土壤連作障礙綜合消減裝備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陸岱鵬 陶建平 馬艷 唐玉新 柏宗春 陳凱 呂曉蘭

摘要：針對(duì)目前設(shè)施蔬菜土壤連作障礙逐年加劇，設(shè)施蔬菜根結(jié)線蟲病危害越來(lái)越嚴(yán)重，直接威脅經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)和農(nóng)民的增收等問(wèn)題，研制了一種土壤連作障礙綜合消減裝備，通過(guò)土壤深松裝置理論計(jì)算得出，深松裝置的生產(chǎn)率為36.00 m3/h、鏈刀絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為2.03 m/s、刀片切削厚度為6.800 mm、鏈刀高度為10.000 cm、鏈刀寬度為84.000 mm、鏈刀總切削阻力為748.000 N、總切削功耗為152.000 kW·s/m3，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與理論設(shè)計(jì)相結(jié)合確定土壤深松裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用SolidWorks軟件建立整機(jī)三維參數(shù)化數(shù)字模型，并完成樣機(jī)試制工作。為深入分析刀片與土壤互相作用的過(guò)程，建立了刀片-土壤的有限元模型，利用ANSYS軟件中的顯示動(dòng)力模塊LS-DYNA對(duì)鏈刀土壤切削過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得出鏈刀在土壤切削過(guò)程中等效應(yīng)力的極值為2.15 MPa，切入土壤之后刀片上的等效應(yīng)力逐步下降，穩(wěn)定之后在0.5 MPa左右變化，當(dāng)?shù)镀\(yùn)動(dòng)0.028 s切入土壤中時(shí)，土壤的等效應(yīng)力達(dá)到極值，為113 Pa，之后等效應(yīng)力迅速減小，并穩(wěn)定在20 Pa以下。樣機(jī)的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)深松深度為390.0～410.0 mm，平均溝深為395.0 mm，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為98.3%，平均開溝寬度為495.0 mm，開溝寬度一致性為98.5%;土壤團(tuán)粒直徑多在2～5 mm之間，全土層與地表100 mm土層團(tuán)粒直徑范圍為3～35 mm，全土層與地表 100 mm 土層土壤團(tuán)粒平均直徑分別為5.85 mm與5.94 mm，碎土率分別為98.3%與97.2%，基本滿足農(nóng)藝要求。通過(guò)作業(yè)前后土壤緊實(shí)度的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，深松后，土壤明顯疏松，硬度下降，通透性提高。采用棉隆熏蒸+深耕深松的方式，移栽后40天的發(fā)病率僅為53.5%，相對(duì)于參照區(qū)域，降低了23.6%，相對(duì)于棉隆熏蒸+正常翻耕區(qū)域，降低了25.7%，相對(duì)于深耕深松區(qū)域，降低了7.8%，說(shuō)明使用本設(shè)計(jì)的土壤連作障礙消減裝置，可以降低土壤容重及硬度，并通過(guò)棉隆和土壤的深層攪拌，降低土壤連作障礙的發(fā)生率。同時(shí)可為果園、桑園、茶園等土壤連作障礙消減作業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械;設(shè)計(jì);有限元仿真;雙鏈條;深松施藥;試驗(yàn);西瓜

中圖分類號(hào)： S224.29?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）20-0241-07

