李國昌，吳雪梅，殷坤勤，丁　飛，張富貴，張培坤

(1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴陽　550025；2.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 遵義　563000；3.福建永順機械有限公司，福建 南平　353500)

0　引言

土壤耕作的目的在于改善土壤結(jié)構(gòu)、恢復(fù)土壤肥力、改善田間地面狀態(tài)，為作物播種、生長發(fā)育與成熟的各個階段創(chuàng)造良好的條件[1-3]。其中，烤煙煙田的土壤耕作管理主要包括旋耕、起壟、覆膜及打孔等作業(yè)。起壟成形裝置是為解決土壤起壟成形問題而設(shè)計的機械，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實踐當中[4-8]。該機械主要用于起壟成形，提高與保護土壤墑情，可為覆膜、施肥和烤煙生長提供優(yōu)質(zhì)的種床條件[9-12]。

目前，起壟成形機械種類繁多，其作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)效率參差不齊。許多學(xué)者等研究人員對起壟成形裝置做了大量研究。何進[13]等人設(shè)計了一款1QL-70型固定壟起壟機，能實現(xiàn)起壟和修壟的效果，且各尺寸參數(shù)能較好地滿足河西走廊地區(qū)的農(nóng)業(yè)要求，但該機主要應(yīng)用于河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。李向軍[14]等人設(shè)計了一款1GZ-440V4玉米大壟雙行聯(lián)合整地機，其起壟裝置部分由分土板、起壟座板、起壟鏟柄和鑿形鏟尖等組成。起壟時，起壟鏟柄和鏟尖將土壤按已定溝底寬度切開，并向兩側(cè)分開；分土板使土壤沿兩側(cè)向后傾斜運動上升，達到預(yù)定溝邊時，推向壟中心，使土壤按自然休止角形成壟形，但貴州土壤類型多變，黃壤及紫色土壤類型居多且土壤濕度較大，土壤不能按自然休止角形成壟型。高明宇[15]等人設(shè)計了一款玉米大壟雙行聯(lián)合成地機起壟成形裝置，該裝置吸收國內(nèi)外先進的成地技術(shù)，結(jié)合黑龍江省大壟雙行密植耕作模式的實際情況，能滿足作業(yè)良好、效率提升、性能可靠、控制成本的要求；但該機具主要符合玉米大壟雙行的種植模式。上述起壟成形機械應(yīng)用范圍比較單一且多為大型機械，不能適應(yīng)貴州山區(qū)小型地塊的要求。

本文結(jié)合貴州山區(qū)烤煙作業(yè)的實際情況，設(shè)計了一種起壟成形裝置，使其作為起壟施肥機的一部分，且能根據(jù)不同的農(nóng)藝要求調(diào)節(jié)起壟高度、起壟寬度、起壟橫截面形狀等參數(shù)。該起壟成形裝置不僅提高了工作效率，而且能滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求。

1　成體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　作業(yè)要求

自走式底肥深施機定點施肥裝置采用一壟一行模式，壟間距1100mm，壟面寬20～30mm,壟底寬度60～70mm，壟高25～30mm；作業(yè)對象為貴州山區(qū)土地。在旋耕作業(yè)完成后，煙苗種植之前，起壟與施肥作業(yè)同時進行。起壟成形裝置的煙壟的模式如圖1所示。

圖1　烤煙壟型斷面示意圖

1.2　作業(yè)成體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

起壟成形裝置主要由限深輪、限深高度調(diào)節(jié)桿、前起壟板、左側(cè)起壟板、套筒、壟寬調(diào)節(jié)套筒、轉(zhuǎn)動搖桿、上撫平板、固定導(dǎo)管、壟高調(diào)節(jié)導(dǎo)桿、支撐管、固定管、右側(cè)起壟板等部件組成，如圖2所示。

圖2　起壟成型裝置結(jié)構(gòu)圖

貴州多為山區(qū)，地塊較小且不連續(xù)，烤煙機械設(shè)備應(yīng)為小型化田間管理機。為滿足貴州遵義市匯川區(qū)烤煙種植的農(nóng)藝要求，設(shè)計的起壟成型裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下：

壟底寬度/mm:600～700(可調(diào))

壟高/mm:250(可調(diào))

壟頂寬/mm:200～300(可調(diào))

起壟行數(shù):1 壟 1 行

作業(yè)速度/km·h-1：2～10

配套動力/kW:6.6(單缸風(fēng)冷柴油機)

