2BDB- 6(110)型大豆仿生智能耕播機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賈洪雷 鄭 健 趙佳樂(lè) 郭明卓 莊 健 王增輝

(1.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130025； 2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130025；3.東北師范大學(xué)人文學(xué)院， 長(zhǎng)春 130117)

0 引言

東北地區(qū)是我國(guó)規(guī)模最大的大豆種植區(qū)，大豆種植面積和產(chǎn)量約占全國(guó)的40%以上[1]。東北地區(qū)地處冷涼區(qū)，氣候低溫易旱，春播時(shí)存在嚴(yán)重的土壤凍結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致耕種層土壤溫度回升緩慢，土壤水分不足，影響了大豆根系生長(zhǎng)，延緩了大豆初期發(fā)育，縮短了大豆生長(zhǎng)周期，進(jìn)而嚴(yán)重影響大豆產(chǎn)量。因此，如何提升春播時(shí)耕種層土壤溫度與含水率，是提升我國(guó)東北地區(qū)大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵。

HOLEN等[2]研究表明，耕種層土壤中的大孔隙通常是土壤與外界物質(zhì)能量交換的主要通道；JABRO等[3]研究得出淺松作業(yè)可有效疏松耕種層土壤，增大耕種層土壤大孔隙度；因此，進(jìn)行淺松作業(yè)可有效促進(jìn)耕種層土壤與外界的物質(zhì)能量交換，進(jìn)而加速土壤溫度回升。單成鋼等[4]研究表明壟作具有提升地溫的作用；王旭清等[5]研究表明壟作能減少漏光損失，增強(qiáng)土壤吸熱能力，提高作物產(chǎn)量；何進(jìn)等[6]研究表明良好的壟面成型能力是衡量扶壟效果的重要指標(biāo)；因此，在播種后進(jìn)行壟型修復(fù)(扶壟)作業(yè)，亦可起到增強(qiáng)土壤吸熱能力的作用。ASARE等[7]和TASER等[8]研究均表明鎮(zhèn)壓作業(yè)的穩(wěn)定性對(duì)土壤含水率具有顯著影響，研制可對(duì)鎮(zhèn)壓作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能化系統(tǒng)，可保障鎮(zhèn)壓作業(yè)質(zhì)量，顯著提升土壤含水率。因此，本文設(shè)計(jì)一種一次進(jìn)地可同時(shí)完成淺松、碎土、播種、扶壟和鎮(zhèn)壓作業(yè)的大豆耕播機(jī)具，可在完成播種作業(yè)的同時(shí)，有效提升耕種層土壤溫度與含水率。

耕播聯(lián)合機(jī)具作業(yè)時(shí)存在阻力大、能耗高的難題，其耕作阻力主要由觸土部件與土壤接觸產(chǎn)生，因此降低觸土部件摩擦力，可有效提高作業(yè)效率。任露泉等[9]指出仿生結(jié)構(gòu)具有減阻性能，馬付良等[10]研究表明仿生技術(shù)具有減阻效果好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用仿生學(xué)減阻設(shè)計(jì)方法對(duì)關(guān)鍵觸土部件幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而有效降低作業(yè)阻力。本文通過(guò)分析野兔爪趾挖掘土壤時(shí)的減阻結(jié)構(gòu)機(jī)理，設(shè)計(jì)仿生減阻淺松鏟；分析采集的穿山甲鱗片表面結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)仿生扶壟鏟表面。

綜上，本文通過(guò)對(duì)耕播聯(lián)合技術(shù)、仿生減阻技術(shù)的集成創(chuàng)新，設(shè)計(jì)2BDB- 6(110)型大豆仿生智能耕播機(jī)，并在黑龍江省勃利縣進(jìn)行相關(guān)田間試驗(yàn)，研究仿生耕整機(jī)構(gòu)對(duì)土壤溫度以及作業(yè)阻力的影響機(jī)理；明確鎮(zhèn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)土壤含水率的影響；探索耕播聯(lián)合作業(yè)的最佳參數(shù)組合，為東北地區(qū)大豆高產(chǎn)技術(shù)提供裝備支撐。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

目前，壟上4行種植是中國(guó)東北地區(qū)一種新型大豆種植模式，單壟壟寬1 100 mm，壟高300 mm，實(shí)行壟上4行拐子苗種植模式，其相較于傳統(tǒng)的大壟雙行種植模式，增加了植株密度，提高了土地利用率，加大了葉面積指數(shù)，從而達(dá)到最大限度發(fā)揮增產(chǎn)潛力的目的，本文基于該種模式設(shè)計(jì)了2BDB- 6(110)型大豆仿生智能耕播機(jī)。如圖1a所示，該機(jī)由機(jī)架、12組播種單體、7組耕整單體和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。如圖1b所示，每組播種單體由1組V型雙圓盤(pán)開(kāi)溝裝置、1套雙腔氣吸式排種裝置和1組鎮(zhèn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成，各播種單體相互間距為450 mm。如圖1c所示，耕整單體設(shè)有仿生減阻淺松鏟和仿生扶壟鏟各1件，耕整單體相互間距為1 100 mm。如圖2所示，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙側(cè)獨(dú)立多級(jí)機(jī)械式鏈條傳動(dòng)，地輪作為整機(jī)傳動(dòng)的動(dòng)力源，通過(guò)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)排種器與排肥器，地輪通過(guò)鏈輪將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)軸Ⅰ，傳動(dòng)軸Ⅰ將動(dòng)力同時(shí)傳遞給動(dòng)力軸Ⅱ，傳動(dòng)軸Ⅱ與播種單體四連桿之間增設(shè)一級(jí)傳動(dòng)，即傳動(dòng)軸Ⅲ，傳動(dòng)軸Ⅲ帶動(dòng)排種軸進(jìn)行排種。

圖1 2BDB- 6(110)型大豆仿生智能耕播機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of 2BDB- 6(110) soybean bionic intelligent till-sowing machine1.地輪 2.施肥開(kāi)溝裝置 3.機(jī)架組合 4.風(fēng)機(jī) 5.肥箱 6.劃印器 7.踏板組件 8.四連桿仿行機(jī)構(gòu) 9.V型雙圓盤(pán)開(kāi)溝裝置 10.種箱11.雙腔氣吸式排種裝置 12.三圓盤(pán)擠壓式覆土器 13.鎮(zhèn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 14.仿生減阻淺松鏟 15.V型碎土輥 16.仿生扶壟鏟

