高壟平臺(tái)滴灌帶鋪設(shè)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙淑紅，劉宏俊，曹秀振，周　勇，李天宇，田伯亮，楊?lèi)偳?東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱　50030；.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱　50040）

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高壟平臺(tái)滴灌帶鋪設(shè)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙淑紅1，劉宏俊1，曹秀振1，周勇1，李天宇2，田伯亮1，楊?lèi)偳?
（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030；2.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040）

摘要：針對(duì)第一代滴灌帶鋪設(shè)機(jī)作業(yè)速度波動(dòng)時(shí)滴灌帶輸出量不穩(wěn)定、產(chǎn)生堆積、纏繞，覆土動(dòng)作不穩(wěn)定問(wèn)題，文章在原有基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)滴灌帶輸送控制機(jī)構(gòu)，改進(jìn)覆土輪結(jié)構(gòu)和尺寸，實(shí)現(xiàn)高壟平臺(tái)滴灌帶鋪設(shè)及滴灌帶間隔性覆土作業(yè)，完成第二代滴灌帶鋪設(shè)機(jī)設(shè)計(jì)。在田間試驗(yàn)中，滴灌帶未出現(xiàn)堆積、纏繞；當(dāng)開(kāi)溝鏟入土深度為18 cm，覆土輪壓力657 N，機(jī)組作業(yè)速度6 km·h(-1)時(shí)，相應(yīng)覆土量727 g，覆土間隔233.8 cm，開(kāi)溝寬度29.6 cm。結(jié)果表明，第二代滴灌帶鋪設(shè)機(jī)可完成滴灌帶鋪設(shè)、間隔覆土、撫壟等作業(yè)，滿(mǎn)足實(shí)際作業(yè)需求。

關(guān)鍵詞：高壟平臺(tái)；滴灌帶；鋪設(shè)機(jī)；間隔覆土；輸送控制

趙淑紅,劉宏俊,曹秀振,等.高壟平臺(tái)滴灌帶鋪設(shè)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,47(3):80-85.

Zhao Shuhong,Liu Hongjun,Cao Xiuzhen,et al.Design and experiment of high-ridge platform drip tape laying machine[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(3):80-85.(in Chinese with English abstract)

我國(guó)水資源短缺，工業(yè)城市用水增加，農(nóng)業(yè)用水不足且浪費(fèi)嚴(yán)重[1-2]。滴灌是微灌技術(shù)之一，屬工程節(jié)水研究范疇。高壟平臺(tái)采用寬110cm大壟，壟高25～30 cm，改善土壤容重，保持水分減少對(duì)作物水蝕，達(dá)到抗旱抗?jié)衬康?。傳統(tǒng)壟作灌溉采用溝灌技術(shù)用水浪費(fèi)明顯，高壟平臺(tái)上滴灌可有效提高水資源利用率[3-7]。目前呂明東等研發(fā)1MG-1型膜下滴灌鋪管鋪膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)組將滴管帶和地膜鋪在壟上或洼面并在地膜兩邊適量覆土[8]；張勇等研究表明，滴管帶開(kāi)溝鋪埋裝置實(shí)現(xiàn)地膜與滴管帶分離[9]，但并非單獨(dú)滴灌帶鋪設(shè)機(jī)器，無(wú)法完成單獨(dú)滴灌帶鋪設(shè)固定。

第一代滴灌帶鋪設(shè)機(jī)可在低速時(shí)完成滴灌帶鋪設(shè)、間隔覆土、撫壟等作業(yè)，但工作效率低。速度波動(dòng)時(shí)，滴灌帶卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)于靈活，使滴灌帶卷筒快速運(yùn)轉(zhuǎn)后無(wú)法立即停止，導(dǎo)致滴灌帶過(guò)多輸出產(chǎn)生堆積、纏繞問(wèn)題[10]。本文針對(duì)第一代機(jī)型加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)滴灌帶輸送控制機(jī)構(gòu)控制滴灌帶卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)與停止，使滴灌帶在正常輸出量時(shí)能順暢轉(zhuǎn)動(dòng)，采用強(qiáng)制導(dǎo)向式間隔覆土機(jī)構(gòu)，無(wú)論作業(yè)速度快慢，均能強(qiáng)制完成覆土作業(yè)。

1　高壟平臺(tái)滴灌帶鋪設(shè)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1整體結(jié)構(gòu)

高壟平臺(tái)滴灌帶鋪設(shè)機(jī)整體結(jié)構(gòu)[11-12]如圖1。主要有松土鏟、機(jī)架、滴灌帶懸掛機(jī)構(gòu)、輸送控制機(jī)構(gòu)、滴灌帶導(dǎo)向輪、間隔式覆土機(jī)構(gòu)等組成。性能技術(shù)參數(shù)如表1。

