三七育苗播種壓輪仿形開溝裝置的設計與試驗

楊文彩，徐路路，杜一帆，郎沖沖，潘吳建

（1. 云南農業大學機電工程學院，昆明 650201；2. 上海衡拓船舶設備有限公司，上海 200031）

0 引 言

三七是馳名中外的名貴藥材，是中國國家地理標志產品。由于三七的特殊生長條件，全國種植面積和產量的98%均來自于云南。目前云南省三七種植面積達到66 666 hm2以上[1]。三七育苗播種行距、株距很小，均為50 mm，播種深度僅為10 mm，屬于超精密播種[2]。但三七播種農藝極其特殊，目前還沒有適宜的三七育苗播種機問世，傳統的人工種植模式占主導地位。使得播種季節用工成本居高不下，且播種質量不均勻。開溝裝置是播種機的重要工作部件，其開溝質量的好壞直接影響種子播種后的粒距均勻性與播深一致性，進而影響種子的發芽生長[3-5]。

目前國內外對開溝裝置的研究方法主要有仿形技術、仿生技術、多功能組合法等。仿形技術方面：研究了后置仿形輪、液壓高程仿形、彈簧壓縮水平仿形板和雙向仿形平行四桿機構等，從多方面設計以控制開溝深度一致的平穩性[6-8]，Jia 等[9]設計了仿形彈性鎮壓輥以改善苗床特性和出苗一致性；仿生技術方面：設計了仿蚯蚓運動、野兔前爪、穿山甲鱗片、及蝗蟲口器、螻蛄前足和褐飛虱表皮的開溝器，以改善土壤耕種層結構、減粘降阻，提高破茬防堵性能[10-14]；多功能組合方面：研究了組合式同溝分層施肥播種開溝器、犁旋組合式油菜播種開溝起壟裝置和多功能集成式播種開溝器，以解決土壤壅堵、土壤擾動、種床土壤緊實度不足、保證溝型壟體穩定和開溝深度均勻性問題[15-18]，Vamerali 等[19]設計了一種寬掃開溝器，實現了較高的作物殘茬摻入量和開溝均勻的播種深度；以上設計的開溝器存在仿形滯后、結構相對復雜或一體化協調性不佳的問題，且針對不同作物的土壤類型也不盡相同。已有的開溝器主要是面向大豆、玉米、馬鈴薯等大行株距大田作物，開溝深度較深、溝距較寬，且面向的土壤緊實度相對較高，不適于行株距小、播深淺的三七育苗播種。

基于三七育苗農藝要求，急需研發開溝時對土壤擾動小和種溝底部適當緊實的密集型開溝裝置，本文采用仿形技術和多功能組合法，將仿形功能、開溝功能與溝底緊實功能集中于壓輪，設計三七育苗播種的壓輪仿形開溝裝置，并通過理論分析和試驗優化方法，探索適合三七育苗播種的最佳工作參數，為后期三七育苗播種研究提供參考。

1 壓輪仿形開溝裝置整體結構和工作原理

1.1 整體結構

壓輪仿形開溝裝置整體結構主要由機架、電機、地輪、安裝軸、壓輪連接板、壓輪和彈簧等組成，結構示意圖如圖1 所示。整機主要參數如表1。

圖1 壓輪仿形開溝裝置整體結構示意圖 Fig.1 Structural diagram of the overall pressing wheel profiling ditching device

表1 壓輪仿形開溝裝置整機主要參數 Table 1 Main parameters of the pressing wheel profiling ditching device

1.2 工作原理

壓輪仿形開溝裝置通過安裝軸與播種機相連，播種機為自走式，由電機提供動力。作業時，壓輪隨著播種機前進，一邊向前滾動一邊在自重和壓輪連接板重力作用下壓出種溝，即沿著壓輪側面向兩側運動的土壤與相鄰壓輪同樣作用下的土壤形成倒V 型土堆，開出平底V型的種溝。未開溝時，彈簧處于拉伸狀態。開溝過程中彈簧的拉伸狀態不會改變，只改變拉伸程度。在相同的土壤條件下，所需開溝深度可通過安裝軸和仿形彈簧拉力調節螺栓在開播前進行調試。

