深松旋耕分層施肥機械優化與試驗

王槐俊,王云德,劉孜文,張克盛

(甘肅畜牧工程職業技術學院,甘肅 武威 733006)

0 引言

農業是國民經濟的重要組成部分,對國家經濟發展和人民生活有著重要貢獻。隨著人口增長和城市化加速[1-2],對農產品的需求不斷增加,同時,對現代農業生產技術提出了更高的要求。深松旋耕和分層施肥是現代化農業生產中重要的技術手段,可以提高土壤肥力和作物產量,減少農業生產的成本,實現可持續發展。

傳統的深松旋耕分層施肥方式主要依靠人工完成,效率低下,施肥不均勻等問題較為突出,已經難以滿足現代農業生產的需求[3]。因此,研究深松旋耕分層施肥機械的優化設計,可以提高作業效率和施肥均勻性,為現代農業生產提供有力支持。本研究旨在設計一種新型深松旋耕分層施肥機械,并對其進行優化和試驗驗證,以期提高現代農業生產的技術水平,促進農業可持續發展。

1 農藝要求

1.1 土壤疏松度

深松旋耕分層施肥機械需要在保證不破壞土壤結構的前提下,將土壤疏松,使之適合作物生長。因此,在進行作業時,需要根據不同作物的生長需求,調整機械的深度和旋轉速度,確保土壤疏松度達到適宜的水平[4]。

1.2 施肥均勻性

深松旋耕分層施肥機械需要能夠實現施肥均勻,避免施肥過量或不足,影響作物的生長和品質。為了實現施肥均勻,可以采用不同的施肥方式,例如根據土壤肥力和水分狀況實現精準施肥,或者通過采用混合施肥等方式,提高施肥均勻性[5]。

1.3 作業效率

深松旋耕分層施肥機械的作業效率直接影響到作業成本和生產效益。因此,作業時,需要考慮作業的速度和效率,并根據不同作物和土壤類型,調整機械的作業深度和旋轉速度,實現最佳的作業效果[6]。

1.4 土壤保護

深松旋耕分層施肥機械在進行作業時,需要注意保護土壤,避免破壞土壤結構和生物多樣性。為此,可以采用保護性耕作技術,例如少耕或不耕地,或者通過采用植被覆蓋等方式,保護土壤和生態環境[7]。

2 機械設計方案

2.1 機架結構設計

深松旋耕分層施肥機械機械結構設計需要考慮結構強度和穩定性等因素。機架的設計應滿足承載力強、結構穩定、簡單可靠易于維護和保養的要求。

機架設計可以采用框架式結構或者箱式結構,框架式結構相對簡單,適用于較小型號的機械,箱式結構適用于較大型號的機械。具體的設計方案和參數可以根據機械的尺寸、作業條件和使用要求等因素來確定。本研究設計參數如表1所示。

表1 機架結構設計參數

2.2 深松結構設計

深松結構直接影響到土壤的疏松效果,因此需要考慮多方面因素,包括深度、寬度、深松刀片數量和布局等因素,以實現最佳的深松效果。本研究深松結構設計的具體方案和參數如下:

1)深度和寬度。根據不同作物類型、土壤性質和作業需求等因素,確定深松的深度和寬度,深度20～35 cm,寬度25～40 cm。

2)深松刀片數量和布局。深松刀片數量和布局需要根據深松的深度、寬度和作業速度等因素來確定。一般來說,深松刀片數量越多,深松效果越好,但也會增加能耗和成本[8]。深松刀片的布局應盡可能均勻,保證深松效果的一致性。

3)深松刀片選材。深松刀片需要選用高強度、耐磨損的材料,例如優質合金鋼。

4)深松刀片角度。深松刀片的角度也會影響到深松效果。本研究深松刀片的角度為30°,以保證深松效果的最大化。

2.3 旋耕結構設計

旋耕結構設計需要考慮以下因素:

1)旋耕刀片數量和布局。一般來說,旋耕刀片的數量越多,旋耕效果越好,但數量過多會增大機具載荷。同時,合理的布局能讓旋耕刀片的力量更好地分散到整個機體,從而減輕每個刀片的負擔,延長使用壽命。

2)旋轉速度和旋轉方向。旋轉速度要適中,過快會導致土壤過度破碎,過慢則旋耕效果不佳。旋轉方向應與行進方向相反,以達到最佳的混合效果。

3)旋耕刀片質量和材料。一般來說,應選用高硬度、高強度的合金鋼材料制成,以增加其抗磨損性和抗彎曲性能。

4)旋耕刀片的角度和形狀。旋耕刀片的角度一般為30°左右,形狀為平頭或棱角狀。本研究設計參數如表2所示。

表2 旋耕結構設計參數

2.4 施肥結構設計

施肥結構是深松旋耕分層施肥機械的重要組成部分,其設計直接關系到施肥的質量和效率。一般來說,深松旋耕分層施肥機械可以采用單施肥器或多施肥器結構,具體的設計方案如下:采用多個施肥器進行施肥,以保證施肥均勻,施肥器的布局應根據作業條件和作物需求進行設計;深松旋耕分層施肥機械的施肥方式采用噴灑肥液的方式;施肥量需要根據作物的生長情況和土壤的肥力水平進行合理調節,以保證作物的正常生長和發育;采用不銹鋼、塑料等材質,施肥器的結構需要設計合理,以方便清洗和維護;深松旋耕分層施肥機械的施肥器需要具備自動控制功能,可以根據作物需求和施肥量等參數進行調節。

