玉米深松機(jī)械的能耗分析及節(jié)能措施研究

胡明學(xué)

(龍江縣山泉鎮(zhèn)人民政府,黑龍江 龍江 161100)

0 引言

深松耕作可以改善土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤通氣性、保水性以及養(yǎng)分供應(yīng)能力。深松機(jī)械通過翻松土壤,打破犁底層,使土壤更松散,增加耕作層和心土層之間的水肥流通[1-2]。由于深入犁底層的土壤更加緊密和堅(jiān)硬,需要更多的能量和功耗來進(jìn)行耕作,因此,進(jìn)行深松作業(yè)時(shí)會遇到較大的耕作阻力,從而導(dǎo)致能耗較高。

隨著全球能源資源的緊缺和環(huán)境污染的加劇,節(jié)能減排已成為全球普遍關(guān)注的重要議題,在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù),節(jié)能減排成為一個(gè)重要的目標(biāo)[3]。

針對以上問題,本文以玉米為研究作物,分析影響玉米深松機(jī)械能耗的主要因素與作業(yè)條件,提出玉米深松機(jī)械節(jié)能措施。研究成果以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一定的理論和實(shí)踐指導(dǎo),同時(shí)推動玉米深松機(jī)械的可持續(xù)發(fā)展。

1 玉米深松機(jī)械基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

玉米深松機(jī)械主要由支撐架、機(jī)架、懸掛架和深松鏟四個(gè)部分組成(圖1)[4]。

圖1 玉米深松機(jī)械基本結(jié)構(gòu)示意圖

1)支撐架。支撐架是深松機(jī)械的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),用于支撐和固定其他部件,通常由堅(jiān)固的金屬材料制成,可以提供穩(wěn)定的支撐和承載能力。

2)機(jī)架。機(jī)架是深松機(jī)械的主要框架結(jié)構(gòu),承擔(dān)著支撐和連接其他部件的作用,機(jī)架主要由強(qiáng)度高、剛性好的材料制成,以確保機(jī)械的穩(wěn)定性和可靠性。

3)懸掛架。懸掛架主要功能是將深松機(jī)械與拖拉機(jī)或其他牽引設(shè)備進(jìn)行連接,位于機(jī)架的后部,并具有調(diào)節(jié)功能,可根據(jù)需要調(diào)整深松鏟的工作深度和角度。

4)深松鏟。深松鏟是深松機(jī)械的主要工作部件,在工作過程中將土壤松動和翻耕,由堅(jiān)固的金屬材料制成,具有鋒利的邊緣和彎曲的形狀,以便有效地進(jìn)入土壤并將其翻動[5]。

玉米深松機(jī)械作業(yè)時(shí),動力系統(tǒng)提供所需的能量,驅(qū)動傳動系統(tǒng)使深松器開始旋轉(zhuǎn),深松鏟開始插入土壤中,同時(shí)底盤帶動深松器移動[6-7]。在深入土壤的過程中,深松鏟產(chǎn)生摩擦力,使土壤顆粒之間發(fā)生相對位移,從而疏松土壤(圖2a)。玉米深松作業(yè)又被稱為“虛實(shí)并存”的作業(yè)方式,是實(shí)現(xiàn)高效深松效果的耕作標(biāo)準(zhǔn),主要是指深松作業(yè)后的土壤包括疏松土壤(虛),和未擾動土壤(實(shí))兩種狀態(tài)(圖2b)。

