深施肥条件下双圆盘播种开沟器性能优化

赵淑红，谭贺文，陈君执，陈佳奇，杨 超

深施肥条件下双圆盘播种开沟器性能优化

赵淑红，谭贺文，陈君执，陈佳奇，杨 超

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

针对东北地区深施肥播种作业中播种开沟器回土性能差导致播种深度过深或烧种等问题，分析双圆盘播种开沟器回土性能。建立双圆盘开沟器与土壤运动模型，分析空间土壤颗粒位移影响因素。分析双圆盘开沟器作业后土壤回流状态，利用沟形轮廓仪绘制沟形轮廓曲线，采用分段曲线拟合方式结合数学积分法得出播种开沟器回土面积。以牵引阻力和回土面积为评价指标，土壤含水率、双圆盘开沟器直径、夹角、倾角为变量，在土槽中作正交试验。采用极差法分析试验结果，得到影响双圆盘开沟器牵引阻力和回土面积主次因素及双圆盘开沟器最优组合：在土壤含水率为12%±1%情况下，开沟器圆盘直径320 mm、圆盘夹角12°、圆盘倾角6°。选用最优参数组合双圆盘开沟器与传统双圆盘作土槽和田间对比试验，结果表明，最优参数组合双圆盘开沟器作业性能优良，可为双圆盘播种开沟器优化设计提供借鉴。

开沟器；深施肥；土壤回流；试验

播种作业中的常用深施肥主要有侧深施肥与深施肥。侧深施肥是在播种作业时将肥料施于种子侧位土壤中，可简化播种程序，减轻作业强度，但作物生长中期肥力不足[1]。深施肥作业方式，即播种作业时，将肥料施于种子正下方，待种子发育一定阶段，根系接触到底肥后迅速发育，保证种子出苗率和产量[2]。

双圆盘开沟器工作时不易黏土、堵塞，干湿土混合现象较少，可在整地条件差和土壤湿度较大情况下正常工作，广泛应用于各种播种机[3-5]。学者对双圆盘开沟器已有大量研究，Vamerali等设计双圆盘宽翼型开沟器[6]；王庆杰等为解决长江中下游稻麦轮作区稻茬田免耕播种小麦机具堵塞及土壤黏附严重等问题，设计满足宽幅播种作业双圆盘开沟器[7]；周训谦等仿真双圆盘开沟器切削茎秆和土壤混合物，为油菜播种机设计提供理论依据[8]。东北地区春季深施肥播种作业时，施肥量大，若播种开沟器回土性能差，易出现烧种等问题[9-10]，但目前双圆盘开沟器作业回土能力研究鲜有报道。

本文基于深施肥播种作业方式，研究双圆盘播种开沟器作业性能。通过理论分析与试验结合方法研究深施肥双圆盘开沟器回土性能，为双圆盘播种开沟器优化设计提供参考。

1 深施肥条件下双圆盘播种开沟器作业原理

播种机作业时，根据深施肥农艺要求，选用锐角施肥开沟器配合播种开沟器作业。施肥开沟器首先破土，开出肥沟，施下底肥，被扰动土壤部分自然回流沟内，覆盖底肥。双圆盘播种开沟器二次开沟，将部分土壤推回沟内，底肥二次覆土同时播种，保证种肥垂直间距。开沟器单体三维模型见图1。

图1 开沟器单体三维模型Fig.1 3D model of curved-surface opener

1.1 施肥开沟器

实现深施肥作业，施肥开沟器须达到施肥深度且保持稳定。本文前期研究基础上研制新型锐角施肥开沟器[11-12]，以满足深施肥下农艺要求。施肥开沟器由铲柄和破土铲组成，如图2所示。铲柄为20 mm×40 mm空心矩形方钢，兼有导肥管作用，铲柄高度h，取值450 mm。破土铲结构参数：γ为开沟器入土角，取值40°；β为开沟器入土隙角，取值11°；R为破土铲圆弧半径，取值300 mm；c为破土铲铲尖长度，取值30 mm。

