趙淑紅 楊羅羅 張 鑫 侯磊濤 袁溢文 楊悅乾

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

大豆屬養(yǎng)地作物，玉米為耗地作物，玉米-大豆輪作可有效儲存土壤營養(yǎng)成分[1-4]。東北黑土地大豆壟作主要以窄行密植為主，壟上雙行較單行種植增產(chǎn)15%以上[5]。由于大豆種子發(fā)育對種床的要求較高，而免耕播種可有效提高降水利用率、增加土壤中有機質(zhì)的含量，故免耕播種更有利于大豆作物的生長[6-7]。免耕播種過程主要包括破茬、施肥、開溝、排種、覆土、鎮(zhèn)壓等作業(yè)程序，其中開溝質(zhì)量是影響播種精確性的重要因素之一[8-11]。但在播種作業(yè)時，由于玉米根土結(jié)合體較大且壟向分布不均，破茬刀和施肥鏟只能沿機組前進方向?qū)⒏两Y(jié)合體縱向(壟向的豎直方向)切開和擾動，地表下的根土結(jié)合體仍然團聚較大，進而阻礙開溝器壟向運動，致使無法滿足大豆雙行播種深度均勻性和行距一致性的要求。因此，解決地表下玉米根土結(jié)合體對開溝質(zhì)量的影響，可有效提高播種質(zhì)量。

目前，大豆壟上雙行免耕播種機主要采用雙圓盤開溝器，雙圓盤開溝器在作業(yè)時，土壤擾動大且無護種裝置，種子容易與溝墻碰撞，從而導(dǎo)致種子分布均勻性和播深一致性差[12-13]。賈洪雷等[9]設(shè)計了大豆播種雙V型筑溝器，解決了雙圓盤開溝器土壤擾動大、大豆種子易彈跳等問題。侯守印等[11]設(shè)計了一種分體式大豆壟上雙行免耕播種開溝器，解決了免耕作業(yè)過程中開溝器入土難、易堵塞等問題。VAMERALI等[14]設(shè)計了一種寬翼型銳角免耕播種開溝器，解決了種床土壤緊實度不足等問題。但針對解決地表下玉米根土結(jié)合體阻礙大豆雙行播種開溝器壟向運動，進而影響其開溝質(zhì)量的研究鮮見報道。

本文設(shè)計一種鋸齒式大豆雙行播種開溝器，以提高播種深度均勻性、行距一致性，實現(xiàn)交錯播種。通過理論分析和農(nóng)藝學(xué)測量，設(shè)計前刀、鋸齒形側(cè)刃等鋸齒式開溝器關(guān)鍵參數(shù)，并開展離散元仿真驗證試驗、田間性能和對比試驗，以期為提高大豆壟上雙行免耕播種機播種質(zhì)量提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

大豆壟上雙行免耕播種機是本文所設(shè)計的鋸齒式播種開溝器工作平臺，如圖1所示。主要由排種系統(tǒng)、鋸齒式開溝器、破茬刀、施肥鏟、地輪、覆土器、肥箱、鎮(zhèn)壓輪等構(gòu)成。鋸齒式開溝器主要由鏟柄、前刀、鋸齒形側(cè)刃、擋土板、導(dǎo)種管等組成，如圖2所示。

圖1 大豆壟上雙行免耕播種機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of double-row no-tillage planter on soybean ridge1.鎮(zhèn)壓輪 2.排種系統(tǒng) 3.肥箱 4.三點懸掛架 5.前鎮(zhèn)壓輪 6.圓盤破茬刀 7.圓弧施肥鏟 8.地輪 9.單體梁 10.鋸齒式開溝器 11.覆土器

圖2 鋸齒式開溝器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sawtooth opener structure diagram1.鏟柄 2、5.擋土板 3.前刀 4分種板 6.鋸齒形側(cè)刃 7.導(dǎo)種管

