仿形滑刀式開(kāi)溝器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賈洪雷，鄭嘉鑫，袁洪方，郭明卓，王文君，姜鑫銘

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仿形滑刀式開(kāi)溝器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賈洪雷，鄭嘉鑫，袁洪方※，郭明卓，王文君，姜鑫銘

（1. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春130025；2. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130025）

為了改善種床質(zhì)量、提高播種分布直線性及播深一致性，通過(guò)“V”形種溝成因分析，設(shè)計(jì)了一種適用于大豆壟上雙行種植模式的仿形滑刀式開(kāi)溝器。該開(kāi)溝器具有滑刀和仿形壓土輪機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝、壓溝和仿形功能，進(jìn)而構(gòu)建底部緊實(shí)、覆蓋土壤松軟的優(yōu)良種床。通過(guò)土槽試驗(yàn)，以回土量為指標(biāo)，采用響應(yīng)面優(yōu)化法分析得出最優(yōu)參數(shù)組合，即載荷大小為689.66 N，開(kāi)溝角度為40.43°，前進(jìn)速度為2.12 m/s，開(kāi)溝深度為51.62 mm。在最優(yōu)工況下進(jìn)行田間驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)，仿形滑刀式開(kāi)溝器、雙V型筑溝器、圓盤(pán)開(kāi)溝器的橫向偏移離散度分別為4.42、4.34、6.55，播深變異系數(shù)分別為6.06%、6.80%、11.52%，在50～75 mm土層開(kāi)溝鎮(zhèn)壓后土壤緊實(shí)度分別為0.261、0.248、0.165 MPa，仿形滑刀式開(kāi)溝器作業(yè)效果優(yōu)于雙V型筑溝器和圓盤(pán)開(kāi)溝器，可以提高種床質(zhì)量和播深一致性，且使種床緊實(shí)，利于種子出苗。

機(jī)械化；優(yōu)化；設(shè)計(jì)；仿形；開(kāi)溝器；離散度；播深變異系數(shù)

0 引 言

近年來(lái)，高速精密播種已成為播種技術(shù)主要發(fā)展方向。除排種、投種2個(gè)環(huán)節(jié)外，種子著床工藝的好壞也會(huì)影響到高速播種的精確性[1]，良好的種床環(huán)境會(huì)提高種子分布的均勻性、播深一致性及出苗率[2-4]，因此，能否提供良好的種床環(huán)境是影響精密播種機(jī)性能的一個(gè)重要因素。

在發(fā)達(dá)國(guó)家，早已進(jìn)行優(yōu)良種床構(gòu)建的研究，提出理想的種床環(huán)境要求種床緊實(shí)，以利提墑，促進(jìn)種子發(fā)芽，而覆蓋種床的土壤要松軟細(xì)碎，透水透氣以利發(fā)芽、出苗[3-5]。Ozmerzi等[6]研究精密播種機(jī)播深均勻性的影響，進(jìn)行不同播深、土壤壓實(shí)度、溝底粗糙度、種子和化肥分布、土壤覆蓋等條件下的試驗(yàn)研究，以出苗率來(lái)評(píng)估開(kāi)溝器的工作質(zhì)量。Fallahi等[7]針對(duì)不同的耕作方式，以種子粒距均勻性指數(shù)及出苗率指數(shù)等為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)播種機(jī)觸土部件進(jìn)行了對(duì)比研究。現(xiàn)國(guó)外機(jī)械化精播玉米等大株距作物已趨于成熟，播種機(jī)使用的開(kāi)溝裝置可以開(kāi)出較好的溝形且配有壓溝裝置，緊實(shí)種床土壤[8-10]，如德國(guó)LEMKEN公司機(jī)械式播種機(jī)Saphir7和Saphir8的開(kāi)溝環(huán)節(jié)由雙盤(pán)開(kāi)溝器或靴式開(kāi)溝器配合鎮(zhèn)壓器實(shí)現(xiàn)；MASCHIO GASPARDO集團(tuán)公司、德國(guó)AMAZONE公司等研發(fā)的播種機(jī)使用開(kāi)溝器加壓溝輪實(shí)現(xiàn)種床構(gòu)建。國(guó)內(nèi)研究者們多年來(lái)對(duì)開(kāi)溝器進(jìn)行不斷改進(jìn)[11-12]，王慶杰等[13]研究設(shè)計(jì)了楔刀型免耕開(kāi)溝器，趙淑紅等[14]針對(duì)播種深施肥時(shí)，播種深度難以控制，結(jié)合滑推工作原理，設(shè)計(jì)一種滑推式開(kāi)溝器。這些開(kāi)溝器可在種子與種溝接觸后迅速回土，使種子與濕土接觸，不易攪混土層，降低土壤傷情損耗，利于種子出苗。

現(xiàn)有開(kāi)溝器的改進(jìn)研究多適用于提高玉米等大株距作物的種床質(zhì)量[15-17]，而大豆、甜菜等小株距作物的植株較玉米種子更易發(fā)生滾動(dòng)、彈跳等位移[8-10]，高速精播下現(xiàn)有開(kāi)溝器難以配合其高產(chǎn)耕作模式實(shí)現(xiàn)田間分布的均勻性。目前，黑龍江大豆主產(chǎn)區(qū)機(jī)械化壟上雙行種植廣泛使用的開(kāi)溝器為2個(gè)單圓盤(pán)開(kāi)溝器對(duì)稱布置，在壟距為600～650 mm的壟上開(kāi)出100～150 mm的種溝，種床構(gòu)建效果不佳。適合小株距圓粒種子高速精播的開(kāi)溝裝置有待進(jìn)一步研究。

