分层深松铲型配置参数对牵引阻力的影响

赵艳忠，杨　阳，张晨光，齐关宇，刘　林（东北农业大学工程学院，哈尔滨　150030）



分层深松铲型配置参数对牵引阻力的影响

赵艳忠，杨阳，张晨光，齐关宇，刘林
（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）

摘要：分层深松采用前后铲分层作业方式，深松后土壤更松碎，土层不发生改变。文章利用深松铲阻力测试装置，研究分层深松铲型配置参数对牵引阻力影响。结果表明，后铲25 cm深松深度，铲型组合为箭型-凿型时，分层高度差为11.5 cm、铲距为34.5 cm时牵引阻力最小；通过凿型、箭型、双翼型不同铲型组合及单层深松牵引阻力对比分析表明，深松深度相同时，分层深松前后铲型面积和越大阻力越大，分层深松阻力一般大于单层深松；分层深松交换前后铲型试验得出，深度相同时，凿型-双翼型、箭型-双翼型组合阻力分别小于双翼型-凿型、双翼型-箭型组合，而箭型-凿型组合阻力却与凿型-箭型组合十分接近。

关键词：分层深松；牵引阻力；铲型配置；深松铲

赵艳忠,杨阳,张晨光,等.分层深松铲型配置参数对牵引阻力的影响[J].东北农业大学学报, 2016, 47(2): 102-108.

Zhao Yanzhong, Yang Yang, Zhang Chenguang, et al. Effect of the configuration parameters of the layered subsoiling shovel type on the draft resistance[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2016, 47(2): 102-108. (in Chinese with English abstract)

深松作业是保护性耕作核心技术，能打破犁底层，改变土壤压紧、压实状态，增强土壤对雨水、空气通透性，改善土壤团粒结构，有利于土壤养分转化和利用，促进植物根系发育，提高蓄水保墒能力[1-4]。分层深松即在耕作过程中前后铲分层作业，前铲深松上层土壤，后铲深松下层土壤。将土壤表层、犁底层和底土层分开，使深松过后土层不乱，土壤松碎适度，上下土层无翻转。分层深松是在常规深松基础上更有效的深松方式[5-6]。

王瑞丽等研制1HS-2型中耕深松机，在玉米收获期对深松后土壤和未深松土壤物理性质进行测试分析，结果表明，该机结构合理，深松深度等性能指标符合农艺要求，深松与未深松相比，耕层土壤含水量显著增加，土壤容重显著降低[7-8]。王天慧等研究分层深松铲，通过受力分析及碎土效果研究，表明分层深松铲所受阻力与铲结构参数、土壤物理参数及作业深度高度相关，碎土效果明显，解决地表残留大土块、端垄等问题，达到较好深松效果[9]。余泳昌对立柱式深松铲进行受力及试验分析，结果表明影响工作阻力主要参数是耕作深度、深松铲起土角、铲柄工作宽度及前进速度[10]。王微等对凿型深松铲、箭形深松铲和双翼深松铲深松后测试结果表明，在相同条件下，凿型深松铲在打破犁底层后改善土壤持水量、土壤温度、土壤坚实度和土壤微团聚体含量方面综合作用效果良好[11-12]。本文利用深松铲阻力测试装置，分析单层深松及分层深松在不同深度、不同铲型配置时牵引阻力变化，为分层深松研究提供技术参考。

1试验条件及方法

1.1试验条件

试验于2014年10月在东北农业大学香坊实验实习基地进行，在大豆收获后土地试验，垄距65 cm。土壤容重、土壤含水率、土壤硬度3个参数测定结果如表1。土壤容重测量采用环刀法；土壤含水率采用烘干法测量，参照NY/T 52-1987土壤水分测定法[13]；土壤硬度使用土壤硬度仪直接测量。3个指标均在3个随机点采集，每个采集点分别在0~10、10~20和20~30 cm三个土层采集，以3个随机点均值作为最终测量结果[14]。

