油菜種床整備開畦溝仿靴形銳角開溝犁設計與試驗

卜祥利，廖慶喜，孫文成，魏國粱，張青松，王鵬程

華中農業大學工學院/農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070

長江中下游是我國冬油菜主產區，該區域降雨量充足[1]。油菜根系忌水，種植油菜時需要開溝排水，開好“三溝”(廂溝、腰溝、畦溝)且要求三溝相通是避免油菜漬害的保證[2]。目前開溝方式主要分為人工開溝和機械開溝2種。傳統油菜種植，人工開溝勞動強度大，開溝效率低，因此在大田種植時，多用機械開溝作業。機械開溝多采用被動式犁體或主動式開溝機具。主動式開畦溝裝置作業效果好，但功耗高，而被動式犁體結構簡單，能適應較高的作業速度，在農田開溝領域得到了廣泛應用[3-5]。

國內外學者對農田開溝技術進行了研究[6-10]，但主要針對大田或旱田的開溝機具，適用于長江中下游油菜種植的開溝器研究相對較少。目前，華中農業大學工學院研制的2BFQ-6型油菜聯合直播機采用前后犁組合式開畦溝，前犁破土、后犁整形，可形成完整畦溝，在油菜種植時被廣泛應用[11]。張青松等[12-13]利用EDEM仿真對犁體曲面進行了研究，提出曲面優化方法實現犁體降附減阻。但鏵式犁在土壤黏重板結、含水率高、稻茬留量大的工況下作業時，開溝后犁易產生粘土、壅土、掛草或堵草現象，導致作業后溝邊土壤堆積、溝壁垮塌等問題，造成溝型不穩定。為提高開溝穩定性，包攀峰等[14]研制了雙翼開溝犁與后置分土螺旋器組合完成開溝作業的分土開溝裝置，為主動與被動開溝裝置相結合的研究提供了參考。劉曉鵬等[15]設計了一種配合鏵式前犁完成開畦溝功能的組合式船型開溝器，提高了油菜聯合直播機開畦溝的穩定性，并通過微分幾何分析與EDEM仿真對犁體曲面進行了優化，但需與破土前犁配套使用。

本研究在2BFQ-8油菜聯合直播機用組合式船型開溝器的研究基礎上，針對長江中下游土壤黏重板結、含水率波動大、前茬水稻秸稈留存量大的復雜工況和油菜種植需開畦溝的生產要求，考慮到銳角開溝犁具有開溝阻力小、土壤擾動小的特點，研制了一種與驅動型犁旋聯合耕整機配套使用的仿靴形銳角開溝犁，旨在為長江中下游油菜開畦溝裝置的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 聯合耕整機結構與工作原理

配備仿靴形銳角開溝犁的驅動型犁旋聯合耕整機主要由主機架、驅動圓盤犁組、旋耕裝置、人字形齒輪傳動箱、平土托板、仿靴形銳角開溝犁等組成，整機結構如圖1A所示。仿靴形銳角開溝犁安裝于機組中部，對土壤進行側向擠壓和溝底托平，形成完整溝型。通過犁耕、旋耕相匹配的聯合作業，一次作業完成犁耕、旋耕、秸稈切碎還田、埋茬、開畦溝等多道工序，形成適宜油菜生長的種床。仿靴形銳角開溝犁如圖1B所示，主要由犁尖、滑切刃、犁柱、支撐梁、擋土板、仿靴整形板、擋土板、底板、起土板等組成。犁尖位于開溝犁最前端，犁尖與刃口曲線隨牽引裝置前進時破土，隨后由分土板將土壤向兩側分離，引導土壤至仿靴整形板和擋土板處，并將土壤提升至地面，仿靴整形板對側邊土壤進行擠壓成型，擋土板在對土壤擠壓的同時防止土壤回流，從而形成完整的溝側壁，仿靴整形板與擋土板成一定角度，保證梯形斜邊的形成。支撐梁起支撐作用，防止擋土板在工作過程中受土壤作用擠壓變形，影響開溝質量。底部安裝有底板，底板在拖動作用下對溝底土壤作用形成平整溝底。犁柱上有銷孔，便于安裝和調節開溝深度。

