三七育苗播種覆土鎮(zhèn)壓裝置的研究設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊文彩，蒲 望，潘吳建，張效偉，張 良，鄭嘉鑫

(1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,云南 昆明 650201； 2 楚天科技股份有限公司,湖南 長沙 410600)

三七Panax notoginseng是名貴中藥材，主產(chǎn)于云南。三七栽培需先育苗再移栽，育苗農(nóng)藝要求非常特殊，一是播種行株距均為50 mm、播種深度為10 mm，屬于超精密播種[1]，二是種床為特殊土壤，由云南紅壤土和蔗渣、有機(jī)質(zhì)、生物質(zhì)炭、礦物土壤調(diào)理劑等按特殊比例混合制成(下文中土壤和基質(zhì)皆為此特殊土壤)。覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)質(zhì)量對優(yōu)質(zhì)種苗培育有至關(guān)重要的作用[2-3]，而目前三七覆土、鎮(zhèn)壓基本是人工模式，存在作業(yè)成本高、覆土厚度不一致、基質(zhì)壓實(shí)程度不均勻、效率低下等問題。設(shè)計(jì)一種覆土鎮(zhèn)壓裝置代替人工作業(yè)，對優(yōu)質(zhì)三七種苗培育具有重要意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者對覆土、鎮(zhèn)壓裝置進(jìn)行了大量研究?，F(xiàn)有的覆土、鎮(zhèn)壓裝置多為覆土、鎮(zhèn)壓分體式結(jié)構(gòu)，對集覆土、鎮(zhèn)壓功能一體的裝置研究較少，常見的覆土鎮(zhèn)壓器為擠壓式覆土鎮(zhèn)壓器，但其擠土輪與土壤接觸面積較小，土壤黏附量較大，覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性不佳[4-6]，侯守印等[7]設(shè)計(jì)的彈性螺旋式覆土鎮(zhèn)壓器雖然可以減少土壤黏附量，但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，不適用于窄行株距的三七播種。在覆土鎮(zhèn)壓過程中，仿形機(jī)構(gòu)可控制鎮(zhèn)壓均勻度和強(qiáng)度的穩(wěn)定性，現(xiàn)有后置仿形、液壓仿形和彈簧壓縮水平仿形等機(jī)構(gòu)[8]，趙淑紅等[9]設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力的雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置，能實(shí)現(xiàn)橫向和縱向仿形，鎮(zhèn)壓均勻性好，為本文提供了一定的參考。隨著土壤本構(gòu)模型的不斷完善和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，仿真分析在農(nóng)機(jī)觸土部件與土壤相互作用的研究中應(yīng)用得越來越廣泛。離散元法能有效模擬土壤顆粒和觸土部件間的微觀、宏觀變形，能直觀反映觸土部件與土壤顆粒的相互作用、土壤顆粒對種子的擾動(dòng)行為以及種子的運(yùn)動(dòng)過程，因此適用于研究覆土鎮(zhèn)壓過程[10-13]?，F(xiàn)有覆土鎮(zhèn)壓器主要針對大田大行株距作物，不適用于小行株距、淺播深的三七育苗播種，故設(shè)計(jì)一種適合三七播種的覆土鎮(zhèn)壓器是十分必要的。

本文針對密集型種溝，設(shè)計(jì)集覆土、鎮(zhèn)壓功能為一體的覆土鎮(zhèn)壓裝置。通過田間試驗(yàn)確定適宜優(yōu)質(zhì)三七種苗培育的最佳緊實(shí)度范圍；通過動(dòng)力學(xué)分析設(shè)計(jì)覆土鎮(zhèn)壓裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)；借助EDEM軟件分析覆土鎮(zhèn)壓效果；以開溝深度、播種機(jī)前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素，以覆土厚度及覆土厚度一致性為試驗(yàn)指標(biāo)開展土槽試驗(yàn)，驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)組合下鎮(zhèn)壓力大小、覆土厚度是否滿足三七育苗播種時(shí)基質(zhì)緊實(shí)度和覆土厚度的農(nóng)藝要求。

