賈洪雷，鄭嘉鑫，袁洪方，郭明卓，王文君，姜鑫銘

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仿形滑刀式開溝器設(shè)計與試驗

賈洪雷，鄭嘉鑫，袁洪方※，郭明卓，王文君，姜鑫銘

（1. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春130025；2. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室，長春130025）

為了改善種床質(zhì)量、提高播種分布直線性及播深一致性，通過“V”形種溝成因分析，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。該開溝器具有滑刀和仿形壓土輪機構(gòu)，可實現(xiàn)開溝、壓溝和仿形功能，進而構(gòu)建底部緊實、覆蓋土壤松軟的優(yōu)良種床。通過土槽試驗，以回土量為指標，采用響應(yīng)面優(yōu)化法分析得出最優(yōu)參數(shù)組合，即載荷大小為689.66 N，開溝角度為40.43°，前進速度為2.12 m/s，開溝深度為51.62 mm。在最優(yōu)工況下進行田間驗對比試驗，仿形滑刀式開溝器、雙V型筑溝器、圓盤開溝器的橫向偏移離散度分別為4.42、4.34、6.55，播深變異系數(shù)分別為6.06%、6.80%、11.52%，在50～75 mm土層開溝鎮(zhèn)壓后土壤緊實度分別為0.261、0.248、0.165 MPa，仿形滑刀式開溝器作業(yè)效果優(yōu)于雙V型筑溝器和圓盤開溝器，可以提高種床質(zhì)量和播深一致性，且使種床緊實，利于種子出苗。

機械化；優(yōu)化；設(shè)計；仿形；開溝器；離散度；播深變異系數(shù)

0 引 言

近年來，高速精密播種已成為播種技術(shù)主要發(fā)展方向。除排種、投種2個環(huán)節(jié)外，種子著床工藝的好壞也會影響到高速播種的精確性[1]，良好的種床環(huán)境會提高種子分布的均勻性、播深一致性及出苗率[2-4]，因此，能否提供良好的種床環(huán)境是影響精密播種機性能的一個重要因素。

在發(fā)達國家，早已進行優(yōu)良種床構(gòu)建的研究，提出理想的種床環(huán)境要求種床緊實，以利提墑，促進種子發(fā)芽，而覆蓋種床的土壤要松軟細碎，透水透氣以利發(fā)芽、出苗[3-5]。Ozmerzi等[6]研究精密播種機播深均勻性的影響，進行不同播深、土壤壓實度、溝底粗糙度、種子和化肥分布、土壤覆蓋等條件下的試驗研究，以出苗率來評估開溝器的工作質(zhì)量。Fallahi等[7]針對不同的耕作方式，以種子粒距均勻性指數(shù)及出苗率指數(shù)等為試驗指標，對播種機觸土部件進行了對比研究。現(xiàn)國外機械化精播玉米等大株距作物已趨于成熟，播種機使用的開溝裝置可以開出較好的溝形且配有壓溝裝置，緊實種床土壤[8-10]，如德國LEMKEN公司機械式播種機Saphir7和Saphir8的開溝環(huán)節(jié)由雙盤開溝器或靴式開溝器配合鎮(zhèn)壓器實現(xiàn)；MASCHIO GASPARDO集團公司、德國AMAZONE公司等研發(fā)的播種機使用開溝器加壓溝輪實現(xiàn)種床構(gòu)建。國內(nèi)研究者們多年來對開溝器進行不斷改進[11-12]，王慶杰等[13]研究設(shè)計了楔刀型免耕開溝器，趙淑紅等[14]針對播種深施肥時，播種深度難以控制，結(jié)合滑推工作原理，設(shè)計一種滑推式開溝器。這些開溝器可在種子與種溝接觸后迅速回土，使種子與濕土接觸，不易攪混土層，降低土壤傷情損耗，利于種子出苗。

現(xiàn)有開溝器的改進研究多適用于提高玉米等大株距作物的種床質(zhì)量[15-17]，而大豆、甜菜等小株距作物的植株較玉米種子更易發(fā)生滾動、彈跳等位移[8-10]，高速精播下現(xiàn)有開溝器難以配合其高產(chǎn)耕作模式實現(xiàn)田間分布的均勻性。目前，黑龍江大豆主產(chǎn)區(qū)機械化壟上雙行種植廣泛使用的開溝器為2個單圓盤開溝器對稱布置，在壟距為600～650 mm的壟上開出100～150 mm的種溝，種床構(gòu)建效果不佳。適合小株距圓粒種子高速精播的開溝裝置有待進一步研究。

