王 磊 廖宜涛 张青松 姚 露 付云开 廖庆喜

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

0 引言

油菜、小麦分别是我国主要的油料和粮食作物，其机械化播种工序相似。研制油麦兼用精量宽幅播种机对提高机械化生产效率、节约农时、提升油菜和小麦机械化种植水平具有重要意义[1-2]。作业地表起伏大、宽幅导致播种机各行播深均匀性与稳定性差是影响油麦兼用型播种机作业效果的关键[3-6]。设计具有仿形功能的播种开沟器可提高宽幅播种机播深稳定性、一致性，且适应高速作业。目前适应于油麦兼用种植农艺要求的通用高效排种装置已在生产中得到推广应用[7]，但缺少与之匹配的适应宽幅、高速作业的播种开沟器。

为提高播种开沟器性能、改善种子与种床土壤接触状态，贾洪雷等[8]设计了具有滑刀和仿形压土轮的大豆开沟器，以改善种床质量和提高播深一致性；赵淑红等[9-10]为解决土壤扰动大、播种深度均匀性差等问题，设计了一种开沟、回土、镇压等多功能集成式播种开沟器，并研发了双向平行四杆机构用于开沟器仿形；王超等[11]为解决东北地区秸秆覆盖量大、导致机具堵塞严重等问题，设计了一种非对称式大小圆盘开沟装置。国外对播种开沟器的研究较早，JAMES等[12]通过对比分析研究了高速作业下5种不同入土角、刃口曲面结构的开沟器对土壤扰动量和沟底作用力的影响，并优化开沟器结构，以提高免耕播种的作业效率；AILI等[13]研究了锄铲式、翼铲式、箭式开沟器对土壤扰动和牵引阻力的影响，得出锄铲式开沟器的综合开沟性能最优；ALIAKBAR等[14]针对免耕播种开沟器开沟深度增大会加剧土壤抛撒的问题，研究了弯曲铲柄对开沟性能的影响，土槽试验表明，铲柄弯曲45°倾角时，开沟性能最优。综上，现有播种开沟器的研究主要适应于玉米、大豆等大粒径、宽行距作物种子播种[15-16]，且仿形以弹簧配合四杆机构为主，而适应于播种窄行距的油菜、小麦宽幅播种机仿形开沟器研究较少，尤其对应用仿形辊仿形的凿式开沟器研究鲜见报道。

本文针对播种作业地势不平、播种机宽幅导致各行播深均匀性和稳定性差等问题，设计油麦兼用型精量宽幅免耕播种机仿形凿式开沟器，重点开展仿形辊弹性形变、实现开沟器仿形功能的研究，以期为提高宽幅播种机播种质量提供参考。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

油麦兼用型精量宽幅免耕播种机由地轮总成、机架、风泵总成、种肥箱、气送式排肥器、排种器、施肥开沟器、播种开沟器等组成，工作幅宽4.8 m，该机可一次完成施肥、24行播种、覆土、镇压等功能。24组仿形凿式播种开沟器通过仿形支撑杆均布安装于播种机上。仿形凿式开沟器主要由仿形辊、仿形壁、仿形支撑杆、连接杆、凿式主体、导流板、覆土弹片等组成，播种机及开沟器结构如图1所示。

图1 宽幅播种机及仿形凿式开沟器结构示意图Fig.1 Structural diagrams of planter and profiling chisel opener1.仿形凿式开沟器 2.仿形壁 3.仿形辊 4.仿形支撑杆 5.连接杆 6.凿式主体 7.导流板 8.覆土弹片

1.2 工作过程及工作原理

播种作业时，宽幅播种机的凿式开沟器凿尖首先与土壤表面呈一定角度入土，随着开沟器与土壤颗粒的交互作用，凿式曲面破坏、挤压、分流土壤，初步形成种沟，完成入土环节；被抛撒的土壤与导流板接触后回落到种沟两侧，形成完整的种沟，完成导流环节；种子通过导种管直接落到沟底，保证开沟深度与种子入土深度的一致，覆土弹片将种沟两侧的湿土回填入种沟内，覆盖于种子表面，实现覆土环节。

