油菜垄作精量联合直播机起垄装置设计与试验

张青松，廖宜涛 ，陶威，廖庆喜

(1.华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070；2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，湖北 武汉 430070)

长江中下游地区是我国冬油菜主产区，该区域雨水充沛，年降水量1 300 mm以上，油菜是直根系忌水作物，种植时需要厢面平整，开畦沟沥水，利于雨水及时排出[1-3].目前使用的油菜直播作业厢面较宽，宽度一般为2～2.5 m，直播机作业时，会出现厢面不平，导致厢面积水，雨水排出不及时，影响油菜生长.油菜垄作，可以减小厢面宽度，提高厢面平整度，增加畦沟数量，利于雨水排出，避免渍害，促进油菜生长[4-5].

相关学者对垄作技术与机械装备进行了研究[6]，罗锡文等[7]设计了一种水稻精量穴直播机，该机具能够同步完成起垄、开沟和播种，由于行距、穴距、播量均可调，其适应性较强.曾山等[8]对同步开沟起垄和施肥播种直播机进行了研究，该机具在垄台上同步开出种沟和肥沟，减少肥料养分的流失和挥发，提高作物的肥料利用率.高凤[9]设计了一款双螺旋、变螺距旋耕起垄机械，能较好适应南方含水率较高的土壤.林静等[10-11]研制了一款集旋耕、灭茬、起垄一体的联合作业机具，通过试验和软件分析，得到了联合作业机的最佳作业参数.目前国内外学者的研究主要集中于玉米[12]、小麦[13]、花生[14]、烟草[15]、马铃薯[16]等农作物或者为大型农用开沟起垄机械，针对长江中下游地区油菜垄作的装置研究相对较少.

本研究针对长江中下游冬油菜种植区雨水充沛，直播作业厢面较宽，会出现厢面不平，导致厢面积水，雨水排出不及时，发生渍害，影响油菜生长的生产实际问题，设计了一种油菜垄作精量联合直播机起垄装置，通过起垄作业，实现开沟起垄、平土整形，减少厢面宽度，提高厢面平整度，增加畦沟数量，利于雨水排出，避免渍害，促进油菜生长.

1 总体结构与工作过程

1.1 总体结构

油菜垄作精量联合直播机主要由主机架、播种施肥装置、旋耕装置、开畦沟装置、起垄装置、传动系统、仿形驱动地轮等组成，结构如图1所示.该机具能一次性完成旋耕、开沟、起垄、施肥、播种等作业功能.油菜垄作精量联合直播机主要技术参数如表1所示.

1：起垄装置；2：开畦沟后犁；3：旋耕装置；4.开畦沟前犁；5.仿形驱动轮；6：种肥装置；7：三点悬挂；8：气力系统.1： Ridge planting device；2：Rear ditching plow；3：Rotary device；4：Front ditching plow；5：Shape driving wheel；6：Seed and fertilizer device；7：Three point linkage；8：Air system.图1 油菜垄作精量联合直播机起垄装置示意图Figure 1 Schematic diagram of the ridge planting device of the rapeseed ridge

起垄装置作为油菜垄作精量联合直播机的一个关键组成部件，主要由双边起垄犁、单边起垄犁、平整拖板和机架组成，如图2所示.双边起垄犁安装于起垄装置中央，单边起垄犁对称布置在起垄装置两侧.起垄犁通过U型卡槽与起垄装置机架连接，作业深度可调，可适应不同起垄作业深度.平整拖板通过压簧和销钉与起垄装置机架连接，平整拖板平整压实力可通过压簧预紧力调节，保证作业时有足够的压实力，使作业厢面平整.起垄装置安装于直播机旋耕装置正后方，实现开沟起垄、平土整形功能.

