劉曉鵬 肖文立 馬 磊 劉立超 萬(wàn)國(guó)偉 廖慶喜

油菜聯(lián)合直播機(jī)組合式船型開(kāi)溝器設(shè)計(jì)與開(kāi)溝質(zhì)量試驗(yàn)

劉曉鵬1,2肖文立1,2馬 磊1,2劉立超1,2萬(wàn)國(guó)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(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

針對(duì)冬油菜機(jī)械化播種需開(kāi)畦溝避免漬害的要求，解決長(zhǎng)江中下游地區(qū)土壤黏重板結(jié)、含水率波動(dòng)大，導(dǎo)致播種時(shí)同步開(kāi)畦溝的穩(wěn)定性難以保證的實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)了油菜聯(lián)合直播機(jī)開(kāi)畦溝系統(tǒng)，提出了一種配合鏵式前犁完成開(kāi)畦溝功能的組合式船型開(kāi)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(kāi)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(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)鏵式后犁、船式開(kāi)溝犁、組合式船型開(kāi)溝器3種不同結(jié)構(gòu)型式開(kāi)溝器，在平均土壤含水率為21.4%、31.4%、46.6%，與之對(duì)應(yīng)的平均土壤堅(jiān)實(shí)度為1 320、846、539 kPa的3種工況下的稻茬田開(kāi)展了開(kāi)畦溝性能比較試驗(yàn)，并測(cè)繪畦溝溝型斷面。試驗(yàn)結(jié)果表明：3種工況條件下，組合式船型開(kāi)溝器均能開(kāi)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(dá)90%以上。開(kāi)溝后種床帶廂面寬度穩(wěn)定，寬度達(dá)2 039.0～2 051.5 mm，滿足油菜種植開(kāi)畦溝的農(nóng)藝要求。

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

引言

長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)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(guò)油菜正常生長(zhǎng)需水量，油菜在生長(zhǎng)的苗期和花期易遭受漬害，造成嚴(yán)重減產(chǎn)[1-4]。因此，播種作業(yè)時(shí)要求種床廂面兩側(cè)開(kāi)出用于排水的畦溝。傳統(tǒng)的油菜種植開(kāi)畦溝主要以人工開(kāi)溝為主，該方式工序繁多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高，制約了油菜生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和效益提高。近年來(lái)，隨著油菜播種機(jī)械化程度的提高，人工作業(yè)逐漸被機(jī)械化作業(yè)取代。農(nóng)田機(jī)械化開(kāi)畦溝主要有兩種方式：一種是先開(kāi)畦溝再進(jìn)行播種，此種方法需先后用不同機(jī)器完成開(kāi)畦溝和播種作業(yè)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還造成機(jī)器對(duì)地面的反復(fù)壓實(shí)，播種作業(yè)時(shí)會(huì)破壞已開(kāi)好的溝型；另一種是使用油菜聯(lián)合播種機(jī)同步完成開(kāi)畦溝和播種作業(yè)，采用此種方法進(jìn)行開(kāi)畦溝作業(yè)已逐漸成為趨勢(shì)。開(kāi)畦溝土壤工作部件為油菜聯(lián)合播種機(jī)的關(guān)鍵部件，其效果直接影響油菜播種機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。

