基于臭氧殺菌技術的旋耕式土壤消毒機設計與試驗

摘要：針對設施農業中連作引起的土壤污染、線蟲增加等問題，設計一款基于臭氧殺菌技術的旋耕式土壤消毒機。介紹旋耕式土壤消毒機整體結構，對臭氧充氣鏟進行受力分析，獲得臭氧注入土壤的運動學條件，確定充氣鏟結構參數；以XC2-24R-C控制器為電路控制模塊核心元件，采用高壓放電法制取臭氧，實現臭氧發生器正常運行；利用SolidWorks軟件構建整機結構模型，進行樣機研制與試驗。以根結線蟲為試驗對象，相同的試驗條件下，常規耕整1次的線蟲消退率為2.96%，臭氧消毒處理后根結線蟲消退率和防治效率最高可達84.93%和84.47%，較常規耕作線蟲消退率提高81.97%。

關鍵詞：設施農業；土壤消毒機；臭氧消毒；臭氧充氣鏟；根結線蟲

中圖分類號：S224.3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 04-0237-07

收稿日期：2022年8月31日" 修回日期：2022年11月25日

基金項目：山東省農機裝備研發創新項目 （2018YF005）

第一作者：陶麗歡，女，1996年生，廣西桂林人，碩士研究生；研究方向為智能農機設計制造。E-mail： 3288406105@qq.com

通訊作者：劉元義，男，1963年生，山東臨沂人，博士，教授；研究方向為智能農機設計制造。E-mail： liuyy@sdut.edu.cn

Design and test of rotary tillage soil disinfection machine based on ozone sterilization technology

Tao Lihuan1， Liu Yuanyi1， Bi Yuliang2， Li Xin’ao1， Wang Lijuan1， Zhang Ce1

（1. College of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo， 255000， China；

2. Weifang Xinnerer Agricultural Machinery Co.， Ltd.， Zibo， 255000， China）

Abstract：

Aiming at the problems of soil pollution and increase of nematodes caused by continuous cropping in facility agriculture， a rotary tillage soil disinfection machine based on ozone technology was designed. The structural parameters of the rotary tillage soil disinfection machine was designed and calculated， the force of the ozone inflatable shovel structure under the action of motion was analyzed， the kinematic conditions for ozone injection into the soil was obtained and the structural parameters of the inflatable shovel was determined. The XC2-24R-C controller was used as the core component of the circuit control module， and the ozone was extracted by high voltage discharge method to realize the normal operation of the ozone generator. The SolidWorks software was used to build the whole machine structure model， and the prototype was developed and tested. Using the root-knot nematodes as a test， under the same experimental conditions， the nematode regression rate of conventional tillage was 2.96%， and the maximum nematode regression rate and control efficiency of root-knot nematode were 84.93% and 84.47% after ozone disinfection， which was 81.97% higher than that of conventional tillage.

Keywords：

facility agriculture; soil disinfection machine; ozone disinfection; ozone inflatable shovel; root-knot nematode

0 引言

我國設施農業發展迅速，由于溫室作物輪作、重茬種植，導致土壤中病菌積累、理化性能失衡，進一步加劇土傳病害的傳播。引起土傳病害的病原生物種類很多，包括真菌、細菌、線蟲和病毒等［1， 2］。根結線蟲為多食性寄生蟲，可寄生植物超過5 500種，侵染作物根部［3］，降低作物產量，嚴重影響農戶經濟效益。因此，土壤消毒是設施農業中尤為重要的環節。

