雙壟四行花生壟作播種機(jī)種溝開(kāi)溝器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

胡婷, 全偉,2, 吳明亮*, 李林

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410128; 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410128)

花生是我國(guó)重要的油料經(jīng)濟(jì)作物，總產(chǎn)量占40%左右，居世界首位，種植面積僅次于印度，居第二位[1-2]。近年來(lái)，我國(guó)南方花生播種面積越來(lái)越大，2018年，我國(guó)花生播種面積達(dá)到4.62×106hm2，其中南方的播種面積占比接近40%[3]，極大地促進(jìn)了花生產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞花生播種開(kāi)展了大量研究，并研制出了花生播種機(jī)，其種肥溝作業(yè)部件大多采用圓盤(pán)式開(kāi)溝器或改進(jìn)后的鋤鏟式開(kāi)溝器[4-7]，對(duì)我國(guó)北方花生主產(chǎn)區(qū)的機(jī)械化作業(yè)水平提升發(fā)揮了重要作用。而南方地區(qū)由于土壤黏重、含水率高，現(xiàn)有花生播種機(jī)的觸土部件在作業(yè)過(guò)程中易壅泥堵塞而影響作業(yè)質(zhì)量，嚴(yán)重制約了南方花生種植規(guī)模擴(kuò)大和種植效益提高[8-9]。因此，針對(duì)南方丘陵山地黏重土壤環(huán)境下的播種機(jī)械研究具有重要意義。

目前南方丘陵地區(qū)花生種植采用壟作模式[10]，其農(nóng)藝參數(shù)為：種溝寬度100～200 mm，種溝深度30～50 mm，行距300 mm，壟寬500 mm，壟高150 mm，壟溝寬300 mm，壟溝溝底寬150 mm。為此，本項(xiàng)目組研制了一款適合南方高含水率黏重土壤環(huán)境的雙壟四行花生壟作播種機(jī)，基于南方土壤仿真標(biāo)定參數(shù)，采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真模型相結(jié)合的方法研究花生播種機(jī)觸土部件與土壤的相互作用規(guī)律[11-15]，借助離散元軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的種溝開(kāi)溝器關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，以期解決南方丘陵地區(qū)花生播種機(jī)種溝開(kāi)溝作業(yè)問(wèn)題。

1 材料與方法

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

雙壟四行花生壟作播種機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由覆土裝置、開(kāi)種溝裝置、側(cè)邊開(kāi)壟溝裝置、中間開(kāi)壟溝裝置、旋耕裝置等組成。其中開(kāi)種溝裝置主要由預(yù)緊彈簧、平土拖板、種溝開(kāi)溝器等組成，該種溝開(kāi)溝器傾斜焊接在平土拖板內(nèi)側(cè)底部。

工作時(shí)，動(dòng)力帶動(dòng)旋耕裝置碎土并整理壟面；側(cè)邊開(kāi)壟溝裝置和中間開(kāi)壟溝裝置與旋耕裝置一同前進(jìn)并切土翻垡，最終形成雙壟壟面用于種植花生。在預(yù)緊彈簧的作用下平土拖板始終緊貼壟面滑行，焊接于平土拖板上的兩個(gè)種溝開(kāi)溝器在細(xì)碎土壤的壟面上劃出深度、形狀一致的兩條種溝；由排種器排出的種子在排種管的引導(dǎo)下落入種溝內(nèi)，覆土裝置將種子覆土并將壟面刮平，完成花生播種作業(yè)。

注： 1—側(cè)邊開(kāi)壟溝裝置； 2—中間開(kāi)壟溝裝置； 3—旋耕裝置； 4—開(kāi)種溝裝置； 41—預(yù)緊彈簧； 42—種溝開(kāi)溝器； 43—平土拖板。Note: 1—Side ridging device; 2—Middle ridging device; 3—Rotary tiller; 4—Seed ditch device; 41—Pre tightening spring; 42—Seed furrow opener; 43—Planning board.圖1 雙壟四行花生壟作播種機(jī)及開(kāi)種溝裝置Fig.1 Structure of double ridge four row peanut ridge seeder assembly and furrow opening device

