油麥兼用型精量寬幅免耕播種機(jī)仿形鑿式開溝器研究

王 磊 廖宜濤 張青松 姚 露 付云開 廖慶喜

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

油菜、小麥分別是我國主要的油料和糧食作物，其機(jī)械化播種工序相似。研制油麥兼用精量寬幅播種機(jī)對(duì)提高機(jī)械化生產(chǎn)效率、節(jié)約農(nóng)時(shí)、提升油菜和小麥機(jī)械化種植水平具有重要意義[1-2]。作業(yè)地表起伏大、寬幅導(dǎo)致播種機(jī)各行播深均勻性與穩(wěn)定性差是影響油麥兼用型播種機(jī)作業(yè)效果的關(guān)鍵[3-6]。設(shè)計(jì)具有仿形功能的播種開溝器可提高寬幅播種機(jī)播深穩(wěn)定性、一致性，且適應(yīng)高速作業(yè)。目前適應(yīng)于油麥兼用種植農(nóng)藝要求的通用高效排種裝置已在生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用[7]，但缺少與之匹配的適應(yīng)寬幅、高速作業(yè)的播種開溝器。

為提高播種開溝器性能、改善種子與種床土壤接觸狀態(tài)，賈洪雷等[8]設(shè)計(jì)了具有滑刀和仿形壓土輪的大豆開溝器，以改善種床質(zhì)量和提高播深一致性；趙淑紅等[9-10]為解決土壤擾動(dòng)大、播種深度均勻性差等問題，設(shè)計(jì)了一種開溝、回土、鎮(zhèn)壓等多功能集成式播種開溝器，并研發(fā)了雙向平行四桿機(jī)構(gòu)用于開溝器仿形；王超等[11]為解決東北地區(qū)秸稈覆蓋量大、導(dǎo)致機(jī)具堵塞嚴(yán)重等問題，設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置。國外對(duì)播種開溝器的研究較早，JAMES等[12]通過對(duì)比分析研究了高速作業(yè)下5種不同入土角、刃口曲面結(jié)構(gòu)的開溝器對(duì)土壤擾動(dòng)量和溝底作用力的影響，并優(yōu)化開溝器結(jié)構(gòu)，以提高免耕播種的作業(yè)效率；AILI等[13]研究了鋤鏟式、翼鏟式、箭式開溝器對(duì)土壤擾動(dòng)和牽引阻力的影響，得出鋤鏟式開溝器的綜合開溝性能最優(yōu)；ALIAKBAR等[14]針對(duì)免耕播種開溝器開溝深度增大會(huì)加劇土壤拋撒的問題，研究了彎曲鏟柄對(duì)開溝性能的影響，土槽試驗(yàn)表明，鏟柄彎曲45°傾角時(shí)，開溝性能最優(yōu)。綜上，現(xiàn)有播種開溝器的研究主要適應(yīng)于玉米、大豆等大粒徑、寬行距作物種子播種[15-16]，且仿形以彈簧配合四桿機(jī)構(gòu)為主，而適應(yīng)于播種窄行距的油菜、小麥寬幅播種機(jī)仿形開溝器研究較少，尤其對(duì)應(yīng)用仿形輥仿形的鑿式開溝器研究鮮見報(bào)道。

本文針對(duì)播種作業(yè)地勢不平、播種機(jī)寬幅導(dǎo)致各行播深均勻性和穩(wěn)定性差等問題，設(shè)計(jì)油麥兼用型精量寬幅免耕播種機(jī)仿形鑿式開溝器，重點(diǎn)開展仿形輥彈性形變、實(shí)現(xiàn)開溝器仿形功能的研究，以期為提高寬幅播種機(jī)播種質(zhì)量提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

油麥兼用型精量寬幅免耕播種機(jī)由地輪總成、機(jī)架、風(fēng)泵總成、種肥箱、氣送式排肥器、排種器、施肥開溝器、播種開溝器等組成，工作幅寬4.8 m，該機(jī)可一次完成施肥、24行播種、覆土、鎮(zhèn)壓等功能。24組仿形鑿式播種開溝器通過仿形支撐桿均布安裝于播種機(jī)上。仿形鑿式開溝器主要由仿形輥、仿形壁、仿形支撐桿、連接桿、鑿式主體、導(dǎo)流板、覆土彈片等組成，播種機(jī)及開溝器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 寬幅播種機(jī)及仿形鑿式開溝器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagrams of planter and profiling chisel opener1.仿形鑿式開溝器 2.仿形壁 3.仿形輥 4.仿形支撐桿 5.連接桿 6.鑿式主體 7.導(dǎo)流板 8.覆土彈片

