马铃薯曲面式播种开沟器仿生设计与试验

赵淑红 顾志远 袁溢文 吕金庆

(东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

开沟器作为马铃薯种植机上播种的关键部件，其开沟性能直接影响马铃薯播种质量[1]。一个性能较好的开沟器应满足工作阻力小，具有一定的回土作用，使细湿土将种子全部覆盖以利种子发芽，开沟时不扰乱土层顺序，不将下层湿土翻至地面，也不使干土落入沟底，以免土壤失墒[1-2]。

按入土角不同，马铃薯播种开沟器可分为锐角开沟器和钝角开沟器[3]。前者包括锄铲式、芯铧式和船形铲式等，后者有靴式、圆盘式[4]。锐角开沟器工作时，将下层湿润土壤翻到上层，使干湿土混合，不利保墒，并且残茬杂草较多时容易发生缠草、壅土等问题，致使作业阻力增加[5]。靴式开沟器不会使湿土翻出，利于保墒，且通用性较好，满足马铃薯开沟要求，但其开出的平沟降低了播种精度，且增大了土壤扰动面积，导致作业阻力增大[6]。圆盘式开沟器作业时可切割土块、草根和残茬，且工作较稳定，上下土层相混现象较少，但所开种沟沟底不平，回土量较小，其作业效果并不能很好满足马铃薯开沟作业要求[7]。

随着马铃薯种植机械化水平的发展，马铃薯播种机作业效率持续提高，加剧了现有马铃薯播种开沟器作业阻力大、回土深度浅和干湿土易混合等问题，高速作业条件下难以满足马铃薯种植农艺要求，制约了马铃薯播种作业高质、高效的发展[8-9]。为提高开沟器作业速度，需尽可能减小开沟器作业阻力和保证作业质量[10]。在高效减阻农机部件的结构设计中，仿生学为研究者提供了新思路[11]。

本文以黄鳍金枪鱼下颚流线型曲线为仿生原型，以马铃薯舀勺式双列排种器为设计基础，结合理论分析、农艺要求和仿真试验，设计一种曲面式开沟器。使用离散元法观察开沟器对土壤原有分层顺序的影响。通过理论分析和田间试验探究开沟破土曲面挤压土壤的开沟方式对回土深度的影响，采用作业阻力、回土深度和土壤含水率为试验指标，验证开沟器的作业性能。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

曲面式开沟器总体结构如图1所示，主要由开沟器柄、分土板、开沟破土曲面、上挡土板、下挡土板和破土刀刃组成。

1.2 工作原理

播种作业时，破土刀刃(由对称布置的开沟破土曲面交汇形成)首先与土壤接触，随着开沟器的前进，破土刀刃对土壤进行切削、破坏，土壤沿着破土刀刃分流，种沟不断扩大。随后开沟破土曲面持续对土壤施加挤压作用，与其接触及相邻的土壤不断嵌入外侧土壤间，土壤颗粒间压力升高，向上运动，宏观上表现为土壤表层升高。分土板为升高的表层土壤提供支持力，减少土壤扰动宽度，土壤沿分土板向上运动一定高度，同时产生向后流动的相对运动。上、下挡土板为土壤提供支持力，防止干土回流到种沟中，当脱离挡土板后，湿土壤回流至种沟，覆盖种薯。

2 曲面式开沟器设计

2.1 开沟破土曲面设计

2.1.1破土刀刃曲线的获取

黄鳍金枪鱼是金枪鱼中体型最大的一种，为大洋性高度洄游鱼种，具有很大的高速耐力，拥有典型的流线型外形，鱼体呈纺锤形，近似鱼雷体型，前2/3基本是刚性的[12]。经过千万年演变，黄鳍金枪鱼下颚形成了流线型曲线，在其快速前进时，降低工作阻力，适合于开沟器的应用要求[13]。但鱼体最大横截面(前进方向的投影面)呈类椭圆形，不利于开沟作业中V型沟的构建[14-15]。因此，本文在保留黄鳍金枪鱼下颚曲线的基础上，将原有仿生曲线重构为三维曲面。