本文針對(duì)大豆壟上雙行精密播種種植模式，基于已發(fā)明的《雙V型筑溝器》[18-19]設(shè)計(jì)一種同時(shí)具有開(kāi)溝、壓溝和仿形功能的滑刀式開(kāi)溝器，增加滑刀刀片及仿形壓土輪機(jī)構(gòu)，并在雙V型筑溝器基礎(chǔ)上進(jìn)一步量化種床構(gòu)建的指標(biāo)，研究種床構(gòu)建的重要影響因素，通過(guò)Box-Behnken Design響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定仿形滑刀式開(kāi)溝器最佳參數(shù)組合。

1 仿形滑刀式開(kāi)溝器分析與設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

仿形滑刀式開(kāi)溝器由連接桿、仿形壓土輪、仿形機(jī)構(gòu)、擠土刀、滑刀組成。其中滑刀被夾持在擠土刀中間，增加開(kāi)溝器通過(guò)性，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要作用是開(kāi)溝的同時(shí)壓出“V”形種溝。種溝的橫向距離為110 mm，溝壁均勻平整，種子落入“V”形種溝后滾落在種溝底部，保證了種子分布直線性及播深一致性，提高播種質(zhì)量，緊實(shí)種床土壤，加快種子出苗。

1.2 擠土刀總成與土壤受力分析

擠土刀總成包括擠土刀片和滑刀兩部分，滑刀被夾持在開(kāi)溝器擠土刀中間，用于切斷雜草，可減小開(kāi)溝刀片入土阻力和耕作阻力，有效避免入土性能不好、易堵塞的問(wèn)題，在滑切的同時(shí)緊實(shí)土壤，筑造溝形。

1.2.1 “V”形種溝成因分析

種溝形狀的好壞取決于機(jī)具與土壤之間及土壤顆粒間的相互作用，土壤回落影響開(kāi)溝質(zhì)量。土壤顆粒在不受外力情況下，土壤顆粒可視為散體顆粒，如圖2a所示，設(shè)種溝的側(cè)壁與水平面的夾角為土壤休止角，“V”形種溝的夾角為。則根據(jù)土壤濕度不同，當(dāng)土壤休止角=30°～50°時(shí)土壤產(chǎn)生摩擦力自鎖，當(dāng)值大于臨界值則土壤回落，此時(shí)種溝夾角=80°～120°才可使土壤保持穩(wěn)定，然而過(guò)寬的種溝不能滿足農(nóng)藝需求，因此需要通過(guò)機(jī)具與土壤間相互作用減小種溝夾角并使溝壁土壤保持穩(wěn)定。

土壤在受到外力的情況下形成土壤顆粒集合體，在集合體內(nèi)顆粒相互接觸而形成強(qiáng)度迥異的力鏈，力鏈支撐整個(gè)顆粒堆而保持穩(wěn)定[20]。當(dāng)滑刀滑切土壤瞬間，擠土刀和仿形輪與土壤接觸變形所產(chǎn)生的擠壓力使土壤散體顆粒與兩側(cè)土壤粘附，減少散土顆粒回落。

1.2.2 滑刀刀刃受力及曲線

滑刀刀刃所受入土阻力與刀刃曲線有關(guān)，在滑切過(guò)程中土壤受到刀刃的擠壓，直到應(yīng)力達(dá)到破壞極限時(shí)而發(fā)生剪切斷裂[21]。在滑刀的作用下，土壤顆粒之間出現(xiàn)相對(duì)位移，顆粒沿著刀刃曲線向下滑移，遭到破壞后沿刀刃的楔面方向滑向兩側(cè)。顧耀全等[15]研究表明，當(dāng)滑切角為35°～55°時(shí)入土阻力較小，因此，刀刃曲線的滑切角按此范圍設(shè)計(jì)，如圖3所示，設(shè)刀刃曲線函數(shù)為

式中為刀刃曲線縱坐標(biāo)；′為的一階導(dǎo)數(shù)；、為常數(shù)；為曲線斜率。

a. 仿形滑刀式開(kāi)溝器受力分析

a. Force analysis of profiling sliding-knife opener

b. 擠土刀刀刃受力b. Force of squeezing knife edgec. 擠土刀與土壤接觸面受力c. Force imposed on the contact area between the squeezing knife and soils

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可得

式中為刀刃觸土處的滑切角，(°)。

當(dāng)=0 mm，取最大值55°，當(dāng)=35 mm，取最小值35°，代入式（2）和式（3）。求得=0.01，=0.7，代入式（1），得出刀刃曲線函數(shù)為

注：、為坐標(biāo)系（）中刀刃曲線上兩點(diǎn)；1為刀刃曲線在點(diǎn)處的斜率；2為刀刃曲線在點(diǎn)處的斜率；1為點(diǎn)處法線；2為點(diǎn)處的法線；θ為點(diǎn)處的滑切角，(°)；θ為點(diǎn)處的滑切角，(°)。

Note:andare two points on the curve in coordinate system();1is the slope of cutting-edge curve at point;2is the slope of cutting-edge curve at point;1is the normal line at point;2is the normal line at point;θis the sliding cutting angle at point,(°);θis the sliding cutting angle at point,(°).

