雷肯1LFTT-550液压翻转高速犁田间测试试验

胡 灿,师广强 ,刘亚明 ,王旭峰,郑 炫

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院, 新疆 阿拉尔 843300;2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室, 新疆 阿拉尔 843300;新疆农垦科学院 机械装备研究所,新疆 石河子 832000)

0 引言

南疆地区(以下简称南疆)是我国重要的优质农产品生产基地,由于独特的地理环境,农田土壤存在盐碱度较高、土壤湿度较小的特点,容易造成播种层盐碱度增高及土块板结等;受长期覆膜作业影响,土壤中含较多残膜残留,对土壤容积、密度、水肥运移等有较大影响。为了改善土壤结构,深耕作业是土壤中最基本、最关键的一环,兵团对此有较强的基础需求。土壤提质工程是持续性的话题,改善土质结构和优化土壤中的耕作层条件关系着南疆农业的可持续性发展[1]。

目前,南疆深耕作业主要以国产四铧犁、进口五铧犁作业为主[2]。国产四铧犁主要配套118kW拖拉机作业,耕地速度为7～8km/h,耕深约为24～26cm,作业效率较低,耗能较大,且耕地质量较低,土垡碎土分布不均匀[3]。进口五铧犁有雷肯公司生产的五铧犁及贝松犁等[4-6],主要配套154kW拖拉机,作业速度为10～11km/h,耕深约为30cm。通过调整后,作业效率较好,但仍存在较大耗能,且土垡碎土性能仍有待提升。在进口翻转高速犁中,雷肯犁因其较好的作业性能在新疆得到了大面积的应用,引进雷肯犁的数量也在增加[7]。

犁体测试是高速犁体必需经历的过程,也是犁体适用度的性能调配及参数整定的环节[8-10]。Formato等测试了多种镜面式犁体[11];张鲁云试验测试了浅翻深松犁,均提出了测试需求[12]。虽然引进犁体作业性能优于国产犁铧,但由于南疆土质条件差异,高速犁体作业必须与农艺结合起来,才能发挥较优的作业性能[13]。为此,通过测试进口犁的作业性能,获得其作业参数,为国产犁作业性能的提高提供参考。

1 测试材料与方法

1.1 试验地块

试验地块选取新疆生产建设兵团第一师16团7连所在塔河源条田,呈正方形,面积为28hm2,近10年以种植棉花作物为主,棉花行距采用66cm+10cm覆膜种植模式,试验时间为2018年4月2日。耕种前,棉花作物根茬最高为30.5cm,最低为8.1cm,平均为17.2cm,符合犁地作业条件。试验测试土壤为沙壤土,为南疆地区最典型土壤。

1.2 试验材料

试验采用拖拉机型为雷沃1854R及LEMKEN 1LFTT-550悬挂式翻转犁,犁体为栅条高速犁体,五铧犁。试验设备包括美国公司生产的TJSD-750-Ⅱ土壤坚实度仪、土壤湿度检测仪、耕深测量尺、耕宽测量尺、盐碱度测量仪及电子称等,另准备棉布、方块尺、取土工具等进行碎土性测量。

1.3 试验方法

试验依据国家标准 《铧式犁试验方法》GB/14225.3-93及《铧式犁技术条件》GBT14225.2-93,对雷肯五铧犁的工作性能进行测定[14]。试验前,采用五点法[15],对试验地工作情况、含水率、土壤坚实度和耕作条件进行记录。

1)土壤含水率与坚实度测定。由于土壤坚实度与含水率条件密切相关,试验地按冬灌水排水顺序分成A、B、C等3个区,每个区选取10个样点取均值,每个样点按土壤层分布0～10cm、10～20cm、20～30cm进行取样,以计算3个区的平均含水率与坚实度。

2)犁体主要指标测定。试验时,先进行3个行程来回作业;待达到最优效果后,试验测定耕深、耕宽、入土行程、作业速度、土垡破碎率、驱动轮滑转率、拖拉机油耗、牵引阻力、土壤中植被和残茬覆盖率,每项测试均以1个来回行程作为计算依据。设定作业耕深为30cm,具体测量参数如表1所示。

