趙淑紅，譚賀文，王加一，楊 超，楊悅乾

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

0 引 言

中國東北農(nóng)業(yè)區(qū)由于長時間耕墾且土壤擾動頻繁、耕地退化嚴重、水土流失加劇影響了播種作業(yè)質(zhì)量，良好的種床土壤環(huán)境可改善播種質(zhì)量[1]。構(gòu)建優(yōu)良的種床環(huán)境與播種機作業(yè)性能密不可分，因而通過對播種機具關(guān)鍵部件的設(shè)計和研究，為播種機具整體作業(yè)性能的提高提供輔助性裝備支撐[2-3]。

開溝和鎮(zhèn)壓是播種作業(yè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，開溝器與鎮(zhèn)壓輪作為播種機的關(guān)鍵部件被研究者廣泛研究[4-5]。賈洪雷等[6]為改善種床質(zhì)量、提高播種分布直線性及播深一致性，設(shè)計了一種適用于大豆壟上雙行種植模式的仿形滑刀式開溝器；王徐建等[7]為解決機械化的傾斜移栽甘草苗，提出一種傾斜開溝器；趙淑紅等[8]為減小播種作業(yè)阻力、降低土壤擾動，基于仿生思想設(shè)計了仿旗魚頭部曲線型開溝器；Aliakbar等[9-11]利用追蹤法獲取不同傾角、鏟尖形狀、鏟柄形狀的開溝器在作業(yè)時的土壤擾動位移，以優(yōu)化開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)進而提高作業(yè)性能；Vamerali等[12]為提高開溝器松土能力以及播種深度一致性提出一種寬翼型開溝器，并提出出苗率與土壤堅實度有一定關(guān)系。Ozmerzi等[13]為研究播種機播種深度均勻性的影響，選取不同播深、土壤緊實度、溝底平整度、種子和化肥分布、土壤覆蓋進行田間試驗研究，以出苗率來評價播種開溝器的作業(yè)性能。佟金等[14-15]基于臭蜣螂腹側(cè)面的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計了肋條型仿生鎮(zhèn)壓錕，改善了鎮(zhèn)壓錕在作業(yè)過程中的黏土問題；郭慧等[16]為簡化機具結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種兼具覆土和鎮(zhèn)壓功能的覆土鎮(zhèn)壓器，解決了傳統(tǒng)播種作業(yè)過程中覆土、鎮(zhèn)壓穩(wěn)定性不佳的問題。

目前對播種機中開溝和鎮(zhèn)壓的研究多集中于單個部件的結(jié)構(gòu)以及在開溝器的工作阻力、回土性能以及鎮(zhèn)壓輪的仿形、減黏降阻等方面，而對開溝覆土鎮(zhèn)壓一體化結(jié)構(gòu)的研究鮮有報道。針對以上問題，本文設(shè)計了一種集開溝、回土和鎮(zhèn)壓功能于一體的多功能集成式播種開溝器，以期實現(xiàn)開溝器在作業(yè)時滑刀、擋土板、鎮(zhèn)壓輪配合作業(yè)，實現(xiàn)開出種溝、種子落至溝底、濕土回流溝內(nèi)、鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓種溝，種子與土壤緊密接觸的作業(yè)過程。同時，本文擬通過三元二次回歸正交試驗確定多功能集成式播種開溝器的最佳參數(shù)組合。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

多功能集成式播種開溝器主要由滑刀、擋土板、鎮(zhèn)壓輪、彈簧、鏟柄架、導種管等組成，如圖1所示。

圖1 多功能集成式播種開溝器示意圖Fig.1 Schematic diagram of multifunctional integrated seeding opener

1.2 工作原理

播種作業(yè)時，多功能集成式播種開溝器中滑刀首先入土開出窄溝，破壞部分土壤；兼有擴溝功能的擋土板將窄溝擴寬，開出完整的種溝，種子通過導種管直落溝底（導種管靠近擋土板前端），此時保證了種子深度與播種深度一致。擋土板末端設(shè)有缺口，隨著開溝器作業(yè)運動，部分濕土從擋土板端部回流至種溝，將種子覆蓋。而后鎮(zhèn)壓輪對種溝進行鎮(zhèn)壓，增加濕土與種子接觸的緊實度，其鎮(zhèn)壓強度可根據(jù)土壤狀態(tài)和作物壓實要求，通過彈簧來調(diào)節(jié)。

多功能集成式播種開溝器鎮(zhèn)壓和傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓工作原理對比圖，如圖2所示。圖2a可以看出，播種開溝器整體結(jié)構(gòu)決定其播種作業(yè)時，種子先于土壤回流前落入溝底，達到播種深度均勻性，傳統(tǒng)開溝器播種時會有擾動土壤流入種溝內(nèi)，難以控制播種深度。傳統(tǒng)開溝器配合播種機具中的傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輪對整個壟面進行鎮(zhèn)壓，覆土后的壟面存在中間部位回流的松軟土壤以及未被開溝器破壞的土壤，故對種溝內(nèi)土壤鎮(zhèn)壓存在局限性，如圖2b所示。多功能集成式播種開溝器作業(yè)時其鎮(zhèn)壓部分對種溝進行一定程度鎮(zhèn)壓后傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輪對壟面進行鎮(zhèn)壓，這種組合鎮(zhèn)壓方式提高了種床土壤的緊實程度。整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，保證開溝器播種深度的均勻性和種床土壤的緊實度，實現(xiàn)開溝器功能的集成化。