1.2 種溝開(kāi)溝器作業(yè)參數(shù)

種溝開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其為鋼板彎折成兩個(gè)翼板組成的倒三角形結(jié)構(gòu)，主要由翼板和刀刃組成。作業(yè)參數(shù)包括雙翼板夾角β、翼板傾角α、入土角γ、開(kāi)溝深度h。

圖2 種溝開(kāi)溝器Fig.2 Seed channel opener

①雙翼夾角β。為保證種溝開(kāi)溝器能夠順利開(kāi)出倒三角形種溝，開(kāi)溝器翼板傾角應(yīng)不大于旋耕后土壤的自然堆積角41°[15]。結(jié)合種溝開(kāi)溝器(圖2)的幾何關(guān)系，則雙翼夾角β需大于98°。由壟作花生種植農(nóng)藝要求可知，雙翼夾角β與種溝寬度b和種溝深度h之間滿(mǎn)足反三角函數(shù)關(guān)系，當(dāng)種溝深度取最小值30 mm，種溝寬度為最大值200 mm時(shí)，βmax=146°。綜上，雙翼夾角β取值范圍為98°～146°。

②入土角γ。種溝開(kāi)溝器作業(yè)原理如圖3所示，由圖中幾何關(guān)系和受力分析可得公式(1)。

Fx=F×sin(180°-γ)

(1)

式中，F(xiàn)x為沿水平方向的分力，N；F為工作過(guò)程中土壤作用在開(kāi)溝器上的阻力，N。

為使開(kāi)溝器的開(kāi)溝阻力盡量小，則根據(jù)公式(1)及圖3中幾何關(guān)系，其入土角γ應(yīng)取最大值165°，但此時(shí)開(kāi)溝器已無(wú)法入土。通過(guò)改變預(yù)緊彈簧的預(yù)緊力可調(diào)節(jié)開(kāi)溝器的入土角γ，為使開(kāi)溝器入土，至少需將入土角減少13°，故入土角γ<152°。

圖3 種溝開(kāi)溝器作業(yè)原理Fig.3 Operation of seed ditch opener

為保證開(kāi)溝器的刃線(xiàn)具有滑切作用，其入土角γ應(yīng)滿(mǎn)足γ>π/2+ψ[16]，ψ為開(kāi)溝器的刃線(xiàn)與土壤摩擦角，(°)。由文獻(xiàn)[16]可知，ψ一般取值為18°～42°，取值為ψ=42°，可得γ>132°。

綜合以上，可確定入土角的取值范圍為132°<γ<152°。

③開(kāi)溝深度h。開(kāi)溝深度影響溝型穩(wěn)定性，是影響開(kāi)溝器牽引阻力的關(guān)鍵因素。為了匹配農(nóng)藝要求的種溝深度，開(kāi)溝深度取值范圍為30～50 mm。

1.3 種溝開(kāi)溝器作業(yè)EDEM仿真

1.3.1土壤與開(kāi)溝器仿真建模 ①土壤模型。本文在綜合考慮南方土壤的實(shí)際情況和EDEM軟件的內(nèi)置接觸模型后，選用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接觸模型[17-18]，仿真參數(shù)如表1所示，含水率通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量，其余各參數(shù)均參考相關(guān)研究進(jìn)展[15,19-21]。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameter

根據(jù)花生播種的農(nóng)藝要求，設(shè)定仿真土槽規(guī)格為1 000 mm×500 mm×250 mm的無(wú)蓋長(zhǎng)方體。設(shè)置離散元仿真土壤的基本顆粒參數(shù)為半徑4 mm、圓球形，采用隨機(jī)分布方式生成土壤顆粒，在顆粒工廠Partical Generation將顆粒半徑設(shè)置為3.2～4.8 mm(0.8～1.2倍)、顆粒生成速率為10萬(wàn)顆·s-1。

②開(kāi)溝器模型。利用軟件Solidworks2016按照1∶1比例建立倒三角形種溝開(kāi)溝器的三維模型，然后將其導(dǎo)入EDEM離散元仿真軟件中，并按照需求設(shè)置其運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，即可開(kāi)展仿真試驗(yàn)。

