陳海濤 張 昭 王 星 王業(yè)成 紀(jì)文義 薛東輝

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

大豆壟三栽培具有“壟上雙條等距精播、壟體內(nèi)分層施肥、壟下深松”的立體栽培特點(diǎn)，其增產(chǎn)增收效果顯著[1-5]。大豆分層施肥是指大豆播種機(jī)在播前一次性條狀施入種肥，種肥位置在兩行種子間，種子下方3～5 cm處，為大豆前期生長提供養(yǎng)分[6-7]。壟三栽培配套播種機(jī)常采用前側(cè)施肥、后側(cè)開溝播種的結(jié)構(gòu)方案，施肥開溝器在完成施肥作業(yè)的過程中必將對土壤產(chǎn)生不同程度擾動(dòng)效應(yīng)，受擾動(dòng)土壤溢向壟頂中心面兩側(cè)，導(dǎo)致種床平整度下降，進(jìn)而影響所投放的種-肥、種-種分布的精確性，并且這一現(xiàn)象會隨著作業(yè)速度的提高而變得更為顯著。

良好的種床環(huán)境是作物生長的基礎(chǔ)，土壤擾動(dòng)造成散墑、種溝構(gòu)建質(zhì)量差、種子偏移量增加等多種問題[8-15]。針對種床結(jié)構(gòu)破壞的問題，劉曉東等[16]設(shè)計(jì)了一種油菜分層施肥開溝器，可通過后方土壤回填機(jī)構(gòu)提高施肥深度穩(wěn)定性與施肥間距。史乃煜等[17]針對東北黑土地黏重土壤自然回填能力差的問題，基于最速降線原理設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)制回土裝置，增加施肥鏟拋撒土壤的回填量，該裝置具有所拋出土壤量自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，不易堵塞。白璐等[18]設(shè)計(jì)了一種雙圓盤種肥分施裝置，該裝置能同時(shí)完成種肥覆蓋及種子覆土。部分學(xué)者研究了土壤與開溝部件之間相互作用關(guān)系以及土壤擾動(dòng)規(guī)規(guī)律。呂金慶等[19]建立了土壤在開溝器上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及土壤回流過程中的運(yùn)動(dòng)模型，為開溝裝置的應(yīng)用與設(shè)計(jì)提供了參考。BARR等[20]研究了不同作業(yè)速度下開溝器的土壤擾動(dòng)和耕作阻力，并提出一種彎角補(bǔ)償式開溝器，可顯著降低其對土壤的擾動(dòng)。同時(shí)，BARR等[20-21]以土壤的蓬松度、拋撒距離、土層混合為評價(jià)指標(biāo)，研究了不同開溝器傾角對土壤的擾動(dòng)規(guī)律。仿生方法可以明顯降低土壤耕作部件的作業(yè)阻力與土壤擾動(dòng)。孟凡豪[22]設(shè)計(jì)了一種仿生狗獾犬齒滑動(dòng)式開溝裝置，利用圖像處理的方法比較得出所設(shè)計(jì)開溝器能有效減少土壤擾動(dòng)。劉進(jìn)寶等[23]基于蜣螂頭部角狀突起曲線設(shè)計(jì)了一種分層施肥開溝器，相較于傳統(tǒng)施肥開溝器，提高了種床平整度，有利于保障后續(xù)播種質(zhì)量。眾多學(xué)者的研究主要是對開溝裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化，但對施肥開溝器改變種床結(jié)構(gòu)影響種-肥、種-種配置關(guān)系的研究未見報(bào)道。

本文針對大豆壟三栽培施肥開溝器作業(yè)時(shí)擾動(dòng)土壤導(dǎo)致破壞壟頂種床結(jié)構(gòu)，特別是在東北地區(qū)重黏土等流動(dòng)性較差的農(nóng)田播種作業(yè)時(shí)，土壤回填量少，影響種-肥、種-種之間配置關(guān)系的問題，設(shè)計(jì)一種具有仿形功能的種床整理裝置，應(yīng)用理論分析和田間正交試驗(yàn)方法，優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)組合，為大豆壟三栽培配套高速播種機(jī)研究提供參考依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