圖2 組合與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓原理對比圖Fig.2 Principle contrast diagram of combined repression and traditional repression

2 開溝器設(shè)計及參數(shù)確定

2.1 滑刀曲線設(shè)計

由于切割阻力隨滑切角的增大而減小，隨摩擦角的增大而增大，故滑切破土阻力小于砍切破土阻力[17-19]，因此滑刀刃口為曲線比直線更省力。根據(jù)滑切原理，滑切角應(yīng)大于摩擦角，滑刀入土后沿機組前進方向運動，土壤與滑刀作用發(fā)生剪切破壞。根據(jù)文獻[6]，本文選取拋物線函數(shù)曲線來作為滑刀刃口曲線，這可以保證滑切角大于摩擦角、方便控制滑刀刃口曲線的形狀，且便于加工制造。設(shè)滑刀曲線方程為

由于常數(shù)項 b的變化只會改變函數(shù)位置的變化，而不會改變其線形，故令常數(shù)b為0。取滑刀曲線起始點B與終止點C，求得曲線上點的斜率，如式（2）。通過坐標可得曲線上2點的垂直距離lAC，與式（1）聯(lián)立可得常數(shù)a關(guān)系式。

式中x1為起始點B橫坐標，x2為終止點C橫坐標。

由于滑刀滑切角 α1、α2與 γ1、γ2互為余角，可得最終滑刀曲線方程

如公式（4）所示，滑刀曲線的形狀受α1、α2和lAC3個參數(shù)的影響。由圖3可知，滑切角呈遞增趨勢，即α2＞α1。為滿足滑切條件，起始滑切角α1應(yīng)大于摩擦角φ0，取摩擦角φ0為23°[20-21]，則α1＞23°。α1與α2互為余角，即α2＜67°，得出終止滑切角 α2的取值范圍為：23°＜α2＜67°。為方便加工制造，取滑切角α為25°～65°。當滑刀高度lAC不變時，改變滑切角將會得到不同的滑刀曲線。

圖3 滑刀示意圖Fig.3 Schematic diagram of slider

在開溝器結(jié)構(gòu)中，滑刀與機架螺栓連接，作業(yè)時損壞便于更換，且滑刀的下部需要安裝擋土板，因此滑刀應(yīng)具有足夠的高度，保證空間的充足性，取滑刀高度為230 mm。

2.2 擋土板設(shè)計

2.2.1 回土原理

在開溝器結(jié)構(gòu)中，導種管一端連結(jié)鏟柄架，另一端順延至擋土板中間。開溝器作業(yè)時，種子籽粒通過導種管可直接落入溝底。圖 4為擾動土壤與擋土板側(cè)壁接觸部分N1O1(N2O2)為濕土，M1N1為堆積擾動土的休止邊，靠近休止邊的土壤為干土。開溝器作業(yè)過程中土壤體積守恒[22]，故種溝橫截面面積守恒。擾動出去的土壤按照自然休止角堆積。如圖4所示，回土前橫截面土壤滿足

式中 AM1N1Q1為三角形M1N1Q1面積，cm2； AQ1O3K4O1為梯形Q1O3K4O1面積，cm2。

回土后，橫截面土壤滿足

式中 A K2K3O2K4為四邊形K2K3O2K4面積，cm2； A N2K1K3為三角形N2K1K3面積，cm2。

待種子籽粒落入溝底后，部分土壤會從擋土板缺口處回落至溝底將種子覆蓋，此時種子被濕潤松軟的土壤包圍，保證了濕潤的種床土壤環(huán)境。

圖4 擋土板示意圖Fig.4 Schematic diagram of retaining soil plate

2.2.2 參數(shù)確定

試驗地為耕整地，比較松軟，且無較大土塊。且滑刀工作時對上層土壤進行破壞，播種時的土壤狀態(tài)是細碎的，可將其視為散粒體。設(shè)開溝器入土后，隨機組以穩(wěn)定的深度和速度前進。擋土板與土壤接觸的每個點上沿法線方向擠壓土粒。取土壤顆粒進行質(zhì)點動力學分析，圖 5所示。土壤顆粒受重力 G、種溝溝壁對其產(chǎn)生的支持力FN，以及土粒所受的摩擦力FS。土壤回流時，土粒沿斜坡下滑，故沿y方向的加速度ay為0。

圖5 土壤顆粒運動分析Fig.5 Kinematic analysis of soil particles

式（7）中第一式、第二式分別表示土壤顆粒在x、y軸方向上的合力，θ為擋土板與豎直方向的夾角（擋土板傾角），ax為x軸方向加速度，μ為滑動摩擦系數(shù)?？傻?/p>