1.2试验装置及测试原理

试验中牵引力测试装置如图1，该装置可测试深松作业中水平方向牵引阻力。限深轮1起限深作用，分层深松铲柄支架4通过螺栓及固定挡块与上下两个传感器7、5铰接，传感器记录两铰接点处力值。基座6与底座10通过导轨9连接，导轨内设有丝杠-螺母螺纹连接，转动手柄8，可调节基座高度，满足分层深松在不同深度作业试验要求。底座10与主梁11通过U型卡固定，通过主梁上悬挂装置与拖拉机三点悬挂连接，带动整个装置向前行进。

表1土壤参数Table 1 Soil parameters

试验使用传感器为海宝仪器有限公司生产数显式推拉力计，型号：HG-10K和HG-30K，量程分别为10和30 kN。

分层深松铲柄材质选用低碳钢，截面尺寸30 cm×60 cm，铲柄采用弧形结构，入土角α=28°。

阻力测试原理如图2所示，上下传感器分别位于图中A、B两处，水平放置。试验中由于土壤阻力作用，A处传感器将受压，B处传感器将受拉，因此，分层深松铲在前进方向耕作阻力值为B-A[15]。

试验中采用单层深松铲如图3所示，单层深松时在图1测试装置中去掉铲柄支架4及上下深松铲2、3，直接把单层深松铲安装在铲柄支架4位置上，测试原理等同于分层深松测试原理。

1-限深轮；2-前铲；3-后铲；4-铲柄支架；5-下传感器；6-基座；7-上传感器；8-手柄；9-导轨；10-底座；11-主梁1-Depth roller; 2-Front shovel; 3-Rear shovel; 4-Shovel handle bracket; 5-Lower sensor; 6-Pedestal; 7-Upper sensor; 8-Handle; 9-Guide; 10-Base; 11-Main girder图1牵引阻力测试装置Fig. 1 Traction resistance test device

图2测试原理Fig. 2 Test principle

图3单层深松铲Fig. 3 Single subsoiler

试验中选用农业生产中常用三种深松铲，三种铲型（凿型、箭型、双翼型）尺寸参数[16-17]如图4，由于分层深松有前后两个铲，因此共有9种不同铲型组合：凿型-凿型、凿型-箭型、凿型-双翼型、箭型-凿型、箭型-箭型、箭型-双翼型、双翼型-凿型、双翼型-箭型、双翼型-双翼型，各铲型组合中两种铲型分别对应前铲-后铲，前铲为上层深松铲，后铲为下层深松铲。

2结果与分析

2.1分层高度差与牵引阻力关系

进行分层高度差试验时，总深松深度25 cm，铲型组合为箭型-凿型，前后铲距35 cm，分层高度差选取5、8、11、14和17 cm五个水平值进行单因素试验[18]。用宁波484-2拖拉机牵引试验装置，行进速度0.5 m·s-1，深松铲安装后入土角为28°。当分层深松部件入土后开始记录瞬时阻力值。每组试验3次重复[19]，其试验结果见表2，从标准误差看出，每组高度差下阻力值波动小，试验值可靠。

使用SPSS 17.0软件中单因素ANOVA分析方法处理数据[20-21]，由方差分析结果可知，在0.05显著性水平下，不同高度差下阻力有显著性差异[22-23]。在SPSS中对分层高度差与牵引阻力关系进行函数拟合，得到函数表达式为：

y=13.255-1.1x+0.047x2

式中x为分层高度差，y为牵引阻力，拟合度R2=0.918，R2接近于1，说明函数拟合度较好。对应拟合曲线如图5所示，由图5可知，当分层高度差小于11 cm时，随高度差增加阻力减小，当分层高度差大于11 cm时，随高度差增加阻力增加。通过极值计算得出，分层高度差为11.7 cm时对应牵引阻力值最小，减小牵引阻力是减少深松作业能耗重要措施[24-25]，从牵引阻力最小角度考虑，高度差为11.5 cm较适宜。

