免耕播種機側(cè)深分層施肥播種部件設計與試驗

趙艷忠 王 勇 龔振平 楊悅乾 趙淑紅 茍金保

(1.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

玉米是我國第二大糧食作物，提高玉米單產(chǎn)是保證國家糧食安全的重要途徑[1]。正確的施肥方式對提高玉米產(chǎn)量至關重要，施肥位置對出苗率、化肥利用率以及作物根系發(fā)育產(chǎn)生直接影響[2-3]。隨著輕簡農(nóng)業(yè)的逐步推廣，緩控釋肥因具有養(yǎng)分釋放可控、省肥增產(chǎn)的特點而發(fā)展迅速[4]。但緩控釋肥的養(yǎng)分釋放特征較常規(guī)肥料差異很大，傳統(tǒng)的種下施肥并不能提高其肥料利用率，甚至出現(xiàn)產(chǎn)量降低的情況。側(cè)深施肥可以有效避免燒種現(xiàn)象，并且在施肥量較大的情況下能夠保證出苗率，增產(chǎn)效果較好[5]。

近年來，國內(nèi)外學者對側(cè)深施肥技術(shù)進行了深入研究，設計研制了許多具有側(cè)深施肥功能的播種機型。國外具有代表性的機型有美國New Holland公司生產(chǎn)的P2082型免耕播種機、John Deere1895型條播機、挪威Kverneland公司研制的2BQJ-6重載型精量點播機[6-8]。國內(nèi)播種作業(yè)不同于國外情況，通常所需的施肥量較大，且多為中小型機具，易出現(xiàn)因種肥混施或深施肥效果較差而引起的燒種問題，因此國內(nèi)的播種機具常常設有側(cè)深施肥裝置。如吉林康達公司研制的2BMZF系列指夾式免耕播種機[9]通過調(diào)整施肥支臂的縱向與橫向位置，可實現(xiàn)對施肥深度與側(cè)向位置的靈活調(diào)整。DEBONT(德邦大為)生產(chǎn)的2605型氣吸式精量免耕播種機[10]采用單圓盤施肥器，從而獲得較大的側(cè)深施肥深度。林靜等[11]設計的2BG-2型玉米壟作免耕播種機將自研的雙圓盤側(cè)深施肥器與播種開溝器側(cè)位配置，實現(xiàn)了側(cè)深施肥。呂彬等[12]研制的大豆雙行側(cè)深施肥免耕播種機使用雙圓盤開溝器進行雙行播種，并在兩播種行間施肥，發(fā)揮了玉米原茬壟作優(yōu)勢。李慧等[13]基于ZBF-24型谷物播種機設計了具有施肥與播種相對深度調(diào)整機構(gòu)的分層側(cè)深施肥播種機。徐云峰[14]設計的兩行玉米免耕播種機利用較大的圓盤夾角使雙圓盤開溝器分別開出肥溝和種溝，實現(xiàn)了種肥側(cè)施。陳海濤等[15]設計的2BMFJ系列免耕覆秸精量播種機通過性能較好，可適應原茬地的側(cè)深施肥播種作業(yè)。為實現(xiàn)側(cè)深施肥，現(xiàn)有機具一般采用較大夾角的圓盤開溝器或施肥、播種開溝器側(cè)位配置兩種方式。因前者易引起種肥間距較近、土壤擾動大、肥料覆蓋效果較差等問題，適用范圍較小，故一般采用施肥、播種開溝器側(cè)位配置。在免耕條件下采用側(cè)深施肥，由于施肥部件與播種開溝部件不在同一條直線上，且側(cè)深施肥部件先入土，導致該側(cè)土壤變得疏松，從而加劇了因秸稈殘茬分布不均而引起的播種機迂回前進、甚至掉壟的問題，嚴重影響了播種作業(yè)質(zhì)量[16-17]。因此需對播種機結(jié)構(gòu)及其側(cè)深施肥播種部件進行優(yōu)化設計。

本文設計一次進地可完成破茬開溝、底肥側(cè)位深施、口肥垂直分施、精密播種、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序的免耕播種機。對施肥播種單體進行結(jié)構(gòu)設計，將傳統(tǒng)雙圓盤開溝器改進為直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器，以提高機具橫向穩(wěn)定性和播種精度。通過田間試驗獲得最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，以更好地滿足播種作業(yè)性能要求。

