背负式幼苗移栽井窖制作机性能测试分析

2018-03-28喻丽华刘光辉张富贵吴雪梅胡长寿

农机化研究 2018年3期

喻丽华，刘光辉，张富贵，吴雪梅，胡长寿

(贵州大学机械工程学院，贵阳 550025)

0 引言

发达国家移栽机的研制始于20世纪30年代[1-2]。20世纪60年代我国逐步引进国外移栽机进行幼苗机械化移栽，到21世纪初，推出了各种半自动与全自动移栽机[3-5]。但由于农艺的差别，目前各种移栽机在我国广大丘陵山区使用时，存在价格昂贵、年利用率低，与育苗技术、农艺措施、破碎地块及交通条件不相适应等问题[6]。2009年，丘陵山区开始推行幼苗井窖式移栽,其是一种在井窖内同时实现壮苗培育、高茎深栽、适时早栽和集中移栽的新模式，应用前景甚好[7]。

随着幼苗井窖式移栽技术的推广应用，多项移栽井窖制作机具相关专利获批准[8-11]，各种井窖制作器械及机具相继问世。以小型汽油机为动力源的背负式井窖制作机因其轻便、高效及操作灵活等诸多优势已逐步成为移栽井窖制作的主流机具，但对机具的工作效率、运行成本、挂膜情况、回土情况以及机具的转速、土壤湿度条件及是否覆膜对成穴质量的影响缺乏相关的试验研究。为此，本文在分析井窖制作成穴原理的基础上，通过井窖制作机的田间测试，对机具的使用性能进行全面的分析评价，并从提高操作舒适性与成穴质量方面提出结构改进建议，以期为井窖制作机的改进设计及进一步推广使用提供一定的指导。

1 幼苗移栽井窖制作成穴原理分析

1.1 井窖移栽技术原理

如图1所示：幼苗井窖式移栽技术原理是根据法国水力学家达西的达西定律，随着外界温湿度变化，井窖产生的水力递度使井窖内土壤水分蒸发或凝结，从而保持井窖内温湿度的相对稳定，能在最佳移栽季节为幼苗提供一个适宜生长的温湿度及营养环境。根据贵州省井窖移栽技术标准[12]，井窖制作要求需满足：上部为圆柱形，下部为圆锥形，井口直径8～10cm，井深18～20cm，无垮壁，无提浆。

图1 井窖移栽技术原理图[12]Fig.1 Principle diagram of well-cellar transplanting technology[12]

1.2 背负式井窖制作机结构与原理

目前，常用的背负式井窖制作机主要由背负式小型汽油机、动力输出座、调节器、拉手、外管、动力输入座和成穴头组成，如图2所示。动力输出座与动力输入座之间采用软轴连接。成穴头是一个下部为锥体，上部为柱体的空心结构。工作时，启动汽油机，旋转动力通过输出座、软轴及输入座带动成穴头旋转；操作者手持外管与拉手，对准预成穴土体，同时施加向下的作用力使井窖成穴头旋转成穴，随即提升成穴头，即完成一个井窖的制作。

1.背负式小型汽油机 2.动力输出座 3.调节器 4.拉手 5.外管 6.成穴头 7.动力输入座图2 背负式井窖制作机结构示意图Fig.2 Structure schematic drawing of the knapsack well-cellar making machine

井窖制作机主要是通过成穴头高速旋转使周围土体产生压缩变形与楔切变形，进而使土体挤密成穴。因此，土壤类型、土壤墒情、成穴头表面结构及井窖制作机的动力匹配与转速等将是影响井窖制作的关键因素。

1.3 挤密土体成穴范围计算

假设土体为均匀的各向同性弹塑性材料，根据文献[13]，土体成穴时有效挤密半径R为

(1)

现在以粘土为例，结合表1粘土的物理力学参数，通过式(1)可以计算有效挤密半径。

表1 粘土的物理力学参数Table 1 Clay physical and mechanical parameters

首先计算粘土的剪切模量G，即

(2)

