呂金慶，衣淑娟，陶桂香，毛 欣

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馬鈴薯播種機(jī)分體式滑刀開溝器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

呂金慶1,2，衣淑娟1※，陶桂香1，毛 欣1

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319； 2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

針對馬鈴薯播種機(jī)的鏵靴式和圓盤式開溝器存在的種薯株距分布不均、播種效果質(zhì)量差、回土量小等問題，研制出分體式滑刀馬鈴薯開溝器，并進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化，分析開溝和回土過程中土壤顆粒在開溝器上的運(yùn)動規(guī)律，研究種薯落入壟溝后的運(yùn)動過程，確定影響土壤覆蓋種薯效果的因素。采用旋轉(zhuǎn)正交的試驗(yàn)設(shè)計方法，以機(jī)具前進(jìn)速度、開溝器側(cè)面夾角、開溝器長度及開溝深度為試驗(yàn)因素，以種薯的橫向偏移系數(shù)、株距變異系數(shù)和回土量為試驗(yàn)指標(biāo)，分析實(shí)施田間試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化分體式滑刀開溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與最優(yōu)運(yùn)動參數(shù)：在前進(jìn)速度為0.95 m/s、開溝器側(cè)面夾角為60°、開溝器長度為500 mm、開溝深度為115 mm時，株距變異系數(shù)為10.8%、種薯的橫向偏移系數(shù)為3.83 mm、回土量為24.1%，滿足馬鈴薯播種作業(yè)的要求。該研究結(jié)果可為馬鈴薯開溝播種裝置設(shè)計與應(yīng)用提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；優(yōu)化；農(nóng)作物；開溝器；滑刀；馬鈴薯；回土量；正交試驗(yàn)

0 引 言

馬鈴薯是中國第四大主糧作物，在中國種植面積廣泛，居世界首位，現(xiàn)已與玉米、大豆、小麥共同被列入四大主食作物[1-2]。馬鈴薯機(jī)械化播種對于產(chǎn)量有著很大的影響，在播種過程中，除排種、投種2個環(huán)節(jié)外，種子著床工藝的好壞也會影響到播種的精確性，良好的種床環(huán)境會提高種子分布的均勻性、播深一致性及出苗率[3-5]。

開溝器作為在播種過程中與壟溝土壤直接接觸作業(yè)的關(guān)鍵部件，其工作性能的優(yōu)劣將直接影響著種床好壞和播種質(zhì)量[6-8]。國外馬鈴薯開溝器應(yīng)用較多的為圓盤式開溝器，其開出的V型溝能提高播種精度、不易堵塞、適應(yīng)性強(qiáng)，但是對土壤擾動量較大，回土覆蓋種子的土壤為上部干土、回土量較小，隨著播種技術(shù)的發(fā)展和對種床更高的要求，其作業(yè)效果并不能很好滿足馬鈴薯開溝作業(yè)要求[9-11]。國內(nèi)馬鈴薯開溝器應(yīng)用鏵靴式和滑推式開溝器較多，其通用性好、應(yīng)用廣泛，回土量較大可滿足馬鈴薯的大粒徑的覆土要求，但其開出的平溝降低了播種精度[12-13]；而滑刀式開溝器可以滿足上述開溝器的不足，賈洪雷等[14-16]設(shè)計的滑刀式開溝器，開出的V型溝也可保證播種精度，回土后濕土先覆蓋種子，可為種子提供質(zhì)量更好的種床，很好的適用于大豆等小粒徑作物的開溝作業(yè)，只是其開溝寬度及深度不能滿足馬鈴薯大粒徑作物開溝要求。

因此，針對上述問題，本文基于傳統(tǒng)的滑刀式開溝器，采用分體式的結(jié)構(gòu)方式，設(shè)計了一種分體式滑刀開溝器。本文對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，對土壤顆粒在開溝器表面及回土過程的運(yùn)動學(xué)分析，和種薯落入壟溝后的運(yùn)動學(xué)分析，確定了影響土壤覆蓋種薯效果的因素，采用旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)的方法，得出開溝器作業(yè)效果最優(yōu)參數(shù)組合，確定所設(shè)計的分體式滑刀開溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動參數(shù)，并驗(yàn)證所設(shè)計的開溝器能夠滿足馬鈴薯開溝作業(yè)要求。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該分體式滑刀開溝器采用了分體式的形式，主要由開溝鏟鏟片1、開溝鏟主體2和開溝器柄3組成，分體式滑刀開溝器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 工作原理

