基于降阻节能技术的凿式深松机的研制与试验分析

韦丽娇，张　园，李　明※，董学虎，牛钊君，葛　畅，覃荣刚

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，湛江　524091；2.农业部热带作物机械质量监督检验测试中心，湛江　524091；3.广西贵港西江机械有限公司，贵港　537100；4.湛江市麻章区仓龙农业技术服务中心，湛江　524000）

基于降阻节能技术的凿式深松机的研制与试验分析

韦丽娇1，2，张园1，李明1，2※，董学虎1，牛钊君1，葛畅1，覃荣刚3，4

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，湛江524091；2.农业部热带作物机械质量监督检验测试中心，湛江524091；3.广西贵港西江机械有限公司，贵港537100；4.湛江市麻章区仓龙农业技术服务中心，湛江524000）

针对现有深松农机具作业阻力大、能耗高、易堵塞及热带地区适用性不强等问题，研制了一款降阻节能凿式深松机。该机利用凿击原理，配合切盘及刃口犁柱等结构，能显著降低能耗、有效缓解机具堵塞。试验结果表明：该机结构相对简单，生产率达0.55 hm2/h，油耗为25.3 kg/hm2，松土深度42mm，破土率97.8%，各项指标均达到设计要求。

降阻节能，凿式，深松机，研制，试验

0　引言

土壤深松是保护性耕作中一项关键技术，它是通过拖拉机带动深松机具作业，并通过深松铲对土壤进行切削与疏松作业。由于深松机不翻土而只对土壤切削和松土，因此它不会破坏耕层植被和土壤的团粒结构，从而保持耕层土壤的层次和土壤的自我修复能力［1］。热带地区深松的耕作深度一般要求35～45cm，因而它能够有效地打破由于常年机具作业产生的犁底层，加深耕作深度，形成上虚下实的耕层结构，从而促进植物根系的发育，提高作物的产量；同时耕层结构的改善和耕层的增加还可以形成土壤小水库，雨季的时候可以起到蓄水的目的，旱季的时候可以为作物提供生长所需水分，从而实现土壤水分的自我调节，增强田间土壤抗旱、排涝的能力。

近年来我国北方部分省区在深松技术方面开展了大量的试验研究与示范工作，并取得了一定的成果。研究结果显示，通过转变传统耕作方法，大力发展深松这项保护性耕作技术，对于发展农业生产的条件和生态环境具有十分重要的意义［2］。广东省也出台了相应政策补贴农机深松整地作业，但农民积极性还不是很高，最主要的原因是现有的深松机具

适用性不高，杂草、作物残茬堵塞严重，导致耕作阻力大、能耗高。因此，针对热带地区设计和开发一种适用的降阻节能深松机具是十分必要的。

1　整机结构与工作原理

1.1整机结构与参数

根据保护性耕作深松的农艺要求，即最低程度的破坏土壤结构，而进行最大程度的土壤有效深度疏松。据此，设计的深松机主要由三点悬挂、机架、切割机构、深松机构等组成，主要结构示意图，见图1。

图1　凿式深松机结构示意图Figure.1 Schematic diagram of Chisel subsoiling machine

机具的特点在于机架适用性设计，并安装有防堵结构的切盘，深松犁与机架联接方法采用螺栓连接方式，通过紧固和放松螺母及调节压板，使得深松犁左右上下可拆可调，简单、快捷、方便的调整到所需的工作深度，幅宽等。

整机主要技术参数如表1所示。

表1　凿式深松机主要技术参数Table.1 Main technical parameters for Chisel subsoiling machine

1.2工作原理

机具作业时，三点悬挂接于轮式拖拉机上，随着拖拉机的前进，安装于机架上的深松齿和凿式深松犁柱逐步入土，达到预先由深松犁调整螺母和深松犁调整螺栓调整设定好的深度；同时圆盘切割盘跟着机具边滚动前进边切割由凿式深松犁柱拥高带走的土壤和杂草等残杂，使得作业持续有效的进行。深松犁采用深松齿加刃口犁柱的模式，大大降低了深松作业的功耗。

