油菜聯(lián)合直播機組合式船型開溝器設(shè)計與開溝質(zhì)量試驗

劉曉鵬 肖文立 馬 磊 劉立超 萬國偉 廖慶喜

油菜聯(lián)合直播機組合式船型開溝器設(shè)計與開溝質(zhì)量試驗

劉曉鵬1,2肖文立1,2馬 磊1,2劉立超1,2萬國偉1,2廖慶喜1,2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

針對冬油菜機械化播種需開畦溝避免漬害的要求，解決長江中下游地區(qū)土壤黏重板結(jié)、含水率波動大，導(dǎo)致播種時同步開畦溝的穩(wěn)定性難以保證的實際問題，設(shè)計了油菜聯(lián)合直播機開畦溝系統(tǒng)，提出了一種配合鏵式前犁完成開畦溝功能的組合式船型開溝器。根據(jù)土壤切削、擠壓和犁體曲面形成原理，分析了組合式船型開溝器的觸土曲面力學(xué)特性，確定了其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。以工作幅寬為2 300 mm的2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機為試驗平臺，對鏵式后犁、船式開溝犁、組合式船型開溝器3種不同結(jié)構(gòu)型式開溝器，在平均土壤含水率為21.4%、31.4%、46.6%，與之對應(yīng)的平均土壤堅實度為1 320、846、539 kPa的3種工況下的稻茬田開展了開畦溝性能比較試驗，并測繪畦溝溝型斷面。試驗結(jié)果表明：3種工況條件下，組合式船型開溝器均能開出溝寬244.0～271.7 mm、溝深194.0～229.5 mm的梯形溝，溝寬和溝深穩(wěn)定性系數(shù)均達90%以上。開溝后種床帶廂面寬度穩(wěn)定，寬度達2 039.0～2 051.5 mm，滿足油菜種植開畦溝的農(nóng)藝要求。

稻茬田； 畦溝； 油菜聯(lián)合直播機； 組合式船型開溝器； 溝型斷面； 試驗

引言

長江中下游地區(qū)是我國冬油菜主要種植區(qū)域，主要采用稻油輪作的種植模式。該種植區(qū)土壤黏重板結(jié)、雨水充沛，春、秋兩季降水量往往超過油菜正常生長需水量，油菜在生長的苗期和花期易遭受漬害，造成嚴重減產(chǎn)[1-4]。因此，播種作業(yè)時要求種床廂面兩側(cè)開出用于排水的畦溝。傳統(tǒng)的油菜種植開畦溝主要以人工開溝為主，該方式工序繁多、勞動強度大、生產(chǎn)成本高，制約了油菜生產(chǎn)規(guī)模的擴大和效益提高。近年來，隨著油菜播種機械化程度的提高，人工作業(yè)逐漸被機械化作業(yè)取代。農(nóng)田機械化開畦溝主要有兩種方式：一種是先開畦溝再進行播種，此種方法需先后用不同機器完成開畦溝和播種作業(yè)，不僅費時費力，還造成機器對地面的反復(fù)壓實，播種作業(yè)時會破壞已開好的溝型；另一種是使用油菜聯(lián)合播種機同步完成開畦溝和播種作業(yè)，采用此種方法進行開畦溝作業(yè)已逐漸成為趨勢。開畦溝土壤工作部件為油菜聯(lián)合播種機的關(guān)鍵部件，其效果直接影響油菜播種機的作業(yè)質(zhì)量。

目前國內(nèi)外已有眾多學(xué)者對農(nóng)田開溝技術(shù)領(lǐng)域進行了研究[5-19]，但研究對象主要為大型農(nóng)田開溝機具，或者是研究機具不適用于長江中下游地區(qū)稻茬田的開畦溝作業(yè)。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制的2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機采用前后犁組合式開畦溝，鏵式前犁破土、翻垡，鏵式后犁清溝整形，能最終形成完整畦溝。張青松等[20-21]對鏵式前犁的犁體曲面進行分析并優(yōu)化，實現(xiàn)了鏵式前犁的降附減阻。前后犁組合開畦溝結(jié)構(gòu)簡單、能耗低，在適宜工況下能開出較穩(wěn)定畦溝。在土壤黏重板結(jié)、含水率高的工況下，鏵式前犁能很好實現(xiàn)破土功能，但鏵式后犁易出現(xiàn)粘土、壅土的現(xiàn)象，導(dǎo)致犁體觸土曲面幾何形狀改變，開出的畦溝溝型不穩(wěn)定，無法實現(xiàn)清溝整形的功能。鏵式后犁隨機組前進過程中不斷堆積拖土，致使種床廂面變窄，降低種床帶兩側(cè)油菜成苗率。針對長江中下游地區(qū)稻茬田土壤黏重板結(jié)、含水率波動大的工況，結(jié)合2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機鏵式后犁存在的問題，本文設(shè)計一種組合式船型開溝器，配合鏵式前犁使用，以期實現(xiàn)開出穩(wěn)定畦溝，并對不同工況下的稻茬田進行田間開畦溝性能試驗，測繪畦溝溝型斷面，對開溝質(zhì)量進行評價。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機主要由主機架、傳動系統(tǒng)、仿形驅(qū)動地輪、旋耕裝置、開畦溝系統(tǒng)、排種系統(tǒng)、排肥系統(tǒng)、氣力系統(tǒng)組成，如圖1所示。該機能一次性完成旋耕、施肥、播種、開畦溝作業(yè)。開畦溝系統(tǒng)主要由鏵式前犁、組合式船型開溝器組成。兩鏵式前犁對稱布置于直播機側(cè)板前部，兩組合式船型開溝器對稱布置于直播機側(cè)板后部。船式開溝犁、整形拖板、限位調(diào)節(jié)桿、調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成組合式船型開溝器的成型體。鏵式前犁與組合式船型開溝器在縱向位置均上下可調(diào)，安裝時保證兩者耕深一致。整形拖板前部與船式開溝犁鉸接，后部通過限位調(diào)節(jié)桿與固定裝置連接，通過調(diào)節(jié)限位調(diào)節(jié)桿長度保證整形拖板底平面與水平面平行。