圖2 整機(jī)傳動(dòng)示意圖Fig.2 Transmission diagram of machine1.傳動(dòng)軸Ⅰ 2.左地輪軸 3.鏈傳動(dòng)組合 4.傳動(dòng)軸Ⅱ 5.傳動(dòng)軸Ⅲ 6.排種軸 7.排種器驅(qū)動(dòng)鏈輪焊合處 8.排種器 9.地輪張緊輪組合 10.右地輪軸 11.橫梁支架 12.肥箱支架 13.傳動(dòng)軸Ⅰ張緊輪組合 14.傳動(dòng)軸Ⅱ張緊輪組合

1.2 作業(yè)原理

2BDB- 6(110)型大豆仿生智能耕播機(jī)主要作業(yè)參數(shù)如表1所示。如圖3所示，耕整單體除V型碎土輥于壟上作業(yè)外，其余部件均作業(yè)于壟溝，播種單體均在壟上進(jìn)行拐子苗播種作業(yè)，其播種模式如圖4所示。作業(yè)時(shí)隨著機(jī)具的前進(jìn)，仿生減阻淺松鏟(圖5a)對(duì)表層土壤進(jìn)行疏松，通過(guò)對(duì)其鏟柄結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)，減小淺松鏟的作業(yè)阻力；淺松后，地表淺層土壤結(jié)構(gòu)被改變，產(chǎn)生的土塊被V型碎土輥(圖5b)進(jìn)一步壓碎，使種床土壤細(xì)碎平整，同時(shí)對(duì)整機(jī)進(jìn)行限深；V型雙圓盤(pán)開(kāi)溝裝置在平整后的壟上進(jìn)行作業(yè)，開(kāi)出2條間距為220 mm的種溝；雙腔氣吸式排種器同時(shí)對(duì)2條種溝進(jìn)行雙行交錯(cuò)播種，播種間距為90 mm；仿生起壟鏟(圖5c)對(duì)原壟進(jìn)行修整，完善壟形結(jié)構(gòu)，其鏟體表面具有穿山甲鱗片仿生結(jié)構(gòu)，可有效減小扶壟過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力。最后，鎮(zhèn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(圖5d)對(duì)鎮(zhèn)壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)鎮(zhèn)壓力控制裝置調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力大小，進(jìn)而保證鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性。

表1 2BDB- 6(110)型大豆仿生智能耕播機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of 2BDB- 6(110) soybean bionic intelligent till-sowing machine

圖3 耕整單體和播種單體作業(yè)位置示意圖Fig.3 Diagram of sowing unit and soil tillage and preparation unit operating location

圖4 壟上雙行交錯(cuò)播種模式示意圖Fig.4 Diagram of double row and staggered planting pattern on ridge

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鎮(zhèn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

鎮(zhèn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由仿形彈性鎮(zhèn)壓輥、鎮(zhèn)壓力監(jiān)測(cè)裝置和鎮(zhèn)壓力控制機(jī)構(gòu)組成。其中，仿形彈性鎮(zhèn)壓輪主要由輪壁、彈簧套管、彈簧、中心軸、高度調(diào)節(jié)裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.1.1鎮(zhèn)壓力監(jiān)測(cè)裝置

鎮(zhèn)壓力監(jiān)測(cè)裝置由主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)兩部分組成，子節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)CC2530和直線位移傳感器組成，子節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖7、8所示。直線位移傳感器置于鎮(zhèn)壓輪的輻條套管外壁處，將輪輻伸縮量參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，即輻條套管相對(duì)于輻條軸的位移信號(hào)。通過(guò)鎮(zhèn)壓力標(biāo)定，得到鎮(zhèn)壓力與直線位移傳感器壓縮位移量信號(hào)之間的函數(shù)模型。鎮(zhèn)壓力采集模塊置于鎮(zhèn)壓輪的輪壁上，其主控芯片CC2530與傳感器相連，將傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，車(chē)速傳感器(NJK- 5002C(8002C)型霍爾傳感器)安裝在拖拉機(jī)后輪上，用于測(cè)量機(jī)具前進(jìn)速度[11]。主節(jié)點(diǎn)接收子節(jié)點(diǎn)和車(chē)速傳感器數(shù)據(jù)后，通過(guò)RS232串口傳給工控機(jī)，工控機(jī)依據(jù)數(shù)學(xué)函數(shù)模型將數(shù)據(jù)進(jìn)行換算得到鎮(zhèn)壓力的值并實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到監(jiān)測(cè)鎮(zhèn)壓力的目的。鎮(zhèn)壓力監(jiān)測(cè)裝置安裝示意圖如圖9所示[12]。

圖5 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagrams of key components

圖6 仿形彈性鎮(zhèn)壓輥結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of profiling elastic press wheel1.高度調(diào)節(jié)裝置 2.輪架 3.輥筒 4.中心軸 5.輻條 6.輻條套管

2.1.2鎮(zhèn)壓力控制系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件主要包括信號(hào)采集器和鎮(zhèn)壓力控制器兩部分，信號(hào)采集器的原理如圖10所示。圖中，U2為磁隔離線性放大器ISOEM，用于將信號(hào)調(diào)理電路輸出的電壓信號(hào)放大至0～5 V以便A/D轉(zhuǎn)換器能將其采集。U3為10位A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543，用于采集放大后的直線位移傳感器電壓信號(hào)，其通過(guò)DATAOUT引腳(與單片機(jī)的P0.3引腳相連接)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸入STC89C52單片機(jī)。芯片TLC1543的其它功能引腳EOC、I/O clock、ADDRESS和CS分別與單片機(jī)的I/O引腳P0.0、P0.1、P0.2和P0.4相連。無(wú)線發(fā)射模塊采用NRF24L01，主要負(fù)責(zé)將STC89C52單片機(jī)處理后直線位移傳感器傳感信號(hào)發(fā)射至鎮(zhèn)壓力控制器。