圖1　高壟平臺(tái)滴灌帶鋪設(shè)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of high ridge platform drip tape laying machine

表1　整機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of machine

1.2工作原理

機(jī)器前部松土鏟為間隔覆土輪覆土作業(yè)提供隆起松土，使滴灌帶鋪設(shè)于松土鏟開(kāi)出溝內(nèi)。采用強(qiáng)制導(dǎo)向式間隔覆土機(jī)構(gòu)，將抓土、放土動(dòng)作改為推土，無(wú)論作業(yè)速度快慢，覆土動(dòng)作均按設(shè)計(jì)完成，克服原有機(jī)型高速作業(yè)時(shí)無(wú)法完成規(guī)定覆土動(dòng)作弊端。滴灌帶輸送控制機(jī)構(gòu)控制滴灌帶卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)與停止，使滴灌帶在正常輸出量時(shí)順暢轉(zhuǎn)動(dòng)。

2　高壟平臺(tái)滴灌帶鋪設(shè)機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1間隔式覆土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

間隔式覆土機(jī)構(gòu)采用平面地輪加外邊緣限位環(huán)，在地輪圓周上加裝自動(dòng)推土機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)向裝置和自動(dòng)推土機(jī)構(gòu)組成（如圖2所示）。

2.1.1導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)

導(dǎo)向裝置由平行四桿仿形導(dǎo)向板構(gòu)成，導(dǎo)向板對(duì)稱(chēng)安裝在覆土輪兩側(cè)，組成開(kāi)口大、閉口小導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，完成對(duì)推土板由開(kāi)啟到閉合狀態(tài)導(dǎo)向。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不但隨覆土輪上下而同步運(yùn)動(dòng)，且在運(yùn)動(dòng)時(shí)與地面保持角度不變。利用平行四桿仿形功能，由水平機(jī)架與覆土輪斜拉桿作為平行四桿相鄰兩邊，斜拉桿與覆土輪鉸接點(diǎn)為平行四桿第二個(gè)鉸接點(diǎn)，構(gòu)造平行四連桿機(jī)構(gòu)，將導(dǎo)向架安裝于平行四桿機(jī)構(gòu)下端桿上，覆土輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，四桿機(jī)構(gòu)下拉桿始終與覆土輪相對(duì)位置保持不變[13]，使導(dǎo)向機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足預(yù)期要求，如圖2所示。

圖2　間隔式覆土機(jī)構(gòu)Fig.2 Schematic of intermittent soil structure

2.1.2自動(dòng)推土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

在分土鏟作用下土壤顆粒間出現(xiàn)相對(duì)位移，分土鏟對(duì)土壤造成接近二項(xiàng)應(yīng)力破壞，土壤利用自身抗剪強(qiáng)度阻止這種破壞形式，土壤剪切強(qiáng)度根據(jù)摩爾——庫(kù)倫定律建立數(shù)學(xué)表達(dá)式可知：

τf=c+σ·tgφ（1）

式中，τf-剪切破壞面上剪應(yīng)力，即土抗剪強(qiáng)度（KPa）；c-土壤粘聚力，對(duì)于無(wú)粘性土壤其為零（KPa）；σ-破壞面上法向應(yīng)力（KPa）；φ-土內(nèi)摩擦角（°）。

由公式（1）可知應(yīng)力與剪應(yīng)力間存在線(xiàn)性關(guān)系，間隔覆土板作業(yè)前土壤已細(xì)化，推土板作業(yè)土壤顆粒大小及土壤濕度適中，推土板所受正壓阻力較小，故采用薄板折彎結(jié)構(gòu)。

兩推土板通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與覆土輪體連接，在扭力彈簧作用下處于張開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)推土板隨輪體轉(zhuǎn)動(dòng)接觸土壤時(shí)，在土壤阻力作用下，推土板外邊緣部分進(jìn)入土中，由于松土鏟在輪體兩側(cè)形成隆起土帶，推土板在通過(guò)導(dǎo)向裝置時(shí)，自身閉合，將土聚攏到輪體下滴灌帶上。推土板通過(guò)導(dǎo)向裝置后，在扭力彈簧作用下，又回到張開(kāi)狀態(tài)。將轉(zhuǎn)動(dòng)軸承安裝在推土板外側(cè)，隨推土板進(jìn)入導(dǎo)向板時(shí)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，減少推土板導(dǎo)向過(guò)程阻力。平面地輪將滴灌帶壓于土壤表面，使滴灌帶緊貼地面，防止覆于滴灌帶土壤彈掉。

2.1.3間隔覆土輪設(shè)計(jì)

