一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法

涂杰 张建军 岁立云 张正周

(成都市农林科学院，四川 成都 611130)

土壤是种植业赖以生存的基础[1]，传统的耕作方式主要以拖拉机为动力带动凿式、铲类机具的机械犁地方式为主，存在破坏地表及植被、作业阻力大、器具磨损大、能耗较高，作业成本较高和效益较低等问题[2]。

为解决农田土壤板结，实现深耕深施保护性耕作方式，在土壤内采用气压劈裂或气爆原理实现松土的新技术正在兴起。但是，目前的气爆头或气爆枪等入土装置一般采用扦插式、冲击钻方式。例如：冲击式松耕装置(专利申请号：201611092217.5)、自动喷爆松施头(专利申请号：201510934742.6)、土壤松土头(专利申请号：201510152027.7)、气流喷爆式松施装置(专利申请号：201521047256.4)等，这种方式对于土质较硬的土壤、板结的土壤存在着以下不足。

当遇到土壤内部有石块、铁块等尖硬物体时，不易作业，会造成冲击头损伤，降低使用寿命。

需要人工向下用力，通过冲击或扦插方式入土，所需动力较大，耗能较大，而且入土时间较长。

由于整个入土装置会不断受到冲击，所以会采用厚度、重量、体积较大装置来满足较高的结构、硬度等要求，这样使整个装置显得笨重，影响工作精度。

入土头扭矩较小，不容易破土，且破土面积较小，不利于疏松土壤。

取出入土头时通常也需要人力拔出，较为费力、麻烦。

目前为数不多的农田土壤气压深松方式大多为利用高压气体在土壤内部形成瞬时高压并作用于土层内壁上，造成土层形成裂缝并泄压，从而实现气压劈裂松土的效果，如气压式土壤深松方法(专利申请号：201410456302.X)；或是利用高压气流喷射于土层中，强行刺穿土层形成裂缝来实现松土的效果，如基于气流喷射松土系统(专利申请号：201510153006.7)。据试验研究，发现这些气压松土方式存在不同程度的不足。

对同一气爆处理点均是通过单次高压气体压裂、刺穿技术实现的土壤深松，都存在放气时间长则耗气量大，气压对土壤的有效作用时间浪费较大，技术经济性较低，不利于推广应用；放气时间短则有效作用压力下降较快、气体对土层作用时间短、压裂裂缝数量较少和缝长较短、缝宽较窄，效果不理想等问题。

单次气爆后形成少量裂缝，高压气体主要通过形成的裂缝逃逸至自由面(主要为地面)，对非裂缝区域的土壤作用效果较差，造成土壤平均容重、总体膨松度和总空隙率改变不大，深松不均匀，应用性能有待提高。

1 方法简介

1.1 设备结构

为克服现有技术的不足，提供一种节省人力、耗能较小、利于破土、结构简单轻便、方便出土的连续式螺旋入土装置以及使用该装置进行土壤深松的方法，成都农林科学院科研人员经过多年潜心研究，发明了一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法。该方法采用连续式螺旋入土装置进行土壤深松，连续式螺旋入土装置包括驱动马达、进气管和送气机构，其中送气机构包括高压旋转接头、入土头、入土筒体、内部中空的从动轮；高压旋转接头的固定端通过第1连接件与进气管连接，高压旋转接头的转动端通过第2连接件与从动轮连接，从动轮通过第3连接件与入土筒体相连；入土筒体外侧设有入土筒体外螺纹，入土筒体底部设置入土头，入土筒体内部设有送气通道，入土筒体上还设有进气口和排气口，进气口连通进气管，送气通道分别连通进气口、排气口；驱动马达的输出轴上固定安装有主动轮，主动轮与所述的从动轮传动连接；进气管通过连接杆固定安装在驱动马达的机体上。设备结构如图1所示。

图1 连续式螺旋入土装置结构图

图2 图1的A-A视图

图3 图1的B-B视图

图4 图1的C-C视图

1.进气管；2.第1连接件；2.1.第2连接件；2.2.第3连接件；3.高压旋转接头；4.从动轮；4.1.输出轴；4.2.主动轮；5.入土筒体；6.入土筒体外螺纹；7.送气通道；8.排气口；9.入土头；10.驱动马达；11.连接杆

