曲翼中耕培土裝置作業參數優化與試驗

齊江濤，孫會彬，賈洪雷，劉 行，張勝偉，陳天佑

（1. 吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，長春 130022；2. 吉林大學生物與農業工程學院，長春 130022）

0 引言

中耕培土是玉米生產中廣泛應用的田間管理環節之一，在大田管理中占有重要地位[1-3]。培土的主要作用包括提高中耕效果、防倒伏、保蓄土壤水分、保持土壤溫度等[3-5]。由于東北地區氣候寒冷、黑土地壓實作業導致土壤板結現象嚴重，為了保證玉米植株的正常生長，對培土高度[6]與土壤破碎效果的要求也逐年升高。為提高東北地區玉米中耕培土的質量，亟需研究一種具有良好培土效果的中耕培土裝置。

為提高中耕作業的培土效果，宋萬兔等[7]采用JB-2型精量點播機配套培土鏟，探討了培土鏟對旱坪地保水固土及玉米產量的影響；任鳳偉等[8]設計了一種高稈玉米施肥培土機，對山地玉米施肥培土的效率進行了研究；Evans等[9]利用對比試驗，對3種中耕機的除草性能進行了對比；Bernik等[10]以作物產量、工作效率和生產率為指標，對3種培土起壟機作業性能進行了相關研究。為探究不同因素對培土過程阻力變化的影響，Marakoglu等[11]探討了中耕機作業速度、前傾角度及入土深度對工作阻力及土壤擾動的影響；林靜等[12]設計了一種兼顧深松和培土的裝置，并對其作業的動力消耗與工作阻力進行了研究；車剛等[13]針對培土壁及鏟尖進行優化，研究對培土器的的入土及翻土能力的影響。綜上，現有培土裝置的研究主要針對中耕作業過程中入土阻力及功耗情況，對培土裝置的培土高度及碎土率的相關研究不足，針對東北冷涼地區壟上作物保溫性及板結問題研究較少。

本文針對培土裝置培土高度較低、土壤破碎效果較差導致培土效果較差的問題，對培土翼板結構進行了優化，對曲翼培土裝置及其阻力監測系統進行設計。針對阻力監測系統可靠性、培土裝置的培土高度及碎土率進行試驗，利用多指標優化法確定因素的最優組合，以期為培土裝置的結構設計及功能優化提供參考。

1 裝置組成及工作原理

1.1 裝置結構

曲翼培土裝置主要由曲翼培土器和阻力監測系統組成（圖1a），其中曲翼培土器主要包括鏟柄、培土底板、鏟胸、夾角調節部件以及對稱布置的曲翼培土板等；阻力監測系統主要包括仿形拉壓桿、耕深調節桿、聯接機架、拉壓力傳感器、角度傳感器、數據采集系統等。

阻力監測系統根據平行仿形四桿原理檢測阻力，指導曲翼培土器作業[14]。為便于監測，阻力監測系統獨立于培土器，由阻力測試掛接機構和數據采集系統2部分組成。阻力測試掛接機構主要由仿形拉壓桿、耕深調節桿等組成，數據采集系統主要由DH5930便攜式模態測試分析系統、單路信號放大器、天光TJL-5壓力傳感器、電 源模塊等組成。

1.2 工作原理

曲翼培土裝置的工作原理為：作業時，機具帶動曲翼培土裝置作業，曲翼培土器將土壤按照已經確定的壟溝溝底切開，并將土壤分向兩側，土壤沿著兩翼向后上方運動，在達到預定的高度時，沿一定曲線拋向作物根部并按照土壤的自然休止角形成壟體。

阻力監測系統工作原理：如圖1a，1d所示，培土機構在工作時，仿形桿下降，拉壓力傳感器會監測到壓力變化。AD、BC兩個仿形桿為二力桿，受到力的方向都沿著桿的方向，根據數據采集系統采集到的拉壓力傳感器的電壓變化獲得實時的拉壓力數據，傳感器每隔20 ms得到一次數據，每隔2 s取測得數據的最大值與最小值并取平均，將該平均值視為時間間隔的耕作阻力。

作業時，數據采集系統采用IIC通信協議，控制器通過模數轉換模塊將拉壓力傳感器測量出的經過放大后的電壓值轉變為數字量，控制器將數字量存儲到EEPROM存儲器中，控制器和電腦端可進行數據交換，完成數據的處理。

