深松旋耕分層施肥機(jī)械優(yōu)化與試驗(yàn)

王槐俊,王云德,劉孜文,張克盛

(甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 武威 733006)

0 引言

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活有著重要貢獻(xiàn)。隨著人口增長(zhǎng)和城市化加速[1-2],對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求不斷增加,同時(shí),對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)提出了更高的要求。深松旋耕和分層施肥是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的技術(shù)手段,可以提高土壤肥力和作物產(chǎn)量,減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

傳統(tǒng)的深松旋耕分層施肥方式主要依靠人工完成,效率低下,施肥不均勻等問(wèn)題較為突出,已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求[3]。因此,研究深松旋耕分層施肥機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì),可以提高作業(yè)效率和施肥均勻性,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力支持。本研究旨在設(shè)計(jì)一種新型深松旋耕分層施肥機(jī)械,并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證,以期提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)水平,促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 農(nóng)藝要求

1.1 土壤疏松度

深松旋耕分層施肥機(jī)械需要在保證不破壞土壤結(jié)構(gòu)的前提下,將土壤疏松,使之適合作物生長(zhǎng)。因此,在進(jìn)行作業(yè)時(shí),需要根據(jù)不同作物的生長(zhǎng)需求,調(diào)整機(jī)械的深度和旋轉(zhuǎn)速度,確保土壤疏松度達(dá)到適宜的水平[4]。

1.2 施肥均勻性

深松旋耕分層施肥機(jī)械需要能夠?qū)崿F(xiàn)施肥均勻,避免施肥過(guò)量或不足,影響作物的生長(zhǎng)和品質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)施肥均勻,可以采用不同的施肥方式,例如根據(jù)土壤肥力和水分狀況實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥,或者通過(guò)采用混合施肥等方式,提高施肥均勻性[5]。

1.3 作業(yè)效率

深松旋耕分層施肥機(jī)械的作業(yè)效率直接影響到作業(yè)成本和生產(chǎn)效益。因此,作業(yè)時(shí),需要考慮作業(yè)的速度和效率,并根據(jù)不同作物和土壤類型,調(diào)整機(jī)械的作業(yè)深度和旋轉(zhuǎn)速度,實(shí)現(xiàn)最佳的作業(yè)效果[6]。

1.4 土壤保護(hù)

深松旋耕分層施肥機(jī)械在進(jìn)行作業(yè)時(shí),需要注意保護(hù)土壤,避免破壞土壤結(jié)構(gòu)和生物多樣性。為此,可以采用保護(hù)性耕作技術(shù),例如少耕或不耕地,或者通過(guò)采用植被覆蓋等方式,保護(hù)土壤和生態(tài)環(huán)境[7]。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)方案

2.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深松旋耕分層施肥機(jī)械機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性等因素。機(jī)架的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足承載力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、簡(jiǎn)單可靠易于維護(hù)和保養(yǎng)的要求。

機(jī)架設(shè)計(jì)可以采用框架式結(jié)構(gòu)或者箱式結(jié)構(gòu),框架式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,適用于較小型號(hào)的機(jī)械,箱式結(jié)構(gòu)適用于較大型號(hào)的機(jī)械。具體的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)可以根據(jù)機(jī)械的尺寸、作業(yè)條件和使用要求等因素來(lái)確定。本研究設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 深松結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深松結(jié)構(gòu)直接影響到土壤的疏松效果,因此需要考慮多方面因素,包括深度、寬度、深松刀片數(shù)量和布局等因素,以實(shí)現(xiàn)最佳的深松效果。本研究深松結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體方案和參數(shù)如下:

1)深度和寬度。根據(jù)不同作物類型、土壤性質(zhì)和作業(yè)需求等因素,確定深松的深度和寬度,深度20～35 cm,寬度25～40 cm。

2)深松刀片數(shù)量和布局。深松刀片數(shù)量和布局需要根據(jù)深松的深度、寬度和作業(yè)速度等因素來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō),深松刀片數(shù)量越多,深松效果越好,但也會(huì)增加能耗和成本[8]。深松刀片的布局應(yīng)盡可能均勻,保證深松效果的一致性。