近年來(lái)，隨著設(shè)施蔬菜溫室的擴(kuò)建以及保護(hù)地連作和復(fù)種指數(shù)的增加，設(shè)施蔬菜連作障礙逐年加劇，蔬菜根結(jié)線蟲病危害越來(lái)越嚴(yán)重[1-2]。蔬菜根結(jié)線蟲可以危害瓜類、茄果類、胡蘿卜、白菜等幾十種蔬菜，已上升為蔬菜生產(chǎn)上的重要病害，直接威脅經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)和農(nóng)民增收。研究發(fā)現(xiàn)，使用98%棉隆微粒劑結(jié)合夏季高溫進(jìn)行陽(yáng)光消毒，能有效減輕番茄根結(jié)線蟲的危害程度，同時(shí)可降低約30%的棉隆用量[3]。土壤耕作活動(dòng)能改變耕層土壤結(jié)構(gòu)，不同耕作方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響不同，在土壤貯水能力、容重、溫度、微生物的種類和數(shù)量等方面存在差異，從而影響作物根系的生長(zhǎng)以及對(duì)病蟲害的抵抗能力[4-5]。馬俊艷研究發(fā)現(xiàn)，耕作可改善土壤的物理性狀，深耕30 cm以上可使積聚于土壤表層的養(yǎng)分均勻分布于整個(gè)耕作層之內(nèi)，改善土壤的水、氣、熱狀況，促進(jìn)作物根系深扎，增強(qiáng)作物對(duì)惡劣環(huán)境和病蟲害的抵抗能力，在耕翻時(shí)配合環(huán)保型消毒劑棉隆的使用，對(duì)于促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)的效果更好[6]。綜合上述方法，本試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)一種土壤連作障礙綜合消減裝備，以期同時(shí)實(shí)現(xiàn)棉隆撒施和土壤深松，使最大耕深達(dá)50 cm，實(shí)現(xiàn)土壤營(yíng)養(yǎng)分布平衡，降低土壤容重及硬度，通過(guò)棉隆和土壤的深層攪拌，達(dá)到改善土壤理化性質(zhì)的效果，降低土壤連作障礙的發(fā)生率。

1?樣機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1?樣機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，土壤連作障礙綜合消減裝備整機(jī)包括土壤深松裝置和變量撒施裝置，通過(guò)掛接機(jī)構(gòu)1與拖拉機(jī)聯(lián)接，調(diào)整架6安裝在掛接機(jī)構(gòu)1上，拖拉機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過(guò)動(dòng)力輸出裝置（PTO）輸入軸傳遞到減速箱7，通過(guò)液壓缸2的伸縮，帶動(dòng)調(diào)整架6上下浮動(dòng)，可以切削不同的土壤深度，經(jīng)過(guò)減速箱的動(dòng)力帶動(dòng)主動(dòng)軸回轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)軸上的主動(dòng)鏈輪10轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈條緊邊上刀片8沿延長(zhǎng)架向上運(yùn)動(dòng)，連續(xù)切削土壤，切削下來(lái)的土壤在刀片的帶動(dòng)下繞過(guò)主動(dòng)鏈輪10卸載，卸載后的刀片沿延長(zhǎng)架的上側(cè)往下運(yùn)動(dòng)，繞過(guò)從動(dòng)鏈輪12和后旋轉(zhuǎn)輪9后繼續(xù)切削土壤，如此連續(xù)不斷工作，可達(dá)到土壤的深松效果;變量撒施裝置主要由施藥箱4、旋鈕3、施藥管道5及調(diào)速電機(jī)組成，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋鈕3的旋緊程度來(lái)調(diào)節(jié)棉隆的施用量，達(dá)到精準(zhǔn)撒施的目的;整機(jī)采用雙鏈條刮刀式土層切削裝置，在刀片8的連續(xù)切削和鏈條帶動(dòng)下，撒在土壤表面的棉隆可與深層土壤自下而上均勻混合。

1.2?主要技術(shù)參數(shù)

該裝備工作環(huán)境為設(shè)施大棚、果園及農(nóng)田等，土壤混層耕改區(qū)域?qū)?0～50 cm、深30～50 cm，深松裝置效率 >100 m/h，上下土層混合均勻，縱向分布>80%;變量撒施裝置配備 250 W 調(diào)頻電機(jī)及電機(jī)調(diào)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，同時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)漏肥口大小開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)外槽輪式排料器的容量，實(shí)現(xiàn)棉隆的變量撒施，針對(duì)土壤連作障礙消減的農(nóng)藝特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)確定該裝備主要技術(shù)參數(shù)（表1）。

2?理論設(shè)計(jì)

由土壤連作障礙綜合消減裝備的樣機(jī)結(jié)構(gòu)可知，其主要運(yùn)動(dòng)是鏈刀不斷地切削土壤，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的深松，因此對(duì)土壤深松過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和功耗分析，可明確深松裝置的生產(chǎn)率Q、鏈刀絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度va、刀片切削厚度δ、鏈刀高度hc、鏈刀刀片寬度bc、鏈刀總切削阻力Ft、總切削功耗J等關(guān)鍵參數(shù)，為裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐。

