煙苗移栽井窖制作機關(guān)鍵部件改進及試驗

胡長壽，喻麗華，徐志波， 張富貴，陳 懿

(1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州省煙草科學(xué)研究院，貴陽 550001)

0 引言

貴州是我國重要的優(yōu)質(zhì)烤煙基地，其烤煙種植技術(shù)水平進步直接影響著西南各省乃至全國烤煙種植區(qū)的技術(shù)發(fā)展。目前，貴州的烤煙種植領(lǐng)域正廣泛推廣一種新型的移栽技術(shù)─井窖式移栽[1]。烤煙井窖式移栽技術(shù)的實施，實現(xiàn)了壯苗培育、早生快發(fā)、適時移栽、高莖深栽，為烤煙的大田生長發(fā)育提供了充足的時間。該項技術(shù)具有簡單易懂、適應(yīng)能力強等優(yōu)勢，在煙區(qū)已大面積復(fù)制應(yīng)用，很大程度上解決了當(dāng)前貴州在烤煙移栽技術(shù)上的限制，為推動貴州烤煙種植的發(fā)展做出了重大貢獻[2-3]。

煙苗移栽技術(shù)的關(guān)鍵在于制作滿足農(nóng)藝要求的移栽井窖。目前，煙苗移栽井窖的制作常采用背負(fù)式汽油型井窖制作機完成，該機因具有機身輕便、操作簡單、成井高效等諸多優(yōu)點[4]，已在貴州烤煙主產(chǎn)區(qū)得到較為廣泛的應(yīng)用；但在長期使用中發(fā)現(xiàn)各種市售井窖制作機普遍存在成井頭耐用度不高、所制井窖質(zhì)量難以滿足移栽要求等問題[5-6]。為此，通過對井窖制作機關(guān)鍵部件的改進及試驗研究，旨在為井窖制作機的優(yōu)化設(shè)計及進一步推廣應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)[7]。

1 煙苗移栽井窖制作技術(shù)來源與現(xiàn)狀

1.1 煙苗移栽井窖制作技術(shù)來源與農(nóng)藝要求

烤煙井窖式移栽技術(shù)是2009 年松桃縣煙草分公司的煙葉生產(chǎn)技術(shù)人員在早期田間管理督察過程中，發(fā)現(xiàn)剛覆膜幾天的煙地有幾株被牛踩過的煙苗，其中被踩進 “牛腳窩”里的兩株煙苗，在溫度較高的中午，相對于其它煙苗不僅沒有萎焉，而且葉片鮮活碧綠，長勢良好；而沒有被牛踩過的煙苗則出現(xiàn)了葉片呈黃色且全部萎焉的情況。基于“牛腳窩現(xiàn)象”，銅仁市煙草公司組織研究出了一項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的烤煙移栽新技術(shù)[8-9]。

根據(jù)煙苗井窖式移栽農(nóng)藝要求，所制井窖需滿足如下要求：上部為圓柱形，下部為圓錐形，井窖口徑為8～10cm，井窖深18～20 cm，成形井窖底有1～3cm高的回土為最佳[10]。

1.2 煙苗移栽井窖制作技術(shù)現(xiàn)狀

隨著烤煙井窖式移栽技術(shù)的推廣應(yīng)用，與之配套的井窖制作技術(shù)得到較大的發(fā)展，許多學(xué)者與科研人員申報了多項井窖制作器械相關(guān)的專利[11-12]。井窖制作器具在短短幾年時間先后研究出4代產(chǎn)品：第1代是煙草公司提供樣品，煙農(nóng)自制為主，材料為木制，規(guī)格千差萬別；第2代是煙草公司統(tǒng)一制作，材料為鐵制，加腳踏助力裝置；第3代是在第2代基礎(chǔ)上增加破膜裝置；前3代均以人力為動力源，勞動強度大，作業(yè)效率低；隨著研究的推進，2012年后推出的以蓄電池或小型汽油機為動力的第4代背負(fù)式井窖制作機已逐步成為主流機具[13]。

1.3 背負(fù)式井窖制作機具存在的問題分析

盡管背負(fù)式井窖制作機已在實際生產(chǎn)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，但目前此類機具的關(guān)鍵部件—成井頭普遍存在耐用度不高的問題，且對于貴州烤煙種植區(qū)常見的火石子地、黏重土壤條件，成井速率與成井質(zhì)量難以滿足要求的問題也尤為突出。圖1所示為實際生產(chǎn)中報廢的成井頭。分析其報廢的原因主要有：①成井頭的耐磨性不足；②結(jié)構(gòu)設(shè)計存在一定缺陷。

圖1 成井頭報廢情況

2 井窖制作機機具改進研究

2.1 成井頭結(jié)構(gòu)改進思路

通過對井窖制作機的成井過程深入分析可知：井窖制作機主要是依靠成井頭高速旋轉(zhuǎn)，同時配以向下的作用力使周圍土體產(chǎn)生壓縮變形與楔切變形，進而擠密土體成井。成井頭的結(jié)構(gòu)改進應(yīng)考慮如何提高成井頭旋入能力、楔切能力及拔出能力，進而提高成井速率。耐磨性的提高應(yīng)同時考慮選材與結(jié)構(gòu)改進兩方面的問題，具體改進方法如下：

