CN109348766B - 一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法。该方法采用连续式螺旋入土装置进行土壤深松，该装置采用驱动马达作为动力源，不需人为向下使力，或仅需使用较小的力量，入土筒体即可通过螺旋方式自行入土，入土后采用多次、多点脉冲气爆的方法进行土壤深松，使用该方法在较短处理时间和使用较少高压气量情况下，具有土壤深松土壤裂缝数量较多、缝长较长、缝宽较宽，土壤的容重较小、总空隙率较大，碎土率、土壤膨松度均较高，深松较为均匀，渗透性较好等优点。

Description

一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法

技术领域

本发明涉及土壤深松领域，尤其涉及一种连续式螺旋入土装置以及采用该装置进行土壤深松的方法。

背景技术

土壤是种植业赖以生存的基础。传统的耕作方式主要以拖拉机为动力带动凿式/铲类机具的机械犁地方式为主，存在需破坏地表及植被、作业阻力大、器具磨损大、能耗较高，作业成本较高和效益较低等问题。

目前，为解决农田土壤板结和实现深耕深施保护性耕作方式，在土壤内采用气压劈裂或气爆原理实现松土的新技术正在兴起。但是，目前的气爆头或气爆枪等入土装置一般采用扦插式、冲击钻方式。例如：冲击式松耕装置专利（申请号：201611092217.5）、自动喷爆松施头专利（申请号：201510934742.6)、土壤松土头（申请号：201510152027.7）、气流喷爆式松施装置（申请号：201521047256.4）等，这种方式对于土质较硬的土壤、板结的土壤存在着以下不足：

一是当遇到土壤内部有石块、铁块等尖硬物体时，不易作业，会造成冲击头损伤，降低使用寿命。

二是需要人工向下用力，通过冲击或扦插方式入土，所需动力较大，耗能较大，而且入土时间较长。

三是由于整个入土装置会不断受到冲击，所以会采用厚度、重量、体积较大装置来满足较高的结构、硬度等要求，这样使整个装置显得笨重，影响工作精度。

四是入土头扭矩较小，不容易破土，且破土面积较小，不利于疏松土壤。

五是取出入土头时通常也需要人力拔出，较为费力、麻烦。

目前为数不多的农田土壤气压深松方式大多为利用高压气体在土壤内部形成瞬时高压并作用于土层内壁上，造成土层形成裂缝并泄压，从而实现气压劈裂松土的效果，如气压式土壤深松方法（申请号：CN201410456302.X）；或是利用高压气流喷射于土层中，强行刺穿土层形成裂缝来实现松土的效果，如基于气流喷射松土系统（申请号：201510153006.7）。据我们试验研究，发现这些气压松土方式不同程度地存在以下不足：

一是对同一气爆处理点均是通过单次高压气体压裂/刺穿技术实现的土壤深松，都存在放气时间长则耗气量大，气压对土壤的有效作用时间浪费较大，技术经济性较低，不利于推广应用；放气时间短则有效作用压力下降较快、气体对土层作用时间短、压裂裂缝数量较少和缝长较短、缝宽较窄，效果不理想等问题；

二是单次气爆后形成少量裂缝，高压气体主要通过形成的裂缝逃逸至自由面（主要为地面），对非裂缝区域的土壤作用效果较差，造成土壤平均容重、总体膨松度和总空隙率改变不大，深松不均匀，应用性能有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种节省人力、耗能较小、利于破土、结构简单轻便、方便出土的连续式螺旋入土装置以及使用该装置进行土壤深松的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法，采用连续式螺旋入土装置进行土壤深松，所述连续式螺旋入土装置包括驱动马达、进气管和送气机构，所述送气机构包括高压旋转接头、入土头、入土筒体、内部中空的从动轮，所述高压旋转接头的固定端通过第一连接件与进气管连接，高压旋转接头的转动端通过第二连接件与从动轮连接，从动轮通过第三连接件与入土筒体相连，所述的入土筒体外侧设有入土筒体外螺纹，入土筒体底部设置入土头，入土筒体内部设有送气通道，入土筒体上还设有进气口和排气口，进气口连通进气管，送气通道分别连通进气口、排气口；