1 基質(zhì)濕度、緊實(shí)度對出苗率及種苗品級的影響

土壤緊實(shí)度對根莖類作物有重要影響，合理的土壤緊實(shí)脅迫可以控制主、側(cè)根的長度、直徑和生長方向，利于優(yōu)質(zhì)三七種苗培育[14-17]。播種時(shí)基質(zhì)濕度會(huì)影響機(jī)械化作業(yè)效果進(jìn)而影響出苗率，因此本研究同時(shí)開展基質(zhì)濕度、基質(zhì)緊實(shí)度對三七種子出苗率及三七種苗品級影響試驗(yàn)，找到種苗培育的最佳基質(zhì)濕度和緊實(shí)度范圍，為覆土鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

我們連續(xù)3年對三七育苗基地的特殊基質(zhì)育苗期的緊實(shí)度進(jìn)行了采樣統(tǒng)計(jì)，基質(zhì)緊實(shí)度范圍為100～600 kPa，但集中度不明顯。另外，根據(jù)農(nóng)藝要求，三七播種時(shí)基質(zhì)濕度一般要求在15%～35%[8]。因此本試驗(yàn)選取3個(gè)基質(zhì)濕度水平：15%、25%和35%，使用土壤水分測量儀測量，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)，用澆水壺逐步控制濕度；6個(gè)基質(zhì)緊實(shí)度水平：0、200、400、600、800、1 000 kPa，使用緊實(shí)度測量儀測量，測量深度為10 cm，人工鎮(zhèn)壓使基質(zhì)達(dá)到所需緊實(shí)度；共18組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)土槽長度均為300 mm，為排除偶然性，另外設(shè)置2組重復(fù)試驗(yàn)。4月份出苗整齊后，用全額計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)出苗率；待年底種苗收獲時(shí)，借助WinRHIZO根系分析儀(航信科學(xué)儀器有限公司)測量統(tǒng)計(jì)種苗品級。試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土壤含水率測量和控制 按圖2中所示的位置在每個(gè)試驗(yàn)基質(zhì)塊(1.44 m×3.00 m)上標(biāo)記6個(gè)點(diǎn)，在以每個(gè)點(diǎn)為中心，半徑為0.2 m的圓內(nèi)任取3處使用土壤水分測量儀進(jìn)行濕度測量。

圖2 土壤含水率測量Fig.2 Soil moisture content measurement

設(shè)置濕度水平為15%、25%和35%，用土壤水分測量儀測量原始濕度，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，用澆水壺逐步控制濕度，讀數(shù)小于15%時(shí)，繼續(xù)澆水微調(diào)并翻土混合，讀數(shù)超過15%時(shí)，混合干燥基質(zhì)后用土壤水分測量儀測量讀數(shù)，調(diào)整到濕度為15%左右。25%、35%濕度水平如上述方法進(jìn)行調(diào)整。

1.2.2 土壤緊實(shí)度測量和控制 按圖3中所示的位置在每個(gè)試驗(yàn)基質(zhì)塊 (1.44 m×0.50 m)上標(biāo)記3個(gè)點(diǎn)，在以每個(gè)點(diǎn)為中心，半徑為0.2 m的圓內(nèi)任取3處使用緊實(shí)度測量儀進(jìn)行緊實(shí)度測量，測量深度為 10 cm。

圖3 土壤緊實(shí)度測量Fig.3 Soil compactness measurement

設(shè)置緊實(shí)度水平 0、200、400、600、800、1 000 kPa，對應(yīng)每種濕度取 6 個(gè)基質(zhì)塊 (1.44 m×0.50 m)用緊實(shí)度測量儀測量，人工鎮(zhèn)壓，測量數(shù)據(jù)未超過200 kPa時(shí)，繼續(xù)鎮(zhèn)壓測量，調(diào)整到200 kPa左右。測量數(shù)據(jù)超過200 kPa時(shí)，人工松土再鎮(zhèn)壓測量逐步調(diào)整到 200 kPa，土壤緊實(shí)度 400、600、800、1 000 kPa 均如上述方法進(jìn)行調(diào)整。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1 種子出苗率 4月份出苗整齊時(shí)，采集出苗階段長勢情況，并統(tǒng)計(jì)種子出苗率，局部出苗情況如圖4所示。

