拖拉机耕作阻力影响参数的因子分析

高辉松,陈新博,薛金林,高 强

(南京农业大学 工学院,南京 210031)

0 引言

土壤的理化特性对农作物的生长与产量有直接的影响,耕作时的作用力又影响着土壤的力学特性,因而研究土壤的机械阻力一直农业生产的关注点。同时,拖拉机耕作阻力对拖拉机耕作质量、耕作效率与耕作能耗都有影响[1]。因此,长期以来国内外研究者一直重视对耕作机械的减阻性及其影响因素的研究,特别是随着拖拉机自动控制技术与智能化农业装备的发展,对其进行研究显得更为重要与迫切。

20世纪80年代末,Ayers等人[2]构建“耕深-力”“速度-力”“土壤阻力”3种模型,开展耕深、速度与土壤阻力的关系研究。Girma[3]提出:通过拖拉机驱动轮的滑转率来控制发动机牵引力,以有效提高拖拉机耕地耕作效率,并减少耕作时的燃油消耗量。张利民与罗锡文[4]基于差分GPS定位技术研发了土壤耕作阻力测量系统,能进行不同深度层的耕作阻力测量。李汝莘等人[5]开展了土壤容重和含水量对耕作阻力的研究,得到了土壤耕作阻力-容重-含水量数学模型。李霞等人[6]进行了土壤密度、坚实度与土壤断面等土壤物理特性对深松阻力的影响试验。Arvidsson等人[7]重点研究不同土壤含水量对耕作阻力与能耗的影响。Camacho-Tamayo等人[8]研究了不同作业速度和土壤含水量条件下深松牵引阻力的变化。Wang等人[9]重点针对拖拉机附着性能与滚动阻力对机具耕作阻力的影响进行研究。翟力欣等人[9]针对犁体结构参数优化设计时,研究了犁体结构对耕作的影响。周健等人[10]通过LS-DYNA软件对深松铲切削土壤过程进行仿真,通过单因素试验对比分析了5种典型准线的深松铲结构、工作速度与工作深度对耕作阻力的影响。齐关宇等人[11]研究表明:深松铲入土深度及铲形等形状与结构参数直接影响着深松作业的牵引阻力及作业质量等。以上研究表明,影响拖拉机耕作阻力的因素很多,虽然杭程光等人[12]采用7因素3水平正交试验和单因互变量方差分析法研究了深松铲机铲形、铲距、入土角、土壤含水度、土壤坚实度、耕深及牵引速度对深松耕作阻力不同程度的影响,但有关影响因素对拖拉机耕作阻力的影响程度仍需系统与量化的研究。

1 拖拉机耕作阻力的影响因素

拖拉机耕作时,影响拖拉机耕作阻力的因素很多,包括土壤条件、土壤比阻、耕作速度、拖拉机与机具质量及耕作机具结构等。

1.1 土壤比阻

土壤比阻是指农业耕作中犁在作业时单位截面上所受到的土壤阻力,也称耕作比阻,是应用土壤学的一个重要物理性能指标[13]。土壤是一种非均质的、多相的、颗粒化的、分散的、多空的系统,不同土壤条件下的土壤比阻是不同的。通过对土壤比阻的研究,可以确定不同土壤条件下拖拉机燃油消耗定额系数,也可进行犁具的强度设计与拖拉机牵引力的选择。土壤比阻获取一般有两种方法[14]:一是在犁具上安装力传感器测量不同土壤的土壤比阻;二是建立粘土成分与土壤含水量为自变量的回归方程,得到土壤比阻的计算值。不同地区的土壤比阻分布规律不同,而同一地区的土壤比阻分布规律也是不同的,一般情况下土壤比阻的变化范围较大。表1为不同土壤类型的土壤比阻范围。

表1 不同土壤类型的土壤比阻

耕作阻力与土壤比阻的关系可表示为

FT=k·β·b·H

(1)

式中FT—耕作阻力(N);

k—常系数;

β—土壤比阻(kg/cm2);

b—耕作幅宽(cm);

H—耕作深度(cm)。

由式(1)可知:当耕作幅宽与耕作深度一定时,影响耕作阻力的参数主要为土壤比阻。

1.2 耕作深度与耕作幅宽

由式(1)可知:耕作深度与耕作幅宽对耕作阻力有直接的影响,耕作阻力随着耕作深度、耕作幅宽的增大而增大。

由于不同耕作深度时土壤特性不一样,随着耕作深度的变化,耕作阻力的增加幅度是不一样的。为此,采用深松铲进行稻麦田耕作阻力试验。深松铲入土深度变化范围为10～40cm。试验测量数据如表2所示,数据变化趋势如图1所示。

