趙淑紅，譚賀文，王加一，楊 超，楊悅乾

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

0 引 言

中國東北農(nóng)業(yè)區(qū)由于長(zhǎng)時(shí)間耕墾且土壤擾動(dòng)頻繁、耕地退化嚴(yán)重、水土流失加劇影響了播種作業(yè)質(zhì)量，良好的種床土壤環(huán)境可改善播種質(zhì)量[1]。構(gòu)建優(yōu)良的種床環(huán)境與播種機(jī)作業(yè)性能密不可分，因而通過對(duì)播種機(jī)具關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和研究，為播種機(jī)具整體作業(yè)性能的提高提供輔助性裝備支撐[2-3]。

開溝和鎮(zhèn)壓是播種作業(yè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，開溝器與鎮(zhèn)壓輪作為播種機(jī)的關(guān)鍵部件被研究者廣泛研究[4-5]。賈洪雷等[6]為改善種床質(zhì)量、提高播種分布直線性及播深一致性，設(shè)計(jì)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；王徐建等[7]為解決機(jī)械化的傾斜移栽甘草苗，提出一種傾斜開溝器；趙淑紅等[8]為減小播種作業(yè)阻力、降低土壤擾動(dòng)，基于仿生思想設(shè)計(jì)了仿旗魚頭部曲線型開溝器；Aliakbar等[9-11]利用追蹤法獲取不同傾角、鏟尖形狀、鏟柄形狀的開溝器在作業(yè)時(shí)的土壤擾動(dòng)位移，以優(yōu)化開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)而提高作業(yè)性能；Vamerali等[12]為提高開溝器松土能力以及播種深度一致性提出一種寬翼型開溝器，并提出出苗率與土壤堅(jiān)實(shí)度有一定關(guān)系。Ozmerzi等[13]為研究播種機(jī)播種深度均勻性的影響，選取不同播深、土壤緊實(shí)度、溝底平整度、種子和化肥分布、土壤覆蓋進(jìn)行田間試驗(yàn)研究，以出苗率來評(píng)價(jià)播種開溝器的作業(yè)性能。佟金等[14-15]基于臭蜣螂腹側(cè)面的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了肋條型仿生鎮(zhèn)壓錕，改善了鎮(zhèn)壓錕在作業(yè)過程中的黏土問題；郭慧等[16]為簡(jiǎn)化機(jī)具結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種兼具覆土和鎮(zhèn)壓功能的覆土鎮(zhèn)壓器，解決了傳統(tǒng)播種作業(yè)過程中覆土、鎮(zhèn)壓穩(wěn)定性不佳的問題。

目前對(duì)播種機(jī)中開溝和鎮(zhèn)壓的研究多集中于單個(gè)部件的結(jié)構(gòu)以及在開溝器的工作阻力、回土性能以及鎮(zhèn)壓輪的仿形、減黏降阻等方面，而對(duì)開溝覆土鎮(zhèn)壓一體化結(jié)構(gòu)的研究鮮有報(bào)道。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種集開溝、回土和鎮(zhèn)壓功能于一體的多功能集成式播種開溝器，以期實(shí)現(xiàn)開溝器在作業(yè)時(shí)滑刀、擋土板、鎮(zhèn)壓輪配合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)開出種溝、種子落至溝底、濕土回流溝內(nèi)、鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓種溝，種子與土壤緊密接觸的作業(yè)過程。同時(shí)，本文擬通過三元二次回歸正交試驗(yàn)確定多功能集成式播種開溝器的最佳參數(shù)組合。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

多功能集成式播種開溝器主要由滑刀、擋土板、鎮(zhèn)壓輪、彈簧、鏟柄架、導(dǎo)種管等組成，如圖1所示。

圖1 多功能集成式播種開溝器示意圖Fig.1 Schematic diagram of multifunctional integrated seeding opener

1.2 工作原理

播種作業(yè)時(shí)，多功能集成式播種開溝器中滑刀首先入土開出窄溝，破壞部分土壤；兼有擴(kuò)溝功能的擋土板將窄溝擴(kuò)寬，開出完整的種溝，種子通過導(dǎo)種管直落溝底（導(dǎo)種管靠近擋土板前端），此時(shí)保證了種子深度與播種深度一致。擋土板末端設(shè)有缺口，隨著開溝器作業(yè)運(yùn)動(dòng)，部分濕土從擋土板端部回流至種溝，將種子覆蓋。而后鎮(zhèn)壓輪對(duì)種溝進(jìn)行鎮(zhèn)壓，增加濕土與種子接觸的緊實(shí)度，其鎮(zhèn)壓強(qiáng)度可根據(jù)土壤狀態(tài)和作物壓實(shí)要求，通過彈簧來調(diào)節(jié)。

