据联合国环境计划署1992年全球荒漠化统计资料作出的评估(Melih, 1997), 全球干旱地区的土地面积已超过61×10⁸ hm², 占全球土地面积的1/3。其中10×10⁸ hm²的超干旱地区几乎不可能使人类生存。其余51×10⁸ hm²是干旱、半干旱和亚湿润干旱地区。全球大约10×10⁸ hm²的土地(占20%的干旱、半干旱和亚湿润干旱区)是由于人为因素而造成的土地荒漠化。每年要消失600×10⁴ hm²的可耕种土地, 更大面积的土地正在丧失它原有的生物功能。

我国是世界上荒漠化危害最严重的国家之一, 据文献报导(周金星, 孙保平等, 1999), 干旱、半干旱和亚湿润干旱区的总面积为3.327×10⁸ hm², 占国土面积的34.6%。其中实际发生荒漠化的土地面积为2.6223×10⁸ hm², 占国土面积的27.32%, 涉及18个省(区、市)的471个县(旗), 风蚀荒漠化土地仍以每年2.46×10⁴ hm²的速度扩展, 近4×10⁸人口受到土地荒漠化的危害。

因此, 无论从全球范围还是从我国情况来看, 防治荒漠化都是当前面临的一项紧迫而艰巨的重要任务。最近我国已经把防治荒漠化、改善生态环境作为开发西部的头等大事, 并且到2010年要实现全国森林覆盖率达到17%、用材林面积达10780×10⁴ hm²、薪碳林面积达766×10⁴ hm²这样一个目标(中华人民共和国林业部, 1995), 只有依靠机械化造林才能实现。

我国虽然在50年代中期, 在土地沙化比较严重的科尔沁地区就建立了一批机械化林场, 使用蔡斯金式植树机、JZ-30 cm型牵引式植树机、JZX-25型悬挂式植树机造林, 但由于上述植树机造林栽植深度最大为40 cm, 满足不了那些地下水位低, 风蚀严重的干旱半流动沙丘的造林要求。中国林业科学研究院、内蒙古喀喇沁旗林业科学研究院曾经研制过后置门架结构、液压式、钻孔深度分别为3.5 m和3.4 m的深孔钻, 但没有得到推广应用。

1990年以来, 在科尔沁沙地开展的深栽造林试验表明, 在那些干旱半流动沙丘, 造林栽植深度达到80 cm以上时具有较高的成活率(80%~90%), 当栽植深度达到1.4 m以上时, 其成活率和保存率几乎达到100% (俞国胜等, 2000)。因此, 进行干旱地区造林技术装备的研究, 尤其是深栽造林技术装备的研究对加速荒漠化地区植被的恢复、尽快改善生态环境具有极其重要的意义。

自作者1995年为国际援助GCP/CPR/009/BEL项目研制第一台深栽造林钻孔机以来, 至今已发展到了第3代-牵引式深栽造林钻孔机。根据科尔沁沙地深栽造林试验的结果, 这种机器为导轨结构, 最大钻孔深度为1.7 m, 钻孔直径为90 cm。液压操纵, 具有操作简单, 维修保养方便等特点。多年来使用深栽造林钻孔机营造的杨树林成活率和保存率都在90%以上, 尤其是在2000年东北地区、科尔沁沙地特大干旱的年份, 用其它造林方式造林的成活率在不断采用人力浇水后只有20%的情况下, 使用深栽造林钻孔机营造的林木成活率仍在90%以上, 并且没有采用任何灌溉和浇水措施。深栽造林钻孔机在我国西部、特别在干旱和半干旱地区造林具有广阔和特殊的应用前景。

1 深栽造林钻孔机性能试验

在深栽造林钻孔机的使用过程中, 其造林作业效率随操作者的不同其造林作业效率从每小时造林30棵到120棵不等。钻孔效率的高低除与操作者的技术熟练程度有关以外, 与造林地土壤的性质、钻头的旋转速度、钻头的驱动扭矩、钻头向下移动的速度及其钻头的结构有直接的关系。在钻头结构已确定的情况下, 不同土壤条件、不同钻头转速、不同钻头进给速度所需钻孔扭矩不同。确定各种情况下所需的钻头扭矩, 找出最佳钻头转速和钻头进给速度将对这类机械设备的设计和正确使用起到重大的指导作用。