为获得开沟破土曲面的破土刀刃曲线方程，使用逆向工程技术建立黄鳍金枪鱼三维模型[16-17]，以黄鳍金枪鱼侧视图为基准面获取黄鳍金枪鱼的投影，如图2b所示。通过CAD二维制图获取黄鳍金枪鱼下颚轮廓曲线，根据马铃薯种植农艺要求，开沟器作业最大播种深度为150 mm[18]，故将轮廓曲线进行分段，在y轴方向上-150～0 mm区间内每隔8 mm提取曲线上的一个坐标点，共提取19个数据点，如图2c所示。将数据点导入Matlab中，利用cftool工具对数据进行曲线拟合，采用拟合程度较高的三阶多项式拟合黄鳍金枪鱼下颚曲线，R2为0.999 7，拟合曲线方程为

y=3.156×10-6x3+1.325×10-4x2+
0.276 2x-150.5

(1)

2.1.2开沟破土曲面的形成原理

水平直元线法以易于成形、技术成熟的优势成为应用广泛的曲面成形方法[19]。开沟破土曲面形成原理参考水平直元线法，直元线OA以恒定元线角λ沿导曲线AB运动形成曲面OABC，如图3a所示，截取整体曲面的一半即曲面OAB为开沟破土曲面。x方向为开沟前进方向，y方向为开沟宽度方向，z方向为开沟深度方向。在图3b中，AB为导曲线即破土刀刃曲线，θA为导曲线AB始端切角，θB为导曲线AB终端切角。

2.1.3开沟破土曲面受力分析与设计

为探究影响开沟破土曲面作业阻力的主要因素，分析开沟破土曲面对土壤的挤压作用，确定开沟破土曲面的结构参数，需对开沟破土曲面进行受力分析。本研究针对东北壤土，因其土壤凝聚力和内摩擦力较大，故主要考虑开沟破土曲面与土壤之间的正压力和滑动摩擦力，土壤与接触面之间的附着力可以忽略[20]。选取开沟破土曲面上任意一点O分析土壤颗粒对开沟破土曲面的作用力，建立如图4所示的空间直角坐标系，x轴的反方向为开沟器前进方向，点O受到土壤颗粒给予的正压力F和滑动摩擦力f。三角形OB′C′为点O在曲面上的微元平面，采用三面楔OA′B′C′为基础对开沟破土曲面的滑动摩擦力进行分析。在三角形OB′C′中滑动摩擦力f垂直直线B′C′，此时滑动摩擦力f与x方向的夹角τ为最小值。

根据合矢量投影定理，正压力F和滑动摩擦力f在x、y、z方向上投影的关系式为

(2)

式中Fx、Fy、Fz——正压力F在x、y、z方向分力，N

fx、fy、fz——滑动摩擦力f在x、y、z方向分力，N

ξ——正压力F与x方向的夹角，(°)

η——A′B′与B′C′的夹角(在yOz平面上曲面与点O的切线与y方向夹角)，(°)

由几何关系可得

(3)

补充方程为

f=Ftanφ

(4)

式中φ——土壤与开沟器之间的摩擦角，(°)

联立式(2)～(4)可得

(5)

式中Ffx、Ffy、Ffz——曲面在x、y、z方向受土壤颗粒作用合力，N

由式(5)可得

(6)

式中Ffyz——Ffy和Ffz的合力，N

由式(5)可知，正压力F、摩擦角φ、元线角λ和夹角η决定各方向上作用合力的变化趋势，影响种沟的整形效果。当开沟器前进速度一定时，正压力F在宏观上可以视为理想数值[21]。在图5a中，采用等距横向截面截取开沟破土曲面得到横剖曲线族，x方向为开沟前进方向的反方向，y方向为开沟宽度方向，z方向为开沟深度方向。在图5b中，曲线Ⅰ末端的切线与y方向的夹角为ηi，其余角为γi。曲线Ⅴ末端的切线与y方向的夹角为ηn，其余角为γn。在y方向上，各曲线平移后可以重合。在z方向上，随着开沟器的前进，开沟破土曲面对土壤的作用范围逐渐扩大，开沟破土曲面挤压土壤的水平位置逐渐降低，夹角η逐渐减小。