表1 五铧犁测试指标与试验安排

3)主要指标计算方法

土垡破碎率计算公式为

(1)

其中,Gg为测量耕层内最大尺寸≤5cm的土块质量(kg);G为测量区全耕层土块总质量(kg)。

驱动轮滑转率计算公式为[16]

(2)

其中,δ为驱动轮滑转率(%);Lk为测量区50m内拖拉机空行时驱动轮的行进距离(m);Lz为测量区50m内拖拉机作业时驱动轮的行进距离(m)。

2 结果与分析

试验测定了土壤性能指标与犁体作业性能指标,经左右行程对比取平均值,得出试验结果。

2.1 试验地含水率结果

各土壤层含水率分布结果如图1所示。试验测定A区0～10cm土层平均含水率为16.4%RH,10～20cm土层平均含水率为22.4%RH,20～30cm土层平均含水率为36.3%RH,符合南疆土壤条件特点。其表层土块蒸发较快,水分流失大,底层土壤水分流失较小。试验测定B区0～10cm土层平均含水率为22.3%RH,10～20cm土层平均含水率为28.7%RH,20～30cm土层平均含水率为39.5%RH。试验测定C区0～10cm土层平均含水率为23.4%RH,10～20cm土层平均含水率为36.1%RH,20～30cm土层平均含水率为46.5%RH。其中,C区为较大湿度试验区。

图1 测试区各土壤层含水率分布

2.2 土壤坚实度测定

土壤坚实度是反映农田垡土性能的重要指标,也是衡量土壤耕作性能的重要指标,它与土层含水率有密切的负相关性。由于土壤坚实度与含水率条件密切相关,试验地随机选取样点取均值,每个样点按土壤层分布0～10cm、10～20cm、20～30cm进行取样,以计算3个区的平均含水率与坚实度。

试验测定了测试地块土壤坚实度均值分布情况,如表2所示。从各采样点所得土壤坚实度与水分分布平均数据来看,棉田主要采用膜下滴灌技术。秋后棉田收膜后,土壤表层水分有较快蒸发,使0～10cm土层含水率降低,土壤中盐碱度增加,表层土壤坚实度较其它土层明显要高,平均达284.3kPa。由于水分变化,越往耕作底层,湿度越大,土壤坚实度值越小,表明土壤坚实度与湿度值呈负相关关系。由测试结果来看,棉花地土壤性质以沙壤为主,土壤坚实度值均值<300kPa,可预测其比阻值也较低,属于较易垡土区域,适宜于高速犁作业区域。

表2 南疆主要地区土壤坚实度测定值

2.3 耕深与耕宽测定

1)耕深。耕深是指犁耕形成的沟底至未耕地表面的垂直距离,不同实验区的耕深测定结果如图2所示。在试验A区,最大耕深为31.4cm,最小耕深为29.7cm,平均耕深保持30.4cm,耕深较为稳定;在试验B区,最大耕深为31.5cm,最小耕深为28.6cm,平均耕深保持30.75cm,耕深有一定的随机性变化,且左翻与右翻在B区土壤环境下有一定影响;在试验C区,最大耕深为31.7cm,最小耕深为28.5cm,平均耕深保持30.81cm,表明土壤水层分布与耕深变化有一定关联性,对耕作时翻转犁体左翻与右翻有一定影响。但由于耕深变化也与驾驶员操作有一定关系,雷肯犁在作业时最大耕深与最小耕深差值为3.0cm,在不同的土壤环境中能保持稳定的耕深输出。测试结果表明:A区土层与B区土层含水率分布较接近,且获得了较稳定的耕深。实际作业时,应将农田的湿度值保持在接近A区水平,即土层平均含水率在19.4%～22%RH之间。

2)耕宽。耕宽是指1个耕作行程中耕翻土垡的宽度。在雷肯犁作业过程中,分别记录4个行程的耕深、耕宽参数,每行程测10点,取平均值。 耕宽的均值数据如表3所示。其中,各测试区作业时,翻转犁左翻时耕宽大于右翻。A、B与C测试区各耕宽参数基本一致,表明作业环境对耕宽影响较小,耕宽主要与犁体各铧犁之间的宽度设计系数密切相关。