圖4 不同緊實(shí)度的三七種子出苗圖Fig.4 Seed emergence diagram of Panax notoginseng under different soil compactness

統(tǒng)計(jì)分析得出各濕度和緊實(shí)度下種子出苗率均值如圖5所示，由圖5可知，所有基質(zhì)濕度下，基質(zhì)無鎮(zhèn)壓時(shí)三七出苗率無明顯差異，緊實(shí)度高于600 kPa時(shí)，三七出苗率均出現(xiàn)下降趨勢；在25%、35%基質(zhì)濕度下，當(dāng)緊實(shí)度處于400～600 kPa時(shí)，三七出苗率出現(xiàn)下降趨勢；在15%、25%基質(zhì)濕度下，基質(zhì)緊實(shí)度處于200～400 kPa較無鎮(zhèn)壓下三七出苗率有所提高，在35%基質(zhì)濕度下，基質(zhì)緊實(shí)度處于200～400 kPa較無鎮(zhèn)壓下三七出苗率較穩(wěn)定。綜合可得，在相同基質(zhì)濕度下，三七出苗率最佳基質(zhì)緊實(shí)度范圍為 200～400 kPa。

圖5 不同土壤濕度和緊實(shí)度的出苗率Fig.5 Seedling emergence rate under different soil humidity and compactness

1.3.2 種苗品級 年底種苗收獲時(shí)，按不同組數(shù)每小組隨機(jī)挖取30株種苗，種苗標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[18]，3種基質(zhì)濕度、6種基質(zhì)緊實(shí)度、3組對照試驗(yàn)區(qū)下共采集1 620株種苗進(jìn)行分級，測量、記錄種苗質(zhì)量、主根長度、種苗直徑、休眠芽直徑和根須數(shù)，得到三七種苗各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 三七種苗各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 1 Index statistics of Panax notoginseng seedlings

單株質(zhì)量變異系數(shù)最大；以單株質(zhì)量為參考，對三七種苗各項(xiàng)指標(biāo)做相關(guān)性分析，得到三七種苗主根長、種苗直徑、休眠芽直徑、根須數(shù)與單株質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.47、0.86和0.76。

根據(jù) ISO 20408—2017 中藥-三七種子和幼苗國際標(biāo)準(zhǔn)三七種苗品級分級標(biāo)準(zhǔn)[19]，對不同濕度、不同緊實(shí)度下的三七種苗進(jìn)行分級，結(jié)果如表2所示。由表2可知，育苗期其他條件相同，在基質(zhì)濕度為25%，緊實(shí)度為200～400 kPa時(shí)，二級種苗占比較高，三七種苗品級較好，此時(shí)，二級種苗占27.8%、三級種苗占60.5%、三級以下種苗占11.7%。綜合考慮出苗率及種苗品級試驗(yàn)結(jié)果，覆土鎮(zhèn)壓輥的鎮(zhèn)壓力大小按200～400 kPa設(shè)計(jì)，進(jìn)行土槽試驗(yàn)時(shí)基質(zhì)濕度控制在25%左右。

表2 不同土壤濕度和緊實(shí)度下三七種苗分級比例Table 2 Grading proportions of Panax notoginseng seedlings under different soil humidity and compactness

2 覆土鎮(zhèn)壓裝置的設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

覆土鎮(zhèn)壓是育苗播種的最后工序，鎮(zhèn)壓力應(yīng)能滿足優(yōu)質(zhì)三七種苗培育的緊實(shí)度要求。三七播種前，開溝輪開出的v型種溝如圖6所示。覆土鎮(zhèn)壓裝置整體結(jié)構(gòu)主要由覆土鎮(zhèn)壓輥、固定支架、支撐桿和球形鏈接等組成，覆土鎮(zhèn)壓輥與播種機(jī)鏈接處采用開口銷鏈接以方便拆卸，結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，為減少覆土鎮(zhèn)壓輥的前進(jìn)阻力、保證v型溝槽頂端基質(zhì)被鎮(zhèn)壓后地表平整，鎮(zhèn)壓輥設(shè)計(jì)成光滑型表面，作業(yè)時(shí)，覆土鎮(zhèn)壓輪隨播種機(jī)滾動(dòng)前進(jìn)，在重力和彈簧力的作用下完成覆土和鎮(zhèn)壓。