開溝器安裝在播種機(jī)排種器正下方，隨著拖拉機(jī)的前進(jìn)方向運(yùn)動，開溝鏟鏟片前端的刃口對土壤進(jìn)行切削破碎，土壤沿著開溝鏟鏟片的側(cè)面向兩邊運(yùn)動，隨后沿著開溝鏟主體側(cè)壁向后運(yùn)動，在開溝鏟主體側(cè)壁的少量土壤顆粒，在重力和其他土壤顆粒摩擦力的作用下，先落入溝底，為種子的下落提供含水率較高的軟種床；其余大量的土壤會沿著開溝鏟主體的側(cè)壁向后運(yùn)動，脫離側(cè)壁后在重力的作用下落入壟溝內(nèi)，對種薯進(jìn)行覆蓋；位于開溝器上部的開溝器柄可以根據(jù)不同的開溝深度要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.開溝鏟片 2.開溝鏟主體 3.開溝器柄

1.Blade of ditch shovel 2.Main part of ditch shovel 3.Handle of opener

注：0為開溝器的整體長度，mm；0為開溝器側(cè)面夾角，(°)。

Note:0is length of opener, mm;0is side angle of opener, (°).

圖1 分體式滑刀開溝器結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of splitter sliding-knife opener

1.3 開溝器的設(shè)計

作為與土壤直接作用的部件，開溝器對于種子著床的好壞及種子覆蓋有很大的影響。因此，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤為重要。

傳統(tǒng)的滑刀式開溝器，為厚度在3～8 mm的滑刀刀片，根據(jù)作業(yè)條件不同，入土角一般選在20°～60°間，其入土切土能力好，所開出的壟溝成V型溝，可提高種子在壟溝的播種質(zhì)量，且對土壤擾動小，下層土壤可先回流，為播種提供良好的種床，但是其開溝寬度小、深度低，不能滿足馬鈴薯大粒徑作物的播種要求[15,17]。因此，本設(shè)計基于上述傳統(tǒng)開溝器，創(chuàng)新設(shè)計了由開溝器主體和鏟片組成的分體式滑刀開溝器，根據(jù)馬鈴薯的播種農(nóng)藝要求，在播種時最大耕深可達(dá)到150 mm[5]，采用開溝器主體與開溝器鏟片組合的形式，可調(diào)節(jié)鏟片的高度，以此增加開溝作業(yè)的深度，設(shè)計開溝器鏟片高度為160 mm，略大于開溝深度，鏟片采用鑄鋼材料，耐磨性較好，為使馬鈴薯順利落入壟溝，馬鈴薯需要播種時種溝寬度較大，一般不小于150 mm[18-19]，使開溝時土壤顆粒向兩側(cè)運(yùn)動，設(shè)計鏟片包括左、右兩部分，采用折彎的方式，將兩部分前端進(jìn)行焊接，保證前端鏟片能順利入土，作業(yè)時土壤可沿后部折彎部分表面向兩側(cè)運(yùn)動。舀勺式馬鈴薯排種器下部的整體寬度為240 mm，考慮到開溝器寬度需略大于排種器寬度，為配合馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)時開溝器側(cè)壁不磕碰種薯、使其順利落入壟溝內(nèi)，參照鏵靴式馬鈴薯開溝器尺寸，并綜合考慮開溝器安裝位置和壟臺寬度，設(shè)計開溝器的寬度為280 mm[20]。

土壤摩擦角一般在15°～38°之間，為使鏟片對土壤有滑切作用，傾角應(yīng)大于90°+，所以設(shè)計的鏟片傾角為135°[21]。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，鏟片厚度過小，裝置強(qiáng)度低；鏟片厚度過大，也會增加作業(yè)時的工作阻力，會使入土性能和土壤的滑切作用下降，土壤破碎效果差，不能達(dá)到開溝所需的土壤顆粒破碎要求，參照傳統(tǒng)馬鈴薯開溝器并綜合考慮開溝器的整體寬度，設(shè)計的鏟片厚度為8 mm[18,21]。為了減少土壤顆粒之間在開溝器表面運(yùn)動的相互影響，使下方濕土先回流，提高良好的種床條件，刃口曲線設(shè)計成直線[14]。

開溝器鏟片其上沿與開溝器主體側(cè)板下沿平行，土壤顆粒沿著鏟片側(cè)板運(yùn)動繼而沿開溝器側(cè)表面運(yùn)動，在開溝器主體側(cè)板運(yùn)動時，部分顆粒在重力作用下回落入壟溝，且下層土壤顆粒先落到溝中，利于馬鈴薯發(fā)芽[22]，因此，側(cè)板的底部傾角大于土壤顆粒的摩擦角，使土壤顆粒順利滑落至溝底，設(shè)計向內(nèi)傾斜45°的折彎形式，土壤顆?？裳刂砻嫦侣洹８鶕?jù)文獻(xiàn)[7]與預(yù)試驗(yàn)，開溝器的整體長度0與開溝器側(cè)面夾角0，即2個鏟片折彎后的夾角，直接影響著開溝作業(yè)土壤覆蓋種薯狀態(tài)，在對開溝器設(shè)計時，需要對其參數(shù)進(jìn)行分析，通過后續(xù)理論與田間試驗(yàn)進(jìn)行對比開溝后的效果確定優(yōu)化參數(shù)。開溝器柄側(cè)面有8個異型孔，根據(jù)不同的作業(yè)條件進(jìn)行開溝器整體高度調(diào)節(jié)。

