專利名稱：土壤機械壓實模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬農(nóng)業(yè)機械技術(shù)領(lǐng)域，是在實驗室測定機械對土壤壓實作用的模擬裝置。
背景技術(shù)：
土壤機械壓實已被廣泛認為是對農(nóng)業(yè)、園藝和林業(yè)生產(chǎn)越來越具挑戰(zhàn)性的問題。二十世紀是機械化迅速發(fā)展的世紀，大多地方農(nóng)耕已由牲畜牽引轉(zhuǎn)變?yōu)橥侠瓩C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(xiàn)，使農(nóng)業(yè)機械化水平和農(nóng)作效率得以極大地提高。但大型拖拉機在田間作業(yè)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(dǎo)致土壤侵蝕加重，機耕阻力增加，作物根系生長受阻，土壤環(huán)境遭到破壞，即造成土壤機械壓實(soil compaction)，致使作物產(chǎn)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(jié)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(nóng)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(shè)計上還是在土壤耕作技術(shù)上對消除機械壓實都形成了一套技術(shù)措施體系。我國自上世紀八十年代起在有關(guān)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(xué)》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(shù)據(jù)。該領(lǐng)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(nóng)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(nèi)外主要用土壤容重、土壤孔隙度、機械阻力(Penetrationresistance)、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(jié)構(gòu)隨壓實強度而改變的動態(tài)指標(biāo)，可彌補其它指標(biāo)的不足。
Larson和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(yīng)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(dǎo)致我們所不希望發(fā)生的嚴重的土壤機械壓實問題。Cruse和Larson(1977)和Francis和Cruse(1983)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(fā)生破碎化。但是所有結(jié)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(xù)施加約30分鐘的壓力下獲得的。在田間生產(chǎn)實踐中，拖拉機行走速度通常在0.2-5m/s，相當(dāng)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(yīng)低于實際田間所能承受的壓力，即Larson測定的安全值(不導(dǎo)致土壤嚴重壓實)應(yīng)提高。本發(fā)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(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)目前國際上較好的模擬裝置為Dexter和Tanner設(shè)計的模擬試驗裝置。利用氮氣對水容器進行瞬間加壓，創(chuàng)造瞬間壓力，對沉在水中的樣品進行擠壓。雖然該裝置能夠?qū)Σ煌瑝毫筒煌饔脮r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(jié)果的準確性存在影響；三是無法進行土壤水勢測定；四是設(shè)備復(fù)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(fā)明的實際意義之所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對國際目前現(xiàn)有模擬裝置的缺陷，設(shè)計制造了土壤機械壓實模擬試驗裝置。本發(fā)明裝置的關(guān)鍵是利用調(diào)速電機②和滑動軌道⑧來實現(xiàn)模擬機械不同行走速度和不同載重，利用活塞對土壤盛樣器⑦中的土壤進行壓實，將金屬土壤盛樣器與負壓計相連，形成一整套土壤機械壓實模擬測試裝置；整套設(shè)備由支架⑩支撐，高90cm；由倒順開關(guān)⑥控制行走方向；可模擬0.1s以上壓力作用時間和11kg/cm2以下壓力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、土壤空隙度、同時還可測定土壤水勢。
本發(fā)明的最終目標(biāo)是建造一個可搭載不同載重，最快可以1m/s的速度行進的裝置。行走車①通過活塞對盛樣器⑦中的土樣進行壓實。如果載重行走車以1m/s的速度行進，活塞與載重車接觸長度只有0.1m，則載重車作用土樣的時間最短可控制在0.1s?？赏ㄟ^調(diào)速控制器③控制不同速度，因而該裝置可進行作用土樣0.1s及其以上的各作用時間的模擬試驗。
1、不同行走速度的實現(xiàn)采用原理調(diào)速電機②調(diào)整不同速度；改變齒輪大小變速。
采用的電磁調(diào)速電機為上海海光電機廠生產(chǎn)的YCT132-4A型號電機，調(diào)速范圍為1280-125r/min。
驅(qū)動輪⑤為Φ18cm，43齒；Φ6cm，14齒。調(diào)速輪④為Φ14cm，32齒。
2、不同載重的實現(xiàn)載重車的中間安置Φ20cm的行走輪，模擬拖拉機輪。行走輪通過軸桿及四個垂直側(cè)向小輪固定在行走車的中間。通過該四個垂直側(cè)向小輪推動行走輪在中間軌道上行走，當(dāng)行至活塞處垂直落下，對土樣進行壓實作用。行走輪上設(shè)有配重支撐桿，可加不同配重。
3、土壤容重和土壤水勢的測定土壤金屬盛樣器的橫截面積一定，利用深度卡尺可測定土壤壓前和壓后高度變化，進而可計算土壤容重的變化。利用美國產(chǎn)負壓計(Tensiometer)測定土壤水勢。將微型陶土頭插入盛樣器中，機械行走后，測定土壤水勢。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。①滑動載重車；②調(diào)速電機；③調(diào)速控制器；④調(diào)速齒輪；⑤驅(qū)動齒輪；⑥倒順開關(guān)；⑦金屬套管；⑧金屬滑道；⑨鏈條⑩支架。
具體實施例方式本發(fā)明于2004年3月在黑龍江省海倫市制作完畢。于2004年5月開展壓實模擬試驗。經(jīng)過一年的試驗結(jié)果表明，該裝置完全達到了設(shè)計要求，得到了理想的試驗結(jié)果。該裝置可進行0.1s以上各種作用時間、0.1kg/cm2-11kg/cm2載重的各種模擬試驗，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。
權(quán)利要求
1.一種土壤機械壓實模擬裝置，其特征在于利用調(diào)速電機②和滑動軌道⑧來實現(xiàn)模擬機械不同行走速度和不同載重，利用活塞對土壤盛樣器⑦中的土壤進行壓實，將金屬土壤盛樣器與負壓計相連，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以下壓力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、土壤空隙度，同時還可測定土壤水勢。
全文摘要
土壤機械壓實已成為農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展所不可回避的問題。本發(fā)明是針對國際目前現(xiàn)有土壤壓實模擬裝置的缺陷，根據(jù)軌道滑動原理和變速電機及齒輪調(diào)速作用，設(shè)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
文檔編號G01N33/00GK1661356SQ200510016550
公開日2005年8月31日 申請日期2005年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月28日
發(fā)明者張興義, 隋躍宇, 焦曉光 申請人:中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所