大豆播种机双V型筑沟器设计与试验

引用本文

贾洪雷, 郑嘉鑫, 袁洪方, 郭明卓, 王文君, 于路路. 大豆播种机双V型筑沟器设计与试验. 2017, 47(1): 323-331
JIA Hong-lei, ZHENG Jia-xin, YUAN Hong-fang, GUO Ming-zhuo, WANG Wen-jun, YU Lu-lu. Design and experiment of a Double-V-shaped furrow opener of soybean seeder. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2017, 47(1): 323-331 复制到剪切板

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大豆播种机双V型筑沟器设计与试验

贾洪雷^1,², 郑嘉鑫^1,², 袁洪方^1,², 郭明卓^1,², 王文君^1,², 于路路¹

1.吉林大学生物与农业工程学院,长春130022

2.吉林大学工程仿生教育部重点实验室,长春130022

通讯作者:袁洪方(1984-),男,在站博士后.研究方向:保护性耕作技术与农业机械优化设计.E-mail:yhf1984828@163.com

作者简介:贾洪雷(1957-),男,教授,博士生导师.研究方向:保护性耕作技术与全程机械化.E-mail:jiahl@vip.163.com

基金:“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B03); 吉林省科技发展计划项目(20140204050NY,20140441006SC).

摘要

为了提高种沟质量、播种深度一致性,保证大豆垄上双行精密播种作业效果,设计了一种双V型筑沟器,可单独使用进行开沟作业,亦可与圆盘开沟器配合作业。在开沟深度分别为40、50、60 mm,行走速度分别为1.9、2.2、2.5 m/s作业工况下,以播种后的播深变异系数和播种横向变异系数为评价指标,对设计的双V型筑沟器与圆盘开沟器进行大豆田间对比试验。试验结果表明:相对于圆盘开沟器,双V型筑沟器开沟深度均匀,开出种沟较窄,沟形稳定,有利于保证播种深度一致性、种子分布直线性,提高播种质量。单独使用双V型筑沟器,在开沟速度为1.9 m/s、开沟深度为40 mm时,播深变异系数最小(0.086);在开沟速度为1.9 m/s、开沟深度为60 mm时,播种横向变异最小(1.356)。采用Design-Expert软件对试验数据优化分析得到,圆盘开沟器与双V型筑沟器组合作业效果优于单独使用双V型筑沟器,开沟深度57 mm、行走速度1.9 m/s为最优作业工况,此时播深变异系数为0.15,播种横向变异系数为1.25,重复性田间试验证明了模型的最优作业工况。

关键词: 农业工程; 双V型筑沟器; 开沟器; 播深变异系数; 播种横向变异系数

中图分类号:S220.39 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2017)01-0323-09

Design and experiment of a Double-V-shaped furrow opener of soybean seeder

JIA Hong-lei^1,², ZHENG Jia-xin^1,², YUAN Hong-fang^1,², GUO Ming-zhuo^1,², WANG Wen-jun^1,², YU Lu-lu¹

1.College of Biological and Agricultural Engineering,Jilin University,Changchun 130022,China

2.Key Laboratory of Bionics Engineering,Ministry of Education,Jilin University,Changchun 130022,China

Abstract

A new Double-V-shaped (DVS) furrow opener was designed to further insure the operation of soybean ridge cultivation precision planting, improve the sowing quality and sowing depth uniformity. The opener consists of shovel stand and profiling press mechanism. The performance of this opener was experimentally studied in soybean fields. The opening depths were set to 40 mm, 50 mm and 60 mm respectively, and working speeds were set to 1.9 m/s, 2.2 m/s and 2.5 m/s respectively; the sowing Depth Variation Coefficient (DVC) and sowing Width Variation Coefficient (WVC) were measured as the indexes. Experimental results show that the SVS furrow opener can smooth the furrow cliff, improve the sowing quality and decrease both DVC and WVC. The minimal DVC was 0.086 when the furrow depth was 40 mm and working speed was 1.9 m/s, and the minimal WVC was 1.356 when the furrow depth was 60 mm and the working speed was 1.9 m/s. Optimization analysis of the experimental data using Design-Expert software shows that the working quality of the cooperation of double-disk digger and DVS furrow opener is better than that of the DVS furrow opener. The best operation condition is at 1.9 m/s working speed and 57 mm opening depth, where the DVC is 0.15 and WVC is 1.25.

Keyword: agricultural engineering; Double-V-shaped furrow opener; opener; sowing depth variation coefficient; sowing width variation coefficient

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0 引言

在大豆垄上实行双行精密播种技术(垄距为600~650 mm, 垄上行距为100~150 mm, 播种深度为40~60 mm)能够提高作业效率, 明显增加大豆产量^[1]。播种过程主要包括开沟、播种、施肥、覆土和镇压等作业项目^[2]。研究表明, 不但排种、投种两个环节会影响到播种的精确性, 而且种子着床工艺的好坏也会影响种子的出苗和作物根系的发展^{[3, 4, 5]}, 所以开沟器所筑种床好坏也是影响播种精确性的重要因素。目前开沟器主要有锄铲式、芯铧式、靴鞋式、滑刀式和圆盘式等结构^{[6, 7]}, 国内外对开沟器的研究主要集中于提高开沟器入土与切土性能, 减小牵引阻力等方向^{[8, 9, 10]}。而开沟器开出种沟的质量对种子着床位置有极大影响, 种床的紧实程度对土壤保墒和水分散失有较大影响^{[11, 12, 13]}。大豆是需水较多的作物, 所消耗的水份比合谷类粮食作物高30%左右, 种床质量、蓄水保墒能力对其生长发芽影响较大^[14]。