圖6 播種前開溝效果圖Fig.6 Effect diagram of ditching before planting

圖7 覆土鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.7 Schematic diagram of the structure of the soil covering and compacting device

2.2 覆土鎮(zhèn)壓輥寬度及直徑的確定

農(nóng)藝上三七育苗槽一般寬度為1 500 mm，考慮中間50 mm行距和兩側(cè)25 mm安裝間隙，故覆土鎮(zhèn)壓輥寬度設(shè)計(jì)為 1 400 mm。

覆土鎮(zhèn)壓輥直徑大小直接影響覆土鎮(zhèn)壓效果及鎮(zhèn)壓輪的滑移率，鎮(zhèn)壓輥直徑太小，作業(yè)過程會(huì)產(chǎn)生滑移，出現(xiàn)拖土壅土現(xiàn)象[20]，影響覆土鎮(zhèn)壓效果；反之，鎮(zhèn)壓輥直徑越大，可減小作業(yè)過程中的滑移現(xiàn)象，覆土鎮(zhèn)壓效果好，但制作成本會(huì)增加，整機(jī)穩(wěn)定性也會(huì)受限。適宜的鎮(zhèn)壓輥直徑應(yīng)結(jié)合作業(yè)過程的受力情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 覆土鎮(zhèn)壓輥工作過程受力分析

在鎮(zhèn)壓輥配重相同的情況下，若鎮(zhèn)壓輥直徑越大，其滾動(dòng)阻力越小，滑移率和壅土阻力也會(huì)適當(dāng)減小[21]。為保證鎮(zhèn)壓輥正常轉(zhuǎn)動(dòng)和不滑移，覆土鎮(zhèn)壓輥直徑(D)應(yīng)滿足[7]：

式中：μ為土壤與覆土鎮(zhèn)壓輥之間的摩擦系數(shù)；G為覆土鎮(zhèn)壓輥的重力及其附加載荷，N；Mr為軸套中的摩擦力矩，N·m。

由式(1)可知，覆土鎮(zhèn)壓輥?zhàn)钚≈睆脚c軸套中摩擦力矩、土壤對覆土鎮(zhèn)壓輥的摩擦系數(shù)和鎮(zhèn)壓力等有關(guān)，在軸套中摩擦力矩和摩擦系數(shù)確定的情況下，為保證覆土鎮(zhèn)壓質(zhì)量，同時(shí)控制成本，應(yīng)在農(nóng)藝要求范圍內(nèi)提高鎮(zhèn)壓力。

2.4 覆土鎮(zhèn)壓輥滾動(dòng)條件

覆土鎮(zhèn)壓過程中，覆土鎮(zhèn)壓輥在垂直載荷作用下，與基質(zhì)的接觸點(diǎn)，不僅有基質(zhì)對輪子的支撐反力法向合力(FN)、切向摩擦力的合力(FT)，還有輪軸中的內(nèi)摩擦力矩(Mm)、基質(zhì)給部件在輪上的阻力矩(Mk)等，受力分析如圖8所示。

圖8 覆土鎮(zhèn)壓輥受力分析圖Fig.8 Force analysis diagram of the soil covering and pressing roller

當(dāng)鎮(zhèn)壓輥處于平衡狀態(tài)時(shí)，根據(jù)圖8有：

式中：FP為牽引力，N；G為覆土鎮(zhèn)壓輥的重力及其附加載荷，N；Fy為垂直反力，N；Fx為摩擦力，N；r為覆土鎮(zhèn)壓輥的半徑，cm；lh為A點(diǎn)與輪心之間的水平距離，cm；lv為A點(diǎn)與輪心之間的垂直距離，cm。

