趙淑紅 顧志遠 袁溢文 呂金慶
(東北農(nóng)業(yè)大學工程學院, 哈爾濱 150030)
開溝器作為馬鈴薯種植機上播種的關鍵部件,其開溝性能直接影響馬鈴薯播種質(zhì)量[1]。一個性能較好的開溝器應滿足工作阻力小,具有一定的回土作用,使細濕土將種子全部覆蓋以利種子發(fā)芽,開溝時不擾亂土層順序,不將下層濕土翻至地面,也不使干土落入溝底,以免土壤失墑[1-2]。
按入土角不同,馬鈴薯播種開溝器可分為銳角開溝器和鈍角開溝器[3]。前者包括鋤鏟式、芯鏵式和船形鏟式等,后者有靴式、圓盤式[4]。銳角開溝器工作時,將下層濕潤土壤翻到上層,使干濕土混合,不利保墑,并且殘茬雜草較多時容易發(fā)生纏草、壅土等問題,致使作業(yè)阻力增加[5]。靴式開溝器不會使?jié)裢练?,利于保墑,且通用性較好,滿足馬鈴薯開溝要求,但其開出的平溝降低了播種精度,且增大了土壤擾動面積,導致作業(yè)阻力增大[6]。圓盤式開溝器作業(yè)時可切割土塊、草根和殘茬,且工作較穩(wěn)定,上下土層相混現(xiàn)象較少,但所開種溝溝底不平,回土量較小,其作業(yè)效果并不能很好滿足馬鈴薯開溝作業(yè)要求[7]。
隨著馬鈴薯種植機械化水平的發(fā)展,馬鈴薯播種機作業(yè)效率持續(xù)提高,加劇了現(xiàn)有馬鈴薯播種開溝器作業(yè)阻力大、回土深度淺和干濕土易混合等問題,高速作業(yè)條件下難以滿足馬鈴薯種植農(nóng)藝要求,制約了馬鈴薯播種作業(yè)高質(zhì)、高效的發(fā)展[8-9]。為提高開溝器作業(yè)速度,需盡可能減小開溝器作業(yè)阻力和保證作業(yè)質(zhì)量[10]。在高效減阻農(nóng)機部件的結構設計中,仿生學為研究者提供了新思路[11]。
本文以黃鰭金槍魚下顎流線型曲線為仿生原型,以馬鈴薯舀勺式雙列排種器為設計基礎,結合理論分析、農(nóng)藝要求和仿真試驗,設計一種曲面式開溝器。使用離散元法觀察開溝器對土壤原有分層順序的影響。通過理論分析和田間試驗探究開溝破土曲面擠壓土壤的開溝方式對回土深度的影響,采用作業(yè)阻力、回土深度和土壤含水率為試驗指標,驗證開溝器的作業(yè)性能。
曲面式開溝器總體結構如圖1所示,主要由開溝器柄、分土板、開溝破土曲面、上擋土板、下?lián)跬涟搴推仆恋度薪M成。
播種作業(yè)時,破土刀刃(由對稱布置的開溝破土曲面交匯形成)首先與土壤接觸,隨著開溝器的前進,破土刀刃對土壤進行切削、破壞,土壤沿著破土刀刃分流,種溝不斷擴大。隨后開溝破土曲面持續(xù)對土壤施加擠壓作用,與其接觸及相鄰的土壤不斷嵌入外側土壤間,土壤顆粒間壓力升高,向上運動,宏觀上表現(xiàn)為土壤表層升高。分土板為升高的表層土壤提供支持力,減少土壤擾動寬度,土壤沿分土板向上運動一定高度,同時產(chǎn)生向后流動的相對運動。上、下?lián)跬涟鍨橥寥捞峁┲С至?,防止干土回流到種溝中,當脫離擋土板后,濕土壤回流至種溝,覆蓋種薯。
2.1.1破土刀刃曲線的獲取
黃鰭金槍魚是金槍魚中體型最大的一種,為大洋性高度洄游魚種,具有很大的高速耐力,擁有典型的流線型外形,魚體呈紡錘形,近似魚雷體型,前2/3基本是剛性的[12]。經(jīng)過千萬年演變,黃鰭金槍魚下顎形成了流線型曲線,在其快速前進時,降低工作阻力,適合于開溝器的應用要求[13]。但魚體最大橫截面(前進方向的投影面)呈類橢圓形,不利于開溝作業(yè)中V型溝的構建[14-15]。因此,本文在保留黃鰭金槍魚下顎曲線的基礎上,將原有仿生曲線重構為三維曲面。
