大豆壟三栽培配套播種機種床整理裝置設計與試驗

陳海濤 張 昭 王 星 王業成 紀文義 薛東輝

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

大豆壟三栽培具有“壟上雙條等距精播、壟體內分層施肥、壟下深松”的立體栽培特點，其增產增收效果顯著[1-5]。大豆分層施肥是指大豆播種機在播前一次性條狀施入種肥，種肥位置在兩行種子間，種子下方3～5 cm處，為大豆前期生長提供養分[6-7]。壟三栽培配套播種機常采用前側施肥、后側開溝播種的結構方案，施肥開溝器在完成施肥作業的過程中必將對土壤產生不同程度擾動效應，受擾動土壤溢向壟頂中心面兩側，導致種床平整度下降，進而影響所投放的種-肥、種-種分布的精確性，并且這一現象會隨著作業速度的提高而變得更為顯著。

良好的種床環境是作物生長的基礎，土壤擾動造成散墑、種溝構建質量差、種子偏移量增加等多種問題[8-15]。針對種床結構破壞的問題，劉曉東等[16]設計了一種油菜分層施肥開溝器，可通過后方土壤回填機構提高施肥深度穩定性與施肥間距。史乃煜等[17]針對東北黑土地黏重土壤自然回填能力差的問題，基于最速降線原理設計了一種強制回土裝置，增加施肥鏟拋撒土壤的回填量，該裝置具有所拋出土壤量自適應調節機構，不易堵塞。白璐等[18]設計了一種雙圓盤種肥分施裝置，該裝置能同時完成種肥覆蓋及種子覆土。部分學者研究了土壤與開溝部件之間相互作用關系以及土壤擾動規規律。呂金慶等[19]建立了土壤在開溝器上的運動規律以及土壤回流過程中的運動模型，為開溝裝置的應用與設計提供了參考。BARR等[20]研究了不同作業速度下開溝器的土壤擾動和耕作阻力，并提出一種彎角補償式開溝器，可顯著降低其對土壤的擾動。同時，BARR等[20-21]以土壤的蓬松度、拋撒距離、土層混合為評價指標，研究了不同開溝器傾角對土壤的擾動規律。仿生方法可以明顯降低土壤耕作部件的作業阻力與土壤擾動。孟凡豪[22]設計了一種仿生狗獾犬齒滑動式開溝裝置，利用圖像處理的方法比較得出所設計開溝器能有效減少土壤擾動。劉進寶等[23]基于蜣螂頭部角狀突起曲線設計了一種分層施肥開溝器，相較于傳統施肥開溝器，提高了種床平整度，有利于保障后續播種質量。眾多學者的研究主要是對開溝裝置結構的改進優化，但對施肥開溝器改變種床結構影響種-肥、種-種配置關系的研究未見報道。

本文針對大豆壟三栽培施肥開溝器作業時擾動土壤導致破壞壟頂種床結構，特別是在東北地區重黏土等流動性較差的農田播種作業時，土壤回填量少，影響種-肥、種-種之間配置關系的問題，設計一種具有仿形功能的種床整理裝置，應用理論分析和田間正交試驗方法，優化關鍵參數組合，為大豆壟三栽培配套高速播種機研究提供參考依據。

1 結構組成與工作原理

圖1為設有雙錐環型種床整理裝置的大豆壟三栽培播種單體和雙錐環型種床整理裝置結構示意圖。設有雙錐環型種床整理裝置播種單體如圖1a所示，主要由施肥開溝器、平行四桿仿形機構、種床整理裝置總成、種子開溝器、排種器、覆土裝置和鎮壓裝置組成；雙錐環型種床整理裝置結構如圖1b所示，主要由位置調節機構、清土機構、支撐板、平整輥、收土整形環等組成，平整輥由無縫鋼管制得，兩端均焊合支撐板與收土整型環。雙錐環型種床整理裝置通過位置調節機構與平行四桿仿形機構后聯接板固連，其縱向對稱面與平行四桿機構的縱向對稱面重合，平整輥同時兼做播種單體的前仿形輪。

圖1 設有種床整理裝置的播種單體結構示意圖Fig.1 Structure diagrams of seeder-unit with seedbed prefect device1.施肥開溝器 2.平行四桿仿形機構 3.種床整理裝置總成 4.種子開溝器 5.排種器 6.覆土裝置 7.鎮壓裝置 8.后聯接板 9.仿形下拉彈簧 10.位置調節機構 11.清土裝置 12.支撐板 13.收土整形環 14.平整輥 15.前聯接板