本文針對大豆壟上雙行精密播種種植模式，基于已發(fā)明的《雙V型筑溝器》[18-19]設(shè)計一種同時具有開溝、壓溝和仿形功能的滑刀式開溝器，增加滑刀刀片及仿形壓土輪機構(gòu)，并在雙V型筑溝器基礎(chǔ)上進一步量化種床構(gòu)建的指標，研究種床構(gòu)建的重要影響因素，通過Box-Behnken Design響應(yīng)面優(yōu)化法進行正交試驗，確定仿形滑刀式開溝器最佳參數(shù)組合。

1 仿形滑刀式開溝器分析與設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

仿形滑刀式開溝器由連接桿、仿形壓土輪、仿形機構(gòu)、擠土刀、滑刀組成。其中滑刀被夾持在擠土刀中間，增加開溝器通過性，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要作用是開溝的同時壓出“V”形種溝。種溝的橫向距離為110 mm，溝壁均勻平整，種子落入“V”形種溝后滾落在種溝底部，保證了種子分布直線性及播深一致性，提高播種質(zhì)量，緊實種床土壤，加快種子出苗。

1.2 擠土刀總成與土壤受力分析

擠土刀總成包括擠土刀片和滑刀兩部分，滑刀被夾持在開溝器擠土刀中間，用于切斷雜草，可減小開溝刀片入土阻力和耕作阻力，有效避免入土性能不好、易堵塞的問題，在滑切的同時緊實土壤，筑造溝形。

1.2.1 “V”形種溝成因分析

種溝形狀的好壞取決于機具與土壤之間及土壤顆粒間的相互作用，土壤回落影響開溝質(zhì)量。土壤顆粒在不受外力情況下，土壤顆?？梢暈樯Ⅲw顆粒，如圖2a所示，設(shè)種溝的側(cè)壁與水平面的夾角為土壤休止角，“V”形種溝的夾角為。則根據(jù)土壤濕度不同，當土壤休止角=30°～50°時土壤產(chǎn)生摩擦力自鎖，當值大于臨界值則土壤回落，此時種溝夾角=80°～120°才可使土壤保持穩(wěn)定，然而過寬的種溝不能滿足農(nóng)藝需求，因此需要通過機具與土壤間相互作用減小種溝夾角并使溝壁土壤保持穩(wěn)定。

土壤在受到外力的情況下形成土壤顆粒集合體，在集合體內(nèi)顆粒相互接觸而形成強度迥異的力鏈，力鏈支撐整個顆粒堆而保持穩(wěn)定[20]。當滑刀滑切土壤瞬間，擠土刀和仿形輪與土壤接觸變形所產(chǎn)生的擠壓力使土壤散體顆粒與兩側(cè)土壤粘附，減少散土顆?；芈?。

1.2.2 滑刀刀刃受力及曲線

滑刀刀刃所受入土阻力與刀刃曲線有關(guān)，在滑切過程中土壤受到刀刃的擠壓，直到應(yīng)力達到破壞極限時而發(fā)生剪切斷裂[21]。在滑刀的作用下，土壤顆粒之間出現(xiàn)相對位移，顆粒沿著刀刃曲線向下滑移，遭到破壞后沿刀刃的楔面方向滑向兩側(cè)。顧耀全等[15]研究表明，當滑切角為35°～55°時入土阻力較小，因此，刀刃曲線的滑切角按此范圍設(shè)計，如圖3所示，設(shè)刀刃曲線函數(shù)為

式中為刀刃曲線縱坐標；′為的一階導(dǎo)數(shù)；、為常數(shù)；為曲線斜率。

a. 仿形滑刀式開溝器受力分析

a. Force analysis of profiling sliding-knife opener

b. 擠土刀刀刃受力b. Force of squeezing knife edgec. 擠土刀與土壤接觸面受力c. Force imposed on the contact area between the squeezing knife and soils

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可得

式中為刀刃觸土處的滑切角，(°)。

當=0 mm，取最大值55°，當=35 mm，取最小值35°，代入式（2）和式（3）。求得=0.01，=0.7，代入式（1），得出刀刃曲線函數(shù)為

注：、為坐標系（）中刀刃曲線上兩點；1為刀刃曲線在點處的斜率；2為刀刃曲線在點處的斜率；1為點處法線；2為點處的法線；θ為點處的滑切角，(°)；θ為點處的滑切角，(°)。

Note:andare two points on the curve in coordinate system();1is the slope of cutting-edge curve at point;2is the slope of cutting-edge curve at point;1is the normal line at point;2is the normal line at point;θis the sliding cutting angle at point,(°);θis the sliding cutting angle at point,(°).