现有大豆垄上双行播种机的开沟器为两个单圆盘开沟器对称分布, 圆盘直径为350 mm, 作业时对土壤结构产生较大扰动^[15], 开出的种沟深度难以保持一致, 截面大多呈矩形或梯形, 沟壁不光滑呈“ 橘皮” 状, 播种机在运动时, 沟壁使下落种子的反弹、散射和沿沟底的滚动增加, 严重地破坏了种子分布的均匀性及播种深度一致性, 且大豆种子形状近似球形, 易于滚动, 对种沟要求更为严格。

因此, 为开出良好种沟、精确控制播种深度、提高播种质量, 针对大豆垄上双行栽培需求, 本文设计了一种新型的双V型筑沟器, 与圆盘开沟器性能进行对比, 与播种机配合进行大豆田间播种试验, 播深变异系数和播种横向变异系数为评价指标, 考察播种深度一致性和种子分布直线性, 综合评价开沟后种床质量, 并将试验结果建立回归模型, 以获得设计双V型筑沟器最佳作业工况参数。

1 双V型筑沟器设计

1.1 整体结构

根据大豆垄上双行精密播种农艺要求, 设计带有筑沟刀片的双V型筑沟器, 主要由铲柄连接架、两个对称仿形压土板和两个对称V型挤土刀组成(见图1(a))^[16]。铲柄连接架的中心压板两侧镶嵌于V型挤土刀内侧的凹槽中, 使用螺栓将仿形压土板的侧板与V型挤土刀的外侧固定,

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	图1 双V型筑沟器结构和开沟示意图Fig.1 Schematic diagram of Double-V-shaped furrow opener

仿形压土板的顶板经螺栓与铲柄连接架连接。该筑沟器根据实际需求, 可单独使用进行开沟作业, 亦可与圆盘开沟器配合作业, 可以开出两条截面呈V形的种沟, 种子落入后滚落在种沟底部被夹持, 保证了种子分布直线性。种沟行距H根据农艺要求可为100~150 mm, 开沟深度D可调整为40、50、60 mm(见图1(b))。种沟壁平滑、土壤紧实, 沟形均匀、深度一致, 可以保证播种深度一致性, 提高播种质量, 保墒土壤, 减少水分散失。

1.2 铲柄连接架及仿形压土板

为解决现有大豆播种过程中开沟深度不易控制这一问题, 在筑沟器上设置了仿形压土板用于开沟深度定位。仿形压土板使用螺丝固定在铲柄连接架上, 其结构如图2所示。为保证深度定位一致, 铲柄连接架的中心压板1与两侧仿形压土板的仿形底板2的纵截面中轴线曲线相同且等高, 中心压板纵截面中轴线分别由直线A₁、曲线A₂和直线A₃三段组成, 如图2所示, 直线A₁和直线A₃分别与曲线A₂相切, 直线A₁的方程为:

$\begin{matrix} y = - R \end{matrix}$ (1)

曲线A₂的方程为:

$\begin{matrix} x^{2} + y^{2} = R^{2} \end{matrix}$ (2)

直线A₃的方程为:

$\begin{matrix} \sqrt[]{3} x + y + 2 R = 0 \end{matrix}$ (3)

式中:R为曲线A₂半径, R∈ (100, 200) mm。

仿形底板的最高点与V型挤土刀的限位凸台平齐, 两个V型挤土刀刀刃间距为80~150 mm。中心压板和仿形压土板的曲线设计可防止杂草拥堵, 保证了开沟过程中良好的通过性能。

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	图2 铲柄连接架和仿形压土板结构示意图Fig.2 Schematic diagram of shovel stand and profiling press mechanism

1.3 V型挤土刀

如图3所示, V型挤土刀的内侧设有L₁、L₂、L₃三条凹槽, 三条曲线的中间截面线形与中心压板纵截面中轴线相同, 铲柄连接架能够分别与其配合。L₁、L₂、L₃三条曲线到挤土刀对应螺栓孔的纵向距离相同, 通过改变铲柄连接架插入凹槽的位置, 选择凹槽及对应螺栓孔, 改变挤土刀底部刃口与仿形压土板的底面的相对高度, 从而对开沟限深进行调节。图3中, P为V型挤土刀刀刃曲线; h为刀刃底部到最近螺栓孔孔心的垂直距离, mm; h₁为相邻螺栓孔孔心的垂直距离, mm; h₂为相邻螺栓孔孔心的水平距离, mm。本文设计筑沟器的开沟深度为大豆农艺常用的40、50和60 mm三种限深高度。

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	图3 V型挤土刀结构示意图Fig.3 Schematic diagram of V type blade