雙錐環型種床整理裝置收土整形作業原理如圖2所示。工作時，施肥開溝器開施肥溝擾動土壤形成V形溝槽，顆粒肥從施肥裝置的出肥口流出落到溝槽中，施肥過程中V形溝槽的壁面土壤不穩定向下流動，覆蓋顆粒肥。施肥開溝器作業過程中受擾動溢流土壤將落到壟頂與壟幫處，土壤穩定后形成的種床形狀呈M形，作業速度越高則土壤擾動效應越強。整理裝置在播種單體重力和彈簧力的綜合作用下與土壤緊密接觸，收土整形環對拋撒到壟幫的土壤施加向內側的擠壓力使土壤向溝槽方向移動回填，強制增加土壤回填量，提高種床平整度和堅實度。

圖2 種床整理裝置作業原理圖Fig.2 Principle diagrams of seedbed prefect device1.施肥開溝器 2.擾動土壤區域 3.溝槽 4.種床整理裝置 5.整理后種床 6.種溝構建位置 7.溢流土壤 8.落肥點 9.壟臺 10.壟上雙行大豆落種點 11.溝槽回填區域 12.土壤運移方向

2 種床整理裝置設計

種床整理裝置核心部件是平整輥和收土整型環，尺寸設計的合理性影響種床平整效果，因此需對其進行合理分析與設計。

2.1 平整輥

平整輥主要參數為直徑和長度，直徑對工作質量有顯著影響，平整輥直徑過小，受播種單體施加載荷作用對地面壓應力增大，其下陷量增加，易出現前方壅土現象，滑移率升高，種床整理效果與仿形限深的效果變差，種床結構被進一步破壞，播種深度一致性降低；其直徑大則滑移率降低，限深仿形效果提升，但直徑過大會使單體長度和聯結高度增加，影響播種機縱向穩定性和機動性。根據前人研究結果，田間工作地輪直徑一般為200～500 mm[25]，本文采用直徑273 mm的無縫鋼管制作平整輥。

種床整理裝置的收土整形環安裝在平整輥的兩側，對施肥開溝器作業后形成的M形種床兩側土壤向內部擠壓，因此收土整形環所處位置與平整輥的長度相關。平整輥長度過小會使得收土整形環工作區域在開溝器工作區域內，整理后種床寬度不能滿足開溝器所需工作寬度，無法為開溝器提供良好的作業環境，對溝型產生負面影響。平整輥過長，收土整形環橫向位置超出溢流土壤范圍，收土整形環起不到收土作用，平整輥只能將壟頂溢流土壤壓實，溝槽處的土壤堅實度低，開溝器開溝后內溝壁土壤易回流影響播深。根據東北地區壟上雙行大豆播種間距為100～150 mm，及東北地區60～70 cm標準壟壟頂寬約為200 mm[26-27]，考慮土壤溢流量，本文設計平整輥長度為220 mm。

2.2 收土整形環

為實現種床整理功能，收土整形環使得溢流土壤有向溝槽方向移動的趨勢，且需對土壤有足夠的推移體積以完成溝槽閉合。收土整形環為圓臺環狀結構，主要結構參數為母線長度和母線與水平線的夾角。

2.2.1收土整形環角度

種床整理裝置收土整形環母線與水平線夾角影響種床整理裝置收土量，該角度過大或過小均無法起到收土作用。為同時滿足收土效果與結構緊湊性，分析收土整形環角度對收土量的關系。以壟頂與壟幫交點為原點，水平方向為x軸，豎直方向為y軸建立坐標系，施肥開溝器作業后壟幫溢流土壤切線與水平方向夾角為θ，收土整形環母線長度為l，整形環角度與收土量的關系如圖3所示，建立角度與收土量S的關系式

圖3 收土整形環角度與收土面積關系示意圖Fig.3 Schematic of relationship between angle of collecting ring for soil and collecting area

(1)

式中α——收土整形環與水平方向夾角，(°)

施肥開溝器作業后溢流至壟幫表面的土壤與水平面夾角θ一般為25°～30°， 結合

(2)

