起垄压实机设计与试验

程　晨，赵武云，戴　飞，李同辉

（甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070）

起垄压实机设计与试验

程晨，赵武云△，戴飞，李同辉

（甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070）

以西北地区沙土壤薯类种植农艺要求为出发点，设计了起垄机整机结构以及机架和起垄犁的结构，并做了三维建模，采用单因素试验法，提出了起垄犁入土角度、起垄和垄面压板倾角以及镇压滚筒直径最优的组合，并分析了各因素对垄床宽度变异系数的影响，增强了起垄机的性能，降低了生产成本，提高了生产效率。

设计；起垄机；建模；试验

在薯类种植的过程中旋耕起垄是一道重要的环节［1］，同时它也是生产效率低和劳动强度大的耕作环节。近年来，随着我国西北地区种薯类种植的面积逐年扩大，依靠人工起垄的作业方式已经远不能适应薯类种植生产和发展的需要［2］。采用机械起垄作业水平尚不足10%，旋耕起垄是阻碍发展薯类种植业的重要因素之一［3］。

起垄机的起垄作业对农作物增产增收和增质都起到积极作用，主要体现在：经过起垄机起垄作业后的底层土壤被翻到地面上来，并经过风吹日晒杀死了藏在土壤里面的寄生虫，从而大量地减少了农药的用量，有效地避免了农药对地下水和土壤的污染［4］；有助于改良耕作层的土壤结构，即土壤结构疏松，使作物对土壤中的水分、无机盐等营养成分充分地吸收。而目前市场销售的起垄机普遍存在的缺陷是机具起垄作业方式不能适应当地土壤特性，最终使起垄作业的效果不能满足农艺的种植要求［5］，从而推广受限制；机具质量较重，工作时缺乏稳定性和可靠性；机具在起垄作业时，起垄犁等关键部件使用寿命短、质量差但价格昂贵。针对市场上出现的起垄机存在的一些缺陷，为满足农作物种植生产和发展的需要，就迫切期望新的起垄机出现。将研制性能优良的起垄机，来降低生产成本，达到高效生产。

1　起垄机整体结构构造与设计

1.1起垄机整机结构

研制的起垄机，整机重量约为180kg。机具由起垄犁、机架、镇压板和镇压滚筒组成。其工作原理：利用位于机具两侧的起垄犁将旋耕后的土壤由两边向中间翻土，并通过左右镇压板对翻后的土壤进行镇压和固定，镇压板是通过拉簧的拉力来实现对土壤进行镇压的，镇压滚筒利用自身重力来对起垄后的土壤进行镇压。其整机结构如图1所示。

图1　起垄机整机结构

1.2机架构造与设计

机架的构造主要由拖拉机连接架、起垄犁安装固定架以及镇压辊筒连接架三部分组成。本机的机架材质主要为80×80钢管，整体大小为950mm× 1000mm（长×宽），重量约为70kg。其中拖拉机连接架、起垄犁安装固定架共用一横梁，且横梁的大小为1000mm×80mm×80mm（方管），镇压辊筒连接架一端连接镇压辊筒，另一端与横梁焊接而成。如图2所示。

图2　机架外形结构

1.3起垄犁构造与设计

传统的起垄犁一般采用三角形华犁，起垄的作业方式是分为正反两次起垄成型，其缺点在于要求垄宽一致性得不到统一，并且容易造成垄体的中部疏松和不饱满［6］。因此为确保起垄的农艺要求，本机具的起垄犁采用一次起垄和一次成型的原理，即采用起垄犁与压板相结合的结构，作业时位于机具两侧的起垄犁将土壤由两边向中间堆起，紧接着左右的压板将中间堆起的土壤给压实来完成起垄。起垄犁的结构如3图所示。

图3　起垄犁的结构图

2　整机单因素试验设计及分析

在翻耕地的平整度和拖拉机运行速度一定情况下，将起垄犁入土角度、起垄压板和垄面压板的倾角及镇压辊筒为自变量，垄床宽度、垄沟宽度及垄高高度作为因变量，每个自变量重复出现5次，则因变量：垄床宽度、垄沟宽度及垄高高度各得到4次数据进行试验。试验工具：SPSSforWindows软件。