2　主要结构设计

2.1机架的设计

机架按照多功能和通用型的要求，幅宽设计为240cm，可满足不同用户使用和不同拖拉机动力配套安装3个、5个、7个等深松犁，也可实现深松犁布置成“V”、“一字”等不同型式；同时，更换深松犁安装甘蔗、木薯、菠萝等作物种植前用的开沟器，可完成相关作物种植开沟作业，实现了一机多用，提高机具使用率和适应性。

2.2深松犁的设计与分析

凿式深松犁的深松入土齿部件见图2，主要由深松齿座、保险轴销、深松齿等组成。深松齿设计采用了30CrMnTi耐磨材料制造，入土角设计为32°，入土水平距离为12cm；设计保险轴销，当遇到阻力过大时，断裂破坏，可起到保护机具和拖拉机的作用，重新更换保险轴销即可正常工作。

图2　深松犁结构示意图Figure2 Schematic diagram of Subsoiling plow

入土原理：根据麦克基斯试验提出的简单楔对土壤的松碎模型［3-5］，如图3所示。

图3　土壤松土模型Figure.3 Soil ripper model

深松犁的松土过程与楔子极其相近。土壤被禊面（深松犁）向前上方挤压、推动的同时，又被推挤向两侧移动，于是不断地产生剪切裂纹与松碎。松碎作用可以简化认为：楔面前方土壤保持不变宽度b，由下往上沿土壤的断裂面扩展至地表dd′；两侧土壤则呈扇形，沿断裂面扩展至地表odc及o′d′c′。被松碎土壤的断面则呈梯形斜面cc′。于是由图3可得其纵向松土范围L为：

式中a为松土深度，cm；α为深松犁入土角，（°）；ψ为土壤断裂面的倾角，（°），其大小与a、α和土壤的物理性状等因素有关。

其横向松土范围B为：

式中，s为犁侧影响范围，cm；P为扇形松土范围的最火扩展角，（°）。

由此可知，在具体土壤条件下，影响松土范围的主要因素是松土深度a和入土角α。犁前与犁侧影响范围均随a与α的增加而增大。据试验当松土深度a超过有效松土深度后，松碎效果将明显下降；入土角α过大将使牵引阻力急剧增加。

2.3切盘的设计

为解决复杂地块深松犁柱拥堵及进一步减少工作阻力，机具上设有一防堵圆盘切割刀，圆盘切割刀直径为52cm，通过调整杆上下调节圆盘切割刀的切割入土深度，调节范围为5～15cm，以5cm为单位上下增减调整，以适应不同土壤性质需要。

3　试验分析

3.1试验条件

技术设计与研发和推广单位于2016年4月13日在广东省湛江市遂溪县一合作社连片地块进行了试验，测试工作由农业部热带作物机械质量监督检验测试中心完成。该地块较平坦，坡度≤5°，红壤土，土质较粘重，无石块杂物，土壤平均含水率19.4%，土壤平均坚实度549.36 kPa。试验过程配套804拖拉机，慢Ⅱ档（0.9 m/s）作业，试验效果见图4。

图4　凿式深松机作业效果图Figure4　Renderings of Chisel subsoiling machine

3.2试验方案

试验按照行业标准要求，结合实际需求测试指标：工作效率、油耗、深松深度及地表平整度等。试验的仪器设备主要有卷尺、米尺、秒表、汽车拖拉机综合测试仪、测速仪、土壤水分测定仪、土壤紧实度仪等。相关指标的测试方法按照 GB/T 24675.2—2009《保护性耕作机械深松机》进行。

3.2.1深松深度及稳定性

每隔2 m测定一点，每行程测定不少于10点，测定每点深度。并按如下计算公式计算深松深度平均值及其稳定性系数。

A行程的深松深度平均值

式中aj为第j行程的深松深度平均值；aji为第j行程中第i个测定点的深度值；nj为第j行程中测定点数。

B工况的深松深度平均值

式中a为工况的深松深度平均值；N为同一工况中的行程数。

C行程的深松深度稳定性系数

式中Saj为第j行程的深松深度标准差，cm；Vaj为第j行程深松深度变异系数，%；Uaj为第j行程深松深度稳定系数，%。

D工况的深松深度稳定性系数

式中Sa为工况的深松深度标准差，cm；Va为工况的深松深度变异系数，%；Ua为工况的深松深度稳定系数，%。

3.2.2碎土率

五点法测定，每点取0.5 m×0.5 m的面积，测定小于5㎝的土块质量占总质量的百分比。

式中Gq为碎土率，%；Nh为小于5cm的土块质量，kg；Na为测定区内土块总质量，kg。

3.2.3地表平整度

五点法测定。在每点过耕后地表线的最高点，垂直于机组前进方向作一水平直线为基准线，取略大于一个机耕幅宽的宽度，分成10等分，并在等分点上作垂线与地表线相交，量出地表线上各交点至基准线的距离，以平均值表示该点的平整度。最后求出5点的平均值即为耕后地表平整度。