連接方式：直接連接

生產(chǎn)率/(667m2)·h-1：1

壟形狀: 梯形或圓弧型

1.3 　工作原理

該起壟成形裝置為煙用自走式定點起壟施肥機的一部分，如圖3所示。該裝置由單缸風(fēng)冷6.6kW柴油機為動力，通過鏈傳動方式將動力傳輸給起壟刀軸，起壟刀片通過高速旋轉(zhuǎn)對旋耕后的煙地土壤進行切削、拋土，拋出的土壤向中間輸送聚集，在起壟成型裝置的作用下形成滿足烤煙種植要求的壟型。

2　主要工作部件的設(shè)計

2.1　起壟刀軸

起壟刀軸是起壟施肥機的主要工作部件，起壟刀的排列方式是否合理對起壟效果是否符合農(nóng)藝要求及起壟機的功率消耗量大小等有很大影響。根據(jù)相關(guān)文獻，本文設(shè)計刀座與刀軸軸線成25°夾角焊接，且刀座在刀軸上的排列為雙螺旋線形式[14-18]；刀片之間的角度分別為90°，刀片左右對稱安裝。圖4為起壟定點施肥機的刀軸示意圖。

圖3　煙用自走式起壟定點施肥裝置三維圖

圖4　煙用起壟定點施肥機刀軸示意圖

2.2　調(diào)節(jié)頂板

調(diào)節(jié)頂板通過螺栓與起壟高度調(diào)節(jié)桿連接，通過上下調(diào)節(jié)頂板可以實現(xiàn)調(diào)整壟頂?shù)膶挾燃捌饓诺母叨鹊墓δ?，上下調(diào)節(jié)范圍為0～8cm。上撫平板可將壟床表面的土壤推向前方，起到平成壟頂?shù)淖饔?，使得壟型?guī)范成齊。

2.3　壟型成形部分

起壟成形裝置是用來完成起壟、壟型修復(fù)及清除溝底殘留土壤的作業(yè)過程，將其安裝在起壟裝置的后面，即已完成土壤旋耕起壟的正后面。起壟成形裝置由左、右兩塊側(cè)起壟板及兩塊后起壟板組成。

左右兩側(cè)起壟板傾角φ是起壟刮板的主要參數(shù)之一。根據(jù)田間試驗測定，在保證起壟壟型符合烤煙農(nóng)藝要求的前提下，起壟后土壤自然滑落后的壟底角為56°，實際設(shè)計時左右起壟板的傾角為65°，以保證成形后的壟床在土壤自然滑落后的底角接近56°。

左、右起壟板及上起壟板保證了所切削的土壤隨螺旋刀片從兩端向中間運輸推土成壟。起壟成型裝置與起壟刀軸之間保留合適的距離，使其既能保證不與起壟刀軸發(fā)生干涉，又能保證起壟質(zhì)量。左右起壟板起阻止溝中的土壤向外運輸?shù)淖饔?，后擋板起清除溝底殘留土壤并引?dǎo)其向中間運輸?shù)淖饔谩?/p>

2.4　限深輪部分

限深輪組件安裝在后起壟板上，保證其工作在起壟成型后溝底的地面，使起壟機平穩(wěn)運行，減輕作業(yè)者的負荷。限深輪的工作原理是：手柄與螺柱連接，螺柱與小輪叉螺紋連接，限深輪套筒聯(lián)接在后起壟板及后梁連接架上，當轉(zhuǎn)動手柄時輪叉可實現(xiàn)上下移動。輪叉與輪子通過連接塊相連接，從而使輪子能夠隨時升降，滿足實際的深耕要求。限深輪組件結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5　限深輪裝置1.手柄 　2.上撫平板　3.后起壟板4.左右起壟板　5.輪子　6.升降桿Fig.5　Limit wheel device

3　田間試驗

3.1　試驗條件及試驗方法

2017年4月，在貴州遵義市匯川區(qū)試驗區(qū)對起壟成形裝置進行田間性能試驗。試驗區(qū)為烤煙煙地，土壤類型為黃壤，土壤含水率為20.17%，土壤堅實度為2.3；地勢平坦，土層深厚，耕性較好。在起壟前，利用旋耕機對試驗煙地進行旋耕，以方便起壟機進行起壟作業(yè)，如圖6所示。

圖6　煙地旋耕作業(yè)運行圖

旋耕后，起壟機由專業(yè)操作機手，在規(guī)定工況下進行起壟作業(yè)，如圖7所示。

圖7　煙地起壟作業(yè)運行圖

起壟機在規(guī)定工況下進行起壟作業(yè)，測區(qū)長度應(yīng)不少于30m，前后穩(wěn)定區(qū)不應(yīng)少于5m；檢測時，往返行程各不少于3次，結(jié)果取平均值。在測區(qū)內(nèi)每單程均勻選擇2點，在測點處切開壟的斷面，用直尺測量各指標值。梯形壟起壟截面形狀如圖8所示。

