李曉娜

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253000）

0 引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，播種機(jī)開溝器的性能直接決定種子上方的覆土厚度和種子穴間距離，進(jìn)而影響到種子發(fā)芽率和后期生產(chǎn)管理，對(duì)最終產(chǎn)量有實(shí)質(zhì)性影響。相對(duì)國(guó)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展，我國(guó)主流水平的開溝器在速度、開溝阻力、溝深控制和溝底處理方面，都有較為明顯的差距。在整體性能不足情形下，播種機(jī)開溝器作業(yè)速度受到較為明顯的限制，加強(qiáng)這方面的參數(shù)優(yōu)化研究，對(duì)于播種機(jī)發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。

1 播種機(jī)開溝器的作業(yè)特點(diǎn)與性能分析

在我國(guó)目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中，播種機(jī)開溝器有多種類型，包括滑推式、滑刀式、圓盤式、寬幅易鏟式、鋤鏟式、芯鏵式和鴨嘴式等，這些開溝器類型在性能上存在較為明顯的差異，應(yīng)用范圍和推廣程度也有所不同。以滑推式和滑刀式開溝器為例，保墑性能較好，種床結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但是容易將土壤壓實(shí)，對(duì)種子發(fā)芽造成影響。圓盤式開溝器又分為單雙兩種，前者不利于保墑、播深容易出現(xiàn)不一致，后者則在入土性能上有所不足[1]。近些年新研制并得以廣泛應(yīng)用的鴨嘴式開溝器，在入土能力方面具有較為明顯優(yōu)勢(shì)，開溝阻力較小，通過參數(shù)優(yōu)化，能夠達(dá)到較高的應(yīng)用價(jià)值。

2 開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 鏟體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)

鴨嘴式開溝器參數(shù)優(yōu)化目的是為了更好地降低開溝器工作阻力，提升作業(yè)性能。基于動(dòng)態(tài)阻力模型分析，開溝器在工作中主要受到入土角、入土隙角、鏟體寬度和鏟體長(zhǎng)度等因素影響，因此優(yōu)化試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，是在土壤參數(shù)、作業(yè)深度和作業(yè)速度確定的情形下，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，為結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供參考。第一步是進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，在作業(yè)速度較低的情形下，以工作阻力變動(dòng)為指標(biāo)，分析開溝器鏟體寬度、入土角和入土隙角范圍。試驗(yàn)過程是先保持其他參數(shù)一致，對(duì)某一項(xiàng)參數(shù)變動(dòng)進(jìn)行分析，找出參數(shù)變化與性能變化之間的對(duì)應(yīng)規(guī)律[2]。

經(jīng)試驗(yàn)分析，在入土角不斷增加時(shí)，開溝阻力呈現(xiàn)先減小又逐步增加的變動(dòng)模式，因此將入土角控制在30°～50°為宜。在入土隙角不斷增加的情形下，工作阻力會(huì)逐步下降后開始上升，將入土隙角控制在3°～9°較為合適。在鏟體寬度不斷增加的情形下，工作阻力在整體上會(huì)呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，但是在不同增加幅度情形下，阻力增長(zhǎng)會(huì)有平緩程度不同。在同時(shí)考慮鏟柄導(dǎo)種性能作用下，將鏟體寬度控制在20～30 mm 為宜。在鏟體長(zhǎng)度逐漸減小的情形下，工作阻力會(huì)隨之逐漸減小，然后轉(zhuǎn)變?yōu)橹鸩皆黾拥那樾危鶕?jù)試驗(yàn)情況將鏟體長(zhǎng)度控制在135～165 mm 較為合適。根據(jù)單項(xiàng)因素分析結(jié)果，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，鴨嘴式開溝器鏟體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化范圍為：入土角30°～50°，入土隙角3°～9°，鏟體寬度20～30 mm，鏟體長(zhǎng)度135～165 mm。

在確定這些參數(shù)信息后，還需要采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)的方式對(duì)選擇結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)構(gòu)建模型中不同因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響分析，鏟體寬度對(duì)開溝器參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的影響最為明顯，入土隙角的影響最小。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)整體優(yōu)化，考慮設(shè)備生產(chǎn)及多方面使用環(huán)境要求，鴨嘴式開溝器鏟體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)為：入土角43°，入土隙角6°，鏟體寬度21 mm，鏟體長(zhǎng)度145 mm。

