犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置設(shè)計(jì)

包攀峰，吳明亮，官春云，羅海峰，賀一鳴，向 偉

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犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置設(shè)計(jì)

包攀峰1,2,3，吳明亮1,2,3※，官春云3,4，羅海峰1,2,3，賀一鳴1,2,3，向 偉1,2,3

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2. 湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410128； 3. 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙 410128；4. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)油料所，長(zhǎng)沙 410128）

針對(duì)中國(guó)南方稻田土壤黏重、高含水率土壤使傳統(tǒng)油菜開(kāi)溝起壟機(jī)構(gòu)作業(yè)后溝壁易垮塌影響壟溝排水和后期油菜生長(zhǎng)，研制了犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置。設(shè)計(jì)了犁體式成溝起壟部件的入土角、翼板角度和翼板長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化了旋轉(zhuǎn)式切土部件的旋耕彎刀、溝壁切土直刀的安裝方式及其結(jié)構(gòu)參數(shù)。在室內(nèi)土槽進(jìn)行了多因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，結(jié)果表明：影響溝面寬穩(wěn)定度、壟高穩(wěn)定度的主次順序?yàn)闇媳谇型林钡兜幕剞D(zhuǎn)半徑、翼板長(zhǎng)度、翼板角度；影響回土率的主次順序?yàn)橐戆彘L(zhǎng)度、翼板角度、溝壁切土直刀的回轉(zhuǎn)半徑。裝置最優(yōu)的工作參數(shù)組合為溝壁切土直刀的回轉(zhuǎn)半徑為351 mm，翼板長(zhǎng)度為78 cm，翼板角度為41°。對(duì)最優(yōu)工作參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，各評(píng)價(jià)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果與軟件分析值的相對(duì)偏差均不超過(guò)1%。該研究可為油菜壟作高產(chǎn)栽培提供技術(shù)參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；農(nóng)作物；油菜；犁旋組合式；開(kāi)溝；壟作

0 引 言

油菜是一種重要的油料作物，其菜籽油占中國(guó)居民食用植物油的40%左右，目前，中國(guó)油菜種植面積700萬(wàn)hm2和總產(chǎn)量1 200萬(wàn)t均居世界第一，但食用植物油自給率卻不足40%[1-4]。為解決中國(guó)食用植物油供給安全，需要提高油菜籽的總產(chǎn)量，在穩(wěn)定和擴(kuò)大種植面積外，還需創(chuàng)新油菜種植模式，提高單位面積的油菜產(chǎn)量。壟作種植是作物生產(chǎn)中提高產(chǎn)量的重要措施，且具有改善土壤受光條件、恒定地溫、提高肥料利用率、促進(jìn)根系下扎、邊行優(yōu)勢(shì)明顯的生態(tài)效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已在玉米、大豆、油菜等主要作物上得到了廣泛應(yīng)用[5-9]。玉米、大豆等低密度種植作物其壟作種植配套的機(jī)具主要采用旋耕、滅茬刀輥翻耕土壤，起壟鏵實(shí)現(xiàn)起壟作業(yè)，最終得到壟距大，壟溝淺的壟體[10-13]。油菜是直根系忌水作物，種植密度大，為實(shí)現(xiàn)壟作需采用窄壟深溝種植，因此現(xiàn)有壟作配套機(jī)具難以實(shí)現(xiàn)油菜的壟作種植作業(yè)要求。

南方冬油菜種植以稻油輪作為主，前茬水稻留茬高、存量大，多為高含水率黏重土壤，傳統(tǒng)的寬壟淺溝種植模式采用犁體式或旋轉(zhuǎn)圓盤式進(jìn)行開(kāi)溝起壟作業(yè)，犁體式作業(yè)機(jī)具無(wú)法解決稻茬田的滅茬除草，旋轉(zhuǎn)圓盤式作業(yè)機(jī)具面對(duì)部分高濕度的田塊易纏草、壅泥，2種開(kāi)溝起壟裝置已無(wú)法完成窄壟深溝為主要特征的油菜壟作種植要求[14-24]。現(xiàn)有油菜壟作種植模式中，種植密度為20～30萬(wàn)株/hm2，行距為300 mm，溝面寬為400 mm，溝底寬為100 mm，壟高不小于250 mm。依據(jù)壟體幾何尺寸，倒梯形截面溝的溝壁傾角約為53°，而南方現(xiàn)有稻田土壤的自然堆積角大都低于45°[25]。因此，無(wú)法得到滿足農(nóng)藝要求的穩(wěn)定的倒梯形截面壟溝。為此，本文針對(duì)南方油菜壟作種植模式的壟體要求，結(jié)合2種傳統(tǒng)開(kāi)溝起壟裝置的優(yōu)點(diǎn)，將壟溝截面設(shè)計(jì)成由矩形溝和倒梯形溝組合式溝形截面，并依據(jù)此溝形設(shè)計(jì)了犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置，在室內(nèi)土槽對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，得到了溝底回土量少、溝形壟型穩(wěn)定的適合南方黏重土壤環(huán)境進(jìn)行油菜壟作種植的壟體。

