球墨铸铁深松铲尖磨损试验分析

郭建永，李庆达，胡 军，付 强，李宇飞

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319 )

球墨铸铁深松铲尖磨损试验分析

郭建永，李庆达，胡 军，付 强，李宇飞

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319 )

通过对比球墨铸铁与进口铲尖在相同时间、相同工作量下的失重量，探究了两种材质的耐磨性能，验证了球墨铸铁铲尖作为铸钢铲尖替代品的可能性。在相同工作量时，球墨铸铁的耐磨性能与进口铲尖一致。深松技术能提高土壤蓄水保墒的能力，球墨铸铁铲尖作为进口铲尖的替代品，同样能达到深松的效果，使土壤的容重降低并提高土壤的蓄水保墒能力。根据数据显示，深松前土壤含水率为14.29%，深松后土壤含水率为15.30%，深松后土壤平均含水率提高1%，深松前土壤容重为1.92g/cm3，深松后土壤容重为1.35g/cm3，深松后土壤容重降低0.57g/cm3，有利于农作物的生长。

农业工程；保护性耕作；深松；土壤参数

0 引言

农作物的生长离不开土壤，土壤的状态会直接影响农作物的产量，国内外大量的实践研究表明，合理的耕作制度可以有效保持或提高土壤的肥力，增加作物产量[1]。过去我国主要的耕作方式是铧式犁耕作，特点是对土壤进行翻耕。这种方法不仅会破坏土壤的物理结构，使土壤肥力减弱，还会破坏地表植被，导致土壤的保墒能力及抵抗狂风与干旱天气的能力下降，水土流失现象严重。为了改善这一现象，深松免耕保护性耕作模式逐渐兴起[2]。

保护性耕作是通过地表生物覆盖、少耕甚至免耕的形式增加土壤水分，减轻土壤水蚀、风蚀，减少水土流失，促进农业可持续发展的一种新型耕作模式，它可以有效减缓土地退化，从而抑制沙尘暴的产生。根据有关相关文献显示，保护性耕作能减少60%的沙尘天气，有效抑制沙尘暴的产生，相对于不进行保护性耕作的土壤，应用保护性耕作技术的耕地储水量能增加15%，保护性耕作能减少地表水土流失60%左右。由此可以看出，在保持土壤水土和保护生态文明环境方面，保护性耕作方式具有很大的作用。除此之外，由于保护性耕作方式要求大量的作物残茬覆盖地表，相对于不进行保护性耕作的土壤，土壤肥力(有机质含量)可提高0.03%，增加单位面积内玉米、小麦等农作物产量的15%～17%。由于保护性耕作方式相对于传统耕作方式可减少2～4道作业工序，可节约人工成本50%～60%，综合经济效益可提高20%～30%[2]。

深松耕作是保护性耕作四大技术之一，是指利用凿形犁或松耕铲等松土工具在不翻转土层的条件下对土壤进行疏松，机械化深松作业可以打破土壤坚硬的犁底层，改善耕地土壤的物理性质，降低土壤容重，减少水土流失，改善上下层土壤的固、液、气三相比例，促进根系生长，有利于作物对土壤中养分的吸收。同时，深松作业可以对农作物生长发育与降水情况起到调节作用，多雨时期将大量的雨水储蓄到地下，干旱时作物通过毛细管吸收[3-5]。

磨损是造成农业机械部件失效的最主要原因，约占农机部件失效的80%[6]。所以，目前我国发展深松作业面临的主要问题是如何解决深松机械磨损问题[7-9]。深松机械的铲尖部分由于与土壤直接接触，并且要破坏坚硬的犁底层，所以铲尖部分磨损最严重。图1为海拉尔地区某农场使用报废的深松铲尖，铲尖磨损后会引起变形，增加拖拉机牵引时的工作阻力，油耗量增加，经济成本也会随之增加。目前国内外生产的铲尖主要以铸钢为主，国内生产的深松铲尖价格低廉，但性能较差，工作寿命约为进口铲尖的1/3左右；进口的深松铲尖性能较好，但价格昂贵。如何研发出一款价格相对较低、性能较好的深松铲尖成为目前深松耕作发展的一个新方向。