1 側(cè)深施肥農(nóng)藝要求

在實際生產(chǎn)中，如果將大量底肥施于種子正下方，時常出現(xiàn)肥料燒種、抑制根系生長現(xiàn)象。采用側(cè)深施肥，可以在避免燒種同時，滿足作物中后期的肥料供應，減少追肥次數(shù)[18]。采用同層施肥，能夠有效提高作物苗期的干物質(zhì)和氮磷鉀積累量[19]。因此，為提高化肥利用率，滿足玉米生長的農(nóng)藝要求，本次設計采用底肥側(cè)位深施、口肥同層垂直分施的施肥方式。選擇底肥的施入位置為種子側(cè)方5 cm、下方5 cm處，可獲得較好的增產(chǎn)效果[20-21]。依據(jù)開溝器的回土深度，確定口肥的施入位置為種子正下方1～2 cm(圖1)，能夠促進種子發(fā)芽出苗。

2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機結(jié)構(gòu)

如圖2所示，整機由三點懸掛機架、限深輪、行走地輪、施肥播種單體及覆土鎮(zhèn)壓裝置等組成，每個施肥播種單體包括施肥鏟、直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器、護種板、排種器、排肥器、種箱、肥箱等。采用側(cè)位深施底肥、垂直分施口肥的方式，避免肥料燒種問題。整機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 免耕播種機主要技術(shù)參數(shù)

2.2 工作原理

機具經(jīng)三點懸掛機架掛接在拖拉機后懸掛處，施肥播種單體通過仿形機構(gòu)連接到機架上。機具作業(yè)時，地輪在摩擦作用下轉(zhuǎn)動，通過鏈傳動驅(qū)動排肥、落種。安裝在機架前部的限深輪和破茬圓盤刀預先對秸稈殘茬進行壓實切割，緊隨其后的弧式施肥鏟開出肥溝，底肥通過施肥鏟、導肥管深施于種子側(cè)下方，口肥通過導肥管落于直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器開出的肥種溝內(nèi)，種子經(jīng)排種器和護種板落在自然覆土的口肥之上，實現(xiàn)肥種垂直分施，隨后覆土盤與鎮(zhèn)壓輪完成對種子的覆土鎮(zhèn)壓工作。

3 施肥播種部件設計

施肥播種單體主要由仿形機構(gòu)、自位式破茬圓盤刀、弧式施肥鏟、直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器、護種板、肥箱、種箱、排種器、落種管等組成，其土壤工作部件作業(yè)方式如圖3所示。

弧式施肥鏟與肥種溝開溝器的中心線橫向相距5 cm。調(diào)整施肥鏟、開溝器的安裝高度可方便改變底肥、口肥及播種深度。在施入口肥后，利用回土深度將種子與口肥隔開，防止口肥燒種。影響播種質(zhì)量的關鍵部件為弧式施肥鏟、肥種溝開溝器和護種板。

3.1 弧式施肥鏟

為滿足底肥側(cè)位深施和入土能力要求，本文設計了一種弧式施肥鏟，其主要由鏟柄、鏟尖、導肥舌組成，如圖4a所示。鏟柄高度540 mm，選用30 mm×50 mm的空心鋼管，壁厚4 mm，鏟柄兼具導肥管作用，在鏟柄底部為防止回土堵塞肥料下落，設置了斜面和導肥舌。鏟尖采用圓弧形曲線設計且寬度僅為20 mm，對地表及底層土壤的擾動小，回土性能好，可降低其作業(yè)后播種帶兩側(cè)土壤緊實度的差異，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4b所示，其主要參數(shù)有入土角γ1、入土隙角η、曲率半徑ρ。經(jīng)查閱文獻[22-23]，入土角取值一般為25°～55°，入土隙角取值一般為5°～14°。由于施肥鏟的入土深度較大，為保證鏟尖強度，確定入土角為40°；為避免開溝過程中土壤提前回落，導致底肥達不到施肥深度，入土隙角不宜過大，確定入土隙角為8°。

由圖4b中幾何關系可知，鏟尖圓弧段所在圓的軌跡方程與鏟尖尺寸分別為

x2+(y-ρ)2=ρ2

(1)

lMN=lO1Ntanδ

(2)