根據(jù)受力分析圖，鎮(zhèn)壓輥共有3種不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：

輪子處于純滾動(dòng)狀態(tài)，有：

輪子處于既滾動(dòng)又滑動(dòng)狀態(tài)，有：

輪子處于純滑移狀態(tài)，有：

由于基質(zhì)的復(fù)雜特性，覆土鎮(zhèn)壓輥運(yùn)動(dòng)過程中，覆土鎮(zhèn)壓輥與基質(zhì)接觸不可能完全純滾動(dòng)，會(huì)存在一定的滑移。因此，為保證純滾動(dòng)，在地輪與鎮(zhèn)壓輥間加入鏈傳動(dòng)，使覆土鎮(zhèn)壓輥與地輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.5 覆土鎮(zhèn)壓輥所受支撐反力

由圖8可知：

換算得：

覆土鎮(zhèn)壓輥行走阻力(Fp)計(jì)算公式為：

式中：b表示覆土鎮(zhèn)壓輥的寬度，mm；n、k均為基質(zhì)參數(shù)，表示與土壤性質(zhì)相關(guān)參數(shù)，取1.08；Z為下陷量，mm；一般耕作層土壤取n=1/2[22]。

2.6 覆土鎮(zhèn)壓輥對地壓強(qiáng)計(jì)算

非剛性路面承受載荷，當(dāng)鎮(zhèn)壓輥壓入基質(zhì)的深度不大時(shí)，則下陷量(Z)的計(jì)算可以簡化[9]為：

接地面積(S)計(jì)算公式為：

因此，鎮(zhèn)壓輥對地面的壓強(qiáng)(P)，通過下式計(jì)算：

覆土鎮(zhèn)壓輥直徑按照播種深度的緊實(shí)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)文獻(xiàn)[23]介紹的土層剖面法，結(jié)合三七育苗的最佳鎮(zhèn)壓力范圍，可得基質(zhì)深度為10 mm處的鎮(zhèn)壓力為 20～30 kPa，故設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓力為 30 kPa。根據(jù)播深為10 mm的農(nóng)藝要求[3]，取下陷量為10 mm得出覆土鎮(zhèn)壓輥載荷為 1 560 N，接地面積為 0.052 m2，直徑為 150 mm。

2.7 壓力彈簧選型

基質(zhì)本身存在密度不均勻的現(xiàn)象[15]，基質(zhì)緊實(shí)度因此有差異，開溝器開出的溝壟可能高低不平，使得覆土厚度不均勻，故需壓力彈簧來補(bǔ)償鎮(zhèn)壓力及覆土高度。根據(jù)育苗槽的尺寸特性，三七育苗槽槽內(nèi)基質(zhì)表面距離槽肩約70～130 mm。結(jié)合農(nóng)藝要求和三七精密播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)，覆土鎮(zhèn)壓輥整體連接結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 覆土鎮(zhèn)壓輥連接機(jī)構(gòu)受力分析Fig.9 Force analysis of the connecting mechanism of soil covering and pressing roller

在正常工作條件下，地面對覆土鎮(zhèn)壓輪的作用力和彈簧的壓力共同作用在中間連桿上，在左端A鉸鏈處形成平衡杠桿。根據(jù)杠桿平衡原理[24]可得：

式中：L為桿AB的長度，mm；l1為壓力彈簧接觸點(diǎn)距A點(diǎn)的距離，mm；α為桿AB與水平面之間的夾角，(°)；K表示彈簧剛度系數(shù)，N/mm；Δl表示彈簧壓縮量，mm；μ表示地面與覆土鎮(zhèn)壓輥之間的摩擦系數(shù)，基質(zhì)摩擦系數(shù)取0.207[25]。

由式(12)可得：

當(dāng)下陷量為10 mm時(shí)，彈簧處于自然狀態(tài)(對鎮(zhèn)壓輥無作用)，此時(shí)γ1=14.82°，如圖10a所示。

當(dāng)下陷量低于10 mm時(shí)，彈簧處于壓縮狀態(tài)，此時(shí)下陷量Z按最低值5 mm計(jì)算，此時(shí)γ2=18.48°，如圖10b所示。

