基于有效落種空間的甘蔗橫向種植機開溝器設計與試驗

李尚平 潘家楓 鐘家勤,3 黃宗曉 甘芳芳

(1.廣西大學機械工程學院， 南寧 530004； 2.廣西民族大學電子信息學院， 南寧 530006；3.北部灣大學機械與船舶海洋工程學院， 欽州 535011)

0 引言

甘蔗是我國主要的糖料作物，蔗糖產量約占全國食糖產量的90%。廣西地區作為我國的甘蔗主產區，種植面積占全國的60%以上。但是，由于地形等條件限制，甘蔗種植的綜合機械化率約55%，并主要以縱向種植方式為主[1]。為了減少甘蔗種植的用種量，推廣甘蔗良種良法技術，農藝專家提出了雙芽段甘蔗橫向種植模式。與傳統的縱向種植模式相比，耗種量減少50%～60%，并且分蘗能力強，出芽率較高。但是，橫向種植對于落種質量要求高，作業時要求蔗種“深種淺埋”，即種植深度大于28 cm，蔗種落地時保持橫向姿態，有利于蔗種扎根，提高抗倒伏能力和延長宿根年限[2-5]。

由種植作業過程可知，開溝部件的作業效果是種植深度與落種形態能否達到農藝要求的關鍵因素。目前，研究人員根據甘蔗種植要求對開溝部件進行了設計與研究。韓杰等[6]設計了一種帶弧形擋板的甘蔗種植機開溝覆土裝置，可以引導甘蔗種順利進入種植溝，并對直線型、凹型和凸型3種不同切削刃類型的開溝性能進行試驗，結果表明，凸型開溝器的開溝效果較好。夏利利等[7]設計了一種W形開溝器，可以使甘蔗種落下時隔開一定橫向距離，避免蔗種扎堆，并能減小開溝器的工作阻力。張國慶等[8]針對種肥分施的要求，設計了一種種肥隔離式開溝器，并對主要結構參數進行理論和受力分析，確定了最佳入土角、張角、外傾角和幅寬。SINGH等[9]探究了開溝器類型、開溝深度和前進速度對壟高、甘蔗發芽率和土壤擾動特性等指標的影響，得到了較佳的開溝器類型與工作參數。目前，國內外研究人員關于甘蔗種植機開溝部件的研究主要集中在縱向種植方面，對橫向種植開溝器的研究較少，并且結合落種過程的研究更少。

為此，根據橫向種植對開溝落種提出的要求，本文通過分析落種與土壤運動關系，基于有效落種空間形成的要求，設計一種適用于甘蔗橫向種植的組合式開溝器，以滿足甘蔗橫向種植的落種要求，提高橫向種植機的落種質量。

1 開溝器開溝原理分析

1.1 預切種式甘蔗橫向種植機工作原理

預切種式甘蔗橫向種植機如圖1所示，主要由組合式開溝器、播種器、施肥和覆土覆膜等機構組成。工作時拖拉機輸出動力驅動組合式開溝器旋耕切削土壤，隨著拖拉機拉動種植機前進和三點懸掛調節工作高度，開溝器切入形成種植溝，地輪提供動力給播種器和施肥機構，按一定頻率橫向排出蔗種和肥料，最后覆土覆膜，完成雙行開溝、播種、施肥、覆土覆膜等甘蔗種植工序。

圖1 預切種甘蔗橫向種植機結構簡圖Fig.1 Structural diagram of transversal sugarcane planter1.機架 2.開溝器上液壓缸 3.擋泥板 4.播種器集蔗箱 5.播種器一級提升鏈 6.播種器二級輸送鏈 7.覆土覆膜機構 8.地輪 9.播種器落種點 10.螺旋施肥機構 11.開溝犁 12.旋耕刀 13.旋耕刀盤 14.防漏犁 15.開溝器下臂 16.開溝器下液壓缸 17.開溝器上臂

1.2 橫向種植落種農藝要求

如圖2所示，雙芽段甘蔗橫向種植時要求將蔗種橫向放入種植溝內，蔗種之間水平距離ds為30～40 cm，開溝寬度w1≥35 cm，有利于通風與采光，便于后續的中耕培土和機械化收獲。種植截面如圖3所示，根據“深種淺埋”的要求，蔗種底部至地表面的深度，即種植深度Hp≥28 cm，溝底浮土厚度Hq為2～3 cm，覆土厚度Hc為5～10 cm。