2 開溝器作業(yè)過程運(yùn)動學(xué)分析

開溝器開溝后，土壤覆蓋種子的情況，直接影響種子的生長，需要對土壤顆粒在開溝器上的運(yùn)動及種子在開溝后壟溝的狀態(tài)進(jìn)行分析，得出開溝器最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)[23]。

2.1 土壤顆粒的運(yùn)動學(xué)分析

2.1.1 土壤顆粒在開溝器側(cè)面的運(yùn)動學(xué)分析

將土壤顆粒視為散粒體，對其進(jìn)行分析。認(rèn)為在開溝過程中開溝器運(yùn)動速度為勻速運(yùn)動，耕深保持穩(wěn)定[17,24]。如圖2所示，開溝器對土壤作用，分析接觸面上一點(diǎn)，包括土壤顆粒受到的鏟片支持力及土壤顆粒受到鏟片的摩擦力0。將壓力分解為與速度方向相同和沿接觸面方向，前進(jìn)速度方向與法線夾角為，土粒在接觸面上進(jìn)行滑動，因切向應(yīng)力大于摩擦阻力，開溝器接觸面對土壤有滑切作用。

土壤顆粒受到的合力為，方向與土粒的絕對運(yùn)動相同，土壤顆粒的運(yùn)動微分方程

式中表示土壤的自然休止角，（°）；為土壤顆粒受到的重力，N；為土壤摩擦角，（°）。

注：N為土壤顆粒受到鏟片的支持力，N；β為前進(jìn)速度方向與法線夾角，(°)；F0為土壤顆粒受到鏟片的摩擦力，N；R為土壤顆粒受到的合力，N；N1為壓力沿著接觸面方向的分力，N；N2為壓力在速度方向的分力，N；N0為土壤顆粒受到的壓力，N；F1為側(cè)板對顆粒的摩擦力，N；F2為邊緣土層對于接觸面顆粒的作用力，N。

土壤顆粒在接觸面上的速度v與位移

當(dāng)顆粒運(yùn)動到邊緣后，會沿著開溝器側(cè)板進(jìn)行運(yùn)動，受到側(cè)板對顆粒的摩擦力1，還有邊緣土層對接觸面顆粒的作用力2。如圖2所示。

土壤顆粒的運(yùn)動微分方程為

式中1表示土壤顆粒之間的摩擦角。

將上一過程的最終狀態(tài)作為此過程的初始狀態(tài)，求得土壤脫離開溝器側(cè)板的瞬間具有的速度

其中，開溝器側(cè)面夾角0與大小相等，影響土壤顆粒速度的因素包括：開溝器側(cè)面夾角0和開溝器長度0。

2.1.2 土壤顆?；赝吝^程運(yùn)動學(xué)分析

土?；芈涞綔蟽?nèi)，主要包括土層邊緣的土粒下落，和自然休止角范圍內(nèi)所有土壤顆粒下落。2種土壤顆粒落入壟溝時間對種子覆蓋有很大影響[24-25]，據(jù)參考文獻(xiàn)[24]，邊緣土壤顆粒接觸溝底的時間要小于休止角范圍內(nèi)的土壤顆粒落入溝底的時間。在播種作業(yè)過程中，使邊緣土壤顆粒落入壟溝時，種薯先與溝底接觸，以提高播種效果。

如圖3所示，自然休止角范圍內(nèi)的所有土壤顆粒下落，沿著土壤自然休止角的斜面運(yùn)動。

注：FN為土壤顆粒受到壟溝側(cè)壁的支持力，N；Ff為土壤顆粒受到壟溝側(cè)壁的摩擦力，N；mg為土壤顆粒受到的重力，N；α表示土壤的自然休止角，(°)。

土壤顆粒離開開溝器側(cè)板時，具有水平的初速度v0，自然休止角范圍內(nèi)土壤顆粒下落的位移方程

由式（8）可知，邊緣土壤顆粒落入壟溝，需種薯先與溝底接觸，顆粒落入溝底時間與初速度v0有關(guān)，由式（7）結(jié)論可知，影響初速度v0的因素為開溝器的側(cè)面夾角0，開溝器長度0，即上述兩個因素影響顆粒落入溝底的時間。