多功能集成式播種開溝器鎮(zhèn)壓和傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓工作原理對(duì)比圖，如圖2所示。圖2a可以看出，播種開溝器整體結(jié)構(gòu)決定其播種作業(yè)時(shí)，種子先于土壤回流前落入溝底，達(dá)到播種深度均勻性，傳統(tǒng)開溝器播種時(shí)會(huì)有擾動(dòng)土壤流入種溝內(nèi)，難以控制播種深度。傳統(tǒng)開溝器配合播種機(jī)具中的傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輪對(duì)整個(gè)壟面進(jìn)行鎮(zhèn)壓，覆土后的壟面存在中間部位回流的松軟土壤以及未被開溝器破壞的土壤，故對(duì)種溝內(nèi)土壤鎮(zhèn)壓存在局限性，如圖2b所示。多功能集成式播種開溝器作業(yè)時(shí)其鎮(zhèn)壓部分對(duì)種溝進(jìn)行一定程度鎮(zhèn)壓后傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輪對(duì)壟面進(jìn)行鎮(zhèn)壓，這種組合鎮(zhèn)壓方式提高了種床土壤的緊實(shí)程度。整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證開溝器播種深度的均勻性和種床土壤的緊實(shí)度，實(shí)現(xiàn)開溝器功能的集成化。

圖2 組合與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓原理對(duì)比圖Fig.2 Principle contrast diagram of combined repression and traditional repression

2 開溝器設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1 滑刀曲線設(shè)計(jì)

由于切割阻力隨滑切角的增大而減小，隨摩擦角的增大而增大，故滑切破土阻力小于砍切破土阻力[17-19]，因此滑刀刃口為曲線比直線更省力。根據(jù)滑切原理，滑切角應(yīng)大于摩擦角，滑刀入土后沿機(jī)組前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，土壤與滑刀作用發(fā)生剪切破壞。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，本文選取拋物線函數(shù)曲線來作為滑刀刃口曲線，這可以保證滑切角大于摩擦角、方便控制滑刀刃口曲線的形狀，且便于加工制造。設(shè)滑刀曲線方程為

由于常數(shù)項(xiàng) b的變化只會(huì)改變函數(shù)位置的變化，而不會(huì)改變其線形，故令常數(shù)b為0。取滑刀曲線起始點(diǎn)B與終止點(diǎn)C，求得曲線上點(diǎn)的斜率，如式（2）。通過坐標(biāo)可得曲線上2點(diǎn)的垂直距離lAC，與式（1）聯(lián)立可得常數(shù)a關(guān)系式。

式中x1為起始點(diǎn)B橫坐標(biāo)，x2為終止點(diǎn)C橫坐標(biāo)。

由于滑刀滑切角 α1、α2與 γ1、γ2互為余角，可得最終滑刀曲線方程

如公式（4）所示，滑刀曲線的形狀受α1、α2和lAC3個(gè)參數(shù)的影響。由圖3可知，滑切角呈遞增趨勢(shì)，即α2＞α1。為滿足滑切條件，起始滑切角α1應(yīng)大于摩擦角φ0，取摩擦角φ0為23°[20-21]，則α1＞23°。α1與α2互為余角，即α2＜67°，得出終止滑切角 α2的取值范圍為：23°＜α2＜67°。為方便加工制造，取滑切角α為25°～65°。當(dāng)滑刀高度lAC不變時(shí)，改變滑切角將會(huì)得到不同的滑刀曲線。

圖3 滑刀示意圖Fig.3 Schematic diagram of slider

在開溝器結(jié)構(gòu)中，滑刀與機(jī)架螺栓連接，作業(yè)時(shí)損壞便于更換，且滑刀的下部需要安裝擋土板，因此滑刀應(yīng)具有足夠的高度，保證空間的充足性，取滑刀高度為230 mm。

2.2 擋土板設(shè)計(jì)

2.2.1 回土原理

在開溝器結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)種管一端連結(jié)鏟柄架，另一端順延至擋土板中間。開溝器作業(yè)時(shí)，種子籽粒通過導(dǎo)種管可直接落入溝底。圖 4為擾動(dòng)土壤與擋土板側(cè)壁接觸部分N1O1(N2O2)為濕土，M1N1為堆積擾動(dòng)土的休止邊，靠近休止邊的土壤為干土。開溝器作業(yè)過程中土壤體積守恒[22]，故種溝橫截面面積守恒。擾動(dòng)出去的土壤按照自然休止角堆積。如圖4所示，回土前橫截面土壤滿足