3)深松刀片選材。深松刀片需要選用高強(qiáng)度、耐磨損的材料,例如優(yōu)質(zhì)合金鋼。

4)深松刀片角度。深松刀片的角度也會(huì)影響到深松效果。本研究深松刀片的角度為30°,以保證深松效果的最大化。

2.3 旋耕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋耕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮以下因素:

1)旋耕刀片數(shù)量和布局。一般來(lái)說(shuō),旋耕刀片的數(shù)量越多,旋耕效果越好,但數(shù)量過(guò)多會(huì)增大機(jī)具載荷。同時(shí),合理的布局能讓旋耕刀片的力量更好地分散到整個(gè)機(jī)體,從而減輕每個(gè)刀片的負(fù)擔(dān),延長(zhǎng)使用壽命。

2)旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。旋轉(zhuǎn)速度要適中,過(guò)快會(huì)導(dǎo)致土壤過(guò)度破碎,過(guò)慢則旋耕效果不佳。旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)與行進(jìn)方向相反,以達(dá)到最佳的混合效果。

3)旋耕刀片質(zhì)量和材料。一般來(lái)說(shuō),應(yīng)選用高硬度、高強(qiáng)度的合金鋼材料制成,以增加其抗磨損性和抗彎曲性能。

4)旋耕刀片的角度和形狀。旋耕刀片的角度一般為30°左右,形狀為平頭或棱角狀。本研究設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 旋耕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4 施肥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

施肥結(jié)構(gòu)是深松旋耕分層施肥機(jī)械的重要組成部分,其設(shè)計(jì)直接關(guān)系到施肥的質(zhì)量和效率。一般來(lái)說(shuō),深松旋耕分層施肥機(jī)械可以采用單施肥器或多施肥器結(jié)構(gòu),具體的設(shè)計(jì)方案如下:采用多個(gè)施肥器進(jìn)行施肥,以保證施肥均勻,施肥器的布局應(yīng)根據(jù)作業(yè)條件和作物需求進(jìn)行設(shè)計(jì);深松旋耕分層施肥機(jī)械的施肥方式采用噴灑肥液的方式;施肥量需要根據(jù)作物的生長(zhǎng)情況和土壤的肥力水平進(jìn)行合理調(diào)節(jié),以保證作物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育;采用不銹鋼、塑料等材質(zhì),施肥器的結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)合理,以方便清洗和維護(hù);深松旋耕分層施肥機(jī)械的施肥器需要具備自動(dòng)控制功能,可以根據(jù)作物需求和施肥量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.5 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮多種因素,包括傳動(dòng)方式、傳動(dòng)比及傳動(dòng)元件的材質(zhì)和強(qiáng)度等。常用的傳動(dòng)方式包括鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)等,其中鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率較高,但噪音較大,皮帶傳動(dòng)噪音較小,但傳動(dòng)效率較低。傳動(dòng)比的選擇需要根據(jù)機(jī)械的作業(yè)要求和速度要求等因素來(lái)確定。本設(shè)計(jì)采用鏈傳動(dòng)方式;傳動(dòng)比為1∶2;傳動(dòng)元件選用高強(qiáng)度鋼材制作傳動(dòng)鏈條,鏈條寬度為25 mm;傳動(dòng)支架采用鋼管焊接支架,支撐鏈輪和鏈條的運(yùn)動(dòng),保證傳動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性;傳動(dòng)箱體選用厚度為5 mm的鋼板制作而成,保證傳動(dòng)元件的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用西門子S7-1200作為控制器,控制深松刀片、旋耕刀片、施肥器等的運(yùn)動(dòng)和停止,實(shí)現(xiàn)機(jī)械的自動(dòng)化作業(yè)。同時(shí),可結(jié)合傳感器采集機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)和土壤信息,實(shí)現(xiàn)智能化控制,提高機(jī)械的效率和穩(wěn)定性。

3 強(qiáng)度和剛度分析

優(yōu)化后的深松旋耕分層施肥機(jī)械結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如表3所示,結(jié)果表明機(jī)架、深松刀組和旋耕刀組的強(qiáng)度和剛度均符合設(shè)計(jì)要求,能夠滿足機(jī)械作業(yè)的要求。同時(shí),傳動(dòng)系統(tǒng)中的鏈輪、鏈條和傳動(dòng)軸等部件也能承受作業(yè)時(shí)的扭矩和載荷,保證了機(jī)械的正常運(yùn)行。