1.1 试验仪器

试验在自行设计制造的深栽造林钻孔机第3代样机上进行。钻头由一个摆线齿轮液压马达驱动, 在液压系统压力达到10 kPa时, 其驱动力矩可达到100 Nm。钻头的上下移动由另一个摆线齿轮液压马达驱动链传动装置而实现。钻头为右旋螺旋型, 螺旋翼片升程为75 mm, 钻杆直径为ϕ32 mm, 钻孔直径为ϕ90 mm, 最大钻孔深度为1400 mm, 钻尖为分叉型。试验时在钻孔机的钻头与摆线齿轮液压马达之间加装了一个AKC-205B型扭矩传感器, 其测量范围为0~500 Nm。通过一个CH/A-1100AB智能称重显示控制仪给扭矩传感器输入其加载所需±12 V的直流电压, 扭矩传感器测量的钻头扭矩值以毫伏级的电压再输出给智能称重显示控制仪的另一通道并显示, 同时经过放大以后的电压信号输出给一台XR-510C磁带数据记录仪, 将钻孔机作业过程中的扭矩变化情况记录在磁带上。在安装扭矩传感器的支架上还安装了一个磁感应式的转速传感器, 用于监测钻头的转速。在野外测试时, 所有显示、记录仪、传感器的电源由一台输出电压为220 V, 功率为1000 W的不间断电源提供。图 1为测试装置的连接和实测状况。

1.2 试验地状况

造林深孔钻机主要为用于干旱、半干旱沙地的深栽造林而设计, 试验地点选择在内蒙古科尔沁沙地的腹部-奈曼旗的兴隆沼林场。这一地区具有典型的大陆性气候, 年降水量350~650mm并多集中于夏季的7、8、9月。冬季寒冷干旱, 春、秋两季风大且干旱, 平均风速4.1 m/s, 最大风速15 m/s, 年蒸发量1500~2100 mm, 年平均气温6.1℃, 最低温-29.7℃, 最高温41℃, 无霜期120~140 d。该地区土壤贫瘠、沙层深厚, 气候、自然条件差, 土壤的有机质含量为6.755 g/kg、全氮(N)为0.532 g/kg、全磷(P)为0.318 g/kg、全钾(K)为2.74 g/kg、pH值为7.4, 地下水埋深5 m以下, 并且地广人稀, 经济落后。钻孔机的性能测试分别在大面积造林的固定沙地、流动沙丘和道路两侧等典型的造林地点进行。图 2是在3种不同土壤硬度条件的地区进行试验的实况。

1.3 试验方法、结果与分析 1.3.1 钻孔阻力矩与钻头进给速度的关系

将发动机转速通过控制调速器操纵杆固定, 这样钻头转速就成为不变因素。不同的钻头进给速度的调节是通过一个液压调速阀来实现的。调速阀串联在手动控制阀与驱动钻头上下移动的液压马达连接的油路上, 为单向调速, 即当钻头下降时可起调速作用, 而钻头上升时调速阀不起作用, 可快速回位。

在该项试验中, 钻头的转速控制在300~360 r/min, 钻孔进给速度从0.034 m/s至0.062 m/s等4个变化范围。从试验所得数据的结果看, 进给速度越小, 所需钻孔扭矩越小。在进给速度小于0.047 m/s范围内, 所需钻孔扭矩变化较小。而当进给速度在0.062 m时, 所需钻孔扭矩值明显增大(图 3)。在试验中, 当钻头进给速度大于0.062 m/s时, 由于钻孔阻力急剧增大, 导致拖拉机发动机驱动功率在此转速下不足而熄火。

造成上述情况的原因是由于在钻头螺旋升土翼片最底部的切土刀片的部分或全部实际切削后角或称为隙角小于零所造成。切土刀片的实际切削后角α_隙为刀片后角α_后与运动角α_运动之差, 即:

α_隙=α_后-α_运动

刀片上某点的运动角α_运动是进给速度u与该点切削速度v合成方向-即实际切削速度v_实际与水平面的夹角(图 4)。当某点的运动角α_运动大于后角α_后时就会发生刀片不能切土、阻力急剧上升的现象。由于刀片为径向布置, 当钻头在某一转速旋转时, 沿刀片刃部每一点的切削速度随径向距离的增大而增大。在一定进给速度的情况下, 沿径向刀片各点的实际切削后角是不同的, 随距钻头轴心线的半径增大而实际切削后角增大。因此, 随进给速度的增大, 刀片实际切削后角小于零的情况先发生在距钻头轴心线半径较小的部位, 而后沿径向向外延伸直至全部刀片长。刀片后角α_后一般与钻头翼片的螺旋升角相一致。在一定转速下, 钻头的进给应控制在使距钻头轴心线最近点刀片实际后角不等于或小于零的速度。

1.3.2 钻孔阻力矩与钻头不同旋转速度的关系

将钻头进给速度固定, 改变钻孔钻头的旋转速度, 测量不同转速时钻孔阻力矩。钻头旋转速度是通过改变拖拉机发动机调速器操纵杆的位置以改变发动机的转速, 从而改变液压油泵的供油量进而改变驱动钻头的液压马达的转速来实现的。但在实际钻孔作业中, 随钻孔深度的变化, 不同深度层的土壤硬度不同, 钻孔阻力也不同, 从而造成钻头的转速不能绝对稳定在某一个值, 而是在该值上下波动。因此, 本试验的不同转速是在不同的转速范围。在试验过程中, 钻头转速的调节范围在240 r/min至600 r/min之间, 钻头进给速度固定在0.06 m/s。试验时每一转速钻5个孔, 测量不同钻孔深度时的扭矩, 并取5次测量的平均值。试验是在固定沙地进行。

