吳顯斌,杜雅剛,紀(jì)武鵬

(1.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所,哈爾濱 150038;2.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院 農(nóng)作物開(kāi)發(fā)研究所,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

玉米秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀、鎂、鈣及硫等元素,這些元素是農(nóng)作物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,將玉米秸稈還田不僅可以增加土地的肥力、減少化學(xué)肥料的用量,而且可以降低土壤的容量、疏松土壤,提高土壤孔隙度;同時(shí),秸稈還田還能夠有效解決農(nóng)民大量焚燒秸稈而造成的環(huán)境污染的問(wèn)題,有利于推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)和環(huán)保農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此,設(shè)計(jì)集土壤耕作技術(shù)、秸稈還田技術(shù)于一體的1LF-5型液壓翻轉(zhuǎn)犁,對(duì)提升耕作質(zhì)量具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

目前,玉米秸稈還田的方式主要分為焚燒還田以及耕作掩埋還田。其中,秸稈焚燒還田的做法為:玉米果穗收獲完畢后,其秸稈在陽(yáng)光下暴曬,內(nèi)部組織水分大部分被揮發(fā),此時(shí)將玉米秸稈統(tǒng)一收集后在田間地頭進(jìn)行焚燒處理;焚燒后產(chǎn)生的秸稈灰留在了田間地頭,待第2年耕耘時(shí)將灰燼與土壤進(jìn)行混合,從而完成焚燒還田的全過(guò)程。這種處理方式不符合當(dāng)代綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求,會(huì)造成空氣污染,且秸稈灰并沒(méi)有及時(shí)與土壤混合,灰燼在風(fēng)和雨水的作用下大量流失,從而導(dǎo)致肥力喪失。耕作掩埋的方式大體可以分為兩類(lèi):一是旋耕機(jī)將玉米秸稈切碎后于土壤混合,部分秸稈碎渣在旋耕刀的作用下掩埋在近地表面,另一部分則暴露在地表上。由于掩埋深度較淺,在雨水的沖刷下,掩埋在近地表面的秸稈碎渣也極易被雨水沖出,從而導(dǎo)致玉米秸稈不能被土壤內(nèi)部的微生物有效分解,且覆蓋在土壤表面的玉米秸稈也不利于第2年播種,因此效果不盡人意[2-5]。二是鏵式犁深耕掩埋,原理為:利用鏵式犁具備大耕深,且具備翻轉(zhuǎn)土垡的能力,可將地表面上的玉米秸稈掩埋至土壤層下,微生物將秸稈進(jìn)行分解,產(chǎn)生的養(yǎng)分直接融于土壤中,且分解后的玉米秸稈還可以降低土壤的容量、疏松土壤、提高土壤孔隙度;但傳統(tǒng)的鏵式犁在工作過(guò)程中常受到側(cè)向拉力的影響,導(dǎo)致其耕作穩(wěn)定性下降,且傳統(tǒng)的鏵式犁也沒(méi)有配備安全裝置,一旦受到突發(fā)外力的作用時(shí)將容易導(dǎo)致犁體損壞。因此,研發(fā)一種集土壤耕作技術(shù)、秸稈還田技術(shù)于一體的新型秸稈還田深耕犁就顯得極為重要[6-8]。