圖1為設(shè)有雙錐環(huán)型種床整理裝置的大豆壟三栽培播種單體和雙錐環(huán)型種床整理裝置結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)有雙錐環(huán)型種床整理裝置播種單體如圖1a所示，主要由施肥開溝器、平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、種床整理裝置總成、種子開溝器、排種器、覆土裝置和鎮(zhèn)壓裝置組成；雙錐環(huán)型種床整理裝置結(jié)構(gòu)如圖1b所示，主要由位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、清土機(jī)構(gòu)、支撐板、平整輥、收土整形環(huán)等組成，平整輥由無縫鋼管制得，兩端均焊合支撐板與收土整型環(huán)。雙錐環(huán)型種床整理裝置通過位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與平行四桿仿形機(jī)構(gòu)后聯(lián)接板固連，其縱向?qū)ΨQ面與平行四桿機(jī)構(gòu)的縱向?qū)ΨQ面重合，平整輥同時(shí)兼做播種單體的前仿形輪。

圖1 設(shè)有種床整理裝置的播種單體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagrams of seeder-unit with seedbed prefect device1.施肥開溝器 2.平行四桿仿形機(jī)構(gòu) 3.種床整理裝置總成 4.種子開溝器 5.排種器 6.覆土裝置 7.鎮(zhèn)壓裝置 8.后聯(lián)接板 9.仿形下拉彈簧 10.位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 11.清土裝置 12.支撐板 13.收土整形環(huán) 14.平整輥 15.前聯(lián)接板

雙錐環(huán)型種床整理裝置收土整形作業(yè)原理如圖2所示。工作時(shí)，施肥開溝器開施肥溝擾動(dòng)土壤形成V形溝槽，顆粒肥從施肥裝置的出肥口流出落到溝槽中，施肥過程中V形溝槽的壁面土壤不穩(wěn)定向下流動(dòng)，覆蓋顆粒肥。施肥開溝器作業(yè)過程中受擾動(dòng)溢流土壤將落到壟頂與壟幫處，土壤穩(wěn)定后形成的種床形狀呈M形，作業(yè)速度越高則土壤擾動(dòng)效應(yīng)越強(qiáng)。整理裝置在播種單體重力和彈簧力的綜合作用下與土壤緊密接觸，收土整形環(huán)對拋撒到壟幫的土壤施加向內(nèi)側(cè)的擠壓力使土壤向溝槽方向移動(dòng)回填，強(qiáng)制增加土壤回填量，提高種床平整度和堅(jiān)實(shí)度。

圖2 種床整理裝置作業(yè)原理圖Fig.2 Principle diagrams of seedbed prefect device1.施肥開溝器 2.擾動(dòng)土壤區(qū)域 3.溝槽 4.種床整理裝置 5.整理后種床 6.種溝構(gòu)建位置 7.溢流土壤 8.落肥點(diǎn) 9.壟臺 10.壟上雙行大豆落種點(diǎn) 11.溝槽回填區(qū)域 12.土壤運(yùn)移方向

2 種床整理裝置設(shè)計(jì)

種床整理裝置核心部件是平整輥和收土整型環(huán)，尺寸設(shè)計(jì)的合理性影響種床平整效果，因此需對其進(jìn)行合理分析與設(shè)計(jì)。

2.1 平整輥

平整輥主要參數(shù)為直徑和長度，直徑對工作質(zhì)量有顯著影響，平整輥直徑過小，受播種單體施加載荷作用對地面壓應(yīng)力增大，其下陷量增加，易出現(xiàn)前方壅土現(xiàn)象，滑移率升高，種床整理效果與仿形限深的效果變差，種床結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步破壞，播種深度一致性降低；其直徑大則滑移率降低，限深仿形效果提升，但直徑過大會使單體長度和聯(lián)結(jié)高度增加，影響播種機(jī)縱向穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性。根據(jù)前人研究結(jié)果，田間工作地輪直徑一般為200～500 mm[25]，本文采用直徑273 mm的無縫鋼管制作平整輥。