鏟尖高度與施肥鏟入土深度均為105 mm。鏟尖斜面長度設置為40 mm，由圖4b可知，δ=20°。通過幾何關系計算得lMN=79 mm，代入式(2)中可得lO1N=217 mm，故M點坐標為(217 mm，79 mm)。代入式(1)可得ρ=337.53 mm，為方便加工，確定鏟尖曲率半徑ρ=340 mm。

3.2 直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器

3.2.1圓盤受力分析

肥種溝開溝器作業(yè)時，其圓盤與土壤之間的相互作用可分為側(cè)移推土與滾切土壤[24]。圓盤和土壤之間應力包括正應力σ、側(cè)面剪應力τ、刃口切應力q，如圖5所示。為方便表達，將圓盤受力視為圓盤側(cè)面正壓力N、圓盤側(cè)面滾切力T和刃口切削力Q的合力。故圓盤受力可寫為

F=N+T+Q

(3)

圓盤所受側(cè)向力主要由圓盤側(cè)面的正壓力與滾切力在側(cè)向方向上的分力組成。其中圓盤正壓力為

N=?SσdS=kgS

(4)

其中

(5)

式中k——土壤變形比壓，kg/cm2

g——重力加速度，取9.8 m/s2

S——圓盤與土壤接觸面積，mm2

h——圓盤入土深度，mm

R——圓盤半徑，mm

其中側(cè)面滾切力可根據(jù)庫侖定律寫為

T=C+Ntanφ1

(6)

式中C——土壤粘附力

φ1——圓盤側(cè)面與土壤摩擦角，(°)

將圓盤正壓力和側(cè)面滾切力在側(cè)向方向上投影，得圓盤側(cè)向合力為

Fy=kgScosα(cosθ+sinθtanφ1)+Csinθcosα

(7)

式中θ——圓盤夾角，(°)

α——圓盤傾角，(°)

3.2.2施肥播種部件水平面內(nèi)受力分析

影響施肥播種單體橫向穩(wěn)定性的因素主要為各入土部件所受力引起的力矩。以施肥播種單體與三點懸掛架鉸接點O為坐標原點建立坐標系，弧式施肥鏟與雙圓盤開溝器在水平面內(nèi)的受力情況如圖6所示。

施肥鏟前進阻力和兩圓盤所受側(cè)向力對點O的力矩為

∑MO=(Fy1-Fy2)l0-Fxl1

(8)

其中，由于弧式施肥鏟的鏟尖寬度較小，其前進阻力Fx主要由鏟尖的切土阻力FS、土壤與鏟尖兩頰面之間的粘附力Fn和摩擦力Ff組成[25]，即

Fx=FScos(γ1+η)+Fn+Ff

(9)

其中

FS=K1ah′

(10)

Fn=K2Atanφ2

(11)

Ff=μN′

(12)

式中K1——切土比阻力

a——鏟尖寬度，mm

h′——施肥鏟入土深度，mm

K2——粘附系數(shù)μ——摩擦因數(shù)

A——鏟尖頰面面積，mm2

φ2——施肥鏟與土壤摩擦角，(°)

N′——鏟尖頰面正壓力，N

分析圖6、式(8)可知，在側(cè)深施肥條件下，會引起施肥鏟一側(cè)播種帶的土壤緊實度降低，右側(cè)圓盤一側(cè)的土壤變形比壓k與土壤粘附力C均小于左側(cè)圓盤一側(cè)，導致兩圓盤的側(cè)向力差值較大，引起施肥播種單體向施肥鏟一側(cè)偏轉(zhuǎn)。同時由于前進阻力F1的力臂l1遠小于圓盤側(cè)向力的力臂l0，導致雙圓盤開溝器側(cè)向合力對鉸接點的力矩有較大影響。為提高施肥播種單體的橫向穩(wěn)定性需盡量減小開溝器與單體鉸接點間距、降低雙圓盤開溝器的側(cè)向合力。因此，綜合考慮安裝空間和機具重心位置，確定施肥鏟柄與肥種溝開溝器導肥管前后相距365 mm；由3.2.1節(jié)可知，圓盤側(cè)向力與入土深度、圓盤直徑、圓盤夾角、圓盤傾角有關。為提高單體橫向穩(wěn)定性和降低開溝器側(cè)向合力，可調(diào)整兩側(cè)圓盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)，將左側(cè)圓盤的圓盤夾角和圓盤傾角設置為0°，同時加大入土深度，借助左側(cè)圓盤的土壤緊實度較高起到找正作用，提高開溝直線度和開溝深度穩(wěn)定性，設計了直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器。其側(cè)向合力為