圖2 預切種雙芽段甘蔗橫向種植位置俯視圖Fig.2 Top view of transversal double-bud sugarcane planting situation with seed pre-cutting

圖3 預切種雙芽段甘蔗橫向種植截面圖Fig.3 Sectional view of double-bud sugarcane planting with seed pre-cutting

1.3 有效落種空間形成機理分析

開溝作業之后，壟上堆積的土壤在重力作用下回填種植溝內是土壤的一種固有特性。土壤回填會增加溝底浮土，并且形成V形溝，影響蔗種種植深度和落地姿態。因此，蔗種應在開溝器開溝完成之后、土壤回填之前的極短時間段內落入種溝。此時開溝犁的開溝深度等于種植深度，且落種方向沒有改變，才滿足落種要求，如圖4所示。

圖4 有效落種示意圖Fig.4 Schematic of effective seeding

將蔗種落地姿態保持橫向且種植深度達到要求的排種過程稱為有效落種，其深度定義為有效落種深度。完成有效落種的前提是在該時間段內開溝器與播種器之間形成一個無土壤回填的瞬時穩定的落種區域，可以保證蔗種下落達到種植深度要求且落種姿態保持橫向不改變，將這個區域稱為有效落種空間。有效落種的過程分為空間形成、蔗種掉落和土壤回填3個階段，因此，有效落種空間是動態變化的，即播種器不斷排出蔗種，有效落種空間不斷形成，各階段有機銜接以完成精準布種。

假設播種器落種點與土壤回填點的水平距離為S2，機具前進方向為x軸正方向，豎直向下為y軸正方向，對播種器上單根蔗種做運動學分析，如圖5所示。

圖5 落種運動分析圖Fig.5 Motion analysis diagram of seeder

質量為m1的蔗種受到慣性力和重力作用做斜拋運動，運動軌跡方程為

(1)

式中x——蔗種水平方向拋出距離,m

y——落種高度,m

v0——蔗種離開蔗槽的瞬時速度，定義為初始線速度,m/s

α——蔗種初始線速度與x軸夾角，定義為落種夾角,(°)

vm——種植機前進速度,m/s

t1——落種時間,s

g——重力加速度,取9.8 m2/s

由于開溝器與播種器均隨著整機前進，水平方向的相對速度為零，由式(1)得到蔗種水平方向的拋出距離x與落種高度y之間的關系方程為

(2)

由式(2)可知，蔗種拋出距離受到落種高度、初始線速度和落種夾角的影響，當工作深度為0.3 m時，落種夾角α=25°，落種高度y=0.4 m，初始線速度v0=0.19 m/s，代入式(2)計算得到拋出距離x=0.064 m。因此，為達到深種淺埋的種植要求，基于有效落種空間形成，對開溝器提出以下設計要求：

(1)根據種植深度和溝底細碎浮土厚度要求，開溝器的碎土層深度應達到35 cm，開溝深度應達到30 cm，能一次形成有效落種空間，有效落種深度達到28 cm以上。

(2)普通雙芽段蔗種的長度范圍為25～35 cm，要實現橫向落種姿態不變，種植溝的寬度應大于蔗種長度，溝型截面為長方形，因此開溝寬度w1應在35 cm以上。

(3)由圖5可知，蔗種拋出距離大于或等于落種點與土壤回填點的水平距離，蔗種才能在土壤回填之前落入種溝，即S2≤x，有S2≤6.4 cm。

(4)開溝過程中，土壤不能漫過犁面增加溝底浮土，影響種植深度。蔗種落入種植溝后，護板兩側土壤回填形成部分覆土，對土壤的擾動性小，有利于保持土壤和蔗種水分。

2 開溝器關鍵部件設計

根據上述設計要求，開溝器為組合式設計，主要由防漏犁、旋耕部件和開溝犁構成，分兩步完成開溝作業，保證開溝質量。首先由防漏犁與旋耕部件對土壤進行切削粉碎，降低開溝犁開溝阻力，保證碎土深度，并與擋泥板配合作用拋出部分土壤。然后，由開溝犁推動溝內剩余土壤沿犁面導流清理種溝，形成有效落種空間，并防止土壤回填。

