烟用起垄成形装置的设计与试验

李国昌，吴雪梅，殷坤勤，丁　飞，张富贵，张培坤

(1.贵州大学 机械工程学院，贵阳　550025；2.贵州省烟草公司遵义市公司，贵州 遵义　563000；3.福建永顺机械有限公司，福建 南平　353500)

0　引言

土壤耕作的目的在于改善土壤结构、恢复土壤肥力、改善田间地面状态，为作物播种、生长发育与成熟的各个阶段创造良好的条件[1-3]。其中，烤烟烟田的土壤耕作管理主要包括旋耕、起垄、覆膜及打孔等作业。起垄成形装置是为解决土壤起垄成形问题而设计的机械，已经被广泛应用到生产实践当中[4-8]。该机械主要用于起垄成形，提高与保护土壤墒情，可为覆膜、施肥和烤烟生长提供优质的种床条件[9-12]。

目前，起垄成形机械种类繁多，其作业质量、作业效率参差不齐。许多学者等研究人员对起垄成形装置做了大量研究。何进[13]等人设计了一款1QL-70型固定垄起垄机，能实现起垄和修垄的效果，且各尺寸参数能较好地满足河西走廊地区的农业要求，但该机主要应用于河西走廊灌溉农业区。李向军[14]等人设计了一款1GZ-440V4玉米大垄双行联合整地机，其起垄装置部分由分土板、起垄座板、起垄铲柄和凿形铲尖等组成。起垄时，起垄铲柄和铲尖将土壤按已定沟底宽度切开，并向两侧分开；分土板使土壤沿两侧向后倾斜运动上升，达到预定沟边时，推向垄中心，使土壤按自然休止角形成垄形，但贵州土壤类型多变，黄壤及紫色土壤类型居多且土壤湿度较大，土壤不能按自然休止角形成垄型。高明宇[15]等人设计了一款玉米大垄双行联合成地机起垄成形装置，该装置吸收国内外先进的成地技术，结合黑龙江省大垄双行密植耕作模式的实际情况，能满足作业良好、效率提升、性能可靠、控制成本的要求；但该机具主要符合玉米大垄双行的种植模式。上述起垄成形机械应用范围比较单一且多为大型机械，不能适应贵州山区小型地块的要求。

本文结合贵州山区烤烟作业的实际情况，设计了一种起垄成形装置，使其作为起垄施肥机的一部分，且能根据不同的农艺要求调节起垄高度、起垄宽度、起垄横截面形状等参数。该起垄成形装置不仅提高了工作效率，而且能满足烤烟种植的农艺要求。

1　成体结构与工作原理

1.1　作业要求

自走式底肥深施机定点施肥装置采用一垄一行模式，垄间距1100mm，垄面宽20～30mm,垄底宽度60～70mm，垄高25～30mm；作业对象为贵州山区土地。在旋耕作业完成后，烟苗种植之前，起垄与施肥作业同时进行。起垄成形装置的烟垄的模式如图1所示。

图1　烤烟垄型断面示意图

1.2　作业成体结构及主要技术参数

起垄成形装置主要由限深轮、限深高度调节杆、前起垄板、左侧起垄板、套筒、垄宽调节套筒、转动摇杆、上抚平板、固定导管、垄高调节导杆、支撑管、固定管、右侧起垄板等部件组成，如图2所示。

图2　起垄成型装置结构图

贵州多为山区，地块较小且不连续，烤烟机械设备应为小型化田间管理机。为满足贵州遵义市汇川区烤烟种植的农艺要求，设计的起垄成型装置的主要技术参数如下：

垄底宽度/mm:600～700(可调)

垄高/mm:250(可调)

垄顶宽/mm:200～300(可调)

起垄行数:1 垄 1 行

作业速度/km·h-1：2～10

配套动力/kW:6.6(单缸风冷柴油机)

连接方式：直接连接

生产率/(667m2)·h-1：1

垄形状: 梯形或圆弧型

1.3 　工作原理

该起垄成形装置为烟用自走式定点起垄施肥机的一部分，如图3所示。该装置由单缸风冷6.6kW柴油机为动力，通过链传动方式将动力传输给起垄刀轴，起垄刀片通过高速旋转对旋耕后的烟地土壤进行切削、抛土，抛出的土壤向中间输送聚集，在起垄成型装置的作用下形成满足烤烟种植要求的垄型。

2　主要工作部件的设计

2.1　起垄刀轴

起垄刀轴是起垄施肥机的主要工作部件，起垄刀的排列方式是否合理对起垄效果是否符合农艺要求及起垄机的功率消耗量大小等有很大影响。根据相关文献，本文设计刀座与刀轴轴线成25°夹角焊接，且刀座在刀轴上的排列为双螺旋线形式[14-18]；刀片之间的角度分别为90°，刀片左右对称安装。图4为起垄定点施肥机的刀轴示意图。

图3　烟用自走式起垄定点施肥装置三维图

图4　烟用起垄定点施肥机刀轴示意图

2.2　调节顶板

调节顶板通过螺栓与起垄高度调节杆连接，通过上下调节顶板可以实现调整垄顶的宽度及起垄的高度的功能，上下调节范围为0～8cm。上抚平板可将垄床表面的土壤推向前方，起到平成垄顶的作用，使得垄型规范成齐。

2.3　垄型成形部分

起垄成形装置是用来完成起垄、垄型修复及清除沟底残留土壤的作业过程，将其安装在起垄装置的后面，即已完成土壤旋耕起垄的正后面。起垄成形装置由左、右两块侧起垄板及两块后起垄板组成。