目前國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者對(duì)農(nóng)田開(kāi)溝技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了研究[5-19]，但研究對(duì)象主要為大型農(nóng)田開(kāi)溝機(jī)具，或者是研究機(jī)具不適用于長(zhǎng)江中下游地區(qū)稻茬田的開(kāi)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(jī)采用前后犁組合式開(kāi)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(duì)鏵式前犁的犁體曲面進(jìn)行分析并優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了鏵式前犁的降附減阻。前后犁組合開(kāi)畦溝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低，在適宜工況下能開(kāi)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(shí)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(kāi)出的畦溝溝型不穩(wěn)定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)清溝整形的功能。鏵式后犁隨機(jī)組前進(jìn)過(guò)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(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)稻茬田土壤黏重板結(jié)、含水率波動(dòng)大的工況，結(jié)合2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機(jī)鏵式后犁存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種組合式船型開(kāi)溝器，配合鏵式前犁使用，以期實(shí)現(xiàn)開(kāi)出穩(wěn)定畦溝，并對(duì)不同工況下的稻茬田進(jìn)行田間開(kāi)畦溝性能試驗(yàn)，測(cè)繪畦溝溝型斷面，對(duì)開(kāi)溝質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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(jī)主要由主機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、仿形驅(qū)動(dòng)地輪、旋耕裝置、開(kāi)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(jī)能一次性完成旋耕、施肥、播種、開(kāi)畦溝作業(yè)。開(kāi)畦溝系統(tǒng)主要由鏵式前犁、組合式船型開(kāi)溝器組成。兩鏵式前犁對(duì)稱布置于直播機(jī)側(cè)板前部，兩組合式船型開(kāi)溝器對(duì)稱布置于直播機(jī)側(cè)板后部。船式開(kāi)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(kāi)溝器的成型體。鏵式前犁與組合式船型開(kāi)溝器在縱向位置均上下可調(diào)，安裝時(shí)保證兩者耕深一致。整形拖板前部與船式開(kāi)溝犁鉸接，后部通過(guò)限位調(diào)節(jié)桿與固定裝置連接，通過(guò)調(diào)節(jié)限位調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)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(jī)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(kāi)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(dòng)系統(tǒng) 11.主機(jī)架 12.仿形驅(qū)動(dòng)地輪

1.2 工作原理

組合式船型開(kāi)溝器主要工作部件為船式開(kāi)溝犁和整形拖板，如圖2所示。船式開(kāi)溝犁為鈍角開(kāi)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(kāi)有若干定位孔，實(shí)現(xiàn)深度上下可調(diào)。船式開(kāi)溝犁與土壤間相互作用可分為切削、擠壓、平整3個(gè)過(guò)程。對(duì)稱布置的犁壁為船式開(kāi)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(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的切削。整形曲面為船式開(kāi)溝犁實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝成型的主要功能，通過(guò)對(duì)土壤的側(cè)向擠壓，形成完整溝型。當(dāng)土壤流動(dòng)性良好時(shí)，經(jīng)船式開(kāi)溝犁擠壓作用后的部分土壤會(huì)回流至溝底，整形拖板前部推壓面將溝底浮土沿前進(jìn)方向擠推和兩側(cè)擠壓，拖板側(cè)壁對(duì)溝壁壓平，對(duì)畦溝進(jìn)行2次整形。

圖2 組合式船型開(kāi)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(kāi)溝器設(shè)計(jì)

船式開(kāi)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(kāi)溝器的開(kāi)溝性能。根據(jù)油菜種植開(kāi)畦溝要求，設(shè)計(jì)的組合式船型開(kāi)溝器擬開(kāi)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(kāi)溝犁切削刃口設(shè)計(jì)與分析

2.1.1刃口曲線

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

圖3 刃口曲線設(shè)計(jì)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(kāi)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(jì)船型開(kāi)溝器理論開(kāi)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(kāi)溝深度最大值，取Hq=300 mm。滑切角從A點(diǎn)到B點(diǎn)過(guò)程中逐漸增大，即γ1lt;γ2。根據(jù)文獻(xiàn)[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(shí)，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(kāi)溝犁的兩破土曲面在頂點(diǎn)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(kāi)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(kāi)度Sq。切削刃口為上寬下窄的楔面，根據(jù)文獻(xiàn)[24]，刃口角小于180°-2φ，即小于134°時(shí)，土壤顆粒沿刃口楔面具有向后滑移趨勢(shì)。切削刃口開(kāi)度直接影響犁壁整形曲面傾斜程度，通過(guò)后續(xù)對(duì)整形曲面分析確定切削刃口開(kāi)度Sq，進(jìn)而計(jì)算并驗(yàn)證最大刃口角。

2.2 船式開(kāi)溝犁整形曲面分析

船式開(kāi)溝犁的犁壁整形曲面借鑒鏵式犁犁體曲面設(shè)計(jì)，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(yùn)動(dòng)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(guò)程的力學(xué)分析