為獲得開溝破土曲面的破土刀刃曲線方程,使用逆向工程技術建立黃鰭金槍魚三維模型[16-17],以黃鰭金槍魚側視圖為基準面獲取黃鰭金槍魚的投影,如圖2b所示。通過CAD二維制圖獲取黃鰭金槍魚下顎輪廓曲線,根據(jù)馬鈴薯種植農(nóng)藝要求,開溝器作業(yè)最大播種深度為150 mm[18],故將輪廓曲線進行分段,在y軸方向上-150~0 mm區(qū)間內(nèi)每隔8 mm提取曲線上的一個坐標點,共提取19個數(shù)據(jù)點,如圖2c所示。將數(shù)據(jù)點導入Matlab中,利用cftool工具對數(shù)據(jù)進行曲線擬合,采用擬合程度較高的三階多項式擬合黃鰭金槍魚下顎曲線,R2為0.999 7,擬合曲線方程為
y=3.156×10-6x3+1.325×10-4x2+
0.276 2x-150.5
(1)
2.1.2開溝破土曲面的形成原理
水平直元線法以易于成形、技術成熟的優(yōu)勢成為應用廣泛的曲面成形方法[19]。開溝破土曲面形成原理參考水平直元線法,直元線OA以恒定元線角λ沿導曲線AB運動形成曲面OABC,如圖3a所示,截取整體曲面的一半即曲面OAB為開溝破土曲面。x方向為開溝前進方向,y方向為開溝寬度方向,z方向為開溝深度方向。在圖3b中,AB為導曲線即破土刀刃曲線,θA為導曲線AB始端切角,θB為導曲線AB終端切角。
2.1.3開溝破土曲面受力分析與設計
為探究影響開溝破土曲面作業(yè)阻力的主要因素,分析開溝破土曲面對土壤的擠壓作用,確定開溝破土曲面的結構參數(shù),需對開溝破土曲面進行受力分析。本研究針對東北壤土,因其土壤凝聚力和內(nèi)摩擦力較大,故主要考慮開溝破土曲面與土壤之間的正壓力和滑動摩擦力,土壤與接觸面之間的附著力可以忽略[20]。選取開溝破土曲面上任意一點O分析土壤顆粒對開溝破土曲面的作用力,建立如圖4所示的空間直角坐標系,x軸的反方向為開溝器前進方向,點O受到土壤顆粒給予的正壓力F和滑動摩擦力f。三角形OB′C′為點O在曲面上的微元平面,采用三面楔OA′B′C′為基礎對開溝破土曲面的滑動摩擦力進行分析。在三角形OB′C′中滑動摩擦力f垂直直線B′C′,此時滑動摩擦力f與x方向的夾角τ為最小值。
根據(jù)合矢量投影定理,正壓力F和滑動摩擦力f在x、y、z方向上投影的關系式為
(2)
式中Fx、Fy、Fz——正壓力F在x、y、z方向分力,N
fx、fy、fz——滑動摩擦力f在x、y、z方向分力,N
ξ——正壓力F與x方向的夾角,(°)
η——A′B′與B′C′的夾角(在yOz平面上曲面與點O的切線與y方向夾角),(°)
由幾何關系可得
(3)
補充方程為
f=Ftanφ
(4)
式中φ——土壤與開溝器之間的摩擦角,(°)
聯(lián)立式(2)~(4)可得
(5)
式中Ffx、Ffy、Ffz——曲面在x、y、z方向受土壤顆粒作用合力,N
由式(5)可得
(6)
式中Ffyz——Ffy和Ffz的合力,N
