1ZL5型马铃薯中耕机的设计与试验

吕金庆，尚琴琴，杨 颖，王英博，李紫辉

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)



1ZL5型马铃薯中耕机的设计与试验

吕金庆，尚琴琴，杨 颖，王英博，李紫辉

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)

针对马铃薯垄作栽培种植中肥量需求量大、土壤疏松程度高等要求，研究设计了1ZL5型马铃薯中耕机。通过对整机结构和工作原理的阐述以及对开沟铲和覆土铧工作断面参数的理论分析，获得了机具关键部件的具体结构参数。同时,对整机的作业性能进行了田间试验，结果表明:设计的马铃薯中耕机各项试验指标均满足马铃薯中耕要求，能够一次性完成松土、除草、筑垄等作业，还兼有蓄水、保墒的作用。该研究为马铃薯中耕机的研发提供了参考。

马铃薯；中耕机；覆土铧

0 引言

目前，马铃薯应经成为世界第四大粮食作物之一，在世界范围内对马铃薯的重视度越来越高。现阶段，我国已经成为世界第一大马铃薯生产大国，其产业的发展对于我国的经济发展及保障食品安全等方面都有显著的影响[1-5]。但随着我国马铃薯的生产总产量的持续增长，平均单产量的增长仍然缓慢，单产水平较低，主要原因之一是马铃薯中耕机械作业水平较差，不能很好地进行田间除草和疏松土壤作业。

中耕松土除草[6-7]在我国农业精耕细作有重要的作用。中耕是将地表土壤锄松、清除行间与苗间杂草，提高地表温度促使有机肥料分解，还可起到蓄水保墒作用，有利于地面土壤疏松和增加植物周围空气相对湿度，减少病害发生的机会。另外，中耕可消除土壤板结，增加土壤的透气性，为作物生长发育创造良好的条件。及时地进行清除杂草作业是保证农作物丰产丰收的必要条件。现阶段我国主要的除草方式是人工除草或化学除草，耗时费力，作业效率不高，且容易造成环境污染，因此研究中耕机械是非常必要的。

国内对马铃薯中耕机的研究具有代表性的有五征3ZM-4型马铃薯中耕机[8]及李洋[9]等人设计的1304型马铃薯中耕机。1304马铃薯中耕机可以一次性完成松土、起垄、整形及施肥等作业要求，但该装置控制面积较小，且肥料流动性差，易产生肥料架空、堵塞等问题。针对以上问题，研究设计了一种适应性强、作业效率高、施肥效果好的马铃薯中耕机。

通过对开沟铲和覆土铧的理论分析，并在田间试验了其松土、施肥效果，结果表明：所设计的马铃薯中耕机满足作业要求。

1 整机结构、工作原理及主要技术参数

1.1 整机结构

该机具采用三点悬挂方式与轮式拖拉机连接，由机架、肥箱、排肥系统、地轮、覆土铧、传动系统及开沟铲等组成，如图1所示。其中，覆土铧单体共5个，相邻覆土铧单体之间的距离可以通过移动横梁上V型卡子的距离进行调节，从而可以适应马铃薯种植区域不同行距的要求。该中耕机由两个橡胶地轮提供传动动力，在机具作业过程中动力进一步传递给排肥系统，从而实现中耕除草、施肥及松土等多项作业。

1.地轮 2.肥箱 3.排肥系统 4.机架 5.开沟铲 6.传动系统 7.覆土铧

1.2 机具工作原理及主要技术参数

1.2.1 机具工作原理

工作时，拖拉机通过悬挂架使机组向前行驶，开沟铲将垄沟中的土壤疏松，并除去垄沟中的杂草，其后侧的覆土铧的两个翼板将疏松的土壤培至垄台上，至此完成筑垄、疏松土壤和清除杂草的作用；在机具向前行驶的过程中，驱动地轮旋转，通过链传动将地轮旋转产生的动力传递给排肥装置，使得排肥轴旋转，将肥箱中的肥料排出，并通过输肥管将肥料施在田间，至此完成中耕施肥的作用。

