巴利珍，吳海平，張前英，馮澤程，連 萌

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030800)

0 引言

挖坑施肥是水果種植生產(chǎn)中必不可少的重要農(nóng)作措施，其作業(yè)效率的高低是果農(nóng)能否獲得高產(chǎn)和高效的關(guān)鍵，而機(jī)械挖坑的出土率不僅決定挖坑效果的優(yōu)劣，且直接影響作業(yè)效率的高低。因此，通過(guò)分析研究找出影響挖坑出土率的因素及其狀況，對(duì)于優(yōu)化機(jī)具參數(shù)、確保挖坑質(zhì)量和提高作業(yè)效率等都具有十分重要的意義[1-3]。

土壤狀況直接影響挖坑作業(yè)，所以盡可能選擇在土壤濕度適宜時(shí)進(jìn)行，即可避免土壤含水率過(guò)大、過(guò)小的不利影響[4]。此外，影響挖坑作業(yè)質(zhì)量的因素主要是鉆挖部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，實(shí)際作業(yè)中常常由于螺旋鉆結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)選擇不當(dāng)，造成作業(yè)質(zhì)量差、損耗高、效率低[5]。為此，本研究對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)的螺旋鉆進(jìn)行試驗(yàn)、測(cè)試、分析和研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地塊狀況

試驗(yàn)時(shí)間是2021年4月下旬至5月上旬，試驗(yàn)地點(diǎn)為山西省晉中市太谷區(qū)小白鄉(xiāng)“綠美”苗木繁育基地，試驗(yàn)地塊狀況如表1所示。

表1 試驗(yàn)地塊狀況Tab.1 Test plot condition

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

試驗(yàn)設(shè)備與儀器有自制的便攜式螺旋鉆挖工作部件田間測(cè)試裝置、鉆頭、土壤硬度計(jì)、溫濕度測(cè)試儀、激光轉(zhuǎn)速儀、電子秤、皮尺、鋼卷尺、直尺、計(jì)時(shí)器和墊布等[6-8]。實(shí)物如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters

圖1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器Fig.1 Test equipment and instruments

1.3 試驗(yàn)方法

以螺旋鉆的不同直徑、轉(zhuǎn)速和螺旋數(shù)量為試驗(yàn)因素，以拋土半徑和出土率為試驗(yàn)指標(biāo)，研究各因素對(duì)挖坑出土情況的影響規(guī)律。試驗(yàn)中為了減少試驗(yàn)的偶然性與誤差，在每種試驗(yàn)因素下至少重復(fù)6次試驗(yàn)。另外，對(duì)挖坑裝置的實(shí)際拋土半徑、出土率、坑深和坑徑等進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)量要求進(jìn)行測(cè)量。測(cè)定坑深時(shí)應(yīng)清除坑底的松土，測(cè)定出土率時(shí)應(yīng)分別收集坑中松土和拋出坑外的松土，稱(chēng)其質(zhì)量計(jì)算出土率，參數(shù)測(cè)量方法如圖2所示[9-10]。

圖2 參數(shù)測(cè)量示意Fig.2 Schematic diagram of measurement parameters

1.3.1 直徑試驗(yàn)

直徑是螺旋鉆的一個(gè)重要參數(shù)，為了探索出直徑對(duì)挖坑作業(yè)過(guò)程和成坑效果的影響情況，在表1所示的試驗(yàn)地塊狀況下，采用直徑分別為150、200和250 mm的雙頭單螺旋鉆頭，在轉(zhuǎn)速為550 r/min、挖坑深度為600 mm條件下，進(jìn)行田間挖坑作業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果整理后如表3所示。

表3 不同直徑鉆頭的挖坑試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of digging holes with different diameter bits

1.3.2 轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

轉(zhuǎn)速除對(duì)挖坑作業(yè)時(shí)間、功耗、阻力等有明顯影響外，對(duì)挖坑質(zhì)量的影響也不容忽視。轉(zhuǎn)速過(guò)高不僅功耗大，而且容易將挖出的土壤拋撒過(guò)遠(yuǎn)而不利于后續(xù)土壤回填；轉(zhuǎn)速過(guò)低不僅工作效率低，而且鉆起的土壤不易脫開(kāi)鉆體出坑。因此，研究找出最適宜的螺旋鉆轉(zhuǎn)速意義非凡。

在表1所示地塊狀況下，采用直徑為150 mm的雙頭單螺旋鉆頭在挖坑深度為600 mm，在轉(zhuǎn)速為300、450和550 r/min的條件下，進(jìn)行了田間挖坑作業(yè)，試驗(yàn)結(jié)果整理后如表4所示。