圖3 滑刀刀刃曲線示意圖

Fig.3 Schematic diagram of sliding-knife cutting-edge

1.2.3 開溝器受力分析

當開溝器工作的瞬間，機具與土壤接觸發(fā)生變形，擠土刀與土壤間的應(yīng)力有表面正應(yīng)力和剪應(yīng)力，設(shè)s為單位面積上剪應(yīng)力的合力（如圖2c），土壤與開溝器之間相對運動產(chǎn)生垂直于V形側(cè)壁的剪力s，擠土刀兩側(cè)土壤分別受到機具向下的壓力sp（如圖2a），假設(shè)滑刀刀刃受到土壤施加的合力為′（如圖2b），則在圖2a所示坐標系內(nèi)，方向上的受力平衡方程為

機具在前進方向上所受的阻力為

由式（5）推出

式中為擠土角，(°)；為刀刃合力與支持力夾角，(°)；μ為滑動摩擦系數(shù)；w為外壓土輪所受阻力，N；z為中間壓土輪所受阻力，N。

從受力分析中可知，種溝的好壞與擠土刀和土壤之間的相互作用力s有直接關(guān)系，s受擠土角、機具對種溝兩側(cè)土壤的壓力sp、刀刃受到土壤施加的合力′、滑切角等因素影響。由于刀刃曲線為定值，則在勻速運動過程中滑切角不變，′趨近于定值，則′cos(90°)為定值。由于s為擠土刀與土壤接觸面積所受的力，其大小與擠土刀面積有直接關(guān)系，開溝深度不同，受力面積不同，因此，開溝深度也是影響s的主要因素之一。通過受力分析確定影響開溝器刀片設(shè)計的3個影響因素，分別為開溝角度，開溝深度及壓力大小。

1.3 仿形壓土輪機構(gòu)設(shè)計

仿形滑刀式開溝器特點在于擠土刀兩側(cè)設(shè)有仿形壓土輪機構(gòu)，與擠土刀共同作用，筑出“V”形種溝。與現(xiàn)有雙V型筑溝器相比，雙V型筑溝器在配合圓盤開溝器使用可達到最佳效果，側(cè)重提高種子田間分布均勻性；該機構(gòu)增強獨立開溝功能，在提高種子田間分布均勻性的同時側(cè)重緊實土壤，同時筑造溝形，給土壤提供良好種床環(huán)境。圖4為仿形壓土輪機構(gòu)示意圖。

1.螺栓 2.彈簧 3.連桿 4.銷軸 5.壓土輪

1.Bolt 2.Spring 3.Connecting bar 4.Pin roll 5.Soil-compressing profiling wheels

注：為支點；Z為作用在壓土輪上的力，N；T為彈簧給螺栓的力，N；1為Z的力臂，m；2為T的力臂，m。

Note:is pivot;Zis force applied on soil-compressing profiling wheels, N;Tis the spring force applied on the bolt, N;1is force-arm ofZ, m;2is force-arm ofT, m.

圖4 仿形壓土輪機構(gòu)示意圖

Fig.4 Schematic diagram of profiling compacting wheels

仿形壓土輪機構(gòu)由彈簧、壓土輪、連桿組成，如圖4a所示，初始狀態(tài)時，彈簧被壓縮，有一定的預(yù)緊力，對螺栓有一個向上的力，螺栓帶動連桿繞銷軸順時針旋轉(zhuǎn)，此時壓土輪對地有恒定壓力，可以壓碎小土塊、緊實土壤；當?shù)孛嬗型拱鼤r，彈簧受力大于預(yù)緊力被壓縮，壓土輪被抬起，實現(xiàn)仿形。仿形壓土輪分為3組分別作用于每個擠土刀兩側(cè)，在壓碎種溝兩側(cè)種床上土塊的同時，實現(xiàn)單獨仿形。

仿形壓土輪機構(gòu)的受力分析如圖4b所示，根據(jù)力矩平衡可得

因為1=2，故式（8）化簡為

式中Z為作用在壓土輪上的力，N；T為彈簧給螺栓的力，N；1為作用在壓土輪上力的力臂，m；2為彈簧給螺栓力的力臂，m。

彈簧具有初始預(yù)緊力，此時壓土輪對地有恒定壓力，擠土刀兩側(cè)壓土輪材料為聚酰胺類樹脂，機械強度高，韌性好，有較高的抗拉、抗壓強度，且耐磨減阻。非剛性路面承受載荷，壓土輪下陷量不大時，壓土輪下陷量與作用力關(guān)系可按如下公式計算[22]

式中0為下陷量，cm；為壓土輪的寬度，mm；為壓土輪的直徑，mm；為土壤特性系數(shù)；0為與土壤性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。