1.2 使用步骤

将进气管与脉冲气体发生装置的输出端相连；

根据需要深松的土壤确定若干气爆点，每个气爆点的水平距离为0.5～5m；

启动驱动马达，手持连续式螺旋入土装置，并使入土头对准气爆点，将连续式螺旋入土装置旋入土壤下10～40cm，关闭驱动马达；

启动脉冲气体发生装置，设置1个脉冲周期为0.02～2s，通过排气口向土壤内释放至少2个脉冲周期的压缩空气，单次脉冲中释放压缩空气的时间为0.5个脉冲周期，其中压缩空气的气压为0.3～3.0MPa；

启动驱动马达，控制驱动马达反转，将连续式螺旋入土装置旋出土壤；

选取另外1个气爆点，重复以上第3步骤到第5步骤，直到所有气爆点均被处理。

设备中的从动轮与主动轮均为齿轮且相互啮合；第1连接件、第2连接件和第3连接件均为法兰盘；入土头为圆锥形尖头或带棱的锥形尖头；进气管上设有刻度；送气通道的内径为0.5～5cm。

2 有益效果

2.1 降低成本，方便省力

在驱动马达的驱动作用下，入土筒体可通过配合入土筒体外螺纹旋向的旋转方式进入土中，避免了扦插用力和间隙的冲击，有利于减少土壤阻力的影响，提高入土效率，降低使用成本；在入土过程中，没有采用现有技术中的冲击方式，有效减少了对入土头的冲击损耗，延长了入土头的使用寿命，由于减少了冲击的影响，降低了对整个装置的材质要求，可进一步减少入土装置的厚度、重量和体积，使得入土装置结构更加简单、小巧、轻便、耐用，降低制造成本；采用驱动马达作为动力源，不需人为向下使力，或仅需使用较小的力量，入土筒体即可通过螺旋方式自行入土，有效减轻了劳动强度，方便省力。

2.2 增加土壤的有效压力

实验结果显示，其它起爆深松方法在农田土壤中每次气爆后10～50ms产生压力峰值，随后以压力峰值产生时间3～10倍的时间衰减下来，而该基于脉冲气爆进行土壤深松的方法采用以0.5～50Hz的脉冲频率实施气爆松土，能在较短时间内，以较少气量形成多个压力峰值，对土壤反复加压，大大延长了对农田土壤的有效压力作用时间，实验结果显示，气爆后土壤裂纹数量、裂纹长度均明显大幅增加。

2.3 深松效果稳定

多次脉冲高压气体作用于土层后，由于周期性反复加压、泄压的过程，形成振荡效应，造成土壤层振动坍塌、碎裂，土壤的容重、总空隙率，碎土率等显著提高，形成了较好的深松效果和深松稳定性。

2.4 适用广泛

每次气爆压力控制在0.3～3.0MPa，对一般农田土壤均较适合，即不会因压力过大产生危害，又能达到气爆松土的效果，提高了气爆处理的效率、减少了高压气体用量和能耗，提高了该发明的经济适用性。

2.5 提高土壤性能

适宜的气爆压力、频率和脉冲次数、入土深度处理后，土壤的渗透性、深松均匀性和深松稳定性均大幅提高。

2.6 满足市场需求

整个气爆深松方法科学合理、可操作强，生产条件温和、对设备要求低，适合不同规模的农户及合作社作业，具有良好的应用效果和市场需求。

2.7 市场应用前景良好

该方法在较短处理时间和使用较少高压气量情况下，具有土壤深松土壤裂缝数量多、缝隙长且宽，土壤容重小、总空隙率大，碎土率、土壤膨松度较高，深松均匀，渗透性好等优点，适用于农田土壤的高效深松作业，特别是对于板结土壤，作用效果更为明显。该方法创新性地改变了传统农业的耕作模式，对我国土壤耕地质量的保护和改善、农业生产效率的提高和转型升级，具有重要的现实意义和战略意义，市场应用前景和发展潜力良好。

3 实施方式

3.1 连续式螺旋入土装置

包括驱动马达10、进气管1和送气机构。

3.1.1 驱动马达

驱动马达10为气动马达，其与电动马达相比，体积小功率高，具有高适应性，温升较小，转速可随负载改变，直至超载停机而不会对气动马达产生任何损伤，而且可以无级调速，操作灵活，入土时驱动马达10正转，出土时驱动马达10反转，换向容易。驱动马达10上设有把手，以便于操作人员驱使驱动马达10向土中旋进。