2.1?土壤深松裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

如圖2所示，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和幾何學(xué)原理，可分別推算出深松裝置的生產(chǎn)率Q、鏈刀絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度va、刀片切削厚度δ。

深松裝置的生產(chǎn)率：

鏈刀的絕對(duì)速度：

鏈?zhǔn)缴钏裳b置縱向深松時(shí)，由于動(dòng)力載荷作用在鏈刀上同時(shí)受切削土壤磨損因素的影響，它在作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微小的晃動(dòng)，使其工作鏈刀的速度受到一定的限制。一般情況下，在礦物質(zhì)土壤中工作時(shí)，鏈刀速度vc為1～2 m/s;在泥炭土中工作時(shí)，vc為3～4 m/s;工作鏈刀對(duì)水平面的傾角α為48°～65°。結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和農(nóng)藝要求，本試驗(yàn)選取鏈刀速度vc為2 m/s，鏈刀對(duì)水平面的傾角α為50°，把相關(guān)參數(shù)帶入式（2），得出鏈刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度va=2.03 m/s。

帶入相關(guān)參數(shù)，由式（3）得鏈刀絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度va向量的傾角β為48.9°。

鏈刀高度hc取值為0.10～0.15 m，如果鏈刀高度取值超過(guò)此范圍，則鏈刀遇到障礙時(shí)，其工作部件承載的負(fù)荷就會(huì)加大。所以本試驗(yàn)選定的鏈刀高度hc為0.10 m。

本設(shè)計(jì)中8把刀為一組，占據(jù)7個(gè)多鏈節(jié)，所以各組刀片中同一相位的刀片距離為7Lc。本設(shè)計(jì)中鏈節(jié)距選取30 A號(hào)，查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得，Lc為50.8 mm，把相關(guān)參數(shù)帶入式（4），可得δ=6.8 mm;由式（5）可得，鏈刀刀片寬度bc為84 mm。

切削寬度是刀片在每次切削時(shí)，在鏈寬度方向上所切削的土壤寬度，現(xiàn)深松50 cm寬的溝，設(shè)計(jì)由8把刀片組成一組，并使其排列方式滿足不重不漏，則刀刃切削寬度為

把相關(guān)參數(shù)帶入式（6）可得，b=50 mm。對(duì)選擇的鏈刀尺寸和鏈條節(jié)距進(jìn)行驗(yàn)證，正確選擇的切削寬度b應(yīng)能滿足下列條件：

深松時(shí)，刀片受到主鏈輪的驅(qū)動(dòng)和土壤阻力的作用，刀刃和鏈節(jié)軸承發(fā)生磨損和振動(dòng)，為保證作業(yè)質(zhì)量和避免過(guò)分的振動(dòng)，需對(duì)鏈刀的運(yùn)動(dòng)速度作一定的限制，本研究中鏈刀線速度為2 m/s，對(duì)深松裝置的水平傾角與土壤的自然休止角進(jìn)行比較，其比較原理如下：

式中：hc為鏈刀的高度;φr為松散土壤的自然休止角。對(duì)于土壤的自然休止角，是土壤在自然條件下，不滑坡的最大傾斜角度，結(jié)合實(shí)際深松情況，本研究選取的土壤休止角為30°～40°，取35°，鏈刀的高度hc=100 mm，Lc=50.8 mm，由于α=50°，所以φr+arctanhcLc=35°+63°>50°。因此根據(jù)式（8）計(jì)算可知，滿足式（7），故所設(shè)計(jì)的鏈刀尺寸和鏈條節(jié)距滿足要求。

2.2?土壤深松裝置的動(dòng)力學(xué)分析

土壤深松裝置在深松作業(yè)過(guò)程中，每個(gè)刀片切割的土壤都具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)，它是計(jì)算切削阻力和生產(chǎn)率的基本條件。豎直刮刀的切削總阻力計(jì)算公式[7]為

式中：Cs表示土壤堅(jiān)實(shí)度計(jì)的沖擊次數(shù)，取15次;δ表示切削厚度;δc表示刀片寬度;φ表示刀片切削角;eh表示刀片尖角計(jì)算系數(shù)，取0.81。將式（11）中的切削厚度、刀片切削角和刀片厚度作相應(yīng)的調(diào)整后得到單個(gè)刀片的切削阻力為