圖1 2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of 2BFQ-8 rapeseed direct seeder1.鏵式前犁 2.旋耕裝置 3.船式開溝犁 4.固定裝置 5.排種系統(tǒng) 6.整形拖板 7.限位調(diào)節(jié)桿 8.排肥系統(tǒng) 9.氣力系統(tǒng) 10.傳動系統(tǒng) 11.主機架 12.仿形驅(qū)動地輪

1.2 工作原理

組合式船型開溝器主要工作部件為船式開溝犁和整形拖板，如圖2所示。船式開溝犁為鈍角開溝器，由犁柱、犁壁、犁尾翼、三角連接板、梯形連接板、下底板焊合形成。犁柱上開有若干定位孔，實現(xiàn)深度上下可調(diào)。船式開溝犁與土壤間相互作用可分為切削、擠壓、平整3個過程。對稱布置的犁壁為船式開溝犁的主要觸土曲面，犁壁由破土曲面和整形曲面部分構(gòu)成。破土曲面與三角連接板交匯形成上寬下窄的切削刃口，實現(xiàn)對土壤的切削。整形曲面為船式開溝犁實現(xiàn)開溝成型的主要功能，通過對土壤的側(cè)向擠壓，形成完整溝型。當(dāng)土壤流動性良好時，經(jīng)船式開溝犁擠壓作用后的部分土壤會回流至溝底，整形拖板前部推壓面將溝底浮土沿前進方向擠推和兩側(cè)擠壓，拖板側(cè)壁對溝壁壓平，對畦溝進行2次整形。

圖2 組合式船型開溝器觸土部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagrams of soil-engaging component of combined ship type opener1.犁壁破土曲面 2.三角連接板 3.犁壁整形曲面 4.犁柱 5.梯形連接板 6.犁尾翼 7.拖板推壓面 8.拖板側(cè)壁

2 組合式船型開溝器設(shè)計

船式開溝犁的切削刃口和整形曲面、整形拖板的推壓面為主要觸土曲面，其結(jié)構(gòu)決定了組合式船型開溝器的開溝性能。根據(jù)油菜種植開畦溝要求，設(shè)計的組合式船型開溝器擬開出溝深150～250 mm、上溝寬250～350 mm、溝底寬80 mm的梯形畦溝。

2.1 船式開溝犁切削刃口設(shè)計與分析

2.1.1刃口曲線

對稱布置的船式開溝犁破土曲面交匯形成刃口曲線，本文設(shè)計選用圓弧曲線作為刃口曲線，建立圓弧曲線坐標系，圓心為O1，如圖3所示。選取圓弧曲線上兩點A(x1，y1)、B(x2，y2)，A、B兩點的滑切角分別為γ1、γ2。

圖3 刃口曲線設(shè)計示意圖Fig.3 Sketch of blade curve

刃口曲線AB的方程為

(1)

式中R——圓弧半徑，mm

由圖3中幾何關(guān)系可知

(2)

式中Hq——刃口曲線高度，mm

Lq——刃口曲線開度，mm

聯(lián)立式(1)、(2)可得，刃口曲線AB的方程為

(3)