3.1.2 送气机构

送气机构包括高压旋转接头3、入土头9、入土筒体5、内部中空的从动轮4，高压旋转接头3的固定端通过第1连接件2与进气管1连接，高压旋转接头3的转动端通过第2连接件2.1与从动轮4连接，从动轮4通过第3连接件2.2与入土筒体5相连，从动轮4内部为中空结构，以实现将来自高压旋转接头3的气体传输至入土筒体5。

第1连接件2、第2连接件2.1和第3连接件2.2均为法兰盘，各个部件之间拆卸方便、强度高、密封性能好。

驱动马达10的输出轴4.1上固定安装有主动轮4.2，从动轮4与主动轮4.2均为齿轮且相互啮合时可达到传动目的，其作用过程为：主动轮4.2随输出轴4.1旋转，主动轮4.2带动从动轮4旋转，进而带动入土筒体5旋转。

3.1.3 进气管

进气管1 通过连接杆11固定安装在驱动马达10的机体上，以保证驱动马达10与从动轮4的相对位置不变，进气管1的管壁较厚以承载驱动马达10。

驱动马达10将动能输送至中从动轮4，进而带动入土筒体5以及高压旋转接头3的转动端旋转，达到入土筒体5旋转而进气管1不旋转的目的，通过高压旋转接头3的转接作用，进气管1可在旋转连接组件4随驱动马达10的转动过程中不随入土筒体5一起作旋转运动。

入土筒体5外侧设有入土筒体外螺纹6，在驱动马达10的驱动作用下，入土筒体5可通过配合入土筒体外螺纹6旋向的旋转方式进入土中，避免了扦插用力和间隙地冲击，有利于减少土壤阻力的影响，提高入土效率，降低使用成本；在入土过程中，没有采用现有技术中的冲击方式，有效减少了对入土头9的冲击损耗，延长入土头9的使用寿命，再者，由于减少了冲击的影响，降低了对整个装置的材质要求，可进一步减少入土装置的厚度、重量和体积，使得入土装置结构更加简单、小巧、轻便、耐用、制造成本低；采用驱动马达10作为动力源，不需人为向下使力，或仅需使用较小的力量，入土筒体5即可通过螺旋方式自行入土，有效减轻了劳动强度，方便省力。

入土筒体外螺纹6可为右螺纹，也可为左螺纹，入土时根据不同螺纹方向采用相应转动的驱动马达10带动旋转入土，退出时采用反向旋转方向退出即可，入土筒体外螺纹6采用右螺纹或左螺纹的方式配合正、反向转动的驱动马达10，既可使入土筒体5按右手螺旋方式旋转自行前进和入土，又可使入土筒体5按左手螺旋方式旋转，从而带动自行后退和退出土壤，减轻了入土的劳作和作业完成后拔管的劳作。

入土筒体5底部设置入土头9，入土头9为圆锥形尖头，便于入土时将来自动力装置的力集中，快速进入土中，利于入土工作，在特殊狭窄空间，也能够通过尖端体积较小的锥头使得整个入土头9的入土深度更深，受土壤阻力影响更小。

入土筒体5内部设有送气通道7，送气通道的内径为0.5cm，入土筒体5上还设有进气口和排气口8，进气口连通进气管1，进气管1上设有刻度，方便观察入土深度。送气通道7分别连通进气口、排气口8，则送气通道7、进气口、排气口8三者在入土筒体5上形成一个完整的输气通道。

3.2 针对板结的农田土壤，一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法操作步骤

将进气管1与脉冲气体发生装置的输出端相连；

预处理333m2土壤，设置100个均匀排布的气爆点，每个气爆点的水平距离为2m；

启动驱动马达10，手持连续式螺旋入土装置，并使入土头9对准气爆点，将连续式螺旋入土装置旋入土壤下40cm，关闭驱动马达10；

启动脉冲气体发生装置，设置1个脉冲周期为1/30s，通过排气口8向土壤内释放15个脉冲周期的压缩空气，单次脉冲中释放压缩空气的时间为0.5个脉冲周期，即1/60s，所述压缩空气的气压为2.5MPa；

启动驱动马达10，控制驱动马达10反转，将连续式螺旋入土装置旋出土壤;

将连续式螺旋入土装置移至第2个气爆点，重复以上步骤第3到第5步，处理333m2土壤后，单点裂纹达6条，缝长达1.8m，土壤平均紧密度从2883kPa降低为1164kPa，土壤平均容重从1.805g/cm3降低为1.420g/cm3，土壤总空隙度从35.4%提高到43.2%。