合墒碎土机的设计与试验研究

刘恩宏

（哈尔滨市农业科学院，哈尔滨150029）

合墒碎土机的设计与试验研究

刘恩宏

（哈尔滨市农业科学院，哈尔滨150029）

针对耕整机具作业后，土垡间存在很多较大的孔隙，土壤的松碎程度与地表的平整度还不能满足播种和栽植的要求，达不到待播状态。设计了一种牵引式合墒碎土机，阐述了其总体结构，研究了对称分布的球面圆盘式合墒机构，分析其运动特性，并以作业速度、合墒盘直径和合墒盘偏角为影响因素对其工作性能进行正交试验研究。田间试验结果表明：作业速度为12 km·h-1，合墒盘直径为460 mm，合墒盘偏角为18°时，得到较优工作参数，即平整度标准差为0.442 cm，地表10 cm内碎土率为90.81%，满足深耕浅覆、镇压保墒、集雨抗旱等农艺要求。

农业机械；设计；试验；合墒；碎土

我国北方（特别是东北）干旱缺水，地力下降，水土流失严重等问题，对农业粮食产量影响甚大［1-4］。传统耕作方法，无论是春播前的旋耕作业，还是秋收后的灭茬、深松联合作业，土壤均达不到上层细碎紧实，中层全面松动，下层虚实相间的耕层结构，无法为作物的发芽和生长创造良好的条件［5-6］。因此必须尽快开展以蓄水保墒、培肥地力为核心的保护性耕作技术研究，推广研制适用于东北旱作区农机与农艺紧密结合的综合技术及与之适应的关键技术装备［7-9］。

针对这一现状，设计了一种牵引式合墒碎土机，对整机结构进行设计，并通过田间正交试验研究，得出平整度值低而碎土率高时，作业速度、合墒盘直径和合墒盘偏角三者之间的优化组合。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构及技术参数

牵引式合墒碎土机主要是针对灭茬、深松等耕整机具作业后覆土碎土等问题而设计的。如图1所示，牵引式合墒碎土机主要由牵引架、合墒装置、机架、碎土加压装置和碎土装置等组成。

主要技术参数：整机外形尺寸（长×宽×高）为2 800 mm×2 000 mm×1 100 mm，配套动力40.4 kW以上，整机质量为460 kg，作业幅宽为1 700 mm，合墒行距为660～760 mm（可调），合墒深度为60～100 mm，作业速度为5～12 km·h-1。

图1 合墒碎土机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of field-ditch filling and breaking machine

牵引式合墒碎土机作业时，拖拉机通过牵引装置将牵引力传递给机具，在重力和牵引力的共同作用下，通过添加配重的方式，使机具达到合理的入土工作深度；通过对称分布的球面圆盘式合墒装置的剪切和摩擦作用力，使土壤表层出现相对位移，以达到疏松土壤和平整地表的作用；同时碎土装置对地表进行镇压与平整，将土壤中较大的土块抛起并打碎，把适合种子发芽的土壤均匀平铺在一个平面上，形成有利于作物生长的土壤耕层结构，使其达到待播状态。

2 关键部件设计

2.1 合墒装置设计

2.1.1 合墒盘直径

根据球面合墒盘入土深度、土壤扰动量及根茬处理技术等要求，按照公式（1）计算球面合墒盘直径。

式中K——径深比系数；a——设计合墒深度，mm。

根据不同的合墒盘入土深度，计算出球面合墒盘直径分别为460 mm、560 mm和660 mm。

2.1.2 合墒装置结构

因此，术前增加营养支持治疗，改善患者自身营养状况，降低患者体内炎症因子水平，选择自体骨粒进行移植，尤其是对于年龄较高和累及多个椎体的患者，可促进胸腰椎结核手术患者的早期植骨融合，促进术后康复。

