錐形輪體結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓器設(shè)計與試驗

郭 慧，陳 志，賈洪雷，鄭鐵志，王 剛，王 奇

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錐形輪體結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓器設(shè)計與試驗

郭 慧1,2，陳 志2,3，賈洪雷1,2※，鄭鐵志4，王 剛1,2，王 奇1,2

（1. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室，長春 130025； 2. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春130025；3. 中國機械工業(yè)集團有限公司，北京 100080； 4. 吉林省農(nóng)業(yè)機械化管理中心，長春 130062）

為簡化機具結(jié)構(gòu)，同時解決傳統(tǒng)播種作業(yè)過程中覆土及鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性不佳的問題，該文設(shè)計了一種兼具覆土和鎮(zhèn)壓功能的覆土鎮(zhèn)壓器，該裝置由左右2個具有錐形結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓輪組成。通過對覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)過程種溝土壤受力情況和運動過程的分析，明確了該裝置的覆土和鎮(zhèn)壓作用機理，及覆土鎮(zhèn)壓器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)（外徑、覆土鎮(zhèn)壓器寬度、內(nèi)傾角和載荷）的取值范圍，同時確定了影響覆土和鎮(zhèn)壓性能的3個主要影響因素（外載荷、左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距和內(nèi)傾角）。通過三因素三水平Box-Benhnken試驗，以作業(yè)后的覆土厚度和種溝上方距離地表5 cm處土壤緊實度為試驗指標，得到了影響土壤緊實度的各因素的主次順序為：載荷、左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距、內(nèi)傾角，影響覆土厚度的各因素的主次順序為：內(nèi)傾角、載荷、左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距。通過Design-Expert軟件獲得了覆土鎮(zhèn)壓器最佳參數(shù)組合為：載荷900 N，左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距為13 mm，內(nèi)傾角為16°。最佳參數(shù)組合的驗證試驗得出，作業(yè)后種溝上方距離地表5 cm處土壤緊實度均值為（43.8±1.9） kPa，變異系數(shù)為4.3%；覆土厚度均值為（32.9±2.3） mm，變異系數(shù)為6.9%。滿足既定的設(shè)計目標，且具有較好的作業(yè)穩(wěn)定性，該研究可為播種機覆土鎮(zhèn)壓器的設(shè)計提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；設(shè)計；運動學(xué)；覆土；鎮(zhèn)壓；裝置；試驗

0 引 言

中國東北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)由于耕地墾殖時間長、耕作方式使土壤擾動頻繁，使得耕地退化、土壤失墑嚴重、水土流失加劇，進而影響了播種作業(yè)質(zhì)量。因此，通過對播種作業(yè)機具關(guān)鍵部件的研究和改進設(shè)計，可為機具性能的提高，及機具在作業(yè)過程中蓄水保墑能力的提高提供輔助性裝備支撐[1-2]。

覆土和鎮(zhèn)壓是播種作業(yè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，作為東北壟作區(qū)播種作業(yè)的一項傳統(tǒng)農(nóng)藝技術(shù)措施，覆土作業(yè)應(yīng)滿足將種溝內(nèi)的種子覆蓋嚴密，并達到覆土量適宜和覆土均勻的目的[3-4]。鎮(zhèn)壓作業(yè)的作用是通過提高土壤緊實度，以使苗帶土壤吸收水分能力增加，同時使種子與周圍濕土密接，起到提墑、保墑和供墑作用。覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)的質(zhì)量直接影響種子生長環(huán)境，進而影響作物的生長和產(chǎn)量[5-7]。

現(xiàn)有的覆土器主要有八字形板式、雙圓盤式和擠壓式3種，其中八字形板式覆土器，因其可根據(jù)壟型大小及覆土厚度不同而進行調(diào)節(jié)，廣泛應(yīng)用于東北壟作播種機[8]；雙圓盤式覆土器，因其具有覆土量大、覆蓋嚴密和作業(yè)阻力小的特點，多用于玉米、大豆等行距較大的中耕作物播種機上。擠壓式覆土器，集覆土與鎮(zhèn)壓功能于一體，由左右2個與地面成一定傾角的輪子構(gòu)成，在國外免耕播種機上應(yīng)用較多。用于播種機上的鎮(zhèn)壓器主要包括平面、凹面、凸面和錐面4種形式。此外，國內(nèi)學(xué)者對覆土和鎮(zhèn)壓裝置也展開了廣泛的研究，劉選偉等[9]研究的雙層圓盤式覆土器可減少覆土過程對種子的位移；董向輝等[10]研究的刮板式輸送覆土器具有覆土量充足且均勻的性能；茍文等研究的套作模式下鏈環(huán)式覆土器覆土質(zhì)量穩(wěn)定優(yōu)異[11]；Ren等[12-13]研究的仿生鎮(zhèn)壓器可解決作業(yè)過程中的土壤粘附問題；羅紅旗等[14]研究的組合鎮(zhèn)壓器可實現(xiàn)對壟沿及播種帶的同時鎮(zhèn)壓；賈洪雷等[15-16]研究的仿形彈性鎮(zhèn)壓輥可解決鎮(zhèn)壓作業(yè)縱向和橫向仿形問題。

