基于有效落種空間的甘蔗橫向種植機(jī)開溝器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李尚平 潘家楓 鐘家勤,3 黃宗曉 甘芳芳

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 南寧 530004； 2.廣西民族大學(xué)電子信息學(xué)院， 南寧 530006；3.北部灣大學(xué)機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院， 欽州 535011)

0 引言

甘蔗是我國(guó)主要的糖料作物，蔗糖產(chǎn)量約占全國(guó)食糖產(chǎn)量的90%。廣西地區(qū)作為我國(guó)的甘蔗主產(chǎn)區(qū)，種植面積占全國(guó)的60%以上。但是，由于地形等條件限制，甘蔗種植的綜合機(jī)械化率約55%，并主要以縱向種植方式為主[1]。為了減少甘蔗種植的用種量，推廣甘蔗良種良法技術(shù)，農(nóng)藝專家提出了雙芽段甘蔗橫向種植模式。與傳統(tǒng)的縱向種植模式相比，耗種量減少50%～60%，并且分蘗能力強(qiáng)，出芽率較高。但是，橫向種植對(duì)于落種質(zhì)量要求高，作業(yè)時(shí)要求蔗種“深種淺埋”，即種植深度大于28 cm，蔗種落地時(shí)保持橫向姿態(tài)，有利于蔗種扎根，提高抗倒伏能力和延長(zhǎng)宿根年限[2-5]。

由種植作業(yè)過程可知，開溝部件的作業(yè)效果是種植深度與落種形態(tài)能否達(dá)到農(nóng)藝要求的關(guān)鍵因素。目前，研究人員根據(jù)甘蔗種植要求對(duì)開溝部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。韓杰等[6]設(shè)計(jì)了一種帶弧形擋板的甘蔗種植機(jī)開溝覆土裝置，可以引導(dǎo)甘蔗種順利進(jìn)入種植溝，并對(duì)直線型、凹型和凸型3種不同切削刃類型的開溝性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，凸型開溝器的開溝效果較好。夏利利等[7]設(shè)計(jì)了一種W形開溝器，可以使甘蔗種落下時(shí)隔開一定橫向距離，避免蔗種扎堆，并能減小開溝器的工作阻力。張國(guó)慶等[8]針對(duì)種肥分施的要求，設(shè)計(jì)了一種種肥隔離式開溝器，并對(duì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行理論和受力分析，確定了最佳入土角、張角、外傾角和幅寬。SINGH等[9]探究了開溝器類型、開溝深度和前進(jìn)速度對(duì)壟高、甘蔗發(fā)芽率和土壤擾動(dòng)特性等指標(biāo)的影響，得到了較佳的開溝器類型與工作參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)于甘蔗種植機(jī)開溝部件的研究主要集中在縱向種植方面，對(duì)橫向種植開溝器的研究較少，并且結(jié)合落種過程的研究更少。

為此，根據(jù)橫向種植對(duì)開溝落種提出的要求，本文通過分析落種與土壤運(yùn)動(dòng)關(guān)系，基于有效落種空間形成的要求，設(shè)計(jì)一種適用于甘蔗橫向種植的組合式開溝器，以滿足甘蔗橫向種植的落種要求，提高橫向種植機(jī)的落種質(zhì)量。

1 開溝器開溝原理分析

1.1 預(yù)切種式甘蔗橫向種植機(jī)工作原理

預(yù)切種式甘蔗橫向種植機(jī)如圖1所示，主要由組合式開溝器、播種器、施肥和覆土覆膜等機(jī)構(gòu)組成。工作時(shí)拖拉機(jī)輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組合式開溝器旋耕切削土壤，隨著拖拉機(jī)拉動(dòng)種植機(jī)前進(jìn)和三點(diǎn)懸掛調(diào)節(jié)工作高度，開溝器切入形成種植溝，地輪提供動(dòng)力給播種器和施肥機(jī)構(gòu)，按一定頻率橫向排出蔗種和肥料，最后覆土覆膜，完成雙行開溝、播種、施肥、覆土覆膜等甘蔗種植工序。

圖1 預(yù)切種甘蔗橫向種植機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural diagram of transversal sugarcane planter1.機(jī)架 2.開溝器上液壓缸 3.擋泥板 4.播種器集蔗箱 5.播種器一級(jí)提升鏈 6.播種器二級(jí)輸送鏈 7.覆土覆膜機(jī)構(gòu) 8.地輪 9.播種器落種點(diǎn) 10.螺旋施肥機(jī)構(gòu) 11.開溝犁 12.旋耕刀 13.旋耕刀盤 14.防漏犁 15.開溝器下臂 16.開溝器下液壓缸 17.開溝器上臂