船式開(kāi)溝犁對(duì)土壤的擠壓可看作一個(gè)側(cè)向倒置的犁體曲面對(duì)土壤作用，選取整形曲面上任意一點(diǎn)的土粒質(zhì)點(diǎn)O為研究對(duì)象，建立如圖5a所示的空間坐標(biāo)系，x方向?yàn)榇介_(kāi)溝犁作業(yè)時(shí)前進(jìn)方向，前進(jìn)速度為v，整形曲面對(duì)土粒質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)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(diǎn)沿x、y、z方向的動(dòng)力學(xué)方程為

(5)

式中m——土粒質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，kg

g——重力加速度，N/kg

Nx——土粒質(zhì)點(diǎn)所受瞬時(shí)壓力在x方向上的分力，N

Ny——土粒質(zhì)點(diǎn)所受瞬時(shí)壓力在y方向上的分力,N

Nz——土粒質(zhì)點(diǎn)所受瞬時(shí)壓力在z方向上的分力,N

fxy——土粒質(zhì)點(diǎn)在xOy平面內(nèi)所受摩擦力，N

fyz——土粒質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)在x方向上的加速度，m/s2

ay——土粒質(zhì)點(diǎn)在y方向上的加速度，m/s2

az——土粒質(zhì)點(diǎn)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(jìn)阻力的主要因素。根據(jù)式(6)可知，當(dāng)元線角Φlt;90°-φ時(shí)，az越大，整形曲面對(duì)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(yùn)動(dòng)時(shí)，整形曲面長(zhǎng)度Lz越大，前進(jìn)速度v越小，土粒受整形曲面擠壓時(shí)間長(zhǎng)，向下位移大，土粒離開(kāi)整形曲面時(shí)的末端起土角越小，土粒在擠壓過(guò)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(duì)土壤側(cè)向擠壓力越大，前進(jìn)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(shí)，土壤經(jīng)過(guò)整形曲面BCDE的側(cè)向擠壓作用向側(cè)下方運(yùn)動(dòng)，由BC邊界進(jìn)入，最終由DE邊界離開(kāi)。圖4a中梯形DD′EE′為船式開(kāi)溝犁開(kāi)出的理論溝型右半部分。由幾何關(guān)系可知，導(dǎo)曲線開(kāi)度為

(7)

根據(jù)整形曲面擠壓過(guò)程的力學(xué)分析，當(dāng)元線角Φlt;90°-φ時(shí)，整形曲面對(duì)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(duì)土壤向下擠壓作用越強(qiáng)。但起始元線角過(guò)小，則切削刃口開(kāi)度Sq過(guò)大，導(dǎo)致導(dǎo)曲線開(kāi)度過(guò)小。刃口曲線分析中，取摩擦角為23°，故設(shè)計(jì)整形曲面最大元線角Φmax為67°。切削刃口開(kāi)度Sq為255 mm。

依據(jù)設(shè)計(jì)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(kāi)度l隨lPP′值增大而增大。根據(jù)上述土粒質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)分析，當(dāng)前進(jìn)速度v一定時(shí)，導(dǎo)曲線開(kāi)度l越小、長(zhǎng)度Lz越大時(shí)，整形曲面越平滑，船式開(kāi)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(yùn)動(dòng)，若導(dǎo)曲線長(zhǎng)度Lz過(guò)大，土粒因長(zhǎng)時(shí)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(kāi)度與長(zhǎng)度比值為1∶4。按式(7)計(jì)算可得導(dǎo)曲線開(kāi)度l為53 mm，導(dǎo)曲線長(zhǎng)度Lz為212 mm。整形曲面起土角越小，側(cè)向擠壓力越大，前進(jìn)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(jì)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(jì)算可得船式開(kāi)溝犁最大刃口角α為64.37°，滿足刃口對(duì)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(kāi)溝器后部，故所受前進(jìn)阻力小，設(shè)計(jì)對(duì)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(kāi)溝器開(kāi)溝后的基礎(chǔ)上進(jìn)行整形，故整形拖板的橫向輪廓GG′K′K應(yīng)與船式開(kāi)溝犁開(kāi)溝后的理論輪廓一致。選取擠推平面上任意一點(diǎn)處的土粒質(zhì)點(diǎn)M為研究對(duì)象，建立如圖7中所示的空間坐標(biāo)系。擠推平面對(duì)土粒質(zhì)點(diǎn)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(guò)沿前進(jìn)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(guò)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(kāi)溝犁之間易發(fā)生堵土。整形拖板刃口角過(guò)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(yùn)動(dòng)，當(dāng)土壤流動(dòng)性良好時(shí)，由于此時(shí)土壤壓縮性差，經(jīng)拖板側(cè)壁作用后的土壤仍會(huì)回流溝底，無(wú)法起到清理溝底的作用。為保證整形拖板同時(shí)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(shí)前進(jìn)方向推力Fx和側(cè)向擠壓力Fy相等。

