趙淑紅 顧志遠(yuǎn) 袁溢文 呂金慶

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

0 引言

開溝器作為馬鈴薯種植機(jī)上播種的關(guān)鍵部件，其開溝性能直接影響馬鈴薯播種質(zhì)量[1]。一個(gè)性能較好的開溝器應(yīng)滿足工作阻力小，具有一定的回土作用，使細(xì)濕土將種子全部覆蓋以利種子發(fā)芽，開溝時(shí)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(shí)，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(shí)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(huì)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(dòng)面積，導(dǎo)致作業(yè)阻力增大[6]。圓盤式開溝器作業(yè)時(shí)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(jī)械化水平的發(fā)展，馬鈴薯播種機(jī)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(jī)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，仿生學(xué)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)，結(jié)合理論分析、農(nóng)藝要求和仿真試驗(yàn)，設(shè)計(jì)一種曲面式開溝器。使用離散元法觀察開溝器對(duì)土壤原有分層順序的影響。通過理論分析和田間試驗(yàn)探究開溝破土曲面擠壓土壤的開溝方式對(duì)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(yàn)指標(biāo)，驗(yàn)證開溝器的作業(yè)性能。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

曲面式開溝器總體結(jié)構(gòu)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。

1.2 工作原理

播種作業(yè)時(shí)，破土刀刃(由對(duì)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(jìn)，破土刀刃對(duì)土壤進(jìn)行切削、破壞，土壤沿著破土刀刃分流，種溝不斷擴(kuò)大。隨后開溝破土曲面持續(xù)對(duì)土壤施加擠壓作用，與其接觸及相鄰的土壤不斷嵌入外側(cè)土壤間，土壤顆粒間壓力升高，向上運(yùn)動(dòng)，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(dòng)寬度，土壤沿分土板向上運(yùn)動(dòng)一定高度，同時(shí)產(chǎn)生向后流動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。上、下?lián)跬涟鍨橥寥捞峁┲С至?，防止干土回流到種溝中，當(dāng)脫離擋土板后，濕土壤回流至種溝，覆蓋種薯。

2 曲面式開溝器設(shè)計(jì)

2.1 開溝破土曲面設(shè)計(jì)

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(jìn)時(shí)，降低工作阻力，適合于開溝器的應(yīng)用要求[13]。但魚體最大橫截面(前進(jìn)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(gòu)建[14-15]。因此，本文在保留黃鰭金槍魚下顎曲線的基礎(chǔ)上，將原有仿生曲線重構(gòu)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(shù)建立黃鰭金槍魚三維模型[16-17]，以黃鰭金槍魚側(cè)視圖為基準(zhǔn)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(jìn)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(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，共提取19個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖2c所示。將數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入Matlab中，利用cftool工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，采用擬合程度較高的三階多項(xiàng)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(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)成為應(yīng)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(dǎo)曲線AB運(yùn)動(dòng)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?yàn)殚_溝前進(jìn)方向，y方向?yàn)殚_溝寬度方向，z方向?yàn)殚_溝深度方向。在圖3b中，AB為導(dǎo)曲線即破土刀刃曲線，θA為導(dǎo)曲線AB始端切角，θB為導(dǎo)曲線AB終端切角。

2.1.3開溝破土曲面受力分析與設(shè)計(jì)

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(duì)土壤的擠壓作用，確定開溝破土曲面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，需對(duì)開溝破土曲面進(jìn)行受力分析。本研究針對(duì)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(dòng)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(diǎn)O分析土壤顆粒對(duì)開溝破土曲面的作用力，建立如圖4所示的空間直角坐標(biāo)系，x軸的反方向?yàn)殚_溝器前進(jìn)方向，點(diǎn)O受到土壤顆粒給予的正壓力F和滑動(dòng)摩擦力f。三角形OB′C′為點(diǎn)O在曲面上的微元平面，采用三面楔OA′B′C′為基礎(chǔ)對(duì)開溝破土曲面的滑動(dòng)摩擦力進(jìn)行分析。在三角形OB′C′中滑動(dòng)摩擦力f垂直直線B′C′，此時(shí)滑動(dòng)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(dòng)摩擦力f在x、y、z方向上投影的關(guān)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(dòng)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(diǎn)O的切線與y方向夾角)，(°)