V型挤土刀的刃口曲线设计为蔓叶线, 其触土处滑切角范围为40° ~50° , 符合触土处滑切角在35° ~55° 最小切削阻力要求^[7], 且蔓叶线在零点处与x轴始终相切, 可减小筑沟刀片入土阻力和耕作阻力, 有效避免了入土性能不好、易堵塞的问题。

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	图4 V型挤土刀刀刃蔓叶线绘制示意图Fig.4 Schematic diagram of cissoids on V type blade

设定圆的直径OE=d, Z是定圆圆周上一点, 过E点作定圆的切线交射线OZ于Q点, 在OQ上截取OM=ZQ, 当点Z在定圆上变动时, 点M的轨迹即为所需刀刃曲线, 如图4所示。建立直角坐标系, 取∠EOZ=θ 为参数, 则刀刃曲线的参数方程为:

$\begin{matrix} y^{2} (d - x) = x^{3} \end{matrix}$ (4)

式中:d=100~200 mm。

将方程(4)求导得出:

$\begin{matrix} y' = \frac{y^{2} + 3 x^{2}}{2 y (d - x)} = \frac{\frac{x^{\frac{3}{2}}}{d - x} + 3 x^{\frac{1}{2}}}{2 \sqrt[]{(d - x)}} \end{matrix}$

当x=0时, y'=0, 则曲线在零点处与x轴相切。

仿形压土板、铲柄连接架的中心压板与V型挤土刀侧壁共同作用, 能够对种沟侧壁施加压力, 从而紧固沟形, 筑出平滑的种沟。种沟紧实度高有利于减小水分散失, 防止沟壁土壤下滑, 减少沟壁“ 橘皮” 组织, 降低种子滞留在沟壁或被土壤带出种沟的几率。开出的种沟表面平整, 沟形均匀, 开沟深度一致, 有利于保证播种深度一致性^[17]。

2 田间播种试验

2.1 试验条件

为验证本文设计的双V型筑沟器工作性能, 2015年5月在黑龙江省勃利县试验田进行大豆播种田间试验, 其中试验用大豆种子品种为禾丰50; 拖拉机型号为凯斯FARMALL 1254; 试验配套播种机为2BDB-6大豆变量施肥播种机, 如图5所示。

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	图5 双V型筑沟器田间试验Fig.5 Field test of Double-V-shaped furrow opener

试验时大气温度为21℃, 相对湿度为50%, 东南风1级。试验前使用MS-350水分测定仪、SC-900型土壤紧实度仪等仪器对土壤的含水率、坚实度和容积密度进行了检测, 得到试验区域在0~100 mm深度的土壤坚实度平均值为0.18 MPa, 含水率平均值为19.96%, 土壤容积密度平均值为224.82 g/cm³。

2.2 试验因素及方案设计

筑沟器完成开沟播种作业后, 每隔1 m人工扒开土层, 测量大豆种子位置, 每工况取20组, 如图6所示。将种子与土壤表面的相对高度作为实际播种深度, 将种子与播种中心线的相对距离作为播种相对横向偏移的距离。种沟对播种深度行间分布均有影响, 进而影响种子出苗一致性, 最终影响作物产量^[17]。本文设计的筑沟器能够提高播种深度的一致性和种子分布的直线性, 为了验证其性能, 将能够表现播种深度一致性的播深变异系数( $\begin{matrix} C_{V_{D}} \end{matrix}$ )与验证播种分布直线性的播种横向变异系数( $\begin{matrix} C_{V_{T}} \end{matrix}$ )作为其为评价指标, 计算方法为:

$C_{V_{D}} = S_{D} / {\bar{x}}_{D}$ (5)

$C_{V_{T}} = S_{T} / {\bar{x}}_{T}$ (6)

式中: $\begin{matrix} {\bar{x}}_{D} \end{matrix}$ 为种子深度平均值; $\begin{matrix} {\bar{x}}_{T} \end{matrix}$ 为种子横向偏移距离平均值; S_D为种子深度标准差; S_T为种子横向偏移距离标准差。

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	图6 大豆种子位置的测量Fig.6 Seed position measured schematic

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	图7 开沟器类型示意图Fig.7 Schematic diagram of opener type

应用Design-Expert软件设计响应曲面法进行试验方案设计。以开沟深度D、行走速度v、不同开沟器的类型M为自变量, 开沟器播种后的播深变异系数( $\begin{matrix} C_{V_{D}} \end{matrix}$ )与播种横向变异系数( $\begin{matrix} C_{V_{T}} \end{matrix}$ )为响应值。根据大豆种植深度40~60 mm的农艺要求^[14], 开沟深度D分别设置为40、50、60 mm。播种机田间作业速度一般为7~9 km/h^[18], 为符合实际作业情况, 本试验行走速度v选择为1.9、2.2、2.5 m/s。为测试筑沟器单独开沟效果及与开沟器搭配使用效果, 开沟器类型分别使用圆盘开沟器、双V型筑沟器及圆盘开沟器与双V型筑沟器组合, 如图7所示。因素水平设置见表1。