1.2 工作過程及工作原理

播種作業(yè)時(shí)，寬幅播種機(jī)的鑿式開溝器鑿尖首先與土壤表面呈一定角度入土，隨著開溝器與土壤顆粒的交互作用，鑿式曲面破壞、擠壓、分流土壤，初步形成種溝，完成入土環(huán)節(jié)；被拋撒的土壤與導(dǎo)流板接觸后回落到種溝兩側(cè)，形成完整的種溝，完成導(dǎo)流環(huán)節(jié)；種子通過導(dǎo)種管直接落到溝底，保證開溝深度與種子入土深度的一致，覆土彈片將種溝兩側(cè)的濕土回填入種溝內(nèi)，覆蓋于種子表面，實(shí)現(xiàn)覆土環(huán)節(jié)。

鑿式開溝器與播種機(jī)機(jī)架采用彈性仿形輥連接，開溝器可繞仿形支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)，增加了開溝鏟轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性約束。開溝器入土至預(yù)定深度時(shí)，仿形輥與仿形壁之間摩擦力的力矩與開溝器受土壤作用力的力矩平衡，該平衡力矩可保持開溝器的仿形效果，仿形過程如圖2所示。播種作業(yè)中，開溝器入土至預(yù)定深度，經(jīng)平整地表時(shí)的狀態(tài)為Ⅱ，當(dāng)開溝器在狀態(tài)Ⅱ經(jīng)凸起地表時(shí)，開溝器繞中心(圖2中O點(diǎn))逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至狀態(tài)Ⅰ，開溝器向上轉(zhuǎn)動(dòng)，仿形量為H2；當(dāng)開溝器在狀態(tài)Ⅱ經(jīng)凹陷地表時(shí)，開溝器繞中心順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至狀態(tài)Ⅲ，開溝器向下轉(zhuǎn)動(dòng)，仿形量為H1，實(shí)現(xiàn)仿形功能。播種作業(yè)中，開溝器如遇較大障礙物，仿形開溝器與土壤間的作用力會(huì)超過仿形輥與仿形壁之間的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)開溝器逆時(shí)針翻轉(zhuǎn)，開溝器過載保護(hù)，防止開溝器破壞。

圖2 鑿式開溝器仿形原理圖Fig.2 Self-adaptive principle sketch of profiling chisel opener

2 鑿式開溝器設(shè)計(jì)與分析

2.1 鑿式曲面設(shè)計(jì)

鑿式開溝器入土性能好、破茬能力較強(qiáng)，其入土角度對(duì)入土性能、破茬切土性能、鑿尖強(qiáng)度、開溝深度穩(wěn)定性有重要影響。選擇合適的入土角度會(huì)改善開溝器開溝性能，且鑿式刃口為曲線的開溝器比刃口為直線的開溝器阻力小[17]，故本文選取一元三次函數(shù)作為入土角刃口曲線，如圖3所示，以確定合適的入土角度和刃口曲線形式。

圖3 刃口曲線坐標(biāo)圖Fig.3 Coordinate system diagrams of chisel tip cutting edge1.刃口寬度 2.鑿式曲面

刃口曲線方程為

y=ax3

(1)

式中a——刃口曲線三次項(xiàng)系數(shù)

取刃口曲線上終止點(diǎn)A(x1,y1)、入土點(diǎn)B(x2，y2)，并分別求得兩點(diǎn)的斜率tanα1、tanα2，根據(jù)A、B兩點(diǎn)的y坐標(biāo)可求得A、B兩點(diǎn)間的垂直距離lAB，由圖3幾何關(guān)系和刃口曲線斜率可得方程組

(2)

式中α1——刃口曲線終止角，(°)

α2——刃口曲線入土角，(°)

lAB——刃口曲線高度，mm

聯(lián)立式(1)、(2)可得

(3)

將式(3)代入式(1)可得刃口曲線方程

(4)

由式(4)可知， 刃口曲線的形狀由入土角α2、終止角α1、刃口曲線高度lAB決定。由圖3可知，α1>α2，為滿足長江中下游地區(qū)和新疆地區(qū)油菜、小麥播種開溝深度的要求，并符合新疆地區(qū)對(duì)高速免耕播種鑿式開溝器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的需求，入土角α2取15°～31°[18]。刃口曲線高度lAB由播種深度決定，長江中下游地區(qū)油菜播深0～20 mm，小麥播深20～40 mm，新疆地區(qū)油菜播深20～30 mm，小麥播深30～50 mm，綜合考慮刃口曲線長度滿足兼用要求，取lAB=50 mm。刃口曲線在空間延伸至刃口寬度b，形成鑿式曲面。

