第 34 卷 第 2 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.34 No.2 18 2018 年 1 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan. 2018 移動(dòng)式土壤旋耕蒸汽消毒機(jī)的研制汪小旵1,2，李成光1，楊振杰1，孫國祥1,2，施印炎1，趙 博1（1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京 210031； 2. 江蘇省現(xiàn)代設(shè)施技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210031） 摘 要： 為解決土壤連作障礙等引起的蔬菜種植問題，設(shè)計(jì)了一種可在旋耕作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行土壤蒸汽消毒的機(jī)具。機(jī)具主要由旋耕裝置、蒸汽發(fā)生器、補(bǔ)水裝置、蒸汽輸送系統(tǒng)、消毒罩、可拆卸消毒毛管等組成。通過熱量平衡分析得出，在土壤寬 120 cm、深 15 cm 時(shí)，土壤消毒到 60 時(shí)所需蒸汽功率為 87.78 kW，而當(dāng)土壤蒸汽消毒機(jī)蒸汽發(fā)生器出口壓強(qiáng)為 0.6 MPa，溫度為 158.86 時(shí)，能提供的蒸汽功率為 97.35 kW，系統(tǒng)損耗為 0.61 kW，可滿足土壤消毒的熱量需求。田間試驗(yàn)表明：當(dāng)蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓強(qiáng)為 0.6 MPa，溫度為 158.86 ，機(jī)具旋耕行走速度為 0.035 m/s，消毒毛管管徑 15 mm，間距為 180 mm 時(shí)，深度 15 cm 土壤消毒后溫度在 58.970.6 之間，可滿足土壤旋耕消毒的溫度要求。 關(guān)鍵詞：土壤；農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；連作障礙；移動(dòng)式；旋耕；蒸汽消毒 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.003 中圖分類號：S225.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-6819(2018) -02-0018-07 汪小旵，李成光，楊振杰，孫國祥，施印炎，趙 博. 移動(dòng)式土壤旋耕蒸汽消毒機(jī)的研制J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(2)：1824. doi ：10.11975/j.issn.1002 -6819.2018.02.003 http:/www.tcsae.org Wang Xiaochan, Li Chengguang, Yang Zhenjie, Sun Guoxiang, Shi Yinyan, Zhao Bo. Development of mobile soil rotary steam disinfection machineJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 1824. (in Chinese with English abstract) doi ：10.11975/j.issn.1002 -6819.2018.02.003 http:/www.tcsae.org 0 引 言蔬菜種植由于復(fù)種指數(shù)高，再加上肥料的大量使用，極易導(dǎo)致土壤連作障礙、理化性能失衡和土壤板結(jié)等問題1-4。優(yōu)質(zhì)土壤是蔬菜種植的重要保障，土壤消毒是防止土壤連作障礙等問題的有效辦法5-9，其中土壤蒸汽消毒是將高溫水蒸汽通入土壤中，將土壤中的細(xì)菌以及大部分雜草高溫滅殺10-16。蒸汽消毒的同時(shí)，在水蒸汽的疏通下土壤孔隙也隨之增大，并通過土壤孔隙將殘留的氮磷鹽帶到有效耕作層下方。因此，土壤蒸汽消毒不僅無藥害殘留、不會(huì)產(chǎn)生有害生物抗藥性問題，還增加了土壤的通透性與排水性，有利于改善土壤板結(jié)17-24。 土壤蒸汽消毒法首先由德國人 Frank于 1888年發(fā)明，1893 年由美國人 Rudd 首次商業(yè)化使用25。