表1 因素水平表 Table 1 Experimental treatment

根据试验设计, 共进行27次试验, 采用响应曲面法对模拟试验结果进行二次多元回归拟合, 获得二次模型。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

为考察双V型筑沟器开沟性能, 以开沟深度50 mm、行驶速度1.9 m/s的作业工况为例, 实地测量开沟后的沟形。图8为双V型筑沟器与圆盘开沟器田间对比试验开沟效果。图8(b)为双V型筑沟器开沟, 种沟呈V形, 种床土壤较均匀。图8(c)为圆盘开沟器开沟, 沟形不规则, 种床有较大土块不均匀分布。

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	图8 双V型筑沟器与圆盘开沟器对比试验Fig.8 Contrast test of Double-V-shaped furrow opener

图9为双V型筑沟器与圆盘开沟器播种深度的试验结果比较, 其中双V型筑沟器播种平均深度为48.9 mm, 开沟深度变异系数为0.095;

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	图9 开沟深度试验结果Fig.9 Measuring schematic diagram of opening depth

圆盘开沟器平均深度为49.5 mm, 播深变异系数为0.190。在此工况下, 双V型筑沟器播深变异系数较小, 与圆盘开沟器相比, 开出种沟深度均匀一致, 从而有利于保证播种深度一致性。

图10和图11是开沟深度为50 mm, 行驶速度为1.9 m/s时, 两种开沟器沟形及开沟宽度的试验结果比较。圆盘开沟器平均宽度为60 mm, 开沟宽度变异系数为0.28, 双V型筑沟器开沟平均宽度为25.3 mm, 变异系数为0.12。如图10(a)所示, 圆盘开沟器在工作过程中若遇到土块则将其拨开, 导致开沟宽度不均匀, 而如图10(b)所示, 双V型筑沟器在工作过程中能压碎土块, 开出的种沟宽度较窄且均匀,

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	图10 沟形局部放大对比图Fig.10 Partial enlarged comparison diagram of seed furrows

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	图11 开沟宽度试验结果Fig.11 Measuring schematic diagram of opening width

利于形成良好种床, 易于将种子播入设计位置。

表2为试验设计因素下开沟深度及宽度的试验测试值, 结果显示:与圆盘开沟器相比, 双V型筑沟器开出种沟深度更加稳定和均匀一致, 相同工况下双V型筑沟器开沟宽度比圆盘开沟器窄。当圆盘开沟器与双V型筑沟器组合作业时, 开沟宽度和深度更加稳定。

表2 开沟深度及宽度试验测试结果 Table 2 Measuring results of opening depth and width

3.2 试验数据方差分析

播深变异系数试验结果的方差分析见表3, 开沟深度D、行走速度v、不同开沟器的类型M对播深变异系数的影响均为极显著, Dv、DM、vM在置信水平0.05时显著。其各因素对播深变异系数影响从大到小排列依次为M、v、D。说明试验中开沟器类型对播深变异系数能够产生显著影响。

表3 播深变异系数试验结果方差分析 Table 3 Variance analysis of sowing depth variation coefficient

播种横向变异系数试验结果方差分析由表4给出, D、v、M对播种横向变异系数的影响均为极显著, Dv、DM、vM在置信水平0.05时显著。其各因素对播种横向变异系数影响从大到小排列依次为M、v、D。同样, 开沟器类型对播种横向变异系数产生显著影响。

表4 播种横向变异系数试验结果方差分析 Table 4 Variance analysis of sowing width variation coefficient

由开沟器播种评价指标的方差分析结果可知, 使用双V型筑沟器能够明显提高开沟器播种的质量。

3.3 试验数据响应面分析

仅考虑开沟深度和作业速度对播种深度变异系数的影响进行响应面分析, 对试验结果进行多元非线性回归处理, 得到不同的开沟器组合的多元回归模型为:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} A : C_{V_{D}} = - 0.381 + 4.78 \times 10^{- 3} D + 0.214 v - \\ 2.78 \times 10^{- 4} Dv \\ B : C_{V_{D}} = - 0.430 + 5.11 \times 10^{- 3} D + 0.175 v - \\ 2.78 \times 10^{- 4} Dv \\ C : C_{V_{D}} = - 0.363 + 5.28 \times 10^{- 3} D + 0.131 v - \\ 2.78 \times 10^{- 4} Dv \end{matrix} \end{matrix}$ (7)

根据多元回归模型, 开沟深度和作业速度对播深变异系数的影响的响应曲面结果如图12所示, 播深变异系数随开沟速度和开沟深度的增大而增大。在开沟速度为1.9 m/s、开沟深度为40 mm时, 使用圆盘开沟器, 得到的最小播深变异系数为0.195; 使用双V型筑沟器, 得到的最小播深变异系数为0.086。在开沟速度为1.9 m/s、开沟深度为41 mm时, 使用圆盘开沟器与双V型筑沟器组合开沟, 得到的最小播深变异系数为0.075。可以看出, 单独使用双V型筑沟器播深变异系数略高于圆盘开沟器与双V型筑沟器组合, 但明显优于单独使用圆盘开沟器。主要原因是双V型筑沟器通过仿形压土板、中心压板与V型挤土刀的共同作用, 可以开出种沟深度均匀一致, 种沟沟壁平滑, 使种子容易落在种沟底部, 从而降低播深变异系数。双V型筑沟器与圆盘开沟器配合可增加通过性,