鎮(zhèn)壓力控制器的原理如圖11所示，其采用無(wú)線接收模塊NRF24L01接收直線位移傳感器信號(hào)。信號(hào)經(jīng)單片機(jī)分析、計(jì)算后，單片機(jī)通過(guò)I/O引腳P2.5輸出一個(gè)執(zhí)行控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)10位D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC5615處理后轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，之后經(jīng)功率放大后，可作為電- 氣比例閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而起到調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力的效果。

圖8 主節(jié)點(diǎn)硬件框圖Fig.8 Hardware frame diagram of main node function

圖9 鎮(zhèn)壓力監(jiān)測(cè)裝置安裝示意圖Fig.9 Connection diagram of pressure acquisition module

如圖12所示，氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、過(guò)濾器、電- 氣比例閥和空氣彈簧組成?？諝鈮嚎s機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣罐內(nèi)，由過(guò)濾器過(guò)濾，濾除壓縮空氣中的粉塵和雜質(zhì)。信號(hào)采集器采集到直線位移傳感器輸出信號(hào)時(shí)，通過(guò)無(wú)線傳輸方式將該信號(hào)傳輸?shù)芥?zhèn)壓力控制器，再由鎮(zhèn)壓力控制器輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電- 氣比例閥輸出穩(wěn)定的氣壓力，從而控制空氣彈簧產(chǎn)生相應(yīng)大小的推力。

本文所設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓力控制裝置采用空氣彈簧系統(tǒng)，其相較于目前常見(jiàn)的液壓控制系統(tǒng)，具有響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)液壓油易受到空氣中粉塵等雜質(zhì)的污染，因此空氣彈簧系統(tǒng)的工作壽命相對(duì)較長(zhǎng)。如圖13所示，鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由旋柄、空氣彈簧、空氣彈簧連接架、空氣彈簧支架組成，空氣彈簧底端通過(guò)螺栓與鎮(zhèn)壓輥上的空氣彈簧托板(即鎮(zhèn)壓輥連接柄)固連，空氣彈簧連接架則與空氣彈簧頂端固連。機(jī)具作業(yè)前，通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋柄帶動(dòng)空氣彈簧連接架上下移動(dòng)，待移動(dòng)至預(yù)設(shè)鎮(zhèn)壓強(qiáng)度值后固定旋柄不動(dòng)，則空氣彈簧連接架隨之固定，此時(shí)空氣彈簧頂端與鎮(zhèn)壓輥機(jī)架呈剛性連接。作業(yè)時(shí)，空氣彈簧垂直向下的推力通過(guò)空氣彈簧托板(即鎮(zhèn)壓輥連接柄)傳遞給鎮(zhèn)壓輥，使其向下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鎮(zhèn)壓力的調(diào)節(jié)。

2.2 仿生耕整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1空間曲面淺松鏟仿生設(shè)計(jì)

研究表明，深松鏟柄在維持鏟刀位置、傳遞破土動(dòng)力的同時(shí)，自身還承擔(dān)著破開(kāi)前方表層土壤的任務(wù)，其受到的土壤阻力是總阻力的主要部分，因而合理的鏟柄結(jié)構(gòu)可有效降低工作阻力，減少作業(yè)能耗[13]。野兔具有非常優(yōu)秀的土壤挖掘能力，其挖掘的洞穴可在地下形成復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)，野兔挖洞時(shí)，后腿為身體提供支撐，前爪對(duì)土壤進(jìn)行切削同時(shí)拋送，其前爪爪趾結(jié)構(gòu)與形態(tài)處于最優(yōu)化狀態(tài)，可將切削土壤時(shí)的阻力減至最小[14]。本文通過(guò)仿生學(xué)設(shè)計(jì)思想，提取兔前爪結(jié)構(gòu)形態(tài)，對(duì)淺松鏟鏟柄部位進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)仿生淺松鏟鏟柄。

圖10 信號(hào)采集器原理圖Fig.10 Schematic diagram of signal collector

圖11 鎮(zhèn)壓力控制器原理圖Fig.11 Overall frame diagram of pressure controller

圖12 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Schematic diagram of pneumatic drive device structure1.空氣彈簧 2.電- 氣比例閥 3.過(guò)濾器 4.儲(chǔ)氣罐 5.空氣壓縮機(jī)

圖13 鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Schematic diagram of pressure regulating mechanism structure1.旋柄 2.空氣彈簧連接架 3.空氣彈簧 4.螺栓 5.空氣彈簧托板(鎮(zhèn)壓輥連接柄)

觀察發(fā)現(xiàn)，如圖14a所示，野兔前爪5個(gè)爪趾結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基本相似，進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)主要為前爪趾破土，因此采用逆向掃描儀對(duì)第1爪趾的輪廓線進(jìn)行提取，輪廓線結(jié)構(gòu)如圖14b所示，采用多項(xiàng)式擬合的方法逆向提取輪廓參數(shù)，獲得平滑曲線，爪趾外緣曲線Y1與內(nèi)側(cè)曲線Y2擬合結(jié)果如圖14c所示，擬合方程為

Y1=4.52-7.31e-X1/1.98

(1)

Y2=4.68-16.94e-X2/2.47

(2)

仿生淺松鏟鏟柄刃口為淺松鏟主要破土部件，鏟柄刃口對(duì)土壤的犁削作用導(dǎo)致作業(yè)阻力較大，其破土方式與野兔前爪趾挖掘土壤動(dòng)作相似，因此將野兔前爪趾輪廓曲線結(jié)構(gòu)應(yīng)用于淺松鏟柄，設(shè)計(jì)仿生淺松鏟鏟柄，實(shí)現(xiàn)對(duì)淺松作業(yè)的減阻降耗。

圖14 野兔爪趾結(jié)構(gòu)Fig.14 Structure diagrams of hare claw toe

如圖15a所示淺松鏟結(jié)構(gòu)，AB段為鏟柄與機(jī)架連接部分，BC段為淺松鏟破土刃口，CD段為鏟尖安裝部分。其中BC段采用仿生野兔前爪趾曲線設(shè)計(jì)，通過(guò)曲線修正，使BC段兩端與AB段和CD段平滑連接，其中刃口截面為楔形設(shè)計(jì)，刃口夾角60°。淺松作業(yè)深度一般為100～150 mm，為了使淺松深度滿(mǎn)足土壤水分垂直入滲的需要，作業(yè)深度D為150 mm，鏟柄寬58 mm，厚30 mm，AB段長(zhǎng)500 mm，鏟柄采用65Mn鋼制造，破土刃口BC段進(jìn)行熱處理，硬度為52 HRC[15]。鏟柄實(shí)物如圖15b所示。

