土壤連作障礙綜合消減裝備設計與試驗

陸岱鵬 陶建平 馬艷 唐玉新 柏宗春 陳凱 呂曉蘭

摘要：針對目前設施蔬菜土壤連作障礙逐年加劇，設施蔬菜根結線蟲病危害越來越嚴重，直接威脅經濟作物的生產和農民的增收等問題，研制了一種土壤連作障礙綜合消減裝備，通過土壤深松裝置理論計算得出，深松裝置的生產率為36.00 m3/h、鏈刀絕對運動速度為2.03 m/s、刀片切削厚度為6.800 mm、鏈刀高度為10.000 cm、鏈刀寬度為84.000 mm、鏈刀總切削阻力為748.000 N、總切削功耗為152.000 kW·s/m3，通過經驗設計與理論設計相結合確定土壤深松裝置關鍵部件的設計，并運用SolidWorks軟件建立整機三維參數化數字模型，并完成樣機試制工作。為深入分析刀片與土壤互相作用的過程，建立了刀片-土壤的有限元模型，利用ANSYS軟件中的顯示動力模塊LS-DYNA對鏈刀土壤切削過程進行仿真分析，得出鏈刀在土壤切削過程中等效應力的極值為2.15 MPa，切入土壤之后刀片上的等效應力逐步下降，穩定之后在0.5 MPa左右變化，當刀片運動0.028 s切入土壤中時，土壤的等效應力達到極值，為113 Pa，之后等效應力迅速減小，并穩定在20 Pa以下。樣機的田間試驗結果表明，該機深松深度為390.0～410.0 mm，平均溝深為395.0 mm，開溝深度穩定性系數為98.3%，平均開溝寬度為495.0 mm，開溝寬度一致性為98.5%;土壤團粒直徑多在2～5 mm之間，全土層與地表100 mm土層團粒直徑范圍為3～35 mm，全土層與地表 100 mm 土層土壤團粒平均直徑分別為5.85 mm與5.94 mm，碎土率分別為98.3%與97.2%，基本滿足農藝要求。通過作業前后土壤緊實度的對比可以發現，深松后，土壤明顯疏松，硬度下降，通透性提高。采用棉隆熏蒸+深耕深松的方式，移栽后40天的發病率僅為53.5%，相對于參照區域，降低了23.6%，相對于棉隆熏蒸+正常翻耕區域，降低了25.7%，相對于深耕深松區域，降低了7.8%，說明使用本設計的土壤連作障礙消減裝置，可以降低土壤容重及硬度，并通過棉隆和土壤的深層攪拌，降低土壤連作障礙的發生率。同時可為果園、桑園、茶園等土壤連作障礙消減作業提供參考。

關鍵詞：農業機械;設計;有限元仿真;雙鏈條;深松施藥;試驗;西瓜

中圖分類號： S224.29?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）20-0241-07

近年來，隨著設施蔬菜溫室的擴建以及保護地連作和復種指數的增加，設施蔬菜連作障礙逐年加劇，蔬菜根結線蟲病危害越來越嚴重[1-2]。蔬菜根結線蟲可以危害瓜類、茄果類、胡蘿卜、白菜等幾十種蔬菜，已上升為蔬菜生產上的重要病害，直接威脅經濟作物的生產和農民增收。研究發現，使用98%棉隆微粒劑結合夏季高溫進行陽光消毒，能有效減輕番茄根結線蟲的危害程度，同時可降低約30%的棉隆用量[3]。土壤耕作活動能改變耕層土壤結構，不同耕作方式對土壤理化性質的影響不同，在土壤貯水能力、容重、溫度、微生物的種類和數量等方面存在差異，從而影響作物根系的生長以及對病蟲害的抵抗能力[4-5]。馬俊艷研究發現，耕作可改善土壤的物理性狀，深耕30 cm以上可使積聚于土壤表層的養分均勻分布于整個耕作層之內，改善土壤的水、氣、熱狀況，促進作物根系深扎，增強作物對惡劣環境和病蟲害的抵抗能力，在耕翻時配合環保型消毒劑棉隆的使用，對于促進土壤微生物活動的效果更好[6]。綜合上述方法，本試驗擬設計一種土壤連作障礙綜合消減裝備，以期同時實現棉隆撒施和土壤深松，使最大耕深達50 cm，實現土壤營養分布平衡，降低土壤容重及硬度，通過棉隆和土壤的深層攪拌，達到改善土壤理化性質的效果，降低土壤連作障礙的發生率。