根据马铃薯种植农艺要求，开沟器作业最大播种深度可达150 mm[18]，故开沟破土曲面的作业深度lBE设计为150 mm。

开沟器宽度需大于排种器宽度。参考2CMF-2型马铃薯种植机[22]，实际测量舀勺式排种器下部的最大宽度为240 mm，垄距为850 mm。为了保证开沟器不将过多的土壤扰动到垄沟中，导致覆土困难，开沟器宽度与垄距的比值应小于1∶3[5]。因此，开沟器宽度应在252～283 mm之间(挡土板厚6 mm)。为便于开沟器与排种器安装配合，设计开沟器宽度为280 mm，所以开沟破土曲面宽度lOE为140 mm。

在图3a中，BD为过点B曲线OB的切线，BD与竖直方向的夹角为γ，开沟器的最大刃口角为2γ。取土壤与开沟器之间的摩擦角φ为23°[23]。在开沟器垂直入土的过程中，为使刃口与土壤产生滑切作用，刃口角应小于180°-2φ，即最大刃口角2γ<134°。

当开沟破土曲面的作业深度lBE和宽度lOE为定值时，最大刃口角与破土刀刃曲线比例呈负相关。破土刀刃曲线比例放大，则开沟器长度减小，元线角λ增大，曲面作业阻力增大，夹角η最小值增大，最大刃口角减小。破土刀刃曲线比例缩小，则开沟器长度增加，元线角λ减小，曲面作业阻力减小，夹角η最小值减小，最大刃口角增大。同时，破土刀刃曲线比例缩小，开沟长度增加，曲面挤压土壤时间变长、作用力增大，利于形成平滑、紧实的种沟。因此，为减小作业阻力，形成更为理想的种沟，最大刃口角应尽量增大，故设计最大刃口角为132°。

在CATIA中画出开沟破土曲面三维模型，由于导曲线AB方程、深度lBE、宽度lOE和夹角γ已知，则破土刀刃曲线比例确定。通过测量得到导曲线AB的始端切角θA为55°，终端切角θB为13°，如图3b所示。此时开沟破土曲面作业长度lAE为272 mm，元线角λ为27°，夹角η在24°～70°之间。

在Matlab中输入式(6)，输出函数图像，可知Ffyz随着夹角η减小逐渐增大。因此开沟破土曲面对种沟作用力自上而下逐渐增大，使种沟侧壁、种沟底部比种沟顶部更平滑，土壤更加紧实，利于种沟顶部表层土壤沿平滑、紧实的曲线型种沟侧壁回流到种沟内。同时，曲面挤压土壤的开沟方式能减少土壤扰动宽度，有助于表层土壤回流到种沟中，增加回土深度。

2.2 分土板受力分析与设计

2.2.1分土板受力分析

随着开沟器向前作业，开沟破土曲面持续向两侧挤压土壤，使表层土壤不断上升，升高的表层土壤沿着分土板表面向后运动。为探究影响分土板作业阻力的主要因素，对分土板进行受力分析。

选择与土壤接触的分土板上任意一点O为研究对象，建立图6所示空间直角坐标系，x轴的反方向为开沟器前进方向，土壤颗粒对分土板的正应力为N，摩擦力为R。三角形OE′F′为点O在平面上的微元平面，采用三面楔OD′E′F′为基础对分土板的摩擦力进行分析。在三角形OE′F′上摩擦力R垂直直线E′F′，此时摩擦力R与x方向的夹角ε为最小值。

根据合矢量投影定理，正应力N和摩擦力R在x方向上投影的关系式为

(7)

式中Nx——正应力N在x方向分力，N

Rx——摩擦力R在x方向分力，N

σ——正应力N与xOz平面的夹角，(°)

δ——分土板的起土角，(°)

由几何关系可得

(8)

式中μ——D′F′与E′F′的夹角(在yOz平面上平面和点O的切线与y方向夹角)，(°)

补充方程为

R=Ntanφ

(9)

联立式(7)～(9)可得

(10)