由幾何關(guān)系可得

(3)

補(bǔ)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(shì)，影響種溝的整形效果。當(dāng)開溝器前進(jìn)速度一定時(shí)，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?yàn)殚_溝前進(jìn)方向的反方向，y方向?yàn)殚_溝寬度方向，z方向?yàn)殚_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(jìn)，開溝破土曲面對(duì)土壤的作用范圍逐漸擴(kuò)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(dá)150 mm[18]，故開溝破土曲面的作業(yè)深度lBE設(shè)計(jì)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(jī)[22]，實(shí)際測(cè)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(dòng)到壟溝中，導(dǎo)致覆土困難，開溝器寬度與壟距的比值應(yīng)小于1∶3[5]。因此，開溝器寬度應(yīng)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(shè)計(jì)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(diǎn)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(yīng)小于180°-2φ，即最大刃口角2γ<134°。

當(dāng)開溝破土曲面的作業(yè)深度lBE和寬度lOE為定值時(shí)，最大刃口角與破土刀刃曲線比例呈負(fù)相關(guān)。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(shí)，破土刀刃曲線比例縮小，開溝長度增加，曲面擠壓土壤時(shí)間變長、作用力增大，利于形成平滑、緊實(shí)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(yīng)盡量增大，故設(shè)計(jì)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(dǎo)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(cè)量得到導(dǎo)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(shí)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(duì)種溝作用力自上而下逐漸增大，使種溝側(cè)壁、種溝底部比種溝頂部更平滑，土壤更加緊實(shí)，利于種溝頂部表層土壤沿平滑、緊實(shí)的曲線型種溝側(cè)壁回流到種溝內(nèi)。同時(shí)，曲面擠壓土壤的開溝方式能減少土壤擾動(dòng)寬度，有助于表層土壤回流到種溝中，增加回土深度。

2.2 分土板受力分析與設(shè)計(jì)

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(cè)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(yùn)動(dòng)。為探究影響分土板作業(yè)阻力的主要因素，對(duì)分土板進(jìn)行受力分析。

選擇與土壤接觸的分土板上任意一點(diǎn)O為研究對(duì)象，建立圖6所示空間直角坐標(biāo)系，x軸的反方向?yàn)殚_溝器前進(jìn)方向，土壤顆粒對(duì)分土板的正應(yīng)力為N，摩擦力為R。三角形OE′F′為點(diǎn)O在平面上的微元平面，采用三面楔OD′E′F′為基礎(chǔ)對(duì)分土板的摩擦力進(jìn)行分析。在三角形OE′F′上摩擦力R垂直直線E′F′，此時(shí)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(yīng)力N和摩擦力R在x方向上投影的關(guān)系式為

(7)

式中Nx——正應(yīng)力N在x方向分力，N

Rx——摩擦力R在x方向分力，N

σ——正應(yīng)力N與xOz平面的夾角，(°)

δ——分土板的起土角，(°)

由幾何關(guān)系可得

(8)

式中μ——D′F′與E′F′的夾角(在yOz平面上平面和點(diǎn)O的切線與y方向夾角)，(°)

補(bǔ)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(yīng)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(dāng)開溝器作業(yè)速度一定時(shí)，正應(yīng)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(guān)。

2.2.2分土板設(shè)計(jì)