1 總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置主要由機(jī)架、傳動(dòng)部件、壟面整理部件、入土部件和犁旋組合式成溝起壟機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。其中犁旋組合式成溝起壟機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)式切土部件及安裝于其正后方的犁體式成溝起壟部件組成。作業(yè)時(shí)，牽引動(dòng)力帶動(dòng)機(jī)架兩側(cè)板前方的小前犁在未耕地上切土和翻垡，引導(dǎo)整機(jī)平穩(wěn)入土和定廂作業(yè)。旋轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)式切土部件中的旋耕軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋耕軸上布置的旋耕彎刀完成壟體旋耕碎土作業(yè)，同軸布置的溝壁切土直刀劃切溝壁土壤并配合犁體式成溝起壟部件的推土板、矩形成型體等完成溝底矩形截面成形；溝壁切土直刀劃切的土塊受到正后方的犁體式成溝起壟部件的推土板、推土鏟、分土板等共同作用將土塊提升并推送至壟體區(qū)，同時(shí)在翼板和擋土板的作用下完成壟溝倒梯形截面成形；最后經(jīng)壟面整理裝置對(duì)壟面進(jìn)行壓實(shí)定型，得到油菜壟作種植要求的壟體。

1.機(jī)架 2.傳動(dòng)部件 3.壟面整理部件 4.入土部件 5.小前犁 6.旋耕軸 7.旋耕彎刀 8.溝壁切土直刀 9.推土板 10.推土鏟 11.矩形成形體 12.翼板 13.擋土板 14.分土板

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置作業(yè)后得到3條壟溝和2個(gè)壟體，由圖3可知，其工作幅寬為1為2 400 mm，旋耕軸長(zhǎng)度為2為2 100 mm。技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 犁體式成溝起壟部件的設(shè)計(jì)

2.1.1 結(jié)構(gòu)及組成

犁體式成溝起壟部件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由矩形成形體、翼板、推土鏟、推土板、分土板、擋土板等組成。推土板位于成溝起壟部件最前端，在牽引力作用下將溝壁切土直刀劃切的土塊推送至推土鏟處；推土鏟的垂直切刃進(jìn)一步破碎土壤并將土壤提升引導(dǎo)至分土板并由分土板分散至翼板處的壟體區(qū)域；翼板由前往后逐漸向外延伸，兩相向布置的翼板及擋土板組合成前寬后窄、上寬下窄的箱體結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)式切土部件上的旋耕刀推送土壤經(jīng)寬口徑進(jìn)入，窄口徑流出，在翼板及擋土板的擠壓作用下，形成上寬下窄的梯形壟溝。連接推土鏟和翼板的矩形成形體，設(shè)計(jì)為前高后低的U型結(jié)構(gòu)形狀，隨著機(jī)具的前進(jìn)，矩形成形體對(duì)溝底和垂直溝壁進(jìn)一步擠壓成型，保障溝底、溝壁平直。

1.矩形成形體 2.翼板 3.鏟尖 4.推土鏟 5.垂直切刃 6.推土板 7.分土板 8.擋土板

2.1.2 翼板及矩形成形體高度

為確定犁體式成溝起壟部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)，本節(jié)在討論土粒受到機(jī)具作用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)將土壤顆粒視為質(zhì)點(diǎn)，土壤顆粒相互作用力忽略不計(jì)。如圖3所示，開(kāi)溝起壟過(guò)程中，溝內(nèi)土壤被均勻地分布到兩側(cè)的壟體區(qū)域，因土壤在開(kāi)溝起壟前后總量平衡，等長(zhǎng)度內(nèi)的廂溝截面面積與廂面土壤覆蓋區(qū)域的截面面積相等。

注：b為溝底寬，100 mm；h1為矩形溝壁高度，h2為開(kāi)溝深度，為壟壁傾角，取45°；h3為起壟后土壤堆積高度，a為溝面寬，400 mm；c為壟寬，600 mm；H為壟高，250 mm；L1為工作幅寬，2 400 mm；L2為旋耕軸長(zhǎng)度，2 100 mm.

