土壤连作障碍综合消减装备设计与试验

2019-12-23陆岱鹏陶建平马艳唐玉新柏宗春陈凯吕晓兰

江苏农业科学 2019年20期

陆岱鹏陶建平马艳唐玉新柏宗春陈凯吕晓兰

摘要：针对目前设施蔬菜土壤连作障碍逐年加剧，设施蔬菜根结线虫病危害越来越严重，直接威胁经济作物的生产和农民的增收等问题，研制了一种土壤连作障碍综合消减装备，通过土壤深松装置理论计算得出，深松装置的生产率为36.00 m3/h、链刀绝对运动速度为2.03 m/s、刀片切削厚度为6.800 mm、链刀高度为10.000 cm、链刀宽度为84.000 mm、链刀总切削阻力为748.000 N、总切削功耗为152.000 kW·s/m3，通过经验设计与理论设计相结合确定土壤深松装置关键部件的设计，并运用SolidWorks软件建立整机三维参数化数字模型，并完成样机试制工作。为深入分析刀片与土壤互相作用的过程，建立了刀片-土壤的有限元模型，利用ANSYS软件中的显示动力模块LS-DYNA对链刀土壤切削过程进行仿真分析，得出链刀在土壤切削过程中等效应力的极值为2.15 MPa，切入土壤之后刀片上的等效应力逐步下降，稳定之后在0.5 MPa左右变化，当刀片运动0.028 s切入土壤中时，土壤的等效应力达到极值，为113 Pa，之后等效应力迅速减小，并稳定在20 Pa以下。样机的田间试验结果表明，该机深松深度为390.0～410.0 mm，平均沟深为395.0 mm，开沟深度稳定性系数为98.3%，平均开沟宽度为495.0 mm，开沟宽度一致性为98.5%;土壤团粒直径多在2～5 mm之间，全土层与地表100 mm土层团粒直径范围为3～35 mm，全土层与地表 100 mm 土层土壤团粒平均直径分别为5.85 mm与5.94 mm，碎土率分别为98.3%与97.2%，基本满足农艺要求。通过作业前后土壤紧实度的对比可以发现，深松后，土壤明显疏松，硬度下降，通透性提高。采用棉隆熏蒸+深耕深松的方式，移栽后40天的发病率仅为53.5%，相对于参照区域，降低了23.6%，相对于棉隆熏蒸+正常翻耕区域，降低了25.7%，相对于深耕深松区域，降低了7.8%，说明使用本设计的土壤连作障碍消减装置，可以降低土壤容重及硬度，并通过棉隆和土壤的深层搅拌，降低土壤连作障碍的发生率。同时可为果园、桑园、茶园等土壤连作障碍消减作业提供参考。

关键词：农业机械;设计;有限元仿真;双链条;深松施药;试验;西瓜

中图分类号： S224.29 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）20-0241-07

近年来，随着设施蔬菜温室的扩建以及保护地连作和复种指数的增加，设施蔬菜连作障碍逐年加剧，蔬菜根结线虫病危害越来越严重[1-2]。蔬菜根结线虫可以危害瓜类、茄果类、胡萝卜、白菜等几十种蔬菜，已上升为蔬菜生产上的重要病害，直接威胁经济作物的生产和农民增收。研究发现，使用98%棉隆微粒剂结合夏季高温进行阳光消毒，能有效减轻番茄根结线虫的危害程度，同时可降低约30%的棉隆用量[3]。土壤耕作活动能改变耕层土壤结构，不同耕作方式对土壤理化性质的影响不同，在土壤贮水能力、容重、温度、微生物的种类和数量等方面存在差异，从而影响作物根系的生长以及对病虫害的抵抗能力[4-5]。马俊艳研究发现，耕作可改善土壤的物理性状，深耕30 cm以上可使积聚于土壤表层的养分均匀分布于整个耕作层之内，改善土壤的水、气、热状况，促进作物根系深扎，增强作物对恶劣环境和病虫害的抵抗能力，在耕翻时配合环保型消毒剂棉隆的使用，对于促进土壤微生物活动的效果更好[6]。综合上述方法，本试验拟设计一种土壤连作障碍综合消减装备，以期同时实现棉隆撒施和土壤深松，使最大耕深达50 cm，实现土壤营养分布平衡，降低土壤容重及硬度，通过棉隆和土壤的深层搅拌，达到改善土壤理化性質的效果，降低土壤连作障碍的发生率。