由式（10）和式（11）推導(dǎo)得

東北地區(qū)黑土屬于黏性土壤，土壤特性相關(guān)參數(shù)取0=1.01。設(shè)作用在中間壓土輪上的力為Z1，兩側(cè)壓土輪上的力別為Z2和Z3。彈簧在具有初始設(shè)計的壓土輪的下陷量為0=3 mm，壓土輪寬度為1=70 mm，2=3= 45 mm，直徑為=70 mm，帶入式（12）得出Z1=334.22 N，Z2=Z3=214.86 N。根據(jù)胡克定律

式中為彈簧受的力，N；Δ為彈簧形變量，mm。

彈簧的受力等于彈簧給螺栓的力，設(shè)Δ=3 mm，經(jīng)計算得到彈簧的剛度系數(shù)1=33.4 N/mm，2=3=21.5 N/mm。

2 土槽試驗

2.1 試驗設(shè)備及方法

2015年9月，在吉林大學(xué)工程仿生教育部重點試驗室進行土槽試驗，試驗臺自帶計算機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。仿形滑刀式開溝器安裝在播種單體上，與臺車連接。試驗土壤類型為典型東北黑黏土，試驗前，進行灑水潤土，充分滲透后，使土壤在0～100 mm含水率達到18%，適宜大豆生長且適宜機械耕作。將旋耕機安裝在臺車上進行旋耕、碎土、刮平，后將配套壓實輥安裝在臺車上，將土壤壓實。圖5為仿行滑刀式開溝器土槽試驗現(xiàn)場示意圖。

a. 開溝器安裝a. Setting diagram of opener b. 局部放大圖b. Partial enlarged comparison diagram

為配合試驗，制作3套不同角度擠土刀的開溝器。將仿形滑刀式開溝器安裝在播種單體上，將播種單體與試驗臺車相連接進行多因素正交組合試驗來選擇最佳參數(shù)。

每組試驗重復(fù)3次，取平均值。為保證直觀的對比效果，分別將不同開溝角度的開溝器在土槽左右兩端進行。為保證試驗的可重復(fù)性，每次試驗后對土槽內(nèi)土壤進行翻整壓平處理。為達到相同緊實度，每次在作業(yè)前進方向上中段20 m，每隔5 m取一樣點，使用SC-900型土壤緊實度儀進行測試，確保每次試驗前的土壤緊實度保持一致。

2.2 回土量的測量

回土量的多少直接反應(yīng)了種溝的塑形好壞，以及種溝溝壁土壤是否均勻緊實?；赝亮可?，播種深度容易控制，且溝壁平整易于種子落入設(shè)計位置。為更加直觀準確的測量評價指標，使用回土體積與理論溝形體積比作為回土量的計算方法[23]。實際操作時，參考建筑施工中常用于計算土方量的平均斷面法[23]測量開溝后種溝體積。在不同設(shè)計因素組合的開溝器開溝后，截取種溝截面，種溝截面呈規(guī)則的等腰三角形，沿種溝中段取10 m的范圍，隨機取10個橫斷面，測量實際開溝深度及去除回土后實際種溝深度′。圖6為開溝后實際種溝截面示意圖，則回土量可通過式（14）計算得出。

注：H′為實際種溝深度，mm；h為測量實際開溝深度，mm；d為實際開溝寬度，mm。Note: H′ is actual seed furrow depth, mm; h is the mearsuring furrow depth, mm; d is actual seed furrow width, mm.

圖6 實際種溝截面示意圖

Fig.6 Schematic diagram of actual seed furrow section

2.3 試驗方案

根據(jù)Design-Expert軟件中的Box-Behnken Design響應(yīng)面優(yōu)化法進行正交試驗，選擇仿形滑刀式開溝器最佳參數(shù)。

通過受力分析以及考慮機具實際作業(yè)情況，土槽試驗選取的影響因素為：開溝角度、機具前進速度、開溝深度及壓力大小，試驗指標為回土量。試驗總次數(shù)為29次，因素及水平如表1所示。

表1 試驗因素及水平

2.4 試驗結(jié)果與方差分析

利用Design-Expert軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得出試驗方案與結(jié)果如表2所示?；赝亮康姆讲罘治鋈绫?所示。

