三向可调式V型覆土镇压器设计与试验

陈海涛，徐 源，史乃煜

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

覆土镇压为传统播种技术措施，土壤对种子覆盖压实，具有蓄水、保墒等功能，对提高农作物出苗率和产量影响显著[1-2]。Taser和Ichiro等研究覆土镇压装置覆土器、镇压器独立部件及覆土镇压性能对土壤墒情影响[3-4]。罗红旗等研究组合式镇压器镇压垄台与播种带[5]。王景立等针对东北垄作模式设计覆土器，可调节垄型尺寸及需覆土厚度[6]。佟金等参考臭蜣螂腹侧面几何结构优化设计肋条型仿生结构，防粘效果较好[7-8]。董向辉等研究刮板式输送覆土器覆土量均匀充足特点[9]。王洪锋针对精密播种机播深控制问题设计仿形限深V型覆土镇压器，作业时可精确控制播种深度[10]。刘选伟等研究双层圆盘式覆土器可有效保证播深一致性[11]。贾洪雷等设计一种仿生仿形弹性镇压辊，在镇压作业过程中纵向和横向仿形同时，采用仿生结构研究防粘防滑问题[12-13]。Ren等研究仿生结构覆土镇压装置，减粘降阻效果显著[14-15]。郭慧研制锥形轮体结构覆土镇压器，提高作业过程中机具稳定性[16]。以上研究多基于整备后农田环境，但原茬地免耕种植模式覆土镇压装置及其综合性能研究较少。

针对上述问题，设计一种三向可调式V型覆土镇压器，以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）防粘材料和仿生学理论为基础，在覆土镇压圆盘触土表面设计防粘结构。采用五因素二、三水平作混合正交试验，探究覆土镇压器在不同土壤类型条件下参数优化组合，以期为不同土壤类型条件下免耕播种机覆土镇压器设计奠定基础。

1 三向可调式V型覆土镇压器设计

1.1 总体结构与工作原理

三向可调式V型覆土镇压器，主要由连接梁焊合、花键轴（套）焊合、手柄丝杠和两个对称布置锥形覆土镇压圆盘组成，如图1所示。花键轴可轴向移动、周向定位插配在花键套下部，手柄丝杠与花键轴焊合通过螺纹连接，在花键轴下部与花键套轴线垂直且可转动地插装横梁，花键轴下部后侧壁面上设有限位长槽孔，套管一侧断面上设有支撑定位凹槽，套管轴向定位装配在调节锁紧螺杆上。调节锁紧螺杆前端插入花键轴上限位长槽孔内，且与横梁上螺纹孔连接，支撑定位凹槽与限位长槽孔相匹配。在横梁左、右端部分别固装L型刮泥刀，在螺杆上分别配装左、右覆土镇压功能钢制锥形圆盘，圆盘锥顶角为47°。锁紧螺母分别安装在左右旋螺杆上。通过左、右旋螺纹配合对覆土镇压圆盘周向定位。转动花键套上旋转手柄可调节覆土镇压圆盘下陷深度，通过上下转动调节锁紧螺杆调整覆土镇压圆盘与水平、垂直面间夹角，依靠左右两个具有一定倾角圆盘组合形成V型倾斜面结构镇压土壤，构成三向可调式V型覆土镇压器。为增强覆土镇压圆盘工作过程中滚动镇压效果，在圆盘外折圆周上开出90°三角形缺口。

图1 三向可调式V型覆土镇压器结构Fig.1 Schematic diagram of three direction adjustable V-type roller

工作过程中，覆土镇压圆盘对种沟两侧土壤产生挤压力，实现覆土和镇压。覆土镇压与防粘等综合性能与镇压器覆土镇压圆盘直径、宽度、载荷和圆盘倾角及开合角度（包括水平、铅垂两个方向）等参数有关[17]，并与覆土镇压圆盘表面结构及材料有关。

1.2 覆土镇压圆盘设计

1.2.1 覆土镇压圆盘直径

覆土镇压圆盘直径对覆土镇压效果、滑移及土壤粘附程度等均有影响。直径过小，易出现打滑甚至拖土和壅土等现象。直径过大，增加滚动阻力。保证覆土镇压圆盘正常转动和不滑移条件如式（1）所示[18]。