A:整機結構圖 Structure diagram of machine; B:仿靴形銳角開溝犁示意圖 Shoe-shaped acute angle groove plough; 1.三點懸掛 Three-point suspension; 2.機架 Main frame; 3.驅動圓盤犁組 Drive disc plows; 4.平土托板 Flat soil pallet； 5.旋耕裝置 Rotary cultivation mechanism; 6.仿靴形銳角開溝犁 Shoe-shaped acute angle opener; 7.人字形傳動齒輪箱 Herringbone transmission gearbox; 8.犁尖 Plow tip; 9.滑切刃Sliding cutting edge; 10.犁柱 Plow column; 11.支撐梁 Support beam;12.擋土板 Retaining plate; 13.仿靴整形板 Boot-shaping plate; 14.底板 Base plate; 15.起土板 Lifting plate.圖1 驅動型犁旋聯合耕整機結構示意圖Fig.1 Structure of the driven plough-rotating combine machine

1.2 仿靴形銳角開溝犁主要參數設計

1)滑切刃口曲線設計。仿靴形銳角開溝犁采用對稱式結構設計，由前端兩破土曲面相交形成滑切刃口曲線，對仿靴形銳角開溝犁破土阻力影響較大。開溝犁入土后隨機組前進，土壤受刃口曲線作用發生剪切破壞，參考文獻[6,16]，根據滑切原理，摩擦角應小于滑切角。本研究選用拋物線函數曲線作為滑切刃口曲線，滑切刃口曲線的形狀如圖2所示。

圖2 滑切刃口曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of smooth cutting edge curve

根據拋物線方程，設滑切刃口曲線方程為：

y=ax2+b

(1)

式(1)中，b為常數，函數位置隨b的大小而變化，且不會發生線形變化，故令常數b為0。設滑切刃口曲線起始點A(x1，y1)、終止點B(x2，y2)，則A、B兩點的垂直距離為Hq，水平距離為Lq，A、B兩點的斜率為：

(2)

式(2)中，γ1為曲線起始點A的切線與x軸夾角，(°)；γ2為曲線終止點B的切線與x軸夾角，(°)；聯立式(1)、(2)可得常數a的關系式：

(3)

由于滑切角α1、α2與γ1、γ2互為余角，可得最終滑切刃口曲線方程為:

(4)

式(4)中，α1為起始滑切角，(°)；α2為終止滑切角，(°)。如式(4)所示，滑切刃口曲線的形狀受滑切角和A、B兩點垂直距離大小的影響。由圖2可知，滑切角成遞增趨勢，即α2>α1。根據文獻[17]，取摩擦角為23°，即α1>23°。α1與α2互為余角，所以α2<67°，因此終止滑切角的取值范圍為23°<α2<67°。當曲線高度Hq不變時，改變滑切角大小將會得到不同的滑切刃口曲線。

2)犁體入土角及犁尖張角的設計分析。犁體能否較好入土和分土與入土角和犁尖張角大小密不可分。犁尖在入土的同時，將土壤從溝底提升到地面并將土壤導向兩側，使犁體曲面能夠發揮作用。參考犁體入土角的設計方法，本研究選用三面楔模型對犁尖進行分析(圖3)。

圖3 三角楔模型分析Fig.3 Analysis of triangle wedge model

以機具前進方向的反方向為X軸正方向，溝寬方向為Y軸，垂直方向為Z軸，建立空間坐標系。其中，面OAC為犁尖左半部分，面ABC為犁尖作業橫截面，γ為犁尖張角的1/2，δ為入土角，λ為翻土角。機具以一定速度前進時，假設土壤顆粒以最快速度穿過犁尖進入仿靴整形板區域，則其運動軌跡OE應垂直于AC，過F點作與AB成η角的直線EF，則η角為土壤堆積角。由圖3可知：

(5)

