王 磊 廖宜濤 張青松 姚 露 付云開(kāi) 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(zhǎng)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(guó)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(kāi)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(kāi)溝器。

為提高播種開(kāi)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(kāi)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(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種開(kāi)溝、回土、鎮(zhèn)壓等多功能集成式播種開(kāi)溝器，并研發(fā)了雙向平行四桿機(jī)構(gòu)用于開(kāi)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(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱式大小圓盤開(kāi)溝裝置。國(guó)外對(duì)播種開(kāi)溝器的研究較早，JAMES等[12]通過(guò)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(kāi)溝器對(duì)土壤擾動(dòng)量和溝底作用力的影響，并優(yōu)化開(kāi)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(kāi)溝器對(duì)土壤擾動(dòng)和牽引阻力的影響，得出鋤鏟式開(kāi)溝器的綜合開(kāi)溝性能最優(yōu)；ALIAKBAR等[14]針對(duì)免耕播種開(kāi)溝器開(kāi)溝深度增大會(huì)加劇土壤拋撒的問(wèn)題，研究了彎曲鏟柄對(duì)開(kāi)溝性能的影響，土槽試驗(yàn)表明，鏟柄彎曲45°傾角時(shí)，開(kāi)溝性能最優(yōu)。綜上，現(xiàn)有播種開(kāi)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(kāi)溝器研究較少，尤其對(duì)應(yīng)用仿形輥仿形的鑿式開(kāi)溝器研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)播種作業(yè)地勢(shì)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(wèn)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(kāi)溝器，重點(diǎn)開(kāi)展仿形輥彈性形變、實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(kāi)溝器、播種開(kāi)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(kāi)溝器通過(guò)仿形支撐桿均布安裝于播種機(jī)上。仿形鑿式開(kāi)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(kāi)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(kāi)溝器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagrams of planter and profiling chisel opener1.仿形鑿式開(kāi)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(guò)程及工作原理

播種作業(yè)時(shí)，寬幅播種機(jī)的鑿式開(kāi)溝器鑿尖首先與土壤表面呈一定角度入土，隨著開(kāi)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(guò)導(dǎo)種管直接落到溝底，保證開(kāi)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(kāi)溝器與播種機(jī)機(jī)架采用彈性仿形輥連接，開(kāi)溝器可繞仿形支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)，增加了開(kāi)溝鏟轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性約束。開(kāi)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(kāi)溝器受土壤作用力的力矩平衡，該平衡力矩可保持開(kāi)溝器的仿形效果，仿形過(guò)程如圖2所示。播種作業(yè)中，開(kāi)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(kāi)溝器在狀態(tài)Ⅱ經(jīng)凸起地表時(shí)，開(kāi)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(kāi)溝器向上轉(zhuǎn)動(dòng)，仿形量為H2；當(dāng)開(kāi)溝器在狀態(tài)Ⅱ經(jīng)凹陷地表時(shí)，開(kāi)溝器繞中心順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至狀態(tài)Ⅲ，開(kāi)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(kāi)溝器如遇較大障礙物，仿形開(kāi)溝器與土壤間的作用力會(huì)超過(guò)仿形輥與仿形壁之間的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝器逆時(shí)針?lè)D(zhuǎn)，開(kāi)溝器過(guò)載保護(hù)，防止開(kāi)溝器破壞。

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

2 鑿式開(kāi)溝器設(shè)計(jì)與分析

2.1 鑿式曲面設(shè)計(jì)

鑿式開(kāi)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(kāi)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(kāi)溝器開(kāi)溝性能，且鑿式刃口為曲線的開(kāi)溝器比刃口為直線的開(kāi)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(zhǎng)江中下游地區(qū)和新疆地區(qū)油菜、小麥播種開(kāi)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(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)溝器對(duì)地勢(shì)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(kāi)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(kāi)溝器入土受土壤的反作用力使開(kāi)溝器整體有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。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(kāi)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(kāi)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(kāi)溝器有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)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(kāi)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(kāi)溝器逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)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(kāi)溝器入土后逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，提高開(kāi)溝器入土深度。

2.3 開(kāi)溝器受力分析

開(kāi)溝器入土?xí)r，基于開(kāi)溝器與土壤的互作關(guān)系，土壤對(duì)開(kāi)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(kāi)溝器前進(jìn)方向刃口曲面前端土壤對(duì)開(kāi)溝器的阻力Fs。