2.2 馬鈴薯落入壟溝的運(yùn)動學(xué)分析

覆蓋種薯的效果，除與開溝器作用有關(guān)，也與馬鈴薯在開溝后溝內(nèi)的運(yùn)動有關(guān)。如土壤顆粒落入壟溝時間內(nèi)，種薯并未落入溝底，會直接影響播種效果，因此，需對種薯落入壟溝的運(yùn)動情況進(jìn)行分析[20,24,26]。

2.2.1 種薯的滾落條件

理想的投種情況為馬鈴薯種薯落入到V型溝的底部，種薯間的橫向偏移系數(shù)小，播種質(zhì)量高[20]。馬鈴薯薯塊落入壟溝的側(cè)壁，對土壤有壓實(shí)作用，種薯會隨著一起下陷，存在由于土壤含水率過大，堅實(shí)度較小，馬鈴薯薯塊部分壓入土壤中而靜止。對落在溝側(cè)壁上馬鈴薯薯塊進(jìn)行分析，如圖4所示。

注：O為種薯與土壤接觸點(diǎn)；γ0為溝面的傾斜角度，(°)；R0為種薯半徑，mm；Ff1為種薯所受的摩擦力，N；F為種薯受到的支持力，N；Mg為種薯受到的重力，N；h為種薯壓入土壤的位移，mm。

分析馬鈴薯薯塊的臨界狀態(tài)，對接觸點(diǎn)點(diǎn)分析

式中表示種薯受到的支持力，N；取常規(guī)種薯的半徑為24.38 mm[20]，=9.8 m/s2。根據(jù)快速載荷的加載的土壤壓實(shí)理論公式。

式中表示土壤所承受的壓力；是關(guān)于土壤形狀的參數(shù)，一般取1.01；表示土壤的下陷量；是常數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)公式得出一般選取2～3[24]。

計算得馬鈴薯陷入土壤的位移為8 mm，對應(yīng)土壤的堅實(shí)度為63 kPa[27]。因此，當(dāng)土壤堅實(shí)度大于63 kPa時，馬鈴薯會沿著斜面滾下，對于開溝器所適用的東北地區(qū)，其所對應(yīng)的土壤含水率不超過22%。

2.2.2 種薯在溝內(nèi)的下落過程

種薯落入溝內(nèi)的時間，與下落過程的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[20]，選取種薯落入溝內(nèi)的最小時間，即僅彈跳一次后落入溝內(nèi)，分析種薯落入溝底所需時間[20,24]。壟溝內(nèi)種薯運(yùn)動過程如圖5所示。

注：v1為種薯的入射速度，m·s-1；v2為種薯的反彈速度，m·s-1；γ為溝面與法線夾角，(°)；v3為滑動初速度，m·s-1。

種薯彈跳后落入溝底，軌跡方程為

當(dāng)種子與土壤再次接觸時，其運(yùn)動的時間1

彈跳后種子會沿著溝壁滑入溝底，運(yùn)動方程為

種子從接觸土壤到落入溝底所經(jīng)歷的時間

通過式（13）和（14）可知，影響種薯落入溝底運(yùn)動時間因素，與種薯反彈速度2、溝面和法線夾角有關(guān)，開溝器直接作用土壤，由開溝器的側(cè)面夾角0所決定，運(yùn)動時間也與在2方向即斜面上運(yùn)動距離有關(guān)，且與距離成正比，即與開溝深度成正比[28-30]。

如圖6所示，覆蓋種薯效果，要比較種子從點(diǎn)落到溝底與開溝器上土粒從開始運(yùn)動到落回溝底時間。在點(diǎn)的邊緣土壤顆粒運(yùn)動到溝底時間內(nèi)，種子需先接觸溝底，在土壤顆粒回流之前的時間內(nèi)，溝底敞開部分的長度可供種子落入。根據(jù)參考文獻(xiàn)[29]，溝底敞開長度受機(jī)具前進(jìn)速度的影響，并與其成正比。土壤顆粒前進(jìn)的距離1與2之和等于種子的前進(jìn)距離與開溝器長度0之和，如果土壤顆粒先與種薯回流，便不能完全覆蓋種薯，從而影響種薯在壟溝的位置，降低種薯間株距一致性[24,29]。

注：H為投種高度，mm；h1為開溝深度，mm；S1為土粒從開溝器尾部到溝底運(yùn)動的距離，mm；S種子落入溝底所前進(jìn)距離，mm；x0為開溝器的整體長度，mm；S2為土粒在開溝器上運(yùn)動的距離，mm；vc為播種機(jī)前進(jìn)速度，m·s-1。

通過上述分析，能夠確定，影響土壤顆粒與種薯運(yùn)動至溝底時間的因素為：機(jī)具的前進(jìn)速度、開溝器長度、開溝器的側(cè)面夾角及開溝深度。進(jìn)而影響了土壤覆蓋種薯效果，而土壤與種薯間相互作用的不確定性[24,29]，導(dǎo)致了其具體表現(xiàn)形式包括株距變異系數(shù)、種子橫向偏移系數(shù)和回土量不同，后續(xù)通過田間試驗(yàn)，對比不同參數(shù)開溝器的效果，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和運(yùn)動參數(shù)。

