小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型種床起壟裝置研究

劉 海 張青松 廖宜濤 魏國粱 杜 錚 廖慶喜

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.武漢市農業科學院， 武漢 430065；3.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

小白菜是長江中下游地區種植面積最大的葉類蔬菜[1]，該區域種植田塊土壤黏重板結且雨量充沛，遇連續陰雨天易遭受淹水脅迫，不利于小白菜種子出苗[2-4]，因此小白菜直播作業時要求構建適宜小白菜種子生長的種床[5-6]。構建合理種床結構能增加土壤通透性，促進小白菜根系生長發育，減少小白菜漬害，提高小白菜種子成苗率，研制構建長江中下游地區小白菜合理種床的農機配套裝置非常必要。

傳統的小白菜直播前種床整理以人工為主，生產成本高、勞動強度大，制約著小白菜生產規模和經濟效益。近年來，隨著小白菜生產機械化水平的提高，人工開溝起壟作業逐漸被機械化作業所取代[7-9]，同步完成開溝起壟和直播作業的復式播種將成為趨勢。小白菜復式播種機種床構建的關鍵部件為起壟裝置，其壟體成型效果直接影響播種機的作業質量[10]。

目前國內外眾多研究機構和學者對農田開溝起壟技術進行了深入研究[11-24]。現有種床成型裝置主要適用于播種油菜、玉米、大豆等作物，且以被動擠壓成型方式為主，其作業時土壤流動特性與長江中下游地區有一定差異[25-26]，而適應于輥壓成型種床起壟裝置的研究較少，因此有必要專門針對小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型種床起壟技術進行深入研究。

小白菜直播對種床要求較高，若種床成型后土壤堅實度不高，會導致種床廂面分布土塊松散，土塊間的縫隙大、土壤水分蒸發過快，土壤墑情下降，嚴重影響小白菜成苗率，種床合理構建技術是小白菜復式播種機的關鍵技術之一。本文針對長江中下游地區小白菜種植模式的種床構建技術要求，結合傳統種床整理工藝，以駁岸型壟體截面和壟溝截面組合擠壓同步成型設計方式，設計犁旋輥壓駁岸型種床成型裝置，對樣機開展田間試驗以驗證其性能，以期得到適宜南方黏重土壤條件下小白菜壟播的穩定壟體和壟溝。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型起壟裝置主要包括前犁、主機架、傳動部件、旋耕刀、破土整形部件、齒輪箱、包絡整形弧板和起壟輥，其結構如圖1所示。

1.2 工作原理

小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型起壟裝置觸土部件主要包含前犁、主機架、旋耕刀、包絡整形弧板以及起壟輥，如圖2所示。整機通過三點懸掛裝置和拖拉機相連接，采用中間傳動方式。作業時，拖拉機液壓系統分配器手柄處于浮動位置，主機架兩側前犁破土、開溝、翻垡，初步形成壟溝；拖拉機旋轉動力輸出裝置通過齒輪箱傳遞動力驅動左右刀輥和起壟輥旋轉，由刀輥上的旋耕刀完成碎土及定向拋土作業；包絡整形弧板隨機組前進擠壓土壤、平整溝底，同時起壟輥同步壓實土壤平整壟壁及壟面，土壤在起壟裝置作用下形成壟體。

1.3 主要技術參數

小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型起壟裝置一次作業行程后形成駁岸型雙壟單溝，其主要技術參數如表1所示。

表1 旋耕起壟裝置技術參數Tab.1 Technical parameters of ridging device

2 輥壓起壟裝置設計

駁岸能保證坡體不受沖刷，通常用于園林工程中保持土壤形狀[27]。為確保播種機作業后壟體不因土壤坍塌而破壞種床，本文基于駁岸結構設計小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型種床起壟裝置，作業后的小白菜種床壟體任意一垂直于水平面及前進方向的截面呈雙倒駁岸斷面，壟體斷面如圖3所示。圖中L為整機作業幅寬，2 200 mm；L1為壟底寬，900 mm；L2為壟頂寬，800 mm；l1為溝頂寬，300 mm；l2為溝底寬，200 mm；S2為壟間距，1 100 mm。

小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型起壟裝置的結構決定了播種機的開溝起壟性能。根據整機作業幅寬及小白菜播種工藝方案，以現有播種行數為基準，小白菜株行距計算式為