種床整理裝置的收土整形環(huán)安裝在平整輥的兩側(cè)，對施肥開溝器作業(yè)后形成的M形種床兩側(cè)土壤向內(nèi)部擠壓，因此收土整形環(huán)所處位置與平整輥的長度相關(guān)。平整輥長度過小會使得收土整形環(huán)工作區(qū)域在開溝器工作區(qū)域內(nèi)，整理后種床寬度不能滿足開溝器所需工作寬度，無法為開溝器提供良好的作業(yè)環(huán)境，對溝型產(chǎn)生負(fù)面影響。平整輥過長，收土整形環(huán)橫向位置超出溢流土壤范圍，收土整形環(huán)起不到收土作用，平整輥只能將壟頂溢流土壤壓實(shí)，溝槽處的土壤堅(jiān)實(shí)度低，開溝器開溝后內(nèi)溝壁土壤易回流影響播深。根據(jù)東北地區(qū)壟上雙行大豆播種間距為100～150 mm，及東北地區(qū)60～70 cm標(biāo)準(zhǔn)壟壟頂寬約為200 mm[26-27]，考慮土壤溢流量，本文設(shè)計(jì)平整輥長度為220 mm。

2.2 收土整形環(huán)

為實(shí)現(xiàn)種床整理功能，收土整形環(huán)使得溢流土壤有向溝槽方向移動(dòng)的趨勢，且需對土壤有足夠的推移體積以完成溝槽閉合。收土整形環(huán)為圓臺環(huán)狀結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為母線長度和母線與水平線的夾角。

2.2.1收土整形環(huán)角度

種床整理裝置收土整形環(huán)母線與水平線夾角影響種床整理裝置收土量，該角度過大或過小均無法起到收土作用。為同時(shí)滿足收土效果與結(jié)構(gòu)緊湊性，分析收土整形環(huán)角度對收土量的關(guān)系。以壟頂與壟幫交點(diǎn)為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系，施肥開溝器作業(yè)后壟幫溢流土壤切線與水平方向夾角為θ，收土整形環(huán)母線長度為l，整形環(huán)角度與收土量的關(guān)系如圖3所示，建立角度與收土量S的關(guān)系式

圖3 收土整形環(huán)角度與收土面積關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic of relationship between angle of collecting ring for soil and collecting area

(1)

式中α——收土整形環(huán)與水平方向夾角，(°)

施肥開溝器作業(yè)后溢流至壟幫表面的土壤與水平面夾角θ一般為25°～30°， 結(jié)合

(2)

可得種床整理裝置收土整形環(huán)母線與水平線夾角為58°時(shí)收土能力較佳。

2.2.2收土整形環(huán)母線長度

種床整理裝置的收土效果受收土整形環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)與溢流土壤分布的影響，而溢流土壤分布狀況在施肥開溝器在不同耕作方式、含水率等多種因素導(dǎo)致的不同性質(zhì)土壤條件下與不同作業(yè)速度條件下差異較大，可通過調(diào)整收土整形環(huán)的母線長度提高收土效果。參照文獻(xiàn)[6，17，28]采用擬合種床形狀輪廓的方法作為收土整形環(huán)母線長度的設(shè)計(jì)參考，設(shè)計(jì)前在作業(yè)速度為5.4、9.9、14.4 km/h和入土深度為10 cm的條件下，利用溝型輪廓儀描繪鏟式施肥開溝器土壤的輪廓曲線，通過計(jì)算機(jī)處理擬合曲線模型如表1、2所示。