間隔覆土防風(fēng)襲能力取決于覆土間隔及單次覆土量。在一定范圍內(nèi)，兩者呈反比關(guān)系?，F(xiàn)行人工間隔覆土間距為5 m，而此機(jī)構(gòu)覆土量要小于人工覆土量，由于覆土間隔由未覆土長(zhǎng)度和覆土長(zhǎng)度組成，因而選取未覆土長(zhǎng)度L=2 m；保證覆土間隔小于5 m。覆土間隔與覆土輪直徑關(guān)系為:

J=π·D（2）

式中，J-覆土間隔（mm）；D-間隔覆土輪直徑（mm）。

覆于滴灌帶上土壤應(yīng)在滴灌帶注水后靠水對(duì)滴灌帶張力作用而滑下滴灌帶，防止堵塞滴灌帶，所以滴灌帶覆土量不宜過(guò)大，取V=5× 105mm3。被推土板覆在滴灌帶上土壤類(lèi)似圓錐形狀，可近似用錐體體積公式求覆土半徑，得到覆土長(zhǎng)度，圓錐體體積公式為：

式中，r-覆土半徑（mm）；h-覆土堆體高度（mm）。

式中，φ-土壤內(nèi)摩擦角（°）。

由式（3）和（4）整理可得：

取φ=20°、V=5×105mm3代入式（5）得r=111.8mm。

式中，L-末次覆土長(zhǎng)度（mm）。

由式（2）、式（6）整理可得：

將L=2 000 mm、r=111.8 mm代入式（7）得直徑D=708.2 mm，取整為700 mm。

根據(jù)高壟平臺(tái)特點(diǎn)，取輪寬b為90 mm（如圖3所示）。

2.2滴灌帶輸送控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)動(dòng)控制輪、制動(dòng)桿組、制動(dòng)圈等組成，如圖4所示。

轉(zhuǎn)動(dòng)控制輪為可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)長(zhǎng)形雙桿架，工作時(shí)滴灌帶交替繞過(guò)控制輪上下兩桿。制動(dòng)桿組由固定于機(jī)架制動(dòng)桿和連接在控制輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸上撥桿組成。制動(dòng)桿在扭力彈簧作用下處于對(duì)制動(dòng)盤(pán)常制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)盤(pán)通過(guò)滴灌帶卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)軸制約滴灌帶卷筒，使其處于靜止?fàn)顟B(tài)。撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)制動(dòng)桿使制動(dòng)桿與制動(dòng)圈分離，消除制動(dòng)作用。靜止時(shí)，撥桿在自身重力作用下不對(duì)制動(dòng)桿產(chǎn)生作用。作業(yè)時(shí)，機(jī)器行走拉伸滴灌帶，交替繞過(guò)控制輪滴灌帶使控制輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)撥桿推動(dòng)制動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使制動(dòng)桿脫離制動(dòng)盤(pán)，滴灌帶卷筒脫離制動(dòng)裝置約束，實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3　間隔覆土輪機(jī)構(gòu)Fig.3 Schematic of intermittent soil wheel structure

圖4　滴灌帶輸送控制機(jī)構(gòu)Fig.4 Schematic of drip tape transport control mechanism

通過(guò)輸送控制機(jī)構(gòu)作用，當(dāng)?shù)喂鄮л敵鲞^(guò)多而產(chǎn)生松弛狀態(tài)時(shí)，控制輪因滴灌帶作用力減小而重新回到原始狀態(tài)，脫離制動(dòng)桿，使制動(dòng)桿通過(guò)扭力彈簧重新作用于制動(dòng)盤(pán)，限制滴灌帶卷筒

轉(zhuǎn)動(dòng)，避免滴灌帶輸出過(guò)多[14]。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1地點(diǎn)

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地，土壤堅(jiān)實(shí)度為4.78kg·cm-2（0～5cm），7.25kg·cm-2（5～10cm），土壤含水率為22.34%，壟高30 cm，壟寬110 cm。

3.2設(shè)備及儀器

高壟平臺(tái)滴灌帶鋪設(shè)機(jī)，TZS-1型土壤水分速測(cè)儀，TYD-2型土壤硬度計(jì)，JD1000-2電子天平，皮尺（量程：30 m；精度：1 mm），直尺（量程：0.3 m；精度：1 mm）。

3.3方法

采用三因素五水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以機(jī)組作業(yè)速度A、松土鏟入土深度B、間隔覆土輪體所受壓力C作影響因素，以單次覆土量、覆土間隔、開(kāi)溝寬度作響應(yīng)指標(biāo)，選用L25（56）正交表[15]。試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

3.4結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果極差分析，得出因素A、B、C對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)單次覆土量、每段覆土間距及開(kāi)溝寬度最優(yōu)水平，影響程度及優(yōu)化組合，見(jiàn)表3。

表2　試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Testing program and results