(1)

式中e——邊距，mm

s——小白菜機播行距，mm

根據小白菜種植農藝要求[28-29]，小白菜的株行距范圍為100～150 mm。由開溝器結構參數，確定邊距e的取值范圍為25～250 mm，代入式(1)計算小白菜機播行距s取值范圍為100～250 mm。行距可根據駁岸型種床起壟裝置尾部的開溝器橫向位置調節，株距可根據排種器轉速調節裝置調節，株距可調范圍為100～200 mm，滿足小白菜精量種植農藝要求。

2.1 起壟取土深度參數分析

小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型起壟裝置起壟前需完成破土、開溝、導土、拋土工藝，主要作用是使碎土集中于起壟輥中部，以滿足主動輥壓起壟種床成型作業，其工作參數直接影響起壟效果，如圖4所示。

以點O為旋耕刀回轉中心，x正向為機組前進方向，旋耕刀正轉，整機作業時旋耕刀的運動軌跡為余擺線。以點Q為旋耕刀入土點，從最初入土到導土的過程中，為滿足旋耕機正常工作條件，計算旋耕刀頂點運動軌跡方程為

(2)

式中R1——旋耕刀回轉半徑

vm——機組前進速度，km/h

ω1——旋耕刀輥回轉角速度，rad/s

n——旋耕刀軸轉速，r/min

H1——旋耕取土深度，mm

t——時間，s

為滿足起壟輥所需拋土量，旋耕刀端點的水平分速度的必要條件為vx<0，根據式(2)，可計算旋耕刀端點的絕對速度v0和水平分速度vx為

(3)

聯立式(2)和式(3)，得

(4)

作業時，機組前進速度vm為2.0～5.0 km/h，旋耕刀軸轉速n為160～340 r/min，對應的旋耕刀輥回轉角速度為16.75～35.59 rad/s，為達到起壟條件有H1>0 mm。根據旋耕刀結構參數及其空間位置，取R1=270 mm，代入式(4)可得H1<193.87 mm，根據整機結構取H1=182 mm。

2.2 起壟輥設計

播種機作業過程中主要通過起壟輥圓筒和起壟輥圓盤輥壓土壤，使土壤被壓實而形成壟體，實現動態起壟。剛性起壟輥同時以轉動角速度ω2做回轉運動、以速度vm做直線運動與土壤相互作用時，被壓實土壤顆粒在擠壓下由靜態轉為動態。土壤顆粒在剛性起壟輥擠壓的作用下其顆粒之間的空隙及相對位置產生變化，以相互填充的形式對壟壁、壟頂同時推擠夯實，降低壟體接觸面的粗糙度，有效預防土壤顆粒回流導致壟體坍塌。起壟輥結構直接影響壟體的幾何輪廓，根據駁岸輪廓設計起壟輥結構，如圖5所示。

根據彈性力學和土力學理論，土壤受外力擠壓產生的形變主要由垂直力引起。結合起壟輥結構的對稱性確定起壟輥的結構參數和工作參數，分析土壤運動規律時忽略土壤顆粒之間的相互作用力，建立如圖6所示的倒駁岸型壟體截面圖，開溝起壟作業中，單位截面積內的土壤總量前后平衡。圖中虛線部分表示壟體成型前對應的取土截面，A1為取土截面面積，m2；A2為壟體Ⅰ截面面積，m2；A3為壟體Ⅱ截面面積，m2。

因對稱關系設壟體Ⅰ截面面積A2與壟體Ⅱ截面面積A3相等。在播種機實際作業過程中，考慮到土壤堅實度系數得壟體參數方程為

(5)

式中k——土壤堅實度系數[30]，取0.9

θ——起壟坡度，(°)

h——壟高，mm

根據小白菜壟播種植模式，將壟頂寬、壟底寬、溝頂寬等參數代入式(5)，求出θ、h、A1、A2和A3分別為76.73°、212 mm、0.4 m2、0.18 m2和0.18 m2。

2.3 起壟輥受力分析

小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型起壟裝置起壟輥為主動驅動，土壤的相互作用為輥壓方式，其受力過程如圖7所示。

