油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置設計與試驗

張青松，廖宜濤 ，陶威，廖慶喜

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院，湖北 武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，湖北 武漢 430070)

長江中下游地區(qū)是我國冬油菜主產(chǎn)區(qū)，該區(qū)域雨水充沛，年降水量1 300 mm以上，油菜是直根系忌水作物，種植時需要廂面平整，開畦溝瀝水，利于雨水及時排出[1-3].目前使用的油菜直播作業(yè)廂面較寬，寬度一般為2～2.5 m，直播機作業(yè)時，會出現(xiàn)廂面不平，導致廂面積水，雨水排出不及時，影響油菜生長.油菜壟作，可以減小廂面寬度，提高廂面平整度，增加畦溝數(shù)量，利于雨水排出，避免漬害，促進油菜生長[4-5].

相關(guān)學者對壟作技術(shù)與機械裝備進行了研究[6]，羅錫文等[7]設計了一種水稻精量穴直播機，該機具能夠同步完成起壟、開溝和播種，由于行距、穴距、播量均可調(diào)，其適應性較強.曾山等[8]對同步開溝起壟和施肥播種直播機進行了研究，該機具在壟臺上同步開出種溝和肥溝，減少肥料養(yǎng)分的流失和揮發(fā)，提高作物的肥料利用率.高鳳[9]設計了一款雙螺旋、變螺距旋耕起壟機械，能較好適應南方含水率較高的土壤.林靜等[10-11]研制了一款集旋耕、滅茬、起壟一體的聯(lián)合作業(yè)機具，通過試驗和軟件分析，得到了聯(lián)合作業(yè)機的最佳作業(yè)參數(shù).目前國內(nèi)外學者的研究主要集中于玉米[12]、小麥[13]、花生[14]、煙草[15]、馬鈴薯[16]等農(nóng)作物或者為大型農(nóng)用開溝起壟機械，針對長江中下游地區(qū)油菜壟作的裝置研究相對較少.

本研究針對長江中下游冬油菜種植區(qū)雨水充沛，直播作業(yè)廂面較寬，會出現(xiàn)廂面不平，導致廂面積水，雨水排出不及時，發(fā)生漬害，影響油菜生長的生產(chǎn)實際問題，設計了一種油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置，通過起壟作業(yè)，實現(xiàn)開溝起壟、平土整形，減少廂面寬度，提高廂面平整度，增加畦溝數(shù)量，利于雨水排出，避免漬害，促進油菜生長.

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 總體結(jié)構(gòu)

油菜壟作精量聯(lián)合直播機主要由主機架、播種施肥裝置、旋耕裝置、開畦溝裝置、起壟裝置、傳動系統(tǒng)、仿形驅(qū)動地輪等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示.該機具能一次性完成旋耕、開溝、起壟、施肥、播種等作業(yè)功能.油菜壟作精量聯(lián)合直播機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

1：起壟裝置；2：開畦溝后犁；3：旋耕裝置；4.開畦溝前犁；5.仿形驅(qū)動輪；6：種肥裝置；7：三點懸掛；8：氣力系統(tǒng).1： Ridge planting device；2：Rear ditching plow；3：Rotary device；4：Front ditching plow；5：Shape driving wheel；6：Seed and fertilizer device；7：Three point linkage；8：Air system.圖1 油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the ridge planting device of the rapeseed ridge

起壟裝置作為油菜壟作精量聯(lián)合直播機的一個關(guān)鍵組成部件，主要由雙邊起壟犁、單邊起壟犁、平整拖板和機架組成，如圖2所示.雙邊起壟犁安裝于起壟裝置中央，單邊起壟犁對稱布置在起壟裝置兩側(cè).起壟犁通過U型卡槽與起壟裝置機架連接，作業(yè)深度可調(diào)，可適應不同起壟作業(yè)深度.平整拖板通過壓簧和銷釘與起壟裝置機架連接，平整拖板平整壓實力可通過壓簧預緊力調(diào)節(jié)，保證作業(yè)時有足夠的壓實力，使作業(yè)廂面平整.起壟裝置安裝于直播機旋耕裝置正后方，實現(xiàn)開溝起壟、平土整形功能.

