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      煙苗移栽井窖制作機(jī)關(guān)鍵部件改進(jìn)及試驗(yàn)

      2019-05-27 08:47:38胡長(zhǎng)壽喻麗華徐志波張富貴
      農(nóng)機(jī)化研究 2019年10期
      關(guān)鍵詞:成井煙苗口徑

      胡長(zhǎng)壽,喻麗華,徐志波, 張富貴,陳 懿

      (1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025;2.貴州省煙草科學(xué)研究院,貴陽(yáng) 550001)

      0 引言

      貴州是我國(guó)重要的優(yōu)質(zhì)烤煙基地,其烤煙種植技術(shù)水平進(jìn)步直接影響著西南各省乃至全國(guó)烤煙種植區(qū)的技術(shù)發(fā)展。目前,貴州的烤煙種植領(lǐng)域正廣泛推廣一種新型的移栽技術(shù)─井窖式移栽[1]??緹熅咽揭圃约夹g(shù)的實(shí)施,實(shí)現(xiàn)了壯苗培育、早生快發(fā)、適時(shí)移栽、高莖深栽,為烤煙的大田生長(zhǎng)發(fā)育提供了充足的時(shí)間。該項(xiàng)技術(shù)具有簡(jiǎn)單易懂、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),在煙區(qū)已大面積復(fù)制應(yīng)用,很大程度上解決了當(dāng)前貴州在烤煙移栽技術(shù)上的限制,為推動(dòng)貴州烤煙種植的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)[2-3]。

      煙苗移栽技術(shù)的關(guān)鍵在于制作滿足農(nóng)藝要求的移栽井窖。目前,煙苗移栽井窖的制作常采用背負(fù)式汽油型井窖制作機(jī)完成,該機(jī)因具有機(jī)身輕便、操作簡(jiǎn)單、成井高效等諸多優(yōu)點(diǎn)[4],已在貴州烤煙主產(chǎn)區(qū)得到較為廣泛的應(yīng)用;但在長(zhǎng)期使用中發(fā)現(xiàn)各種市售井窖制作機(jī)普遍存在成井頭耐用度不高、所制井窖質(zhì)量難以滿足移栽要求等問(wèn)題[5-6]。為此,通過(guò)對(duì)井窖制作機(jī)關(guān)鍵部件的改進(jìn)及試驗(yàn)研究,旨在為井窖制作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)[7]。

      1 煙苗移栽井窖制作技術(shù)來(lái)源與現(xiàn)狀

      1.1 煙苗移栽井窖制作技術(shù)來(lái)源與農(nóng)藝要求

      烤煙井窖式移栽技術(shù)是2009 年松桃縣煙草分公司的煙葉生產(chǎn)技術(shù)人員在早期田間管理督察過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)剛覆膜幾天的煙地有幾株被牛踩過(guò)的煙苗,其中被踩進(jìn) “牛腳窩”里的兩株煙苗,在溫度較高的中午,相對(duì)于其它煙苗不僅沒(méi)有萎焉,而且葉片鮮活碧綠,長(zhǎng)勢(shì)良好;而沒(méi)有被牛踩過(guò)的煙苗則出現(xiàn)了葉片呈黃色且全部萎焉的情況。基于“牛腳窩現(xiàn)象”,銅仁市煙草公司組織研究出了一項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的烤煙移栽新技術(shù)[8-9]。

      根據(jù)煙苗井窖式移栽農(nóng)藝要求,所制井窖需滿足如下要求:上部為圓柱形,下部為圓錐形,井窖口徑為8~10cm,井窖深18~20 cm,成形井窖底有1~3cm高的回土為最佳[10]。

      1.2 煙苗移栽井窖制作技術(shù)現(xiàn)狀

      隨著烤煙井窖式移栽技術(shù)的推廣應(yīng)用,與之配套的井窖制作技術(shù)得到較大的發(fā)展,許多學(xué)者與科研人員申報(bào)了多項(xiàng)井窖制作器械相關(guān)的專利[11-12]。井窖制作器具在短短幾年時(shí)間先后研究出4代產(chǎn)品:第1代是煙草公司提供樣品,煙農(nóng)自制為主,材料為木制,規(guī)格千差萬(wàn)別;第2代是煙草公司統(tǒng)一制作,材料為鐵制,加腳踏助力裝置;第3代是在第2代基礎(chǔ)上增加破膜裝置;前3代均以人力為動(dòng)力源,勞動(dòng)強(qiáng)度大,作業(yè)效率低;隨著研究的推進(jìn),2012年后推出的以蓄電池或小型汽油機(jī)為動(dòng)力的第4代背負(fù)式井窖制作機(jī)已逐步成為主流機(jī)具[13]。