圖15 淺松鏟結(jié)構(gòu)圖Fig.15 Structure diagrams of shallow shovel

2.2.2扶壟鏟鏟尖耦合仿生設(shè)計(jì)

2BDB- 6(110)型大豆仿生智能耕播機(jī)工作過(guò)程中，除淺松鏟鏟柄持續(xù)對(duì)地表下土壤進(jìn)行破土作業(yè)外，淺松鏟鏟尖與扶壟鏟鏟尖均以一定的入傾角犁削土壤，其中淺松鏟鏟尖作業(yè)深度為150 mm，扶壟鏟鏟尖作業(yè)深度為150 mm，二者作業(yè)持續(xù)與深層土壤接觸，作業(yè)阻力較大，對(duì)整機(jī)作業(yè)功耗產(chǎn)生影響，兩種鏟尖具有相似的外形結(jié)構(gòu)，因此對(duì)二者進(jìn)行減阻設(shè)計(jì)，以達(dá)到減小作業(yè)阻力、降低整機(jī)作業(yè)功耗的目的。

圖16 穿山甲鱗片結(jié)構(gòu)Fig.16 Structure diagrams of pangolin scale

研究表明，穿山甲的鱗片為波形體表結(jié)構(gòu)，鱗片體表宏觀凹凸不平，如圖16a所示，鱗片層疊排列[17]，接觸土壤時(shí)極易使凹處形成無(wú)土區(qū)，即使對(duì)于含水量較多的粘性土，也會(huì)使水膜不易連續(xù)，體表實(shí)際觸土面積減小，從而降低了土壤的粘附力；對(duì)于含水率較少的粘性土，動(dòng)物體表凹處不僅無(wú)土、少水，使水膜不連續(xù), 并且易儲(chǔ)滿(mǎn)空氣使動(dòng)物體表與土壤表面間存在空氣膜，既降低摩擦因數(shù)，又減少粘附。因此在設(shè)計(jì)淺松鏟尖與扶壟鏟尖的表面結(jié)構(gòu)時(shí)，采用穿山甲鱗片的表面形態(tài)作為兩鏟尖的表面結(jié)構(gòu)，以達(dá)到脫附減阻的目的[16]。

如圖16b所示，對(duì)穿山甲鱗片單體輪廓進(jìn)行逆向工程掃描提取，掃描曲線做近似處理，為使加工方便，對(duì)輪廓曲線平滑處理，處理結(jié)果如圖16c所示，穿山甲鱗片輪廓曲線由上曲線L1和下曲線L2構(gòu)成，其方程可表示為

y=ax2+b(a>0，b>0)

(3)

y=cx2+d(c<0，d<0)

(4)

式中a——L1的開(kāi)口大小

b——L1的高度

c——L2的開(kāi)口大小

d——L2的高度

根據(jù)淺松鏟尖與扶壟鏟尖的體積，選定a=0.053，b=37.5 mm，c=0.017 7，d=12.5 mm，鱗片厚度2 mm，鱗片單體間相互覆蓋，相互覆蓋面積50%[18]，由于鏟體表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為保證加工表面精確度與強(qiáng)度，加工方式選擇砂型鑄造，材料成分選擇QT450- 10球墨鑄鐵，球化劑為稀土鎂合金，采用電磁感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，鑄件成形后表面水洗和噴砂清理，扶壟鏟尖的耦合仿生減阻表面如圖17所示。

圖17 耦合仿生減阻表面Fig.17 Coupling bionic anti-drag surface

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

3.1.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)時(shí)間為2017年5月和10月，試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江省勃利縣試驗(yàn)基地(北緯45°45′48.82″，東經(jīng)130°31′28.41″)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖18所示。試驗(yàn)地屬于東北黑土區(qū)，前茬作物為玉米，在上一年的秋季進(jìn)行滅茬。試驗(yàn)前的土壤物理性質(zhì)如表2所示。

圖18 田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.18 Field test site

理化特性參數(shù)數(shù)值堅(jiān)實(shí)度/MPa40.2容積密度/(g·cm-3)1.254含水率/%18.8溫度/℃13.1pH值7.14有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%3.69全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.14速效鉀質(zhì)量比/(mg·kg-1)174.3速效磷質(zhì)量比/(mg·kg-1)16.6

試驗(yàn)主要儀器設(shè)備：凱斯2104型拖拉機(jī)(動(dòng)力為154 kW，最大行進(jìn)速度為40 km/h)、2BDB- 6(110)型大豆仿生智能耕播機(jī)、SC- 900型土壤緊實(shí)度儀、TDR300型土壤水分測(cè)試儀、曲管地溫計(jì)、耕深尺、環(huán)刀組件(容積100 cm3)、卷尺、電子天平等。

3.1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為2部分：?jiǎn)我蛩貙?duì)比試驗(yàn)，分別研究仿生淺松扶壟耕整機(jī)構(gòu)對(duì)耕種層土壤溫度的影響和減阻效果，以及鎮(zhèn)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)耕種層土壤含水率的影響；雙因素參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，確定耕播聯(lián)合作業(yè)最優(yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)。在兩部分試驗(yàn)中，2BDB- 6(110)型大豆仿生智能耕播機(jī)共使用5種作業(yè)形態(tài)，分別進(jìn)行5種作業(yè)：①2BDB- 6(110)型大豆仿生智能耕播機(jī)進(jìn)行正常耕播聯(lián)合作業(yè)(S1)。②去掉仿生耕整機(jī)構(gòu)進(jìn)行播種作業(yè)(S2)。③去掉仿生耕整機(jī)構(gòu)，安裝傳統(tǒng)淺松鏟和扶壟鏟進(jìn)行耕播聯(lián)合作業(yè)(S3)。④關(guān)閉鎮(zhèn)壓力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行耕播聯(lián)合作業(yè)(S4)。⑤去掉仿生耕整機(jī)構(gòu)并關(guān)閉鎮(zhèn)壓力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行播種作業(yè)(S5)。