图1 磨损铲尖与新铲尖对比图Fig.1 Comparison of the wear shovel tip and the new shovel tip

根据农民使用完铸钢铲尖后给的反馈可以看出：铸钢性能虽然耐磨性能较好，但塑性较差，在田间耕作时，由于地下情况较为复杂，容易碰到石头等坚硬的物体发生冲击导致铲尖破碎。针对这一现象，本次试验对象采用的球墨铸铁铲尖，作为钢的替代品。1949年，人类开发出了球墨铸铁，球墨铸铁在成本上比铸钢低，且球墨铸铁的铸造效率更高，加工成本较低。在强度方面，球墨铸铁比普通铸铁具有绝对的优势，在球墨铸铁的微观照片中(见图2)，球状的石墨能有效阻止内部裂缝的蔓延，所以球墨铸铁制成的铲尖(见图3)具有良好的韧性，可有效降低铲尖断裂的几率。

图2 球墨铸铁中的石墨组织Fig.2 graphite structure in nodular graphite cast iron

1 田间试验

相对于铸钢成分的铲尖，球墨铸铁制成的铲尖具有生产和加工成本低、在保证强度的同时韧性高的优点。此次试验分别在2015年10月份和2016年5月份进行，试验对象为凯斯联合整地机9300，如图4所示。此款联合整地机整地幅宽为6.9m，试验时使用凯斯393kW的大马力拖拉机进行牵引。图5为凯斯393kW拖拉机，耕深为30cm，拖拉机行驶速度为8～10km/h，试验方法采用静态失重法，试验结束后对铲尖进行清理、拆卸，用电子称对铲尖进行称重并记录。

图3 球墨铸铁铲尖微观照片Fig.3 micro photo of ductile cast iron shovel

图4 凯斯9300联合整地机Fig.4 case 9300 combination machine

图5 凯斯大马力拖拉机(246kW)Fig.5 case of large horsepower tractor (246kW)

2015年10月，铲尖田间磨损试验共安装3个铲尖，分别编号1#、2#、3#。其中，1#、2#铲尖，材质为球墨铸铁，3#为进口铲尖。试验过程中的测量参数如表1所示。

表1 海拉尔试验数据记录

从表1中的数据可以看出：在工作量与工作环境相同时，球墨铸铁制成的深松铲尖的耐磨性能与进口铲尖一致，甚至比进口铲尖耐磨性能稍佳。

2016年5月，再次来到海拉尔地区进行深松铲尖的田间磨损试验。此次试验共安装了6个铲尖，材质为球墨铸铁。此次试验安装的6个铲尖中，有2个是2015年在海拉尔做过磨损试验的，分别编号1#、2#，与2015年田间磨损试验时的编号保持一致；其余4个安装的铲尖均为新铲尖，未做过磨损试验的，分别编号3#、4#、5#、6#，材质为球墨铸铁。试验开始前对铲尖分别进行称重，并记录；试验结束后，将铲尖表面附着的土壤清理干净，并进行称重，两次称重质量的差值即为铲尖的磨损量，磨损量的大小可以直接反应出铲尖的耐磨性能。试验数据如表2所示。

表2 铲尖失重量记录

经过35h的磨损试验之后，安装的6个铲尖1个丢失，其余5个基本报废。对铲尖清理后发现铲尖的形状有严重的变形，如图6所示。除了在形状上有很大的变化外，厚度方面也具有很大的变化，如图7所示。

图6、图7中，编号为8#的铲尖为农场使用中遗弃的铲尖，在形状上与本次试验的铲尖做对比。为了更加准确地表示出铲尖形状上的变化量，本次田间磨损试验结束后，用游标卡尺对铲尖的形状进行了测量。由于铲尖的下方磨损不严重，在铲尖的末端位置选取一条基准线，每隔10mm用游标卡尺进行测量，对测量数据进行记录。基准选择如图8所示，铲尖的磨损高度变化量如表3所示。

图6 磨损铲尖与新铲尖形状对比Fig.6 Comparison of the shape of the worn shovel and the new shovel

图7 磨损铲尖与新铲尖厚度对比Fig.7 Comparison of the blade tip and the thickness of the new shovel

图8 基准线选择标准Fig.8 baseline selection criteria表3 铲尖磨损高度变化量Table 3 The height change of the tip of the shovel mm