播種前育苗槽內的土壤可能會存在縱向波浪式不平整或橫向高低不平的現象，為保證壓輪壓出的種溝溝深一致，將壓輪按分段進行組合，進而使種子播深一致。當壓輪在前進方向上遇到土壤波浪式凸起或凹陷時，壓輪與地面間的接觸壓力增大或降低，彈簧拉伸量變化使壓輪上移或下移，實現縱向仿形；在前進方向的垂直方向土壤表面不平整時，各段壓輪隨土壤凸起或凹陷，通過上移或下移實現橫向仿形。

2 壓輪仿形開溝裝置關鍵部件設計

2.1 壓輪頂寬和斜邊傾角設計

前期試驗發現，土壤緊實度不足易導致開溝后土壤回落量大，因而，將壓輪設計成平底V 型，壓輪結構示意圖如圖2a、2b 所示。壓輪的斜邊傾角結合紅壤土的休止角進行設計，紅壤土休止角經測定儀進行5 次測定取平均值，即得到紅壤土休止角為40～50°；壓輪頂部寬度考慮三七種子的三軸尺寸和土壤回落量進行設計，壓輪頂寬ζ 及斜邊傾角α 如圖2c 所示；其他尺寸依據文獻[20]選?。簤狠喼睆?50 mm，壓輪厚度為20 mm，兩相鄰壓輪間距為30 mm 保障土壤流通性。

圖2 壓輪結構示意圖 Fig.2 Structural diagram of pressing wheel

2.1.1 壓輪頂寬設計

壓輪頂寬尺寸要能保證土壤回落后三七種子也能完全落入種溝底部，而三七種子三軸尺寸的平均值主要集中在5.0～6.3 mm 之間，最大值為7.2 mm[21]，故設計平底V 型壓輪的頂寬為8 mm。

2.1.2 壓輪斜邊傾角設計

適適宜三七育苗播種的紅壤土或棕紅壤土，土質疏松、通透性好[22]，將土壤視為散粒體并假定開溝過程中壓輪做勻速運動，耕深穩定[23]。結合紅壤土的休止角，對壓輪斜邊的分析如圖3a 所示，ZZ2和I2I 為壓輪的斜邊，Z2I2為壓輪的頂寬。開溝時土壤被擠壓到兩輪之間，壓輪壓出種溝離開后會有少量土壤滑落種溝底部，最終形成穩定的壟峰I2H E2交匯于H 點。溝底的理論寬度等于壓輪頂寬Z2I2，I′E′為相鄰兩壓輪間的土壤在土壤表面的投影距離，也是壓輪間的理論間距，I2I′為壓輪V 形斜面在土壤表面的投影距離，其長度由壓輪的厚度ZI（20 mm）和頂寬Z2I2（8 mm）共同決定，通過計算可知I′H′為壟峰中心線HH′到壓輪側面I I′的距離，其長度由壓輪間距I′E′決定，且I′E′關于HH′對稱，可知I′H′ = I′E′/2 = 15 mm。設壟峰高度HH′為l，則l 可按下式計算

圖3 相鄰壓輪觸土間距分析與滑坡穩定性驗證 Fig.3 Analysis of contact position of adjacent pressing wheel and verification of landslide stability

根據紅壤土的休止角α 為40°～50°，可計算得壟峰高度h 為17.62～25.03 mm，故而壓輪斜邊傾角設計滿足三七育苗播種時開溝深度為20 mm 的要求。

壓輪斜邊傾角α 為45°時，壟峰高DH 為21 mm，考慮土壤回落情況，現對壟峰斜坡進行滑坡穩定安全系數驗證，用微元法取壟峰斜坡土壤對其進行受力分析，如圖3b。土壤的抗滑力根據直線破裂面法假定土壤顆粒的下滑為土壤體沿著臨界坡面自然下滑，滑坡穩定安全系數K 的計算如下[25-26]