圖3 滑刀刀刃曲線示意圖

Fig.3 Schematic diagram of sliding-knife cutting-edge

1.2.3 開(kāi)溝器受力分析

當(dāng)開(kāi)溝器工作的瞬間，機(jī)具與土壤接觸發(fā)生變形，擠土刀與土壤間的應(yīng)力有表面正應(yīng)力和剪應(yīng)力，設(shè)s為單位面積上剪應(yīng)力的合力（如圖2c），土壤與開(kāi)溝器之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生垂直于V形側(cè)壁的剪力s，擠土刀兩側(cè)土壤分別受到機(jī)具向下的壓力sp（如圖2a），假設(shè)滑刀刀刃受到土壤施加的合力為′（如圖2b），則在圖2a所示坐標(biāo)系內(nèi)，方向上的受力平衡方程為

機(jī)具在前進(jìn)方向上所受的阻力為

由式（5）推出

式中為擠土角，(°)；為刀刃合力與支持力夾角，(°)；μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)；w為外壓土輪所受阻力，N；z為中間壓土輪所受阻力，N。

從受力分析中可知，種溝的好壞與擠土刀和土壤之間的相互作用力s有直接關(guān)系，s受擠土角、機(jī)具對(duì)種溝兩側(cè)土壤的壓力sp、刀刃受到土壤施加的合力′、滑切角等因素影響。由于刀刃曲線為定值，則在勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滑切角不變，′趨近于定值，則′cos(90°)為定值。由于s為擠土刀與土壤接觸面積所受的力，其大小與擠土刀面積有直接關(guān)系，開(kāi)溝深度不同，受力面積不同，因此，開(kāi)溝深度也是影響s的主要因素之一。通過(guò)受力分析確定影響開(kāi)溝器刀片設(shè)計(jì)的3個(gè)影響因素，分別為開(kāi)溝角度，開(kāi)溝深度及壓力大小。

1.3 仿形壓土輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿形滑刀式開(kāi)溝器特點(diǎn)在于擠土刀兩側(cè)設(shè)有仿形壓土輪機(jī)構(gòu)，與擠土刀共同作用，筑出“V”形種溝。與現(xiàn)有雙V型筑溝器相比，雙V型筑溝器在配合圓盤(pán)開(kāi)溝器使用可達(dá)到最佳效果，側(cè)重提高種子田間分布均勻性；該機(jī)構(gòu)增強(qiáng)獨(dú)立開(kāi)溝功能，在提高種子田間分布均勻性的同時(shí)側(cè)重緊實(shí)土壤，同時(shí)筑造溝形，給土壤提供良好種床環(huán)境。圖4為仿形壓土輪機(jī)構(gòu)示意圖。

1.螺栓 2.彈簧 3.連桿 4.銷(xiāo)軸 5.壓土輪

1.Bolt 2.Spring 3.Connecting bar 4.Pin roll 5.Soil-compressing profiling wheels

注：為支點(diǎn)；Z為作用在壓土輪上的力，N；T為彈簧給螺栓的力，N；1為Z的力臂，m；2為T(mén)的力臂，m。

Note:is pivot;Zis force applied on soil-compressing profiling wheels, N;Tis the spring force applied on the bolt, N;1is force-arm ofZ, m;2is force-arm ofT, m.

圖4 仿形壓土輪機(jī)構(gòu)示意圖

Fig.4 Schematic diagram of profiling compacting wheels

仿形壓土輪機(jī)構(gòu)由彈簧、壓土輪、連桿組成，如圖4a所示，初始狀態(tài)時(shí)，彈簧被壓縮，有一定的預(yù)緊力，對(duì)螺栓有一個(gè)向上的力，螺栓帶動(dòng)連桿繞銷(xiāo)軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)壓土輪對(duì)地有恒定壓力，可以壓碎小土塊、緊實(shí)土壤；當(dāng)?shù)孛嬗型拱鼤r(shí)，彈簧受力大于預(yù)緊力被壓縮，壓土輪被抬起，實(shí)現(xiàn)仿形。仿形壓土輪分為3組分別作用于每個(gè)擠土刀兩側(cè)，在壓碎種溝兩側(cè)種床上土塊的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)仿形。

仿形壓土輪機(jī)構(gòu)的受力分析如圖4b所示，根據(jù)力矩平衡可得

因?yàn)?=2，故式（8）化簡(jiǎn)為

式中Z為作用在壓土輪上的力，N；T為彈簧給螺栓的力，N；1為作用在壓土輪上力的力臂，m；2為彈簧給螺栓力的力臂，m。

彈簧具有初始預(yù)緊力，此時(shí)壓土輪對(duì)地有恒定壓力，擠土刀兩側(cè)壓土輪材料為聚酰胺類樹(shù)脂，機(jī)械強(qiáng)度高，韌性好，有較高的抗拉、抗壓強(qiáng)度，且耐磨減阻。非剛性路面承受載荷，壓土輪下陷量不大時(shí)，壓土輪下陷量與作用力關(guān)系可按如下公式計(jì)算[22]