根據(jù)土壤顆粒在x軸方向的運動方程（8），可求得土粒在x軸方向的位移Sx，x軸負方向即為土壤顆粒回流方向。由于開溝器以穩(wěn)定速度和深度作業(yè)，則任意一段區(qū)域內(nèi)土壤回流時間 t0是不變的，視為常數(shù)。由土壤回流位移S回可知，改變變量θ，則土壤回流位移發(fā)生改變，

從而影響回土質(zhì)量。綜上所述，擋土板傾角 θ影響土壤回流。

l1、l2為擋土板下間距與上間距。東北地區(qū)壟作播種機常用導種管的口徑寬度一般（含壁厚）為 19 mm[23]，為避免種子落地后彈跳過大，應(yīng)保證導種管端部與地面近一些，若擋土板下端間距過大，則無法保證種子落地后的橫向均勻性，故取l1值為20 mm。由圖4分析可知，θ＞0，則 l1、l2滿足關(guān)系

若擋土板上寬度過大，導致?lián)跬涟鍍A角過大，會將擾動土過多推出溝外，給覆土造成困難，擋土板上端間距與壟高間距之間的比值小于1∶3[24-26]。擾動土壟起高度（擾動土最高點與壟臺平面距離）h′取20 mm，擾動土壟高間距取256 mm，進而得到擋土板上寬度l2＜85.3 mm?？紤]玉米作物播深要求（50～70 mm），以及擾動土壟起高度h′，且當土壤擾動達至最高點時具有一定動能，因此擋土板長度應(yīng)大于85.3 mm，為保證落種時種溝無土壤回流，取擋土板長度h為1.5(d +h′)，其中d為播種深度，擋土板長度h即為135 mm。

綜上所述，可得擋土板傾角 θ的取值范圍 0＜θ＜12.4°。

2.3 鎮(zhèn)壓部分設(shè)計

開溝器鎮(zhèn)壓部分在于對種溝內(nèi)回流土壤進行鎮(zhèn)壓，使種子與濕土緊密接觸，提高種床土壤緊實度。為此，對開溝器中鎮(zhèn)壓部分進行設(shè)計，包括鎮(zhèn)壓輪尺寸以及鎮(zhèn)壓強度調(diào)節(jié)部分。

2.3.1 鎮(zhèn)壓輪參數(shù)確定

大豆、玉米等農(nóng)作物傳統(tǒng)種植模式下選取的鎮(zhèn)壓輪直徑一般為200～500 mm，其寬度應(yīng)小于壟距。在作業(yè)速度和單位面積壓強不變的情況下，鎮(zhèn)壓效果與鎮(zhèn)壓輪直徑尺寸有很大相關(guān)性。輪徑越大，鎮(zhèn)壓時間越長，對土壤的鎮(zhèn)壓越緊實。傳統(tǒng)的鎮(zhèn)壓輪作業(yè)是為保證回土后壟臺土壤的壓實程度，蓄水保墑。而多功能集成式播種開溝器中對鎮(zhèn)壓輪設(shè)計目的在于增加種床土壤緊實度，若壓實程度過大，則不利于出苗。因此，針對該機構(gòu)的作業(yè)特點對鎮(zhèn)壓輪進行設(shè)計。

鎮(zhèn)壓輪材料選用親水性較差的聚氟乙烯，與濕土接觸時減少其粘附作用。如圖 4所示，擋土板下端的外側(cè)間距O1O2就是種溝溝底的寬度，擋土板壁厚為6 mm，下端間距l(xiāng)1取20 mm，故鎮(zhèn)壓輪寬度B＞O1O2=32 mm。鎮(zhèn)壓輪寬度過窄，會導致苗帶下沉，溝底形成溝狀；寬度過大，載荷不變的情況下，鎮(zhèn)壓輪與土壤接觸面積變大，對土壤的壓實度變低，取鎮(zhèn)壓輪寬度B為40 mm。鎮(zhèn)壓輪的中心需安裝支撐輪架與軸承，為防止擾動土壤將其堵塞，保證輪子半徑大于最大播深，故取鎮(zhèn)壓輪直徑D為150 mm。

2.3.2 鎮(zhèn)壓輪載荷

鎮(zhèn)壓輪作業(yè)時與種溝作用，種溝在受到載荷和重力的作用下，鎮(zhèn)壓輪下陷量的計算可簡化為

其中

式中Z0為土壤下陷量，mm；Q為鎮(zhèn)壓輪所受載荷，N；K為土壤特性系數(shù)；α0為與土壤性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。