1 整體機(jī)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1LF-5型液壓翻轉(zhuǎn)犁采用牽引式設(shè)計(jì),即機(jī)具作業(yè)時(shí)由拖拉機(jī)牽引進(jìn)行耕作[6-9]。該機(jī)具的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。主要由犁體、犁鏵架、犁體安全裝置、主梁、調(diào)整轉(zhuǎn)臂、犁頭翻轉(zhuǎn)體、側(cè)拉力消除裝置、限深輪安裝架、限深輪翻轉(zhuǎn)體、限深輪、梁體連接器及支腿等裝置構(gòu)成,如圖1所示。其中,陷深輪總成設(shè)置在翻轉(zhuǎn)犁架的一側(cè),并與犁架相連,用于支撐犁架整體,確保其耕作深度一致;犁體連接于犁鏵架上,并通過(guò)安全裝置連接在犁架上;側(cè)應(yīng)力消除裝置設(shè)置于犁體的另一側(cè),用于平衡犁體因耕作產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力,確保耕作的直線性與穩(wěn)定性。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.犁體 2.犁鏵架 3.犁體安全裝置 4.主梁 5.調(diào)整轉(zhuǎn)臂 6.犁頭翻轉(zhuǎn)體 7.側(cè)拉力消除裝置 8.支腿 9.梁體連接器 10.限深輪 11.限深輪翻轉(zhuǎn)體 12.限深輪安裝架圖1 1LF-5型液壓翻轉(zhuǎn)犁結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of 1LF-5 hydraulic turning plough

1.2 工作原理

1LF-5型液壓翻轉(zhuǎn)犁作業(yè)時(shí),先將犁頭翻轉(zhuǎn)體掛載在拖拉機(jī)尾部,隨后利用水平調(diào)整桿調(diào)整犁體的水平度,確保耕作深度一致;然后,根據(jù)實(shí)際耕作深度調(diào)整限深輪與主梁的縱向相對(duì)位置,并收起犁架支腿;當(dāng)拖拉機(jī)向前運(yùn)動(dòng)時(shí),由于犁體的犁尖與地面呈一定的角度,則犁尖切入土壤,在犁曲面的作用下土垡翻向右側(cè);當(dāng)犁體受到突然沖擊時(shí),其受到的載荷突然加劇,犁體會(huì)受到一個(gè)較大的側(cè)向力,犁架逐漸偏離原定的軌跡;這時(shí)安裝在主梁與犁頭翻轉(zhuǎn)架之間的側(cè)拉力消除裝置就起到了阻止犁架偏移的作用,在側(cè)拉犁消除裝置的作用下,犁架克服側(cè)拉力的影響,可繼續(xù)沿著原定方向進(jìn)行耕作。當(dāng)某個(gè)犁體或多個(gè)犁體受到的沖擊載荷過(guò)大時(shí),安裝在犁體與主梁之間的安全裝置上的連接螺栓在大于其本身屈服強(qiáng)度的沖擊載荷作用下發(fā)生斷裂,使犁體脫離主梁,從而避免犁體的損壞;在排除沖擊載荷后,重新安裝螺栓后便可以繼續(xù)作業(yè),進(jìn)而完成整個(gè)作業(yè)流程。

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)與分析

2.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)按照其驅(qū)動(dòng)方式可以分為機(jī)械式、氣動(dòng)式及液壓式。其中,機(jī)械式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要人工操作翻轉(zhuǎn),勞動(dòng)強(qiáng)度大,多用于單鏵或是小型翻轉(zhuǎn)犁。氣動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以壓縮空氣為動(dòng)力源,驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)最終實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn),對(duì)于氣缸的要求較高,尤其是大扭矩工作環(huán)境下穩(wěn)定性相對(duì)較差,容易產(chǎn)生一些機(jī)械故障,并不適合應(yīng)用于大面積耕作。因此,本文選擇使用液壓式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),主要部件包含液壓缸、中心旋轉(zhuǎn)軸、翻轉(zhuǎn)犁梁架及懸掛架,如圖2所示。

圖2 立式油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of vertical oil cylinder turnover mechanism