根據(jù)上述分析可知，起始滑切角γ1、終止滑切角γ2、刃口曲線高度Hq決定刃口曲線AB的形狀。設(shè)計船型開溝器理論開溝深度為150～250 mm，切削刃口的一側(cè)與種床帶廂面土壤作用，經(jīng)旋耕作用后，種床帶廂面土壤高度上升，故刃口曲線高度應(yīng)略高于理論開溝深度最大值，取Hq=300 mm。滑切角從A點到B點過程中逐漸增大，即γ1lt;γ2。根據(jù)文獻[22-23]，取土壤摩擦角φ為23°，當(dāng)起始滑切角大于23°、終止滑切角在35°～55°時，與土壤產(chǎn)生滑切阻力較小，取γ1=23°，γ2=45°。

2.1.2刃口角

船式開溝犁的兩破土曲面在頂點處的夾角α即為切削刃口的最大刃口角，如圖2所示。根據(jù)幾何關(guān)系可知

(4)

式中Sq——切削刃口開度，mm

由式(4)可知，決定刃口角的因素為起始滑切角γ1、終止滑切角γ2、刃口曲線高度Hq和切削刃口開度Sq。切削刃口為上寬下窄的楔面，根據(jù)文獻[24]，刃口角小于180°-2φ，即小于134°時，土壤顆粒沿刃口楔面具有向后滑移趨勢。切削刃口開度直接影響犁壁整形曲面傾斜程度，通過后續(xù)對整形曲面分析確定切削刃口開度Sq，進而計算并驗證最大刃口角。

2.2 船式開溝犁整形曲面分析

船式開溝犁的犁壁整形曲面借鑒鏵式犁犁體曲面設(shè)計，采用水平直元線法形成，曲面形成原理如圖4所示。直元線QQ′沿導(dǎo)曲線CP按元線角Φ均勻減小的規(guī)律運動形成曲面BCPE，截取部分曲面BCDE即為整形曲面。

圖4 整形曲面形成原理圖Fig.4 Schematic diagrams of plastic surface

2.2.1擠壓過程的力學(xué)分析

船式開溝犁對土壤的擠壓可看作一個側(cè)向倒置的犁體曲面對土壤作用，選取整形曲面上任意一點的土粒質(zhì)點O為研究對象，建立如圖5a所示的空間坐標系，x方向為船式開溝犁作業(yè)時前進方向，前進速度為v，整形曲面對土粒質(zhì)點的瞬時壓力為N。

圖5 整形曲面擠壓力學(xué)分析Fig.5 Mechanical analyses on extrusion shape of plastic surface

土粒質(zhì)點沿x、y、z方向的動力學(xué)方程為

(5)

式中m——土粒質(zhì)點質(zhì)量，kg

g——重力加速度，N/kg

Nx——土粒質(zhì)點所受瞬時壓力在x方向上的分力，N

Ny——土粒質(zhì)點所受瞬時壓力在y方向上的分力,N

Nz——土粒質(zhì)點所受瞬時壓力在z方向上的分力,N

fxy——土粒質(zhì)點在xOy平面內(nèi)所受摩擦力，N

fyz——土粒質(zhì)點在yOz平面內(nèi)所受摩擦力，N

f′xy——fxy在y方向上的分力，N

f′yz——fyz在y方向上的分力，N

Φ——元線角，(°)

δ——整形曲面起土角，(°)

ax——土粒質(zhì)點在x方向上的加速度，m/s2

ay——土粒質(zhì)點在y方向上的加速度，m/s2

az——土粒質(zhì)點在z方向上的加速度，m/s2

由式(5)可得

(6)

從擠壓力學(xué)分析可知，土壤摩擦角φ、元線角Φ、起土角δ為影響整形曲面擠壓效果和前進阻力的主要因素。根據(jù)式(6)可知，當(dāng)元線角Φlt;90°-φ時，az越大，整形曲面對土壤向下擠壓作用效果越好。整形曲面底部較頂部更加平滑，末端起土角更小，如圖6所示。當(dāng)土粒沿整形曲面運動時，整形曲面長度Lz越大，前進速度v越小，土粒受整形曲面擠壓時間長，向下位移大，土粒離開整形曲面時的末端起土角越小，土粒在擠壓過程中一直處于起土角較小的位置。起土角δ越小，ay越大，ax越小，對土壤側(cè)向擠壓力越大，前進阻力越小。

圖6 末端起土角變化規(guī)律Fig.6 Variation regularity of end lifting angle

2.2.2整形曲面參數(shù)分析

作業(yè)時，土壤經(jīng)過整形曲面BCDE的側(cè)向擠壓作用向側(cè)下方運動，由BC邊界進入，最終由DE邊界離開。圖4a中梯形DD′EE′為船式開溝犁開出的理論溝型右半部分。由幾何關(guān)系可知，導(dǎo)曲線開度為

(7)