蒸汽消毒一般有以下幾種方法：地表覆膜蒸汽消毒法（湯姆斯法）26，即在地表鋪設(shè)一層帆布或者抗熱塑料膜，在開口處通入蒸汽以達(dá)到消毒目的，其蒸汽利用效率較低；侯德森（Hodeson）管道法27，即在地下 40 cm 深處鋪設(shè)一層管道網(wǎng)，并在管網(wǎng)上每間隔一段距離開設(shè)一個(gè)蒸汽出口，其蒸汽利用效率較高，消毒比較徹底，但管道鋪設(shè)成本較大，且不利于后期田間的耕作；負(fù)壓蒸汽消毒法28，即在地下埋設(shè)多孔的聚丙烯管道，用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓將地表的蒸汽吸入地下，該法使得土壤深層中的溫度比地表覆膜高，蒸汽利用消毒效率較好，但工藝流程較為復(fù)雜；金屬罩注射式消毒方法29，該方法通過安裝在拖拉機(jī)后面的蒸汽注入管注入土壤蒸汽，逐塊面積分次作業(yè)，作收稿日期：2017-09-04 修訂日期：2017-11-15 基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目 CX(16)1002 作者簡介：汪小旵，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制方向的研究。Email ：wangxiaochannjau.edu.cn 業(yè)效率相對較低。 為提高工作效率，在牽引式鍋爐30設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合蔬菜整地旋耕復(fù)式作業(yè)，本文設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式土壤旋耕蒸汽消毒機(jī)。該機(jī)將旋耕裝置和蒸汽消毒裝置有機(jī)結(jié)合，在土壤旋耕的同時(shí)完成消毒作業(yè)，以期為土壤蒸汽消毒提供一種新模式。 1 蒸汽消毒機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理 1.1 結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)設(shè)計(jì)要求，確定整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所示。消毒機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要由燃油蒸汽發(fā)生器、旋耕裝置、補(bǔ)水裝置、蒸汽輸送系統(tǒng)、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中 A 為蒸汽發(fā)生器的蒸汽出口， B為消毒機(jī)箱的蒸汽入口， A、 B 通過耐高溫高壓的鋼絲軟管連接構(gòu)成蒸汽輸送系統(tǒng)。 1.燃燒器 2. 控制箱 3. 水位計(jì) 4.蒸汽鍋爐 5. 前托架 6. 拖拉機(jī) 7.前滾輪 8. 旋耕軸 9. 旋耕機(jī) 10. 消毒毛管 11. 限位輪 12. 消毒罩 13. 消毒支管 14. 液壓桿 15. 懸掛架 16. 外置水箱 1.Burner 2.Control box 3.Water level gauge 4.Steam boiler 5.Front bracket 6.Tractor 7.Front idler wheel 8.Rotary shaft 9.Rotary machine 10.Disinfection capillary 11.Limit wheel 12.Disinfection slip-over 13.Disinfection branch 14.Hydraulic bar 15.Hanger 16.External water tank 圖 1 移動(dòng)式土壤旋耕蒸汽消毒機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.1 Structural sketch of mobile soil rotary steam disinfection machine 第 2 期 汪小旵等：移動(dòng)式土壤旋耕蒸汽消毒機(jī)的研制 19 1.2 工作原理 當(dāng)拖拉機(jī)牽引機(jī)具向前消毒作業(yè)時(shí)，旋耕機(jī)通過三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)與配套拖拉機(jī)聯(lián)接，拖拉機(jī)輸出軸動(dòng)力通過萬向節(jié)與中央變速箱傳動(dòng)軸聯(lián)接，并將動(dòng)力傳遞給旋耕機(jī)。中央變速箱將動(dòng)力傳遞給側(cè)邊傳動(dòng)箱從而帶動(dòng)旋耕刀軸旋轉(zhuǎn)，刀軸上的刀片旋切土壤和雜草，被旋切的土壤與雜草沿著旋耕刀的切線方向向后上方拋灑，與擋泥罩碰撞后落入正下方土壤上。 表 1 蒸汽消毒機(jī)主要技術(shù)參數(shù) Table 1 Main technical parameters of steam disinfection machine 參數(shù) Parameter 數(shù)值 Value 整機(jī)尺寸( 長× 寬× 高) Machine size (length×width×height)/ (cm×cm×cm) 140×120×50 蒸汽發(fā)生器尺寸( 長× 寬× 高) Steam generator size (length×width×height)/ (cm×cm×cm) 110×110×180 配套動(dòng)力 Supporting power/kW 47.8 掛接方式 Articulated way 