單因素對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)田平均分為4塊(A1、A2、A3和A4)，每塊試驗(yàn)田有24條壟，壟高為300 mm、壟寬為1 100 mm、每壟長(zhǎng)為200 m。機(jī)具S1、S2、S3和S4分別在地塊A1、A2、A3和A4內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，通過(guò)測(cè)量S1和S2作業(yè)后不同深度的土壤溫度，探索淺松、起壟和播種聯(lián)合作業(yè)對(duì)土壤溫度的影響規(guī)律；通過(guò)測(cè)量S1和S3的作業(yè)阻力，驗(yàn)證仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)耕整機(jī)構(gòu)的減阻效果；通過(guò)測(cè)量S1和S4的鎮(zhèn)壓強(qiáng)度及平均土壤含水率(0～100 mm)，探究鎮(zhèn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的作業(yè)效果，以及對(duì)耕種層土壤含水率的影響規(guī)律。

參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)，以淺松深度和鎮(zhèn)壓強(qiáng)度為試驗(yàn)因素，以平均土壤溫度(0～450 mm)、平均土壤含水率(0～100 mm)以及大豆平均出苗時(shí)間為試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)因素編碼如表3所示。運(yùn)用Design-Expert軟件中3-Level Factorial Design響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)法，共進(jìn)行13組試驗(yàn)，其中9組為析因點(diǎn)，4組為零點(diǎn)以估計(jì)誤差，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，檢驗(yàn)各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的顯著性影響和各因素之間是否具有交互作用，并得出響應(yīng)曲面和回歸方程，優(yōu)化出各因素的最佳參數(shù)組合；最后將所得耕播聯(lián)合作業(yè)最優(yōu)參數(shù)組合與傳統(tǒng)播種作業(yè)進(jìn)行驗(yàn)證性對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)前，將試驗(yàn)田平均分為2塊(A5和A6)，每塊試驗(yàn)田有24條壟，壟高300 mm、壟寬1 100 mm、每壟長(zhǎng)為200 m。機(jī)具S1和S5分別作業(yè)于試驗(yàn)田A5和A6，驗(yàn)證最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合條件下，耕播聯(lián)合作業(yè)相對(duì)于傳統(tǒng)播種作業(yè)對(duì)大豆發(fā)育的促進(jìn)效果(土壤溫度、土壤含水率、大豆出苗時(shí)間、大豆產(chǎn)量)。

試驗(yàn)所選用大豆種子為黑河52，種植模式為大壟四行種植模式，行距110 mm、株距90 mm、種植密度為390 000株/hm2，播種施肥情況為尿素、磷酸二銨、氯化鉀3種常用肥混施，N、P、K質(zhì)量比為1∶2∶0.5。

表3 因素編碼Tab.3 Coding of factors

3.1.3試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)試方法

(1)土壤溫度：播種作業(yè)后，于試驗(yàn)小區(qū)的對(duì)角線上，隨機(jī)取樣5點(diǎn)，于每個(gè)測(cè)定點(diǎn)處使用曲管地溫計(jì)對(duì)不同處理的土壤溫度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定層次為地表(0 cm)及地下5、10、15、20、25、30、35、40、45 cm深處的溫度，測(cè)定時(shí)間為每天06:00—18:00，每隔1 h測(cè)量一次溫度，取白天平均溫度為日平均溫度，連續(xù)觀測(cè)一個(gè)月[19]，取每層次5個(gè)測(cè)定點(diǎn)的月平均溫度作為該層次溫度，取10個(gè)層次5個(gè)測(cè)定點(diǎn)的月平均溫度為0～450 mm平均土壤溫度。

(2)牽引阻力測(cè)試：主要測(cè)試仿生減阻淺松鏟與仿生扶壟鏟鏟壁結(jié)構(gòu)對(duì)整機(jī)減阻性能的影響，主要以S1和S3兩種機(jī)具的牽引阻力進(jìn)行對(duì)比，阻力測(cè)試儀器為上海高靈傳感系統(tǒng)工程有限公司生產(chǎn)的GLBLZ柱式拉壓力傳感器。測(cè)力傳感器一側(cè)與拖拉機(jī)連接，另一側(cè)與作業(yè)機(jī)具的機(jī)架相連接，所測(cè)阻力為整機(jī)作業(yè)阻力。使用農(nóng)機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測(cè)儀記錄采集的數(shù)據(jù)，記錄頻率1 Hz，拖拉機(jī)工作速度為4.5 km/h。

(3)大豆平均出苗時(shí)間：大豆出苗后，每?jī)商煊^測(cè)一次，直到大豆出苗期結(jié)束不再有新苗長(zhǎng)出為止。分別記錄每塊試驗(yàn)田內(nèi)兩條壟上5 m內(nèi)的苗數(shù)，每塊試驗(yàn)田重復(fù)測(cè)量3次，據(jù)此可計(jì)算出大豆平均出苗時(shí)間。平均出苗時(shí)間計(jì)算公式為[20]

(5)

式中N——從上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)算起的出苗數(shù)

T——播種后的天數(shù)，d

(4)平均土壤含水率(0～100 mm)：于土壤溫度測(cè)定點(diǎn)上使用TDR300型土壤水分測(cè)試儀測(cè)定其0～100 mm處的土壤含水率，重復(fù)測(cè)量3次，取其平均值作為此點(diǎn)的平均土壤含水率(0～100 mm)。取5點(diǎn)的平均值作為試驗(yàn)小區(qū)平均土壤含水率(0～100 mm)，測(cè)量時(shí)間為苗期開(kāi)始到出苗期結(jié)束。

(5)鎮(zhèn)壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差：鎮(zhèn)壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差值反映了鎮(zhèn)壓強(qiáng)度的波動(dòng)離散程度，可用于測(cè)定鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性。分別測(cè)定預(yù)設(shè)鎮(zhèn)壓強(qiáng)度為35、45、55 kPa下的實(shí)際鎮(zhèn)壓強(qiáng)度值，每秒記錄一次，記錄20 s，并計(jì)算鎮(zhèn)壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。