表1 油菜垄作精量联合直播机主要技术参数

1：平整拖板；2：双边起垄犁；3：机架；4：单边起垄犁.1：leveling trailer；2：Two-side ridge plough；3：Frame；4：Side ridge plough.图2 起垄装置示意图Figure 2 Schematic diagram of the ridge device

1.2 工作过程与工艺方案

田间作业时，油菜垄作精量联合直播机由拖拉机提供动力，拖拉机通过万向节，带动中央传动箱，使直播机旋耕装置细碎土壤，同时布置在直播机两侧的开畦沟装置前犁开沟起土，后犁收沟整形，起垄装置单边和双边起垄犁作业出油菜垄作要求的畦沟，并通过起垄装置起垄犁及平整拖板配合作用，作业出油菜垄作要求的垄型，如图3所示.通过油菜垄作精量联合直播机起垄装置形成满足油菜垄作要求的垄面和畦沟.

1：作业地表；2：畦沟；3：单边起垄犁；4：机架；5：平整托板；6：旋耕起垄区域；7：.畦沟；8：双边起垄犁；9：未耕土壤；10：地表秸秆.1：Working surface；2：Furrow；3： Side ridge plough；4：Frame；5： leveling trailer；6： Ridge area；7：Furrow；8： Two-side ridge plough；9： No-disturbing soil；10：Straw.图3 起垄装置作业示意图Figure 3 Schematic diagram of the ridge device operation

2 关键工作部件设计与分析

2.1 起垄犁

起垄装置起垄犁包括单边起垄犁和双边起垄犁，其中双边起垄犁为由两个对称布置的单边起垄犁组成，双边起垄犁结构如图4所示.起垄犁作为起垄装置关键部件，其主要由收土曲面、整形挡板和犁柱组成.其中，收土曲面和整形挡板为主要触土曲面，其结构决定了起垄装置的开沟起垄作业效果.

1：整形挡板；2：犁柱；3：收土曲面.1：Blocking-soil wall；2：Plow pillar；3：Lifting-soil surface.图4 双边起垄犁结构示意图Figure 4 Schematic diagram of bilateral ridge plow structure

2.1.1 收土曲面参数分析 油菜垄作精量联合直播机起垄装置作业过程中，收土曲面作业性能影响垄型和畦沟的形成，如作业性能不稳定，造成畦沟回土量大、垄面不平整和垄型不稳定，导致畦沟排水不畅和垄面种床积水，影响后续油菜生长.对土垡在起垄犁收土曲面运动过程进行分析，如图5所示.

图5 受力分析图Figure 5 Force analysis diagram

起垄装置作业时，土垡会沿着收土曲面表面滑动，收土曲面为不规则的空间曲面，对土垡进行受力分析，建立空间直角坐标系，其中犁尖为原点o，x轴为前进方向，z轴为收土曲面垂直向上方向，y轴垂直于xz平面.在不考虑力矩的情况下，简化土垡受力为两两垂直的空间力系为Fx，Fy，Fz，如图4-A所示，其中Fx为土垡前进方向所受合力，Fy为土垡耕宽方向所受合力，Fz为土垡垂直方向所受合力.为便于分析，以导曲线与犁铧线交点为原点，以垂直犁铧线方向为x1轴，垂直向上方向为z1轴建立平面直角坐标系，土垡受到自身重力G，犁壁等效支持力Fn1及等效摩擦力f，受到土壤断裂面正压力Fn2及剪切力Fα，如图4-B、图4-C所示，受力分析如公式(1)所示：

(1)

式中，σ为犁壁等效入土角，(°)；α为土壤剪切角，(°).

设起垄犁作业宽度为bL，深度为hL，直元线初始角为τ0，Fx与Fy合力为Fxy，则有：

(2)

式中，Fxyz为犁壁对土垡作用合力，N；Fxy为Fx，Fv合力，N；bL为犁体作业宽度，m；hL为犁体作业高度，m；τL为剪切面切应力，N/m2；ρ为犁壁与土垡的摩擦角，(°)；τ0为直元线初始角，(°).