1 样机结构及主要技术参数

1.1 样机结构

如图1所示，土壤连作障碍综合消减装备整机包括土壤深松装置和变量撒施装置，通过挂接机构1与拖拉机联接，调整架6安装在挂接机构1上，拖拉机的动力经过动力输出装置（PTO）输入轴传递到减速箱7，通过液压缸2的伸缩，带动调整架6上下浮动，可以切削不同的土壤深度，经过减速箱的动力带动主动轴回转，并带动轴上的主动链轮10转动，链条紧边上刀片8沿延长架向上运动，连续切削土壤，切削下来的土壤在刀片的带动下绕过主动链轮10卸载，卸载后的刀片沿延长架的上侧往下运动，绕过从动链轮12和后旋转轮9后继续切削土壤，如此连续不断工作，可达到土壤的深松效果;变量撒施装置主要由施药箱4、旋钮3、施药管道5及调速电机组成，可以通过调节电机的转速和旋钮3的旋紧程度来调节棉隆的施用量，达到精准撒施的目的;整机采用双链条刮刀式土层切削装置，在刀片8的连续切削和链条带动下，撒在土壤表面的棉隆可与深层土壤自下而上均匀混合。

1.2 主要技术参数

该装备工作环境为设施大棚、果园及农田等，土壤混层耕改区域宽30～50 cm、深30～50 cm，深松装置效率 >100 m/h，上下土层混合均匀，纵向分布>80%;变量撒施装置配备 250 W 调频电机及电机调数器，可实现主轴转速的调节，同时可通过调节漏肥口大小开关来调节外槽轮式排料器的容量，实现棉隆的变量撒施，针对土壤连作障碍消减的农艺特点，结合相关行业标准，设计确定该装备主要技术参数（表1）。

2 理论设计

由土壤连作障碍综合消减装备的样机结构可知，其主要运动是链刀不断地切削土壤，实现对土壤的深松，因此对土壤深松过程进行运动学、动力学和功耗分析，可明确深松装置的生产率Q、链刀绝对运动速度va、刀片切削厚度δ、链刀高度hc、链刀刀片宽度bc、链刀总切削阻力Ft、总切削功耗J等关键参数，为装备的结构设计提供理论支撑。

2.1 土壤深松装置的运动学分析

如图2所示，根据运动学和几何学原理，可分别推算出深松装置的生产率Q、链刀绝对运动速度va、刀片切削厚度δ。

深松装置的生产率：

链刀的绝对速度：

链式深松装置纵向深松时，由于动力载荷作用在链刀上同时受切削土壤磨损因素的影响，它在作业过程中会产生微小的晃动，使其工作链刀的速度受到一定的限制。一般情况下，在矿物质土壤中工作时，链刀速度vc为1～2 m/s;在泥炭土中工作时，vc为3～4 m/s;工作链刀对水平面的倾角α为48°～65°。结合作业现场和农艺要求，本试验选取链刀速度vc为2 m/s，链刀对水平面的倾角α为50°，把相关参数带入式（2），得出链刀的绝对运动速度va=2.03 m/s。

带入相关参数，由式（3）得链刀绝对运动速度va向量的倾角β为48.9°。

链刀高度hc取值为0.10～0.15 m，如果链刀高度取值超过此范围，则链刀遇到障碍时，其工作部件承载的负荷就会加大。所以本试验选定的链刀高度hc为0.10 m。

本设计中8把刀为一组，占据7个多链节，所以各组刀片中同一相位的刀片距离为7Lc。本设计中链节距选取30 A号，查找机械设计手册可得，Lc为50.8 mm，把相关参数带入式（4），可得δ=6.8 mm;由式（5）可得，链刀刀片宽度bc为84 mm。