      1.3 背負(fù)式井窖制作機(jī)具存在的問(wèn)題分析

      盡管背負(fù)式井窖制作機(jī)已在實(shí)際生產(chǎn)中得到了較為廣泛的應(yīng)用,但目前此類機(jī)具的關(guān)鍵部件—成井頭普遍存在耐用度不高的問(wèn)題,且對(duì)于貴州烤煙種植區(qū)常見(jiàn)的火石子地、黏重土壤條件,成井速率與成井質(zhì)量難以滿足要求的問(wèn)題也尤為突出。圖1所示為實(shí)際生產(chǎn)中報(bào)廢的成井頭。分析其報(bào)廢的原因主要有:①成井頭的耐磨性不足;②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定缺陷。

      圖1 成井頭報(bào)廢情況

      2 井窖制作機(jī)機(jī)具改進(jìn)研究

      2.1 成井頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路

      通過(guò)對(duì)井窖制作機(jī)的成井過(guò)程深入分析可知:井窖制作機(jī)主要是依靠成井頭高速旋轉(zhuǎn),同時(shí)配以向下的作用力使周圍土體產(chǎn)生壓縮變形與楔切變形,進(jìn)而擠密土體成井。成井頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)應(yīng)考慮如何提高成井頭旋入能力、楔切能力及拔出能力,進(jìn)而提高成井速率。耐磨性的提高應(yīng)同時(shí)考慮選材與結(jié)構(gòu)改進(jìn)兩方面的問(wèn)題,具體改進(jìn)方法如下:

      1)設(shè)置三角形鉆尖??紤]鉆尖的作用是使成井頭快速破膜并進(jìn)一步旋入土體,為此將圓錐形鉆尖改為三角形鉆尖,同時(shí)按照成井頭旋向在兩側(cè)開(kāi)切削刃。

      2)增設(shè)雙螺旋切削刃。基于成井頭擠密土體的成井過(guò)程分析,為了有效解決椎體表面耐磨性不足的問(wèn)題,在成井頭椎體外表面增設(shè)雙螺旋切削刃,不但可借助切削刃的楔切作用提高成井效率,而且能極大地提高成井頭的耐磨性。為了使所設(shè)計(jì)的雙螺旋切削刃具有一定的排土功能,螺旋升角最佳取值范圍是α=18°~22°[14]。根據(jù)螺旋升角的計(jì)算公式[15],則

      α=arctan(h/πD)

      (1)

      其中,h為螺旋導(dǎo)程;D為螺旋最大直徑。

      依據(jù)農(nóng)藝要求,井窖深需達(dá)16cm以上,除去成井頭底部的三角鉆尖和頂部的圓柱,取h=11cm;井窖直徑為8~10cm,取中間值D=9cm。將初選參數(shù)代入公式,取整得α=21°。

      2.2 改進(jìn)后的成井頭結(jié)構(gòu)

      1)1號(hào)成井頭。如圖2所示為所設(shè)計(jì)的1號(hào)成井頭結(jié)構(gòu)示意圖,1號(hào)成井頭在前端設(shè)置了三角形鉆尖,并在椎體外表面增設(shè)雙螺旋切削刃。

      圖2 1號(hào)成井頭結(jié)構(gòu)示意圖

      2)2號(hào)成井頭設(shè)計(jì)。如圖3所示為所設(shè)計(jì)的2號(hào)成井頭結(jié)構(gòu)示意圖。2號(hào)成井頭是基于1號(hào)成井頭,將椎體表面的切削刃延伸至柱體表面,延伸端的切削刃為直線形,目的是提高成井頭的拔出能力。

      圖3 2號(hào)成井頭結(jié)構(gòu)示意圖

      3)3號(hào)成井頭設(shè)計(jì)。為了解決貴州煙區(qū)黏重土壤條件及火石地的成井問(wèn)題,設(shè)計(jì)了如圖4所示的3號(hào)成井頭。3號(hào)成井頭的設(shè)計(jì)是基于2號(hào)成井頭,將錐體小端的部分螺旋切削刃改為螺旋形柱齒,螺旋柱齒的高度與切削刃的高度一致,相鄰兩柱齒之間1cm。在成井頭高速入土的過(guò)程中,柱齒一方面可以提高成井頭在黏重土壤條件及火石地的旋入能力,同時(shí)還具有一定的疏松井窖底部土體的作用。