當剛性驅動輪與土壤接觸時，起壟圓筒同時受負載G、水平力F和驅動扭矩Mq作用，支承面上存在切向反力和法向反力作用。由此衍生了行走阻力Rx、土壤推力Pq及支承反力Ry，為使起壟輥穩定運動，平衡方程為

(6)

式中ra——垂直動力半徑，mm

rd——水平動力半徑，mm

Mm——起壟輥內摩擦阻力力矩，N·m

rq——起壟輥圓筒半徑，mm

考慮到起壟時的土壤堅實度系數[31]，令rd=rq，則由式(6)可得

(7)

由式(7)可知，土壤推力Pq不等于切線牽引力。因起壟輥為主動驅動型，其支承面下端的絕對速度不為零，且方向朝后，因起壟輥隨機組前進，起壟輥轉動所前進的距離比計算距離小。根據文獻[32]中對剛性接觸面與土壤相互作用力的分析，最大法向反力的位置有隨起壟輥圓筒滑轉的增大而向后移動的傾向，切向反力則始終指向前方，這與上述分析結果基本一致。

2.4 包絡整形弧板參數分析

包絡整形弧板結構曲線如圖8所示，其沿機組前進方向觸土部分主要為AB段和BC段，支撐部分為CD段。工作時，整形弧板與起壟輥隨機組前進，整形弧板通過滑壓土壤形成規則溝底輪廓，ABC段包絡圓弧與起壟輥回轉中心同心，AB段根據整形弧板厚度與起壟輥參數確定，BC段根據整形弧板與起壟輥的間隙確定，間隙太小導致土壤堵塞，影響種床平整度；間隙過大則導致整機結構尺寸過大，重心后移。

包絡整形弧板各參數之間的結構關系為

(8)

式中R2——包絡整形弧板觸土面半徑，mm

rp——起壟輥圓盤半徑，mm

W——起壟輥回轉中心至方管水平距離，mm

H2——起壟深度，mm

H3——起壟輥回轉中心至方管頂端高度，mm

H4——包絡整形弧板BC段垂直高度，mm

H5——支架方管寬度，mm

δ1——包絡整形弧板厚度，mm

δ2——包絡整形弧板與起壟輥的間隙，mm

θ1——點D和點C到起壟輥回轉中心的夾角，(°)

θ2——包絡整形弧板BC段圓心角，(°)

為確保壟溝底部平整，令H4=rp，包絡整形弧板厚度取δ1=12 mm，根據整機結構得知W=230 mm，H3=400 mm，H5=80 mm，rp=280 mm，代入式(8)得R2=310 mm，H4=280 mm，δ2=18 mm，θ1=46°，θ2=70°，rq=68 mm。

2.5 起壟裝置參數匹配

犁旋輥壓駁岸型種床成型裝置作業后，可實現種床成型和廂面平整，為滿足小白菜壟播廂面平整的要求，犁旋輥壓駁岸型種床成型裝置起壟深度參數需要合理匹配，結合圖2可得

d=R1+H2-H1-δ1-rp

(9)

式中d——起壟輥轉軸與旋耕刀軸間的高度差，mm

根據起壟裝置起壟條件有H2>H1，代入式(9)，得

d

(10)

根據前述起壟成型裝置參數，計算得起壟輥轉軸與旋耕刀軸之間的高度差d為22 mm。

3 起壟性能試驗

3.1 試驗方法

小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型起壟裝置的工作質量主要與土壤狀況、旋耕導土裝置和起壟輥的結構參數有關。為確保作業效果達到設計的技術要求，2020年9月9日于武漢市農業科學院農業機械化研究所蔬菜機械化展示區示范田開展田間開溝起壟性能試驗，如圖9所示。試驗前需對田塊特性進行測定，其特性參數見表2。

表2 田塊特性參數Tab.2 Characteristics parameters of experimental field

田間試驗的配套動力為東風井關T954型拖拉機，經預試驗確定拖拉機液壓手柄擋位與機具作業高度之間的關系，手油門調至最大擋位以保證機具作業參數一致。試驗機組確保直線方向前進，作業距離為30 m，作業速度分別為2.0、3.5、5.0 km/h，測距雷達安裝位置與地表垂直距離約為0.8 m，掃描采樣頻率設置為70 Hz，角度分辨率設置為0.881 2°，采樣角度范圍為90°～180°。