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作時(shí),主要依托液壓油缸中的伸縮桿拉動(dòng)翻轉(zhuǎn)犁梁架,繞著中心旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)犁架翻轉(zhuǎn)。圖2中,θ為懸掛架與翻轉(zhuǎn)犁梁架之間所形成的夾角。隨著液壓缸內(nèi)伸縮桿向缸內(nèi)收縮,液壓缸的長(zhǎng)度AC減小,θ角也由90°逐漸減小;當(dāng)液壓缸的長(zhǎng)度AC等于懸掛架AB的長(zhǎng)度c與液壓缸和犁架BCD連接點(diǎn)C到中心旋轉(zhuǎn)軸B的距離a的差值時(shí),液壓伸縮桿已無(wú)法進(jìn)一步收縮,翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于運(yùn)動(dòng)“死點(diǎn)”;這時(shí),翻轉(zhuǎn)犁在運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力作用下使犁梁架繼續(xù)繞著中心旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng);在犁梁架翻越過(guò)運(yùn)動(dòng)“死點(diǎn)”后,液壓缸反向供油使伸縮桿向缸外伸長(zhǎng),懸掛架與翻轉(zhuǎn)犁梁架之間的夾角θ由0°減小到-90°;在夾角θ減小的過(guò)程中,伸縮桿持續(xù)推動(dòng)犁梁架進(jìn)行翻轉(zhuǎn),最終完成犁架的換向。同理,液壓缸伸縮桿每完成一次由向缸內(nèi)收縮到向缸外伸長(zhǎng)的過(guò)程中,都會(huì)使懸掛架與翻轉(zhuǎn)犁梁架之間的夾角θ產(chǎn)生變化,使夾角θ由-90°增加至0°,再由0°增加至90°。這時(shí),翻轉(zhuǎn)犁的犁梁架便可以重新翻轉(zhuǎn)1次,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)左右犁鏵的換向耕作。

由圖2可知:翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的懸掛架的長(zhǎng)度c、液壓缸的長(zhǎng)度k以及液壓缸和犁架連接點(diǎn)到中心旋轉(zhuǎn)軸的長(zhǎng)度a之間的關(guān)系滿足三角形的余弦定理。

k2=a2+c2-2ac·cosθ

同時(shí),對(duì)公式兩端關(guān)于時(shí)間t求導(dǎo),可得

對(duì)于液壓油缸而言,伸縮桿的運(yùn)動(dòng)速度可以通過(guò)改變液壓缸油門(mén)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。將伸縮桿的伸縮速度設(shè)定為一個(gè)常數(shù)v1,同時(shí)用ω表示犁架梁翻轉(zhuǎn)角的角速度,則

對(duì)翻轉(zhuǎn)角速度ω再進(jìn)一步求導(dǎo),可得翻轉(zhuǎn)角加速度為

當(dāng)θ=90°或θ=-90°時(shí),即機(jī)構(gòu)到達(dá)“死點(diǎn)”,其角速度與角加速度分別為

由此可知:翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度與液壓油缸伸縮桿的伸縮速度v1有關(guān),通過(guò)調(diào)整伸縮桿的伸縮速度可使翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)懸掛架與翻轉(zhuǎn)犁梁架之間的夾角θ等于0°時(shí),犁梁的翻轉(zhuǎn)角速度ω和角加速度η在一瞬間內(nèi)將變得很大;這時(shí),整個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將具備很大的運(yùn)動(dòng)慣性,在慣性力的加持下犁梁將可以克服“死點(diǎn)”的阻礙,順利實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。

2.2 翻轉(zhuǎn)犁限深輪的設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)犁限深輪主要由輪胎、限深調(diào)節(jié)裝置、限深輪安裝架和限深擋塊組成,如圖3所示。利用限深輪安裝架將限深輪輪胎連接在犁梁夾板上,再通過(guò)夾板的另一側(cè)連接在犁梁上面,從而將輪胎與犁梁架相互連接。同時(shí),在輪胎與犁梁架之間設(shè)置限深調(diào)節(jié)裝置,通過(guò)使用限深調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)耕作深度的調(diào)節(jié)。

1.限深輪安裝架 2.限深調(diào)節(jié)裝置 3.限深擋塊 4.輪胎圖3 翻轉(zhuǎn)犁限深輪結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of depth-limiting wheel of turning plough