2.2 開溝器鏟柄的參數(shù)選擇

開溝器鏟柄參數(shù)設(shè)計(jì)是基于對(duì)設(shè)備對(duì)應(yīng)的作物播種要求，合理設(shè)計(jì)種管和鏟柄的壁厚。以應(yīng)用于玉米播種的播種機(jī)為例，種子在種管內(nèi)的下落狀態(tài)具有明顯的隨機(jī)性，必須要更加合理地設(shè)計(jì)種管形狀和尺寸，以更好地提升開溝器的導(dǎo)種性能。同時(shí)，開溝器鏟柄在播種作業(yè)過程中，應(yīng)當(dāng)滿足前進(jìn)方向上的彎曲強(qiáng)度要求，其具體參數(shù)主要是受到鏟柄壁厚的影響。根據(jù)上述參數(shù)優(yōu)化要求，在鏟體寬度確定的情形下，以45#矩形鋼管為材料，壁厚應(yīng)當(dāng)控制在3 mm 以上，可滿足開溝器在作業(yè)過程中的彎曲強(qiáng)度要求[3]。

2.3 開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

根據(jù)開溝器鏟體和鏟柄參數(shù)的具體選擇，對(duì)整體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：將鏟柄規(guī)格設(shè)計(jì)為20 mm×50 mm 和25 mm×50 mm兩種，在鏟柄內(nèi)部截面寬度大于14 mm 情形下，能夠得到整體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 場(chǎng)地準(zhǔn)備

為更好地控制試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)，平臺(tái)設(shè)計(jì)為室內(nèi)智能型模式，主要結(jié)構(gòu)包括土槽、軌道、牽引部分、電控系統(tǒng)、傳感設(shè)備及數(shù)據(jù)傳輸部分。牽引部分能夠根據(jù)試驗(yàn)要求完成不同速度的動(dòng)態(tài)模擬，開溝器的布置方式為三點(diǎn)懸掛，作業(yè)模式分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種，通過傳感器收集數(shù)據(jù)并完成分析、生成數(shù)據(jù)報(bào)表，為試驗(yàn)分析奠定準(zhǔn)確基礎(chǔ)。

3.2 試驗(yàn)制備

試驗(yàn)制備包括3 個(gè)基本方面：①開溝器掛接架，其作用是為了連接試驗(yàn)臺(tái)車和連接架；②對(duì)作業(yè)深度進(jìn)行標(biāo)定，在每次試驗(yàn)流程開始前，通過不同開溝深度的標(biāo)定，能夠更加細(xì)化地分析播種效果；③完成土壤含水率和緊實(shí)度的測(cè)量，只有在完成多次測(cè)量，確保含水量和緊實(shí)度都保持一致的狀態(tài)下，才能夠開始后續(xù)土槽試驗(yàn)[4]。

3.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案內(nèi)容：①加工開溝器實(shí)體，由于開溝器呈不規(guī)則形狀，在焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)凸棱現(xiàn)象，增加開溝工作阻力，為減少由此帶來的影響，可以適當(dāng)增加鏟體寬度，對(duì)比不同加工方案，以達(dá)到更好的試驗(yàn)效果；②土槽的試驗(yàn)預(yù)處理，在復(fù)雜的試驗(yàn)條件下，要確保試驗(yàn)流程穩(wěn)定進(jìn)行，需要在正式試驗(yàn)前利用不同數(shù)量開溝器進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，初步對(duì)相同作業(yè)條件下開溝器工作阻力進(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)，不同的懸掛方式會(huì)造成開溝器工作阻力的變化，尤其是單體懸掛方式的波動(dòng)更為明顯。為更好地提升試驗(yàn)效果，同時(shí)選擇3 個(gè)開溝器進(jìn)行試驗(yàn)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果分析采用有限元分析法進(jìn)行，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的可行性。試驗(yàn)指標(biāo)設(shè)定為作業(yè)深度5 cm、作業(yè)速度7 km/h，對(duì)開溝器優(yōu)化后的作業(yè)效果和實(shí)際作業(yè)效果進(jìn)行對(duì)比分析，分析內(nèi)容包括土壤擾動(dòng)特征的比較和工作阻力測(cè)試結(jié)果比較兩個(gè)方面。根據(jù)對(duì)比結(jié)果顯示，有限元分析模擬結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)土壤擾動(dòng)的特征，但是由于開溝器在實(shí)際運(yùn)行中工作阻力受到多種因素影響，使得有限元模擬結(jié)果對(duì)比存在一定誤差，但是誤差結(jié)果在允許范圍內(nèi)。

