1ZL5型馬鈴薯中耕機的設計與試驗

呂金慶，尚琴琴，楊 穎，王英博，李紫輝

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

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1ZL5型馬鈴薯中耕機的設計與試驗

呂金慶，尚琴琴，楊 穎，王英博，李紫輝

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

針對馬鈴薯壟作栽培種植中肥量需求量大、土壤疏松程度高等要求，研究設計了1ZL5型馬鈴薯中耕機。通過對整機結構和工作原理的闡述以及對開溝鏟和覆土鏵工作斷面參數的理論分析，獲得了機具關鍵部件的具體結構參數。同時,對整機的作業性能進行了田間試驗，結果表明:設計的馬鈴薯中耕機各項試驗指標均滿足馬鈴薯中耕要求，能夠一次性完成松土、除草、筑壟等作業，還兼有蓄水、保墑的作用。該研究為馬鈴薯中耕機的研發提供了參考。

馬鈴薯；中耕機；覆土鏵

0 引言

目前，馬鈴薯應經成為世界第四大糧食作物之一，在世界范圍內對馬鈴薯的重視度越來越高。現階段，我國已經成為世界第一大馬鈴薯生產大國，其產業的發展對于我國的經濟發展及保障食品安全等方面都有顯著的影響[1-5]。但隨著我國馬鈴薯的生產總產量的持續增長，平均單產量的增長仍然緩慢，單產水平較低，主要原因之一是馬鈴薯中耕機械作業水平較差，不能很好地進行田間除草和疏松土壤作業。

中耕松土除草[6-7]在我國農業精耕細作有重要的作用。中耕是將地表土壤鋤松、清除行間與苗間雜草，提高地表溫度促使有機肥料分解，還可起到蓄水保墑作用，有利于地面土壤疏松和增加植物周圍空氣相對濕度，減少病害發生的機會。另外，中耕可消除土壤板結，增加土壤的透氣性，為作物生長發育創造良好的條件。及時地進行清除雜草作業是保證農作物豐產豐收的必要條件。現階段我國主要的除草方式是人工除草或化學除草，耗時費力，作業效率不高，且容易造成環境污染，因此研究中耕機械是非常必要的。

國內對馬鈴薯中耕機的研究具有代表性的有五征3ZM-4型馬鈴薯中耕機[8]及李洋[9]等人設計的1304型馬鈴薯中耕機。1304馬鈴薯中耕機可以一次性完成松土、起壟、整形及施肥等作業要求，但該裝置控制面積較小，且肥料流動性差，易產生肥料架空、堵塞等問題。針對以上問題，研究設計了一種適應性強、作業效率高、施肥效果好的馬鈴薯中耕機。

通過對開溝鏟和覆土鏵的理論分析，并在田間試驗了其松土、施肥效果，結果表明：所設計的馬鈴薯中耕機滿足作業要求。

1 整機結構、工作原理及主要技術參數

1.1 整機結構

該機具采用三點懸掛方式與輪式拖拉機連接，由機架、肥箱、排肥系統、地輪、覆土鏵、傳動系統及開溝鏟等組成，如圖1所示。其中，覆土鏵單體共5個，相鄰覆土鏵單體之間的距離可以通過移動橫梁上V型卡子的距離進行調節，從而可以適應馬鈴薯種植區域不同行距的要求。該中耕機由兩個橡膠地輪提供傳動動力，在機具作業過程中動力進一步傳遞給排肥系統，從而實現中耕除草、施肥及松土等多項作業。

1.地輪 2.肥箱 3.排肥系統 4.機架 5.開溝鏟 6.傳動系統 7.覆土鏵

1.2 機具工作原理及主要技術參數

1.2.1 機具工作原理

工作時，拖拉機通過懸掛架使機組向前行駛，開溝鏟將壟溝中的土壤疏松，并除去壟溝中的雜草，其后側的覆土鏵的兩個翼板將疏松的土壤培至壟臺上，至此完成筑壟、疏松土壤和清除雜草的作用；在機具向前行駛的過程中，驅動地輪旋轉，通過鏈傳動將地輪旋轉產生的動力傳遞給排肥裝置，使得排肥軸旋轉，將肥箱中的肥料排出，并通過輸肥管將肥料施在田間，至此完成中耕施肥的作用。

1.2.2 機具主要技術參數

1ZL5型馬鈴薯中耕機結構設計符合馬鈴薯中耕的農藝技術要求，并且可以通過調節橫梁上V型卡子的數量適應不同行距的馬鈴薯中耕作業。整機結構簡單，調節方便，從而可以提高馬鈴薯中耕的效率。中耕機的主要技術參數如表1所示。

表1 中耕機的主要技術參數

2 關鍵部件的設計

2.1 覆土鏵的設計

覆土鏵主要是用于中耕作物的行間覆土和開灌溉溝[10-11]。當作物生長到一定的高度時，在行間將已疏松的土壤培至作物根莖部，行間則形成壟溝。為確定工作部件的設計參數，做出如下假設：

