螺旋钻参数对挖坑出土效能的影响

巴利珍，吴海平，张前英，冯泽程，连 萌

(山西农业大学农业工程学院，山西 晋中 030800)

0 引言

挖坑施肥是水果种植生产中必不可少的重要农作措施，其作业效率的高低是果农能否获得高产和高效的关键，而机械挖坑的出土率不仅决定挖坑效果的优劣，且直接影响作业效率的高低。因此，通过分析研究找出影响挖坑出土率的因素及其状况，对于优化机具参数、确保挖坑质量和提高作业效率等都具有十分重要的意义[1-3]。

土壤状况直接影响挖坑作业，所以尽可能选择在土壤湿度适宜时进行，即可避免土壤含水率过大、过小的不利影响[4]。此外，影响挖坑作业质量的因素主要是钻挖部件的结构参数和工作参数，实际作业中常常由于螺旋钻结构参数和工作参数选择不当，造成作业质量差、损耗高、效率低[5]。为此，本研究对不同结构参数和工作参数的螺旋钻进行试验、测试、分析和研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验地块状况

试验时间是2021年4月下旬至5月上旬，试验地点为山西省晋中市太谷区小白乡“绿美”苗木繁育基地，试验地块状况如表1所示。

表1 试验地块状况Tab.1 Test plot condition

1.2 试验设备与仪器

试验设备与仪器有自制的便携式螺旋钻挖工作部件田间测试装置、钻头、土壤硬度计、温湿度测试仪、激光转速仪、电子秤、皮尺、钢卷尺、直尺、计时器和垫布等[6-8]。实物如图1所示，主要技术参数如表2所示。

表2 主要技术参数Tab.2 Main technical parameters

图1 试验设备与仪器Fig.1 Test equipment and instruments

1.3 试验方法

以螺旋钻的不同直径、转速和螺旋数量为试验因素，以抛土半径和出土率为试验指标，研究各因素对挖坑出土情况的影响规律。试验中为了减少试验的偶然性与误差，在每种试验因素下至少重复6次试验。另外，对挖坑装置的实际抛土半径、出土率、坑深和坑径等进行测量时，应严格按照相关标准中的测量要求进行测量。测定坑深时应清除坑底的松土，测定出土率时应分别收集坑中松土和抛出坑外的松土，称其质量计算出土率，参数测量方法如图2所示[9-10]。

图2 参数测量示意Fig.2 Schematic diagram of measurement parameters

1.3.1 直径试验

直径是螺旋钻的一个重要参数，为了探索出直径对挖坑作业过程和成坑效果的影响情况，在表1所示的试验地块状况下，采用直径分别为150、200和250 mm的双头单螺旋钻头，在转速为550 r/min、挖坑深度为600 mm条件下，进行田间挖坑作业试验，试验结果整理后如表3所示。

表3 不同直径钻头的挖坑试验结果Tab.3 Test results of digging holes with different diameter bits

1.3.2 转速试验

转速除对挖坑作业时间、功耗、阻力等有明显影响外，对挖坑质量的影响也不容忽视。转速过高不仅功耗大，而且容易将挖出的土壤抛撒过远而不利于后续土壤回填；转速过低不仅工作效率低，而且钻起的土壤不易脱开钻体出坑。因此，研究找出最适宜的螺旋钻转速意义非凡。

在表1所示地块状况下，采用直径为150 mm的双头单螺旋钻头在挖坑深度为600 mm，在转速为300、450和550 r/min的条件下，进行了田间挖坑作业，试验结果整理后如表4所示。

表4 不同转速钻头的挖坑试验结果Tab.4 Test results of digging holes with different rotation speed bits

1.3.3 螺旋数量试验

螺旋钻头根据地层和钻头甩土性能分为单头单螺、双头单螺、双头双螺，其中双头单螺和双头双螺最为常用。故该试验在表1所示地块状况下，采用直径为150 mm的双头单螺和双头双螺钻头，在转速为550 r/min、挖坑深度为600 mm条件下，进行挖坑作业，试验结果整理后如表5所示。

表5 不同螺旋数量钻头的挖坑试验结果Tab.5 Test results of digging holes with different screw number bits

2 试验结果与分析

2.1 坑形

转速一定时，由表3可知，直径分别为150、200和250 mm的双头单螺旋钻挖坑的平均直径分别为153.67、205.50和255.75 mm，平均坑深分别为609.3、609.5和610.0 mm，平均出土率分别可达91.94%、94.10%和96.57%。直径一定时，由表4可知，转速分别为300、450和550 r/min的双头单螺旋钻挖坑的平均直径分别为154.08、154.75和153.67 mm，平均坑深分别为608.83、608.66和609.33 mm，平均出土率分别可达77.38%、84.96%和91.93%。转速和直径一定时，双头双螺旋钻和双头单螺旋钻挖坑的平均直径分别为153.67和152.50 mm，平均坑深分别为609.33和608.50 mm，平均出土率分别可达91.94%和94.90%。