目前對覆土鎮(zhèn)壓裝置的研究多集中在覆土器和鎮(zhèn)壓器單個部件結(jié)構(gòu)和作業(yè)性能上，或覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)對作物生長和土壤墑情的研究上，而對覆土鎮(zhèn)壓一體機構(gòu)，即覆土鎮(zhèn)壓器的研究相對較少[17-19]。常見的覆土鎮(zhèn)壓一體機構(gòu)，即擠壓式覆土鎮(zhèn)壓器，該覆土鎮(zhèn)壓器多為淺覆土作業(yè)，且因其采取2個擠土輪擠壓土壤作業(yè)的方式，使得其在作業(yè)過程中因擠土輪與土壤接觸面積較小而導(dǎo)致覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性不佳，不能滿足傳統(tǒng)播種作業(yè)對覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)的要求，因此常應(yīng)用于免耕播種機上[8]。覆土鎮(zhèn)壓器因其集覆土和鎮(zhèn)壓功能于一體，在實現(xiàn)簡化機具結(jié)構(gòu)，提高機具作業(yè)穩(wěn)定性的同時，還可實現(xiàn)覆土后及時鎮(zhèn)壓，從而有利于減少傳統(tǒng)覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)過程中的水分蒸發(fā)，提高土壤墑情、保持土壤水分。為此，本文設(shè)計了一種具有錐形輪體結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓器，在解決傳統(tǒng)播種作業(yè)過程中覆土及鎮(zhèn)壓問題的同時，具有較好的覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性。本文研究了載荷、左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距、內(nèi)傾角對作業(yè)后土壤緊實度和覆土厚度的影響，并尋找了各因素的最優(yōu)組合。

1 覆土鎮(zhèn)壓器整體結(jié)構(gòu)及其工作原理

錐形輪體結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓器，主要由輪架、輪軸、高度調(diào)節(jié)裝置和2個對稱布置的錐形覆土鎮(zhèn)壓輪組成，如圖1所示。覆土鎮(zhèn)壓器的輪架通過螺栓與播種機具的機架板剛性連接，并可通過更換輪軸以實現(xiàn)左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距的調(diào)整。覆土鎮(zhèn)壓器對種溝土壤的作用力如圖2所示，坐標軸為水平地表方向，軸為與地表垂直方向，在作業(yè)過程中依靠左右2個具有錐形結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓輪所組合形成的倒“V”型傾斜面結(jié)構(gòu)，以在作業(yè)過程中對種溝土壤產(chǎn)生擠壓力F，進而實現(xiàn)覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)的同時進行，可以看出力F的大小主要與覆土鎮(zhèn)壓器的外徑、載荷、覆土鎮(zhèn)壓器寬度和傾斜面結(jié)構(gòu)相關(guān)[11]。

1. 機架板 2. 輪架 3. 輪軸 4. 軸承 5. 左覆土鎮(zhèn)壓輪 6. 右覆土鎮(zhèn)壓輪 7. 高度調(diào)節(jié)裝置

覆土鎮(zhèn)壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)會對其作業(yè)質(zhì)量產(chǎn)生顯著的影響，因此需要合理設(shè)計并選擇其結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)。本文覆土鎮(zhèn)壓器的設(shè)計，需要確定輪體的外徑、寬度相關(guān)參數(shù)（包括單側(cè)覆土鎮(zhèn)壓輪水平面寬度、單側(cè)覆土鎮(zhèn)壓輪傾斜面寬度、左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距）、內(nèi)傾角、載荷等。

注：X、Y分別代表水平和垂直方向；fs為覆土鎮(zhèn)壓器對土壤顆粒沿其傾斜面的摩擦力，N；Gsoil為土壤顆粒自身重力，N；FN為覆土鎮(zhèn)壓器傾斜面對土壤顆粒的支持力，N；Ftotal為土壤顆粒在覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)過程所受的合力，N。

2 覆土鎮(zhèn)壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 覆土鎮(zhèn)壓器外徑

覆土鎮(zhèn)壓器的直徑直接影響鎮(zhèn)壓效果及滑移率，其直徑越小，作業(yè)中的滑移率越大，同時易出現(xiàn)拖土和壅土現(xiàn)象，進而直接影響鎮(zhèn)壓和覆土效果。相反，其直徑越大，越易傳動，同時可減小作業(yè)過程中的滑移率，但過大的直徑會增加作業(yè)過程中的滾動阻力。本文所設(shè)計的覆土鎮(zhèn)壓器，應(yīng)用在播種機上，在滿足排肥和排種傳動輪正常傳動的情況下[20-21]，覆土鎮(zhèn)壓輪的外徑1應(yīng)滿足：

式中w為帶動排種、排肥部件所消耗的傳動力矩，N×m；w為軸套中的摩擦力矩，N×m；為作用在覆土鎮(zhèn)壓器上的總載荷，N；為土壤對覆土鎮(zhèn)壓輪的摩擦系數(shù)，無量綱常數(shù)。

因此，由式（1），結(jié)合實際作業(yè)情況與經(jīng)驗[14]，覆土鎮(zhèn)壓器的直徑一般取300～600 mm為宜。在滿足傳動要求的情況下，為了盡可能減小作業(yè)過程中的滾動阻力，故本文覆土鎮(zhèn)壓器的外徑選取為稍大于取值范圍最小值即可，最終確定外徑1為350 mm。