目前土壤消毒技術主要包括生物熏蒸消毒、化學消毒及物理消毒［4］。Sabry等［5］介紹一種新型微波消毒沙土的方式，試驗表明新型微波施藥器深度每超過5 cm將依次遞增20℃，土傳病害消殺效果良好；Mitsugif［6］采用等離子體消殺土壤病原和害蟲的方法，并研制出一種臭氧擴散處理系統應用于當地農場；袁也等［7］研究表明臭氧可降解土壤中主要的皂苷類自毒物質，抑制茄腐鐮刀菌和柱孢菌；姜楠等［8］研究表明臭氧處理后可抑制互隔交鏈孢產生TeA、AOH、AME這3種交鏈孢毒素，它們的含量比對照組分別減少36.1%、89.9%、93.2%。張學進等［9］設計了土壤射頻消毒系統，土壤溫度在射頻發生器加熱18 min后可達到61.7 ℃，有效消滅土壤中的病原菌和線蟲，但射頻消毒溫度不高且無法保溫，消殺效果有待加強；孫龍霞等［10］設計自走式精旋土壤火焰殺蟲機，火焰噴射器與旋耕滾筒同步工作，旋耕滾筒將土壤粉碎并放入罩殼內，1 000 ℃高溫火焰穿透破碎土層，可瞬間殺滅線蟲及蟲卵，但高溫會抑制部分有益微生物活性。

現有的土壤消毒機和消毒方法可以有效地滅殺土壤中的病菌和蟲害，但是仍然存在土壤消毒效果不徹底的問題。本文針對土壤污染及線蟲危害土壤問題，基于旋耕動力學特性和臭氧（O3）強氧化性，設計一種基于臭氧殺菌技術的旋耕式土壤消毒機，采用臭氧發生器橫臥在旋耕機后上方的結構布局，以XC2-24R-C控制器為核心的電路控制模塊，將開關電源轉化成高壓，促使臭氧發生器高壓電離出臭氧；根據土壤物理特性，計算臭氧充氣鏟參數，對土壤進行消毒試驗。

1 整機結構和工作原理

1.1 整機結構

旋耕式土壤消毒機以拖拉機、旋耕機為主要框架，連接、焊接各標準件組裝成整機，實現整體模塊化設計，同時完成土壤消毒和旋耕土壤作業。土壤消毒機主要由拖拉機、旋耕機、發電機、液氧罐、臭氧發生器、臭氧充氣鏟、水箱、散熱器、排氣扇組成，結構如圖1所示。

1.2 工作原理

拖拉機側掛AC220V發電機，PLC控制臭氧發生器工作和警報功能，并提供拖拉機穩定電壓。PLC控制220 V電壓經轉換線圈輸出高壓供臭氧發生器正常工作；設置一套安全保護裝置，配置可視性警示燈，若臭氧濃度超過設定值，控制繼電器自動開啟警示燈；集成穩壓芯片LM2596將24 V開關電源降壓至12 V供拖拉機行駛。液氧罐輸送液氧至發生器，液氧經高壓電解輸出臭氧，由輸送管道傳至臭氧充氣鏟。拖拉機牽引機具向前作業時，三點懸掛機構將旋耕機與配套拖拉機連接，拖拉機輸出軸動力通過萬向節與中央變速箱傳動軸連接，動力傳遞給中間齒輪傳動箱從而驅動旋耕刀軸。臭氧輸送管分別置于長管左右兩側，前置充氣鏟將臭氧注入土壤中，旋耕刀片旋切土壤，將臭氧與土壤充分接觸達到消殺病原菌、害蟲等有害生物。

1.3 主要技術參數

配置動力為40.5kW泰鴻TH554-D拖拉機，拖拉機通過后三點懸掛牽引旋耕機工作。表1為土壤消毒機主要技術參數。

2 關鍵結構設計

2.1 電路控制模塊

土壤消毒機電路控制模塊以PLC控制器為主處理核心，型號選用信捷XC2-24R-E，14路數字輸入輸出接口，AC100～240 V供電，繼電器輸出，支持485通訊，具有高性能、低成本、低功耗等優點，在一定范圍內滿足土壤消毒機控制臭氧濃度的要求，完成升壓降壓和警示燈反饋功能。電路控制模塊主要由PLC控制器、穩壓芯片、高壓變壓器、發電機、臭氧發生器組成，如圖2所示。