表1 不同速度下溢流土壤曲線模型Tab.1 Soil curve model of overflow at different velocities

表2 不同速度下溝槽土壤曲線模型Tab.2 Trench soil curve model at different velocities

以壟臺對稱線與壟溝平面交點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系如圖4所示，建立種床整理裝置對溢流土壤收聚的模型

圖4 種床整理裝置土壤收聚示意圖Fig.4 Schematic of soil collection of seedbed perfect device

2S1=S2

(3)

其中

(4)

(5)

式中f1——溢流土壤曲線擬合方程，mm

f2——溝槽土壤曲線擬合方程，mm

fAM——收土整形環(huán)母線方程，mm

fMC——溢流土壤與平整輥接觸直線方程，mm

xA——收土整形環(huán)母線初端點(diǎn)A橫坐標(biāo)，mm

xC——土壤擬合模型與平整輥交點(diǎn)C橫坐標(biāo)，mm

xM——收土整形環(huán)母線末端點(diǎn)M橫坐標(biāo)，mm

xS——土壤擬合模型與平整輥交點(diǎn)S橫坐標(biāo)，mm

fCS——平整輥法線方程，mm

S1——受裝置擠壓的溢流土壤區(qū)域斷面面積，mm2

S2——受裝置擠壓回填土壤斷面面積，mm2

收土整形環(huán)的母線AM方程為

fAM(x)=(x-xM)tanα+yM

(6)

式中yM——收土整形環(huán)母線末端點(diǎn)M縱坐標(biāo)，mm

忽略種床整理裝置對土壤擠壓發(fā)生體積變化的情況，綜合式(3)～(6)與土壤曲線擬合模型得出種床整理裝置收土整形環(huán)母線長度理論值為8～76 mm。

2.3 種床整理裝置載荷

種床整理裝置對土壤施加適當(dāng)?shù)妮d荷可增加土壤顆粒間的結(jié)合力，減少種溝構(gòu)建時(shí)溝壁土壤回流，同時(shí)壟臺土壤容重的提高減少了水分散失，因此種床整理裝置對土壤載荷和種床整理裝置作業(yè)質(zhì)量至關(guān)重要[29]。

種床整理裝置載荷除了與自身重力相關(guān)外，在作業(yè)時(shí)受播種單體重力G、彈簧下拉力Fk、開溝器工作阻力R、鎮(zhèn)壓裝置與土壤相互力P以及拖拉機(jī)牽引力的影響，首先對播種單體進(jìn)行受力分析，如圖5所示。

圖5 播種單體受力分析Fig.5 Stress diagram of seeding-unit

播種單體在地面穩(wěn)定工作時(shí)需滿足

(7)

(8)

(9)

(10)

式中Fbx——聯(lián)接板上鉸接點(diǎn)橫向牽引力，N

Fcx——聯(lián)接板下鉸接點(diǎn)橫向牽引力，N

Fby——聯(lián)接板上鉸接點(diǎn)縱向牽引力，N

Fcy——聯(lián)接板下鉸接點(diǎn)縱向牽引力，N

fQ——種床整理裝置滾動(dòng)阻力，N

fP——鎮(zhèn)壓裝置滾動(dòng)阻力，N

Rx——播種開溝器前進(jìn)阻力，N

Ry——播種開溝器垂直反力，N

FQ——地面對種床整理裝置的支持力，N

FP——鎮(zhèn)壓裝置鎮(zhèn)壓力，N

l0——平行四桿機(jī)構(gòu)上下連桿長度，mm

H1——滾動(dòng)阻力fq到平行四桿機(jī)構(gòu)的垂直距離，mm

H2——種床整理裝置對地面壓力到平行四桿機(jī)構(gòu)末端的水平距離，mm

H3——單體中心平行四桿機(jī)構(gòu)末端的水平距離，mm

H4——開溝器前進(jìn)阻力到平行四桿機(jī)構(gòu)末端的垂直距離，mm

H5——開溝器垂直反力到平行四桿機(jī)構(gòu)末端的水平距離，mm

H6——鎮(zhèn)壓力到平行四桿機(jī)構(gòu)末端的水平距離，mm

H7——鎮(zhèn)壓裝置滾動(dòng)阻力到平行四桿機(jī)構(gòu)末端的水平距離，mm

θ0——平行四桿機(jī)構(gòu)初始牽引角，(°)