2.2 仿形壁受力分析

運(yùn)用彈性仿形輥仿形機(jī)構(gòu)，可顯著提高播種開溝器對(duì)地勢起伏的快速響應(yīng)性。為更好地實(shí)現(xiàn)仿形功能，仿形輥初始安裝時(shí)需有一定彈性壓縮量，以施加力矩保證鑿式開溝器有效入土。仿形輥以仿形支撐桿為中心軸向?qū)ΨQ安裝，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 仿形裝置示意圖Fig.4 Sketch of self-adaption profiling device1.仿形輥 2.仿形支撐桿 3.仿形壁

播種作業(yè)時(shí)，鑿式開溝器入土受土壤的反作用力使開溝器整體有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢。當(dāng)土壤施加作用力產(chǎn)生的力矩大于仿形輥與仿形壁之間的靜摩擦力產(chǎn)生的力矩時(shí)，根據(jù)圓柱體彈性力學(xué)原理，仿形輥將自由扭轉(zhuǎn)，并發(fā)生翹曲[19]。開溝器逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度在0°～45°范圍變化時(shí)，仿形輥形變量逐漸增大，其與仿形壁之間的滑動(dòng)摩擦力將逐漸增加。取鑿式開溝器將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)瞬時(shí)進(jìn)行受力分析，仿形壁的受力情況如圖5所示。

圖5 仿形壁受力示意圖Fig.5 Sketch of forcing on profiling wall

根據(jù)圖5受力分析，當(dāng)4根仿形輥沿軸心O點(diǎn)軸向?qū)ΨQ分布時(shí)，仿形壁的4個(gè)壁面分別在x、y軸上的壓力、摩擦力到軸心O點(diǎn)的力臂均相同。圖5中，F(xiàn)x1、Fx2、Fx3、Fx4為仿形壁4個(gè)壁面在x軸方向所受的壓力，F(xiàn)y1、Fy2、Fy3、Fy4為仿形壁4個(gè)壁面在y軸方向所受的壓力，fx1、fx2、fx3、fx4為仿形壁4個(gè)壁面在x軸方向所受的摩擦力，fy1、fy2、fy3、fy4為仿形壁4個(gè)壁面在y軸方向所受的摩擦力，ρy1為仿形壁各壁面到軸心O的力臂。以此建立4根仿形輥對(duì)仿形壁4個(gè)壁面上的壓力和摩擦力的力學(xué)方程

(5)

式中μx——仿形輥與仿形壁面間的摩擦因數(shù)

Ml——單根仿形輥與仿形壁面間力矩

由圖5和式(5)可知，當(dāng)開溝器有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢時(shí)，仿形壁的4個(gè)壁面受仿形輥的壓力、摩擦力大小均相同；仿形壁受仿形輥的壓力、摩擦力的合力均為零；仿形壁所受的壓力合力矩為零。仿形壁所受的滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生的力矩是阻礙開溝器逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的主要因素，仿形壁對(duì)軸心O的力矩Mh是4根仿形輥與仿形壁面間力矩之和，即

Mh=4Ml=4ρy1μxFx1

(6)

由式(6)可知，仿形壁到軸心O的力臂ρy1、仿形輥與仿形壁的摩擦因數(shù)μx、仿形壁所受的壓力Fx1是影響開溝器逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢的關(guān)鍵因素。增大仿形輥直徑，仿形壁所受的壓力增加，仿形壁與仿形輥之間的摩擦力也相應(yīng)增大。故增大仿形輥直徑及仿形壁到軸心的距離，可降低鑿式開溝器入土后逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，提高開溝器入土深度。

2.3 開溝器受力分析

開溝器入土?xí)r，基于開溝器與土壤的互作關(guān)系，土壤對(duì)開溝器的作用力包括：種溝底部對(duì)鑿式主體的反力Fc，鑿式主體側(cè)壁受擠壓所產(chǎn)生的摩擦力fs，開溝器前進(jìn)方向刃口曲面前端土壤對(duì)開溝器的阻力Fs。

入土瞬時(shí)，開溝器以懸臂式掛接方式連接于仿形支撐桿上，為順利入土，應(yīng)使開溝器重力G繞中心點(diǎn)O的力矩、仿形壁繞中心點(diǎn)的力矩Mh與鑿式主體受土壤阻力繞中心點(diǎn)形成的力矩平衡[20]。鑿式主體在平面xy內(nèi)力系平衡，力系如圖6所示。圖6b是將鑿形主體受力平移至開溝器主體質(zhì)心P上的受力圖?；谄矫媪ο灯胶?，力系的主矢、主矩均為零，即F=0，M=0。建立平衡方程