1?樣機結構及主要技術參數

1.1?樣機結構

如圖1所示，土壤連作障礙綜合消減裝備整機包括土壤深松裝置和變量撒施裝置，通過掛接機構1與拖拉機聯接，調整架6安裝在掛接機構1上，拖拉機的動力經過動力輸出裝置（PTO）輸入軸傳遞到減速箱7，通過液壓缸2的伸縮，帶動調整架6上下浮動，可以切削不同的土壤深度，經過減速箱的動力帶動主動軸回轉，并帶動軸上的主動鏈輪10轉動，鏈條緊邊上刀片8沿延長架向上運動，連續切削土壤，切削下來的土壤在刀片的帶動下繞過主動鏈輪10卸載，卸載后的刀片沿延長架的上側往下運動，繞過從動鏈輪12和后旋轉輪9后繼續切削土壤，如此連續不斷工作，可達到土壤的深松效果;變量撒施裝置主要由施藥箱4、旋鈕3、施藥管道5及調速電機組成，可以通過調節電機的轉速和旋鈕3的旋緊程度來調節棉隆的施用量，達到精準撒施的目的;整機采用雙鏈條刮刀式土層切削裝置，在刀片8的連續切削和鏈條帶動下，撒在土壤表面的棉隆可與深層土壤自下而上均勻混合。

1.2?主要技術參數

該裝備工作環境為設施大棚、果園及農田等，土壤混層耕改區域寬30～50 cm、深30～50 cm，深松裝置效率 >100 m/h，上下土層混合均勻，縱向分布>80%;變量撒施裝置配備 250 W 調頻電機及電機調數器，可實現主軸轉速的調節，同時可通過調節漏肥口大小開關來調節外槽輪式排料器的容量，實現棉隆的變量撒施，針對土壤連作障礙消減的農藝特點，結合相關行業標準，設計確定該裝備主要技術參數（表1）。

2?理論設計

由土壤連作障礙綜合消減裝備的樣機結構可知，其主要運動是鏈刀不斷地切削土壤，實現對土壤的深松，因此對土壤深松過程進行運動學、動力學和功耗分析，可明確深松裝置的生產率Q、鏈刀絕對運動速度va、刀片切削厚度δ、鏈刀高度hc、鏈刀刀片寬度bc、鏈刀總切削阻力Ft、總切削功耗J等關鍵參數，為裝備的結構設計提供理論支撐。

2.1?土壤深松裝置的運動學分析

如圖2所示，根據運動學和幾何學原理，可分別推算出深松裝置的生產率Q、鏈刀絕對運動速度va、刀片切削厚度δ。

深松裝置的生產率：

鏈刀的絕對速度：

鏈式深松裝置縱向深松時，由于動力載荷作用在鏈刀上同時受切削土壤磨損因素的影響，它在作業過程中會產生微小的晃動，使其工作鏈刀的速度受到一定的限制。一般情況下，在礦物質土壤中工作時，鏈刀速度vc為1～2 m/s;在泥炭土中工作時，vc為3～4 m/s;工作鏈刀對水平面的傾角α為48°～65°。結合作業現場和農藝要求，本試驗選取鏈刀速度vc為2 m/s，鏈刀對水平面的傾角α為50°，把相關參數帶入式（2），得出鏈刀的絕對運動速度va=2.03 m/s。

帶入相關參數，由式（3）得鏈刀絕對運動速度va向量的傾角β為48.9°。

鏈刀高度hc取值為0.10～0.15 m，如果鏈刀高度取值超過此范圍，則鏈刀遇到障礙時，其工作部件承載的負荷就會加大。所以本試驗選定的鏈刀高度hc為0.10 m。

本設計中8把刀為一組，占據7個多鏈節，所以各組刀片中同一相位的刀片距離為7Lc。本設計中鏈節距選取30 A號，查找機械設計手冊可得，Lc為50.8 mm，把相關參數帶入式（4），可得δ=6.8 mm;由式（5）可得，鏈刀刀片寬度bc為84 mm。