2.1不同起垄犁入土角度对起垄机作业的变化规律

不同起垄犁入土角度的垄床宽度、垄沟宽度及垄高高度分析结果。见表1。

表1　不同起垄犁入土角度的垄床宽度、垄沟宽度及垄高高度差异显著性比较

表1中，S表示起垄犁入土角度，S1表示起垄犁入土角度为10°，S2表示起垄犁入土角度为15°，S3表示起垄犁入土角度为20°，S4表示起垄犁入土角度为25°，数据中的小写字母（a，b，c）表示显著差异性p=0.05水平，数据中的大写字母（A，B）表示极显著差异p=0.01。数据中含有相同字母的表示无显著差异，相反，数据中含有不同字母的表示差异显著。

根据表1中的数据显示，可以得出：在显著差异性p=0.05水平情况下，垄床宽度一栏中的数据，起垄犁入土角度S2=15°与起垄犁入土角度S1=10°和起垄犁入土角度S4=25°显著差异，而起垄犁入土角度S2=15°、起垄犁入土角度S3=20°差异不显著，起垄犁入土角度S1=10°、起垄犁入土角度S4=25°和起垄犁入土角度S3=20°三者之间差异不显著。

2.2起垄和垄面压板倾角对起垄机作业的变化规律

不同的起垄和垄面压板倾角对垄床宽度、垄沟宽度和垄高高度影响的分析结果。见表2。

表2　起垄和垄面压板倾角对垄床宽度、垄沟宽度和垄高高度差异显著性比较表

上表2中，S表示起垄和垄面压板倾角，S1表示起垄和垄面压板倾角为35°，S2表示起垄和垄面压板倾角为40°，S3表示起垄和垄面压板倾角为45°，S4表示起垄和垄面压板倾角为50°，S5表示起垄和垄面压板倾角为55°，S6表示起垄和垄面压板倾角为60°，数据中的小写字母（a，b，c，d，e）表示显著差异性p=0.05水平，数据中的大写字母（A，B，C，D）表示极显著差异p=0.01。数据中含有相同字母的表示无显著差异，相反，数据中含有不同字母的表示差异显著。

根据表2中的数据显示，可以得出：在显著差异性p=0.05水平情况下，垄床宽度一栏中的数据，起垄和垄面压板倾角为50°与起垄和垄面压板倾角为55°差异不显著，而起垄和垄面压板倾角为50°和起垄和垄面压板倾角为55°分别与起垄和垄面压板倾角为30°、起垄和垄面压板倾角为35°、起垄和垄面压板倾角为40°、起垄和垄面压板倾角为60°差异显著；起垄和垄面压板倾角为30°、起垄和垄面压板倾角为35°、起垄和垄面压板倾角为40°以及起垄和垄面压板倾角为60°互相均差异显著。

2.3镇压滚筒直径对起垄机作业影响的变化规律

不同的镇压滚筒直径对垄床宽度、垄沟宽度和垄高高度影响的分析结果。见表3。

表3　不同的镇压滚筒直径对垄床宽度、垄沟宽度及垄高高度差异显著性比较

在上表3中，S表示镇压滚筒直径，S1表示镇压滚筒直径为10cm，S2表示镇压滚筒直径为11cm，S3表示镇压滚筒直径为12cm，S4表示镇压滚筒直径为13cm，S5表示镇压滚筒直径为14cm，S6表示镇压滚筒直径为15cm，数据中的小写字母（a，b，c，d，e）表示显著差异性p=0.05水平，数据中的大写字母（A，B，C，D）表示极显著差异p=0.01。数据中含有相同字母的表示无显著差异，相反，数据中含有不同字母的表示差异显著。

根据表3中的数据显示，可以得出：在显著差异性p=0.05水平情况下，在垄床宽度一栏中的数据，而镇压滚筒直径为14cm和镇压滚筒直径为15cm差异不显著，其他的直径则互相差异显著。

在垄沟宽度一栏中的数据中，镇压滚筒直径为15cm均与其他直径差异显著镇压滚筒直径为12cm、镇压滚筒直径为13cm以及镇压滚筒直径为14cm差异不显著，镇压滚筒直径为10cm与镇压滚筒直径为11cm差异不显著。