(7)

圖6 開溝器力系示意圖Fig.6 Sketches of force system on opener

圖6中，F(xiàn)cx、Fcy、Fsx、Fsy、fsx、fsy分別是Fc、Fs、fs在x、y軸上的分力，ρcx、ρcy是ρc在x、y軸上的力臂，則可得

(8)

式中ε——開溝器隙角，(°)

聯(lián)立式(6)、(8)可得仿形壁、鑿式主體與中心的力臂關(guān)系

ρy1/ρc=[(Fccosε+fsy-Fssinα-G)cos(α+ε)+
(Fscosα+fsx-Fcsinε)sin(α+ε)]/(4μxFx1)

(9)

由式(8)可知，x軸方向，開溝器工作所需的牽引力與刃口曲面前端土壤對(duì)開溝器的阻力Fs、鑿式主體側(cè)壁受擠壓所產(chǎn)生的摩擦力fs、溝底反力Fc、入土角α、隙角ε有關(guān)，F(xiàn)s、fs、α越大，F(xiàn)c、ε越小，開溝器所需要的牽引力越大。Fs、fs、Fc的大小均受刃口寬度b影響，刃口寬度越大，F(xiàn)s、fs、Fc越大，故開溝器刃口寬度是影響開溝器牽引力的主要因素之一；y軸方向，F(xiàn)c、fsy越大，F(xiàn)s、α、ε越小，開溝器入土需垂直地面的壓力越大。由式(8)、(9)可知，開溝器自身質(zhì)量越大，開溝器入土性能越好，且所需仿形輥對(duì)仿形壁的摩擦力產(chǎn)生的力矩越小。為實(shí)現(xiàn)鑿式開溝器對(duì)油菜、小麥播種的適應(yīng)性，一般開溝器隙角ε取5°[21]， sinε

2.4 仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)、播種開溝器布局及開溝器強(qiáng)度要求，確定仿形支撐桿為邊長50 mm方鋼，仿形壁選用邊長73 mm結(jié)構(gòu)鋼。根據(jù)幾何關(guān)系，仿形支撐桿與仿形壁組成的空間可安裝仿形輥且仿形輥無彈性形變的最小直徑為22 mm。為實(shí)現(xiàn)開溝器有效入土，自適應(yīng)仿形機(jī)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，仿形輥產(chǎn)生對(duì)仿形壁的摩擦力形成的力矩應(yīng)大于入土阻力產(chǎn)生的力矩。

為提高自適應(yīng)仿形機(jī)構(gòu)對(duì)地表起伏的響應(yīng)能力，需確定合理的仿形輥直徑范圍。基于仿形壁與仿形支撐桿組成的空間關(guān)系，可安裝直徑為22～30 mm的仿形輥。采用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)仿形輥進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，仿形輥彈性形變中，質(zhì)構(gòu)儀施加的壓力與壓縮距離成正比，當(dāng)壓縮距離大于4 mm時(shí)，仿形輥發(fā)生塑性形變，壓力急速增大，且形變不可恢復(fù)?；谠囼?yàn)分析和實(shí)際仿形機(jī)構(gòu)的空間關(guān)系，當(dāng)仿形輥直徑大于26 mm時(shí)，安裝于仿形壁與仿形支撐桿組成的空間內(nèi)的仿形輥將發(fā)生塑性形變，仿形復(fù)位性能急速惡化，故合理的仿形輥直徑范圍為22～26 mm。彈性形變范圍內(nèi)，仿形輥的壓力與壓縮距離關(guān)系為

Ft=τxt

(10)

式中τ——仿形輥彈性系數(shù)，N/m

xt——仿形輥壓縮距離，m

基于質(zhì)構(gòu)儀壓縮試驗(yàn)、仿形機(jī)構(gòu)空間尺寸關(guān)系、實(shí)際開溝器土壤工況及播種機(jī)整機(jī)質(zhì)量，并參考文獻(xiàn)[6]，設(shè)計(jì)仿形機(jī)構(gòu)最大載荷為800 N，開溝器繞中心旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)小于45°，以保證仿形輥保持彈性形變和有效仿形量。簡化開溝器結(jié)構(gòu)，開溝器幾何尺寸關(guān)系如圖7所示，A點(diǎn)為開溝器鑿尖點(diǎn)，A′為仿形過程中A點(diǎn)的位置，由幾何關(guān)系可得仿形量計(jì)算公式

