玉米苗期中耕松土装置参数优化与试验

张伟欣，赵　玮，周福君，许骁博

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



玉米苗期中耕松土装置参数优化与试验

张伟欣，赵玮，周福君，许骁博

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：在综合研究国内外中耕作业相关机具研究现状的基础上，针对东北垄作区的区域特点，结合玉米小垄单行种植模式的农艺特点及玉米苗期中耕松土作业的特殊要求，设计了一种玉米苗期中耕松土装置，并开展玉米苗期中耕松土装置关键技术研究，完成了样机的试制与试验。结果表明：锥形钉齿盘基本实现了其设计功能，在垄侧创造了用于松土升温蓄水保墒的孔状结构，各项作业指标达到了中耕松土的设计要求。

关键词：中耕松土；浅松装置；玉米；苗期

0引言

玉米是世界上最重要的谷类粮食作物之一，在我国的栽培面积仅次于水稻、小麦，为第三大粮食高产作物，总产量位居粮食作物首位。目前，国内外研制的浅松机具尚未达到在玉米苗期根系附近作业的农艺要求，本文针对玉米苗期中耕松土的作业要求，研究设计了一种玉米苗期中耕松土装置。通过设计新的被动旋转钉齿式松土装置，改变了原有的中耕松土方式，达到了减小土壤扰动、减少耕作阻力、降低动力消耗及保证作业效果的目的。

在综合研究国内外中耕作业相关机具研究现状的基础上，针对东北垄作区的区域特点，结合玉米小垄单行种植模式的农艺特点及玉米苗期中耕松土作业的特殊要求，设计了一种玉米苗期中耕松土装置。其能够实现玉米苗期的中耕松土，并可在垄侧创造一系列的用于蓄水升温的孔状结构。

本文以中耕松土装置为研究对象，以锥形钉齿盘的作业速度及弹簧镇压力为试验因素，以钉齿入土深度稳定性、钉齿盘滑移率、土壤坚实度差为试验指标，选用L9(34)正交表，进行三因素三水平正交试验，分析规律影响，优选最佳作业参数，并验证装置能否实现其设计功能。

1整机结构及工作原理

玉米苗期中耕松土装置主要由主机架、限深轮、三点悬挂装置、滑动机架、调距丝杠、调节丝杠螺母、压杆、压杆弹簧、钉齿盘架及主要工作部件锥形钉齿盘组成，如图1所示。其中，限深轮的作用是用于限制主机架的工作高度及浮动仿形作业，调节丝杠螺母焊接于滑动机架上。滑动机架由4个M14螺栓固装于主机架的长槽固定板上，锥形钉齿盘上内置轴承，并由轴固定在钉齿盘架上。

1.锥形钉齿盘　2.钉齿盘架　3.压杆

玉米苗期中耕松土装置由拖拉机三点悬挂作业。作业时，拖拉机沿着垄向前进作业，由限深轮控制整机浮动仿形作业，钉齿盘架一侧单铰与主机架的长槽固定架上，另一侧固定在锥形钉齿盘上，则锥形钉齿盘二次单铰仿形；锥形钉齿盘沿垄向在垄的两侧被顶滚动，锥形钉齿盘圆周上的钉齿间断地完成入土出土，疏松苗带两侧的土壤，并由压杆上的镇压弹簧控制锥形钉齿盘的入土深度；针对不同的苗带宽度可调节锥形盘内侧的间距10～20cm，针对不同的垄距，作业垄距也可进行50～70cm范围内调节，即完成垄侧扎齿式松土作业。

2材料与方法

2.1试验材料、仪器及装置

试验于2014年12月10日-20日在东北农业大学农机教学试验室进行。试验设备为自制土槽试验台，包括移动土槽、电控柜、台车、电机及锥形钉齿盘作业单体。试验用塑料玉米苗，苗筒高7.5cm、直径2.5cm，秧苗高度 12cm；卷尺的量程3m，精度为1mm；皮尺量程10m，精度为1cm；直尺量程30cm，精度1mm；TYD-2 型土壤硬度计(kg/cm2)，TZS-1土壤水分速测仪/%；土槽内土壤含水率16%～19%。试验台如图2所示。