鎮(zhèn)壓輪的接地面積S為

其中

式中β為接觸角，（°）；l為鎮(zhèn)壓輪與地面接觸弧長，cm。

圖6為鎮(zhèn)壓機構(gòu)受力分析示意圖。由圖6所示，鎮(zhèn)壓輪支撐架2與鎮(zhèn)壓輪3共同鉸接于機架1上。由于彈簧力作用在鎮(zhèn)壓輪架上，而鎮(zhèn)壓輪與地面發(fā)生接觸，產(chǎn)生力的作用，鉸接點I所受的力視為2與3組成的系統(tǒng)的內(nèi)力。整體機構(gòu)受彈簧給予的壓力F，與地面作用的支持力F0。l為鎮(zhèn)壓輪與鎮(zhèn)壓輪支撐架受力板之間的距離，為保證鎮(zhèn)壓輪作業(yè)時受力板不與鎮(zhèn)壓輪接觸，同時為保證結(jié)構(gòu)的緊湊型，取l值為30 mm。φ為彈簧力正壓力方向與水平夾角（取為60°），φ為鎮(zhèn)壓輪架與豎直方向夾角（取為30°）。

圖6 鎮(zhèn)壓機構(gòu)受力分析示意圖Fig.6 Force analysis of press device

考慮鎮(zhèn)壓機構(gòu)對地面施加載荷 Q，列出平衡方程。將各變量數(shù)值帶入，得到載荷Q。

式中R為鎮(zhèn)壓輪半徑，mm；k為彈簧剛度系數(shù)，N/mm；Δl為彈簧變形量，mm。

考慮東北地區(qū)土壤條件以及春季的田間作業(yè)情況，以及結(jié)合土壤性質(zhì)、水分、密度和作物（大豆、玉米）的要求，鎮(zhèn)壓輪接地強度ρ應(yīng)滿足30～50 kPa的范圍[16,27]。

由式（13）～（20）可得

鎮(zhèn)壓部分作業(yè)時的鎮(zhèn)壓對象為沿擋土板回流至溝內(nèi)的松碎土壤，通過鎮(zhèn)壓增強種子與濕潤土壤的緊實度。對于松過的黏性土壤，土壤性質(zhì)相關(guān)參數(shù)取α0=1.01，土壤下限量取Z0=8 mm[14,22,27]；鎮(zhèn)壓輪與擋土板配合作業(yè)，故取鎮(zhèn)壓輪寬度B=40 mm，鎮(zhèn)壓輪直徑D=150 mm，進而得到土壤特性系數(shù)K=11.92。為保證開溝器工作性能穩(wěn)定性和彈簧的壽命，選擇螺旋壓縮彈簧，其具體參數(shù)：中徑為30 mm；圈數(shù)為11；直徑為12 mm，根據(jù)文獻[28]確定其剛度系數(shù)k=18.3 N/mm。由式（21）確定彈簧形變量Δl的理論范圍為 9～15 mm，考慮試驗中存在調(diào)節(jié)誤差，取彈簧形變量Δl為4～20 mm。

3 參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 試驗準備

試驗在黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院的室內(nèi)土槽中進行。試驗所用土槽長70 m、寬3 m、土壤厚度1.5 m，其土壤為典型東北黑壤土，具有粒度均勻、透氣性好、透水性好等特點。試驗條件模擬東北地區(qū)春季播種時的土壤情況，試驗工作速度為 3.68 km/h，作業(yè)深度為60 mm，土壤含水率為 18.03%，試驗過程以及試驗設(shè)備如圖 7所示。試驗設(shè)備為全液壓四輪驅(qū)動車，土槽車最大速度可達8 km/h，側(cè)力裝置分為上懸掛架和下懸掛架，2個架子間以6個拉力傳感器鉸接相連。

圖7 土槽試驗Fig.7 Soil tank test

3.2 試驗指標的測量

本文選取土壤擾動量和土壤緊實度為土槽試驗的試驗指標：1）土壤擾動量。作為試驗指標衡量開溝器對土壤的擾動性，擾動量過大不利于覆土。如圖 8所示，以種溝兩側(cè)擾動出來的土壤的橫截面積來表示開溝器的擾動性。利用溝形輪廓儀在坐標紙上勾勒出種溝形狀，計算出擾動面積[29-30]；2）土壤緊實度。衡量種床土壤硬度，用SC-900型土壤硬度儀進行測量。

圖8 土壤擾動示意圖Fig.8 Schematic diagram of soil disturbance

3.3 試驗方案與試驗結(jié)果

依據(jù)上述對開溝器各部分的設(shè)計，選取滑刀滑切角α、擋土板傾角θ和彈簧形變量Δ l為試驗因素，選取滑刀滑切角45°、擋土板傾角6°、彈簧形變量12 mm為試驗因素零水平，根據(jù)三元二次回歸正交組合設(shè)計理論[31-32]，確定試驗因素水平編碼表，如表1所示。

表1 試驗因素編碼Table 1 Coding levels and factors

土壤擾動量和土壤緊實度為試驗指標，數(shù)據(jù)以excel形式保存在計算機內(nèi)。試驗方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗方案與結(jié)果Table 2 Experiment scheme and results

3.4 試驗結(jié)果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行二次回歸分析，并進行多元回歸擬合，得到土壤擾動量 Y1、土壤緊實度Y22個試驗指標的回歸方程并進對其顯著性進行檢驗。