式中 AM1N1Q1為三角形M1N1Q1面積，cm2； AQ1O3K4O1為梯形Q1O3K4O1面積，cm2。

回土后，橫截面土壤滿足

式中 A K2K3O2K4為四邊形K2K3O2K4面積，cm2； A N2K1K3為三角形N2K1K3面積，cm2。

待種子籽粒落入溝底后，部分土壤會(huì)從擋土板缺口處回落至溝底將種子覆蓋，此時(shí)種子被濕潤松軟的土壤包圍，保證了濕潤的種床土壤環(huán)境。

圖4 擋土板示意圖Fig.4 Schematic diagram of retaining soil plate

2.2.2 參數(shù)確定

試驗(yàn)地為耕整地，比較松軟，且無較大土塊。且滑刀工作時(shí)對(duì)上層土壤進(jìn)行破壞，播種時(shí)的土壤狀態(tài)是細(xì)碎的，可將其視為散粒體。設(shè)開溝器入土后，隨機(jī)組以穩(wěn)定的深度和速度前進(jìn)。擋土板與土壤接觸的每個(gè)點(diǎn)上沿法線方向擠壓土粒。取土壤顆粒進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)分析，圖 5所示。土壤顆粒受重力 G、種溝溝壁對(duì)其產(chǎn)生的支持力FN，以及土粒所受的摩擦力FS。土壤回流時(shí)，土粒沿斜坡下滑，故沿y方向的加速度ay為0。

圖5 土壤顆粒運(yùn)動(dòng)分析Fig.5 Kinematic analysis of soil particles

式（7）中第一式、第二式分別表示土壤顆粒在x、y軸方向上的合力，θ為擋土板與豎直方向的夾角（擋土板傾角），ax為x軸方向加速度，μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)。可得

根據(jù)土壤顆粒在x軸方向的運(yùn)動(dòng)方程（8），可求得土粒在x軸方向的位移Sx，x軸負(fù)方向即為土壤顆?；亓鞣较颉Ｓ捎陂_溝器以穩(wěn)定速度和深度作業(yè)，則任意一段區(qū)域內(nèi)土壤回流時(shí)間 t0是不變的，視為常數(shù)。由土壤回流位移S回可知，改變變量θ，則土壤回流位移發(fā)生改變，

從而影響回土質(zhì)量。綜上所述，擋土板傾角 θ影響土壤回流。

l1、l2為擋土板下間距與上間距。東北地區(qū)壟作播種機(jī)常用導(dǎo)種管的口徑寬度一般（含壁厚）為 19 mm[23]，為避免種子落地后彈跳過大，應(yīng)保證導(dǎo)種管端部與地面近一些，若擋土板下端間距過大，則無法保證種子落地后的橫向均勻性，故取l1值為20 mm。由圖4分析可知，θ＞0，則 l1、l2滿足關(guān)系

若擋土板上寬度過大，導(dǎo)致?lián)跬涟鍍A角過大，會(huì)將擾動(dòng)土過多推出溝外，給覆土造成困難，擋土板上端間距與壟高間距之間的比值小于1∶3[24-26]。擾動(dòng)土壟起高度（擾動(dòng)土最高點(diǎn)與壟臺(tái)平面距離）h′取20 mm，擾動(dòng)土壟高間距取256 mm，進(jìn)而得到擋土板上寬度l2＜85.3 mm。考慮玉米作物播深要求（50～70 mm），以及擾動(dòng)土壟起高度h′，且當(dāng)土壤擾動(dòng)達(dá)至最高點(diǎn)時(shí)具有一定動(dòng)能，因此擋土板長(zhǎng)度應(yīng)大于85.3 mm，為保證落種時(shí)種溝無土壤回流，取擋土板長(zhǎng)度h為1.5(d +h′)，其中d為播種深度，擋土板長(zhǎng)度h即為135 mm。

綜上所述，可得擋土板傾角 θ的取值范圍 0＜θ＜12.4°。

2.3 鎮(zhèn)壓部分設(shè)計(jì)

開溝器鎮(zhèn)壓部分在于對(duì)種溝內(nèi)回流土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓，使種子與濕土緊密接觸，提高種床土壤緊實(shí)度。為此，對(duì)開溝器中鎮(zhèn)壓部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括鎮(zhèn)壓輪尺寸以及鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)部分。