图2　锥形钉齿盘试验装置

将锥形钉齿盘成组单体固定在试验台架上，试验台的主要技术参数如表1所示。锥形钉齿盘固定在机架上，土槽移动，玉米苗按株距25cm埋在土槽里。

表1　试验台主要技术参数

2.2试验设计

以锥形钉齿盘的实际作业速度A及控压弹簧的镇压力B为试验因素，以试验前后土壤坚实度差值y1、锥形钉齿盘滑移率y2、钉齿入土深度稳定性y3为试验指标，应用正交试验方法[1-4]，选用L9(34)正交表，进行两因素三水平正交试验，分析因素对指标的影响规律，优选锥形钉齿盘最佳作业参数组合，每个试验处理重复3次。试验因素、水平表见表2所示，试验方案如表3所示。

表2　因素水平表

表3　试验方案

2.3试验指标的测定

2.3.1土壤坚实度差值

玉米苗及垄体处理完成后，在测试段随机选取10点，测定入土深度5cm深度下的土壤坚实度值，并求均值B前；按照对应试验处理进行试验，以同样方法测定作业后土壤的坚实度的均值B后，则土壤坚实度差值为

B=B前-B后

(1)

式中B—土壤坚实度差(N/cm2)；

B前—作业前土壤坚实度均值(N/cm2)；

B后—作业后土壤坚实度均值(N/cm2)。

2.3.2滑移率

锥形钉齿盘在土槽上作业，按每个试验处理测定其实际行进的距离S1，再在锥形钉齿盘的外侧贴定位标签，通过数标签转过的圈数，计算其行进的理论距离S2，则锥形钉齿盘滑移率[5-7]为

(2)

式中η—锥形钉齿盘滑移率(%)；

S1—锥形钉齿盘实际前进距离(cm)；

S2—锥形钉齿盘理论前进距离(cm)。

2.3.3入土深度稳定性

(3)

式中U—钉齿入土深度稳定性(%)；

h—钉齿入土深度的均值(cm)；

T—钉齿入土深度的标准差(cm)；

V—钉齿入土深度的变异系数(%)。

3结果与分析

3.1试验方案与结果

试验结果如表4所示。

表4　试验结果

为了评价3个因素对锥形钉齿盘作业性能的影响，寻找影响各指标的主次因素[8]，并优选最佳组合，对正交试验的结果进行了方差分析，结果见表5～表7所示。

表5　坚实度差方差分析

表6　滑移率方差分析

表7　入土深度稳定性方差分析

根据表2～表4的因素方差分析，可以确定各个因素对指标的影响的主次顺序。选定试验的显著性水平0.01，则对于指标土壤坚实度差，其主次顺序为B、A、C，且B因素镇压力为极显著影响，作业速度及钉齿排数为显著影响。试验指标滑移率为B、C，两者皆为极显著影响；但因素作业速度对指标滑移率无影响。对指标钉齿入土深度稳定性为B 、A 、C，且因素作业速度及镇压力为极显著影响，钉齿排数为显著性影响。

因素对指标坚实度差的影响如图3所示。

图3　因素对坚实度差的影响

由图3(a)可知：作业前后土壤坚实度差随着机具作业速度的增加而减小，但并不呈线性减小，而存在一定加剧的趋势。这是因为当机具作业速度增加时，由于作业速度过快，钉齿还未及入土完成松土作业，土壤松土状况不佳，会造成土壤坚实度差的减小。由图3(b)可知：土壤坚实度差随着弹簧镇压力的增加而增加。已知松土钉齿的入土深度主要与钉齿的结构特点及钉齿入土时的外负载有关，因此随着弹簧镇压力的增加，钉齿入土深度增加，松土状况较好，所以土壤坚实度差增高。由图3(c)可知：土壤坚实度差随着钉齿排数的增加而减小。这是因为在镇压力及作业速度相同的情况下，钉齿排数越小则钉齿的松土深度越大，即同样的负载由多数或少数钉齿来承受，则钉齿松土深度有所不同；但当钉齿排数过少时，整个回转圆周在作业时松土区域会有所减小。因此，在测定土壤坚实度时，因随机性过大而导致测定了未松土区域，致使土壤坚实度差出项上述的趋势。也就是说，在8排及10排时指标坚实度差近乎相同，而在12排时坚实度差显著减小。