2.1 防漏犁設計

由圖1可知，防漏犁是開溝器部件中最先切入土壤的部件，隨種植機前進切削鏈輪箱體下方土壤，起土導流至旋耕區。設計防漏犁結構如圖6所示，導曲線由直線和曲線組成。根據開溝深度確定防漏犁脛刃線高度為380 mm，其中曲線段曲率半徑為R1=295 mm、高度h1=275 mm，直線段高度h2=105 mm。為減小入土時機具的上抬高度和犁尖的突出長度，脛刃線開度L1=115 mm。為減小入土阻力，犁體幅寬由上往下逐漸減小，根據旋耕鏈輪箱寬度將犁體上部幅寬確定為B2=150 mm。由于防漏犁與深松鏟工況相近，參考深松鏟標準取犁尖幅寬為B1=80 mm，底部張角γ1=65°，頂部張角γ2=80°[10]。為縮短入土行程，降低入土阻力，確定防漏犁入土角σ1=35°，入土縫隙角β1=8°[11]。

圖6 防漏犁結構圖Fig.6 Structure diagram of leak-proof plough

2.2 旋耕部件設計

旋耕部件用于切削粉碎種植區域的土壤，降低開溝犁的前進阻力，增加土壤疏松程度與通透性，促進甘蔗根系發育[12-13]。旋耕部件總體結構如圖7所示，主要由旋耕刀、刀盤、刀軸、擋泥板和鏈輪箱組成。旋耕刀軸與鏈輪箱通過花鍵連接，單側安裝兩片旋耕刀盤，將單側旋耕區域劃分為4個切削小區。為避免旋耕拋出土壤回流種溝，防止土壤擊打人員與進入傳動部件，設計擋泥板將旋耕拋起土壤導流至側向。

圖7 旋耕部件結構簡圖Fig.7 Structure diagram of rotary tillage unit1.旋耕刀 2.刀盤 3.擋泥板 4.鏈輪箱 5.刀軸

土壤破碎程度與切土節距相關，土壤顆粒細碎有利于甘蔗出芽與扎根。由切土節距理論得到旋耕轉速計算公式為

(3)

式中n——旋耕刀軸轉速,r/min

SD——切土節距,cm

z——各切削小區內旋耕刀片數量

根據種植季節的土壤含水率和蔗地類型，選擇SD=8 cm[14]，由整機設計要求可知機具前進速度為0.6～1.2 m/s，各切削小區內的刀片數量為3，由式(3)計算得到旋耕轉速為150～300 r/min。

2.3 開溝犁設計

根據設計要求，開溝犁需要開出深度為30 cm、寬度為35 cm以上的長方形種溝，并且開溝過程中土壤不能漫過犁面進入種溝。因此，設計開溝犁主要包括導曲線切削刃、犁曲面、護板、連接桿與支撐梁，結構與參數如圖8所示。

圖8 開溝犁結構簡圖Fig.8 Structure diagram of furrow plough1.切削刃 2.犁曲面 3.護板 4.支撐梁 5.連接桿

犁曲面和護板為主要觸土面，用于將土壤進一步擠壓粉碎，隨后導流提升至兩側壟面，護板在對土壤擠壓塑形的同時防止土壟上的土壤回流，從而形成一個穩定的落種空間。在中間加方形結構支撐梁增加犁體剛度，支撐兩側犁板與護板，避免受擠壓變形影響溝型。

2.3.1犁曲面參數分析

由圖8所示的開溝犁設計參數可知，犁體參數由導曲線、犁體高度h3、護板幅寬D、入土角σ2、入土縫隙角β2、護板傾角φ、開角γ3和擋板長度L2決定。對土跡線上的土壤顆粒在開溝犁曲面的運動進行分析，如圖9所示。

