烟苗移栽井窖制作机关键部件改进及试验

胡长寿，喻丽华，徐志波， 张富贵，陈 懿

(1.贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025；2.贵州省烟草科学研究院，贵阳 550001)

0 引言

贵州是我国重要的优质烤烟基地，其烤烟种植技术水平进步直接影响着西南各省乃至全国烤烟种植区的技术发展。目前，贵州的烤烟种植领域正广泛推广一种新型的移栽技术─井窖式移栽[1]。烤烟井窖式移栽技术的实施，实现了壮苗培育、早生快发、适时移栽、高茎深栽，为烤烟的大田生长发育提供了充足的时间。该项技术具有简单易懂、适应能力强等优势，在烟区已大面积复制应用，很大程度上解决了当前贵州在烤烟移栽技术上的限制，为推动贵州烤烟种植的发展做出了重大贡献[2-3]。

烟苗移栽技术的关键在于制作满足农艺要求的移栽井窖。目前，烟苗移栽井窖的制作常采用背负式汽油型井窖制作机完成，该机因具有机身轻便、操作简单、成井高效等诸多优点[4]，已在贵州烤烟主产区得到较为广泛的应用；但在长期使用中发现各种市售井窖制作机普遍存在成井头耐用度不高、所制井窖质量难以满足移栽要求等问题[5-6]。为此，通过对井窖制作机关键部件的改进及试验研究，旨在为井窖制作机的优化设计及进一步推广应用提供一定的指导[7]。

1 烟苗移栽井窖制作技术来源与现状

1.1 烟苗移栽井窖制作技术来源与农艺要求

烤烟井窖式移栽技术是2009 年松桃县烟草分公司的烟叶生产技术人员在早期田间管理督察过程中，发现刚覆膜几天的烟地有几株被牛踩过的烟苗，其中被踩进 “牛脚窝”里的两株烟苗，在温度较高的中午，相对于其它烟苗不仅没有萎焉，而且叶片鲜活碧绿，长势良好；而没有被牛踩过的烟苗则出现了叶片呈黄色且全部萎焉的情况。基于“牛脚窝现象”，铜仁市烟草公司组织研究出了一项具有自主知识产权的烤烟移栽新技术[8-9]。

根据烟苗井窖式移栽农艺要求，所制井窖需满足如下要求：上部为圆柱形，下部为圆锥形，井窖口径为8～10cm，井窖深18～20 cm，成形井窖底有1～3cm高的回土为最佳[10]。

1.2 烟苗移栽井窖制作技术现状

随着烤烟井窖式移栽技术的推广应用，与之配套的井窖制作技术得到较大的发展，许多学者与科研人员申报了多项井窖制作器械相关的专利[11-12]。井窖制作器具在短短几年时间先后研究出4代产品：第1代是烟草公司提供样品，烟农自制为主，材料为木制，规格千差万别；第2代是烟草公司统一制作，材料为铁制，加脚踏助力装置；第3代是在第2代基础上增加破膜装置；前3代均以人力为动力源，劳动强度大，作业效率低；随着研究的推进，2012年后推出的以蓄电池或小型汽油机为动力的第4代背负式井窖制作机已逐步成为主流机具[13]。

1.3 背负式井窖制作机具存在的问题分析

尽管背负式井窖制作机已在实际生产中得到了较为广泛的应用，但目前此类机具的关键部件—成井头普遍存在耐用度不高的问题，且对于贵州烤烟种植区常见的火石子地、黏重土壤条件，成井速率与成井质量难以满足要求的问题也尤为突出。图1所示为实际生产中报废的成井头。分析其报废的原因主要有：①成井头的耐磨性不足；②结构设计存在一定缺陷。

图1 成井头报废情况

2 井窖制作机机具改进研究

2.1 成井头结构改进思路

通过对井窖制作机的成井过程深入分析可知：井窖制作机主要是依靠成井头高速旋转，同时配以向下的作用力使周围土体产生压缩变形与楔切变形，进而挤密土体成井。成井头的结构改进应考虑如何提高成井头旋入能力、楔切能力及拔出能力，进而提高成井速率。耐磨性的提高应同时考虑选材与结构改进两方面的问题，具体改进方法如下：

