专利名称：一种土壤机械压实仿真装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及农业机械，更具体地说，本发明涉及一种土壤机械压实仿真装置。
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(Penetration resistance)、 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禾B 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。Cmse禾Q Larson (1977)禾n Francis禾卩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。 发明内容本发明的目的就是针对国际目前现有模拟装置的缺陷，提供一种 土壤机械压实仿真装置。本发明的目的是通过下述技术方案予以实 现。本发明包括调速齿轮l、驱动齿轮2、滑动载重车3、链条4、金 属滑道5、活塞6、倒顺开关7、金属套管8、 土壤金属盛样器9、调 速齿轮IO、调速控制器ll、调速电机12、支架13、不透气软管14、 和负压计15。本发明装置的关键是利用调速电机12和链条4拉动滑动载重车 3在金属滑道5上以不同速度行走，滑动载重车3上可加载不同配重， 当滑动载重车3行走在活塞6上时，通过活塞6对土壤金属盛样器9 中的土壤进行压实，土壤金属盛样器9与负压计15通过不透气软管14相连，能够测定压实后土壤的水势值，形成一整套土壤机械压实模拟测试装置，来实现模拟田间机械不同行走速度和不同载重对土壤的压实作用；整套设备由支架]3支撑，高90cm;由倒顺开关7控制 行走方向；可模拟0.1s以上压力作用时间和11kg/cn^以下压强对不 同含水量下扰动或原样土的压实作用；能测定压前和压后的土壤容 重，同时还能测定土壤水势。本发明的最终目标是建造一个可搭载不同载重，最快可以lm/s 的速度行进的装置。滑动载重车3通过活塞6对土壤金属盛样器9中 的土样进行压实。如果载重行走车滑动载重车3以lm/s的速度行进， 活塞9与滑动载重车3接触长度只有O.lm，则滑动载重车3作用土 样的时间最短可控制在O.ls。可通过调速控制器11控制不同速度， 因而该装置可进行作用土样O.ls及其以上的各作用时间的模拟试验。综上所述，本发明的优点可进行O.ls以上各种作用时间、0. 1kg/cm2 —11kg/cr^载重的各种仿真试验，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。
图l是仿真装置结构示意图。
具体实施例方式下面结合图1和实际试验对本发明作进一步描述。1. 不同行走速度的实现采用原理调速电机12调整不同速度；改变齿轮大小变速。 1.1通过设定调速电机转速来实现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。通过旋转调速电机11上的转钮设 定调速电机的轴的转速，进而设定了调速轮1、 10和驱动轮1的转速。 1.2通过设定相同转速的调速轮不同直径来实现调速轮1为018cm， 43齿；调速轮10O6cm,14齿。驱动轮2为①14cm， 32齿。由于调速 ^的首碎不固，毎转动一圏带动链各的长度也不同，闵此诵讨改夺相 同转速的调速轮直径，也可进一步提高链条4的移动速度。当调速电 机12转速设定在某一值后，调速轮l、 10和驱动轮2的转速也将固 定，驱动轮2将以固定的转速带动链条4转动，链条4以该固定速度 牵引滑动载重车3在金属滑道5上匀速行走。依此原理，通过设定不 同调速电机12的转速，可实现滑动载重车3的不同行走速度。 2.不同载重的实现采用原理在行走轮上加载不同重物。滑动载重车3的中间安置(D20cm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，行走轮通过中间轴承和连 杆于上端载物台连接，通过在载物台放置不同重量的重物来调节行走 轮对中间轨道的压力。在行走轮行走的中间轨道中后部有一 0.2 m的 断口，中间安装一上端带有O.l m长金属板的截面积10cn^活塞6， 活塞6固定在下方一直径略大于它的金属套管8中，置于土壤金属盛 样器9的土壤样品表面上。当行走轮以匀速行至活塞6处，对活塞6 进行瞬间重力作用，活塞6垂直下移，对土样进行压实作用。3. 土壤容重和土壤水势的测定土壤金属盛样器9的横截面积保持固定(10cm2)，利用深度卡尺能够测定土壤压前和压后高度变化，由于土壤样品重量不变，通过计 算土壤样品体积的变化，进而可计算土壤容重的变化。土壤水势是利用美国产负压计15 (Tensiometer)测定的。滑动载重车3行走前，将 微型陶土头插入土壤金属盛样器9的土壤样品中间，滑动载重车3行 走并通过活塞6对土样压实后，测定土壤水势值。
权利要求
1. 一种土壤机械压实仿真装置，其特征在于利用调速电机(12)和金属滑道(5)来实现模拟机械不同行走速度和不同载重，利用活塞(6)对土壤金属盛样器(9)中的土壤进行压实，将土壤金属盛样器(9)与负压计(15)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以下压强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，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<sup>2</sup>-11kg/cm<sup>2</sup>载重的各种模拟试验，可观测土壤容重、土壤水势变化。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。
文档编号G01N33/24GK101256183SQ20071030032
公开日2008年9月3日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年12月26日
发明者刘洪家, 张兴义, 焦晓光, 隋跃宇 申请人:中国科学院东北地理与农业生态研究所