三點(diǎn)后懸掛 整機(jī)質(zhì)量 Machine quality/kg 600 消毒幅寬 Disinfection width/cm 120 消毒速度 Disinfection speed/(m·s-1) 0.0320.085 消毒深度 Disinfection depth/mm 150250 消毒罩通過液壓缸及兩側(cè)固定機(jī)構(gòu)與旋耕機(jī)相連，當(dāng)拖拉機(jī)牽引旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕作業(yè)時(shí)，同時(shí)調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng)將消毒罩放下，使得末端消毒毛管插入旋耕后的土壤，打開蒸汽閥門進(jìn)行移動(dòng)式消毒作業(yè)。消毒深度由液壓桿伸縮進(jìn)行調(diào)節(jié)，限位輪控制調(diào)節(jié)深度上限。 1.3 供需熱量計(jì)算 蒸汽發(fā)生器采用 LSS0.12-0.7Y/Q 蒸汽鍋爐，理論產(chǎn)汽量為 0.12 t/h，其產(chǎn)生的飽和水蒸汽的放熱分為潛熱放熱與顯熱放熱。 fqxQQQ （1 ） 以 0.6 MPa 下的飽和水蒸汽為參照，查表可知0.6 MPa 下的飽和水蒸汽溫度為 158.86 ，比焓為2 756.72 kJ/kg，故其降到 60 時(shí)潛熱放熱量為 (158.86) (60.07)( ) 83.51 kJ/sqgmg g wQhqh h u （ 2） 顯熱放熱量為 1060.07158.86dd13.84kJ/sTxww wwTQCuT CuT （ 3） 02 d2twtdwut （4 ） 式中 Qf為總放熱量， Qq為潛熱放熱量， Qx為顯熱放熱量，kJ/s； T 為飽和水蒸汽溫度，； hg為水蒸汽焓值， kJ/kg；Cw為水的比熱容， kJ/(kg) ； 為水蒸汽密度， kg/m3；uw為水蒸汽流速，m/s 。已知產(chǎn)汽量 w 為 0.12 t/h，蒸汽軟管直徑 d 為 25 mm，則由式（ 4）可得飽和水蒸汽的流速 uw為 16.47 m/s。 故理論總放熱量為 83.51 kJ/s 13.84 kJ/s97.35 kJ/sfqxQQQ （ 5） 旋耕消毒作業(yè)機(jī)作業(yè)幅寬為 120 cm，作業(yè)速度按照0.032 m/s 計(jì)算，每根消毒管的消毒輻射范圍為 5 cm，消毒深度為 15 cm，以 10 根消毒毛管計(jì)算單位時(shí)間土壤加熱到 60 所需熱量計(jì)算，則所需要熱量為 106025ddTss sTQCmTCmT（ 6） 10 10113.048 kgis iiimm V （ 7） 式中 Qs為土壤達(dá)到預(yù)期溫度所吸收需要的熱量， kJ/s；Cs為土壤的比熱容， kJ/(kg) ； s為土壤密度 1 270 kg/m3，vi為每根消毒毛管消毒所輻射到的土壤體積， m3； m 為單位時(shí)間內(nèi)所需消毒土壤的總質(zhì)量， kg。結(jié)合式（ 6）、式（7 ）可知土壤所需蒸汽功率為 87.78 kW。 蒸汽管道熱損失有很多因素和條件，如果詳細(xì)計(jì)算需要很多數(shù)據(jù)，忽略其他傳熱與熱損耗，采用管道在空氣中熱損失 （ 3%/100 m·h） 來計(jì)算，即總流量等于管損來估算31。 則蒸汽在管道中的熱損失為 01 02()/(ln(/)/2/()1.3tpeQT-TDD D （8 ） 式中 Qt為單位長度的熱損失， W/m，Tp為管內(nèi)維持溫度158.86 ， Te為環(huán)境溫度 25 ， D0為保溫層外徑 35 mm，D1為保溫層內(nèi)徑 25 mm， 為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，查表可知為 0.033 W/(m· )參考 民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50176-1993)， 為保溫層外表面向大氣的傳熱系數(shù)，查表可知為 6.69 W/(m2·) 。通過計(jì)算得出蒸汽在管道中的熱損失為 61.1 W/m。則 10 m 蒸汽管道內(nèi)的熱損失為0.61 kW?？偘l(fā)熱量減去管道熱損失，可知高溫水蒸汽提供的熱功率為 96.74 kW 。則土壤獲得熱功率為96.74>87.78 kW。飽和水蒸汽提供的熱量能夠滿足土壤消毒加熱到 60 所需熱量。 2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì) 2.1 旋耕機(jī)裝置設(shè)計(jì) 消毒機(jī)整體采用三點(diǎn)懸掛方式和拖拉機(jī)相連，消毒機(jī)的旋耕裝置的軸連接前置傳動(dòng)箱的動(dòng)力，拖拉機(jī)動(dòng)力傳遞至變速箱動(dòng)力輸入軸，再由傳動(dòng)分配箱分配至旋耕刀輥。輸出軸旋耕刀軸的傳動(dòng)形式采用的是側(cè)邊傳動(dòng)。