θ1——彈簧軸線與水平方向夾角，(°)

l1——平行四桿機(jī)構(gòu)前桿長度，mm

l2——平行四桿仿形機(jī)構(gòu)對角線長度，mm

種床整理裝置承受載荷變化會影響其與種床接觸表面面積，導(dǎo)致載荷與土壤表面壓應(yīng)力之間非線性變化。為確定種床整理裝置對土壤載荷與地面壓應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系，將裝置與土壤之間關(guān)系視為剛性輪與非剛性面接觸模型，利用Bekker模型計(jì)算所述關(guān)系為

(11)

式中σ——接地比壓，kPa

b——種床整理裝置長度，mm

Δy——種床整理裝置下限量，mm

Kc——黏聚變形模量，kN/mn+1

Kφ——摩擦變形模量，kN/mn+2

n——土壤變性指數(shù)

地面對種床整理裝置的支持力為

(12)

式中p——種床整理裝置對地面的壓力，Pa

r——地面與種床整理裝置相交線長度，mm

其中，由圖6中幾何關(guān)系可得

圖6 種床整理裝置受力示意圖Fig.6 Stress diagram of seedbed perfect device

(13)

式中D——種床整理裝置平整輥直徑，mm

聯(lián)立式(11)～(13)可得

(14)

同理，滾動(dòng)過程中裝置的滾動(dòng)阻力與壓應(yīng)力的關(guān)系為

(15)

由上述分析可知，種床整理裝置對土壤的壓應(yīng)力與播種單體重力、下拉彈簧力、拖拉機(jī)牽引力、開溝器與覆土鎮(zhèn)壓裝置和土壤的相互作用力、種床整理裝置直徑、土壤變形模量和變形參數(shù)等諸多因素有關(guān)。SEFA等[13]的研究表明，在行內(nèi)施加壓力60 kPa有利于保持水分以及減小發(fā)芽時(shí)間，因此取種床整理裝置對種床的壓應(yīng)力水平為50、60、70 kPa。按照輕黏土力學(xué)參數(shù)求解極限承載力結(jié)果[30]，結(jié)合播種單體結(jié)構(gòu)、種床整理裝置結(jié)構(gòu)和種床整理裝置設(shè)計(jì)壓應(yīng)力，選取仿形下拉彈簧材料直徑為5 mm、彈簧中徑為38 mm、有效圈數(shù)為25圈，其剛度為4.48 N/mm，自由長度為206 mm。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2022年7月28—31日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)哈爾濱向陽黑土地保護(hù)利用機(jī)械化技術(shù)定位試驗(yàn)觀測站試驗(yàn)田實(shí)施。試驗(yàn)地土壤為典型東北區(qū)黑壤土，試驗(yàn)地塊平整，采用1GSZ-140A型多功能旋耕起壟機(jī)起壟，壟距為65 cm，試驗(yàn)前采用五點(diǎn)取樣法對試驗(yàn)田取樣測得試驗(yàn)田土壤基本物理性能如表3所示。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。

表3 試驗(yàn)田基本物理性能Tab.3 Basic physical properties of experiment field

試驗(yàn)儀器設(shè)備有：約翰迪爾484型拖拉機(jī)、設(shè)有種床整理裝置的2BXJ-4型大豆精密播種機(jī)(圖7)、PV6.08型貫穿阻力計(jì)、鋼板尺、游標(biāo)卡尺、電子秤等。其中，2BXJ-4型大豆精密播種機(jī)安裝外槽輪式排肥器(施肥量為500 kg/hm2)、雙圓盤開溝器(壟上雙行大豆理論行間距10 cm)、排種器(行內(nèi)大豆理論株距8 cm)、鏟式施肥開溝器、護(hù)種管等。試驗(yàn)所用大豆品種為黑農(nóng)45，所用化肥為魯西復(fù)合肥(N 12%，P2O518%，K2O 16%)。

