齊江濤，孫會彬，賈洪雷，劉 行，張勝偉，陳天佑

（1. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實驗室，長春 130022；2. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022）

0 引言

中耕培土是玉米生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的田間管理環(huán)節(jié)之一，在大田管理中占有重要地位[1-3]。培土的主要作用包括提高中耕效果、防倒伏、保蓄土壤水分、保持土壤溫度等[3-5]。由于東北地區(qū)氣候寒冷、黑土地壓實作業(yè)導(dǎo)致土壤板結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，為了保證玉米植株的正常生長，對培土高度[6]與土壤破碎效果的要求也逐年升高。為提高東北地區(qū)玉米中耕培土的質(zhì)量，亟需研究一種具有良好培土效果的中耕培土裝置。

為提高中耕作業(yè)的培土效果，宋萬兔等[7]采用JB-2型精量點(diǎn)播機(jī)配套培土鏟，探討了培土鏟對旱坪地保水固土及玉米產(chǎn)量的影響；任鳳偉等[8]設(shè)計了一種高稈玉米施肥培土機(jī)，對山地玉米施肥培土的效率進(jìn)行了研究；Evans等[9]利用對比試驗，對3種中耕機(jī)的除草性能進(jìn)行了對比；Bernik等[10]以作物產(chǎn)量、工作效率和生產(chǎn)率為指標(biāo)，對3種培土起壟機(jī)作業(yè)性能進(jìn)行了相關(guān)研究。為探究不同因素對培土過程阻力變化的影響，Marakoglu等[11]探討了中耕機(jī)作業(yè)速度、前傾角度及入土深度對工作阻力及土壤擾動的影響；林靜等[12]設(shè)計了一種兼顧深松和培土的裝置，并對其作業(yè)的動力消耗與工作阻力進(jìn)行了研究；車剛等[13]針對培土壁及鏟尖進(jìn)行優(yōu)化，研究對培土器的的入土及翻土能力的影響。綜上，現(xiàn)有培土裝置的研究主要針對中耕作業(yè)過程中入土阻力及功耗情況，對培土裝置的培土高度及碎土率的相關(guān)研究不足，針對東北冷涼地區(qū)壟上作物保溫性及板結(jié)問題研究較少。

本文針對培土裝置培土高度較低、土壤破碎效果較差導(dǎo)致培土效果較差的問題，對培土翼板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，對曲翼培土裝置及其阻力監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。針對阻力監(jiān)測系統(tǒng)可靠性、培土裝置的培土高度及碎土率進(jìn)行試驗，利用多指標(biāo)優(yōu)化法確定因素的最優(yōu)組合，以期為培土裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及功能優(yōu)化提供參考。

1 裝置組成及工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

曲翼培土裝置主要由曲翼培土器和阻力監(jiān)測系統(tǒng)組成（圖1a），其中曲翼培土器主要包括鏟柄、培土底板、鏟胸、夾角調(diào)節(jié)部件以及對稱布置的曲翼培土板等；阻力監(jiān)測系統(tǒng)主要包括仿形拉壓桿、耕深調(diào)節(jié)桿、聯(lián)接機(jī)架、拉壓力傳感器、角度傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

阻力監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)平行仿形四桿原理檢測阻力，指導(dǎo)曲翼培土器作業(yè)[14]。為便于監(jiān)測，阻力監(jiān)測系統(tǒng)獨(dú)立于培土器，由阻力測試掛接機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2部分組成。阻力測試掛接機(jī)構(gòu)主要由仿形拉壓桿、耕深調(diào)節(jié)桿等組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由DH5930便攜式模態(tài)測試分析系統(tǒng)、單路信號放大器、天光TJL-5壓力傳感器、電 源模塊等組成。

1.2 工作原理

曲翼培土裝置的工作原理為：作業(yè)時，機(jī)具帶動曲翼培土裝置作業(yè)，曲翼培土器將土壤按照已經(jīng)確定的壟溝溝底切開，并將土壤分向兩側(cè)，土壤沿著兩翼向后上方運(yùn)動，在達(dá)到預(yù)定的高度時，沿一定曲線拋向作物根部并按照土壤的自然休止角形成壟體。

