專利名稱：一種土壤機械壓實仿真裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及農業機械，更具體地說，本發明涉及一種土壤機械壓實仿真裝置。
背景技術：
土壤機械壓實已被廣泛認為是對農業、園藝和林業生產越來越具 挑戰性的問題。二十世紀是機械化迅速發展的世紀,大多地方農耕已 由牲畜牽引轉變為拖拉機牽引,尤其是近幾十年來大型拖拉機及其配 套機具不斷涌現,使農業機械化水平和農作效率得以極大地提高。但 大型拖拉機在田間作業的同時也對土壤進行了碾壓，造成土壤容重增 加，土壤通氣孔隙降低，水滲透能力降低，從而導致土壤侵蝕加重， 機耕阻力增加，作物根系生長受阻，土壤環境遭到破壞，即造成土壤機械壓實(soil compaction),致使作物產量降低，投入加大。由于土 壤過度緊實層主要存在于心土層，不易被人們覺察，因此，James C.F (1993)在其出版的《土壤壓實》一書中稱之為"沉默的賊"；Voorhees W.B (1977)稱之為"我們新結識的^自然資源'"。針對以上存在的這些問題，歐美國家首先開展了研究，隨后亞非 拉國家也開展此類研究，已在農田土壤機械壓實的成因、特點、危害 以及避免或減輕措施等方面取得了很大成就。而且無論是在拖拉機的 設計上還是在土壤耕作技術上對消除機械壓實都形成了一套技術措施體系。我國自上世紀八十年代起在有關土壤方面的著作或論文中多 次提及土壤壓實，如朱祖祥主編的《土壤學》 一書中論述了土壤壓實 問題(書中稱之為土壤壓板)，但都未進行具體研究，無觀測數據。 該領域研究在近幾年才剛剛起步，張興義等對小四輪拖拉機對農田黑 土的壓實作用進行了研究，李汝莘等測定了小四輪拖拉機對北京輕壤 土的壓實作用。目前國內外主要用土壤容重、土壤孔隙度、機械阻力(Penetration resistance)、 土壤水勢來指示土壤的壓實程度。其中土壤水勢是可以 表明土壤結構隨壓實強度而改變的動態指標，可彌補其它指標的不 足。Larson禾B Gupta (1980)通過試驗室試驗觀測到隨著外力的增 加，土壤水勢趨于降低達到最小之后開始增加至零。認為土壤水勢達 到最小點所對應的壓力為在土壤耕作時土壤所能承受的最大機械壓 力，高于此壓力，將導致我們所不希望發生的嚴重的土壤機械壓實問 題。Cmse禾Q Larson (1977)禾n Francis禾卩Cruse (1983)發現，當土 壤水勢趨于零時，土壤團聚體強度迅速降低，進一步增加壓力，剪切 它們，發生破碎化。但是所有結果都是在較長時間的壓力作用下獲得 的。例如，Larson所獲得的最小土壤水勢值是在持續施加約30分鐘 的壓力下獲得的。在田間生產實踐中，拖拉機行走速度通常在 0.2-5m/s，相當于對土壤碾壓的作用時間0.1-2.5秒。因此考慮到壓 力作用時間對土壤壓實的影響，Larson所測定的土壤所能承受的安 全壓力值應低于實際田間所能承受的壓力，即Larson測定的安全值(不導致土壤嚴重壓實)應提高。本發明人2003年2月赴美國開展土壤壓力作用時間與土壤水勢關系的研究，發現目前國際上較好的模 擬裝置為Dexter和Tanner設計的模擬試驗裝置。利用氮氣對水容器 進行瞬間加壓，創造瞬間壓力，對沉在水中的樣品進行擠壓。雖然該 裝置能夠對不同壓力和不同作用時間進行模擬，但存在四個主要缺 陷， 一是土壤樣品埋放在水中，放入和取出繁瑣，且水本身有壓力， 加大了誤差；二是使用氣體加壓，在加壓的整個過程中，壓力不均勻， 對模擬結果的準確性存在影響；三是無法進行土壤水勢測定；四是設 備復雜，制作成本高。所以可以說目前尚無可行的土壤壓實模擬試驗 測試裝置，土壤壓實測試裝置已成為土壤機械壓實研究的瓶頸。這就 是本發明的實際意義之所在。 發明內容本發明的目的就是針對國際目前現有模擬裝置的缺陷，提供一種 土壤機械壓實仿真裝置。本發明的目的是通過下述技術方案予以實 現。本發明包括調速齒輪l、驅動齒輪2、滑動載重車3、鏈條4、金 屬滑道5、活塞6、倒順開關7、金屬套管8、 土壤金屬盛樣器9、調 速齒輪IO、調速控制器ll、調速電機12、支架13、不透氣軟管14、 和負壓計15。本發明裝置的關鍵是利用調速電機12和鏈條4拉動滑動載重車 3在金屬滑道5上以不同速度行走，滑動載重車3上可加載不同配重， 當滑動載重車3行走在活塞6上時，通過活塞6對土壤金屬盛樣器9 中的土壤進行壓實，土壤金屬盛樣器9與負壓計15通過不透氣軟管14相連，能夠測定壓實后土壤的水勢值，形成一整套土壤機械壓實模擬測試裝置，來實現模擬田間機械不同行走速度和不同載重對土壤的壓實作用；整套設備由支架]3支撐，高90cm;由倒順開關7控制 行走方向；可模擬0.1s以上壓力作用時間和11kg/cn^以下壓強對不 同含水量下擾動或原樣土的壓實作用；能測定壓前和壓后的土壤容 重，同時還能測定土壤水勢。