大豆壟上雙行免耕播種作業(yè)時，首先通過圓盤破茬刀對玉米根茬沿機組前進方向進行縱向切割；其次圓弧施肥鏟開出較小肥溝；最后鋸齒式開溝器的前刀先將土壤沿豎直方向切開，接著鋸齒形側(cè)刃橫向(壟向的水平方向)切斷阻礙開溝器壟向運動的根系，以保證播種深度均勻性和行距一致性，構(gòu)建良好種床環(huán)境；同時，大豆種子從雙行排種器排種口進入被分種板分開的鏟柄內(nèi)部，落到前后布置的兩導(dǎo)種管中，進行交錯播種。

2 開溝器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 前刀曲線設(shè)計

對于前刀，刃口形狀一般分為曲線和直線兩種，刃口為曲線時開溝阻力更小[15]。免耕作業(yè)時，不同的前刀曲線對于耕層土壤與表層秸稈的運動以及翻土效果有著重要的影響。在作業(yè)過程中，擁有凹線型刃口曲線的開溝器開出的種溝寬度、拋土寬度以及土壤擾動溝型截面積比刃口曲線為凸線型要小[16]，所以前刀曲線優(yōu)先選擇凹型曲線。在土壤團聚體內(nèi)部，可近似認為土壤顆粒之間的距離保持恒定。如圖3所示，M、N表示土壤團聚體內(nèi)部兩顆粒，兩顆粒之間距離為定值，假設(shè)N在重力的作用下做豎直下落運動，那么M在重力及N對其的作用力下運動，其運動軌跡符合曳物線的性質(zhì)。若選取曳物線為前刀曲線，則前刀在觸土作業(yè)時，土壤顆粒有沿著前刀曲線向前運動的趨勢，可以提高開溝器工作穩(wěn)定性并減少土壤擾動，故前刀曲線設(shè)計為曳物線形。

圖3 曳物線Fig.3 Tractrix

在平面xOy內(nèi)，設(shè)參數(shù)方程為

(1)

式中θ——y軸與MN夾角

(2)

式中X——某一時刻點M的x軸坐標

Y——某一時刻點M的y軸坐標

令lMN=a，所以

(3)

因此，由式(3)可解得

令x=asinθ，則

(4)

(5)

所以求得以y軸為漸近線的參數(shù)方程為

(6)

(7)

對式(7)求導(dǎo)可得

(8)

如圖4所示，設(shè)P(x1,y1)、Q(x2,y2)兩點的斜率分別為kP、kQ，則

圖4 前刀示意圖Fig.4 Rake diagram

(9)

(10)

式中δ1——點P入土角δ2——點Q入土角

根據(jù)公式(9)、(10)求得P、Q兩點的橫坐標x1、x2為

(11)

(12)

則

(13)

由式(13)可得

(14)

將式(14)代入式(7)中，可得前刀曲線方程為

(15)

由公式(15)可知，前刀曲線形狀由δ1、δ2以及l(fā)PQ決定，參照文獻[17]，取δ1=55°、δ2=25°，根據(jù)農(nóng)藝要求，大豆播種開溝深度在30～50 mm為宜，因此為了保證開溝器具有足夠的作業(yè)空間，hPQ取60 mm，lPQ取 60mm，由式(14)解得a=-180 mm，則可得前刀刃的曲線方程為

(16)

2.2 鋸齒形側(cè)刃設(shè)計

2.2.1側(cè)刃曲線設(shè)計

前茬作物玉米根土結(jié)合體較大且壟向分布不均勻，田間實際生長情況如圖5所示。在播種作業(yè)時，破茬刀和施肥鏟只能沿前進方向?qū)⒏两Y(jié)合體縱向切開，地表下的根土結(jié)合體仍然團聚較大，嚴重影響大豆雙行播種深度均勻性和行距一致性。因此，針對上述問題在開溝器主體兩側(cè)設(shè)計側(cè)刃，橫向切割相應(yīng)根系，以提高開溝器工作性能。

圖5 壟上玉米根系實際排列Fig.5 Actual arrangement of corn stubble on ridge

等進螺線具有較好的滑切性能[18]，因此側(cè)刃曲線采用等進螺線，其方程為

rn=r0+rφ

(17)

式中r0——起點極徑，mm

rn——螺線極徑

r——極角每增加一弧度時極徑的增量，mm

φ——任意點的極角，rad

借助S150型旋耕刀來計算r，查閱文獻[19]可知rn=130 mm，r0=92 mm。

(18)