表4 不同轉(zhuǎn)速鉆頭的挖坑試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of digging holes with different rotation speed bits

1.3.3 螺旋數(shù)量試驗(yàn)

螺旋鉆頭根據(jù)地層和鉆頭甩土性能分為單頭單螺、雙頭單螺、雙頭雙螺，其中雙頭單螺和雙頭雙螺最為常用。故該試驗(yàn)在表1所示地塊狀況下，采用直徑為150 mm的雙頭單螺和雙頭雙螺鉆頭，在轉(zhuǎn)速為550 r/min、挖坑深度為600 mm條件下，進(jìn)行挖坑作業(yè)，試驗(yàn)結(jié)果整理后如表5所示。

表5 不同螺旋數(shù)量鉆頭的挖坑試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of digging holes with different screw number bits

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 坑形

轉(zhuǎn)速一定時(shí)，由表3可知，直徑分別為150、200和250 mm的雙頭單螺旋鉆挖坑的平均直徑分別為153.67、205.50和255.75 mm，平均坑深分別為609.3、609.5和610.0 mm，平均出土率分別可達(dá)91.94%、94.10%和96.57%。直徑一定時(shí)，由表4可知，轉(zhuǎn)速分別為300、450和550 r/min的雙頭單螺旋鉆挖坑的平均直徑分別為154.08、154.75和153.67 mm，平均坑深分別為608.83、608.66和609.33 mm，平均出土率分別可達(dá)77.38%、84.96%和91.93%。轉(zhuǎn)速和直徑一定時(shí)，雙頭雙螺旋鉆和雙頭單螺旋鉆挖坑的平均直徑分別為153.67和152.50 mm，平均坑深分別為609.33和608.50 mm，平均出土率分別可達(dá)91.94%和94.90%。

2.2 拋土半徑

最大拋土半徑小，出土近，方便后續(xù)土壤的回填；集峰區(qū)拋土半徑大，坑周土壤不易回落至坑中。對(duì)不同試驗(yàn)下螺旋鉆挖坑后的拋土半徑進(jìn)行分析可知：鉆頭轉(zhuǎn)速為550 r/min、挖坑深度為600 mm，直徑分別為150、200和250 mm的雙頭單螺旋鉆頭進(jìn)行挖坑作業(yè)時(shí)，隨著鉆頭直徑增大，相應(yīng)鉆頭的線速度也增大，從而導(dǎo)致最大拋土半徑和集峰區(qū)拋土半徑增大；隨著轉(zhuǎn)速的減小，拋土半徑逐漸減??；雙頭單螺旋鉆頭與雙頭雙螺旋鉆頭相比，雙頭雙螺旋鉆頭的拋土半徑較小。

2.3 出土率

2.3.1 單因素方差分析

為了確定螺旋鉆直徑、轉(zhuǎn)速和螺旋數(shù)量3個(gè)因素對(duì)出土率的影響，以及對(duì)比同一因素下各水平之間差異的顯著性，試驗(yàn)采用單因素方差分析[11-13]。分別將鉆頭的直徑、轉(zhuǎn)速和螺旋數(shù)量作為單因素?zé)o協(xié)變量，在非處理因素均勻一致的情況下，對(duì)各因素所對(duì)應(yīng)的水平作處理，重復(fù)6次，處理在單元上隨機(jī)分配，測(cè)定各個(gè)處理的出土率。利用SAS軟件對(duì)各因素下出土率的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，程序輸出的方差分析結(jié)果整理后如表6、表7和表8所示。

表6 直徑的出土率試驗(yàn)方差分析結(jié)果Tab.6 Variance analysis of soil exit rate test of diameter

表7 轉(zhuǎn)速的出土率試驗(yàn)方差分析結(jié)果Tab.7 Variance analysis of soil exit rate test of rotation speed

表8 螺旋數(shù)量的出土率試驗(yàn)方差分析結(jié)果Tab.8 Variance analysis of soil exit rate test of screw number

由表6可知，螺旋鉆直徑對(duì)出土率的顯著性P值<0.000 1，模型決定系數(shù)R2=0.970 623。統(tǒng)計(jì)學(xué)根據(jù)顯著性檢驗(yàn)方法所得到的P值，一般以P<0.05為有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P<0.01為有極顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。決定系數(shù)R2的大小決定了變量間相關(guān)的密切程度。R2越大，自變量對(duì)因變量的解釋程度越高，自變量引起的變動(dòng)占總變動(dòng)的百分比越高。故此方差分析有效，且方差分析模型能解釋出土率變異的97%，即在試驗(yàn)條件下，直徑對(duì)出土率有著決定性影響。其余的3%是由于偶然性誤差造成的，可能的原因是沒(méi)有做到試驗(yàn)單元的完全一致或數(shù)據(jù)測(cè)定存在誤差等。