考慮土壤的膨松系數(shù)后得

同時(shí)，圖1中滿足幾何關(guān)系

開(kāi)溝起壟后，壟高滿足

=123（3）

式（1）中，為土壤膨松系數(shù)，1.2；聯(lián)立（1），（2），（3）式得：2=104 mm，1=100 mm，3=46 mm。即矩形成形體高度設(shè)計(jì)為100 mm，翼板高度設(shè)計(jì)為150 mm。

2.1.3 犁體入土角及鏟尖張角

就開(kāi)溝起壟過(guò)程而言，犁體式成溝起壟部件的推土鏟需要有較好的導(dǎo)土作用，將土壤從溝底提升到地面的同時(shí)并使土壤向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，使土壤得到旋耕軸上刀片的旋耕作用，并使大部分土壤盡量堆積到壟體的中間，使土壤不回流到溝底。基于這些分析和考慮，采用三面楔模型為基礎(chǔ)對(duì)推土鏟做以下分析，如圖4所示，建立坐標(biāo)系。

注：x軸為機(jī)具前進(jìn)方向，y軸為溝寬方向，z軸為垂直方向，面OAC為推土鏟的左半部分，面ABC為壟溝橫截面。γ為鏟尖張角，(°)；α為入土角，(°)；β為翻土角，(°)。

同時(shí)設(shè)計(jì)推土板與溝底平面的夾角為，即犁體入土角。為避免土壤在犁體前方堆積，土塊應(yīng)以最快速度穿過(guò)推土鏟進(jìn)入翼板處壟體區(qū)域。故其運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)垂直平面過(guò)點(diǎn)作與成角的直線角為土壤堆積角，則直線為翼板在面上的投影線。由空間立體幾何關(guān)系可得：tan=/，tan/，tan/，+90°，=45°。聯(lián)立可得：tantan/tan45°=1，即。

由設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知：入土角過(guò)大時(shí)，工作土層抬得高，工作阻力也隨之增加，入土角過(guò)小，會(huì)增加整個(gè)犁體的高度及長(zhǎng)度，浪費(fèi)材料；鏟尖張角過(guò)大，土壤易被推向兩側(cè)使土層外翻而亂，同時(shí)易纏繞秸稈，鏟尖張角過(guò)小，切斷草根的能力減弱[26]。綜合考慮設(shè)定入土角及鏟尖張角均為30°。即30o。

2.1.4 垂直切刃

圖5為垂直切刃設(shè)計(jì)示意圖。如圖5所示，垂直切刃最高點(diǎn)為(1,1)，垂直切刃與矩形成形體接觸點(diǎn)為(2,2)，滿足

注：垂直切刃由推土板上的OE段直線和推土鏟的GE段曲線組成，土壤顆粒在G點(diǎn)受到的工作阻力與正壓力的夾角為ε1，在E點(diǎn)受到的工作阻力與正壓力的夾角為ε2，(°)；α1，α2分別過(guò)E、G兩點(diǎn)作切線與x軸的夾角，(°)。

如圖6所示為垂直切刃上段的任意點(diǎn)處單個(gè)土壤顆粒在工作狀態(tài)時(shí)的受力圖。

注：τ為垂直切刃上D點(diǎn)的切線方向；n為垂直切刃上D點(diǎn)的法線方向；ε為工作阻力與正壓力在D點(diǎn)的夾角，(°)；T為土粒受到其他土壤阻力，方向與機(jī)具前進(jìn)方向vm相反，N；FN為土粒受到推土鏟的法向支撐力，方向?yàn)榇怪鼻腥猩螪點(diǎn)的法線方向，N；Ff為土粒受到推土鏟的滑動(dòng)摩檫力，方向?yàn)榇怪鼻腥猩螪點(diǎn)的切線方向，N。