圖7 田間試驗(yàn)Fig.7 Field experiment site

3.2 試驗(yàn)方法

為探究種床整理裝置的最佳結(jié)構(gòu)和應(yīng)用參數(shù)組合，以及各因素對種床整理質(zhì)量和種肥配置關(guān)系的影響規(guī)律，采用三因素三水平正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行田間試驗(yàn)[31]。影響種床整理裝置對地面壓應(yīng)力的因素包括單體結(jié)構(gòu)、種床整理裝置外形參數(shù)等因素，影響收土量的因素包括收土整形環(huán)參數(shù)以及平整輥長度，在對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以仿形機(jī)構(gòu)下拉彈簧預(yù)伸長量A(簡稱預(yù)伸長量)、作業(yè)速度B、收土整形環(huán)母線長度C(簡稱母線長度)為試驗(yàn)因素，以種床平整度Y1，壟頂5 cm深土壤堅(jiān)實(shí)度變異系數(shù)Y2、種子橫向偏移離散度Y3、播種深度變異系數(shù)Y4以及種肥間距合格率Y5為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次并取平均值。作業(yè)速度取5.4～14.4 km/h，試驗(yàn)時(shí)駕駛員通過調(diào)節(jié)拖拉機(jī)行駛擋位與油門實(shí)現(xiàn)；根據(jù)式(3)～(6)的計(jì)算結(jié)果選取收土整形環(huán)母線長度為8～76 mm；根據(jù)彈簧基本參數(shù)，設(shè)定彈簧的預(yù)伸長量為26～90 mm。因素水平如表4所示。試驗(yàn)方案如表5所示，表中A、B、C為水平值。

表4 正交試驗(yàn)因素水平Tab.4 Factors and levels of experiment

參考NY/T 499—2013《旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量》測量種床整理裝置整理后種床平整度。每個(gè)處理測定長度為50 m，兩端各設(shè)10 m預(yù)備區(qū)，測區(qū)均分為5個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)橫向均勻分布10個(gè)等份點(diǎn)。其計(jì)算方法為

(16)

式中Gj——第j個(gè)測點(diǎn)處地表平整度，mm

Xij——第j個(gè)測點(diǎn)處第i個(gè)等份點(diǎn)至地表的距離，mm

m——第j個(gè)測點(diǎn)的等份點(diǎn)數(shù)量，取10

參考NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》以及NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械評價(jià)技術(shù)規(guī)范》計(jì)算種肥間距合格率、播深變異系數(shù)。

為準(zhǔn)確反映作業(yè)后種床土壤堅(jiān)實(shí)度的一致性，取測點(diǎn)位置分別在壟中心線與單側(cè)5 cm處，測點(diǎn)取法與變異系數(shù)的計(jì)算方法同種床平整度一致。種子橫向偏移離散度計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[32]。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，方差分析與極差分析結(jié)果如表6所示。

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.5 Experiment scheme and results

3.4 優(yōu)化分析

由表6可知，預(yù)伸長量、作業(yè)速度對種床平整度影響顯著，母線長度對種床平整度極顯著，因素影響的由大到小為C、B、A，優(yōu)化組合為A3B1C1；預(yù)伸長量對土壤堅(jiān)實(shí)度變異系數(shù)影響顯著，母線長度對土壤堅(jiān)實(shí)度變異系數(shù)影響極顯著，因素影響由大到小為C、A、B，優(yōu)化組合為A3B3C1；作業(yè)速度和母線長度對種子橫向偏移離散度影響顯著，因素影響由大到小為B、C、A，優(yōu)化組合為A3B1C3；作業(yè)速度和母線長度對播深變異系數(shù)影響顯著，因素影響由大到小為C、B、A，優(yōu)化組合為A1B1C3；母線長度對種肥間距合格率影響顯著，因素影響由大到小為C、A、B，優(yōu)化組合為A2B1C2。