由式(5)可知,正壓力F、摩擦角φ、元線角λ和夾角η決定各方向上作用合力的變化趨勢,影響種溝的整形效果。當開溝器前進速度一定時,正壓力F在宏觀上可以視為理想數(shù)值[21]。在圖5a中,采用等距橫向截面截取開溝破土曲面得到橫剖曲線族,x方向為開溝前進方向的反方向,y方向為開溝寬度方向,z方向為開溝深度方向。在圖5b中,曲線Ⅰ末端的切線與y方向的夾角為ηi,其余角為γi。曲線Ⅴ末端的切線與y方向的夾角為ηn,其余角為γn。在y方向上,各曲線平移后可以重合。在z方向上,隨著開溝器的前進,開溝破土曲面對土壤的作用范圍逐漸擴大,開溝破土曲面擠壓土壤的水平位置逐漸降低,夾角η逐漸減小。
根據(jù)馬鈴薯種植農(nóng)藝要求,開溝器作業(yè)最大播種深度可達150 mm[18],故開溝破土曲面的作業(yè)深度lBE設計為150 mm。
開溝器寬度需大于排種器寬度。參考2CMF-2型馬鈴薯種植機[22],實際測量舀勺式排種器下部的最大寬度為240 mm,壟距為850 mm。為了保證開溝器不將過多的土壤擾動到壟溝中,導致覆土困難,開溝器寬度與壟距的比值應小于1∶3[5]。因此,開溝器寬度應在252~283 mm之間(擋土板厚6 mm)。為便于開溝器與排種器安裝配合,設計開溝器寬度為280 mm,所以開溝破土曲面寬度lOE為140 mm。
在圖3a中,BD為過點B曲線OB的切線,BD與豎直方向的夾角為γ,開溝器的最大刃口角為2γ。取土壤與開溝器之間的摩擦角φ為23°[23]。在開溝器垂直入土的過程中,為使刃口與土壤產(chǎn)生滑切作用,刃口角應小于180°-2φ,即最大刃口角2γ<134°。
當開溝破土曲面的作業(yè)深度lBE和寬度lOE為定值時,最大刃口角與破土刀刃曲線比例呈負相關。破土刀刃曲線比例放大,則開溝器長度減小,元線角λ增大,曲面作業(yè)阻力增大,夾角η最小值增大,最大刃口角減小。破土刀刃曲線比例縮小,則開溝器長度增加,元線角λ減小,曲面作業(yè)阻力減小,夾角η最小值減小,最大刃口角增大。同時,破土刀刃曲線比例縮小,開溝長度增加,曲面擠壓土壤時間變長、作用力增大,利于形成平滑、緊實的種溝。因此,為減小作業(yè)阻力,形成更為理想的種溝,最大刃口角應盡量增大,故設計最大刃口角為132°。
在CATIA中畫出開溝破土曲面三維模型,由于導曲線AB方程、深度lBE、寬度lOE和夾角γ已知,則破土刀刃曲線比例確定。通過測量得到導曲線AB的始端切角θA為55°,終端切角θB為13°,如圖3b所示。此時開溝破土曲面作業(yè)長度lAE為272 mm,元線角λ為27°,夾角η在24°~70°之間。
在Matlab中輸入式(6),輸出函數(shù)圖像,可知Ffyz隨著夾角η減小逐漸增大。因此開溝破土曲面對種溝作用力自上而下逐漸增大,使種溝側壁、種溝底部比種溝頂部更平滑,土壤更加緊實,利于種溝頂部表層土壤沿平滑、緊實的曲線型種溝側壁回流到種溝內(nèi)。同時,曲面擠壓土壤的開溝方式能減少土壤擾動寬度,有助于表層土壤回流到種溝中,增加回土深度。
2.2.1分土板受力分析
隨著開溝器向前作業(yè),開溝破土曲面持續(xù)向兩側擠壓土壤,使表層土壤不斷上升,升高的表層土壤沿著分土板表面向后運動。為探究影響分土板作業(yè)阻力的主要因素,對分土板進行受力分析。