圖8　梯形壟起壟截面示意

逐點對起壟高度、壟底寬、壟面寬及壟距等參數(shù)進行測量并記錄。其中，壟距對于雙壟作業(yè)機而言是指單程作業(yè)所形成的兩條壟間的距離，而非大壟雙行的大壟距。

起壟機各項作業(yè)指標是依據(jù)貴州煙草農(nóng)業(yè)機械測試規(guī)范有關(guān)標準基礎(chǔ)上確定的，能滿足貴州煙區(qū)起壟作業(yè)的農(nóng)藝要求。起壟高度、壟頂寬度、壟底寬度及壟間距等參數(shù)是反映起壟成型的主要技術(shù)指標，其作業(yè)效果指標測定如下：

1)起壟高度的測定。機械起壟作業(yè)后，壟溝底至壟頂?shù)呢Q直高度(cm)。

2)壟底寬的測定。機械起壟作業(yè)后，壟體底部的水平寬度(cm)。

3)壟面寬的測定。機械起壟作業(yè)后，梯形壟為頂面寬度，三角形壟和圓弧面壟為壟高2/3處的壟體水平寬度(cm)。

4)壟距的測定。機械起壟作業(yè)后，測量鄰接壟中心線之間的垂直距離(cm)。

起壟高度、壟底寬、壟面寬、壟距等參數(shù)的均值、方差、變異系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)的計算方法可由公式(1)～(4)計算得出，即

(1)

(2)

(3)

U=1-V

(4)

式中ai—單次測定值；

n—測點數(shù)；

S—測定值的標準差；

V—測定值的變異系數(shù)；

U—測定值的穩(wěn)定性系數(shù)。

土壟壟形一致性參數(shù)是反映起壟機作業(yè)性能的重要指標之一，可由公式(5)～(7)計算得出，即

(5)

(6)

(7)

式中i—測點數(shù)，1，2……n;

b1i—每個測點壟面寬度 (cm) ;

b2i—每個測點壟底寬度 (cm) ;

hi—每個測點起壟高度 (cm) ;

Ai—每測點土壟橫截面面積 (cm2) ;

SA—土壟橫截面面積標準差 (cm2) ;

WA—土壟壟形一致性 (%)。

按照式(5)、式(6)、式(7)可計算出起壟壟形一致性參數(shù)。

3.2　試驗結(jié)果及分析

田間試驗結(jié)果表明(見表1)：該起壟成形裝置培土均勻，起壟成齊平成；壟頂寬度、壟底寬度、起壟高度、壟距等參數(shù)均可調(diào)，其試驗值均滿足貴州匯川區(qū)烤煙的種植要求。試驗測得壟高、壟底寬、壟頂寬和壟距的穩(wěn)定性系數(shù)都在95%以上，起壟壟形一致性為99.6%。該起壟成形裝置不僅提高了工作效率，而且能滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求。

表1　單機組測試起壟作業(yè)效果數(shù)據(jù)記錄表

根據(jù)貴州省《煙草農(nóng)業(yè)機械測試選型規(guī)范》，合格機組的評價標準為：平均壟高、壟底寬、壟頂寬和壟距在根據(jù)農(nóng)藝要求設(shè)定值上下10%范圍內(nèi)，且穩(wěn)定性系數(shù)不小于80%時為合格。起壟成形裝置滿足該選型規(guī)范，達到了設(shè)計的要求。

4　結(jié)論

1)該起壟成形裝置對于貴州煙草地塊的起壟作業(yè)具有良好的效果，在壟高、壟寬、壟面平成度等重要農(nóng)藝要求方面具有明顯的優(yōu)勢。

2)該裝置為自走式起壟施肥機的配套設(shè)備，起壟成形裝置與旋耕裝置及施肥裝置集成于一體，使得旋耕、起壟、施肥3種作業(yè)工序同時進行，大大提高了效率，節(jié)省了勞動時間。

3)試驗測得壟高、壟底寬、壟頂寬和壟距的穩(wěn)定性系數(shù)都在95%以上，起壟壟形一致性為99.6%，能滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求。

4)為提高調(diào)整壟型參數(shù)的效率，建議在壟寬調(diào)整支架、壟高支架及限深輪支架上添加刻度。