(6)大豆產(chǎn)量：在大豆成熟時(shí)，每個(gè)小區(qū)連續(xù)取10株，風(fēng)干后統(tǒng)計(jì)大豆單株粒數(shù)、百粒種子質(zhì)量以計(jì)算理論產(chǎn)量，理論產(chǎn)量計(jì)算公式為

(6)

式中Y——理論產(chǎn)量，kg/hm2

r——平均行距，m

D——平均株距，m

S——株粒數(shù)，粒

W——種子百粒質(zhì)量，g

3.2 田間試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.2.1單因素對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.2.1.1仿生淺松扶壟耕整機(jī)構(gòu)對(duì)耕種層土壤溫度的影響和減阻效果

如圖19所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：

圖19 淺松深度對(duì)土壤溫度的影響試驗(yàn)結(jié)果Fig.19 Test results of effect of shallow loosening depth on soil temperature

(1)S1和S2模式下的土壤溫度均隨著深度的遞增而保持一定幅度的下降，主要原因?yàn)橥寥罍\層的垂直溫度梯度比空氣大，土壤熱容量比空氣約大1 000倍，大部分熱量被土壤耕種層吸收，而深處的熱通量大為減弱，因此兩種作業(yè)模式下的土壤溫度梯度均隨深度增加而減小[21-22]。

圖20 淺松深度對(duì)牽引阻力的影響試驗(yàn)結(jié)果Fig.20 Test results of effect of shallow loosening depth on tractive drage

(2)在任一淺松作業(yè)深度(10、20、30 cm)條件下，S1和S2作業(yè)模式對(duì)地表土壤(深度0 cm)溫度無(wú)顯著性影響，說(shuō)明地表溫度主要受外部環(huán)境影響。在淺松作業(yè)深度為10 cm時(shí)，S1相較于S2作業(yè)模式，顯著提升了5～25 cm深度范圍內(nèi)的土壤溫度，但在30～45 cm深度范圍內(nèi)無(wú)顯著性差異；在淺松作業(yè)深度為20 cm時(shí)，S1相較于S2作業(yè)模式，顯著提升了5～35 cm深度范圍內(nèi)的土壤溫度，但在40～45 cm深度范圍內(nèi)無(wú)顯著性差異；在淺松作業(yè)深度為30 cm時(shí)，S1相較于S2作業(yè)模式，顯著提升了5～35 cm深度范圍內(nèi)的土壤溫度，但在40～45 cm深度范圍內(nèi)無(wú)顯著性差異。土壤深度為20 cm時(shí)，3種淺松作業(yè)深度模式下S1相較于S2作業(yè)模式的土壤溫度提升效果最為顯著，分別提升1.0、1.2、1.5℃。上述結(jié)果說(shuō)明，淺松作業(yè)可有效提高一定范圍內(nèi)的土壤孔隙度，加速土壤內(nèi)部與外部環(huán)境間的物質(zhì)能量交換[23]，進(jìn)而更有效地吸收外部熱量，將熱能傳遞至作業(yè)深度下方一定范圍內(nèi)的土壤，因此淺松作業(yè)深度越大，溫度得到提升的土壤深度范圍越大。但當(dāng)土壤深度達(dá)到40 cm時(shí)，土壤熱通量大為減弱，超出地表熱能傳遞范圍，因此持續(xù)增加淺松作業(yè)深度并不能提升40 cm以上深度的土壤溫度。

如圖20所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1)耕播聯(lián)合作業(yè)時(shí)，作業(yè)阻力會(huì)在初始階段迅速提升至峰值后，逐漸趨于平穩(wěn)，說(shuō)明淺松起壟部件剛與土壤接觸時(shí)，土壤對(duì)觸土部件的載荷較小，土壤產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)載荷逐漸增加至超過(guò)土壤的彈性極限時(shí)，土壤開(kāi)始進(jìn)入塑性變形階段，隨著淺松鏟和起壟鏟不斷前進(jìn)，土體所承受載荷繼續(xù)增加進(jìn)而開(kāi)始屈服但并未被破壞，此時(shí)土壤開(kāi)始出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，耕作阻力達(dá)到最大值(圖中峰值)，此時(shí)凝聚力結(jié)合鍵被破壞，土壤發(fā)生初始失效，并開(kāi)始出現(xiàn)軟化效應(yīng)，強(qiáng)度降低，對(duì)淺松鏟和扶壟鏟的阻力逐漸變小并趨于穩(wěn)定。

(2)在相同淺松深度條件下，S1牽引阻力峰值明顯低于S3(P<0.05)，且S3可以更快地達(dá)到峰值，隨著淺松深度的提升，S1和S3的阻力峰值差距逐步加大，淺松深度為10 cm時(shí)，平均降低最大作業(yè)阻力0.54 kN，作業(yè)阻力峰值降低13.20%；淺松深度為20 cm時(shí)，平均降低最大作業(yè)阻力1.35 kN，作業(yè)阻力降低15.94%；淺松深度為30 cm時(shí)，平均降低最大作業(yè)阻力3.42 kN，作業(yè)阻力降低19.77%；因此S1相較于S3可降低作業(yè)阻力13%～20%。上述結(jié)果說(shuō)明采用野兔爪趾結(jié)構(gòu)可更快地破壞凝聚力結(jié)合鍵，加快土壤失效，因此其阻力峰值更小。采用穿山甲鱗片仿生結(jié)構(gòu)表面具有更好的減黏脫附效果，打破了土壤與鏟體表面接觸時(shí)形成的水膜的連續(xù)性，降低了土壤的粘結(jié)力，從而降低土壤對(duì)鏟體表面的粘附，減小了耕整機(jī)構(gòu)與土壤之間的摩擦力。

3.1.2.2鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性及平均土壤含水率(0～100 mm)試驗(yàn)結(jié)果與討論

鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性可由鎮(zhèn)壓強(qiáng)度值隨時(shí)間變化的波動(dòng)程度(鎮(zhèn)壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差)所反映，鎮(zhèn)壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差越小，說(shuō)明鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性越高，對(duì)播種行土壤的鎮(zhèn)壓效果越好。如圖21和表4所示，在預(yù)設(shè)3種鎮(zhèn)壓強(qiáng)度(35、45、55 kPa)下，S1鎮(zhèn)壓強(qiáng)度隨時(shí)間的波動(dòng)變化程度均低于S4，說(shuō)明S1鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性高于S4，鎮(zhèn)壓質(zhì)量更高，說(shuō)明S1模式下鎮(zhèn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鎮(zhèn)壓力值，并通過(guò)鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力，從而提高了鎮(zhèn)壓作業(yè)的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證了鎮(zhèn)壓質(zhì)量。隨著預(yù)設(shè)鎮(zhèn)壓強(qiáng)度的增加，S1和S4的波動(dòng)變化程度和標(biāo)準(zhǔn)差均有所提高，這是由于鎮(zhèn)壓強(qiáng)度越大，仿形彈性鎮(zhèn)壓輥對(duì)播種行表層土壤的壓實(shí)程度越高，受不同堅(jiān)實(shí)度的表層土壤影響程度越高造成的。

圖21 鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig.21 Test results of compaction intensity stability

圖22 平均土壤含水率(0～100 mm)試驗(yàn)結(jié)果Fig.22 Test results of average soil water content (0～100 mm)

機(jī)具結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓強(qiáng)度/kPa354555S1±0.14±0.25±0.37S4±0.58±0.83±1.06

如圖22所示，在相同的試驗(yàn)條件下，S1模式對(duì)平均土壤含水率(0～100 mm)有顯著性的提升作用，如當(dāng)鎮(zhèn)壓力水平為45 kPa時(shí)，S1相較于S4可提高土壤平均含水率(0～100 mm)1.36%，第15天時(shí)最為顯著，相較于S4模式土壤含水率提升1.9%。說(shuō)明鎮(zhèn)壓作業(yè)的高穩(wěn)定性，可顯著增加土壤蓄水保墑能力。

3.2.2參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.2.2.1參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

以各影響因素編碼值為自變量，以平均土壤含水率(0～100 mm)、平均土壤溫度(0～450 mm)以及大豆平均出苗時(shí)間為響應(yīng)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，X1、X2為淺松深度與鎮(zhèn)壓強(qiáng)度編碼值。

上述試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)Design-Expert 軟件處理分析后可得平均土壤含水率(0～100 mm)、平均土壤溫度(0～450 mm)以及大豆平均出苗時(shí)間的方差分析結(jié)果，如表6所示。

對(duì)表6的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到平均土壤含水率(0～100 mm)、平均土壤溫度(0～450 mm)以及大豆平均出苗時(shí)間對(duì)自變量編碼值的二次多元回歸方程分別為

Y1=18.29-0.99X1+1.03X2-0.65X1X2

(7)

Y2=16.79+0.28X1-0.25X2-0.3X1X2

(8)

(9)

表5 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.5 Experiment design and result of responsesurface analysis

表6 正交試驗(yàn)方差分析Tab.6 Variance analysis of orthogonal test

平均土壤含水率(0～100 mm)對(duì)自變量編碼值的二次多元回歸方程，回歸診斷顯示，因素X1、X2、X1X2對(duì)平均土壤含水率(0～100 mm)的影響均為顯著項(xiàng)(P<0.05)。失擬項(xiàng)P值為0.080 4，顯然P>0.05，回歸方程不失擬。決定系數(shù)與校正決定系數(shù)均接近于1，表明回歸方程擬合度很高，精密度值為11.03(大于4)，表明該回歸方程在設(shè)計(jì)域內(nèi)預(yù)測(cè)性能良好。各因素對(duì)平均土壤含水率(0～100 mm)顯著性的影響由大到小為：鎮(zhèn)壓強(qiáng)度、淺松深度。

平均土壤溫度(0～450 mm)對(duì)自變量編碼值的二次多元回歸方程，回歸診斷顯示，因素X1、X2、X1X2對(duì)平均土壤溫度(0～450 mm)的影響均為顯著項(xiàng)(P<0.05)。失擬項(xiàng)P值為0.890 0，顯然P>0.05，回歸方程不失擬。決定系數(shù)與校正決定系數(shù)均接近于1，表明回歸方程擬合度很高，精密度值為7.629(大于4)，表明該回歸方程在設(shè)計(jì)域內(nèi)預(yù)測(cè)性能良好。各因素對(duì)平均土壤溫度(0～450 mm)顯著性的影響由大到小為：淺松深度、鎮(zhèn)壓強(qiáng)度。

3.2.2.2參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析2個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響和交互作用，并運(yùn)用Matlab軟件對(duì)Design-Expert軟件求出的回歸方程進(jìn)行尋優(yōu)，得出最佳參數(shù)組合。

由圖23a和式(7)可知，兩因素均對(duì)平均土壤含水率(0～100 mm)具有顯著性影響(P<0.01)，且兩者之間具有交互作用。平均土壤含水率(0～100 mm)隨著淺松深度的增加而下降，且下降趨勢(shì)逐步減緩；隨著鎮(zhèn)壓強(qiáng)度的提高而上升，且上升趨勢(shì)逐步減緩。由圖23b和式(8)可知，兩因素均對(duì)平均土壤溫度(0～450 mm)具有顯著性影響(P<0.01)，且兩者之間具有交互作用。平均土壤溫度(0～450 mm)隨著淺松深度的增加而上升，且上升趨勢(shì)逐步減緩；隨著鎮(zhèn)壓強(qiáng)度的提高，平均土壤溫度(0～450 mm)先上升而后下降。由圖23c和式(9)可知，兩因素均對(duì)大豆平均出苗時(shí)間具有顯著性影響(P<0.01)，且兩者之間具有交互作用。隨著淺松深度的增加，大豆平均出苗時(shí)間先下降而后上升；隨著鎮(zhèn)壓強(qiáng)度的提高，大豆平均出苗時(shí)間先下降而后上升。

圖23 各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面Fig.23 Response surfaces influenced by various factors on test index

