专利名称：土壤机械压实模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明属农业机械技术领域，是在实验室测定机械对土壤压实作用的模拟装置。
背景技术：
土壤机械压实已被广泛认为是对农业、园艺和林业生产越来越具挑战性的问题。二十世纪是机械化迅速发展的世纪，大多地方农耕已由牲畜牵引转变为拖拉机牵引，尤其是近几十年来大型拖拉机及其配套机具不断涌现，使农业机械化水平和农作效率得以极大地提高。但大型拖拉机在田间作业的同时也对土壤进行了碾压，造成土壤容重增加，土壤通气孔隙降低，水渗透能力降低，从而导致土壤侵蚀加重，机耕阻力增加，作物根系生长受阻，土壤环境遭到破坏，即造成土壤机械压实(soil compaction)，致使作物产量降低，投入加大。由于土壤过度紧实层主要存在于心土层，不易被人们觉察，因此，James C.F(1993)在其出版的《土壤压实》一书中称之为“沉默的贼”；Voorhees W. B(1977)称之为“我们新结识的‘自然资源’”。
针对以上存在的这些问题，欧美国家首先开展了研究，随后亚非拉国家也开展此类研究，已在农田土壤机械压实的成因、特点、危害以及避免或减轻措施等方面取得了很大成就。而且无论是在拖拉机的设计上还是在土壤耕作技术上对消除机械压实都形成了一套技术措施体系。我国自上世纪八十年代起在有关土壤方面的著作或论文中多次提及土壤压实，如朱祖祥主编的《土壤学》一书中论述了土壤压实问题(书中称之为土壤压板)，但都未进行具体研究，无观测数据。该领域研究在近几年才刚刚起步，张兴义等对小四轮拖拉机对农田黑土的压实作用进行了研究，李汝莘等测定了小四轮拖拉机对北京轻壤土的压实作用。
目前国内外主要用土壤容重、土壤孔隙度、机械阻力(Penetrationresistance)、土壤水势来指示土壤的压实程度。其中土壤水势是可以表明土壤结构随压实强度而改变的动态指标，可弥补其它指标的不足。
Larson和Gupta(1980)通过试验室试验观测到随着外力的增加，土壤水势趋于降低达到最小之后开始增加至零。认为土壤水势达到最小点所对应的压力为在土壤耕作时土壤所能承受的最大机械压力，高于此压力，将导致我们所不希望发生的严重的土壤机械压实问题。Cruse和Larson(1977)和Francis和Cruse(1983)发现，当土壤水势趋于零时，土壤团聚体强度迅速降低，进一步增加压力，剪切它们，发生破碎化。但是所有结果都是在较长时间的压力作用下获得的。例如，Larson所获得的最小土壤水势值是在持续施加约30分钟的压力下获得的。在田间生产实践中，拖拉机行走速度通常在0.2-5m/s，相当于对土壤碾压的作用时间0.1-2.5秒。因此考虑到压力作用时间对土壤压实的影响，Larson所测定的土壤所能承受的安全压力值应低于实际田间所能承受的压力，即Larson测定的安全值(不导致土壤严重压实)应提高。本发明人2003年2月赴美国开展土壤压力作用时间与土壤水势关系的研究，发现目前国际上较好的模拟装置为Dexter和Tanner设计的模拟试验装置。利用氮气对水容器进行瞬间加压，创造瞬间压力，对沉在水中的样品进行挤压。虽然该装置能够对不同压力和不同作用时间进行模拟，但存在四个主要缺陷，一是土壤样品埋放在水中，放入和取出繁琐，且水本身有压力，加大了误差；二是使用气体加压，在加压的整个过程中，压力不均匀，对模拟结果的准确性存在影响；三是无法进行土壤水势测定；四是设备复杂，制作成本高。所以可以说目前尚无可行的土壤压实模拟试验测试装置，土壤压实测试装置已成为土壤机械压实研究的瓶颈。这就是本发明的实际意义之所在。