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	图12 开沟深度和作业速度对播种深度变异系数的影响Fig.12 Impact of opener depth and speed on sowing depth variation coefficient

去除较大土块干扰, 平整沟壁, 且使播种深度更加均匀。

不同的开沟器组合下, 开沟深度和作业速度对播种横向变异系数的多元非线性回归模型为:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} A : C_{V_{T}} = 1.53 - 2.18 \times 10^{- 2} D + 0.631 v + \\ 2.50 \times 10^{- 3} Dv \\ B : C_{V_{T}} = 1.24 - 1.95 \times 10^{- 2} D + 0.525 v + \\ 2.50 \times 10^{- 3} Dv \\ C : C_{V_{T}} = 1.46 - 2.18 \times 10^{- 2} D + 0.408 v + \\ 2.50 \times 10^{- 3} Dv \end{matrix} \end{matrix}$ (8)

开沟深度和作业速度对播种横向变异系数影响的响应曲面结果如图13所示, 播种横向变异系数随着开沟速度的增大而增大, 随着开沟深度的增大而减小。在开沟速度为1.9 m/s、开沟深度为60 mm时, 单独使用圆盘开沟器, 得到的最小播种横向变异系数为1.702,

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	图13 开沟深度和作业速度对播种横向变异系数的影响Fig.13 Impact of opener depth and speed on sowing width variation coefficient

使用双V型筑沟器, 得到的最小播种横向变异系数为1.356。在开沟速度为1.9 m/s、开沟深度为59 mm时, 使用圆盘开沟器与双V型筑沟器组合, 得到的最小播种横向变异系数为1.227。可以看出, 单独使用双V型筑沟器的播种横向变异系数略高于圆盘开沟器与双V型筑沟器组合, 但明显优于单独使用圆盘开沟器。主要原因是圆盘开沟器在作业时会出现左右方向的扭摆, 行进的直线性差, 开出的种沟会出现宽窄变化, 影响种子下落位置的准确性。双V型筑沟器行进时姿态稳定, 能够筑出宽度一致种沟, 使播种横向变异系数减小。圆盘开沟器与双V型筑沟器组合使用时, 增大了种沟敞口宽度, 使种子落入沟内的几率增加, 由于沟形成V字形, 种子沿沟壁滚入沟底, 从而减小了播种横向变异系数。

进行田间播种作业时, 对于开沟器, 既要考虑播种深度变异, 也要保证播种分布在一条直线上。利用优化算法, 在D、v、M不同组合下, 求解播深变异系数( $\begin{matrix} C_{V_{D}} \end{matrix}$ )与播种横向变异系数( $\begin{matrix} C_{V_{T}} \end{matrix}$ )的最小值, 在二次模型中寻找均衡满足两者条件的最优工况点。表5为所有工况下最优值模型的计算结果, 获得在使用圆盘开沟器与双V筑沟器组合时, 开沟深度57 mm、行走速度1.9 m/s为最优作业工况, 此时 $\begin{matrix} C_{V_{D}} \end{matrix}$ =0.157, $\begin{matrix} C_{V_{T}} \end{matrix}$ =1.257。

表5 最优值模型计算结果 Table 5 Optimal value model result

序号	D/mm	v/(m· s^-1)	M	$\begin{matrix} C_{V_{D}} \end{matrix}$	$\begin{matrix} C_{V_{T}} \end{matrix}$	期望度
1	57	1.9	C	0.157	1.257	0.583
2	57	1.9	C	0.157	1.256	0.583
3	57	1.9	C	0.156	1.259	0.583
4	57	1.9	C	0.154	1.267	0.583
5	55	1.9	C	0.148	1.291	0.583
6	53	1.9	C	0.137	1.330	0.582
7	57	1.9	B	0.163	1.404	0.542
8	57	1.9	B	0.163	1.401	0.542
9	57	1.9	B	0.164	1.400	0.542
10	57	1.9	B	0.165	1.395	0.542

表5 最优值模型计算结果 Table 5 Optimal value model result

3.4 最优作业工况重复试验

为验证最优作业工况的作业效果和双V型筑沟器工作性能, 设计筑沟器的开沟深度为57 mm, 在行走速度为1.9 m/s下进行重复性试验验证。试验条件和试验方法同前述, 试验重复3次, 以验证试验的可靠性。试验结果如表6所示。

表6 最优作业工况重复性试验结果 Table 6 Test results of replicate test in combination scheme with optimal factor

试验序号	D/mm	v/(m· s^-1)	M	$\begin{matrix} C_{V_{D}} \end{matrix}$	$\begin{matrix} C_{V_{T}} \end{matrix}$
1	57	1.9	C	0.16	1.26
2	57	1.9	C	0.14	1.24
3	57	1.9	C	0.15	1.25
平均值	-	-	-	0.15	1.25

表6 最优作业工况重复性试验结果 Table 6 Test results of replicate test in combination scheme with optimal factor