1.3.2試驗(yàn)因素與水平 利用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)多因素正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)因素和水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Test factors and levels

1.3.3試驗(yàn)指標(biāo) 試驗(yàn)采用溝型系數(shù)和牽引阻力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[22-23]。

①溝型系數(shù)。在土槽長(zhǎng)度方向的中間進(jìn)行切片，切片厚度為50 mm，選擇代表種溝橫截面輪廓的顆粒，生成所選仿真土壤顆粒在XY平面中的散點(diǎn)圖，最后導(dǎo)出坐標(biāo)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)編入Matlab程序中進(jìn)行擬合，得到Matlab擬合種溝輪廓，同時(shí)得到y(tǒng)(x)的多項(xiàng)式并對(duì)其進(jìn)行定積分求解得到仿真種溝橫截面面積S1。

(2)

式中，β為雙翼夾角，(°)；h為開(kāi)溝深度，mm；S2為理論種溝橫截面面積，mm2。

②牽引阻力。采用軟件后處理計(jì)算出單次試驗(yàn)的牽引阻力平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.4仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化 采用Design-Expert軟件進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面優(yōu)化。

1.4 土槽驗(yàn)證試驗(yàn)

1.4.1試驗(yàn)儀器和設(shè)備 土槽驗(yàn)證試驗(yàn)的儀器和設(shè)備為T(mén)CC電力四驅(qū)土槽試驗(yàn)臺(tái)、六分力測(cè)試架、開(kāi)種溝裝置(安裝有最優(yōu)參數(shù)組合下的兩個(gè)種溝開(kāi)溝器)、手持式土壤水分測(cè)定儀、卷尺(精度cm)、直尺(精度mm),將六分力測(cè)定架三點(diǎn)掛接于土槽車(chē)，利用抱箍將開(kāi)種溝裝置安裝于六分力測(cè)定架橫梁，使用數(shù)據(jù)線(xiàn)將六分力測(cè)定架的數(shù)據(jù)采集盒與土槽車(chē)控制臺(tái)計(jì)算機(jī)連接。

1.4.2土槽土壤處理 試驗(yàn)前調(diào)整土槽內(nèi)土壤含水率：在土槽試驗(yàn)范圍內(nèi)按五點(diǎn)取樣法選擇測(cè)點(diǎn)，使用手持式土壤水分測(cè)定儀測(cè)量土槽土壤含水率為13.54%，用灑水壺均勻噴灑一定量的水，靜置4 h后旋耕土壤至深度15 cm左右，繼續(xù)測(cè)量含水率，計(jì)算下次所需施水量，噴灑靜置后耕整，將土壤含水率調(diào)至18.2%±0.2%。

1.4.3測(cè)定方法 試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置土槽車(chē)行進(jìn)速度為0.44 m·s-1，并將種溝開(kāi)溝器的開(kāi)溝深度調(diào)40 mm處。試驗(yàn)重復(fù)三次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

在每個(gè)行程隨機(jī)選取連續(xù)10個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔0.5 m，將水平尺橫臥于種溝上方作為x方向坐標(biāo)，將板尺垂直于水平尺并與種溝溝底相交作為y軸方向，水平尺與板尺的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖4所示。沿x軸正負(fù)方向每隔10 mm測(cè)得對(duì)應(yīng)的y值，測(cè)量并記錄溝型數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)編入Matlab程序中進(jìn)行擬合,得到種溝截面擬合圖，并進(jìn)行定積分求解得出種溝截面面積，種溝截面面積與理論面積之比即為溝型系數(shù)。將每個(gè)行程所有測(cè)點(diǎn)的溝型系數(shù)的平均值為試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 溝型系數(shù)測(cè)量Fig.4 Measuring of the channel shape coefficient

試驗(yàn)過(guò)程中土槽車(chē)可自動(dòng)獲取開(kāi)溝器的牽引阻力值，由于試驗(yàn)使用了兩個(gè)開(kāi)溝器，將每次試驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)的0.5倍作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果