根據(jù)整形曲面擠壓過程的力學(xué)分析，當(dāng)元線角Φlt;90°-φ時，整形曲面對土壤向下擠壓效果越好。整形曲面最大元線角為起始元線角，起始元線角越小，對土壤向下擠壓作用越強。但起始元線角過小，則切削刃口開度Sq過大，導(dǎo)致導(dǎo)曲線開度過小。刃口曲線分析中，取摩擦角為23°，故設(shè)計整形曲面最大元線角Φmax為67°。切削刃口開度Sq為255 mm。

依據(jù)設(shè)計的理論溝型，結(jié)合圖4a中幾何關(guān)系，有

(8)

由式(8)可得142 mm≤lPP′≤202 mm，導(dǎo)曲線開度l隨lPP′值增大而增大。根據(jù)上述土粒質(zhì)點動力學(xué)分析，當(dāng)前進速度v一定時，導(dǎo)曲線開度l越小、長度Lz越大時，整形曲面越平滑，船式開溝犁所受牽引阻力越小、擠壓力越大。由于土粒沿x方向做減速運動，若導(dǎo)曲線長度Lz過大，土粒因長時間減速而導(dǎo)致速度反向，土壤沿整形曲面向前堆積，失去擠壓效果。為保證整形曲面平滑且具有較好土壤擠壓能力，取lPP′=180 mm，導(dǎo)曲線開度與長度比值為1∶4。按式(7)計算可得導(dǎo)曲線開度l為53 mm，導(dǎo)曲線長度Lz為212 mm。整形曲面起土角越小，側(cè)向擠壓力越大，前進阻力越小。導(dǎo)曲線CP的始端切線夾角β即為整形曲面的始端起土角，設(shè)計整形曲面起土角沿導(dǎo)曲線方向均勻增大，始端切線夾角β為0°，導(dǎo)曲線兩端切線夾角ε為152°。整形曲面元線角按均勻減小規(guī)律變化，最小元線角Φmin為64.98°。

根據(jù)整形曲面參數(shù)分析，由式(4)計算可得船式開溝犁最大刃口角α為64.37°，滿足刃口對土壤切削具有滑切作用的要求。

2.3 整形拖板

整形拖板主要觸土面如圖2b所示，由于整形拖板置于船型開溝器后部，故所受前進阻力小，設(shè)計對稱布置的推壓面為平面，其交匯形成的刃口曲線為直線，圖7中平面GHJK即為推壓面。整形拖板在船型開溝器開溝后的基礎(chǔ)上進行整形，故整形拖板的橫向輪廓GG′K′K應(yīng)與船式開溝犁開溝后的理論輪廓一致。選取擠推平面上任意一點處的土粒質(zhì)點M為研究對象，建立如圖7中所示的空間坐標系。擠推平面對土粒質(zhì)點沿x、y、z方向的擠推力分別為Fx、Fy、Fz。

圖7 整形拖板推壓平面Fig.7 Thrust plane of plastic planker

由空間力系關(guān)系可得

(9)

式中θ——整形拖板刃口角，(°)

推壓面主要通過沿前進方向擠推力Fx和側(cè)向擠壓力Fy作用，清理溝底土壤。由式(9)可知，整形拖板刃口角過大，導(dǎo)致整形拖板側(cè)向擠壓能力弱，整形拖板不斷向前推擠土壤，與船式開溝犁之間易發(fā)生堵土。整形拖板刃口角過小，整形拖板向前擠推溝底土壤的能力不足，溝底土壤沿兩側(cè)運動，當(dāng)土壤流動性良好時，由于此時土壤壓縮性差，經(jīng)拖板側(cè)壁作用后的土壤仍會回流溝底，無法起到清理溝底的作用。為保證整形拖板同時具有較好的向前擠推和側(cè)向擠壓能力，選取整形拖板刃口角θ為90°，此時前進方向推力Fx和側(cè)向擠壓力Fy相等。

3 開畦溝性能試驗

3.1 試驗設(shè)備

試驗機具為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的工作幅寬為2 300 mm的2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機。試驗器材包括：直尺(500 mm)、卷尺(3 m)、磁性水平尺(三箭工具有限公司，精度0.002 9°)、土壤堅實度儀(浙江托普儀器有限公司，TJSD-750Ⅱ型，±0.5%FS)、土壤水分測試儀(浙江托普儀器有限公司，TZS-2X型，0.01%)、自制溝型測繪裝置(圖8)。