表2 試驗方案與結(jié)果

表3 回土量方差分析

式中1為開溝角度，(°)；2為前進速度，m/s；3為開溝深度，mm；4為壓力大小，N。

1）回歸系數(shù)顯著性檢驗。表3中值小于0.05項是顯著項，影響因子1、2、3、4、12、12、22、32、42對回土量的影響均為顯著項。

對29號螺孔螺紋使用梳刀、銑刀、打磨、拋光等工具對損傷螺紋進行了銑削去除和拋光打磨，初步修復(fù)后檢查發(fā)現(xiàn)較多螺紋扣出現(xiàn)損傷，29號螺孔總體情況如下：①第2-20扣螺紋，中徑實測值超出設(shè)計最大值152.667mm，其中8-18扣螺紋中徑值達到或超過M156螺孔中徑值范圍；②第21-55扣螺紋尺寸符合設(shè)計要求；

2）回歸方程的顯著性檢驗?；貧w方程值為19.41，回歸方程顯著，顯著性水平為0.001。

3）回歸模型失擬檢驗。失擬項的值為0.489 5，顯然>0.05，回歸方程不失擬，回土量模型實測值與預(yù)測值相近，決定系數(shù)與校正決定系數(shù)均接近于1，表明回歸方程精確、效果顯著，精密度值為16.449>4，表明該回歸方程在設(shè)計域內(nèi)預(yù)測性能良好。

各影響因子對回土量的顯著性順序從大到小依次為壓力大?。鹃_溝角度＞前進速度＞開溝深度。

2.5 最佳參數(shù)組合

根據(jù)試驗結(jié)果，以回土量最小為限制條件，軟件得出最佳參數(shù)組合如表4所示，給出了3個符合期望的優(yōu)選方案，其回土量與期望值均差別不大。綜合考慮大豆播種機、大豆播種深度30～50 mm的需求及開溝器自身特點，選擇最佳參數(shù)組合為壓力大小689.66 N、開溝角度40.43°、前進速度2.12 m/s、開溝深度51.62 mm。由于開溝器開溝角度和開溝深度可以設(shè)置，而壓力大小和前進速度在田間作業(yè)較難保證其精準性，因此通過期望分析可知，開溝當開溝角度為40.43°，開溝深度為51.62 mm時，作業(yè)速度控制在2～2.3 m/s，壓力范圍在650～700 N之間，期望度接近于1，均能達到良好的作業(yè)效果。

表4 最佳參數(shù)組合

3 田間試驗

田間試驗?zāi)康氖球炞C土槽試驗得出的開溝器結(jié)構(gòu)最佳工作參數(shù)組合是否具有良好的作業(yè)效果，并與目前國內(nèi)應(yīng)用于壟上雙行大豆播種機廣泛使用的圓盤開溝器及已發(fā)明的雙V型筑溝器做對比，驗證仿形滑刀式開溝器作業(yè)性能。

3.1 試驗準備和試驗方法

試驗于2016年5月23—26日，在黑龍江省七臺河市勃農(nóng)產(chǎn)業(yè)園（N45.78°，E130.59°，海拔197 m）進行，該區(qū)域地處寒溫帶，屬于北溫帶大陸性季風氣候，春秋季節(jié)多風。年平均降雨量為450～550 mm，日照時數(shù)在2 350～2 450 h，活動積溫在2 300～2 700 ℃。地勢平坦，土質(zhì)肥沃，土壤類型為典型東北黑黏土[25]。田間試驗的試驗條件：試驗田為均勻壟大豆地，無秸稈殘茬覆蓋；耕作方式為壟作，翻耕后土壤0～25 mm處土壤緊實度為0.103 MPa，25～50 mm處土壤緊實度為0.241 MPa，50～75 mm處土壤緊實度為0.345 MPa，75～100 mm處土壤緊實度為0.414 MPa。0～50 mm處土壤含水率為6.2%，50～100 mm處土壤含水率為13.2%，100～150 mm處土壤含水率為19%。仿形滑刀式開溝器連接在2BDB-6大豆變量施肥播種機的播種單體上，田間試驗現(xiàn)場如圖7所示。

a. 田間試驗a. Field trial b. 圓盤開溝器b. Disk opener c. 雙V型筑溝器c. Double-V furrow openerd. 仿形滑刀式開溝器d. Profiling sliding-knife opener

試驗用的主要儀器設(shè)備：凱斯FARMALL 1254拖拉機、2BDB-6大豆變量施肥播種機、SC-900型土壤緊實度儀、TDR 300土壤水分測定儀、環(huán)刀組件（容積100 cm3）、電子天平等，試驗用大豆種子品種為禾豐50。