因素对指标滑移率的影响如图4所示。滑移率随着弹簧镇压力的增加而减小。这是由于当弹簧镇压力增加时，钉齿入土深度增加，锥形钉齿盘滚动效果增加，滑移减小。由图4(b)可知：滑移率随着锥形钉齿盘钉齿排数的增加而减小。这是因为被动回转部件(如地轮、镇压轮等)的滑移现象主要是由于地轮的接地处的摩擦力过小而产生的；而当钉齿排数增多时，同时作业的钉齿增加，摩擦力或称之为附着力增加，因而滑移率降低。

因素对指标入土深度稳定性的影响如图5所示。

图4　因素对滑移率的影响

图5　因素对入土深度稳定性的影响

由图5(a)可知：钉齿入土深度稳定性随着作业速度的增加而减小，但减小趋势有所减缓。主要原因是：当作业速度增加时，锥形钉齿盘的作业跳动效果增强，稳定性降低，从而产生以上效果；但当作业速度过大时，由于钉齿未能完成最佳的入土效果，滑移效果增加，因此钉齿入土深度稳定性有所减缓。由图5(b)可知：入土深度稳定性随着弹簧镇压力的增加而增加。这是由于当弹簧镇压力增加时，钉齿入土深度增加，滑移率降低，完成作业效果较好。由图5(c)及其方差分析可知：钉齿排数对入土深度稳定性有影响，但并非极显著，且钉齿排数的增加先减小而后增大。这是因为钉齿排数主要影响锥形钉齿盘在作业时的入土频率，即相邻钉齿入土的时间间隔及同时作业的钉齿数。出现上述趋势的原因是：12排及10排的钉齿结构导致两者作业时分别保证两个钉齿作业，因此稳定性高；而10排钉齿介于两者之间，作业波动性加大，降低了钉齿入土深度的稳定性。

3.2优化分析

本次正交试验的目的是寻求因素对指标的影响规律，优选最佳参数组合。本次优化的条件是：在保证作业质量的前提下，提高钉齿入土深度的稳定性及土壤坚实度差，减小钉齿盘的滑移率。利用Design-Expert 6.0.10软件的“参数优化”模块，对数据进行优化分析，设定入土深度稳定性趋于最大，土壤坚实度差趋于最大，滑移率趋于最小，优化得出数值解：当机具作业速度为0.5m/s、弹簧镇压力为1 000N、钉齿排数为12排时，锥形钉齿盘的滑移率为5.1%，入土稳定性为94%，土壤坚实度差为30.6N/cm2。

4验证试验

为了检验模型预测的准确性，在最佳参数范围内进行试验验证。当机具作业速度为0.5m/s、弹簧镇压力为1 000N、钉齿排数为12排时，测得锥形钉齿盘的滑移率为4.9%，入土稳定性为90%，土壤坚实度差为29.2N/cm2。这说明，优化结果是可信的，进一步验证了数学模型的适合性。

5结论

1)对锥形钉齿盘组进行了土槽试验，结果表明：锥形钉齿盘基本实现了其设计功能，在垄侧创造了用于松土、升温、蓄水保墒的孔状结构。

2)经正交试验优选最佳组合：当作业速度0.5m/s、镇压力为1 000N、钉齿排数为12排时，锥形钉齿盘的滑移率为5.1%，入土稳定性为94%，土壤坚实度差为30.6N/cm2。在优化性能指标区间内，优化结果可信，可作为松土机构进一步优化试验的参考。

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Design and Research of Corn Inter-tillage Ripping Device in Seedling Period

Zhang Weixin, Zhao Wei, Zhou Fujun, Xv Xiaobo

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：The paper based on comprehensiveresearching the research status of inter-till operation machine at home and abroad, aimed at state character of the northeast ridge area and combined with the agronomic character of one row in a small ridge cropping pattern and the special requirement about corn inter-tillage ripping operation in seedling period, a new corn inter-tillage ripping device in seedling period has been designed.Complete the prototype test and experiment, the main work content and the results of the test results show as follows: taper pin tooth plate to realize the function of its design, basic on the side of the ridge created for heating water soil conservaton dirt of pore structure. The operation indexes reached the design requirements of cultivating scarification.

Key words：inter-tillage in seeding period; ripping device; corn; seedling period

文章编号：1003-188X(2016)04-0190-05

中图分类号：S224.1

文献标识码：A

作者简介：张伟欣(1987-)，女，河北宁晋人，硕士研究生，(E-mail)zwx8700@126.com。通讯作者：周福君(1969-)，男，哈尔滨人，教授，博士生导师，(E-mail)fjzhou@163.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B04-1-04)

收稿日期：2015-03-31