高輝松,陳新博,薛金林,高 強

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,南京 210031)

0 引言

土壤的理化特性對農(nóng)作物的生長與產(chǎn)量有直接的影響,耕作時的作用力又影響著土壤的力學(xué)特性,因而研究土壤的機械阻力一直農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)注點。同時,拖拉機耕作阻力對拖拉機耕作質(zhì)量、耕作效率與耕作能耗都有影響[1]。因此,長期以來國內(nèi)外研究者一直重視對耕作機械的減阻性及其影響因素的研究,特別是隨著拖拉機自動控制技術(shù)與智能化農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展,對其進(jìn)行研究顯得更為重要與迫切。

20世紀(jì)80年代末,Ayers等人[2]構(gòu)建“耕深-力”“速度-力”“土壤阻力”3種模型,開展耕深、速度與土壤阻力的關(guān)系研究。Girma[3]提出:通過拖拉機驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)率來控制發(fā)動機牽引力,以有效提高拖拉機耕地耕作效率,并減少耕作時的燃油消耗量。張利民與羅錫文[4]基于差分GPS定位技術(shù)研發(fā)了土壤耕作阻力測量系統(tǒng),能進(jìn)行不同深度層的耕作阻力測量。李汝莘等人[5]開展了土壤容重和含水量對耕作阻力的研究,得到了土壤耕作阻力-容重-含水量數(shù)學(xué)模型。李霞等人[6]進(jìn)行了土壤密度、堅實度與土壤斷面等土壤物理特性對深松阻力的影響試驗。Arvidsson等人[7]重點研究不同土壤含水量對耕作阻力與能耗的影響。Camacho-Tamayo等人[8]研究了不同作業(yè)速度和土壤含水量條件下深松牽引阻力的變化。Wang等人[9]重點針對拖拉機附著性能與滾動阻力對機具耕作阻力的影響進(jìn)行研究。翟力欣等人[9]針對犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計時,研究了犁體結(jié)構(gòu)對耕作的影響。周健等人[10]通過LS-DYNA軟件對深松鏟切削土壤過程進(jìn)行仿真,通過單因素試驗對比分析了5種典型準(zhǔn)線的深松鏟結(jié)構(gòu)、工作速度與工作深度對耕作阻力的影響。齊關(guān)宇等人[11]研究表明:深松鏟入土深度及鏟形等形狀與結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著深松作業(yè)的牽引阻力及作業(yè)質(zhì)量等。以上研究表明,影響拖拉機耕作阻力的因素很多,雖然杭程光等人[12]采用7因素3水平正交試驗和單因互變量方差分析法研究了深松鏟機鏟形、鏟距、入土角、土壤含水度、土壤堅實度、耕深及牽引速度對深松耕作阻力不同程度的影響,但有關(guān)影響因素對拖拉機耕作阻力的影響程度仍需系統(tǒng)與量化的研究。

1 拖拉機耕作阻力的影響因素

拖拉機耕作時,影響拖拉機耕作阻力的因素很多,包括土壤條件、土壤比阻、耕作速度、拖拉機與機具質(zhì)量及耕作機具結(jié)構(gòu)等。

1.1 土壤比阻

土壤比阻是指農(nóng)業(yè)耕作中犁在作業(yè)時單位截面上所受到的土壤阻力,也稱耕作比阻,是應(yīng)用土壤學(xué)的一個重要物理性能指標(biāo)[13]。土壤是一種非均質(zhì)的、多相的、顆?；?、分散的、多空的系統(tǒng),不同土壤條件下的土壤比阻是不同的。通過對土壤比阻的研究,可以確定不同土壤條件下拖拉機燃油消耗定額系數(shù),也可進(jìn)行犁具的強度設(shè)計與拖拉機牽引力的選擇。土壤比阻獲取一般有兩種方法[14]:一是在犁具上安裝力傳感器測量不同土壤的土壤比阻;二是建立粘土成分與土壤含水量為自變量的回歸方程,得到土壤比阻的計算值。不同地區(qū)的土壤比阻分布規(guī)律不同,而同一地區(qū)的土壤比阻分布規(guī)律也是不同的,一般情況下土壤比阻的變化范圍較大。表1為不同土壤類型的土壤比阻范圍。