3.2 試驗內(nèi)容與結(jié)果分析

仿形滑刀式開溝器能夠提高種子分布的直線性及播種深度一致性，為了驗證其性能，選取播種橫向偏移離散度和播深變異系數(shù)作為評價指標，并對比種床緊實度變化情況。

3.2.1 種子橫向偏移離散度測定

為研究種溝對田間播種均勻性的影響，提出可反映種子分布直線性的種子橫向偏移離散度[26]作為試驗指標。機具作業(yè)100 m測量一組數(shù)據(jù)，以種溝中線為基準，測量種子偏移量，每行連續(xù)測量100粒種子，進行10次重復(fù)試驗，結(jié)果如圖8所示。使用EXCEL軟件中的AVEDEV（mean absolute deviation, 平均絕對偏差）函數(shù)計算離散度[25]，離散度又稱“標準差率”，是衡量資料中各觀測值變異程度的一個統(tǒng)計量，離散度越小越穩(wěn)定。

試驗結(jié)果得出，使用仿形滑刀式開溝器橫向偏移離散度為4.42，使用雙V型筑溝器橫向偏移離散度為4.34，使用圓盤開溝器橫向偏移離散度為6.55。相同工況下，使用仿形滑刀式開溝器和雙V型筑溝器播種橫向偏移離散度基本相同，與圓盤開溝器相比，仿形滑刀式開溝器橫向偏移離散度降低了32.52%。由試驗結(jié)果分析仿形滑刀式開溝器和雙V型筑溝器均能使種溝成“V”形，種子落入種溝后會向溝底滾動，所以種子落入種溝中間的概率較大。相比雙V型筑溝器，仿形滑刀式開溝器的仿形輪機構(gòu)對土壤有一定預(yù)緊力，在最優(yōu)參數(shù)下，使溝形更加緊實。其中偏移中線大于20～30 mm的種子，因為播種過程中機身振動等原因[27]，未能使種子落入溝底。而圓盤開溝器，由2個相對的單圓盤開溝器組成，由于圓盤開溝器對土壤的擾動范圍是一個在傳統(tǒng)楔基礎(chǔ)上的隨機變量，自身無限深裝置，靠重力入土，開溝寬度受土壤條件影響較大，致使溝形不均，種子播種橫向偏移量增大，并直接導(dǎo)致播種深度不一致。

3.2.2 播種深度一致性

播深一致性是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一。研究表明[28]，出苗不一致會使作物產(chǎn)量降低，至使總產(chǎn)量下降。因此對3種開溝器的播深一致性進行了對比試驗，每個開溝器測量6行，進行5次重復(fù)試驗。播種深度變異系數(shù)計算公式為

試驗結(jié)果如表5所示，仿形滑刀式開溝器播深變異系數(shù)為6.06%，雙V型筑溝器的播深變異系數(shù)為6.80%，優(yōu)于圓盤開溝器的播深變異系數(shù)11.52%，仿形滑刀式開溝器播深變異系數(shù)比雙V型筑溝器降低了10.88%，比圓盤開溝器降低了47.40%。圓盤開溝器在工作過程中若遇到土塊則將其撥開，導(dǎo)致開溝寬度不均勻，溝形如圖9a所示；仿形滑刀式開溝器和雙V型筑溝器在工作過程中能壓碎土塊，開出的種溝寬度較窄且均勻，利于形成良好種床，易于將種子播入設(shè)計位置，如圖9b和9c所示，其播深一致性明顯優(yōu)于圓盤開溝器；而仿形滑刀式開溝器設(shè)計有仿形壓土輪，對地有恒定的壓力，可緊實種溝，提高開溝質(zhì)量，因此其播深一致性略高于雙V型筑溝器。

表5 播種深度變異系數(shù)結(jié)果

a. 圓盤開溝器a. Disk openerb. 雙V型筑溝器b. Double-V furrow openerc. 仿形滑刀式開溝器c. Profiling sliding-knife opener

圖9 溝形局部放大對比圖

Fig.9 Partial enlarged comparison diagram of seed furrows

3.2.3 種溝土壤緊實度情況分析

使用SC-900型土壤緊實度儀測量開溝后土壤緊實度，在作業(yè)方向中段20 m種溝內(nèi)，每隔2 m取一點，共測量20點，取平均值。

土壤緊實度是指土壤顆粒松緊程度，是對土壤顆粒組成、孔性、容重及含水量等的綜合反應(yīng)[29]。使用仿形滑刀式開溝器試驗前后分別在0～25，>25～50，>50～75，>75～100 mm深度時對土壤緊實度測量平均值對比，如圖10所示。