式中M 為滑體自重力，kN/m；τ 為土壤抗滑力，kN/m；σ 為土壤的正應力，kPa；α0為滑面傾角，（°）；φ 為滑動面上土體的內摩擦角，（°）；c 為滑動面上土壤的黏聚力，kPa；T 為土壤滑動力，kN/m；K 為滑坡穩定安全系數；β 為滑坡傾角，（°）；J、J1、J2為滑體的三個頂點；|JJ1|為J、J1兩點間滑面的長度，m；

根據式（2），砂質壤土滑坡穩定安全系數可取為

因為c·|JJ1|/(M·sinβ)＞0 恒成立，當φ＞β 時，K＞1，此時抗滑力τ 大于滑動力T，滿足滑坡穩定條件，壓輪斜邊傾角設計合理。

2.2 壓輪連接板設計

2.2.1 結構設計

壓輪連接板包括壓輪中間連接板和壓輪側連接板，根據杠桿原理，結合整體機架寬度和開溝行距進行壓輪連接板結構設計，每塊連接板上安裝兩個壓輪，每組壓輪用一塊加強筋加固，分多組設計便于實現橫向仿形，其中一組結構示意圖如圖4 所示。壓輪中間連接板上端U的圓孔用于連接彈簧，V 端圓形孔與壓輪連接頭配合，連接頭再與壓輪進行配合；安裝軸套筒2 套在安裝軸上并以安裝軸為杠桿支點（與安裝軸套筒同軸心的位置）進行固定和高度調節。

2.2.2 主要參數確定

壓輪連接板的尺寸由安裝軸離地面的高度、開溝深度、彈簧預拉力、杠桿支點位置及V 端壓輪連接板質量與壓輪質量之和共同決定，當壓輪中間連接板A1B1與土壤表面的夾角θ（見圖5）最大時，依據彈簧預拉力最小和安裝軸安裝位置最低時的空間，確定彈簧連接孔與V端圓形孔之間的總長度A1B1為270 mm，為確定杠桿支點O 的位置，設A1O 為x1、B1O 為x2，則x1+x2=270 mm，x1、x2的取值通過壓輪中間連接板的受力分析進行計算，壓輪中間連接板受力簡圖如圖5, 考慮壓輪開溝深度淺，與土壤接觸面積小且接近壓輪最底端，故將FQ簡化為垂直方向的力。

在臨界條件下，假設土壤為非剛性表面承受載荷，由土壤下陷量公式[27]計算得壓輪受到的載荷FQ

式中Z0為壓輪的下陷量（即開溝深度），mm；FQ為壓輪作用于地面的壓力，N；B0為壓輪的寬度，mm；D0為壓輪的直徑，mm；

K1為土壤特性系數；α1為與土壤性質有關的參數，由農業機械學[28]取α1=1.4。開溝深度取臨界值20 mm，由式（4）、（5）可得單個壓輪受到的載荷FQ=27.83 N。

根據圖5，受力平衡時有

FT用拉力計通過試驗最優法測量，由式（6）、（7）可計算得x1為165 mm，x2為105 mm，即最終確定杠桿支點O 的位置。

2.2.3 變形量分析

壓輪連接板結構尺寸將決定其是否發生扭轉變形、焊接處斷裂等情況，進而影響播種。因此借助ANSYS 軟件進行壓輪連接板的應力、應變和變形分析。材料定義為Q235 鋼材；網格劃分選用自動劃分法（Automatic），共劃分為8 634 個單元，16 337 個節點；施加的載荷按開溝深度為20 mm 時，單個壓輪所受載荷FQ為27.83 N；根據該裝置設計的實際情況，約束條件選擇固定約束并設定在安裝軸套筒兩端；最后進行求解，壓輪連接板的應力、應變和變形量云圖如圖6所示。

圖6 壓輪連接板的應力、應變和變形云圖 Fig.6 Stress, strain and deformation contours of pressing wheel connecting plate