2 主要部件參數的確定

2.1 壟型設計

壟型斷面參數是培土裝置觸土表面設計重要的參考依據[15]。結合東北地區氣候特點及對東北地區壟型特征測量，設計上部類圓弧型、下部為梯形的壟型（圖2），可減少土埂的表面積且增加玉米根部土壤厚度，一定程度上提高保溫性[16-18]。

設V0為壟上土壤的斷面面積，通過實地測量確定土壟邊界點數值，并經MATLAB擬合得出壟型曲線為

式中x表示土壟斷面在軸x方向的坐標，mm；y表示土壟斷面在y方向上的坐標，mm；x的取值范圍為[-200,200]，mm。

根據圖2所示，則壟上土壤的斷面面積為

由圖2可知，工作部件由土壟下方挖出土壤后的斷面面積V1為

理論上，V1與V0相同，但土壤在經過培土部件疏松、翻轉等作用后會使壟上土壤體積增大（土壟斷面面積同理亦增大），因此在V1與V0關系式中需要加入膨松系數λ，即：

根據玉米壟型基本參數及對試驗田壟作情況測量確定參數如下：土壟的膨脹系數λ為1.8[15]，壟距l為560～700 mm，取測量平均值645 mm；壟溝底寬a1為400～500 mm，取測量平均值456 mm；壟高l0為100～150 mm，取測量平均值134 mm[19]。

由式（3）、（4）可確定l2=77.24 mm；y(0)=162.3 mm，l1=239.54 mm；培土器高度一般為培土后壟全高l1的1.2倍[15]，因此，本設計中培土器的高度H=288 mm（圖1b），為后續曲翼參數的確定提供依據。

2.2 曲翼培土板的優化

曲翼培土板主要分為平面和曲翼兩部分，是培土器主要的觸土面[20]。相關研究表明[21]，曲面可以增加土壤的碎土和翻土能力，增加土壤的水平推送量，改善培土效果。圖3為土壤運動形態示意圖，首先土壤向斜上方做平移運動，破碎程度較低；接著土壤運動至曲翼部分，土壤受到扭轉和側移作用，曲翼部分使土壤發生剪切破壞，提高了土壤的破碎程度。因此，本研究將曲翼部分作為裝置的優化重點。

對于曲翼培土范圍的研究，已知土壤顆粒離開培土曲翼的初速度為vc，設土壤拋出時拋射角為η，H=288 mm，參考農業機械設計手冊幅寬B（圖1c）取值范圍為275-430 mm[22]。

拋土的運動學方程式為

在機具培土過程中，為保證培土過程中所培土的距離可以覆蓋整個土壟，可得拋土距離L為

因此，由式（6）得L的取值范圍為185～370 mm；以x=L，y=0為參考值，代入上式得

由式（5）、式（7）得拋土距離與拋射角有關，土壤被拋出時的速度vc近似取7 km/h時，將vc、L帶入式（7）得η為45°～50°。因此，拋射角η取值范圍為45°～50°可滿足土壟拋土要求，從而指導曲翼參數調整。

3 性能試驗

3.1 耕作阻力測試試驗

3.1.1 試驗條件

試驗在吉林大學土槽實驗室進行，土槽長40 m，寬3 m，深1.2 m，土壤為東北地區的普通黑鈣土[23]，透氣透水性能良好。試驗前進行旋耕、鎮壓處理，經對試驗地土壤測量，相關土壤參數如表1所示。

表1 試驗土壤參數 Table 1 Soil parameters of test plots

試驗設備包括：土槽臺車、耕深尺、卷尺、標桿、鋼板尺、環刀、電子天平、MS-350型土壤濕度測定儀、SC-900型土壤堅實度測定儀、11000型土壤溫度儀、穩壓電源、12 V轉5 V降壓模塊、12 V移動電源。

3.1.2 試驗方案

為驗證阻力監測系統的可靠性，將三點式阻力測試系統與阻力監測系統同時安裝在土槽試驗車進行土槽試驗[24]。試驗時，選取工作速度v、入土深度h作為影響耕作阻力的主要因素[25]。在同等條件下，每組試驗重復3次，對阻力測裝置采集的數據每隔1 s取一次觀測值，每次試驗取5次，每組試驗的試驗數據點為15個，每種試驗條件下所測結果的平均值如表2所示。