表1 不同土壤類型的土壤比阻

耕作阻力與土壤比阻的關(guān)系可表示為

FT=k·β·b·H

(1)

式中FT—耕作阻力(N);

k—常系數(shù);

β—土壤比阻(kg/cm2);

b—耕作幅寬(cm);

H—耕作深度(cm)。

由式(1)可知:當(dāng)耕作幅寬與耕作深度一定時,影響耕作阻力的參數(shù)主要為土壤比阻。

1.2 耕作深度與耕作幅寬

由式(1)可知:耕作深度與耕作幅寬對耕作阻力有直接的影響,耕作阻力隨著耕作深度、耕作幅寬的增大而增大。

由于不同耕作深度時土壤特性不一樣,隨著耕作深度的變化,耕作阻力的增加幅度是不一樣的。為此,采用深松鏟進(jìn)行稻麥田耕作阻力試驗。深松鏟入土深度變化范圍為10～40cm。試驗測量數(shù)據(jù)如表2所示,數(shù)據(jù)變化趨勢如圖1所示。

表2 作業(yè)深度與耕作阻力數(shù)據(jù)

圖1 耕作阻力隨作業(yè)深度變化趨勢

由表1和圖1可知:耕作阻力隨著作業(yè)深度增加而增加;作業(yè)深度為10 cm和15 cm時,深松鏟受到的阻力增加不顯著,但當(dāng)深度達(dá)到20 cm以上時,隨著深度的增加,耕作阻力顯著增加,與文獻(xiàn)[11]、[15]的研究結(jié)果是一致的。這是因為目前大多數(shù)農(nóng)田耕作層在20 cm以內(nèi),而犁底層長期受農(nóng)具耕犁壓實,變得越來越緊實,容重就越來越大,從而導(dǎo)致犁底層土壤的耕作比阻更大。

根據(jù)以上數(shù)據(jù),得到牽引阻力與作業(yè)深度之間關(guān)系式為

FT=0.0059H2-0.1228H+1.0343

(2)

式中H—耕作深度(cm)。

本研究以犁耕為例,耕作深度的變化范圍取為10～30cm。

對于耕作幅寬的影響,只考慮單鏵犁耕作情況。在耕作比阻、耕作深度一定時,應(yīng)用公式(1)進(jìn)行耕作阻力的理論計算。這時,單鏵犁的耕作幅寬變化范圍取為25～30cm。

1.3 土壤容重與土壤含水量

耕作阻力主要決定于土壤的反作用力,而土壤的反作用力取決于土壤強度。土壤強度與茬口、有機質(zhì)、土壤容重和含量水量有關(guān)。因此,對于同一土壤類型,土壤容重和含水量是影響拖拉機牽引阻力的主要影響因素,但土壤容重與土壤含水量對耕作阻力的交互作用不明顯。為研究土壤容重和含水量對拖拉機耕作阻力的影響,采用單鏵犁進(jìn)行土槽試驗,以測量不同土壤容重與含水量條件下的耕作阻力。

1.3.1 土壤容重

土壤容重又稱為干容重,指一定容積的土壤烘干后的質(zhì)量與同容積水重的比值,用符號ρ表示。土壤容重由土壤容重儀測定。

表3為土壤含水量為15%的條件下不同土壤容重時耕作阻力值,數(shù)據(jù)變化趨勢如圖2所示。

表3 土壤容重與耕作阻力數(shù)據(jù)

圖2 耕作阻力隨土壤容重變化趨勢

由表3、圖2可知:在土壤含水量一定的情況下,耕作阻力隨著土壤容重的增加而增加;在土壤容重小(小于1.4 g/cm3)時,耕作阻力變化不大,隨著土壤容重進(jìn)一步增加,耕作阻力增大幅度明顯,與文獻(xiàn)[5]的實驗結(jié)果是相似的。耕作阻力與土壤容重之間的關(guān)系為

FT=A1·ρ/(A2+A3·ρ)

(3)

式中ρ—土壤容重(g/cm3);