由式(5)可得，tanλ=tanδ/tanγ=45°，所以δ=γ。根據農機設計手冊，當入土角過大時，土層抬高，工作阻力增加；入土角過小時，會增加犁體高度及長度造成浪費。犁尖張角偏大時，土壤易被推向兩側外翻而亂，同時容易纏繞秸稈；犁尖過小時，切斷草根的能力減弱[18]。綜合考慮設定入土角為30°、犁尖張角為60°，即δ=γ=30°，即入土角和犁尖張角均為銳角。

3)擋土板與仿靴整形板的設計分析。擋土板與仿靴整形板采用一體式設計，兩者共同組成的犁體曲面如圖4所示。其中，面BCDE為擋土曲面，面ABEF為仿靴整形曲面，面OKCA為起土曲面，起土曲面參考農機設計手冊的水平直元線法形成，根據滑切刃口曲線高度及犁體高度要求，起土曲面高度為300 mm，曲面寬度為200 mm。

圖4 犁體曲面示意圖Fig.4 Schematic diagram of plough surface

仿靴形銳角開溝犁對土壤作用后，土壤顆粒在梯形溝溝壁上保持穩定。假設開溝深度一定，且機組勻速前進，則擋土板與仿靴形整形板跟土壤接觸的每個點上沿法向方向擠壓土粒，以斜面上單個土壤顆粒為研究對象，將其看作質點M，土壤間的相互作用忽略不計，質點M的受力情況如圖5所示，土壤顆粒受重力G、溝壁對其產生的支持力FN、摩擦力Ff。土壤回流時，土壤顆粒沿溝壁邊下滑，則沿Y方向的加速度ay為0。

圖5 土壤顆粒受力分析Fig.5 Force analysis of soil slope

則土壤顆粒的平衡方程為：

(6)

式(6)中，m為土壤顆粒的質量，g為重力加速度，μ為土壤顆粒間動摩擦系數，θ為仿靴整形板與擋土板的傾角(簡稱翼板傾角)。由式(6)可知，若μ=tanθ，即土壤的動摩擦系數等于土壤溝壁堆積角正切值時，土壤顆粒不流入溝底；若μ

ax=gsinθ-μgcosθ

(7)

根據土壤顆粒在X軸方向的運動方程，可知土壤顆粒沿X軸方向的位移Sx，即土壤回流位移為：

(8)

(9)

式(9)中，SH為土壤回流位移，mm。由于開溝犁以均勻速度和穩定深度作業，則任意一段區域內土壤回流的時間t0不變，視為常數，則根據式(9)可知，土壤回流量與擋土板和仿靴整形曲面間的夾角θ有關。

設左右仿靴整形板的底端距離和擋土板的上端距離分別為l1、l2，考慮土壤流動性，為保證形成梯形溝，仿靴形整形板的下端距離設計為200 mm。若擋土板上寬度過大，導致傾角θ過大，會將過多擾動土推出溝外。考慮土壤的擾動和流動特性，取l2=350 mm。為保證開溝器作業后畦溝無土壤回流，取擋土板長度l為1.5(h+h′)，其中h為開畦溝深度，h′為擾動土壟起高度，取20 mm。根據《合理耕層構建的水旱輪作耕整作業技術規程要求》，開溝深度為150～250 mm，所以擋土板的長度為255 mm

(10)

擋土板與仿靴整形曲面的夾角可由式(10)計算得出：0<θ<79.2°。根據試驗可得長江中下游地區土壤含水率在22.86%～32.46%時的土壤堆積角為33.94°～39.76°，為防止溝壁崩塌、溝內壅土等現象出現，設計傾角θ應大于40°，所以40°<θ<79.2°。

1.3 田間開溝質量試驗

1)試驗器材與條件。試驗器材包括：卷尺(5.0 m)、直尺(500 mm)、土壤堅實度測量儀、取土鉆、烘干箱、500 mm×500 mm自制鐵框等。試驗田塊常年稻-油輪作，土壤類型屬于粉質黏壤土。經測量，試驗環境特性參數如下：土壤深度0～250 mm的平均堅實度為1 173.08 kPa，平均土壤含水率為23.9%，土壤容重為1.12 g/cm3，秸稈覆蓋量為1 256.4 g/m2，秸稈平均留茬高度為330 mm，秸稈平均含水率為38.6%。