合墒装置主要由固定连接架、压缩弹簧、支撑梁、连接板、合墒支柄及合墒盘等组成，其结构如图2所示。球面合墒盘通过带座轴承安装在合墒支柄上，螺栓将合墒支柄固定在连接板上，连接板上的槽可以调整其安装角度，连接板焊接在支撑梁上，并与固定连接架相连，压缩弹簧安装在固定连接架与支撑板之间，提供预紧力，并可以通过双螺母来调节预紧力的大小。

图2 合墒装置结构示意图Fig.2 Schematic diagram of field-ditch filling implement

由于合墒盘刃口平面与机具的前进方向成一定的锐角，合墒盘在滚动的同时沿前进方向平动，从而起到推土、铲草、碎土和覆土的作用，如图3所示。

图3 合墒盘任意一点运动轨迹分析简图Fig.3 Diagram of moving trajectory on the field-ditch filling disc

2.2 碎土装置设计

2.2.1 碎土装置结构

碎土装置的作用是对土壤表层土块再次疏碎并压实，以减小土块的间隙，被扬起的小土块和细土粒落在地表，形成上虚下实的理想种床，防止水分蒸发损失（保墒），同时还利于深层土壤水分通过毛细管上升，聚集在播种层，促进种子发芽（提墒）［10-13］。如图4所示，碎土装置由横梁、连接板、带座轴承和碎土辊等组成。

图4 碎土装置结构示意图Fig.4 Schematic diagram of soil breaking implement

2.2.2 碎土辊直径

碎土辊是由六片凹面钢板焊接而成的，这种结构即保留了栅条式碎土棍的入土、复土和滚动碎土功能，又可利用凹形曲面对土壤进行细化和镇压，并且具有下透力大，能将心土压实，滚动阻力小和作业效率高等优点。

根据阻力的大小与碎土辊的半径成反比的原理，适当加大碎土辊直径以减小滚动阻力。并且依据碎土辊最小直径应满足式（2）的计算值

式中d——碎土辊直径，mm；a1——碎土辊轮辙深度，mm；α——碎土辊翻转角。

由公式（2）确定碎土辊直径d=460 mm较为适宜。

2.3 碎土加压装置

碎土镇压强度低起不到提墒效果，但过高又会造成土壤板结而影响作物出苗生长，因此在保证碎土镇压强度的条件下，直径和宽度应尽量取小值［13-15］。碎土辊直径为460 mm，宽度为1 700 mm，用厚度为6 mm的凹面钢板焊接而成，质量为189 kg，碎土辊接地面积为

式中L——碎土辊与地面接触弧段的弦长，mm；b—碎土辊宽度，mm；r——镇压轮半径，mm；φ为土壤对碎土辊阻力的合力与垂直方向的夹角。

镇压强度为

3 平整碎土性能试验

3.1 试验条件

2011年在农业科学院实验基地安排了样机的田间试验。土壤类型为黑土，土壤容重为1.4 g·cm-3，土壤含水率平均值为21.7%，地表10 cm内土壤坚实度平均值为23.7 kPa。试验前对试验田进行灭茬、深松处理，使试验地表面平坦，无浮茬，达到理想的试验条件。

试验仪器设备有纽荷兰904型拖拉机一台，电子天平一台，土壤水分测定仪一台，土壤坚实度仪一台，SET-1型电子秒表一块，30 m纤维卷尺一把，耕深尺一把。

3.2 试验方案

试验目的是寻求合墒碎土的最优工艺参数，即保证碎土率高、平整度值低的情况下，关键部件的最优参数组合。根据牵引式合墒碎土机的结构、工作原理及关键工作部件的位置关系，结合前期单因素试验的分析结果，选择试验因素为：作业速度、合墒盘直径和合墒盘偏角，并考虑合墒盘直径与合墒盘偏角之间的交互作用。试验因素水平如表1所示。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels table of experiment