選擇與土壤接觸的分土板上任意一點O為研究對象,建立圖6所示空間直角坐標系,x軸的反方向為開溝器前進方向,土壤顆粒對分土板的正應力為N,摩擦力為R。三角形OE′F′為點O在平面上的微元平面,采用三面楔OD′E′F′為基礎對分土板的摩擦力進行分析。在三角形OE′F′上摩擦力R垂直直線E′F′,此時摩擦力R與x方向的夾角ε為最小值。
根據(jù)合矢量投影定理,正應力N和摩擦力R在x方向上投影的關系式為
(7)
式中Nx——正應力N在x方向分力,N
Rx——摩擦力R在x方向分力,N
σ——正應力N與xOz平面的夾角,(°)
δ——分土板的起土角,(°)
由幾何關系可得
(8)
式中μ——D′F′與E′F′的夾角(在yOz平面上平面和點O的切線與y方向夾角),(°)
補充方程為
R=Ntanφ
(9)
聯(lián)立式(7)~(9)可得
(10)
式中Rfx——分土板在x方向受土壤顆粒作用合力,N
由式(10)可知,正應力N、摩擦角φ、元線角λ和起土角δ共同決定分土板作業(yè)阻力Rfx的大小。當開溝器作業(yè)速度一定時,正應力N在宏觀上可以視為理想數(shù)值[21]。摩擦角φ和元線角λ已知,在Matlab中輸入式(10)可知,分土板作業(yè)阻力Rfx與起土角δ呈正相關。
2.2.2分土板設計
分土板的起土角δ和高度難以通過理論分析確定,因此采用離散元仿真軟件EDEM模擬不同起土角下開溝器作業(yè)阻力和土壤沿分土板運動高度。
以起土角為試驗因素,作業(yè)阻力為評價指標,進行單因素試驗,并分析起土角對土壤運動高度的影響。開溝器長度范圍為400~600 mm[6],為使起土角足夠小,開溝器長度暫定為600 mm。因開溝破土曲面作業(yè)深度為150 mm,為防止土壤沿分土板運動過高而掉落到種溝中,分土板的高度暫定為150 mm。選取起土角分別為30°、35°、40°、45°、50°、55°和60°[24]。
為保證開溝器作業(yè)范圍,設置長1 200 mm、寬1 000 mm、高300 mm的土壤仿真模型,如圖7所示。使用CATIA軟件建立曲面式開溝器的三維模型,保存為stp格式導入EDEM 2018。設置開溝器材料為65Mn,密度為7 830 kg/m3,剪切模量為7.27×1010Pa,泊松比為0.35。
土壤顆粒設置為單一顆粒,半徑為4 mm[21]。土壤顆粒與開溝器之間設定為Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型,土壤間添加Hertz-Mindlin with bonding接觸模型,其他接觸參數(shù)依據(jù)文獻[25]及前期對試驗地區(qū)土壤顆粒微觀參數(shù)的測定,土壤顆粒微觀參數(shù)如表1所示。Rayleigh時間步長為5.55×10-5s,總土壤顆粒生成時間為17 s,土壤顆粒自然沉降1 s,數(shù)據(jù)記錄間隔0.01 s。農(nóng)藝要求馬鈴薯播種開溝深度為100~150 mm[18],為使土壤運動高度足夠大,設置開溝深度為150 mm。現(xiàn)有馬鈴薯播種開溝器的作業(yè)速度范圍基本為1.8~5 km/h,本文研究的開溝器作業(yè)速度為3.6~7.2 km/h,由于作業(yè)速度越大,開溝器作業(yè)阻力越大,土壤運動高度越大,故設置作業(yè)速度為7.2 km/h。
表1 離散元仿真基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of DEM simulation