2.2 覆土鎮(zhèn)壓器寬度

本文所設(shè)計的覆土鎮(zhèn)壓器由左右2個具有錐形結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓輪對稱布置而成，因此覆土鎮(zhèn)壓器的寬度與2個覆土鎮(zhèn)壓輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接相關(guān)。覆土鎮(zhèn)壓器寬度是由開溝寬度和播種壟距決定的，一般對于鎮(zhèn)壓器寬度而言，寬度過小易造成苗帶下沉，在地表形成溝狀；寬度過大，相同作業(yè)載荷下，會因鎮(zhèn)壓器與土壤接觸面積增大而使其對土壤產(chǎn)生的壓強減小，從而不能滿足播種農(nóng)藝對鎮(zhèn)壓力的需求[21-22]。由于本文設(shè)計的覆土鎮(zhèn)壓器通過左右2個對稱布置的錐形輪體實現(xiàn)覆土和鎮(zhèn)壓功能，因此在同一內(nèi)傾角（見圖3）條件下，寬度越大，左右覆土鎮(zhèn)壓輪在作業(yè)過程中其傾斜面結(jié)構(gòu)與種溝土壤接觸面積越小。同時為了保證覆土鎮(zhèn)壓器的作業(yè)通過性，使其在作業(yè)過程中不因地表秸稈或土壤擁堵在左右覆土鎮(zhèn)壓輪相交處，故設(shè)置了左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距3，如圖3。結(jié)合上述2方面，為了保證覆土鎮(zhèn)壓器與種溝土壤的緊密接觸，本文設(shè)計的覆土鎮(zhèn)壓器，可通過更換輪軸以調(diào)整左右2個覆土鎮(zhèn)壓輪在輪軸上的位置（即改變左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距3的大?。?，以在一定范圍內(nèi)改變其實際作業(yè)寬度。其實際作業(yè)寬度為：

式中1為單側(cè)覆土鎮(zhèn)壓輪水平面寬度，mm；2為單側(cè)覆土鎮(zhèn)壓輪傾斜面寬度，mm；3為左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距，mm。

覆土鎮(zhèn)壓器寬度的確定與開溝器開溝形狀緊密相關(guān)，本文所采用的開溝器為雙圓盤開溝器，其直徑為380 mm，工作夾角為12°，圓盤聚點與水平直徑的夾角為20°，開溝器入土深度為50 mm。通過開溝器的室內(nèi)土槽開溝試驗，對種溝形狀進行測量，如圖3，得到相關(guān)種床參數(shù)。

壟寬1為：

幅寬2為：

mm （4）

壟高2為：

開溝作業(yè)后的溝深1為：

（6）

式中xx、x分別為種溝土壤曲線上點、、對應(yīng)的橫坐標，mm；y為種溝土壤曲線上點對應(yīng)的縱坐標，mm。

通常單側(cè)覆土鎮(zhèn)壓輪傾斜面寬度2應(yīng)滿足稍大于苗幅寬度的一半，因此取2為70 mm。單側(cè)覆土鎮(zhèn)壓輪水平寬度1的設(shè)置是為了保證輪體與水平地表有足夠的接觸面積，以保證其傳動穩(wěn)定性，故取1為20 mm。為了保證左右覆土鎮(zhèn)壓輪的傾斜面結(jié)構(gòu)與種溝土壤的接觸，左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距3應(yīng)滿足：，即取3≤29 mm。

2.3 覆土原理與覆土鎮(zhèn)壓器內(nèi)傾角

由農(nóng)業(yè)土壤力學(xué)[23]可知，從動剛性鎮(zhèn)壓輪在松軟的土壤上穩(wěn)定運動時，可視為只有土壤發(fā)生形變，除受土壤機械特性影響外，還與輪體本身的結(jié)構(gòu)和受力情況有關(guān)。為了實現(xiàn)覆土功能，需要使覆土鎮(zhèn)壓器在作業(yè)過程中與種溝土壤有足夠的接觸面積，且能使種溝兩側(cè)土壤有向種溝溝底運動的趨勢，即覆土鎮(zhèn)壓器對種溝兩側(cè)土壤的作用力有指向種溝溝底的趨勢。

基于以上分析，本文設(shè)計了一種具有錐形輪體結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓器，使覆土鎮(zhèn)壓器在作業(yè)過程中，左右2個具有錐形結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓輪與種溝土壤接觸面成傾斜結(jié)構(gòu)，利用其傾斜面結(jié)構(gòu)與種溝土壤的相互作用，對種溝土壤產(chǎn)生有指向種溝溝底運動的趨勢，以將種溝兩側(cè)土壤（1）擠壓到種溝內(nèi)部（3、4），最終實現(xiàn)覆土功能，如圖3所示。為了保證一定的覆土厚度，在假設(shè)覆土作業(yè)過程中不考慮回土和壅土的情況下，由于作業(yè)過程中土壤壓實現(xiàn)象的存在，會使圖3中所示3和4區(qū)域內(nèi)的土壤密度大于作業(yè)前位于種溝兩側(cè)1區(qū)域的土壤密度。因此，可推導(dǎo)出該裝置滿足覆土功能需有：

式中1為覆土作業(yè)前單側(cè)種溝的堆土面積，其面積可用種溝曲線與覆土鎮(zhèn)壓輪外緣￠圍成的面積表示，mm2；3為覆土作業(yè)后種溝內(nèi)水平地表以上的堆土面積，其面積可用水平面以上種溝曲線、￠￠與水平面軸及鎮(zhèn)壓輪外緣曲線、￠圍成的面積表示，mm2；4為覆土作業(yè)后，種溝內(nèi)水平地表以下的堆土面積，其面積可用水平面以下種溝曲線、￠與水平面軸圍成的面積表示，mm2。