忽略沟壁及沟底土壤对犁壁的作用力，则联立公式1和公式2，土垡前进方向所受合力Fx为：

(3)

可知，土垡在起垄犁收土曲面运动状态受收土曲面结构参数、运行参数和土壤物理机械特性影响.为使土垡能从畦沟底经收土曲面通畅运移到垄面，应使收土曲面下部曲率变化较小，上部曲面外扣，实现畦沟底部土壤先上升后扣翻到垄面的运动过程.收土曲面作业出厢面中间畦沟和清理畦沟土壤，起垄犁整形挡板作业，形成稳定畦沟和适宜垄面宽度.运用水平直元线法对收土曲面进行设计[17]，根据分析及作业设计要求，取导曲线高度为255 mm、导曲线开度为155 mm，导曲线启始位置位于铧刃线距铧尖三分之二处，铧刃起土角为25°，两端点切线夹角为110°，起始元线角设计为40°，最小元线角θmin为38°，最大元线角θmax为55°.

2.1.2 整形挡板参数分析 油菜垄作精量联合直播机起垄装置作业时，起垄犁收土曲面，初步作业出畦沟沟型和垄面宽度，后通过起垄犁整形挡板进一步压实整形及在起垄装置平整拖板的配合作业下，完成最终的畦沟沟型和垄型.起垄犁整形挡板的作业性能影响垄宽和畦沟沟型的稳定性，其中整形挡板与水平面的倾斜角度θ1和整形挡板长度是整形挡板的重要参数，其中，整形挡板倾斜角值θ1的大小与土壤安息角θ2密切相关.当起垄犁整形挡板倾斜角度值θ1取相对土壤安息角θ2值过小时，畦沟斜面坡度较小，土壤不易回流畦沟内，畦沟沟型稳定，但畦沟变大，垄面宽度变小，造成油菜播种时边行土壤不足；而当起垄犁整形挡板倾斜角度值θ1取相对土壤安息角θ2值过大时，垄面宽度得以保证，但土壤易回流畦沟，畦沟变小，畦沟沟型不稳定，排水防渍害能力降低.因此，起垄犁整形挡板倾角θ1需取合适值时，才能保证垄型和畦沟沟型稳定.整形挡板长度影响畦沟边坡稳定性和土壤回流量，同时也与机具作业速度、土壤落下高度有关.根据下落土壤在垄面边界最高点运动轨迹，可计算出整形挡板的长度极限值，综合考虑取整形挡板长度为450 mm.

2.2 平整拖板

油菜垄作精量联合直播机起垄装置需要平整拖板进行平整压实作业出垄面平整度较高的垄型，利于沥水和雨水排出.根据油菜垄作精量联合直播机起垄垄面设计要求及考虑起垄装置需要起垄犁和平整拖板配合作业，才能形成所要求的垄型，取平整拖

板沿垄面截面的长度为570 mm.由于在机具作业过程中，起垄装置要适应不同的工况地表及旋耕作业深度，要求平整拖板需要绕着与起垄装置连接的销钉转动，综合考虑，取平整拖板宽度为320 mm，同时在平整拖板与起垄装置机架连接处装有压缩弹簧，使起垄装置作业过程中，平整拖板能够提供充分的平整压实垄面的土壤作用力和效果.

3 EDEM仿真试验

3.1 离散元仿真模型建立

为研究机具作业速度、旋耕深度和整形挡板倾斜角对起垄装置的作业效果影响规律和确定较优的参数范围，开展EDEM仿真试验.建立土壤-秸秆-机具的EDEM离散元仿真模型[18-19]，主要仿真参数如表2所示，其中模拟秸秆长度为80 mm，土壤颗粒生成总数量为690 000个，秸秆颗粒总数为10 000个，仿真模型如图6所示.

