蔬菜精整地机镇压部件设计与试验

张成龙 黄铭森 张宋超 李洪昌 王峰 张涛

摘要：为有效改善土壤细碎程度和平整度较低等问题，对蔬菜精整地机的镇压器、镇压高度调节装置进行设计及优化。设计两套镇压器高低调节装置，一种镇压高度调节装置是由双作用液压缸、控制阀、液压管路、液压操作机构、监测轮、压力传感器等部件组成，可以实现压深反馈自动调节；另一种镇压高度调节装置是通过转动手柄来改变镇压辊与土壤的间距，可调节的最大距离为10 cm，结构简单紧凑，便于维修。阐述蔬菜整地机具的镇压部件工作原理，重新设计镇压辊轴等部件，并进行田间试验研究。田间试验结果表明：土壤含水率在20.5%的相同情况下，牵引速度为1.2 m/s、碎土辊转速为439 r/min时，土壤平整度效果最佳，牵引速度和碎土辊转速对土壤平整度的影响是极显著；牵引速度为1.1 m/s，动力输出轴转速为720 r/min，土壤含水率相同时，双轴机具土壤平整度明显优于单轴机具。试验结果符合优化参数，且能够达到目前蔬菜整地机的作业质量标准。

关键词：精整地机；镇压器；液压系统；高度调节；平整度

中图分类号：S222

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 04-0025-07

Abstract： In order to effectively improve the problems of soil fineness and low levelness， the design and optimization of the press and the press height adjustment device of the vegetable finishing machine were carried out. Two sets of ballast height adjustment devices were designed. One kind of ballast height adjustment device was composed of double-acting hydraulic cylinder， control valve， hydraulic pipeline， hydraulic operating mechanism， monitoring wheel， pressure sensor and other components， which could realize automatic adjustment of depth feedback; another kind of height adjustment device was to change the distance between the roller and the soil by turning the handle. The maximum adjustable distance was 10 cm. The structure was simple and compact， and it was convenient for maintenance. This paper expounds the working principle of the pressing parts of the vegetable land preparation machine， redesigns the pressing roller shaft and other parts， and carries out field test and research. The results of the field test showed that under the same condition of soil moisture content of 20.5%， when the traction speed was 1.2 m/s and the rotation speed of the soil breaking roller was 439 r/min， the effect of the traction speed and the rotation speed of the soil breaking roller on the soil smoothness was the best. When the traction speed was 1.1 m/s， the speed of the power output shaft was 720 r/min， and the soil moisture content was the same， the soil evenness of the two-axle machine was significantly better than that of the single-axle machine. The test results conform to the optimized parameters， and can meet the current operating quality standards of vegetable graders.

Keywords：  finishing machine; repressor; hydraulic system; height adjustment; planeness

0 引言

土壤是蔬菜生長的基础条件，保证蔬菜生长一致的条件是土壤要碎、耕整要平，所以蔬菜种植前必须把高低不平的土块整平，耕整地作业质量的好坏直接关系到蔬菜的品质及后续机械化作业能否顺利进行。现有的蔬菜耕整地作业机械存在垄面不够平整、镇压辊黏土等问题，且整体作业性能和稳定性也急需提高，上述问题是制约我国蔬菜机械化生产的重要因素。

为了解决以上问题，需对耕整地机具的镇压部件进行优化及改进。耕整地可以改善土壤结构，增加土壤肥力，镇压器又是精整地机具的重要部件，直接影响土壤的压实和平整度。因此对镇压部件进行设计和改进，可以有效减少机具对土壤的压实和破坏，提高作业性能和效率，增加蔬菜产量［1］。

国内的蔬菜精整地机械研制起步较滞后，随着农业现代化和农艺技术的发展以及机械制造水平的不断提高，联合整地机械的研制和推广也有了长足的发展，但从整体技术水平来看，与国际先进水平相比还有很大差距，主要表现在：作业性能水平低、可靠性较差以及作业效果不理想等方面。