1.2 橫向種植落種農(nóng)藝要求

如圖2所示，雙芽段甘蔗橫向種植時(shí)要求將蔗種橫向放入種植溝內(nèi)，蔗種之間水平距離ds為30～40 cm，開溝寬度w1≥35 cm，有利于通風(fēng)與采光，便于后續(xù)的中耕培土和機(jī)械化收獲。種植截面如圖3所示，根據(jù)“深種淺埋”的要求，蔗種底部至地表面的深度，即種植深度Hp≥28 cm，溝底浮土厚度Hq為2～3 cm，覆土厚度Hc為5～10 cm。

圖2 預(yù)切種雙芽段甘蔗橫向種植位置俯視圖Fig.2 Top view of transversal double-bud sugarcane planting situation with seed pre-cutting

圖3 預(yù)切種雙芽段甘蔗橫向種植截面圖Fig.3 Sectional view of double-bud sugarcane planting with seed pre-cutting

1.3 有效落種空間形成機(jī)理分析

開溝作業(yè)之后，壟上堆積的土壤在重力作用下回填種植溝內(nèi)是土壤的一種固有特性。土壤回填會(huì)增加溝底浮土，并且形成V形溝，影響蔗種種植深度和落地姿態(tài)。因此，蔗種應(yīng)在開溝器開溝完成之后、土壤回填之前的極短時(shí)間段內(nèi)落入種溝。此時(shí)開溝犁的開溝深度等于種植深度，且落種方向沒有改變，才滿足落種要求，如圖4所示。

圖4 有效落種示意圖Fig.4 Schematic of effective seeding

將蔗種落地姿態(tài)保持橫向且種植深度達(dá)到要求的排種過程稱為有效落種，其深度定義為有效落種深度。完成有效落種的前提是在該時(shí)間段內(nèi)開溝器與播種器之間形成一個(gè)無土壤回填的瞬時(shí)穩(wěn)定的落種區(qū)域，可以保證蔗種下落達(dá)到種植深度要求且落種姿態(tài)保持橫向不改變，將這個(gè)區(qū)域稱為有效落種空間。有效落種的過程分為空間形成、蔗種掉落和土壤回填3個(gè)階段，因此，有效落種空間是動(dòng)態(tài)變化的，即播種器不斷排出蔗種，有效落種空間不斷形成，各階段有機(jī)銜接以完成精準(zhǔn)布種。

假設(shè)播種器落種點(diǎn)與土壤回填點(diǎn)的水平距離為S2，機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，豎直向下為y軸正方向，對(duì)播種器上單根蔗種做運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖5所示。

圖5 落種運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.5 Motion analysis diagram of seeder

質(zhì)量為m1的蔗種受到慣性力和重力作用做斜拋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(1)

式中x——蔗種水平方向拋出距離,m

y——落種高度,m

v0——蔗種離開蔗槽的瞬時(shí)速度，定義為初始線速度,m/s

α——蔗種初始線速度與x軸夾角，定義為落種夾角,(°)

vm——種植機(jī)前進(jìn)速度,m/s

t1——落種時(shí)間,s

g——重力加速度,取9.8 m2/s

由于開溝器與播種器均隨著整機(jī)前進(jìn)，水平方向的相對(duì)速度為零，由式(1)得到蔗種水平方向的拋出距離x與落種高度y之間的關(guān)系方程為

(2)

由式(2)可知，蔗種拋出距離受到落種高度、初始線速度和落種夾角的影響，當(dāng)工作深度為0.3 m時(shí)，落種夾角α=25°，落種高度y=0.4 m，初始線速度v0=0.19 m/s，代入式(2)計(jì)算得到拋出距離x=0.064 m。因此，為達(dá)到深種淺埋的種植要求，基于有效落種空間形成，對(duì)開溝器提出以下設(shè)計(jì)要求：

(1)根據(jù)種植深度和溝底細(xì)碎浮土厚度要求，開溝器的碎土層深度應(yīng)達(dá)到35 cm，開溝深度應(yīng)達(dá)到30 cm，能一次形成有效落種空間，有效落種深度達(dá)到28 cm以上。