(11)

式中θ——仿形過程中鑿尖旋轉(zhuǎn)的角度，(°)

loc——軸心O到鑿尖的垂直距離，mm

lac——軸心O到鑿尖的水平距離，mm

la′b——理論仿形量，mm

圖7 仿形量幾何關(guān)系示意圖Fig.7 Sketch of profiling geometric relationship

結(jié)合式(9)～(11)可得仿形量la′b計(jì)算公式為

(12)

由式(12)可得仿形量與仿形輥壓縮距離xt、開溝器受力、作用力矩之間的關(guān)系。依據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，loc為365 mm，lac為285 mm，當(dāng)最大轉(zhuǎn)角θ為45°時(shí)，計(jì)算得最大理論仿形量la′b為308 mm。

2.5 導(dǎo)流板設(shè)計(jì)

2.5.1土壤導(dǎo)流原理

開溝器作業(yè)時(shí)，開溝器鑿式主體入土后，被翻動(dòng)的土壤向種溝兩側(cè)拋撒，土壤顆粒碰撞到導(dǎo)流板后，導(dǎo)流板曲面可使接觸的土粒拋撒速度下降，并阻止土粒繼續(xù)向種溝兩側(cè)更遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)被拋撒土壤回落地表。開溝器未安裝與安裝導(dǎo)流板時(shí)，簡化后的土壤流動(dòng)特性如圖8所示。

圖8 土壤拋撒示意圖Fig.8 Sketches of spilling soil

圖8中，x軸為開溝器運(yùn)動(dòng)方向，AB、A′B′為耕地地表，被開溝器擾動(dòng)拋出的土壤對(duì)稱拋撒至鑿式主體兩側(cè)，形成堆積的扇形圓弧區(qū)域。未安裝導(dǎo)流板時(shí)，拋撒的土壤沿x、y、z軸方向運(yùn)動(dòng)距離比安裝導(dǎo)流板時(shí)更遠(yuǎn)，增加了土壤拋撒的無序性，土壤顆粒在y軸方向運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn)，越難以保證被擾動(dòng)拋出的土壤順利覆蓋種溝，增加了覆土彈片設(shè)計(jì)的難度。安裝導(dǎo)流板時(shí)，土壤被拋撒到弧形倒流板上，形成扇形圓弧區(qū)域A′B′C′D′，土壤顆粒撞擊到導(dǎo)流板后速度下降，降低了土壤顆?；芈涞酵寥辣砻娴乃俣?，減少了土壤顆粒在y軸方向的拋撒距離，更利于覆土。

2.5.2參數(shù)確定

開溝器入土后，被拋撒的土壤為散粒體，假設(shè)土壤顆粒撞擊到導(dǎo)流板后，初始速度為零[22]，土壤顆粒接觸導(dǎo)流板后的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)分析如圖9所示。

圖9 土壤顆粒受力分析示意圖Fig.9 Sketch of soil particle force analysis1.鑿式主體 2.導(dǎo)流板

土壤顆粒受重力Gt、導(dǎo)流板壁面對(duì)其產(chǎn)生的支持力Ft和摩擦力ft作用。土壤沿導(dǎo)流板壁面下滑時(shí)，沿x軸方向的加速度ax為0。

以土壤顆粒為研究對(duì)象，建立平衡方程

(13)

式中γ——導(dǎo)流板與豎直方向的安裝夾角，(°)

μt——土壤顆粒與導(dǎo)流板之間的摩擦因數(shù)

由式(13)可得y軸方向的加速度為

ay=gcosγ-gμtsinγ

(14)

加速度決定拋撒至導(dǎo)流板上土粒的回流速度，加速度ay越大，則回流到地表上的速度越快，更利于土壤快速在地表聚攏。由式(14)可知，摩擦因數(shù)μt、導(dǎo)流板壁面與豎直方向的夾角γ是影響ay的主要參數(shù)。γ越小，土?；亓魉俣仍娇?，當(dāng)安裝角γ過小時(shí)，導(dǎo)流板易纏繞秸稈，綜合考慮開溝器對(duì)播種區(qū)域的適應(yīng)性，取γ為5°。