凿式开沟器与播种机机架采用弹性仿形辊连接，开沟器可绕仿形支撑杆转动，增加了开沟铲转动的柔性约束。开沟器入土至预定深度时，仿形辊与仿形壁之间摩擦力的力矩与开沟器受土壤作用力的力矩平衡，该平衡力矩可保持开沟器的仿形效果，仿形过程如图2所示。播种作业中，开沟器入土至预定深度，经平整地表时的状态为Ⅱ，当开沟器在状态Ⅱ经凸起地表时，开沟器绕中心(图2中O点)逆时针转动至状态Ⅰ，开沟器向上转动，仿形量为H2；当开沟器在状态Ⅱ经凹陷地表时，开沟器绕中心顺时针转动至状态Ⅲ，开沟器向下转动，仿形量为H1，实现仿形功能。播种作业中，开沟器如遇较大障碍物，仿形开沟器与土壤间的作用力会超过仿形辊与仿形壁之间的摩擦阻力，实现开沟器逆时针翻转，开沟器过载保护，防止开沟器破坏。

图2 凿式开沟器仿形原理图Fig.2 Self-adaptive principle sketch of profiling chisel opener

2 凿式开沟器设计与分析

2.1 凿式曲面设计

凿式开沟器入土性能好、破茬能力较强，其入土角度对入土性能、破茬切土性能、凿尖强度、开沟深度稳定性有重要影响。选择合适的入土角度会改善开沟器开沟性能，且凿式刃口为曲线的开沟器比刃口为直线的开沟器阻力小[17]，故本文选取一元三次函数作为入土角刃口曲线，如图3所示，以确定合适的入土角度和刃口曲线形式。

图3 刃口曲线坐标图Fig.3 Coordinate system diagrams of chisel tip cutting edge1.刃口宽度 2.凿式曲面

刃口曲线方程为

y=ax3

(1)

式中a——刃口曲线三次项系数

取刃口曲线上终止点A(x1,y1)、入土点B(x2，y2)，并分别求得两点的斜率tanα1、tanα2，根据A、B两点的y坐标可求得A、B两点间的垂直距离lAB，由图3几何关系和刃口曲线斜率可得方程组

(2)

式中α1——刃口曲线终止角，(°)

α2——刃口曲线入土角，(°)

lAB——刃口曲线高度，mm

联立式(1)、(2)可得

(3)

将式(3)代入式(1)可得刃口曲线方程

(4)

由式(4)可知， 刃口曲线的形状由入土角α2、终止角α1、刃口曲线高度lAB决定。由图3可知，α1>α2，为满足长江中下游地区和新疆地区油菜、小麦播种开沟深度的要求，并符合新疆地区对高速免耕播种凿式开沟器结构强度高的需求，入土角α2取15°～31°[18]。刃口曲线高度lAB由播种深度决定，长江中下游地区油菜播深0～20 mm，小麦播深20～40 mm，新疆地区油菜播深20～30 mm，小麦播深30～50 mm，综合考虑刃口曲线长度满足兼用要求，取lAB=50 mm。刃口曲线在空间延伸至刃口宽度b，形成凿式曲面。

2.2 仿形壁受力分析

运用弹性仿形辊仿形机构，可显著提高播种开沟器对地势起伏的快速响应性。为更好地实现仿形功能，仿形辊初始安装时需有一定弹性压缩量，以施加力矩保证凿式开沟器有效入土。仿形辊以仿形支撑杆为中心轴向对称安装，结构如图4所示。

图4 仿形装置示意图Fig.4 Sketch of self-adaption profiling device1.仿形辊 2.仿形支撑杆 3.仿形壁

播种作业时，凿式开沟器入土受土壤的反作用力使开沟器整体有逆时针转动的趋势。当土壤施加作用力产生的力矩大于仿形辊与仿形壁之间的静摩擦力产生的力矩时，根据圆柱体弹性力学原理，仿形辊将自由扭转，并发生翘曲[19]。开沟器逆时针转动角度在0°～45°范围变化时，仿形辊形变量逐渐增大，其与仿形壁之间的滑动摩擦力将逐渐增加。取凿式开沟器将逆时针转动瞬时进行受力分析，仿形壁的受力情况如图5所示。

图5 仿形壁受力示意图Fig.5 Sketch of forcing on profiling wall

根据图5受力分析，当4根仿形辊沿轴心O点轴向对称分布时，仿形壁的4个壁面分别在x、y轴上的压力、摩擦力到轴心O点的力臂均相同。图5中，Fx1、Fx2、Fx3、Fx4为仿形壁4个壁面在x轴方向所受的压力，Fy1、Fy2、Fy3、Fy4为仿形壁4个壁面在y轴方向所受的压力，fx1、fx2、fx3、fx4为仿形壁4个壁面在x轴方向所受的摩擦力，fy1、fy2、fy3、fy4为仿形壁4个壁面在y轴方向所受的摩擦力，ρy1为仿形壁各壁面到轴心O的力臂。以此建立4根仿形辊对仿形壁4个壁面上的压力和摩擦力的力学方程