图2 施肥开沟器结构Fig.2 Structure diagram of fertilizer opener

1.2 播种开沟器

播种开沟器选用双圆盘开沟器（见图3），圆盘周边有刃口，作业时可切割土壤和残茬。整地条件差和土壤湿度较大地况可正常工作。双圆盘开沟器由轴承外壳、圆盘、轴承总成、铲柄组成。D为圆盘直径；θ为双圆盘夹角；α为圆盘倾角，即圆盘与垂直地面方向夹角，衡量圆盘倾斜程度。

2 双圆盘开沟器与土壤运动模型建立

施肥开沟器完成作业开出肥沟，沟内土壤自然回流，此时土壤细碎状态，可视为散粒体。双圆盘开沟器入土后与土壤接触，土壤在圆盘作用下产生扰动位移。基于理想情况下，不考虑土壤内聚力、粘附力，取土壤单个颗粒，分析其运动作用过程。土粒在土层挤压下受圆盘支持力FN（垂直于圆盘）、摩擦力Ff（垂直于土粒P点与圆盘中心连心线）以及重力G作用。开沟器沿机组方向运动时，土壤颗粒P沿开器圆盘斜面运动（见图4）。以机组前进速度方向为x轴，垂直于前进速度方向为y轴，垂直地面方向为z轴，建立运动微分方程为：

式中，φ-土壤颗粒沿圆盘摩擦角（°）；θ-开沟器左右两侧圆盘夹角（°）；α-开沟器圆盘倾角（°）；ω-开沟圆盘角速度（rad·s-1）。

图3 双圆盘开沟器结构Fig.3 Structure diagram of double disk opener

将式（1）~（3）作两次积分得到土粒P在三个坐标轴方向位移方程（5）~（7）如下：

式中，Sx、Sy、Sz-土壤颗粒在x轴方向位移、y轴方向位移、z轴方向位移；C1~C6-积分常数。

开沟器入土后以匀速V1前进，每次开沟作业距离为L，将速度V1、作业距离、每次作业时间均视为常量，则各常量关系如下：

式中，R-圆盘开沟器半径（mm）；L-双圆盘开沟器作业距离（mm）；V1-播种开沟器作业速度（m·s-1）；V2-双圆盘线速度（m·s-1）。

图4 土壤颗粒受力模型Fig.4 Stress model of soil particle

将式（8）~（10）带入式（5）~（7）中，简化后得：

分析式（11）~（13），C1~C6为积分常数；土粒质量m、开沟作业距离L、机组作业速度V1均视为常数；因与双圆盘开沟器接触作用土壤被视为散粒体，不考虑土壤内聚力、粘附力，将其重力、摩擦力、支持力均视为常量。式中双圆盘开沟器圆盘半径、圆盘夹角、圆盘倾角为变量，决定土壤颗粒在空间三个方向位移（Sx、Sy、Sz）。根据土壤颗粒在x、y、z三个方向位移可计算圆盘开沟器运动时土壤颗粒总位移：

式（14）中S为土壤颗粒在空间总位移，当土颗粒运动脱离圆盘开沟器后，将不再受开沟器作用挤压力与摩擦力，加速度逐渐减小至零。因此，仅凭公式（14）无法得出土粒具体空间位移，但通过理论分析可知双圆盘开沟器在深施肥条件下作业时，其半径R、圆盘夹角θ、圆盘倾角α等因素对土壤扰动有影响。

3 双圆盘开沟器土壤回流分析

土壤回流是开沟器工作时土壤颗粒从静止到随开沟器运动，再到脱离，自然回落的物理过程[13]。施肥开沟器开出肥沟，肥料落在沟底，被施肥开沟器扰动土壤会有一部分自然回流到沟底，双圆盘播种开沟器播种作业后，扰动土壤再次回流覆盖，防止种肥间土壤过少烧种。分析影响双圆盘开沟器扰动土壤位移主要因素为半径R、圆盘夹角θ、圆盘倾角α），在此基础上建立土壤回流模型。