本發明的最終目標是建造一個可搭載不同載重，最快可以lm/s 的速度行進的裝置。滑動載重車3通過活塞6對土壤金屬盛樣器9中 的土樣進行壓實。如果載重行走車滑動載重車3以lm/s的速度行進， 活塞9與滑動載重車3接觸長度只有O.lm，則滑動載重車3作用土 樣的時間最短可控制在O.ls。可通過調速控制器11控制不同速度， 因而該裝置可進行作用土樣O.ls及其以上的各作用時間的模擬試驗。綜上所述，本發明的優點可進行O.ls以上各種作用時間、0. 1kg/cm2 —11kg/cr^載重的各種仿真試驗，可觀測在凋萎含水量和田 間含水量間土壤容重、土壤孔隙度、土壤水勢變化。
圖l是仿真裝置結構示意圖。
具體實施例方式下面結合圖1和實際試驗對本發明作進一步描述。1. 不同行走速度的實現采用原理調速電機12調整不同速度；改變齒輪大小變速。 1.1通過設定調速電機轉速來實現采用的電磁調速電機為上海海光電機廠生產的YCT132-4A型號 電機，調速范圍為1280-125r/min。通過旋轉調速電機11上的轉鈕設 定調速電機的軸的轉速，進而設定了調速輪1、 10和驅動輪1的轉速。 1.2通過設定相同轉速的調速輪不同直徑來實現調速輪1為018cm， 43齒；調速輪10O6cm,14齒。驅動輪2為①14cm， 32齒。由于調速 ^的首碎不固，毎轉動一圏帶動鏈各的長度也不同，閔此誦討改奪相 同轉速的調速輪直徑，也可進一步提高鏈條4的移動速度。當調速電 機12轉速設定在某一值后，調速輪l、 10和驅動輪2的轉速也將固 定，驅動輪2將以固定的轉速帶動鏈條4轉動，鏈條4以該固定速度 牽引滑動載重車3在金屬滑道5上勻速行走。依此原理，通過設定不 同調速電機12的轉速，可實現滑動載重車3的不同行走速度。 2.不同載重的實現采用原理在行走輪上加載不同重物。滑動載重車3的中間安置(D20cm的行走輪，模擬拖拉機輪。行走 輪通過軸桿及四個垂直側向小輪固定在行走車的中間。通過該四個垂 直側向小輪推動行走輪在中間軌道上行走，行走輪通過中間軸承和連 桿于上端載物臺連接，通過在載物臺放置不同重量的重物來調節行走 輪對中間軌道的壓力。在行走輪行走的中間軌道中后部有一 0.2 m的 斷口，中間安裝一上端帶有O.l m長金屬板的截面積10cn^活塞6， 活塞6固定在下方一直徑略大于它的金屬套管8中，置于土壤金屬盛 樣器9的土壤樣品表面上。當行走輪以勻速行至活塞6處，對活塞6 進行瞬間重力作用，活塞6垂直下移，對土樣進行壓實作用。3. 土壤容重和土壤水勢的測定土壤金屬盛樣器9的橫截面積保持固定(10cm2)，利用深度卡尺能夠測定土壤壓前和壓后高度變化，由于土壤樣品重量不變，通過計 算土壤樣品體積的變化，進而可計算土壤容重的變化。土壤水勢是利用美國產負壓計15 (Tensiometer)測定的。滑動載重車3行走前，將 微型陶土頭插入土壤金屬盛樣器9的土壤樣品中間，滑動載重車3行 走并通過活塞6對土樣壓實后，測定土壤水勢值。
權利要求
1. 一種土壤機械壓實仿真裝置，其特征在于利用調速電機(12)和金屬滑道(5)來實現模擬機械不同行走速度和不同載重，利用活塞(6)對土壤金屬盛樣器(9)中的土壤進行壓實，將土壤金屬盛樣器(9)與負壓計(15)相連，形成一整套土壤機械壓實模擬測試裝置；可模擬0.1s以上壓力作用時間和11kg/cm2以下壓強對不同含水量下擾動或原樣土的壓實作用；可測定壓前和壓后的土壤容重，同時還可測定土壤水勢。
全文摘要
土壤機械壓實已成為農業機械化發展所不可回避的問題。本發明是針對國際目前現有土壤壓實模擬裝置的缺陷，根據軌道滑動原理和變速電機及齒輪調速作用，設計并制造了土壤機械壓實模擬裝置。該裝置可進行0.1s以上各種作用時間、0.1kg/cm<sup>2</sup>-11kg/cm<sup>2</sup>載重的各種模擬試驗，可觀測土壤容重、土壤水勢變化。經過一年的試驗結果表明，該裝置完全達到了設計要求，得到了理想的試驗結果。
文檔編號G01N33/24GK101256183SQ20071030032
公開日2008年9月3日 申請日期2007年12月26日 優先權日2007年12月26日
發明者劉洪家, 張興義, 焦曉光, 隋躍宇 申請人:中國科學院東北地理與農業生態研究所