切削宽度是刀片在每次切削时，在链宽度方向上所切削的土壤宽度，现深松50 cm宽的沟，设计由8把刀片组成一组，并使其排列方式满足不重不漏，则刀刃切削宽度为

把相关参数带入式（6）可得，b=50 mm。对选择的链刀尺寸和链条节距进行验证，正确选择的切削宽度b应能满足下列条件：

深松时，刀片受到主链轮的驱动和土壤阻力的作用，刀刃和链节轴承发生磨损和振动，为保证作业质量和避免过分的振动，需对链刀的运动速度作一定的限制，本研究中链刀线速度为2 m/s，对深松装置的水平倾角与土壤的自然休止角进行比较，其比较原理如下：

式中：hc为链刀的高度;φr为松散土壤的自然休止角。对于土壤的自然休止角，是土壤在自然条件下，不滑坡的最大倾斜角度，结合实际深松情况，本研究选取的土壤休止角为30°～40°，取35°，链刀的高度hc=100 mm，Lc=50.8 mm，由于α=50°，所以φr+arctanhcLc=35°+63°>50°。因此根据式（8）计算可知，满足式（7），故所设计的链刀尺寸和链条节距满足要求。

2.2 土壤深松装置的动力学分析

土壤深松装置在深松作业过程中，每个刀片切割的土壤都具有一定的形态结构，它是计算切削阻力和生产率的基本条件。竖直刮刀的切削总阻力计算公式[7]为

式中：Cs表示土壤坚实度计的冲击次数，取15次;δ表示切削厚度;δc表示刀片宽度;φ表示刀片切削角;eh表示刀片尖角计算系数，取0.81。将式（11）中的切削厚度、刀片切削角和刀片厚度作相应的调整后得到单个刀片的切削阻力为

带入相关参数，得Fr=36.024 N，则深松装置链刀总切削阻力为

式中：z表示链条上同时与土壤作用的刀片数，双链条深松装置工作时，有2组刀片，即约16把刀片同时切土。由于刀片受到各种冲击的影响，在设计时应加入动载系数，一般情况下动载系数k0取1.3～1.5，则Ft=748 N。

2.3 土壤深松装置的功耗计算

土壤深松装置的总切削功耗为

带入相关参数得，Pt=1.52 kW。

土壤深松装置的总切削比功，即单位立方米作业量的切削功耗：

带入相关参数得，J=152 kW·s/m3。

结合工作环境、农艺要求以及理论计算结果，确定了沟宽、沟深、整机前进速度、链速、生产率、切土阻力、总功耗、比功、切削厚度等基本参数（表3）。

3 刀片-土壤虚拟仿真分析

土壤连作障碍综合消减装备的主要工作过程是刀片切削土壤的过程，是一个复杂的非线性动态响应过程，既有土壤的变形破坏问题，也有刀片与土壤的接触和摩擦等问题，深入分析刀片与土壤相互作用的过程对揭示土壤—机器系统的作用机制、优化刀片相关参数以及减小阻力、降低功耗有重要意义，本试验结合SolidWorks、ANSYS/LS-DYNA等软件，建立刀片与土壤相互作用的虚拟仿真模型，开展链刀切土过程的虚拟试验研究，试图快捷地研究刀片与土壤的相互作用过程，揭示刀片-土壤的工作机理。

3.1 刀片-土壤的三维参数化建模

首先在SolidWorks中建立好刀片实体模型，以STP格式导入ANSYS/LS-DYNA中建立模型，在建模时应注意单位的选取和实体与坐标系的方位，为方便下一步的有限元分析，在SolidWorks中以刀片刀柄处为原点，手动创建新坐标系CSO，然后在将模型存为初始图形标准STP文件时选取手动创建的CSO坐标[8]，这样即可将模型输入到ANSYS/LS-DYNA中（图3）。

3.2 前处理过程

前处理主要包括材料属性、接触类型、边界约束、初始条件的设定。本次分析采用kg-m-s-n单位制，设定刀片材料为线弹性材料，即使用MAT001-ELASTIC材料模型，密度为7 800 kg/m3，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.27，采用手动控制线条单元个数的方法划分刀片有限元网格，结果如图4所示。土壤本构关系的选择对仿真分析的准确性影响很大，本试验采用的材料为带失效的土壤和可压缩泡沫塑料模型，即SOIL-AND-FOAM-FAILURE本构模型[9]，其参数值如表4所示，土壤模型直接在LS-DYNA中建立，为150 mm×300 mm×300 mm的长方体，建立好的完整模型图5。