2.2 抛土半径

最大抛土半径小，出土近，方便后续土壤的回填；集峰区抛土半径大，坑周土壤不易回落至坑中。对不同试验下螺旋钻挖坑后的抛土半径进行分析可知：钻头转速为550 r/min、挖坑深度为600 mm，直径分别为150、200和250 mm的双头单螺旋钻头进行挖坑作业时，随着钻头直径增大，相应钻头的线速度也增大，从而导致最大抛土半径和集峰区抛土半径增大；随着转速的减小，抛土半径逐渐减小；双头单螺旋钻头与双头双螺旋钻头相比，双头双螺旋钻头的抛土半径较小。

2.3 出土率

2.3.1 单因素方差分析

为了确定螺旋钻直径、转速和螺旋数量3个因素对出土率的影响，以及对比同一因素下各水平之间差异的显著性，试验采用单因素方差分析[11-13]。分别将钻头的直径、转速和螺旋数量作为单因素无协变量，在非处理因素均匀一致的情况下，对各因素所对应的水平作处理，重复6次，处理在单元上随机分配，测定各个处理的出土率。利用SAS软件对各因素下出土率的试验结果进行分析，程序输出的方差分析结果整理后如表6、表7和表8所示。

表6 直径的出土率试验方差分析结果Tab.6 Variance analysis of soil exit rate test of diameter

表7 转速的出土率试验方差分析结果Tab.7 Variance analysis of soil exit rate test of rotation speed

表8 螺旋数量的出土率试验方差分析结果Tab.8 Variance analysis of soil exit rate test of screw number

由表6可知，螺旋钻直径对出土率的显著性P值<0.000 1，模型决定系数R2=0.970 623。统计学根据显著性检验方法所得到的P值，一般以P<0.05为有显著统计学差异，P<0.01为有极显著统计学差异。决定系数R2的大小决定了变量间相关的密切程度。R2越大，自变量对因变量的解释程度越高，自变量引起的变动占总变动的百分比越高。故此方差分析有效，且方差分析模型能解释出土率变异的97%，即在试验条件下，直径对出土率有着决定性影响。其余的3%是由于偶然性误差造成的，可能的原因是没有做到试验单元的完全一致或数据测定存在误差等。

由表7可知，螺旋钻转速对出土率的影响极显著，且显著性P值<0.000 1，决定系数R2=0.94，即在试验条件下，转速也对出土率有着非常大的影响。

由表8可知，螺旋钻的螺旋数量对出土率的影响也极显著，且决定系数R2=0.93，可解释的模型效应达93%的较高水平，说明试验分析结果可靠。

同时在不考虑其他因素影响的情况下，从程序输出的均值多重比较结果可知：直径参数各水平之间差异极显著，直径水平为250 mm的双头单螺钻头出土率可达96.57%，即在试验条件下，钻头直径越大，出土率越高；转速参数各水平之间差异均显著，采用直径为150 mm的双头单螺钻头在挖坑深度一定的情况下，随着转速的增加，出土率也在增加，转速水平为550 r/min时的出土率可达91.93%；螺旋数量参数各水平之间差异显著，双头双螺钻头的出土率明显高于双头单螺钻头的出土率。

2.3.2 析因设计方差分析

为了检验钻头的直径、转速和螺旋数量3个因素的主效应大小，试验采用析因设计方差分析。试验共确定3个因素分别是钻头直径、钻头转速及钻头螺旋数量，钻头直径与钻头转速均取3个水平，钻头螺旋数量取2个水平，使用析因设计的情况下进行测试，尝试所有可能的方案总共3×3×2=18种。3个因素分别记作A、B和C，钻头直径、钻头转速的3个水平分别记作1、2和3，钻头螺旋数量的两个水平记作1和2，试验因素及水平如表9所示。

表9 试验因素水平Tab.9 Factor and level of test

根据表9试验因素及水平进行试验，对所得到的出土率样本创建数据表并将其导入SAS软件中，通过编程运行后程序输出的方差分析结果整理后如表10所示。

表10 析因设计试验方差分析Tab.10 Analysis of variance of factorial design experiment

由表10可知，模型决定系数达98%，且钻头直径、转速及螺旋数量三效应均显著，说明方差分析有效。参照F值可见，各因素影响试验指标的主次顺序为转速﹥直径﹥螺旋数量。

3 结论

通过螺旋钻参数对挖坑出土效能影响的试验，分析并得到了螺旋钻挖坑时抛土半径和出土率随不同试验因素的变化规律，主要结论如下。

(1)随着螺旋钻直径和转速的增加，抛土半径和出土率也相应增加；双头双螺旋钻头的抛土半径明显小于双头单螺旋的抛土半径，且双头双螺旋钻头的出土率较高，即双头双螺钻头的携土能力更占优势。

(2)螺旋钻直径、螺旋数量及转速对出土率的影响均极显著(P<0.000 1)，影响出土率主次的顺序依次为转速>直径>螺旋数量。在实际的挖坑过程中，可以根据影响出土率的主次因素优先合理地搭配相应的螺旋钻参数。

(3)螺旋钻不同参数对抛土半径和出土率的影响与土壤质地、土壤含水率、土壤坚实度等因素也存在一定的关系。