直插穴播机成穴器垂直入土阻力研究

王 尊, 赵武云, 石林榕, 张锋伟, 孙步功, 郭军海, 饶 罡, 李 辉

(甘肃农业大学机电工程学院,甘肃 兰州 730070)

直插穴播技术主要应用于西北旱区地膜覆盖后膜上播种环节。陈晓光等[1]首次提出直插式播种机原理,此后国内对直插播种机构进行了大量研究。成穴器是穴播器的主要触土部件,其设计的好坏直接影响穴播器的入土阻力和对土壤的扰动破坏程度[2]。实际作业过程中,当成穴器入土后土壤的压实度达不到理想程度,土壤会存在大大小小的空隙,进而会造成种子沉降,导致种子播深不一致。同时,土壤空隙较大时水分运移存在困难,影响种子发芽率[3]。土壤的压实度不够还会引起种子吸收营养物质不充分的问题。设计研究成穴器时,需考虑成穴器结构是否合理。若设计一种入土阻力较小的成穴器,不仅要考虑成穴器的入土角度,还要考虑其结构参数。成穴器的形式和结构尺寸直接影响着直插播种机作业性能。韩长杰等[4]对西瓜钵苗移栽机成穴器参数进行优化,得出了理论成穴深度是影响穴口上部纵长的主要因素;胡红[5]对追肥机成穴器通过离散元仿真和土槽试验对成穴器的入土阻力和成穴形状进行了分析,确定了成穴器的结构参数和型式;减少成穴器对土壤扰动也是设计成穴器需要考虑的问题[6]。全伟等[7]针对油菜钵苗移栽机的外形进行优化,以减少成穴器的入土阻力及穴内回土量;徐高伟等[8]对井窖式成穴机构的曲柄长度,非圆齿轮偏心率和变形系数进行优化。孙伟等[9]通过比较入土难易程度、穴孔大小和动土量对鸭嘴式成穴器的选型进行选择。

基于此,本文利用直插土槽试验台测定了不同型式、截面尺寸、入土角度、含水率以及不同土壤类型下的入土阻力,以期为西北直插穴播技术的发展提供借鉴。

1 成穴器结构

研究两种成穴器(截面图形:圆形和方形)在不同角度和截面尺寸条件下的入土阻力[10-11]。由于穴播器中取种轮直径约为30 mm,为便于取种轮排种,使玉米种子在从取种轮中掉入成穴器的过程中与成穴器内壁无接触和碰撞,设计成穴器截面尺寸应与取种轮直径相当或略大,若成穴器截面尺寸过大会造成材料浪费。因此,成穴器的截面尺寸取值分别设为30 mm、40 mm和50 mm。为方便加工,成穴器角度分别设为30°、38°和45°。成穴器结构参数如表1所示。方形成穴器如图1所示。圆形成穴器如图2所示。

图1 方形成穴器

图2 圆形成穴器

表1 成穴器结构参数

2 成穴器垂直入土阻力试验

2.1 试验材料

通过比较成穴器垂直入土阻力大小,寻找影响成穴器垂直入土阻力大小的主要因素。主要使用两种土壤类型(沙土和沙壤土)。沙土采自甘肃省张掖市民乐县,沙壤土采自甘肃省定西市通安驿区,土壤试验材料如图3所示。

图3 土壤试验材料

2.2 试验仪器

如图4所示,成穴器入土阻力试验需要的主要仪器包括数显式推拉力计、盛土桶、计算机、电子式拉力试验机和干燥箱等。成穴器入土阻力由电子式拉力计测量。其中,盛土桶直径180 mm、高180 mm,桶内实际深度为175 mm,实际容积为4 450.95 cm3。试验前,将盛土桶内的土样进行称重和翻土,保证每次试验的土样重量、虚实一致。需要配备3种含水率(1%,6%,12%)的土壤。

图4 土壤直插试验仪器

2.3 试验过程

试验时,将装入土样的盛土桶放在试验台上,并用钢尺测量其内部的土样深度;将盛土桶内的土样用调土刀刮平,保证受力均匀;调整好上开关挡片的位置,以保证每次试验所到达同样的深度;打开计算机上的软件,检查与传感器是否连接;当压力传感器在试验过程中试验台到达上限位时触发开关后会向下运动,此时显示器上显示峰值,曲线走一段距离后,待数据出现明显的下降趋势并降为零后,关闭试验机,并进行数据记录;试验完成后,将试验数据生成文字文档并保存;数据记录完毕后,将土样复原,准备下一次试验,试验过程如图5所示。试验共分两组,第一组分别测出不同含水率条件下成穴器的入土阻力;第二组是固定土壤含水率,改变成穴器型式、角度和截面尺寸后测定成穴器入土阻力。