表3　極差分析Table 3 Range analysis

對(duì)于覆土量：B影響最大，各因素影響主次順序?yàn)锽>C>A，最優(yōu)組合為B1C5A1，即開(kāi)溝鏟入土深度為18 cm，覆土輪壓力為657 N，機(jī)組作業(yè)速度為2 km·h-1。對(duì)于覆土間距：C影響最大，各因素影響主次順序?yàn)镃>B>A，最優(yōu)組合為C5B5A1，即覆土輪壓力為657 N，開(kāi)溝鏟入土深度為13.2 cm，機(jī)組作業(yè)素為2 km·h-1。對(duì)于開(kāi)溝寬度：B影響最大，各因素影響主次順序?yàn)锽>A>C，最優(yōu)組合為B5A1C2，即開(kāi)溝鏟入土深度為13.2 cm，機(jī)組作業(yè)速度為2 km·h-1，覆土輪壓力為333 N。

覆土量是影響作業(yè)效果主要指標(biāo)，因素B是影響覆土量主要因素，但對(duì)覆土間距及開(kāi)溝寬度影響相對(duì)不大，選用B1（開(kāi)溝鏟入土深度為18cm）。因素C是覆土間距主要因素，是開(kāi)溝寬度次要因素，因此選用C5，即覆土輪壓力為657 N。因素A在各相應(yīng)指標(biāo)中并非主要因素，考慮其對(duì)各指標(biāo)影響不大，作業(yè)速度過(guò)低影響作業(yè)效率，故選用A5（機(jī)組作業(yè)速度為6 km·h-1）。由此得出，最優(yōu)組合為B1C5A5，試驗(yàn)方案中包含該組合，可知覆土量為727 g，覆土間距為233.8 cm，開(kāi)溝寬度為29.6 cm，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足優(yōu)化要求，滴灌帶鋪設(shè)后效果見(jiàn)圖5。

在試驗(yàn)過(guò)程中，滴灌帶無(wú)堆積現(xiàn)象，說(shuō)明滴灌帶輸送控制機(jī)構(gòu)可消除作業(yè)期間速度波動(dòng)影響，停車(chē)時(shí)滴灌帶卷筒可即時(shí)制動(dòng)，有效消除滴灌帶堆積、纏繞現(xiàn)象。滴灌帶在作業(yè)時(shí)無(wú)脫離現(xiàn)象，說(shuō)明各輪體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，與滴灌帶配合緊密，工作可靠。

圖5　滴灌帶鋪設(shè)后效果Fig.5 Effects after laying drip tape

4　結(jié)　論

a.改進(jìn)第一代高壟平臺(tái)滴灌帶鋪設(shè)機(jī)，設(shè)計(jì)強(qiáng)制導(dǎo)向式間隔覆土機(jī)構(gòu)及滴灌帶輸送控制機(jī)構(gòu)。

b.該機(jī)作業(yè)時(shí)，能有效控制停車(chē)引起滴灌帶過(guò)剩輸出而產(chǎn)生堆積、纏繞。

c.通過(guò)試驗(yàn)得出，各影響因素最優(yōu)組合覆土量為727 g，覆土間距為233.8 cm，開(kāi)溝寬度為29.6 cm。改進(jìn)后鋪設(shè)機(jī)可滿(mǎn)足單獨(dú)鋪設(shè)滴灌帶作業(yè)要求，為節(jié)水灌溉提供配套。

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Design and experiment of high- ridge platform drip tape laying machine

ZHAO Shuhong1,LIU Hongjun1,CAO Xiuzhen1,ZHOU Yong1,LI Tianyu2,TIAN Bailiang1,YANG Yueqian1(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China )

Abstract:Aimed at the first generation of drip irrigation laying machine work with the problem of output instability,accumulation,as well as winding.On the basis of the original structure the article improves the wheel turned the soil and size.Drip belt control mechanism was designed.This mechanism implements on the high-ridge platform after the laying of drip irrigation belt and laying of drip irrigation belt for intermittent covering soil.The design of the second generation of drip tape laying machine was completed.The field experiment was carried out,when the trenching shovel of soil depth of 18 cm,wheel turns the soil pressure was 657 N,the unit operation speed of 6 km·h(-1),the prototype can work normally,the covering soil quantity was 727 g,the covering spacing was 233.8 cm,furrow width was 29.6 cm.Experimental results showed that this machine could complete the laying of drip irrigation belt,intermittent covering soil and caresses ridge under the condition of high- speed.This machine could meet the demands of practical work.

Key words:high-ridge platform; laying machine; intermittent covering soil; transmission control; drip tape

作者簡(jiǎn)介：趙淑紅（1969-），女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘镩g農(nóng)業(yè)機(jī)械。E-mail:shhzh091@sina.com

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD11B01）

收稿日期：2015-11-03

中圖分類(lèi)號(hào)：S277.95

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-9369（2016）03-0080-06