本文采用的開溝器為雙圓盤開溝器，其溝型特點如圖3所示，以種溝土壤邊緣曲線點為坐標原點，地面水平方向為軸，與地面垂直方向向上為軸。由圖3左右覆土鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與種溝曲線間的關(guān)系，可推導(dǎo)出：

（9）

（10）

式中為種溝土壤曲線上對應(yīng)點的橫坐標，mm；2為覆土鎮(zhèn)壓輪外緣、種溝曲線與水平面軸圍成的面積，mm2；l＇為覆土鎮(zhèn)壓輪外緣￠￠與種溝土壤接觸點￠之間的距離，且cc￠=22+b，mm；為覆土鎮(zhèn)壓輪內(nèi)傾角，即單側(cè)覆土鎮(zhèn)壓輪傾斜面與水平方向的夾角，（°）；f()、f()分為種溝土壤曲線段、段在圖示坐標內(nèi)的擬合方程，mm；x為種溝土壤曲線上點對應(yīng)的橫坐標，mm；l￠為軸上的開溝寬度，即種溝土壤曲線上點和點￠之間的距離，mm；1為開溝器作業(yè)后的深度，mm。

結(jié)合式（7）～（10），可知本文所設(shè)計的覆土鎮(zhèn)壓器內(nèi)傾角、左右覆土鎮(zhèn)壓輪寬度和種溝形狀直接影響其覆土性能，并可推導(dǎo)出使覆土鎮(zhèn)壓器滿足覆土作業(yè)性能需有：

通過對種溝曲線段、段進行分段擬合，得擬合方程分別為：

（12）

結(jié)合公式（11）～（13），可確定本文所設(shè)計的覆土鎮(zhèn)壓器的內(nèi)傾角約為≤18.67°。

2.4 鎮(zhèn)壓原理與覆土鎮(zhèn)壓器載荷

在播種單體鉸接點的支持力和鎮(zhèn)壓輪軸承滾動阻力忽略不計的情況下，播種單體在作業(yè)時受的垂直作用力包括自身重力和彈簧壓力、拖拉機通過機架作用于單體的拉力、開溝器工作阻力，土壤對覆土鎮(zhèn)壓器的反作用力￠[24]，其中土壤對覆土鎮(zhèn)壓器的反作用力在垂直方向的分力Q與覆土鎮(zhèn)壓器對土壤的垂直載荷（即覆土鎮(zhèn)壓器載荷）互為作用力與反作用力，二者大小相等，方向相反，如圖4所示。

注：G為播種單體在作業(yè)時受的垂直作用力，N；H為拖拉機通過機架作用于單體的拉力，N；R為開溝器工作阻力，N；Rx為開溝器工作阻力R沿水平方向的分力，N；Ry為開溝器工作阻力R沿垂直方向的分力，N；Q￠為土壤對覆土鎮(zhèn)壓器的反作用力，N；Qx為土壤對覆土鎮(zhèn)壓器的反作用力沿水平方向的分力，N；Qy為土壤對覆土鎮(zhèn)壓器的反作用力沿垂直方向的分力，N；φ為拖拉機通過機架作用于單體的拉力與水平方向的夾角，（°）。

對于剛性輪在非剛性路面上行走時，其接地面積可視為矩形，面積可由剛性輪寬度與徑向接觸弧長之積表示[4]。本文所設(shè)計的覆土鎮(zhèn)壓器因其結(jié)構(gòu)的對稱性和左右覆土鎮(zhèn)壓輪的錐形結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合圖3對單側(cè)覆土鎮(zhèn)壓輪進行分析，其接地面積由覆土鎮(zhèn)壓輪水平寬度1部分所在水平面的接觸區(qū)和其傾斜面寬度2部分與種溝形成的接觸區(qū)兩部分組成，其接地面積約為：

式中￠為覆土鎮(zhèn)壓輪外緣與種溝土壤實際接觸區(qū)的寬度，mm；0為土壤下陷量，mm；1為覆土鎮(zhèn)壓輪外徑，mm；2為覆土鎮(zhèn)壓輪近種溝側(cè)與土壤接觸處直徑，且，mm；為傾斜面寬度2部分與種溝形成的接觸區(qū)接地面積計算直徑，mm。

由此得出，覆土鎮(zhèn)壓器在作業(yè)過程中對種子上方土壤產(chǎn)生的壓強為：

一般對于玉米種植過程中要求鎮(zhèn)壓作業(yè)對土壤產(chǎn)生的壓強在30～50 kPa范圍內(nèi)為宜[20]，因此結(jié)合式（14）和（15），對于本文設(shè)計的覆土鎮(zhèn)壓器滿足鎮(zhèn)壓作業(yè)性能要求需有：

（16）

對于開溝作業(yè)后的黏壤土，以鎮(zhèn)壓強度為40 kPa時進行計算，滿足鎮(zhèn)壓強度的土壤下陷量取0=8 mm；外徑1=350 mm；寬度參數(shù)1=20 mm，2=70 mm，3=(0～30) mm；覆土鎮(zhèn)壓輪內(nèi)傾角=(10～20)°。結(jié)合雙圓盤開溝器作業(yè)后的種溝溝型特征，代入式（16）經(jīng)計算得到，作用在覆土鎮(zhèn)壓器上的載荷的取值范圍約為570～790 N。