阻力監(jiān)測系統(tǒng)工作原理：如圖1a，1d所示，培土機(jī)構(gòu)在工作時，仿形桿下降，拉壓力傳感器會監(jiān)測到壓力變化。AD、BC兩個仿形桿為二力桿，受到力的方向都沿著桿的方向，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的拉壓力傳感器的電壓變化獲得實時的拉壓力數(shù)據(jù)，傳感器每隔20 ms得到一次數(shù)據(jù)，每隔2 s取測得數(shù)據(jù)的最大值與最小值并取平均，將該平均值視為時間間隔的耕作阻力。

作業(yè)時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用IIC通信協(xié)議，控制器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將拉壓力傳感器測量出的經(jīng)過放大后的電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，控制器將數(shù)字量存儲到EEPROM存儲器中，控制器和電腦端可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)的處理。

2 主要部件參數(shù)的確定

2.1 壟型設(shè)計

壟型斷面參數(shù)是培土裝置觸土表面設(shè)計重要的參考依據(jù)[15]。結(jié)合東北地區(qū)氣候特點(diǎn)及對東北地區(qū)壟型特征測量，設(shè)計上部類圓弧型、下部為梯形的壟型（圖2），可減少土埂的表面積且增加玉米根部土壤厚度，一定程度上提高保溫性[16-18]。

設(shè)V0為壟上土壤的斷面面積，通過實地測量確定土壟邊界點(diǎn)數(shù)值，并經(jīng)MATLAB擬合得出壟型曲線為

式中x表示土壟斷面在軸x方向的坐標(biāo)，mm；y表示土壟斷面在y方向上的坐標(biāo)，mm；x的取值范圍為[-200,200]，mm。

根據(jù)圖2所示，則壟上土壤的斷面面積為

由圖2可知，工作部件由土壟下方挖出土壤后的斷面面積V1為

理論上，V1與V0相同，但土壤在經(jīng)過培土部件疏松、翻轉(zhuǎn)等作用后會使壟上土壤體積增大（土壟斷面面積同理亦增大），因此在V1與V0關(guān)系式中需要加入膨松系數(shù)λ，即：

根據(jù)玉米壟型基本參數(shù)及對試驗田壟作情況測量確定參數(shù)如下：土壟的膨脹系數(shù)λ為1.8[15]，壟距l(xiāng)為560～700 mm，取測量平均值645 mm；壟溝底寬a1為400～500 mm，取測量平均值456 mm；壟高l0為100～150 mm，取測量平均值134 mm[19]。

由式（3）、（4）可確定l2=77.24 mm；y(0)=162.3 mm，l1=239.54 mm；培土器高度一般為培土后壟全高l1的1.2倍[15]，因此，本設(shè)計中培土器的高度H=288 mm（圖1b），為后續(xù)曲翼參數(shù)的確定提供依據(jù)。

2.2 曲翼培土板的優(yōu)化

曲翼培土板主要分為平面和曲翼兩部分，是培土器主要的觸土面[20]。相關(guān)研究表明[21]，曲面可以增加土壤的碎土和翻土能力，增加土壤的水平推送量，改善培土效果。圖3為土壤運(yùn)動形態(tài)示意圖，首先土壤向斜上方做平移運(yùn)動，破碎程度較低；接著土壤運(yùn)動至曲翼部分，土壤受到扭轉(zhuǎn)和側(cè)移作用，曲翼部分使土壤發(fā)生剪切破壞，提高了土壤的破碎程度。因此，本研究將曲翼部分作為裝置的優(yōu)化重點(diǎn)。

對于曲翼培土范圍的研究，已知土壤顆粒離開培土曲翼的初速度為vc，設(shè)土壤拋出時拋射角為η，H=288 mm，參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊幅寬B（圖1c）取值范圍為275-430 mm[22]。