图5 土壤直插试验过程

2.4 试验结果

第一组:分别测出不同含水率条件下成穴器的入土阻力,入土深度统一为土层刚没过成穴器,分析土壤含水率对成穴器阻力的影响。沙土条件下成穴器入土阻力变化如图6所示。沙壤土条件下成穴器入土阻力变化如图7所示。成穴器入土阻力统计结果如表2所示。

(a)1%含水率

图7 沙壤土条件下成穴器入土阻力变化

表2 成穴器入土阻力

第二组:当成穴器入土深度统一为40 mm时,分析其角度与截面尺寸对入土阻力的影响。方形成穴器的入土阻力如表3所示。圆形成穴器的入土阻力如表4所示。

表3 方形成穴器的入土阻力

表4 圆形成穴器的入土阻力

3 结果分析

成穴器入土阻力测定试验主要研究成穴器结构参数、土壤条件对入土阻力的影响。成穴器结构参数包括入土角度、截面尺寸和型式。土壤条件包括土壤类型和土壤含水率。采用单因素试验分析影响成穴器入土阻力因素。

3.1 含水率对入土阻力的影响

试验时,固定其他因素,改变土壤含水率,测定成穴器入土阻力。沙土条件下成穴器入土阻力变化如图8所示。沙壤土条件下成穴器入土阻力变化如图9所示。

图9 沙壤土条件下含水率对入土阻力的影响

由图8可知,沙土条件下成穴器的入土阻力随含水率的增加呈下降趋势,大的入土角度、大的截面尺寸的成穴器入土阻力下降趋势更加明显,而小的入土角度、小的截面尺寸的成穴器入土阻力变化不明显。

由图9可知,沙壤土条件下成穴器的入土阻力随含水率的增加呈下降趋势,大的入土角度、大的截面尺寸的成穴器入土阻力下降趋势更加明显,而小的入土角度、小的截面尺寸的成穴器入土阻力变化不明显。综上可知,不同类型的成穴器在沙土/沙壤土所受入土阻力大小与土壤含水率相关。含水率越大成穴器所受到的阻力越小。

3.2 成穴器入土角对入土阻力的影响

试验时,固定其他因素,改变成穴器入土角,测定成穴器入土阻力。沙土条件下成穴器入土阻力变化如图10所示。沙壤土条件下成穴器入土阻力变化如图11所示。

图10 沙土条件下成穴器角度对入土阻力的影响

图11 沙壤土条件下成穴器角度对入土阻力的影响

由图10、图11可知,成穴器入土阻力随入土角度的增加呈增大趋势。

3.3 成穴器截面边长对入土阻力的影响

试验时,固定其他因素,改变成穴器截面尺寸,测定成穴器入土阻力。沙土条件下成穴器入土阻力变化如图12所示。沙壤土条件下成穴器入土阻力变化如图13所示。

图12 沙土条件下成穴器截面尺寸对入土阻力的影响

由图12和图13可知,成穴器入土阻力随截面尺寸的增加呈增大趋势。

4 结论

本文研究了成穴器的型式、结构尺寸对入土阻力的影响规律。测定和分析了不同型式(方形、圆形)、截面尺寸(30 mm、40 mm和50 mm)、角度(30°、38°和45°)的成穴器的入土阻力。结果表明,影响入土阻力大小的主要因素包括土壤含水率、成穴器型式和结构尺寸。土壤含水率对入土阻力影响较大,当土壤含水率为12%时,成穴器的入土阻力最小。成穴器入土角度对入土阻力影响较大,当成穴器入土角度为30°时,其入土阻力最小。成穴器截面尺寸对入土阻力影响较大,成穴器截面尺寸为30 mm时入土阻力最小。成穴器型式影响成穴器入土阻力,相比方形,圆形成穴器入土阻力最小。然而,圆形成穴器内腔加工难度较大,方形成穴器可以通过钣金折弯加工,还方便安装活动嘴。综合考虑,直插穴播器选择入土角度30°、截面尺寸为30 mm的方形成穴器。