3.1 开沟器土壤回流模型建立

双圆盘开沟器作业时，其前端开始接触土壤（防止作业时有土壤进入圆盘之间，造成圆盘夹土和堵塞，两圆盘前端接触，接触点称为聚点），由于开沟器前窄后宽，随开沟器运动，开沟器尾端沟宽达最大值。扰动土壤将沿（图5a中蓝色箭头方向）开沟器尾端回流到沟内。图中d为达播种深度h时，两侧圆盘底端宽度。

将双圆盘开沟器圆盘结构简化成五面体ABDCm（见图5b），平面AmC和平面BmD表示开沟器两侧圆盘，会交于聚点m。线段AC、BD长度即圆盘直径。线段A1C长度即圆盘半径R，圆盘夹角θ、圆盘倾角α如图5b所示。由平面ABDC可得公式（15），圆盘顶端宽度与底端宽度关系式。由示意图5a可知圆盘底端长度（线段CD长度）决定沟宽。

由于线段AC长度即为圆盘直径长度，得：

图5 开沟器土壤回流模型Fig.5 Soil recirculation model of opener

根据田间生产试验验证，深施肥条件下双圆盘开沟器作业沟宽小于110 mm，故线段CD值小于110 mm。开沟器铲柄宽度为30mm，若圆盘上部间距小于铲柄宽度，则AB取值大于40 mm。圆盘直径过小，易发生转动不灵活和拥土，增加阻力。圆盘直径常用范围300~380 mm[14]，而深施肥时采用圆盘直径范围300~340 mm，即半径范围为150~170 mm。将线段AB、CD以及直径范围带入关系式（16）中，可得圆盘倾角α范围3~6°。结合设计规范手册和田间生产经验，选取圆盘夹角范围10~14°。

3.2 土壤回流状态分析

3.2.1 施肥开沟器回土状态

施肥开沟器为锐角开沟器，作业时对土壤有一定扰动，开出沟形呈V字型（见图6）。图6中区域A表示未被扰动土壤部分，土壤密度较大，颜色较深。区域B表示已被扰动土壤自然回流部分。土壤被扰动后状态松散、密度小，故颜色较浅。开沟器实际工作深度为h2（沟底与水平地面距离），开沟作业后自然回土深度为h1。施肥开沟器完成作业，底肥顺导肥管排到沟底。

图6中f1代表自然回土后沟形曲线，f2代表实际工作深度下沟形曲线。计算面积A1（自然回土后沟形曲线与水平地面间面积）与A2（工作深度下沟形曲线与水平地面间面积）。

面积A2与A1之差Aa即为自然回土面积[15]。

图6 施肥开沟器回土Fig.6 Soil recirculation diagram of fertilizer opener

3.2.2 组合开沟器回土状态

施肥开沟器作业完成后，播种开沟器再次开沟。分析组合开沟器作业后土壤状态，如图7所示。f3代表组合开沟器自然回土后沟形曲线，f4代表组合开沟器实际工作深度下沟形曲线。计算面积A3（自然回土后沟形曲线与水平地面面积）与A4（工作深度下沟形曲线与水平地面面积）。同施肥开沟器土壤回流机理分析一样，计算组合开沟器在开沟后土壤回流面积Ab。