拋土的運(yùn)動學(xué)方程式為

在機(jī)具培土過程中，為保證培土過程中所培土的距離可以覆蓋整個土壟，可得拋土距離L為

因此，由式（6）得L的取值范圍為185～370 mm；以x=L，y=0為參考值，代入上式得

由式（5）、式（7）得拋土距離與拋射角有關(guān)，土壤被拋出時的速度vc近似取7 km/h時，將vc、L帶入式（7）得η為45°～50°。因此，拋射角η取值范圍為45°～50°可滿足土壟拋土要求，從而指導(dǎo)曲翼參數(shù)調(diào)整。

3 性能試驗

3.1 耕作阻力測試試驗

3.1.1 試驗條件

試驗在吉林大學(xué)土槽實驗室進(jìn)行，土槽長40 m，寬3 m，深1.2 m，土壤為東北地區(qū)的普通黑鈣土[23]，透氣透水性能良好。試驗前進(jìn)行旋耕、鎮(zhèn)壓處理，經(jīng)對試驗地土壤測量，相關(guān)土壤參數(shù)如表1所示。

表1 試驗土壤參數(shù) Table 1 Soil parameters of test plots

試驗設(shè)備包括：土槽臺車、耕深尺、卷尺、標(biāo)桿、鋼板尺、環(huán)刀、電子天平、MS-350型土壤濕度測定儀、SC-900型土壤堅實度測定儀、11000型土壤溫度儀、穩(wěn)壓電源、12 V轉(zhuǎn)5 V降壓模塊、12 V移動電源。

3.1.2 試驗方案

為驗證阻力監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，將三點(diǎn)式阻力測試系統(tǒng)與阻力監(jiān)測系統(tǒng)同時安裝在土槽試驗車進(jìn)行土槽試驗[24]。試驗時，選取工作速度v、入土深度h作為影響耕作阻力的主要因素[25]。在同等條件下，每組試驗重復(fù)3次，對阻力測裝置采集的數(shù)據(jù)每隔1 s取一次觀測值，每次試驗取5次，每組試驗的試驗數(shù)據(jù)點(diǎn)為15個，每種試驗條件下所測結(jié)果的平均值如表2所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計 Table 2 Test data statistic

3.1.3 試驗結(jié)果與分析

分析本文所設(shè)計阻力監(jiān)測系統(tǒng)與三點(diǎn)式阻力測試系統(tǒng)的土槽試驗數(shù)據(jù)，由表2結(jié)果可知，在不同工作速度、不同入土深度條件下，與三點(diǎn)式阻力測試系統(tǒng)耕作阻力相比，本文所設(shè)計阻力監(jiān)測系統(tǒng)耕作阻力的最大平均相對誤差為2.35%，具有良好的測量精度。相對于傳統(tǒng)的三點(diǎn)式阻力測試系統(tǒng)而言，本文設(shè)計的阻力監(jiān)測系統(tǒng)可獨(dú)立安裝培土器上，能夠避免后懸掛系統(tǒng)頻繁升降對三點(diǎn)式阻力測試系統(tǒng)測量精度和使用壽命所帶來的影響。

3.2 培土作業(yè)質(zhì)量影響因素試驗

3.2.1 試驗設(shè)計

田間作業(yè)時，作業(yè)效果主要由培土高度及碎土效果決定。培土作業(yè)效果受牽引機(jī)具前進(jìn)速度影響較大；入土深度和曲翼夾角則影響土壤的擾動量和培土量，進(jìn)而影響培土效果[15,26]。因此，開展以工作速度、入土深度及曲翼夾角對曲翼培土裝置培土高度及碎土率影響規(guī)律的試驗研究。初步確定工作速度的水平為6-8 km/h，入土深度為140～160 mm[15]。依據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊[22]及上述理論分析，初步確定曲翼夾角為50°～70°。因素水平表如表3所示。