圖10 不同下陷量的覆土鎮(zhèn)壓輥彈簧平衡受力圖Fig.10 Spring balance force diagram of soil covering and pressing rollers with different sinkage

根據(jù)機(jī)架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，l1=142 mm，L=235 mm，鎮(zhèn)壓輥剛好接觸基質(zhì)時(shí)，α=68°，根據(jù)式(12)、(13)得出Fk=2 108.8 N。前期試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，播前土壤緊實(shí)度不足易導(dǎo)致開溝時(shí)土壤回落量大，并根據(jù)農(nóng)藝要求[8,26]，開溝輪開溝深度為 15～30 mm，按最大的剛度來計(jì)算：

彈簧的選擇應(yīng)使彈簧剛度大于理論剛度以保證彈簧的安全性，根據(jù)彈簧剛度、彈簧最低可伸長量、彈簧最低可承受載荷，查詢相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[27]，選5X25X50 GB/T2089 號(hào)的壓縮彈簧。

3 覆土鎮(zhèn)壓過程仿真分析

因三七育苗播種為小行株距、淺播深，針對其所設(shè)計(jì)的覆土鎮(zhèn)壓輥，作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的微量土壤擾動(dòng)是否會(huì)使已經(jīng)播種合格的種子發(fā)生較大位置偏移量尚不可知，因此，在制作實(shí)物前先進(jìn)行仿真分析。采用離散元法，借助EDEM軟件，對覆土鎮(zhèn)壓過程中的覆土厚度、粒距偏移量及行距偏移量進(jìn)行仿真。

3.1 EDEM仿真模型建立

用SolidWorks軟件對覆土鎮(zhèn)壓輥進(jìn)行實(shí)體建模，如圖11所示。用EDEM軟件建立虛擬土槽。前期研究發(fā)現(xiàn)，最終播種深度受開溝過程土壤回落和覆土鎮(zhèn)壓過程土壤擾動(dòng)的影響，在播種機(jī)前進(jìn)速度為 0.1 m/s、開溝深度為 20 mm 時(shí)效果較好[8]，但后續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐中，農(nóng)藝期望將播種機(jī)前進(jìn)速度提高至0.16 m/s，進(jìn)一步提高播種效率，而速度提高后開溝時(shí)會(huì)造成土壤回落量增大，因此，綜合考慮土壤基質(zhì)類型、基質(zhì)濕度和開溝后的土壤回落情況，仿真試驗(yàn)時(shí)將開溝深度設(shè)定為25 mm；因單行無法表示雙行的受力擠壓情況，故基質(zhì)土槽設(shè)置2行；單行測算2顆種子位移即可，但考慮第1顆種子偏差很大，且排除偶然性，增加前后2顆種子的測算量，故單行設(shè)置4顆種子，共8顆種子，編號(hào)為A、B、C、D、E、F、G、H，如圖 12所示。為簡化模型，基質(zhì)采用 1 mm 顆粒，種子采用 5.75 mm 顆粒[28]；參照文獻(xiàn)[29]，選取仿真參數(shù)：土壤JKR表面能12.73 J/m2、土壤-土壤恢復(fù)系數(shù)和靜摩擦因數(shù)分別為0.55和0.84，土壤泊松比0.38、土壤-土壤滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.10、土壤-鎮(zhèn)壓輪恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別為 0.30、0.60 和 0.10。