式中0為下陷量，cm；為壓土輪的寬度，mm；為壓土輪的直徑，mm；為土壤特性系數(shù)；0為與土壤性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。

由式（10）和式（11）推導(dǎo)得

東北地區(qū)黑土屬于黏性土壤，土壤特性相關(guān)參數(shù)取0=1.01。設(shè)作用在中間壓土輪上的力為Z1，兩側(cè)壓土輪上的力別為Z2和Z3。彈簧在具有初始設(shè)計(jì)的壓土輪的下陷量為0=3 mm，壓土輪寬度為1=70 mm，2=3= 45 mm，直徑為=70 mm，帶入式（12）得出Z1=334.22 N，Z2=Z3=214.86 N。根據(jù)胡克定律

式中為彈簧受的力，N；Δ為彈簧形變量，mm。

彈簧的受力等于彈簧給螺栓的力，設(shè)Δ=3 mm，經(jīng)計(jì)算得到彈簧的剛度系數(shù)1=33.4 N/mm，2=3=21.5 N/mm。

2 土槽試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2015年9月，在吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行土槽試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)自帶計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。仿形滑刀式開(kāi)溝器安裝在播種單體上，與臺(tái)車(chē)連接。試驗(yàn)土壤類型為典型東北黑黏土，試驗(yàn)前，進(jìn)行灑水潤(rùn)土，充分滲透后，使土壤在0～100 mm含水率達(dá)到18%，適宜大豆生長(zhǎng)且適宜機(jī)械耕作。將旋耕機(jī)安裝在臺(tái)車(chē)上進(jìn)行旋耕、碎土、刮平，后將配套壓實(shí)輥安裝在臺(tái)車(chē)上，將土壤壓實(shí)。圖5為仿行滑刀式開(kāi)溝器土槽試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖。

a. 開(kāi)溝器安裝a. Setting diagram of opener b. 局部放大圖b. Partial enlarged comparison diagram

為配合試驗(yàn)，制作3套不同角度擠土刀的開(kāi)溝器。將仿形滑刀式開(kāi)溝器安裝在播種單體上，將播種單體與試驗(yàn)臺(tái)車(chē)相連接進(jìn)行多因素正交組合試驗(yàn)來(lái)選擇最佳參數(shù)。

每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。為保證直觀的對(duì)比效果，分別將不同開(kāi)溝角度的開(kāi)溝器在土槽左右兩端進(jìn)行。為保證試驗(yàn)的可重復(fù)性，每次試驗(yàn)后對(duì)土槽內(nèi)土壤進(jìn)行翻整壓平處理。為達(dá)到相同緊實(shí)度，每次在作業(yè)前進(jìn)方向上中段20 m，每隔5 m取一樣點(diǎn)，使用SC-900型土壤緊實(shí)度儀進(jìn)行測(cè)試，確保每次試驗(yàn)前的土壤緊實(shí)度保持一致。

2.2 回土量的測(cè)量

回土量的多少直接反應(yīng)了種溝的塑形好壞，以及種溝溝壁土壤是否均勻緊實(shí)。回土量少，播種深度容易控制，且溝壁平整易于種子落入設(shè)計(jì)位置。為更加直觀準(zhǔn)確的測(cè)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用回土體積與理論溝形體積比作為回土量的計(jì)算方法[23]。實(shí)際操作時(shí)，參考建筑施工中常用于計(jì)算土方量的平均斷面法[23]測(cè)量開(kāi)溝后種溝體積。在不同設(shè)計(jì)因素組合的開(kāi)溝器開(kāi)溝后，截取種溝截面，種溝截面呈規(guī)則的等腰三角形，沿種溝中段取10 m的范圍，隨機(jī)取10個(gè)橫斷面，測(cè)量實(shí)際開(kāi)溝深度及去除回土后實(shí)際種溝深度′。圖6為開(kāi)溝后實(shí)際種溝截面示意圖，則回土量可通過(guò)式（14）計(jì)算得出。

注：H′為實(shí)際種溝深度，mm；h為測(cè)量實(shí)際開(kāi)溝深度，mm；d為實(shí)際開(kāi)溝寬度，mm。Note: H′ is actual seed furrow depth, mm; h is the mearsuring furrow depth, mm; d is actual seed furrow width, mm.

圖6 實(shí)際種溝截面示意圖

Fig.6 Schematic diagram of actual seed furrow section

2.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)Design-Expert軟件中的Box-Behnken Design響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行正交試驗(yàn)，選擇仿形滑刀式開(kāi)溝器最佳參數(shù)。

通過(guò)受力分析以及考慮機(jī)具實(shí)際作業(yè)情況，土槽試驗(yàn)選取的影響因素為：開(kāi)溝角度、機(jī)具前進(jìn)速度、開(kāi)溝深度及壓力大小，試驗(yàn)指標(biāo)為回土量。試驗(yàn)總次數(shù)為29次，因素及水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素及水平

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與方差分析

利用Design-Expert軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。回土量的方差分析如表3所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表3 回土量方差分析

式中1為開(kāi)溝角度，(°)；2為前進(jìn)速度，m/s；3為開(kāi)溝深度，mm；4為壓力大小，N。

1）回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)。表3中值小于0.05項(xiàng)是顯著項(xiàng)，影響因子1、2、3、4、12、12、22、32、42對(duì)回土量的影響均為顯著項(xiàng)。