表3 試驗因素水平 Table 3 Factor and level of experiment

3.2.2 試驗設(shè)備與材料

試驗時間為2019年5—6月，試驗地點(diǎn)為德惠市米沙子鎮(zhèn)試驗田（北緯44°09′26.22″，東經(jīng)125°33′50.69″）。試驗地為普通黑鈣土[22-23,27]，試驗地種植模式為壟上等行距種植模式，通過3NZG-3000M型多功能高地隙底盤中耕車帶動培土裝置進(jìn)行作業(yè)，經(jīng)測量試驗前的土壤物理性質(zhì)如表4所示。

表4 試驗田0～100 mm深度土壤物理化學(xué)性質(zhì) Table 4 Physical and chemical properties of soil in the test field 0-100 mm depth

3.2.3 試驗方法

東北地區(qū)中耕作業(yè)過程中，傳統(tǒng)培土器對于黏重板結(jié)土壤作業(yè)時碎土率低[22]，培土效果不夠理想，不利于玉米植株的生長[15]；并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[27-29]進(jìn)行田間試驗。本設(shè)計選用碎土率及培土高度作為評價指標(biāo)。

1）碎土率

每段作業(yè)行程后隨機(jī)取壟上面積0.25 m2表層0.03 m耕層內(nèi)土壤[15]，通過篩網(wǎng)將直徑小于25 mm的土塊篩選出，并以直徑小于25 mm的土塊質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比表示碎土率，共測行程中5塊面積，取平均值[15,27]。計算方法如式（8）所示。

式中ψ為碎土率，%；MS為測區(qū)內(nèi)土壤總質(zhì)量，g；MZ為測區(qū)內(nèi)直徑小于25 mm的土塊質(zhì)量，g。

2）培土高度

在培土機(jī)構(gòu)正常工作區(qū)域內(nèi)，沿作業(yè)方向，每個行程從所測點(diǎn)中去除最高點(diǎn)和最低點(diǎn)后取25個，用鋼尺測量培土高度[27,30]，記錄數(shù)據(jù)，取平均值作為試驗區(qū)域培土高度。

3.2.4 結(jié)果與分析

采用Box-behnken試驗設(shè)計原理，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 田間試驗結(jié)果 Table 5 Field test results

由上述試驗分析對表5試驗數(shù)據(jù)運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行二次回歸擬合方程，剔除非顯著因素，得出培土高度及碎土率的多項式回歸方程：

對回歸方程式（9）～式（10）進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表6。

表6 各因素對指標(biāo)的方差分析 Table 6 Variance analysis of various factors on indicators

如表6所示，X1，X2，X3，X1X2，X2X3對培土高度的影響均為顯著項（P＜0.05），X1，X2，X3，X1X2，X1X3對碎土率的影響均為顯著項（P＜0.05）；培土高度與碎土率回歸模型的P均小于0.0001，模型顯著；培土高度與碎土率失擬項的P值分別為0.7459、0.417，大于0.05，表明回歸方程不失擬。

試驗因素對模型的影響程度與貢獻(xiàn)率K值的大小成正比，計算方法為

式中F為回歸方程中各回歸項F值；θ為回歸項對F值的考核值；Kxj為各影響因素貢獻(xiàn)率。

由式（12）計算得：工作速度、曲翼夾角、入土深度對培土高度的貢獻(xiàn)率分別為2.47、2.93、2.45；對碎土率的貢獻(xiàn)率分別為2.89、1.78、2.52。即各因素對培土高度的貢獻(xiàn)率主次順序為X2、X1、X3，對碎土率的主次順序為X1、X3、X2。

