王槐俊,王云德,刘孜文,张克盛

(甘肃畜牧工程职业技术学院,甘肃 武威 733006)

0 引言

农业是国民经济的重要组成部分,对国家经济发展和人民生活有着重要贡献。随着人口增长和城市化加速[1-2],对农产品的需求不断增加,同时,对现代农业生产技术提出了更高的要求。深松旋耕和分层施肥是现代化农业生产中重要的技术手段,可以提高土壤肥力和作物产量,减少农业生产的成本,实现可持续发展。

传统的深松旋耕分层施肥方式主要依靠人工完成,效率低下,施肥不均匀等问题较为突出,已经难以满足现代农业生产的需求[3]。因此,研究深松旋耕分层施肥机械的优化设计,可以提高作业效率和施肥均匀性,为现代农业生产提供有力支持。本研究旨在设计一种新型深松旋耕分层施肥机械,并对其进行优化和试验验证,以期提高现代农业生产的技术水平,促进农业可持续发展。

1 农艺要求

1.1 土壤疏松度

深松旋耕分层施肥机械需要在保证不破坏土壤结构的前提下,将土壤疏松,使之适合作物生长。因此,在进行作业时,需要根据不同作物的生长需求,调整机械的深度和旋转速度,确保土壤疏松度达到适宜的水平[4]。

1.2 施肥均匀性

深松旋耕分层施肥机械需要能够实现施肥均匀,避免施肥过量或不足,影响作物的生长和品质。为了实现施肥均匀,可以采用不同的施肥方式,例如根据土壤肥力和水分状况实现精准施肥,或者通过采用混合施肥等方式,提高施肥均匀性[5]。

1.3 作业效率

深松旋耕分层施肥机械的作业效率直接影响到作业成本和生产效益。因此,作业时,需要考虑作业的速度和效率,并根据不同作物和土壤类型,调整机械的作业深度和旋转速度,实现最佳的作业效果[6]。

1.4 土壤保护

深松旋耕分层施肥机械在进行作业时,需要注意保护土壤,避免破坏土壤结构和生物多样性。为此,可以采用保护性耕作技术,例如少耕或不耕地,或者通过采用植被覆盖等方式,保护土壤和生态环境[7]。

2 机械设计方案

2.1 机架结构设计

深松旋耕分层施肥机械机械结构设计需要考虑结构强度和稳定性等因素。机架的设计应满足承载力强、结构稳定、简单可靠易于维护和保养的要求。

机架设计可以采用框架式结构或者箱式结构,框架式结构相对简单,适用于较小型号的机械,箱式结构适用于较大型号的机械。具体的设计方案和参数可以根据机械的尺寸、作业条件和使用要求等因素来确定。本研究设计参数如表1所示。

表1 机架结构设计参数

2.2 深松结构设计

深松结构直接影响到土壤的疏松效果,因此需要考虑多方面因素,包括深度、宽度、深松刀片数量和布局等因素,以实现最佳的深松效果。本研究深松结构设计的具体方案和参数如下:

1)深度和宽度。根据不同作物类型、土壤性质和作业需求等因素,确定深松的深度和宽度,深度20～35 cm,宽度25～40 cm。

2)深松刀片数量和布局。深松刀片数量和布局需要根据深松的深度、宽度和作业速度等因素来确定。一般来说,深松刀片数量越多,深松效果越好,但也会增加能耗和成本[8]。深松刀片的布局应尽可能均匀,保证深松效果的一致性。

3)深松刀片选材。深松刀片需要选用高强度、耐磨损的材料,例如优质合金钢。

4)深松刀片角度。深松刀片的角度也会影响到深松效果。本研究深松刀片的角度为30°,以保证深松效果的最大化。

2.3 旋耕结构设计

旋耕结构设计需要考虑以下因素:

1)旋耕刀片数量和布局。一般来说,旋耕刀片的数量越多,旋耕效果越好,但数量过多会增大机具载荷。同时,合理的布局能让旋耕刀片的力量更好地分散到整个机体,从而减轻每个刀片的负担,延长使用寿命。

2)旋转速度和旋转方向。旋转速度要适中,过快会导致土壤过度破碎,过慢则旋耕效果不佳。旋转方向应与行进方向相反,以达到最佳的混合效果。

3)旋耕刀片质量和材料。一般来说,应选用高硬度、高强度的合金钢材料制成,以增加其抗磨损性和抗弯曲性能。

4)旋耕刀片的角度和形状。旋耕刀片的角度一般为30°左右,形状为平头或棱角状。本研究设计参数如表2所示。

表2 旋耕结构设计参数

2.4 施肥结构设计

施肥结构是深松旋耕分层施肥机械的重要组成部分,其设计直接关系到施肥的质量和效率。一般来说,深松旋耕分层施肥机械可以采用单施肥器或多施肥器结构,具体的设计方案如下:采用多个施肥器进行施肥,以保证施肥均匀,施肥器的布局应根据作业条件和作物需求进行设计;深松旋耕分层施肥机械的施肥方式采用喷洒肥液的方式;施肥量需要根据作物的生长情况和土壤的肥力水平进行合理调节,以保证作物的正常生长和发育;采用不锈钢、塑料等材质,施肥器的结构需要设计合理,以方便清洗和维护;深松旋耕分层施肥机械的施肥器需要具备自动控制功能,可以根据作物需求和施肥量等参数进行调节。