式中Rfx——分土板在x方向受土壤颗粒作用合力，N

由式(10)可知，正应力N、摩擦角φ、元线角λ和起土角δ共同决定分土板作业阻力Rfx的大小。当开沟器作业速度一定时，正应力N在宏观上可以视为理想数值[21]。摩擦角φ和元线角λ已知，在Matlab中输入式(10)可知，分土板作业阻力Rfx与起土角δ呈正相关。

2.2.2分土板设计

分土板的起土角δ和高度难以通过理论分析确定，因此采用离散元仿真软件EDEM模拟不同起土角下开沟器作业阻力和土壤沿分土板运动高度。

以起土角为试验因素，作业阻力为评价指标，进行单因素试验，并分析起土角对土壤运动高度的影响。开沟器长度范围为400～600 mm[6]，为使起土角足够小，开沟器长度暂定为600 mm。因开沟破土曲面作业深度为150 mm，为防止土壤沿分土板运动过高而掉落到种沟中，分土板的高度暂定为150 mm。选取起土角分别为30°、35°、40°、45°、50°、55°和60°[24]。

为保证开沟器作业范围，设置长1 200 mm、宽1 000 mm、高300 mm的土壤仿真模型，如图7所示。使用CATIA软件建立曲面式开沟器的三维模型，保存为stp格式导入EDEM 2018。设置开沟器材料为65Mn，密度为7 830 kg/m3，剪切模量为7.27×1010Pa，泊松比为0.35。

土壤颗粒设置为单一颗粒，半径为4 mm[21]。土壤颗粒与开沟器之间设定为Hertz-Mindlin(no slip)接触模型，土壤间添加Hertz-Mindlin with bonding接触模型，其他接触参数依据文献[25]及前期对试验地区土壤颗粒微观参数的测定，土壤颗粒微观参数如表1所示。Rayleigh时间步长为5.55×10-5s，总土壤颗粒生成时间为17 s，土壤颗粒自然沉降1 s，数据记录间隔0.01 s。农艺要求马铃薯播种开沟深度为100～150 mm[18]，为使土壤运动高度足够大，设置开沟深度为150 mm。现有马铃薯播种开沟器的作业速度范围基本为1.8～5 km/h，本文研究的开沟器作业速度为3.6～7.2 km/h，由于作业速度越大，开沟器作业阻力越大，土壤运动高度越大，故设置作业速度为7.2 km/h。

表1 离散元仿真基本参数Tab.1 Basic parameters of DEM simulation

从开沟器完全进入土壤，且作业稳定后开始记录土壤运动高度的位置，直至开沟器即将穿过土壤时结束。因此，土壤运动高度从开沟器在土壤模型中前进到680 mm处开始统计，每隔100 mm记录一次，共记录6次，计算土壤运动高度平均值作为一次试验结果，每次试验重复3次取平均值作为最终试验结果。试验结果如图8所示，起土角越大，土壤运动高度越大。起土角小可允许土壤有空间进行有序的分流，不破坏土壤内部粘结力和剪切力。起土角增大时，开沟器对土壤的分流作用减弱，表层土壤会在分土板前方形成拥堵，增大土壤的上升高度。

不同起土角时开沟器平均阻力如图8所示，随起土角的增大，作业阻力先增大后减小再增大，在30°附近时取得最小值，但同时发现45°附近阻力较小。出现这种情况的原因是：当起土角小于一定值时，随着起土角的增大，土壤运动高度上升速度减慢，土壤流动性好，土壤与分土板的接触面积减小，作业阻力减小。当起土角大于一定值时，随着起土角的增大，土壤运动高度上升速度加快，土壤流动性不好，分土板前方出现壅土，进而土壤与分土板的接触面积增加，导致作业阻力增大。

由起土角δ取30°时的挡土板长度发现，由于起土角过小，开沟器长度若为600 mm，则挡土板长度过小，未等种薯下落至种沟，土壤提前回流，不满足设计要求，所以起土角为30°不能作为合适的起土角。起土角为45°时无此现象。因此，起土角选取为45°附近。为方便加工，起土角确定为45°。此时土壤运动高度为117.8 mm，由于田间地表不完全平整，应留有一定高度，因此设计分土板高度为150 mm。

