螺旋鉆參數對挖坑出土效能的影響

巴利珍，吳海平，張前英，馮澤程，連 萌

(山西農業大學農業工程學院，山西 晉中 030800)

0 引言

挖坑施肥是水果種植生產中必不可少的重要農作措施，其作業效率的高低是果農能否獲得高產和高效的關鍵，而機械挖坑的出土率不僅決定挖坑效果的優劣，且直接影響作業效率的高低。因此，通過分析研究找出影響挖坑出土率的因素及其狀況，對于優化機具參數、確保挖坑質量和提高作業效率等都具有十分重要的意義[1-3]。

土壤狀況直接影響挖坑作業，所以盡可能選擇在土壤濕度適宜時進行，即可避免土壤含水率過大、過小的不利影響[4]。此外，影響挖坑作業質量的因素主要是鉆挖部件的結構參數和工作參數，實際作業中常常由于螺旋鉆結構參數和工作參數選擇不當，造成作業質量差、損耗高、效率低[5]。為此，本研究對不同結構參數和工作參數的螺旋鉆進行試驗、測試、分析和研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地塊狀況

試驗時間是2021年4月下旬至5月上旬，試驗地點為山西省晉中市太谷區小白鄉“綠美”苗木繁育基地，試驗地塊狀況如表1所示。

表1 試驗地塊狀況Tab.1 Test plot condition

1.2 試驗設備與儀器

試驗設備與儀器有自制的便攜式螺旋鉆挖工作部件田間測試裝置、鉆頭、土壤硬度計、溫濕度測試儀、激光轉速儀、電子秤、皮尺、鋼卷尺、直尺、計時器和墊布等[6-8]。實物如圖1所示，主要技術參數如表2所示。

表2 主要技術參數Tab.2 Main technical parameters

圖1 試驗設備與儀器Fig.1 Test equipment and instruments

1.3 試驗方法

以螺旋鉆的不同直徑、轉速和螺旋數量為試驗因素，以拋土半徑和出土率為試驗指標，研究各因素對挖坑出土情況的影響規律。試驗中為了減少試驗的偶然性與誤差，在每種試驗因素下至少重復6次試驗。另外，對挖坑裝置的實際拋土半徑、出土率、坑深和坑徑等進行測量時，應嚴格按照相關標準中的測量要求進行測量。測定坑深時應清除坑底的松土，測定出土率時應分別收集坑中松土和拋出坑外的松土，稱其質量計算出土率，參數測量方法如圖2所示[9-10]。

圖2 參數測量示意Fig.2 Schematic diagram of measurement parameters

1.3.1 直徑試驗

直徑是螺旋鉆的一個重要參數，為了探索出直徑對挖坑作業過程和成坑效果的影響情況，在表1所示的試驗地塊狀況下，采用直徑分別為150、200和250 mm的雙頭單螺旋鉆頭，在轉速為550 r/min、挖坑深度為600 mm條件下，進行田間挖坑作業試驗，試驗結果整理后如表3所示。

表3 不同直徑鉆頭的挖坑試驗結果Tab.3 Test results of digging holes with different diameter bits

1.3.2 轉速試驗

轉速除對挖坑作業時間、功耗、阻力等有明顯影響外，對挖坑質量的影響也不容忽視。轉速過高不僅功耗大，而且容易將挖出的土壤拋撒過遠而不利于后續土壤回填；轉速過低不僅工作效率低，而且鉆起的土壤不易脫開鉆體出坑。因此，研究找出最適宜的螺旋鉆轉速意義非凡。

在表1所示地塊狀況下，采用直徑為150 mm的雙頭單螺旋鉆頭在挖坑深度為600 mm，在轉速為300、450和550 r/min的條件下，進行了田間挖坑作業，試驗結果整理后如表4所示。

表4 不同轉速鉆頭的挖坑試驗結果Tab.4 Test results of digging holes with different rotation speed bits

1.3.3 螺旋數量試驗

螺旋鉆頭根據地層和鉆頭甩土性能分為單頭單螺、雙頭單螺、雙頭雙螺，其中雙頭單螺和雙頭雙螺最為常用。故該試驗在表1所示地塊狀況下，采用直徑為150 mm的雙頭單螺和雙頭雙螺鉆頭，在轉速為550 r/min、挖坑深度為600 mm條件下，進行挖坑作業，試驗結果整理后如表5所示。

表5 不同螺旋數量鉆頭的挖坑試驗結果Tab.5 Test results of digging holes with different screw number bits

2 試驗結果與分析

2.1 坑形

轉速一定時，由表3可知，直徑分別為150、200和250 mm的雙頭單螺旋鉆挖坑的平均直徑分別為153.67、205.50和255.75 mm，平均坑深分別為609.3、609.5和610.0 mm，平均出土率分別可達91.94%、94.10%和96.57%。直徑一定時，由表4可知，轉速分別為300、450和550 r/min的雙頭單螺旋鉆挖坑的平均直徑分別為154.08、154.75和153.67 mm，平均坑深分別為608.83、608.66和609.33 mm，平均出土率分別可達77.38%、84.96%和91.93%。轉速和直徑一定時，雙頭雙螺旋鉆和雙頭單螺旋鉆挖坑的平均直徑分別為153.67和152.50 mm，平均坑深分別為609.33和608.50 mm，平均出土率分別可達91.94%和94.90%。