3.4.1 交互因子對土壤擾動量影響效應(yīng)分析

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析和多元回歸擬合，土壤擾動量Y1方差分析如表3所示。由表3可知,對于土壤擾動量，因素及因素之間的交互作用影響的主次順序是x2、x1、、x1x2、x3、x2x3、、x1x3，其中擋土板傾角、滑刀滑切角、滑切角與擋土板傾角的交互項、滑刀滑切角的二次項及擋土板傾角的二次項對土壤擾動量的影響極顯著（P＜0.01）；彈簧形變量對土壤擾動量的影響較顯著（0.05＜P＜0.1）。將不顯著的交互作用項的回歸平方和及自由度并入殘差項后，再進行方差分析。得到各因素對土壤擾動量影響的回歸方程。

式中x1、x2、x3表示滑刀滑切角、擋土板傾角和彈簧形變量的編碼值（如表1所示）。

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，其中P =0.183 8，不顯著，說明不存在其他影響試驗指標的主要因素，試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關(guān)系。

3.4.2 交互因子對土壤緊實度影響效應(yīng)分析

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析和多元回歸擬合，土壤緊實度Y2方差分析如表3所示。由表3可知,對于土壤緊實度，因素及因素之間的交互作用影響的主次順序是：、x3、x2、x2x3、x1、、x1x2、、x1x3，其中彈簧形變量、擋土板傾角以及彈簧形變量的二次項對土壤緊實度的影響極顯著（P＜0.01）；滑刀滑切角、擋土板傾角與彈簧形變量的交互項對土壤緊實度的影響較顯著（0.05＜P＜0.1）。將不顯著的交互作用項的回歸平方和及自由度并入殘差項后，再進行方差分析。得到各因素對土壤緊實度影響的回歸方程。

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，其中P = 0.331 4，不顯著，說明不存在其他影響試驗指標的主要因素，試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關(guān)系。

3.4.3 響應(yīng)曲面分析

經(jīng)Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)處理得到滑刀滑切角x1、擋土板傾角x2、彈簧形變量x3之間顯著和較顯著交互作用對土壤擾動量Y1、土壤緊實度Y2等試驗指標影響的響應(yīng)曲面，如圖9所示。

表3 土壤擾動量與土壤緊實度方差分析Table 3 Variance analysis of soil disturbance and soil compaction

圖9 開溝器試驗響應(yīng)曲面分析Fig.9 Response surface analysis of opener test

對于土壤擾動量Y1，當彈簧形變量12 mm時，擋土板傾角與滑刀滑切角的交互作用響應(yīng)曲面如圖9a所示。當滑刀滑切角一定時，土壤擾動量Y1隨著擋土板傾角的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。原因是隨著擋土板傾角增大，播種時種溝在擋土板的作用下會增大其擾動寬度，從而增大土壤擾動量 Y1，為后續(xù)的覆土造成一定困難；當擋土板傾角一定時，土壤擾動量Y1隨滑切角的增大而增大。滑刀與土壤作用面積隨滑切角增加而增大，會增加其對土壤的擾動性。在滑切角和擋土板傾角的交互作用中，主要影響土壤擾動量Y1的因素是擋土板傾角。

對于土壤緊實度Y2，當滑刀滑切角45°時，彈簧形變量與擋土板傾角的交互作用響應(yīng)曲面如圖9b所示。當擋土板傾角一定時，土壤緊實度Y2隨著彈簧形變量的增加呈現(xiàn)先增大而后緩慢減小的趨勢，原因是擋土板傾角一定時，種溝內(nèi)的回土質(zhì)量穩(wěn)定。鎮(zhèn)壓輪在彈簧擠壓作用下對種溝內(nèi)土壤進行鎮(zhèn)壓，土壤緊實度隨彈簧形變量的增加而增大，但由于土壤具有一定塑性，當壓力達到一定程度時，被壓實的土壤會發(fā)生回彈現(xiàn)象，因此壓實度會輕微降低；當彈簧形變量一定時，土壤緊實度Y2隨擋土板傾角的增大呈緩慢增大的趨勢。原因是擋土板角度增大，種溝擾動性加大，溝壁會有逐步增多的濕土回流至溝內(nèi)，在壓力作用下土壤緊實度增大，使種子與濕土接觸更加緊實。在彈簧形變量和擋土板傾角的交互作用中，主要影響土壤緊實度Y2的因素是彈簧形變量。

3.4.4 參數(shù)優(yōu)化

在土槽試驗中對多功能集成式播種開溝器參數(shù)優(yōu)化的目的是獲取最優(yōu)參數(shù)組合，最大程度降低開溝器的土壤擾動量以及最大程度增強土壤緊實度，通過對圖9中2個響應(yīng)曲面的分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對回歸模型進行求解，根據(jù)實際工作條件及上述相關(guān)模型分析結(jié)果，選定試驗因素的約束條件為