切削寬度是刀片在每次切削時，在鏈寬度方向上所切削的土壤寬度，現深松50 cm寬的溝，設計由8把刀片組成一組，并使其排列方式滿足不重不漏，則刀刃切削寬度為

把相關參數帶入式（6）可得，b=50 mm。對選擇的鏈刀尺寸和鏈條節距進行驗證，正確選擇的切削寬度b應能滿足下列條件：

深松時，刀片受到主鏈輪的驅動和土壤阻力的作用，刀刃和鏈節軸承發生磨損和振動，為保證作業質量和避免過分的振動，需對鏈刀的運動速度作一定的限制，本研究中鏈刀線速度為2 m/s，對深松裝置的水平傾角與土壤的自然休止角進行比較，其比較原理如下：

式中：hc為鏈刀的高度;φr為松散土壤的自然休止角。對于土壤的自然休止角，是土壤在自然條件下，不滑坡的最大傾斜角度，結合實際深松情況，本研究選取的土壤休止角為30°～40°，取35°，鏈刀的高度hc=100 mm，Lc=50.8 mm，由于α=50°，所以φr+arctanhcLc=35°+63°>50°。因此根據式（8）計算可知，滿足式（7），故所設計的鏈刀尺寸和鏈條節距滿足要求。

2.2?土壤深松裝置的動力學分析

土壤深松裝置在深松作業過程中，每個刀片切割的土壤都具有一定的形態結構，它是計算切削阻力和生產率的基本條件。豎直刮刀的切削總阻力計算公式[7]為

式中：Cs表示土壤堅實度計的沖擊次數，取15次;δ表示切削厚度;δc表示刀片寬度;φ表示刀片切削角;eh表示刀片尖角計算系數，取0.81。將式（11）中的切削厚度、刀片切削角和刀片厚度作相應的調整后得到單個刀片的切削阻力為

帶入相關參數，得Fr=36.024 N，則深松裝置鏈刀總切削阻力為

式中：z表示鏈條上同時與土壤作用的刀片數，雙鏈條深松裝置工作時，有2組刀片，即約16把刀片同時切土。由于刀片受到各種沖擊的影響，在設計時應加入動載系數，一般情況下動載系數k0取1.3～1.5，則Ft=748 N。

2.3?土壤深松裝置的功耗計算

土壤深松裝置的總切削功耗為

帶入相關參數得，Pt=1.52 kW。

土壤深松裝置的總切削比功，即單位立方米作業量的切削功耗：

帶入相關參數得，J=152 kW·s/m3。

結合工作環境、農藝要求以及理論計算結果，確定了溝寬、溝深、整機前進速度、鏈速、生產率、切土阻力、總功耗、比功、切削厚度等基本參數（表3）。

3?刀片-土壤虛擬仿真分析

土壤連作障礙綜合消減裝備的主要工作過程是刀片切削土壤的過程，是一個復雜的非線性動態響應過程，既有土壤的變形破壞問題，也有刀片與土壤的接觸和摩擦等問題，深入分析刀片與土壤相互作用的過程對揭示土壤—機器系統的作用機制、優化刀片相關參數以及減小阻力、降低功耗有重要意義，本試驗結合SolidWorks、ANSYS/LS-DYNA等軟件，建立刀片與土壤相互作用的虛擬仿真模型，開展鏈刀切土過程的虛擬試驗研究，試圖快捷地研究刀片與土壤的相互作用過程，揭示刀片-土壤的工作機理。

3.1?刀片-土壤的三維參數化建模

首先在SolidWorks中建立好刀片實體模型，以STP格式導入ANSYS/LS-DYNA中建立模型，在建模時應注意單位的選取和實體與坐標系的方位，為方便下一步的有限元分析，在SolidWorks中以刀片刀柄處為原點，手動創建新坐標系CSO，然后在將模型存為初始圖形標準STP文件時選取手動創建的CSO坐標[8]，這樣即可將模型輸入到ANSYS/LS-DYNA中（圖3）。

3.2?前處理過程

前處理主要包括材料屬性、接觸類型、邊界約束、初始條件的設定。本次分析采用kg-m-s-n單位制，設定刀片材料為線彈性材料，即使用MAT001-ELASTIC材料模型，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.27，采用手動控制線條單元個數的方法劃分刀片有限元網格，結果如圖4所示。土壤本構關系的選擇對仿真分析的準確性影響很大，本試驗采用的材料為帶失效的土壤和可壓縮泡沫塑料模型，即SOIL-AND-FOAM-FAILURE本構模型[9]，其參數值如表4所示，土壤模型直接在LS-DYNA中建立，為150 mm×300 mm×300 mm的長方體，建立好的完整模型圖5。