式中，d-镇压圆盘直径（mm）；ωr-轴套中摩擦力矩（N·m）；Q-作用在镇压器上总载荷（N）；f-土壤与镇压器摩擦系数，无量纲常数。

结合实际作业情况，覆土镇压圆盘直径一般选取200～500 mm。为减小圆盘滚动阻力，覆土镇压器覆土镇压圆盘直径选取外缘直径d1为350 mm，内缘直径d2为300 mm。

1.2.2 覆土镇压圆盘宽度

覆土镇压圆盘宽度由开沟宽度决定，过小导致苗带下沉，形成沟状。过大则因压强减小，难以保证镇压农艺要求。确定尖角开沟器开沟后覆土镇压圆盘宽度，以镇压器工作后视方向为视角，设置覆土圆盘接地表面水平中心为坐标原点，在竖直面上建立平面直角坐标系，如图2所示，选取覆土圆盘与地面间曲线为沟型曲线，在沟型曲线中分别选择5点C（Xc，Yc）、D（Xd，Yd）、E（Xe，Ye）、F（Xf，Yf）、H（Xh，Yh），其中 F 点横坐标最小，H点纵坐标最大，种沟底部G点满足Xg=Xh点中y值最小点。以Xg=Xh为分界点，在X轴方向上寻找y最小值，得到G、E两点（Yg=Yh）。

式中，b1-沟宽（mm）；b2-垄宽（mm）；b3-幅宽（mm）；h2-沟深（mm）；h3-回土深度（mm）。

针对开沟地况，假设位于沟深一半位置所在两沟侧边缘距离为实际沟宽。即如图中A、B间水平距离。A、B两点纵坐标如式（3）所示。

三向可调式V型覆土镇压器覆土镇压圆盘宽度通过下陷量、接地面积及应力传递影响土壤容重[19]。当宽度40～70 mm时，宽度对土壤容重影响较小。2BMFJ系列免耕覆秸精播机单行播种单元体实际开沟器开沟宽度34 mm。覆土圆盘宽度应大于沟宽，因此本试验将镇压器覆土圆盘宽度设计为55 mm。

图2 种沟沟型参数与特征点Fig.2 Schematic diagram of groove parameters and characteristic points V-type roller

1.2.3 覆土镇压圆盘载荷

覆土镇压器对土壤作用载荷主要源于单体自重及其仿行机构中弹簧等部件产生附加载荷。对单体受力分析如图3所示，拖拉机通过机架作用于播种单元体拉力为F，开沟器前进工作阻力为Rx，垂直阻力为Ry。忽略其他工作部件阻力干扰，镇压器在垂直方向对土壤压强为p，其中土壤对覆土镇压器反作用力在垂直方向载荷Qy与覆土镇压器对土壤总载荷Q互为作用力与反作用力，大小相等，方向相反[20]。

图3 播种单元体受力分析Fig.3 Schematic diagram of the stress analysis of a sowing unit

覆土镇压圆盘在地面行走时，其接地形状可简化为矩形，面积可由覆土镇压圆盘宽度与径向接地弧长之积表示。划分单个圆盘表面与地面接触区域，图2中a1、a2两部分分别代表水平接地区域和倾斜面接地区域，其接地面积计算如式（4）～（5）所示[16]。

其中

式中，Z0土壤下陷量（mm）；S1为覆土圆盘大端水平接地面积（mm2）；S2为覆土圆盘小端倾斜面与土壤接地面积（mm2）；S为两部分接地面积总和（mm2）。

覆土镇压圆盘对称布置，因此其总接地面积为2S。工作时覆土镇压圆盘分别向左右两侧倾斜，两圆盘位于中心点O处夹角为δ，圆盘边缘外折角度为θ，圆盘对种子的径向压强可由镇压器作用载荷与其总接地面积之比求得[16]，如式（6）所示。

式中，Qy-铅垂载荷（N）；p-压强（kPa）。根据免耕播种条件下农艺要求，应满足如下条件[21-22]：

对免耕覆秸作业，在满足要求时土壤下陷量Z0=8 mm[16]。结合式（4）～（7），镇压器铅垂载荷Qy约为629.2～948.5 N。

1.2.4 覆土镇压圆盘表面结构及材料确定

为减少覆土镇压圆盘工作过程中由于土壤粘附量较大而引发系列问题，基于仿生学与非光滑仿生理论基础，设计近似正弦函数半周期波纹形截面防粘结构，采用防粘超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料制造。通过螺纹连接从圆盘内侧面将防粘结构安装至覆土镇压器覆土镇压圆盘作业面，构建具有减粘功能的三向可调式V型覆土镇压器试验装置。如图4所示。