所述驱动马达的输出轴上固定安装有主动轮，所述的主动轮与所述的从动轮传动连接；所述的进气管 通过连接杆固定安装在驱动马达的机体上；

所述的方法包括以下步骤：

S1：将进气管与脉冲气体发生装置的输出端相连；

S2：根据需要深松的土壤确定若干气爆点，每个气爆点的水平距离为0.5～5 m；

S3：启动驱动马达，手持连续式螺旋入土装置，并使入土头对准气爆点，将连续式螺旋入土装置旋入土壤下10~40cm，关闭驱动马达；

S4：启动脉冲气体发生装置，设置一个脉冲周期为0.02~2 s，通过排气口向土壤内释放至少两个脉冲周期的压缩空气，单次脉冲中释放压缩空气的时间为半个脉冲周期，所述压缩空气的气压为0.3~3.0 Mpa；

S5：启动驱动马达，控制驱动马达反转，将连续式螺旋入土装置旋出土壤；

S6：选取另外一个气爆点，重复步骤S3~S5，直到所有气爆点均被处理。

优选的，所述的从动轮与主动轮均为齿轮且相互啮合。

优选的，所述的第一连接件、第二连接件第三连接件均为法兰盘。

优选的，所述的入土头为圆锥形尖头或带棱的锥形尖头。

优选的，所述的进气管上设有刻度。

优选的，所述送气通道的内径为0.5～5 cm。

本发明的有益效果是：

（1）在驱动马达的驱动作用下，入土筒体可通过配合入土筒体外螺纹旋向的旋转方式进入土中，避免了扦插用力和间隙地冲击，有利于减少土壤阻力的影响，提高入土效率，降低使用成本；在入土过程中，没有采用现有技术中的冲击方式，有效减少了对入土头的冲击损耗，延长入土头的使用寿命，再者，由于减少了冲击的影响，降低了对整个装置的材质要求，则可进一步减少入土装置的厚度、重量和体积，使得入土装置结构更加简单、小巧、轻便、耐用、制造成本低，也相应减少了制造成本，采用驱动马达作为动力源，不需人为向下使力，或仅需使用较小的力量，入土筒体即可通过螺旋方式自行入土，有效减轻了劳动强度，方便省力。

（2）根据实验，农田土壤中每次气爆后10～50 ms产生压力峰值，随后以大约压力峰值产生时间的3～10倍的时间衰减下来，而本发明采用以0.5～50 Hz的脉冲频率实施气爆松土，能在较短时间内，以较少气量形成多个压力峰值，对土壤反复加压，大大延长了对农田土壤的有效压力作用时间，从实验数据来看，气爆后土壤裂纹数量、裂纹长度均明显大幅增加。

（3）多次脉冲高压气体作用于土层后，由于周期性反复加压、泄压的过程，形成振荡效应，造成土壤层振动坍塌、碎裂，土壤的容重、总空隙率，碎土率等显著提高，形成了较好的深松效果和深松稳定性。

（4）每次气爆压力控制在0.3～3.0 Mpa，对一般农田土壤均较适合，即不会因压力过大产生危害，又能达到气爆松土的效果，提高了气爆处理的效率、减少了高压气体用量和能耗，提高了该发明的经济适用性。

（5）适宜的气爆压力、频率和脉冲次数、入土深度处理后，土壤的渗透性、深松均匀性和深松稳定性均大幅提高。

（6）整个气爆深松方法科学合理、可操作强，生产条件温和、对设备要求低，适合不同规模的农户和合作社作业，具有良好的应用和市场需求。

（7）本发明在较短处理时间和使用较少高压气量情况下，具有土壤深松土壤裂缝数量较多、缝长较长、缝宽较宽，土壤的容重较小、总空隙率较大，碎土率、土壤膨松度均较高，深松较为均匀，渗透性较好等优点，适用于农田土壤的高效深松作业，特别是对于板结土壤，作用效果更为明显。该方法创新性地改变了传统农业的耕作模式，对我国土壤耕地质量的保护和改善、农业生产效率的提高和转型升级，市场应用前景和发展潜力良好。

附图说明

图1为连续式螺旋入土装置结构图；

图2为图1的A-A视图；

图3为图1的B-B视图；

图4为图1的C-C视图；

图中，1-进气管，2-第一连接件，2.1-第二连接件，2.2-第三连接件，3-高压旋转接头，4-从动轮，4.1-输出轴，4.2-主动轮，5-入土筒体，6-入土筒体外螺纹，7-送气通道，8-排气口，9-入土头，10-驱动马达，11-连接杆。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-4，本发明提供两种技术方案：