图 5是在4个不同转速范围时钻头随钻孔深度变化的扭矩曲线。从图中可以看出钻头转速在360~400 r/min时钻头所需的扭矩值最小, 随钻孔深度的增加, 所需扭矩值几乎呈线性关系增加。钻头转速过低或过高时, 钻孔所需的扭矩值均较大。钻头转速过低时钻孔阻力矩过大的原因与上述的钻孔螺旋叶片切土刀片实际切削后角变小相同。而钻头转速过高时, 钻孔阻力的增大是由于被切下的土壤在钻头螺旋翼片中上升过程中, 土壤粒子对孔壁的压力增大而造成钻孔阻力矩增大。在钻头转速为300~360 r/min时, 5个测试点中的2个点在钻深60 cm时遇到硬土层, 导致该点的平均阻力矩上升, 因而在图中有一峰值。

1.3.3 钻孔阻力矩与不同土壤硬度的关系

钻孔阻力矩测试在流动沙丘、固定沙地和道路两侧3种典型的造林地点进行。对3种类型土壤的硬度用南京土壤仪器厂生产的TE-3型土壤硬度计在钻孔机最大钻孔深度范围内每间隔30 cm进行测量, 在3种造林地土壤硬度与深度之间的关系见图 6。在固定沙地土壤硬度测试中发现, 在距地表面1 m以上深度范围内的土壤含水率几乎为零, 土壤板结从40 cm深开始至1 m深, 1 m以下土壤开始湿润, 1.2 m以下为细沙。土壤硬度随土壤的板结而加大。在深度为60 cm左右为最大硬度, 深100 cm以后土壤硬度开始降低, 测试深度到达120~140 cm时, 土壤硬度只有346 N。

在道路两侧的土壤测试中, 距地表面深0~20 cm为土壤最大硬度, 30 cm深以后土壤硬度逐渐降低, 深50 cm以下开始出现沙土, 深110 cm以下为细纱。

在进行不同土壤条件钻孔阻力试验时, 钻头的转速为300 r/min, 进给速度为0.044 m/s, 钻头本身的结构参数与其它试验相同。从试验记录数据和作出的曲线(图 7)可以看出:

在流动沙丘钻孔阻力随钻深的增加逐渐增大, 这与流动沙丘的土壤硬度不随深度层变化的情况似乎并不一致, 但这是符合规律的。钻孔阻力主要由二部分组成, 即切削阻力矩和升土阻力矩。前者主要取决于土壤硬度, 硬度不变, 阻力矩也不会有大的变化; 而升土阻力矩则随升土量的增加而增大, 钻孔越深, 阻力矩也就越大。

在固定沙地钻孔时, 钻孔阻力最大在60 cm深左右, 当钻孔深度超过80 cm以后阻力逐渐减小直至钻孔深度到达110 cm以后, 钻孔阻力又开始略有上升, 其阻力上升的趋势与流动沙丘基本相同。这种情况也与测试土壤的硬度情况相一致, 因为在60 cm深左右有一个明显的板结层。道路两侧的试验表明, 钻孔时在距地表面30 cm深范围内钻孔阻力值增加很快, 越过30 cm深以后, 钻孔阻力值开始下降并趋于稳定在一定的范围。在钻孔深度达到120 cm以后, 钻孔阻力值随深度的增加而增大。这种情况与道路两侧地表面压实程度较大而造成土壤硬度较大的情况相一致。在测试中, 在距地表面10 cm范围内, 钻孔最大阻力矩曾达到53 Nm。

2 结论

从上述3种性能试验的总体情况看, 用于科尔沁半干旱沙地的深栽造林钻孔机在其钻头转速为360~400 r/min、进给速度为0.047 m/s左右时具有最高的钻孔效率;

深栽造林钻孔机的钻孔阻力矩随土壤硬度的增大而增大。从试验所测得的数据看, 在科尔沁沙地的最大钻孔阻力矩平均不大于40 Nm, 但在道路两侧个别地点钻孔阻力矩高达53 Nm。深栽造林钻孔机所配备的液压马达最大输出扭矩为100 Nm, 大于最大钻孔阻力矩, 具有足够的扭矩储备;

在钻头结构一定的情况下, 进给速度与钻头的旋转速度有一个合理的正比关系。当进给速度过大与旋转速度不相适应时, 钻孔阻力矩将急剧增大, 最终会导致钻头不钻孔。