组合开沟器与施肥开沟器自然回土面积差值ΔA即为播种开沟器回土面积：

若回土面积过小，种子与底肥直接接触，易造成烧种，另一方面垂直距离过小播种深度过深，播种开沟器回土性能影响播种质量。

图7 组合开沟器回土示意图Fig.7 Soil recirculation diagram of sowing opener

4 试 验

4.1 试验条件

为研究深施肥作业方式下，双圆盘播种开沟器性能，将施肥开沟器与双圆盘开沟器同时作业，2017年5月在黑龙江省农业机械工程科学研究院室内土槽完成试验，试验设备见图8。试验条件：土槽长70 m、宽3 m、土壤厚度1.5 m，土壤为典型东北黑壤土，具有粒度均匀、透气性好、透水性好等特点，土壤具体参数见表1。试验速度为5km·h-1，施肥开沟器深度为110mm，播种开沟器深度为50mm。试验条件模拟东北地区春季播种。试验动力设备为全液压四轮驱动车，车速最大可达8 km·h-1。

图8 土槽试验Fig.8 Crush test

表1 试验土壤物理参数值Table 1 Physical properties of the experimental soil

4.2 测力装置原理

测试装置采用六分力三向侧力装置（黑龙江省农业机械工程科学研究院生产）。

4.2.1 测力装置

测力装置分上悬架和下悬架，两悬架间连结六个拉力传感器（三个测量垂直力、两个测量牵引阻力、一个测量侧向力）。根据二力杆原理，采用铰接方式连接，传感器分布图（见图9），按中心、对称分布原则，可有效采集三向力。

4.2.2 传感器

拉力传感器采用中国航天空气动力技术研究院研制BK-1A型柱式传感器。弹性体为柱环式结，用于拉伸力和压缩力测量，量程为0~1 KN；输出灵敏度为1.5~2.0 mV；激励电压为24 V；温度补偿范围为±60℃；安全过负载率为120%F.S；零点输出为0~±1%F.S；重复性为±1%F.S，性能稳定可靠，便于安装，适用各种测力系统。

4.2.3 信号处理

六个传感器均配有信号放大器，通过不同通道将传感器应变信号放大，经脉冲调制处理，最后将发射组件获得信号发给接收端，转换成4~20 mA可用信号，通过A/D转换后由计算机分析处理。信号处理流程如图10所示。

4.3 试验方案

4.3.1 选取因素和指标

圆盘开沟器直径、倾角和夹角为试验因素；综合上述回土理论分析并结合农业机械手册，选取合适试验因素水平值，如表2所示；为分析不同土壤情况下双圆盘开沟器作业性能，选取三种土壤含水率作为试验因素。综上所述，试验因素为土壤含水率、圆盘直径、圆盘夹角、圆盘倾角。

4.3.2 试验方案

每个因素各取3个水平，选用L9（34）正交表试验（见表2），因素编码值符号为A、B、C、D。试验区域分为3部分，即试验调试区域（10 m）、试验区域（50 mm）和试验整理区域（10 mm）。土槽车牵引速度定为5 km·h-1。

4.3.3 指标测量方法

（1）牵引阻力测量。组合开沟器开沟作业时，牵引阻力可由土槽车测试系统测出，数据以Excel形式保存在计算机内。

（2）回土面积测量。依据公式（17）~（19）计算施肥铲自然回土面积（Aa），再计算组合开沟器作业后回土面积（Ab）及播种开沟器回土面积（ΔA）。

图9 测力装置Fig.9 Diagram of force measuring device

图10 信号处理器流程Fig.10 Signal processing flows

表2 正交试验因素与水平Table 2 Factor-level table of orthogonal test

以计算组合开沟器回土面积为例，随机选取正交试验第三组组合（圆盘直径340 mm、夹角14°、倾角6°）。Hasimu等利用沟形测量组合开沟器自然回土面积，以坐标纸绘制沟形曲线[16]；将沟内回落土壤扒出（且将沟两侧扰动土清理干净），使其深度达到开沟深度，利用同一张坐标纸再次绘制沟形曲线。

对沟形曲线的轮廓曲线建立坐标系，并对上沟形曲线f3提取20个坐标点。采用多段曲线拟合方法[17-18]，利用SPSS软件对每五个点二次回归，拟合方程如表3所示。同理，拟合f4多段曲线方程。采用积分方法计算回土面积（A1+A2+A3）。