帶入相關(guān)參數(shù)，得Fr=36.024 N，則深松裝置鏈刀總切削阻力為

式中：z表示鏈條上同時(shí)與土壤作用的刀片數(shù)，雙鏈條深松裝置工作時(shí)，有2組刀片，即約16把刀片同時(shí)切土。由于刀片受到各種沖擊的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加入動(dòng)載系數(shù)，一般情況下動(dòng)載系數(shù)k0取1.3～1.5，則Ft=748 N。

2.3?土壤深松裝置的功耗計(jì)算

土壤深松裝置的總切削功耗為

帶入相關(guān)參數(shù)得，Pt=1.52 kW。

土壤深松裝置的總切削比功，即單位立方米作業(yè)量的切削功耗：

帶入相關(guān)參數(shù)得，J=152 kW·s/m3。

結(jié)合工作環(huán)境、農(nóng)藝要求以及理論計(jì)算結(jié)果，確定了溝寬、溝深、整機(jī)前進(jìn)速度、鏈速、生產(chǎn)率、切土阻力、總功耗、比功、切削厚度等基本參數(shù)（表3）。

3?刀片-土壤虛擬仿真分析

土壤連作障礙綜合消減裝備的主要工作過(guò)程是刀片切削土壤的過(guò)程，是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，既有土壤的變形破壞問(wèn)題，也有刀片與土壤的接觸和摩擦等問(wèn)題，深入分析刀片與土壤相互作用的過(guò)程對(duì)揭示土壤—機(jī)器系統(tǒng)的作用機(jī)制、優(yōu)化刀片相關(guān)參數(shù)以及減小阻力、降低功耗有重要意義，本試驗(yàn)結(jié)合SolidWorks、ANSYS/LS-DYNA等軟件，建立刀片與土壤相互作用的虛擬仿真模型，開展鏈刀切土過(guò)程的虛擬試驗(yàn)研究，試圖快捷地研究刀片與土壤的相互作用過(guò)程，揭示刀片-土壤的工作機(jī)理。

3.1?刀片-土壤的三維參數(shù)化建模

首先在SolidWorks中建立好刀片實(shí)體模型，以STP格式導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA中建立模型，在建模時(shí)應(yīng)注意單位的選取和實(shí)體與坐標(biāo)系的方位，為方便下一步的有限元分析，在SolidWorks中以刀片刀柄處為原點(diǎn)，手動(dòng)創(chuàng)建新坐標(biāo)系CSO，然后在將模型存為初始圖形標(biāo)準(zhǔn)STP文件時(shí)選取手動(dòng)創(chuàng)建的CSO坐標(biāo)[8]，這樣即可將模型輸入到ANSYS/LS-DYNA中（圖3）。

3.2?前處理過(guò)程

前處理主要包括材料屬性、接觸類型、邊界約束、初始條件的設(shè)定。本次分析采用kg-m-s-n單位制，設(shè)定刀片材料為線彈性材料，即使用MAT001-ELASTIC材料模型，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.27，采用手動(dòng)控制線條單元個(gè)數(shù)的方法劃分刀片有限元網(wǎng)格，結(jié)果如圖4所示。土壤本構(gòu)關(guān)系的選擇對(duì)仿真分析的準(zhǔn)確性影響很大，本試驗(yàn)采用的材料為帶失效的土壤和可壓縮泡沫塑料模型，即SOIL-AND-FOAM-FAILURE本構(gòu)模型[9]，其參數(shù)值如表4所示，土壤模型直接在LS-DYNA中建立，為150 mm×300 mm×300 mm的長(zhǎng)方體，建立好的完整模型圖5。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況可知，鏈刀作一個(gè)方向的切割運(yùn)動(dòng)。因此，給鏈刀一個(gè)X方向的初速度2.03 m/s，然后在土壤模型下端施加一個(gè)固定約束，限制其6個(gè)自由度，如圖6所示。將設(shè)置好的前處理文件保存為k文件格式，導(dǎo)入到APDL求解器中求解。