表2 作业深度与耕作阻力数据

图1 耕作阻力随作业深度变化趋势

由表1和图1可知:耕作阻力随着作业深度增加而增加;作业深度为10 cm和15 cm时,深松铲受到的阻力增加不显著,但当深度达到20 cm以上时,随着深度的增加,耕作阻力显著增加,与文献[11]、[15]的研究结果是一致的。这是因为目前大多数农田耕作层在20 cm以内,而犁底层长期受农具耕犁压实,变得越来越紧实,容重就越来越大,从而导致犁底层土壤的耕作比阻更大。

根据以上数据,得到牵引阻力与作业深度之间关系式为

FT=0.0059H2-0.1228H+1.0343

(2)

式中H—耕作深度(cm)。

本研究以犁耕为例,耕作深度的变化范围取为10～30cm。

对于耕作幅宽的影响,只考虑单铧犁耕作情况。在耕作比阻、耕作深度一定时,应用公式(1)进行耕作阻力的理论计算。这时,单铧犁的耕作幅宽变化范围取为25～30cm。

1.3 土壤容重与土壤含水量

耕作阻力主要决定于土壤的反作用力,而土壤的反作用力取决于土壤强度。土壤强度与茬口、有机质、土壤容重和含量水量有关。因此,对于同一土壤类型,土壤容重和含水量是影响拖拉机牵引阻力的主要影响因素,但土壤容重与土壤含水量对耕作阻力的交互作用不明显。为研究土壤容重和含水量对拖拉机耕作阻力的影响,采用单铧犁进行土槽试验,以测量不同土壤容重与含水量条件下的耕作阻力。

1.3.1 土壤容重

土壤容重又称为干容重,指一定容积的土壤烘干后的质量与同容积水重的比值,用符号ρ表示。土壤容重由土壤容重仪测定。

表3为土壤含水量为15%的条件下不同土壤容重时耕作阻力值,数据变化趋势如图2所示。

表3 土壤容重与耕作阻力数据

图2 耕作阻力随土壤容重变化趋势

由表3、图2可知:在土壤含水量一定的情况下,耕作阻力随着土壤容重的增加而增加;在土壤容重小(小于1.4 g/cm3)时,耕作阻力变化不大,随着土壤容重进一步增加,耕作阻力增大幅度明显,与文献[5]的实验结果是相似的。耕作阻力与土壤容重之间的关系为

FT=A1·ρ/(A2+A3·ρ)

(3)

式中ρ—土壤容重(g/cm3);

A、B、C—常数。

当含水量适中时,A、B、C为常数分别为117.33、0.998、-0.513[5]。

1.3.2 土壤含水量

土壤含水量也称土壤含水率,一般指土壤绝对含水量,即100g烘干土中所含的水分量(g)。当土壤含水量变化时,土壤的内聚力和塑性都会产生变化,从而对拖拉机耕作时的阻力产生影响。土壤含水量的测量方法有称重法、张力计法、电阻法及光学法等。

通过实验,得到一定土壤容重条件下不同土壤含水量时耕作阻力数据,如表4所示。

表4 土壤含水量与耕作阻力数据

由表4可以看出:当土壤容重值为定值时,随着土壤含水量的增加,耕作阻力变化不大,但有微小的变小趋势,如图3所示。这与文献[5]的实验结果也是相似的。

图3 耕作阻力随土壤含水量变化趋势

采用抛物线进行拟合,得到土壤含水量S和牵引力FT的关系式为

“方”在典籍中常训为“并”，如：《诸子平议·庄子二》“方陈乎前而不得入其舍”，俞樾按：“方者并也，方之本义为两舟相并故方有并义。”

FT=C0+C2S2+C3S3

(4)

式中S—土壤含水量(%);

C1、C2、C3—常数。

当土壤容重ρ适中时,C0、C2、C3的取值分别为184.381、-19.773、58.212。

1.4 拖拉机耕作速度、拖拉机质量、耕作路面

当拖拉机匀速耕作时,根据拖拉机功率守恒方程,即发动机的输出的有效功率Pe应等于牵引功率PT、滚动阻力功率Pf、风阻功率PW、坡度阻力功率Pi之,即

Pe=PT+Pf+PW+Pi

(5)

因此,可以得出耕作阻力功率PT为

PT=Pe-Pf-PW-Pi

(6)

进一步得耕作阻力为

(7)

式中Pe—拖拉机发动机输出的有效功率(kW);

v—拖拉机耕作速度(km/h);

A为拖拉机迎风面积(m2);

i—耕作路面坡度(%);

f—车轮的滚动阻力系数;

G—拖拉机质量(kg);

g—重力加速度(m/s2)。

农田坡度不宜过大,否则不利于农业生产。一般情况下,农田坡度在2°以内,能够忽略坡道阻力的影响。因此,式(7)可以改写为

(8)