将重复性试验结果与理论优化结果进行比较, 试验所得播深变异系数( $\begin{matrix} C_{V_{D}} \end{matrix}$ )与优化计算值相差4.5%, 播种横向变异系数( $\begin{matrix} C_{V_{T}} \end{matrix}$ )与优化计算值相差0.6%, 最优作业工况下获得的试验结果与理论值相近, 双V型筑沟器与圆盘开沟器联合工作取得了最好的作业效果, 试验所得的最优工况与理论优化方法将为以后的研究及实际应用提供参考。

4 结论

(1)根据大豆垄上双行精密播种技术要求, 设计了一种带有仿形压土板和挤土刀的双V型筑沟器, 开出两条截面呈V形的种沟, 种沟沟壁平滑、土壤紧实, 保证沟形均匀、开沟深度一致。根据实际需求, 可单独使用双V型筑沟器进行开沟作业, 亦可与圆盘开沟器配合作业。

(2)开沟深度为50 mm, 行驶速度为1.9 m/s时, 进行开沟性能田间对比试验, 圆盘开沟器的开沟深度变异系数为0.190、开沟宽度变异系数为0.28, 双V型筑沟器的开沟深度变异系数为0.095、开沟宽度变异系数为0.12。双V型筑沟器开沟深度均匀, 开出种沟较窄, 沟形稳定, 圆盘开沟器与双V型筑沟器组合作业时, 开沟宽度和深度更加稳定。

(3)单独使用双V型筑沟器, 在开沟速度为1.9 m/s, 开沟深度为40 mm时, 播深变异系数最小(0.086); 在开沟速度为1.9 m/s, 开沟深度为60 mm时, 播种横向变异系数最小(1.365)。

(4)构建优化数学模型, 基于最优作业工况, 使用圆盘开沟器与双V型筑沟器组合, 开沟深度为57 mm, 行走速度为1.9 m/s时, 重复性试验取得最好作业效果, 此时播深变异系数为0.15, 播种横向变异系数为1.25。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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2015

0.0

. 2015, 46(6):28-34 DOI:doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.06.005

Design and experiment of profiling elastic press roller

仿形弹性镇压辊设计与试验

Jia Hong-lei , Wang Wen-jun , Zhuang Jian

贾洪雷, 王文君, 庄健

Considering the deficiencies in uneven soil compaction and the too long vertical size that exists in the soybean tillage sowing machine during conservation tillage, the profiling elastic press roller which adopts the elastic spoke structure was designed. The main structure parameters of the press roller were determined through theoretical analysis, which means diameter D of 450mm, breadth B of 210mm and number of spokes n of 12. The work process of the roller was simulated by using the ADAMS software, at the same time, orthogonal tests of L9(34) were performed in an indoor soil bin with moisture content (dry basis) of 20%. The effects of spring stiffness coefficient (k), total loads (F), operation speed (v) and soil compactness (P) on pressure fluctuation were determined. The optimum ranges of each factor were determined through the ADAMS motion simulation. The results of orthogonal tests showed the primacy sequence of the experiment factors were total loads, spring stiffness coefficient, soil compactness, the operation speed, and optimal levels of the experiment factors were F of 800N,k of 5N/mm,P of 15kPa and v of 0.5m/s. The simulation results are in good agreement with the experimental results in the pressure fluctuations. Under the condition of a certain inclination angle on the ridge surface, the profiling elastic press roller can better ensure uniformity of soil compaction than that of conventional roller.

针对保护性耕作条件下与大豆耕播机配套的镇压辊压实土壤不均匀、相关耕播机具纵向尺寸过长的问题，设计了一种仿形弹性镇压辊，采用弹性辐条结构，通过理论分析确定了镇压辊的主要结构参数：直径D=450mm，宽度B=210mm，弹性辐条数量n=12。利用ADAMS软件对镇压辊进行运动仿真，同时进行土槽试验，采用L9(34)正交试验，在土壤干基含水率为20%时，考察了仿形弹性镇压辊的弹簧刚度k、载荷F、作业速度v和土壤坚实度P对其镇压力波动的影响。通过ADAMS运动仿真，找到了各因素的最佳取值范围；通过正交试验，得到了各因素的主次顺序：载荷、弹簧刚度、土壤坚实度、作业速度，最优组合为载荷800N，弹簧刚度5N/mm，土壤坚实度15kPa，作业速度0.5m/s，模拟仿真的结果与试验结果吻合很好。通过对比试验，得到仿形弹性镇压辊在垄台表面有一定倾角的情况下能更好地保证镇压的均匀性。

... 0 引言在大豆垄上实行双行精密播种技术(垄距为600~650 mm,垄上行距为100~150 mm,播种深度为40~60 mm)能够提高作业效率,明显增加大豆产量^[1] ...

