雙壟四行花生壟作播種機種溝開溝器設計與試驗

胡婷, 全偉,2, 吳明亮*, 李林

(1.湖南農業大學機電工程學院, 長沙 410128; 2.湖南農業大學東方科技學院, 長沙 410128)

花生是我國重要的油料經濟作物，總產量占40%左右，居世界首位，種植面積僅次于印度，居第二位[1-2]。近年來，我國南方花生播種面積越來越大，2018年，我國花生播種面積達到4.62×106hm2，其中南方的播種面積占比接近40%[3]，極大地促進了花生產業發展。

國內學者圍繞花生播種開展了大量研究，并研制出了花生播種機，其種肥溝作業部件大多采用圓盤式開溝器或改進后的鋤鏟式開溝器[4-7]，對我國北方花生主產區的機械化作業水平提升發揮了重要作用。而南方地區由于土壤黏重、含水率高，現有花生播種機的觸土部件在作業過程中易壅泥堵塞而影響作業質量，嚴重制約了南方花生種植規模擴大和種植效益提高[8-9]。因此，針對南方丘陵山地黏重土壤環境下的播種機械研究具有重要意義。

目前南方丘陵地區花生種植采用壟作模式[10]，其農藝參數為：種溝寬度100～200 mm，種溝深度30～50 mm，行距300 mm，壟寬500 mm，壟高150 mm，壟溝寬300 mm，壟溝溝底寬150 mm。為此，本項目組研制了一款適合南方高含水率黏重土壤環境的雙壟四行花生壟作播種機，基于南方土壤仿真標定參數，采用實驗數據與仿真模型相結合的方法研究花生播種機觸土部件與土壤的相互作用規律[11-15]，借助離散元軟件對所設計的種溝開溝器關鍵參數進行仿真優化，以期解決南方丘陵地區花生播種機種溝開溝作業問題。

1 材料與方法

1.1 整機結構與工作原理

雙壟四行花生壟作播種機結構如圖1所示，主要由覆土裝置、開種溝裝置、側邊開壟溝裝置、中間開壟溝裝置、旋耕裝置等組成。其中開種溝裝置主要由預緊彈簧、平土拖板、種溝開溝器等組成，該種溝開溝器傾斜焊接在平土拖板內側底部。

工作時，動力帶動旋耕裝置碎土并整理壟面；側邊開壟溝裝置和中間開壟溝裝置與旋耕裝置一同前進并切土翻垡，最終形成雙壟壟面用于種植花生。在預緊彈簧的作用下平土拖板始終緊貼壟面滑行，焊接于平土拖板上的兩個種溝開溝器在細碎土壤的壟面上劃出深度、形狀一致的兩條種溝；由排種器排出的種子在排種管的引導下落入種溝內，覆土裝置將種子覆土并將壟面刮平，完成花生播種作業。

注： 1—側邊開壟溝裝置； 2—中間開壟溝裝置； 3—旋耕裝置； 4—開種溝裝置； 41—預緊彈簧； 42—種溝開溝器； 43—平土拖板。Note: 1—Side ridging device; 2—Middle ridging device; 3—Rotary tiller; 4—Seed ditch device; 41—Pre tightening spring; 42—Seed furrow opener; 43—Planning board.圖1 雙壟四行花生壟作播種機及開種溝裝置Fig.1 Structure of double ridge four row peanut ridge seeder assembly and furrow opening device

1.2 種溝開溝器作業參數

種溝開溝器結構如圖2所示，其為鋼板彎折成兩個翼板組成的倒三角形結構，主要由翼板和刀刃組成。作業參數包括雙翼板夾角β、翼板傾角α、入土角γ、開溝深度h。

圖2 種溝開溝器Fig.2 Seed channel opener

①雙翼夾角β。為保證種溝開溝器能夠順利開出倒三角形種溝，開溝器翼板傾角應不大于旋耕后土壤的自然堆積角41°[15]。結合種溝開溝器(圖2)的幾何關系，則雙翼夾角β需大于98°。由壟作花生種植農藝要求可知，雙翼夾角β與種溝寬度b和種溝深度h之間滿足反三角函數關系，當種溝深度取最小值30 mm，種溝寬度為最大值200 mm時，βmax=146°。綜上，雙翼夾角β取值范圍為98°～146°。