Ftotal=k1gS1-k2gS2cosα(cosθ+sinθ)-C1sinθcosα

(13)

式中k1——肥種溝左側(cè)土壤變形比壓

k2——肥種溝右側(cè)土壤變形比壓

S1——左側(cè)圓盤與土壤接觸面積

S2——右側(cè)圓盤與土壤接觸面積

C1——右側(cè)圓盤一側(cè)土壤粘附力

3.2.3肥種溝開溝器結(jié)構(gòu)

直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器由導肥管、直盤軸、斜盤軸、定位直圓盤、開溝斜圓盤等組成[26]，如圖7所示。開溝斜圓盤安裝于土壤緊實度較低的施肥鏟一側(cè)，定位直圓盤豎直裝配于斜圓盤前方20 mm、下方20 mm處。開溝斜圓盤與直圓盤間形成圓盤夾角和圓盤傾角。導肥管為30 mm×50 mm中空鋼管，采用頂絲與單體梁聯(lián)接，便于調(diào)整開溝器的入土深度。

由于定位直圓盤一側(cè)土壤緊實度較高，較斜圓盤先入土且入土深，能夠在破茬開溝的同時保持較高的開溝直線度，開溝斜圓盤僅起推移根茬、拓寬溝型作用，入土阻力較小。此外，定位直圓盤一側(cè)可形成豎直側(cè)壁，開溝斜圓盤有傾角，對該側(cè)疏松土壤及較大土塊具有壓實重塑作用，可獲得較為平整緊實的種溝側(cè)壁，有利于種子順利滑落溝底。在側(cè)深施肥條件下，肥種溝開溝器的橫向穩(wěn)定性較好，開溝質(zhì)量較高。

3.2.4開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1)圓盤直徑

為提高直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器的通過性能，應保證秸稈被定位直圓盤切斷而不產(chǎn)生推移[27-29]。對圓盤與秸稈進行靜力分析可知

f1+f2≥FN

(14)

式中f1——地表與秸稈間的摩擦力

f2——圓盤與秸稈間摩擦力

FN——圓盤對秸稈施加的水平推力

引入圓盤直徑Dp、秸稈直徑d、開溝器入土深度h、秸稈與地表的摩擦角φ3、秸稈與圓盤的摩擦角φ4等參數(shù)，通過幾何關系對式(14)分解可得

(15)

依據(jù)玉米播種農(nóng)藝要求，確定開溝器的入土深度為75 mm。經(jīng)查閱，東北地區(qū)玉米秸稈平均直徑為31 mm[30-31]；秸稈與地表的摩擦角φ3=30°；為保證圓盤的切斷能力，選取秸稈與圓盤摩擦角φ4=33°[32]，經(jīng)式(15)計算可得：Dp≥335 mm?？紤]到安裝空間，確定圓盤直徑Dp取值范圍為335～380 mm。

(2)圓盤聚點及夾角

開溝器聚點M為開溝斜圓盤在定位直圓盤內(nèi)側(cè)的交點，聚點位置常用聚點角β表示。本次設計使聚點位于地表上方，以便順利切開土層，避免圓盤夾土和堵塞。β取值范圍為55°～75°[33]，為保證免耕覆秸條件下開溝器的通過性能，β取值為65°。依據(jù)《農(nóng)業(yè)機械手冊》[34]，可得開溝寬度b為

(16)

分析式(16)可知，在聚點位置夾角β一定時，開溝寬度b隨著圓盤直徑Dp、圓盤夾角θ的增大而增大。綜合相關文獻和導肥管安裝空間，選擇圓盤夾角為11°～18°，計算得開溝寬度為20～38 mm，開溝寬度較小，引起的土壤擾動較小，滿足玉米播種農(nóng)藝要求。

(3)圓盤傾角

為方便表示開溝器的空間結(jié)構(gòu)，可將其結(jié)構(gòu)簡化為四棱錐ABCDM，如圖8所示。平面AMD、BMC分別代表開溝斜圓盤和定位直圓盤，兩平面匯交于聚點M處。分析圖8中幾何關系，引入圓盤直徑Dp和開溝寬度b，可得圓盤傾角為

(17)