3 試 驗

3.1 試驗方法

試驗于2016年4月在吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院試驗田進行。試驗地土壤為典型東北區(qū)黑鈣土。試驗前，0～10 cm處土壤容積密度為1.18 g/cm3，10～20 cm處土壤容積密度為1.32 g/cm3，0～5 cm處土壤含水率為12.8%，5～10 cm處土壤含水率為15.1%，10～15 cm處土壤含水率為17.1%，15～20 cm處土壤含水率為19.6%，試驗中機具作業(yè)速度為2.1 m/s，試驗現(xiàn)場如圖5所示。

試驗用的主要儀器有約翰迪爾906型拖拉機、SC-900型土壤緊實度儀、MS-350型水分測定儀、環(huán)刀組件（容積100 cm3）、電子天平、電子秤、鋼板尺等。

圖5 田間試驗

3.2 載荷設(shè)置方法

輪子在非剛性路面承受載荷時，其下陷量0的計算可簡化為[4]：

式中為土壤特性參數(shù)，且=（1+0.27）；為與土壤性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)；為鎮(zhèn)壓輪寬度，mm；為鎮(zhèn)壓輪直徑，mm。

由式（17）可知土壤下陷量0與土壤特性、鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)特性和載荷有關(guān)，因此在土壤條件和鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)既定的條件下，載荷與土壤下陷量正相關(guān)。

將鎮(zhèn)壓輪單獨取出進行下陷量標定試驗，通過電子秤和刻度尺記錄實測載荷與土壤下陷量，對載荷與土壤下陷量之間的關(guān)系進行標定。標定時通過電子秤測量載荷（該載荷為重力載荷，可由質(zhì)量與重力加速度之積表示），通過給鎮(zhèn)壓輪增加配重以實現(xiàn)改變載荷。為了使下陷量標定數(shù)據(jù)擬合曲線能更準確，在標定過程中，應(yīng)使標定載荷包含上文計算的值范圍（570～790 N），因此標定載荷選取475～925 N（同時包含后續(xù)試驗選取的載荷水平），且每間隔50 N測一次土壤下陷量，測量5次取平均值。土壤下陷量測量方法如圖6所示，載荷標定數(shù)據(jù)見表1。

注：Z0為土壤下陷量，mm。

表1 土壤下陷量標定數(shù)據(jù)

通過Origin軟件中的Polynomial Fit擬合工具得到土壤下陷量￠與載荷￠的擬合圖，如圖7。由于土壤下陷量與載荷為正相關(guān)，建立的二次函數(shù)擬合度較好，因此得到土壤下陷量￠與載荷￠之間的函數(shù)關(guān)系式為：

式中y￠為土壤下陷量，mm；x￠為土壤下陷量所對應(yīng)的載荷，N。

基于式（18）中土壤下陷量和載荷的關(guān)系，得到該覆土鎮(zhèn)壓器田間試驗中載荷在500、700和900 N時對應(yīng)的下陷量值為4.8、7.6和9.8 mm。因此，如圖1所示，可通過覆土鎮(zhèn)壓裝置中高度調(diào)節(jié)裝置上所配置的絲杠組件，以實現(xiàn)鎮(zhèn)壓輪下陷量的調(diào)整，即完成載荷的設(shè)置。

3.3 試驗因素與因素水平的選擇

田間試驗為基于Box-Behnken（BBD）試驗設(shè)計的響應(yīng)曲面法的3因素3水平試驗，每組試驗重復(fù)3次，取平均值作為試驗結(jié)果。田間試驗的目的是尋找覆土鎮(zhèn)壓器最佳的結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)，并探尋各個因素對該裝置覆土和鎮(zhèn)壓性能的影響規(guī)律[25]。

由式（11）和式（16）可知，在外徑1=350 mm、單側(cè)覆土鎮(zhèn)壓輪水平面寬度1=20 mm和傾斜面寬度2= 70 mm已經(jīng)確定的情況下，本文選取外載荷、左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距3、內(nèi)傾角為試驗因素，每個因素取3個水平。根據(jù)式（16）所得出的覆土鎮(zhèn)壓器載荷的取值范圍為570～790 N，實際試驗載荷應(yīng)包含計算的值，因此本文取載荷3水平分別為500、700和900 N；左右覆土鎮(zhèn)壓輪的間距3過大會影響覆土質(zhì)量，為了保證覆土質(zhì)量，3的取值范圍應(yīng)小于種溝曲線上點和點￠之間的水平間距（如圖3所示），因此本文取左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距3水平分別為0、15和30 mm；根據(jù)式（11）～（13）所確定的內(nèi)傾角范圍為≤18.67°，由于內(nèi)傾角的分析是在假設(shè)覆土作業(yè)過程中土壤不考慮回土和壅土的情況下，且當過小會因輪體沿前進方向產(chǎn)生的壅土現(xiàn)象而影響覆土質(zhì)量，結(jié)合實際加工情況，因此本文取內(nèi)傾角3水平分別為10°、15°和20°，具體因素水平見表2。

表2 試驗因素水平表

根據(jù)Design-Expert軟件中的響應(yīng)曲面法進行試驗方案設(shè)計[26-27]。以作業(yè)后種子上方的覆土厚度和種溝上方距離地表5 cm處土壤緊實度作為試驗指標，試驗總次數(shù)為17次，其中的12組作為析因點，5組作為零點，零點試驗重復(fù)多次，以估計試驗誤差。試驗方案和結(jié)果如表3所示，表中1、2、3分別為載荷、左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距和內(nèi)傾角的因素編碼值。

