播種機開溝器參數優化分析

李曉娜

（山東華宇工學院，山東德州 253000）

0 引言

在農業生產過程中，播種機開溝器的性能直接決定種子上方的覆土厚度和種子穴間距離，進而影響到種子發芽率和后期生產管理，對最終產量有實質性影響。相對國外相關技術發展，我國主流水平的開溝器在速度、開溝阻力、溝深控制和溝底處理方面，都有較為明顯的差距。在整體性能不足情形下，播種機開溝器作業速度受到較為明顯的限制，加強這方面的參數優化研究，對于播種機發展具有重要促進作用。

1 播種機開溝器的作業特點與性能分析

在我國目前農業生產體系中，播種機開溝器有多種類型，包括滑推式、滑刀式、圓盤式、寬幅易鏟式、鋤鏟式、芯鏵式和鴨嘴式等，這些開溝器類型在性能上存在較為明顯的差異，應用范圍和推廣程度也有所不同。以滑推式和滑刀式開溝器為例，保墑性能較好，種床結構優化，但是容易將土壤壓實，對種子發芽造成影響。圓盤式開溝器又分為單雙兩種，前者不利于保墑、播深容易出現不一致，后者則在入土性能上有所不足[1]。近些年新研制并得以廣泛應用的鴨嘴式開溝器，在入土能力方面具有較為明顯優勢，開溝阻力較小，通過參數優化，能夠達到較高的應用價值。

2 開溝器結構參數優化設計

2.1 鏟體結構參數的優化試驗

鴨嘴式開溝器參數優化目的是為了更好地降低開溝器工作阻力，提升作業性能。基于動態阻力模型分析，開溝器在工作中主要受到入土角、入土隙角、鏟體寬度和鏟體長度等因素影響，因此優化試驗的設計，是在土壤參數、作業深度和作業速度確定的情形下，對這些參數進行仿真試驗，為結構參數優化提供參考。第一步是進行單因素仿真試驗，在作業速度較低的情形下，以工作阻力變動為指標，分析開溝器鏟體寬度、入土角和入土隙角范圍。試驗過程是先保持其他參數一致，對某一項參數變動進行分析，找出參數變化與性能變化之間的對應規律[2]。

經試驗分析，在入土角不斷增加時，開溝阻力呈現先減小又逐步增加的變動模式，因此將入土角控制在30°～50°為宜。在入土隙角不斷增加的情形下，工作阻力會逐步下降后開始上升，將入土隙角控制在3°～9°較為合適。在鏟體寬度不斷增加的情形下，工作阻力在整體上會呈現不斷上升的趨勢，但是在不同增加幅度情形下，阻力增長會有平緩程度不同。在同時考慮鏟柄導種性能作用下，將鏟體寬度控制在20～30 mm 為宜。在鏟體長度逐漸減小的情形下，工作阻力會隨之逐漸減小，然后轉變為逐步增加的情形，根據試驗情況將鏟體長度控制在135～165 mm 較為合適。根據單項因素分析結果，對相關數據變化趨勢進行分析，鴨嘴式開溝器鏟體結構參數優化范圍為：入土角30°～50°，入土隙角3°～9°，鏟體寬度20～30 mm，鏟體長度135～165 mm。

在確定這些參數信息后，還需要采用二次回歸正交旋轉組合試驗的方式對選擇結果進行驗證。根據構建模型中不同因素對試驗指標的影響分析，鏟體寬度對開溝器參數優化結果的影響最為明顯，入土隙角的影響最小。通過結構參數整體優化，考慮設備生產及多方面使用環境要求，鴨嘴式開溝器鏟體結構參數優化設計為：入土角43°，入土隙角6°，鏟體寬度21 mm，鏟體長度145 mm。

2.2 開溝器鏟柄的參數選擇

開溝器鏟柄參數設計是基于對設備對應的作物播種要求，合理設計種管和鏟柄的壁厚。以應用于玉米播種的播種機為例，種子在種管內的下落狀態具有明顯的隨機性，必須要更加合理地設計種管形狀和尺寸，以更好地提升開溝器的導種性能。同時，開溝器鏟柄在播種作業過程中，應當滿足前進方向上的彎曲強度要求，其具體參數主要是受到鏟柄壁厚的影響。根據上述參數優化要求，在鏟體寬度確定的情形下，以45#矩形鋼管為材料，壁厚應當控制在3 mm 以上，可滿足開溝器在作業過程中的彎曲強度要求[3]。

2.3 開溝器結構參數的確定

根據開溝器鏟體和鏟柄參數的具體選擇，對整體結構參數進行優化：將鏟柄規格設計為20 mm×50 mm 和25 mm×50 mm兩種，在鏟柄內部截面寬度大于14 mm 情形下，能夠得到整體結構的最優參數。

