需土壤環境，因此可以大幅度增加深根系作物的產量。2016年，中央一號文件提出要高度重視農機深松整地工作，并將其列入《政府工作報告》年度重點工作任務[5]，因此深松機具及其關鍵技術的研究進入快速發展機遇期。

香蕉作為熱帶地區廣泛種植的水果之一，在世界水果貿易市場中占有重要的地位,是中國農業經濟發展中不可或缺的一環[6-8]。目前，為增加香蕉產量、提高香蕉質量，香蕉種植多采用“兩年一種”模式[9]，短周期的香蕉種植模式與香蕉地傳統的耕作模式相結合，大大增加了農機具的工作次數，因不合理的農事操作，耕作層的泥土被不斷壓實，導致犁底層厚度增大、容重增加且較為封閉，進而導致耕作層變淺，影響作物根系深扎，不利于香蕉的生長和生產[10-11]。目前，由于香蕉種植的區域性特點，香蕉地專用深松機具的開發研究較薄弱，傳統的深松機具作業普遍存在深松后土壤質量差等問題，嚴重制約深松技術在熱帶農業區的推廣應用。

在國內，鄧衍夫等[12]研發了一款振動式深松整地一體機，該機可降低深松阻力，但系統能耗高。為解決秸稈隨意丟棄覆蓋田間的耕地問題，凱斯紐荷蘭公司[13]研發了一款730C聯合深松整地作業機，該機可打破犁底層，增強土壤蓄水保墑能力。李成鑫[14]設計了一種深松整地聯合作業機，通過加設大波紋圓盤刀，進而達到減阻效果。基于仿生原理，張強等[15]研制了一款仿生鉤形深松鏟，相較于傳統深松鏟，該鏟工作時阻力明顯減小。鄭侃等[16-17]設計的反旋深松聯合作業整地機，可一次完成深松、旋耕、鎮壓等工序，該機可提高耕深穩定性、植被覆蓋率，且牽引阻力降低了16.21%。在國外，Jankauskas等[18-19]通過試驗研究出一種適用于黏性土壤的深松鏟結構材料；Askari等[20]研發了一種翼板前傾角為10°的新型帶翼深松鏟，試驗表明，安裝該鏟的機具作業時可明顯降低牽引阻力。

綜上，國內現有深松機具種類繁多，但主要針對于北方地區玉米、小麥等作物，且更適用于地塊平整、土壤比阻小的耕地。南方熱區多為磚紅壤土且土層黏重，現有研究主要集中在甘蔗地，如李柏林等[21]對甘蔗地鑿式深松犁的角度參數進行了一定優化設計，重點分析了犁柄傾角、入土角、入土隙角等參數對深松阻力的影響；韋麗嬌等[22]研制了1SG-230 型甘蔗地深松旋耕聯合作業機，能同時完成深松和旋耕作業。當前針對香蕉地深松機具研究較少，且主要致力于降低深松阻力[23]。本文針對香蕉地現有深松機具松土質量差等問題，研究設計一種預破土鑿式深松機，并對深松后的土壤理化特性進行測定，以期為熱帶地區香蕉地深松機具松土質量差提供解決方案。

1 設計方案與整體結構

1.1 深松方式的確定

目前，深松機具按作業方式主要分為全方位深松和間隔深松。全方位深松作業后，耕深內土壤疏松程度高，但動力消耗大，對土壤擾動大，且效率低；而間隔深松作業后，可在土層中形成“虛實并存”的耕層構造[24]。其中，經過擾動的疏松土壤稱為“虛部”土層，包含大量的大孔隙，可實現水分的迅速下滲，形成整個耕作層的“蓄水庫”[25]；未經擾動的緊實土壤稱為“實部”土層，包含較少的大孔隙，內部通氣性較差，從而促進了厭氧生物的活動，同時可實現協調水分供給的功能[26]。由于香蕉根系具有好氣性、喜濕性和喜溫性，同時考慮到海南熱區香蕉地多為磚紅壤土，黏性大且比阻大[27]，設計深松機時應盡量保證小機型、結構簡單、使用方便。綜上所述，本研究采用小型鑿式間隔深松的方式設計海南地區香蕉地深松機。