為容納導肥管，上間距l(xiāng)CD應大于45 mm。結(jié)合圓盤直徑、開溝寬度的設計，代入式(17)中，可得圓盤傾角α為3°～9°。

3.3 護種板

護種板位于直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器后側(cè)，為防止導種管堵塞引起漏播或斷壟，護種板采用厚度為2 mm的鐵板焊接而成，通過螺栓連接到機架上，如圖9所示。護種板寬度為50 mm，高度為320 mm，上端圓弧形豁口，可容納落種管，并與排種器形狀適應，前端為三角形。作業(yè)時，護種板可將周圍秸稈殘茬推向兩側(cè)，種子在護種板內(nèi)垂直下落于肥種溝內(nèi)，不易出現(xiàn)掛草堵塞問題，播種均勻性較好，且在落種過程中不受風力影響，播種精度較高。

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗條件及儀器

試驗于2020年9月在東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院試驗地進行。試驗地為平整后的馬鈴薯收獲地，土壤類型為黑土，選取100 m×300 m的地塊作為試驗區(qū)。試驗前對試驗區(qū)的土壤參數(shù)進行了測定，結(jié)果如表2所示。

表2 土壤參數(shù)

試驗儀器有約翰迪爾奔野454型拖拉機、自制的工作阻力測試裝置(圖10)、直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器(由5種不同直徑的圓盤、15種不同夾角和傾角的立柱式導肥管裝配組成)、數(shù)顯式拉壓力計(海寶儀器有限公司生產(chǎn)，HG-10K型和HG-30K型，量程分別為10、30 kN)、弧式施肥鏟、烘箱、環(huán)刀組件、電子天平、SC-900型土壤硬度儀、鋼卷尺、直尺等。

4.2 試驗設計

4.2.1試驗因素與性能指標

由3.2節(jié)可知，施肥播種單體的橫向穩(wěn)定性和作業(yè)質(zhì)量與直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器的圓盤直徑、圓盤夾角、圓盤傾角有關，各因素編碼如表3所示。

表3 試驗因素編碼

施肥播種單體的性能指標包括作業(yè)能耗、橫向穩(wěn)定性和播種深度穩(wěn)定性等。經(jīng)前期試驗表明，護種板僅起保護落種作用，極少出現(xiàn)掛草、破壞溝型現(xiàn)象，故以開溝作業(yè)時前進阻力、側(cè)向合力、開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為目標函數(shù)。

4.2.2試驗指標計算方法

(1)前進阻力

在開溝過程中，讀取前進阻力上傳感器、下傳感器的拉壓力，計算公式為

y1=F1-F2

(18)

式中F1——前進阻力下傳感器拉壓力，N

F2——前進阻力上傳感器拉壓力，N

(2)側(cè)向合力

在開溝過程中，讀取側(cè)向阻力上傳感器、下傳感器的拉壓力，計算公式為

y2=F3-F4

(19)

式中F3——側(cè)向合力下傳感器拉壓力，N

F4——側(cè)向合力上傳感器拉壓力，N

(3)開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)

每組試驗選取50 m的作業(yè)距離，去掉前后5 m距離，隨機選取10個點，測量開溝深度。通過開溝深度平均值與標準差計算得到開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)。

4.2.3試驗方法

試驗時將弧式施肥鏟和直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器安裝于工作阻力測試裝置上，調(diào)整弧式施肥鏟位于直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器斜盤側(cè)方5 cm、下方5 cm。田間試驗如圖11所示。

4.3 試驗結(jié)果與分析

試驗采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗進行設計，選取圓盤直徑x1、圓盤夾角x2和圓盤傾角x3為試驗因素，以前進阻力y1、側(cè)向合力y2、開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)Uj為評價指標，共實施23組試驗，試驗方案與結(jié)果如表4所示，X1、X2、X3為因素編碼值。

應用Design-Expert 8.0.6軟件對表4中的試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合和方差分析，去除不顯著項，進而得出各因素對前進阻力y1、側(cè)向合力y2、開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)Uj影響的回歸方程為

表4 試驗方案與結(jié)果

(20)

(21)

Uj=89.53-1.71X1-1.98X2+1.46X3+

(22)

為更直觀分析評價指標與試驗因素之間關系，利用Design-Expert 8.0.6軟件得到響應曲面，根據(jù)上述回歸方程和響應曲面圖可知，圓盤直徑、圓盤夾角、圓盤傾角之間存在交互作用。