選取播種機(jī)正常作業(yè)條件下的極限前進(jìn)速度1.5 m/s，留有較長的敞開長度，在這個時間內(nèi)，種薯需要落入壟溝溝底，計算可得開溝器長度理論上不超過600 mm[29]。當(dāng)播種機(jī)的結(jié)構(gòu)固定后，根據(jù)舀勺式馬鈴薯播種機(jī)的工作條件及文獻(xiàn)[20]，投種高度固定為640 mm，選取理論的株距為230 mm。式（14）知，排種帶速度直接影響種薯的投種速度，由于投種速度不一致，會導(dǎo)致種薯落入溝底前初始狀態(tài)不同，影響開溝覆土的效果，因此需要固定排種帶的轉(zhuǎn)速，舀勺式馬鈴薯播種機(jī)傳動比為10:13[20]，當(dāng)前進(jìn)速度為1 m/s時，排種帶轉(zhuǎn)速為42 r/min，隨著前進(jìn)速度的增加，排種帶速度也隨之增大，試驗(yàn)中要保證投種速度一致，改變機(jī)具前進(jìn)速度時調(diào)節(jié)中間傳動裝置，以使排種帶速度固定在42 r/min，防止種薯落入壟溝后彈跳較遠(yuǎn)，影響播種質(zhì)量，來探究開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)對試驗(yàn)的影響。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2015年5月在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地，進(jìn)行分體式滑刀開溝器的播種性能試驗(yàn)。試驗(yàn)土地平整，土壤堅實(shí)度為61.9 kPa，土壤含水率為18.7%，配套動力選擇59.6 kW的拖拉機(jī)；試驗(yàn)整薯選用東農(nóng)311品種，三軸尺寸為46.3 mm×34.8 mm×24.6 mm，形狀指數(shù)為203.7，平均質(zhì)量為23.56 g，平均含水率為75.4%，凈度>99%，田間試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 田間試驗(yàn)

3.2 評價指標(biāo)

參照《GB/T 6242-2006 種植機(jī)械馬鈴薯種植機(jī)試驗(yàn)方法》和《NY/T740-2003 田間開溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》規(guī)定的試驗(yàn)方法，考察安裝分體式滑刀開溝器的馬鈴薯播種機(jī)的播種性能。排種質(zhì)量的具體表現(xiàn)形式為株距變異系數(shù)、種子橫向偏移程度和回土量大小。

選取每次播種過程中，一行的5個測量段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每段測量20個種薯的間距，共選取100個種薯進(jìn)行株距測量，測量3次，計算出株距變異系數(shù)[31]。

機(jī)具作業(yè)100 m測量一組數(shù)據(jù)，以種溝中線為基準(zhǔn)，測量種子偏移量，每行連續(xù)測量100粒種薯，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，計算每一次測量中100組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差即為種子橫向偏移系數(shù)[16]。可由式（16）得出。

式中為種子橫向偏移系數(shù)，mm；x為每次測量的偏移量，mm；為偏移量的算術(shù)平均值，mm；表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量的數(shù)量。

使用回土體積與理論溝形體積比作為回土量的計算方法，參照文獻(xiàn)[16]采用端面法進(jìn)行回土量的計算，截取種溝的三角形截面，在開溝較平穩(wěn)的種溝中段取15 m的范圍，隨機(jī)取5個橫斷面，測量開溝的實(shí)際深度及去除回土后的理論開溝深度，如圖8表示?？捎墒剑?7）計算得出回土量。

式中為回土量，%；為回土體積，mm3；為理論開溝體積，mm3。

注：′為實(shí)際種溝深度，mm；為測量實(shí)際開溝深度，mm；為實(shí)際開溝寬度，mm。

Note:′is actual seed furrow depth, mm;is the mearsuring furrow depth, mm;is actual seed furrow width, mm.