側(cè)邊傳動(dòng)可更加便利的拆裝傳動(dòng)裝置，并且側(cè)傳動(dòng)箱的制作工藝簡單，相對于中間傳動(dòng)時(shí)搭載笨重的鑄件傳動(dòng)箱能夠大幅減輕整機(jī)的重量，另外側(cè)邊傳動(dòng)可以將待消毒區(qū)域充分旋耕以保護(hù)后方消毒支管。圖 2 為旋耕消毒機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖，其中中央傳動(dòng)為一級變速，側(cè)邊傳動(dòng)為二級變速。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)過十字萬向節(jié)傳遞給中央變速箱中的圓錐齒輪減速并改變方向后，傳遞給側(cè)邊傳動(dòng)箱中的齒輪，再由側(cè)傳動(dòng)箱中的刀軸齒輪帶動(dòng)刀軸旋轉(zhuǎn)。作業(yè)時(shí)旋耕刀輥攜帶切削的深層土壤、殘留根茬、粉碎刀輥拋擲的混合物等越過刀輥上方并向后方拋擲，經(jīng)滾輪平整形成上細(xì)下粗的待消毒層。 機(jī)具配套動(dòng)力采用的是黃海金馬 654 拖拉機(jī)，其動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為 540720 r/min 所設(shè)計(jì)的旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為 220 300 r/min 左右。各級齒輪數(shù)： Z1為 13， Z2為 19，Z3為 15， Z4為 13， Z5為 10，Z6為 25。旋耕機(jī)構(gòu)的各級傳動(dòng)比見式（ 9）、式（ 10）。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org ） 2018 年 201.中央變速箱 2. 萬向節(jié) 3. 圓錐齒輪 4.側(cè)邊傳動(dòng)箱 5.側(cè)邊傳動(dòng)齒輪 6.旋耕刀 7. 旋耕刀軸 1.Central gearbox 2.Universal joint 3.Bevel gear 4.Side gearbox 5.Side drive gear 6.Rotary knife 7.Rotary knife axis 圖 2 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 Fig.2 Structural sketch of transmission system 中央傳動(dòng)為單級圓錐傳動(dòng)，其中一級傳動(dòng)比為 1212211913nzinz （ 9） 側(cè)邊傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)比為 36443646 432515nznzinn zz （ 10） 故拖拉機(jī)傳動(dòng)軸與旋耕機(jī)傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)比為 19 252.43613 15i （ 11） 由于配套黃海金馬 654拖拉機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速為 540720 r/min，結(jié)合式 (11)可以計(jì)算出旋耕刀軸的轉(zhuǎn)速為 12540 720221 r/min, 296 r/minnnii （ 12） 2.2 可升降消毒罩設(shè)計(jì) 消毒罩及其中的末端消毒毛管整體機(jī)構(gòu)通過液壓伸縮桿與前部旋耕裝置相聯(lián)接，通過拖拉機(jī)上的液壓開關(guān)控制消毒機(jī)構(gòu)的收放，控制消毒毛管在土壤中的消毒深度。消毒作業(yè)時(shí)上方消毒罩可封住蒸汽，減少熱量散失。消毒罩整體機(jī)構(gòu)如圖 3 所示。 1.傳動(dòng)軸 2. 液壓桿 3. 四邊形支架 4. 消毒罩 5. 消毒毛管 6.滾軸 7.三腳架 8.上支架 1.Drive shaft 2.Hydraulic rod 3.Quadrilateral bracket 4.Disinfection slip-over 5.Disinfection capillary tube 6.Roller 7.Tripod bracket 8.Upper bracket 圖 3 可升降消毒罩示意圖 Fig.3 Structural sketch of lifting disinfection slip-over 消毒罩的升降主要由中部的液壓桿和四邊形支架兩側(cè)的絲桿螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)。兩邊的絲桿螺母在固定消毒罩兩側(cè)的同時(shí)還可以調(diào)節(jié)消毒罩與地面的法線角度，確保消毒罩在作業(yè)時(shí)末端與土壤保持垂直工作狀態(tài)。 2.3 消毒毛管設(shè)計(jì) 為減少消毒毛管在土壤中移動(dòng)消毒作業(yè)時(shí)的阻力，在前排毛管的作業(yè)方向的加裝了一排犁形破土裝置如圖 4所示，破土犁之間的間距根據(jù)消毒毛管的布置間距來對應(yīng)調(diào)整，通過機(jī)構(gòu)上端的固定螺母與上梁固定。