左右两侧起垄板倾角φ是起垄刮板的主要参数之一。根据田间试验测定，在保证起垄垄型符合烤烟农艺要求的前提下，起垄后土壤自然滑落后的垄底角为56°，实际设计时左右起垄板的倾角为65°，以保证成形后的垄床在土壤自然滑落后的底角接近56°。

左、右起垄板及上起垄板保证了所切削的土壤随螺旋刀片从两端向中间运输推土成垄。起垄成型装置与起垄刀轴之间保留合适的距离，使其既能保证不与起垄刀轴发生干涉，又能保证起垄质量。左右起垄板起阻止沟中的土壤向外运输的作用，后挡板起清除沟底残留土壤并引导其向中间运输的作用。

2.4　限深轮部分

限深轮组件安装在后起垄板上，保证其工作在起垄成型后沟底的地面，使起垄机平稳运行，减轻作业者的负荷。限深轮的工作原理是：手柄与螺柱连接，螺柱与小轮叉螺纹连接，限深轮套筒联接在后起垄板及后梁连接架上，当转动手柄时轮叉可实现上下移动。轮叉与轮子通过连接块相连接，从而使轮子能够随时升降，满足实际的深耕要求。限深轮组件结构简图如图5所示。

图5　限深轮装置1.手柄 　2.上抚平板　3.后起垄板4.左右起垄板　5.轮子　6.升降杆Fig.5　Limit wheel device

3　田间试验

3.1　试验条件及试验方法

2017年4月，在贵州遵义市汇川区试验区对起垄成形装置进行田间性能试验。试验区为烤烟烟地，土壤类型为黄壤，土壤含水率为20.17%，土壤坚实度为2.3；地势平坦，土层深厚，耕性较好。在起垄前，利用旋耕机对试验烟地进行旋耕，以方便起垄机进行起垄作业，如图6所示。

图6　烟地旋耕作业运行图

旋耕后，起垄机由专业操作机手，在规定工况下进行起垄作业，如图7所示。

图7　烟地起垄作业运行图

起垄机在规定工况下进行起垄作业，测区长度应不少于30m，前后稳定区不应少于5m；检测时，往返行程各不少于3次，结果取平均值。在测区内每单程均匀选择2点，在测点处切开垄的断面，用直尺测量各指标值。梯形垄起垄截面形状如图8所示。

图8　梯形垄起垄截面示意

逐点对起垄高度、垄底宽、垄面宽及垄距等参数进行测量并记录。其中，垄距对于双垄作业机而言是指单程作业所形成的两条垄间的距离，而非大垄双行的大垄距。

起垄机各项作业指标是依据贵州烟草农业机械测试规范有关标准基础上确定的，能满足贵州烟区起垄作业的农艺要求。起垄高度、垄顶宽度、垄底宽度及垄间距等参数是反映起垄成型的主要技术指标，其作业效果指标测定如下：

1)起垄高度的测定。机械起垄作业后，垄沟底至垄顶的竖直高度(cm)。

2)垄底宽的测定。机械起垄作业后，垄体底部的水平宽度(cm)。

3)垄面宽的测定。机械起垄作业后，梯形垄为顶面宽度，三角形垄和圆弧面垄为垄高2/3处的垄体水平宽度(cm)。

4)垄距的测定。机械起垄作业后，测量邻接垄中心线之间的垂直距离(cm)。

起垄高度、垄底宽、垄面宽、垄距等参数的均值、方差、变异系数和稳定性系数的计算方法可由公式(1)～(4)计算得出，即

(1)

(2)

(3)

U=1-V

(4)

式中ai—单次测定值；

n—测点数；

S—测定值的标准差；

V—测定值的变异系数；

U—测定值的稳定性系数。

土垄垄形一致性参数是反映起垄机作业性能的重要指标之一，可由公式(5)～(7)计算得出，即

(5)

(6)

(7)

式中i—测点数，1，2……n;

b1i—每个测点垄面宽度 (cm) ;

b2i—每个测点垄底宽度 (cm) ;

hi—每个测点起垄高度 (cm) ;

Ai—每测点土垄横截面面积 (cm2) ;

SA—土垄横截面面积标准差 (cm2) ;

WA—土垄垄形一致性 (%)。

按照式(5)、式(6)、式(7)可计算出起垄垄形一致性参数。

3.2　试验结果及分析

田间试验结果表明(见表1)：该起垄成形装置培土均匀，起垄成齐平成；垄顶宽度、垄底宽度、起垄高度、垄距等参数均可调，其试验值均满足贵州汇川区烤烟的种植要求。试验测得垄高、垄底宽、垄顶宽和垄距的稳定性系数都在95%以上，起垄垄形一致性为99.6%。该起垄成形装置不仅提高了工作效率，而且能满足烤烟种植的农艺要求。

表1　单机组测试起垄作业效果数据记录表

根据贵州省《烟草农业机械测试选型规范》，合格机组的评价标准为：平均垄高、垄底宽、垄顶宽和垄距在根据农艺要求设定值上下10%范围内，且稳定性系数不小于80%时为合格。起垄成形装置满足该选型规范，达到了设计的要求。

4　结论

1)该起垄成形装置对于贵州烟草地块的起垄作业具有良好的效果，在垄高、垄宽、垄面平成度等重要农艺要求方面具有明显的优势。

2)该装置为自走式起垄施肥机的配套设备，起垄成形装置与旋耕装置及施肥装置集成于一体，使得旋耕、起垄、施肥3种作业工序同时进行，大大提高了效率，节省了劳动时间。

3)试验测得垄高、垄底宽、垄顶宽和垄距的稳定性系数都在95%以上，起垄垄形一致性为99.6%，能满足烤烟种植的农艺要求。

4)为提高调整垄型参数的效率，建议在垄宽调整支架、垄高支架及限深轮支架上添加刻度。