选取适当的热处理工艺对铲尖进行加工可有效提高铲尖的耐磨性能，但由于热处理加工成本较高，目前并没有在铲尖方面大规模推广使用。从表3中的数据可以看出，铲尖的磨损主要为中间1/3处。针对这一发现，以后在解决铲尖耐磨性能不足这一问题时，可以采取在铲尖中间1/3处进行表面处理、提高指定区域耐磨性能的方法，可大大降低加工成本。

2 土壤参数

作为进口铲尖的替代品，球墨铸铁铲尖需要具备能够提高土壤蓄水保墒能力的作用，还要降低土壤的容重，促进农作物的生长。由于深松铲尖磨损是与土壤颗粒进行摩擦，土壤的一些参数(如含砂率、含水率、容重)对铲尖的磨损有很大的影响。土壤容重的大小是衡量土壤是否利于作物生长的一个重要指标，所以2016年5月在进行田间磨损试验，对土壤参数进行了测量。

2.1 土壤坚实度

土壤的坚实度大小会影响铲尖的受力，如果土壤的坚实度过大，铲尖发生断裂的可能性会大大增加。此次试验时，测量土壤坚实度的仪器为土壤坚实度测量仪，将仪器的探针插入到指定深度，此次深松铲尖田间试验的耕深为30cm，所以此次测量土壤坚实度将探针插入到30cm。该土壤坚实度仪有两种钻头，大钻头适用于较软的土层，读取表盘外侧示数；小号钻头适用于较硬的土层，读取表盘内测示数，读取示数后根据公式换算成常用的压强单位。土壤坚实度田间测量试验如图9所示。仪表的单位为磅/英寸(psi)，与常见的压强单位(kg/cm2)的转换关系为：1 psi=0.070 3kg/cm2。此次试验共随机选取了7处未进行深松的土地，土壤坚实度数据如表4所示。

编号示数/psi压强/kg·cm-21160.411.32143.410.13124.58.84128.39.05134.09.46167.911.87183.012.9平均值148.810.5

董升涛[10]在其文献中写到:黑龙江龙镇农场的土壤坚实度平均为25 kg/cm2坚实度，高出海拉尔地区土壤坚实度2倍以上。

2.2 土壤含水率

深松的意义很多，其中有一条是提高土壤的保墒性能及土壤的抗旱能力，所以对比深松前和深松后土壤的含水率具有重要的意义。此次试验共采集10个样本，深松前和深松后的土壤样本均为5个。将采集回来的土壤样本进行称重，在鼓风式干燥机中进行干燥，干燥时长为10h；将烘干前后的质量做差，其同初始土壤质量之比即为土壤的含水率。测量结果如表5所示。

表5 土壤样本含水率记录

从表5中可以看出：深松后的土壤含水率大于深松前含水率，但只是高出了一个百分点。推测原因可能是因为取土时深松前、后间隔时间太短，深松对提高土壤保墒能力的作用体现得不是十分明显。

2.3 土壤含砂率

土壤中的沙粒大小会直接影响铲尖的磨损速度，沙粒粒径越大，铲尖的磨损速度越快。从海拉尔取回来的土样进行含水率测量之后，取适量干燥后的土壤进行土壤级配试验，用到的标准筛分别为20、26、40、60、80、100目；通过不同目数的标准筛对土壤进行筛分，可将土壤按粒径大小不同进行区分。筛分后的土壤进行称量，得到的数据如表6所示。

表6 土壤粒度级配实验记录

根据土壤粒度级配实验得到的结构看出：粗砂占土壤总量的17.3%，中砂含量占土壤总量的4.5%，细砂含量占土壤总量的6.0%，特细砂含量占土壤总量的72.2%。对铲尖磨损有影响的主要为粗砂和中砂，共占土壤总含量的21.8%。2016年5月在海拉尔的田间磨损试验相比较2015年10月的铲尖磨损速度有很大提升，主要原因为2016年的试验地点为海拉尔地区兰竹农牧场，土壤含砂率较大。

2.4 土壤容重

对土壤进行深松除了能提高土壤的蓄水保墒能力外，还有一个很重要的作用是降低土壤容重，有利于作物生长。田间自然垒结状态下单位容积土体(包括土粒和间隙)的质量称为土壤容重，常用单位有g/cm3和t/m3。此次试验取土环刀体积为200cm3，计算土壤容重的公式为