圖8 溝型測繪裝置Fig.8 Mapping device for ditch section1.水平尺 2.測繪架體 3.鋼棒

3.2 試驗方法

試驗分別于2016年10月5日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗基地，11月3日、11月6日在荊州市江陵縣三湖農(nóng)場進行。3種試驗工況的田塊均為機收后稻茬田，土壤類型均為黃棕壤，試驗田塊為稻油輪作，試驗前未對地表殘茬進行清理，田塊特性參數(shù)見表1。試驗選用鏵式后犁、船式開溝犁(未安裝整形拖板)、組合式船型開溝器為試驗對象，如圖9所示。配套動力為東方紅LX954拖拉機，通過預(yù)試驗確定拖拉機液壓手柄位置與機具開溝深度的關(guān)系，調(diào)節(jié)手油門至最大位置保證作業(yè)速度一致，機組前進速度為慢Ⅱ擋。試驗機組沿直線方向作業(yè)距離為30 m，選取行程中間10 m區(qū)域為測量區(qū)域，沿機組前進方向每隔2 m對畦溝溝型斷面和種床帶廂面寬度進行測量，每個行程畦溝測量6個點。每組試驗重復(fù)3次。

表1 田塊特性參數(shù)Tab.1 Characteristics parameters of experimental field

圖9 試驗機具示意圖Fig.9 Sketches of experiment implements

采用溝型測繪裝置進行測繪時，使架體中間位置與畦溝中心位置對齊，調(diào)整水平尺水平。將長度為500 mm鋼棒從左至右依次豎直插入孔距為20 mm的定位孔，待鋼棒底端接觸地表時，測量鋼棒頂端與架體上表面間的距離，并記錄數(shù)據(jù)，通過Excel軟件擬合出溝型斷面圖。通過溝型斷面圖計算溝寬、溝深、溝型面積。溝寬、溝深、廂寬穩(wěn)定系數(shù)根據(jù)文獻[25]中相關(guān)穩(wěn)定系數(shù)計算方法進行計算。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1試驗結(jié)果

依據(jù)試驗方法，對3種機具在各工況下開出畦溝溝型斷面參數(shù)的測量結(jié)果見表2。

鏵式后犁在工況1下能開出較穩(wěn)定畦溝，機具通過性較好。但在工況2、3條件下，機具工作時發(fā)生堵塞現(xiàn)象，開出畦溝溝深較淺，溝底殘留較多大塊土垡。船式開溝犁和組合式船型開溝器在3種工況下均未發(fā)生機具堵塞現(xiàn)象，船式開溝犁在工況1、2條件下，開溝后溝底殘留有一定回流浮土，但沒有出現(xiàn)大塊土垡。組合式船型開溝器在3種工況下均開出溝底干凈、平整梯形畦溝，開溝效果如圖10所示。

表2 畦溝斷面參數(shù)Tab.2 Parameters of furrow sections

圖10 組合式船型開溝器開溝效果Fig.10 Effects of combined ship type opener

3.3.2溝型斷面分析依據(jù)試驗方法測繪畦溝溝型斷面，隨機選取鏵式后犁、船式開溝犁、組合式船型開溝器在每種工況下的6組畦溝斷面進行分析，如圖11～13所示。

圖11 工況1開溝溝型斷面Fig.11 Furrow sections in condition 1

圖12 工況2開溝溝型斷面Fig.12 Furrow sections in condition 2

圖13 工況3開溝溝型斷面Fig.13 Furrow sections in condition 3

在工況1條件下，土壤含水率較低、流動性較好，土壤顆粒間粘結(jié)力小、易壓縮。鏵式后犁和船式開溝犁開溝后仍有部分土壤沿溝壁回流至溝底，休止后形成V型溝，溝深均為150 mm左右。由于鏵式后犁橫向觸土面積更大，開溝寬度更大，溝型顯得更為扁平。組合式船型開溝器的整形拖板能同時向前擠推和側(cè)向壓實回流溝底的土壤，降低溝底填埋程度，溝深達200 mm左右，開出畦溝更接近理論梯形，溝型斷面面積更大。

在土壤含水率較高、黏重板結(jié)的工況2、3條件下，鏵式后犁作業(yè)過程中出現(xiàn)土壤粘附現(xiàn)象，造成犁鏵入土深度不夠，前行過程中雍積土壤，畦溝溝型趨于扁平，溝深僅在100 mm左右。隨著土壤黏重程度加重，鏵式后犁失去開溝成型功能，無法開出穩(wěn)定形狀的畦溝。隨著土壤含水率上升，土壤愈發(fā)黏重，土壤顆粒間粘結(jié)力大、易壓縮，船式開溝犁擠壓成型后不會出現(xiàn)土壤回流現(xiàn)象，開出的畦溝能保持設(shè)計的理論梯形，與組合式船型開溝器開溝的溝型無明顯差異，比鏵式后犁開出畦溝的斷面面積大，能增強畦溝蓄水能力。

3.3.3溝型穩(wěn)定性分析

3種機具在不同工況下開出畦溝的溝寬、溝深穩(wěn)定性系數(shù)如圖14所示。隨著土壤含水率升高，土壤黏重程度加重，鏵式后犁作業(yè)時由于土壤粘附造成壅土，在工況2、3條件下開畦溝的溝寬、溝深穩(wěn)定性顯著降低，溝寬穩(wěn)定性系數(shù)分別為75.56%和68.79%，溝深穩(wěn)定性系數(shù)分別為73.53%和59.95%，開畦溝性能的穩(wěn)定性次于船式開溝犁和組合式船型開溝器。