可得種床整理裝置收土整形環母線與水平線夾角為58°時收土能力較佳。

2.2.2收土整形環母線長度

種床整理裝置的收土效果受收土整形環結構參數與溢流土壤分布的影響，而溢流土壤分布狀況在施肥開溝器在不同耕作方式、含水率等多種因素導致的不同性質土壤條件下與不同作業速度條件下差異較大，可通過調整收土整形環的母線長度提高收土效果。參照文獻[6，17，28]采用擬合種床形狀輪廓的方法作為收土整形環母線長度的設計參考，設計前在作業速度為5.4、9.9、14.4 km/h和入土深度為10 cm的條件下，利用溝型輪廓儀描繪鏟式施肥開溝器土壤的輪廓曲線，通過計算機處理擬合曲線模型如表1、2所示。

表1 不同速度下溢流土壤曲線模型Tab.1 Soil curve model of overflow at different velocities

表2 不同速度下溝槽土壤曲線模型Tab.2 Trench soil curve model at different velocities

以壟臺對稱線與壟溝平面交點為原點建立坐標系如圖4所示，建立種床整理裝置對溢流土壤收聚的模型

圖4 種床整理裝置土壤收聚示意圖Fig.4 Schematic of soil collection of seedbed perfect device

2S1=S2

(3)

其中

(4)

(5)

式中f1——溢流土壤曲線擬合方程，mm

f2——溝槽土壤曲線擬合方程，mm

fAM——收土整形環母線方程，mm

fMC——溢流土壤與平整輥接觸直線方程，mm

xA——收土整形環母線初端點A橫坐標，mm

xC——土壤擬合模型與平整輥交點C橫坐標，mm

xM——收土整形環母線末端點M橫坐標，mm

xS——土壤擬合模型與平整輥交點S橫坐標，mm

fCS——平整輥法線方程，mm

S1——受裝置擠壓的溢流土壤區域斷面面積，mm2

S2——受裝置擠壓回填土壤斷面面積，mm2

收土整形環的母線AM方程為

fAM(x)=(x-xM)tanα+yM

(6)

式中yM——收土整形環母線末端點M縱坐標，mm

忽略種床整理裝置對土壤擠壓發生體積變化的情況，綜合式(3)～(6)與土壤曲線擬合模型得出種床整理裝置收土整形環母線長度理論值為8～76 mm。

2.3 種床整理裝置載荷

種床整理裝置對土壤施加適當的載荷可增加土壤顆粒間的結合力，減少種溝構建時溝壁土壤回流，同時壟臺土壤容重的提高減少了水分散失，因此種床整理裝置對土壤載荷和種床整理裝置作業質量至關重要[29]。

種床整理裝置載荷除了與自身重力相關外，在作業時受播種單體重力G、彈簧下拉力Fk、開溝器工作阻力R、鎮壓裝置與土壤相互力P以及拖拉機牽引力的影響，首先對播種單體進行受力分析，如圖5所示。

圖5 播種單體受力分析Fig.5 Stress diagram of seeding-unit

播種單體在地面穩定工作時需滿足

(7)

(8)

(9)

(10)

式中Fbx——聯接板上鉸接點橫向牽引力，N

Fcx——聯接板下鉸接點橫向牽引力，N

Fby——聯接板上鉸接點縱向牽引力，N

Fcy——聯接板下鉸接點縱向牽引力，N

fQ——種床整理裝置滾動阻力，N

fP——鎮壓裝置滾動阻力，N

Rx——播種開溝器前進阻力，N

Ry——播種開溝器垂直反力，N

FQ——地面對種床整理裝置的支持力，N

FP——鎮壓裝置鎮壓力，N

l0——平行四桿機構上下連桿長度，mm

H1——滾動阻力fq到平行四桿機構的垂直距離，mm

H2——種床整理裝置對地面壓力到平行四桿機構末端的水平距離，mm

H3——單體中心平行四桿機構末端的水平距離，mm

H4——開溝器前進阻力到平行四桿機構末端的垂直距離，mm

H5——開溝器垂直反力到平行四桿機構末端的水平距離，mm

H6——鎮壓力到平行四桿機構末端的水平距離，mm

H7——鎮壓裝置滾動阻力到平行四桿機構末端的水平距離，mm

θ0——平行四桿機構初始牽引角，(°)

θ1——彈簧軸線與水平方向夾角，(°)

l1——平行四桿機構前桿長度，mm

l2——平行四桿仿形機構對角線長度，mm

種床整理裝置承受載荷變化會影響其與種床接觸表面面積，導致載荷與土壤表面壓應力之間非線性變化。為確定種床整理裝置對土壤載荷與地面壓應力之間的函數關系，將裝置與土壤之間關系視為剛性輪與非剛性面接觸模型，利用Bekker模型計算所述關系為