1)將土壤按已定溝底寬度切開，并分向兩側，在這個過程中土壤產生破碎；

2)使土壤沿兩側向后傾斜運動上升，達到預定溝邊時，推向壟中心，使土壤按自然休止角形成要求的壟形。

對于覆土鏵部件的要求：①作業后壟形規整；②能夠適應適應不同行距作業；③筑成壟后，溝底應有適量松土；④工作阻力小且作業穩定。

2.2 覆土鏵工作面的參數確定

由覆土時所形成的壟形斷面尺寸確定覆土鏵工作面的參數，壟形斷面尺寸圖如圖2所示。

圖2 壟形斷面尺寸簡圖

根據覆土鏵的工作原理，覆土鏵[7]對應壟臺所需的土壤斷面的體積為與工作時挖出的土壤體積之間的關系為

(1)

(2)

式中V0—覆土鏵對應壟臺所需的土壤斷面的體積(mm3)；

a0—馬鈴薯種植區域壟臺寬度(mm)；

h0—開溝深度(mm)；

θ—壟壁土壤自然休止角(°)；

V1—覆土鏵工作時由壟溝內挖出土壤的體積(mm3)；

a1—馬鈴薯種植區域壟溝底寬度(mm)；

h——壟溝距壟臺的高度(mm)。

土壤在被開溝鏟和覆土鏵疏松和翻轉的過程中，體積發生膨脹，此時需土量和出土量之間的關系為

V0=λV1

(3)

其中，λ為土壤膨松系數。

圖2中，根據幾何關系可知

L=a0+a1+2hcotθ

(4)

(5)

將式(1)、式(2)、式(4)和式式(5)帶入式(3)得

(6)

由式(6)可知：開溝深度和土壤膨松系數、行距、壟溝寬度及壟壁土壤的自然休止角有關。當馬鈴薯種植區域(即土壤的膨松系數、壟壁土壤的自然休止角和行距)確定時，開溝深度隨著壟溝寬度的增加而減小。根據馬鈴薯種植農藝要求，確定合理的壟溝寬度，進而確定開溝深度。

2.3 覆土鏵工作面的設計

根據國家行業標準《JB/T 6272-2007中耕機土壤工作部件》對覆土鏵等工作部件的規定，對其進行相關結構設計[12]。該馬鈴薯中耕機的覆土鏵的工作面為平面結構，翻土能力較強；開溝鏟的鏟尖為三棱窄形鏟尖，開溝溝底窄，兼有較強的壟側除草性能。覆土鏵的正投影輪廓圖如圖3所示。

圖3 覆土鏵正投影輪廓簡圖

根據東北壟作馬鈴薯行距和壟臺尺寸，考慮覆土鏵工作時土壤因獲得某些動能而膨松，可能出現部分土壤從培土壁上部越過，導致溝底浮土多、覆土量不夠等情況，設計覆土鏵的覆土壁高度為

h2=1.2h

(7)

H=1.1h2

(8)

根據式(7)和式(8)，最終確定覆土鏵的結構尺寸為：h2=394mm，H=433mm。由于各地區壟壁自然休止角不盡相同，覆土鏵的兩翼板所圍成的角度也隨之改變，確定覆土鏵的結構如圖4所示。

圖4中，覆土鏵由覆土鏵柄、開溝鏟、覆土鏵翼板和開度支板等組成。兩個覆土鏵支板由絞軸合頁連接，便于調整之間的角度；將開度支板不同的定位孔連接可以對兩翼板之間的角度進行調節，從而可以適應不同的壟形作業。

1.覆土鏵柄 2.開溝鏟 3.覆土鏵翼板 4.開度支板

2.4 覆土鏵受到土壤的作用力分析

中耕作業[13]時，開溝鏟開出壟溝，覆土鏵兩翼板將疏松的土壤翻至兩邊，從橫斷面上看，形成的壟溝形狀為倒三角形狀。以覆土鏵翼板上一點為坐標原點建立OXYZ坐標系。其中，X方向為中耕機前進方向，Y方向為橫斷面方向，Z方向為豎直向上方向，則該機具在作業過程中的受力分析如圖5所示。

圖5 覆土鏵翼板受力分析

根據圖5可知：中耕作業的覆土鏵受到X、Y、Z等3個方向力，X方向的分力為

Fx=ηkab

(9)

k=c0+c1τ+c2v2

(10)

式中η—覆土鏵的效率(%)；

a—土壤垡塊的長(mm)；

b—土壤垡塊的寬(mm)；

k—土壤比阻；

Fx—覆土鏵受到的X方向的分力(N)；

τ—土壤抗剪強度(Pa)；

v—覆土鏵的工作速度(m/s)；

c0、c1、c2—變量系數。

覆土鏵受到的Y方向和Z方向的分力為

(11)