2.3.1 鎮(zhèn)壓輪參數(shù)確定

大豆、玉米等農(nóng)作物傳統(tǒng)種植模式下選取的鎮(zhèn)壓輪直徑一般為200～500 mm，其寬度應(yīng)小于壟距。在作業(yè)速度和單位面積壓強(qiáng)不變的情況下，鎮(zhèn)壓效果與鎮(zhèn)壓輪直徑尺寸有很大相關(guān)性。輪徑越大，鎮(zhèn)壓時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)土壤的鎮(zhèn)壓越緊實(shí)。傳統(tǒng)的鎮(zhèn)壓輪作業(yè)是為保證回土后壟臺(tái)土壤的壓實(shí)程度，蓄水保墑。而多功能集成式播種開溝器中對(duì)鎮(zhèn)壓輪設(shè)計(jì)目的在于增加種床土壤緊實(shí)度，若壓實(shí)程度過大，則不利于出苗。因此，針對(duì)該機(jī)構(gòu)的作業(yè)特點(diǎn)對(duì)鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。

鎮(zhèn)壓輪材料選用親水性較差的聚氟乙烯，與濕土接觸時(shí)減少其粘附作用。如圖 4所示，擋土板下端的外側(cè)間距O1O2就是種溝溝底的寬度，擋土板壁厚為6 mm，下端間距l(xiāng)1取20 mm，故鎮(zhèn)壓輪寬度B＞O1O2=32 mm。鎮(zhèn)壓輪寬度過窄，會(huì)導(dǎo)致苗帶下沉，溝底形成溝狀；寬度過大，載荷不變的情況下，鎮(zhèn)壓輪與土壤接觸面積變大，對(duì)土壤的壓實(shí)度變低，取鎮(zhèn)壓輪寬度B為40 mm。鎮(zhèn)壓輪的中心需安裝支撐輪架與軸承，為防止擾動(dòng)土壤將其堵塞，保證輪子半徑大于最大播深，故取鎮(zhèn)壓輪直徑D為150 mm。

2.3.2 鎮(zhèn)壓輪載荷

鎮(zhèn)壓輪作業(yè)時(shí)與種溝作用，種溝在受到載荷和重力的作用下，鎮(zhèn)壓輪下陷量的計(jì)算可簡(jiǎn)化為

其中

式中Z0為土壤下陷量，mm；Q為鎮(zhèn)壓輪所受載荷，N；K為土壤特性系數(shù)；α0為與土壤性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。

鎮(zhèn)壓輪的接地面積S為

其中

式中β為接觸角，（°）；l為鎮(zhèn)壓輪與地面接觸弧長(zhǎng)，cm。

圖6為鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)受力分析示意圖。由圖6所示，鎮(zhèn)壓輪支撐架2與鎮(zhèn)壓輪3共同鉸接于機(jī)架1上。由于彈簧力作用在鎮(zhèn)壓輪架上，而鎮(zhèn)壓輪與地面發(fā)生接觸，產(chǎn)生力的作用，鉸接點(diǎn)I所受的力視為2與3組成的系統(tǒng)的內(nèi)力。整體機(jī)構(gòu)受彈簧給予的壓力F，與地面作用的支持力F0。l為鎮(zhèn)壓輪與鎮(zhèn)壓輪支撐架受力板之間的距離，為保證鎮(zhèn)壓輪作業(yè)時(shí)受力板不與鎮(zhèn)壓輪接觸，同時(shí)為保證結(jié)構(gòu)的緊湊型，取l值為30 mm。φ為彈簧力正壓力方向與水平夾角（取為60°），φ為鎮(zhèn)壓輪架與豎直方向夾角（取為30°）。

圖6 鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)受力分析示意圖Fig.6 Force analysis of press device

考慮鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)對(duì)地面施加載荷 Q，列出平衡方程。將各變量數(shù)值帶入，得到載荷Q。

式中R為鎮(zhèn)壓輪半徑，mm；k為彈簧剛度系數(shù)，N/mm；Δl為彈簧變形量，mm。

考慮東北地區(qū)土壤條件以及春季的田間作業(yè)情況，以及結(jié)合土壤性質(zhì)、水分、密度和作物（大豆、玉米）的要求，鎮(zhèn)壓輪接地強(qiáng)度ρ應(yīng)滿足30～50 kPa的范圍[16,27]。