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(yùn)動(dòng)高度。

以起土角為試驗(yàn)因素，作業(yè)阻力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并分析起土角對(duì)土壤運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shè)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(dǎo)入EDEM 2018。設(shè)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(shè)置為單一顆粒，半徑為4 mm[21]。土壤顆粒與開溝器之間設(shè)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(xiàn)[25]及前期對(duì)試驗(yàn)地區(qū)土壤顆粒微觀參數(shù)的測(cè)定，土壤顆粒微觀參數(shù)如表1所示。Rayleigh時(shí)間步長為5.55×10-5s，總土壤顆粒生成時(shí)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(yùn)動(dòng)高度足夠大，設(shè)置開溝深度為150 mm?，F(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(yùn)動(dòng)高度越大，故設(shè)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(jìn)入土壤，且作業(yè)穩(wěn)定后開始記錄土壤運(yùn)動(dòng)高度的位置，直至開溝器即將穿過土壤時(shí)結(jié)束。因此，土壤運(yùn)動(dòng)高度從開溝器在土壤模型中前進(jìn)到680 mm處開始統(tǒng)計(jì)，每隔100 mm記錄一次，共記錄6次，計(jì)算土壤運(yùn)動(dòng)高度平均值作為一次試驗(yàn)結(jié)果，每次試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，起土角越大，土壤運(yùn)動(dòng)高度越大。起土角小可允許土壤有空間進(jìn)行有序的分流，不破壞土壤內(nèi)部粘結(jié)力和剪切力。起土角增大時(shí)，開溝器對(duì)土壤的分流作用減弱，表層土壤會(huì)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(shí)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(shí)取得最小值，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)45°附近阻力較小。出現(xiàn)這種情況的原因是：當(dāng)起土角小于一定值時(shí)，隨著起土角的增大，土壤運(yùn)動(dòng)高度上升速度減慢，土壤流動(dòng)性好，土壤與分土板的接觸面積減小，作業(yè)阻力減小。當(dāng)起土角大于一定值時(shí)，隨著起土角的增大，土壤運(yùn)動(dòng)高度上升速度加快，土壤流動(dòng)性不好，分土板前方出現(xiàn)壅土，進(jìn)而土壤與分土板的接觸面積增加，導(dǎo)致作業(yè)阻力增大。

由起土角δ取30°時(shí)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(shè)計(jì)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(shí)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(shí)土壤運(yùn)動(dòng)高度為117.8 mm，由于田間地表不完全平整，應(yīng)留有一定高度，因此設(shè)計(jì)分土板高度為150 mm。

2.3 擋土板設(shè)計(jì)

2.3.1上擋土板設(shè)計(jì)

上擋土板高度和分土板高度保持一致，為150 mm。上擋土板應(yīng)保證種薯剛剛下落到種溝時(shí)，表層土壤未回流到種溝中。但土壤的回流時(shí)間存在不確定性，故本文通過研究種薯下落到地表時(shí)的相對(duì)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(guān)，vx、vy分別為水平和垂直分速度，va為機(jī)具作業(yè)速度，α為導(dǎo)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(duì)于地面在水平方向上的絕對(duì)位移方程為

xa=(va-vx)t=(va-vcosα)t

(11)

式中xa——水平絕對(duì)位移，mm

t——種薯下落時(shí)間，s

種薯相對(duì)于分土板的相對(duì)位移方程為

(12)

式中L、h——水平、垂直相對(duì)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(dǎo)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粒回落到種溝內(nèi)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

為防止開溝器在不同開溝深度下作業(yè)時(shí)干土從上擋土板底邊提前回流到種溝中，需設(shè)計(jì)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(shí)際測(cè)量舀勺式排種器排種口側(cè)板內(nèi)側(cè)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(shè)計(jì)對(duì)稱的下?lián)跬涟鍣M向間距l(xiāng)K最小值為210 mm。同時(shí)下?lián)跬涟鍛?yīng)留有一定的空隙，允許被開溝破土曲面擠壓的濕土減壓，使?jié)駶櫷寥阑亓鳌Ｒ虼?，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)干土回流，保證在種薯下落至種溝時(shí)，種薯周圍是濕潤松軟的土壤。

2.4 仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

開溝器作業(yè)后，應(yīng)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(yùn)動(dòng)情況，需建立干濕土分層模型。根據(jù)文獻(xiàn)[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(guān)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(xiàn)[13]以及前期對(duì)土壤參數(shù)的測(cè)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(jì)算得土壤顆粒粘結(jié)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(shè)置為紅色，濕土模型設(shè)置為藍(lán)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(yán)重[28]，故試驗(yàn)設(shè)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(shè)置為100、125、150 mm進(jìn)行仿真，此時(shí)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(dāng)開溝深度為100、125、150 mm時(shí)，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(cè)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(cè)壁上有少量回流的干土。因此仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了開溝器作業(yè)時(shí)，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(yùn)動(dòng)；驗(yàn)證了土壤沿著開溝破土曲面、分土板、擋土板的運(yùn)動(dòng)具有較好的流動(dòng)性；驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的開溝器不擾亂土層；同時(shí)驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