表2 試驗數據統計 Table 2 Test data statistic

3.1.3 試驗結果與分析

分析本文所設計阻力監測系統與三點式阻力測試系統的土槽試驗數據，由表2結果可知，在不同工作速度、不同入土深度條件下，與三點式阻力測試系統耕作阻力相比，本文所設計阻力監測系統耕作阻力的最大平均相對誤差為2.35%，具有良好的測量精度。相對于傳統的三點式阻力測試系統而言，本文設計的阻力監測系統可獨立安裝培土器上，能夠避免后懸掛系統頻繁升降對三點式阻力測試系統測量精度和使用壽命所帶來的影響。

3.2 培土作業質量影響因素試驗

3.2.1 試驗設計

田間作業時，作業效果主要由培土高度及碎土效果決定。培土作業效果受牽引機具前進速度影響較大；入土深度和曲翼夾角則影響土壤的擾動量和培土量，進而影響培土效果[15,26]。因此，開展以工作速度、入土深度及曲翼夾角對曲翼培土裝置培土高度及碎土率影響規律的試驗研究。初步確定工作速度的水平為6-8 km/h，入土深度為140～160 mm[15]。依據農業機械設計手冊[22]及上述理論分析，初步確定曲翼夾角為50°～70°。因素水平表如表3所示。

表3 試驗因素水平 Table 3 Factor and level of experiment

3.2.2 試驗設備與材料

試驗時間為2019年5—6月，試驗地點為德惠市米沙子鎮試驗田（北緯44°09′26.22″，東經125°33′50.69″）。試驗地為普通黑鈣土[22-23,27]，試驗地種植模式為壟上等行距種植模式，通過3NZG-3000M型多功能高地隙底盤中耕車帶動培土裝置進行作業，經測量試驗前的土壤物理性質如表4所示。

表4 試驗田0～100 mm深度土壤物理化學性質 Table 4 Physical and chemical properties of soil in the test field 0-100 mm depth

3.2.3 試驗方法

東北地區中耕作業過程中，傳統培土器對于黏重板結土壤作業時碎土率低[22]，培土效果不夠理想，不利于玉米植株的生長[15]；并依據相關標準[27-29]進行田間試驗。本設計選用碎土率及培土高度作為評價指標。

1）碎土率

每段作業行程后隨機取壟上面積0.25 m2表層0.03 m耕層內土壤[15]，通過篩網將直徑小于25 mm的土塊篩選出，并以直徑小于25 mm的土塊質量占總質量的百分比表示碎土率，共測行程中5塊面積，取平均值[15,27]。計算方法如式（8）所示。

式中ψ為碎土率，%；MS為測區內土壤總質量，g；MZ為測區內直徑小于25 mm的土塊質量，g。

2）培土高度

在培土機構正常工作區域內，沿作業方向，每個行程從所測點中去除最高點和最低點后取25個，用鋼尺測量培土高度[27,30]，記錄數據，取平均值作為試驗區域培土高度。

3.2.4 結果與分析

采用Box-behnken試驗設計原理，試驗結果如表5所示。

表5 田間試驗結果 Table 5 Field test results

由上述試驗分析對表5試驗數據運用Design-Expert 8.0.6軟件進行二次回歸擬合方程，剔除非顯著因素，得出培土高度及碎土率的多項式回歸方程：

對回歸方程式（9）～式（10）進行方差分析，結果見表6。

表6 各因素對指標的方差分析 Table 6 Variance analysis of various factors on indicators

如表6所示，X1，X2，X3，X1X2，X2X3對培土高度的影響均為顯著項（P＜0.05），X1，X2，X3，X1X2，X1X3對碎土率的影響均為顯著項（P＜0.05）；培土高度與碎土率回歸模型的P均小于0.0001，模型顯著；培土高度與碎土率失擬項的P值分別為0.7459、0.417，大于0.05，表明回歸方程不失擬。