由圖6a、6b 可知，應力、應變最大處均位于壓輪中間連接板與安裝軸套筒連接處的上側面以及下側面，應力、應變最大處到安裝軸套筒的受力及變形過渡性較好且沒有發生突變，說明壓輪連接板結構設計合理；由圖 6c 可知，最大變形量位于壓輪中間連接板的U 端頂部，這與彈簧拉力最大處相對應。從結構表面看，壓輪連接板不存在扭轉變形，說明對稱式壓輪連接板設計結構合理，壓輪中間連接板在彈簧拉力的作用下，具有較大的變形量，但由于加強筋的作用使各連接板受力變形相對較小。

通過以上分析可知：壓輪連接板應力最大處應變也最大，但在加強筋的作用下最大應力應變處的變形量顯著降低；在壓輪中間連接板的U 端變形量較大，說明此結構能有效降低扭轉變形和斷裂的可能性，對U 端最大變形量處可再增添小型加強筋與現有加強筋垂直固接在U 端上表面，進行加固。

2.3 彈簧選型

壓輪工作時，土壤表面存在凹凸不平的變化，使壓輪作用于連接板的力與彈簧的拉力都發生相應的變化，如圖7所示，當壓輪中間連接板A1B1繞O 點轉動到C1D1位置時，壓輪中間連接板A1B1與土壤表面E1F1的夾角∠B1A1F1也發生變化，通過測量得∠B1A1F1=30°轉變為∠D1C1F1′=9.59°，此時對應壓輪的仿形量即壓輪中間連接板繞O 點轉動時壓輪擺動的垂直高度C1E1為55 mm，而開溝深度增加了5 mm，故利用開溝深度不同時與壓輪的仿形量對應的彈簧變化量求得彈簧剛度，進而選取彈簧的型號。

因壓輪的仿形量不同時彈簧的拉伸變形量也不同，根據圖 7 由壓輪中間連接板變化的幾何關系得：A1C1=C1E1/sin∠C1A1E1=60.79 mm，由E1F1平行于C1F1′、∠B1A1F1=30°、∠D1C1F1′=9.59°，求得∠C1OA1=20.41°、∠OA1C1=85.21°、∠C1A1E1=64.79°；由三角形比例關系B1D1/A1C1=D1O/OC1，得拉力彈簧變化量 B1D1為38.69 mm。

圖7 仿形量示意圖 Fig.7 Diagram of profiling amount

當壓輪中間連接板由A1B1轉動到C1D1位置時，A1B1與土壤表面的夾角由30°轉變為9.59°，此時開溝深度將從15 mm 加深到20 mm，根據式（4）和（5），土壤作用于每個壓輪的支撐力分別為：FQ1=20.87 N、FQ2=27.83 N，此時壓輪處于平衡狀態。壓輪受力情況如圖8 所示，FQ1、FQ2簡化為垂直方向的力。

圖8 壓輪受力分析 Fig.8 Force analysis of the pressing wheel

以任一組壓輪仿形開溝裝置為例，根據開溝深度穩定性和力矩原理列出平衡方程：開溝深度為15 mm 時

開溝深度為20 mm 時

計算得：開溝深度為15 mm 時，彈簧拉力大小為FT1=107.86 N；開溝深度為20 mm 時，彈簧拉力大小為FT2=187.52 N。

拉力彈簧變化量Δx 為38.69 mm，彈簧拉力變化量為ΔF=FT2-FT1=79.66 N。根據胡克定律F=k·x，則有

求得彈簧剛度k=2.06 N/mm。

當開溝深度為 15 mm 時，彈簧的伸長量L1=FT1/k=52.36 mm，當開溝深度為20 mm 時相對于開溝深度15 mm 時的變化量Δx 為38.69 mm，所以拉力彈簧伸長量的最大值L=L1+Δx =91.05 mm 時，根據彈簧剛度值，按照《GB2088—2009 普通圓柱螺旋拉伸彈簧及其參數》選取LI A 4.0×45×12.25 GB/T2088 型號的拉力彈簧，相關參數如表2 所示。