優(yōu)良的種床環(huán)境要求種床底部緊實，覆蓋種床土壤松軟，由圖10可知，使用圓盤開溝器、雙V型筑溝器和仿形滑刀式開溝器開溝鎮(zhèn)壓后，在種床底部>50～75 mm土層，土壤緊實度分別為0.165、0.248、0.261 MPa，在種床覆蓋層>25～50 mm土層，土壤緊實度分別為0.137、0.213、0.206 MPa，2個土層間土壤緊實度差值分別為0.028、0.035、0.055 MPa，仿形滑刀式開溝器兩土層間土壤緊實度差值明顯高于雙V型筑溝器和圓盤開溝器，利于構(gòu)建底部緊實、覆蓋土壤松軟的種床。仿形滑刀式開溝器的仿形壓土輪可獨立仿形，對地保持恒定壓力，具有對壓緊種床底部的作用，滑刀可切斷雜草、壓碎土塊，使覆蓋的土壤松軟細碎。在種床底部>50～75 mm土層，仿形滑刀式開溝器開溝鎮(zhèn)壓后的土壤緊實度比雙V型筑溝器提高了5.24%，比圓盤開溝器提高了58.18%。仿形滑刀式開溝器在開溝的同時，對作業(yè)深度約為50 mm處土壤施加足夠的壓力，使50～75 mm區(qū)域內(nèi)的土壤變得更加緊實，而無法影響更深層的土壤，使其與>75～100mm的緊實度存在差異。土壤物理學(xué)研究表明[30-31]，在干旱半干旱地區(qū)，土壤中含水率不能達到飽和的情況下，土壤緊實度增加，有利于水汽緩慢聚集，并形成膜狀水，聚集到種子周圍。由此推斷，仿形滑刀式開溝器在平滑種溝的同時，也能起到提墑的作用，從而加快種子萌發(fā)。

仿形滑刀式開溝器增加了滑刀和仿形壓土輪機構(gòu)，通過試驗，如圖10所示，仿形滑刀式開溝器與雙V型開溝器相比，工作穩(wěn)定性沒有顯著性差異，開溝鎮(zhèn)壓后，土壤緊實度均小于2~3 MPa的作物生長臨界值，新結(jié)構(gòu)的增加未使整機性能受到影響，且可達到良好的工作效果。表5中，仿形滑刀式開溝器播深變異系數(shù)優(yōu)于雙V型筑溝器和圓盤開溝器，也可驗證這一結(jié)論。

3.2.4 討論

本研究在已發(fā)明的雙V型筑溝器[18]的基礎(chǔ)上，設(shè)計了仿形滑刀式開溝器，并與圓盤開溝器和雙V型筑溝器進行了田間對比試驗，以種子橫向偏移離散度、播種深度一致性和種溝土壤緊實度為指標，來評價開溝器開出的種床質(zhì)量和作業(yè)效果。農(nóng)業(yè)機械在實際應(yīng)用過程中，還應(yīng)考慮可靠性、生產(chǎn)效率、使用壽命等工作性能，后續(xù)將對開溝器的耐磨性、工作阻力、疲勞強度等方面進行深入研究，進一步提高開溝器的工作性能。該研究為解決開溝器保證播種深度一致性和構(gòu)建優(yōu)良種床等問題提供了參考借鑒。

4 結(jié) 論

1）本文設(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，通過滑刀和仿形壓土輪機構(gòu)，可切斷雜草、壓碎土塊、緊實溝壁、獨立仿形。

2）利用響應(yīng)面優(yōu)化法，通過土槽試驗對仿形滑刀式開溝器參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，最佳參數(shù)組合為：壓力大小689.66 N、開溝角度40.43°、前進速度2.12 m/s、開溝深度51.62 mm。此時，作業(yè)速度控制在2～2.3 m/s，壓力范圍在650～700 N之間也能達到良好的作業(yè)效果。

3）通過田間對比試驗得出，仿形滑刀式開溝器作業(yè)效果優(yōu)于雙V型筑溝器和圓盤開溝器，在最優(yōu)工況下，仿形滑刀式開溝器的橫向偏移離散度與雙V型筑溝器相比基本相同，與圓盤開溝器相比降低了32.52%；仿形滑刀式開溝器播深變異系數(shù)與雙V型筑溝器相比減小了10.88%，與圓盤開溝器相比減小了47.40%；在種溝底部50～75 mm土層，仿形滑刀式開溝器開溝鎮(zhèn)壓后土壤緊實度與雙V型筑溝器相比提高了5.24%，與圓盤開溝器相比提高了58.18%。

仿形滑刀式開溝器可以開出緊實種溝，提高種床質(zhì)量和播深一致性，可應(yīng)用于大豆播種機上，為大豆高產(chǎn)機械化提供參考。

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Design and experiment of profiling sliding-knife opener

Jia Honglei, Zheng Jiaxin, Yuan Hongfang※, Guo Mingzhuo, Wang Wenjun, Jiang Xinming

(1.,,130025,; 2.,,,130025,)