式中τ——螺線終點處的滑切角，(°)

φn——螺線終點的極角，rad

由文獻[19]可知τ取55°。由式(18)解得φn=0.42 rad,r=90.48 mm。

則螺線方程為

rn=92+90.48φ

(19)

由于側(cè)刃安裝在開溝器主體兩側(cè)，所以其螺線的弦長為定值。為保證側(cè)刃安裝的精確性，首先借助AutoCAD測定其所需弧長。其方法是根據(jù)螺線方程式繪制出0～2π范圍內(nèi)曲線，進而繪制其弦長，測得弧長l為105 mm。由螺線弧長公式

(20)

計算可得φ=0.81 rad，故φ的范圍為(0，0.81 rad)?？紤]到側(cè)刃在進行切割時具有足夠的強度以及方便加工，側(cè)刃厚度設(shè)計為1.5 mm。

2.2.2側(cè)刃切割根系力學(xué)分析

取根系體內(nèi)一質(zhì)點O為研究對象，假定該質(zhì)點隨拖拉機沿z方向進行平行移動，側(cè)刃切割根系過程中，質(zhì)點O的受力如圖6所示(m為側(cè)刃切線方向，n為側(cè)刃法線方向)。

圖6 質(zhì)點O受力分析Fig.6 Force analysis of particle O

側(cè)刃切割根系時質(zhì)點O的動力學(xué)關(guān)系式為

(21)

式中ae——點O的牽連加速度，m/s2

ar——點O的相對加速度，m/s2

FN——側(cè)刃對點O的法向壓力，N

f1——側(cè)刃對點O的切向摩擦力，N

f2——側(cè)刃對點O的豎向摩擦力，N

α——滑切角，(°)

m′——質(zhì)點O的質(zhì)量，kg

μ——側(cè)刃與根系的摩擦因數(shù)

由關(guān)系式(21)可解得

(22)

質(zhì)點O的受力直接影響側(cè)刃切割根系的效果，由式(22)可知，F(xiàn)N、μ、α影響ar的大小。因此，相較光滑的等進螺線形側(cè)刃，在等進螺線形側(cè)刃的基礎(chǔ)上增加鋸齒，可以增大摩擦因數(shù)μ，從而使ar增大，故可提高側(cè)刃切割根系的能力。為此下面通過農(nóng)藝學(xué)測量，以等進螺線形側(cè)刃為基礎(chǔ)，對鋸齒進行設(shè)計。

2.3 物料滑動摩擦角測定及鋸齒設(shè)計

由于玉米根土結(jié)合體內(nèi)摩擦因數(shù)復(fù)雜多變，所以具有固定滑切角的斜刃切割玉米根土結(jié)合體時效果不佳[20]。因此為了提高側(cè)刃切割根系的能力，對玉米根土結(jié)合體劃分區(qū)段，利用斜面法測其滑動摩擦角，由農(nóng)藝要求可知，大豆播種深度為30～50 mm，故選擇距地面50 mm的根系及土壤取樣，測定其滑動摩擦角。試驗樣品取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗田，為了使試驗樣品具有完整性及代表性，進行隨機取樣，取樣方法參照文獻[21]，如圖7所示。將試驗樣品按直徑對玉米根土結(jié)合體劃分為5個區(qū)段，如圖8所示，切取根土結(jié)合體相應(yīng)區(qū)段的物料進行試驗，利用斜面法對物料的滑動摩擦角進行測定，測定方法參照文獻[22]，試驗結(jié)果剔除錯誤數(shù)據(jù)后取其平均值。不同區(qū)段劃定范圍以及對應(yīng)平均滑動摩擦角如表1所示。

圖7 根土結(jié)合體樣品Fig.7 Sample of root-soil amalgame

圖8 區(qū)域劃分簡圖Fig.8 Schematic of area division

表1 不同直徑范圍物料平均滑動摩擦角Tab.1 Average sliding friction of materials with different diameter ranges

遵循滑切角大于摩擦角的結(jié)論，參照文獻[20]中摩擦角γ與滑切角α的關(guān)系式

2tan2γtan3α+4tan2γtanα+4tanγtan4α+
4tanγtan2α+4tanγ-24tan5α=0

(23)