2.3 挡土板设计

2.3.1上挡土板设计

上挡土板高度和分土板高度保持一致，为150 mm。上挡土板应保证种薯刚刚下落到种沟时，表层土壤未回流到种沟中。但土壤的回流时间存在不确定性，故本文通过研究种薯下落到地表时的相对位移确定挡土板的长度。

种薯脱离种勺瞬间的速度如图9所示。其中lGH为上挡土板上边长、lIJ为下边长；投种初速度v与排种带速度有关，vx、vy分别为水平和垂直分速度，va为机具作业速度，α为导种管与水平面的夹角。种薯密度较大，忽略空气阻力影响。

种薯相对于地面在水平方向上的绝对位移方程为

xa=(va-vx)t=(va-vcosα)t

(11)

式中xa——水平绝对位移，mm

t——种薯下落时间，s

种薯相对于分土板的相对位移方程为

(12)

式中L、h——水平、垂直相对位移，mm

g——重力加速度，m/s2

投种初速度为0.25～0.42 m/s，取v为0.42 m/s；导种管与水平面的夹角α为77°；排种口与地表距离为200 mm，故h为200 mm；重力加速度g为9.8 m/s2，代入式(12)中可得L为15.5 mm。为更好地防止土壤颗粒回落到种沟内，设计挡土板上边长lGH为128 mm，挡土板下边长lIJ为278 mm。

2.3.2下挡土板设计

为防止开沟器在不同开沟深度下作业时干土从上挡土板底边提前回流到种沟中，需设计下挡土板，下挡土板长度和上挡土板下边长lIJ长度相等。实际测量舀勺式排种器排种口侧板内侧间距最大为210 mm，排种带宽200 mm，双列种勺中心口垂直线横向间距为120 mm。故为避免下挡土板磕碰种薯、使其顺利落入种沟内，设计对称的下挡土板横向间距lK最小值为210 mm。同时下挡土板应留有一定的空隙，允许被开沟破土曲面挤压的湿土减压，使湿润土壤回流。因此，设计下挡土板宽lP为60 mm，与水平方向夹角β为60°，如图10所示。此时下挡土板的纵向高度为52 mm，可防止开沟器在100～150 mm的开沟深度下作业时干土回流，保证在种薯下落至种沟时，种薯周围是湿润松软的土壤。

2.4 仿真验证试验

开沟器作业后，应保持土壤原有的分层顺序，避免土层混乱，即下层湿土翻至地面、上层干土落入沟底[3]。为观察干湿土混合情况，探究土壤沿开沟器表面运动情况，需建立干湿土分层模型。根据文献[26]，干土层是指从土壤表面至干土与湿土有明显的界面为止，土壤含水率与干土层厚度的关系式为

(13)

式中W′——湿土层土壤含水率

Zd——干土层厚度，mm

依据文献[13]以及前期对土壤参数的测定，干、湿土的土壤含水率分别选取为12%、22%，土壤密度分别为2 050、2 150 kg/m3，计算得土壤颗粒粘结半径分别为4.34、4.68 mm[27]。将湿土的土壤含水率代入式(13)中可得干土层厚度Zd为37.4 mm。为直观显示干湿土的差异性，将干土模型设置为红色，湿土模型设置为蓝色，开沟器透明度调整为30%。由于开沟器作业速度越大，开沟器扰乱土层的情况越严重[28]，故试验设置在高速作业条件下，即作业速度为7.2 km/h，开沟深度分别设置为100、125、150 mm进行仿真，此时分土板和上挡土板距土壤表面分别为50、25、0 mm，如图11所示。

观察得当开沟深度为100、125、150 mm时，种沟中没有干土，地表上没有湿土，如图11a、11c、11e所示。随着开沟深度的增加，开沟破土曲面、分土板和挡土板外侧的干土层逐渐升高，干土层和湿土层无混乱情况，如图11b、11d、11f所示。土壤脱离挡土板后，湿土先回到种沟中，回流侧壁上有少量回流的干土。因此仿真试验验证了开沟器作业时，开沟破土曲面挤压土壤，土壤颗粒间压力变大，使土壤向上运动；验证了土壤沿着开沟破土曲面、分土板、挡土板的运动具有较好的流动性；验证了所设计的开沟器不扰乱土层；同时验证了本设计的可行性。