3 驗證試驗

3.1 場地準備

為更好地控制試驗環境參數，平臺設計為室內智能型模式，主要結構包括土槽、軌道、牽引部分、電控系統、傳感設備及數據傳輸部分。牽引部分能夠根據試驗要求完成不同速度的動態模擬，開溝器的布置方式為三點懸掛，作業模式分為手動控制和自動控制兩種，通過傳感器收集數據并完成分析、生成數據報表，為試驗分析奠定準確基礎。

3.2 試驗制備

試驗制備包括3 個基本方面：①開溝器掛接架，其作用是為了連接試驗臺車和連接架；②對作業深度進行標定，在每次試驗流程開始前，通過不同開溝深度的標定，能夠更加細化地分析播種效果；③完成土壤含水率和緊實度的測量，只有在完成多次測量，確保含水量和緊實度都保持一致的狀態下，才能夠開始后續土槽試驗[4]。

3.3 試驗方案

試驗方案內容：①加工開溝器實體，由于開溝器呈不規則形狀，在焊接時會出現凸棱現象，增加開溝工作阻力，為減少由此帶來的影響，可以適當增加鏟體寬度，對比不同加工方案，以達到更好的試驗效果；②土槽的試驗預處理，在復雜的試驗條件下，要確保試驗流程穩定進行，需要在正式試驗前利用不同數量開溝器進行預試驗，初步對相同作業條件下開溝器工作阻力進行分析。分析發現，不同的懸掛方式會造成開溝器工作阻力的變化，尤其是單體懸掛方式的波動更為明顯。為更好地提升試驗效果，同時選擇3 個開溝器進行試驗。

3.4 試驗結果分析

試驗結果分析采用有限元分析法進行，驗證結構參數優化的可行性。試驗指標設定為作業深度5 cm、作業速度7 km/h，對開溝器優化后的作業效果和實際作業效果進行對比分析，分析內容包括土壤擾動特征的比較和工作阻力測試結果比較兩個方面。根據對比結果顯示，有限元分析模擬結果能夠較為準確地反應土壤擾動的特征，但是由于開溝器在實際運行中工作阻力受到多種因素影響，使得有限元模擬結果對比存在一定誤差，但是誤差結果在允許范圍內。

4 開溝器作業性能分析

4.1 開溝器減阻性能分析

開溝器減阻性能分析主要考慮在不同作業速度和不同作業深度兩種情況，以此能夠更加準確地分析實際性能。對不同作業速度的分析，需將作業深度控制在5 cm，速度分別設定為6 km/h、7 km/h、8 km/h。以開溝試驗結果為分析依據，在玉米播種機開溝器設計方案中，將鏟體寬度設定在23 mm 時，減阻效果能夠達到最優化狀態，降阻率能夠降低20%左右。將作業速度控制在7 km/h，將作業深度設置為3 cm、4 cm 和5 cm 三種狀態，再次重復實驗過程。經數據分析結果顯示，在不同作業深度下鏟體寬度設定在21 mm 時，減阻效果最佳，23 mm 次之。在具體設定時，需要考慮其他方面因素進行設計。

4.2 土壤擾動情況分析

土壤擾動情況分析同樣包括不同作業速度和不同作業深度兩種情況分析，分析內容主要是將開溝器作用情況進行簡化，測算側方拋土距離。對不同作業速度進行分析，將作業深度設置為5 cm，作業速度分別為6 km/h、7 km/h 和8 km/h 三種條件，通過試驗可以發現，相同參數的開溝器，在作業速度增加的情形下，拋土距離會產生明顯的增加。對不同作業深度的分析，則是將作業速度設定為7 km/h，作業深度分別設置為3 cm、4 cm和5 cm 三種條件，通過分析發現，相同參數的開溝器在作業深度增加的情形下，側方拋土距離增加幅度逐漸降低[5]。

4.3 開溝深度穩定性分析

開溝深度穩定性對作物的生長發育具有最終影響，選擇不同作業速度和作業深度的參數，對深度穩定性進行分析，經過優化后開溝器鏟體寬度降低的情形下，穩定性得以較好的提升，但是穩定性會隨作業速度和深度的增加而降低，尤其是在作業速度增加情形下，影響更為明顯。

4.4 播種性能分析

播種性能主要是對播深一致性和株距均勻性進行對比，在作業速度增加的情形下，播種深度會有明顯的波動，株距均勻性也會降低，對播種效果造成影響。因此在進行播種作業速度提升時，應當同步提升排種器的轉速，確保播種效果達到設計要求。

5 結束語

鴨嘴式開溝器在播種作業中，具有良好的應用效果，但是在實際應用中，由于相關方面的設計優化不足，使得其整體效果還無法充分顯現出來，因此對相關研究單位而言，應當通過對不同參數的優化，利用有限元分析驗證和試驗方式對優化效果進行分析，從而達到更好的處理效果。在目前試驗設計中，參數設計精細化水平還有所不足，室內試驗環境相對單一，還需要在完成試驗內容后，針對性地開展田間試驗，對作業質量深入分析，確保設備優化達到更高水平。