1.2.2 机具主要技术参数

1ZL5型马铃薯中耕机结构设计符合马铃薯中耕的农艺技术要求，并且可以通过调节横梁上V型卡子的数量适应不同行距的马铃薯中耕作业。整机结构简单，调节方便，从而可以提高马铃薯中耕的效率。中耕机的主要技术参数如表1所示。

表1 中耕机的主要技术参数

2 关键部件的设计

2.1 覆土铧的设计

覆土铧主要是用于中耕作物的行间覆土和开灌溉沟[10-11]。当作物生长到一定的高度时，在行间将已疏松的土壤培至作物根茎部，行间则形成垄沟。为确定工作部件的设计参数，做出如下假设：

1)将土壤按已定沟底宽度切开，并分向两侧，在这个过程中土壤产生破碎；

2)使土壤沿两侧向后倾斜运动上升，达到预定沟边时，推向垄中心，使土壤按自然休止角形成要求的垄形。

对于覆土铧部件的要求：①作业后垄形规整；②能够适应适应不同行距作业；③筑成垄后，沟底应有适量松土；④工作阻力小且作业稳定。

2.2 覆土铧工作面的参数确定

由覆土时所形成的垄形断面尺寸确定覆土铧工作面的参数，垄形断面尺寸图如图2所示。

图2 垄形断面尺寸简图

根据覆土铧的工作原理，覆土铧[7]对应垄台所需的土壤断面的体积为与工作时挖出的土壤体积之间的关系为

(1)

(2)

式中V0—覆土铧对应垄台所需的土壤断面的体积(mm3)；

a0—马铃薯种植区域垄台宽度(mm)；

h0—开沟深度(mm)；

θ—垄壁土壤自然休止角(°)；

V1—覆土铧工作时由垄沟内挖出土壤的体积(mm3)；

a1—马铃薯种植区域垄沟底宽度(mm)；

h——垄沟距垄台的高度(mm)。

土壤在被开沟铲和覆土铧疏松和翻转的过程中，体积发生膨胀，此时需土量和出土量之间的关系为

V0=λV1

(3)

其中，λ为土壤膨松系数。

图2中，根据几何关系可知

L=a0+a1+2hcotθ

(4)

(5)

将式(1)、式(2)、式(4)和式式(5)带入式(3)得

(6)

由式(6)可知：开沟深度和土壤膨松系数、行距、垄沟宽度及垄壁土壤的自然休止角有关。当马铃薯种植区域(即土壤的膨松系数、垄壁土壤的自然休止角和行距)确定时，开沟深度随着垄沟宽度的增加而减小。根据马铃薯种植农艺要求，确定合理的垄沟宽度，进而确定开沟深度。

2.3 覆土铧工作面的设计

根据国家行业标准《JB/T 6272-2007中耕机土壤工作部件》对覆土铧等工作部件的规定，对其进行相关结构设计[12]。该马铃薯中耕机的覆土铧的工作面为平面结构，翻土能力较强；开沟铲的铲尖为三棱窄形铲尖，开沟沟底窄，兼有较强的垄侧除草性能。覆土铧的正投影轮廓图如图3所示。

图3 覆土铧正投影轮廓简图

根据东北垄作马铃薯行距和垄台尺寸，考虑覆土铧工作时土壤因获得某些动能而膨松，可能出现部分土壤从培土壁上部越过，导致沟底浮土多、覆土量不够等情况，设计覆土铧的覆土壁高度为

h2=1.2h

(7)

H=1.1h2

(8)

根据式(7)和式(8)，最终确定覆土铧的结构尺寸为：h2=394mm，H=433mm。由于各地区垄壁自然休止角不尽相同，覆土铧的两翼板所围成的角度也随之改变，确定覆土铧的结构如图4所示。

图4中，覆土铧由覆土铧柄、开沟铲、覆土铧翼板和开度支板等组成。两个覆土铧支板由绞轴合页连接，便于调整之间的角度；将开度支板不同的定位孔连接可以对两翼板之间的角度进行调节，从而可以适应不同的垄形作业。