表2 拉力彈簧參數 Table 2 Tension spring parameters

3 開溝試驗

為驗證本文設計的三七育苗播種壓輪仿形開溝裝置，試制樣機后進行二次正交旋轉組合試驗，田間試驗開溝過程如圖9 所示。

圖9 田間開溝試驗 Fig.9 Field ditching test

3.1 試驗條件

2018年12月在云南農業大學大河橋三七育苗基地進行育苗播種試驗。育苗槽參數：長度80 m，寬度1.5 m，土層深度30～35 cm，土壤濕度在20%～30%。測量工具：數顯游標卡尺（精度0.01 mm）、濕度測量儀、ARN-JSDY土壤緊實度儀、休止角測定儀、量角器、鋼板尺等。

3.2 評價標準及測量方法

開溝質量用開溝深度穩定性來評價，測量方法根據NY/T740—2003《田間開溝機械作業質量》執行。開溝深度平均值和開溝深度穩定性分別為

式中Ha為開溝深度平均值，mm；hi為第i 個測量點的深度值，mm；N0為在作業區選擇的測量點數，N0=10。

式中S 為開溝深度標準差，mm；W 為開溝深度變異系數，%；Q 為開溝深度穩定性系數，%。

3.3 二次正交旋轉試驗與結果分析

3.3.1 試驗設計

根據對仿形結構、開溝結構與壓實結構的分析和相關學者的研究[29-31]，選取土壤緊實度、播種機前進速度和彈簧預拉力為試驗因素，各因素水平的取值范圍在課題組單因素試驗的基礎上分別選取在100～300 kPa、6～8 m/min 和180～220 N，以開溝深度穩定性為試驗指標，按照三因素二次正交旋轉組合試驗設計方法，試驗因素水平編碼如表3 所示。

表3 試驗因素水平編碼 Table3 Test factor and level

3.3.2 試驗方案與結果

進行23 組試驗，每組試驗重復3 次取平均值，試驗方案與結果如表4 所示。

3.3.3 回歸方程與顯著性檢驗

運用Design-Expert 10.0.3 軟件對試驗數據進行回歸分析[22,26,32]，得到開溝深度穩定性Y1的方差分析表5 和回歸方程。

根據表5 可知，開溝深度穩定性Y1的回歸模型達到極顯著（P＜0.01），說明該回歸模型與自變量具有顯著的函數關系；對于失擬項不顯著（P＞0.1），說明模型是合適的，開溝深度穩定性回歸模型擬合度較高。在開溝深度穩定性回歸方程中A 對開溝深度穩定性影響顯著（P＜0.05），B 對開溝深度穩定性影響極顯著（P＜0.01），AC 交互作用極顯著（P＜0.01），A2極顯著（P＜0.01）和C2顯著（P＜0.05），其他因素影響不顯著。通過F 檢驗，得出影響開溝深度穩定性的主次順序為播種機前進速度、土壤緊實度、彈簧預拉力，與顯著性檢驗結果吻合。

表4 試驗方案與結果 Table 4 Test design and results

表5 開溝深度穩定性的方差分析 Table 5 Variance analysis of ditching depth stability

將表5 中不顯著因素剔除后，得到試驗因素與試驗指標的回歸方程如下

式中A 為土壤緊實度，kPa；B 為播種機前進速度，m/min；C 為彈簧預拉力，N；

由方差分析可知AB、BC 對開溝深度穩定性的交互作用并不顯著，但在田間試驗時發現AB、BC 對開溝深度穩定性的交互作用存在影響，為確定這種影響關系的影響程度，將進行AB、BC 對開溝深度穩定性的交互作用響應曲面的分析。

3.3.4 各因素對試驗指標的影響效應分析

應用Design-Expert10.0.3 軟件分析得到土壤緊實度、播種機前進速度、彈簧預拉力3 個因素中任意兩個因素分別對開溝深度穩定性的交互影響，響應曲面如圖 10 所示。