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析以及模型擬合，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)式(9)進(jìn)行尋優(yōu)求解，以出苗時(shí)間最早為主要尋優(yōu)指標(biāo)，獲得最優(yōu)參數(shù)取值方案及對(duì)應(yīng)結(jié)果：淺松深度為20.0 cm，鎮(zhèn)壓強(qiáng)度為48.2 kPa，平均土壤含水率(0～100 mm)為18.07%，平均土壤溫度(0～450 mm)為16.5℃，平均出苗時(shí)間為9.84 d。因此最終選取的最優(yōu)參數(shù)組合為：淺松深度為20 cm，鎮(zhèn)壓強(qiáng)度取整數(shù)為48 kPa。

3.2.2.3對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

依照最優(yōu)方案參數(shù)組合，進(jìn)行田間對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)。機(jī)具S1于試驗(yàn)田A5作業(yè)，參數(shù)設(shè)置為淺松深度20 cm，鎮(zhèn)壓強(qiáng)度48 kPa，機(jī)具S5于試驗(yàn)田A6作業(yè)，參數(shù)設(shè)置為鎮(zhèn)壓強(qiáng)度48 kPa，機(jī)具S1和S5作業(yè)速度均為6 km/h。測(cè)得2塊試驗(yàn)田的平均土壤含水率(0～100 mm)、土壤溫度、平均出苗時(shí)間(按照式(5)的方法，每塊試驗(yàn)田重復(fù)測(cè)量3次)試驗(yàn)結(jié)果如圖24所示。由對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果可知，采取最優(yōu)組合方案的S1模式相較于S5模式可提升平均土壤含水率(0～100 mm)0.47%，分別提升10、20、30 cm深度土壤溫度0.7、1.3、0.9℃，縮短出苗時(shí)間0.52 d。S1模式下平均出苗時(shí)間為9.55 d，相較于軟件優(yōu)化結(jié)果的9.84 d有所縮短，主要是因?yàn)轵?yàn)證試驗(yàn)是在第2部分試驗(yàn)結(jié)束之后進(jìn)行，此時(shí)氣溫已有所提高，因而縮短了出苗時(shí)間。2017年10月，按照式(6)對(duì)大豆產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得S1模式下大豆產(chǎn)量為2 491 kg/hm2，S5模式下大豆產(chǎn)量為2 440.95 kg/hm2，大豆產(chǎn)量提高2.05%，大豆產(chǎn)量的提高是由于土壤溫度和含水率的提升促進(jìn)了大豆根系發(fā)育，提高了根系吸收營(yíng)養(yǎng)與能量的能力；同時(shí)出苗時(shí)間的縮短延長(zhǎng)了大豆生長(zhǎng)時(shí)間，提高了全生育期光能利用率，利于植株干物質(zhì)積累和生長(zhǎng)發(fā)育，從而提高了大豆產(chǎn)量。

圖24 對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Fig.24 Result of contrast and validation test

4 結(jié)論

(1)淺松扶壟作業(yè)可有效提升一定深度范圍內(nèi)的土壤溫度，淺松作業(yè)深度為10 cm時(shí)，可顯著提升5～25 cm深度范圍內(nèi)的土壤溫度；淺松作業(yè)深度為20 cm和30 cm時(shí)，可顯著提升5～35 cm深度范圍內(nèi)的土壤溫度，但當(dāng)土壤深度達(dá)到40 cm以上時(shí)，土壤熱通量大為減弱，超出地表熱能傳遞范圍，淺松扶壟作業(yè)對(duì)土壤溫度的提升效果已不顯著。

(2)設(shè)計(jì)的仿生淺松扶壟耕整機(jī)構(gòu)相較于傳統(tǒng)耕整機(jī)構(gòu)可顯著降低作業(yè)阻力，其采用的野兔爪趾結(jié)構(gòu)可更快地破壞凝聚力結(jié)合鍵，加快土壤失效；采用的穿山甲鱗片仿生結(jié)構(gòu)表面具有更好的減黏脫附效果，打破土壤與鏟體表面接觸時(shí)形成的水膜的連續(xù)性，減低土壤的黏結(jié)力，從而降低土壤對(duì)鏟體表面的粘附，減小了耕整機(jī)構(gòu)與土壤之間的摩擦力。淺松深度為10 cm時(shí)，作業(yè)阻力降低13.20%；淺松深度為20 cm時(shí)，作業(yè)阻力降低15.94%；淺松深度為30 cm時(shí)，作業(yè)阻力降低19.77%。

(3)設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置可顯著減小作業(yè)過(guò)程中鎮(zhèn)壓力的波動(dòng)，從而提升鎮(zhèn)壓作業(yè)的穩(wěn)定性，具有更好的蓄水保墑效果。當(dāng)鎮(zhèn)壓強(qiáng)度為45 kPa時(shí)，其平均土壤含水率(0～100 mm)最大為第21天的19.23%，最小為第27天的18.12%，相較于傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓裝置可提高平均土壤含水率(0～100 mm)1.36%。

(4)淺松深度和鎮(zhèn)壓強(qiáng)度均對(duì)土壤溫度和含水率具有顯著性影響(P<0.05)，且兩者之間具有交互作用。平均土壤含水率(0～100 mm)隨著淺松深度的增加而下降，隨著鎮(zhèn)壓強(qiáng)度的提高而上升；平均土壤溫度(0～450 mm)隨著淺松深度的增加而上升，隨著鎮(zhèn)壓強(qiáng)度的提高，先上升而后下降；大豆平均出苗時(shí)間隨著淺松深度的增加，先下降而后上升，隨著鎮(zhèn)壓強(qiáng)度的提高，先下降而后上升。運(yùn)用Design-Expert和Matlab軟件對(duì)耕播聯(lián)合作業(yè)的淺松深度和鎮(zhèn)壓強(qiáng)度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，確定耕播聯(lián)合作業(yè)最優(yōu)參數(shù)組合為：淺松深度為20 cm，鎮(zhèn)壓強(qiáng)度取整數(shù)為48 kPa，在該參數(shù)組合下，淺松、扶壟、播種聯(lián)合作業(yè)相較于傳統(tǒng)播種作業(yè)可提升平均土壤含水率(0～100 mm)0.47%，分別提升10、20、30 cm深度土壤溫度0.7、1.3、0.9℃，縮短大豆平均出苗時(shí)間0.52 d，提高大豆產(chǎn)量2.05%。

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