由式（13）～（20）可得

鎮(zhèn)壓部分作業(yè)時(shí)的鎮(zhèn)壓對(duì)象為沿?fù)跬涟寤亓髦翜蟽?nèi)的松碎土壤，通過鎮(zhèn)壓增強(qiáng)種子與濕潤土壤的緊實(shí)度。對(duì)于松過的黏性土壤，土壤性質(zhì)相關(guān)參數(shù)取α0=1.01，土壤下限量取Z0=8 mm[14,22,27]；鎮(zhèn)壓輪與擋土板配合作業(yè)，故取鎮(zhèn)壓輪寬度B=40 mm，鎮(zhèn)壓輪直徑D=150 mm，進(jìn)而得到土壤特性系數(shù)K=11.92。為保證開溝器工作性能穩(wěn)定性和彈簧的壽命，選擇螺旋壓縮彈簧，其具體參數(shù)：中徑為30 mm；圈數(shù)為11；直徑為12 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[28]確定其剛度系數(shù)k=18.3 N/mm。由式（21）確定彈簧形變量Δl的理論范圍為 9～15 mm，考慮試驗(yàn)中存在調(diào)節(jié)誤差，取彈簧形變量Δl為4～20 mm。

3 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院的室內(nèi)土槽中進(jìn)行。試驗(yàn)所用土槽長(zhǎng)70 m、寬3 m、土壤厚度1.5 m，其土壤為典型東北黑壤土，具有粒度均勻、透氣性好、透水性好等特點(diǎn)。試驗(yàn)條件模擬東北地區(qū)春季播種時(shí)的土壤情況，試驗(yàn)工作速度為 3.68 km/h，作業(yè)深度為60 mm，土壤含水率為 18.03%，試驗(yàn)過程以及試驗(yàn)設(shè)備如圖 7所示。試驗(yàn)設(shè)備為全液壓四輪驅(qū)動(dòng)車，土槽車最大速度可達(dá)8 km/h，側(cè)力裝置分為上懸掛架和下懸掛架，2個(gè)架子間以6個(gè)拉力傳感器鉸接相連。

圖7 土槽試驗(yàn)Fig.7 Soil tank test

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)量

本文選取土壤擾動(dòng)量和土壤緊實(shí)度為土槽試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)：1）土壤擾動(dòng)量。作為試驗(yàn)指標(biāo)衡量開溝器對(duì)土壤的擾動(dòng)性，擾動(dòng)量過大不利于覆土。如圖 8所示，以種溝兩側(cè)擾動(dòng)出來的土壤的橫截面積來表示開溝器的擾動(dòng)性。利用溝形輪廓儀在坐標(biāo)紙上勾勒出種溝形狀，計(jì)算出擾動(dòng)面積[29-30]；2）土壤緊實(shí)度。衡量種床土壤硬度，用SC-900型土壤硬度儀進(jìn)行測(cè)量。

圖8 土壤擾動(dòng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of soil disturbance

3.3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)上述對(duì)開溝器各部分的設(shè)計(jì)，選取滑刀滑切角α、擋土板傾角θ和彈簧形變量Δ l為試驗(yàn)因素，選取滑刀滑切角45°、擋土板傾角6°、彈簧形變量12 mm為試驗(yàn)因素零水平，根據(jù)三元二次回歸正交組合設(shè)計(jì)理論[31-32]，確定試驗(yàn)因素水平編碼表，如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Table 1 Coding levels and factors

土壤擾動(dòng)量和土壤緊實(shí)度為試驗(yàn)指標(biāo)，數(shù)據(jù)以excel形式保存在計(jì)算機(jī)內(nèi)。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Experiment scheme and results

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到土壤擾動(dòng)量 Y1、土壤緊實(shí)度Y22個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程并進(jìn)對(duì)其顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.4.1 交互因子對(duì)土壤擾動(dòng)量影響效應(yīng)分析

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和多元回歸擬合，土壤擾動(dòng)量Y1方差分析如表3所示。由表3可知,對(duì)于土壤擾動(dòng)量，因素及因素之間的交互作用影響的主次順序是x2、x1、、x1x2、x3、x2x3、、x1x3，其中擋土板傾角、滑刀滑切角、滑切角與擋土板傾角的交互項(xiàng)、滑刀滑切角的二次項(xiàng)及擋土板傾角的二次項(xiàng)對(duì)土壤擾動(dòng)量的影響極顯著（P＜0.01）；彈簧形變量對(duì)土壤擾動(dòng)量的影響較顯著（0.05＜P＜0.1）。將不顯著的交互作用項(xiàng)的回歸平方和及自由度并入殘差項(xiàng)后，再進(jìn)行方差分析。得到各因素對(duì)土壤擾動(dòng)量影響的回歸方程。