對其參數(shù)進行求解，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為滑刀滑切角44.6°、擋土板傾角3.2°、彈簧形變量11.8 mm，將開溝器最優(yōu)參數(shù)圓整后。為便于加工將最優(yōu)參數(shù)取整為滑刀滑切角45°、擋土板傾角3°、彈簧形變量12 mm，得到多功能集成式播種開溝器理論土壤擾動量為9.65 cm2、土壤緊實度為46 kPa。

3.4.5 試驗驗證

為進一步增強優(yōu)化結(jié)果的可靠性，在東北農(nóng)業(yè)大學向陽農(nóng)場試驗田對最優(yōu)參數(shù)下的集成播種開溝器進行試驗驗證，測量開溝后的土壤擾動量和土壤緊實度。每個試驗指標測量10次后取平均值，土壤擾動量為8.92 cm2，土壤緊實度為 48 kPa。土壤緊實度試驗值對理論值的誤差為4.35%，土壤擾動量試驗值對理論值的誤差為7.56%，這是由于田間試驗不確定因素較多，但二者誤差值較小，驗證了集成式開溝器最優(yōu)參數(shù)的可靠性。

4 性能對比試驗

4.1 試驗準備

試驗于2018年5月在東北農(nóng)業(yè)大學向陽農(nóng)場試驗基地進行。試驗地為耕整地，耕作模式為壟作。0～2.5 cm耕作層下的土壤硬度為59 kPa、2.5～5 cm下土壤硬度為167 kPa、5～7.5 cm下土壤硬度為313 kPa、5～7.5 cm下土壤硬度為 425 kPa；0～5 cm 耕層的土壤含水率為8.62%、5～10 cm耕層的土壤含水率為15.14%。

試驗設(shè)備所用設(shè)備為約翰迪爾484型拖拉機，2BM-2型播種機，SC-900型土壤硬度儀（美國Spectrum公司生產(chǎn)，精度為±1.25 cm、±103 kPa），環(huán)刀組件（容積100 cm3），JD1000-2電子天平（沈陽龍騰電子天平公司生產(chǎn)，精度為10 mg），溝形輪廓儀等。

試驗選取 3種播種開溝器進行性能試驗，最優(yōu)參數(shù)下的多功能集成式播種開溝器（滑刀滑切角45°、擋土板傾角3°、彈簧形變量12 mm）與東北常用雙圓盤開溝器、尖角式開溝器進行對比試驗，測量播種深度及土壤緊實度現(xiàn)場圖，如圖10所示。

圖10 試驗現(xiàn)場Fig.10 Test site

4.2 試驗結(jié)果

以播種開溝器的播種深度變異系數(shù)、平均土壤緊實度（0～10 cm）、土壤擾動量、回土量為對比試驗指標，其試驗結(jié)果如下。

4.2.1 播種深度變異系數(shù)

播種深度均勻性是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一，也是多功能集成式播種開溝器的主要思想之一。每種開溝器的播種深度測量25個點。播種深度變異系數(shù)（CV）計算公式為

式中S為種深標準差，mm；x為種深平均值，mm。

種子深度的測量方法為，手動將溝內(nèi)擾動土扒出，待種子剛剛暴露測量其深度，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 播種深度變異系數(shù)結(jié)果分析Table 4 Analysis results of sowing depth variation coefficient

雙圓盤開溝器播深變異系數(shù)為8.92%，尖角式開溝器播深變異系數(shù)為 8.06%，集成式開溝器播深變異系數(shù)為6.03%。集成式開溝器比雙圓盤開溝器的播深變異系數(shù)低了32.4%，比尖角式開溝器低了25.2%。雙圓盤開溝器轉(zhuǎn)動作業(yè)，兩側(cè)圓盤將溝內(nèi)土壤向兩側(cè)擠壓，部分土壤被帶出種溝外，致使溝底平整性差，影響種子深度均勻性；尖角式開溝器作業(yè)時對土壤擾動大，且不易回土，不易控制播種深度。

集成式開溝器播種時，在擋土板作用下種子先于土壤落入溝底，保證了種子深度均勻性，因此其播深均勻性高于雙圓盤開溝器與尖角式開溝器。

4.2.2 平均土壤緊實度

對3種開溝器作業(yè)后的耕作層（0～10 cm）土壤緊實度進行測量，每種開溝器在耕作層的土壤緊實度取平均值。試驗結(jié)果如表 5所示，集成式開溝器作業(yè)后的土壤緊實度為158 kPa，雙圓盤開溝器為114 kPa，尖角式開溝器為 97 kPa。集成式開溝器比雙圓盤開溝器緊實度高38.6%，比尖角式開溝器緊實度高62.9%。雙圓盤與尖角式開溝器作業(yè)后，種溝經(jīng)播種機鎮(zhèn)壓輪進行鎮(zhèn)壓，鎮(zhèn)壓程度具有局限性，種溝土壤緊實度不足。