圖9 犁曲面受力分析Fig.9 Force analyses of plough surface

由受力分析可知，土壤顆粒受力有豎直向下的重力m2g、犁曲面的摩擦力f、擠壓力FN。由于摩擦力與壓力為空間力，設前進方向為x軸正方向、豎直向下的重力方向為y軸正方向、側邊為z軸方向建立空間直角坐標系，將擠壓力沿坐標軸3個方向分解為3個分力[15]，得到運動學方程

(4)

其中

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中FNx——擠壓力在x軸方向分力,N

FNy——擠壓力在y軸方向分力,N

FNz——擠壓力在z軸方向分力,N

fxz——土壤顆粒xz平面摩擦力,N

fyz——土壤顆粒yz平面摩擦力,N

ax——土壤顆粒x方向加速度,m/s2

ay——土壤顆粒y方向加速度,m/s2

az——土壤顆粒z方向加速度,m/s2

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θ——元線角,(°)

m2——土壤顆粒質量,kg

σ3——等效入土角,(°)

ψ——土壤內摩擦角,(°)

聯立式(4)～(9)求解可得

(10)

(11)

(12)

土壤受到三面楔擠壓而產生滑移線，從應力狀態分析得出，犁刃角在45°附近時產生最大剪應力，可有效降低開溝阻力，則元線角θ應滿足條件

(13)

說明土壤顆粒運動情況與摩擦角、等效入土角、土壤顆粒對犁曲面壓力等因素相關。根據廣西蔗區土壤類型，取ψ=28°[16]，代入式(13)滿足31°<θ<45°<62°。由式(10)～(12)可得，當σ3>0°時，ax、az大于零，ay小于零，說明土壤顆粒有向前、向側邊和向上的運動趨勢。

2.3.2犁曲面參數設計

由鏵式犁犁面設計成型原理可知，犁曲面參數決定了開溝犁曲面受力與土壤運動狀態等工作性能[17-18]。根據設計要求，設計切削刃口曲線為導曲線，如圖10a所示，導曲線高度與h3相等，計算公式為

圖10 開溝犁曲面設計圖Fig.10 Design diagrams of furrow plough surfaces

h3=λ(H1+H3)

(14)

式中H1——開溝犁開溝深度,cm

H3——壟高,cm

λ——高度系數,一般取1.2～1.3[19]

根據設計要求與前期課題組試驗可知，當H1=30 cm時，H3=15 cm，取λ=1.2，代入式(14)計算可得h3=54 cm。

為平衡入土性能和結構強度的關系，選擇σ2=20°，γ3=75°[20-21]，始端入土直線段為140 mm，導曲線開度取340 mm，便于快速入土，增加結構強度。增大入土縫隙角可以減小開溝阻力，但入土縫隙角會導致溝底有土壤回填，導致溝底不平，因此取β2=0°。元線角與水平直元線高度間的變化關系為

θ=f(Z)

(15)

式中Z——水平直元線高度,mm

如圖10b所示，設計元線角變化曲線分為兩段，為了避免犁壁翼邊線刮擦到已經翻出的土壤，應使θmin≤θ0，因此設計第1段元線角是直線，從θ0直線遞減至θmin；第2段元線角為拋物線，從θmin增大至θmax。

取θ0為36°，θmin為35°，θmax為43°[22]，則元線角變化方程為

(16)

2.3.3護板參數設計

結合橫向種植的落種要求，護板既要阻擋土壤回填種植溝破壞有效落種空間，又需要在蔗種落下后回填土壤，減少土壤擾動。當護板傾角大于土壤內摩擦角時，土壤平衡狀態被打破，進行運動學分析得

(17)

式中W——斜面方向土壤下滑距離,m

μ——觸土部件滑動摩擦因數

t2——土壤回填時間,s

由式(17)可知，土壤顆粒下滑距離與護板傾角、觸土部件滑動摩擦因數相關，當土壤回填時間一定時，傾角越大，摩擦因數越小，回填的距離越長，土壤量越多。為了保證壟溝寬度并使得土壤在開溝完成后及時回填種溝，取φ=90°[23]。