根据实际运动情况可知，链刀作一个方向的切割运动。因此，给链刀一个X方向的初速度2.03 m/s，然后在土壤模型下端施加一個固定约束，限制其6个自由度，如图6所示。将设置好的前处理文件保存为k文件格式，导入到APDL求解器中求解。

3.3 刀片-土壤虚拟仿真过程

刀片以2.03 m/s的初速度沿X方向切削土壤（图7），切削过程中刀片刀刃首先接触土壤，该处土壤受力发生凹陷变形，随着刀片刀刃与土壤接触面的增大，刀片周围土壤也发生挤压变形，并且部分与刀片直接接触的土壤单元因被切断破坏而失效，刀片进一步切削土壤，产生失效破坏的单元增多，后面还未与刀片接触的土壤受前面土壤的挤压也开始逐步发生变形，土壤发生变形破坏[10]（图8）。

等效应力的极值发生在刀片切入土壤之后，位于刀刃处，图9为刀刃上一节点在切割时等效应力的变化曲线，从曲线中可以看出，刀片在切割过程中，等效应力的极值为2.15 MPa，切入土壤之后刀片上的等效应力逐步下降，稳定之后在 0.5 MPa 左右变化。

此外，随着刀片的切入，土壤的等效应力逐步增大，从图10可以看出，刀片在切割过程中，当刀片运动0.028 s切入土壤中时，土壤的等效应力达到极值，为113 Pa，之后等效应力迅速减小，并稳定在20 Pa以下。

4 试验与分析

4.1 试验条件与材料

土壤连作障碍机械化消减装置设计并制作完成后，于2018年4月16日在江苏省淮安市农业科学研究院科研创新基地试验大棚进行试验，试验大棚为跨度8.0 m、脊高3.2 m、肩高1.7 m的标准化塑料大棚，样机田间试验如图11所示。试验主要用卷尺、秒表、深度测试仪等来测量该机具的作业长度、时间、沟深、沟面宽等，相关数据测定方法参照国标[10-12]，经计算，拖拉机的前进速度约为3 m/min。

4.2 试验方法

4.2.1 沟深稳定性及沟宽一致性测试

在50 cm×50 cm测区内的对角线上取5点，用耕深尺或标尺测定沟深和沟宽。测定方法：测出沟底到地表面的垂直距离，分别计算出30、50、80、100 m行程的平均沟深aj[TX-*5]、变异系数CV和稳定系数U，沟宽一致性与沟深稳定性计算方式与此相同。

4.2.2 碎土率测试

每行程测定1点，沿深松方向取样。在50 cm×50 cm面积内，分别测定地表以下100 mm内土块最长边小于40 mm的土块质量及土块总质量、全层土块最长边小于80 mm的土块质量及土块总质量，按式（19）、式（20）计算出碎土率。

（1）地表100 mm内

式中：C10为地表100 mm内碎土率，%;Gs10为地表100 mm内小于40 mm土地总质量，kg;G10为地表100 mm内土块总质量，kg。

（2）全土层

式中：C为全层碎土率，%;Gs为全层小于80 mm土地总质量，kg;G为全层土块总质量，kg。

4.2.3 土壤紧实度试验

为了验证土壤连作障碍机械化消减装置的深松效果，采用SC-900土壤紧实度仪进行试验，当仪器探头尖端与土壤接触，并感受到压力时，系统将这一压力信号采集，并通过内置的标定曲线，将压力转化成土壤紧实度。试验共选择5个测试点，每个测试点从深度5 cm到 40 cm，每隔5 cm测1次，每个点共计测8次。

4.2.4 防控效果试验

为了验证土壤连作障碍机械化消减装置的防控效果，于2018年6月16日在江苏省淮安市农业科学研究院科研创新基地试验大棚进行试验，消减作业结束后，立即铺设塑料薄膜和滴灌带，采用内侧压膜法覆盖塑料薄膜，塑料薄膜采用厚度大于0.03 mm的原生膜，铺好后，及时通水，以确保土壤表面 5 cm 土层湿润（图12）。试验对象为西瓜，选择4种处理方式，分别为1区：深耕深松;2区：棉隆熏蒸+深耕深松;3区：棉隆熏蒸+正常翻耕;4区：对照（空白），测试不同处理方式下西瓜枯萎病的防控效果。