圖14 溝型穩(wěn)定性分析Fig.14 Stability analysis of furrow sections

船式開溝犁在各工況下的開畦溝的溝寬、溝深穩(wěn)定性均優(yōu)于鏵式后犁。船式開溝犁和組合式船型開溝器對土壤切削并向兩側(cè)擠壓，平整后能保證溝寬基本與設(shè)計的理論梯形寬度一致，各工況下的溝寬穩(wěn)定性系數(shù)均在90%以上，二者開溝溝寬穩(wěn)定性無明顯差異。但在土壤含水率較低的工況1條件下，由于船式開溝犁開溝后土壤回流填埋程度的差異性大，溝深穩(wěn)定性系數(shù)僅在80%左右。組合式船型開溝器的整形拖板對溝底進行2次平整，能降低土壤回流程度，溝型與理論溝型更接近，提高了溝深穩(wěn)定性。組合式船型開溝器在3種工況下開溝溝寬、溝深穩(wěn)定性系數(shù)均在90%以上，開出畦溝的溝型穩(wěn)定。

3.3.4開溝對種床帶廂面寬度影響

開溝后種床帶廂面寬度和廂寬穩(wěn)定性系數(shù)見表3。試驗機具2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機播種行數(shù)為8行，幅寬2 300 mm。根據(jù)油菜種植農(nóng)藝要求，相鄰行距應(yīng)為230～250 mm，故種床帶廂面最小寬度應(yīng)大于1 610 mm。由于船式開溝犁和組合式船型開溝器在3種工況條件下通過性良好，未發(fā)生機具堵塞現(xiàn)象。開溝后種床帶廂面平均寬度均大于2 000 mm，廂寬穩(wěn)定性好。在土壤黏重板結(jié)的工況2、3條件下，鏵式后犁由于作業(yè)時機具堵塞，前進時雍積土壤造成廂面寬度變窄，平均廂面寬度小于1 610 mm，種床帶廂面寬度不穩(wěn)定，播種時會破壞兩側(cè)油菜生長的種床帶，降低成苗率。

表3 開溝后種床帶廂面寬度和廂寬穩(wěn)定性系數(shù)Tab.3 Width and stability coefficient of seed bed

4 結(jié)論

(1)針對長江中下游冬油菜種植區(qū)土壤黏重板結(jié)、含水率波動大的工況，開展了2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機開畦溝系統(tǒng)設(shè)計，提出了一種組合式船型開溝器，利用土壤切削和擠壓原理實現(xiàn)開畦溝作業(yè)，通過力學(xué)分析，確定了船型開溝器和整形拖板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)開畦溝性能試驗結(jié)果表明：在土壤含水率21.4%、31.4%、46.6%，堅實度1 320、846、539 kPa的3種工況條件下，組合式船型開溝器通過性良好，開溝溝型穩(wěn)定，可開出平均溝深194.0～229.5 mm，平均溝寬244.0～271.7 mm的梯形溝，溝底、溝壁平整。

(3)畦溝溝型穩(wěn)定性分析結(jié)果表明：組合式船型開溝器在3種工況下開溝的溝寬、溝深穩(wěn)定性均優(yōu)于鏵式后犁和船式開溝犁的開溝穩(wěn)定性，溝寬、溝深穩(wěn)定性系數(shù)均達90%以上。

(4)開溝對種床帶廂面寬度影響：在3種工況條件下，組合式船型開溝器開溝后均能保證穩(wěn)定的種床帶廂面寬度，在油菜直播機幅寬為2 300 mm時的平均廂面寬度達2 039.0～2 051.5 mm。

1 李玲,張春雷,張樹杰,等.漬水對冬油菜苗期生長及生理的影響[J].中國油料作物學(xué)報,2011,33(3)：247-252.

LI Ling,ZHANG Chunlei, ZHANG Shujie, et al. Effects of waterlogging on growth and physiological changes of winter rapeseed seeding[J].Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2011,33(3)：247-252.(in Chinese)

2 宋豐萍,胡立勇,周廣生,等.漬水時間對油菜生長及產(chǎn)量的影響[J].作物學(xué)報,2010,36(1)：170-176.

SONG Fengping, HU Liyong, ZHOU Guangsheng, et al. Effects of waterlogging time on Rapeseed (BrassicanapusL.) growth and yield[J].Acta Agronomica Sinica, 2010,36(1)：170-176.(in Chinese)

3 王瓊,張春雷,李光明,等.漬水脅迫對油菜根系形態(tài)與生理活性的影響[J].中國油料作物學(xué)報,2012,34(2)：157-162.