式中x1、x2、x3表示滑刀滑切角、擋土板傾角和彈簧形變量的編碼值（如表1所示）。

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，其中P =0.183 8，不顯著，說明不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

3.4.2 交互因子對(duì)土壤緊實(shí)度影響效應(yīng)分析

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和多元回歸擬合，土壤緊實(shí)度Y2方差分析如表3所示。由表3可知,對(duì)于土壤緊實(shí)度，因素及因素之間的交互作用影響的主次順序是：、x3、x2、x2x3、x1、、x1x2、、x1x3，其中彈簧形變量、擋土板傾角以及彈簧形變量的二次項(xiàng)對(duì)土壤緊實(shí)度的影響極顯著（P＜0.01）；滑刀滑切角、擋土板傾角與彈簧形變量的交互項(xiàng)對(duì)土壤緊實(shí)度的影響較顯著（0.05＜P＜0.1）。將不顯著的交互作用項(xiàng)的回歸平方和及自由度并入殘差項(xiàng)后，再進(jìn)行方差分析。得到各因素對(duì)土壤緊實(shí)度影響的回歸方程。

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，其中P = 0.331 4，不顯著，說明不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

3.4.3 響應(yīng)曲面分析

經(jīng)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理得到滑刀滑切角x1、擋土板傾角x2、彈簧形變量x3之間顯著和較顯著交互作用對(duì)土壤擾動(dòng)量Y1、土壤緊實(shí)度Y2等試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖9所示。

表3 土壤擾動(dòng)量與土壤緊實(shí)度方差分析Table 3 Variance analysis of soil disturbance and soil compaction

圖9 開溝器試驗(yàn)響應(yīng)曲面分析Fig.9 Response surface analysis of opener test

對(duì)于土壤擾動(dòng)量Y1，當(dāng)彈簧形變量12 mm時(shí)，擋土板傾角與滑刀滑切角的交互作用響應(yīng)曲面如圖9a所示。當(dāng)滑刀滑切角一定時(shí)，土壤擾動(dòng)量Y1隨著擋土板傾角的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。原因是隨著擋土板傾角增大，播種時(shí)種溝在擋土板的作用下會(huì)增大其擾動(dòng)寬度，從而增大土壤擾動(dòng)量 Y1，為后續(xù)的覆土造成一定困難；當(dāng)擋土板傾角一定時(shí)，土壤擾動(dòng)量Y1隨滑切角的增大而增大?；杜c土壤作用面積隨滑切角增加而增大，會(huì)增加其對(duì)土壤的擾動(dòng)性。在滑切角和擋土板傾角的交互作用中，主要影響土壤擾動(dòng)量Y1的因素是擋土板傾角。

對(duì)于土壤緊實(shí)度Y2，當(dāng)滑刀滑切角45°時(shí)，彈簧形變量與擋土板傾角的交互作用響應(yīng)曲面如圖9b所示。當(dāng)擋土板傾角一定時(shí)，土壤緊實(shí)度Y2隨著彈簧形變量的增加呈現(xiàn)先增大而后緩慢減小的趨勢(shì)，原因是擋土板傾角一定時(shí)，種溝內(nèi)的回土質(zhì)量穩(wěn)定。鎮(zhèn)壓輪在彈簧擠壓作用下對(duì)種溝內(nèi)土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓，土壤緊實(shí)度隨彈簧形變量的增加而增大，但由于土壤具有一定塑性，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，被壓實(shí)的土壤會(huì)發(fā)生回彈現(xiàn)象，因此壓實(shí)度會(huì)輕微降低；當(dāng)彈簧形變量一定時(shí)，土壤緊實(shí)度Y2隨擋土板傾角的增大呈緩慢增大的趨勢(shì)。原因是擋土板角度增大，種溝擾動(dòng)性加大，溝壁會(huì)有逐步增多的濕土回流至溝內(nèi)，在壓力作用下土壤緊實(shí)度增大，使種子與濕土接觸更加緊實(shí)。在彈簧形變量和擋土板傾角的交互作用中，主要影響土壤緊實(shí)度Y2的因素是彈簧形變量。