借助Matlab軟件，計算對應(yīng)滑切角，結(jié)果取其整數(shù)，如表2所示。

表2 滑動摩擦角對應(yīng)的滑切角Tab.2 Sliding friction angle corresponded to sliding cut angle (°)

以滑動摩擦角為橫坐標，滑切角為縱坐標，通過Matlab軟件進行擬合，得到側(cè)刃齒形曲線，如圖9所示。擬合齒形曲線方程為

圖9 齒形擬合曲線Fig.9 Tooth shape fitting curve

y=0.003 168x3-0.344x2+13.27x-138.2

(24)

若齒距太小，不能很好地體現(xiàn)所擬合曲線切割性能；太大則鋸切效果不明顯，結(jié)合所設(shè)計開溝器主體尺寸，齒寬B取25 mm。在側(cè)刃進行鋸切時，假定間隔時間T時，將會有一個新的齒參與鋸切，鋸切速度根據(jù)機組前進速度而定，速度v取1.8 m/s[9]，則

(25)

由式(25)可解得時間間隔T為0.013 9 s。

由于側(cè)刃主要解決壟向阻礙開溝器前進的玉米根土結(jié)合體對其工作性能的影響，在鋸切過程中，鋸切行程只要滿足玉米根系根深在50 mm時根幅最大半徑即可，參照文獻[23]取根幅最大半徑R為70 mm，則側(cè)刃切割根系的時間t為

(26)

由式(26)可得t為0.039 s。

因此，同一時刻參與鋸切的平均齒數(shù)Z為

(27)

由式(27)解得平均齒數(shù)Z為2.8，因此側(cè)刃齒數(shù)取整數(shù)3。

2.4 其他部件設(shè)計

大豆種子為球形，在播種過程中極易發(fā)生彈跳，因此在開溝器主體內(nèi)部設(shè)計導(dǎo)種管，以最大程度減小因種子彈跳而導(dǎo)致播種均勻性差的問題。同時導(dǎo)種管采用前后交錯布置，實現(xiàn)雙行交錯播種。導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)如圖10a所示，交錯播種效果如圖10b所示。在開溝器主體上下兩側(cè)安裝擋土板，左右兩側(cè)安裝梯形擋土板，且導(dǎo)種管設(shè)計為梯形，以防止土壤進入開溝器內(nèi)部，造成導(dǎo)種管堵塞。

圖10 導(dǎo)種管及播種效果Fig.10 Seed guide tube and sowing effect

為了更好地將排種器排出的種子送入開溝器主體內(nèi)的導(dǎo)種管中，鏟柄方管內(nèi)部中間采用隔板分開。

鋸齒式開溝器開溝深度可在30～50 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，種子橫向距離在100～120 mm之間。為方便入土，設(shè)計入土隙角為5°[19]。

3 離散元仿真驗證

3.1 模型建立

3.1.1土壤模型

利用EDEM軟件進行土壤模型建立，根據(jù)前茬作物玉米的農(nóng)藝要求以及大豆播種開溝器的尺寸，土槽尺寸設(shè)定長×寬×高為1 600 mm×500 mm×150 mm。土壤顆粒模型設(shè)定為單一顆粒，顆粒半徑設(shè)定為6 mm。因為試驗用地為東北壤土，土壤模型具體參數(shù)見表3[24-25]。土壤顆粒間的接觸模型采用Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型，利用顆粒工廠進行土壤顆粒填充，顆粒數(shù)量不限，在土壤顆粒重力的作用下，使得土壤顆粒填滿模型。為了使得土壤顆粒之間粘結(jié)更好，待第一次顆粒填滿模型后進行沉降，沉降后繼續(xù)填充，直至填滿模型。

表3 土壤模型基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of soil model

3.1.2秸稈模型

本次離散元仿真驗證試驗涉及到破茬刀切割破碎秸稈，因此為了模擬秸稈破碎狀態(tài)，秸稈模型建立同土壤模型類似，采用EDEM軟件中的Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型。根據(jù)文獻[22]中的秸稈模型參數(shù)進行秸稈模型建立，秸稈顆粒半徑設(shè)置為1.5 mm，具體參數(shù)如表4所示，秸稈模型如圖11所示。