将式(2)代入式(1)，可得有效挤密半径R与成穴头半径Ru的关系为

(3)

由式(3)可知：水平方向土体影响范围半径大约是成穴头半径的2.82倍，再考虑孔隙水压力等因素，影响范围应该在2.82Ru以内。再据文献[14-15]可知，竖直方向土体影响范围大约是成穴头入土深度的2倍。

水平方向影响半径为

R≈2.82Ru=12.7cm

竖直方向影响深度为

H≈2L= 40cm

为此，采用背负式成穴机实施井窖制作时，对于在垄体上制作井窖，一般垄宽应不小于25.4cm为宜。

2 背负式井窖制作机性能测试及结果分析

2.1 测试地点与测试内容

1)测试地点：遵义县乐山镇 (东经106°40′30″、北纬20°38′30″、海拔900m)，测试地块选择有代表性的坡度在17°以上的坡地。测试现场如图3所示。

图3 井窖制作机测试现场照片Fig. 3 Site photos of well-cellar making machine testing

2)测试内容：①空机测试。将随机选取的无故障商品机器按照正常工作条件启动运转1h，测试其噪音及振动状况。②按照干燥起垄未覆膜、干燥起垄覆膜、高湿起垄未覆膜及高湿起垄覆膜4种测试条件，分别连续制作井窖100个。结合我国丘陵山区幼苗移栽季节土壤墒情，测试中，干燥土壤的绝对含水率为18%，高湿土壤的绝对含水率为25%。测试记录参数包括工作效率、油耗、井窖口径、井窖深及回土及挂膜情况等。

2.2 测试结果分析

1)噪声与振动。

(1)噪音测试结果：在37.6dB环境噪声情况下，井窖制作机怠速噪声为81dB，工作噪声为85dB。由此可知，作为田间作业的农业机械来说，井窖制作机的噪声较低。

(2)振动测试结果：转速位于3 000～5 300r/min时，属于测试机型的中等转速范围，握把处振动较大，振动速度最大达到89.3mm/s，背部振动速度8.8mm/s，在该转速区间所制井窖质量较差。转速位于7 000～7 200r/min时，属于测试机型的高转速范围，握把处振动反而减小，振动速度最大值达到65.2mm/s，背部振动速度5.5mm/s，在该转速区间所制井窖质量较好。因此，井窖制作机应尽可能选择在高速段工作。

2)工作效率与油耗。本次测试结果：工作效率为每分钟制作井窖60个，油耗为每100个井窖油耗约18mL。根据本地烟叶种植情况，每公顷地约15 000株烟，也就是每公顷地需制作井窖15 000个。按照本机测试所得工作效率与油耗计算，每公顷地井窖制作需用时4.25h，油耗2.7L。因此，该试验机型工作效率高、运行成本低。

3)不同测试条件下的井窖口径。根据上述4种测试条件所制400个井窖口径与井窖深测试结果，绘

制成如图4所示井窖口径频数分布直方图。

图4 井窖口径频数分布直方图Fig. 4 Frequency histogram of well-cellar caliber

由图4可知：各测试条件下井窖口径合格(井口直径8～10cm)比例：干燥起垄覆膜为90%，干燥起垄未覆膜为77%，高湿起垄覆膜为96%；高湿起垄未覆膜为86%。

4)不同测试条件下的井窖深。根据上述4种测试条件所制400个井窖口径与井窖深测试结果，绘制成如图5所示井窖深频数分布直方图。

图5 井窖深频数分布直方图Fig.5 Frequency histogram of well-cellar depth

由图5可知：各种测试条件下井窖深合格(井深18～20cm)比例：干燥起垄覆膜为47%；干燥起垄未覆膜为14%；高湿起垄覆膜为61%；高湿起垄未覆膜为44%。

由上述测试结果可知：土壤水分及是否覆膜对所制井窖尺寸影响较大，绝对含水率为25%的高湿土壤较绝对含水率为18%的干燥土壤的井窖口径与井窖深合格率高；但若进一步增加土壤含水率，所制井窖壁易产生提浆现象。覆膜较未覆膜井窖尺寸合格率高，主要是覆膜后不仅减少了土壤水分的蒸发，且在覆膜过程中对土壤表层有轻微压实作用，有利于井窖成形。