国外蔬菜生产机械化程度高，研制开发的整地机械性能稳定，产品多且全，已形成标准化、系列化，适用范围广，普遍采用的是机械化联合作业，大幅度提高了生产效率，在蔬菜生产领域，精整地、施肥、播种复式作业技术得到广泛应用，真正意义上实现农机与农艺的有机结合，并在此基础上实现了全程的机械化作业，推出了多款成熟的成套产品，例如，意大利的PERFECTA SERIES精整地机，常用于重质地土壤作业，旋耕深度可达20 cm，同时能获得很高的土壤细碎和平整度；还有一款AI MAXI DG+AIRONE机具，适用于高湿、杂质碎石较多的土壤作业［2］。以上机具整地效果相对都很好，但这些装备价格昂贵、维护维修困难，且由于我国幅员辽阔、土壤结构复杂，在实际作业过程中还存在作业性能不稳定等不足，所以导致国内很少有人愿意买进口机具［3］。

1 镇压部件工作原理

镇压部件一般安装在蔬菜精整地机的最后方，可以起到对土壤表层压实平整的作用，防止水分蒸发流失，同时保证深层土壤水分往上上升，集中到播种层，有利于种子的发芽，也为蔬菜的移栽做好前提保障［4］。

镇压部件主要由镇压器、连接机构、横梁、镇压器上下调节装置等部件组成，如图1、图2所示。目前蔬菜整地机具镇压器的高低控制方式有：手摇式、液压式以及电气控制等方式。本文镇压器高低调节设计了液压控制和手摇式两种方式。两者的高低调节部件都是使用螺栓紧固的，镇压器整体也是通过螺栓固定在左右两侧的连接板上。

当拖拉机挂接蔬菜整地机具开始工作时，首先是旋耕部件开始入土加工土壤，然后碎土辊对前面环节加工过的土壤进行细碎，接着通过改变镇压辊与地面之间的间隙给土壤施加压力，使土壤相聚在一起，从而将土壤压实整平，土壤两边的垄型是通过镇压辊两侧的端盘加工而成。其中镇压器是主要工作部件，在设计时要按照蔬菜生产的农艺要求来思考，其参数的变化将会影响到整机的镇压效果［5］。

2 镇压器设计

镇压环节主要是通过镇压器来完成镇压及起垄，镇压器是主要工作部件，在设计时要按照蔬菜生产的农艺要求来思考，其参数的变化将会影响到整机的镇压效果［6-7］。

如图3所示，镇压器整体由传动轴、镇压辊以及左右两边的端盘拼装而成。镇压辊的作用主要是将土壤表层的土块碾碎，从而消除土块间的间隙，防止水分损失以及整平垄面；镇压辊端盘的作用主要是加工出符合农艺要求的垄型［8］。

蔬菜生产农艺要求压实的主要是表层土壤，所以镇压辊直径不宜过大。通常镇压辊轮翻转角不大于20°，镇压器才能正常工作，本文镇压辊轮翻转角设为7°，通过计算得出镇压辊轮直径D为160 mm，如图4所示。

镇压辊表面光滑，是由铸铁制成，这样可以最大程度地避免在含水率高的土壤作业时，辊体表面黏土，从而影响压实效果。

蔬菜整地机作业时垄型整理主要依靠的是镇压辊端盘，在设计端盘时需考虑垄顶宽、垄高、垄底宽等垄型参数，通过走访调研江苏等地的种植蔬菜种类，得出参数如下：起垄数量1行，垄底宽为120～140 mm，垄顶宽为100～120 mm，垄高为150～200 mm，垄距为≥150 mm。

蔬菜整地机的垄型角度通常由端盘倾角所决定，垄宽可以通过改变端盘与镇压辊的轴向距离来调节［10］。根据蔬菜生产农艺要求，设计的镇压辊端盘参数如下：顶圆直径D1为500 mm，高度h为140 mm，端盘倾角为35°，图5为端盘结构图。

3 镇压高度调节装置设计

镇压辊是镇压部件的重要组成部件，镇压辊对土壤施加压力的大小，将直接影响着作物的产量［11］。如果对土壤镇压强度太大，蔬菜的出芽率将会受到影响，同时也不利于后期的生长。如果镇压强度过小，会使土壤间间隙过大，不利于土壤保存水分，导致种子吸收水分不均匀，发芽不整齐，甚至达不到平整土壤的目的。综上所述，有着可靠的镇压高度调节装置至关重要。