通过单因素试验分析，从本试验的显著性差异比较与分析，得出起垄犁入土角度为20°、起垄和垄面压板倾角为50°及镇压滚筒直径为13cm对起垄效果的影响要明显比其他组合要明显，并且这一组合参数设计的结构比较稳定，确保起垄机在起垄作业时稳定性和可靠性，因而垄床宽度、垄沟宽度和垄高高度变异率下降。

3　各因素对垄床宽度变异系数的影响分析

采用正交旋转实验法，以起垄犁入土角度，起垄和垄面压板倾角，镇压滚筒直径为影响因素，以垄床宽度变异系数为目标函数，实施试验。试验结果如下：

随着镇压滚筒直径与起垄和垄面压板倾角的增大，垄床宽度变异系数先升高后降低，而随着镇压滚筒直径的增加，垄床宽度变异系数先降低后升高。这是由于起垄和垄面压板倾角的增大，镇压滚筒对垄床的镇压作用就减弱，垄床宽度变异系数就降低；相反镇压滚筒直径与起垄和垄面压板倾角均减小，对垄床宽度镇压和垄型的能力就会减小，垄床宽度变异系数就升高。当镇压滚筒直径达到12cm、起垄和垄面压板倾角达到45°，垄床宽度变异系数达到最大值。如图4a所示。

随着镇压滚筒直径增大，垄床宽度变异系数先升高后降低，而起垄犁的入土角度不断的增加，垄床宽度变异系数先升高后降低。这是由于镇压滚筒直径增大，镇压滚筒对垄床的镇压作用就减弱，造成垄床宽度变异系数增大；相反镇压滚筒直径减小和起垄犁的入土角度减小能够确保起垄机工作时稳定和可靠，当然垄床宽度变异系数就降低。当起垄犁的入土角度达到30°、镇压滚筒直径达到12cm，垄床宽度变异系数达到最大值。如图b所示。

随着起垄和垄面压板倾角的增大和起垄犁的入土角度增大，垄床宽度变异系数先升高后降低。起垄犁的入土角度达到25°，起垄和垄面压板倾角达到55°时，继续增大起垄和垄面压板倾角和起垄犁的入土角度，起垄和垄面压板对翻堆的土壤镇压作用增强，垄床宽度变异系数就下降。如图4c所示。

图4　各因素对垄床宽度变异系数影响的响应曲面

4　结论

1）起垄机的研制是一项具有前沿性的课题，同时，也是农业机械产品研发设计与制造中一项新的研究领域。本文是基于在前期起垄机的研究基础上，利用起垄犁、机架、起垄压板、垄面压板以及镇压滚筒等关键部件为研究对象，设计了最合理的起垄机结构。

2）起垄机试验与研究，采用单因素试验，对起垄犁入土角度、起垄和垄面压板倾角、镇压滚筒直径提出最优的组合。

3）选择起垄犁入土角度、起垄和垄面压板倾角、镇压滚筒直径作为自变量，并且选择垄床宽度变异系数作为因变量，其正交试验结果表明选择的自变量和因变量是合理的。

［1］ 李洪民.国内外甘薯机械化产业发展现状［J］.江苏农机化.2010，（10）：76～77.

［2］ Iqbal，A.，Ning，H.，Khan，I.，Liang，L.，Dar，N.U.，2008.Modeling the effects of cutting parameters in MQL-employed finish hard-milling process using D-optimal method.Journal of Materials Processing Technology199，379-390.

［3］ 王廷生，陈广德，李艳.甘南县向日葵生产现状及对策［J］.黑龙江农业科学2010（7）：169～170.

［4］ Belluco，W.，De Chiffre，L.，2002.Surface integrity and part accuracy in reaming and tapping stainless steel with new vegetable based cutting oils［J］.Tribology International35，865-870.

［5］ F.KaraosmanogIlua，G.Kurta，T.OEzaktas.Longterm CI engine test of sunower oil［J］.Renewable Energy19（2000）219-221.

［6］ 何进.北方灌溉区固定垄保护性耕作技术研究［D］.北京：中国农业大学，2007.

S223.25

“十二五”国家科技支撑计划资助项目（2012BAD14B10），国家自然科学基金资助项目（51405086）。

赵武云（1966-）男，教授，博士，研究方向为农业工程技术与装备。Email：zhaowy@gsau.edu.cn。