3 田间试验

3.1 试验条件与设备

2020年10月在黑龙江省哈尔滨市东北农业大学马铃薯种植试验田进行田间试验。田间土壤含水率为17.1%，平均土壤容重分别为：1.17 g/cm3(0～5 cm)、1.19 g/cm3(5～10 cm)、1.22 g/cm3(10～15 cm)、1.26 g/cm3(15～20 cm)，平均土壤硬度分别为：112 kPa(0～2.5 cm)、124 kPa(2.5～5 cm)、146 kPa(5～7.5 cm)、173 kPa(7.5～10 cm)、182 kPa(10～12.5 cm)、189 kPa(12.5～15 cm)、208 kPa(15～17.5 cm)、294 kPa(17.5～20 cm)，选用2CMF-2型马铃薯种植机作为试验实施载体，如图12b所示。

试验所用设备有奔野454型拖拉机、约翰迪尔904型拖拉机、曲面式开沟器、芯铧式开沟器、靴式开沟器、环刀组件、沟形轮廓仪、GPS-10A型机动车多功能检测仪、牵引钢丝绳等。试验种薯选用东农311，三轴平均尺寸为46.3 mm×34.8 mm×24.6 mm，形状指数为203.7，平均质量为23.56 g，平均含水率为75.4%，净度大于99%。

3.2 田间多工况对比试验

3.2.1试验目的与方案

为探究开沟器在不同工况下的作业阻力和回土效果，进行对比试验。采用回土深度作为开沟器回土效果的评价指标[13]。在100、125、150 mm开沟深度的工况下，分别以3.6、5.4、7.2 km/h作业速度对曲面式开沟器、芯铧式开沟器、靴式开沟器进行试验。

作业阻力测量方法为：奔野454型拖拉机上安装GPS-10A型机动车多功能检测仪进行牵引力数据输出，通过奔野454型拖拉机牵引约翰迪尔904型拖拉机和2CMF-2型马铃薯种植机进行测量，如图12b所示。每组试验使用GPS-10A型机动车多功能检测仪对该组试验条件下机组空载和安装两个相同开沟器机组的牵引力分别输出，其差值的一半即为开沟器工作阻力，每组试验重复3次取平均值作为试验结果。

使用沟形轮廓仪对3种开沟器作业后的沟形进行测量，在坐标纸上描绘出沟形轮廓。在图13中，s为种沟深度，S为开沟深度；u为种沟基线到垄顶距离，U为开沟基线到垄顶距离；w1、w2均为垄高；d为回土深度。每种工况重复测量5次，计算其平均值作为试验结果，回土深度的计算公式为

d=S-s=U-u

(14)

3.2.2试验结果

试验结果如图14所示，当作业速度一定时，随开沟器开沟深度增加，作业阻力和回土深度增大；当开沟深度一定时，随开沟器作业速度增加，作业阻力增大，回土深度减小。在所有工况下，曲面式开沟器、芯铧式开沟器、靴式开沟器平均作业阻力分别为299、366、449 N，平均回土深度分别为46、27、24 mm。曲面式开沟器比芯铧式开沟器、靴式开沟器平均作业阻力分别减小了18.3%、33.4%；平均回土深度增大了70.4%、91.7%。因此在开沟器的减阻和回土效果上，曲面式开沟器比其他开沟器性能较优。

3.3 田间性能对比试验

3.3.1试验目的与方案

进行性能对比试验以探究所设计开沟器的播种质量和回流到种沟中土壤的含水率。使用约翰迪尔904型拖拉机以田间最大作业速度7.2 km/h进行播种作业，上下调节开沟器柄使开沟深度达到最大深度150 mm。参照NY/T 990—2018《马铃薯种植机械作业质量》的规定，播行直线性偏差是马铃薯种植机作业质量指标，是影响马铃薯产量的重要原因之一，是曲面式开沟器采用重构对称曲面设计的主要思想。使用种薯横向偏移系数作为评价指标[6]。选取土壤含水率作为反映干湿土混合情况的评价指标，选取土壤容重作为开沟器挤压土壤程度的评价指标[29]。