對(duì)29號(hào)螺孔螺紋使用梳刀、銑刀、打磨、拋光等工具對(duì)損傷螺紋進(jìn)行了銑削去除和拋光打磨，初步修復(fù)后檢查發(fā)現(xiàn)較多螺紋扣出現(xiàn)損傷，29號(hào)螺孔總體情況如下：①第2-20扣螺紋，中徑實(shí)測(cè)值超出設(shè)計(jì)最大值152.667mm，其中8-18扣螺紋中徑值達(dá)到或超過(guò)M156螺孔中徑值范圍；②第21-55扣螺紋尺寸符合設(shè)計(jì)要求；

2）回歸方程的顯著性檢驗(yàn)。回歸方程值為19.41，回歸方程顯著，顯著性水平為0.001。

3）回歸模型失擬檢驗(yàn)。失擬項(xiàng)的值為0.489 5，顯然>0.05，回歸方程不失擬，回土量模型實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值相近，決定系數(shù)與校正決定系數(shù)均接近于1，表明回歸方程精確、效果顯著，精密度值為16.449>4，表明該回歸方程在設(shè)計(jì)域內(nèi)預(yù)測(cè)性能良好。

各影響因子對(duì)回土量的顯著性順序從大到小依次為壓力大小＞開(kāi)溝角度＞前進(jìn)速度＞開(kāi)溝深度。

2.5 最佳參數(shù)組合

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以回土量最小為限制條件，軟件得出最佳參數(shù)組合如表4所示，給出了3個(gè)符合期望的優(yōu)選方案，其回土量與期望值均差別不大。綜合考慮大豆播種機(jī)、大豆播種深度30～50 mm的需求及開(kāi)溝器自身特點(diǎn)，選擇最佳參數(shù)組合為壓力大小689.66 N、開(kāi)溝角度40.43°、前進(jìn)速度2.12 m/s、開(kāi)溝深度51.62 mm。由于開(kāi)溝器開(kāi)溝角度和開(kāi)溝深度可以設(shè)置，而壓力大小和前進(jìn)速度在田間作業(yè)較難保證其精準(zhǔn)性，因此通過(guò)期望分析可知，開(kāi)溝當(dāng)開(kāi)溝角度為40.43°，開(kāi)溝深度為51.62 mm時(shí)，作業(yè)速度控制在2～2.3 m/s，壓力范圍在650～700 N之間，期望度接近于1，均能達(dá)到良好的作業(yè)效果。

表4 最佳參數(shù)組合

3 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證土槽試驗(yàn)得出的開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)最佳工作參數(shù)組合是否具有良好的作業(yè)效果，并與目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于壟上雙行大豆播種機(jī)廣泛使用的圓盤(pán)開(kāi)溝器及已發(fā)明的雙V型筑溝器做對(duì)比，驗(yàn)證仿形滑刀式開(kāi)溝器作業(yè)性能。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年5月23—26日，在黑龍江省七臺(tái)河市勃農(nóng)產(chǎn)業(yè)園（N45.78°，E130.59°，海拔197 m）進(jìn)行，該區(qū)域地處寒溫帶，屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春秋季節(jié)多風(fēng)。年平均降雨量為450～550 mm，日照時(shí)數(shù)在2 350～2 450 h，活動(dòng)積溫在2 300～2 700 ℃。地勢(shì)平坦，土質(zhì)肥沃，土壤類型為典型東北黑黏土[25]。田間試驗(yàn)的試驗(yàn)條件：試驗(yàn)田為均勻壟大豆地，無(wú)秸稈殘茬覆蓋；耕作方式為壟作，翻耕后土壤0～25 mm處土壤緊實(shí)度為0.103 MPa，25～50 mm處土壤緊實(shí)度為0.241 MPa，50～75 mm處土壤緊實(shí)度為0.345 MPa，75～100 mm處土壤緊實(shí)度為0.414 MPa。0～50 mm處土壤含水率為6.2%，50～100 mm處土壤含水率為13.2%，100～150 mm處土壤含水率為19%。仿形滑刀式開(kāi)溝器連接在2BDB-6大豆變量施肥播種機(jī)的播種單體上，田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

a. 田間試驗(yàn)a. Field trial b. 圓盤(pán)開(kāi)溝器b. Disk opener c. 雙V型筑溝器c. Double-V furrow openerd. 仿形滑刀式開(kāi)溝器d. Profiling sliding-knife opener

試驗(yàn)用的主要儀器設(shè)備：凱斯FARMALL 1254拖拉機(jī)、2BDB-6大豆變量施肥播種機(jī)、SC-900型土壤緊實(shí)度儀、TDR 300土壤水分測(cè)定儀、環(huán)刀組件（容積100 cm3）、電子天平等，試驗(yàn)用大豆種子品種為禾豐50。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析

仿形滑刀式開(kāi)溝器能夠提高種子分布的直線性及播種深度一致性，為了驗(yàn)證其性能，選取播種橫向偏移離散度和播深變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)比種床緊實(shí)度變化情況。