WANG Qiong, ZHANG Chunlei, LI Guangming, et al. Influences of waterlogging stress on roots morphology and physiology for rapeseed[J].Chinese Journal of Oil Crop Sciences,2012,34(2)：157-162.(in Chinese)

4 陳紅琳,陳尚洪,王昌桃,等.苗期漬水脅迫對免耕直播油菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報,2014,30(2)：259-263.

CHEN Honglin,CHEN Shanghong,WANG Changtao,et al. Effect of waterlogging stress at seedling stage on yield and quality of directly-seeded rapeseed under no-tillage condition[J].Jiangsu Journal of Agricultural Sciences,2014,30(2)：259-263.(in Chinese)

5 姚克恒,劉世豪,夏擁軍,等.開溝機作業(yè)功耗的正交試驗分析及其優(yōu)化設(shè)計[J]．排灌機械工程學(xué)報,2011,29(6)：529-535.

YAO Keheng, LIU Shihao, XIA Yongjun, et al. Orthogonal experiment analysis and optimization design for operation power of ditcher[J]．Journa1 of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2011,29(6)：529-535. (in Chinese)

6 武廣偉,付衛(wèi)強,董建軍,等.1KY-40型液壓驅(qū)動農(nóng)田水渠開溝機設(shè)計與試驗[J/OL]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2014,45(增刊)：302-308. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=2014s149amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.S0.049.

WU Guangwei, FU Weiqiang, DONG Jianjun, et al. Design and experiment of 1KY-40 hydraulic drive ditcher for farmland conduit[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(Supp.)：302-308. (in Chinese)

7 覃國良,廖慶喜,周善鑫,等.基于MATLAB的鏈式開溝機功耗的優(yōu)化設(shè)計與分析[J]．湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,48(1)：210-214.

QIN Guoliang, LIAO Qingxi, ZHOU Shanxin, et al. Optimization design and analysis of the power consumption of chain-type ditcher based on MATLAB[J]．Hubei Agricultural Sciences,2009,48(1)：210-214. (in Chinese)

8 SOLHJOU A, FIELKE J M, DESBIOLLES J M A, et al. Soil translocation by narrow openers with various bent leg geometries[J].Biosystems Engineering,2014,127(3)：41-49.

9 BIANCHINI A, MAGALHAES P S G. Evaluation of coulters for cutting sugar cane residue in a soil bin[J].Biosystems Engineering,2008,100(3)：370-375.

10 SASAKI C M, GONCALVES J L D, DA S A P. Ideal subsoiling moisture content of latosols used in forest plantations[J].Forest Ecology and Management,2007,243(1)：75-82.

11 翟力欣,姬長英,丁啟朔,等.犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J/OL]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44(8)：57-62. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=20130810amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.08.010.

ZHAI Lixin，JI Changying，DING Qishuo，et al．Optimized design of plough body structural and working parameters[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(8)：57-62. (in Chinese)

12 王徐建,宋建農(nóng),劉彩玲,等.甘草傾斜移栽開溝器的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2016,32(13)：16-23.

WANG Xujian, SONG Jiannong, LIU Cailing, et al. Design and experiment on licorice tilt transplanting furrow opener[J].Transactions of the CSAE,2016,32(13)：16-23.(in Chinese)

13 趙淑紅,劉宏俊,張先民,等.滑推式開溝器設(shè)計與作業(yè)性能優(yōu)化試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2016,32(19)：26-34.

ZHAO Shuhong, LIU Hongjun, ZHANG Xianmin, et al. Design and experiment of working performance of sliding push opener[J].Transactions of the CSAE,2016,32(19)：26-34.(in Chinese)

14 顧耀權(quán),賈洪雷,郭慧,等.滑刀式開溝器設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,44(2)：38-42.

GU Yaoquan, JIA Honglei, GUO Hui, et al. Design and experiment of sliding knife furrow opener[J].Transactions of the CSAE,2013,44(2)：38-42.(in Chinese)

15 林靜,劉安東,李寶筏,等.2BG-2型玉米壟作免耕播種機[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(6)：43-46.

LIN Jing, LIU Andong, LI Baofa, et al. 2BG-2 type corn ridge planting no-till planter[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(6)：43-46.(in Chinese)

16 何進,李洪文,張學(xué)敏,等.1QL-70型固定壟起壟機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,40(7)：55-60.

HE Jin, LI Hongwen, ZHANG Xuemin, et al. Design and experiment of 1QL-70 bed former for permanent raised beds[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(7)：55-60.(in Chinese)

17 朱國輝,李問盈,何進.2BFML-5型固定壟免耕播種機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2008,39(2)：51-54.

