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(chǔ)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(duì)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(jī)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(shí)，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(jī)組前進(jìn)方向?qū)⒏两Y(jié)合體縱向(壟向的豎直方向)切開和擾動(dòng)，地表下的根土結(jié)合體仍然團(tuán)聚較大，進(jìn)而阻礙開溝器壟向運(yùn)動(dòng)，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(duì)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(jī)主要采用雙圓盤開溝器，雙圓盤開溝器在作業(yè)時(shí)，土壤擾動(dòng)大且無護(hù)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(jì)了大豆播種雙V型筑溝器，解決了雙圓盤開溝器土壤擾動(dòng)大、大豆種子易彈跳等問題。侯守印等[11]設(shè)計(jì)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(jì)了一種寬翼型銳角免耕播種開溝器，解決了種床土壤緊實(shí)度不足等問題。但針對(duì)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(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響其開溝質(zhì)量的研究鮮見報(bào)道。

本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)交錯(cuò)播種。通過理論分析和農(nóng)藝學(xué)測(cè)量，設(shè)計(jì)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(yàn)證試驗(yàn)、田間性能和對(duì)比試驗(yàn)，以期為提高大豆壟上雙行免耕播種機(jī)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(jī)是本文所設(shè)計(jì)的鋸齒式播種開溝器工作平臺(tái)，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(jī)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(diǎn)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(shí)，首先通過圓盤破茬刀對(duì)玉米根茬沿機(jī)組前進(jìn)方向進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(shí)，大豆種子從雙行排種器排種口進(jìn)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(jìn)行交錯(cuò)播種。

2 開溝器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 前刀曲線設(shè)計(jì)

對(duì)于前刀，刃口形狀一般分為曲線和直線兩種，刃口為曲線時(shí)開溝阻力更小[15]。免耕作業(yè)時(shí)，不同的前刀曲線對(duì)于耕層土壤與表層秸稈的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(tuán)聚體內(nèi)部，可近似認(rèn)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(tuán)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(yùn)動(dòng)，那么M在重力及N對(duì)其的作用力下運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)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(shí)，土壤顆粒有沿著前刀曲線向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，可以提高開溝器工作穩(wěn)定性并減少土壤擾動(dòng)，故前刀曲線設(shè)計(jì)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(shí)刻點(diǎn)M的x軸坐標(biāo)

Y——某一時(shí)刻點(diǎn)M的y軸坐標(biāo)

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(duì)式(7)求導(dǎo)可得

(8)

如圖4所示，設(shè)P(x1,y1)、Q(x2,y2)兩點(diǎn)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(diǎn)P入土角δ2——點(diǎn)Q入土角

根據(jù)公式(9)、(10)求得P、Q兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)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(xiàn)[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(jì)

2.2.1側(cè)刃曲線設(shè)計(jì)

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(shí)際生長情況如圖5所示。在播種作業(yè)時(shí)，破茬刀和施肥鏟只能沿前進(jìn)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(tuán)聚較大，嚴(yán)重影響大豆雙行播種深度均勻性和行距一致性。因此，針對(duì)上述問題在開溝器主體兩側(cè)設(shè)計(jì)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(shí)際排列Fig.5 Actual arrangement of corn stubble on ridge

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

rn=r0+rφ

(17)

式中r0——起點(diǎn)極徑，mm

rn——螺線極徑

r——極角每增加一弧度時(shí)極徑的增量，mm

φ——任意點(diǎn)的極角，rad

借助S150型旋耕刀來計(jì)算r，查閱文獻(xiàn)[19]可知rn=130 mm，r0=92 mm。

(18)

式中τ——螺線終點(diǎn)處的滑切角，(°)

φn——螺線終點(diǎn)的極角，rad

由文獻(xiàn)[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(cè)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(jìn)而繪制其弦長，測(cè)得弧長l為105 mm。由螺線弧長公式

(20)

計(jì)算可得φ=0.81 rad，故φ的范圍為(0，0.81 rad)。考慮到側(cè)刃在進(jìn)行切割時(shí)具有足夠的強(qiáng)度以及方便加工，側(cè)刃厚度設(shè)計(jì)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(diǎn)O為研究對(duì)象，假定該質(zhì)點(diǎn)隨拖拉機(jī)沿z方向進(jìn)行平行移動(dòng)，側(cè)刃切割根系過程中，質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)O受力分析Fig.6 Force analysis of particle O

側(cè)刃切割根系時(shí)質(zhì)點(diǎn)O的動(dòng)力學(xué)關(guān)系式為

(21)