限深輪獨(dú)立設(shè)置在翻轉(zhuǎn)犁的一側(cè),為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供了足夠的空間,可確保翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)不與限深輪發(fā)生干涉,且限深調(diào)節(jié)裝置能夠確保限深輪處于最優(yōu)工作高度。通過(guò)查詢相關(guān)資料可知限深輪的輪徑為 0.84m,依據(jù)限深輪在正常作業(yè)時(shí)輪胎上所承受的垂直負(fù)荷計(jì)算公式,可得輪緣寬度為

式中P—單位輪緣寬度上面的允許負(fù)荷,取P=650N/cm;

Pt—限深輪所承受的垂直負(fù)荷,取Pt=2000N。

經(jīng)計(jì)算可知,BL=320mm。

2.3 翻轉(zhuǎn)犁犁架的有限元分析

為提高整體耕作質(zhì)量及耕作效率,應(yīng)加大耕作深度用以打破犁底層,并使底部土壤得到疏松,進(jìn)而增大土壤孔隙度,同時(shí),增加犁鏵的數(shù)量,使其工作幅寬加大,進(jìn)而提高單位時(shí)間內(nèi)的耕作面積。耕作深度及犁鏵數(shù)量的增加,必然會(huì)導(dǎo)致犁架的受力加劇,而犁架受到的拉力超過(guò)許用應(yīng)力值時(shí)將會(huì)發(fā)生變形,從而影響耕作深度的均勻性;當(dāng)犁架所受應(yīng)力遠(yuǎn)超過(guò)其許用應(yīng)力值時(shí),犁架則極有可能發(fā)生斷裂,最終導(dǎo)致犁架失效。

目前,為了預(yù)防犁架失效,大多采用加大犁架鋼材厚度的方法,使其強(qiáng)度增大,但是這樣將使犁架的整體質(zhì)量加大,使其工作阻力變大,最終導(dǎo)致能耗增加。在此,采用有限元分析的方法,對(duì)犁架進(jìn)行仿真分析?？紤]到犁架的實(shí)際尺寸較大,且連接在犁架上的附屬部件數(shù)量較多,若對(duì)犁架整體進(jìn)行仿真分析,則計(jì)算量過(guò)大,不利于實(shí)際的分析與研究,故將犁進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在翻轉(zhuǎn)犁實(shí)際耕作過(guò)程中,影響阻力大小的因素主要包括土壤、耕作參數(shù)以及耕作部件,許多學(xué)者對(duì)其開(kāi)展一系列的研究。其中,蘇聯(lián)學(xué)者戈里亞契金對(duì)的耕作阻力的研究結(jié)論最為經(jīng)典,他認(rèn)為犁耕阻力的組成應(yīng)該包括土垡變形力、犁曲面與土壤的摩擦力以及耕速阻力,力學(xué)表達(dá)式為

P=P1+P2+P3

P1=fG

P2=kab

P3=εabv2

P=P1+P2+P3=fG+kab+εabv2

式中f—犁曲面?zhèn)冗吪c耕作后溝壑間的類(lèi)摩擦因數(shù);

G—犁體自身質(zhì)量;

K—犁耕比阻;

a—耕作深度;

b—耕作寬度;

ε—?jiǎng)討B(tài)阻力系數(shù);

v—機(jī)組前進(jìn)速度。

對(duì)上式進(jìn)行求解,可得P=22392～71690N。

在犁架實(shí)際作業(yè)過(guò)程中,切割和破碎土壤的力通過(guò)犁鏵傳到犁柱,為了模擬犁架的實(shí)際受力情況,將外部載荷施加在犁柱與犁架的的安裝位置,施力位置共5處。同時(shí),在犁實(shí)際翻耕作業(yè)所受的力并不是一個(gè)恒定的力,載荷的大小會(huì)受到地形的起伏、土壤的粘性、機(jī)組的前進(jìn)速度等因素的影響。因此,在仿真計(jì)算時(shí),將作業(yè)工況分為兩種進(jìn)行(見(jiàn)圖5和圖6):第1工況為翻轉(zhuǎn)犁在作業(yè)過(guò)程中不受到外界未知因素的影響,即翻轉(zhuǎn)犁作業(yè)時(shí)所受到的力主要為破碎土壤的力,載荷數(shù)值設(shè)定為22392N;第2工況為翻轉(zhuǎn)犁在翻耕作業(yè)時(shí)受到外界未知因素的干擾(如地形變化較大,使耕作深度劇烈增長(zhǎng)或犁鏵接觸到埋頭石使犁受到較大的阻力),載荷數(shù)值設(shè)定為71690N。