有效落種空間對開溝犁的設計要求為S2≤6.4 cm。為避免由于振動影響斜拋距離導致蔗種落在有效落種空間之外的情況發生，設計的護板長度應延伸至落種點下方覆蓋落種區域，即S2≤0，得到L2=500 mm。為避免土壤漫入，提前回填種溝導致有效落種深度變淺與方向改變，取D=500 mm，護板高度與犁體高度相同，取為540 mm。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為檢驗所設計開溝犁的作業效果和作業功耗，探究作業參數對有效落種深度、旋耕功率和開溝阻力的影響，搭建田間試驗平臺，如圖11所示，試驗于2020年11月在廣西亞熱帶農科新城甘蔗良種研發與繁育基地進行。

圖11 試驗平臺Fig.11 Experiment platform

在試驗平臺上旋耕部件安裝最低點比開溝犁低50 mm，用于在溝底形成浮土層，兩者之間的水平距離為670 mm。試驗設備包括試驗平臺、東方紅LX1204型拖拉機(功率88.2 kW)、SG404H型無線應變傳感器節點(北京必創科技股份有限公司，測量范圍：±15 000 με，測量精度：0.05% red±5 με)、TQ201H型無線扭矩傳感器節點(北京必創科技股份有限公司，測量范圍：±12 000 με，測量精度：0.1% red±2 με)、邁測X6型激光測距儀(深圳市邁測科技有限公司，測量范圍：0.2～40 m，測量精度：±2.0 mm)、TYD-2型數顯土壤硬度計(浙江托普云農科技股份有限公司，測量范圍：0～1 000 N/cm2，測量精度：±0.5%)、TZS-2X-G型土壤含水率測定儀(浙江托普云農科技股份有限公司，測量范圍：0～100%，分辨率：0.1%)、DT-2234B型光電式轉速計(臺灣路昌電子企業股份有限公司，量程5～999.9 r/min，精度：±0.05%)等。

選取地勢平坦的深松蔗地作為試驗區域，在試驗區域用五點法確定取樣點位[24]，測得土壤條件如表1所示，土壤類型為磚紅壤。

表1 試驗區域土壤條件Tab.1 Soil condition of experimental area

3.2 試驗方案

在田間作業時，橫向種植機的作業參數主要包括工作深度、旋耕轉速和機具前進速度[25]。并且根據現有研究[26-27]與前期預試驗，這3項參數會對落種效果、作業功耗及阻力產生重要影響。因此，選擇工作深度、旋耕轉速和機具前進速度作為試驗因素，選擇旋耕功耗、開溝阻力和有效落種深度作為試驗指標，開展三因素三水平正交試驗，驗證開溝器開溝性能，并探究作業參數對開溝指標的影響，獲得較優的作業參數組合。為研究不同工作深度對實際開溝性能和落種效果的影響，根據甘蔗種植的常見深度和同類型種植機研究的開溝深度范圍[5-6,8-9]，選擇工作深度范圍為10～30 cm。根據2.2節旋耕部件設計要求，選擇旋耕轉速范圍為200～300 r/min。由于拖拉機的作業速度由拖拉機前進擋位決定，因此根據拖拉機的技術參數與機具技術要求，選擇低Ⅰ、低Ⅱ與低Ⅲ 3個拖拉機的前進擋位，速度范圍為0.65～1.20 m/s。因素水平如表2所示。

表2 試驗因素水平Tab.2 Experimental factors and levels

3.3 試驗指標

3.3.1有效落種深度

有效落種深度是衡量落種空間是否有效和落種是否合格的定性指標。開溝試驗時，蔗種由人工在開溝犁護板尾部位置投擲。試驗完成后，刨開覆土層使得蔗種露出地面，使用卷尺測量蔗種的初始落種深度，如圖12所示。

圖12 初始落種深度測量Fig.12 Original seeding depth measurement

測量值減去壟高后取平均值作為該組試驗的有效落種深度Hs。

3.3.2開溝阻力

在開溝犁連接桿上粘貼應變片，由受力分析可知，開溝阻力主要為前進方向阻力，通過測力計與葫蘆吊等設備對前進方向阻力標定，如圖13所示，得到主應變片與前進阻力的標定方程為

圖13 開溝阻力標定Fig.13 Calibration for furrowing resistance

FR=14.942ε-39.259

(18)