3.4.4 參數(shù)優(yōu)化

在土槽試驗(yàn)中對(duì)多功能集成式播種開溝器參數(shù)優(yōu)化的目的是獲取最優(yōu)參數(shù)組合，最大程度降低開溝器的土壤擾動(dòng)量以及最大程度增強(qiáng)土壤緊實(shí)度，通過對(duì)圖9中2個(gè)響應(yīng)曲面的分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)回歸模型進(jìn)行求解，根據(jù)實(shí)際工作條件及上述相關(guān)模型分析結(jié)果，選定試驗(yàn)因素的約束條件為

對(duì)其參數(shù)進(jìn)行求解，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為滑刀滑切角44.6°、擋土板傾角3.2°、彈簧形變量11.8 mm，將開溝器最優(yōu)參數(shù)圓整后。為便于加工將最優(yōu)參數(shù)取整為滑刀滑切角45°、擋土板傾角3°、彈簧形變量12 mm，得到多功能集成式播種開溝器理論土壤擾動(dòng)量為9.65 cm2、土壤緊實(shí)度為46 kPa。

3.4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步增強(qiáng)優(yōu)化結(jié)果的可靠性，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)田對(duì)最優(yōu)參數(shù)下的集成播種開溝器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量開溝后的土壤擾動(dòng)量和土壤緊實(shí)度。每個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)量10次后取平均值，土壤擾動(dòng)量為8.92 cm2，土壤緊實(shí)度為 48 kPa。土壤緊實(shí)度試驗(yàn)值對(duì)理論值的誤差為4.35%，土壤擾動(dòng)量試驗(yàn)值對(duì)理論值的誤差為7.56%，這是由于田間試驗(yàn)不確定因素較多，但二者誤差值較小，驗(yàn)證了集成式開溝器最優(yōu)參數(shù)的可靠性。

4 性能對(duì)比試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)于2018年5月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)地為耕整地，耕作模式為壟作。0～2.5 cm耕作層下的土壤硬度為59 kPa、2.5～5 cm下土壤硬度為167 kPa、5～7.5 cm下土壤硬度為313 kPa、5～7.5 cm下土壤硬度為 425 kPa；0～5 cm 耕層的土壤含水率為8.62%、5～10 cm耕層的土壤含水率為15.14%。

試驗(yàn)設(shè)備所用設(shè)備為約翰迪爾484型拖拉機(jī)，2BM-2型播種機(jī)，SC-900型土壤硬度儀（美國Spectrum公司生產(chǎn)，精度為±1.25 cm、±103 kPa），環(huán)刀組件（容積100 cm3），JD1000-2電子天平（沈陽龍騰電子天平公司生產(chǎn)，精度為10 mg），溝形輪廓儀等。

試驗(yàn)選取 3種播種開溝器進(jìn)行性能試驗(yàn)，最優(yōu)參數(shù)下的多功能集成式播種開溝器（滑刀滑切角45°、擋土板傾角3°、彈簧形變量12 mm）與東北常用雙圓盤開溝器、尖角式開溝器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)量播種深度及土壤緊實(shí)度現(xiàn)場(chǎng)圖，如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.10 Test site

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

以播種開溝器的播種深度變異系數(shù)、平均土壤緊實(shí)度（0～10 cm）、土壤擾動(dòng)量、回土量為對(duì)比試驗(yàn)指標(biāo)，其試驗(yàn)結(jié)果如下。

4.2.1 播種深度變異系數(shù)

播種深度均勻性是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一，也是多功能集成式播種開溝器的主要思想之一。每種開溝器的播種深度測(cè)量25個(gè)點(diǎn)。播種深度變異系數(shù)（CV）計(jì)算公式為

式中S為種深標(biāo)準(zhǔn)差，mm；x為種深平均值，mm。

種子深度的測(cè)量方法為，手動(dòng)將溝內(nèi)擾動(dòng)土扒出，待種子剛剛暴露測(cè)量其深度，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 播種深度變異系數(shù)結(jié)果分析Table 4 Analysis results of sowing depth variation coefficient

雙圓盤開溝器播深變異系數(shù)為8.92%，尖角式開溝器播深變異系數(shù)為 8.06%，集成式開溝器播深變異系數(shù)為6.03%。集成式開溝器比雙圓盤開溝器的播深變異系數(shù)低了32.4%，比尖角式開溝器低了25.2%。雙圓盤開溝器轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)，兩側(cè)圓盤將溝內(nèi)土壤向兩側(cè)擠壓，部分土壤被帶出種溝外，致使溝底平整性差，影響種子深度均勻性；尖角式開溝器作業(yè)時(shí)對(duì)土壤擾動(dòng)大，且不易回土，不易控制播種深度。

