玉米深松機械的能耗分析及節能措施研究

胡明學

(龍江縣山泉鎮人民政府,黑龍江 龍江 161100)

0 引言

深松耕作可以改善土壤結構,增強土壤通氣性、保水性以及養分供應能力。深松機械通過翻松土壤,打破犁底層,使土壤更松散,增加耕作層和心土層之間的水肥流通[1-2]。由于深入犁底層的土壤更加緊密和堅硬,需要更多的能量和功耗來進行耕作,因此,進行深松作業時會遇到較大的耕作阻力,從而導致能耗較高。

隨著全球能源資源的緊缺和環境污染的加劇,節能減排已成為全球普遍關注的重要議題,在農業領域,為了實現可持續發展和環境保護,節能減排成為一個重要的目標[3]。

針對以上問題,本文以玉米為研究作物,分析影響玉米深松機械能耗的主要因素與作業條件,提出玉米深松機械節能措施。研究成果以期為農業生產提供一定的理論和實踐指導,同時推動玉米深松機械的可持續發展。

1 玉米深松機械基本結構及工作原理

1.1 基本結構

玉米深松機械主要由支撐架、機架、懸掛架和深松鏟四個部分組成(圖1)[4]。

圖1 玉米深松機械基本結構示意圖

1)支撐架。支撐架是深松機械的基礎結構,用于支撐和固定其他部件,通常由堅固的金屬材料制成,可以提供穩定的支撐和承載能力。

2)機架。機架是深松機械的主要框架結構,承擔著支撐和連接其他部件的作用,機架主要由強度高、剛性好的材料制成,以確保機械的穩定性和可靠性。

3)懸掛架。懸掛架主要功能是將深松機械與拖拉機或其他牽引設備進行連接,位于機架的后部,并具有調節功能,可根據需要調整深松鏟的工作深度和角度。

4)深松鏟。深松鏟是深松機械的主要工作部件,在工作過程中將土壤松動和翻耕,由堅固的金屬材料制成,具有鋒利的邊緣和彎曲的形狀,以便有效地進入土壤并將其翻動[5]。

玉米深松機械作業時,動力系統提供所需的能量,驅動傳動系統使深松器開始旋轉,深松鏟開始插入土壤中,同時底盤帶動深松器移動[6-7]。在深入土壤的過程中,深松鏟產生摩擦力,使土壤顆粒之間發生相對位移,從而疏松土壤(圖2a)。玉米深松作業又被稱為“虛實并存”的作業方式,是實現高效深松效果的耕作標準,主要是指深松作業后的土壤包括疏松土壤(虛),和未擾動土壤(實)兩種狀態(圖2b)。

1.土壤;2.深松器;3.深松部分;4.未深松部分

2 玉米深松機械的能耗影響因素

2.1 土壤條件

不同的土壤類型和質地會對深松機械的能耗產生影響,包括濕度、黏性、疏松度、含水量等。潮濕的土壤會增加機械在作業過程中的摩擦阻力,使能耗增加;過度濕潤的土壤還會導致機械下沉和陷入,增加工作阻力和能耗。黏土質地的土壤具有較高的黏性,會增加機械與土壤之間的黏附力和摩擦阻力,黏土質地的土壤還可能引起機械零部件的卡滯和堵塞,進一步增加能耗[8]。壓實的土壤會增加機械在作業過程中的阻力,還會導致機械行走時的顛簸和震動,增加能耗。當土壤含水量過高時,土壤會變得濕潤和黏稠,增加了機械在作業過程中與土壤顆粒之間的黏附力，當土壤含水量過低時，土壤會變得干燥和堅硬,增加了機械在作業過程中與土壤之間的摩擦和阻力,進一步增加能耗。

2.2 作業參數

作業深度、作業速度和作業寬度是影響深松機械能耗的重要因素。作業深度越深克服土壤阻力需施加更大力量,導致能耗增加;較高的作業速度使機械需要產生更大的動力以保持高速運行和完成作業任務,從而增加了能耗,較低的作業速度可以降低能耗,但可能會延長作業時間;較小的作業寬度可以減少機械與土壤之間的摩擦和阻力,但是較小的作業寬度需要進行更多的工作次數才能完成整個作業區域,導致整體作業效率降低。