從開溝器完全進入土壤,且作業(yè)穩(wěn)定后開始記錄土壤運動高度的位置,直至開溝器即將穿過土壤時結束。因此,土壤運動高度從開溝器在土壤模型中前進到680 mm處開始統(tǒng)計,每隔100 mm記錄一次,共記錄6次,計算土壤運動高度平均值作為一次試驗結果,每次試驗重復3次取平均值作為最終試驗結果。試驗結果如圖8所示,起土角越大,土壤運動高度越大。起土角小可允許土壤有空間進行有序的分流,不破壞土壤內(nèi)部粘結力和剪切力。起土角增大時,開溝器對土壤的分流作用減弱,表層土壤會在分土板前方形成擁堵,增大土壤的上升高度。
不同起土角時開溝器平均阻力如圖8所示,隨起土角的增大,作業(yè)阻力先增大后減小再增大,在30°附近時取得最小值,但同時發(fā)現(xiàn)45°附近阻力較小。出現(xiàn)這種情況的原因是:當起土角小于一定值時,隨著起土角的增大,土壤運動高度上升速度減慢,土壤流動性好,土壤與分土板的接觸面積減小,作業(yè)阻力減小。當起土角大于一定值時,隨著起土角的增大,土壤運動高度上升速度加快,土壤流動性不好,分土板前方出現(xiàn)壅土,進而土壤與分土板的接觸面積增加,導致作業(yè)阻力增大。
由起土角δ取30°時的擋土板長度發(fā)現(xiàn),由于起土角過小,開溝器長度若為600 mm,則擋土板長度過小,未等種薯下落至種溝,土壤提前回流,不滿足設計要求,所以起土角為30°不能作為合適的起土角。起土角為45°時無此現(xiàn)象。因此,起土角選取為45°附近。為方便加工,起土角確定為45°。此時土壤運動高度為117.8 mm,由于田間地表不完全平整,應留有一定高度,因此設計分土板高度為150 mm。
2.3.1上擋土板設計
上擋土板高度和分土板高度保持一致,為150 mm。上擋土板應保證種薯剛剛下落到種溝時,表層土壤未回流到種溝中。但土壤的回流時間存在不確定性,故本文通過研究種薯下落到地表時的相對位移確定擋土板的長度。
種薯脫離種勺瞬間的速度如圖9所示。其中l(wèi)GH為上擋土板上邊長、lIJ為下邊長;投種初速度v與排種帶速度有關,vx、vy分別為水平和垂直分速度,va為機具作業(yè)速度,α為導種管與水平面的夾角。種薯密度較大,忽略空氣阻力影響。
種薯相對于地面在水平方向上的絕對位移方程為
xa=(va-vx)t=(va-vcosα)t
(11)
式中xa——水平絕對位移,mm
t——種薯下落時間,s
種薯相對于分土板的相對位移方程為
(12)
式中L、h——水平、垂直相對位移,mm
g——重力加速度,m/s2
投種初速度為0.25~0.42 m/s,取v為0.42 m/s;導種管與水平面的夾角α為77°;排種口與地表距離為200 mm,故h為200 mm;重力加速度g為9.8 m/s2,代入式(12)中可得L為15.5 mm。為更好地防止土壤顆?;芈涞椒N溝內(nèi),設計擋土板上邊長lGH為128 mm,擋土板下邊長lIJ為278 mm。
2.3.2下?lián)跬涟逶O計