②入土角γ。種溝開溝器作業原理如圖3所示，由圖中幾何關系和受力分析可得公式(1)。

Fx=F×sin(180°-γ)

(1)

式中，Fx為沿水平方向的分力，N；F為工作過程中土壤作用在開溝器上的阻力，N。

為使開溝器的開溝阻力盡量小，則根據公式(1)及圖3中幾何關系，其入土角γ應取最大值165°，但此時開溝器已無法入土。通過改變預緊彈簧的預緊力可調節開溝器的入土角γ，為使開溝器入土，至少需將入土角減少13°，故入土角γ<152°。

圖3 種溝開溝器作業原理Fig.3 Operation of seed ditch opener

為保證開溝器的刃線具有滑切作用，其入土角γ應滿足γ>π/2+ψ[16]，ψ為開溝器的刃線與土壤摩擦角，(°)。由文獻[16]可知，ψ一般取值為18°～42°，取值為ψ=42°，可得γ>132°。

綜合以上，可確定入土角的取值范圍為132°<γ<152°。

③開溝深度h。開溝深度影響溝型穩定性，是影響開溝器牽引阻力的關鍵因素。為了匹配農藝要求的種溝深度，開溝深度取值范圍為30～50 mm。

1.3 種溝開溝器作業EDEM仿真

1.3.1土壤與開溝器仿真建模 ①土壤模型。本文在綜合考慮南方土壤的實際情況和EDEM軟件的內置接觸模型后，選用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接觸模型[17-18]，仿真參數如表1所示，含水率通過試驗測量，其余各參數均參考相關研究進展[15,19-21]。

表1 仿真參數Table 1 Simulation parameter

根據花生播種的農藝要求，設定仿真土槽規格為1 000 mm×500 mm×250 mm的無蓋長方體。設置離散元仿真土壤的基本顆粒參數為半徑4 mm、圓球形，采用隨機分布方式生成土壤顆粒，在顆粒工廠Partical Generation將顆粒半徑設置為3.2～4.8 mm(0.8～1.2倍)、顆粒生成速率為10萬顆·s-1。

②開溝器模型。利用軟件Solidworks2016按照1∶1比例建立倒三角形種溝開溝器的三維模型，然后將其導入EDEM離散元仿真軟件中，并按照需求設置其運動參數后，即可開展仿真試驗。

1.3.2試驗因素與水平 利用Design-Expert軟件設計多因素正交旋轉組合試驗，試驗因素和水平如表2所示。

表2 試驗因素與水平Table 2 Test factors and levels

1.3.3試驗指標 試驗采用溝型系數和牽引阻力作為評價指標[22-23]。

①溝型系數。在土槽長度方向的中間進行切片，切片厚度為50 mm，選擇代表種溝橫截面輪廓的顆粒，生成所選仿真土壤顆粒在XY平面中的散點圖，最后導出坐標數據。將數據編入Matlab程序中進行擬合，得到Matlab擬合種溝輪廓，同時得到y(x)的多項式并對其進行定積分求解得到仿真種溝橫截面面積S1。

(2)

式中，β為雙翼夾角，(°)；h為開溝深度，mm；S2為理論種溝橫截面面積，mm2。

②牽引阻力。采用軟件后處理計算出單次試驗的牽引阻力平均值作為試驗結果。

1.3.4仿真設計和優化 采用Design-Expert軟件進行Box-Behnken試驗設計和響應面優化。

1.4 土槽驗證試驗

1.4.1試驗儀器和設備 土槽驗證試驗的儀器和設備為TCC電力四驅土槽試驗臺、六分力測試架、開種溝裝置(安裝有最優參數組合下的兩個種溝開溝器)、手持式土壤水分測定儀、卷尺(精度cm)、直尺(精度mm),將六分力測定架三點掛接于土槽車，利用抱箍將開種溝裝置安裝于六分力測定架橫梁，使用數據線將六分力測定架的數據采集盒與土槽車控制臺計算機連接。