1)设置三角形钻尖。考虑钻尖的作用是使成井头快速破膜并进一步旋入土体，为此将圆锥形钻尖改为三角形钻尖，同时按照成井头旋向在两侧开切削刃。

2)增设双螺旋切削刃。基于成井头挤密土体的成井过程分析，为了有效解决椎体表面耐磨性不足的问题，在成井头椎体外表面增设双螺旋切削刃，不但可借助切削刃的楔切作用提高成井效率，而且能极大地提高成井头的耐磨性。为了使所设计的双螺旋切削刃具有一定的排土功能，螺旋升角最佳取值范围是α=18°～22°[14]。根据螺旋升角的计算公式[15]，则

α=arctan(h/πD)

(1)

其中，h为螺旋导程；D为螺旋最大直径。

依据农艺要求，井窖深需达16cm以上，除去成井头底部的三角钻尖和顶部的圆柱，取h=11cm；井窖直径为8～10cm,取中间值D=9cm。将初选参数代入公式，取整得α=21°。

2.2 改进后的成井头结构

1)1号成井头。如图2所示为所设计的1号成井头结构示意图，1号成井头在前端设置了三角形钻尖，并在椎体外表面增设双螺旋切削刃。

图2 1号成井头结构示意图

2)2号成井头设计。如图3所示为所设计的2号成井头结构示意图。2号成井头是基于1号成井头，将椎体表面的切削刃延伸至柱体表面，延伸端的切削刃为直线形，目的是提高成井头的拔出能力。

图3 2号成井头结构示意图

3)3号成井头设计。为了解决贵州烟区黏重土壤条件及火石地的成井问题，设计了如图4所示的3号成井头。3号成井头的设计是基于2号成井头，将锥体小端的部分螺旋切削刃改为螺旋形柱齿，螺旋柱齿的高度与切削刃的高度一致，相邻两柱齿之间1cm。在成井头高速入土的过程中，柱齿一方面可以提高成井头在黏重土壤条件及火石地的旋入能力，同时还具有一定的疏松井窖底部土体的作用。

4)4号成井头设计。通过长期观察小苗移栽后的长势情况，发现膜下移栽的小苗若遇高温高湿天气，易发生烧苗现象。为此，设计了如图5所示的4号成井头。该成井头主体结构为锥形，大端直径增到100cm，使所制井窖口径增大，以此增大井窖上部的空气流通与采光面，解决移栽期高温高湿烟区的烧苗问题。

图4 3号成井头结构示意图

图5 4号成井头结构示意图

2.3 成井头选材研究

成井头材质直接关系到其使用寿命，成井头的材料选择主要综合考虑耐磨性、加工性、价格、质量及安全性等5方面因素。表1所示为遵义永欣科技开发有限公司对成井头备选的优质碳素钢、铝合金及白口铸铁的对比分析[16]。

表1 3种材质的成井头综合性能对比

Table 1 Comprehensive performance comparison of 3 types of Well-Cellar Forming Unit

成井头性能耐磨性加工性加工性价格/元·个-1质量/kg·个-1优质碳素钢成井头耐磨较 难加 工安全800.9铝合金成井头不耐磨易加工安 全1500.6白口铸铁成井头耐 磨难加工有隐患700.8

由表1可知：优质碳素钢不仅耐磨，加工难度也不大，价格适中，所制成井头质量上较为理想，安全性高，综合性能优于其它两种材质。为此，所设计的成井头均采用优质碳素钢。

2.4 成井头制作

在遵义永欣科技开发有限公司的大力协助下，上述4种成井头已完成制造工作。所制成井头样品如图6所示。

图6 4种成井头样机实物图

3 样机测试与结果分析

3.1 试验条件与方法

考虑到植烟地土质的代表性、交通的便利性和农机化工作的基础条件，测试地点为开阳县龙岗基地(东经107°2′48″、北纬27°4′31″、海拔960m，测试地块选择有代表性的植烟地，待测地已于测试前10天抢墒起垄(每行约30m，旋耕2次、起垄)。测试时间为2017年4月13日,测试前观察垄体情况，发现垄体表面约有1～1.5cm的土层有一定程度的板结。