A、B、C—常數(shù)。

當(dāng)含水量適中時,A、B、C為常數(shù)分別為117.33、0.998、-0.513[5]。

1.3.2 土壤含水量

土壤含水量也稱土壤含水率,一般指土壤絕對含水量,即100g烘干土中所含的水分量(g)。當(dāng)土壤含水量變化時,土壤的內(nèi)聚力和塑性都會產(chǎn)生變化,從而對拖拉機耕作時的阻力產(chǎn)生影響。土壤含水量的測量方法有稱重法、張力計法、電阻法及光學(xué)法等。

通過實驗,得到一定土壤容重條件下不同土壤含水量時耕作阻力數(shù)據(jù),如表4所示。

表4 土壤含水量與耕作阻力數(shù)據(jù)

由表4可以看出:當(dāng)土壤容重值為定值時,隨著土壤含水量的增加,耕作阻力變化不大,但有微小的變小趨勢,如圖3所示。這與文獻(xiàn)[5]的實驗結(jié)果也是相似的。

圖3 耕作阻力隨土壤含水量變化趨勢

采用拋物線進(jìn)行擬合,得到土壤含水量S和牽引力FT的關(guān)系式為

“方”在典籍中常訓(xùn)為“并”，如：《諸子平議·莊子二》“方陳乎前而不得入其舍”，俞樾按：“方者并也，方之本義為兩舟相并故方有并義?！?/p>

FT=C0+C2S2+C3S3

(4)

式中S—土壤含水量(%);

C1、C2、C3—常數(shù)。

當(dāng)土壤容重ρ適中時,C0、C2、C3的取值分別為184.381、-19.773、58.212。

1.4 拖拉機耕作速度、拖拉機質(zhì)量、耕作路面

當(dāng)拖拉機勻速耕作時,根據(jù)拖拉機功率守恒方程,即發(fā)動機的輸出的有效功率Pe應(yīng)等于牽引功率PT、滾動阻力功率Pf、風(fēng)阻功率PW、坡度阻力功率Pi之,即

Pe=PT+Pf+PW+Pi

(5)

因此,可以得出耕作阻力功率PT為

PT=Pe-Pf-PW-Pi

(6)

進(jìn)一步得耕作阻力為

(7)

式中Pe—拖拉機發(fā)動機輸出的有效功率(kW);

v—拖拉機耕作速度(km/h);

A為拖拉機迎風(fēng)面積(m2);

i—耕作路面坡度(%);

f—車輪的滾動阻力系數(shù);

G—拖拉機質(zhì)量(kg);

g—重力加速度(m/s2)。

農(nóng)田坡度不宜過大,否則不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。一般情況下,農(nóng)田坡度在2°以內(nèi),能夠忽略坡道阻力的影響。因此,式(7)可以改寫為

(8)

由式(8)可知,拖拉機耕作速度、質(zhì)量、滾動阻力系數(shù)對拖拉機耕作阻力有影響。本文沒有考慮拖拉機的空氣阻力系數(shù)與迎風(fēng)面積的影響,是因為拖拉機的空氣阻力系數(shù)基本恒定,而拖拉機迎風(fēng)面積的變化基本與拖拉機外形尺寸有關(guān),從而與拖拉機質(zhì)量有關(guān)。

滾動阻力系數(shù)與路面種類、輪胎構(gòu)造、材料、氣壓等有關(guān)。當(dāng)拖拉機輪胎確定后,不同的耕作路面對拖拉機車輪的滾動阻力系數(shù)影響較大,表5列出一些耕作路面下拖拉機車輪滾動阻力系數(shù)范圍。由表5可知,拖拉機耕作時車輪的滾動阻力系數(shù)范圍為0.06～0.10。

表5 不同路面的滾動阻力系數(shù)[16]

1.5 耕作機具結(jié)構(gòu)

耕作機具的結(jié)構(gòu)形狀會影響拖拉機耕作時作用于土壤上的力,從而影響耕作阻力。以犁耕的犁體為例,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有推土角、起土角、覆土角、犁體高度與耕作寬度。在文獻(xiàn)[9]中,以推土角、起土角、覆土角及犁體高度為試驗因素,進(jìn)行四因素三水平正交試驗,得出推土角、起土角及梨體高度對耕作阻力影響明顯的結(jié)論,并構(gòu)建出基于推土角、起土角及梨體高度的耕作比阻模型。