2.5 传动结构设计

传动结构设计需要考虑多种因素,包括传动方式、传动比及传动元件的材质和强度等。常用的传动方式包括链传动、齿轮传动和皮带传动等,其中链传动和齿轮传动的传动效率较高,但噪音较大,皮带传动噪音较小,但传动效率较低。传动比的选择需要根据机械的作业要求和速度要求等因素来确定。本设计采用链传动方式;传动比为1∶2;传动元件选用高强度钢材制作传动链条,链条宽度为25 mm;传动支架采用钢管焊接支架,支撑链轮和链条的运动,保证传动的稳定性和可靠性;传动箱体选用厚度为5 mm的钢板制作而成,保证传动元件的安全运转。

2.6 控制系统设计

采用西门子S7-1200作为控制器,控制深松刀片、旋耕刀片、施肥器等的运动和停止,实现机械的自动化作业。同时,可结合传感器采集机械的运行状态和土壤信息,实现智能化控制,提高机械的效率和稳定性。

3 强度和刚度分析

优化后的深松旋耕分层施肥机械结构分析结果如表3所示,结果表明机架、深松刀组和旋耕刀组的强度和刚度均符合设计要求,能够满足机械作业的要求。同时,传动系统中的链轮、链条和传动轴等部件也能承受作业时的扭矩和载荷,保证了机械的正常运行。

表3 深松旋耕分层施肥机械结构分析

4 田间试验

4.1 试验设计与方法

将试验区域分为实验组和对照组,每组面积相等。实验组采用深松旋耕分层施肥机械进行作业,对照组采用传统的耕作方法进行作业。根据试验地的土壤情况和作物种类,制定合理的施肥方案,并在实验组和对照组中施肥。

4.2 测定指标

在田间验证实验中,可以测定以下指标来评估深松旋耕分层施肥机械的性能表现:

1)深松深度。使用深度计测量在不同土壤类型和湿度下深松的深度。

2)经济效益。深松旋耕分层施肥机械的投资需要考虑到购置成本、使用成本和维护成本等因素。经济效益计算如式(1)

单位面积产量增加量=实验组平均产量-对照组平均产量

(1)

4.3 数据处理

采用统计学方法对试验数据进行分析,包括t检验、方差分析等,以判断深松旋耕分层施肥机械的作业效果和经济效益。

4.4 结果与分析

4.4.1 深松深度

根据田间验证实验的结果,深松旋耕分层施肥机械在不同土壤类型和湿度下的深松深度如表4所示,通过对深松深度的试验结果对照,可以看出深松旋耕分层施肥机械的深松效果明显优于传统的深松机械。试验结果表明,在不同土壤类型和湿度下,深松旋耕分层施肥机械的深松深度均比传统深松机械的深松深度大,且差距越大的土壤类型和湿度条件下,深松旋耕分层施肥机械的优势越明显。

表4 深松深度试验结果 单位:cm

这表明深松旋耕分层施肥机械可以更好地打断土壤结构、翻转土壤,混合有机肥和化肥,并使作物根系更好地发展。从而在一定程度上提高了农田的产量和土壤肥力。

4.4.2 产量

产量结果如表5所示,根据试验结果可以发现,在不同的土壤类型和湿度下,试验组的产量均高于对照组的产量,而且单位面积产量增加量也不同。这说明深松旋耕分层施肥机械可以有效提高作物的产量,并且对不同的土壤类型和湿度都具有良好的适应性。

表5 经济效益对比结果 单位:kg

5 结论与展望

本文以深松旋耕分层施肥机械为研究对象,通过对设计方案、控制系统、传动结构、旋耕结构和施肥结构等关键部分的设计和优化,开展了田间验证实验。实验结果表明,相较于传统的深松机械,深松旋耕分层施肥机械具有更高的深松效果和施肥精度,可以显著提高作物的产量和品质,同时减少施肥量和化肥排放,有望成为现代农业生产的重要工具。基于本文的研究结果,可以得出以下结论:

1)深松旋耕分层施肥机械具有良好的深松效果和施肥精度,可以提高作物的产量和品质,减少化肥的浪费和环境污染;

2)设计和优化关键部分的控制系统、传动结构、旋耕结构和施肥结构等,可以进一步提高深松旋耕分层施肥机械的性能;

3)通过田间验证实验的数据对比,可以确定深松旋耕分层施肥机械的适用范围和优化方向,为其在现代农业生产中的推广和应用提供参考依据。

未来,需要继续深入研究深松旋耕分层施肥机械的关键技术,如自动化控制、精准施肥和能耗优化等,提高机械的性能表现和适用范围,满足不同农业生产需求,促进现代农业的可持续发展。