3.2.1 種子橫向偏移離散度測(cè)定

為研究種溝對(duì)田間播種均勻性的影響，提出可反映種子分布直線性的種子橫向偏移離散度[26]作為試驗(yàn)指標(biāo)。機(jī)具作業(yè)100 m測(cè)量一組數(shù)據(jù)，以種溝中線為基準(zhǔn)，測(cè)量種子偏移量，每行連續(xù)測(cè)量100粒種子，進(jìn)行10次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。使用EXCEL軟件中的AVEDEV（mean absolute deviation, 平均絕對(duì)偏差）函數(shù)計(jì)算離散度[25]，離散度又稱“標(biāo)準(zhǔn)差率”，是衡量資料中各觀測(cè)值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，離散度越小越穩(wěn)定。

試驗(yàn)結(jié)果得出，使用仿形滑刀式開(kāi)溝器橫向偏移離散度為4.42，使用雙V型筑溝器橫向偏移離散度為4.34，使用圓盤(pán)開(kāi)溝器橫向偏移離散度為6.55。相同工況下，使用仿形滑刀式開(kāi)溝器和雙V型筑溝器播種橫向偏移離散度基本相同，與圓盤(pán)開(kāi)溝器相比，仿形滑刀式開(kāi)溝器橫向偏移離散度降低了32.52%。由試驗(yàn)結(jié)果分析仿形滑刀式開(kāi)溝器和雙V型筑溝器均能使種溝成“V”形，種子落入種溝后會(huì)向溝底滾動(dòng)，所以種子落入種溝中間的概率較大。相比雙V型筑溝器，仿形滑刀式開(kāi)溝器的仿形輪機(jī)構(gòu)對(duì)土壤有一定預(yù)緊力，在最優(yōu)參數(shù)下，使溝形更加緊實(shí)。其中偏移中線大于20～30 mm的種子，因?yàn)椴シN過(guò)程中機(jī)身振動(dòng)等原因[27]，未能使種子落入溝底。而圓盤(pán)開(kāi)溝器，由2個(gè)相對(duì)的單圓盤(pán)開(kāi)溝器組成，由于圓盤(pán)開(kāi)溝器對(duì)土壤的擾動(dòng)范圍是一個(gè)在傳統(tǒng)楔基礎(chǔ)上的隨機(jī)變量，自身無(wú)限深裝置，靠重力入土，開(kāi)溝寬度受土壤條件影響較大，致使溝形不均，種子播種橫向偏移量增大，并直接導(dǎo)致播種深度不一致。

3.2.2 播種深度一致性

播深一致性是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一。研究表明[28]，出苗不一致會(huì)使作物產(chǎn)量降低，至使總產(chǎn)量下降。因此對(duì)3種開(kāi)溝器的播深一致性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，每個(gè)開(kāi)溝器測(cè)量6行，進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)。播種深度變異系數(shù)計(jì)算公式為

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，仿形滑刀式開(kāi)溝器播深變異系數(shù)為6.06%，雙V型筑溝器的播深變異系數(shù)為6.80%，優(yōu)于圓盤(pán)開(kāi)溝器的播深變異系數(shù)11.52%，仿形滑刀式開(kāi)溝器播深變異系數(shù)比雙V型筑溝器降低了10.88%，比圓盤(pán)開(kāi)溝器降低了47.40%。圓盤(pán)開(kāi)溝器在工作過(guò)程中若遇到土塊則將其撥開(kāi)，導(dǎo)致開(kāi)溝寬度不均勻，溝形如圖9a所示；仿形滑刀式開(kāi)溝器和雙V型筑溝器在工作過(guò)程中能壓碎土塊，開(kāi)出的種溝寬度較窄且均勻，利于形成良好種床，易于將種子播入設(shè)計(jì)位置，如圖9b和9c所示，其播深一致性明顯優(yōu)于圓盤(pán)開(kāi)溝器；而仿形滑刀式開(kāi)溝器設(shè)計(jì)有仿形壓土輪，對(duì)地有恒定的壓力，可緊實(shí)種溝，提高開(kāi)溝質(zhì)量，因此其播深一致性略高于雙V型筑溝器。

表5 播種深度變異系數(shù)結(jié)果

a. 圓盤(pán)開(kāi)溝器a. Disk openerb. 雙V型筑溝器b. Double-V furrow openerc. 仿形滑刀式開(kāi)溝器c. Profiling sliding-knife opener

圖9 溝形局部放大對(duì)比圖

Fig.9 Partial enlarged comparison diagram of seed furrows

3.2.3 種溝土壤緊實(shí)度情況分析

使用SC-900型土壤緊實(shí)度儀測(cè)量開(kāi)溝后土壤緊實(shí)度，在作業(yè)方向中段20 m種溝內(nèi)，每隔2 m取一點(diǎn)，共測(cè)量20點(diǎn)，取平均值。

土壤緊實(shí)度是指土壤顆粒松緊程度，是對(duì)土壤顆粒組成、孔性、容重及含水量等的綜合反應(yīng)[29]。使用仿形滑刀式開(kāi)溝器試驗(yàn)前后分別在0～25，>25～50，>50～75，>75～100 mm深度時(shí)對(duì)土壤緊實(shí)度測(cè)量平均值對(duì)比，如圖10所示。