由图4中覆土镇压器试验装置防粘结构特征可知，防粘结构高度和防粘结构均布数量等影响覆土镇压器作业过程中土壤粘附和覆土镇压效果。当防粘结构截面高宽比≤0.5时，防粘效果最佳。根据镇压器覆土镇压圆盘结构特点，本研究拟选防粘结构如图5所示。作业过程中，防粘结构在载荷作用下压入土壤，减小覆土镇压圆盘滑移率。防粘结构分布数量影响覆土镇压器工作中防粘效果，参考弹性镇压装置[12-13]，将防粘结构通过螺栓固定于覆土镇压圆盘触土表面，为保证覆土镇压装置压实效果，防粘结构数量选取6～12个，均匀分布于圆盘圆周表面，实现防粘功能。防粘结构振动和相对滑动产生碎土作用。

图4 覆土镇压器防粘结构Fig.4 Anti-stick structural of soil-covering and soil-compacting device

2 参数优化试验

2.1 试验条件

参数优化试验于2018年8月2日～4日在东北农业大学向阳实验实习基地实施。试验地为大豆秸秆原茬地。土壤容积密度1.21 g·cm-3、土壤含水量10.5%～27.9%、土壤类型为东北黑黏土和模拟砂壤土。试验前将三向可调式V型覆土镇压器安装于原茬地免耕覆秸播种机播种单体，调节花键轴（套）部件中手柄丝杠获得合适开沟深度，调整螺杆获得合适左右圆盘间距（轴向距离），调节锁紧螺杆控制覆土镇压圆盘在水平和垂直开合角度（覆土角度）。当圆盘接地间距34 mm，覆土角度处于最佳工作位置（覆土镇压圆盘前进方向水平夹角21.3°、垂直方向夹角28°），覆土厚度满足NY/T503～2002《中耕作物单粒（精密）播种机作业质量标准》时[23]，实施试验。

2.2 试验仪器

试验仪器主要有TYD-2型土壤硬度计、TZS-1土壤水分测量仪（浙江托普仪器有限公司制造）、电子秤等。试验装置与田间作业效果如图6所示。

2.3 试验方法

采用L18（21×37）混合正交试验方法。根据资料分析和前期试验示范准备情况，以土壤类型、防粘结构均布数量、土壤含水量、覆土镇压圆盘对土壤铅垂载荷（以下简称“载荷”）和镇压器作业速度为试验因素，以土壤粘附量y1和覆土镇压后土壤紧实度y2为试验指标，共设置18组试验。土壤类型取东北黑黏土和模拟砂壤土2水平，其余各因素均取3水平。对于土壤含水量，根据农艺要求，一般在18%～22%内，本试验拟选取15%、20%和25%三个水平，考虑田间土壤含水量难以控制，充分利用天气对土壤含水量影响，降雨前后检测，选取适宜土壤含水量，测量5次取平均值，在黑黏土壤中实际含水量为16.3%、21.2%和28.5%，砂壤土中实际含水量为14.8%、18.9%和26.7%。利用机具播种单体仿行机构弹簧，结合文献[21]载荷设置方法标定与设置试验装置作载荷。机具作业速度参考2BMFJ系列免耕覆秸精量播种机试验示范及前期研究基础，由拖拉机档位控制。试验因素水平编码如表1所示。

图5 防粘结构Fig.5 Anti-stick structural

图6 参数优化试验Fig.6 Parameter optimization experiment

表1 试验因素水平编码Table 1 Factors and levels of experiment

试验指标测试方法：土壤粘附量；每次试验完成后将粘附在镇压器表面土壤刮下，电子秤测量质量，每组试验重复3次，取其均值为试验结果。土壤紧实度；在镇压后土壤表面，随机选取5点，用TYD-2型土壤硬度计测量压实后土壤紧实度，取其均值为试验结果。