式中dv—土壤容重(g/cm3)；

G—湿土质量(g)；

V—环刀体积(cm3)；

W—含水率(%)。

经过计算，深松前土壤容重为1.92g/cm3，深松后土壤容重为1.35g/cm3。土壤的容重能反应出土壤的紧实度，土壤越疏松多孔，容重越小，越有利于农作物生长；土壤越紧实，容重越大，越不利于作物生长。一般砂性土壤的容重在1.4～1.7g/cm3，此次测量的土壤容重为1.92g/cm3，说明土壤孔隙度小，含有的有机质少。一般农业耕作土壤含有有机质多，容重在1.1～1.4g/cm3之间，此次测量的土壤容重为1.35g/cm3，达到耕作土壤的标准，说明球墨铸铁材质的深松铲尖对土壤深松能起到明显的作用。

3 结论

球墨铸铁铲尖作为进口铲尖的替代品，强度性能能与铸钢相媲美，韧性超过铸钢，解决了铸钢铲尖发脆容易发生断裂的现象。经过在海拉尔地区的田间磨损数据可以看出：球墨铸铁制成的铲尖与进口铲尖在相同的工作环境下，相同的工作量磨损质量一致。

土壤深松的意义包括降低土壤容重及提高土壤蓄水保墒的能力。经过测定，球墨铸铁制成的深松铲尖深松后土壤容重由1.92g/cm3降低为1.35g/cm3，达到一般耕作土壤的标准，有利于作物的生长。由于采集的深松前、深松后土壤样本间隔时间太短，深松对提高土壤含水率的效果不太明显，但深松后的土壤平均含水率比深松前土壤平均含水率高出一个百分点，说明深松确实具有提高土壤蓄水保墒的能力。

[1] 朱凤武,王景利,潘世强,等.土壤深松技术研究进展[J].吉林农业大学学报,2003,25(4): 457-461.

[2] 王志穷,王维新,李霞,等.保护性耕作条件下深松技术的国内外发展现状[J].农机化研究, 2016,38(6):253-258.

[3] 朱瑞祥,张军昌,薛少平,等.保护性耕作条件下的深松技术试验[J].农业工程学报, 2009, 25(6): 145-147.

[4] 李洪文,陈君达,李问盈.保护性耕作条件下深松技术研究[J].农业机械学报,2000,31(6):42-45.

[5] 何进,李洪文,高焕文.中国北方保护性耕作条件下深松效应与经济效益研究[J].农业工程学报, 2006,22(10):62-67.

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[8] 苏彬彬,徐杨,简建明. 农业机械耐磨件发展及研究现状[J]. 热处理技术与装备, 2013, 34(5)：53-57.

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[10] 董升涛.深松铲尖堆焊Fe基WC复合涂层的组织分析与性能研究[D].大庆：黑龙江八一农垦大学,2015.

Analysis on the Wear Test of the Deep Loosening Shovel of Nodular Cast Iron

Guo Jianyong, Li Qingda, Hu Jun, Fu Qiang, Li Yufei

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319, China)

This paper through the comparison of nodular cast iron and imported shovel tip at the same time, the same amount of weight loss, to explore the wear resistance of two kinds of material, to verify the possibility of ductile cast iron as cast steel shovel shovel tip tip alternatives. In the same amount of work, the wear resistance of ductile cast iron is consistent with that of the imported blade. Subsoiling technology can improve the ability of soil water conservation, ductile iron shovel shovel pointed tip as import substitutes, to achieve the same effect of subsoiling, the soil bulk density decreased and increased soil water holding capacity.According to statistics, subsoiling before soil water content was 14.29%,after subsoiling soil water content was 15.30%, the average soil water content after subsoiling subsoiling increased 1%, before the soil bulk density is 1.92g/cm3, after subsoiling soil bulk density is 1.35g/cm3, after subsoiling soil bulk density decreased 0.57g/cm3, conducive to the growth of crops.

agricultural engineering; conservation tillage; deep soil; soil parameters

2016-10-12

现代化农业农机装备研究示范项目(2014BAD06B00)；黑龙江省农垦总局项目(HNKXIV-10-04a)

郭建永(1992-)，男，河北任丘人，硕士研究生，(E-mail)gcxygjy@126.com。

胡 军(1972-)，男，江苏新沂人，副教授，硕士生导师，(E-mail)Gcxykj@126.com。

S222.2；S220.6

A

1003-188X(2017)12-0135-06