试验使用的主要仪器为钢直尺、水平尺、相机、标杆及秒表。测试项目主要包括井窖口径、井窖深、回土深度、入土能力、拔出能力及成井效率。测试流程：①启动井窖制作机，试作业检测运行是否正常；②种成井头分别制作井窖50个；③记录相关检测项目。

3.2 测试结果及分析

1)井窖口径。根据4种成井头所制200个井窖口径测试结果，绘制成如图7所示井窖口径频数分布直方图。

图7 井窖口径频数分布直方图

由图7可知：1号、2号、3号成井头所制井窖口径9～10cm，符合井窖口径8～10cm的农艺标准；4号成井头所制井窖口径10～11cm，且有64%井窖口径达11cm，实现了增大井窖口径的设计目的。

2)井窖深。根据4种成井头所制200个井窖，绘制成井窖深频数分布直方图如图8所示。

图8 井窖深频数分布直方图

由图8可知：1号、2号、3号成井头所制井窖深16～20cm。参照农艺标准，深度小于18cm井窖未达到农艺要求。造成一定数量的井窖深未达标的主要原因是：机手操作时，未等井窖深达到要求即提升成井头所致。

4号成井头所制井窖深14～18cm，且有64%井窖深未达农艺要求。分析原因如下：一方面，机手操作不当；另一方面，主要是4号成井头尺寸增大后质量显著增大，致使操作较为费力所致。

3)回土高度。根据4种成井头所制200个井窖的回土高度测试结果，绘制成回土高度频数分布直方图如图9所示。

图9 回土高度频数分布直方图

由图9可知：回土高度主要集中在1～4cm之间，事实上井窖底部有一定的回土对幼苗的生长是有利的；当井窖底部有1～3cm的回土时，幼苗的成活率最高。4种成井头回土在1～3cm所占比例如表2所示。

表2 4种成井头最佳回土百分比

由表2可知：回土作用最佳的是3号成井头，其次依次是1号、2号和4号成井头。4号成井头所制井窖回土高度大于3cm的比例高达34%，主要原因是：4号成井头尺寸增大，制作时动平衡难以达到要求，作业时成井头振动过大。

4)成井效率。4种成井头所制50个井窖所用时间如表3所示。

表3 4种成井头制作50个井窖所用时间 Table 3 The time of 4 type well-cellar forming unit prototype

由表3可知：3号成井头用时最短。主要原因是：成井头小端外表面设有双螺旋柱齿，在土壤有一定板结和小砂石的情况下，入土能力较强的缘故。4号成井头用时最长，主要是由于成井头过于笨重所致。

5)旋入能力及拔出能力。与传统成井头相比，改进后的成井头增加了三角形转尖和表面双螺旋切削刃，提高了成井头旋入和拔出的能力。特别是3号成井头，对于粘重或板结的土壤条件，甚至是火石子地，其旋入能力有明显的优势。4号成井头因体积和质量的增加，其旋入和拔出能力受到一定的影响。

4 结论

1)为了提高井窖制作机的耐磨性、旋入能力、楔切能力及拔出能力，成井头的结构改进应从最前端设置三角形钻尖和成井表面增设螺旋切削刃两方面入手。在选材方面，优质碳素钢是目前加工成井头的最佳选择。

2)1号、2号、3号成井头所制井窖口径9～10cm，符合农艺要求。井窖深16～20cm，排除机手操作不当等因素的影响，井窖深可达农艺要求。3号成井头回土作用、成井效率优于1号与2号成井头，且对于粘重、板结土壤条件或火石子地有明显的优势。

3)4号成井头达到了增大井窖口径的目的，但因其质量大、操作费力，且动平衡未达要求，致使井窖深普遍较小，回土高度偏大、成井效率偏低。