4.4 正交试验结果与分析

开沟器牵引阻力和回土面积正交试验结果如表5所示，A（土壤含水率）、B（圆盘直径）、C（圆盘夹角）、D（圆盘倾角）为因素编码值，对试验结果作极差分析和方差分析。

表3 沟形曲线坐标点Table 3 Coordinate points of groove shape curve

图11 沟形示意图Fig.11 Diagram of groove shape

由表5可知，通过正交试验结果极差分析，得影响牵引阻力因素主次顺序为：A、B、D、C，各因素最优水平水平分别为：A1、B2、D3、C1，得到影响牵引阻力最优组合为A1B2D3C1。通过极差分析，得到影响回土面积因素主次顺序为：A、D、C、B，各因素最优水平分别为：A1、D3、C2、B2，获得影响回土面积最优组合为A1D3C2B2。

4.5 正交试验结果方差分析

对正交试验结果作方差分析，试验指标牵引阻力方差分析结果如表6所示。分析结果表明，土壤含水率和圆盘直径对牵引阻力影响极显著（p＜0.01）；圆盘夹角和圆盘倾角对牵引阻力影响显著（0.01＜p＜0.05）。通过数据分析，试验指标回土面积方差分析结果如表7所示。结果显示，试验因素土壤含水率、圆盘直径、圆盘夹角、圆盘倾角对回土面积影响均极显著（p＜0.01）。

表4 沟形曲线方程Table 4 Groove shape curve equation

4.6 最优参数组合确定

土槽试验以牵引阻力、回土面积作为衡量组合开沟器作业性能标准，通过上述极差分析可知土壤含水率、圆盘开沟器半径、夹角、倾角对指标影响程度不同，所得最优水平组合不同。如表5所示，综合分析试验因素对指标牵引阻力和回土面积影响结果，对于土壤含水率、圆盘直径、圆盘倾角最优水平均为：12%±1%、320 mm、6°；针对圆盘夹角分析，试验因素对牵引阻力影响主次为：土壤含水率＞圆盘半径＞圆盘倾角＞圆盘夹角；试验因素对回土面积影响主次为：土壤含水率＞圆盘倾角＞圆盘夹角＞圆盘半径，故圆盘夹角对回土面积影响显著性高于牵引阻力。综上所述，双圆盘开沟器最优参数组合为：在土壤含水率为12%±1%情况下，开沟器圆盘直径320 mm、圆盘夹角12°、圆盘倾角6°。

表5 牵引阻力与回土面积的正交试验结果Table 5 Orthography experiment results of traction resistance and soil reflow area

表6 牵引阻力方差分析Table 6 Variance analysis of draft force

4.7 对比试验

为验证优化后最佳参数与优化结果，选择最优参数组合下双圆盘开沟器（圆盘直径320 mm、圆盘夹角12°、圆盘倾角6°）与东北播种常用双圆盘开沟器（圆盘直径340 mm、圆盘夹角12°、圆盘倾角0°）对比试验。由于田间无法获得开沟器作业牵引阻力，在黑龙江省农业机械工程科学研究院土槽中展开试验。

试验条件：土壤含水率为14.7%，土壤硬度为698 kpa，工作速度为5 km·h-1，施肥开沟器深度为110 mm，播种开沟器深度为50 mm。采取5组重复试验，结果取平均值，如表8所示。

表7 回土面积方差分析表Table 7 Variance analysis of the area of soil recirculation

表8 双圆盘开沟器对比试验Table 8 Comparative test of double opener

如表6所示，最优参数组合下双圆盘开沟器作业时所受牵引阻力为479 N，小于传统双圆盘开沟器所受牵引阻力（562 N）；最优参数组合下双圆盘开沟器回土面积（25.8 cm2）大于传统双圆盘开沟器（17.3 cm2），表明优化后双圆盘开沟器具有良好作业性能。