式中Fy—覆土鏵受到的Y方向的分力(N)；

Fz—覆土鏵受到的Z方向的分力(N)；

n—覆土鏵受到Y方向分量和X方向分量的比值；

m—覆土鏵受到Z方向分量和X方向分量的比值。

由式(9)～式(11)得到覆土鏵受到的土壤的作用力為

(12)

由上述分析可知：覆土鏵受到土壤的作用力與土壤的物理性質、耕深、機具作業速度及覆土鏵形狀有關。為減小土壤對覆土鏵的作用力，將覆土鏵兩側翼板設計為平面結構，并通過開度支板調節兩翼板之間的角度。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2014年6月和2015年6月，在東北農業大學香坊農場(黑黏土)、黑龍江省農業科學院試驗基地(黑黏土)進行了該中耕機的田間試驗。試驗基地為旱地壟播，試驗區的壟長長度大于500m，壟距為800mm，壟高為280mm，壟溝土壤堅實度為3.12×104Pa，土壤絕對含水率為25.3%，田間有雜草。馬鈴薯中耕機配套動力為NEW HOLLAND110拖拉機，功率為80.85kW，作業面積為40hm2，作業情況如圖6所示。

3.2 試驗方法

根據國家行業標準《JB/T 7864-2013 中耕追肥機》規定的試驗方法[14]，在旱地壟播類馬鈴薯種植田間進行中耕試驗，驗證設計的中耕機的作業性能。分別測定該馬鈴薯中耕機的行間除草率、碎土率和各行排肥一致性變異系數，考察覆土鏵和排肥系統等部件及整機的作業性能。

3.2.1 行間除草率的測定

在中耕作業之后，隨機抽查5個小測試區，測定出中耕作業后馬鈴薯種植區每平方米內的除草率，并按式(13)進行計算，則

(13)

式中c—除草率(%)；

Qz—中耕作業前雜草株數；

Hz—中耕作業后雜草株數。

圖6 樣機和田間試驗

3.2.2 碎土率的測定

在中耕作業后任一行間的寬度內，隨機選取0.25m2的測試區域，將耕松的土塊按照直徑(土塊長度)分為≤25mm和>25mm兩個等級，分別測定各個等級土塊質量。在一個往返行程內各測定兩點，并按式(14)對碎土率進行計算，則

(14)

式中t—碎土率(%)；

Xt—中耕作業后耕松土塊直徑≤25mm的土塊質量(kg)；

Dt—中耕作業后耕松土塊直徑>25mm的土塊質量(kg)。

3.2.3 各行排肥一致性變異系數

在機具工作區域內隨機選定6行作為測定區域，每組試驗重復5次，并按如下關系式計算各行排肥量一致性變異系數，則

(15)

式中V—各行排肥量變異系數(%)；

S—各行排肥量標準差(kg)；

Qi—每行排肥量(kg)；

n—測定行數。

3.3 試驗結果與分析

試驗結果如表1所示。由表1可知：各項指標符合馬鈴薯中耕作業要求，可以一次性完成松土、筑壟、施肥和除草等多項作業，作業效率高，整機結構簡單，工作穩定性好。

表1 1ZL5型馬鈴薯中耕機性能試驗結果 %

4 結論

1)1ZL5.0馬鈴薯中耕機結構合理，能夠一次性完成松土、除草、筑壟和施肥等多項作業。

2)通過改變開度支板不同的定位孔連接，可以改變覆土鏵兩翼板之間的角度，從而適應不同的壟形；調節V型卡子在橫梁上的位置，可以調節覆土鏵之間的距離，從而使改中耕機適應不同行距的馬鈴薯中耕作業。

3)試驗表明：行間除草率、碎土率和各行排肥一致性變異系數均滿足馬鈴薯中耕作業要求，機具作業穩定性較高。

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Design and Experiment Analysis of 1ZL5 Type Cultivator

Lv Jinqing, Shang Qinqin, Yang Ying, Wang Yingbo, Li Zihui

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

According to the large quantity of fertilizer and high degree of loose soil in potato planting, this paper researched and designed 1ZL5 type cultivator. According to the analyzed of structure and working principle of cultivator and theoretical analyzed of furrower and soil plough work section parameters, the specific structure parameters of the key parts of the machine tool were obtained. Field experiments were carried out on the performance of the whole machine. The test indices that all of the index meet the requirements of potato cultivation. The design potato cultivator can accomplish many works at once time, including the loose earth, the weeding, build the ridge and so on. At the same time the cultivator also has the functions of water storage and preservation of soil moisture. This research has provided the reference for the potato cultivator research and development.

potato; cultivator; soil plough

2015-12-23

“十二五”科技支撐計劃項目(2014BAD06B03)；現代農業產業技術體系建設專項(CARS-10-P22)；黑龍江省重大科技攻關項目 (GA15B401)

呂金慶(1970-)，男，哈爾濱人，研究員，國家馬鈴薯產業技術體系崗位科學家，(E-mail)ljq6666688888@163.com。

S224.1

A

1003-188X(2017)02-0079-05