3.3?刀片-土壤虛擬仿真過(guò)程

刀片以2.03 m/s的初速度沿X方向切削土壤（圖7），切削過(guò)程中刀片刀刃首先接觸土壤，該處土壤受力發(fā)生凹陷變形，隨著刀片刀刃與土壤接觸面的增大，刀片周圍土壤也發(fā)生擠壓變形，并且部分與刀片直接接觸的土壤單元因被切斷破壞而失效，刀片進(jìn)一步切削土壤，產(chǎn)生失效破壞的單元增多，后面還未與刀片接觸的土壤受前面土壤的擠壓也開始逐步發(fā)生變形，土壤發(fā)生變形破壞[10]（圖8）。

等效應(yīng)力的極值發(fā)生在刀片切入土壤之后，位于刀刃處，圖9為刀刃上一節(jié)點(diǎn)在切割時(shí)等效應(yīng)力的變化曲線，從曲線中可以看出，刀片在切割過(guò)程中，等效應(yīng)力的極值為2.15 MPa，切入土壤之后刀片上的等效應(yīng)力逐步下降，穩(wěn)定之后在 0.5 MPa 左右變化。

此外，隨著刀片的切入，土壤的等效應(yīng)力逐步增大，從圖10可以看出，刀片在切割過(guò)程中，當(dāng)?shù)镀\(yùn)動(dòng)0.028 s切入土壤中時(shí)，土壤的等效應(yīng)力達(dá)到極值，為113 Pa，之后等效應(yīng)力迅速減小，并穩(wěn)定在20 Pa以下。

4?試驗(yàn)與分析

4.1?試驗(yàn)條件與材料

土壤連作障礙機(jī)械化消減裝置設(shè)計(jì)并制作完成后，于2018年4月16日在江蘇省淮安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院科研創(chuàng)新基地試驗(yàn)大棚進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)大棚為跨度8.0 m、脊高3.2 m、肩高1.7 m的標(biāo)準(zhǔn)化塑料大棚，樣機(jī)田間試驗(yàn)如圖11所示。試驗(yàn)主要用卷尺、秒表、深度測(cè)試儀等來(lái)測(cè)量該機(jī)具的作業(yè)長(zhǎng)度、時(shí)間、溝深、溝面寬等，相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)定方法參照國(guó)標(biāo)[10-12]，經(jīng)計(jì)算，拖拉機(jī)的前進(jìn)速度約為3 m/min。

4.2?試驗(yàn)方法

4.2.1?溝深穩(wěn)定性及溝寬一致性測(cè)試

在50 cm×50 cm測(cè)區(qū)內(nèi)的對(duì)角線上取5點(diǎn)，用耕深尺或標(biāo)尺測(cè)定溝深和溝寬。測(cè)定方法：測(cè)出溝底到地表面的垂直距離，分別計(jì)算出30、50、80、100 m行程的平均溝深aj[TX-*5]、變異系數(shù)CV和穩(wěn)定系數(shù)U，溝寬一致性與溝深穩(wěn)定性計(jì)算方式與此相同。

4.2.2?碎土率測(cè)試

每行程測(cè)定1點(diǎn)，沿深松方向取樣。在50 cm×50 cm面積內(nèi)，分別測(cè)定地表以下100 mm內(nèi)土塊最長(zhǎng)邊小于40 mm的土塊質(zhì)量及土塊總質(zhì)量、全層土塊最長(zhǎng)邊小于80 mm的土塊質(zhì)量及土塊總質(zhì)量，按式（19）、式（20）計(jì)算出碎土率。

（1）地表100 mm內(nèi)

式中：C10為地表100 mm內(nèi)碎土率，%;Gs10為地表100 mm內(nèi)小于40 mm土地總質(zhì)量，kg;G10為地表100 mm內(nèi)土塊總質(zhì)量，kg。

（2）全土層

式中：C為全層碎土率，%;Gs為全層小于80 mm土地總質(zhì)量，kg;G為全層土塊總質(zhì)量，kg。

4.2.3?土壤緊實(shí)度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證土壤連作障礙機(jī)械化消減裝置的深松效果，采用SC-900土壤緊實(shí)度儀進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)儀器探頭尖端與土壤接觸，并感受到壓力時(shí)，系統(tǒng)將這一壓力信號(hào)采集，并通過(guò)內(nèi)置的標(biāo)定曲線，將壓力轉(zhuǎn)化成土壤緊實(shí)度。試驗(yàn)共選擇5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)從深度5 cm到 40 cm，每隔5 cm測(cè)1次，每個(gè)點(diǎn)共計(jì)測(cè)8次。