由圖12a可知，當圓盤傾角一定時，前進阻力y1隨著圓盤直徑的增加呈增大趨勢，最優(yōu)的圓盤直徑在344～360 mm范圍內(nèi)，原因是隨著圓盤直徑增加，開溝器在前進過程中的擾動域變大，導致前進阻力增加；當圓盤直徑一定時，前進阻力y1隨著圓盤傾角的增加呈增大趨勢，最優(yōu)的圓盤傾角在4.2°～6°范圍內(nèi)，原因是隨著圓盤傾角增加，開溝斜圓盤在前進過程中向外拋土量增大，導致前進阻力增加。在圓盤直徑與圓盤夾角的交互作用中，影響前進阻力y1的主要因素是圓盤直徑。

由圖12b可知，當圓盤傾角一定時，側(cè)向合力y2隨著圓盤夾角的增加呈減小趨勢，最優(yōu)的圓盤夾角在14°～16.5°范圍內(nèi)，原因是定位直圓盤一側(cè)土壤緊實度較高且入土深度較深，所受側(cè)向力較大；隨著圓盤夾角增加，開溝斜圓盤在前進過程中的擾動域變大，推土量增加，開溝斜圓盤所受側(cè)向力增大。因兩圓盤側(cè)向力方向相反，導致開溝器的側(cè)向合力減小。當圓盤夾角一定時，側(cè)向合力y2隨著圓盤傾角的增加呈減小趨勢，最優(yōu)的圓盤傾角在5.5°～7.8°范圍內(nèi)，原因是隨著圓盤傾角變大，開溝斜圓盤與土壤接觸面積增大，開溝斜圓盤所受側(cè)向力變大，導致開溝器側(cè)向合力減小。在圓盤夾角與圓盤傾角的交互作用中，影響側(cè)向合力y2的主要因素是圓盤傾角。

由圖12c可知，當圓盤夾角一定時，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)Uj隨著圓盤直徑的增加呈先增加后減小的趨勢，最優(yōu)的圓盤直徑在344～360 mm范圍內(nèi)，原因是圓盤直徑較小時，開溝器的破茬能力較差，未被切斷的根茬拖動易破壞肥種溝形狀，隨著圓盤直徑增加，開溝器的通過性能提高，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)升高；當圓盤直徑過大時，開溝斜圓盤擾動域較大，回土量較大，且試驗地存在土壤結(jié)塊現(xiàn)象，土壤易成塊回流，回土量不均勻，導致開溝深度穩(wěn)定系數(shù)降低；當圓盤直徑一定時，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)Uj隨著圓盤夾角的增加呈先增加后減小的趨勢，最優(yōu)的圓盤夾角在12.5°～15°范圍內(nèi)，原因是圓盤夾角較小時，回土量較大，隨著圓盤夾角變大，回土量減小，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)升高，但當圓盤夾角過大時，會形成肥種溝溝底凸起，導致開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)降低。在圓盤直徑與圓盤夾角的交互作用中，影響開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)Uj的主要因素是圓盤夾角。

由圖12d可知，當圓盤傾角一定時，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)Uj隨著圓盤夾角的增加呈先增加后減小的趨勢，最優(yōu)的圓盤夾角在13°～15°范圍內(nèi)；當圓盤夾角一定時，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)Uj隨著圓盤傾角的增加呈緩慢上升的趨勢，最優(yōu)的圓盤傾角在5.5°～7.8°范圍內(nèi)，原因是當圓盤傾角增大時，開溝斜圓盤向外拋土量隨之增加，回土量降低，從而提高開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)。在圓盤夾角與圓盤傾角的交互作用中，影響開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)Uj的主要因素是圓盤夾角。

4.4 參數(shù)優(yōu)化與對比試驗

4.4.1參數(shù)優(yōu)化

應用Design-Expert軟件平臺的Optimization模塊對回歸模型進行優(yōu)化求解，優(yōu)化目標為

(23)

經(jīng)求解，獲得最優(yōu)參數(shù)組合為：圓盤直徑為352.78 mm、圓盤夾角為14.03°、圓盤傾角為7.53°，為便于加工將最優(yōu)參數(shù)圓整后為：圓盤直徑352 mm、圓盤夾角14°、圓盤傾角7.5°，得到直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器的前進阻力為585.96 N，側(cè)向合力為181.95 N，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為91.46%。