表4 秸稈模型基本參數(shù)Tab.4 Basic parameters of straw model

圖11 玉米秸稈模型Fig.11 Corn straw model

3.1.3根系模型

一般根系離散元模型建立時采用剛性不可變幾何體，這種模型可以很好地輸出受力[26]，但不能很好地模擬根系破碎與變形情況。因此為了驗證開溝器切割根系的效果，本試驗根系模型采用根系顆粒粘結(jié)生成。土壤顆粒和根系之間的接觸模型選擇JKR模型，根系與土壤表面能設(shè)定為10 J/m2[22]，根系模型其他參數(shù)參考文獻[25]，具體參數(shù)如表5所示，玉米根系幾何參數(shù)如圖12所示。

表5 根系模型基本參數(shù)Tab.5 Basic parameters of root stubble model

圖12 玉米根系幾何參數(shù)示意圖Fig.12 Schematic of geometric parameters of corn root system

3.1.4整體模型

整體模型由根系、土壤、秸稈3部分組成，其中秸稈隨機覆蓋在土壤表面，秸稈覆蓋量設(shè)定為1.0 kg/m2[22]。本試驗?zāi)Ｐ透禂?shù)選取4個，根系之間的距離設(shè)定為300 mm。由于在播種時種子與播種行中心存在距離偏差，同時為了能更好地驗證開溝器鋸齒形側(cè)刃切割根系的效果，根系布置如圖13所示。1號根系與3號根系中心位于中心線上，2號根系與4號根系的幾何中心偏離土壤模型中心15 mm。

圖13 整體仿真模型Fig.13 Global simulation model

為驗證鋸齒式開溝器設(shè)計思路的合理性及可行性，利用三維軟件SolidWorks構(gòu)建破茬刀-施肥鏟-開溝器幾何模型，保存為step格式導(dǎo)入EDEM軟件整體模型中。設(shè)置機組前進速度分別為5、7、9 km/h，開溝器入土深度為50 mm，進行3組離散元仿真試驗，如圖14所示。

圖14 離散元仿真Fig.14 Discrete element simulation

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1切割根系能力

鋸齒式開溝器鋸齒形側(cè)刃切割根系效果如圖15所示，1、3號根系在模型中心線上，破茬刀對其進行縱向切割，之后又被施肥鏟作用，所以根系上方的留茬被切掉。由于破茬刀與施肥鏟只對留茬以及根系進行縱向切割，切割寬度范圍在30～60 mm之間，而開溝器底面寬達120 mm，所以1、3號根系被開溝器鋸齒形側(cè)刃進行了橫向鋸切。2、4號根系由于不在模型中心線上，故不在破茬刀及施肥鏟的作用范圍內(nèi)，所以留茬沒有遭到破壞，而根系被開溝器鋸齒形側(cè)刃進行了橫向鋸切。由仿真結(jié)果分析可知，模型中4個根系均被鋸齒式開溝器鋸齒形側(cè)刃橫向鋸切，驗證了鋸齒式開溝器鋸齒形側(cè)刃設(shè)計的可行性。

圖15 根系切割效果Fig.15 Discrete element simulation process

3.2.2工作阻力

工作阻力以及隨速度增大開溝阻力的平穩(wěn)性是驗證開溝器工作性能的重要指標[27]。為驗證鋸齒式開溝器的工作性能，在開溝深度50 mm的條件下，機組前進速度分別以5、7、9 km/h進行離散元仿真試驗。仿真結(jié)束后，輸出開溝器的水平合力。

如圖16所示，開溝器水平合力為負值，表示與前進方向相反，即開溝器阻力。圖16中，在39.02、39.37、39.70、40.03 s時刻合力波動幅度較大，是由于開溝器與根系進行作用，阻力增大。39.02、39.37、39.70、40.03 s時刻分別對應(yīng)圖15中開溝器依次與根系1、2、3、4作用。其中39.02、39.70 s時刻是開溝器分別與根系1、3作用，1、3根系由于布置在模型中心線上，所以也受到破茬刀、施肥鏟的作用，所以在開溝器對根系1、3作用時阻力較小。39.37、40.03 s時刻為開溝器分別與根系2、4進行作用，而根系2、4的布置與模型中心線有偏差，與根系1、3相比，幾乎沒有被破茬刀和施肥鏟作用，所以開溝器對根系2、4作用時阻力較大。合力除4個峰值外，其他時刻開溝器只與土壤和秸稈作用，合力在-220～200 N范圍內(nèi)波動，波動幅度較小，趨于平穩(wěn)。