表3 深松旋耕分層施肥機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

將試驗(yàn)區(qū)域分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組,每組面積相等。實(shí)驗(yàn)組采用深松旋耕分層施肥機(jī)械進(jìn)行作業(yè),對(duì)照組采用傳統(tǒng)的耕作方法進(jìn)行作業(yè)。根據(jù)試驗(yàn)地的土壤情況和作物種類,制定合理的施肥方案,并在實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中施肥。

4.2 測(cè)定指標(biāo)

在田間驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,可以測(cè)定以下指標(biāo)來(lái)評(píng)估深松旋耕分層施肥機(jī)械的性能表現(xiàn):

1)深松深度。使用深度計(jì)測(cè)量在不同土壤類型和濕度下深松的深度。

2)經(jīng)濟(jì)效益。深松旋耕分層施肥機(jī)械的投資需要考慮到購(gòu)置成本、使用成本和維護(hù)成本等因素。經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算如式(1)

單位面積產(chǎn)量增加量=實(shí)驗(yàn)組平均產(chǎn)量-對(duì)照組平均產(chǎn)量

(1)

4.3 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,包括t檢驗(yàn)、方差分析等,以判斷深松旋耕分層施肥機(jī)械的作業(yè)效果和經(jīng)濟(jì)效益。

4.4 結(jié)果與分析

4.4.1 深松深度

根據(jù)田間驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,深松旋耕分層施肥機(jī)械在不同土壤類型和濕度下的深松深度如表4所示,通過(guò)對(duì)深松深度的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照,可以看出深松旋耕分層施肥機(jī)械的深松效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的深松機(jī)械。試驗(yàn)結(jié)果表明,在不同土壤類型和濕度下,深松旋耕分層施肥機(jī)械的深松深度均比傳統(tǒng)深松機(jī)械的深松深度大,且差距越大的土壤類型和濕度條件下,深松旋耕分層施肥機(jī)械的優(yōu)勢(shì)越明顯。

表4 深松深度試驗(yàn)結(jié)果 單位:cm

這表明深松旋耕分層施肥機(jī)械可以更好地打斷土壤結(jié)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)土壤,混合有機(jī)肥和化肥,并使作物根系更好地發(fā)展。從而在一定程度上提高了農(nóng)田的產(chǎn)量和土壤肥力。

4.4.2 產(chǎn)量

產(chǎn)量結(jié)果如表5所示,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在不同的土壤類型和濕度下,試驗(yàn)組的產(chǎn)量均高于對(duì)照組的產(chǎn)量,而且單位面積產(chǎn)量增加量也不同。這說(shuō)明深松旋耕分層施肥機(jī)械可以有效提高作物的產(chǎn)量,并且對(duì)不同的土壤類型和濕度都具有良好的適應(yīng)性。

表5 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比結(jié)果 單位:kg

5 結(jié)論與展望

本文以深松旋耕分層施肥機(jī)械為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、旋耕結(jié)構(gòu)和施肥結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,開展了田間驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相較于傳統(tǒng)的深松機(jī)械,深松旋耕分層施肥機(jī)械具有更高的深松效果和施肥精度,可以顯著提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì),同時(shí)減少施肥量和化肥排放,有望成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要工具。基于本文的研究結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:

1)深松旋耕分層施肥機(jī)械具有良好的深松效果和施肥精度,可以提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì),減少化肥的浪費(fèi)和環(huán)境污染;

2)設(shè)計(jì)和優(yōu)化關(guān)鍵部分的控制系統(tǒng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、旋耕結(jié)構(gòu)和施肥結(jié)構(gòu)等,可以進(jìn)一步提高深松旋耕分層施肥機(jī)械的性能;

3)通過(guò)田間驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比,可以確定深松旋耕分層施肥機(jī)械的適用范圍和優(yōu)化方向,為其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

未來(lái),需要繼續(xù)深入研究深松旋耕分層施肥機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù),如自動(dòng)化控制、精準(zhǔn)施肥和能耗優(yōu)化等,提高機(jī)械的性能表現(xiàn)和適用范圍,滿足不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求,促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。