由式(8)可知,拖拉机耕作速度、质量、滚动阻力系数对拖拉机耕作阻力有影响。本文没有考虑拖拉机的空气阻力系数与迎风面积的影响,是因为拖拉机的空气阻力系数基本恒定,而拖拉机迎风面积的变化基本与拖拉机外形尺寸有关,从而与拖拉机质量有关。

滚动阻力系数与路面种类、轮胎构造、材料、气压等有关。当拖拉机轮胎确定后,不同的耕作路面对拖拉机车轮的滚动阻力系数影响较大,表5列出一些耕作路面下拖拉机车轮滚动阻力系数范围。由表5可知,拖拉机耕作时车轮的滚动阻力系数范围为0.06～0.10。

表5 不同路面的滚动阻力系数[16]

1.5 耕作机具结构

耕作机具的结构形状会影响拖拉机耕作时作用于土壤上的力,从而影响耕作阻力。以犁耕的犁体为例,其主要结构参数有推土角、起土角、覆土角、犁体高度与耕作宽度。在文献[9]中,以推土角、起土角、覆土角及犁体高度为试验因素,进行四因素三水平正交试验,得出推土角、起土角及梨体高度对耕作阻力影响明显的结论,并构建出基于推土角、起土角及梨体高度的耕作比阻模型。

设起土角θF、推土角θE、犁体高度HT,当耕宽为287mm、耕深为200mm时,耕作阻力FT可表示为

0.28θEHT+7.98θE+1.97HT

(9)

2 基于变异系数法因子分析

通过以上分析可知,影响拖拉机耕作阻力的因素有土壤比阻、耕作深度、耕作宽度、土壤容重、土壤含水量、拖拉机车速、车重、耕作路面及犁体结构参数等。但是,这些因素对拖拉机耕作阻力的影响程度并不相同,且这些参数的量纲不同,不适合直接比较其差别程度,从而不能直接比较各参数的影响程度(即权重值)。

为了消除各项评价指标的量纲不同的影响,可以用变异系数来衡量各项指标的差异程度,从而能把不同量纲的参数结合起来分析[17]。各项指标的变异系数公式为

(10)

式中Vi—第i项影响因素变化引起耕作阻力变化的标准差系数,即变异系数;

σi—第i项影响因素变化时耕作阻力变化的标准差。

各影响参数的影响程度(即权重值)通过下式来计算,即

(11)

式中Wi—各影响因素的权重值。

根据计算出的权重值,就可以看出各影响参数的影响大小。

首先,确定土壤比阻、耕作深度、耕作宽度、土壤容重、土壤含水量、拖拉机车速、车质量、耕作路面及犁体结构等影响参数的变化范围;然后,分别计算出各影响参数在一定变化范围内耕作阻力值变化的平均数、耕作阻力变化的标准差;最后,根据式(10)和式(11)计算出各影响参数的变异系数与权重值,结果如表6所示。

由表6可知:各影响因素对拖拉机耕作阻力的影响各不相同,按权重值由大到小排列为:土壤容重、拖拉机速度、土壤比阻、耕作深度、耕作幅宽、犁具推土角、犁具高度、拖拉机重量、轮胎滚动阻力系数、犁具起土角、土壤含水量。其中,土壤容重的影响最大,其变异系数达0.735 1,权重值为0.298 0;拖拉机速度与土壤比阻的影响也很大,权重值分别为0.271 3与0.213 6;耕作深度的影响权重值为0.134 4。以上4个参数的影响权重值之和达0.917 3,而其它参数的影响很小,特别是犁具结构中起土角参数(权重0.007 3)、拖拉机质量(权重0.009 5)、耕作路面(权重0.007 8)与土壤含水量(权重0.001 1)的影响可以忽略。

表6 影响参数的变化范围、变异系数与权重

3 结论

拖拉机耕作阻力对耕作质量、耕作效率与耕作能耗都有影响,而影响拖拉机耕作阻力的影响参数很多。本文通过实验数据与理论计算等方式,分析了对耕作阻力有影响的耕作比阻、耕作深度、耕作幅宽、土壤容重、土壤含水量、拖拉机耕作速度、拖拉机质量、耕作路面及耕作机具结构等参数,并采用变异系数法对耕作比阻、耕作深度、耕作幅宽、土壤容重、土壤含水量、拖拉机耕作速度、拖拉机质量、耕作路面及耕作机具结构等影响因素进行影响因子分析。结果表明:土壤容重、拖拉机速度、土壤比阻与耕作深度对耕作阻力的影响很大,而其余参数的影响较小,甚至可以忽略。