其中犁長 40 cm，厚度 1 cm，末端是一個(gè)邊長 5 cm 的等邊倒三角犁。在消毒作業(yè)時(shí)該裝置通過下方犁形面將前方土層破開，形成一排阻力較小的寬松通道便于后方的消毒毛管在土壤中移動(dòng)。該機(jī)構(gòu)既減少了毛管的前進(jìn)阻力，也可防止土壤層中雜草對消毒支管的纏繞，同時(shí)還能有效地減少蒸汽噴口處土壤的堵塞和堆積。消毒罩的下方裝有 2 個(gè)限位輪，確保消毒深度不超過 25 cm，從而可以有效地保護(hù)消毒毛管不被深層硬質(zhì)土塊刮變形。 1.支架 2. 毛管 3. 犁形破土裝置 1.Bracket 2.Capillary tube 3.Plow shape ground breaking device 圖 4 犁形破土裝置示意圖 Fig.4 Structural sketch of plow shape ground breaking device 消毒環(huán)形支管通過支管上部的螺紋接口與蒸汽軟管相連，并將軟管輸送的高溫蒸汽傳輸?shù)礁鱾€(gè)消毒毛管。消毒支管由 2 根長 120 cm、直徑 25 mm 金屬管環(huán)形聯(lián)通，在支管下方每間隔 60 mm 處設(shè)有內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)的接口，用以裝配不同管徑的消毒毛管，并且可以調(diào)整毛管之間的間距以便后期試驗(yàn)確定較優(yōu)組合方案。通過與環(huán)形支管連接的消毒毛管一共設(shè)計(jì) 4 種直徑類型，分別為 5、 10、15、 20 mm（參照標(biāo)準(zhǔn) SLDI 233A12-98)。消毒毛管管壁厚度選為 2 mm（參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 20801.1-2006），每根消毒毛管的長度為 400 mm，在距消毒毛管末端 2 cm 處以層間距 5 cm 分布 3 層孔徑為 3 mm 消毒孔，每層 3 個(gè)消毒孔呈 120°向后方分布 (圖 5)。相鄰毛管之間的間距也分別設(shè)有 180、 240、 300 mm 的 3 種分布方式，毛管通過過渡接頭與環(huán)形支管相連。 1.環(huán)形支管 2. 支管接口 3. 過渡接口 4. 消毒毛管 1.Circinate branch tube 2.Branch tube connection 3.Transition joints 4.Disinfection capillary tube 圖 5 消毒毛管示意圖 Fig.5 Structure diagram of disinfection capillary tube 第 2 期 汪小旵等：移動(dòng)式土壤旋耕蒸汽消毒機(jī)的研制 21 3 田間試驗(yàn) 3.1 試驗(yàn)條件與材料 2017 年 6 月在江蘇省鹽城市試驗(yàn)田（ 120°1440E，33°2312N）內(nèi)進(jìn)行了移動(dòng)式土壤旋耕消毒機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)動(dòng)力采用黃海金馬 654 拖拉機(jī)，標(biāo)定功率為47.8 kW，作業(yè)機(jī)具行走速度為 0.032 0.085 m/s。該試驗(yàn)田土壤為沙壤土，其容重為 1.27 g/cm3，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.7%，含水率為 22.9%，孔隙率為 34%。 3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法 選取 10 塊長度為 10 m 的區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域，作業(yè)幅寬以 120 cm 為基準(zhǔn)，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取120 cm×120 cm 正方形區(qū)域進(jìn)行 5 點(diǎn)采樣， 即確定方形區(qū)域上對角線的中點(diǎn)作為中心采樣點(diǎn)，再在對角線上選擇 4個(gè)與中心樣點(diǎn)距離相等的點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，采樣深度為15 cm，每組試驗(yàn)重復(fù) 3 次，結(jié)果為 3 次試驗(yàn)的平均值。 試驗(yàn)選取水蒸汽的壓力、機(jī)具行走速度、消毒毛管直徑以及管間距 4 個(gè)性能參數(shù)對進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證（圖 6）。