表5 對比試驗結(jié)果Table 5 Results of contrast test

集成式開溝器播種作業(yè)，其鎮(zhèn)壓部分對種溝進行鎮(zhèn)壓，增強土壤與種子接觸的緊密程度，覆土后播種機鎮(zhèn)壓輪對壟臺再次鎮(zhèn)壓，提高了耕作層的土壤緊實度，易于提高墑情。

4.2.3 土壤擾動量和回土量

土壤擾動量和回土量通過田間試驗所測得的溝形面積進行計算，結(jié)果如表 5所示。集成式開溝器、雙圓盤開溝器、尖角開開溝器的土壤擾動量分別為 8.7、10.4、13.7 cm2。集成式開溝器滑切作業(yè)，對土壤擾動較小，土壤擾動量比雙圓盤開溝器低 16.3%，比尖角式開溝器低36.5%。雙圓盤開溝器作業(yè)時被破壞土壤會隨著圓盤轉(zhuǎn)動擾動出種溝；尖角式開溝器是銳角開溝器，作業(yè)時土壤擾動大。

由表 5可得，集成式開溝器、雙圓盤開溝器、尖角式開溝器的回土量分別為12.6、9.7、7.8 cm2。集成式開溝器回土量比雙圓盤開溝器高29.9%，比尖角式開溝器高61.5%。

綜合田間對比試驗可知，多功能集成式播種開溝器可改善種床土壤環(huán)境，增強土壤緊實度，提高播種深度均勻性。

5 結(jié) 論

1）本文設(shè)計一種集開溝、回土、鎮(zhèn)壓一體化的集成式播種開溝器，通過滑刀、擋土板、鎮(zhèn)壓輪的相互配合能夠?qū)崿F(xiàn)開出種溝，種子落至溝底，濕土回流溝內(nèi)，鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓種溝，種子與土壤緊密接觸。

2）以滑刀滑切角、擋土板傾角、彈簧形變量為試驗因素，土壤擾動量、土壤緊實度為試驗指標，對多功能集成式播種開溝器進行三元二次回歸正交組合多因素試驗，得到開溝器各參數(shù)最優(yōu)組合：滑刀滑切角44.6°、擋土板傾角3.2°、彈簧形變量11.8 mm。

3）選取東北常用雙圓盤開溝器、尖角式開溝器與最優(yōu)參數(shù)下的多功能集成式播種開溝器進行田間對比試驗，多功能集成式播種開溝器播深變異系數(shù)比雙圓盤開溝器播深變異系數(shù)低了 32.4%，比尖角式開溝器低了25.2%；集成式開溝器作業(yè)后的土壤緊實度比雙圓盤開溝器緊實度高38.6%，比尖角式開溝器緊實度高62.9%；多功能集成式播種開溝器作業(yè)產(chǎn)生的土壤擾動量比雙圓盤開溝器降低16.3%，比尖角式開溝器降低36.5%，其回土量比雙圓盤開溝器提高 29.9%，比尖角式開溝器提高61.5%。

多功能集成式播種開溝器可改善種床土壤環(huán)境，增強土壤緊實度，提高播種深度均勻性，為播種開溝器的設(shè)計提供集成化的借鑒思想。

[1] Celik A, Ozturk I, Way T R. Effects of various planters on emergence and seed distribution uniformity of sunflower[J].Applied Engineering in Agriculture, 2007, 23(1): 57－61.

[2] 陳海濤，查韶輝，頓國強，等. 2BMFJ系列免耕精量播種機清秸裝置優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47(7)：96－102.Chen Haitao, Zha Shaohui, Dun Guoqiang, et al.Optimization and experiment of cleaning device of 2BMFJ type no-till precision planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 96－102.(in Chinese with English abstract)

[3] 胡紅，李洪文，李傳友，等. 稻茬田小麥寬幅精量少耕播種機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(4): 24－32.Hu Hong, Li Hongwen, Li Chuanyou, et al. Design and experiment of broad width and precision minimal tillage wheatplanter in rice stubble field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(4): 24－32. (in Chinese with English abstract)

[4] 呂秀婷. 小籽粒精密播種機的研發(fā)與試驗研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2016.Lü Xiuting. Manufacturing and Experimental Research on Small Grain Precision Seeder[D]. Yangling: North West Agricultureand Forestry University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[5] 白小虎. 免耕播種機關(guān)鍵部件及其參數(shù)化設(shè)計方法研究[D]. 沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學，2012.Bai Xiaohu. Study on Key Parts of No-till Planter and Parameterization Design Method[D]. Shengyang: Shenyang Agricultural University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[6] 賈洪雷，鄭嘉鑫，袁洪方，等. 仿形滑刀式開溝器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(4): 16－24.Jia Honglei, Zheng Jiaxin, Yuan Hongfang, et al. 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).

[7] 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 Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(13): 16－23. (in Chinese with English abstract)

[8] 趙淑紅，劉宏俊，譚賀文，等. 仿旗魚頭部曲線型開溝器設(shè)計與性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(5)：32－39.Zhao Shuhong, Liu Hongjun, Tan Hewen, et al. Design and performance experiment of opener based on bionic sailfish head curve[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017,33(5): 32－39. (in Chinese with English abstract)

[9] Aliakbar S，John M F. Soil translocation by narrow openers with various rake angles[J]. Biosystems Engineering, 2012,112: 65－73.