優(yōu)良的種床環(huán)境要求種床底部緊實(shí)，覆蓋種床土壤松軟，由圖10可知，使用圓盤(pán)開(kāi)溝器、雙V型筑溝器和仿形滑刀式開(kāi)溝器開(kāi)溝鎮(zhèn)壓后，在種床底部>50～75 mm土層，土壤緊實(shí)度分別為0.165、0.248、0.261 MPa，在種床覆蓋層>25～50 mm土層，土壤緊實(shí)度分別為0.137、0.213、0.206 MPa，2個(gè)土層間土壤緊實(shí)度差值分別為0.028、0.035、0.055 MPa，仿形滑刀式開(kāi)溝器兩土層間土壤緊實(shí)度差值明顯高于雙V型筑溝器和圓盤(pán)開(kāi)溝器，利于構(gòu)建底部緊實(shí)、覆蓋土壤松軟的種床。仿形滑刀式開(kāi)溝器的仿形壓土輪可獨(dú)立仿形，對(duì)地保持恒定壓力，具有對(duì)壓緊種床底部的作用，滑刀可切斷雜草、壓碎土塊，使覆蓋的土壤松軟細(xì)碎。在種床底部>50～75 mm土層，仿形滑刀式開(kāi)溝器開(kāi)溝鎮(zhèn)壓后的土壤緊實(shí)度比雙V型筑溝器提高了5.24%，比圓盤(pán)開(kāi)溝器提高了58.18%。仿形滑刀式開(kāi)溝器在開(kāi)溝的同時(shí)，對(duì)作業(yè)深度約為50 mm處土壤施加足夠的壓力，使50～75 mm區(qū)域內(nèi)的土壤變得更加緊實(shí)，而無(wú)法影響更深層的土壤，使其與>75～100mm的緊實(shí)度存在差異。土壤物理學(xué)研究表明[30-31]，在干旱半干旱地區(qū)，土壤中含水率不能達(dá)到飽和的情況下，土壤緊實(shí)度增加，有利于水汽緩慢聚集，并形成膜狀水，聚集到種子周?chē)Ｓ纱送茢啵滦位妒介_(kāi)溝器在平滑種溝的同時(shí)，也能起到提墑的作用，從而加快種子萌發(fā)。

仿形滑刀式開(kāi)溝器增加了滑刀和仿形壓土輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)，如圖10所示，仿形滑刀式開(kāi)溝器與雙V型開(kāi)溝器相比，工作穩(wěn)定性沒(méi)有顯著性差異，開(kāi)溝鎮(zhèn)壓后，土壤緊實(shí)度均小于2~3 MPa的作物生長(zhǎng)臨界值，新結(jié)構(gòu)的增加未使整機(jī)性能受到影響，且可達(dá)到良好的工作效果。表5中，仿形滑刀式開(kāi)溝器播深變異系數(shù)優(yōu)于雙V型筑溝器和圓盤(pán)開(kāi)溝器，也可驗(yàn)證這一結(jié)論。

3.2.4 討論

本研究在已發(fā)明的雙V型筑溝器[18]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了仿形滑刀式開(kāi)溝器，并與圓盤(pán)開(kāi)溝器和雙V型筑溝器進(jìn)行了田間對(duì)比試驗(yàn)，以種子橫向偏移離散度、播種深度一致性和種溝土壤緊實(shí)度為指標(biāo)，來(lái)評(píng)價(jià)開(kāi)溝器開(kāi)出的種床質(zhì)量和作業(yè)效果。農(nóng)業(yè)機(jī)械在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還應(yīng)考慮可靠性、生產(chǎn)效率、使用壽命等工作性能，后續(xù)將對(duì)開(kāi)溝器的耐磨性、工作阻力、疲勞強(qiáng)度等方面進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步提高開(kāi)溝器的工作性能。該研究為解決開(kāi)溝器保證播種深度一致性和構(gòu)建優(yōu)良種床等問(wèn)題提供了參考借鑒。

4 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)了一種適用于大豆壟上雙行種植模式的仿形滑刀式開(kāi)溝器，通過(guò)滑刀和仿形壓土輪機(jī)構(gòu)，可切斷雜草、壓碎土塊、緊實(shí)溝壁、獨(dú)立仿形。

2）利用響應(yīng)面優(yōu)化法，通過(guò)土槽試驗(yàn)對(duì)仿形滑刀式開(kāi)溝器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最佳參數(shù)組合為：壓力大小689.66 N、開(kāi)溝角度40.43°、前進(jìn)速度2.12 m/s、開(kāi)溝深度51.62 mm。此時(shí)，作業(yè)速度控制在2～2.3 m/s，壓力范圍在650～700 N之間也能達(dá)到良好的作業(yè)效果。

3）通過(guò)田間對(duì)比試驗(yàn)得出，仿形滑刀式開(kāi)溝器作業(yè)效果優(yōu)于雙V型筑溝器和圓盤(pán)開(kāi)溝器，在最優(yōu)工況下，仿形滑刀式開(kāi)溝器的橫向偏移離散度與雙V型筑溝器相比基本相同，與圓盤(pán)開(kāi)溝器相比降低了32.52%；仿形滑刀式開(kāi)溝器播深變異系數(shù)與雙V型筑溝器相比減小了10.88%，與圓盤(pán)開(kāi)溝器相比減小了47.40%；在種溝底部50～75 mm土層，仿形滑刀式開(kāi)溝器開(kāi)溝鎮(zhèn)壓后土壤緊實(shí)度與雙V型筑溝器相比提高了5.24%，與圓盤(pán)開(kāi)溝器相比提高了58.18%。