3.4 試驗結(jié)果方差分析

數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后，得出覆土鎮(zhèn)壓器作業(yè)后種溝上方距離地表5 cm處土壤緊實度的方差分析結(jié)果如表4所示。對表2中的數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得到覆土鎮(zhèn)壓器作業(yè)后土壤緊實度對編碼自變量的二次多元回歸方程為：

由表4方差分析結(jié)果可知，影響因子1、22、32對土壤緊實度影響極顯著，影響因子2、3在=0.05時影響顯著，其他影響因子不顯著。且各因子對土壤緊實度的顯著性由大到小依次為載荷、左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距、內(nèi)傾角。

表3 試驗方案與結(jié)果

表4 土壤緊實度方差分析

數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后，得出覆土鎮(zhèn)壓器作業(yè)后覆土厚度的方差分析結(jié)果如表5所示。對表2中的數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得到覆土鎮(zhèn)壓器作業(yè)后覆土厚度對編碼自變量的二次多元回歸方程為：

由表5方差分析結(jié)果可知，影響因子1、3、12、32對覆土厚度影響極顯著，影響因子2、13、22在=0.05時顯著，其他影響因子不顯著。且各因子對覆土厚度的顯著性由大到小依次為內(nèi)傾角、載荷、左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距。

由方差分析我們可以看出，載荷對覆土和鎮(zhèn)壓性能均有較大影響，這是由于載荷的大小直接關(guān)系覆土力和鎮(zhèn)壓力的大小，這與賈洪雷等人對仿形彈性鎮(zhèn)壓輪對土壤緊實度的影響因素研究相一致[15]；內(nèi)傾角對覆土性能的影響僅次于載荷，這是由于內(nèi)傾角直接關(guān)系到覆土力在指向種溝底部的分力的大小，王景立對八字形、雙圓盤式和擠壓式覆土器的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，覆土器與土壤的作業(yè)角度是影響覆土厚度的主要因素[8]。

表5 覆土厚度方差分析

3.5 試驗結(jié)果響應(yīng)曲面法分析

應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析各因素對作業(yè)后種溝的土壤緊實度和覆土厚度的影響。具體操作方法為固定3個因素中1個因素為0水平，考察其他2個因素對土壤緊實度和覆土厚度的影響。

1）固定內(nèi)傾角為15°，得到載荷和左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距對土壤緊實度和覆土厚度的關(guān)系分別為：

（22）

由圖8、式（21）和式（22）可知，在該試驗水平下，載荷對土壤緊實度的影響比左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距顯著，土壤緊實度隨著載荷的增加而上升，其上升趨勢基本穩(wěn)定，這是由于載荷的大小直接影響鎮(zhèn)壓力的大小，進而影響土壤緊實度；土壤緊實度隨左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，這可能是由于在間距較大時，覆土鎮(zhèn)壓器的錐形結(jié)構(gòu)不足以有足夠的接觸面積使種溝土壤進行覆土作業(yè)，而當間距逐漸趨于0時，會因發(fā)生了種溝土壤沿機具前進方向的壅土現(xiàn)象而導(dǎo)致了覆土厚度的下降。在該試驗水平下，載荷對覆土厚度的影響比左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距顯著，這是由于載荷直接影響覆土力的大小，而左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距通過影響覆土力的受力面積而影響覆土厚度，因此其影響程度要小于載荷；覆土厚度隨載荷和左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距的增大均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這可能是由于在載荷過大或間距過小時覆土鎮(zhèn)壓器沿機具前進方向出現(xiàn)了壅土現(xiàn)象，而當載荷過小或間距過大時，又不能提供足夠的覆土力和作用面積。

2）固定左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距為10 mm，得到載荷和內(nèi)傾角對土壤緊實度和覆土厚度的關(guān)系分別為：

（24）

注：固定內(nèi)傾角為15°。

Note: Inclination angle is fixed at 15°.

圖8 載荷和間距對土壤緊實度和覆土厚度影響的響應(yīng)曲面

Fig.8 Response surface showing effects of load and horizontal interval on soil compaction and thickness of covering soil

由圖9、式（23）和式（24）可知，在該試驗水平下，載荷對土壤緊實度的影響比內(nèi)傾角顯著，土壤緊實度隨著載荷的增加而上升，其上升趨勢基本穩(wěn)定，這中現(xiàn)象可由式（15）得出，在接觸面積不變時，載荷對鎮(zhèn)壓力的影響要大于內(nèi)傾角；土壤緊實度隨內(nèi)傾角的增加而緩慢增加，且呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，這可能是由于當內(nèi)傾角過小時會引起種溝土壤沿左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距沿鎮(zhèn)壓反方向流動，產(chǎn)生了一個鎮(zhèn)壓阻力，而當內(nèi)傾角過大時會使載荷沿覆土鎮(zhèn)壓輪與種溝土壤接觸面沿垂直方向的分力減小，進而使土壤緊實度減少。在該試驗水平下，內(nèi)傾角對覆土厚度的影響比載荷顯著，覆土厚度隨著內(nèi)傾角的增加而上升，且上升趨勢逐漸減緩，這是由于內(nèi)傾角直接關(guān)系覆土力在指向種溝底部分力的大??；覆土厚度隨載荷的增加而上升，且呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，這可能是由于當載荷過小或內(nèi)傾角過大時，提供的覆土力相對較小，而當載荷過大或內(nèi)傾角過小時，因覆土力相對較大會使種溝土壤沿機具前進方向和左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距產(chǎn)生壅土現(xiàn)象，進而影響覆土厚度。