实施例一：

连续式螺旋入土装置，包括驱动马达10、进气管1和送气机构。

所述的驱动马达10为气动马达，气动马达与电动马达相比，体积小功率高，具有高适应性，温升较小，转速可随负载改变，直至超载停机而不会对气动马达产生任何损伤，而且可以无级调速，操作灵活，入土时驱动马达10正转，出土时驱动马达10反转，换向容易。进一步的，驱动马达10上设有把手，以便于操作人员驱使驱动马达10向土中旋进。

所述送气机构包括高压旋转接头3、入土头9、入土筒体5、内部中空的从动轮4，所述高压旋转接头3的固定端通过第一连接件2与进气管1连接，高压旋转接头3的转动端通过第二连接件2.1与从动轮4连接，从动轮4通过第三连接件2.2与入土筒体5相连，从动轮4内部为中空结构，以实现将来自高压旋转接头3的气体传输至入土筒体5。

所述的第一连接件2、第二连接件2.1第三连接件2.2均为法兰盘，使得各个部件之间拆卸方便、强度高、密封性能好。

所述驱动马达10的输出轴4.1上固定安装有主动轮4.2，所述的主动轮4.2与所述的从动轮4传动连接，具体的，所述的从动轮4与主动轮4.2均为齿轮且相互啮合时可达到传动目的，其作用过程为：主动轮4.2随所述输出轴4.1旋转，主动轮4.2带动从动轮4旋转，进而带动入土筒体5旋转。

所述的进气管1 通过连接杆11固定安装在驱动马达10的机体上，以保证驱动马达10与从动轮4的相对位置不变，所述进气管1的管壁较厚以承载驱动马达10。

所述驱动马达10将动能输送至中从动轮4，进而带动入土筒体5以及高压旋转接头3的转动端旋转，达到入土筒体5旋转而进气管1不旋转的目的，则通过高压旋转接头3的转接作用，进气管1可在旋转连接组件4随驱动马达10的转动过程中不随入土筒体5一起作旋转运动。

所述的入土筒体5外侧设有入土筒体外螺纹6，则在驱动马达10的驱动作用下，入土筒体5可通过配合入土筒体外螺纹6旋向的旋转方式进入土中，避免了扦插用力和间隙地冲击，有利于减少土壤阻力的影响，提高入土效率，降低使用成本；在入土过程中，没有采用现有技术中的冲击方式，有效减少了对入土头9的冲击损耗，延长入土头9的使用寿命，再者，由于减少了冲击的影响，降低了对整个装置的材质要求，则可进一步减少入土装置的厚度、重量和体积，使得入土装置结构更加简单、小巧、轻便、耐用、制造成本低，采用驱动马达10作为动力源，不需人为向下使力，或仅需使用较小的力量，入土筒体5即可通过螺旋方式自行入土，有效减轻了劳动强度，方便省力。

所述入土筒体外螺纹6可为右螺纹，也可为左螺纹，入土时根据不同螺纹方向采用相应转动的驱动马达10带动旋转入土，退出时采用反向旋转方向退出即可，入土筒体外螺纹6采用右螺纹或左螺纹的方式配合正、反向转动的驱动马达10，既可使入土筒体5按右手螺旋方式旋转自行前进和入土，又可使入土筒体5按左手螺旋方式旋转，从而带动自行后退和退出土壤，减轻了入土的劳作和作业完成后拔管的劳作。

所述入土筒体5底部设置入土头9，优选的，所述的入土头9为圆锥形尖头，便于入土时将来自动力装置的力集中，快速进入土中，利于入土工作，在特殊狭窄空间，也能够通过尖端体积较小的锥头使得整个入土头9的入土深度更深，受土壤阻力影响更小。

入土筒体5内部设有送气通道7，送气通道的内径为0.5cm，入土筒体5上还设有进气口和排气口8，进气口连通进气管1，送气通道7分别连通进气口、排气口8，则送气通道7、进气口、排气口8三者在入土筒体5上形成一个完整的输气通道。