(2)普通雙芽段蔗種的長(zhǎng)度范圍為25～35 cm，要實(shí)現(xiàn)橫向落種姿態(tài)不變，種植溝的寬度應(yīng)大于蔗種長(zhǎng)度，溝型截面為長(zhǎng)方形，因此開溝寬度w1應(yīng)在35 cm以上。

(3)由圖5可知，蔗種拋出距離大于或等于落種點(diǎn)與土壤回填點(diǎn)的水平距離，蔗種才能在土壤回填之前落入種溝，即S2≤x，有S2≤6.4 cm。

(4)開溝過程中，土壤不能漫過犁面增加溝底浮土，影響種植深度。蔗種落入種植溝后，護(hù)板兩側(cè)土壤回填形成部分覆土，對(duì)土壤的擾動(dòng)性小，有利于保持土壤和蔗種水分。

2 開溝器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，開溝器為組合式設(shè)計(jì)，主要由防漏犁、旋耕部件和開溝犁構(gòu)成，分兩步完成開溝作業(yè)，保證開溝質(zhì)量。首先由防漏犁與旋耕部件對(duì)土壤進(jìn)行切削粉碎，降低開溝犁開溝阻力，保證碎土深度，并與擋泥板配合作用拋出部分土壤。然后，由開溝犁推動(dòng)溝內(nèi)剩余土壤沿犁面導(dǎo)流清理種溝，形成有效落種空間，并防止土壤回填。

2.1 防漏犁設(shè)計(jì)

由圖1可知，防漏犁是開溝器部件中最先切入土壤的部件，隨種植機(jī)前進(jìn)切削鏈輪箱體下方土壤，起土導(dǎo)流至旋耕區(qū)。設(shè)計(jì)防漏犁結(jié)構(gòu)如圖6所示，導(dǎo)曲線由直線和曲線組成。根據(jù)開溝深度確定防漏犁脛刃線高度為380 mm，其中曲線段曲率半徑為R1=295 mm、高度h1=275 mm，直線段高度h2=105 mm。為減小入土?xí)r機(jī)具的上抬高度和犁尖的突出長(zhǎng)度，脛刃線開度L1=115 mm。為減小入土阻力，犁體幅寬由上往下逐漸減小，根據(jù)旋耕鏈輪箱寬度將犁體上部幅寬確定為B2=150 mm。由于防漏犁與深松鏟工況相近，參考深松鏟標(biāo)準(zhǔn)取犁尖幅寬為B1=80 mm，底部張角γ1=65°，頂部張角γ2=80°[10]。為縮短入土行程，降低入土阻力，確定防漏犁入土角σ1=35°，入土縫隙角β1=8°[11]。

圖6 防漏犁結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of leak-proof plough

2.2 旋耕部件設(shè)計(jì)

旋耕部件用于切削粉碎種植區(qū)域的土壤，降低開溝犁的前進(jìn)阻力，增加土壤疏松程度與通透性，促進(jìn)甘蔗根系發(fā)育[12-13]。旋耕部件總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由旋耕刀、刀盤、刀軸、擋泥板和鏈輪箱組成。旋耕刀軸與鏈輪箱通過花鍵連接，單側(cè)安裝兩片旋耕刀盤，將單側(cè)旋耕區(qū)域劃分為4個(gè)切削小區(qū)。為避免旋耕拋出土壤回流種溝，防止土壤擊打人員與進(jìn)入傳動(dòng)部件，設(shè)計(jì)擋泥板將旋耕拋起土壤導(dǎo)流至側(cè)向。

圖7 旋耕部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.7 Structure diagram of rotary tillage unit1.旋耕刀 2.刀盤 3.擋泥板 4.鏈輪箱 5.刀軸

土壤破碎程度與切土節(jié)距相關(guān)，土壤顆粒細(xì)碎有利于甘蔗出芽與扎根。由切土節(jié)距理論得到旋耕轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為

(3)

式中n——旋耕刀軸轉(zhuǎn)速,r/min

SD——切土節(jié)距,cm

z——各切削小區(qū)內(nèi)旋耕刀片數(shù)量

根據(jù)種植季節(jié)的土壤含水率和蔗地類型，選擇SD=8 cm[14]，由整機(jī)設(shè)計(jì)要求可知機(jī)具前進(jìn)速度為0.6～1.2 m/s，各切削小區(qū)內(nèi)的刀片數(shù)量為3，由式(3)計(jì)算得到旋耕轉(zhuǎn)速為150～300 r/min。