此時(shí)土壤顆粒從點(diǎn)沿曲面上升至點(diǎn)的條件需滿足切線方向上的合力必須大于0，而法線方向合力等于0，得式（6）。則有tan≥tan，即≥。

式中為土壤與開(kāi)溝起壟器的摩擦角，(°)。南方土壤與鋼材的摩擦角大致在25°～30°之間，取=28°，由式（4）可知垂直切刃上任一點(diǎn)的切線與軸夾角滿足=90°-，故90°-62°，犁體入土角取30°滿足設(shè)計(jì)要求。為了使土壤快速到達(dá)犁體頂端取130，260。之間的垂直高度為150 mm，代入式（5）得垂直切刃線段的方程為：(1/225)2。

2.1.5 翼板長(zhǎng)度

犁體式成溝起壟部件翼板的另一作用是防止土壤回落入溝內(nèi)，其長(zhǎng)度設(shè)置與機(jī)具前進(jìn)速度、土壤下落的高度（壟高）有關(guān)系[27]。土壤從最高點(diǎn)落入溝內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡滿足式（7）。

式中V、V為土壤顆粒在前進(jìn)方向和垂直方向的速度，其中V=1.72 km/h，為土壤顆粒下落的高度，250 mm；為重力加速度，9.8 m/s2，為土壤顆粒下落時(shí)間，s。代入式（7）得到翼板的最小長(zhǎng)度為77 cm。

2.2 旋轉(zhuǎn)式切土部件

2.2.1 結(jié)構(gòu)及組成

旋轉(zhuǎn)式切土部件總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由旋耕彎刀、溝壁切土直刀、旋耕軸組成。旋耕彎刀、溝壁切土直刀均安裝于旋耕軸上，旋耕彎刀布置于整個(gè)旋耕軸所對(duì)應(yīng)的壟體區(qū)，主要負(fù)責(zé)壟體區(qū)的深層旋耕及前茬秸稈埋茬；犁體式成溝起壟部件正前方的旋耕軸上布置溝壁切土直刀，溝壁切土直刀對(duì)稱布置于推土板的外邊沿，隨旋耕軸轉(zhuǎn)動(dòng)而劃切出下層矩形溝的溝壁，與犁體式成溝起壟部件共同作用將由推土板推送至推土鏟作用區(qū)域的土塊，拋扔至翼板擠壓區(qū)，經(jīng)翼板擠壓完成壟溝倒梯形截面成形。

1.小前犁 2.旋耕彎刀 3.溝壁切土直刀 4.旋耕軸 5.端板 6.機(jī)架 7.犁體式成溝起壟部件

2.2.2 切土部件回轉(zhuǎn)半徑

旋耕彎刀旋切土壤時(shí)不能破壞到矩形溝壁，溝壁切土直刀均需要擴(kuò)大旋耕深度來(lái)滿足作業(yè)要求[28-29]。圖8為犁旋組合式裝配示意圖。

溝壁切土直刀的回轉(zhuǎn)半徑1、旋耕彎刀回轉(zhuǎn)半徑2需滿足以下關(guān)系式

得到1=350 mm，2≤250 mm。則溝壁切土直刀的回轉(zhuǎn)半徑為350 mm，選用60Si2Mn彈簧鋼材料加工而成，刃口光滑過(guò)渡；旋耕彎刀采用ⅡT245彎刀，其回轉(zhuǎn)半徑為2為245 mm。

2.2.3 切削面刀片數(shù)量

土壤顆粒的粒徑大小與切土節(jié)距存在關(guān)系，由于小顆粒的土壤可以相互填充空隙，使顆粒間的接觸面積增大，相互結(jié)合就會(huì)越緊密，從而形成穩(wěn)定的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。同時(shí)土壤顆粒越細(xì)碎越有利于油菜的生長(zhǎng)，所以設(shè)定切土節(jié)距為=6 cm，同一旋轉(zhuǎn)切削面內(nèi)的刀具數(shù)量