由表7可知，螺旋鉆轉(zhuǎn)速對(duì)出土率的影響極顯著，且顯著性P值<0.000 1，決定系數(shù)R2=0.94，即在試驗(yàn)條件下，轉(zhuǎn)速也對(duì)出土率有著非常大的影響。

由表8可知，螺旋鉆的螺旋數(shù)量對(duì)出土率的影響也極顯著，且決定系數(shù)R2=0.93，可解釋的模型效應(yīng)達(dá)93%的較高水平，說(shuō)明試驗(yàn)分析結(jié)果可靠。

同時(shí)在不考慮其他因素影響的情況下，從程序輸出的均值多重比較結(jié)果可知：直徑參數(shù)各水平之間差異極顯著，直徑水平為250 mm的雙頭單螺鉆頭出土率可達(dá)96.57%，即在試驗(yàn)條件下，鉆頭直徑越大，出土率越高；轉(zhuǎn)速參數(shù)各水平之間差異均顯著，采用直徑為150 mm的雙頭單螺鉆頭在挖坑深度一定的情況下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，出土率也在增加，轉(zhuǎn)速水平為550 r/min時(shí)的出土率可達(dá)91.93%；螺旋數(shù)量參數(shù)各水平之間差異顯著，雙頭雙螺鉆頭的出土率明顯高于雙頭單螺鉆頭的出土率。

2.3.2 析因設(shè)計(jì)方差分析

為了檢驗(yàn)鉆頭的直徑、轉(zhuǎn)速和螺旋數(shù)量3個(gè)因素的主效應(yīng)大小，試驗(yàn)采用析因設(shè)計(jì)方差分析。試驗(yàn)共確定3個(gè)因素分別是鉆頭直徑、鉆頭轉(zhuǎn)速及鉆頭螺旋數(shù)量，鉆頭直徑與鉆頭轉(zhuǎn)速均取3個(gè)水平，鉆頭螺旋數(shù)量取2個(gè)水平，使用析因設(shè)計(jì)的情況下進(jìn)行測(cè)試，嘗試所有可能的方案總共3×3×2=18種。3個(gè)因素分別記作A、B和C，鉆頭直徑、鉆頭轉(zhuǎn)速的3個(gè)水平分別記作1、2和3，鉆頭螺旋數(shù)量的兩個(gè)水平記作1和2，試驗(yàn)因素及水平如表9所示。

表9 試驗(yàn)因素水平Tab.9 Factor and level of test

根據(jù)表9試驗(yàn)因素及水平進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)所得到的出土率樣本創(chuàng)建數(shù)據(jù)表并將其導(dǎo)入SAS軟件中，通過(guò)編程運(yùn)行后程序輸出的方差分析結(jié)果整理后如表10所示。

表10 析因設(shè)計(jì)試驗(yàn)方差分析Tab.10 Analysis of variance of factorial design experiment

由表10可知，模型決定系數(shù)達(dá)98%，且鉆頭直徑、轉(zhuǎn)速及螺旋數(shù)量三效應(yīng)均顯著，說(shuō)明方差分析有效。參照F值可見(jiàn)，各因素影響試驗(yàn)指標(biāo)的主次順序?yàn)檗D(zhuǎn)速﹥直徑﹥螺旋數(shù)量。

3 結(jié)論

通過(guò)螺旋鉆參數(shù)對(duì)挖坑出土效能影響的試驗(yàn)，分析并得到了螺旋鉆挖坑時(shí)拋土半徑和出土率隨不同試驗(yàn)因素的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下。

(1)隨著螺旋鉆直徑和轉(zhuǎn)速的增加，拋土半徑和出土率也相應(yīng)增加；雙頭雙螺旋鉆頭的拋土半徑明顯小于雙頭單螺旋的拋土半徑，且雙頭雙螺旋鉆頭的出土率較高，即雙頭雙螺鉆頭的攜土能力更占優(yōu)勢(shì)。

(2)螺旋鉆直徑、螺旋數(shù)量及轉(zhuǎn)速對(duì)出土率的影響均極顯著(P<0.000 1)，影響出土率主次的順序依次為轉(zhuǎn)速>直徑>螺旋數(shù)量。在實(shí)際的挖坑過(guò)程中，可以根據(jù)影響出土率的主次因素優(yōu)先合理地搭配相應(yīng)的螺旋鉆參數(shù)。

(3)螺旋鉆不同參數(shù)對(duì)拋土半徑和出土率的影響與土壤質(zhì)地、土壤含水率、土壤堅(jiān)實(shí)度等因素也存在一定的關(guān)系。