根據實際運動情況可知，鏈刀作一個方向的切割運動。因此，給鏈刀一個X方向的初速度2.03 m/s，然后在土壤模型下端施加一個固定約束，限制其6個自由度，如圖6所示。將設置好的前處理文件保存為k文件格式，導入到APDL求解器中求解。

3.3?刀片-土壤虛擬仿真過程

刀片以2.03 m/s的初速度沿X方向切削土壤（圖7），切削過程中刀片刀刃首先接觸土壤，該處土壤受力發生凹陷變形，隨著刀片刀刃與土壤接觸面的增大，刀片周圍土壤也發生擠壓變形，并且部分與刀片直接接觸的土壤單元因被切斷破壞而失效，刀片進一步切削土壤，產生失效破壞的單元增多，后面還未與刀片接觸的土壤受前面土壤的擠壓也開始逐步發生變形，土壤發生變形破壞[10]（圖8）。

等效應力的極值發生在刀片切入土壤之后，位于刀刃處，圖9為刀刃上一節點在切割時等效應力的變化曲線，從曲線中可以看出，刀片在切割過程中，等效應力的極值為2.15 MPa，切入土壤之后刀片上的等效應力逐步下降，穩定之后在 0.5 MPa 左右變化。

此外，隨著刀片的切入，土壤的等效應力逐步增大，從圖10可以看出，刀片在切割過程中，當刀片運動0.028 s切入土壤中時，土壤的等效應力達到極值，為113 Pa，之后等效應力迅速減小，并穩定在20 Pa以下。

4?試驗與分析

4.1?試驗條件與材料

土壤連作障礙機械化消減裝置設計并制作完成后，于2018年4月16日在江蘇省淮安市農業科學研究院科研創新基地試驗大棚進行試驗，試驗大棚為跨度8.0 m、脊高3.2 m、肩高1.7 m的標準化塑料大棚，樣機田間試驗如圖11所示。試驗主要用卷尺、秒表、深度測試儀等來測量該機具的作業長度、時間、溝深、溝面寬等，相關數據測定方法參照國標[10-12]，經計算，拖拉機的前進速度約為3 m/min。

4.2?試驗方法

4.2.1?溝深穩定性及溝寬一致性測試

在50 cm×50 cm測區內的對角線上取5點，用耕深尺或標尺測定溝深和溝寬。測定方法：測出溝底到地表面的垂直距離，分別計算出30、50、80、100 m行程的平均溝深aj[TX-*5]、變異系數CV和穩定系數U，溝寬一致性與溝深穩定性計算方式與此相同。

4.2.2?碎土率測試

每行程測定1點，沿深松方向取樣。在50 cm×50 cm面積內，分別測定地表以下100 mm內土塊最長邊小于40 mm的土塊質量及土塊總質量、全層土塊最長邊小于80 mm的土塊質量及土塊總質量，按式（19）、式（20）計算出碎土率。

（1）地表100 mm內

式中：C10為地表100 mm內碎土率，%;Gs10為地表100 mm內小于40 mm土地總質量，kg;G10為地表100 mm內土塊總質量，kg。

（2）全土層

式中：C為全層碎土率，%;Gs為全層小于80 mm土地總質量，kg;G為全層土塊總質量，kg。

4.2.3?土壤緊實度試驗

為了驗證土壤連作障礙機械化消減裝置的深松效果，采用SC-900土壤緊實度儀進行試驗，當儀器探頭尖端與土壤接觸，并感受到壓力時，系統將這一壓力信號采集，并通過內置的標定曲線，將壓力轉化成土壤緊實度。試驗共選擇5個測試點，每個測試點從深度5 cm到 40 cm，每隔5 cm測1次，每個點共計測8次。

4.2.4?防控效果試驗

為了驗證土壤連作障礙機械化消減裝置的防控效果，于2018年6月16日在江蘇省淮安市農業科學研究院科研創新基地試驗大棚進行試驗，消減作業結束后，立即鋪設塑料薄膜和滴灌帶，采用內側壓膜法覆蓋塑料薄膜，塑料薄膜采用厚度大于0.03 mm的原生膜，鋪好后，及時通水，以確保土壤表面 5 cm 土層濕潤（圖12）。試驗對象為西瓜，選擇4種處理方式，分別為1區：深耕深松;2區：棉隆熏蒸+深耕深松;3區：棉隆熏蒸+正常翻耕;4區：對照（空白），測試不同處理方式下西瓜枯萎病的防控效果。