To improve the seedbed quality and enhance the even distribution of soybean seeds and the consistency of deep seeding in the field, and targeting the double-row high-yield planting techniques on soybean ridges, we manufactured the profiling sliding-knife openers that could dig out V-shaped seed furrows and function as single profiling based on a self-invented double-V shape opener. This new opener can build favorable seedbeds, thereby reducing variation coefficient of qualified grain space and variation coefficient of deep seeding and improving seeding quality. The profiling sliding-knife opener mainly functions to dig out V-shaped seed furrows, improve opener passing rate by holding blades, and guarantee the consistency of furrowing depths and the even distribution of seeds. The profiling sliding-knife opener is composed of connecting bar, soil-compressing profiling wheels, profiling device, squeezing knife, and sliding knife. Interaction mechanism between squeezing knife assembly and soil as well as force condition was illustrated, sliding-knife blade force and curve were analyzed, and structure of profiling compacting wheels and force condition were elaborated. Through soil-bin trials, a three-level four-variable central composite rotatable design was applied by Design Expert software. Based on the force analysis and the actual operating condition of machine, the furrowing angle, machine forward velocity, furrowing depth and pressure were selected as influence factors. And the test index was the quantity of backfill. Experiment data obtained were assessed by the analysis of variance (ANOVA) and the quadratic regression model was set up for optimization with response surface methodology. Through the lack of fit test of the regression model, thevalue of lack of fit was 0.489 5, which was larger than 0.05. The determination coefficient and adjusted determination coefficient were close to 1, which indicated that the regression equation was precise and effective. The precision was 16.449 which was larger than 4, indicating that the regression equation had sound estimation performance within the design domain. The significance sequence of influence factors on quantity of backfill from large to small was pressure, furrowing angle, machine forward velocity and furrowing depth. The optimal parameter combination of profiling sliding-knife openers was selected: load of 689.66 N, furrowing angle of 40.43°, furrowing depth of 51.62 mm, and machine forward speed of 2.12 m/s. Under these working conditions, the soil disturbing quantity by the profiling sliding-knife opener was the minimum, which indicated a humidity-improving function and a seedling-promoting effect. It could be learned from the expectation analysis that sound operating effect of ditching could be achieved when the furrowing angle was 40.43°, the furrowing depth was 51.62 mm, the operating velocity was within 2-2.3 m/s, the pressure scope was 600-700 N, and the expectation degree was close to 1. Field verification test and comparative test showed the sowing width mean absolute deviation was 4.42 after seeding by profiling sliding-knife openers, which was similar to the double-V shape opener (4.34) and smaller than the disk openers (6.55). These results suggested that under the same operating conditions, the scope of seed transverse fluctuation was smaller for the profiling sliding-knife opener or double-V shape opener versus the disk opener. The probability of seeds falling into the middle of the seed furrow was larger. The variation coefficient of seeding depth for the profiling sliding-knife openers was 6.06%, which was reduced by 10.88% compared with the double-V shape opener, smaller than that of disk openers (11.52%), indicating the seeding linearity and consistency of deep seeding were both better for our profiling sliding-knife openers. In the 50-75 mm soil layer, the soil cone index after furrowing and soil-covering by profiling sliding-knife opener, double-V shape opener and disc opener was 0.261, 0.248, and 0.165 MPa respectively. The profiling sliding-knife opener has a better operating effect compared with the double-V shape opener and disc opener. It can be used to improve the seedbed quality and sowing depth consistency, and the seedbed will be more compact, and the emergence rate will be higher.

mechanization; optimization; design; profiling; openers; mean absolute deviation; consistency of seeding depth

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.003

S220.39; S223.2

A

1002-6819(2017)-04-0016-09

2016-05-26

2017-02-09

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目（2014BAD06B03）；吉林省科技發(fā)展計劃項目（20140204050NY，20140441006SC）。

賈洪雷，男（漢族），吉林長春人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護性耕作技術(shù)與全程機械化研究。長春 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，130025。Email：jiahl@ vip.163.com

袁洪方，男（漢族），黑龍江寧安人，博士后，主要從事保護性耕作技術(shù)與農(nóng)業(yè)機械優(yōu)化設(shè)計研究。長春 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，130025。Email：yhf1984828@163.com

賈洪雷，鄭嘉鑫，袁洪方，郭明卓，王文君，姜鑫銘. 仿形滑刀式開溝器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(4)：16－24. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.003 http://www.tcsae.org

Jia Honglei, Zheng Jiaxin, Yuan Hongfang, Guo Mingzhuo, Wang Wenjun, Jiang Xinming. 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) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.003 http://www.tcsae.org