2.3 開溝犁設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，開溝犁需要開出深度為30 cm、寬度為35 cm以上的長(zhǎng)方形種溝，并且開溝過程中土壤不能漫過犁面進(jìn)入種溝。因此，設(shè)計(jì)開溝犁主要包括導(dǎo)曲線切削刃、犁曲面、護(hù)板、連接桿與支撐梁，結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖8所示。

圖8 開溝犁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Structure diagram of furrow plough1.切削刃 2.犁曲面 3.護(hù)板 4.支撐梁 5.連接桿

犁曲面和護(hù)板為主要觸土面，用于將土壤進(jìn)一步擠壓粉碎，隨后導(dǎo)流提升至兩側(cè)壟面，護(hù)板在對(duì)土壤擠壓塑形的同時(shí)防止土壟上的土壤回流，從而形成一個(gè)穩(wěn)定的落種空間。在中間加方形結(jié)構(gòu)支撐梁增加犁體剛度，支撐兩側(cè)犁板與護(hù)板，避免受擠壓變形影響溝型。

2.3.1犁曲面參數(shù)分析

由圖8所示的開溝犁設(shè)計(jì)參數(shù)可知，犁體參數(shù)由導(dǎo)曲線、犁體高度h3、護(hù)板幅寬D、入土角σ2、入土縫隙角β2、護(hù)板傾角φ、開角γ3和擋板長(zhǎng)度L2決定。對(duì)土跡線上的土壤顆粒在開溝犁曲面的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，如圖9所示。

圖9 犁曲面受力分析Fig.9 Force analyses of plough surface

由受力分析可知，土壤顆粒受力有豎直向下的重力m2g、犁曲面的摩擦力f、擠壓力FN。由于摩擦力與壓力為空間力，設(shè)前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向、豎直向下的重力方向?yàn)閥軸正方向、側(cè)邊為z軸方向建立空間直角坐標(biāo)系，將擠壓力沿坐標(biāo)軸3個(gè)方向分解為3個(gè)分力[15]，得到運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

(4)

其中

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中FNx——擠壓力在x軸方向分力,N

FNy——擠壓力在y軸方向分力,N

FNz——擠壓力在z軸方向分力,N

fxz——土壤顆粒xz平面摩擦力,N

fyz——土壤顆粒yz平面摩擦力,N

ax——土壤顆粒x方向加速度,m/s2

ay——土壤顆粒y方向加速度,m/s2

az——土壤顆粒z方向加速度,m/s2

美國(guó)：強(qiáng)制把理財(cái)加入中小學(xué)課程體系。20世紀(jì)90年代，美國(guó)大量的社會(huì)組織和金融機(jī)構(gòu)通過各自不同的方式為理財(cái)教育提供服務(wù)，美國(guó)丹佛更是專門開設(shè)了一家青少年儲(chǔ)蓄銀行。2001年，美國(guó)則立法把理財(cái)課程作為基礎(chǔ)教育的一個(gè)基本內(nèi)容。美國(guó)歷史上也出現(xiàn)過多位高財(cái)商的杰出人物。如巴菲特，在其11歲就買入了人生第一張股票，開始了其投資大師的漫漫旅途；梅耶·羅斯柴爾德幼年從小就展現(xiàn)出驚人的財(cái)商，通過收藏古錢幣贏得了黑森公爵的好感，幫助其獲得了人生第一桶金。

θ——元線角,(°)

m2——土壤顆粒質(zhì)量,kg

σ3——等效入土角,(°)

ψ——土壤內(nèi)摩擦角,(°)

聯(lián)立式(4)～(9)求解可得

(10)

(11)

(12)

土壤受到三面楔擠壓而產(chǎn)生滑移線，從應(yīng)力狀態(tài)分析得出，犁刃角在45°附近時(shí)產(chǎn)生最大剪應(yīng)力，可有效降低開溝阻力，則元線角θ應(yīng)滿足條件

(13)

說明土壤顆粒運(yùn)動(dòng)情況與摩擦角、等效入土角、土壤顆粒對(duì)犁曲面壓力等因素相關(guān)。根據(jù)廣西蔗區(qū)土壤類型，取ψ=28°[16]，代入式(13)滿足31°<θ<45°<62°。由式(10)～(12)可得，當(dāng)σ3>0°時(shí)，ax、az大于零，ay小于零，說明土壤顆粒有向前、向側(cè)邊和向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