进一步的，所述的进气管1上设有刻度，方便观察入土深度。

针对板结的农田土壤，一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法，包括以下步骤：

S1：将进气管1与脉冲气体发生装置的输出端相连；

S2：预处理0.5亩土壤，设置100个均匀排布的气爆点，每个气爆点的水平距离为2m；

S3：启动驱动马达10，手持连续式螺旋入土装置，并使入土头9对准气爆点，将连续式螺旋入土装置旋入土壤下40cm，关闭驱动马达10；

S4：启动脉冲气体发生装置，设置一个脉冲周期为三十分之一秒，通过排气口8向土壤内释放15个脉冲周期的压缩空气，单次脉冲中释放压缩空气的时间为半个脉冲周期，即六十分之一秒，所述压缩空气的气压为2.5Mpa；

S5：启动驱动马达10，控制驱动马达10反转，将连续式螺旋入土装置旋出土壤，

S6：将连续式螺旋入土装置移至第二个气爆点，重复步骤S3~S5，处理0.5亩土壤后，单点裂纹达6条，缝长达1.8 m，土壤平均紧密度从2883 KPa降低为1164 KPa，土壤平均容重从1.805 g/cm3降低为1.420 g/cm3，土壤总空隙度从35.4 %提高到43.2 %。

实施例二：

连续式螺旋入土装置，包括驱动马达10、进气管1和送气机构。

所述的驱动马达10为气动马达，气动马达与电动马达相比，体积小功率高，具有高适应性，温升较小，转速可随负载改变，直至超载停机而不会对气动马达产生任何损伤，而且可以无级调速，操作灵活，入土时驱动马达10正转，出土时驱动马达10反转，换向容易。进一步的，驱动马达10上设有把手，以便于操作人员驱使驱动马达10向土中旋进。

所述送气机构包括高压旋转接头3、入土头9、入土筒体5、内部中空的从动轮4，所述高压旋转接头3的固定端通过第一连接件2与进气管1连接，高压旋转接头3的转动端通过第二连接件2.1与从动轮4连接，从动轮4通过第三连接件2.2与入土筒体5相连，从动轮4内部为中空结构，以实现将来自高压旋转接头3的气体传输至入土筒体5。

所述的第一连接件2、第二连接件2.1第三连接件2.2均为法兰盘，使得各个部件之间拆卸方便、强度高、密封性能好。

所述驱动马达10的输出轴4.1上固定安装有主动轮4.2，所述的主动轮4.2与所述的从动轮4传动连接，具体的，所述的从动轮4与主动轮4.2均为齿轮且相互啮合时可达到传动目的，其作用过程为：主动轮4.2随所述输出轴4.1旋转，主动轮4.2带动从动轮4旋转，进而带动入土筒体5旋转。

所述的进气管1 通过连接杆11固定安装在驱动马达10的机体上，以保证驱动马达10与从动轮4的相对位置不变，所述进气管1的管壁较厚以承载驱动马达10。

所述驱动马达10将动能输送至中从动轮4，进而带动入土筒体5以及高压旋转接头3的转动端旋转，达到入土筒体5旋转而进气管1不旋转的目的，则通过高压旋转接头3的转接作用，进气管1可在旋转连接组件4随驱动马达10的转动过程中不随入土筒体5一起作旋转运动。

所述的入土筒体5外侧设有入土筒体外螺纹6，则在驱动马达10的驱动作用下，入土筒体5可通过配合入土筒体外螺纹6旋向的旋转方式进入土中，避免了扦插用力和间隙地冲击，有利于减少土壤阻力的影响，提高入土效率，降低使用成本；在入土过程中，没有采用现有技术中的冲击方式，有效减少了对入土头9的冲击损耗，延长入土头9的使用寿命，再者，由于减少了冲击的影响，降低了对整个装置的材质要求，则可进一步减少入土装置的厚度、重量和体积，使得入土装置结构更加简单、小巧、轻便、耐用、制造成本低，采用驱动马达10作为动力源，不需人为向下使力，或仅需使用较小的力量，入土筒体5即可通过螺旋方式自行入土，有效减轻了劳动强度，方便省力。

所述入土筒体外螺纹6可为右螺纹，也可为左螺纹，入土时根据不同螺纹方向采用相应转动的驱动马达10带动旋转入土，退出时采用反向旋转方向退出即可，入土筒体外螺纹6采用右螺纹或左螺纹的方式配合正、反向转动的驱动马达10，既可使入土筒体5按右手螺旋方式旋转自行前进和入土，又可使入土筒体5按左手螺旋方式旋转，从而带动自行后退和退出土壤，减轻了入土的劳作和作业完成后拔管的劳作。