表1 油菜壟作精量聯(lián)合直播機主要技術(shù)參數(shù)

1：平整拖板；2：雙邊起壟犁；3：機架；4：單邊起壟犁.1：leveling trailer；2：Two-side ridge plough；3：Frame；4：Side ridge plough.圖2 起壟裝置示意圖Figure 2 Schematic diagram of the ridge device

1.2 工作過程與工藝方案

田間作業(yè)時，油菜壟作精量聯(lián)合直播機由拖拉機提供動力，拖拉機通過萬向節(jié)，帶動中央傳動箱，使直播機旋耕裝置細碎土壤，同時布置在直播機兩側(cè)的開畦溝裝置前犁開溝起土，后犁收溝整形，起壟裝置單邊和雙邊起壟犁作業(yè)出油菜壟作要求的畦溝，并通過起壟裝置起壟犁及平整拖板配合作用，作業(yè)出油菜壟作要求的壟型，如圖3所示.通過油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置形成滿足油菜壟作要求的壟面和畦溝.

1：作業(yè)地表；2：畦溝；3：單邊起壟犁；4：機架；5：平整托板；6：旋耕起壟區(qū)域；7：.畦溝；8：雙邊起壟犁；9：未耕土壤；10：地表秸稈.1：Working surface；2：Furrow；3： Side ridge plough；4：Frame；5： leveling trailer；6： Ridge area；7：Furrow；8： Two-side ridge plough；9： No-disturbing soil；10：Straw.圖3 起壟裝置作業(yè)示意圖Figure 3 Schematic diagram of the ridge device operation

2 關(guān)鍵工作部件設計與分析

2.1 起壟犁

起壟裝置起壟犁包括單邊起壟犁和雙邊起壟犁，其中雙邊起壟犁為由兩個對稱布置的單邊起壟犁組成，雙邊起壟犁結(jié)構(gòu)如圖4所示.起壟犁作為起壟裝置關(guān)鍵部件，其主要由收土曲面、整形擋板和犁柱組成.其中，收土曲面和整形擋板為主要觸土曲面，其結(jié)構(gòu)決定了起壟裝置的開溝起壟作業(yè)效果.

1：整形擋板；2：犁柱；3：收土曲面.1：Blocking-soil wall；2：Plow pillar；3：Lifting-soil surface.圖4 雙邊起壟犁結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4 Schematic diagram of bilateral ridge plow structure

2.1.1 收土曲面參數(shù)分析 油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置作業(yè)過程中，收土曲面作業(yè)性能影響壟型和畦溝的形成，如作業(yè)性能不穩(wěn)定，造成畦溝回土量大、壟面不平整和壟型不穩(wěn)定，導致畦溝排水不暢和壟面種床積水，影響后續(xù)油菜生長.對土垡在起壟犁收土曲面運動過程進行分析，如圖5所示.

圖5 受力分析圖Figure 5 Force analysis diagram

起壟裝置作業(yè)時，土垡會沿著收土曲面表面滑動，收土曲面為不規(guī)則的空間曲面，對土垡進行受力分析，建立空間直角坐標系，其中犁尖為原點o，x軸為前進方向，z軸為收土曲面垂直向上方向，y軸垂直于xz平面.在不考慮力矩的情況下，簡化土垡受力為兩兩垂直的空間力系為Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，如圖4-A所示，其中Fx為土垡前進方向所受合力，F(xiàn)y為土垡耕寬方向所受合力，F(xiàn)z為土垡垂直方向所受合力.為便于分析，以導曲線與犁鏵線交點為原點，以垂直犁鏵線方向為x1軸，垂直向上方向為z1軸建立平面直角坐標系，土垡受到自身重力G，犁壁等效支持力Fn1及等效摩擦力f，受到土壤斷裂面正壓力Fn2及剪切力Fα，如圖4-B、圖4-C所示，受力分析如公式(1)所示：

(1)

式中，σ為犁壁等效入土角，(°)；α為土壤剪切角，(°).

設起壟犁作業(yè)寬度為bL，深度為hL，直元線初始角為τ0，F(xiàn)x與Fy合力為Fxy，則有：

(2)

式中，F(xiàn)xyz為犁壁對土垡作用合力，N；Fxy為Fx，F(xiàn)v合力，N；bL為犁體作業(yè)寬度，m；hL為犁體作業(yè)高度，m；τL為剪切面切應力，N/m2；ρ為犁壁與土垡的摩擦角，(°)；τ0為直元線初始角，(°).