1.覆土铧柄 2.开沟铲 3.覆土铧翼板 4.开度支板

2.4 覆土铧受到土壤的作用力分析

中耕作业[13]时，开沟铲开出垄沟，覆土铧两翼板将疏松的土壤翻至两边，从横断面上看，形成的垄沟形状为倒三角形状。以覆土铧翼板上一点为坐标原点建立OXYZ坐标系。其中，X方向为中耕机前进方向，Y方向为横断面方向，Z方向为竖直向上方向，则该机具在作业过程中的受力分析如图5所示。

图5 覆土铧翼板受力分析

根据图5可知：中耕作业的覆土铧受到X、Y、Z等3个方向力，X方向的分力为

Fx=ηkab

(9)

k=c0+c1τ+c2v2

(10)

式中η—覆土铧的效率(%)；

a—土壤垡块的长(mm)；

b—土壤垡块的宽(mm)；

k—土壤比阻；

Fx—覆土铧受到的X方向的分力(N)；

τ—土壤抗剪强度(Pa)；

v—覆土铧的工作速度(m/s)；

c0、c1、c2—变量系数。

覆土铧受到的Y方向和Z方向的分力为

(11)

式中Fy—覆土铧受到的Y方向的分力(N)；

Fz—覆土铧受到的Z方向的分力(N)；

n—覆土铧受到Y方向分量和X方向分量的比值；

m—覆土铧受到Z方向分量和X方向分量的比值。

由式(9)～式(11)得到覆土铧受到的土壤的作用力为

(12)

由上述分析可知：覆土铧受到土壤的作用力与土壤的物理性质、耕深、机具作业速度及覆土铧形状有关。为减小土壤对覆土铧的作用力，将覆土铧两侧翼板设计为平面结构，并通过开度支板调节两翼板之间的角度。

3 田间试验

3.1 试验条件

2014年6月和2015年6月，在东北农业大学香坊农场(黑黏土)、黑龙江省农业科学院试验基地(黑黏土)进行了该中耕机的田间试验。试验基地为旱地垄播，试验区的垄长长度大于500m，垄距为800mm，垄高为280mm，垄沟土壤坚实度为3.12×104Pa，土壤绝对含水率为25.3%，田间有杂草。马铃薯中耕机配套动力为NEW HOLLAND110拖拉机，功率为80.85kW，作业面积为40hm2，作业情况如图6所示。

3.2 试验方法

根据国家行业标准《JB/T 7864-2013 中耕追肥机》规定的试验方法[14]，在旱地垄播类马铃薯种植田间进行中耕试验，验证设计的中耕机的作业性能。分别测定该马铃薯中耕机的行间除草率、碎土率和各行排肥一致性变异系数，考察覆土铧和排肥系统等部件及整机的作业性能。

3.2.1 行间除草率的测定

在中耕作业之后，随机抽查5个小测试区，测定出中耕作业后马铃薯种植区每平方米内的除草率，并按式(13)进行计算，则

(13)

式中c—除草率(%)；

Qz—中耕作业前杂草株数；

Hz—中耕作业后杂草株数。

图6 样机和田间试验

3.2.2 碎土率的测定

在中耕作业后任一行间的宽度内，随机选取0.25m2的测试区域，将耕松的土块按照直径(土块长度)分为≤25mm和>25mm两个等级，分别测定各个等级土块质量。在一个往返行程内各测定两点，并按式(14)对碎土率进行计算，则

(14)

式中t—碎土率(%)；

Xt—中耕作业后耕松土块直径≤25mm的土块质量(kg)；

Dt—中耕作业后耕松土块直径>25mm的土块质量(kg)。

3.2.3 各行排肥一致性变异系数

在机具工作区域内随机选定6行作为测定区域，每组试验重复5次，并按如下关系式计算各行排肥量一致性变异系数，则

(15)