式中ae——點(diǎn)O的牽連加速度，m/s2

ar——點(diǎn)O的相對(duì)加速度，m/s2

FN——側(cè)刃對(duì)點(diǎn)O的法向壓力，N

f1——側(cè)刃對(duì)點(diǎn)O的切向摩擦力，N

f2——側(cè)刃對(duì)點(diǎn)O的豎向摩擦力，N

α——滑切角，(°)

m′——質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)螺線形側(cè)刃，在等進(jìn)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(cè)量，以等進(jìn)螺線形側(cè)刃為基礎(chǔ)，對(duì)鋸齒進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 物料滑動(dòng)摩擦角測(cè)定及鋸齒設(shè)計(jì)

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(shí)效果不佳[20]。因此為了提高側(cè)刃切割根系的能力，對(duì)玉米根土結(jié)合體劃分區(qū)段，利用斜面法測(cè)其滑動(dòng)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(cè)定其滑動(dòng)摩擦角。試驗(yàn)樣品取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)田，為了使試驗(yàn)樣品具有完整性及代表性，進(jìn)行隨機(jī)取樣，取樣方法參照文獻(xiàn)[21]，如圖7所示。將試驗(yàn)樣品按直徑對(duì)玉米根土結(jié)合體劃分為5個(gè)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(jìn)行試驗(yàn)，利用斜面法對(duì)物料的滑動(dòng)摩擦角進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[22]，試驗(yàn)結(jié)果剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后取其平均值。不同區(qū)段劃定范圍以及對(duì)應(yīng)平均滑動(dòng)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(jiǎn)圖Fig.8 Schematic of area division

表1 不同直徑范圍物料平均滑動(dòng)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(xiàn)[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(jì)算對(duì)應(yīng)滑切角，結(jié)果取其整數(shù)，如表2所示。

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

以滑動(dòng)摩擦角為橫坐標(biāo)，滑切角為縱坐標(biāo)，通過Matlab軟件進(jìn)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(jì)開溝器主體尺寸，齒寬B取25 mm。在側(cè)刃進(jìn)行鋸切時(shí)，假定間隔時(shí)間T時(shí)，將會(huì)有一個(gè)新的齒參與鋸切，鋸切速度根據(jù)機(jī)組前進(jìn)速度而定，速度v取1.8 m/s[9]，則

(25)

由式(25)可解得時(shí)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(jìn)的玉米根土結(jié)合體對(duì)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(shí)根幅最大半徑即可，參照文獻(xiàn)[23]取根幅最大半徑R為70 mm，則側(cè)刃切割根系的時(shí)間t為

(26)

由式(26)可得t為0.039 s。

因此，同一時(shí)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(jì)

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(jì)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(shí)導(dǎo)種管采用前后交錯(cuò)布置，實(shí)現(xiàn)雙行交錯(cuò)播種。導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)如圖10a所示，交錯(cuò)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(jì)為梯形，以防止土壤進(jìn)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(jì)入土隙角為5°[19]。

3 離散元仿真驗(yàn)證

3.1 模型建立

3.1.1土壤模型

利用EDEM軟件進(jìn)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?yàn)樵囼?yàn)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(jìn)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(jìn)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(yàn)證試驗(yàn)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(xiàn)[22]中的秸稈模型參數(shù)進(jìn)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(shí)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(yàn)證開溝器切割根系的效果，本試驗(yàn)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(xiàn)[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(jī)覆蓋在土壤表面，秸稈覆蓋量設(shè)定為1.0 kg/m2[22]。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ透禂?shù)選取4個(gè)，根系之間的距離設(shè)定為300 mm。由于在播種時(shí)種子與播種行中心存在距離偏差，同時(shí)為了能更好地驗(yàn)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(hào)根系與3號(hào)根系中心位于中心線上，2號(hào)根系與4號(hào)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(yàn)證鋸齒式開溝器設(shè)計(jì)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(jī)組前進(jìn)速度分別為5、7、9 km/h，開溝器入土深度為50 mm，進(jìn)行3組離散元仿真試驗(yàn)，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(hào)根系在模型中心線上，破茬刀對(duì)其進(jìn)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(duì)留茬以及根系進(jìn)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(dá)120 mm，所以1、3號(hào)根系被開溝器鋸齒形側(cè)刃進(jìn)行了橫向鋸切。2、4號(hào)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(jìn)行了橫向鋸切。由仿真結(jié)果分析可知，模型中4個(gè)根系均被鋸齒式開溝器鋸齒形側(cè)刃橫向鋸切，驗(yàn)證了鋸齒式開溝器鋸齒形側(cè)刃設(shè)計(jì)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(yàn)證開溝器工作性能的重要指標(biāo)[27]。為驗(yàn)證鋸齒式開溝器的工作性能，在開溝深度50 mm的條件下，機(jī)組前進(jìn)速度分別以5、7、9 km/h進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)。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(fù)值，表示與前進(jìn)方向相反，即開溝器阻力。圖16中，在39.02、39.37、39.70、40.03 s時(shí)刻合力波動(dòng)幅度較大，是由于開溝器與根系進(jìn)行作用，阻力增大。39.02、39.37、39.70、40.03 s時(shí)刻分別對(duì)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(shí)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(duì)根系1、3作用時(shí)阻力較小。39.37、40.03 s時(shí)刻為開溝器分別與根系2、4進(jìn)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(duì)根系2、4作用時(shí)阻力較大。合力除4個(gè)峰值外，其他時(shí)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(dòng)，波動(dòng)幅度較小，趨于平穩(wěn)。