采用Design-Expert軟件進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到仿真試驗(yàn)方案和結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)因素不同水平值取值條件下，評(píng)價(jià)指標(biāo)中溝型系數(shù)的變化范圍為0.15～1.39，而牽引阻力的變化范圍為33.16～151.76 N，表明各個(gè)試驗(yàn)因素不同水平值對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響較大。

表3 試驗(yàn)方案和結(jié)果Table 3 Protocols and results

仿真與MATLAB擬合的種溝輪廓如圖5所示，溝型輪廓符合農(nóng)藝要求，試驗(yàn)效果較理想。

圖5 仿真與MATLAB擬合的種溝輪廓Fig.5 Seed channel contour of simulation and MATLAB fitting

2.2 回歸方程分析

利用Design-Expert軟件的Analysis模塊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，即可得到兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)分別與開(kāi)溝深度、雙翼夾角及入土角之間的回歸方程，如公式(3)和(4)所示。

Y1=0.791 6+0.107 5A+0.206 1B+0.214 5C+0.102 2AB+0.060 4AC-0.335 9C+0.071 8A2-0.110 9B2+0.298C2

(3)

Y2=8.42+0.877 4A+1.94B-1.32C+0.198AB-0.068 1AC-0.390 5BC+0.014 1A2+0.544 6B2-0.319 3C2

(4)

式中，A為開(kāi)溝深度，mm；B為雙翼夾角，(°)；C為入土角，(°)；Y1為溝型系數(shù)；Y2為牽引阻力，N。

2.3 方差分析

由二次項(xiàng)模型的方差分析結(jié)果(表4和5)可知，溝型系數(shù)的回歸模型呈現(xiàn)顯著(P<0.05)，牽引阻力的回歸模型均呈現(xiàn)極顯著(P<0.001)；溝型系數(shù)和牽引阻力的模型失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05)，說(shuō)明可用回歸方程替代試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析；溝型系數(shù)和牽引阻力的決定系數(shù)(R2)分別為85.59%和99.89%，校正決定系數(shù)(adj-R2)分別為67.06%和99.76%，變異系數(shù)(C.V.)分別為23.15%和1.05%，精密度系數(shù)(Adeq precisior)分別為8.084 6與95.008，說(shuō)明溝型系數(shù)和牽引阻力模型能較好擬合。

表4 目標(biāo)函數(shù)y1的二次項(xiàng)模型方差分析Table 4 Analysis of variance of quadratic model of objective function y1

F值反映了各試驗(yàn)因素對(duì)回歸模型響應(yīng)值的影響程度，由F值檢驗(yàn)得出各試驗(yàn)因素對(duì)溝型系數(shù)的影響程度由大到小依次為C、B、A；對(duì)牽引阻力的影響程度由大到小依次為B、C、A。

通過(guò)各因素及其交互項(xiàng)的P值可判斷，從單因素方面分析：雙翼夾角、入土角對(duì)溝型系數(shù)影響顯著，開(kāi)溝深度對(duì)溝型系數(shù)的影響較小。開(kāi)溝深度、雙翼夾角、入土角對(duì)牽引阻力的影響均極顯著；而基于各因素交互作用得出：雙翼夾角與入土角的交互作用對(duì)溝型系數(shù)的影響極顯著，開(kāi)溝深度和雙翼夾角、雙翼夾角和入土角的交互作用對(duì)牽引阻力影響極顯著。

2.4 回歸模型交互效應(yīng)分析

根據(jù)二次項(xiàng)模型方差分析結(jié)果，利用Design-Expert軟件繪制響應(yīng)曲面圖(圖6)。當(dāng)入土角較小時(shí)，隨著雙翼夾角增大，溝型系數(shù)小幅度增大后逐漸減小，但變化范圍不大；當(dāng)入土角增大后，溝型系數(shù)隨著雙翼夾角增大而顯著減??；當(dāng)雙翼夾角一定時(shí)，溝型系數(shù)隨著入土角增大而增大。雙翼夾角與入土角一定時(shí)，牽引阻力隨著開(kāi)溝深度增大而增大；開(kāi)溝深度與雙翼夾角一定時(shí)，牽引阻力隨著入土角增大而減小。開(kāi)溝深度與入土角一定時(shí)，牽引阻力隨著雙翼夾角增大而增大。