4.3?試驗結果

4.3.1?溝深及穩定性試驗結果

在5次開溝試驗測定中，開溝溝深為390.0～410.0 mm，平均溝深為395.0 mm，開溝深度穩定性系數為98.3%，開溝寬度一致性為98.5%，具體見表5，各項性能指標滿足設計與農藝要求。

通過溝深及穩定性試驗檢測相關參數合格率，沿開溝方向隨機取樣測量并與農藝要求進行對比，具體計算公式為

式中：Q為測量合格率，%;n1為符合農藝要求的測量次數;n2為測量總次數。

4.3.2?碎土率試驗結果

在5次試驗測定中，土壤團粒直徑多為2～5 mm，全土層與地表100 mm土層團粒直徑范圍為 3～35 mm，全土層與地表100 mm土層土壤團粒平均直徑分別為5.85 mm與5.94 mm，碎土率按式（20）、式（21）計算，分別為98.3%與97.2%，基本滿足農藝要求[13-15]。

4.3.3?土壤緊實度試驗結果

深松前后土壤緊實度試驗結果如表6所示，通過作業前后土壤緊實度的對比可以發現，深松后，土壤明顯疏松，硬度下降，通透性提高。

4.3.4?防控效果試驗結果

測試土壤4 cm深處溫度，為 25 ℃>24 ℃，根據NY/T 3129—2017《棉隆土壤消毒技術規程》要求，進行覆膜密封15 d和揭膜敞氣7 d后，進行西瓜苗的移栽（圖13），并測試移栽后40 d各處理發病率。從表7可以看出，采用棉隆熏蒸+深耕深松的方式，移栽后40 d的發病率僅為53.5%，相對于參照區域，降低了23.6%，相對于棉隆熏蒸+正常翻耕區域，降低了25.7%，相對于深耕深松區域，降低了7.8%，說明使用本設計的土壤連作障礙消減裝置，可以大幅降低土壤連作障礙的發生率。

5?結論與討論

本研究提出采用雙鏈條深耕深松耦合棉隆撒施的方式進行土壤連作障礙消減作業。雙鏈條鏈刀破土，變量施藥箱施棉隆，整機結構合理。

通過土壤深松裝置理論計算得出，深松裝置的生產率為36.00 m3/h、鏈刀絕對運動速度為2.03 m/s、刀片切削厚度為6.800 mm、鏈刀高度為10.000 cm、鏈刀寬度為 84.000 mm、鏈刀總切削阻力為748.000 N、總切削功耗為 152.000 kW/（m3·s），通過經驗設計與理論設計相結合確定土壤深松裝置關鍵部件的設計，并運用SolidWorks軟件建立整機三維參數化數字模型，并完成樣機試制工作。

建立了刀片-土壤的有限元模型，利用ANSYS軟件中的顯示動力模塊LS-DYNA對鏈刀土壤切削過程進行仿真分析，得出鏈刀在土壤切削過程中等效應力的極值為 2.15 MPa，切入土壤之后刀片上的等效應力逐步下降，穩定之后在0.5 MPa左右變化，當刀片運動0.028 s切入土壤中時，土壤的等效應力達到極值，為113 Pa，之后等效應力迅速減小，并穩定在20 Pa以下，由結果可以得出，鏈刀設計符合強度要求，可以快速切削土壤。

樣機的田間試驗結果表明，該機深松深度為390.0～410.0 mm，平均溝深為395.0 mm，開溝深度穩定性系數為98.3%，平均開溝寬度為495.0 mm，開溝寬度一致性為98.5%;土壤團粒直徑多在2～5 mm之間，全土層與地表 100 mm 土層團粒直徑范圍為3～35 mm，全土層與地表 100 mm 土層土壤團粒平均直徑分別為5.85 mm與5.94 mm，碎土率分別為98.3%與97.2%，基本滿足農藝要求。

通過作業前后土壤緊實度的對比可以發現，深松后，土壤明顯疏松，硬度下降，通透性提高。采用棉隆熏蒸+深耕深松的方式，移栽后40 d的發病率僅為53.5%，相對于參照區域，降低了23.6%，相對于棉隆熏蒸+正常翻耕區域，降低了25.7%，相對于深耕深松區域，降低了7.8%，說明使用本設計的土壤連作障礙消減裝置，可以降低土壤容重及硬度，并通過棉隆和土壤的深層攪拌，降低土壤連作障礙的發生率。

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