土壤深松機械結構優化及作業試驗

陳建林，梁學強，戚國璋，張 怡，王 帥，邢 碩

（天津市農業發展服務中心，天津 300061）

機械化深松具有改善土壤結構、增加土壤蓄水保墑能力、抵御自然災害能力和提高作物產量等多重作用，是保障農業可持續發展的重要措施。天津市在農機具購置補貼和作業補貼的雙重惠農政策下，深松機保有量急劇增加，作業面積逐年上升。但天津市近6.67 hm2土壤屬重粘土，土壤比阻較大，一般在0.9～1.0 kg·cm-2，導致深松作業出現牽引阻力大、松土范圍小、碎土質量差等問題，深松后必須進行淺旋處理才能達到播種要求，不僅增加了機具進地次數和油料消耗，更重要的是增加了作業成本，制約了深松技術的推廣應用。

基于此，針對深松機主要工作部件進行優化改造，解決入土角大，深松作業阻力大、作業效率低、消耗動力大、油耗高，深松作業質量差、碎土效果差，作業后地表平整度差等問題。

1 優化的主要結構及參數設計

優化的土壤深松作業機械主要由機架、連接架、關聯部件、深松鏟、深松鏟翼、深松犁頭、整地機架、碎土輥、調整桿等組成[1]，工作部件為鑿型深松鏟，直接安裝在機架的橫梁上，深松鏟前后交錯排成兩列，深松鏟作為主要工作部件，由犁頭和犁柱兩部分組成，犁頭和犁柱寬度相近，為雙頭鑿型鏟。

1.1 改進深松鏟入土角

通過調整入土角，使原機具的入土角變小[2]，減小深松鏟臂對地夾角，從而優化入土效果，減小耕作阻力，節省動力和油耗。

如圖1所示，原裝機的入土角為31°，入土角越大耕作阻力越大、油耗越多，影響作業效率；入土角越小入土行程越大，影響深松深度穩定性和作業整體質量。因此，通過試驗檢測和作業質量評估，選擇機具深松鏟的入土角度為25°。

圖1 深松鏟角度優化改進

1.2 改進深松翼鏟結構

通過試驗改進機具翼鏟的寬度，加大翼鏟寬度有利于提高深松機的動土范圍，減少兩深松鏟之間的硬埂范圍，擴大縱向切土的范圍，從而改善松土效果，達到全田土壤全方位松軟的目的，提高全田土壤蓄水保墑的能力。

如圖2所示，改進翼鏟結構型式，將直翼鏟改進為彎翼鏟，使翼鏟加長的兩翼與主體翼鏟具有30°的夾角，避免加寬翼鏟造成作業阻力的增加，同時在作業的過程中，土壤對兩端翼鏟的反作用力確保深松鏟不發生相對位移，從而保證作業過程中行距的一致性和穩定性。

圖2 深松翼鏟結構改進

1.3 調整深松翼鏟的對地角度

加大深松翼鏟對地角度，使作業過程中土壤被整體抬起，提高深松以后土壤的蓬松性能，減少降雨形成的地表徑流，提高土壤的蓄水保墑能力。

如圖3所示，深松翼鏟的對地角度影響抬升耕作層土壤的高度，從而影響耕層土壤的碎土率，當其對地角度偏大時，由于機具前進的慣性作用，使耕作層快速上移并形成土層整體翻轉，使大土塊滯留土層表面。經試驗，將深松翼鏟的對地角度由17°降低到13°，對地角度降低后，作業中深松翼鏟對土壤耕層形成切割，緩慢上抬土壤耕層，之后下移坐落減少了深松作業后種植層（10 cm土層）的立垡，不必再進行碎土旋耕作業。

圖3 深松翼鏟對地角度改進

1.4 深松功能部件單體組裝優化改進

如圖4所示，改進前單深松鏟組裝寬度320 mm，兩單體之間即行距450 mm，有130 mm的間隔，在深松作業時形成縱向漏切區，使深松作業后兩鼠道之間有硬埂，影響水肥氣的通透。通過改變深松翼鏟結構和加寬的方式，使單體寬度增加到462 mm，這樣在前后排深松鏟之間形成12 mm的重疊區，實現全方位縱向切割。

圖4 深松功能單體部件

2 效果檢測

2.1 試驗條件

試驗地點選擇在天津市寧河區，試驗田地勢平坦，前茬作物棉花，耕作方式為平作，土壤類別屬于粘質土，土壤含水率19.5%。

2.2 測試結果

2.2.1 深松深度測試 按照同樣的作業速度，改進前后的機具分別作業3次，每次取10個樣本點。結果表明，改進機具作業的深松深度穩定性系數提高4%，深松深度穩定性得到改善（表1）。

表1 作業深度檢測記錄 （cm）

2.2.2 表層碎土測定 完成深松作業的地表，分別沿矩形地塊的對角線兩端和中部，各取1個點，取1 m2深10 cm的土方，測總重量和4 cm以上的土塊重量，結果表明，改進機具作業碎土率提高了40.5%，碎土效果較好（表2）。

表2 碎土率測定

2.2.3 松土范圍測定 在完成深松作業的地塊，與機具作業行程方向垂直切開，分別測量改進前后2種機具的深松鏟犁出2個鼠道之間未深松的寬度。試驗顯示改進機具作業的深松范圍提高了56.52%，實現了全作業幅寬的松土，有利于改善土壤耕層結構，打破犁底層（表3）。

表3 松土范圍測定

2.2.4 機組打滑率的測定 在機具行駛過程中，根據輪胎外徑以及實際行走距離，計算輪胎理論前進距離，并測量機具實際作業前進距離，計算打滑率。由表4看出，改進機具作業的打滑率減小61%，但入土行程沒有大幅度增加，說明改進機具作業能節省動力。

表4 機組打滑率測定

2.2.5 生產試驗測試 跟蹤機具作業，測量機具一定時間內的作業量以及油耗情況，計算機具作業效率和單位燃油消耗量（表5）。結果表明，改進機具的作業效率增加840.42 m2·h-1，每667 m2油耗降低了0.53 L，表明通過優化改進，機具的作業性能得到明顯改善。

表5 生產試驗匯總

3 結果與分析

兩種機具的作業效果顯示，改進機具的深松深度穩定性系數提高4%，行距穩定性系數提高3.83%，碎土率提高40.5%，深松范圍提高56.52%，打滑率減小61%，入土行程沒有大幅度增加，作業效率增加840.42 m2·h-1，每667 m2油耗降低0.53 L。結果表明，通過深松機功能結構部件的優化改進，機具的作業性能得到明顯改善，能滿足深松機作業質量評價的指標要求。