3.3试验结果与分析

经实际测试试验、计算，相关参数结果见表2。

表2　主要测试指标结果Table The main indicators of the test results

从表2可知：凿式深松犁生产率0.55 hm2/h，油耗25.3 kg/hm2，松土深度42mm，破土率97.8%，以上均达到设计指标要求，经使用者反馈表现出较高的认可度。相关指标的测试均按照结构或参数调整后取值，实际作业情况可根据农艺需求有所变化。

4　结论

1）凿式深松机采用深松齿、深松齿座、保险轴销组合结构，与刃口犁柱及切盘结构配合，起到了降低能耗、有效缓解犁体堵塞的作用，利于深松技术的推广与应用。

2）整机试验，运转安全可靠，生产率达0.55 hm2/h，油耗为25.3 kg/hm2，松土深度42mm，破土率97.8%，各项指标均达到设计要求。

3）基于操作机手对于机具使用程度的不同，凿式深松机表现的工作质量、动力消耗等指标依然受到波动；同时，受现代农艺发展趋势的要求，机具进一步提高自动化程度及智能监控技术的意义重大。

［1］陈源泉，隋鹏，高旺盛.不同方法对保护性耕作的生态评价结果对比［J］.农业工程学报，2014，30（6）：80-87.

［2］李洋阳，刘思宇，单春艳，等.保护性耕作综合效益评价体系构建及实例分析［J］.农业工程学报，2015，31（15）：48-54.

［3］董学虎，卢敬铭，李明，等.3ZSP-2型中型多功能甘蔗施肥培土机的结构设计［J］.广东农业科学，2013.40（15）；180-182.

［4］李霞，张东兴，王维新，等.受迫振动深松机性能参数优化与试验［J］.农业工程学报，2015，31 （21）：17-24.

［5］张金波，佟 金，马云海.仿生减阻深松铲设计与试验［J］.农业机械学报，2014，45（4）：141-145.

Analysis of Development and Test Resistance Reduction of Energy-saving Technologies Chisel Subsoiler

Wei Lijiao1，2，Zhang Yuan1，Li Ming1*，2，Dong Xuehu1，Niu Zhaojun1，Ge Chang1，Tan Ronggang3，4
（1.Tropical Agricultural Machinery Research Institute，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，
Zhanjiang 524091，China；2.The Center of Quality Supervision and Testing for Tropical Agriculture Machinerye，Zhanjiang 524091，China；
3.Xijiang machinery co.，LTD，Guigang 524091，China；4.The Center of CangLong Agricultural Technology Service for Zhanjiang City，Zhanjiang 524000，China）

Aiming at the existing operation of farm machinery subsoiling resistance，high energy consumption，easy to plug and tropical regions of applicability is not strong and other issues，we developed an energy-saving reduction in resistance subsoiler chisel，machine use Gouge principle，with disc plow blade and cut columns and other structures，can significantly reduce energy consumption，relieve clogged equipment.The results showed that:The machine structure is relatively simple，the production rate 0.55 hm2/h，fuel consumption of 25.3kg/ hm2，tillage depth of 42mm，a ground-breaking rate of 97.8%，the indicators meet the design requirements.

resistance Reducing energy saving，chisel，subsoiler，develop，text

海南省自然科学基金（20155208）；科技部农业科技成果转化项目（2014GB2E000040）；广西科学研究与技术开发计划（桂科合1599005-1-8）

韦丽娇（1984-），女，壮族，广西人，硕士，助理研究员，E-mail：weilijiao2008@163.com。

李明（1964-），男，汉族，广东人，研究员，E-mail：Liming282@21cn.com。