圖4 犁架總位移分析圖(工況1)Fig.4 Plow frame total displacement analysis diagram (working condition 1)

圖5 應(yīng)力分析圖(工況1)Fig.5 Stress analysis diagram (working condition 1)

圖6 犁架總位移分析圖(工況2)Fig.6 Plow frame total displacement analysis diagram (working condition 2)

根據(jù)第2種工況的總體位移以及應(yīng)力分析圖(見(jiàn)圖7)可知:犁架的最大變形量為0.332mm,最大等效應(yīng)力為39.6MPa。由于該型翻轉(zhuǎn)犁的犁架材質(zhì)為Q345鋼,而Q345鋼的屈服強(qiáng)度為325MPa,因此犁架在第2種工況下作業(yè)時(shí)犁架是安全的。綜合分析這兩種工況的仿真數(shù)據(jù)可知:犁架無(wú)論是在第1種工況還是第2種工況下工作,翻轉(zhuǎn)犁的犁架的最大應(yīng)力值均小于Q345鋼的屈服強(qiáng)度極限值,符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 應(yīng)力分析圖(工況2)Fig.7 Stress analysis diagram (working condition 2)

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與指標(biāo)

選擇在黑龍江農(nóng)墾嫩北農(nóng)場(chǎng)第七管理區(qū)3-2、3-3田塊中進(jìn)行田間試驗(yàn),指標(biāo)主要包括耕深及其穩(wěn)定的性測(cè)定、耕寬及其穩(wěn)定性的測(cè)定、秸稈殘茬覆蓋率的測(cè)定以及土垡破碎率的測(cè)定。

3.1.1 耕深和耕深穩(wěn)定性測(cè)量

耕作深度反映翻轉(zhuǎn)犁工作性能,且耕作的穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)翻轉(zhuǎn)犁整體作業(yè)效果的重要指標(biāo)。因此,試驗(yàn)分別測(cè)定這兩種工況的耕深數(shù)據(jù)。為了減小測(cè)量誤差,在每一種工況下測(cè)定其正反行程的耕作深度數(shù)據(jù),同時(shí)每一個(gè)行程設(shè)置10個(gè)耕深數(shù)據(jù)采集點(diǎn),兩數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的距離為5m。通過(guò)對(duì)采集的耕深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分別獲得兩種工況下翻轉(zhuǎn)犁的平均耕深、耕深標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù),其計(jì)算公式為

Uj=1-Vj

式中aj—第j個(gè)行程的平均耕深值(cm);

nj—第j個(gè)行程中的采集點(diǎn)數(shù);

aji—第j個(gè)行程中第i個(gè)采集點(diǎn)的耕深值(cm);

sj—第j個(gè)行程的耕深標(biāo)準(zhǔn)差(cm);

Vj—第j個(gè)行程的耕深變異系數(shù);

Uj—第j個(gè)行程的耕深穩(wěn)定性系數(shù)。

3.1.2 耕寬和耕寬穩(wěn)定性測(cè)定

耕作寬度是決定翻轉(zhuǎn)犁在單位時(shí)間內(nèi)耕作效率的重要影響因素之一,故將耕作寬度及其穩(wěn)定性作為試驗(yàn)指標(biāo)之一。在測(cè)量時(shí),選擇垂直于拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的相鄰兩個(gè)行程的犁溝溝墻之間的水平距離,即為耕寬;同時(shí),為了便于標(biāo)記數(shù)據(jù)采集點(diǎn),選擇的耕寬數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與耕作深度的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)一致, 通過(guò)采集并處理耕寬數(shù)據(jù),獲得各行程的平均耕寬、變異系數(shù)及穩(wěn)定性系數(shù)?？紤]到實(shí)際作業(yè)時(shí)耕作寬度根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,故選擇耕作寬度分別為220cm 和170cm進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1.3 秸稈殘茬覆蓋率的測(cè)定