3 高速數(shù)字化土槽試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心室內(nèi)土槽開展。試驗(yàn)設(shè)備為高速數(shù)字化土槽試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)裝置為鑿式播種開溝器，可通過土槽車的液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)開溝器的入土深度[23]。地表平整度采用三維激光掃描儀(美國天寶公司，Trimble TX8，精度2 mm)測量。土槽內(nèi)土壤含水率為18.53%，平均土壤緊實(shí)度為580.46 kPa，地表平整度計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[24]，試驗(yàn)工作速度為4.5 km/h，試驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖10 土槽試驗(yàn)裝置Fig.10 Soil-bin test device

3.2 溝深穩(wěn)定性測量

種溝深度的穩(wěn)定性直接影響種子播深及出苗效果。測試前，調(diào)整覆土裝置與地面的距離。溝深測量時(shí)，開溝器前進(jìn)20 m，沿種溝中段取10 m的范圍，等距取10個(gè)橫斷面，測量原地表到溝底的垂直距離作為開溝深度。開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算式為

U=1-V

(15)

其中

式中h——開溝深度平均值，mm

hi——第i個(gè)測量點(diǎn)的開溝深度，mm

S——開溝深度的標(biāo)準(zhǔn)差,mm

n——測量的橫斷面樣本數(shù)

V——開溝深度變異系數(shù)，%

U——開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)，%

3.3 試驗(yàn)方案

基于對(duì)鑿式開溝器的設(shè)計(jì)與參數(shù)分析，確定刃口寬度、仿形輥直徑、入土角、播深為影響開溝深度穩(wěn)定性的主要因素，試驗(yàn)指標(biāo)為開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)。采用響應(yīng)面優(yōu)化法開展二次回歸正交組合試驗(yàn)，獲取鑿式開溝器最佳參數(shù)組合。試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用Design-Expert 軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。通過回歸分析處理試驗(yàn)結(jié)果，獲取方差分析如表3所示(x1、x2、x3、x4為因素水平值)，建立開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)水平值的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性。

(16)

對(duì)回歸方程(16)進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，P值為0.23，不顯著。表明影響試驗(yàn)指標(biāo)的其他主要因素不存在，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Experiment scheme and results

表3 開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)方差分析Tab.3 Variance analysis of stability on sowing depth

3.5 參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，以開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)最高為目標(biāo)，通過Design-Expert 8.06軟件分析，可得多個(gè)最佳參數(shù)組合，列舉其中4個(gè)符合期望的優(yōu)選方案，如表4所示。分析方差分析表3和回歸方程(16)可知，仿形輥直徑是影響開溝深度穩(wěn)定性關(guān)鍵因素。由于仿形輥直徑的變化，會(huì)影響其在彈性形變中對(duì)仿形壁的摩擦力產(chǎn)生的力矩，進(jìn)而影響對(duì)地表變化的響應(yīng)能力。仿形輥直徑在合理范圍內(nèi)時(shí)，鑿式開溝器遇到地表起伏時(shí)，可形成合適的仿形量。綜合考慮長江中下游和新疆地區(qū)油菜、小麥的播種深度要求和實(shí)際加工制造水平，確定開溝器實(shí)際加工尺寸為刃口寬度12 mm、仿形輥直徑24 mm、入土角22°。田間播種作業(yè)中，根據(jù)作物播種實(shí)際農(nóng)藝要求，適當(dāng)調(diào)整播深，以滿足作物出苗要求。

表4 開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)優(yōu)選方案Tab.4 Optimization scheme of stability on sowing depth

4 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)用以驗(yàn)證最佳參數(shù)組合下的開溝器的作業(yè)效果，包括田間作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)和田間播種試驗(yàn)。通過田間作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)，分析設(shè)計(jì)的鑿式開溝器與購置的翼鏟式播種開溝器開溝性能差異；通過田間播種試驗(yàn)，觀測鑿式開溝器播種油菜、小麥的出苗效果。

4.1 作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)