3 開(kāi)畦溝性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)機(jī)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(jī)。試驗(yàn)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(jiān)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%)、自制溝型測(cè)繪裝置(圖8)。

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

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(yàn)基地，11月3日、11月6日在荊州市江陵縣三湖農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。3種試驗(yàn)工況的田塊均為機(jī)收后稻茬田，土壤類型均為黃棕壤，試驗(yàn)田塊為稻油輪作，試驗(yàn)前未對(duì)地表殘茬進(jìn)行清理，田塊特性參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)選用鏵式后犁、船式開(kāi)溝犁(未安裝整形拖板)、組合式船型開(kāi)溝器為試驗(yàn)對(duì)象，如圖9所示。配套動(dòng)力為東方紅LX954拖拉機(jī)，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定拖拉機(jī)液壓手柄位置與機(jī)具開(kāi)溝深度的關(guān)系，調(diào)節(jié)手油門(mén)至最大位置保證作業(yè)速度一致，機(jī)組前進(jìn)速度為慢Ⅱ擋。試驗(yàn)機(jī)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?yàn)闇y(cè)量區(qū)域，沿機(jī)組前進(jìn)方向每隔2 m對(duì)畦溝溝型斷面和種床帶廂面寬度進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)行程畦溝測(cè)量6個(gè)點(diǎn)。每組試驗(yàn)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(yàn)機(jī)具示意圖Fig.9 Sketches of experiment implements

采用溝型測(cè)繪裝置進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，使架體中間位置與畦溝中心位置對(duì)齊，調(diào)整水平尺水平。將長(zhǎng)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(shí)，測(cè)量鋼棒頂端與架體上表面間的距離，并記錄數(shù)據(jù)，通過(guò)Excel軟件擬合出溝型斷面圖。通過(guò)溝型斷面圖計(jì)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(xiàn)[25]中相關(guān)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)試驗(yàn)方法，對(duì)3種機(jī)具在各工況下開(kāi)出畦溝溝型斷面參數(shù)的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

鏵式后犁在工況1下能開(kāi)出較穩(wěn)定畦溝，機(jī)具通過(guò)性較好。但在工況2、3條件下，機(jī)具工作時(shí)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，開(kāi)出畦溝溝深較淺，溝底殘留較多大塊土垡。船式開(kāi)溝犁和組合式船型開(kāi)溝器在3種工況下均未發(fā)生機(jī)具堵塞現(xiàn)象，船式開(kāi)溝犁在工況1、2條件下，開(kāi)溝后溝底殘留有一定回流浮土，但沒(méi)有出現(xiàn)大塊土垡。組合式船型開(kāi)溝器在3種工況下均開(kāi)出溝底干凈、平整梯形畦溝，開(kāi)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(kāi)溝器開(kāi)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(yàn)方法測(cè)繪畦溝溝型斷面，隨機(jī)選取鏵式后犁、船式開(kāi)溝犁、組合式船型開(kāi)溝器在每種工況下的6組畦溝斷面進(jìn)行分析，如圖11～13所示。