1)設(shè)置三角形鉆尖。考慮鉆尖的作用是使成井頭快速破膜并進一步旋入土體，為此將圓錐形鉆尖改為三角形鉆尖，同時按照成井頭旋向在兩側(cè)開切削刃。

2)增設(shè)雙螺旋切削刃。基于成井頭擠密土體的成井過程分析，為了有效解決椎體表面耐磨性不足的問題，在成井頭椎體外表面增設(shè)雙螺旋切削刃，不但可借助切削刃的楔切作用提高成井效率，而且能極大地提高成井頭的耐磨性。為了使所設(shè)計的雙螺旋切削刃具有一定的排土功能，螺旋升角最佳取值范圍是α=18°～22°[14]。根據(jù)螺旋升角的計算公式[15]，則

α=arctan(h/πD)

(1)

其中，h為螺旋導(dǎo)程；D為螺旋最大直徑。

依據(jù)農(nóng)藝要求，井窖深需達(dá)16cm以上，除去成井頭底部的三角鉆尖和頂部的圓柱，取h=11cm；井窖直徑為8～10cm,取中間值D=9cm。將初選參數(shù)代入公式，取整得α=21°。

2.2 改進后的成井頭結(jié)構(gòu)

1)1號成井頭。如圖2所示為所設(shè)計的1號成井頭結(jié)構(gòu)示意圖，1號成井頭在前端設(shè)置了三角形鉆尖，并在椎體外表面增設(shè)雙螺旋切削刃。

圖2 1號成井頭結(jié)構(gòu)示意圖

2)2號成井頭設(shè)計。如圖3所示為所設(shè)計的2號成井頭結(jié)構(gòu)示意圖。2號成井頭是基于1號成井頭，將椎體表面的切削刃延伸至柱體表面，延伸端的切削刃為直線形，目的是提高成井頭的拔出能力。

圖3 2號成井頭結(jié)構(gòu)示意圖

3)3號成井頭設(shè)計。為了解決貴州煙區(qū)黏重土壤條件及火石地的成井問題，設(shè)計了如圖4所示的3號成井頭。3號成井頭的設(shè)計是基于2號成井頭，將錐體小端的部分螺旋切削刃改為螺旋形柱齒，螺旋柱齒的高度與切削刃的高度一致，相鄰兩柱齒之間1cm。在成井頭高速入土的過程中，柱齒一方面可以提高成井頭在黏重土壤條件及火石地的旋入能力，同時還具有一定的疏松井窖底部土體的作用。

4)4號成井頭設(shè)計。通過長期觀察小苗移栽后的長勢情況，發(fā)現(xiàn)膜下移栽的小苗若遇高溫高濕天氣，易發(fā)生燒苗現(xiàn)象。為此，設(shè)計了如圖5所示的4號成井頭。該成井頭主體結(jié)構(gòu)為錐形，大端直徑增到100cm，使所制井窖口徑增大，以此增大井窖上部的空氣流通與采光面，解決移栽期高溫高濕煙區(qū)的燒苗問題。

圖4 3號成井頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 4號成井頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 成井頭選材研究

成井頭材質(zhì)直接關(guān)系到其使用壽命，成井頭的材料選擇主要綜合考慮耐磨性、加工性、價格、質(zhì)量及安全性等5方面因素。表1所示為遵義永欣科技開發(fā)有限公司對成井頭備選的優(yōu)質(zhì)碳素鋼、鋁合金及白口鑄鐵的對比分析[16]。

表1 3種材質(zhì)的成井頭綜合性能對比

Table 1 Comprehensive performance comparison of 3 types of Well-Cellar Forming Unit

成井頭性能耐磨性加工性加工性價格/元·個-1質(zhì)量/kg·個-1優(yōu)質(zhì)碳素鋼成井頭耐磨較 難加 工安全800.9鋁合金成井頭不耐磨易加工安 全1500.6白口鑄鐵成井頭耐 磨難加工有隱患700.8

由表1可知：優(yōu)質(zhì)碳素鋼不僅耐磨，加工難度也不大，價格適中，所制成井頭質(zhì)量上較為理想，安全性高，綜合性能優(yōu)于其它兩種材質(zhì)。為此，所設(shè)計的成井頭均采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

2.4 成井頭制作

在遵義永欣科技開發(fā)有限公司的大力協(xié)助下，上述4種成井頭已完成制造工作。所制成井頭樣品如圖6所示。

圖6 4種成井頭樣機實物圖

3 樣機測試與結(jié)果分析

3.1 試驗條件與方法

考慮到植煙地土質(zhì)的代表性、交通的便利性和農(nóng)機化工作的基礎(chǔ)條件，測試地點為開陽縣龍崗基地(東經(jīng)107°2′48″、北緯27°4′31″、海拔960m，測試地塊選擇有代表性的植煙地，待測地已于測試前10天搶墑起壟(每行約30m，旋耕2次、起壟)。測試時間為2017年4月13日,測試前觀察壟體情況，發(fā)現(xiàn)壟體表面約有1～1.5cm的土層有一定程度的板結(jié)。