4.4.2對比試驗

為驗證優(yōu)化結(jié)果的可靠性和開溝器的結(jié)構(gòu)合理性，在側(cè)深施肥條件下，對最優(yōu)參數(shù)下直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器與傳統(tǒng)對稱式雙圓盤開溝器(圓盤直徑340 mm、圓盤夾角16°)進行對比試驗，測量作業(yè)過程中的前進阻力、側(cè)向合力、開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)、開溝直線度均值和標準差，相同試驗條件下重復驗證5次，結(jié)果取平均值。

由表5可知，與傳統(tǒng)雙圓盤開溝器相比，直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器的前進阻力增加19%，側(cè)向合力降低47%。前進阻力增加是由于定位直圓盤入土深度增加，圓盤與土壤接觸面積和刃緣弧長變大，引起刃口切削力與側(cè)面滾切力增大，同時開溝斜圓盤存在圓盤傾角，擾動域變大，向前推土量增大；側(cè)向合力大幅降低，有效避免了施肥播種單體跑偏和掉壟的情況發(fā)生。開溝深度穩(wěn)定系數(shù)提高9.38個百分點，開溝直線度均值降低6.65 mm，標準差降低2.05 mm。結(jié)果表明，肥種溝開溝器的橫向穩(wěn)定性較好、開溝質(zhì)量較高。

表5 對比試驗結(jié)果

5 田間性能試驗

為檢驗樣機的田間作業(yè)性能，于2020年10月在東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院試驗地進行田間試驗。試驗前對試驗地條件進行測定，玉米秸稈覆蓋量平均為735.8 g/m2，土壤含水率為18.73%；土壤硬度為545 kPa。試驗時取150 m為一個工作行程，以文獻[35-36]及GB/T 20865—2007《免耕施肥播種機》作為評定標準，免耕播種機的作業(yè)質(zhì)量如圖13、表6所示。試驗結(jié)果表明機具的橫向穩(wěn)定性較好，施肥播種精度較高，滿足免耕播種機作業(yè)性能要求。

表6 樣機性能試驗結(jié)果

6 結(jié)論

(1)基于側(cè)深施肥農(nóng)藝要求，針對側(cè)深施肥免耕播種作業(yè)中易出現(xiàn)偏擺或掉壟的問題，設計了一種可以底肥側(cè)位深施、口肥垂直分施的免耕播種機側(cè)深分層施肥播種部件，并對其施肥鏟、開溝器、護種板等關鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行理論分析和計算。

(2)通過施肥播種部件在水平面內(nèi)的受力分析，得出影響其作業(yè)橫向穩(wěn)定性的主要因素為開溝器與鉸接點的間距和側(cè)向合力，據(jù)此確定施肥播種部件相對位置關系，并設計直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器，通過理論分析確定影響其側(cè)向合力的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及取值范圍。利用響應曲面優(yōu)化法，通過田間試驗對側(cè)深施肥條件下肥種溝開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設計，獲得最佳參數(shù)組合為：圓盤直徑352 mm、圓盤夾角14°、圓盤傾角7.5°，此時前進阻力為585.96 N、側(cè)向合力為181.95 N、開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為91.46%。

(3)通過對比試驗可知，在側(cè)深施肥條件下，直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器的側(cè)向合力比傳統(tǒng)對稱式雙圓盤開溝器降低47%，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)提高9.38個百分點，開溝直線度明顯提高。所設計的直斜錯位雙圓盤肥種溝開溝器通過設置定位直圓盤可大幅減小非施肥鏟一側(cè)圓盤的側(cè)向力，并起到找正作用，配合調(diào)整開溝斜圓盤的夾角與傾角，可以降低因播種帶兩側(cè)土壤緊實度不同而引起的施肥播種部件水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動力矩，從而提高橫向穩(wěn)定性。由于增大了定位直圓盤的入土深度，故前進阻力有所增加。

(4)通過田間性能試驗可知，樣機作業(yè)過程中無掉壟堵塞情況，播種深度變異系數(shù)、橫向變異系數(shù)分別為10.7%、28.4%，種肥垂直與側(cè)向距離合格率分別為91.7%、92.4%，滿足機具作業(yè)時的橫向穩(wěn)定性和施肥播種精度要求。