      4)4號(hào)成井頭設(shè)計(jì)。通過(guò)長(zhǎng)期觀察小苗移栽后的長(zhǎng)勢(shì)情況,發(fā)現(xiàn)膜下移栽的小苗若遇高溫高濕天氣,易發(fā)生燒苗現(xiàn)象。為此,設(shè)計(jì)了如圖5所示的4號(hào)成井頭。該成井頭主體結(jié)構(gòu)為錐形,大端直徑增到100cm,使所制井窖口徑增大,以此增大井窖上部的空氣流通與采光面,解決移栽期高溫高濕煙區(qū)的燒苗問(wèn)題。

      圖4 3號(hào)成井頭結(jié)構(gòu)示意圖

      圖5 4號(hào)成井頭結(jié)構(gòu)示意圖

      2.3 成井頭選材研究

      成井頭材質(zhì)直接關(guān)系到其使用壽命,成井頭的材料選擇主要綜合考慮耐磨性、加工性、價(jià)格、質(zhì)量及安全性等5方面因素。表1所示為遵義永欣科技開(kāi)發(fā)有限公司對(duì)成井頭備選的優(yōu)質(zhì)碳素鋼、鋁合金及白口鑄鐵的對(duì)比分析[16]。

      表1 3種材質(zhì)的成井頭綜合性能對(duì)比

      Table 1 Comprehensive performance comparison of 3 types of Well-Cellar Forming Unit

      成井頭性能耐磨性加工性加工性價(jià)格/元·個(gè)-1質(zhì)量/kg·個(gè)-1優(yōu)質(zhì)碳素鋼成井頭耐磨較 難加 工安全800.9鋁合金成井頭不耐磨易加工安 全1500.6白口鑄鐵成井頭耐 磨難加工有隱患700.8

      由表1可知:優(yōu)質(zhì)碳素鋼不僅耐磨,加工難度也不大,價(jià)格適中,所制成井頭質(zhì)量上較為理想,安全性高,綜合性能優(yōu)于其它兩種材質(zhì)。為此,所設(shè)計(jì)的成井頭均采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

      2.4 成井頭制作

      在遵義永欣科技開(kāi)發(fā)有限公司的大力協(xié)助下,上述4種成井頭已完成制造工作。所制成井頭樣品如圖6所示。

      圖6 4種成井頭樣機(jī)實(shí)物圖

      3 樣機(jī)測(cè)試與結(jié)果分析

      3.1 試驗(yàn)條件與方法

      考慮到植煙地土質(zhì)的代表性、交通的便利性和農(nóng)機(jī)化工作的基礎(chǔ)條件,測(cè)試地點(diǎn)為開(kāi)陽(yáng)縣龍崗基地(東經(jīng)107°2′48″、北緯27°4′31″、海拔960m,測(cè)試地塊選擇有代表性的植煙地,待測(cè)地已于測(cè)試前10天搶墑起壟(每行約30m,旋耕2次、起壟)。測(cè)試時(shí)間為2017年4月13日,測(cè)試前觀察壟體情況,發(fā)現(xiàn)壟體表面約有1~1.5cm的土層有一定程度的板結(jié)。

      試驗(yàn)使用的主要儀器為鋼直尺、水平尺、相機(jī)、標(biāo)桿及秒表。測(cè)試項(xiàng)目主要包括井窖口徑、井窖深、回土深度、入土能力、拔出能力及成井效率。測(cè)試流程:①啟動(dòng)井窖制作機(jī),試作業(yè)檢測(cè)運(yùn)行是否正常;②種成井頭分別制作井窖50個(gè);③記錄相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目。

      3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

      1)井窖口徑。根據(jù)4種成井頭所制200個(gè)井窖口徑測(cè)試結(jié)果,繪制成如圖7所示井窖口徑頻數(shù)分布直方圖。

      圖7 井窖口徑頻數(shù)分布直方圖

      由圖7可知:1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)成井頭所制井窖口徑9~10cm,符合井窖口徑8~10cm的農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn);4號(hào)成井頭所制井窖口徑10~11cm,且有64%井窖口徑達(dá)11cm,實(shí)現(xiàn)了增大井窖口徑的設(shè)計(jì)目的。