整機控制電路如圖3所示，接口Y0、Y1輸出信號控制光敏二極管開啟光耦PC817傳輸模擬電壓或電流信號，隨著輸入信號強度的變化而生成相應光信號，雙向可控硅三極管BTB16-800 V作無觸點開關，形成閉環控制。220 V電壓經轉換電圈輸出高壓傳輸至臭氧發生器；當濃度超過設定值時，PLC控制繼電器自動開啟警示燈。XC2-24R-E的L、N端口與穩壓模塊的L、N端口連接，芯片LM2596內含固定頻率振蕩器和基準穩壓器，可將24 V開關電源降壓穩定至12 V驅動拖拉機行駛。

2.2 臭氧發生器

按照臭氧產生方式劃分，目前臭氧發生器主要有三種：高壓放電式、紫外線照射式和電解式。高壓放電式臭氧發生器相比于其他兩種發生器，具有產量高、工藝成熟、使用壽命長等優點［11］。因溫室大棚空間結構狹小，定制一款小型高壓放電式臭氧發生器，其直徑結構為間隙放電式（DBD），內置絕緣材質石英管，運用高壓放電原理，采用一定頻率的高壓電流制造高壓電暈電場，使電場內或電場周圍的氧分子發生電化學反應制造出臭氧［12， 13］。臭氧發生器具有4個端口，上端分別是出水口、液氧輸入口，下端分別是進水口、臭氧輸出口。臭氧具有揮發性，輸出需要快速，對此臭氧輸出口具有兩個小端口，如圖4所示。電暈放電產生的熱量使氣體溫度升高，加速臭氧逆反應，降低臭氧產量。對此，臭氧發生器內置循環水冷系統可迅速帶走熱量，保證臭氧產量穩定，提高工作效率［14］。

2.3 臭氧充氣鏟

2.3.1 臭氧充氣鏟結構設計

充氣鏟作業時，鏟柄刀面對土壤施加擠壓作用，使土壤發生剪切破壞。相關研究表明［15］，鏟柄結構對所受耕作阻力有很大影響。為此，鏟柄結構設計成弧狀，將向后阻礙充氣鏟前進的力轉化為向上運動的力，減少耕作阻力，使充氣鏟能更好地摩擦擠壓土壤，改善充氣鏟容易產生的變形、斷裂等現象。

充氣鏟整體結構設計主要參考JB/T 9788—2020深松鏟，三維模型如圖5所示，幾何參數如表2所示。鏟柄和鏟尖材料均采用65Mn鋼，鏟尖進行熱處理，增強耐磨性，臭氧充氣鏟整體進行耐腐蝕處理。

2.3.2 臭氧充氣鏟鏟柄的受力分析

機具作業時，土壤相對于鏟柄向后運動，鏟柄與土壤之間產生阻力主要為摩擦力，導致土壤受到鏟柄摩擦擠壓而發生破碎。在鏟柄與土壤之間的摩擦力作用下，旋耕部位的土壤形成帶動層，致使土壤破裂效果更好［16］。試驗土壤為壤土，質地松細適中，結合農業機械設計手冊，鏟柄刃夾角δ取60°。

鏟柄部分進行受力分析時，通過簡化受力模型，假設鏟柄所受合力為F，則合力可分解為工作面上若干個分力，受力示意圖如圖6所示。

3 試驗與分析

根結線蟲為多食性寄生蟲，病原菌還會侵入線蟲取食留下的傷口，增加根腐病、枯萎病等真菌性病害發生率，造成經濟作物的減產甚至絕產［21， 22］。為此，對根結線蟲防治效果和土壤消毒機實際作業效果進行大棚試驗。