1.2 整機結構與技術參數

所研制的預破土鑿式深松機主要由三點懸掛裝置、機架、深松鏟、破土裝置和限深輪等部件組成。整機通過三點懸掛裝置掛接于拖拉機上，由拖拉機牽引拖動完成作業過程。拖拉機動力輸出軸通過萬向節、變速箱、傳動裝置將動力傳遞給破土裝置，預先切開土壤，最后深松鏟在拖拉機的帶動下完成深松作業。破土裝置設置在深松鏟前方，由破土刃及連接桿組成，其中破土刃是破土裝置的關鍵工作部件。整機主要性能參數如表1所示。預破土鑿式深松機如圖1所示。

表1 預破土鑿式深松機主要性能參數

2 關鍵部件結構設計

2.1 深松松土機理

當前深松鏟主要類型有斜柄式和直柄式，其中斜柄式深松鏟在不斷前進工作的過程中，鏟尖將土壤向上向前擠壓，同時斜置的深松鏟柄不斷抬升土壤，使土壤受拉伸應力而破碎，故本次研究設計深松機選用斜柄式深松鏟，其鏟尖和鏟柄共同對土壤產生作用力，增大土壤破碎范圍，提高了松土系數，進一步增強松土效果。

2.2 深松鏟設計

2.2.1 深松鏟結構

基于海南農業區香蕉地工作環境，選定間隔深松工作方式，選用斜柄式深松鏟，最終設計深松鏟如圖2所示。整鏟采用65Mn鋼材料，具有良好的耐磨性，結構簡單、使用方便、部件質量小。

圖2 深松鏟結構

2.2.2 深松鏟受力分析

海南農業區香蕉地多為磚紅壤，由于年降水量大，土層黏重，機具工作時土壤易附著在耕作部件上，導致出現強附著阻力。與一般沙土或壤土相比，由于磚紅壤土黏附于深松鏟上，前進過程中會受切向黏附阻力作用，導致整鏟牽引阻力增大，同時鏟柄前方土壤容易出現黏附包現象[28]，進而影響松土質量。因此，需分析在磚紅壤土工作條件下深松鏟的受力情況，合理設計相應參數。深松機在香蕉地工作時，深松鏟柄受對磚紅壤產生剪切作用的反向作用力、深松鏟尖受對磚紅壤產生切削作用的反向作用力[29-30]，同時深松鏟面因被磚紅壤粘附，機具前進過程受切向黏附阻力，鏟尖和鏟柄整體受力如圖 3所示。

注：F0為鏟尖所受的水平牽引力，N；p為磚紅壤對鏟尖單位面積黏附力，N·mm-2；S1為鏟尖上端面的面積，mm2；β為深松鏟入土角，(°)；f為摩擦系數；N1為鏟尖受到磚紅壤的垂直作用壓力，N；N2為鏟柄刃口受到磚紅壤的垂直作用壓力，N；B1為鏟尖寬度，mm；α為入土隙角，(°)；l為深松鏟尖長度，mm。其中S1=lB1。t為單位寬度土壤的切削阻力，N·mm-1；L為深松鏟柄刃口長度，mm；d為鏟柄厚度，mm；B2為鏟柄側面寬度，mm；θ為鏟柄刃口夾角，(°)；S2為鏟柄刃口面積，mm2；N3為鏟柄側面受到磚紅壤的垂直作用壓力，N；S3為鏟柄側面面積，mm2，F3為鏟柄所受的水平牽引力，N。