圖8 實(shí)際種溝截面示意圖

Fig.8 Schematic diagram of actual seed furrow section

3.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

3.3.1 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計

進(jìn)行（四因素）二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，選取馬鈴薯播種機(jī)正常作業(yè)速度范圍0.5～1.5 m/s；根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，開溝器側(cè)面夾角過大，其工作阻力增加，取值一般不超過90°，綜合考慮開溝器整體寬度及預(yù)試驗(yàn)效果，開溝側(cè)面夾角的范圍為40～80°，參照傳統(tǒng)馬鈴薯開溝器的整體長度，考慮到開溝器的長度及在播種機(jī)的安裝位置，避免播種過程中碰撞種薯，開溝器長度選取為400～600 mm，根據(jù)馬鈴薯開溝的農(nóng)藝要求，馬鈴薯開溝深度最大不超過150 mm，一般在100 mm左右，選取開溝深度70～150 mm。進(jìn)行田間試驗(yàn)時，可根據(jù)不同實(shí)際情況對排種器進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過試驗(yàn)，對指標(biāo)的因素進(jìn)行顯著性的分析，根據(jù)實(shí)際需要對各參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化[29]，試驗(yàn)因素水平編碼表如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼表

注：選取中心點(diǎn)的試驗(yàn)次數(shù)為12次。

Note: Number of tests for the center point is 12 times.

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與回歸模型建立

試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到株距變異系數(shù)1、種子橫向偏移系數(shù)2和回土量33個試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性。

1）株距變異系數(shù)1的顯著性分析

通過對數(shù)據(jù)的分析，株距變異系數(shù)1方差表如表3所示。由表3可知，試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@著（<0.01），主因素中開溝深度對于指標(biāo)影響最為顯著，交互項(xiàng)中開溝器側(cè)邊夾角和開溝深度的交互作用24對指標(biāo)影響最大。各因素對株距變異系數(shù)的影響主次順序?yàn)?>1>3>2，將不顯著因素并入殘差項(xiàng)后再次進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示，得到各個因素與指標(biāo)間回歸方程如式（18）所示。

表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表3 株距變異系數(shù)的方差分析

注：“/”下數(shù)字為剔除不顯著因素后株距變異系數(shù)方差分析結(jié)果。

Note: Numbers under “/” are variance analysis results for coefficient of variation of row spacing after rejected no significant factors.

式中1為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；2為開溝器側(cè)面夾角，（°）；3為開溝器長度，mm；4為開溝深度，mm。

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，證明試驗(yàn)指標(biāo)與因素間具有顯著的二次關(guān)系（>0.1）。

2）種子橫向偏移系數(shù)2的顯著性分析

種子橫向變異系數(shù)2方差表如表4所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@著（<0.01），主因素中開溝深度對于指標(biāo)影響最為顯著，交互項(xiàng)中前進(jìn)速度和開溝器側(cè)邊夾角的交互作用12對指標(biāo)影響最大。各因素對種子橫向變異系數(shù)的影響主次順序?yàn)?>1>2>3，將不顯著因素并入殘差項(xiàng)后再次進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示，得到各個因素與指標(biāo)間回歸方程如式（19）所示。

表4 種子橫向偏移系數(shù)的方差分析

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，證明試驗(yàn)指標(biāo)與因素間具有顯著的二次關(guān)系（>0.1）。

3）回土量3的顯著性分析

種子橫向變異系數(shù)3方差表如表5所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@著（<0.01），主因素中開溝深度對于指標(biāo)影響最為顯著，交互項(xiàng)中前進(jìn)速度和開溝器長度的交互作用12對指標(biāo)影響最大。各因素對回土量的影響主次順序?yàn)?>1>3>2，將不顯著因素并入殘差項(xiàng)后再次進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示，得到各個因素與指標(biāo)間回歸方程如式（20）所示。

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，證明試驗(yàn)指標(biāo)與因素間具有顯著的二次關(guān)系（>0.1）。

表5 回土量的方差分析

3.3.3 響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6 軟件對數(shù)據(jù)的處理，得出因素間的顯著和較顯著交互作用對3個試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖9所示。

對于株距變異系數(shù)，當(dāng)前進(jìn)速度為1.0 m/s、開溝器長度為500 mm時，開溝器側(cè)面夾角與開溝深度交互作用影響如圖9a所示，當(dāng)開溝器側(cè)面夾角固定，株距變異系數(shù)隨著開溝深度增加先減小后增加，開溝深度最優(yōu)范圍為90～122 mm；當(dāng)開溝深度固定，株距變異系數(shù)隨著開溝器側(cè)面夾角增加先減小后增加，開溝器側(cè)面夾角最優(yōu)范圍為52°～67°。

對于種子橫向變異系數(shù)，當(dāng)開溝器長度為500 mm、開溝深度為110 mm時，前進(jìn)速度與開溝器側(cè)面夾角的交互作用影響如圖9b所示，當(dāng)開溝器側(cè)面夾角固定，種子橫向變異系數(shù)與前進(jìn)速度呈負(fù)相關(guān)，前進(jìn)速度最優(yōu)范圍為0.85～1.25 m/s；當(dāng)前進(jìn)速度固定，種子橫向變異系數(shù)與隨著開溝器側(cè)面夾角先減小后增加，開溝器側(cè)面夾角最優(yōu)范圍為50°～63°。