式中FR——開溝犁的開溝阻力,kN

ε——主應變片應變,με

利用標定方程計算各組試驗的開溝阻力。

3.3.3旋耕功耗

使用應變片和無線扭矩測量傳感器節點測量旋耕扭矩，計算功率得到旋耕功耗。

(19)

式中PT——旋耕功耗,kW

T——旋耕扭矩,N·m

3.4 正交試驗結果分析

3.4.1極差分析

選用L9(34)正交表，進行三因素三水平正交試驗，試驗安排與試驗結果如表3所示，A、B、D為旋耕轉速、工作深度、前進速度水平。極差分析結果表明，影響有效落種深度、旋耕功耗和開溝阻力的主次因素均為B、A、D，說明工作深度對試驗指標的影響最大，其次為旋耕轉速，前進速度的影響最小。有效落種深度是評價開溝器性能的關鍵指標，最優的作業參數應為滿足落種要求的條件下，旋耕功率和開溝阻力相對較小的參數。但是，在實際生產中還需要考慮作業效率以降低作業成本。由于前進速度為決定作業效率的因素且為次要影響因素，因此綜合考慮較優作業參數組合取為A1B3D3[28]。

表3 正交試驗設計和結果Tab.3 Design scheme and results of orthogonal experiment

3.4.2方差分析

為了進一步分析各因素水平對各指標影響的顯著性，對試驗數據進行方差分析，分析結果如表4所示。由方差分析結果可知，對于各試驗指標，因素的影響顯著性主次順序均為B、A、D，與極差分析相吻合。即旋耕轉速對旋耕功率有極顯著影響；工作深度對有效落種深度、旋耕功耗和開溝阻力影響極顯著；前進速度對旋耕功耗有顯著性影響。這說明旋耕轉速改變影響單位時間內切削次數，導致旋耕功耗改變。工作深度直接決定有效落種深度，由于切削量和出土量增加，旋耕功率和開溝阻力隨著工作深度增加。提高前進速度，導致切土節距增大和旋耕功耗增加。

表4 正交試驗方差分析Tab.4 Variance analysis results of orthogonal experiment

3.5 田間驗證試驗

根據極差分析得到較優作業參數組合A1B3D3，即旋耕轉速200 r/min，工作深度30 cm，前進速度為1.20 m/s(低Ⅲ擋)。選擇坡度與土壤條件相似的蔗地進行驗證試驗，試驗結果如表5所示，平均有效落種深度為29.9 cm，落種深度穩定性系數為97.6%，覆土厚度為8.8 cm，浮土厚度3.4 cm，說明在此作業參數下，所設計的開溝器性能指標均滿足橫向種植機的有效落種要求，平均旋耕功耗為34.0 kW，單側開溝阻力為14.1 kN。

表5 驗證試驗結果Tab.5 Results of verification experiment

4 結論

(1)根據甘蔗橫向種植的落種要求，對有效落種空間的形成機理進行分析，并基于有效落種空間提出開溝器的設計要求，設計了一種組合式開溝器。通過落種與土壤的運動學分析，確定了防漏犁、旋耕部件和開溝犁的結構參數。

(2)通過搭建試驗平臺進行田間試驗，探究旋耕轉速、工作深度和前進速度對開溝器性能的影響規律。試驗的方差分析結果表明，工作深度對有效落種深度、旋耕功耗和開溝阻力有極顯著影響；旋耕轉速對旋耕功耗有極顯著影響；前進速度對旋耕功耗有顯著性影響。通過極差分析得到各因素對各試驗指標影響的主次順序均為工作深度、旋耕轉速、前進速度，較優作業參數組合為旋耕轉速200 r/min、工作深度30 cm和前進速度為1.20 m/s(低Ⅲ擋)。

(3)采用較優作業參數組合開展田間驗證試驗，試驗結果表明，在該參數組合下開溝器作業形成的種植溝可以形成有效落種空間，落種不轉向，落種深度穩定。有效落種深度為29.9 cm，落種深度穩定性系數為97.6%，覆土厚度8.8 cm，浮土厚度3.4 cm，旋耕功耗34.0 kW，單側開溝阻力為14.1 kN，滿足甘蔗橫向種植有效落種空間形成的開溝要求。