集成式開溝器播種時(shí)，在擋土板作用下種子先于土壤落入溝底，保證了種子深度均勻性，因此其播深均勻性高于雙圓盤開溝器與尖角式開溝器。

4.2.2 平均土壤緊實(shí)度

對(duì)3種開溝器作業(yè)后的耕作層（0～10 cm）土壤緊實(shí)度進(jìn)行測(cè)量，每種開溝器在耕作層的土壤緊實(shí)度取平均值。試驗(yàn)結(jié)果如表 5所示，集成式開溝器作業(yè)后的土壤緊實(shí)度為158 kPa，雙圓盤開溝器為114 kPa，尖角式開溝器為 97 kPa。集成式開溝器比雙圓盤開溝器緊實(shí)度高38.6%，比尖角式開溝器緊實(shí)度高62.9%。雙圓盤與尖角式開溝器作業(yè)后，種溝經(jīng)播種機(jī)鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行鎮(zhèn)壓，鎮(zhèn)壓程度具有局限性，種溝土壤緊實(shí)度不足。

表5 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of contrast test

集成式開溝器播種作業(yè)，其鎮(zhèn)壓部分對(duì)種溝進(jìn)行鎮(zhèn)壓，增強(qiáng)土壤與種子接觸的緊密程度，覆土后播種機(jī)鎮(zhèn)壓輪對(duì)壟臺(tái)再次鎮(zhèn)壓，提高了耕作層的土壤緊實(shí)度，易于提高墑情。

4.2.3 土壤擾動(dòng)量和回土量

土壤擾動(dòng)量和回土量通過田間試驗(yàn)所測(cè)得的溝形面積進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表 5所示。集成式開溝器、雙圓盤開溝器、尖角開開溝器的土壤擾動(dòng)量分別為 8.7、10.4、13.7 cm2。集成式開溝器滑切作業(yè)，對(duì)土壤擾動(dòng)較小，土壤擾動(dòng)量比雙圓盤開溝器低 16.3%，比尖角式開溝器低36.5%。雙圓盤開溝器作業(yè)時(shí)被破壞土壤會(huì)隨著圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)擾動(dòng)出種溝；尖角式開溝器是銳角開溝器，作業(yè)時(shí)土壤擾動(dòng)大。

由表 5可得，集成式開溝器、雙圓盤開溝器、尖角式開溝器的回土量分別為12.6、9.7、7.8 cm2。集成式開溝器回土量比雙圓盤開溝器高29.9%，比尖角式開溝器高61.5%。

綜合田間對(duì)比試驗(yàn)可知，多功能集成式播種開溝器可改善種床土壤環(huán)境，增強(qiáng)土壤緊實(shí)度，提高播種深度均勻性。

5 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)一種集開溝、回土、鎮(zhèn)壓一體化的集成式播種開溝器，通過滑刀、擋土板、鎮(zhèn)壓輪的相互配合能夠?qū)崿F(xiàn)開出種溝，種子落至溝底，濕土回流溝內(nèi)，鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓種溝，種子與土壤緊密接觸。

2）以滑刀滑切角、擋土板傾角、彈簧形變量為試驗(yàn)因素，土壤擾動(dòng)量、土壤緊實(shí)度為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)多功能集成式播種開溝器進(jìn)行三元二次回歸正交組合多因素試驗(yàn)，得到開溝器各參數(shù)最優(yōu)組合：滑刀滑切角44.6°、擋土板傾角3.2°、彈簧形變量11.8 mm。

3）選取東北常用雙圓盤開溝器、尖角式開溝器與最優(yōu)參數(shù)下的多功能集成式播種開溝器進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)，多功能集成式播種開溝器播深變異系數(shù)比雙圓盤開溝器播深變異系數(shù)低了 32.4%，比尖角式開溝器低了25.2%；集成式開溝器作業(yè)后的土壤緊實(shí)度比雙圓盤開溝器緊實(shí)度高38.6%，比尖角式開溝器緊實(shí)度高62.9%；多功能集成式播種開溝器作業(yè)產(chǎn)生的土壤擾動(dòng)量比雙圓盤開溝器降低16.3%，比尖角式開溝器降低36.5%，其回土量比雙圓盤開溝器提高 29.9%，比尖角式開溝器提高61.5%。

多功能集成式播種開溝器可改善種床土壤環(huán)境，增強(qiáng)土壤緊實(shí)度，提高播種深度均勻性，為播種開溝器的設(shè)計(jì)提供集成化的借鑒思想。

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