选用L9（34）的正交表来安排正交试验，试验以碎土率和平整度作为响应指标，试验参数和实验结果如表2和表3所示，图4和图5分别为碎土率和平整度的变化趋势图。

表2 碎土率试验结果Table 2 Results of soil breaking rate

图5 碎土率变化趋势Fig.5 Soil breaking rate trend

图6 平整度变化趋势Fig.6 Flatness trend

4 试验数据分析

4.1 数据分析

由表2、表3的极差大小可以得出各因素对目标函数影响的主次顺序。碎土率依次为B、A、C、B×C，平整度依次为C、B、A、B×C。根据表2、表3中的试验结果，得出初步最优组合为A3B1C3。为了寻求最优的参数水平组合，对数据进行方差分析，分析结果如表4、表5所示。

由表4、表5的方差分析表可以看出，当显著性水平α为0.05时，因素A、B对碎土率和平整度有显著影响，其他因素对试验指标的影响相对较小。碎土率数值越大说明碎土效果越好，而平整度值越小表明地表平整度越高，通过对试验数据的分析可知，最优的参数组合为A3B1C3，该试验水平组合即为试验7，与运用极差分析所得结果一致，即作业速度为12 km·h-1、合墒盘直径为460 mm、合墒盘偏角为18°，此时平整度标准差为0.442 cm，地表10 cm内碎土率为90.81%。

4.2 验证试验

为了验证最优方案的稳定性与合理性，选取上述试验中的最优参数水平做多次重复试验，并取试验结果的平均值进行验证，验证试验结果如表6所示。

表3 平整度试验结果Table 3 Results of flatness experiment

表4 试验结果对碎土率影响的方差分析表Table 4 Variance analysis of experiment results to soil breaking rate

表5 试验结果对平整度影响的方差分析表Table 5 Variance analysis of experiment results to flatness

表6 验证试验结果Table 6 Verification experiment results

由表6可知，验证试验结果表明，采用最优组合方案，碎土率和平整度的实测值虽然比预测值稍小一点，但差值不大，且均在农艺要求范围内，碎土率大于90%，平整度小于0.45 cm。

5 结论

（1）根据保护性耕作要求，设计了一种牵引式合墒碎土机。整机主要由牵引架、合墒装置、机架、碎土连接架、碎土装置等组成，合墒装置采用对称式球面圆盘，碎土装置由六片凹面钢板焊接而成，实现了碎土覆土、镇压保墒的目的。

（2）以碎土率和平整度为响应指标，进行了田间正交试验，确定了合墒碎土机的最优工作参数组合为：作业速度为12 km·h-1、合墒盘直径为460 mm、合墒盘偏角为18°。验证试验表明，该机地表10 cm内碎土率大于90%，平整度小于0.25 cm，在作业性能上满足了农业技术要求。

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Design and Experiment of Field-ditch Filling and Breaking M achine

Liu Enhong
（Harbin Academy of Agricultural Sciences，Harbin 150029）

There were a lot of larger pores between the soil，the loose level and flatness of the soil after tillage equipment working，which could not fulfill the sowing and planting requirements.A trailing type of field-ditch filling and breaking machine was designed.Its general structure was expounded，the symmetrical type of spherical field-ditch filling disc studied and the motion characteristics analyzed.The three factors and three levels orthogonal tests were designed in the experiment that working velocity，diameter of the soil moisture filling disc，angle of the soil moisture fill disc as influence factors.The field experiment results showed that：the optimal parameters that working velocity was 12 km/h-1，diameter of the soil moisture fill disc was 460 mm，angle of the soil moisture fill disc was 18°，at that time the soil-breaking rate was 90.81%，the field surface flatness was 0.442 cm，which could meet all the agricultural demands.

agriculture machinery；design；experiment；field-ditch filling；soil breaking

S222.4

A

1002-2090（2016）03-0118-06

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.03.023

2015-10-12

“十一五”国家科技支撑计划资助项目（2006BAD11A053）；哈尔滨市科技攻关计划资助项目（2011AA6BN023）。

刘恩宏（1971-），男，高级工程师，哈尔滨工业大学毕业，现主要主要从事植保机械、耕整地机械的研究。