為防止開溝器在不同開溝深度下作業(yè)時干土從上擋土板底邊提前回流到種溝中,需設計下?lián)跬涟?,下?lián)跬涟彘L度和上擋土板下邊長lIJ長度相等。實際測量舀勺式排種器排種口側板內(nèi)側間距最大為210 mm,排種帶寬200 mm,雙列種勺中心口垂直線橫向間距為120 mm。故為避免下?lián)跬涟蹇呐龇N薯、使其順利落入種溝內(nèi),設計對稱的下?lián)跬涟鍣M向間距l(xiāng)K最小值為210 mm。同時下?lián)跬涟鍛粲幸欢ǖ目障?,允許被開溝破土曲面擠壓的濕土減壓,使?jié)駶櫷寥阑亓?。因此,設計下?lián)跬涟鍖抣P為60 mm,與水平方向夾角β為60°,如圖10所示。此時下?lián)跬涟宓目v向高度為52 mm,可防止開溝器在100~150 mm的開溝深度下作業(yè)時干土回流,保證在種薯下落至種溝時,種薯周圍是濕潤松軟的土壤。
開溝器作業(yè)后,應保持土壤原有的分層順序,避免土層混亂,即下層濕土翻至地面、上層干土落入溝底[3]。為觀察干濕土混合情況,探究土壤沿開溝器表面運動情況,需建立干濕土分層模型。根據(jù)文獻[26],干土層是指從土壤表面至干土與濕土有明顯的界面為止,土壤含水率與干土層厚度的關系式為
(13)
式中W′——濕土層土壤含水率
Zd——干土層厚度,mm
依據(jù)文獻[13]以及前期對土壤參數(shù)的測定,干、濕土的土壤含水率分別選取為12%、22%,土壤密度分別為2 050、2 150 kg/m3,計算得土壤顆粒粘結半徑分別為4.34、4.68 mm[27]。將濕土的土壤含水率代入式(13)中可得干土層厚度Zd為37.4 mm。為直觀顯示干濕土的差異性,將干土模型設置為紅色,濕土模型設置為藍色,開溝器透明度調(diào)整為30%。由于開溝器作業(yè)速度越大,開溝器擾亂土層的情況越嚴重[28],故試驗設置在高速作業(yè)條件下,即作業(yè)速度為7.2 km/h,開溝深度分別設置為100、125、150 mm進行仿真,此時分土板和上擋土板距土壤表面分別為50、25、0 mm,如圖11所示。
觀察得當開溝深度為100、125、150 mm時,種溝中沒有干土,地表上沒有濕土,如圖11a、11c、11e所示。隨著開溝深度的增加,開溝破土曲面、分土板和擋土板外側的干土層逐漸升高,干土層和濕土層無混亂情況,如圖11b、11d、11f所示。土壤脫離擋土板后,濕土先回到種溝中,回流側壁上有少量回流的干土。因此仿真試驗驗證了開溝器作業(yè)時,開溝破土曲面擠壓土壤,土壤顆粒間壓力變大,使土壤向上運動;驗證了土壤沿著開溝破土曲面、分土板、擋土板的運動具有較好的流動性;驗證了所設計的開溝器不擾亂土層;同時驗證了本設計的可行性。
2020年10月在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學馬鈴薯種植試驗田進行田間試驗。田間土壤含水率為17.1%,平均土壤容重分別為:1.17 g/cm3(0~5 cm)、1.19 g/cm3(5~10 cm)、1.22 g/cm3(10~15 cm)、1.26 g/cm3(15~20 cm),平均土壤硬度分別為:112 kPa(0~2.5 cm)、124 kPa(2.5~5 cm)、146 kPa(5~7.5 cm)、173 kPa(7.5~10 cm)、182 kPa(10~12.5 cm)、189 kPa(12.5~15 cm)、208 kPa(15~17.5 cm)、294 kPa(17.5~20 cm),選用2CMF-2型馬鈴薯種植機作為試驗實施載體,如圖12b所示。