4.1.1試驗(yàn)方法

2017年10月14日、2018年5月8日、2018年11月1日分別于湖北省監(jiān)利縣、新疆維吾爾自治區(qū)伊犁昭蘇縣77團(tuán)、湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地開展田間作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為油麥兼用型精量寬幅免耕播種機(jī)，配套動(dòng)力為約翰迪爾1054型拖拉機(jī)，試驗(yàn)裝置為鑿式播種開溝器、翼鏟式開溝器，試驗(yàn)裝置如圖11所示。試驗(yàn)儀器包括：皮尺(100 m)、直尺(3 m)、耕深尺(精度：0.01 mm)、三維激光掃描儀(美國天寶公司，Trimble TX8，精度2 mm)、磁性水平尺(三箭工具有限公司，精度0.002 9°)、土壤緊實(shí)度儀(浙江托普儀器有限公司，TJSD-750Ⅱ型，±0.5% FS)、土壤水分測試儀(浙江托普儀器有限公司，TZS-2X型，0.01%)。湖北省監(jiān)利縣為機(jī)收后稻茬田，播種前田塊經(jīng)過旋耕處理，地表平整，秸稈量少，土壤類型為黃棕壤，土壤含水率為22.53%；新疆地區(qū)為一年一熟油菜小麥輪作田，因秸稈自然消減，故地表基本無秸稈殘留，地表平整度為13.28 mm，土壤類型為灰鈣土，土壤含水率為7.56%、土壤緊實(shí)度為302.14 kPa；湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地為機(jī)收后稻茬田，播種前田塊經(jīng)過旋耕處理，地表平整，秸稈量少，土壤類型為黃棕壤，土壤含水率為20.95%。試驗(yàn)過程中，設(shè)定開溝鏟的播深為30 mm，播種機(jī)沿直線方向作業(yè)距離50 m，選取中間30 m作為測量區(qū)域，沿機(jī)組前進(jìn)方向每隔3 m測量開溝深度，每行程種溝測10個(gè)點(diǎn)，試驗(yàn)重復(fù)5次，計(jì)算播后地表平整度[22]，并觀測作業(yè)通過性。

圖11 開溝器田間試驗(yàn)Fig.11 Field experiment photos of opener1.翼鏟式開溝器 2.鑿式開溝器

4.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)2種不同類型開溝器開溝深度、地表平整度的測定，計(jì)算開溝深度變異系數(shù)和地表平整度，并觀測開溝器5次重復(fù)試驗(yàn)中拖拽秸稈及壅土的次數(shù)，即作業(yè)通過性。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，其中序號(hào)1、2、3分別為湖北省監(jiān)利縣、新疆維吾爾自治區(qū)伊犁昭蘇縣77團(tuán)、湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地測定數(shù)據(jù)結(jié)果。

表5 作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Contrastive experiment results of operational performance

由表5可知，鑿式開溝器的深度變異系數(shù)、播后地表平整度、作業(yè)通過性均優(yōu)于翼鏟式開溝器，且鑿式開溝器拖拽的秸稈、壅土能從開溝器間流過，其性能滿足GB/T 20865—2007《免耕施肥播種機(jī)》的要求。翼鏟式開溝器的翼鏟對(duì)土壤擾動(dòng)量大，且不易入土，難以控制播種深度且易堵塞；根據(jù)表5中數(shù)據(jù)可知，采用鑿式開溝器，新疆地區(qū)的開溝深度變異系數(shù)為7.53%，播后地表平整度為17.6 mm，均低于湖北地區(qū)。主要在于新疆地區(qū)地表耕作區(qū)塊平整度高、土壤松散，且無秸稈覆蓋、含水率低，利于仿形功能的實(shí)現(xiàn)，開溝穩(wěn)定性更優(yōu)。

4.2 播種試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)方法

2018年5月11日、2018年9月14日、2018年11月4日分別于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁昭蘇縣77團(tuán)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地、湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地開展田間播種試驗(yàn)。試驗(yàn)中選擇刃口寬度為12 mm、仿形輥直徑為24 mm、入土角為22°的最佳參數(shù)開溝器。

新疆維吾爾自治區(qū)伊犁昭蘇縣77團(tuán)開展春油菜播種試驗(yàn)，土壤類型為灰鈣土，土壤含水率為7.14%，土壤緊實(shí)度為315.64 kPa，油菜品種為西禾油3號(hào)，播量7.5 kg/hm2，作業(yè)速度10 km/h，播深30 mm，播種中采用鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地開展冬油菜播種試驗(yàn)，土壤類型為黃棕壤，播種田塊已旋耕，土壤含水率為18.13%，油菜品種為華油雜62，播量4.275 kg/hm2，作業(yè)速度7 km/h，播深20 mm；湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地開展小麥播種試驗(yàn)，試驗(yàn)田為機(jī)收后稻茬田，土壤類型為黃棕壤，播種田塊已旋耕，土壤含水率為19.54%，小麥品種為鄭麥9023，播量195 kg/hm2，作業(yè)速度8 km/h，播深40 mm。試驗(yàn)設(shè)備為油麥兼用型精量寬幅免耕播種機(jī)，工作幅寬4.8 m，24行播種。播種30 d后，每行測5段，測每段1 m長度內(nèi)的油菜、小麥苗數(shù)[25]。播種試驗(yàn)和出苗情況如圖12所示。