式中V—各行排肥量变异系数(%)；

S—各行排肥量标准差(kg)；

Qi—每行排肥量(kg)；

n—测定行数。

3.3 试验结果与分析

试验结果如表1所示。由表1可知：各项指标符合马铃薯中耕作业要求，可以一次性完成松土、筑垄、施肥和除草等多项作业，作业效率高，整机结构简单，工作稳定性好。

表1 1ZL5型马铃薯中耕机性能试验结果 %

4 结论

1)1ZL5.0马铃薯中耕机结构合理，能够一次性完成松土、除草、筑垄和施肥等多项作业。

2)通过改变开度支板不同的定位孔连接，可以改变覆土铧两翼板之间的角度，从而适应不同的垄形；调节V型卡子在横梁上的位置，可以调节覆土铧之间的距离，从而使改中耕机适应不同行距的马铃薯中耕作业。

3)试验表明：行间除草率、碎土率和各行排肥一致性变异系数均满足马铃薯中耕作业要求，机具作业稳定性较高。

[1] 王文腾．中国马铃薯产业化的发展现状与政策研究[D]．武汉：华中师范大学，2012．

[2] 柳俊．我国马铃薯产业技术研究现状及展望[J]．中国农业科技导报，2011(5)：13-18．

[3] 张雷，郭延德．我国马铃薯产业的现状与发展[J]．新农业，2011(10)：14-16．

[4] 张立菲．黑龙江省马铃薯产业发展研究[D]．北京：中国农业科学院，2013．

[5] 金黎平，罗其友．我国马铃薯产业发展现状和展望[C]//马铃薯产业与农村区域发展.北京:中国作物学会马铃薯专业委员会，2013．

[6] 李明金，许春林，李连豪．2CM-4型马铃薯播种施肥联合作业机的研制[J]．黑龙江八一农垦大学学报，2012(1)：14-16．

[7] 才源，崔向冬．几种新型马铃薯田中耕机[J].新农业，2013(13)：54-55．

[8] 佚名.五征3ZM-4马铃薯中耕机[J]．农机市场，2014(2)：60．

[9] 李洋，杨德秋，李建东．1304型马铃薯中耕机的研制[J]．农业机械，2011(12)：65．

[10] 车刚，张伟，梁远．3ZFC-7型全方位复式中耕机的设计与试验[J]．农业工程学报，2011，27(1)：130-135．

[11] 苟文，马荣朝，樊高琼．套作模式下链环式覆土器的参数优化[J]．农业工程学报，2011，27(12)：33-37．

[12] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.JB/T6272-2007 中耕机土壤工作部件[S]．北京:机械工业出版社,2008.

[13] Г.Н.西涅阿科夫，И.М.潘诺夫．土壤耕作机械的理论和计算[M]．李清桂,译．北京:农业机械出版社，1981．

[14] 中华人民共和国工业和信息化部.JB/T 7864-2013 中耕追肥机[S]．北京:机械工业出版社，2013.

Design and Experiment Analysis of 1ZL5 Type Cultivator

Lv Jinqing, Shang Qinqin, Yang Ying, Wang Yingbo, Li Zihui

(Department of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

According to the large quantity of fertilizer and high degree of loose soil in potato planting, this paper researched and designed 1ZL5 type cultivator. According to the analyzed of structure and working principle of cultivator and theoretical analyzed of furrower and soil plough work section parameters, the specific structure parameters of the key parts of the machine tool were obtained. Field experiments were carried out on the performance of the whole machine. The test indices that all of the index meet the requirements of potato cultivation. The design potato cultivator can accomplish many works at once time, including the loose earth, the weeding, build the ridge and so on. At the same time the cultivator also has the functions of water storage and preservation of soil moisture. This research has provided the reference for the potato cultivator research and development.

potato; cultivator; soil plough

2015-12-23

“十二五”科技支撑计划项目(2014BAD06B03)；现代农业产业技术体系建设专项(CARS-10-P22)；黑龙江省重大科技攻关项目 (GA15B401)

吕金庆(1970-)，男，哈尔滨人，研究员，国家马铃薯产业技术体系岗位科学家，(E-mail)ljq6666688888@163.com。

S224.1

A

1003-188X(2017)02-0079-05