2007

0.0

. 2007, 38(12):190-194 DOI:doi:10.3969/j.issn.1000-1298.2007.12.046

Overview of study on the tillage mode of water storage and soil moisture conservation for dry farming region in northern China

北方旱作农业区蓄水保墒耕作模式研究

Jia Hong-lei , Ma Cheng-lin , Liu Zhao-chen

贾洪雷, 马成林, 刘昭辰

摘　要：分析了北方旱作农业的现状,提出了适合东北垄作区的三年轮耕法和西北黄土高原区的自然降水高效利用技术,并对其进行了试验。东北耕法：秸秆还田使土壤含水率提高10%,土壤有机质3年提高0.06个百分点,土壤容积密度降低0.09g/cm^3,深松使0-100cm土层土壤含水率提高26.2%,少耕精播土壤含水率提高3个百分点;西北新耕法：冬小麦蓄水率提高18.5%,水分生产效率提高25.6%;春玉米在0-10cm土层,含水率提高30%,水分生产效率提高47.6%。2年连续秸秆还田试验,有机质质量分数增加0.05%-0.1%,全氮质量比增加0.1g/kg左右。

... 播种过程主要包括开沟、播种、施肥、覆土和镇压等作业项目^[2] ...

1996

0.0

... 研究表明,不但排种、投种两个环节会影响到播种的精确性,而且种子着床工艺的好坏也会影响种子的出苗和作物根系的发展^[3,4,5],所以开沟器所筑种床好坏也是影响播种精确性的重要因素 ...

2010

0.0

1999

0.0

2008

0.0

. 2008, 44(9):177-182 DOI:doi:10.3321/j.issn:0577-6686.2008.09.029

Design and experiment on a wedge shaped no-tillage opener

楔刀型免耕开沟器设计与试验

Wang Qing-jie , Yao Zong-lu , Gao Huan-wen

王庆杰, 姚宗路, 高焕文

设计楔刀型免耕开沟器.楔刀型免耕开沟器由锋利的前刀刃和带有侧翼的底座两部分组成,前刀刃与底座之间采用内螺栓连接,磨损后能够方便更换.开沟器设计完成后在玉米秸秆粉碎地进行阻力和动力消耗试验,试验结果表明,装有锋利前刀刃的楔刀型免耕开沟器土壤扰动量约为15%～25%,能够减少表层土壤扰动,秸秆覆盖率降低了10%～20%,能够满足免耕播种的要求.相比尖角型开沟器,沟槽内的土壤容重明显降低;开沟深度在10 cm时,开沟阻力降低13.2%,免耕播种机单位面积耗油量降低了15%,能够减少拖拉机的动力消耗.因此楔刀型免耕开沟器解决了开沟深度在10 cm时阻力和动力消耗大的问题,并且能够创造疏松的种床,对免耕播种机的推广应用具有重要意义.

... 目前开沟器主要有锄铲式、芯铧式、靴鞋式、滑刀式和圆盘式等结构^[6,7],国内外对开沟器的研究主要集中于提高开沟器入土与切土性能,减小牵引阻力等方向^[8,9,10] ...

2013

0.0

. 2013, 44(2):38-42 DOI:doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.02.008

Design and experiment of sliding knife furrow opener

滑刀式开沟器设计及试验

Gu Yao-quan , Jia Hong-lei , Guo Hui

顾耀全, 贾洪雷, 郭慧

Twelve kinds of sliding knife furrow openner with different thickness and sliding cutting angle were designed in view of this issue about the casualness in the design and manufacture and limited application. Mixed type orthogonal test was carried out through soil bin and press in the laboratory with test index of traction resistance and vertical pressure. The test results showed that the sliding cutting angle was the main factor effecting its working performance, and the furrow opener possessed better comprehensive performance when its sliding cutting angle in the edge curve terminal point was in the range of 35°～55°. 

针对滑刀式开沟器设计及制造随意性强、应用范围不够广泛的问题，设计了12种具有不同厚度和滑切角的滑刀式开沟器，并在实验室内通过土槽和压力机进行混合型正交试验，试验指标为牵引阻力和正压力。试验结果表明，滑切角是影响滑刀式开沟器作业性能的主要因素，刃口曲线终点的滑切角θA在35°～55°范围内时开沟器具有较好的综合性能。

... 最小切削阻力要求^[7],且蔓叶线在零点处与x轴始终相切,可减小筑沟刀片入土阻力和耕作阻力,有效避免了入土性能不好、易堵塞的问题 ...

2012

0.0

. 2012, 28(增刊1):21-25

Design of opener on no-till wheat seeder

小麦免耕播种机开沟器的设计

Gou Wen , Ma Rong-chao , Yang Wen-yu

苟文, 马荣朝, 杨文钰

In view of the cusp-type opener of no-till wheat seeders was easy to be wrapped by grass, and be jammed when opening and its working life was short in conservation tillage system in the hilly area of southwest, the arc blade type opener was designed. The geometry model of arc blade type opener was established, and the discrete element method was adopted for analyzing the working resistance. The results indicated that the average opening width was 40mm, deviation of opening depth was 5 mm, cut rate of corn stubble was over 86%, soil disturbance rate was 18%-22%. The arc blade type opener can improve the traffic ability of seeder, and the performances of opening and cutting stubbles are excellent, so it can satisfy the opening requirement of wheat no-till sowing in the hilly area of southwest.