4.3 试验结果

4.3.1 沟深及稳定性试验结果

在5次开沟试验测定中，开沟沟深为390.0～410.0 mm，平均沟深为395.0 mm，开沟深度稳定性系数为98.3%，开沟宽度一致性为98.5%，具体见表5，各项性能指标满足设计与农艺要求。

通过沟深及稳定性试验检测相关参数合格率，沿开沟方向随机取样测量并与农艺要求进行对比，具体计算公式为

式中：Q为测量合格率，%;n1为符合农艺要求的测量次数;n2为测量总次数。

4.3.2 碎土率试验结果

在5次试验测定中，土壤团粒直径多为2～5 mm，全土层与地表100 mm土层团粒直径范围为 3～35 mm，全土层与地表100 mm土层土壤团粒平均直径分别为5.85 mm与5.94 mm，碎土率按式（20）、式（21）计算，分别为98.3%与97.2%，基本满足农艺要求[13-15]。

4.3.3 土壤紧实度试验结果

深松前后土壤紧实度试验结果如表6所示，通过作业前后土壤紧实度的对比可以发现，深松后，土壤明显疏松，硬度下降，通透性提高。

4.3.4 防控效果试验结果

测试土壤4 cm深处温度，为 25 ℃>24 ℃，根据NY/T 3129—2017《棉隆土壤消毒技术规程》要求，进行覆膜密封15 d和揭膜敞气7 d后，进行西瓜苗的移栽（图13），并测试移栽后40 d各处理发病率。从表7可以看出，采用棉隆熏蒸+深耕深松的方式，移栽后40 d的发病率仅为53.5%，相对于参照区域，降低了23.6%，相对于棉隆熏蒸+正常翻耕區域，降低了25.7%，相对于深耕深松区域，降低了7.8%，说明使用本设计的土壤连作障碍消减装置，可以大幅降低土壤连作障碍的发生率。

5 结论与讨论

本研究提出采用双链条深耕深松耦合棉隆撒施的方式进行土壤连作障碍消减作业。双链条链刀破土，变量施药箱施棉隆，整机结构合理。

通过土壤深松装置理论计算得出，深松装置的生产率为36.00 m3/h、链刀绝对运动速度为2.03 m/s、刀片切削厚度为6.800 mm、链刀高度为10.000 cm、链刀宽度为 84.000 mm、链刀总切削阻力为748.000 N、总切削功耗为 152.000 kW/（m3·s），通过经验设计与理论设计相结合确定土壤深松装置关键部件的设计，并运用SolidWorks软件建立整机三维参数化数字模型，并完成样机试制工作。

建立了刀片-土壤的有限元模型，利用ANSYS軟件中的显示动力模块LS-DYNA对链刀土壤切削过程进行仿真分析，得出链刀在土壤切削过程中等效应力的极值为 2.15 MPa，切入土壤之后刀片上的等效应力逐步下降，稳定之后在0.5 MPa左右变化，当刀片运动0.028 s切入土壤中时，土壤的等效应力达到极值，为113 Pa，之后等效应力迅速减小，并稳定在20 Pa以下，由结果可以得出，链刀设计符合强度要求，可以快速切削土壤。

样机的田间试验结果表明，该机深松深度为390.0～410.0 mm，平均沟深为395.0 mm，开沟深度稳定性系数为98.3%，平均开沟宽度为495.0 mm，开沟宽度一致性为98.5%;土壤团粒直径多在2～5 mm之间，全土层与地表 100 mm 土层团粒直径范围为3～35 mm，全土层与地表 100 mm 土层土壤团粒平均直径分别为5.85 mm与5.94 mm，碎土率分别为98.3%与97.2%，基本满足农艺要求。

通过作业前后土壤紧实度的对比可以发现，深松后，土壤明显疏松，硬度下降，通透性提高。采用棉隆熏蒸+深耕深松的方式，移栽后40 d的发病率仅为53.5%，相对于参照区域，降低了23.6%，相对于棉隆熏蒸+正常翻耕区域，降低了25.7%，相对于深耕深松区域，降低了7.8%，说明使用本设计的土壤连作障碍消减装置，可以降低土壤容重及硬度，并通过棉隆和土壤的深层搅拌，降低土壤连作障碍的发生率。

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