圖11 工況1開(kāi)溝溝型斷面Fig.11 Furrow sections in condition 1

圖12 工況2開(kāi)溝溝型斷面Fig.12 Furrow sections in condition 2

圖13 工況3開(kāi)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(dòng)性較好，土壤顆粒間粘結(jié)力小、易壓縮。鏵式后犁和船式開(kāi)溝犁開(kāi)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(kāi)溝寬度更大，溝型顯得更為扁平。組合式船型開(kāi)溝器的整形拖板能同時(shí)向前擠推和側(cè)向壓實(shí)回流溝底的土壤，降低溝底填埋程度，溝深達(dá)200 mm左右，開(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)溝成型功能，無(wú)法開(kāi)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(kāi)溝犁擠壓成型后不會(huì)出現(xiàn)土壤回流現(xiàn)象，開(kāi)出的畦溝能保持設(shè)計(jì)的理論梯形，與組合式船型開(kāi)溝器開(kāi)溝的溝型無(wú)明顯差異，比鏵式后犁開(kāi)出畦溝的斷面面積大，能增強(qiáng)畦溝蓄水能力。

3.3.3溝型穩(wěn)定性分析

3種機(jī)具在不同工況下開(kāi)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(shí)由于土壤粘附造成壅土，在工況2、3條件下開(kāi)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(kāi)畦溝性能的穩(wěn)定性次于船式開(kāi)溝犁和組合式船型開(kāi)溝器。

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

船式開(kāi)溝犁在各工況下的開(kāi)畦溝的溝寬、溝深穩(wěn)定性均優(yōu)于鏵式后犁。船式開(kāi)溝犁和組合式船型開(kāi)溝器對(duì)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(jì)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(kāi)溝溝寬穩(wěn)定性無(wú)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(kāi)溝犁開(kāi)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(kāi)溝器的整形拖板對(duì)溝底進(jìn)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(kāi)溝器在3種工況下開(kāi)溝溝寬、溝深穩(wěn)定性系數(shù)均在90%以上，開(kāi)出畦溝的溝型穩(wěn)定。

3.3.4開(kāi)溝對(duì)種床帶廂面寬度影響

開(kāi)溝后種床帶廂面寬度和廂寬穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表3。試驗(yàn)機(jī)具2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機(jī)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(kāi)溝犁和組合式船型開(kāi)溝器在3種工況條件下通過(guò)性良好，未發(fā)生機(jī)具堵塞現(xiàn)象。開(kāi)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(shí)機(jī)具堵塞，前進(jìn)時(shí)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(shí)會(huì)破壞兩側(cè)油菜生長(zhǎng)的種床帶，降低成苗率。

表3 開(kāi)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(duì)長(zhǎng)江中下游冬油菜種植區(qū)土壤黏重板結(jié)、含水率波動(dòng)大的工況，開(kāi)展了2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機(jī)開(kāi)畦溝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了一種組合式船型開(kāi)溝器，利用土壤切削和擠壓原理實(shí)現(xiàn)開(kāi)畦溝作業(yè)，通過(guò)力學(xué)分析，確定了船型開(kāi)溝器和整形拖板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)開(kāi)畦溝性能試驗(yàn)結(jié)果表明：在土壤含水率21.4%、31.4%、46.6%，堅(jiān)實(shí)度1 320、846、539 kPa的3種工況條件下，組合式船型開(kāi)溝器通過(guò)性良好，開(kāi)溝溝型穩(wěn)定，可開(kāi)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(kāi)溝器在3種工況下開(kāi)溝的溝寬、溝深穩(wěn)定性均優(yōu)于鏵式后犁和船式開(kāi)溝犁的開(kāi)溝穩(wěn)定性，溝寬、溝深穩(wěn)定性系數(shù)均達(dá)90%以上。

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

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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(xiàng)(201503118-06)、農(nóng)業(yè)部科研杰出人才及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)重大項(xiàng)目(2016ABA094)、國(guó)家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)(CARS-12)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2662017PY006)

劉曉鵬(1989—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與測(cè)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(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備研究，E-mail： liaoqx@mail.hzau.edu.cn