图4铲型结构参数Fig. 4 Structure parameters of shovel type

表2高度差试验结果Table 2 Results of height difference experiment

图5拟合曲线Fig. 5 Fitting curve

2.2分层前后铲距与牵引阻力关系

分层前后铲距试验，固定总深松深度为25 cm，铲型组合选择箭型-凿型，分层深松高度差取11.5 cm，前后铲距设置为：25、30、35、40和45 cm五个水平，试验方法同上，牵引阻力测试结果及标准误如表3。

使用单因素ANOVA分析方法进行数据处理和分析，从结果可知，在0.05显著性水平下，不同铲距下阻力差异显著。在SPSS 17.0中对分层前后铲距和牵引阻力关系进行函数拟合，拟合方程为：

y=26.007-1.173x+0.017x2

式中，x为分层前后铲距，y为牵引阻力，拟合度R2=0.937，拟合度接近于1，拟合程度好，其拟合曲线如图6所示，由图6可知，当分层前后铲距小于35 cm时，随着前后铲距增加阻力减小，当分层前后铲距大于35 cm时，随着前后铲距增加阻力增加。通过极值计算得出，当铲距为34.5 cm时，阻力值最小，因此确定34.5 cm为合适铲距。

表3铲距试验结果Table 3 Result of shovel distance experiment

图6拟合曲线Fig. 6 Fitting curve

2.3分层深松与单层深松牵引阻力对比

分层深松较单层深松多一个浅层深松铲，为比较分层深松与单层深松阻力情况，在分层深松中分别试验三种深度（15、25和35 cm）下九种铲型，在单层深松中分别试验三种深度下三种铲型。根据前面试验结果，设定分层高度差为11.5 cm、前后铲距为34.5 cm，每组试验3次重复。对比时将分层深松后铲铲型和单层深松铲型一致放在同一组，共a、b、c三组，a组代表铲型为凿型，b组代表铲型为箭型，c组代表铲型为双翼型。对比如图7所示。

由图7可知，当深松深度为25 cm时，在分层深松中，当后铲铲型相同时，牵引阻力随着前铲面积增加而增大，当前铲铲型相同时，牵引阻力又随着后铲面积增加而增大，在分层深松中前后铲面积和越大，牵引阻力越大。在单层深松中，铲形面积越大，牵引阻力越大，原因是深松作业时铲型直接与土壤相接触，铲形面积越大，与土壤接触面积越大，即深松深度相同时，牵引阻力随铲型面积增加而增大。深松深度为15和35 cm时牵引阻力与铲型面积关系与深松深度为25 cm时结果相同。

图7不同铲型阻力Fig. 7 Resistance of different shovel type

由图7可知，无论是分层深松还是单层深松，对同一种铲型而言，深度由15~35 cm，牵引阻力呈增加趋势。且深松深度由15增加到25 cm时，牵引阻力增幅大于深度由25增加到35 cm时阻力增幅，原因是随深度增加，阻力趋于稳定[26]，因此阻力增加速度减缓。

单层深松与分层深松对比可知，在25和35 cm深度时，分层深松阻力大于单层深松阻力。原因是分层深松较单层深松多一个深松铲，使牵引阻力增加。而在15 cm深度，凿型-凿型、箭型-凿型、凿型-箭型、凿型-双翼型阻力分别小于单层深松，原因是在分层深松中，当总深度为15 cm时，分层高度差为11.5 cm定值，前铲深度只有3.5 cm，前面铲柄未入土，铲尖入土面积小，前铲疏松部分土壤，为后铲通过减小部分阻力，分层深松阻力小于单层深松。