試驗使用的主要儀器為鋼直尺、水平尺、相機、標(biāo)桿及秒表。測試項目主要包括井窖口徑、井窖深、回土深度、入土能力、拔出能力及成井效率。測試流程：①啟動井窖制作機，試作業(yè)檢測運行是否正常；②種成井頭分別制作井窖50個；③記錄相關(guān)檢測項目。

3.2 測試結(jié)果及分析

1)井窖口徑。根據(jù)4種成井頭所制200個井窖口徑測試結(jié)果，繪制成如圖7所示井窖口徑頻數(shù)分布直方圖。

圖7 井窖口徑頻數(shù)分布直方圖

由圖7可知：1號、2號、3號成井頭所制井窖口徑9～10cm，符合井窖口徑8～10cm的農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)；4號成井頭所制井窖口徑10～11cm，且有64%井窖口徑達(dá)11cm，實現(xiàn)了增大井窖口徑的設(shè)計目的。

2)井窖深。根據(jù)4種成井頭所制200個井窖，繪制成井窖深頻數(shù)分布直方圖如圖8所示。

圖8 井窖深頻數(shù)分布直方圖

由圖8可知：1號、2號、3號成井頭所制井窖深16～20cm。參照農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)，深度小于18cm井窖未達(dá)到農(nóng)藝要求。造成一定數(shù)量的井窖深未達(dá)標(biāo)的主要原因是：機手操作時，未等井窖深達(dá)到要求即提升成井頭所致。

4號成井頭所制井窖深14～18cm，且有64%井窖深未達(dá)農(nóng)藝要求。分析原因如下：一方面，機手操作不當(dāng)；另一方面，主要是4號成井頭尺寸增大后質(zhì)量顯著增大，致使操作較為費力所致。

3)回土高度。根據(jù)4種成井頭所制200個井窖的回土高度測試結(jié)果，繪制成回土高度頻數(shù)分布直方圖如圖9所示。

圖9 回土高度頻數(shù)分布直方圖

由圖9可知：回土高度主要集中在1～4cm之間，事實上井窖底部有一定的回土對幼苗的生長是有利的；當(dāng)井窖底部有1～3cm的回土?xí)r，幼苗的成活率最高。4種成井頭回土在1～3cm所占比例如表2所示。

表2 4種成井頭最佳回土百分比

由表2可知：回土作用最佳的是3號成井頭，其次依次是1號、2號和4號成井頭。4號成井頭所制井窖回土高度大于3cm的比例高達(dá)34%，主要原因是：4號成井頭尺寸增大，制作時動平衡難以達(dá)到要求，作業(yè)時成井頭振動過大。

4)成井效率。4種成井頭所制50個井窖所用時間如表3所示。

表3 4種成井頭制作50個井窖所用時間 Table 3 The time of 4 type well-cellar forming unit prototype

由表3可知：3號成井頭用時最短。主要原因是：成井頭小端外表面設(shè)有雙螺旋柱齒，在土壤有一定板結(jié)和小砂石的情況下，入土能力較強的緣故。4號成井頭用時最長，主要是由于成井頭過于笨重所致。

5)旋入能力及拔出能力。與傳統(tǒng)成井頭相比，改進后的成井頭增加了三角形轉(zhuǎn)尖和表面雙螺旋切削刃，提高了成井頭旋入和拔出的能力。特別是3號成井頭，對于粘重或板結(jié)的土壤條件，甚至是火石子地，其旋入能力有明顯的優(yōu)勢。4號成井頭因體積和質(zhì)量的增加，其旋入和拔出能力受到一定的影響。

4 結(jié)論

1)為了提高井窖制作機的耐磨性、旋入能力、楔切能力及拔出能力，成井頭的結(jié)構(gòu)改進應(yīng)從最前端設(shè)置三角形鉆尖和成井表面增設(shè)螺旋切削刃兩方面入手。在選材方面，優(yōu)質(zhì)碳素鋼是目前加工成井頭的最佳選擇。

2)1號、2號、3號成井頭所制井窖口徑9～10cm，符合農(nóng)藝要求。井窖深16～20cm，排除機手操作不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊懀焉羁蛇_(dá)農(nóng)藝要求。3號成井頭回土作用、成井效率優(yōu)于1號與2號成井頭，且對于粘重、板結(jié)土壤條件或火石子地有明顯的優(yōu)勢。

3)4號成井頭達(dá)到了增大井窖口徑的目的，但因其質(zhì)量大、操作費力，且動平衡未達(dá)要求，致使井窖深普遍較小，回土高度偏大、成井效率偏低。