整機(jī)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到 0.2 MPa 時(shí)，消毒毛管才有較為充足的消毒蒸汽產(chǎn)生，故試驗(yàn)蒸汽壓力選取 0.2、 0.3、 0.4、 0.5 和 0.6 MPa 共 5 個(gè)水平，其中每個(gè)壓力水平下對應(yīng)的飽和水蒸汽溫度分別為 120.24、133.56、 143.64、 151.87 和 158.86 ； 行走速度選取 0.032、0.035、 0.041 和 0.062 m/s 共 4 個(gè)水平；消毒毛管直徑選取了 5、 10、 15 和 20 mm 共 4 個(gè)水平；管間距則采用了180、 240 和 300 mm 共 3 個(gè)水平。試驗(yàn)通過對比單因素在不同水平下消毒溫度效果以選出最優(yōu)組合。其中單因素試驗(yàn)一共選取 3 組來進(jìn)行對比分析。第 1 組為管徑15 mm，管間距 180 mm，行走速度選取 0.032、 0.035、0.041 和 0.062 m/s 共 4 個(gè)水平，蒸汽壓強(qiáng)選取 0.2、 0.3、0.4、 0.5 和 0.6 MPa 共 5 個(gè)水平進(jìn)行分析試驗(yàn)；第 2 組選行走速度為 0.035 m/s，管間距為 180 mm，消毒毛管直徑選取 5、 10、 15 和 20 mm 共 4 個(gè)水平，蒸汽壓力選取 0.2、0.3、 0.4、 0.5 和 0.6 MPa 共 5 個(gè)水平進(jìn)行分析試驗(yàn)；第 3組為管徑 15 mm，行走速度 0.035 m/s，管間距則采用 180、240 和 300 mm 共 3 個(gè)水平，蒸汽壓強(qiáng)選取 0.2、 0.3、 0.4、0.5 和 0.6 MPa 共 5 個(gè)水平進(jìn)行分析試驗(yàn)。通過 3 組組合分析試驗(yàn)選出每個(gè)因素中的最優(yōu)值。 a. 消毒作業(yè) a. Disinfection operation b. 溫度采集 b. Temperature collection 圖 6 移動(dòng)式土壤旋耕蒸汽消毒機(jī)田間試驗(yàn) Fig6 Plot experiment of mobile soil rotary steam disinfection machine 3.3 結(jié)果與分析 第 1 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 2 所示?？梢钥闯鲈诠軓脚c管距不變的情況下，消毒溫度隨著作業(yè)速度的增加而明顯降低。作業(yè)速度為 0.032 和 0.035 m/s，蒸汽壓力為 0.6 MPa時(shí)，土壤溫度分別為 69.4 和 58.9 ，可滿足土壤消毒的溫度要求32-33。 表 2 不同機(jī)具行走速度及蒸汽壓強(qiáng)下的土壤溫度 Table 2 Soil temperature under different walking speed and steam pressure 序號No. 蒸汽壓強(qiáng) Steam pressure/MPa 行走速度 Walking speed/(m·s-1) 0.032 0.035 0.041 0.062 1 0.2 31.6 30.7 30.5 29.7 2 0.3 34.1 32.2 29.8 28.9 3 0.4 42.6 39.2 33.7 30.7 4 0.5 62.4 46.4 35.9 33.1 5 0.6 69.4 58.9 40.2 35.6 注：管徑 15 mm，管距 180 mm。 Note: Tube diameter is 15 mm, and tube distance is 180 mm. 但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)作業(yè)行走速度為 0.032 m/s 時(shí)，旋耕機(jī)工作時(shí)旋耕轉(zhuǎn)速過低，嚴(yán)重影響旋耕作業(yè)性能，因此在第 2 組和第 3 組試驗(yàn)中機(jī)具作業(yè)行走速度選取為0.035 m/s。 表 3 不同管徑及蒸汽壓強(qiáng)下的土壤溫度 Table 3 Soil temperature under different tube diameter and steam pressure 序號No. 蒸汽壓強(qiáng) Steam pressure/MPa管徑 Tube diameter/mm 5 10 15 20 1 0.2 31.6 30.7 30.5 29.7 2 0.3 34.1 32.2 29.8 28.9 3 0.4 42.6 39.2 33.7 30.7 4 0.5 62.4 46.4 35.9 33.1 5 0.6 51.3 63.2 70.6 61.1 注：機(jī)具行走速度 0.035 ms-1，管距 180 mm。 Note: Walking speed is 0.035 ms-1, and tube distance is 180 mm. 