2.4 试验结果与分析

试验设计方案与分析结果见表2、3所示，参数优化试验优化土壤粘附量y1和土壤紧实度y2两个试验指标。

应用Design-Expert 6.0对试验结果作方差分析，分析结果见表3。由表2可知，各因素对土壤粘附量影响程度由高到低为土壤类型、土壤含水量、防粘结构均布数量、载荷和作业速度；各因素对覆土镇压器压实土壤紧实度影响程度由高到低为土壤类型、防粘结构均布数量、载荷、作业速度与土壤含水量。由表3方差分析可知，影响土壤粘附量极显著因素是土壤类型，影响土壤粘附量显著性因素是防粘结构均布数量和土壤含水量。不同土壤类型土壤质地或土壤机械组成差异较大。质地黏重土壤类型，粘附力比砂壤土大，本试验结果可印证这一结论。黑黏土黏粒含量高，粘结性大。砂土砂粒含量高，粘结性较小。由于黏土壤中黏粒含量高，土壤与外物粘附界面水膜数量较高，界面水膜张力大。覆土镇压器工作过程与土壤相对运动接触结果表明，在黑黏土壤类型条件下，其均布数量越多，防粘材料与土壤接触面越大，土壤粘附量越小。土壤含水量对土壤粘附量影响也取决于界面水膜张力，土壤粘附量均随含水量增加而增加。影响土壤紧实度主要因素是土壤类型、防粘结构均布数量与载荷。原因是试验中两种土壤类型土壤颗粒粘附与松散状态差异较大，黏土黏粒间吸附能力较强，受外界压力时，土壤易变形压实。防粘结构因凸起部分使地面土壤受力集中，均布数量越多，力分布越相对集中。载荷直接影响镇压力，改变土壤紧实度。

表2 试验设计方案与结果Table 2 Experimental design layout and results

2.5 参数优化

优化原则：原则上应保证土壤紧实度在农艺要求30～50 kPa内，土壤紧实度越大越好，同时土壤粘附量越小越好。考虑本试验研究黑黏土条件下土壤粘附量和砂壤土条件下土壤压实问题。对两种土壤类型分别作参数优化。在黑黏土壤类型条件下，综合考虑两项指标，最优参数组合为A1B3C1D2E2，综合影响土壤粘附量和土壤紧实度两项指标因素主次顺序为ABCDE；在砂土土壤类型条件下，最优参数组合为A2B3C1D3E3，综合影响土壤粘附量和土壤紧实度两项指标，因素主次顺序是ABDEC。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

2.6 验证比较试验

在两种不同土壤类型条件下，分别以其最优参数组合对防粘覆土镇压器土壤粘附量和镇压后土壤紧实度作验证试验，在同等试验条件下与金属圆盘覆土镇压器作配对比较试验，重复3次，配对比较试验结果如表4所示。

表4 配对比较试验结果Table 4 Paired comparison test results

运用Design-Expert 6.0软件分析配对比较试验结果可知，东北黑黏土环境，两种覆土圆盘对土壤粘附量影响显著，对土壤紧实度影响不显著，均满足农艺压实要求。防粘覆土镇压器土壤粘附量均值42.9 g，土壤紧实度均值40.5 kPa，金属圆盘覆土镇压器土壤粘附量均值85.5 g，土壤紧实度均值38.3 kPa。两种圆盘覆土镇压器粘附量相比，防粘覆土圆盘镇压器减粘效果提高49.8%。在模拟砂壤土环境中，两种覆土镇压圆盘对两指标影响均不显著。防粘覆土镇压器土壤粘附量均值3.4 g，土壤紧实度均值43.0 kPa。金属圆盘覆土镇压器土壤粘附量均值4.1 g，土壤紧实度均值38.7 kPa，均可满足农艺要求。

3 结论

a.设计集覆土、镇压功能于一体三向可调式V型覆土镇压器，当防粘结构分布数量12、土壤含水量≤25%、载荷≥800 N、速度≤7.2 km·h-1时，在东北黑黏壤土环境下，具有防粘结构覆土镇压器土壤粘附量42.9 g，土壤紧实度40.5 kPa。较金属圆盘镇压器减粘性能提高49.8%；在模拟砂壤土环境中同等最优参数条件下，土壤粘附量可忽略不计，防粘覆土镇压器土壤紧实度43.0 kPa，金属覆土镇压器土壤紧实度38.7 kPa。

b.三向可调式V型覆土镇压器可在不同土壤类型条件下，更换不同覆土镇压圆盘，其覆土、镇压、防粘等综合性能良好，可满足2BMFJ系列原茬地免耕覆秸播种机技术要求。