表2 主要仿真参数Table 2 Main parameters used in simulation

机具作业过程中，作业速度、旋耕深度和整形挡板倾斜角对起垄装置作业效果具有较大影响，开展单因素试验，结合长江中下游地区严重板结的土壤物理特性[20]及考虑机具实际田间作业情况，每个试验因素设5个试验水平，其中作业速度分别为0.45、0.55、0.65、0.75、0.85 m/s，旋耕深度分别为80、90、100、110、120 mm，整形挡板倾角为40°、42°、44°、46°、48°.进行单因素试验时，设置其他2个因素为其试验水平的中位数.

1:秸秆颗粒；2:土壤颗粒；3:旋耕装置；4:起垄装置.1:Straw particle;2:Soil particle;3:Rotary device;4：Ridge planting device.图6 EDEM仿真模型Figure 6 EDEM simulation model

3.3 结果分析

仿真试验运行完后，分析起垄装置作业后的厢面截面，作业效果如图7所示，并按一定间距提取厢面截面和畦沟截面位置数据，分析不同试验因素及水平值下的起垄作业效果，结果如图8所示.

图7 仿真作业效果Figure 7 Simulation operation result

图8 仿真试验结果Figure 8 Experiment result for simulation

试验结果表明，机具作业速度较低时，土壤被平整压实时间充分，畦沟土壤回流量减少，沟型稳定，垄面较平整，利于沥水，但速度较低，影响机具作业效率；机具作业旋耕深度增加时，旋耕装置扰动土壤量随之增加，起垄装置作业深度也增加，由于其结构的限制，起垄装置对细碎土壤的压实力也增加，从而作业出的畦沟深且沟型稳定，垄面平整，便于田间雨水及时排出，但机具作业耕深的增加会导致作业机具功耗增加；起垄装置起垄犁整形挡板倾斜角减小时，畦沟沟宽加大，畦沟土壤回流量较少，垄面抬高，利于雨水排出，但较大的畦沟宽会导致垄面宽度的减小，影响垄面边行油菜生长.

为保证合适的垄面宽度和畦沟稳定性，由公式(4)可知，当机具作业深度和畦沟沟底宽度一定时，垄面宽度与整形挡板倾角成反比，随着整形挡板倾角增大，垄面宽度减小.结合长江中下游地区土壤特性和仿真试验结果，综合考虑，选定机具较优参数范围为：机具作业速度0.55～0.75 m/s，旋耕深度90～110 mm，整形挡板倾角44°.

(4)

式中，B为垄面断面上部宽度，(mm)；H为垄面断面高度，(mm)；D为垄型断面底部宽度，(mm)；θ1为整形挡板倾角，(°)；θ2为土壤安息角，(°).

4 起垄装置性能试验

4.1 试验条件与设备

为验证所设计的油菜垄作精量联合直播机起垄装置田间起垄作业效果和作业功耗，于2019年10月在湖北省监利县华中农业大学稻-油轮作全程机械化生产示范基地开展试验研究.试验田块前茬作物为水稻，土壤质地偏粘性，试验田块各工况如表3所示.

表3 试验田块工况参数

试验动力为东方红LX954型拖拉机，试验仪器包括：电热恒温鼓风干燥箱、磁性水平尺(三箭工具有限公司，精度0.002 9°)、电子计重秤、土壤坚实度仪(浙江托普仪器有限公司，TJSD-750Ⅱ型，±0.5%FS)、土壤取样环刀、CKY-810型扭矩传感器(北京中航科仪测控技术有限公司，转速测量范围0～4 000 r/min，精度为±1%，扭矩测量范围0～1 000 N·m，±1%)、BK-5型拉压力传感器(北京中航科仪测控技术有限公司，测量范围0～30 kN，±1%)、动态数据采集器和PC主机等.