第 2 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 3 所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 5 mm 管徑的消毒毛管由于韌性較低，在消毒作業(yè)時(shí)易被土壤折彎，而 20 mm 管徑在消毒時(shí)蒸汽液化比較嚴(yán)重，在消毒作業(yè)時(shí)從消毒毛管中出來的水蒸氣會(huì)迅速液化，而液化的水會(huì)將與其接觸的土壤間隙填滿而不利于熱量的傳遞，對消毒效果影響較大。從表 3中可以看出管徑為 10和 15 mm下的消毒溫度較高， 其中管徑為 15 mm 時(shí)消毒溫度最高，溫度達(dá)到 70.6 。 0.6 MPa 壓力下，管徑為 15 mm 的消毒溫度不僅比 10 mm 下的溫度高出了 11.71%，也比20 mm 下的溫度高出了 15.55%，因此，為保證消毒溫度最高， 15 mm 管徑是最優(yōu)選擇。 第 3 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 4 所示?？梢钥闯霎?dāng)作業(yè)速度和管徑不變的情況下，消毒溫度隨著管距的增大而減小。當(dāng)管距為 180 mm，蒸汽壓力為 0.6 MPa 時(shí)，消毒溫度達(dá)到最高。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org ） 2018 年 22表 4 不同管距及蒸汽壓強(qiáng)下的土壤溫度 Table 4 Soil temperature under different tube distance and steam pressure 序號 No. 蒸汽壓強(qiáng) Steam pressure/ MPa 管距 Tube distance/mm 180 240 300 1 0.2 31.6 30.7 30.5 2 0.3 34.1 32.2 29.8 3 0.4 42.6 39.2 33.7 4 0.5 62.4 46.4 35.9 5 0.6 68.7 54.3 44.1 注：機(jī)具行走速度 0.035 m·s-1，管徑為 15 mm。 Note: Walking speed is 0.035 m·s-1, and tube diameter is 15 mm. 綜合表 2、表 3、表 4 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)管徑為15 mm 消毒后溫度最高；管間距越小消毒溫度越高；在保證旋耕質(zhì)量的前提下，機(jī)具作業(yè)行走速度為 0.035 m/s時(shí)，旋耕消毒整機(jī)作業(yè)性能較好且相對較為穩(wěn)定。當(dāng)作業(yè)速度再次提高時(shí)，蒸汽與待消毒土壤的接觸時(shí)間變短，消毒機(jī)的消毒效果大大減弱，溫度達(dá)不到預(yù)期要求的60 。并且在過高的作業(yè)速度下，后方消毒的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)收到的阻力較大易于發(fā)生形變或脫落，同時(shí)旋耕機(jī)前側(cè)堆土較多，因此最優(yōu)組合為機(jī)具作業(yè)行走速度0.035 m/s； 管徑 15 mm；管間距 180 mm；蒸汽壓 0.6 MPa，蒸汽出口溫度 158.86 。 4 結(jié) 論 本文將土壤旋耕作業(yè)與土壤蒸汽消毒技術(shù)有機(jī)結(jié)合，研制了移動(dòng)式土壤旋耕蒸汽消毒機(jī)，確定了主要機(jī)構(gòu)與工作參數(shù)，設(shè)計(jì)了關(guān)鍵部件，并對機(jī)具的作業(yè)性能進(jìn)行了理論分析，對作業(yè)效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。 1）通過熱量平衡分析得出，在土壤幅寬 120 cm，深度 15 cm時(shí)，土壤消毒到 60 時(shí)所需蒸汽功率為 87.78 kW，而當(dāng)土壤蒸汽消毒機(jī)蒸汽發(fā)生器出口壓強(qiáng)為 0.6 MPa，溫度為 158.86 時(shí)，能提供蒸汽功率為 97.35 kW，系統(tǒng)損耗為 0.61 kW，滿足土壤消毒的熱量需求。 2）通過田間試驗(yàn)確認(rèn)了最優(yōu)組合，即當(dāng)蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓強(qiáng)為 0.6 MPa，溫度為 158.86 ，機(jī)具旋耕行走速度為 0.035 m/s，消毒毛管管徑 15 mm，間距為 180 mm時(shí)，深度 15 cm 土壤消毒后溫度在 58.9 70.6 之間，可滿足土壤旋耕消毒的溫度要求。 參 考 文 獻(xiàn) 1 郭軍，顧閩峰，祖艷俠，等. 設(shè)施栽培蔬菜連作障礙成因分析及其防治措施J. