玉米深松机械的能耗分析及节能措施研究

胡明学

(龙江县山泉镇人民政府,黑龙江 龙江 161100)

0 引言

深松耕作可以改善土壤结构,增强土壤通气性、保水性以及养分供应能力。深松机械通过翻松土壤,打破犁底层,使土壤更松散,增加耕作层和心土层之间的水肥流通[1-2]。由于深入犁底层的土壤更加紧密和坚硬,需要更多的能量和功耗来进行耕作,因此,进行深松作业时会遇到较大的耕作阻力,从而导致能耗较高。

随着全球能源资源的紧缺和环境污染的加剧,节能减排已成为全球普遍关注的重要议题,在农业领域,为了实现可持续发展和环境保护,节能减排成为一个重要的目标[3]。

针对以上问题,本文以玉米为研究作物,分析影响玉米深松机械能耗的主要因素与作业条件,提出玉米深松机械节能措施。研究成果以期为农业生产提供一定的理论和实践指导,同时推动玉米深松机械的可持续发展。

1 玉米深松机械基本结构及工作原理

1.1 基本结构

玉米深松机械主要由支撑架、机架、悬挂架和深松铲四个部分组成(图1)[4]。

图1 玉米深松机械基本结构示意图

1)支撑架。支撑架是深松机械的基础结构,用于支撑和固定其他部件,通常由坚固的金属材料制成,可以提供稳定的支撑和承载能力。

2)机架。机架是深松机械的主要框架结构,承担着支撑和连接其他部件的作用,机架主要由强度高、刚性好的材料制成,以确保机械的稳定性和可靠性。

3)悬挂架。悬挂架主要功能是将深松机械与拖拉机或其他牵引设备进行连接,位于机架的后部,并具有调节功能,可根据需要调整深松铲的工作深度和角度。

4)深松铲。深松铲是深松机械的主要工作部件,在工作过程中将土壤松动和翻耕,由坚固的金属材料制成,具有锋利的边缘和弯曲的形状,以便有效地进入土壤并将其翻动[5]。

玉米深松机械作业时,动力系统提供所需的能量,驱动传动系统使深松器开始旋转,深松铲开始插入土壤中,同时底盘带动深松器移动[6-7]。在深入土壤的过程中,深松铲产生摩擦力,使土壤颗粒之间发生相对位移,从而疏松土壤(图2a)。玉米深松作业又被称为“虚实并存”的作业方式,是实现高效深松效果的耕作标准,主要是指深松作业后的土壤包括疏松土壤(虚),和未扰动土壤(实)两种状态(图2b)。

1.土壤;2.深松器;3.深松部分;4.未深松部分

2 玉米深松机械的能耗影响因素

2.1 土壤条件

不同的土壤类型和质地会对深松机械的能耗产生影响,包括湿度、黏性、疏松度、含水量等。潮湿的土壤会增加机械在作业过程中的摩擦阻力,使能耗增加;过度湿润的土壤还会导致机械下沉和陷入,增加工作阻力和能耗。黏土质地的土壤具有较高的黏性,会增加机械与土壤之间的黏附力和摩擦阻力,黏土质地的土壤还可能引起机械零部件的卡滞和堵塞,进一步增加能耗[8]。压实的土壤会增加机械在作业过程中的阻力,还会导致机械行走时的颠簸和震动,增加能耗。当土壤含水量过高时,土壤会变得湿润和黏稠,增加了机械在作业过程中与土壤颗粒之间的黏附力，当土壤含水量过低时，土壤会变得干燥和坚硬,增加了机械在作业过程中与土壤之间的摩擦和阻力,进一步增加能耗。

2.2 作业参数

作业深度、作业速度和作业宽度是影响深松机械能耗的重要因素。作业深度越深克服土壤阻力需施加更大力量,导致能耗增加;较高的作业速度使机械需要产生更大的动力以保持高速运行和完成作业任务,从而增加了能耗,较低的作业速度可以降低能耗,但可能会延长作业时间;较小的作业宽度可以减少机械与土壤之间的摩擦和阻力,但是较小的作业宽度需要进行更多的工作次数才能完成整个作业区域,导致整体作业效率降低。