[10] Aliakbar S, Jacky M, Desbiolles A, et al. Soil translocation by narrow openers with various blade face geometries[J].Biosystems Engineering, 2013, 114: 259－266.

[11] Aliakbar S, John M F, Jacky M A D, et al. Soil translocation by narrow openers with various bent leg geometries[J].Biosystems Engineering, 2014, 127: 41－49.

[12] Vamerali T, Bertoccob M, Sartori L. Effects of a new wide-sweep opener for no-till seeder on seed zone properties and root establishment in maize: A comparison with doubledisk opener[J]. Soil and Tillage Research, 2006, 89: 196－209.

[13] Ozmerzi A，Karatel D，Topakci M. Effect of sowing depth on precision seeder uniformity[J]. Biosystems Engineering,2002, 82(2): 227－230.

[14] 佟金，張清珠，常原，等. 肋條型仿生鎮(zhèn)壓輥減粘降阻試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45(4)：135－140.Tong Jin, Zhang Qingzhu, Chang Yuan, et al. Reduction of soil adhesion and traction resistance of ridged bionic press rollers[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(4): 135－140. (in Chinese with English abstract)

[15] Ren Luquan, Li Jianqiao, Chen Bingcong. Unsmoothed surface on reducing resistance by bionics[J]. Chinese Science Bulletin, 1995, 40(13): 1077－1080.

[16] 郭慧，陳志，賈洪雷，等. 錐形輪體結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(12)：56－65.Guo Hui, Chen zhi, Jia Honglei, et al. Design and experiment of soil-covering and soil-compacting device with coneshaped structure of wheel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2017, 33(12): 56－65. (in Chinese with English abstract)

[17] 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究所. 農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊上[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社，2007.

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

[19] 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)機械學報，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 Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(2):38－42. (in Chinese with English abstract)

[20] Damora D, Pandey K P. Evaluation of performance of furrow openers of combined seed fertilizer drills[J]. Soil and Tillage Research, 1995, 34(1): 127－139.

[21] Tessier S, Saxton K E, Papendick R I, et al. Zero tillage furrow opener effects on seed environment and wheat emergence[J]. Soil & Tillage Research, 1991, 21(34): 347－360.

[22] 曾德超.機械土壤動力學[M]. 北京：北京科學技術(shù)出版社,1995.

[23] 王樂，邱立春，李永奎. 玉米種子在導種管中運動過程的告訴攝像分析[J]. 農(nóng)機化研究，2010，16(10)：130－132.Wang Le, Qiu Lichun, Li Yongkui. High-speed photography analysis on process of corn seeds moving in seed tube[J].Research on Agricultural Mechanization, 2010,16(10) : 130－132. (in Chinese with English abstract)

[24] 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)工程學報，2016，32(19): 26－34.Zhao Shuhong, Liu Hongjun, Zhang Xianmin, et al. Design and optimization experiment of working performance of sliding push opener[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2016, 32(19): 26－34. (in Chinese with English abstract)

[25] Hasimu A, Chen Y. Soil disturbance and draft force of selected seed openers[J]. Soil and Tillage Research, 2014,140: 48－54.

[26] 郭慧. 行間播種機彈性鎮(zhèn)壓裝置研究與試驗[D]. 長春：吉林大學，2014.Guo Hui. Research and Experiment of Elastic Press Device for Inter-Row Till-Planter[D]. Changchun: Jilin University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[27] 趙淑紅，劉宏俊，譚賀文，等. 雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2017，48(4)：82－89.Zhao Shuhong, Liu Hongjun, Tan Hewen, et al. Design and experiment of bidirectional profiling press device for hilly area[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(4): 82－89. (in Chinese with English abstract)

[28] 王文斌，林忠欽. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2004.

[29] Osmar C, Renato L, Henrique D, et al. Soil disturbance index as an indicator of seed drill efficiency in no-tillage agrosystems[J].Soil and Tillage Research, 2011, 114(1): 37－42.

[30] Collind B A, Fowler D B. Effect of soil characteristics,seeding depth, operating speed and opener design on draft force during seeding[J]. Soil and Tillage Research, 1996,39(3/4): 199－211.

[31] 田素博，楊繼峰，王瑞麗，等. 蔬菜嫁接機嫁接夾振動排序裝置工作參數(shù)優(yōu)化試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(6):9－16.Tian Subo, Yang Jifeng, Wang Ruili, et al. Optimization experiment of operating parameters on vibration sorting clipdevice for vegetable grafting machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(6): 9－16. (in Chinese with English abstract)

[32] 康建明，李樹君，楊學軍，等. 正弦指數(shù)曲線型開溝刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47(11)：91－99.Kang Jianming, Li Shujun, Yang Xuejun, et al. Structure parameters optimization of sine exponential curve type ditching blade[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(11): 91－99. (in Chinese with English abstract)