圖16 速度為5 km/h時(shí)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(jī)組前進(jìn)速度7 km/h時(shí)，開溝器水平合力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。此時(shí)峰值與機(jī)組前進(jìn)速度5 km/h時(shí)的峰值相差±5 N。除峰值外，合力也在-220～-200 N范圍內(nèi)波動(dòng)，同速度在5 km/h時(shí)的合力變化趨勢(shì)接近。

圖17 速度為7 km/h時(shí)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(jī)組前進(jìn)速度在9 km/h條件下，開溝器水平合力的變化趨勢(shì)。與機(jī)組前進(jìn)速度在5 km/h和7 km/h條件下進(jìn)行比較，峰值相差不大，除峰值外，其他時(shí)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(shí)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(yàn)

通過離散元仿真表明，所設(shè)計(jì)的鋸齒式開溝器達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果。為進(jìn)一步驗(yàn)證鋸齒式開溝器田間作業(yè)綜合性能，進(jìn)行田間性能試驗(yàn)，且與雙圓盤開溝器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)條件：田間試驗(yàn)于2020年10月21—28日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)基地(126.73°E，45.74°N；海拔：136 m)實(shí)施。試驗(yàn)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(yàn)地如圖19a所示。

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

試驗(yàn)主要儀器設(shè)備：2BM-2型大豆免耕播種機(jī)、奔野454型拖拉機(jī)、約翰迪爾354型拖拉機(jī)、GPS-10A型機(jī)動(dòng)車多功能檢測(cè)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(cè)量尺(分別用于測(cè)量開溝深度、開溝寬度、種子的橫向位移等數(shù)據(jù))等。試驗(yàn)種子選用東農(nóng)253號(hào)大豆，種子平均粒徑8.0 mm，凈度99.3%。開溝器實(shí)物如圖19b所示。

4.2 試驗(yàn)方法

田間性能試驗(yàn)時(shí)，在機(jī)組前進(jìn)速度7 km/h，開溝深度50 mm條件下，以根系切斷率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，驗(yàn)證開溝器鋸齒形側(cè)刃的鋸切性能。田間對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，在開溝深度為50 mm條件下，分別設(shè)置機(jī)組前進(jìn)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(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行鋸齒式開溝器與雙圓盤開溝器對(duì)比試驗(yàn)。每組行程設(shè)置為60 m，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。指標(biāo)測(cè)量方法參照文獻(xiàn)[11,22,27]。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖20為機(jī)組前進(jìn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果基本一致。圖21為播種效果，達(dá)到了預(yù)期的播種效果，同時(shí)也驗(yàn)證了擋土板和導(dǎo)種管設(shè)計(jì)的合理性，有效防止了管口堵塞。這表明所設(shè)計(jì)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(yàn)證鋸齒式開溝器的工作性能，同雙圓盤開溝器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其中鋸齒式開溝器作業(yè)過程如圖22所示。以機(jī)組前進(jìn)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(duì)土壤擾動(dòng)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(yàn)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(duì)大豆雙行播種開溝器工作性能的影響，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了交錯(cuò)播種。

(2)離散元仿真試驗(yàn)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(yàn)表明，鋸齒式開溝器達(dá)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(qiáng)的防堵能力；鋸齒式開溝器橫向平均根系切斷率達(dá)97.25%，表明鋸齒形側(cè)刃具有較優(yōu)的鋸切能力。

(4)田間對(duì)比試驗(yàn)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。