3.2 試驗設備與儀器

試驗機具為華中農業大學自行研制的工作幅寬為2 200 mm的小白菜復式播種機。試驗器材包括：卷尺(3 m)、直尺(500 mm)、土壤水分檢測儀(浙江托普儀器有限公司，精度0.01%)、土壤堅實度檢測儀(浙江托普儀器有限公司，0.5% FS)、自制壟型測繪裝置(圖10)和小白菜種子(中箕青605)。

3.3 評價指標

3.3.1土壤堅實度及穩定性系數評價指標

起壟裝置作業后的壟體土壤堅實度是確保種床抵抗自然侵蝕而保持穩定的關鍵因素，影響小白菜種子的出苗率。根據試驗方法，利用小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型起壟裝置在未耕土壤區域進行開溝起壟作業，作業后立即測量壟體堅實度，沿機組前進方向每隔4 m進行壟體土壤堅實度測量，每一截面測量位置如圖11所示。

依據標準JB/T 8401.2—2017《旋耕聯合作業機械 第2部分：旋耕深松滅茬起壟機》要求以壟體土壤堅實度、壟體土壤堅實度穩定性系數為評價指標[33]。

3.3.2壟高、壟頂寬及壟間距合格率評價指標

壟高、壟頂寬及壟間距合格率是衡量起壟質量的重要指標，本試驗分別取壟高h為212 mm，壟頂寬L2為800 mm，壟間距S2為1 100 mm。作業后，基于自制壟型測繪裝置所測定的數據，每個行程選取5個點，每點所測范圍為一個工作幅寬，分別以壟高、壟頂寬以及壟間距在農藝要求的-30～30 mm范圍內為合格，合格的壟體參數占對應的總數百分比為壟體參數合格率。

3.3.3壟頂廂面粗糙度評價指標

小白菜種子屬于小粒徑種子范疇，機播時要求良好的種床，有利于控制播深以確保成苗率。而地表過度粗糙則不利于控制播深，因此小白菜直播作業所形成的壟頂粗糙度可用均方根高(RMSH)表征。由于壟頂廂面空間上的高度差異性，影響計算區域尺度，為探究不同尺度間廂面粗糙度的變化規律，可通過多次采樣局部地表高度數據，以此分析廂面粗糙度的局部變化特征。

3.3.4各行平均苗數及單行苗數變異系數評價指標

種床構建壟體的好壞直接影響小白菜播種均勻性及出苗率。整機作業35 d后，雙壟各行測5段，每一段截取1 m范圍內的小白菜苗數[34]，通過測定每行苗數、單行苗數變異系數以及各行苗數一致性變異系數以驗證小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型種床起壟裝置的綜合性能。

3.4 試驗結果與分析

基于壟型測繪裝置測量數據，進行誤差補償處理及有效區域提取，導入Matlab軟件所得三維數字化模型如圖12所示。從圖中可看出，在該采樣頻率下測量數據生成的三維數字化模型可以較好地重構原有壟體輪廓和構型特征，結果與實際地表地貌高度吻合，單次測量區域精確覆蓋了完整的起壟區域，為進一步評價起壟裝置的結構特征提供了準確的數據。

3.4.1土壤堅實度測量與分析

土壤堅實度是體現壟體土壤強度的一個重要指標，土壤堅實度過小會影響小白菜壟播種床的穩定性。在長江中下游土壤黏重板結的條件下，由于壟壁坍塌導致壟頂寬不穩定，小白菜壟播時會因種床帶破壞而降低成苗率。整機前進速度是影響壟體堅實度的重要因素，不同作業速度條件下的壟體堅實度測定結果見表3。

表3 田間作業后的土壤堅實度測定結果Tab.3 Performance test results of soil firmness after field operation

根據表3可知，作業后的壟體土壤堅實度平均值隨測量深度的增加而增大，壟體土壤堅實度穩定性系數相對平穩。其中壟頂堅實度平均值在各深度均高于壟壁堅實度，由于起壟過程中壟壁主要由起壟輥圓盤壓實土壤，而壟頂主要由起壟輥圓筒壓實土壤，由于旋耕刀定向拋土至壟頂處，疊加壓實土量增大了對土壤的碾壓力，從而增大了壟頂處的土壤堅實度。不同作業速度下相同測量深度的穩定性基本一致，雙壟壟頂處土壤堅實度均值范圍為223～1 323 kPa，土壤堅實度穩定性系數均不低于92.36%；雙壟壟壁處的土壤堅實度均值范圍為215～938 kPa，土壤堅實度穩定性系數均不低于92.53%，適合小白菜復式播種機壟播作業。