深松鏟尖、鏟柄主要受黏附阻力、剪切力、切削力、摩擦阻力作用，如圖3所示，其中鏟尖、鏟柄所受阻力的水平方向的合力分別與0、3大小相等，方向相反，因此可得

根據幾何關系，得

式中為深松深度，mm。

一般情況下，土壤的純切削很小，所以入土隙角、鏟尖寬度1和鏟柄刃口長度對深松鏟牽引阻力的影響可忽略不計[31]，故深松鏟工作時所受阻力=1+2。同時當深松深度超出臨界范圍時，疏松范圍會逐漸減少，反而影響深松效果。香蕉根系主要分布范圍為25～35 cm，故本次設計深松鏟深松深度為250～350 mm。磚紅壤土的最小入土角為40°[31]，同時有研究表明，入土角在20°～45°范圍內時耕作阻力最小[32]，故選定深松鏟入土角為45°，鏟柄刃口夾角選定為45°，鏟柄厚度選定為30 mm，鏟柄側面寬度2選定為100 mm[33-34]。

2.3 破土刃設計

選取破土刃工作臨界狀態下的土壤顆粒進行受力分析，如圖4所示。

注：FN1為地面對土壤顆粒的支撐力，N；FN2為破土刃作用于土壤顆粒的正壓力，N；Ff1為土壤顆粒與地面摩擦力，N；Ff2為破土刃與土壤顆粒間摩擦力，N；γ為破土刃與土壤顆粒的夾角，(°)；R為破土刃半徑，mm；m為破土刃入土深度，mm；r為土壤顆粒半徑，mm；x、y為坐標軸。

深松機工作時，破土刃沿著軸向前運動，為保證土壤被破碎且不被破土刃沿著軸拖走，由土壤顆粒受力條件可得

當土壤顆粒處于將要運動的臨界狀態時，此時靜摩擦力達到最大值，則

式中1為土壤顆粒與地面間摩擦角，(°)；2為土壤顆粒與破土刃間摩擦角，(°)。

將式（6）代入式（5）中，得

由圖4幾何關系，可得

將式（8）代入式（7）中，得

當不變時，為滿足式（9），應盡可能小，同時為保證能提前完成破土過程，以便后續深松鏟工作降低工作阻力，考慮香蕉根系分布范圍，本次設計選取破土刃入土深度為150～250 mm，此時破土刃半徑越大則越小，考慮到深松機結構緊湊性和深松鏟總長度限制，本次設計選取破土刃半徑=450 mm。

3 試驗與結果分析

3.1 試驗條件

試驗在海南大學儋州香蕉試驗田進行，試驗選用的香蕉樹品種為香蕉1號，其他試驗設備有雷沃歐豹M804拖拉機（田間實際作業速度范圍為1.15～1.69 m/s）、SC900型土壤堅實度測定儀、JC-ST-3型土壤水分測定儀、NP-501型電子天平秤、8210型鋼卷尺、米尺、TA-396型秒表、環刀。

3.2 試驗方法

土壤堅實度指土壤抵抗外力壓實和破碎的能力，土壤堅實度過大影響土壤的蓄水保墑能力[35]；土壤容重指一定容積的土壤烘干后質量與烘干前體積的比值，又稱土壤密度，是土壤理化特性最重要的一項指標，與作物產量有負相關關系[36]，土壤容重小，表明土壤結構性好，土層疏松，肥力較高；反之，土壤容重大，表明土體緊實，結構性和通透性較差。因此，本試驗選取土壤堅實度和土壤容重為試驗指標。由對深松鏟尖、鏟柄的受力分析可知深松深度、入土角、鏟柄厚度等參數為影響深松鏟松土效果的因素，結合整機工作環境，選定機器前進速度、深松深度與破土刃入土深度為試驗因素，根據參數范圍分別選定各因素水平，如表2所示，共進行13次試驗。

3.3 試驗指標的測試方法

3.3.1 土壤堅實度

借助土壤堅實度測定儀，將試驗地點的土壤表面整平，按照內對角線規則在檢測區域內隨機選取5個采樣點，測量時將土壤緊實度測定儀的錐形刺頭緩慢的垂直插入土壤中，并從表上讀取硬度指示值。一次測定完畢后，將指示表歸零，反復測量5次，計算平均值。