2.3.2犁曲面參數(shù)設(shè)計(jì)

由鏵式犁犁面設(shè)計(jì)成型原理可知，犁曲面參數(shù)決定了開溝犁曲面受力與土壤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等工作性能[17-18]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)切削刃口曲線為導(dǎo)曲線，如圖10a所示，導(dǎo)曲線高度與h3相等，計(jì)算公式為

圖10 開溝犁曲面設(shè)計(jì)圖Fig.10 Design diagrams of furrow plough surfaces

h3=λ(H1+H3)

(14)

式中H1——開溝犁開溝深度,cm

H3——壟高,cm

λ——高度系數(shù),一般取1.2～1.3[19]

根據(jù)設(shè)計(jì)要求與前期課題組試驗(yàn)可知，當(dāng)H1=30 cm時(shí)，H3=15 cm，取λ=1.2，代入式(14)計(jì)算可得h3=54 cm。

為平衡入土性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)系，選擇σ2=20°，γ3=75°[20-21]，始端入土直線段為140 mm，導(dǎo)曲線開度取340 mm，便于快速入土，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。增大入土縫隙角可以減小開溝阻力，但入土縫隙角會(huì)導(dǎo)致溝底有土壤回填，導(dǎo)致溝底不平，因此取β2=0°。元線角與水平直元線高度間的變化關(guān)系為

θ=f(Z)

(15)

式中Z——水平直元線高度,mm

如圖10b所示，設(shè)計(jì)元線角變化曲線分為兩段，為了避免犁壁翼邊線刮擦到已經(jīng)翻出的土壤，應(yīng)使θmin≤θ0，因此設(shè)計(jì)第1段元線角是直線，從θ0直線遞減至θmin；第2段元線角為拋物線，從θmin增大至θmax。

取θ0為36°，θmin為35°，θmax為43°[22]，則元線角變化方程為

(16)

2.3.3護(hù)板參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合橫向種植的落種要求，護(hù)板既要阻擋土壤回填種植溝破壞有效落種空間，又需要在蔗種落下后回填土壤，減少土壤擾動(dòng)。當(dāng)護(hù)板傾角大于土壤內(nèi)摩擦角時(shí)，土壤平衡狀態(tài)被打破，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得

(17)

式中W——斜面方向土壤下滑距離,m

μ——觸土部件滑動(dòng)摩擦因數(shù)

t2——土壤回填時(shí)間,s

由式(17)可知，土壤顆粒下滑距離與護(hù)板傾角、觸土部件滑動(dòng)摩擦因數(shù)相關(guān)，當(dāng)土壤回填時(shí)間一定時(shí)，傾角越大，摩擦因數(shù)越小，回填的距離越長(zhǎng)，土壤量越多。為了保證壟溝寬度并使得土壤在開溝完成后及時(shí)回填種溝，取φ=90°[23]。

有效落種空間對(duì)開溝犁的設(shè)計(jì)要求為S2≤6.4 cm。為避免由于振動(dòng)影響斜拋距離導(dǎo)致蔗種落在有效落種空間之外的情況發(fā)生，設(shè)計(jì)的護(hù)板長(zhǎng)度應(yīng)延伸至落種點(diǎn)下方覆蓋落種區(qū)域，即S2≤0，得到L2=500 mm。為避免土壤漫入，提前回填種溝導(dǎo)致有效落種深度變淺與方向改變，取D=500 mm，護(hù)板高度與犁體高度相同，取為540 mm。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)開溝犁的作業(yè)效果和作業(yè)功耗，探究作業(yè)參數(shù)對(duì)有效落種深度、旋耕功率和開溝阻力的影響，搭建田間試驗(yàn)平臺(tái)，如圖11所示，試驗(yàn)于2020年11月在廣西亞熱帶農(nóng)科新城甘蔗良種研發(fā)與繁育基地進(jìn)行。