圖12 播種試驗(yàn)及出苗情況Fig.12 Planting experiment and emergence

4.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

開溝器的性能直接影響播種均勻性、出苗率及作物長勢，可通過測定各行苗數(shù)、單行苗數(shù)變異系數(shù)和各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)來表征開溝器開溝、覆土的綜合性能。單行苗數(shù)變異系數(shù)通過分析單行油菜各測量段的苗數(shù)差異，可表明單個(gè)開溝器的仿形開溝效果；各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)通過分析各行油菜測量段的出苗差異，可表明各行開溝器的仿形開溝效果及對(duì)寬幅作業(yè)的適應(yīng)性。單行苗數(shù)變異系數(shù)計(jì)算公式為

(17)

式中Sz——單行5次測量苗數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差

Xz——單行苗數(shù)平均值

Vz——單行苗數(shù)變異系數(shù)，%

各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)計(jì)算公式為

(18)

式中Sg——各行平均苗數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差

Xg——各行苗數(shù)的平均值

Vg——各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)，%

由苗數(shù)測量數(shù)據(jù)和式(17)可得春油菜、冬油菜、小麥的各行苗數(shù)、單行苗數(shù)變異系數(shù)如圖13所示。

圖13 單行苗數(shù)和苗數(shù)變異系數(shù)Fig.13 Seedling number and variation coefficient of seeding number

根據(jù)圖13可知，油菜、小麥的各行平均苗數(shù)和單行苗數(shù)變異系數(shù)均在合理的范圍內(nèi)。春油菜各行1 m內(nèi)平均苗數(shù)為26，單行苗數(shù)變異系數(shù)為5.82%～9.58%；冬油菜各行1 m內(nèi)平均苗數(shù)為20，單行苗數(shù)變異系數(shù)為6.03%～9.03%；小麥的各行1 m內(nèi)平均苗數(shù)為35，單行苗數(shù)變異系數(shù)為6.25%～10.15%。油菜、小麥的苗數(shù)和單行苗數(shù)變異系數(shù)均滿足實(shí)際生產(chǎn)中油菜、小麥精量播種要求。由式(18)和圖13可知小麥各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)為8.11%，春油菜、冬油菜的各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)分別為7.53%、7.91%。

綜合田間作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)和田間播種試驗(yàn)可知，采用仿形鑿式開溝器開溝播種性能優(yōu)于NY/T 1411—2007《小麥免耕播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》和NY/T 2709—2015《油菜免耕播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》的要求，表明仿形鑿式開溝器可提高播深穩(wěn)定性、各行播深一致性，并提高作業(yè)效率。

5 結(jié)論

(1)為提高寬幅油麥兼用型播種機(jī)的作業(yè)效率、播深穩(wěn)定性和一致性，設(shè)計(jì)了一種基于仿形輥彈性形變、實(shí)現(xiàn)仿形功能的鑿式播種開溝器，確定了鑿式刃口曲線方程，分析了開溝器各部件與土壤互作關(guān)系力學(xué)模型，闡明了仿形機(jī)構(gòu)的彈性形變與仿形阻力及仿形量的關(guān)系。

(2)通過二次回歸正交組合試驗(yàn)，得出了曲面刃口寬度、仿形輥直徑、入土角、播深與開溝器穩(wěn)定性系數(shù)的二次回歸方程。方差分析表明，仿形輥直徑對(duì)開溝深度穩(wěn)定性影響最顯著，并得出最優(yōu)參數(shù)組合為刃口寬度12 mm、仿形輥直徑24 mm、入土角22°。

(3)田間作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)表明，鑿式開溝器的播深變異系數(shù)、播后地表平整度、作業(yè)通過性均優(yōu)于翼鏟式開溝器，且鑿式開溝器在新疆偏沙壤土區(qū)域作業(yè)性能優(yōu)于長江中下游含水率高的棕壤土區(qū)域的作業(yè)性能。

(4)田間播種試驗(yàn)表明，安裝自適應(yīng)仿形開溝器的播種機(jī)作業(yè)效果較好，小麥的各行1 m內(nèi)平均苗數(shù)為35，單行苗數(shù)變異系數(shù)為6.25%～10.15%，各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)為8.11%；春油菜各行1 m內(nèi)平均苗數(shù)為26，單行苗數(shù)變異系數(shù)為5.82%～9.58%，各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)為7.53%；冬油菜各行1 m內(nèi)平均苗數(shù)為20，單行苗數(shù)變異系數(shù)為6.03%～9.03%，各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)為7.91%，滿足油菜、小麥精量播種要求。