1.土壤;2.深松器;3.深松部分;4.未深松部分

2 玉米深松機(jī)械的能耗影響因素

2.1 土壤條件

不同的土壤類型和質(zhì)地會對深松機(jī)械的能耗產(chǎn)生影響,包括濕度、黏性、疏松度、含水量等。潮濕的土壤會增加機(jī)械在作業(yè)過程中的摩擦阻力,使能耗增加;過度濕潤的土壤還會導(dǎo)致機(jī)械下沉和陷入,增加工作阻力和能耗。黏土質(zhì)地的土壤具有較高的黏性,會增加機(jī)械與土壤之間的黏附力和摩擦阻力,黏土質(zhì)地的土壤還可能引起機(jī)械零部件的卡滯和堵塞,進(jìn)一步增加能耗[8]。壓實(shí)的土壤會增加機(jī)械在作業(yè)過程中的阻力,還會導(dǎo)致機(jī)械行走時(shí)的顛簸和震動,增加能耗。當(dāng)土壤含水量過高時(shí),土壤會變得濕潤和黏稠,增加了機(jī)械在作業(yè)過程中與土壤顆粒之間的黏附力，當(dāng)土壤含水量過低時(shí)，土壤會變得干燥和堅(jiān)硬,增加了機(jī)械在作業(yè)過程中與土壤之間的摩擦和阻力,進(jìn)一步增加能耗。

2.2 作業(yè)參數(shù)

作業(yè)深度、作業(yè)速度和作業(yè)寬度是影響深松機(jī)械能耗的重要因素。作業(yè)深度越深克服土壤阻力需施加更大力量,導(dǎo)致能耗增加;較高的作業(yè)速度使機(jī)械需要產(chǎn)生更大的動力以保持高速運(yùn)行和完成作業(yè)任務(wù),從而增加了能耗,較低的作業(yè)速度可以降低能耗,但可能會延長作業(yè)時(shí)間;較小的作業(yè)寬度可以減少機(jī)械與土壤之間的摩擦和阻力,但是較小的作業(yè)寬度需要進(jìn)行更多的工作次數(shù)才能完成整個(gè)作業(yè)區(qū)域,導(dǎo)致整體作業(yè)效率降低。

研究結(jié)果表示,需要根據(jù)土壤條件、作物需求和機(jī)械性能等因素綜合考慮,選擇合適的作業(yè)深度、作業(yè)速度和作業(yè)寬度,在降低能耗的同時(shí)提高深松機(jī)械的工作效率。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

首先機(jī)械結(jié)構(gòu)中的接觸面和運(yùn)動部件之間會發(fā)生摩擦,摩擦?xí)?dǎo)致熱量的產(chǎn)生和能量的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而消耗額外的能量資源,導(dǎo)致能量損耗;另一方面,田間作業(yè)過程中的振動和變形也會影響深松機(jī)械能耗。發(fā)生振動時(shí),能量會以機(jī)械振動的形式進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)換,振動過程中會產(chǎn)生機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能或聲能的能量散失;當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí),會產(chǎn)生彈性勢能的轉(zhuǎn)換和損失。因此,機(jī)械振動和變形不僅會導(dǎo)致能源浪費(fèi),還會使實(shí)際輸出能量降低,從而增加能耗。為了降低能耗,需要通過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和減少振動及變形,從而減少能量的散失,提高機(jī)械的工作性能。

3 玉米深松機(jī)械節(jié)能措施

3.1 優(yōu)化動力系統(tǒng)

3.1.1 選擇高效能源和動力系統(tǒng)

優(yōu)先選擇燃油效率高的發(fā)動機(jī)或電動機(jī),在選用內(nèi)燃機(jī)作為動力源時(shí),選擇具有先進(jìn)燃燒技術(shù)和燃油噴射系統(tǒng)的高效發(fā)動機(jī),提高能源利用率。

3.1.2 定期維護(hù)和保養(yǎng)動力系統(tǒng)

在使用深松機(jī)械的過程中,定期更換空氣濾清器、燃油濾清器和機(jī)油濾清器,以保持動力系統(tǒng)的順暢運(yùn)行。同時(shí)檢查和調(diào)整發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng),保證其正常運(yùn)行和高效工作。