圖11 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.11 Experiment platform

在試驗(yàn)平臺(tái)上旋耕部件安裝最低點(diǎn)比開溝犁低50 mm，用于在溝底形成浮土層，兩者之間的水平距離為670 mm。試驗(yàn)設(shè)備包括試驗(yàn)平臺(tái)、東方紅LX1204型拖拉機(jī)(功率88.2 kW)、SG404H型無線應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)(北京必創(chuàng)科技股份有限公司，測(cè)量范圍：±15 000 με，測(cè)量精度：0.05% red±5 με)、TQ201H型無線扭矩傳感器節(jié)點(diǎn)(北京必創(chuàng)科技股份有限公司，測(cè)量范圍：±12 000 με，測(cè)量精度：0.1% red±2 με)、邁測(cè)X6型激光測(cè)距儀(深圳市邁測(cè)科技有限公司，測(cè)量范圍：0.2～40 m，測(cè)量精度：±2.0 mm)、TYD-2型數(shù)顯土壤硬度計(jì)(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司，測(cè)量范圍：0～1 000 N/cm2，測(cè)量精度：±0.5%)、TZS-2X-G型土壤含水率測(cè)定儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司，測(cè)量范圍：0～100%，分辨率：0.1%)、DT-2234B型光電式轉(zhuǎn)速計(jì)(臺(tái)灣路昌電子企業(yè)股份有限公司，量程5～999.9 r/min，精度：±0.05%)等。

選取地勢(shì)平坦的深松蔗地作為試驗(yàn)區(qū)域，在試驗(yàn)區(qū)域用五點(diǎn)法確定取樣點(diǎn)位[24]，測(cè)得土壤條件如表1所示，土壤類型為磚紅壤。

表1 試驗(yàn)區(qū)域土壤條件Tab.1 Soil condition of experimental area

3.2 試驗(yàn)方案

在田間作業(yè)時(shí)，橫向種植機(jī)的作業(yè)參數(shù)主要包括工作深度、旋耕轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度[25]。并且根據(jù)現(xiàn)有研究[26-27]與前期預(yù)試驗(yàn)，這3項(xiàng)參數(shù)會(huì)對(duì)落種效果、作業(yè)功耗及阻力產(chǎn)生重要影響。因此，選擇工作深度、旋耕轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度作為試驗(yàn)因素，選擇旋耕功耗、開溝阻力和有效落種深度作為試驗(yàn)指標(biāo)，開展三因素三水平正交試驗(yàn)，驗(yàn)證開溝器開溝性能，并探究作業(yè)參數(shù)對(duì)開溝指標(biāo)的影響，獲得較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)組合。為研究不同工作深度對(duì)實(shí)際開溝性能和落種效果的影響，根據(jù)甘蔗種植的常見深度和同類型種植機(jī)研究的開溝深度范圍[5-6,8-9]，選擇工作深度范圍為10～30 cm。根據(jù)2.2節(jié)旋耕部件設(shè)計(jì)要求，選擇旋耕轉(zhuǎn)速范圍為200～300 r/min。由于拖拉機(jī)的作業(yè)速度由拖拉機(jī)前進(jìn)擋位決定，因此根據(jù)拖拉機(jī)的技術(shù)參數(shù)與機(jī)具技術(shù)要求，選擇低Ⅰ、低Ⅱ與低Ⅲ 3個(gè)拖拉機(jī)的前進(jìn)擋位，速度范圍為0.65～1.20 m/s。因素水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Experimental factors and levels

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

3.3.1有效落種深度

有效落種深度是衡量落種空間是否有效和落種是否合格的定性指標(biāo)。開溝試驗(yàn)時(shí)，蔗種由人工在開溝犁護(hù)板尾部位置投擲。試驗(yàn)完成后，刨開覆土層使得蔗種露出地面，使用卷尺測(cè)量蔗種的初始落種深度，如圖12所示。

圖12 初始落種深度測(cè)量Fig.12 Original seeding depth measurement

測(cè)量值減去壟高后取平均值作為該組試驗(yàn)的有效落種深度Hs。

3.3.2開溝阻力

在開溝犁連接桿上粘貼應(yīng)變片，由受力分析可知，開溝阻力主要為前進(jìn)方向阻力，通過測(cè)力計(jì)與葫蘆吊等設(shè)備對(duì)前進(jìn)方向阻力標(biāo)定，如圖13所示，得到主應(yīng)變片與前進(jìn)阻力的標(biāo)定方程為

圖13 開溝阻力標(biāo)定Fig.13 Calibration for furrowing resistance

FR=14.942ε-39.259

(18)

式中FR——開溝犁的開溝阻力,kN

ε——主應(yīng)變片應(yīng)變,με

利用標(biāo)定方程計(jì)算各組試驗(yàn)的開溝阻力。

3.3.3旋耕功耗

使用應(yīng)變片和無線扭矩測(cè)量傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量旋耕扭矩，計(jì)算功率得到旋耕功耗。