對試驗結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，圖4a為曲翼夾角、工作速度對培土高度的交互作用響應(yīng)曲面圖，圖4b為入土深度、曲翼夾角對培土高度的交互作用響應(yīng)曲面圖。由響應(yīng)面的形狀可以看出：隨著曲翼夾角和工作速度的增大，培土高度先增加后減??；隨著入土深度和曲翼夾角的增大，培土高度先增加后減小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是：1）工作速度增大，土壤更多的被翻拋到土壟上方，提高了培土高度；當(dāng)速度過大時，土壤被翻拋到土壟另一側(cè)，反而不能提高培土高度。2）曲翼夾角增大使得曲翼翻起的土壤量增多，提高了培土高度；若曲翼夾角過大，則會導(dǎo)致部分土壤翻拋在壟溝里，未起到提高培土高度的作用。3）入土深度提高在一定范圍內(nèi)增加了動土量，使得培土高度增加，但達(dá)到一定深度后，被翻起的土壤過多，多余的土壤未到達(dá)土壟上方就已在自重的作用下落在壟側(cè)，使培土效果降低。

對試驗結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析， 圖5a為曲翼夾角、工作速度對碎土率交互作用的響應(yīng)曲面圖，圖5b為入土深度、工作速度對碎土率交互作用的響應(yīng)曲面圖。由響應(yīng)面的形狀可以看出，增大曲翼夾角和工作速度可以提高碎土率，增大入土深度和工作速度可以提高碎土率。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是曲翼夾角增大使得曲翼對土壤的沖擊作用增大，提高了土塊破碎效果；入土深度增大使得曲翼更多的土壤由曲翼翻拋在壟上，翻拋過程使的更多土塊得以破碎；工作速度的增大時，培土器的曲翼培土板在高速下對土壤剪切作用增強(qiáng)，從而提高了碎土率。

為驗證回歸模型的可靠性，以培土高度和碎土率作為試驗指標(biāo)，且本研究重點(diǎn)考察曲翼培土裝置對培土高度和碎土率的影響，與碎土率相比，結(jié)合東北冷涼區(qū)保溫性能要求，培土高度較為重要，利用Design-Expert 8.0.6軟件設(shè)置碎土率與培土高度的權(quán)重（weight）參數(shù)分別為0.4、0.6，得到曲翼培土裝置的最優(yōu)參數(shù)組合：工作速度為7.64 km/h，曲翼夾角為60.51°，入土深度為152.19 mm；在最優(yōu)參數(shù)組合下模型的預(yù)測培土高度為62.40 mm，碎土率為86.50%?？紤]到試驗的操作性，對優(yōu)化條件進(jìn)行調(diào)整：工作速度為7.6 km/h，曲翼夾角為61°，入土深度為152mm。

3.2.5 驗證試驗

根據(jù)上述試驗結(jié)果，在田間試驗進(jìn)行驗證，驗證試驗重復(fù)3次，培土高度平均值為62.13 mm，與模型預(yù)測值62.40 mm相接近；碎土率為86.78%，與預(yù)測值86.41%相接近，試驗值與預(yù)測值的誤差分別為0.27 mm和0.37%，說明回歸方程具有良好的可靠性。

4 結(jié)論

1）以工作速度、曲翼夾角和入土深度為因素，培土高度和碎土率為指標(biāo)進(jìn)行性能試驗。通過試驗數(shù)據(jù)分析，確定回歸模型；對各回歸模型進(jìn)行擬合度和顯著性檢驗，各因素對培土高度和碎土率的影響顯著。影響培土高度順序為：曲翼夾角、工作速度、入土深度。影響碎土率順序為：工作速度、入土深度、曲翼夾角。交互作用中，工作速度和曲翼夾角、入土深度和曲翼夾角對培土高度的影響顯著；工作速度和曲翼夾角、工作速度和入土深度的交互作用對碎土率的影響顯著。

2）優(yōu)化后獲得最佳組合參數(shù)：工作速度為7.64 km/h，曲翼夾角為60.51°，入土深度為152.19 mm，在最優(yōu)參數(shù)條件下進(jìn)行驗證試驗，培土高度及碎土率分別為62.13 mm、86.78%，試驗值與預(yù)測值的誤差分別為0.27 mm和0.37%，回歸模型可靠性良好。