2)試驗方法。以仿靴形銳角開溝犁為試驗對象，仿靴形銳角開溝犁與驅動型犁旋耕整機配套使用，配套動力均為東風井關T954拖拉機，參考NY/T 740―2003《田間開溝機械作業質量》，通過調節拖拉機擋位和手油門保證機組前進速度為2.6 km/h，機組沿直線行駛50 m，取中間行程30 m為穩定測量區域，在測量區域等距取10個測量點，測繪每個測量點處的廂面斷面形狀，每組試驗重復3次。試驗指標為溝寬、溝寬穩定性、溝深、溝深穩定性、土壤黏附量等。

①溝深及其穩定性。以繪制的溝型斷面圖為基礎，以耕作平面為基準，測量溝底與耕作平面的差值，取10個測量點的數據平均值作為作業溝深。根據計算得出每組溝型的溝深值，溝深穩定性系數按式(11)～(12)計算。

(11)

(12)

式(12)中，a為溝深，mm；ai表示所測行程中第i個測試點的溝深，mm；n表示所測行程的測試點數；Ua為溝深穩定性系數，%。

②溝寬及其穩定性。以繪制的溝型斷面圖為基礎，任意選取溝型斷面一側的測量點坐標為計算基準，以選取點的縱坐標值為基準在溝型斷面圖中繪制溝寬基準直線，基準線與左右溝壁相交所得點的橫坐標差值(精確到1 mm)作為畦溝的寬度。依次計算10個測量點的數據取平均值即為作業溝寬。溝寬穩定性的計算方法與溝深穩定性的計算方法相同。

③土壤黏附量。機組每行程作業完成后，將黏附在犁體的土壤秸稈混合物刮下裝入自封袋中稱量，每組試驗重復3次取平均值，即為該犁體的土壤黏附量。

1.4 田間開溝效果正交試驗

影響開溝犁開溝效果的因素主要有開溝深度、開翼板傾角、作業速度、土壤工況等[19]。在不考慮土壤工況的前提下，即試驗在同一地塊進行，試驗選擇翼板傾角X1、開溝深度X2、作業速度X3為主要考察因素。本研究以回土量作為評價指標。回土量的多少直接反映了畦溝的塑形好壞以及溝壁土壤是否均勻緊實。為更加直觀準確地測量評價指標，使用回土體積與理論溝型體積比作為回土量的計算方法[6]。

在田間試驗過程中，通過調節拖拉機懸掛桿控制銳角開溝犁開溝深度保持一定，調節拖拉機擋位和手油門控制機組以勻速前進，忽略由于地表不平或拖拉機輪胎滑移造成耕深和前進速度波動的影響。沿畦溝中段取30 m的范圍，隨機取10個橫斷面，實際畦溝截面示意圖如圖6所示。測量實際開溝深度h1、實際上溝寬度d1、下溝寬度測量值d2、去除回土后開溝深度H1、去除回土后實際下溝寬度，約看作為d3=d2，則回土量可通過式(13)計算得出。

H1為實際開溝深度,mm;h1為開溝深度測量值,mm;d1為上溝寬度,mm;d2為下溝寬度測量值，mm;d3為實際下溝寬度,mm。H1 is the actual ditch depth,mm; h1 is the measured ditch depth,mm; d1 is the upper ditch width,mm; d2 is the lower ditch width measurement,mm;d3 is the actual ditch width,mm.圖6 實際畦溝截面示意圖Fig.6 Schematic diagram of actual furrow section

(13)

式(13)中，φ為回土量，%；V′為理論溝形體積，mm3；V為回土體積，mm3。

2 結果與分析

在湖北省荊州市監利縣水稻-油菜(輪作)全程機械化生產示范基地開展田間試驗，田間試驗分為開溝質量試驗和正交試驗。

2.1 田間開溝質量

依據試驗方法，仿靴形銳角開溝犁開出畦溝效果見圖7。試驗結果表明，仿靴形銳角開溝犁開畦溝溝寬為200～400 mm，溝寬穩定性為90.6%，溝深為175～250 mm，溝深穩定性為92.4%，畦溝斷面形狀為梯形，作業穩定性高；且機組作業完成后，犁體土壤黏附量平均為238 g，犁體上基本無掛草壅土，說明機組通過性好。各項試驗指標均滿足油菜種植農藝要求。