2.4交换前后铲型对牵引阻力影响

由表4可知，在SPSS 17.0中对数据进行独立样本T检验。检验变量为阻力，分组变量为两种铲型，每组分别在15、25、35cm三个深度下进行差异显著性检验。差异性显著检验值大于0.05，即在0.05置信水平上差异不显著，反之则差异显著。在SPSS分析结果中显示，1组凿型-箭型与箭型-凿型之间差异不显著，原因是试验中使用凿型铲和箭型铲宽度相差较小，交换前后铲对阻力影响很小，在使用时阻力差异不大；2、3组凿型-双翼型与双翼型-凿型、箭型-双翼型与双翼型-箭型之间都存在显著性差异，变换前后铲型阻力有明显变化，且凿型-双翼型、箭型-双翼型组合阻力分别小于双翼型-凿型、双翼型-箭型组合。原因是位于前面小铲先疏松部分土壤，铲型小牵引阻力小，后部大铲只需再疏松大于小铲宽度部分土壤，二者阻力之和相对较小[27-28]。

表4交换前后铲型阻力值Table 4 Resistance of exchange front and rear shovel type

3讨论

本试验结果表明，牵引阻力与深松深度及铲型面积呈正相关，与齐关宇等研究结果一致[15]；结果表，王天慧等设计分层深松铲结构，在一个深松铲柄上设计上下双层铲尖，分层深松能够减小牵引阻力[9]，而本文设计分层深松装置采用两个独立深松铲柄，增加牵引阻力，结果表明，多数分层深松阻力大于单层深松。王微研究分层深松阻力，但其在铲型配置时只考虑铲型及深度变化，未涉及分层高度差及前后铲距变化[5]。王瑞丽等研究中设计类似分层深松机构[7]，但其在铲型配置时仅将上下层耕深作为变量，前后铲距及铲型都为定量[7]。而本文试验结果显示，分层高度差及前后铲距变化对牵引阻力影响显著，是研究牵引阻力必要因素。本文试验方法采用全因素试验，试验不同深度不同铲型全部情况，数据结果更准确全面。

4结论

a.分层深松牵引阻力与分层高度差、前后铲距函数关系均呈二次向上抛物线形式，高度差为11.5 cm、前后铲距为34.5 cm时牵引阻力最小。

b.牵引阻力与深松深度、铲型面积呈正相关。当深松深度为25cm以上时，分层深松牵引阻力大于单层深松。铲型之一为双翼型时，应将其置于分层深松下层，以减小牵引阻力；不选用双翼型铲时，前后铲型位置可互换。

c.分层深松从阻力最小角度考虑铲型配置参数，铲型组合选择顺序依次为凿型-凿型、箭型-凿型、凿型-箭型、凿型-双翼型、箭型-箭型、箭型-双翼型、双翼型-凿型、双翼型-箭型、双翼型-双翼型。

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Effect of the configuration parameters of the layered subsoiling shovel type on the draft resistance

ZHAO Yanzhong, YANG Yang, ZHANG Chenguang, QI Guanyu, LIU Lin(School of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract:Layered subsoiling used the way of layered operation with the front and rear shovel, after the subsoiling, the soil was looser, the soillayer did not change. In this paper, the experiment used resistance test device to research the influence of the configuration parameters of the layered subsoiling shovel type on the draft resistance. Through the single factor experiment, it conclude that when the subsoiling depth of the rear shovel was 25 cm and shovel type combination was arrow-chisel type, draft resistance reached the minimum if the height difference was 11.5 cm and shovel distance was 34.5 cm; Through comparative analysised the draft resistance of chisel type, arrow type, double wings type and single subsoiling, it indicated that when in the same subsoiling depth, if the sum of the front and rear shovel area was big, then the resistance was large, the resistance of layered subsoiling was generally larger than that of the single subsoiling; After the exchange shovel type experiment, it could draw a conclusion that in the same depth, the resistance of chisel-double wings type and arrow-double wings type were less than that of double wings-chisel type and double wings-arrow type, while the resistance of arrow-chisel type were very close to that of chisel-arrow type.

Key words:layered subsoiling; draft resistance; shovel type configuration; subsoiler

作者简介：赵艳忠（1967-），女，副教授，硕士生导师，研究方向为保护性耕作机具。E-mail: yzzhao89723@163. com

基金项目：十二五国家科技支撑项目（2014BAD11B01）

收稿日期：2015-11-10

中图分类号：S222.29

文献标志码：A

文章编号：1005-9369（2016）02-0102-07