针对西南丘陵地区保护性耕作模式下小麦免耕播种机尖角型开沟器易缠草，堵塞，使用寿命短等问题，设计了圆弧刃口型开沟器。该文建立了圆弧刃口型开沟器的几何模型，采用离散元法对圆弧刃口型开沟器的工作阻力进行了分析。试验结果表明：平均开沟宽度为40 mm，开沟深度偏差为5 mm，玉米根茬的切断率超过86%，土壤扰动为18%～22%。圆弧刃口型开沟器提高了播种机的通过性，开沟破茬效果好，能够满足西南丘陵地区小麦免耕播种的开沟要求。

2009

0.0

. 2009, 40(6):53-57

DEM analysis of the resistances applied on furrow openers

开沟器工作阻力的离散元法仿真分析

Yu Jian-qun , Qian Li-bin , Yu Wen-jing

于建群, 钱立彬, 于文静

In order to analyze the factors that affect the performance of a furrow opener, the two-dimensional DEM (discrete element method) analyzing models of two types of furrow openers and soil particles were built up. Through changing the CAD models of furrow openers, for each type of furrow openers, the operating processes and resistances in three kinds of soils with different moisture content at three different velocities and depths were analyzed by using the DEM. The performance of the openers was tested at each operating states in lab. The simulation results is in good correlation with the experimental results and the relative errors are within 10%～20%. It can be proved that it’s feasible and favourable to analyze the performances of furrow openers by using the DEM and it provides a new method to study and design furrow openers. 

建立了芯铧式开沟器和播种施肥开沟器与土壤颗粒的二维离散元法分析模型，采用离散元法研究开沟器的工作过程及工作阻力，通过改变开沟器的CAD模型和土壤颗粒参数，分析不同条件下开沟器的工作阻力。在室内土槽进行了2种开沟器的工作阻力测试，并将测试结果与开沟器工作阻力的离散元法计算结果进行了比较，两者的变化趋势基本一致，相对误差在10%～20%之间，由此初步证明了采用离散元法分析开沟器工作过程和工作阻力的可行性，为开沟器的研究和优化设计提供了一种新方法。

2009

0.0

2006

0.0

... 而开沟器开出种沟的质量对种子着床位置有极大影响,种床的紧实程度对土壤保墒和水分散失有较大影响^[11,12,13] ...

2007

0.0

... 而开沟器开出种沟的质量对种子着床位置有极大影响,种床的紧实程度对土壤保墒和水分散失有较大影响^[11,12,13] ...

2014

0.0

... 而开沟器开出种沟的质量对种子着床位置有极大影响,种床的紧实程度对土壤保墒和水分散失有较大影响^[11,12,13] ...

2016

0.0

... 大豆是需水较多的作物,所消耗的水份比合谷类粮食作物高30%左右,种床质量、蓄水保墒能力对其生长发芽影响较大^[14] ...

... 根据大豆种植深度40~60 mm的农艺要求^[14],开沟深度D分别设置为40、50、60 mm ...

2015

0.0

. 2015, 34(16):1047-1052 DOI:doi:10.11861/j.issn.1000-9841.2015.06.1047

Design and experiment on twin-row soybean no-till planter

大豆双行侧深施肥免耕播种机关键部件设计与试验

Lv Bin , Yang Yue-qian , Liu Hong-jun

吕彬, 杨悦乾, 刘宏俊

针对免耕播种条件下,播种机易于拖堆、堵塞,难以实现深施肥,设计了大豆双行免耕播种机.该机采用限深轮限深、锐角入土施肥铲开沟施肥,然后双圆盘开沟器在肥沟两侧开出种沟,实现垄上双行播种侧深施肥.平板限深轮的直径为300 mm、宽度为200 mm;施肥铲的入土角为40°、入士隙角为10°、圆弧曲率半径为310 mm;双圆盘开沟器两圆盘直径分别为320 mm、间距为130mm、工作偏角为7°.通过田间试验,结果表明:在播种过程中无堵塞,通过性好;播种深度合格率达90％以上,变异系数小于27.9％;种肥垂直距离合格率90％以上,变异系数小于13.6％,种肥水平距离合格率大于85％,变异系数小于23.8％,能够保证大豆播种的种肥距离要求;晾种情况为0.1粒·m一,左右行平均出苗数为1.02株·d-1·m-1.该机可满足黑龙江地区大豆免耕播种的农艺要求.

... 现有大豆垄上双行播种机的开沟器为两个单圆盘开沟器对称分布,圆盘直径为350 mm,作业时对土壤结构产生较大扰动^[15],开出的种沟深度难以保持一致,截面大多呈矩形或梯形,沟壁不光滑呈#cod#x0201c ...

2015

0.0

... 1 整体结构根据大豆垄上双行精密播种农艺要求,设计带有筑沟刀片的双V型筑沟器,主要由铲柄连接架、两个对称仿形压土板和两个对称V型挤土刀组成(见图1(a))^[16] ...

2004

0.0

... 开出的种沟表面平整,沟形均匀,开沟深度一致,有利于保证播种深度一致性^[17] ...

... 种沟对播种深度行间分布均有影响,进而影响种子出苗一致性,最终影响作物产量^[17] ...

2015

0.0

... 播种机田间作业速度一般为7~9 km/h^[18],为符合实际作业情况,本试验行走速度v选择为1 ...