圖10 各因素對開溝深度穩定性的響應曲面 Fig.10 Response surface of various factors to ditching depth stability

由圖10a 可知，當彈簧預拉力為210 N 時，若土壤緊實度固定，開溝深度穩定性隨著播種機前進速度增加而基本緩慢降低，播種機前進速度最優范圍在 6.21～7.5 m/min；若播種機前進速度固定，開溝深度穩定性隨著土壤緊實度增加而降低，土壤緊實度最優范圍在100～270 kPa。

由圖10b 可知，當播種機前進速度為6.41 m/min 時，當土壤緊實度固定在100～186.93 kPa，彈簧預拉力固定在180～197.83 N 內，開溝深度穩定性隨著土壤緊實度和彈簧預拉力的增加而增加，但開溝深度穩定性低于85%；當土壤緊實度固定在186.93～266.12 kPa 內，彈簧預拉力固定在197.83～212.11 N 內，開溝深度穩定性隨著土壤緊實度和彈簧預拉力的增加先快速增加，后略有緩慢降低，但開溝深度穩定性最低值大于85%；當土壤緊實度固定在266.12～300 kPa，彈簧預拉力固定在212.11～220 N 內，開溝深度穩定性隨著土壤緊實度和彈簧預拉力的增加而降低，開溝深度穩定性低于85%。

由圖10c 可知，當土壤緊實度為252.40 kPa 時，若播種機前進速度固定，開溝深度穩定性隨著彈簧預拉力增加而緩慢降低，彈簧預拉力最優范圍在180～216 N；若彈簧預拉力固定，開溝深度穩定性隨著播種機前進速度增加而緩慢的降低，播種機前進速度最優范圍在6～7.5 m/min。

由試驗因素對開溝深度穩定性的交互影響分析，確定了土壤緊實度、播種機前進速度和彈簧預拉力交互試驗因素下的最佳工作范圍，為參數優化提供試驗因素優化范圍。

3.3.5 參數優化

為獲得開溝深度穩定性最佳的開溝參數，以土壤緊實度、播種機前進速度和彈簧預拉力為自變量，以開溝深度穩定性最佳為目標，結合3.3.3 節中得到的回歸方程，建立如下優化數學模型

借助Design-Expert 10.0.3軟件的Optimization模塊對其進行求解，得到開溝深度穩定性最佳的各變量取值為：土壤緊實度259.50 kPa，播種機前進速度6.40 m/min，彈簧預拉力211.90 N，此時開溝深度穩定性為89.41%。

采用上述最優參數組合開展土槽試驗，對開溝深度穩定性進行試驗驗證。為消除隨機誤差進行4 次試驗取平均值。由土槽試驗得到開溝深度穩定性平均值為86.43%，與模型優化求解的結果89.41%誤差為2.98%，驗證了優化后最佳參數組合的可信性，試驗效果如圖11 所示。

圖11 優化后開溝深度 Fig.11 Diagram of optimized ditching depth

4 結 論

結合三七行株距小、播深淺且對播種深度一致性要求高的特殊播種農藝，設計了一種三七育苗播種壓輪仿形開溝裝置。該裝置可實現橫縱向仿形開溝、同時可對疏松土壤進行適當壓實。

通過三因素二次正交旋轉組合試驗方法進行試驗，并對試驗結果進行方差分析，得出影響開溝深度穩定性的因素依次為播種機前進速度、土壤緊實度、彈簧預拉力。建立開溝深度穩定性優化模型，運用Optimization 模塊對其進行求解，得到壓輪仿形開溝裝置各試驗因素的最優組合為：土壤緊實度為259.50 kPa，播種機前進速度為6.40 m/min，彈簧預拉力為211.90 N，此時開溝深度穩定性為89.41%；土槽試驗驗證得到開溝深度穩定性為86.43%，與軟件優化值基本吻合。從最終開溝效果來看，本文設計的壓輪仿形開溝裝置開溝效果較好，滿足三七開溝的作業質量要求。