1.4.2土槽土壤處理 試驗前調整土槽內土壤含水率：在土槽試驗范圍內按五點取樣法選擇測點，使用手持式土壤水分測定儀測量土槽土壤含水率為13.54%，用灑水壺均勻噴灑一定量的水，靜置4 h后旋耕土壤至深度15 cm左右，繼續測量含水率，計算下次所需施水量，噴灑靜置后耕整，將土壤含水率調至18.2%±0.2%。

1.4.3測定方法 試驗時，設置土槽車行進速度為0.44 m·s-1，并將種溝開溝器的開溝深度調40 mm處。試驗重復三次，取平均值作為試驗結果。

在每個行程隨機選取連續10個測點，每個測點間隔0.5 m，將水平尺橫臥于種溝上方作為x方向坐標，將板尺垂直于水平尺并與種溝溝底相交作為y軸方向，水平尺與板尺的交點為坐標原點，如圖4所示。沿x軸正負方向每隔10 mm測得對應的y值，測量并記錄溝型數據，將數據編入Matlab程序中進行擬合,得到種溝截面擬合圖，并進行定積分求解得出種溝截面面積，種溝截面面積與理論面積之比即為溝型系數。將每個行程所有測點的溝型系數的平均值為試驗結果。

圖4 溝型系數測量Fig.4 Measuring of the channel shape coefficient

試驗過程中土槽車可自動獲取開溝器的牽引阻力值，由于試驗使用了兩個開溝器，將每次試驗所獲數據的0.5倍作為試驗結果。

2 結果與分析

2.1 仿真結果

采用Design-Expert軟件進行Box-Behnken試驗設計，得到仿真試驗方案和結果如表3所示，試驗因素不同水平值取值條件下，評價指標中溝型系數的變化范圍為0.15～1.39，而牽引阻力的變化范圍為33.16～151.76 N，表明各個試驗因素不同水平值對評價指標的影響較大。

表3 試驗方案和結果Table 3 Protocols and results

仿真與MATLAB擬合的種溝輪廓如圖5所示，溝型輪廓符合農藝要求，試驗效果較理想。

圖5 仿真與MATLAB擬合的種溝輪廓Fig.5 Seed channel contour of simulation and MATLAB fitting

2.2 回歸方程分析

利用Design-Expert軟件的Analysis模塊對試驗結果進行分析，即可得到兩個試驗指標分別與開溝深度、雙翼夾角及入土角之間的回歸方程，如公式(3)和(4)所示。

Y1=0.791 6+0.107 5A+0.206 1B+0.214 5C+0.102 2AB+0.060 4AC-0.335 9C+0.071 8A2-0.110 9B2+0.298C2

(3)

Y2=8.42+0.877 4A+1.94B-1.32C+0.198AB-0.068 1AC-0.390 5BC+0.014 1A2+0.544 6B2-0.319 3C2

(4)

式中，A為開溝深度，mm；B為雙翼夾角，(°)；C為入土角，(°)；Y1為溝型系數；Y2為牽引阻力，N。

2.3 方差分析

由二次項模型的方差分析結果(表4和5)可知，溝型系數的回歸模型呈現顯著(P<0.05)，牽引阻力的回歸模型均呈現極顯著(P<0.001)；溝型系數和牽引阻力的模型失擬項不顯著(P>0.05)，說明可用回歸方程替代試驗真實點對試驗結果進行分析；溝型系數和牽引阻力的決定系數(R2)分別為85.59%和99.89%，校正決定系數(adj-R2)分別為67.06%和99.76%，變異系數(C.V.)分別為23.15%和1.05%，精密度系數(Adeq precisior)分別為8.084 6與95.008，說明溝型系數和牽引阻力模型能較好擬合。

表4 目標函數y1的二次項模型方差分析Table 4 Analysis of variance of quadratic model of objective function y1

F值反映了各試驗因素對回歸模型響應值的影響程度，由F值檢驗得出各試驗因素對溝型系數的影響程度由大到小依次為C、B、A；對牽引阻力的影響程度由大到小依次為B、C、A。