仿形滑刀式開(kāi)溝器可以開(kāi)出緊實(shí)種溝，提高種床質(zhì)量和播深一致性，可應(yīng)用于大豆播種機(jī)上，為大豆高產(chǎn)機(jī)械化提供參考。

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Design and experiment of profiling sliding-knife opener

Jia Honglei, Zheng Jiaxin, Yuan Hongfang※, Guo Mingzhuo, Wang Wenjun, Jiang Xinming

(1.,,130025,; 2.,,,130025,)

To improve the seedbed quality and enhance the even distribution of soybean seeds and the consistency of deep seeding in the field, and targeting the double-row high-yield planting techniques on soybean ridges, we manufactured the profiling sliding-knife openers that could dig out V-shaped seed furrows and function as single profiling based on a self-invented double-V shape opener. This new opener can build favorable seedbeds, thereby reducing variation coefficient of qualified grain space and variation coefficient of deep seeding and improving seeding quality. The profiling sliding-knife opener mainly functions to dig out V-shaped seed furrows, improve opener passing rate by holding blades, and guarantee the consistency of furrowing depths and the even distribution of seeds. The profiling sliding-knife opener is composed of connecting bar, soil-compressing profiling wheels, profiling device, squeezing knife, and sliding knife. Interaction mechanism between squeezing knife assembly and soil as well as force condition was illustrated, sliding-knife blade force and curve were analyzed, and structure of profiling compacting wheels and force condition were elaborated. Through soil-bin trials, a three-level four-variable central composite rotatable design was applied by Design Expert software. Based on the force analysis and the actual operating condition of machine, the furrowing angle, machine forward velocity, furrowing depth and pressure were selected as influence factors. And the test index was the quantity of backfill. Experiment data obtained were assessed by the analysis of variance (ANOVA) and the quadratic regression model was set up for optimization with response surface methodology. Through the lack of fit test of the regression model, thevalue of lack of fit was 0.489 5, which was larger than 0.05. The determination coefficient and adjusted determination coefficient were close to 1, which indicated that the regression equation was precise and effective. The precision was 16.449 which was larger than 4, indicating that the regression equation had sound estimation performance within the design domain. The significance sequence of influence factors on quantity of backfill from large to small was pressure, furrowing angle, machine forward velocity and furrowing depth. The optimal parameter combination of profiling sliding-knife openers was selected: load of 689.66 N, furrowing angle of 40.43°, furrowing depth of 51.62 mm, and machine forward speed of 2.12 m/s. Under these working conditions, the soil disturbing quantity by the profiling sliding-knife opener was the minimum, which indicated a humidity-improving function and a seedling-promoting effect. It could be learned from the expectation analysis that sound operating effect of ditching could be achieved when the furrowing angle was 40.43°, the furrowing depth was 51.62 mm, the operating velocity was within 2-2.3 m/s, the pressure scope was 600-700 N, and the expectation degree was close to 1. Field verification test and comparative test showed the sowing width mean absolute deviation was 4.42 after seeding by profiling sliding-knife openers, which was similar to the double-V shape opener (4.34) and smaller than the disk openers (6.55). These results suggested that under the same operating conditions, the scope of seed transverse fluctuation was smaller for the profiling sliding-knife opener or double-V shape opener versus the disk opener. The probability of seeds falling into the middle of the seed furrow was larger. The variation coefficient of seeding depth for the profiling sliding-knife openers was 6.06%, which was reduced by 10.88% compared with the double-V shape opener, smaller than that of disk openers (11.52%), indicating the seeding linearity and consistency of deep seeding were both better for our profiling sliding-knife openers. In the 50-75 mm soil layer, the soil cone index after furrowing and soil-covering by profiling sliding-knife opener, double-V shape opener and disc opener was 0.261, 0.248, and 0.165 MPa respectively. The profiling sliding-knife opener has a better operating effect compared with the double-V shape opener and disc opener. It can be used to improve the seedbed quality and sowing depth consistency, and the seedbed will be more compact, and the emergence rate will be higher.

mechanization; optimization; design; profiling; openers; mean absolute deviation; consistency of seeding depth

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.003

S220.39; S223.2

A

1002-6819(2017)-04-0016-09

2016-05-26

2017-02-09

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014BAD06B03）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20140204050NY，20140441006SC）。

賈洪雷，男（漢族），吉林長(zhǎng)春人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護(hù)性耕作技術(shù)與全程機(jī)械化研究。長(zhǎng)春 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，130025。Email：jiahl@ vip.163.com

袁洪方，男（漢族），黑龍江寧安人，博士后，主要從事保護(hù)性耕作技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。長(zhǎng)春 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，130025。Email：yhf1984828@163.com

賈洪雷，鄭嘉鑫，袁洪方，郭明卓，王文君，姜鑫銘. 仿形滑刀式開(kāi)溝器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(4)：16－24. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.003 http://www.tcsae.org

Jia Honglei, Zheng Jiaxin, Yuan Hongfang, Guo Mingzhuo, Wang Wenjun, Jiang Xinming. Design and experiment of profiling sliding-knife opener[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 16－24. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.003 http://www.tcsae.org