試驗所用設備有奔野454型拖拉機、約翰迪爾904型拖拉機、曲面式開溝器、芯鏵式開溝器、靴式開溝器、環(huán)刀組件、溝形輪廓儀、GPS-10A型機動車多功能檢測儀、牽引鋼絲繩等。試驗種薯選用東農(nóng)311,三軸平均尺寸為46.3 mm×34.8 mm×24.6 mm,形狀指數(shù)為203.7,平均質(zhì)量為23.56 g,平均含水率為75.4%,凈度大于99%。
3.2.1試驗目的與方案
為探究開溝器在不同工況下的作業(yè)阻力和回土效果,進行對比試驗。采用回土深度作為開溝器回土效果的評價指標[13]。在100、125、150 mm開溝深度的工況下,分別以3.6、5.4、7.2 km/h作業(yè)速度對曲面式開溝器、芯鏵式開溝器、靴式開溝器進行試驗。
作業(yè)阻力測量方法為:奔野454型拖拉機上安裝GPS-10A型機動車多功能檢測儀進行牽引力數(shù)據(jù)輸出,通過奔野454型拖拉機牽引約翰迪爾904型拖拉機和2CMF-2型馬鈴薯種植機進行測量,如圖12b所示。每組試驗使用GPS-10A型機動車多功能檢測儀對該組試驗條件下機組空載和安裝兩個相同開溝器機組的牽引力分別輸出,其差值的一半即為開溝器工作阻力,每組試驗重復3次取平均值作為試驗結果。
使用溝形輪廓儀對3種開溝器作業(yè)后的溝形進行測量,在坐標紙上描繪出溝形輪廓。在圖13中,s為種溝深度,S為開溝深度;u為種溝基線到壟頂距離,U為開溝基線到壟頂距離;w1、w2均為壟高;d為回土深度。每種工況重復測量5次,計算其平均值作為試驗結果,回土深度的計算公式為
d=S-s=U-u
(14)
3.2.2試驗結果
試驗結果如圖14所示,當作業(yè)速度一定時,隨開溝器開溝深度增加,作業(yè)阻力和回土深度增大;當開溝深度一定時,隨開溝器作業(yè)速度增加,作業(yè)阻力增大,回土深度減小。在所有工況下,曲面式開溝器、芯鏵式開溝器、靴式開溝器平均作業(yè)阻力分別為299、366、449 N,平均回土深度分別為46、27、24 mm。曲面式開溝器比芯鏵式開溝器、靴式開溝器平均作業(yè)阻力分別減小了18.3%、33.4%;平均回土深度增大了70.4%、91.7%。因此在開溝器的減阻和回土效果上,曲面式開溝器比其他開溝器性能較優(yōu)。
3.3.1試驗目的與方案
進行性能對比試驗以探究所設計開溝器的播種質(zhì)量和回流到種溝中土壤的含水率。使用約翰迪爾904型拖拉機以田間最大作業(yè)速度7.2 km/h進行播種作業(yè),上下調(diào)節(jié)開溝器柄使開溝深度達到最大深度150 mm。參照NY/T 990—2018《馬鈴薯種植機械作業(yè)質(zhì)量》的規(guī)定,播行直線性偏差是馬鈴薯種植機作業(yè)質(zhì)量指標,是影響馬鈴薯產(chǎn)量的重要原因之一,是曲面式開溝器采用重構對稱曲面設計的主要思想。使用種薯橫向偏移系數(shù)作為評價指標[6]。選取土壤含水率作為反映干濕土混合情況的評價指標,選取土壤容重作為開溝器擠壓土壤程度的評價指標[29]。
播行直線性偏差是種薯橫向偏移距離最大值。種薯橫向偏移系數(shù)的計算公式為
(15)
式中ω——種薯橫向偏移系數(shù),mm