图2 不同实验区耕深测定结果

2.4 作业速度与驱动轮滑转率

作业速度、驱动轮滑转率、入土行程等参数平均值如表3所示。在3种测试区内,作业速度基本一致,平均作业速度≥10km/h,达到高速犁作业标准。入土行程均大于5m,且间距基本一致,表明测试区间对入土行程影响较小。测试区内驱动轮滑转率有较大影响差异:在测试A区,左翻时驱动轮50m驱动轮滑转率为18.71%,右翻时50m驱动轮滑转率为19.2%;在测试B区,左翻时驱动轮50m驱动轮滑转率为21.65%,左翻时50m驱动轮滑转率为20.226%;在测试C区,左翻时驱动轮50m驱动轮滑转率为27.41%,右翻时50m驱动轮滑转率为22.3%。测试结果表明:湿度较大的耕作区内,驱动轮滑转率越高,拖拉机越容易打滑,影响作业效率。

表3 几种犁体的耕深、耕宽等作业指标参数对比

2.5 土垡破碎率

土垡破碎率是反映作业性能的重要指标,图3为LEMKEN 1LFTT-550悬挂式翻转犁作业实测图。在不同的试验条件下,雷肯犁能获得较稳定的土垡破碎率。试验A区测试结果如表4所示。其中,0～8cm土层破碎率均值稳定在78.29%,8～30cm土层破碎率平均值稳定在79.2%,全耕层稳定在78.745%,在作业速度为10.9km/h时,获得较好的垡土效果。试验B区测试结果如表5所示,0～8cm土层破碎率均值稳定在65.2%,8～30cm土层破碎率平均值稳定在76.2%,全耕层稳定在70.7%,在以作业速度9.7 km/h时,获得了较稳定的垡土效果;但在土壤浅表层土层破碎率较低,表明当土壤湿度较大时,对破碎率有较大影响。另外,土层湿度差异也造成了不同程度的土壤坚实度分布,影响翻转犁的比阻作用,使底层随犁垡曲面的作业行程未能充分完成,降低了作业效果。试验C区测试结果如表6所示。其中,0～8cm土层破碎率均值降低至55.7%,8～30cm土层破碎率平均值稳定在74.8%,全耕层稳定在65.2%,在以作业速度10.06km．h时,垡土效果有较大影响。受土壤底层湿度与土壤坚实度影响,表层土壤土垡破碎率有明显降低,影响了作业质量,但表层土壤作业质量较稳定,能保持稳定的碎土性能输出。

图3 雷肯五铧犁作业性能田间实测图

表4 试验田A区土垡破碎率

表5 试验田B区土垡破碎率

表6 试验田C区土垡破碎率

续表6

2.6 拖拉机油耗

图4所示为测试中几种犁作业时拖拉机油油耗对比,此油耗根据拖拉机驾驶员连续作业加油量的结果计算。当作业田为测试区A时,雷肯犁平均每小时32.72L;测试区B时,雷肯犁每小时油耗为36.36L;测试区C时,雷肯犁每小时油耗为35.21L。结果表明:测试区A的工作状况更有利于拖拉机油耗的经济性能,这与犁体曲面的适应度有较大关系,高速犁体曲面应有更好的减阻性与翻垡效果。

图4 各测试区犁拖拉机油耗对比

3 结论

1)测试结果表明,耕作层水层为16～20%RH的土壤更适合南疆沙壤土的耕地作业。LEMKEN 1LFTT-550悬挂式翻转犁在耕深稳定性、驱动轮滑转率、土垡破碎率等作业指标方面有较好的作业效果,全耕层稳定在78.745%,在作业速度为10.9km/h时获得较好的垡土效果,且能获得较经济的油耗性能。

2)土壤坚实度与湿度值呈负相关关系。南疆农田土壤性质以沙壤为主,土壤坚实度值均值<300kPa,可预测其比阻值也较低,属于较易垡土区域,适宜于高速犁作业区域。

3)南疆土壤特点是沙土壤为主,属于适宜于高速犁作业区域,但从测试结果来看,整体作业性能指标较好的雷肯犁并未能取得最优的作业效果,在土垡破碎率、耕深耕宽稳定性方面仍有待进一步优化提升。