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2009， 21(11)： 5154. Guo Jun, Gu Minfeng, Zu Yanxia, et al. Causes and control measures of continuous cropping obstacle in facility vegetable cultivationJ. Acta Agriculturae Jiangxi, 2009, 21(11): 5154. (in Chinese with English abstract) 2 孫光聞，陳日遠(yuǎn)，劉厚誠. 設(shè)施蔬菜連作障礙原因及防治措施J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(增刊 2)：184188. Sun Guangwen, Chen Riyuan, Liu Houcheng. Causes and control measures for continuous cropping obstacles in protected vegetable cultivationJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(Supp.2): 184188. (in Chinese with English abstract) 3 余海英，李廷軒，周健民 . 設(shè)施栽培中逆境對園藝作物生長發(fā)育及其病害的影響J. 土壤通報(bào)， 2006，37(5) ： 10271032. Yu Haiying, Li Tingxuan, Zhou Jianmin. Effects of adversities on the development and diseases of horticultural crops in greenhouse cropping systemsJ. Acta Pedologica Sinica, 2006, 37(5): 10271032. 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For example, a tremendous use of fertilizer has led to many terrible results, like soil nutrient imbalance, soil continuous cropping barriers, imbalance of soil physical and chemical properties, soil consolidation, and so on. Every issue would cause serious damages to vegetable growth, yield and quality. In order to deal with the problem of vegetable planting caused by soil continuous cropping obstacle, a kind of steam disinfection machine was designed. This machine combined the rotary tillage device with the steam sterilizer effectively, and made it possible to complete the disinfection work while doing the soil rotary tillage. It was mainly composed of 6 parts: the rotary tiller, the steam generator, the water supply device, the steam delivery system, the disinfection cover and the detachable disinfection capillary. Compared with chemical disinfection, soil steam disinfestation was an ecological technique used in intensive agriculture to reduce soil pests before planting crops, which had the advantages of safe operation. Soil steam disinfection made high temperature water vapor into the soil, and could kill most bacterias and weeds in the soil so as to achieve the effect of disinfection. Also, high temperature steam sent the residual nitrogen and phosphorus under the effective tillage layer through the pore of the soil; at this time, the pore of the soil would also be heated by the high temperature water va