4.2 试验方法

分别在工况1和工况2开展油菜垄作精量联合直播机起垄装置田间作业性能试验，研究起垄装置田间起垄效果和作业功耗.开展起垄装置田间起垄效果试验，试验前通过调节拖拉机上拉杆高度和液压手柄位置保证旋耕深度为90～110 mm，调节拖拉机档位和手油门位置保证整机平均作业速度为2.3 km/h.试验机具沿直线方向作业距离为30 m，每组试验重复2次，取平稳状态下的20 m行程为测量区域，在测量区域等距离取10个点作为测量点，试验结果取平均值.在工况2开展起垄装置作业功耗试验，如图9所示，在保证旋耕深度为100 mm，通过调节拖拉机档位和手油门位置，使机具作业速度分别为1.98、2.34 km/h，机具前进30 m，每组试验重复2次，取平稳状态下的20 m行程为测量区域，在测量区域等距离取10个点作为测量点，试验结果取平均值.

1：BK-5型上拉杆拉压力传感器；2：CKY-810型扭矩传感器；3：BK-5型下拉杆拉压力传感器；4：数据采集器；5：PC电脑.1： BK-5 above-force sensor；2： CKY-810 torque sensor；3： BK-5 below-force sensor；4：Data Card；5：PC.图9 作业功耗测试Figure 9 Test for operation power

4.3 结果与分析

油菜垄作精量联合直播机起垄装置田间起垄效果如图10所示，垄面平整，畦沟沟型稳定，作业出的平均垄宽544.2～587.3 mm，平均垄高203.3～212.7 mm，平均垄面平整度12.5～18.3 mm，畦沟沟宽302.3～338.9 mm，作业后各评价指标如表4所示，表明油菜垄作精量联合直播机起垄装置在起垄犁和平整拖板配合作业下，实现开沟起垄、平土整形功能，作业出所要求的垄型和畦沟沟型.同时通过作业功耗分析(表5)，当速度为1.98、2.34 km/h，旋耕功耗分别占总体功耗的77.48%、69.9%，结合前期研究[21]，表明在油菜垄作精量联合直播机作业过程中，由于起垄装置主要处理旋耕后的细碎蓬松土壤，作业功耗消耗较小，油菜直播作业增加起垄装置，未明显整加整机作业功耗.

图10 田间试验作业效果Figure 10 Field experiment Result

表4 起垄装置起垄作业效果

表5 功耗测试数据

5 讨论与结论

针对油菜直播机作业厢面较宽，出现厢面不平，易导致厢面积水，影响油菜生长的生产实际，设计了与油菜直播机相配套的起垄装置，主要由双边起垄犁、单边起垄犁、平整拖板和机架组成，起垄装置通过起垄犁和平整拖板配合作业，实现开沟起垄、平土整形作业功能，分析并确定了起垄犁收土曲面和整形挡板及平整拖板的关键结构参数.

建立了EDEM仿真试验模型，研究了作业速度、旋耕深度和整形挡板倾斜角对起垄装置的作业效果影响变化规律；结果表明，当机具作业速度较低时，作业出的畦沟沟型稳定，垄面平整，利于沥水，但速度较低，影响机具作业效率；机具作业旋耕深度增加时，作业出的畦沟深且沟型稳定，垄面平整，便于田间雨水及时排出，但机具作业耕深的增加会导致作业机具功耗增加；起垄装置起垄犁整形挡板倾斜角减小时，作业出的畦沟沟宽加大，畦沟土壤回流量较少，垄面抬高，利于雨水排出，但较大的畦沟宽导致垄面宽度减小，影响垄面边行油菜生长.综合考虑，机具较优参数范围为：机具作业速度0.55～0.75 m/s，旋耕深度90～110 mm，整形挡板倾角44°.

开展田间试验研究结果表明，油菜垄作精量联合直播机起垄装置作业出的垄面平整，畦沟沟型稳定，作业出的平均垄宽544.2～587.3 mm，平均垄高203.3～212.7 mm，平均垄面平整度12.5～18.3 mm，畦沟沟宽302.3～338.9 mm，表明油菜垄作精量联合直播机起垄装置在起垄犁和平整拖板配合作业下，实现开沟起垄、平土整形功能，作业出所要求的垄型和畦沟沟型.同时通过作业功耗分析表明，油菜直播机作业时增加起垄装置，在实现起垄功能的同时，未明显整加整机作业功耗.