2.2 拋土半徑

最大拋土半徑小，出土近，方便后續土壤的回填；集峰區拋土半徑大，坑周土壤不易回落至坑中。對不同試驗下螺旋鉆挖坑后的拋土半徑進行分析可知：鉆頭轉速為550 r/min、挖坑深度為600 mm，直徑分別為150、200和250 mm的雙頭單螺旋鉆頭進行挖坑作業時，隨著鉆頭直徑增大，相應鉆頭的線速度也增大，從而導致最大拋土半徑和集峰區拋土半徑增大；隨著轉速的減小，拋土半徑逐漸減小；雙頭單螺旋鉆頭與雙頭雙螺旋鉆頭相比，雙頭雙螺旋鉆頭的拋土半徑較小。

2.3 出土率

2.3.1 單因素方差分析

為了確定螺旋鉆直徑、轉速和螺旋數量3個因素對出土率的影響，以及對比同一因素下各水平之間差異的顯著性，試驗采用單因素方差分析[11-13]。分別將鉆頭的直徑、轉速和螺旋數量作為單因素無協變量，在非處理因素均勻一致的情況下，對各因素所對應的水平作處理，重復6次，處理在單元上隨機分配，測定各個處理的出土率。利用SAS軟件對各因素下出土率的試驗結果進行分析，程序輸出的方差分析結果整理后如表6、表7和表8所示。

表6 直徑的出土率試驗方差分析結果Tab.6 Variance analysis of soil exit rate test of diameter

表7 轉速的出土率試驗方差分析結果Tab.7 Variance analysis of soil exit rate test of rotation speed

表8 螺旋數量的出土率試驗方差分析結果Tab.8 Variance analysis of soil exit rate test of screw number

由表6可知，螺旋鉆直徑對出土率的顯著性P值<0.000 1，模型決定系數R2=0.970 623。統計學根據顯著性檢驗方法所得到的P值，一般以P<0.05為有顯著統計學差異，P<0.01為有極顯著統計學差異。決定系數R2的大小決定了變量間相關的密切程度。R2越大，自變量對因變量的解釋程度越高，自變量引起的變動占總變動的百分比越高。故此方差分析有效，且方差分析模型能解釋出土率變異的97%，即在試驗條件下，直徑對出土率有著決定性影響。其余的3%是由于偶然性誤差造成的，可能的原因是沒有做到試驗單元的完全一致或數據測定存在誤差等。

由表7可知，螺旋鉆轉速對出土率的影響極顯著，且顯著性P值<0.000 1，決定系數R2=0.94，即在試驗條件下，轉速也對出土率有著非常大的影響。

由表8可知，螺旋鉆的螺旋數量對出土率的影響也極顯著，且決定系數R2=0.93，可解釋的模型效應達93%的較高水平，說明試驗分析結果可靠。

同時在不考慮其他因素影響的情況下，從程序輸出的均值多重比較結果可知：直徑參數各水平之間差異極顯著，直徑水平為250 mm的雙頭單螺鉆頭出土率可達96.57%，即在試驗條件下，鉆頭直徑越大，出土率越高；轉速參數各水平之間差異均顯著，采用直徑為150 mm的雙頭單螺鉆頭在挖坑深度一定的情況下，隨著轉速的增加，出土率也在增加，轉速水平為550 r/min時的出土率可達91.93%；螺旋數量參數各水平之間差異顯著，雙頭雙螺鉆頭的出土率明顯高于雙頭單螺鉆頭的出土率。

2.3.2 析因設計方差分析

為了檢驗鉆頭的直徑、轉速和螺旋數量3個因素的主效應大小，試驗采用析因設計方差分析。試驗共確定3個因素分別是鉆頭直徑、鉆頭轉速及鉆頭螺旋數量，鉆頭直徑與鉆頭轉速均取3個水平，鉆頭螺旋數量取2個水平，使用析因設計的情況下進行測試，嘗試所有可能的方案總共3×3×2=18種。3個因素分別記作A、B和C，鉆頭直徑、鉆頭轉速的3個水平分別記作1、2和3，鉆頭螺旋數量的兩個水平記作1和2，試驗因素及水平如表9所示。

表9 試驗因素水平Tab.9 Factor and level of test

根據表9試驗因素及水平進行試驗，對所得到的出土率樣本創建數據表并將其導入SAS軟件中，通過編程運行后程序輸出的方差分析結果整理后如表10所示。

表10 析因設計試驗方差分析Tab.10 Analysis of variance of factorial design experiment

由表10可知，模型決定系數達98%，且鉆頭直徑、轉速及螺旋數量三效應均顯著，說明方差分析有效。參照F值可見，各因素影響試驗指標的主次順序為轉速﹥直徑﹥螺旋數量。

3 結論

通過螺旋鉆參數對挖坑出土效能影響的試驗，分析并得到了螺旋鉆挖坑時拋土半徑和出土率隨不同試驗因素的變化規律，主要結論如下。

(1)隨著螺旋鉆直徑和轉速的增加，拋土半徑和出土率也相應增加；雙頭雙螺旋鉆頭的拋土半徑明顯小于雙頭單螺旋的拋土半徑，且雙頭雙螺旋鉆頭的出土率較高，即雙頭雙螺鉆頭的攜土能力更占優勢。

(2)螺旋鉆直徑、螺旋數量及轉速對出土率的影響均極顯著(P<0.000 1)，影響出土率主次的順序依次為轉速>直徑>螺旋數量。在實際的挖坑過程中，可以根據影響出土率的主次因素優先合理地搭配相應的螺旋鉆參數。

(3)螺旋鉆不同參數對拋土半徑和出土率的影響與土壤質地、土壤含水率、土壤堅實度等因素也存在一定的關系。