參照NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》并以降低土壤堅(jiān)實(shí)度變異系數(shù)、種子橫向偏移離散度、播種深度變異系數(shù)，提高種床平整度、種肥間距合格率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。如表6所示，預(yù)伸長量對種床平整度、土壤堅(jiān)實(shí)度變異系數(shù)顯著，兩者最優(yōu)結(jié)果均為A3，因此選取A3；作業(yè)速度對種床平整度、種子橫向偏移離散度、播種深度變異系數(shù)影響均顯著，在滿足播種機(jī)最低作業(yè)質(zhì)量要求的情況下，考慮到作業(yè)效率是評價(jià)播種機(jī)性能的重要指標(biāo)，選取B3；母線長度對上述所有指標(biāo)影響均顯著，C3不滿足種肥間距合格率要求，以播種質(zhì)量為主要優(yōu)化目標(biāo)，因此選取C2。綜上，選取作業(yè)速度不大于14.4 km/h，預(yù)伸長量為90 mm、母線長度為42 mm的參數(shù)組合作為優(yōu)化組合。

表6 方差與極差分析結(jié)果Tab.6 Results of variance and range analysis

3.5 驗(yàn)證與對比試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)于2022年8月3日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)哈爾濱向陽黑土地保護(hù)利用機(jī)械化技術(shù)定位試驗(yàn)觀測站試驗(yàn)田實(shí)施。種床整理裝置的母線長度為42 mm，對增設(shè)該種床整理裝置的播種單體與未增設(shè)種床整理裝置的播種單體在彈簧預(yù)伸長量為90 mm，在作業(yè)速度14.4 km/h的條件下進(jìn)行性能比較試驗(yàn)，在測區(qū)內(nèi)選取100個(gè)測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，對比試驗(yàn)重復(fù)3次，其結(jié)果如表7所示。整理后種床與未整理種床種溝構(gòu)建效果如圖8所示。

圖8 種溝構(gòu)建效果對比Fig.8 Comparison of seed ditch construction effect1.設(shè)有種床整理裝置 2.未設(shè)有種床整理裝置

表7 對比試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Comparison of experiment results

由表7可知，增設(shè)種床整理裝置的播種單體相較于未設(shè)置種床整理裝置播種單體，播種深度一致性提高19.71%，種子橫向偏移離散度降低44.02%，種肥間距合格率提高24.26%，增設(shè)種床整理裝置對作業(yè)質(zhì)量提升效果顯著。

4 結(jié)論

(1)在東北黑壤土土壤含水率20.00%、土壤堅(jiān)實(shí)度1.49 MPa、仿形彈簧剛度4.48 N/mm條件下，影響種床平整度和播種深度變異系數(shù)的因素由大到小為：母線長度、作業(yè)速度、預(yù)伸長量，影響種床土壤堅(jiān)實(shí)度變異系數(shù)和種肥間距合格率的因素由大到小為：母線長度、預(yù)伸長量、作業(yè)速度，影響種子橫向偏移離散度的因素由大到小為：作業(yè)速度、母線長度、預(yù)伸長量；當(dāng)作業(yè)速度不超過14.4 km/h、彈簧預(yù)伸長量90 mm、收土整形環(huán)母線長度42 mm時(shí)，播種深度一致性、種肥間距合格率和種子橫向偏移離散度分別達(dá)到91.33%、90.67%、7.38%。

(2)設(shè)計(jì)了一種大豆壟三栽培配套播種機(jī)的雙錐環(huán)型種床整理裝置，該裝置可以使得播種單體的播種深度一致性和種肥間距合格率分別提升19.71%和24.26%，種子橫向偏移離散度下降44.02%，播種質(zhì)量提升效果顯著。