2.5 最優(yōu)參數(shù)組合

為了同時(shí)得到開(kāi)溝質(zhì)量最高且牽引阻力最小時(shí)開(kāi)溝深度、雙翼夾角與入土角的最優(yōu)參數(shù)組合，使用Design-Expert軟件的Optimization功能進(jìn)行優(yōu)化，以溝型系數(shù)的理想值1為目標(biāo)值，以牽引阻力F的最小值為求解目標(biāo)，同時(shí)對(duì)回歸模型Y1和Y2進(jìn)行尋優(yōu)求解，并得到了多組解，其中有多個(gè)組合的溝型系數(shù)等于1，選擇牽引阻力最小的一組作為最優(yōu)參數(shù)組合，其中開(kāi)溝深度、雙翼夾角與入土角的值分別為40 mm、98°、144°。

2.6 仿真與土槽試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

仿真試驗(yàn)與土槽驗(yàn)證試驗(yàn)所得牽引阻力和溝型系數(shù)的對(duì)比結(jié)果如表6所示。可以看出，仿真與土槽試驗(yàn)所得溝型系數(shù)分別為1.06與1.02，誤差為3.78%；種溝開(kāi)溝器的牽引阻力分別為43.4和46.3 N，誤差為6.68%，表明仿真試驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確；溝型系數(shù)的變異系數(shù)相對(duì)牽引阻力的變異系數(shù)較大。

表6 仿真試驗(yàn)與土槽驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 6 Comparison of simulation test and soil trough verification test results

3 討論

本文依據(jù)土壤耕作理論應(yīng)用成果[10,15-16]與工程力學(xué)理論，設(shè)計(jì)了一款雙壟四行花生壟作播種機(jī)種溝開(kāi)溝器。高質(zhì)量的種溝溝型和低牽引阻力是反映開(kāi)溝器工作性能的重要指標(biāo)[22-23]。為此選取溝型系數(shù)及牽引阻力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并以開(kāi)溝器開(kāi)溝深度、雙翼夾角和入土角為試驗(yàn)因素，基于南方土壤的實(shí)際情況和EDEM軟件建立南方土壤模型[15,17-21]，開(kāi)展種溝開(kāi)溝器作業(yè)EDEM仿真試驗(yàn)。相對(duì)于傳統(tǒng)試驗(yàn)采用回土量計(jì)算溝型[22-23]，該試驗(yàn)采用曲線(xiàn)擬合法量化溝型，且本研究方案可為南方丘陵地區(qū)花生播種機(jī)種溝開(kāi)溝器設(shè)計(jì)提供參考。

通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化法對(duì)種溝開(kāi)溝器的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合(開(kāi)溝深度40 mm、雙翼夾角98°、入土角144°)，并探究了各因素及其交互作用對(duì)開(kāi)溝器作業(yè)效果的影響規(guī)律，對(duì)于種溝開(kāi)溝器作業(yè)性能的影響程度，入土角大于雙翼夾角，與趙淑紅等[22]結(jié)論相似，該研究對(duì)種溝開(kāi)溝器作業(yè)性能的提高具有理論指導(dǎo)意義。但仍然存在其他較多影響開(kāi)溝器作業(yè)性能的因素，如開(kāi)溝器外形、土壤顆粒粒徑和含量、開(kāi)溝速度、土壤含水率等，還需進(jìn)一步研究其他因素對(duì)種溝開(kāi)溝器作業(yè)的影響規(guī)律。

在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，使用種溝開(kāi)溝器開(kāi)展土槽試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真與土槽試驗(yàn)所得溝型系數(shù)與牽引阻力的誤差分別為3.78%與6.68%，均在允許范圍內(nèi)，表明仿真試驗(yàn)獲得的最優(yōu)參數(shù)組合是可靠的。因此借助離散元軟件對(duì)種溝開(kāi)溝器的作業(yè)性能進(jìn)行研究是可行的。