入土瞬時(shí)，開(kāi)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(kāi)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(kāi)溝器主體質(zhì)心P上的受力圖。基于平面力系平衡，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(kāi)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(kāi)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(kāi)溝器工作所需的牽引力與刃口曲面前端土壤對(duì)開(kāi)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(kāi)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(kāi)溝器刃口寬度是影響開(kāi)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(kāi)溝器入土需垂直地面的壓力越大。由式(8)、(9)可知，開(kāi)溝器自身質(zhì)量越大，開(kāi)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(kāi)溝器對(duì)油菜、小麥播種的適應(yīng)性，一般開(kāi)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(kāi)溝器布局及開(kāi)溝器強(qiáng)度要求，確定仿形支撐桿為邊長(zhǎng)50 mm方鋼，仿形壁選用邊長(zhǎng)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(wú)彈性形變的最小直徑為22 mm。為實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jiǎn)化開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)，開(kāi)溝器幾何尺寸關(guān)系如圖7所示，A點(diǎn)為開(kāi)溝器鑿尖點(diǎn)，A′為仿形過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)溝器作業(yè)時(shí)，開(kāi)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(kāi)溝器未安裝與安裝導(dǎo)流板時(shí)，簡(jiǎn)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(kāi)溝器運(yùn)動(dòng)方向，AB、A′B′為耕地地表，被開(kāi)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(wú)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(kāi)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(guò)小時(shí)，導(dǎo)流板易纏繞秸稈，綜合考慮開(kāi)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(kāi)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(kāi)溝器，可通過(guò)土槽車的液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)開(kāi)溝器的入土深度[23]。地表平整度采用三維激光掃描儀(美國(guó)天寶公司，Trimble TX8，精度2 mm)測(cè)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(cè)量

種溝深度的穩(wěn)定性直接影響種子播深及出苗效果。測(cè)試前，調(diào)整覆土裝置與地面的距離。溝深測(cè)量時(shí)，開(kāi)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(cè)量原地表到溝底的垂直距離作為開(kāi)溝深度。開(kāi)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(kāi)溝深度平均值，mm

hi——第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的開(kāi)溝深度，mm

S——開(kāi)溝深度的標(biāo)準(zhǔn)差,mm

n——測(cè)量的橫斷面樣本數(shù)

V——開(kāi)溝深度變異系數(shù)，%

U——開(kāi)溝深度穩(wěn)定性系數(shù)，%

3.3 試驗(yàn)方案

基于對(duì)鑿式開(kāi)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(kāi)溝深度穩(wěn)定性的主要因素，試驗(yàn)指標(biāo)為開(kāi)溝深度穩(wěn)定性系數(shù)。采用響應(yīng)面優(yōu)化法開(kāi)展二次回歸正交組合試驗(yàn)，獲取鑿式開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)溝深度穩(wěn)定性系數(shù)最高為目標(biāo)，通過(guò)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(kāi)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(kāi)溝器遇到地表起伏時(shí)，可形成合適的仿形量。綜合考慮長(zhǎng)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)田間作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)，分析設(shè)計(jì)的鑿式開(kāi)溝器與購(gòu)置的翼鏟式播種開(kāi)溝器開(kāi)溝性能差異；通過(guò)田間播種試驗(yàn)，觀測(cè)鑿式開(kāi)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(kāi)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(kāi)溝器、翼鏟式開(kāi)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(guó)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(cè)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)程中，設(shè)定開(kāi)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(cè)量區(qū)域，沿機(jī)組前進(jìn)方向每隔3 m測(cè)量開(kāi)溝深度，每行程種溝測(cè)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(cè)作業(yè)通過(guò)性。

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

4.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)2種不同類型開(kāi)溝器開(kāi)溝深度、地表平整度的測(cè)定，計(jì)算開(kāi)溝深度變異系數(shù)和地表平整度，并觀測(cè)開(kāi)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(guò)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(cè)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(kāi)溝器的深度變異系數(shù)、播后地表平整度、作業(yè)通過(guò)性均優(yōu)于翼鏟式開(kāi)溝器，且鑿式開(kāi)溝器拖拽的秸稈、壅土能從開(kāi)溝器間流過(guò)，其性能滿足GB/T 20865—2007《免耕施肥播種機(jī)》的要求。翼鏟式開(kāi)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(kāi)溝器，新疆地區(qū)的開(kāi)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(wú)秸稈覆蓋、含水率低，利于仿形功能的實(shí)現(xiàn)，開(kāi)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(kāi)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(kāi)溝器。

新疆維吾爾自治區(qū)伊犁昭蘇縣77團(tuán)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(cè)5段，測(cè)每段1 m長(zhǎng)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(kāi)溝器的性能直接影響播種均勻性、出苗率及作物長(zhǎng)勢(shì)，可通過(guò)測(cè)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(lái)表征開(kāi)溝器開(kāi)溝、覆土的綜合性能。單行苗數(shù)變異系數(shù)通過(guò)分析單行油菜各測(cè)量段的苗數(shù)差異，可表明單個(gè)開(kāi)溝器的仿形開(kāi)溝效果；各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)通過(guò)分析各行油菜測(cè)量段的出苗差異，可表明各行開(kāi)溝器的仿形開(kāi)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(cè)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(cè)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(kāi)溝器開(kāi)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(kāi)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(kāi)溝器，確定了鑿式刃口曲線方程，分析了開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)溝器的播深變異系數(shù)、播后地表平整度、作業(yè)通過(guò)性均優(yōu)于翼鏟式開(kāi)溝器，且鑿式開(kāi)溝器在新疆偏沙壤土區(qū)域作業(yè)性能優(yōu)于長(zhǎng)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(kāi)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。