发明内容
本发明就是针对国际目前现有模拟装置的缺陷，设计制造了土壤机械压实模拟试验装置。本发明装置的关键是利用调速电机②和滑动轨道⑧来实现模拟机械不同行走速度和不同载重，利用活塞对土壤盛样器⑦中的土壤进行压实，将金属土壤盛样器与负压计相连，形成一整套土壤机械压实模拟测试装置；整套设备由支架⑩支撑，高90cm；由倒顺开关⑥控制行走方向；可模拟0.1s以上压力作用时间和11kg/cm2以下压力对不同含水量下扰动或原样土的压实作用；可测定压前和压后的土壤容重、土壤空隙度、同时还可测定土壤水势。
本发明的最终目标是建造一个可搭载不同载重，最快可以1m/s的速度行进的装置。行走车①通过活塞对盛样器⑦中的土样进行压实。如果载重行走车以1m/s的速度行进，活塞与载重车接触长度只有0.1m，则载重车作用土样的时间最短可控制在0.1s。可通过调速控制器③控制不同速度，因而该装置可进行作用土样0.1s及其以上的各作用时间的模拟试验。
1、不同行走速度的实现采用原理调速电机②调整不同速度；改变齿轮大小变速。
采用的电磁调速电机为上海海光电机厂生产的YCT132-4A型号电机，调速范围为1280-125r/min。
驱动轮⑤为Φ18cm，43齿；Φ6cm，14齿。调速轮④为Φ14cm，32齿。
2、不同载重的实现载重车的中间安置Φ20cm的行走轮，模拟拖拉机轮。行走轮通过轴杆及四个垂直侧向小轮固定在行走车的中间。通过该四个垂直侧向小轮推动行走轮在中间轨道上行走，当行至活塞处垂直落下，对土样进行压实作用。行走轮上设有配重支撑杆，可加不同配重。
3、土壤容重和土壤水势的测定土壤金属盛样器的横截面积一定，利用深度卡尺可测定土壤压前和压后高度变化，进而可计算土壤容重的变化。利用美国产负压计(Tensiometer)测定土壤水势。将微型陶土头插入盛样器中，机械行走后，测定土壤水势。
图1为本发明结构示意图。①滑动载重车；②调速电机；③调速控制器；④调速齿轮；⑤驱动齿轮；⑥倒顺开关；⑦金属套管；⑧金属滑道；⑨链条⑩支架。
具体实施例方式本发明于2004年3月在黑龙江省海伦市制作完毕。于2004年5月开展压实模拟试验。经过一年的试验结果表明，该装置完全达到了设计要求，得到了理想的试验结果。该装置可进行0.1s以上各种作用时间、0.1kg/cm2-11kg/cm2载重的各种模拟试验，可观测在凋萎含水量和田间含水量间土壤容重、土壤孔隙度、土壤水势变化。
权利要求
1.一种土壤机械压实模拟装置，其特征在于利用调速电机②和滑动轨道⑧来实现模拟机械不同行走速度和不同载重，利用活塞对土壤盛样器⑦中的土壤进行压实，将金属土壤盛样器与负压计相连，形成一整套土壤机械压实模拟测试装置；可模拟0.1s以上压力作用时间和11kg/cm2以下压力对不同含水量下扰动或原样土的压实作用；可测定压前和压后的土壤容重、土壤空隙度，同时还可测定土壤水势。
全文摘要
土壤机械压实已成为农业机械化发展所不可回避的问题。本发明是针对国际目前现有土壤压实模拟装置的缺陷，根据轨道滑动原理和变速电机及齿轮调速作用，设计并制造了土壤机械压实模拟装置。该装置可进行0.1s以上各种作用时间、0.1kg/cm
文档编号G01N33/00GK1661356SQ200510016550
公开日2005年8月31日 申请日期2005年1月28日 优先权日2005年1月28日
发明者张兴义, 隋跃宇, 焦晓光 申请人:中国科学院东北地理与农业生态研究所