忽略溝壁及溝底土壤對犁壁的作用力，則聯(lián)立公式1和公式2，土垡前進方向所受合力Fx為：

(3)

可知，土垡在起壟犁收土曲面運動狀態(tài)受收土曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行參數(shù)和土壤物理機械特性影響.為使土垡能從畦溝底經(jīng)收土曲面通暢運移到壟面，應使收土曲面下部曲率變化較小，上部曲面外扣，實現(xiàn)畦溝底部土壤先上升后扣翻到壟面的運動過程.收土曲面作業(yè)出廂面中間畦溝和清理畦溝土壤，起壟犁整形擋板作業(yè)，形成穩(wěn)定畦溝和適宜壟面寬度.運用水平直元線法對收土曲面進行設計[17]，根據(jù)分析及作業(yè)設計要求，取導曲線高度為255 mm、導曲線開度為155 mm，導曲線啟始位置位于鏵刃線距鏵尖三分之二處，鏵刃起土角為25°，兩端點切線夾角為110°，起始元線角設計為40°，最小元線角θmin為38°，最大元線角θmax為55°.

2.1.2 整形擋板參數(shù)分析 油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置作業(yè)時，起壟犁收土曲面，初步作業(yè)出畦溝溝型和壟面寬度，后通過起壟犁整形擋板進一步壓實整形及在起壟裝置平整拖板的配合作業(yè)下，完成最終的畦溝溝型和壟型.起壟犁整形擋板的作業(yè)性能影響壟寬和畦溝溝型的穩(wěn)定性，其中整形擋板與水平面的傾斜角度θ1和整形擋板長度是整形擋板的重要參數(shù)，其中，整形擋板傾斜角值θ1的大小與土壤安息角θ2密切相關(guān).當起壟犁整形擋板傾斜角度值θ1取相對土壤安息角θ2值過小時，畦溝斜面坡度較小，土壤不易回流畦溝內(nèi)，畦溝溝型穩(wěn)定，但畦溝變大，壟面寬度變小，造成油菜播種時邊行土壤不足；而當起壟犁整形擋板傾斜角度值θ1取相對土壤安息角θ2值過大時，壟面寬度得以保證，但土壤易回流畦溝，畦溝變小，畦溝溝型不穩(wěn)定，排水防漬害能力降低.因此，起壟犁整形擋板傾角θ1需取合適值時，才能保證壟型和畦溝溝型穩(wěn)定.整形擋板長度影響畦溝邊坡穩(wěn)定性和土壤回流量，同時也與機具作業(yè)速度、土壤落下高度有關(guān).根據(jù)下落土壤在壟面邊界最高點運動軌跡，可計算出整形擋板的長度極限值，綜合考慮取整形擋板長度為450 mm.

2.2 平整拖板

油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置需要平整拖板進行平整壓實作業(yè)出壟面平整度較高的壟型，利于瀝水和雨水排出.根據(jù)油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟壟面設計要求及考慮起壟裝置需要起壟犁和平整拖板配合作業(yè)，才能形成所要求的壟型，取平整拖

板沿壟面截面的長度為570 mm.由于在機具作業(yè)過程中，起壟裝置要適應不同的工況地表及旋耕作業(yè)深度，要求平整拖板需要繞著與起壟裝置連接的銷釘轉(zhuǎn)動，綜合考慮，取平整拖板寬度為320 mm，同時在平整拖板與起壟裝置機架連接處裝有壓縮彈簧，使起壟裝置作業(yè)過程中，平整拖板能夠提供充分的平整壓實壟面的土壤作用力和效果.

3 EDEM仿真試驗

3.1 離散元仿真模型建立

為研究機具作業(yè)速度、旋耕深度和整形擋板傾斜角對起壟裝置的作業(yè)效果影響規(guī)律和確定較優(yōu)的參數(shù)范圍，開展EDEM仿真試驗.建立土壤-秸稈-機具的EDEM離散元仿真模型[18-19]，主要仿真參數(shù)如表2所示，其中模擬秸稈長度為80 mm，土壤顆粒生成總數(shù)量為690 000個，秸稈顆?？倲?shù)為10 000個，仿真模型如圖6所示.

表2 主要仿真參數(shù)Table 2 Main parameters used in simulation

機具作業(yè)過程中，作業(yè)速度、旋耕深度和整形擋板傾斜角對起壟裝置作業(yè)效果具有較大影響，開展單因素試驗，結(jié)合長江中下游地區(qū)嚴重板結(jié)的土壤物理特性[20]及考慮機具實際田間作業(yè)情況，每個試驗因素設5個試驗水平，其中作業(yè)速度分別為0.45、0.55、0.65、0.75、0.85 m/s，旋耕深度分別為80、90、100、110、120 mm，整形擋板傾角為40°、42°、44°、46°、48°.進行單因素試驗時，設置其他2個因素為其試驗水平的中位數(shù).