研究结果表示,需要根据土壤条件、作物需求和机械性能等因素综合考虑,选择合适的作业深度、作业速度和作业宽度,在降低能耗的同时提高深松机械的工作效率。

2.3 机械结构

首先机械结构中的接触面和运动部件之间会发生摩擦,摩擦会导致热量的产生和能量的转化,进而消耗额外的能量资源,导致能量损耗;另一方面,田间作业过程中的振动和变形也会影响深松机械能耗。发生振动时,能量会以机械振动的形式进行传递和转换,振动过程中会产生机械能转化为热能或声能的能量散失;当机械结构发生变形时,会产生弹性势能的转换和损失。因此,机械振动和变形不仅会导致能源浪费,还会使实际输出能量降低,从而增加能耗。为了降低能耗,需要通过优化机械结构的刚度、强度和减少振动及变形,从而减少能量的散失,提高机械的工作性能。

3 玉米深松机械节能措施

3.1 优化动力系统

3.1.1 选择高效能源和动力系统

优先选择燃油效率高的发动机或电动机,在选用内燃机作为动力源时,选择具有先进燃烧技术和燃油喷射系统的高效发动机,提高能源利用率。

3.1.2 定期维护和保养动力系统

在使用深松机械的过程中,定期更换空气滤清器、燃油滤清器和机油滤清器,以保持动力系统的顺畅运行。同时检查和调整发动机的点火系统、燃油喷射系统和冷却系统,保证其正常运行和高效工作。

3.1.3 推广替代能源

在进行经济评估和技术试验条件下,使用替代能源来驱动深松机械。如通过安装太阳能光伏电池板,将太阳能转化为电能为深松机械提供所需动力,在田间工作过程中不产生排放物,对环境影响较小。同时,随着太阳能技术的发展和成本的下降,太阳能应用在农业领域的可行性和经济性也在提高。

3.2 采用高效动力系统

通过采用高效动力系统,可以有效降低玉米深松机械的能耗。首先可以选用高效率、低排放、低能耗的发动机,如新型柴油机、天然气发动机等;其次可以采用先进的动力传动技术,如电力传动、液压传动等,减少深松机械能量损失和摩擦损耗,提高机械的能效,最后可以使用回收制动能量,将制动能量转化为电能或其他形式的能量,并存储起来以供后续使用。这样可以最大限度地利用能量,减少能源浪费,降低机械的能耗。

3.3 采用新型设计理念

3.3.1 模块化设计

将深松机械按照功能或结构分成若干模块,通过组装和拆卸实现不同功能和形态的机械,每个模块具有特定的功能或任务,可以根据需要选择所需模块,而不需要携带整个机械系统,可以减少机械的体积和重量,从而降低机械在运动中所受到的阻力和惯性,减少能耗。

3.3.2 轻量化设计

采用轻质、高强度材料,如铝合金、复合材料等,替代传统材料。铝合金具有较低的密度和良好的强度特性,可以替代钢材用于机械结构的构建,进而降低整机重量,另一方面,在保持机械强度的前提下,采用薄壁结构、中空结构等设计,可以在保证机械刚度的同时降低重量,实现结构的轻量化。

3.4 使用智能控制系统

智能控制系统可以通过传感器和数据采集设备实时监测深松机械的工作状态和环境参数,结合自适应算法和优化策略,基于田间工作数据,根据实时数据和预设的优化目标,动态调整深松机械的工作模式,实现深松机械智能化调整工作深度、速度和其他相关参数。此外,智能控制系统可以实现深松机械的远程监控和故障诊断,通过远程监控,操作人员可以随时掌握深松机械的运行状态,并及时调整工作参数,提前发现和解决潜在问题,减少机械的能耗和故障停机时间。

4 结论

本文通过对玉米深松机械的能耗分析和节能措施的研究,可以得出以下结论:

1)玉米深松机械的能耗主要来自于动力系统和工作部件的摩擦阻力。因此,降低机械的摩擦阻力是降低能耗的关键。

2)影响玉米深松机能耗的主要因素包括土壤条件、作业参数和机械结构等,因此,需要选择适宜的土壤条件,并且在深松机的设计和制造过程中优化机械结构,减少能量损耗,以提高整体能效。

3)已有相关研究表明,采用优化机械结构、采用高效动力系统、合理选择工作参数和采用新型设计理念等措施可以有效降低玉米深松机械的能耗。在实际应用中,可以根据机械的工作条件和使用要求,选择合适的节能措施,并结合多种措施综合实施,以达到最佳的节能效果。