通過各因素及其交互項的P值可判斷，從單因素方面分析：雙翼夾角、入土角對溝型系數影響顯著，開溝深度對溝型系數的影響較小。開溝深度、雙翼夾角、入土角對牽引阻力的影響均極顯著；而基于各因素交互作用得出：雙翼夾角與入土角的交互作用對溝型系數的影響極顯著，開溝深度和雙翼夾角、雙翼夾角和入土角的交互作用對牽引阻力影響極顯著。

2.4 回歸模型交互效應分析

根據二次項模型方差分析結果，利用Design-Expert軟件繪制響應曲面圖(圖6)。當入土角較小時，隨著雙翼夾角增大，溝型系數小幅度增大后逐漸減小，但變化范圍不大；當入土角增大后，溝型系數隨著雙翼夾角增大而顯著減小；當雙翼夾角一定時，溝型系數隨著入土角增大而增大。雙翼夾角與入土角一定時，牽引阻力隨著開溝深度增大而增大；開溝深度與雙翼夾角一定時，牽引阻力隨著入土角增大而減小。開溝深度與入土角一定時，牽引阻力隨著雙翼夾角增大而增大。

2.5 最優參數組合

為了同時得到開溝質量最高且牽引阻力最小時開溝深度、雙翼夾角與入土角的最優參數組合，使用Design-Expert軟件的Optimization功能進行優化，以溝型系數的理想值1為目標值，以牽引阻力F的最小值為求解目標，同時對回歸模型Y1和Y2進行尋優求解，并得到了多組解，其中有多個組合的溝型系數等于1，選擇牽引阻力最小的一組作為最優參數組合，其中開溝深度、雙翼夾角與入土角的值分別為40 mm、98°、144°。

2.6 仿真與土槽試驗結果對比分析

仿真試驗與土槽驗證試驗所得牽引阻力和溝型系數的對比結果如表6所示。可以看出，仿真與土槽試驗所得溝型系數分別為1.06與1.02，誤差為3.78%；種溝開溝器的牽引阻力分別為43.4和46.3 N，誤差為6.68%，表明仿真試驗結果較為準確；溝型系數的變異系數相對牽引阻力的變異系數較大。

表6 仿真試驗與土槽驗證試驗結果對比Table 6 Comparison of simulation test and soil trough verification test results

3 討論

本文依據土壤耕作理論應用成果[10,15-16]與工程力學理論，設計了一款雙壟四行花生壟作播種機種溝開溝器。高質量的種溝溝型和低牽引阻力是反映開溝器工作性能的重要指標[22-23]。為此選取溝型系數及牽引阻力為評價指標，并以開溝器開溝深度、雙翼夾角和入土角為試驗因素，基于南方土壤的實際情況和EDEM軟件建立南方土壤模型[15,17-21]，開展種溝開溝器作業EDEM仿真試驗。相對于傳統試驗采用回土量計算溝型[22-23]，該試驗采用曲線擬合法量化溝型，且本研究方案可為南方丘陵地區花生播種機種溝開溝器設計提供參考。

通過響應面優化法對種溝開溝器的作業參數進行優化，得到最優參數組合(開溝深度40 mm、雙翼夾角98°、入土角144°)，并探究了各因素及其交互作用對開溝器作業效果的影響規律，對于種溝開溝器作業性能的影響程度，入土角大于雙翼夾角，與趙淑紅等[22]結論相似，該研究對種溝開溝器作業性能的提高具有理論指導意義。但仍然存在其他較多影響開溝器作業性能的因素，如開溝器外形、土壤顆粒粒徑和含量、開溝速度、土壤含水率等，還需進一步研究其他因素對種溝開溝器作業的影響規律。

在最優參數組合條件下，使用種溝開溝器開展土槽試驗對仿真結果進行驗證，試驗結果表明，仿真與土槽試驗所得溝型系數與牽引阻力的誤差分別為3.78%與6.68%，均在允許范圍內，表明仿真試驗獲得的最優參數組合是可靠的。因此借助離散元軟件對種溝開溝器的作業性能進行研究是可行的。