2020年10月在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)馬鈴薯種植試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)。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(jī)作為試驗(yàn)實(shí)施載體，如圖12b所示。

試驗(yàn)所用設(shè)備有奔野454型拖拉機(jī)、約翰迪爾904型拖拉機(jī)、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(jī)動(dòng)車多功能檢測(cè)儀、牽引鋼絲繩等。試驗(yàn)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 田間多工況對(duì)比試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)?zāi)康呐c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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。采用回土深度作為開溝器回土效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[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(duì)曲面式開溝器、芯鏵式開溝器、靴式開溝器進(jìn)行試驗(yàn)。

作業(yè)阻力測(cè)量方法為：奔野454型拖拉機(jī)上安裝GPS-10A型機(jī)動(dòng)車多功能檢測(cè)儀進(jìn)行牽引力數(shù)據(jù)輸出，通過奔野454型拖拉機(jī)牽引約翰迪爾904型拖拉機(jī)和2CMF-2型馬鈴薯種植機(jī)進(jìn)行測(cè)量，如圖12b所示。每組試驗(yàn)使用GPS-10A型機(jī)動(dòng)車多功能檢測(cè)儀對(duì)該組試驗(yàn)條件下機(jī)組空載和安裝兩個(gè)相同開溝器機(jī)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(yàn)重復(fù)3次取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

使用溝形輪廓儀對(duì)3種開溝器作業(yè)后的溝形進(jìn)行測(cè)量，在坐標(biāo)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(fù)測(cè)量5次，計(jì)算其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，回土深度的計(jì)算公式為

d=S-s=U-u

(14)

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示，當(dāng)作業(yè)速度一定時(shí)，隨開溝器開溝深度增加，作業(yè)阻力和回土深度增大；當(dāng)開溝深度一定時(shí)，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 田間性能對(duì)比試驗(yàn)

3.3.1試驗(yàn)?zāi)康呐c方案

進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)以探究所設(shè)計(jì)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(jī)以田間最大作業(yè)速度7.2 km/h進(jìn)行播種作業(yè)，上下調(diào)節(jié)開溝器柄使開溝深度達(dá)到最大深度150 mm。參照NY/T 990—2018《馬鈴薯種植機(jī)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(jī)作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)，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(gòu)對(duì)稱曲面設(shè)計(jì)的主要思想。使用種薯橫向偏移系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]。選取土壤含水率作為反映干濕土混合情況的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取土壤容重作為開溝器擠壓土壤程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)[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(jì)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(cè)量方法為：以種溝中心線為基準(zhǔn)，測(cè)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(gè)測(cè)量段，每段測(cè)量25個(gè)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(cè)壁和種溝中部。土壤容重取樣位置包括種溝底部和種溝側(cè)壁。取樣位置如圖13所示，每種開溝器重復(fù)取樣5次，計(jì)算其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3.3.2試驗(yàn)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)(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(shí)的種溝側(cè)壁和種溝底部有助于種薯和回流土壤向種溝中心線運(yùn)動(dòng)，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(jié)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(cè)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(yàn)結(jié)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(cè)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(huì)增加種溝側(cè)壁和種溝底部的土壤容重。種溝側(cè)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(cè)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(qiáng)土壤毛細(xì)管作用，有助于提高種床質(zhì)量。種薯生長時(shí)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(yàn)結(jié)果Tab.4 Soil bulk density test results g/cm3

4 結(jié)論

(1)基于黃鰭金槍魚下顎曲線設(shè)計(jì)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(jié)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(yàn)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(dāng)起土角為45°時(shí)滿足設(shè)計(jì)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(duì)比試驗(yàn)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(duì)比試驗(yàn)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。