3.1 試驗概況

試驗儀器及工具（校準合格并在有效期內）：TYD-2型土壤硬度計、TZS-ⅡW型土壤水分溫度測量儀、鋼卷尺、皮尺、鋼尺、溫度計等。

試驗時間為2021年11月，試驗場地為濰坊市昌樂縣，屬于一年兩熟的平原區。試驗大棚內土壤肥力中等，地勢平坦。在試驗大棚（80 m×10 m）內，采用五點法測定土壤含水量和土壤硬度，平均土壤含水量為17.6%，土壤硬度為2 047.8kPa，配套泰鴻TH554-D拖拉機，前進速度2～4 km/h，旋耕機作業轉速為280 r/min。試驗過程中，土壤消毒機工作平穩，處理后土顆粒細小均勻如圖8所示。

3.2 試驗方法

本試驗采用南瓜種植區土壤為試驗對象，以消殺根結線蟲為目的，進行土壤消毒試驗。隨機選取4份（長80 m×寬1 m）長方形地塊進行分組試驗，并對機具振動、噪音以及充氣鏟工作情況進行相應的觀察。本次試驗在相同試驗條件下進行，共設4種處理方式，試驗區域按照從右往左依次進行試驗處理，如表3所示。

試驗步驟：（1）常規耕整。耕整地作業后等至1 h，在試區一耕深10 cm處進行“S”形隨機取5個樣本。（2）臭氧消毒。耕整地作業后，使用土壤消毒機，對試區二、試區三、試區四分別進行臭氧消毒處理1次、2次、3次。在臭氧消毒處理30 min后，在耕深10 cm對試區二、試區三、試區四地塊分別進行“S”形取樣，隨機各取5份土樣。從每份土樣中取100 g小樣，采用改進的貝爾曼漏斗法在室溫下分離線蟲，對收集到的線蟲進行顯微鏡觀察，對每份小樣線蟲進行數量統計。

3.3 結果與分析

經過試驗和統計，不同處理方式對根結線蟲防治效果如表4所示。歷經3個月的種植，試驗田塊長勢各有不同，試區二南瓜長勢明顯好于試區一、試區三、試區四，根系較為發達，如圖9所示。

試驗結果表明：當臭氧消毒土壤2次時的線蟲消退率最高，為84.93%，防治效率為84.47%；正常耕整試驗區的線蟲消退率為2.96%，線蟲消退率提高81.91%。土壤消毒機對土壤臭氧消毒后，能有效抑制根結線蟲生長，克服線蟲引起的土壤連作障礙，是實現在大田和溫室大棚條件下防治線蟲、旋耕土地于一體的新型農業設備，有助于加快土壤消毒機械化、智能化進程和提高經濟效益。

4 結論

1）" 根據山東中部種植地區棕壤質地較黏土稍薄、含水率適中的特性，設計一種基于臭氧殺菌技術的旋耕式土壤消毒機，一次作業可實現臭氧氣霧消毒、切削破碎土壤、平整耕地的工序，減少耕整步驟，提高作業效率，無藥害殘留。

2）" 分析計算土壤消毒機結構參數，對臭氧充氣鏟進行結構設計，并通過受力分析，確定鏟尖起土角α為35°，能減少土壤阻力，增大充氣面積；選用PLC控制器XC2-24R-C作為主要核心，控制220 V電壓轉換成高壓，實現臭氧發生器正常運行，通過高低電平的轉換實現繼電器通斷，完成警報功能，穩壓芯片LM2596實現降壓功能；建立整機結構三維模型，并進行樣機制造。

3）" 經過溫室大棚試驗，結果表明：在臭氧濃度是300 g/h條件下，臭氧消毒處理1次、2次、3次，它們的線蟲消退率分別為78.08%、84.93%、84.78%，防治效率為77.41%、84.47%、84.32%；正常耕整1次的線蟲消退率為2.96%，最高線蟲消退率較對照組提高81.97%。基于臭氧殺菌技術的旋耕式土壤消毒機對防治根結線蟲有良好效果，符合《農作物病蟲害防治條例》明確提出堅持綠色防控原則，鼓勵和支持使用物理防治相關的綠色防控新技術要求。

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