4.2.4?防控效果試驗(yàn)

為了驗(yàn)證土壤連作障礙機(jī)械化消減裝置的防控效果，于2018年6月16日在江蘇省淮安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院科研創(chuàng)新基地試驗(yàn)大棚進(jìn)行試驗(yàn)，消減作業(yè)結(jié)束后，立即鋪設(shè)塑料薄膜和滴灌帶，采用內(nèi)側(cè)壓膜法覆蓋塑料薄膜，塑料薄膜采用厚度大于0.03 mm的原生膜，鋪好后，及時(shí)通水，以確保土壤表面 5 cm 土層濕潤(rùn)（圖12）。試驗(yàn)對(duì)象為西瓜，選擇4種處理方式，分別為1區(qū)：深耕深松;2區(qū)：棉隆熏蒸+深耕深松;3區(qū)：棉隆熏蒸+正常翻耕;4區(qū)：對(duì)照（空白），測(cè)試不同處理方式下西瓜枯萎病的防控效果。

4.3?試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1?溝深及穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

在5次開溝試驗(yàn)測(cè)定中，開溝溝深為390.0～410.0 mm，平均溝深為395.0 mm，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為98.3%，開溝寬度一致性為98.5%，具體見表5，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)與農(nóng)藝要求。

通過(guò)溝深及穩(wěn)定性試驗(yàn)檢測(cè)相關(guān)參數(shù)合格率，沿開溝方向隨機(jī)取樣測(cè)量并與農(nóng)藝要求進(jìn)行對(duì)比，具體計(jì)算公式為

式中：Q為測(cè)量合格率，%;n1為符合農(nóng)藝要求的測(cè)量次數(shù);n2為測(cè)量總次數(shù)。

4.3.2?碎土率試驗(yàn)結(jié)果

在5次試驗(yàn)測(cè)定中，土壤團(tuán)粒直徑多為2～5 mm，全土層與地表100 mm土層團(tuán)粒直徑范圍為 3～35 mm，全土層與地表100 mm土層土壤團(tuán)粒平均直徑分別為5.85 mm與5.94 mm，碎土率按式（20）、式（21）計(jì)算，分別為98.3%與97.2%，基本滿足農(nóng)藝要求[13-15]。

4.3.3?土壤緊實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果

深松前后土壤緊實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，通過(guò)作業(yè)前后土壤緊實(shí)度的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，深松后，土壤明顯疏松，硬度下降，通透性提高。

4.3.4?防控效果試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試土壤4 cm深處溫度，為 25 ℃>24 ℃，根據(jù)NY/T 3129—2017《棉隆土壤消毒技術(shù)規(guī)程》要求，進(jìn)行覆膜密封15 d和揭膜敞氣7 d后，進(jìn)行西瓜苗的移栽（圖13），并測(cè)試移栽后40 d各處理發(fā)病率。從表7可以看出，采用棉隆熏蒸+深耕深松的方式，移栽后40 d的發(fā)病率僅為53.5%，相對(duì)于參照區(qū)域，降低了23.6%，相對(duì)于棉隆熏蒸+正常翻耕區(qū)域，降低了25.7%，相對(duì)于深耕深松區(qū)域，降低了7.8%，說(shuō)明使用本設(shè)計(jì)的土壤連作障礙消減裝置，可以大幅降低土壤連作障礙的發(fā)生率。

5?結(jié)論與討論

本研究提出采用雙鏈條深耕深松耦合棉隆撒施的方式進(jìn)行土壤連作障礙消減作業(yè)。雙鏈條鏈刀破土，變量施藥箱施棉隆，整機(jī)結(jié)構(gòu)合理。