      2)井窖深。根據(jù)4種成井頭所制200個(gè)井窖,繪制成井窖深頻數(shù)分布直方圖如圖8所示。

      圖8 井窖深頻數(shù)分布直方圖

      由圖8可知:1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)成井頭所制井窖深16~20cm。參照農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn),深度小于18cm井窖未達(dá)到農(nóng)藝要求。造成一定數(shù)量的井窖深未達(dá)標(biāo)的主要原因是:機(jī)手操作時(shí),未等井窖深達(dá)到要求即提升成井頭所致。

      4號(hào)成井頭所制井窖深14~18cm,且有64%井窖深未達(dá)農(nóng)藝要求。分析原因如下:一方面,機(jī)手操作不當(dāng);另一方面,主要是4號(hào)成井頭尺寸增大后質(zhì)量顯著增大,致使操作較為費(fèi)力所致。

      3)回土高度。根據(jù)4種成井頭所制200個(gè)井窖的回土高度測(cè)試結(jié)果,繪制成回土高度頻數(shù)分布直方圖如圖9所示。

      圖9 回土高度頻數(shù)分布直方圖

      由圖9可知:回土高度主要集中在1~4cm之間,事實(shí)上井窖底部有一定的回土對(duì)幼苗的生長(zhǎng)是有利的;當(dāng)井窖底部有1~3cm的回土?xí)r,幼苗的成活率最高。4種成井頭回土在1~3cm所占比例如表2所示。

      表2 4種成井頭最佳回土百分比

      由表2可知:回土作用最佳的是3號(hào)成井頭,其次依次是1號(hào)、2號(hào)和4號(hào)成井頭。4號(hào)成井頭所制井窖回土高度大于3cm的比例高達(dá)34%,主要原因是:4號(hào)成井頭尺寸增大,制作時(shí)動(dòng)平衡難以達(dá)到要求,作業(yè)時(shí)成井頭振動(dòng)過(guò)大。

      4)成井效率。4種成井頭所制50個(gè)井窖所用時(shí)間如表3所示。

      表3 4種成井頭制作50個(gè)井窖所用時(shí)間 Table 3 The time of 4 type well-cellar forming unit prototype

      由表3可知:3號(hào)成井頭用時(shí)最短。主要原因是:成井頭小端外表面設(shè)有雙螺旋柱齒,在土壤有一定板結(jié)和小砂石的情況下,入土能力較強(qiáng)的緣故。4號(hào)成井頭用時(shí)最長(zhǎng),主要是由于成井頭過(guò)于笨重所致。

      5)旋入能力及拔出能力。與傳統(tǒng)成井頭相比,改進(jìn)后的成井頭增加了三角形轉(zhuǎn)尖和表面雙螺旋切削刃,提高了成井頭旋入和拔出的能力。特別是3號(hào)成井頭,對(duì)于粘重或板結(jié)的土壤條件,甚至是火石子地,其旋入能力有明顯的優(yōu)勢(shì)。4號(hào)成井頭因體積和質(zhì)量的增加,其旋入和拔出能力受到一定的影響。

      4 結(jié)論

      1)為了提高井窖制作機(jī)的耐磨性、旋入能力、楔切能力及拔出能力,成井頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)應(yīng)從最前端設(shè)置三角形鉆尖和成井表面增設(shè)螺旋切削刃兩方面入手。在選材方面,優(yōu)質(zhì)碳素鋼是目前加工成井頭的最佳選擇。

      2)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)成井頭所制井窖口徑9~10cm,符合農(nóng)藝要求。井窖深16~20cm,排除機(jī)手操作不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?,井窖深可達(dá)農(nóng)藝要求。3號(hào)成井頭回土作用、成井效率優(yōu)于1號(hào)與2號(hào)成井頭,且對(duì)于粘重、板結(jié)土壤條件或火石子地有明顯的優(yōu)勢(shì)。

      3)4號(hào)成井頭達(dá)到了增大井窖口徑的目的,但因其質(zhì)量大、操作費(fèi)力,且動(dòng)平衡未達(dá)要求,致使井窖深普遍較小,回土高度偏大、成井效率偏低。

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