式中為旋耕速比，正常作業(yè)取=12.5，2取值 250 mm，由式（10）得刀片數(shù)量為2把。

3 試驗(yàn)與分析

為檢驗(yàn)犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置的作業(yè)效果，探討各因素對(duì)開(kāi)溝起壟性能的影響規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行了多因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。開(kāi)溝起壟裝置的作業(yè)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T740-2003《田間開(kāi)溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》和機(jī)械行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)JB/T8401.2-2007《旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)旋耕深松滅茬起壟機(jī)》要求，選取溝面寬穩(wěn)定度、壟高穩(wěn)定度、回土率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。壟高穩(wěn)定度及溝面寬穩(wěn)定度指給定的工作條件下工作時(shí)壟高及溝面寬的穩(wěn)定程度，回土率指開(kāi)溝起壟后單位體積內(nèi)回到溝內(nèi)的土壤質(zhì)量與工作前單位體積內(nèi)土壤質(zhì)量的比值。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)于2017年3月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程實(shí)訓(xùn)中心的室內(nèi)土槽完成。土槽長(zhǎng)50 m、寬3 m、土壤厚度0.8 m，土槽內(nèi)為黏土。試驗(yàn)前一周用TCC電力四驅(qū)土槽試驗(yàn)臺(tái)配備的旋耕機(jī)和壓輥分別對(duì)土槽試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行翻耕和壓實(shí)，耕作深度達(dá)到20 cm，適量灑水滲透，通風(fēng)靜置一周。圖9為試驗(yàn)機(jī)具及試驗(yàn)結(jié)果圖。圖9b為溝壁切土直刀回轉(zhuǎn)半徑351 mm，翼板長(zhǎng)度78 cm，翼板角度41o時(shí)的試驗(yàn)效果。

1.犁體式成溝起壟部件 2.壟面整理裝置

試驗(yàn)前測(cè)定單位體積內(nèi)的土壤質(zhì)量，5點(diǎn)法測(cè)量0～20 cm深度區(qū)域堅(jiān)實(shí)度和土壤含水率，TDR-300型土壤水分測(cè)試儀測(cè)得0～20 cm土壤平均含水率為23.2%，SC-900型土壤緊實(shí)度儀測(cè)得0～20 cm土壤平均堅(jiān)實(shí)度為864 kPa。

3.2 多因素試驗(yàn)

依據(jù)前文中設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)開(kāi)溝起壟性能的影響程度，選擇溝壁切土直刀的回轉(zhuǎn)半徑、翼板長(zhǎng)度、翼板角度為試驗(yàn)因素，并依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的參數(shù)數(shù)值設(shè)定各因素的取值范圍，按照二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用Design-Expert數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，建立回歸方程和優(yōu)化模型。因素水平編碼表如表2所示。

表2 因素水平編碼

注：回轉(zhuǎn)半徑均指溝壁切土直刀的回轉(zhuǎn)半徑。

Note: Turning radius is the turning radius of straight tilling blade.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)多因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，以各影響因素取值為自變量，以溝面寬穩(wěn)定度、壟高穩(wěn)定度、回土率為相應(yīng)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案和結(jié)果

3.3.1 方差分析

對(duì)回歸模型中各項(xiàng)回歸系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)和方差分析，經(jīng)軟件處理后，得出溝面寬穩(wěn)定度、壟高穩(wěn)定度及回土率的方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 目標(biāo)函數(shù)y1、y2與y3的二次項(xiàng)模型方差分析

注：<0.01，極顯著，**；<0.05，顯著，*。

Note: Whenis less than 0.01 the test is highly significant,**. Whenis less than 0.05, the test is significant, *.

對(duì)表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，選用二次項(xiàng)模型建立溝面寬穩(wěn)定度1、壟高穩(wěn)定度2、回土率3與各影響因素間的回歸模型，并去除不顯著項(xiàng)，得到1、2、3對(duì)編碼自變量溝壁切土直刀的回轉(zhuǎn)半徑1、翼板長(zhǎng)度2、翼板角度3的簡(jiǎn)化二次多元回歸方程為如式（11）所示。

表4中的模型失擬項(xiàng)表示所用模型與試驗(yàn)的擬合程度（二者差異度），一般要求失擬項(xiàng)>0.05。由表4知目標(biāo)函數(shù)1、2、3的模型值分別為0.262 7、0.052 1、0.061 8，均大于0.05，說(shuō)明無(wú)失擬因素存在，可用該回歸方程替代試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

由表4方差分析結(jié)果可知，溝面寬穩(wěn)定度、壟高穩(wěn)定度及回土率的模型顯著性值均為0.000 1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.05，說(shuō)明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。值的大小表示各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，值越大則影響程度越高，各因素對(duì)溝面寬穩(wěn)定度和壟高穩(wěn)定度的顯著性順序從大到小依次均為回轉(zhuǎn)半徑、翼板長(zhǎng)度、翼板角度；各因素對(duì)回土率的顯著性順序從大到小依次為翼板長(zhǎng)度、翼板角度、回轉(zhuǎn)半徑。