本文设计了两种镇压器高度调节装置，一种机具镇压高度调节装置是由双作用液压缸、控制阀、液压管路、液压操作机构、监测轮、压力传感器等部件组成。通过液压操作手柄來控制液压缸的动作，可以实现压深反馈自动调节，设计镇压辊压力监测和镇压深度自动调节方法及装置，用于精整地机作业后土壤密实度的连续测量和实时反馈调节，在精整地机上设计镇压辊的镇压深度自动调节机构，并在镇压辊后部安装监测轮和压力传感器，精整地作业过程中，控制器实时采集压力传感器测量的土壤对监测轮的水平和垂直方向作用力，并根据建立的监测轮受力、压入深度与土壤密实度的关系模型。控制器根据镇压辊的镇压深度与土壤密实度的关系，实时反馈调节镇压辊的镇压深度，以使土壤密实度稳定在设定的目标值范围，满足不同作物种植的农艺要求，提高整机在不同土壤环境下作业性能的稳定性和作业效果。如图6所示，通过液压缸的伸缩长度来改变镇压辊与土壤的间距，最终实现整平垄面和压实表层土壤的目的。

通过计算可得缸体内径d=69.56 mm，取d=70 mm；设计活塞的最大行程H=117 mm，根据《机械设计手册》选取合适的活塞行程，选定活塞杆的最大允许行程S=200 mm。

如图7所示，该系统由液压泵、卸载提升阀、电液比例换向阀、单向阀、节流阀、梭阀和液压缸等组成。电液比例换向阀可控制液压缸动作及运动速度；梭阀可将液压缸两端的负载最高压力反馈至提升阀；液压泵的输出流量的调节根据提升阀根据负载压力的大小；液压系统最高压力由压力切断阀来限制，当系统压力大于设定压力时，液压泵以最小流量输出，溢流损失很小，起到保护作用。

电液比例换向阀阀口前后压差保持恒定，可控制通过液压缸的流量，液压缸运动速度将不受负载变化影响；该镇压高度调节装置液压系统具有结构简单、工作效率高和控制精度准等优点。

另一种机具镇压高度调节装置是通过转动手柄来改变镇压辊与土壤的间距，可调节的最大距离为10 cm，如图8所示，顺时针转动手柄，可以减小镇压辊与地面的间距；逆时针转动手柄，可以增大镇压辊与地面的间距。准确的调整镇压器高度装置，既可以获得很好的镇压效果，又可以为后续生产环节打下坚实的基础。

4 试验与分析

4.1 材料与方法

4.1.1 试验材料

久保田954拖拉机、江苏750拖拉机，土壤水分测定仪、土壤坚实度仪、水平仪、细线、钢卷尺、皮尺、耕深尺、秒表、精量天平、烘箱、标杆等。

4.1.2 试验方法

本次试验于2020年7月8日在江苏常州选择了3块不同的试验田。试验当天使用烘干法分别测出3块不同试验田的土壤含水率，含水率分别为14.5%、21.9%、26.1%。土壤含水率测定方法：在每个测区对角线上分别取5个测点，每个测点按10 cm为单位分层取样，每层取样量去掉石块和残渣等杂质应不少于30 g，需装入土壤盒中称重，温度设定为105 ℃，需持续烘干6～7 h，至恒重，然后取出放入干燥容器中冷却，直至和室温一致时开始称重，所有测点的平均值就是本次试验田块的土壤含水率。

4.2 土壤平整度的单因素对比试验

4.2.1 牵引速度对土壤平整度的影响

土壤平整度的测定方法：当机具作业后，在垄面上的最高点位置作一条水平直线为基准线，在基准线在以10 cm的间距等分，并在每个等分点上测出耕后的土壤表面到基准线的垂直距离，每个垄上均匀的选取3个测量段。按式（3）、式（4）可计算出平均值和标准差，算出的标准差的值就表示土壤平整度，值越小，表示土壤平整效果越好。

在土壤含水率以及动力输出轴转速相同的情况下，改变机具的牵引速度。当动力输出轴转速在720 r/min，土壤含水率在20.5%的相同情况下，机具的牵引速度分别选取为A1=0.8 m/s，A2=1.0 m/s，A3=1.2 m/s，A4=1.4 m/s，分别重复试验3次，试验结果如表1所示。