對于回土量，當(dāng)開溝器側(cè)面夾角為60°、開溝深度為110 mm時，前進(jìn)速度與開溝器長度交互作用影響如圖9c所示，當(dāng)前進(jìn)速度固定，回土量隨著開溝器長度的增加先增加后減小，開溝器長度最優(yōu)范圍為460～525 mm；當(dāng)開溝器長度固定，回土量與前進(jìn)速度呈負(fù)相關(guān)，前進(jìn)速度最優(yōu)范圍為0.75～1.05 m/s。當(dāng)前進(jìn)速度為1.0 m/s、開溝器側(cè)面夾角為60°時，開溝器長度與開溝深度交互作用影響如圖9d所示，開溝器長度固定，回土量與開溝深度呈正相關(guān)，開溝深度最優(yōu)范圍為106～130 mm；當(dāng)開溝深度固定，回土量隨著開溝器長度先增加后減小，其最優(yōu)的范圍為475～525 mm。

為獲得開溝器作業(yè)的最佳運(yùn)動參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Design Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對上述3個回歸模型進(jìn)行約束目標(biāo)優(yōu)化求解，根據(jù)實(shí)際作業(yè)及相關(guān)理論選擇優(yōu)化約束條件。目標(biāo)及約束函數(shù)。

對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到結(jié)果為：當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為0.95 m/s，開溝器側(cè)面夾角為60°、開溝器長度為500 mm，開溝深度為115 mm時，株距變異系數(shù)為10.3%，種子橫向偏移系數(shù)3.62 mm，回土量為23.6%[32]。

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.4.1 試驗(yàn)條件

2015年6月在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，選取優(yōu)化后開溝器的長度為500 mm，側(cè)面夾角60°，機(jī)具前進(jìn)速度為0.95 m/s和開溝深度為115 mm，對開溝器柄重新開孔，使其開溝深度可調(diào)節(jié)到115 mm。土地平整，含水率為18.2%。以文獻(xiàn)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次取均值，試驗(yàn)方法與前述試驗(yàn)相同[30-31]。

3.4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將裝有分體式滑刀開溝器的播種機(jī)與文獻(xiàn)[33]中規(guī)定的指標(biāo)值對比，以及與安裝有傳統(tǒng)鏵靴式開溝器播種機(jī)播種效果進(jìn)行性能對比，結(jié)果如表6所示[33-34]。

圖9 分體式滑刀開溝器作業(yè)指標(biāo)的雙因素響應(yīng)曲面

表6 2種開溝器作業(yè)性能及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)結(jié)果得出裝有分體式滑刀開溝器播種機(jī)實(shí)際的株距變異系數(shù)為10.8%，種子的橫向偏移系數(shù)為3.83 mm，回土量為24.1%，均能達(dá)到相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，均優(yōu)于傳統(tǒng)的鏵靴式開溝器，且提升效果顯著（<0.01）。從對比試驗(yàn)中可以看出分體式滑刀開溝器開出的V形溝比鏵靴式開溝器開出的平溝效果好，是由于V型溝能減少種薯落入溝底后的運(yùn)動和橫向位移，使種薯在壟溝內(nèi)橫向位置方向更接近于壟溝中心，提高種薯株距一致性，并且分體式滑刀開溝器長度為500 mm與開溝器側(cè)面夾角60°的組合，可為種薯落入壟溝留有足夠的時間，回土量較大，充分覆蓋種薯。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種分體式滑刀開溝器，可以增加耕深、方便調(diào)節(jié)，對其結(jié)構(gòu)而參數(shù)進(jìn)行了確定，并對土壤在開溝器上的運(yùn)動過程、土壤回落過程及種薯落入壟溝的運(yùn)動過程進(jìn)行理論分析，得出土影響土壤顆粒與種薯運(yùn)動至溝底時間，進(jìn)而影響了覆土后馬鈴薯種薯溝內(nèi)的效果的開溝器結(jié)構(gòu)因素和運(yùn)動參數(shù)因素為機(jī)具前進(jìn)速度、開溝器的側(cè)面夾角、開溝器長度和開溝深度。

對安裝有分體式滑刀開溝器的播種機(jī)進(jìn)行了二次正交旋轉(zhuǎn)組合田間試驗(yàn)，建立了各個因素與指標(biāo)間的回歸模型，得出開溝器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過對比試驗(yàn)驗(yàn)證了分體式滑刀開溝器工作后的播種效果。當(dāng)前進(jìn)速度為0.95 m/s，開溝器側(cè)面夾角為60°、開溝器長度為500 mm，開溝深度為115 mm時，株距變異系數(shù)為10.8%，種子的橫向偏移系數(shù)為3.83%，回土量為24.1%，結(jié)果均比傳統(tǒng)的鏵靴式馬鈴薯開溝器作業(yè)后播種效果好，滿足馬鈴薯播種的作業(yè)要求。