5)机具挂膜情况。根据干燥起垄覆膜与高湿起垄覆膜实验条件所制井窖挂膜情况测试结果，绘制成如图6所示机具挂膜井窖数直方图。由图6可知：2种测试条件下的挂膜比例：干燥起垄覆膜为2%，高湿起垄覆膜为18%。由此可知，在干燥条件机具防挂膜性能较好，高湿条件机具防挂膜性能较差，主要是高湿条件增加了地膜的粘附性，致使机具的防挂膜性能有所降低。

图6 机具挂膜井窖数直方图Fig.6 Histogram of machine twining film well-cellar number

6)井窖回土情况。根据上述4种测试条件所制井窖回土情况测试结果，绘制成如图7所示各回土井窖数直方图。由图7可知：各测试条件下回土井窖比例：干燥起垄覆膜为72%，干燥起垄未覆膜为83%，高湿起垄覆膜为1%，高湿起垄未覆膜为19%。

图7 回土井窖数直方图Fig.7 Histogram of wall collapse well-cellar number

由测试结果可知：高湿条件回土情况较干燥条件好；无论是干燥还是高湿条件，覆膜的回土情况稍好于未覆膜的回土情况，主要是覆膜过程中对土壤表层有轻微压实作用，有利于改善回土。

3 背负式移栽井窖制作机改进建议

1)背负及操作杆部分改进。根据井窖制作机实地测试情况及长期使用该机具的机手反馈意见，可适当缩短如图2所示的拉手的长度，选用柔韧性较好的软轴，提高背负式垫背及背带的舒适度，以提高井窖制作机操作的舒适性。

2)成穴头改进。成穴头是影响井窖制作的关键零件，综合考虑成穴头的破膜能力、旋入能力、楔切能力、耐磨性及拔出能力等问题，改进后的成穴头如图8所示。在成穴体前端设置三角形钻尖，提高破膜能力及火石地的入土能力，成穴体中部外表面设置双螺旋切削刃，增加楔切能力，进而提高成穴效率。成穴体小头外表面设置双螺旋柱齿，在提高旋入能力的同时，有利于避免所制井窖下部壁面过于光滑的问题。采用钻尖、双螺旋柱齿及双螺旋切削刃三位一体的微结构能较好地解决成穴体因过早磨损而报废的问题，提高成穴体的使用寿命。成穴体柱体表面设置扩孔板，进一步挤密上部土体，同时提高成穴头的拔出能力，避免井窖垮壁。

1.三角形钻尖 2.柱齿 3.切削刃 4.成穴体 5.扩孔板 6.动力连接板图8 改进后的成穴头结构示意图Fig.8 Structure schematic drawing of the improved well-cellar forming unit

4 结论

1)背负式井窖制作试验机工作效率高、运行成本低、噪声低，在高速段工作时，所制井窖质量较好，整机振动较小。

2)土壤水分及是否覆膜对井窖尺寸影响较大：当土壤含水量太低(如低于15%)或太高(如高于30%)，不适宜制作井窖。干燥土壤条件可配套浇水环节(如每穴浇水50mL以上)后再实施井窖制作。覆膜后的井窖质量好于同等条件下未覆膜井窖质量，对干燥土壤条件应尽量利用覆膜保墒，以提高井窖质量。

3)干燥条件下机具的防挂膜性能较高湿条件好，但干燥条件较高湿条件回土情况差，且同等土壤湿度条件覆膜较未覆膜回土情况好。

4)背负式井窖制作机的改进可以从人机工程的角度提高操作舒适性，并通过增设局部微结构提高成穴效率，改善成穴质量。

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