通过单因素方差法分析，显著水平设定为0.05，利用最小显著差异法LSD对牵引速度的变化对土壤平整度的影响进行分析，判断牵引速度对土壤平整度影响的显著程度。方差分析结果如表2、表3所示。

通过对单轴和双轴作业参数的对比，在相同牵引速度情况下，双轴机具的土壤平整度明显要优于单轴的机具的土壤平整度。

4.2.2 土壤含水率对土壤平整度的影响

为了对比两个机具的土壤平整度情况以及土壤含水率对平整度的影响，通过在土壤含水率不同的田块上作业，以及牵引速度为1.1 m/s，动力输出轴转速为720 r/min的情况下，土壤含水率分别选取B=14.5%，B2=21.9%，B3=26.1%，分别重复试验3次，试验结果如表4所示。

通过单因素方差法分析，显著水平设定为0.05，利用最小显著差异法LSD对牵引速度的变化对土壤平整度的影响进行分析，判断牵引速度对土壤平整度影响的显著程度。方差分析结果如表5和表6所示。

通过对单轴和双轴作业参数的对比，在相同土壤含水率情况下，双轴机具的土壤平整度明显要优于单轴的机具的土壤平整度。

4.2.3 碎土辊轴转速对土壤平整度的影响

为了探索出碎土辊轴转速对平整度的影响情况，当土壤含水率在20.7%，牵引速度為1.1 m/s的相同情况下，改变机具碎土辊轴的转速，从而研究出土壤平整度变化的规律，碎土辊转速分别选取C1=237 r/min，C2=315 r/min，C3=439 r/min，分别重复试验3次，试验结果如表7所示。

通过单因素方差法分析，显著水平设定为0.05，利用最小显著差异法LSD对碎土辊转速的变化对土壤平整度的影响进行分析，判断碎土辊转速对土壤平整度影响的显著程度。方差分析结果如表8所示。

分析可知，P值远小于0.001，说明碎土辊转速在其他条件不变的情况下，对土壤平整度的影响是极显著的，亦即土壤平整度与碎土辊转速的相关度很高。

从表7可以发现，碎土辊转速越高，土壤平整度数值越小，呈明显下降趋势。根据土壤平整度的计算公式可以得出，土壤平整度数值越小，平整度越好，因此也可以得出，适度提高碎土辊转速可以提高土壤平整度，但当速度碎土辊转速大于440 r/min时，平整度提高幅度将会减小。通过对不同碎土辊转速下的土壤平整度平均值进行拟合，双轴机具可以得到拟合方程式（9），决定系数分别是R2=1，说明拟合方程是有效的。可以利用该方程预测不同碎土辊转速下的平整度。

5 结论

本文将蔬菜整地机具作为研究对象，设计了两套镇压器高低调节装置。手摇式镇压调节装置结构简单紧凑，便于维修；液压式设计装置可以实现压深反馈自动调节，设计镇压辊压力监测和镇压深度自动调节方法及装置。从理论分析角度对蔬菜整地机具的镇压部件进行了设计优化，提高了机具的作业质量和整体性能，并挂接样机进行了田间试验研究，通过试验得到以下结论。

1）  针对蔬菜生产的农艺要求，对蔬菜精整地机镇压部件进行参数设计，主要技术参数如下：根据蔬菜种植对垄型参数要求，镇压辊直径为16 cm，垄距≥150 mm，镇压辊端盘的参数：镇压辊直径（顶圆直径）为50 cm，高度为14 cm，倾角为35°。

2） 本文以土壤平整度为响应指标，牵引速度、土壤含水率以及碎土辊转速为试验因素，通过单因素试验分析法得出：碎土辊转速、牵引速度对土壤平整度的影响都是极显著，土壤含水率对碎土率的影响是显著的，而对土壤平整度的影响不显著；土壤平整度随土壤含水率的增加而基本不变，而随碎土辊转速和牵引速度的增加而降低。双轴机具的机构相对比较复杂，但是在土壤平整度方面要明显优于单轴机具的作业效果。

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