1:秸稈顆粒；2:土壤顆粒；3:旋耕裝置；4:起壟裝置.1:Straw particle;2:Soil particle;3:Rotary device;4：Ridge planting device.圖6 EDEM仿真模型Figure 6 EDEM simulation model

3.3 結(jié)果分析

仿真試驗運行完后，分析起壟裝置作業(yè)后的廂面截面，作業(yè)效果如圖7所示，并按一定間距提取廂面截面和畦溝截面位置數(shù)據(jù)，分析不同試驗因素及水平值下的起壟作業(yè)效果，結(jié)果如圖8所示.

圖7 仿真作業(yè)效果Figure 7 Simulation operation result

圖8 仿真試驗結(jié)果Figure 8 Experiment result for simulation

試驗結(jié)果表明，機具作業(yè)速度較低時，土壤被平整壓實時間充分，畦溝土壤回流量減少，溝型穩(wěn)定，壟面較平整，利于瀝水，但速度較低，影響機具作業(yè)效率；機具作業(yè)旋耕深度增加時，旋耕裝置擾動土壤量隨之增加，起壟裝置作業(yè)深度也增加，由于其結(jié)構(gòu)的限制，起壟裝置對細碎土壤的壓實力也增加，從而作業(yè)出的畦溝深且溝型穩(wěn)定，壟面平整，便于田間雨水及時排出，但機具作業(yè)耕深的增加會導致作業(yè)機具功耗增加；起壟裝置起壟犁整形擋板傾斜角減小時，畦溝溝寬加大，畦溝土壤回流量較少，壟面抬高，利于雨水排出，但較大的畦溝寬會導致壟面寬度的減小，影響壟面邊行油菜生長.

為保證合適的壟面寬度和畦溝穩(wěn)定性，由公式(4)可知，當機具作業(yè)深度和畦溝溝底寬度一定時，壟面寬度與整形擋板傾角成反比，隨著整形擋板傾角增大，壟面寬度減小.結(jié)合長江中下游地區(qū)土壤特性和仿真試驗結(jié)果，綜合考慮，選定機具較優(yōu)參數(shù)范圍為：機具作業(yè)速度0.55～0.75 m/s，旋耕深度90～110 mm，整形擋板傾角44°.

(4)

式中，B為壟面斷面上部寬度，(mm)；H為壟面斷面高度，(mm)；D為壟型斷面底部寬度，(mm)；θ1為整形擋板傾角，(°)；θ2為土壤安息角，(°).

4 起壟裝置性能試驗

4.1 試驗條件與設備

為驗證所設計的油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置田間起壟作業(yè)效果和作業(yè)功耗，于2019年10月在湖北省監(jiān)利縣華中農(nóng)業(yè)大學稻-油輪作全程機械化生產(chǎn)示范基地開展試驗研究.試驗田塊前茬作物為水稻，土壤質(zhì)地偏粘性，試驗田塊各工況如表3所示.

表3 試驗田塊工況參數(shù)

試驗動力為東方紅LX954型拖拉機，試驗儀器包括：電熱恒溫鼓風干燥箱、磁性水平尺(三箭工具有限公司，精度0.002 9°)、電子計重秤、土壤堅實度儀(浙江托普儀器有限公司，TJSD-750Ⅱ型，±0.5%FS)、土壤取樣環(huán)刀、CKY-810型扭矩傳感器(北京中航科儀測控技術(shù)有限公司，轉(zhuǎn)速測量范圍0～4 000 r/min，精度為±1%，扭矩測量范圍0～1 000 N·m，±1%)、BK-5型拉壓力傳感器(北京中航科儀測控技術(shù)有限公司，測量范圍0～30 kN，±1%)、動態(tài)數(shù)據(jù)采集器和PC主機等.

4.2 試驗方法

分別在工況1和工況2開展油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置田間作業(yè)性能試驗，研究起壟裝置田間起壟效果和作業(yè)功耗.開展起壟裝置田間起壟效果試驗，試驗前通過調(diào)節(jié)拖拉機上拉桿高度和液壓手柄位置保證旋耕深度為90～110 mm，調(diào)節(jié)拖拉機檔位和手油門位置保證整機平均作業(yè)速度為2.3 km/h.試驗機具沿直線方向作業(yè)距離為30 m，每組試驗重復2次，取平穩(wěn)狀態(tài)下的20 m行程為測量區(qū)域，在測量區(qū)域等距離取10個點作為測量點，試驗結(jié)果取平均值.在工況2開展起壟裝置作業(yè)功耗試驗，如圖9所示，在保證旋耕深度為100 mm，通過調(diào)節(jié)拖拉機檔位和手油門位置，使機具作業(yè)速度分別為1.98、2.34 km/h，機具前進30 m，每組試驗重復2次，取平穩(wěn)狀態(tài)下的20 m行程為測量區(qū)域，在測量區(qū)域等距離取10個點作為測量點，試驗結(jié)果取平均值.