注：固定左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距為10 mm。

5）固定載荷為700 N，得到左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距和內(nèi)傾角對土壤緊實度的關(guān)系為：

（26）

由圖10、式（25）和式（26）和可知，在該試驗水平下，左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距對土壤緊實度的影響略比內(nèi)傾角顯著，這是由于左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距對覆土鎮(zhèn)壓器與種溝土壤接觸面積影響較大導(dǎo)致的；土壤緊實度隨左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距和內(nèi)傾角的增大均緩慢增大，且呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這可能是由于在間距過大或內(nèi)傾角過大時，覆土鎮(zhèn)壓器與種溝土壤的接觸面積和覆土鎮(zhèn)壓器傾斜面與土壤作用處沿指向種溝溝底處的覆土力的分力較小，而當間距過小或內(nèi)傾角過小時，會因使土壤產(chǎn)生反方向的流動和壅土現(xiàn)象而產(chǎn)生覆土和鎮(zhèn)壓阻力所致。在該試驗水平下，內(nèi)傾角對覆土厚度的影響比左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距顯著，覆土厚度隨著內(nèi)傾角的增加而上升，且上升趨勢逐漸減緩，這是由于內(nèi)傾角直接關(guān)系到覆土力在指向種溝底分力的大小；覆土厚度隨左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距的增加而緩慢上升，且呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，這是由于間距過大時，覆土鎮(zhèn)壓器傾斜結(jié)構(gòu)與種溝土壤接觸不足，而當間距過小時，會使種溝土壤產(chǎn)生沿機具前進方向的壅土現(xiàn)象所致。

注：固定載荷為700 N。

4 驗證試驗

根據(jù)《NY/T1628-2008玉米免耕播種機作業(yè)質(zhì)量》指標要求，一般覆土深度為鎮(zhèn)壓后種子至地表的距離為30～50 mm[28-30]，從農(nóng)藝的角度看，覆土深度越一致越好；而對土壤緊實度的要求一般在30～50 kPa，其中免耕播種作業(yè)要求深開溝、淺播種和重鎮(zhèn)壓操作[4,28]。因此，結(jié)合上述試驗結(jié)果，本文以作業(yè)后種溝處土壤緊實度和覆土厚度盡量大為目標，通過Design-Expert軟件獲得了最佳參數(shù)組合為載荷900 N，左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距約為13 mm，內(nèi)傾角約為16°。實際最佳載荷900 N超出了式（16）計算出的載荷范圍609～790 N，這是由于對載荷的計算是由力、接觸面積和壓強之間的關(guān)系得出的，其中接觸面積的計算是依據(jù)剛性輪在非剛性路面上行走時，其接地面積視為矩形，因此實際接觸面積與所計算接觸面積有一定差異，而導(dǎo)致了最佳組合中載荷的取值超出了前文計算的范圍。另由于試驗過程中載荷為900 N與其他因素水平的組合中，發(fā)現(xiàn)部分組合出現(xiàn)了覆土厚度減小的情況，這是由于載荷過大會使作業(yè)過程中沿機具前進方向產(chǎn)生壅土現(xiàn)象導(dǎo)致的，因此當載荷大于900 N時，該種現(xiàn)象會更為顯著，且由于優(yōu)化目標是取土壤緊實度和覆土厚度最大值時的參數(shù)組合，當載荷大于900 N時會導(dǎo)致土壤緊實度值超出農(nóng)藝要求范圍，故最佳參數(shù)組合中載荷雖為其3水平中的最大值900 N，后續(xù)也無需對更大載荷進行考量。

驗證試驗由2BH-3行間播種機于吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院進行試驗。為了消除隨機誤差，進行10次重復(fù)試驗。

試驗結(jié)果中土壤緊實度最大值為45.2 kPa，最小值為38.6 kPa，均值為（43.8±1.9）kPa，變異系數(shù)為4.3%。賈洪雷[31]2015年對傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輪的試驗得出土壤緊實度均值為（26.5±4.06）kPa，變異系數(shù)為15.32%，可以看出，本文設(shè)計的覆土鎮(zhèn)壓器的鎮(zhèn)壓質(zhì)量較傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓器較好，且鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性更佳。

試驗結(jié)果中覆土厚度最大值為35.5 mm，最小值為29.1 mm，均值為（32.9±2.3）mm，變異系數(shù)為6.9%。高富強等[30]2015年對擠壓式覆土鎮(zhèn)壓器的試驗得出覆土厚度均值為（38.32±4.57） mm，變異系數(shù)為11.6%，二者均滿足作業(yè)后對覆土厚度的農(nóng)藝要求[29-30]，但本文設(shè)計覆土鎮(zhèn)壓器的覆土厚度標準差和變異系數(shù)均小于后者，可以看出本文設(shè)計的覆土鎮(zhèn)壓器的覆土作業(yè)穩(wěn)定性更佳。

通過以上試驗驗證，得出選取的最佳參數(shù)組合滿足既定的設(shè)計要求，且鎮(zhèn)壓質(zhì)量、鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性和覆土作業(yè)穩(wěn)定性要優(yōu)于傳統(tǒng)裝置。