圖11 覆土鎮(zhèn)壓輥模型Fig.11 Model of the soil covering and pressing roller

圖12 基質(zhì)模型Fig.12 Matrix model

3.2 仿真結(jié)果

為模擬播種機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)作業(yè)狀態(tài)，設(shè)定覆土鎮(zhèn)壓輥前進(jìn)速度為 0.16 m/s，轉(zhuǎn)速 0.3 r/s，下陷量 10 mm，并設(shè)置覆土鎮(zhèn)壓輥在基質(zhì)土槽一側(cè)進(jìn)行作業(yè)，仿真過程如圖13所示。當(dāng)播種速度為0.16 m/s，開溝深度為 25 mm，鎮(zhèn)壓力為 300 kPa時(shí)，仿真結(jié)果顯示，覆土鎮(zhèn)壓輥穩(wěn)定作業(yè)后，覆土厚度為9.77～11.40 mm，如圖14所示。粒距偏移量為0.07～6.23 mm，如圖15a所示，行距偏移量為 0.03～1.43 mm，如圖15b所示。仿真結(jié)果顯示，覆土厚度符合農(nóng)藝要求，種子的行距偏移量、粒距偏移量均非常小，可以制作鎮(zhèn)壓輥實(shí)物開展試驗(yàn)。

圖13 覆土鎮(zhèn)壓過程土壤運(yùn)動(dòng)模型Fig.13 Model of soil movement during the soil covering and compacting process

圖14 仿真后種子處覆土厚度Fig.14 Thickness of soil covering at seed after simulation

圖15 粒距偏移圖Fig.15 Migration map of grain distance and line spacing

4 覆土鎮(zhèn)壓性能試驗(yàn)

依據(jù)仿真結(jié)果，試制覆土鎮(zhèn)壓裝置，開展試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)覆土鎮(zhèn)壓輥的可行性。

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)搭建的土槽進(jìn)行，土槽長12 000 mm、寬 1 500 mm，土層深度 300～350 mm，基質(zhì)濕度在20%～30%，土槽試驗(yàn)如圖16所示。試驗(yàn)用的主要儀器設(shè)備有2QB-28型三七精密播種機(jī)、濕度測量儀、DHKJ土壤緊實(shí)度儀(德卡精密量儀有限公司)、鋼直尺 (精度 0.1 mm)、卷尺、計(jì)算器等。

圖16 土槽試驗(yàn)Fig.16 Soil trough test

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

以開溝深度(A)和播種機(jī)前進(jìn)速度(B)為試驗(yàn)因素，以覆土厚度及覆土厚度一致性為試驗(yàn)指標(biāo)，開展兩因素三水平正交組合試驗(yàn)，覆土厚度按照NYT 503—2015單粒(精密)播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[30]規(guī)定的方法進(jìn)行測量。因素水平表如表3所示。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

表3 試驗(yàn)因素水平編碼表Table 3 Table of test factors and levels

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果表Table 4 Table of test results

以覆土厚度(Y1)及覆土厚度一致性(Y2)為分析指標(biāo)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，得到方差分析結(jié)果，見表5和表6。

表5 覆土厚度的方差分析Table 5 Variance analysis of soil covering thickness

表6 覆土厚度一致性的方差分析Table 6 Variance analysis of consistency of soil covering thickness

覆土厚度方差分析結(jié)果如表5所示。覆土厚度的回歸模型達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，說明該回歸模型與自變量具有顯著的函數(shù)關(guān)系；在覆土厚度回歸方程中，A對覆土厚度影響極顯著(P＜0.01)，B對覆土厚度影響顯著(P＜0.05)，其他因素影響不顯著。通過F檢驗(yàn)，得出影響覆土厚度的主次順序?yàn)殚_溝深度、播種機(jī)前進(jìn)速度，與顯著性檢驗(yàn)結(jié)果相吻合。

將表5中不顯著因素剔除后，得到試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程：

結(jié)果覆土厚度一致性方差分析結(jié)果如表6所示。覆土厚度一致性的回歸模型達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)，說明該回歸模型與自變量具有顯著的函數(shù)關(guān)系；在覆土厚度一致性回歸方程中，A和A2對覆土厚度一致性影響極顯著(P＜0.01)，B對覆土厚度一致性影響顯著(P＜0.05)，其他因素影響不顯著。通過F檢驗(yàn)，得出影響覆土厚度一致性的主次順序?yàn)殚_溝深度、播種機(jī)前進(jìn)速度，與顯著性檢驗(yàn)結(jié)果相吻合。