3.3.2 響應(yīng)曲面分析

運(yùn)用軟件的Optimization功能，進(jìn)行優(yōu)化分析，調(diào)整各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最佳取值，即溝面寬穩(wěn)定度和壟高穩(wěn)定度取最大值，回土率取最小值，得到機(jī)具工作的最優(yōu)參數(shù)組合，各參數(shù)的取值為：回轉(zhuǎn)半徑為350.61 mm，翼板長(zhǎng)度為77.53 cm，翼板角度為40.92°。此時(shí)，溝面寬穩(wěn)定度達(dá)到99.2706%，壟高穩(wěn)定度達(dá)到99.053%，回土率為6.52%，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為最大0.994[30]。運(yùn)用軟件的Central Composite Design中心組合試驗(yàn)原理，利用Numerical工具進(jìn)行響應(yīng)面分析，由于翼板角度相對(duì)而言對(duì)開(kāi)溝起壟性能的影響最小，故固定其為40.92°，考察回轉(zhuǎn)半徑、翼板長(zhǎng)度對(duì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的影響，得到綜合評(píng)價(jià)響應(yīng)曲面圖如圖10所示。

圖10 綜合評(píng)價(jià)響應(yīng)曲面圖（翼板角度40.92°）

從圖10響應(yīng)曲面圖可知，回轉(zhuǎn)半徑與翼板長(zhǎng)度對(duì)開(kāi)溝起壟性能影響呈非線性變化，隨著回轉(zhuǎn)半徑和翼板長(zhǎng)度的增加，響應(yīng)曲面的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑位于345～350.61mm區(qū)域時(shí)，隨著回轉(zhuǎn)半徑的增加，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)逐漸增大，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑大于350.61 mm時(shí)，隨著回轉(zhuǎn)半徑的增加，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)逐漸減?。划?dāng)翼板長(zhǎng)度位于70.00～80.00 cm區(qū)域時(shí)，隨著翼板長(zhǎng)度的增加，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)逐漸增大；由此可見(jiàn)，在回轉(zhuǎn)半徑為350.61 mm，翼板長(zhǎng)度為75.00～80.00 cm區(qū)域存在最優(yōu)值點(diǎn)，該點(diǎn)即為響應(yīng)曲面圖中的極值點(diǎn)。

3.3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)曲面分析得到的最優(yōu)參數(shù)組合，取整回轉(zhuǎn)半徑為351 mm，翼板長(zhǎng)度為78 cm，翼板角度為41°，在室內(nèi)土槽進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，保證試驗(yàn)前的各土壤參數(shù)誤差在10%以內(nèi)。為消除隨機(jī)誤差，進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，取5次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，得到試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 最優(yōu)參數(shù)值驗(yàn)證結(jié)果

溝面寬穩(wěn)定度為99.11%，壟高穩(wěn)定度為98.84%，回土率為6.92%，試驗(yàn)結(jié)果與軟件分析值基本相符，且相對(duì)偏差均不超過(guò)1%，驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性，最佳參數(shù)組合滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合窄壟深溝的壟作技術(shù)要求，創(chuàng)新研究出深層旋耕從動(dòng)開(kāi)溝起壟機(jī)理，研制了犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置。得到以下結(jié)論：

1）基于最大土壤輸送量和三面楔模型設(shè)計(jì)了犁體式成溝起壟器的入土角、翼板角度和翼板長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，創(chuàng)新配置了旋轉(zhuǎn)式切土裝置的旋耕彎刀、溝壁切土直刀的同軸安裝方式，優(yōu)化設(shè)計(jì)了各功能刀片的回轉(zhuǎn)半徑。

2）試制犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)土槽內(nèi)土壤進(jìn)行了二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。借助Design-Expert數(shù)據(jù)分析軟件，得出了各因素與犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置工作性能的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用值檢驗(yàn)得到了各因素對(duì)溝面寬穩(wěn)定度、壟高穩(wěn)定度影響程度的高低順序?yàn)榛剞D(zhuǎn)半徑、翼板長(zhǎng)度、翼板角度；各因素對(duì)回土率影響程度的高低順序?yàn)橐戆彘L(zhǎng)度、翼板角度、回轉(zhuǎn)半徑。