3.3.2 土壤容重

采用環刀法測定土壤容重，將試驗地點的土壤表面整平，取土前對環刀質量進行稱量，記為1，在檢測區域內隨機選取5個采樣點，將環刀邊緣垂直刺入待測土壤；將待測土壤樣品從環刀圓筒中取出，將環刀兩端的多余土壤切至平齊，將環刀外覆蓋的土壤擦拭干凈，同時蓋上蓋子避免水分蒸發；將盛滿土樣的環刀放入烤箱，加熱烘干4 h，待完全冷卻后稱質量，記為2（精確至0.01 g）。則土壤容重為

式中為土壤容重，g/cm3；1為環刀質量，g；2為環刀和烘干土質量，g；為環刀容積，cm3。

3.4 結果與分析

試驗結果如表3所示。

表3 試驗結果

3.4.1 回歸模型分析

應用Design-expert軟件對試驗結果進行多元回歸擬合分析，可分別得到土壤堅實度、土壤容重回歸模型

回歸方程（11）、（12）的決定系數分別為12=0.977、22=0.975，表明兩模型可分別用來解釋97.66%、97.45%的試驗差異，與實際數據的擬合程度高；校正決定系數分別為0.969、0.966，表明相關性較好；變異系數分別為0.48%、0.85%，表明數據離散程度低；綜上表明該模型具有較好的可靠性，可以用于進一步分析。經Design-Expert軟件處理后，分別得出土壤堅實度和土壤容重方差分析結果如表4所示。

表4 回歸模型方差分析

注：<0.01 表示該項顯著，<0.001表示該項極顯著。

Note:<0.01 represents significant,<0.001 represents extremely significant.

由表 4可知土壤堅實度和土壤容重的模型顯著性值均小于0.000 1，說明2個回歸模型都極顯著；在給定的試驗因素水平范圍內，前進速度、深松深度、破土刃入土深度對土壤堅實度和土壤容重影響都極顯著。

3.4.2 參數優化與試驗驗證

利用Design-Expert軟件的Optimization功能，進行優化分析，得到香蕉地預破土鑿式深松機的最優參數組合為機器前進速度1.15 m/s、深松深度350 mm、破土刃入土深度250 mm，在該最優參數組合下，土壤堅實度為734 Pa，土壤容重為1.42 g/cm3。根據優化分析得到的最優參數組合，進行田間驗證試驗，如圖5所示。

開展驗證試驗，為消除隨機誤差，重復試驗5次，取5次試驗結果的平均值。根據田間試驗驗證得出，在給定的優化參數下，土壤堅實度為752 Pa，土壤容重為1.48 g/cm3，與最優結果（734 Pa、1.42 g/cm3）之間的誤差為2.4%、4.2%，表明設計合理。

圖5 作業現場及效果

3.5 對比試驗

為驗證預破土鑿式深松機相較于傳統深松機具在松土質量上的提高程度，將本次試驗設計樣機與原有深松機具開展對比試驗，如圖6所示。兩臺深松機的前進速度為1.15 m/s，深松深度、破土刃入土深度分別設置為350、250 mm。取5次試驗的平均值，測得預破土鑿式深松機與傳統深松機工作后，土壤堅實度分別為761、813 Pa；土壤容重分別為1.48、1.64 g/cm3。

綜合所測量數據可得，相較于傳統香蕉地深松機，預破土鑿式深松機工作后，土壤堅實度下降6.39%，土壤容重下降9.76%，進一步證明本次試驗研制樣機更加適用于海南熱區香蕉地深松作業。

圖6 深松試驗對比

4 結 論

基于間隔深松方式及斜柄式深松機理研究，對深松鏟總成、破土刃等關鍵部件結構進行了設計，對深松鏟尖及鏟柄受力進行了分析。

1）應用Box-Behnken試驗設計確定3個顯著影響因素最優值為機器前進速度1.15 m/s、深松深度350 mm、破土刃入土深度250 mm。最優參數組合下的土壤堅實度為734 Pa，土壤容重為1.42 g/cm3。對比驗證試驗結果表明：在給定的優化參數下，土壤堅實度為752 Pa，土壤容重為1.48 g/cm3，與理論優化值之間的誤差為2.4%、4.2%，表明設計合理。