3.1.3 推廣替代能源

在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評估和技術(shù)試驗(yàn)條件下,使用替代能源來驅(qū)動深松機(jī)械。如通過安裝太陽能光伏電池板,將太陽能轉(zhuǎn)化為電能為深松機(jī)械提供所需動力,在田間工作過程中不產(chǎn)生排放物,對環(huán)境影響較小。同時(shí),隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展和成本的下降,太陽能應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的可行性和經(jīng)濟(jì)性也在提高。

3.2 采用高效動力系統(tǒng)

通過采用高效動力系統(tǒng),可以有效降低玉米深松機(jī)械的能耗。首先可以選用高效率、低排放、低能耗的發(fā)動機(jī),如新型柴油機(jī)、天然氣發(fā)動機(jī)等;其次可以采用先進(jìn)的動力傳動技術(shù),如電力傳動、液壓傳動等,減少深松機(jī)械能量損失和摩擦損耗,提高機(jī)械的能效,最后可以使用回收制動能量,將制動能量轉(zhuǎn)化為電能或其他形式的能量,并存儲起來以供后續(xù)使用。這樣可以最大限度地利用能量,減少能源浪費(fèi),降低機(jī)械的能耗。

3.3 采用新型設(shè)計(jì)理念

3.3.1 模塊化設(shè)計(jì)

將深松機(jī)械按照功能或結(jié)構(gòu)分成若干模塊,通過組裝和拆卸實(shí)現(xiàn)不同功能和形態(tài)的機(jī)械,每個(gè)模塊具有特定的功能或任務(wù),可以根據(jù)需要選擇所需模塊,而不需要攜帶整個(gè)機(jī)械系統(tǒng),可以減少機(jī)械的體積和重量,從而降低機(jī)械在運(yùn)動中所受到的阻力和慣性,減少能耗。

3.3.2 輕量化設(shè)計(jì)

采用輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料,如鋁合金、復(fù)合材料等,替代傳統(tǒng)材料。鋁合金具有較低的密度和良好的強(qiáng)度特性,可以替代鋼材用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,進(jìn)而降低整機(jī)重量,另一方面,在保持機(jī)械強(qiáng)度的前提下,采用薄壁結(jié)構(gòu)、中空結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì),可以在保證機(jī)械剛度的同時(shí)降低重量,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。

3.4 使用智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)可以通過傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測深松機(jī)械的工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù),結(jié)合自適應(yīng)算法和優(yōu)化策略,基于田間工作數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的優(yōu)化目標(biāo),動態(tài)調(diào)整深松機(jī)械的工作模式,實(shí)現(xiàn)深松機(jī)械智能化調(diào)整工作深度、速度和其他相關(guān)參數(shù)。此外,智能控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)深松機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷,通過遠(yuǎn)程監(jiān)控,操作人員可以隨時(shí)掌握深松機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài),并及時(shí)調(diào)整工作參數(shù),提前發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題,減少機(jī)械的能耗和故障停機(jī)時(shí)間。

4 結(jié)論

本文通過對玉米深松機(jī)械的能耗分析和節(jié)能措施的研究,可以得出以下結(jié)論:

1)玉米深松機(jī)械的能耗主要來自于動力系統(tǒng)和工作部件的摩擦阻力。因此,降低機(jī)械的摩擦阻力是降低能耗的關(guān)鍵。

2)影響玉米深松機(jī)能耗的主要因素包括土壤條件、作業(yè)參數(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等,因此,需要選擇適宜的土壤條件,并且在深松機(jī)的設(shè)計(jì)和制造過程中優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu),減少能量損耗,以提高整體能效。

3)已有相關(guān)研究表明,采用優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、采用高效動力系統(tǒng)、合理選擇工作參數(shù)和采用新型設(shè)計(jì)理念等措施可以有效降低玉米深松機(jī)械的能耗。在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)機(jī)械的工作條件和使用要求,選擇合適的節(jié)能措施,并結(jié)合多種措施綜合實(shí)施,以達(dá)到最佳的節(jié)能效果。