5 結(jié) 論

1）設(shè)計了一種具有錐形輪體結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓器。通過雙圓盤開溝器的開溝試驗和覆土、鎮(zhèn)壓理論分析確定了覆土鎮(zhèn)壓器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)：外徑d=350 mm，單側(cè)覆土鎮(zhèn)壓輪水平寬度b=20 mm，單側(cè)覆土鎮(zhèn)壓輪傾斜面寬度b=70 mm，內(nèi)傾角取值范圍為10°～20°，左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距3≤29 mm，外載荷取值范圍約為609～790 N。

2）通過三因素三水平的BBD試驗，得出各因素對種溝上方距離地表5 cm處土壤緊實度的影響顯著性順序依次為：載荷、左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距、內(nèi)傾角；各因素對覆土厚度的影響顯著性順序依次為內(nèi)傾角、載荷、左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距。

3）通過Design-Expert軟件得出覆土鎮(zhèn)壓器的最佳參數(shù)組合為載荷900 N，左右覆土鎮(zhèn)壓輪間距為13 mm，內(nèi)傾角為16°。最佳參數(shù)組合的驗證試驗得出，作業(yè)后種溝上方距離地表5 cm處土壤緊實度為（43.8±1.9）kPa，變異系數(shù)為4.3%，覆土厚度均值為（32.9±2.3）mm，變異系數(shù)為6.9%，驗證試驗表明該覆土鎮(zhèn)壓器可實現(xiàn)覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)，且作業(yè)穩(wěn)定性較好，滿足既定設(shè)計要求。

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Design and experiment of soil-covering and soil-compacting device with cone-shaped structure of wheel

Guo Hui1,2, Chen Zhi2,3, Jia Honglei1,2※, Zheng Tiezhi4, Wang Gang1,2, Wang Qi1,2

(1.130025,;2.130025,;3.100080130062)

The soil-covering and press wheel are the main parts of the corn planter, and their performances are directly related to the growth and the output of the corn. The device with the functions of soil covering and soil compaction can improve the soil moisture content after planting and simplify the structure of machine. The squeeze-type coverer is a typical device with the functions of soil covering and soil compaction. But due to that the contact area is too small to bring the poor stability of soil-covering and soil-compacting during work process, the squeeze-type coverer is often used on no-till planter. A new type of soil-covering and soil-compacting device for corn planter was designed in this paper. The device was composed of 2 soil-covering-pressing wheels with cone-shaped structure, and realized the functions of soil-covering and soil-compacting depending on the extrusion force of soil produced by soil-covering-pressing wheel during planting. The main structure parameters of the soil-covering and soil-compacting device were determined through theoretical analysis and experiment of double-disk opener, which were mean diameter of 350 mm, width of the horizontal part of single soil-covering-pressing wheel of 20 mm, width of the inclined surface of single cover-press wheel of 70 mm, and the value range of horizontal interval of left and right soil-covering-pressing wheel of less than 29 mm. The leaning angle of soil-covering-pressing wheel was determined through theoretical analysis of soil-covering process based on the shape of soil furrows, which meant the leaning angle was about less than 20°. Based on the agronomic requirement of soil-compacting, the range of external load was about 609-790 N. Through analyzing, it was found that the external load, the horizontal interval between left and right soil-covering-pressing wheel and the leaning anglewere the main influencing factors on the functions of soil-covering and soil-compacting of the device. Taking the 3 indices as the experimental factors using Design-Expert software, the Box-Benhnken experiments of 3 factors and 3 levels were conducted, and the results showed that the order of the influence of the factors on the soil compactness in the top 5 cm soil layer of the seed furrow from high to low was the external load, the horizontal interval between left and right soil-covering-pressing wheel and the leaning angle. The order of the influence of the factors on thickness of covering soil was the leaning angle, the load and the horizontal interval between left and right soil-covering-pressing wheel. The optimal parameter combination of the device was the external load of 900 N, the horizontal interval between left and right soil-covering-pressing wheel of 13 mm and the leaning angle of 16°. Verification testing indicated that the soil compactness in the top 5 cm soil layer of the seed furrow was (43.8±1.9) kPa, the coefficient of variation was 4.3%, and the thickness of covering soil was (32.9±2.3) mm with the coefficient of variation of 6.9%. The soil-covering and soil-compacting device designed in this paper has good performance of soil-covering, soil-compacting and working stability. This study can provide a reference for the design of planters.

agricultural machinery; design; kinematics; soil-covering; soil-compacting; device; experiment

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.008

S222.23

A

1002-6819(2017)-12-0056-10

2016-11-16

2017-06-05

國家重點研發(fā)計劃課題（2017YFD0700904，LFGC14322）；吉林省科技發(fā)展計劃項目（20150441008SC，20160312020ZX，20150204007NY，20140441006SC）

郭 慧，博士生，主要從事保護性耕作配套機具關(guān)鍵部件研究。長春 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室，130025。Email：guohuipp0322@163.com

賈洪雷，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護性耕作技術(shù)及仿生智能作業(yè)機械研究。長春 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室，130025。 Email：jiahl@vip.163.com

郭 慧，陳 志，賈洪雷，鄭鐵志，王 剛，王 奇. 錐形輪體結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(12)：56－65. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.008 http://www.tcsae.org

Guo Hui, Chen Zhi, Jia Honglei, Zheng Tiezhi, Wang Gang, Wang Qi. Design and experiment of soil-covering and soil-compacting device with cone-shaped structure of wheel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 56－65. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.008 http://www.tcsae.org