圖7 開畦溝作業效果Fig.7 Effect diagram of trenching experiment

2.2 田間開溝效果

經過前期計算設計，翼板傾角為40°～79.2°，開溝深度為170～250 mm，驅動型犁旋耕整機的作業速度為0.58～1.0 m/s，即仿靴形銳角開溝犁作業速度為0.58～1.0 m/s。在試驗可控范圍內，對翼板傾角X1、開溝深度X2、作業速度X3分別選擇3個水平，采用三因素三水平Box-Behnken響應曲面試驗法進行優化試驗，采用多元二次回歸方程擬合因素與響應值間的函數關系，最終對回歸方程分析以尋求最優參數。共17組試驗，因素水平如表1所示。

表1 試驗因素及水平Table 1 Factors and levels

利用Design-Expert軟件對數據進行處理，得出試驗方案與結果如表2所示，回土量的方差分析如表3所示。

表2 試驗方案與結果Table 2 Test scheme and result of experiment

表3 回土量方差分析Table 3 Variance analysis of the quantity of backfill

對表3中的數據進行多元回歸擬合，可得回土量φ的二次回歸方程為：

由表3分析可知，建立二次回歸模型的P<0.01，表明回歸模型極顯著；失擬項P>0.05，即失擬不顯著，說明模型所擬合的二次回歸方程與實際相符，能正確反映回土量φ與X1、X2、X3的關系，回歸模型可較好地對試驗中各試驗結果進行預測。各影響因子對回土量的顯著性順序從小到大依次為：翼板傾角<開溝深度<作業速度。

2.3 參數優化與驗證

根據油菜種植農業要求，以開溝回土量最小為優化目標，在翼板傾角為45°～65°、開溝深度為170～250 mm、作業速度為0.6～1.0 m/s約束條件下進行優化，用Design-Expert軟件計算得出最佳參數組合為：翼板傾角為46.22°、開溝深度為183.06 mm、作業速度為0.608 m/s時，回土量為2.34%。為驗證優化結果的可行性，按照實際翼板傾角為46°、開溝深度為183 mm、作業速度為0.6 m/s的參數組合在田間進行3次重復試驗，驗證結果顯示開溝回土量為3.28%，回歸方程計算預測值為2.34%，試驗結果相差0.94個百分點，驗證了模型的可靠性。

3 討 論

本研究設計了油菜種床整備開畦溝仿靴形銳角開溝犁。根據犁體設計原則，對開溝犁的滑切刃口曲線、犁體入土角及犁尖張角進行了設計分析，選用拋物線作為滑切刃口曲線，通過分析確定了切削刃口的滑切角范圍為23°～67°，并求得刃口曲線方程；通過建立三面楔模型對犁尖進行了分析，確定了犁體入土角為30°、犁尖張角為60°，即犁體入土角與犁尖張角均為銳角；建立了仿靴形銳角開溝犁與土壤相互作用的動力學模型，確定了擋土板的長度為400 mm，擋土板與仿靴整形板的夾角為40°～79.2°。

本研究開展了仿靴形銳角開溝犁的開溝質量試驗與正交試驗。開溝質量試驗表明：仿靴形銳角開溝器可開出溝寬為200～400 mm、溝深為175～250 mm的梯形溝，溝寬及溝深穩定性均達90%以上。正交試驗表明：翼板傾角、開溝深度、作業速度均對開溝質量有影響，且翼板角度為46°、開溝深度為183 mm、作業速度為0.6 m/s時，開溝作業效果滿足油菜種植的農藝要求。

本研究僅開展了仿靴形銳角開溝犁在同一工況下的作業質量試驗，仿靴形銳角開溝犁的功耗及不同區域土壤環境的適用性還有待于進一步研究。