3.4.2壟高、壟頂寬及壟間距合格率分析

根據前述標準要求，以壟高合格率、壟頂寬合格率以及壟間距合格率為起壟質量評價指標進行計算，測定結果見表4。

表4 壟高、壟頂寬及壟間距Tab.4 Height, top width and spacing of ridges

根據試驗結果可知，小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型種床成型裝置起壟質量良好，壟體一致性好，作業后的壟體的壟高合格率、壟頂寬合格率和壟間距合格率分別為90.00%、93.33%和96.67%。

3.4.3壟頂廂面粗糙度分析

傳統的廂面粗糙度統計一般限于廂面寬度方向，無法全面地反映地表粗糙度狀態，而小白菜直播作業后的種床由于受到開溝器的作用而形成沿作業方向分布的種溝痕跡，此痕跡主要受地表非規則的微起伏影響。為更真實反映起壟后壟頂廂面高度分布的特征，取一垂直機組作業方向截面，且沿機組作業方向選取5 m長壟體，每隔10 mm掃描一次，每1 m為1組拼接而成，以前述采樣頻率掃描截面輪廓高度，按小白菜種植行數所形成的壟頂廂面各行地表輪廓如圖13所示。由圖中可知，種床各行小白菜粗糙度表現為均勻分布的特征，其同行內沒有明顯的高度變化，各行之間略有不同，與實際作業相吻合。

表5為小白菜精量復式播種機作業后不同行的壟頂廂面地表粗糙度，從表中可得知機組作業方向不同行的最大差值為2.19 mm。對作業后壟體地表粗糙度的標準差進行統計發現，均方根高度標準差較小。

表5 不同行的壟頂廂面地表粗糙度均方根高度Tab.5 Root mean square height of ridge surface roughness in different rows mm

3.4.4各行平均苗數及單行苗數變異系數分析

根據原測定數據可得小白菜的各行平均苗數及單行苗數變異系數，如圖14所示。

由圖14可知，小白菜各行的平均苗數及其變異系數均屬于合理范圍。其中，小白菜各行1 m內平均苗數為10，單行苗數變異系數為6.32%～8.51%，各行苗數一致性變異系數為9.05%，滿足農業實際生產中小白菜精量機播要求。

綜合田間作業性能對比可知，小白菜復式播種機犁旋輥壓駁岸型種床起壟裝置作業的性能優于JB/T 8401.2—2017《旋耕聯合作業機械 第2部分：旋耕深松滅茬起壟機》的質量要求。

4 結論

(1)對種床成型裝置的關鍵部件進行了設計與分析，根據起壟輥運動模型，確定了單個壟體截面面積為0.18 m2，壟體高度為212 mm，機組前進速度為2.0～5.0 km/h，旋耕刀軸轉速為160～340 r/min，起壟取土高度為182 mm，犁旋輥壓駁岸型種床成型裝置以聯合作業方式提高了整機起壟的通用性。

(2)壟體土壤穩定性分析結果表明，壟體土壤堅實度平均值隨測量深度的增加而增大。雙壟壟頂處的土壤堅實度穩定性系數均不低于92.36%，雙壟壟壁處的土壤堅實度穩定性系數均不低于92.53%，起壟作業滿足起壟農藝要求。

(3)田間性能試驗表明，犁旋輥壓駁岸型種床成型裝置作業后的壟體的壟高合格率、壟頂寬合格率和壟間距合格率分別為90.00%、93.33%和96.67%。采用相同采樣間隔的壟頂廂面粗糙度統計結果表明，機組作業方向不同行的最大差值為2.19 mm，同一行內的小白菜種床廂面粗糙度無明顯差異。

(4)田間播種試驗表明，采用犁旋輥壓駁岸型種床起壟裝置作業形成的種床效果較好，小白菜各行1 m內平均苗數為10，單行苗數變異系數為6.32%～8.51%，各行苗數一致性變異系數為9.05%，滿足農業實際生產中小白菜精量機播要求。