圖16 速度為5 km/h時開溝器水平合力變化曲線Fig.16 Change curve of resultant horizontal force of opener when speed was 5 km/h

如圖17所示，為機組前進速度7 km/h時，開溝器水平合力隨時間變化的趨勢。此時峰值與機組前進速度5 km/h時的峰值相差±5 N。除峰值外，合力也在-220～-200 N范圍內(nèi)波動，同速度在5 km/h時的合力變化趨勢接近。

圖17 速度為7 km/h時開溝器水平合力變化曲線Fig.17 Change curve of resultant horizontal force of opener when speed was 7 km/h

圖18為機組前進速度在9 km/h條件下，開溝器水平合力的變化趨勢。與機組前進速度在5 km/h和7 km/h條件下進行比較，峰值相差不大，除峰值外，其他時刻阻力略有增加，符合阻力隨速度增大而增大的規(guī)律。

圖18 速度為9 km/h時開溝器水平合力變化曲線Fig.18 Change curve of resultant horizontal force of opener when speed was 9 km/h

綜上所述，前刀為曳物線形的鋸齒式開溝器可有效提高開溝器的工作穩(wěn)定性。

4 田間試驗

通過離散元仿真表明，所設(shè)計的鋸齒式開溝器達到了設(shè)計預(yù)期效果。為進一步驗證鋸齒式開溝器田間作業(yè)綜合性能，進行田間性能試驗，且與雙圓盤開溝器進行對比試驗。

4.1 試驗材料

試驗條件：田間試驗于2020年10月21—28日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗基地(126.73°E，45.74°N；海拔：136 m)實施。試驗地為東北黑壤土，是壟作玉米收獲后秸稈還田地，有秸稈和殘茬覆蓋，平均留茬高度110 mm，秸稈覆蓋量為1.0 kg/m2，秸稈平均含水率28%，土壤平均含水率(20±1)%，土壤容重1.65 g/cm3，土壤硬度1 504 kPa。試驗地如圖19a所示。

圖19 試驗條件與設(shè)備Fig.19 Test conditions and equipment

試驗主要儀器設(shè)備：2BM-2型大豆免耕播種機、奔野454型拖拉機、約翰迪爾354型拖拉機、GPS-10A型機動車多功能檢測儀、鋸齒式開溝器、雙圓盤開溝器、SC-900型土壤硬度儀、鋼卷尺、電子天平、種溝測量尺(分別用于測量開溝深度、開溝寬度、種子的橫向位移等數(shù)據(jù))等。試驗種子選用東農(nóng)253號大豆，種子平均粒徑8.0 mm，凈度99.3%。開溝器實物如圖19b所示。

4.2 試驗方法

田間性能試驗時，在機組前進速度7 km/h，開溝深度50 mm條件下，以根系切斷率為主要評價指標，驗證開溝器鋸齒形側(cè)刃的鋸切性能。田間對比試驗時，在開溝深度為50 mm條件下，分別設(shè)置機組前進速度為5、6、7、8、9 km/h，以開溝深度變異系數(shù)、橫向粒距變異系數(shù)為主要評價指標，進行鋸齒式開溝器與雙圓盤開溝器對比試驗。每組行程設(shè)置為60 m，每組試驗重復(fù)3次。指標測量方法參照文獻[11,22,27]。

4.3 試驗結(jié)果分析

圖20為機組前進速度7 km/h，開溝深度50 mm條件下，根系被鋸齒式開溝器橫向鋸切切斷效果。由田間性能試驗結(jié)果可知，鋸齒式開溝器平均切斷根系率為97.25%，與離散元仿真試驗結(jié)果基本一致。圖21為播種效果，達到了預(yù)期的播種效果，同時也驗證了擋土板和導(dǎo)種管設(shè)計的合理性，有效防止了管口堵塞。這表明所設(shè)計的鋸齒式開溝器不僅可以開出平整溝型，而且提高了播種質(zhì)量，為大豆的生長發(fā)育提供了良好的條件。