1：BK-5型上拉桿拉壓力傳感器；2：CKY-810型扭矩傳感器；3：BK-5型下拉桿拉壓力傳感器；4：數(shù)據(jù)采集器；5：PC電腦.1： BK-5 above-force sensor；2： CKY-810 torque sensor；3： BK-5 below-force sensor；4：Data Card；5：PC.圖9 作業(yè)功耗測試Figure 9 Test for operation power

4.3 結(jié)果與分析

油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置田間起壟效果如圖10所示，壟面平整，畦溝溝型穩(wěn)定，作業(yè)出的平均壟寬544.2～587.3 mm，平均壟高203.3～212.7 mm，平均壟面平整度12.5～18.3 mm，畦溝溝寬302.3～338.9 mm，作業(yè)后各評價指標如表4所示，表明油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置在起壟犁和平整拖板配合作業(yè)下，實現(xiàn)開溝起壟、平土整形功能，作業(yè)出所要求的壟型和畦溝溝型.同時通過作業(yè)功耗分析(表5)，當速度為1.98、2.34 km/h，旋耕功耗分別占總體功耗的77.48%、69.9%，結(jié)合前期研究[21]，表明在油菜壟作精量聯(lián)合直播機作業(yè)過程中，由于起壟裝置主要處理旋耕后的細碎蓬松土壤，作業(yè)功耗消耗較小，油菜直播作業(yè)增加起壟裝置，未明顯整加整機作業(yè)功耗.

圖10 田間試驗作業(yè)效果Figure 10 Field experiment Result

表4 起壟裝置起壟作業(yè)效果

表5 功耗測試數(shù)據(jù)

5 討論與結(jié)論

針對油菜直播機作業(yè)廂面較寬，出現(xiàn)廂面不平，易導致廂面積水，影響油菜生長的生產(chǎn)實際，設計了與油菜直播機相配套的起壟裝置，主要由雙邊起壟犁、單邊起壟犁、平整拖板和機架組成，起壟裝置通過起壟犁和平整拖板配合作業(yè)，實現(xiàn)開溝起壟、平土整形作業(yè)功能，分析并確定了起壟犁收土曲面和整形擋板及平整拖板的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù).

建立了EDEM仿真試驗模型，研究了作業(yè)速度、旋耕深度和整形擋板傾斜角對起壟裝置的作業(yè)效果影響變化規(guī)律；結(jié)果表明，當機具作業(yè)速度較低時，作業(yè)出的畦溝溝型穩(wěn)定，壟面平整，利于瀝水，但速度較低，影響機具作業(yè)效率；機具作業(yè)旋耕深度增加時，作業(yè)出的畦溝深且溝型穩(wěn)定，壟面平整，便于田間雨水及時排出，但機具作業(yè)耕深的增加會導致作業(yè)機具功耗增加；起壟裝置起壟犁整形擋板傾斜角減小時，作業(yè)出的畦溝溝寬加大，畦溝土壤回流量較少，壟面抬高，利于雨水排出，但較大的畦溝寬導致壟面寬度減小，影響壟面邊行油菜生長.綜合考慮，機具較優(yōu)參數(shù)范圍為：機具作業(yè)速度0.55～0.75 m/s，旋耕深度90～110 mm，整形擋板傾角44°.

開展田間試驗研究結(jié)果表明，油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置作業(yè)出的壟面平整，畦溝溝型穩(wěn)定，作業(yè)出的平均壟寬544.2～587.3 mm，平均壟高203.3～212.7 mm，平均壟面平整度12.5～18.3 mm，畦溝溝寬302.3～338.9 mm，表明油菜壟作精量聯(lián)合直播機起壟裝置在起壟犁和平整拖板配合作業(yè)下，實現(xiàn)開溝起壟、平土整形功能，作業(yè)出所要求的壟型和畦溝溝型.同時通過作業(yè)功耗分析表明，油菜直播機作業(yè)時增加起壟裝置，在實現(xiàn)起壟功能的同時，未明顯整加整機作業(yè)功耗.