3）運(yùn)用Design-Expert軟件的Optimization工具得到了犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置工作的最優(yōu)參數(shù)組合：回轉(zhuǎn)半徑為351 mm，翼板長(zhǎng)度為78 cm，翼板角度為41°。對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，溝面寬穩(wěn)定度為99.11%，壟高穩(wěn)定度為98.84%，回土率為6.92%，試驗(yàn)結(jié)果與軟件分析值基本相符，且相對(duì)偏差均不超過(guò)1%，該研究可為油菜壟作高產(chǎn)栽培提供技術(shù)保障。

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Design of plow-rotary style ditching and ridging device for rapeseed seeding

Bao Panfeng1,2,3, Wu Mingliang1,2,3※, Guan Chunyun3,4, Luo Haifeng1,2,3, He Yiming1,2,3, Xiang Wei1,2,3

(1.,,410128,; 2.,410128,; 3.,410128,; 4.,,410128,)

The crop rotation of rice and rapeseed is the main planting pattern for winter rapeseed in South China. In a traditional broad-ridge shallow-furrow planting mode, the ditching machine plow or rotary disc is used to ditch the field. However, the plow cannot solve the problem of high rice stubble in field, while the rotary disc is easy to be entangled by grass and backwater mud in high humidity field, which often causes the traditional parts of ditching and ridging for rapeseed to be loose and collapse. Aimed to solve the problem of high stubble of rice after harvesting and reduce the influence of high-water content in sticky soil, in this paper, a plow-rotary style ditching and ridging device for rapeseed seeding is designed, which can meet the requirements of narrow ridge and deep ditch. Based on the maximum transported soil volume and the triangular wedge model, the structural parameters such as the embedded angle, the angle of the wing and the length of the wing are designed. The installing way of the rotary machetes and the straight tilling blade are innovated in the same roller. The turning radius and the length of each functional blade are optimized based on the biggest installation space, the uniformity coefficient of groove surface, the stability of ridge high and the soil return rate are taken as evaluating indicator. The turning radius of straight cutting blade, and the length and angle of wing are taken as experiment factors, and the multifactor quadratic orthogonal rotation combination test was carried out. The quadratic model is selected to establish the regression model which is related to the uniformity coefficient of groove surface, the stability of ridge high and the soil return rate. Thetest and variance analysis are carried out for the coefficients of the regression model to establish quadratic multiple regression model related to the evaluation indices and influence factors. The results show that, the order of the factors influencing the uniformity coefficient of groove surface and the stability of ridge high from high to low is the turning radius of straight cutting blade, the length of wing and the angle of wing; the order of the factors influencing the soil return rate from high to low is the length of wing, the angle of wing and the rotary radius of straight cutting blade. The optimal combination of operating parameters is obtained after the application of the optimization function of the software: The turning radius of straight cutting blade is 351 mm, the length of wing is 78 cm and the angle of wing is 41°. And the evaluation indices are analyzed and the optimum values are selected: The uniformity coefficient of groove surface and the stability of ridge high reach the maximum values, and the soil return rate gets the minimum value. The optimal combination of operating parameters is verified, which meets the design requirements. All of the evaluation indices are basically the same as the software analysis, and the relative errors are less than 1%. The study results may provide technical support for high yield cultivation of rapeseed ridge planting.

agricultural machinery; design; crops; rapeseed; plow-rotary style; ditching; ridging

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.003

S222.4

A

1002-6819(2017)-20-0023-09

2017-06-06

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南方稻田油菜機(jī)械化起壟栽培技術(shù)研究與示范（2016NK2105），湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX201613286）。

包攀峰，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。 Email：1152801554@qq.com.

※通信作者：吳明亮，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。Email：mlwu@hunau.edu.cn.

包攀峰，吳明亮，官春云，羅海峰，賀一鳴，向 偉. 犁旋組合式油菜播種開(kāi)溝起壟裝置設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(20)：23－31. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.003 http://www.tcsae.org

Bao Panfeng, Wu Mingliang, Guan Chunyun, Luo Haifeng, He Yiming, Xiang Wei. Design of plow-rotary style ditching and ridging device for rapeseed seeding[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 23－31. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.003 http://www.tcsae.org