5 田间性能试验

土槽对比试验中，以牵引阻力和回土面积作为评价指标，试验结果表明优化后双圆盘开沟器作业性能良好，为进一步分析田间作业效果，在东北农业大学向阳实习实验基地开展大面积播种田间试验（见图12）。试验地为耕整地，耕作方式为前茬秸秆粉碎还田，秋季垄体灭茬深松，春季沿灭茬深松带播种玉米。

试验机具选用2BM-2型玉米免耕播种机；拖拉机型号为约翰迪尔484；播种开沟器分别选用最优组合下双圆盘开沟器和传统双圆盘开沟器，分别播种作业；玉米品种为新中龙1号。试验作业速度为拖拉机快一档位（3.68 km·h-1），施肥深度为110 mm，播种深度为50 mm。

图12 田间试验Fig.12 Filed test

以玉米产量作为评价指标，使用优化双圆盘开沟器作业产量为810.62 kg·亩-1，高于传统双圆盘开沟器作业产量634.40 kg·亩-1。

6 结 论

各因素最优参数组合：在土壤含水率为12%±1%情况下，开沟器圆盘直径320 mm、圆盘夹角12°、圆盘倾角6°。

土槽和田间对比试验结果表明，优化后双圆盘开沟器牵引阻力和回土面积（479N、25.8 cm2）优于传统双圆盘开沟器（562N、17.3 cm2）；优化后双圆盘开沟器作业产量（810.62 kg·亩-1），高于传统双圆盘开沟器（634.40 kg·亩-1）。

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Performance experiment of double disk opener used for sowing under deep fertilization/

ZHAO Shuhong,TAN Hewen,CHEN Junzhi,CHEN Jiaqi,YANG Chao
(School of Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

According to the problems that the poor performance in soil back of sowing boot resulted in deep sowing or burning of deed.In this paper,the performance in soil back of the double disc sowing opener was studied.The acute angle fertilizing shovel and the double disc sowing opener were combined operation.The double disc opener and soil movement models were established.Theoretical analysis of the factors influencing the spatial displacement of soil particle was carried.The soil reflux state after operation of the combined opener was analyzed.Trench surveying instrument was used to draw groove profile curve and piece wise curve fitting method combined with mathematical integral method were used to solve the soil back area of sowing boot.Making the traction resistance and soil back area as the evaluation index,the diameter,angle,dipping of double disc opener as factors,and orthogonal test was conducted on the soil crush.The effect of various factors on working performance of sowing boot was investigated,and the test results were optimized using fuzzy comprehensive evaluation method which showed that the primary sequence of factors:the disc diameter,the angle of disc,the dipping of disc.The optimal combination:in the case of soil moisture content of 12±1%,disc diameter of 320mm,disc angle of 12 degrees,disc dipping of 6 degrees.The optimum parameters combination of double disc opener and traditional double disc were used for soil slot and field comparison.The resulted show that the optimal parameter of double disc opener was superior.This study provided valuable information for the optimization design of double disc sowing opener.

opener;deep fertilization;soil back flow;test

S223.2

A

1005-9369（2017）11-0086-11

时间2017-12-7 12:39:17 [URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20171207.1239.018.html

赵淑红,谭贺文,陈君执,等.深施肥条件下双圆盘播种开沟器性能优化[J].东北农业大学学报,2017,48(11):86-96.

Zhao Shuhong,Tan Hewen,Chen Junzhi,et al.Performance experiment of double disk opener used for sowing under the deep fertilization[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(11):86-96.(in Chinese with English abstract)

2017-08-30

国家科技支撑计划项目（2015BAD23B05）；黑龙江省博士后科研启动基金项目（LBH-Q16026）；黑龙江省重大科技招标项目（GA14B101-01）

赵淑红（1969-），女，教授，博士生导师，研究方向为田间农业机械及力学特性。E-mail:shhzh091@sina.com