試驗因素對模型的影響程度與貢獻率K值的大小成正比，計算方法為

式中F為回歸方程中各回歸項F值；θ為回歸項對F值的考核值；Kxj為各影響因素貢獻率。

由式（12）計算得：工作速度、曲翼夾角、入土深度對培土高度的貢獻率分別為2.47、2.93、2.45；對碎土率的貢獻率分別為2.89、1.78、2.52。即各因素對培土高度的貢獻率主次順序為X2、X1、X3，對碎土率的主次順序為X1、X3、X2。

對試驗結果進行響應面分析，圖4a為曲翼夾角、工作速度對培土高度的交互作用響應曲面圖，圖4b為入土深度、曲翼夾角對培土高度的交互作用響應曲面圖。由響應面的形狀可以看出：隨著曲翼夾角和工作速度的增大，培土高度先增加后減小；隨著入土深度和曲翼夾角的增大，培土高度先增加后減小。出現上述現象的主要原因是：1）工作速度增大，土壤更多的被翻拋到土壟上方，提高了培土高度；當速度過大時，土壤被翻拋到土壟另一側，反而不能提高培土高度。2）曲翼夾角增大使得曲翼翻起的土壤量增多，提高了培土高度；若曲翼夾角過大，則會導致部分土壤翻拋在壟溝里，未起到提高培土高度的作用。3）入土深度提高在一定范圍內增加了動土量，使得培土高度增加，但達到一定深度后，被翻起的土壤過多，多余的土壤未到達土壟上方就已在自重的作用下落在壟側，使培土效果降低。

對試驗結果進行響應面分析， 圖5a為曲翼夾角、工作速度對碎土率交互作用的響應曲面圖，圖5b為入土深度、工作速度對碎土率交互作用的響應曲面圖。由響應面的形狀可以看出，增大曲翼夾角和工作速度可以提高碎土率，增大入土深度和工作速度可以提高碎土率。出現上述現象的主要原因是曲翼夾角增大使得曲翼對土壤的沖擊作用增大，提高了土塊破碎效果；入土深度增大使得曲翼更多的土壤由曲翼翻拋在壟上，翻拋過程使的更多土塊得以破碎；工作速度的增大時，培土器的曲翼培土板在高速下對土壤剪切作用增強，從而提高了碎土率。

為驗證回歸模型的可靠性，以培土高度和碎土率作為試驗指標，且本研究重點考察曲翼培土裝置對培土高度和碎土率的影響，與碎土率相比，結合東北冷涼區保溫性能要求，培土高度較為重要，利用Design-Expert 8.0.6軟件設置碎土率與培土高度的權重（weight）參數分別為0.4、0.6，得到曲翼培土裝置的最優參數組合：工作速度為7.64 km/h，曲翼夾角為60.51°，入土深度為152.19 mm；在最優參數組合下模型的預測培土高度為62.40 mm，碎土率為86.50%。考慮到試驗的操作性，對優化條件進行調整：工作速度為7.6 km/h，曲翼夾角為61°，入土深度為152mm。

3.2.5 驗證試驗

根據上述試驗結果，在田間試驗進行驗證，驗證試驗重復3次，培土高度平均值為62.13 mm，與模型預測值62.40 mm相接近；碎土率為86.78%，與預測值86.41%相接近，試驗值與預測值的誤差分別為0.27 mm和0.37%，說明回歸方程具有良好的可靠性。

4 結論

1）以工作速度、曲翼夾角和入土深度為因素，培土高度和碎土率為指標進行性能試驗。通過試驗數據分析，確定回歸模型；對各回歸模型進行擬合度和顯著性檢驗，各因素對培土高度和碎土率的影響顯著。影響培土高度順序為：曲翼夾角、工作速度、入土深度。影響碎土率順序為：工作速度、入土深度、曲翼夾角。交互作用中，工作速度和曲翼夾角、入土深度和曲翼夾角對培土高度的影響顯著；工作速度和曲翼夾角、工作速度和入土深度的交互作用對碎土率的影響顯著。

2）優化后獲得最佳組合參數：工作速度為7.64 km/h，曲翼夾角為60.51°，入土深度為152.19 mm，在最優參數條件下進行驗證試驗，培土高度及碎土率分別為62.13 mm、86.78%，試驗值與預測值的誤差分別為0.27 mm和0.37%，回歸模型可靠性良好。