將表6中不顯著因素剔除后，得到試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程：

由方差分析可知AB對覆土厚度及覆土厚度一致性的交互作用并不顯著，但在田間試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)AB對覆土厚度及覆土厚度一致性的交互作用存在影響，為確定影響程度，進(jìn)行AB對覆土厚度及覆土厚度一致性的交互作用響應(yīng)曲面的分析。

4.3 開溝深度、播種機(jī)前進(jìn)速度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響效應(yīng)分析

應(yīng)用Design-Expert10.0.3軟件分析得到開溝深度、播種機(jī)前進(jìn)速度2個(gè)因素分別對覆土厚度及覆土厚度一致性的交互影響，響應(yīng)曲面如圖17所示。由圖17可知，開溝深度對覆土厚度的影響比播種機(jī)前進(jìn)速度顯著，覆土厚度隨著開溝深度的增加而上升，其上升趨勢基本穩(wěn)定，覆土厚度隨播種機(jī)前進(jìn)速度的增加而緩慢增加，且呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢；開溝深度對覆土厚度一致性的影響比播種機(jī)前進(jìn)速度明顯，覆土厚度一致性隨著開溝深度的增加或播種機(jī)前進(jìn)速度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且開溝深度在25 mm，播種機(jī)前進(jìn)速度在0.16 m/s時(shí)覆土厚度一致性最佳。

圖17 試驗(yàn)因素對覆土厚度及覆土厚度一致性的響應(yīng)曲面Fig.17 Response surface of test factors to soil covering thickness and its consistency

綜上，得A2B2為最佳水平組合，即當(dāng)開溝深度為25 mm、播種機(jī)前進(jìn)速度為0.16 m/s時(shí)，覆土厚度為11 mm、覆土厚度一致性為85.15%。其覆土效果較好，且覆土厚度一致性最高，覆土厚度結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

4.4 鎮(zhèn)壓緊實(shí)度試驗(yàn)

調(diào)節(jié)播種機(jī)開溝器開溝深度，將開溝深度固定為25 mm，將播種機(jī)前進(jìn)速度固定為0.16 m/s進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓緊實(shí)度試驗(yàn)，并進(jìn)行測量記錄。將緊實(shí)度測量儀探針插入測量區(qū)域10 cm土壤深處，進(jìn)行基質(zhì)緊實(shí)度數(shù)據(jù)采集，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果如表7所示。由表7可以看出開溝深度25 mm、播種機(jī)前進(jìn)速度 0.16 m/s時(shí)土壤緊實(shí)度為 300～360 kPa，符合三七種子出苗率和三七種苗品級試驗(yàn)結(jié)果。

表7 最佳參數(shù)鎮(zhèn)壓結(jié)果Table 7 Compaction result with the optimal parameters

5 結(jié)論

1)通過田間試驗(yàn)得出，三七出苗率及種苗品級最佳的基質(zhì)濕度為25%、緊實(shí)度范圍為200～400 kPa。據(jù)此，通過覆土鎮(zhèn)壓輥滾動(dòng)計(jì)算和覆土鎮(zhèn)壓輥與地面鎮(zhèn)壓強(qiáng)度計(jì)算，確定了覆土鎮(zhèn)壓輥直徑為150 mm，壓力彈簧最大剛度為140.5 N/mm。

2)借助EDEM軟件對覆土鎮(zhèn)壓過程中覆土厚度、種子偏移量進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示，覆土厚度為 9.77～11.40 mm，粒距偏移量為 0.07～6.23 mm，行距偏移量為 0.03～1.43 mm。

3)以開溝深度、播種機(jī)前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素，覆土厚度及覆土厚度一致性為試驗(yàn)指標(biāo)，開展了兩因素三水平正交試驗(yàn)。結(jié)果表明：播種機(jī)前進(jìn)速度0.16 m/s，開溝深度 25 mm，此時(shí)覆土效果最佳，覆土厚度一致性為85.15%。以覆土效果最佳參數(shù)進(jìn)行鎮(zhèn)壓性能試驗(yàn)，得到土壤緊實(shí)度均值范圍為300～360 kPa，滿足三七優(yōu)良種苗品級精密播種的作業(yè)要求。