當(dāng)秸稈殘茬覆蓋率過(guò)低時(shí),犁鏵對(duì)土壤的翻耕作用不強(qiáng),導(dǎo)致了大量的地表殘茬留置在地表上,故殘茬的覆蓋率也是評(píng)估翻轉(zhuǎn)犁整體作業(yè)效果的重要指標(biāo)。因此,試驗(yàn)分別研究在兩種工況下秸稈殘茬的覆蓋率。考慮到試驗(yàn)地塊較大,不能對(duì)整個(gè)地塊的覆蓋率進(jìn)行采集統(tǒng)計(jì),在使用兩種工況耕作后的區(qū)域隨機(jī)選擇6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,每種工況測(cè)3個(gè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的長(zhǎng)度為0.4m、寬為0.3m。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)分別為地表面上的秸稈殘茬質(zhì)量、地表面下到8cm的殘茬質(zhì)量以及8cm以下至耕低層內(nèi)的秸稈殘茬質(zhì)量。通過(guò)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算出該點(diǎn)的秸稈覆蓋率,公式為

式中Z1—暴露在地表以上的玉米秸稈殘茬的質(zhì)量(g);

Z2—地表以下8cm深度內(nèi)的植被和殘茬質(zhì)量(g);

Z3—8cm 深度以下秸稈殘茬質(zhì)量(g);

F—地表以下秸稈殘茬覆蓋率;

Fb—8cm 深度以下秸稈殘茬覆蓋率。

3.1.4 土垡破碎率的測(cè)定

當(dāng)翻轉(zhuǎn)犁作業(yè)時(shí),團(tuán)聚的土塊在犁鏵的作用下沿著犁曲面運(yùn)動(dòng);隨著犁鏵向前運(yùn)動(dòng),土垡沿著犁曲面向上推擠;當(dāng)土垡本身的團(tuán)聚力不足以維持土垡形態(tài)時(shí),土垡開(kāi)始出現(xiàn)破碎并且統(tǒng)一翻向犁鏵的一側(cè),在慣性作用下倒向已翻耕好的地塊,并進(jìn)一步破碎。對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)而言,土壤的破碎過(guò)低不利于其根系的生長(zhǎng),且板結(jié)狀土垡的固肥能力較差。因此,選擇以土垡破碎率為試驗(yàn)指標(biāo),分析兩種工況下土垡的破碎率。在試驗(yàn)過(guò)程中,每種工況的碎土率的測(cè)量點(diǎn)取3處,每處測(cè)量點(diǎn)的面積為0.4m×0.4m;首先將測(cè)量點(diǎn)的全耕層內(nèi)的土壤進(jìn)行稱(chēng)重,隨后再將測(cè)量點(diǎn)所收集的土壤進(jìn)行柔性篩選,將長(zhǎng)度小于5cm 的土塊篩出并稱(chēng)重,最后將小于5cm的土壤質(zhì)量除以測(cè)量點(diǎn)的整體土壤質(zhì)量,便可得出碎土率,其計(jì)算公式為

式中C—土垡破碎率;

GS—全耕層內(nèi)小于5cm 土塊的質(zhì)量(kg);

G—全耕層內(nèi)土塊的總質(zhì)量(kg)。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮到翻轉(zhuǎn)犁在進(jìn)入耕作初始階段時(shí),其耕作深度與寬度存在一定的波動(dòng)值,因此將試驗(yàn)的測(cè)定區(qū)選擇在機(jī)組進(jìn)入耕作區(qū)域后作業(yè)較為平穩(wěn)的區(qū)域,即機(jī)組耕作距離為60m以后再測(cè)定相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以此來(lái)確保測(cè)量的準(zhǔn)確度。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)開(kāi)展田間試驗(yàn),獲得正反行程耕深數(shù)據(jù)測(cè)量值,如表2所示。