圖20 切割根系效果Fig.20 Root system cutting effect

圖21 播種效果Fig.21 Sowing effect

為驗證鋸齒式開溝器的工作性能，同雙圓盤開溝器進行對比試驗，其中鋸齒式開溝器作業(yè)過程如圖22所示。以機組前進速度6 km/h，開溝深度50 mm為例，兩種開溝器作業(yè)效果如圖23所示，可見鋸齒式開溝器對土壤擾動較雙圓盤開溝器明顯小。

圖23 兩種開溝器作業(yè)效果Fig.23 Two kinds of opener operation effect

由圖24可知，鋸齒式開溝器平均開溝深度為50.81 mm，開溝深度變異系數(shù)為6.77%，雙圓盤開溝器平均開溝深度為50.22 mm，開溝深度變異系數(shù)為13.68%，鋸齒式開溝器開溝深度變異系數(shù)小于雙圓盤開溝深度變異系數(shù)；鋸齒式開溝器橫向距離平均值為10.95 mm，橫向距離變異系數(shù)為3.06%，雙圓盤開溝器橫向距離平均值為11.16 mm，橫向距離變異系數(shù)為9.27%，鋸齒式開溝器橫向距離變異系數(shù)也小于雙圓盤開溝器。因此，該作業(yè)條件下，鋸齒式開溝器開出的種溝相較雙圓盤開溝器更平整。

圖24 開溝器開溝深度及種子橫向距離試驗結(jié)果Fig.24 Test results of furrow depth and transverse grain spacing

由圖25可知，不同速度條件下，鋸齒式開溝器平均開溝深度變異系數(shù)為7.054%，雙圓盤開溝器平均開溝深度變異系數(shù)為12.45%。相較雙圓盤開溝器，鋸齒式開溝器開溝深度變異系數(shù)降低了43.33%。由圖26可知，鋸齒式開溝器平均種子橫向距離變異系數(shù)為3.59%，雙圓盤開溝器平均種子橫向距離變異系數(shù)為9.16%，鋸齒式開溝器種子橫向距離變異系數(shù)較雙圓盤降低了60.81%。表明鋸齒式開溝器的工作穩(wěn)定性和種子橫向分布均勻性均優(yōu)于雙圓盤開溝器。

圖25 開溝器開溝深度變異系數(shù)變化曲線Fig.25 Variation curves of ditching depth variation coefficient of ditch opener

圖26 開溝器種子橫向距離變異系數(shù)變化曲線Fig.26 Variation curves of transverse seed spacing variation coefficient of opener seeds

5 結(jié)論

(1)為解決玉米-大豆輪作免耕播種模式下，前茬作物玉米根土結(jié)合體對大豆雙行播種開溝器工作性能的影響，設(shè)計了一種鋸齒式大豆壟上雙行播種開溝器，提高了播種深度均勻性、行距一致性，實現(xiàn)了交錯播種。

(2)離散元仿真試驗表明，鋸齒式開溝器可有效切斷根系；其工作阻力隨作業(yè)速度的增大而愈加平穩(wěn)，表明鋸齒式開溝器具有平穩(wěn)的工作性能。

(3)田間性能試驗表明，鋸齒式開溝器達到了預(yù)期的作業(yè)效果；能有效防止管口堵塞，表明擋土板和導(dǎo)種管有較強的防堵能力；鋸齒式開溝器橫向平均根系切斷率達97.25%，表明鋸齒形側(cè)刃具有較優(yōu)的鋸切能力。

(4)田間對比試驗表明，鋸齒式開溝器較雙圓盤開溝器開溝深度變異系數(shù)降低43.33%，種子橫向距離變異系數(shù)降低60.81%，表明鋸齒式開溝器工作性能的穩(wěn)定性高于雙圓盤開溝器，滿足大豆播種農(nóng)藝要求。