播行直线性偏差是种薯横向偏移距离最大值。种薯横向偏移系数的计算公式为

(15)

式中ω——种薯横向偏移系数，mm

种薯横向偏移距离测量方法为：以种沟中心线为基准，测量种薯上表面中心到种沟中心线的横向间距即为种薯横向偏移距离。每种开沟器分别选取3个测量段，每段测量25个种薯的种薯横向偏移距离。

土壤含水率取样位置包括垄顶、回流侧壁和种沟中部。土壤容重取样位置包括种沟底部和种沟侧壁。取样位置如图13所示，每种开沟器重复取样5次，计算其平均值作为试验结果。

3.3.2试验结果

播行直线性偏差和种薯横向偏移系数如表2所示，曲面式开沟器播行直线性偏差小于芯铧式开沟器、靴式开沟器，满足国家标准(小于等于100 mm)。曲面式开沟器比芯铧式开沟器、靴式开沟器种薯横向偏移系数分别减小9.5%、10.1%。因此曲面式开沟器播行直线性较好，这是由于开沟破土曲面挤压土壤所开出的曲线型沟形，平滑、紧实的种沟侧壁和种沟底部有助于种薯和回流土壤向种沟中心线运动，提高播行直线性，作业效果如图15a所示。

表2 种薯横向偏移结果Tab.2 Seed potato lateral offset result mm

不同取样位置的土壤含水率如表3所示，曲面式开沟器比芯铧式开沟器、靴式开沟器垄顶土壤含水率分别减小4%、0.7%，回流侧壁土壤含水率分别增加4.1%、6%，种沟中部土壤含水率分别增加3.5%、4.7%。因此，曲面式开沟器能够减小土层混乱，减少将下层湿土翻至地面、上层干土落入沟底，减少干湿土混合。

表3 土壤含水率试验结果Tab.3 Test results of soil moisture content %

不同取样位置的土壤容重如表4所示，曲面式开沟器种沟侧壁土壤容重比芯铧式开沟器增加0.8%，比靴式开沟器减小0.8%。曲面式开沟器种沟底部土壤容重比芯铧式开沟器、靴式开沟器分别增加1.6%、0.8%。曲面式开沟器会增加种沟侧壁和种沟底部的土壤容重。种沟侧壁整齐平滑，有利于种薯下落和土壤回流，并且回流的是湿土，有利于种薯发芽和生长。从作用效果上看，增加种沟侧壁和种沟底的土壤容重，可以减少土壤中的大孔隙，减少水分蒸发，加强土壤毛细管作用，有助于提高种床质量。种薯生长时土壤容重在1.3～1.45 g/cm3之间[30-31]，开沟器挤压作用不影响马铃薯根系的生长和块茎的膨大。

表4 土壤容重试验结果Tab.4 Soil bulk density test results g/cm3

4 结论

(1)基于黄鳍金枪鱼下颚曲线设计的曲面式开沟器，解决了现有马铃薯播种开沟器作业阻力大、回土深度浅和干湿土易混合的问题，为马铃薯播种开沟器高效率、高质量开沟作业提供理论参考。

(2)探明了影响开沟破土曲面作业阻力的主要因素，结合马铃薯种植深度农艺要求和滑切原理，确定了最大刃口角为132°，元线角为27°。单因素仿真试验表明，分土板作业阻力随起土角的增大，先增大后减小再增大，得到了当起土角为45°时满足设计要求。经仿真观察确定曲面式开沟器不扰乱土壤原有分层顺序。

(3)田间多工况对比试验表明，曲面式开沟器比芯铧式开沟器、靴式开沟器作业阻力减小18.3%、33.4%，回土深度增加70.4%、91.7%。田间性能对比试验表明，曲面式开沟器比芯铧式开沟器、靴式开沟器种沟中土壤含水率增加3.5%、4.7%，满足马铃薯种植开沟的农艺要求。