4 開溝器作業(yè)性能分析

4.1 開溝器減阻性能分析

開溝器減阻性能分析主要考慮在不同作業(yè)速度和不同作業(yè)深度兩種情況，以此能夠更加準(zhǔn)確地分析實(shí)際性能。對(duì)不同作業(yè)速度的分析，需將作業(yè)深度控制在5 cm，速度分別設(shè)定為6 km/h、7 km/h、8 km/h。以開溝試驗(yàn)結(jié)果為分析依據(jù)，在玉米播種機(jī)開溝器設(shè)計(jì)方案中，將鏟體寬度設(shè)定在23 mm 時(shí)，減阻效果能夠達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)，降阻率能夠降低20%左右。將作業(yè)速度控制在7 km/h，將作業(yè)深度設(shè)置為3 cm、4 cm 和5 cm 三種狀態(tài)，再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程。經(jīng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，在不同作業(yè)深度下鏟體寬度設(shè)定在21 mm 時(shí)，減阻效果最佳，23 mm 次之。在具體設(shè)定時(shí)，需要考慮其他方面因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 土壤擾動(dòng)情況分析

土壤擾動(dòng)情況分析同樣包括不同作業(yè)速度和不同作業(yè)深度兩種情況分析，分析內(nèi)容主要是將開溝器作用情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，測(cè)算側(cè)方拋土距離。對(duì)不同作業(yè)速度進(jìn)行分析，將作業(yè)深度設(shè)置為5 cm，作業(yè)速度分別為6 km/h、7 km/h 和8 km/h 三種條件，通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，相同參數(shù)的開溝器，在作業(yè)速度增加的情形下，拋土距離會(huì)產(chǎn)生明顯的增加。對(duì)不同作業(yè)深度的分析，則是將作業(yè)速度設(shè)定為7 km/h，作業(yè)深度分別設(shè)置為3 cm、4 cm和5 cm 三種條件，通過分析發(fā)現(xiàn)，相同參數(shù)的開溝器在作業(yè)深度增加的情形下，側(cè)方拋土距離增加幅度逐漸降低[5]。

4.3 開溝深度穩(wěn)定性分析

開溝深度穩(wěn)定性對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育具有最終影響，選擇不同作業(yè)速度和作業(yè)深度的參數(shù)，對(duì)深度穩(wěn)定性進(jìn)行分析，經(jīng)過優(yōu)化后開溝器鏟體寬度降低的情形下，穩(wěn)定性得以較好的提升，但是穩(wěn)定性會(huì)隨作業(yè)速度和深度的增加而降低，尤其是在作業(yè)速度增加情形下，影響更為明顯。

4.4 播種性能分析

播種性能主要是對(duì)播深一致性和株距均勻性進(jìn)行對(duì)比，在作業(yè)速度增加的情形下，播種深度會(huì)有明顯的波動(dòng)，株距均勻性也會(huì)降低，對(duì)播種效果造成影響。因此在進(jìn)行播種作業(yè)速度提升時(shí)，應(yīng)當(dāng)同步提升排種器的轉(zhuǎn)速，確保播種效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

鴨嘴式開溝器在播種作業(yè)中，具有良好的應(yīng)用效果，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于相關(guān)方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化不足，使得其整體效果還無法充分顯現(xiàn)出來，因此對(duì)相關(guān)研究單位而言，應(yīng)當(dāng)通過對(duì)不同參數(shù)的優(yōu)化，利用有限元分析驗(yàn)證和試驗(yàn)方式對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行分析，從而達(dá)到更好的處理效果。在目前試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，參數(shù)設(shè)計(jì)精細(xì)化水平還有所不足，室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)單一，還需要在完成試驗(yàn)內(nèi)容后，針對(duì)性地開展田間試驗(yàn)，對(duì)作業(yè)質(zhì)量深入分析，確保設(shè)備優(yōu)化達(dá)到更高水平。