2）與傳統深松機具開展對比試驗，結果表明：相較于傳統深松機具，預破土鑿式深松機作業后，土壤堅實度下降6.39%，土壤容重下降9.76%，進一步證明本次試驗研制樣機適用于海南熱區香蕉地深松作業。

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Design and experiment of pre-soil-breaking chisel-type subsoilers for banana field in hot areas of Hainan Province, China

Zhang Xirui, Zhang Rui, Ru Shaofeng※, Zhang Xiumei, Li Yue, Liang Dong

(,,570228,)

As one of the fruits widely planted in tropical areas, banana occupies an important position in the world fruit trade market. At present, in order to increase banana yield and improve banana quality, banana planting mostly adopts the “one in two years” mode. The operation times of agricultural machinery greatly increased because the short cycle banana planting mode combined with the traditional banana field tillage and rotary tillage mode, which results in the continuous compaction and formation of plough bottom under the soil tillage layer of banana field, then the soil surface roughness reduce. Rainwater is difficult to penetrate into the soil to form surface runoff and take away a large amount of surface soil and organic matter, affecting the growth of banana trees and banana production. Traditional subsoiling machines and tools generally have problems such as high work resistance, high energy consumption and low efficiency. At present, due to the regional characteristics of banana planting, the development and research of special subsoiler for banana field is still relatively weak, which seriously restricts the popularization and application of subsoiling technology in tropical agricultural areas. Firstly, the subsoiling method of the whole machine was determined in this study, and the three-dimensional model of the pre-soil-breaking chisel-type subsoiler was established. Based on the research of interval subsoiling method and inclined handle subsoiling mechanism, the structure of subsoiling shovel assembly, soil breaking disc and other key components were designed, and the force of subsoiling shovel tip and shaft was analyzed to ensure the working stability. At the same time, field experiments were carried out to determine the soil firmness and soil bulk density after subsoiling, and the factors that had significant effect on soil firmness and soil bulk density were determined, that was, working speed, subsoiling depth and penetration depth of soil breaking disc. Moreover, the second-order regression model of response value and significant parameters were obtained by taking soil firmness and soil bulk density as response values, and the optimal parameter combination was obtained by optimizing the significant parameters. The Box-Behnken test design was used to determine the optimal values of three significant factors: the working speed of the machine was 1.15 m/s, the subsoiling depth was 350 mm, and the penetration depth of the disc was 250 mm. The soil firmness was 734 Pa, the soil bulk density was 1.42 g/cm3under the given optimized parameters. Furthermore, the verified test was carried out and the results showed that the error of soil firmness and the soil bulk density between the test value and the theoretical value were 2.4% and 4.2% respectively. Finally, the comparative results between the existing traditional subsoiling machines and pre-soil-breaking chisel-type subsoiler showed that the soil firmness of the developed pre breaking chisel subsoiler reduced by 6.39% and the soil bulk density decreased by 9.76%. which indicated that the pre-soil-breaking chisel-type subsoiler was more suitable for the subsoiling operation of banana field in Hainan hot area. The design of the machine can promote of subsoiling technology in tropical area of Hainan and supply references for application.

agricultural machinery; design; experiment; subsoiler; banana field; chisel-type

張喜瑞，張銳，汝紹鋒，等. 海南熱區香蕉地預破土鑿式深松機設計與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(18)：49-55.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.007 http://www.tcsae.org

Zhang Xirui, Zhang Rui, Ru Shaofeng, et al. Design and experiment of pre-soil-breaking chisel-type subsoilers for banana field in hot areas of Hainan Province, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 49-55. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.007 http://www.tcsae.org

2020-07-01

2020-09-08

國家自然科學基金（51865007）、海南省自然科學基金高層次人才項目（2019RC014）

張喜瑞，教授，博士生導師，主要從事熱帶智能農業機械研究。Email：zhangxirui_999@sina.com

汝紹鋒，副教授，主要從事熱帶智能農業機械研究。Email：ru.shaofeng@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.007

S220.1

A

1002-6819(2020)-18-0049-07