(11)

式中σ——接地比壓，kPa

b——種床整理裝置長度，mm

Δy——種床整理裝置下限量，mm

Kc——黏聚變形模量，kN/mn+1

Kφ——摩擦變形模量，kN/mn+2

n——土壤變性指數

地面對種床整理裝置的支持力為

(12)

式中p——種床整理裝置對地面的壓力，Pa

r——地面與種床整理裝置相交線長度，mm

其中，由圖6中幾何關系可得

圖6 種床整理裝置受力示意圖Fig.6 Stress diagram of seedbed perfect device

(13)

式中D——種床整理裝置平整輥直徑，mm

聯立式(11)～(13)可得

(14)

同理，滾動過程中裝置的滾動阻力與壓應力的關系為

(15)

由上述分析可知，種床整理裝置對土壤的壓應力與播種單體重力、下拉彈簧力、拖拉機牽引力、開溝器與覆土鎮壓裝置和土壤的相互作用力、種床整理裝置直徑、土壤變形模量和變形參數等諸多因素有關。SEFA等[13]的研究表明，在行內施加壓力60 kPa有利于保持水分以及減小發芽時間，因此取種床整理裝置對種床的壓應力水平為50、60、70 kPa。按照輕黏土力學參數求解極限承載力結果[30]，結合播種單體結構、種床整理裝置結構和種床整理裝置設計壓應力，選取仿形下拉彈簧材料直徑為5 mm、彈簧中徑為38 mm、有效圈數為25圈，其剛度為4.48 N/mm，自由長度為206 mm。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗于2022年7月28—31日在東北農業大學哈爾濱向陽黑土地保護利用機械化技術定位試驗觀測站試驗田實施。試驗地土壤為典型東北區黑壤土，試驗地塊平整，采用1GSZ-140A型多功能旋耕起壟機起壟，壟距為65 cm，試驗前采用五點取樣法對試驗田取樣測得試驗田土壤基本物理性能如表3所示。試驗現場如圖7所示。

表3 試驗田基本物理性能Tab.3 Basic physical properties of experiment field

試驗儀器設備有：約翰迪爾484型拖拉機、設有種床整理裝置的2BXJ-4型大豆精密播種機(圖7)、PV6.08型貫穿阻力計、鋼板尺、游標卡尺、電子秤等。其中，2BXJ-4型大豆精密播種機安裝外槽輪式排肥器(施肥量為500 kg/hm2)、雙圓盤開溝器(壟上雙行大豆理論行間距10 cm)、排種器(行內大豆理論株距8 cm)、鏟式施肥開溝器、護種管等。試驗所用大豆品種為黑農45，所用化肥為魯西復合肥(N 12%，P2O518%，K2O 16%)。

圖7 田間試驗Fig.7 Field experiment site

3.2 試驗方法

為探究種床整理裝置的最佳結構和應用參數組合，以及各因素對種床整理質量和種肥配置關系的影響規律，采用三因素三水平正交試驗的方法進行田間試驗[31]。影響種床整理裝置對地面壓應力的因素包括單體結構、種床整理裝置外形參數等因素，影響收土量的因素包括收土整形環參數以及平整輥長度，在對關鍵結構參數進行設計的基礎上，以仿形機構下拉彈簧預伸長量A(簡稱預伸長量)、作業速度B、收土整形環母線長度C(簡稱母線長度)為試驗因素，以種床平整度Y1，壟頂5 cm深土壤堅實度變異系數Y2、種子橫向偏移離散度Y3、播種深度變異系數Y4以及種肥間距合格率Y5為評價指標進行試驗，每組試驗重復3次并取平均值。作業速度取5.4～14.4 km/h，試驗時駕駛員通過調節拖拉機行駛擋位與油門實現；根據式(3)～(6)的計算結果選取收土整形環母線長度為8～76 mm；根據彈簧基本參數，設定彈簧的預伸長量為26～90 mm。因素水平如表4所示。試驗方案如表5所示，表中A、B、C為水平值。

表4 正交試驗因素水平Tab.4 Factors and levels of experiment

參考NY/T 499—2013《旋耕機作業質量》測量種床整理裝置整理后種床平整度。每個處理測定長度為50 m，兩端各設10 m預備區，測區均分為5個測點，每個測點橫向均勻分布10個等份點。其計算方法為