表2 正反行程耕深數(shù)據(jù)測(cè)量值

由表2可知:在兩種工況下,每個(gè)行程都測(cè)試10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),每個(gè)工況的正反行程的耕作深度值相差不大,表明了作業(yè)的均勻性良好;同時(shí),兩種工況下耕作深度變化不大,平均耕作深度穩(wěn)定在33.2cm;根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14225中對(duì)于耕深變異系數(shù)的要求為10%以內(nèi),而本次試驗(yàn)中翻轉(zhuǎn)犁的變異系數(shù)在3.1%～5.7%之間,表明翻轉(zhuǎn)犁符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

正反行程耕寬數(shù)據(jù)測(cè)量值如表3所示。由表3可知:在兩種工況下正反行程的耕寬的測(cè)量值浮動(dòng)較小,第1工況下翻轉(zhuǎn)犁的耕寬平均值為 220.2cm,耕寬變異系數(shù)為 1.854%,穩(wěn)定性系數(shù)為 98.146%;第2工況下翻轉(zhuǎn)犁的耕寬平均值為169.9cm,耕寬變異系數(shù)為 2.038%,穩(wěn)定性系數(shù)為97.962%。兩種工況均能滿足設(shè)計(jì)條件和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表3 正反行程耕寬數(shù)據(jù)測(cè)量值

秸稈殘茬覆蓋率測(cè)量值如表4所示。由表4可知:本次試驗(yàn)中地表以下植被覆蓋率的平均值為90.22%,滿足國(guó)家要求的≥85%的要求,且地表 8cm 以下植被和殘茬的覆蓋率為77.72%,滿足國(guó)家要求的≥60%的標(biāo)準(zhǔn)。因此,本次翻轉(zhuǎn)犁關(guān)于植被和殘茬覆蓋率的試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 秸稈殘茬覆蓋率測(cè)量值

續(xù)表4

土垡破碎率測(cè)量值如表5所示。由表5可知:土垡破碎率為68.94%,滿足國(guó)家規(guī)定≥65%的標(biāo)準(zhǔn),表明翻轉(zhuǎn)犁的土垡破碎率滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 土垡破碎率測(cè)量值

4 結(jié)論

1LF-5型液壓翻轉(zhuǎn)犁在作業(yè)過(guò)程中可打破犁底層、增加土壤耕作厚度,且機(jī)械往復(fù)穿梭作業(yè)、不留溝壟,提高了翻埋質(zhì)量和作業(yè)效果,解決了現(xiàn)有深翻機(jī)械土壤耕層深翻作業(yè)中普遍存在的翻埋效果不佳、田地表面秸稈和殘茬裸露較多等問(wèn)題。選取秋收后玉米秸稈覆蓋的試驗(yàn)田,并以耕深和耕深穩(wěn)定性、耕寬和耕寬穩(wěn)定性、植被和殘茬覆蓋率的測(cè)定、土垡破碎率作為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:1LF-5型液壓翻轉(zhuǎn)犁的平均耕作深度穩(wěn)定為33.45cm,平整度為20mm,變異系數(shù)在3.166%～3.535%之間;在第1工況下翻轉(zhuǎn)犁的耕寬平均值為220.75cm,耕寬的變異系數(shù)范圍為 1.21%～1.71%;在第2工況下,翻轉(zhuǎn)犁的耕寬平均值為170.1cm,其耕作寬度的變異系數(shù)范圍為 1.26%～1.68%,植被覆蓋率平均值為89.97%,土垡破碎率為72.27%,表明該機(jī)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14225對(duì)于耕作質(zhì)量的各項(xiàng)要求以及翻耕農(nóng)藝要求。