種薯橫向偏移距離測量方法為:以種溝中心線為基準,測量種薯上表面中心到種溝中心線的橫向間距即為種薯橫向偏移距離。每種開溝器分別選取3個測量段,每段測量25個種薯的種薯橫向偏移距離。
土壤含水率取樣位置包括壟頂、回流側壁和種溝中部。土壤容重取樣位置包括種溝底部和種溝側壁。取樣位置如圖13所示,每種開溝器重復取樣5次,計算其平均值作為試驗結果。
3.3.2試驗結果
播行直線性偏差和種薯橫向偏移系數(shù)如表2所示,曲面式開溝器播行直線性偏差小于芯鏵式開溝器、靴式開溝器,滿足國家標準(小于等于100 mm)。曲面式開溝器比芯鏵式開溝器、靴式開溝器種薯橫向偏移系數(shù)分別減小9.5%、10.1%。因此曲面式開溝器播行直線性較好,這是由于開溝破土曲面擠壓土壤所開出的曲線型溝形,平滑、緊實的種溝側壁和種溝底部有助于種薯和回流土壤向種溝中心線運動,提高播行直線性,作業(yè)效果如圖15a所示。
表2 種薯橫向偏移結果Tab.2 Seed potato lateral offset result mm
不同取樣位置的土壤含水率如表3所示,曲面式開溝器比芯鏵式開溝器、靴式開溝器壟頂土壤含水率分別減小4%、0.7%,回流側壁土壤含水率分別增加4.1%、6%,種溝中部土壤含水率分別增加3.5%、4.7%。因此,曲面式開溝器能夠減小土層混亂,減少將下層濕土翻至地面、上層干土落入溝底,減少干濕土混合。
表3 土壤含水率試驗結果Tab.3 Test results of soil moisture content %
不同取樣位置的土壤容重如表4所示,曲面式開溝器種溝側壁土壤容重比芯鏵式開溝器增加0.8%,比靴式開溝器減小0.8%。曲面式開溝器種溝底部土壤容重比芯鏵式開溝器、靴式開溝器分別增加1.6%、0.8%。曲面式開溝器會增加種溝側壁和種溝底部的土壤容重。種溝側壁整齊平滑,有利于種薯下落和土壤回流,并且回流的是濕土,有利于種薯發(fā)芽和生長。從作用效果上看,增加種溝側壁和種溝底的土壤容重,可以減少土壤中的大孔隙,減少水分蒸發(fā),加強土壤毛細管作用,有助于提高種床質(zhì)量。種薯生長時土壤容重在1.3~1.45 g/cm3之間[30-31],開溝器擠壓作用不影響馬鈴薯根系的生長和塊莖的膨大。
表4 土壤容重試驗結果Tab.4 Soil bulk density test results g/cm3
(1)基于黃鰭金槍魚下顎曲線設計的曲面式開溝器,解決了現(xiàn)有馬鈴薯播種開溝器作業(yè)阻力大、回土深度淺和干濕土易混合的問題,為馬鈴薯播種開溝器高效率、高質(zhì)量開溝作業(yè)提供理論參考。
(2)探明了影響開溝破土曲面作業(yè)阻力的主要因素,結合馬鈴薯種植深度農(nóng)藝要求和滑切原理,確定了最大刃口角為132°,元線角為27°。單因素仿真試驗表明,分土板作業(yè)阻力隨起土角的增大,先增大后減小再增大,得到了當起土角為45°時滿足設計要求。經(jīng)仿真觀察確定曲面式開溝器不擾亂土壤原有分層順序。
(3)田間多工況對比試驗表明,曲面式開溝器比芯鏵式開溝器、靴式開溝器作業(yè)阻力減小18.3%、33.4%,回土深度增加70.4%、91.7%。田間性能對比試驗表明,曲面式開溝器比芯鏵式開溝器、靴式開溝器種溝中土壤含水率增加3.5%、4.7%,滿足馬鈴薯種植開溝的農(nóng)藝要求。