所述入土筒体5底部设置入土头9，优选的，所述的入土头9为圆锥形尖头，便于入土时将来自动力装置的力集中，快速进入土中，利于入土工作，在特殊狭窄空间，也能够通过尖端体积较小的锥头使得整个入土头9的入土深度更深，受土壤阻力影响更小。

入土筒体5内部设有送气通道7，送气通道的内径为0.5cm，入土筒体5上还设有进气口和排气口8，进气口连通进气管1，送气通道7分别连通进气口、排气口8，则送气通道7、进气口、排气口8三者在入土筒体5上形成一个完整的输气通道。

进一步的，所述的进气管1上设有刻度，方便观察入土深度。

针对多茬蔬菜土壤，一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法，包括以下步骤：

S1：将进气管1与脉冲气体发生装置的输出端相连；

S2：预处理0.5亩土壤，设置49个均匀排布的气爆点，每个气爆点的水平距离为3m；

S3：启动驱动马达10，手持连续式螺旋入土装置，并使入土头9对准气爆点，将连续式螺旋入土装置旋入土壤下20cm，关闭驱动马达10；

S4：启动脉冲气体发生装置，设置一个脉冲周期为0.1s，通过排气口8向土壤内释放5个脉冲周期的压缩空气，单次脉冲中释放压缩空气的时间为半个脉冲周期，即0.05s，所述压缩空气的气压为0.8Mpa；

S5：启动驱动马达10，控制驱动马达10反转，将连续式螺旋入土装置旋出土壤，

S6：将连续式螺旋入土装置移至第二个气爆点，重复步骤S3~S5，处理0.5亩土壤后，单点裂纹达9条，缝长达1.1 m，土壤紧密度从634 KPa降低为243 KPa，土壤容重从1.047g/cm3降低为0.714 g/cm3，土壤总空隙度从55.9 %提高到66.1 %。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法，其特征在于：采用连续式螺旋入土装置进行土壤深松，所述连续式螺旋入土装置包括驱动马达（10）、进气管（1）和送气机构，所述送气机构包括高压旋转接头（3）、入土头（9）、入土筒体（5）、内部中空的从动轮（4），所述高压旋转接头（3）的固定端通过第一连接件（2）与进气管（1）连接，高压旋转接头（3）的转动端通过第二连接件（2.1）与从动轮（4）连接，从动轮（4）通过第三连接件（2.2）与入土筒体（5）相连，所述的入土筒体（5）外侧设有入土筒体外螺纹（6），入土筒体（5）底部设置入土头（9），入土筒体（5）内部设有送气通道（7），入土筒体（5）上还设有进气口和排气口（8），进气口连通进气管（1），送气通道（7）分别连通进气口、排气口（8）；

所述驱动马达（10）的输出轴（4.1）上固定安装有主动轮（4.2），所述的主动轮（4.2）与所述的从动轮（4）传动连接；所述的进气管（1）通过连接杆（11）固定安装在驱动马达（10）的机体上；

所述的方法包括以下步骤：

S1：将进气管（1）与脉冲气体发生装置的输出端相连；

S2：根据需要深松的土壤确定若干气爆点，每个气爆点的水平距离为0.5～5m；

S3：启动驱动马达（10），手持连续式螺旋入土装置，并使入土头（9）对准气爆点，将连续式螺旋入土装置旋入土壤下10~40cm，关闭驱动马达（10）；

S4：启动脉冲气体发生装置，设置一个脉冲周期为0.02~2s，通过排气口（8）向土壤内释放至少两个脉冲周期的0.5～50Hz的脉冲频率的压缩空气，单次脉冲中释放压缩空气的时间为半个脉冲周期，所述压缩空气的气压为0.3~3.0Mpa；

S5：启动驱动马达（10），控制驱动马达（10）反转，将连续式螺旋入土装置旋出土壤；

S6：选取另外一个气爆点，重复步骤S3~S5，直到所有气爆点均被处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法，其特征在于：所述的从动轮（4）与主动轮（4.2）均为齿轮且相互啮合。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法，其特征在于：所述的第一连接件（2）、第二连接件（2.1）、第三连接件（2.2）均为法兰盘。

4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法，其特征在于：所述的入土头（9）为圆锥形尖头或带棱的锥形尖头。

5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法，其特征在于：所述的进气管（1）上设有刻度。

6.根据权利要求1所述的一种基于脉冲气爆进行土壤深松的方法，其特征在于：所述送气通道（7）的内径为0.5～5cm。

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