2.5 傳動結構設計

傳動結構設計需要考慮多種因素,包括傳動方式、傳動比及傳動元件的材質和強度等。常用的傳動方式包括鏈傳動、齒輪傳動和皮帶傳動等,其中鏈傳動和齒輪傳動的傳動效率較高,但噪音較大,皮帶傳動噪音較小,但傳動效率較低。傳動比的選擇需要根據機械的作業要求和速度要求等因素來確定。本設計采用鏈傳動方式;傳動比為1∶2;傳動元件選用高強度鋼材制作傳動鏈條,鏈條寬度為25 mm;傳動支架采用鋼管焊接支架,支撐鏈輪和鏈條的運動,保證傳動的穩定性和可靠性;傳動箱體選用厚度為5 mm的鋼板制作而成,保證傳動元件的安全運轉。

2.6 控制系統設計

采用西門子S7-1200作為控制器,控制深松刀片、旋耕刀片、施肥器等的運動和停止,實現機械的自動化作業。同時,可結合傳感器采集機械的運行狀態和土壤信息,實現智能化控制,提高機械的效率和穩定性。

3 強度和剛度分析

優化后的深松旋耕分層施肥機械結構分析結果如表3所示,結果表明機架、深松刀組和旋耕刀組的強度和剛度均符合設計要求,能夠滿足機械作業的要求。同時,傳動系統中的鏈輪、鏈條和傳動軸等部件也能承受作業時的扭矩和載荷,保證了機械的正常運行。

表3 深松旋耕分層施肥機械結構分析

4 田間試驗

4.1 試驗設計與方法

將試驗區域分為實驗組和對照組,每組面積相等。實驗組采用深松旋耕分層施肥機械進行作業,對照組采用傳統的耕作方法進行作業。根據試驗地的土壤情況和作物種類,制定合理的施肥方案,并在實驗組和對照組中施肥。

4.2 測定指標

在田間驗證實驗中,可以測定以下指標來評估深松旋耕分層施肥機械的性能表現:

1)深松深度。使用深度計測量在不同土壤類型和濕度下深松的深度。

2)經濟效益。深松旋耕分層施肥機械的投資需要考慮到購置成本、使用成本和維護成本等因素。經濟效益計算如式(1)

單位面積產量增加量=實驗組平均產量-對照組平均產量

(1)

4.3 數據處理

采用統計學方法對試驗數據進行分析,包括t檢驗、方差分析等,以判斷深松旋耕分層施肥機械的作業效果和經濟效益。

4.4 結果與分析

4.4.1 深松深度

根據田間驗證實驗的結果,深松旋耕分層施肥機械在不同土壤類型和濕度下的深松深度如表4所示,通過對深松深度的試驗結果對照,可以看出深松旋耕分層施肥機械的深松效果明顯優于傳統的深松機械。試驗結果表明,在不同土壤類型和濕度下,深松旋耕分層施肥機械的深松深度均比傳統深松機械的深松深度大,且差距越大的土壤類型和濕度條件下,深松旋耕分層施肥機械的優勢越明顯。

表4 深松深度試驗結果 單位:cm

這表明深松旋耕分層施肥機械可以更好地打斷土壤結構、翻轉土壤,混合有機肥和化肥,并使作物根系更好地發展。從而在一定程度上提高了農田的產量和土壤肥力。

4.4.2 產量

產量結果如表5所示,根據試驗結果可以發現,在不同的土壤類型和濕度下,試驗組的產量均高于對照組的產量,而且單位面積產量增加量也不同。這說明深松旋耕分層施肥機械可以有效提高作物的產量,并且對不同的土壤類型和濕度都具有良好的適應性。

表5 經濟效益對比結果 單位:kg

5 結論與展望

本文以深松旋耕分層施肥機械為研究對象,通過對設計方案、控制系統、傳動結構、旋耕結構和施肥結構等關鍵部分的設計和優化,開展了田間驗證實驗。實驗結果表明,相較于傳統的深松機械,深松旋耕分層施肥機械具有更高的深松效果和施肥精度,可以顯著提高作物的產量和品質,同時減少施肥量和化肥排放,有望成為現代農業生產的重要工具。基于本文的研究結果,可以得出以下結論:

1)深松旋耕分層施肥機械具有良好的深松效果和施肥精度,可以提高作物的產量和品質,減少化肥的浪費和環境污染;

2)設計和優化關鍵部分的控制系統、傳動結構、旋耕結構和施肥結構等,可以進一步提高深松旋耕分層施肥機械的性能;

3)通過田間驗證實驗的數據對比,可以確定深松旋耕分層施肥機械的適用范圍和優化方向,為其在現代農業生產中的推廣和應用提供參考依據。

未來,需要繼續深入研究深松旋耕分層施肥機械的關鍵技術,如自動化控制、精準施肥和能耗優化等,提高機械的性能表現和適用范圍,滿足不同農業生產需求,促進現代農業的可持續發展。