ZHU Guohui, LI Wenying, HE Jin. Design and experiment on 2BFML-5 no-till planter for permanent raised bed[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2008,39(2)：51-54.(in Chinese)

18 莊健,賈洪雷,馬云海,等.具有滑刀式缺口的圓盤開溝器設(shè)計與試驗[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2013,44(增刊1)：83-88. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=2013s116amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.S1.016.

ZHUANG Jian, JIA Honglei, MA Yunhai, et al. Design and experiment of sliding-knife-type disc opener[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2013,44(Supp.1)：83-88.(in Chinese)

19 趙旭,張祖立,唐萍,等.被動式傾斜波紋圓盤破茬刀工作性能試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(1)：64-67.

ZHAO Xu, ZHANG Zuli, TANG Ping, et al. Behavior of passive stubble-cutting disc with oblique ripples[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(1)：64-67.(in Chinese)

20 張青松,汲文峰,廖宜濤,等.油菜直播機鏵式開畦溝前犁曲面分析與阻力特性試驗[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2014,45(2)：130-135. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=20140222amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.02.022.

ZHANG Qingsong, JI Wenfeng, LIAO Yitao, et al. Surface analysis and resistance characteristics experiment on ditch plow ahead of direct rapeseed[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(2)：130-135.(in Chinese)

21 張青松,廖慶喜,汲文峰,等.油菜直播機開畦溝前犁曲面優(yōu)化與試驗[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2015,46(1)：53-59. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=20150108amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.01.008.

ZHANG Qingsong, LIAO Qingxi, JI Wenfeng, et al. Surface optimization and experiment on ditch plow of direct rapeseed seeder[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(1)：53-59.(in Chinese)

22 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機械手冊(上)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社,2007.

23 李長寶,太史懷遠.土壤物理學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社,2013.

24 西涅科夫 Γ H,潘諾夫 N M.土壤耕作機械的理論和計算[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社,1981.

25 秦寬,丁為民,方志超,等.復(fù)式耕整機耕深與耕寬穩(wěn)定性分析與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2016,32(9)：1-8.

QIN Kuan, DING Weimin, FANG Zhichao, et al. Analysis and experiment of tillage depth and width stability for plowing and rotary tillage combined machine[J].Transactions of the CSAE,2016,32(9)：1-8.(in Chinese)

DesignandDitchingQualityExperimentonCombinedShipTypeOpenerofDirectRapeseedSeeder

LIU Xiaopeng1,2XIAO Wenli1,2MA Lei1,2LIU Lichao1,2WAN Guowei1,2LIAO Qingxi1,2

(1.CollegeofEngineering，HuazhongAgriculturalUniversity，Wuhan430070，China2.KeyLaboratoryofAgriculturalEquipmentinMid-lowerYangtzeRiver,MinistryofAgriculture，Wuhan430070，China)

Considering the facts that the winter rapeseed is vulnerable to waterlogging, the furrow should be ditched while mechanical planting. The soil of middle and lower reaches of Yangtze River is sticky and its moisture content fluctuates greatly, which leads the stability of the furrow difficult to be guaranteed at the time of planting. In order to solve the above problems, the design of ditching furrows system for direct rapeseed seeder was carried out, and a combined ship type opener was proposed to achieve ditching the furrow. According to the principle of soil sliding and plow forming, the main structure and technical parameters of combined ship type opener were analyzed and determined. Based on the 2BFQ-8 direct rapeseed seeder whose work width was 2 300 mm, the ditching performance experiment on rear plow, ship type plow and combined ship type opener was carried out in rice stubble field, whose moisture content was 21.4%, 31.4% and 46.6%, soil compactness was 1 320 kPa, 846 kPa and 539 kPa. The furrow sections of furrows were mapped. The ditching performance experiment results indicated that shape of furrows ditched by ship type opener were more stable than that ditched by rear plow, and the width of seed bed which measured after ditched furrows by ship type opener was stable . The width and depth of furrows which ditched by combined ship type opener was 244.0～271.7 mm and 194.0～229.5 mm, its width stability coefficient and depth stability coefficient were more than 90%. The width of seed bed after ditching was 2 039.0～2 051.5 mm. The experiment result revealed that the furrows ditched by combined ship type opener satisfied the actual production requirements of ditching furrows. The research conclusion had great theoretical value and practical significance to the design of opener which worked under the condition of soil with high moisture content.

rice stubble field; furrow; rapeseed direct seeder; combined ship type opener; furrow sections; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.010

S225.99

A

1000-1298(2017)11-0079-09

2017-02-28

2017-03-27

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(201503118-06)、農(nóng)業(yè)部科研杰出人才及創(chuàng)新團隊項目、湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項重大項目(2016ABA094)、國家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(CARS-12)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(2662017PY006)

劉曉鵬(1989—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計與測控研究，E-mail： conquermygod@163.com

廖慶喜(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油菜機械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備研究，E-mail： liaoqx@mail.hzau.edu.cn