通過(guò)土壤深松裝置理論計(jì)算得出，深松裝置的生產(chǎn)率為36.00 m3/h、鏈刀絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為2.03 m/s、刀片切削厚度為6.800 mm、鏈刀高度為10.000 cm、鏈刀寬度為 84.000 mm、鏈刀總切削阻力為748.000 N、總切削功耗為 152.000 kW/（m3·s），通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與理論設(shè)計(jì)相結(jié)合確定土壤深松裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用SolidWorks軟件建立整機(jī)三維參數(shù)化數(shù)字模型，并完成樣機(jī)試制工作。

建立了刀片-土壤的有限元模型，利用ANSYS軟件中的顯示動(dòng)力模塊LS-DYNA對(duì)鏈刀土壤切削過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得出鏈刀在土壤切削過(guò)程中等效應(yīng)力的極值為 2.15 MPa，切入土壤之后刀片上的等效應(yīng)力逐步下降，穩(wěn)定之后在0.5 MPa左右變化，當(dāng)?shù)镀\(yùn)動(dòng)0.028 s切入土壤中時(shí)，土壤的等效應(yīng)力達(dá)到極值，為113 Pa，之后等效應(yīng)力迅速減小，并穩(wěn)定在20 Pa以下，由結(jié)果可以得出，鏈刀設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求，可以快速切削土壤。

樣機(jī)的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)深松深度為390.0～410.0 mm，平均溝深為395.0 mm，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為98.3%，平均開溝寬度為495.0 mm，開溝寬度一致性為98.5%;土壤團(tuán)粒直徑多在2～5 mm之間，全土層與地表 100 mm 土層團(tuán)粒直徑范圍為3～35 mm，全土層與地表 100 mm 土層土壤團(tuán)粒平均直徑分別為5.85 mm與5.94 mm，碎土率分別為98.3%與97.2%，基本滿足農(nóng)藝要求。

通過(guò)作業(yè)前后土壤緊實(shí)度的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，深松后，土壤明顯疏松，硬度下降，通透性提高。采用棉隆熏蒸+深耕深松的方式，移栽后40 d的發(fā)病率僅為53.5%，相對(duì)于參照區(qū)域，降低了23.6%，相對(duì)于棉隆熏蒸+正常翻耕區(qū)域，降低了25.7%，相對(duì)于深耕深松區(qū)域，降低了7.8%，說(shuō)明使用本設(shè)計(jì)的土壤連作障礙消減裝置，可以降低土壤容重及硬度，并通過(guò)棉隆和土壤的深層攪拌，降低土壤連作障礙的發(fā)生率。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱?英. 寧夏設(shè)施蔬菜連作障礙及綜合防治技術(shù)研究[D]. 銀川：寧夏大學(xué)，2014.

[2]孫興全，陳?捷，樊澤澍，等. 淺析崇明設(shè)施大棚西瓜連作障礙的原因與對(duì)策[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，16（22）：81，94.

[3]張?卓，彭德良，黃文坤，等. 土壤藥劑處理結(jié)合陽(yáng)光消毒防治番茄根結(jié)線蟲技術(shù)評(píng)價(jià)[J]. 植物保護(hù)，2011，37（3）：161-164.

[4]焦彩強(qiáng). 集約化生產(chǎn)模式下耕作對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響及效應(yīng)分析[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008.

[5]范丙全. 不同農(nóng)業(yè)措施影響下土壤微生物多樣性演化規(guī)律研究[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2009.

[6]馬俊艷. 設(shè)施菜地土壤耕層增厚及土壤培肥機(jī)制研究[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[7]周善鑫. 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)設(shè)計(jì)研究及其CAA[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[8]張應(yīng)遷，張洪才. ANSYS有限元分析從入門到精通[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.

[9]劉?偉，高維成，于廣濱. ANSYS 12.0寶典[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[10]康建明，李樹君，楊學(xué)君，等. 圓盤式開溝機(jī)作業(yè)功耗仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（13）：8-15.

[11]全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)農(nóng)機(jī)化分技術(shù)委員.田間開溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量：NY/T 740—2003[S/OL]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[12]全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，機(jī)械工業(yè)耕作機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心，中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. 農(nóng)用圓盤開溝機(jī)：JB/T 11908—2014[S/OL]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[13]李寶筏. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003：31-33.

[14]中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007，237-238.

[15]高煥文，李問(wèn)盈，李洪文. 中國(guó)特色保護(hù)性耕作技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（3）：1-4.