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Parameter optimization and experiment of splitter sliding-knife opener for potato planter

Lü Jinqing1,2, Yi Shujuan1※, Tao Guixiang1, Mao Xin1

(1.,,163319,; 2.,,150030,)

The seed potato distribution is not uniform, and the seeding quality and quality of back fill is poor when potato seed casting into the furrow by using the ditching shoe and disc opener. In this study, the splitter sliding-knife potato opener was designed and optimized. It had a good embedded performance. The opener was towed by a tractor when the potato planter was operation. The installation site was under the seed-metering device and the longitudinal direction of opener can be adjusted to requirements. A V-shape furrow was got after the working process of opener. The soil particles were cutting and crashed by the edge of the shovel at the front side of the opener, and moved along the side surface of opener. Some of soil particles were fall into the furrow firstly to create a soft furrow thus providing a better furrow situation for potato to grow. In this paper, we also obtained the main factors that influenced soil covering for seed potato, by analysis of the soil particles in the process of motion on the side of the opener and the process of soil fall into furrow, and also kinematics analysis the seed potato falls into the furrow. The time at which the soil particles contact the bottom of the furrow was less than the time at which the soil particles fall into the furrow at the range of the resting angle. The planting effects were not only influenced by the parameters of opener, but also had a connection with the position of potato casted into furrow. The ideal seeding condition is that the potato fall into the bottom of the V-shape furrow, the lateral deviation coefficient of the seed potato is well, and the sowing quality is higher. To get good effects of planting, the time of potato fall into furrow should be less than that of soil particles fall back into furrow. The factors influencing the effect of the potato seed in the ditch were obtained through theoretical analysis after the movement parameters of planter were collected, and they were forward speed, depth of furrow, the length of opener and side angle of opener when initial conditions of the seeding were determined. A rotating orthogonal field experiment was designed. With forward speed, side angle of opener, length of opener and depth of furrow were taken as the experiment factors, coefficient of variation of row spacing, sowing width mean absolute deviation and quality of back fill as the test indices. The test was implemented in Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences in June, 2015. The results showed the primary and secondary order of influencing factors for each test index. For the coefficient of variation of row spacing, the order was the depth of furrow, forward speed, the length of opener and side angle of opener. For the sowing width mean absolute deviation, the order was the depth of furrow, forward speed, side angle of opener and length of opener. For the quality of fill back, the order was the depth of furrow, forward speed, the length of opener and side angle of opener. The best structure parameter of splitter sliding-opener was obtained through field test. And results showed that the coefficient of variation of row spacing was 10.8%, sowing width mean absolute deviation was 3.83 mm, the quality of fill back was 24.1%, when the forward speed was 0.95 m/s, the opener of the side angle was 60 degree, the opener length was 500 mm, the depth of furrow was 115 mm. The comparison test showed that the V-furrow out of slide-knife opener was better than the ditch out of the traditional shoe-type opener. The reason was that the V-furrow can reduce seed movement and lateral displacement, to improve the consistency of the seed space. Besides, when the combination of the length of slide-knife opener was 500 mm and the side angle of the opener was 60°, the machine can provide enough time for potato seed into furrow, and the quality of fill back was also large so that potato seed can have enough soil cover and have a good ambient temperature and humidity for its growth. The sowing quality for the splitter sliding-opener was better than traditional opener. The opener designed was meeting the requirements of potato planting. The study of potato furrowing seeding device provided with reference to the design of a new theoretical support.

agricultural machinery; optimization; crops; furrow opener; splitter slide-knife; potato; quality of back fill; orthogonal test

2017-10-18

2017-12-14

十三五國家重點(diǎn)研發(fā)計劃智能農(nóng)機(jī)裝備專項(xiàng)“薯類高效收獲技術(shù)與裝備研發(fā)”（2016YFD0701600）；“馬鈴薯精量播種技術(shù)與裝備研發(fā)”（2017YFD0700705）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金（CARS-10-P22）；北方馬鈴薯全程機(jī)械化科研基金項(xiàng)目

呂金慶，研究員，國家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家，主要從事馬鈴薯新型技術(shù)及裝備方面研究。Email：ljq8888866666@163.com

衣淑娟，博士，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)機(jī)裝備技術(shù)與設(shè)備。Email：yishujuan_2005@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.006

S233.2

A

1002-6819(2018)-04-0044-11

呂金慶，衣淑娟，陶桂香，毛 欣. 馬鈴薯播種機(jī)分體式滑刀開溝器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(2)：44－54.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.006 http://www.tcsae.org

Lü Jinqing, Yi Shujuan, Tao Guixiang, Mao Xin. Parameter optimization and experiment of splitter sliding-knife opener for potato planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2018, 34(4): 44－54. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.006 http://www.tcsae.org