設(shè)起土角θF、推土角θE、犁體高度HT,當(dāng)耕寬為287mm、耕深為200mm時,耕作阻力FT可表示為

0.28θEHT+7.98θE+1.97HT

(9)

2 基于變異系數(shù)法因子分析

通過以上分析可知,影響拖拉機耕作阻力的因素有土壤比阻、耕作深度、耕作寬度、土壤容重、土壤含水量、拖拉機車速、車重、耕作路面及犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)等。但是,這些因素對拖拉機耕作阻力的影響程度并不相同,且這些參數(shù)的量綱不同,不適合直接比較其差別程度,從而不能直接比較各參數(shù)的影響程度(即權(quán)重值)。

為了消除各項評價指標(biāo)的量綱不同的影響,可以用變異系數(shù)來衡量各項指標(biāo)的差異程度,從而能把不同量綱的參數(shù)結(jié)合起來分析[17]。各項指標(biāo)的變異系數(shù)公式為

(10)

式中Vi—第i項影響因素變化引起耕作阻力變化的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù),即變異系數(shù);

σi—第i項影響因素變化時耕作阻力變化的標(biāo)準(zhǔn)差。

各影響參數(shù)的影響程度(即權(quán)重值)通過下式來計算,即

(11)

式中Wi—各影響因素的權(quán)重值。

根據(jù)計算出的權(quán)重值,就可以看出各影響參數(shù)的影響大小。

首先,確定土壤比阻、耕作深度、耕作寬度、土壤容重、土壤含水量、拖拉機車速、車質(zhì)量、耕作路面及犁體結(jié)構(gòu)等影響參數(shù)的變化范圍;然后,分別計算出各影響參數(shù)在一定變化范圍內(nèi)耕作阻力值變化的平均數(shù)、耕作阻力變化的標(biāo)準(zhǔn)差;最后,根據(jù)式(10)和式(11)計算出各影響參數(shù)的變異系數(shù)與權(quán)重值,結(jié)果如表6所示。

由表6可知:各影響因素對拖拉機耕作阻力的影響各不相同,按權(quán)重值由大到小排列為:土壤容重、拖拉機速度、土壤比阻、耕作深度、耕作幅寬、犁具推土角、犁具高度、拖拉機重量、輪胎滾動阻力系數(shù)、犁具起土角、土壤含水量。其中,土壤容重的影響最大,其變異系數(shù)達(dá)0.735 1,權(quán)重值為0.298 0;拖拉機速度與土壤比阻的影響也很大,權(quán)重值分別為0.271 3與0.213 6;耕作深度的影響權(quán)重值為0.134 4。以上4個參數(shù)的影響權(quán)重值之和達(dá)0.917 3,而其它參數(shù)的影響很小,特別是犁具結(jié)構(gòu)中起土角參數(shù)(權(quán)重0.007 3)、拖拉機質(zhì)量(權(quán)重0.009 5)、耕作路面(權(quán)重0.007 8)與土壤含水量(權(quán)重0.001 1)的影響可以忽略。

表6 影響參數(shù)的變化范圍、變異系數(shù)與權(quán)重

3 結(jié)論

拖拉機耕作阻力對耕作質(zhì)量、耕作效率與耕作能耗都有影響,而影響拖拉機耕作阻力的影響參數(shù)很多。本文通過實驗數(shù)據(jù)與理論計算等方式,分析了對耕作阻力有影響的耕作比阻、耕作深度、耕作幅寬、土壤容重、土壤含水量、拖拉機耕作速度、拖拉機質(zhì)量、耕作路面及耕作機具結(jié)構(gòu)等參數(shù),并采用變異系數(shù)法對耕作比阻、耕作深度、耕作幅寬、土壤容重、土壤含水量、拖拉機耕作速度、拖拉機質(zhì)量、耕作路面及耕作機具結(jié)構(gòu)等影響因素進(jìn)行影響因子分析。結(jié)果表明:土壤容重、拖拉機速度、土壤比阻與耕作深度對耕作阻力的影響很大,而其余參數(shù)的影響較小,甚至可以忽略。