(16)

式中Gj——第j個測點處地表平整度，mm

Xij——第j個測點處第i個等份點至地表的距離，mm

m——第j個測點的等份點數量，取10

參考NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機試驗方法》以及NY/T 1003—2006《施肥機械評價技術規范》計算種肥間距合格率、播深變異系數。

為準確反映作業后種床土壤堅實度的一致性，取測點位置分別在壟中心線與單側5 cm處，測點取法與變異系數的計算方法同種床平整度一致。種子橫向偏移離散度計算方法參照文獻[32]。

3.3 試驗結果與極差分析

試驗結果如表5所示，方差分析與極差分析結果如表6所示。

表5 試驗方案與結果Tab.5 Experiment scheme and results

3.4 優化分析

由表6可知，預伸長量、作業速度對種床平整度影響顯著，母線長度對種床平整度極顯著，因素影響的由大到小為C、B、A，優化組合為A3B1C1；預伸長量對土壤堅實度變異系數影響顯著，母線長度對土壤堅實度變異系數影響極顯著，因素影響由大到小為C、A、B，優化組合為A3B3C1；作業速度和母線長度對種子橫向偏移離散度影響顯著，因素影響由大到小為B、C、A，優化組合為A3B1C3；作業速度和母線長度對播深變異系數影響顯著，因素影響由大到小為C、B、A，優化組合為A1B1C3；母線長度對種肥間距合格率影響顯著，因素影響由大到小為C、A、B，優化組合為A2B1C2。

參照NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機試驗方法》并以降低土壤堅實度變異系數、種子橫向偏移離散度、播種深度變異系數，提高種床平整度、種肥間距合格率為目標進行優化。如表6所示，預伸長量對種床平整度、土壤堅實度變異系數顯著，兩者最優結果均為A3，因此選取A3；作業速度對種床平整度、種子橫向偏移離散度、播種深度變異系數影響均顯著，在滿足播種機最低作業質量要求的情況下，考慮到作業效率是評價播種機性能的重要指標，選取B3；母線長度對上述所有指標影響均顯著，C3不滿足種肥間距合格率要求，以播種質量為主要優化目標，因此選取C2。綜上，選取作業速度不大于14.4 km/h，預伸長量為90 mm、母線長度為42 mm的參數組合作為優化組合。

表6 方差與極差分析結果Tab.6 Results of variance and range analysis

3.5 驗證與對比試驗

驗證試驗于2022年8月3日在東北農業大學哈爾濱向陽黑土地保護利用機械化技術定位試驗觀測站試驗田實施。種床整理裝置的母線長度為42 mm，對增設該種床整理裝置的播種單體與未增設種床整理裝置的播種單體在彈簧預伸長量為90 mm，在作業速度14.4 km/h的條件下進行性能比較試驗，在測區內選取100個測點統計，對比試驗重復3次，其結果如表7所示。整理后種床與未整理種床種溝構建效果如圖8所示。

圖8 種溝構建效果對比Fig.8 Comparison of seed ditch construction effect1.設有種床整理裝置 2.未設有種床整理裝置

表7 對比試驗結果Tab.7 Comparison of experiment results

由表7可知，增設種床整理裝置的播種單體相較于未設置種床整理裝置播種單體，播種深度一致性提高19.71%，種子橫向偏移離散度降低44.02%，種肥間距合格率提高24.26%，增設種床整理裝置對作業質量提升效果顯著。

4 結論

(1)在東北黑壤土土壤含水率20.00%、土壤堅實度1.49 MPa、仿形彈簧剛度4.48 N/mm條件下，影響種床平整度和播種深度變異系數的因素由大到小為：母線長度、作業速度、預伸長量，影響種床土壤堅實度變異系數和種肥間距合格率的因素由大到小為：母線長度、預伸長量、作業速度，影響種子橫向偏移離散度的因素由大到小為：作業速度、母線長度、預伸長量；當作業速度不超過14.4 km/h、彈簧預伸長量90 mm、收土整形環母線長度42 mm時，播種深度一致性、種肥間距合格率和種子橫向偏移離散度分別達到91.33%、90.67%、7.38%。

(2)設計了一種大豆壟三栽培配套播種機的雙錐環型種床整理裝置，該裝置可以使得播種單體的播種深度一致性和種肥間距合格率分別提升19.71%和24.26%，種子橫向偏移離散度下降44.02%，播種質量提升效果顯著。