研究結果表示,需要根據土壤條件、作物需求和機械性能等因素綜合考慮,選擇合適的作業深度、作業速度和作業寬度,在降低能耗的同時提高深松機械的工作效率。

2.3 機械結構

首先機械結構中的接觸面和運動部件之間會發生摩擦,摩擦會導致熱量的產生和能量的轉化,進而消耗額外的能量資源,導致能量損耗;另一方面,田間作業過程中的振動和變形也會影響深松機械能耗。發生振動時,能量會以機械振動的形式進行傳遞和轉換,振動過程中會產生機械能轉化為熱能或聲能的能量散失;當機械結構發生變形時,會產生彈性勢能的轉換和損失。因此,機械振動和變形不僅會導致能源浪費,還會使實際輸出能量降低,從而增加能耗。為了降低能耗,需要通過優化機械結構的剛度、強度和減少振動及變形,從而減少能量的散失,提高機械的工作性能。

3 玉米深松機械節能措施

3.1 優化動力系統

3.1.1 選擇高效能源和動力系統

優先選擇燃油效率高的發動機或電動機,在選用內燃機作為動力源時,選擇具有先進燃燒技術和燃油噴射系統的高效發動機,提高能源利用率。

3.1.2 定期維護和保養動力系統

在使用深松機械的過程中,定期更換空氣濾清器、燃油濾清器和機油濾清器,以保持動力系統的順暢運行。同時檢查和調整發動機的點火系統、燃油噴射系統和冷卻系統,保證其正常運行和高效工作。

3.1.3 推廣替代能源

在進行經濟評估和技術試驗條件下,使用替代能源來驅動深松機械。如通過安裝太陽能光伏電池板,將太陽能轉化為電能為深松機械提供所需動力,在田間工作過程中不產生排放物,對環境影響較小。同時,隨著太陽能技術的發展和成本的下降,太陽能應用在農業領域的可行性和經濟性也在提高。

3.2 采用高效動力系統

通過采用高效動力系統,可以有效降低玉米深松機械的能耗。首先可以選用高效率、低排放、低能耗的發動機,如新型柴油機、天然氣發動機等;其次可以采用先進的動力傳動技術,如電力傳動、液壓傳動等,減少深松機械能量損失和摩擦損耗,提高機械的能效,最后可以使用回收制動能量,將制動能量轉化為電能或其他形式的能量,并存儲起來以供后續使用。這樣可以最大限度地利用能量,減少能源浪費,降低機械的能耗。

3.3 采用新型設計理念

3.3.1 模塊化設計

將深松機械按照功能或結構分成若干模塊,通過組裝和拆卸實現不同功能和形態的機械,每個模塊具有特定的功能或任務,可以根據需要選擇所需模塊,而不需要攜帶整個機械系統,可以減少機械的體積和重量,從而降低機械在運動中所受到的阻力和慣性,減少能耗。

3.3.2 輕量化設計

采用輕質、高強度材料,如鋁合金、復合材料等,替代傳統材料。鋁合金具有較低的密度和良好的強度特性,可以替代鋼材用于機械結構的構建,進而降低整機重量,另一方面,在保持機械強度的前提下,采用薄壁結構、中空結構等設計,可以在保證機械剛度的同時降低重量,實現結構的輕量化。

3.4 使用智能控制系統

智能控制系統可以通過傳感器和數據采集設備實時監測深松機械的工作狀態和環境參數,結合自適應算法和優化策略,基于田間工作數據,根據實時數據和預設的優化目標,動態調整深松機械的工作模式,實現深松機械智能化調整工作深度、速度和其他相關參數。此外,智能控制系統可以實現深松機械的遠程監控和故障診斷,通過遠程監控,操作人員可以隨時掌握深松機械的運行狀態,并及時調整工作參數,提前發現和解決潛在問題,減少機械的能耗和故障停機時間。

4 結論

本文通過對玉米深松機械的能耗分析和節能措施的研究,可以得出以下結論:

1)玉米深松機械的能耗主要來自于動力系統和工作部件的摩擦阻力。因此,降低機械的摩擦阻力是降低能耗的關鍵。

2)影響玉米深松機能耗的主要因素包括土壤條件、作業參數和機械結構等,因此,需要選擇適宜的土壤條件,并且在深松機的設計和制造過程中優化機械結構,減少能量損耗,以提高整體能效。

3)已有相關研究表明,采用優化機械結構、采用高效動力系統、合理選擇工作參數和采用新型設計理念等措施可以有效降低玉米深松機械的能耗。在實際應用中,可以根據機械的工作條件和使用要求,選擇合適的節能措施,并結合多種措施綜合實施,以達到最佳的節能效果。