(19)

式中PT——旋耕功耗,kW

T——旋耕扭矩,N·m

3.4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1極差分析

選用L9(34)正交表，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)安排與試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，A、B、D為旋耕轉(zhuǎn)速、工作深度、前進(jìn)速度水平。極差分析結(jié)果表明，影響有效落種深度、旋耕功耗和開溝阻力的主次因素均為B、A、D，說明工作深度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響最大，其次為旋耕轉(zhuǎn)速，前進(jìn)速度的影響最小。有效落種深度是評(píng)價(jià)開溝器性能的關(guān)鍵指標(biāo)，最優(yōu)的作業(yè)參數(shù)應(yīng)為滿足落種要求的條件下，旋耕功率和開溝阻力相對(duì)較小的參數(shù)。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中還需要考慮作業(yè)效率以降低作業(yè)成本。由于前進(jìn)速度為決定作業(yè)效率的因素且為次要影響因素，因此綜合考慮較優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合取為A1B3D3[28]。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果Tab.3 Design scheme and results of orthogonal experiment

3.4.2方差分析

為了進(jìn)一步分析各因素水平對(duì)各指標(biāo)影響的顯著性，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表4所示。由方差分析結(jié)果可知，對(duì)于各試驗(yàn)指標(biāo)，因素的影響顯著性主次順序均為B、A、D，與極差分析相吻合。即旋耕轉(zhuǎn)速對(duì)旋耕功率有極顯著影響；工作深度對(duì)有效落種深度、旋耕功耗和開溝阻力影響極顯著；前進(jìn)速度對(duì)旋耕功耗有顯著性影響。這說明旋耕轉(zhuǎn)速改變影響單位時(shí)間內(nèi)切削次數(shù)，導(dǎo)致旋耕功耗改變。工作深度直接決定有效落種深度，由于切削量和出土量增加，旋耕功率和開溝阻力隨著工作深度增加。提高前進(jìn)速度，導(dǎo)致切土節(jié)距增大和旋耕功耗增加。

表4 正交試驗(yàn)方差分析Tab.4 Variance analysis results of orthogonal experiment

3.5 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)極差分析得到較優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合A1B3D3，即旋耕轉(zhuǎn)速200 r/min，工作深度30 cm，前進(jìn)速度為1.20 m/s(低Ⅲ擋)。選擇坡度與土壤條件相似的蔗地進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，平均有效落種深度為29.9 cm，落種深度穩(wěn)定性系數(shù)為97.6%，覆土厚度為8.8 cm，浮土厚度3.4 cm，說明在此作業(yè)參數(shù)下，所設(shè)計(jì)的開溝器性能指標(biāo)均滿足橫向種植機(jī)的有效落種要求，平均旋耕功耗為34.0 kW，單側(cè)開溝阻力為14.1 kN。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of verification experiment

4 結(jié)論

(1)根據(jù)甘蔗橫向種植的落種要求，對(duì)有效落種空間的形成機(jī)理進(jìn)行分析，并基于有效落種空間提出開溝器的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種組合式開溝器。通過落種與土壤的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定了防漏犁、旋耕部件和開溝犁的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)通過搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行田間試驗(yàn)，探究旋耕轉(zhuǎn)速、工作深度和前進(jìn)速度對(duì)開溝器性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)的方差分析結(jié)果表明，工作深度對(duì)有效落種深度、旋耕功耗和開溝阻力有極顯著影響；旋耕轉(zhuǎn)速對(duì)旋耕功耗有極顯著影響；前進(jìn)速度對(duì)旋耕功耗有顯著性影響。通過極差分析得到各因素對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序均為工作深度、旋耕轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度，較優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為旋耕轉(zhuǎn)速200 r/min、工作深度30 cm和前進(jìn)速度為1.20 m/s(低Ⅲ擋)。

(3)采用較優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合開展田間驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在該參數(shù)組合下開溝器作業(yè)形成的種植溝可以形成有效落種空間，落種不轉(zhuǎn)向，落種深度穩(wěn)定。有效落種深度為29.9 cm，落種深度穩(wěn)定性系數(shù)為97.6%，覆土厚度8.8 cm，浮土厚度3.4 cm，旋耕功耗34.0 kW，單側(cè)開溝阻力為14.1 kN，滿足甘蔗橫向種植有效落種空間形成的開溝要求。