(5)

式中μx——仿形辊与仿形壁面间的摩擦因数

Ml——单根仿形辊与仿形壁面间力矩

由图5和式(5)可知，当开沟器有逆时针转动趋势时，仿形壁的4个壁面受仿形辊的压力、摩擦力大小均相同；仿形壁受仿形辊的压力、摩擦力的合力均为零；仿形壁所受的压力合力矩为零。仿形壁所受的滑动摩擦力产生的力矩是阻碍开沟器逆时针转动的主要因素，仿形壁对轴心O的力矩Mh是4根仿形辊与仿形壁面间力矩之和，即

Mh=4Ml=4ρy1μxFx1

(6)

由式(6)可知，仿形壁到轴心O的力臂ρy1、仿形辊与仿形壁的摩擦因数μx、仿形壁所受的压力Fx1是影响开沟器逆时针转动趋势的关键因素。增大仿形辊直径，仿形壁所受的压力增加，仿形壁与仿形辊之间的摩擦力也相应增大。故增大仿形辊直径及仿形壁到轴心的距离，可降低凿式开沟器入土后逆时针转动的趋势，提高开沟器入土深度。

2.3 开沟器受力分析

开沟器入土时，基于开沟器与土壤的互作关系，土壤对开沟器的作用力包括：种沟底部对凿式主体的反力Fc，凿式主体侧壁受挤压所产生的摩擦力fs，开沟器前进方向刃口曲面前端土壤对开沟器的阻力Fs。

入土瞬时，开沟器以悬臂式挂接方式连接于仿形支撑杆上，为顺利入土，应使开沟器重力G绕中心点O的力矩、仿形壁绕中心点的力矩Mh与凿式主体受土壤阻力绕中心点形成的力矩平衡[20]。凿式主体在平面xy内力系平衡，力系如图6所示。图6b是将凿形主体受力平移至开沟器主体质心P上的受力图。基于平面力系平衡，力系的主矢、主矩均为零，即F=0，M=0。建立平衡方程

(7)

图6 开沟器力系示意图Fig.6 Sketches of force system on opener

图6中，Fcx、Fcy、Fsx、Fsy、fsx、fsy分别是Fc、Fs、fs在x、y轴上的分力，ρcx、ρcy是ρc在x、y轴上的力臂，则可得

(8)

式中ε——开沟器隙角，(°)

联立式(6)、(8)可得仿形壁、凿式主体与中心的力臂关系

ρy1/ρc=[(Fccosε+fsy-Fssinα-G)cos(α+ε)+
(Fscosα+fsx-Fcsinε)sin(α+ε)]/(4μxFx1)

(9)

由式(8)可知，x轴方向，开沟器工作所需的牵引力与刃口曲面前端土壤对开沟器的阻力Fs、凿式主体侧壁受挤压所产生的摩擦力fs、沟底反力Fc、入土角α、隙角ε有关，Fs、fs、α越大，Fc、ε越小，开沟器所需要的牵引力越大。Fs、fs、Fc的大小均受刃口宽度b影响，刃口宽度越大，Fs、fs、Fc越大，故开沟器刃口宽度是影响开沟器牵引力的主要因素之一；y轴方向，Fc、fsy越大，Fs、α、ε越小，开沟器入土需垂直地面的压力越大。由式(8)、(9)可知，开沟器自身质量越大，开沟器入土性能越好，且所需仿形辊对仿形壁的摩擦力产生的力矩越小。为实现凿式开沟器对油菜、小麦播种的适应性，一般开沟器隙角ε取5°[21]， sinε

2.4 仿形机构设计

综合考虑播种机整机结构、播种开沟器布局及开沟器强度要求，确定仿形支撑杆为边长50 mm方钢，仿形壁选用边长73 mm结构钢。根据几何关系，仿形支撑杆与仿形壁组成的空间可安装仿形辊且仿形辊无弹性形变的最小直径为22 mm。为实现开沟器有效入土，自适应仿形机构逆时针转动时，仿形辊产生对仿形壁的摩擦力形成的力矩应大于入土阻力产生的力矩。

为提高自适应仿形机构对地表起伏的响应能力，需确定合理的仿形辊直径范围。基于仿形壁与仿形支撑杆组成的空间关系，可安装直径为22～30 mm的仿形辊。采用质构仪对仿形辊进行压缩试验，仿形辊弹性形变中，质构仪施加的压力与压缩距离成正比，当压缩距离大于4 mm时，仿形辊发生塑性形变，压力急速增大，且形变不可恢复。基于试验分析和实际仿形机构的空间关系，当仿形辊直径大于26 mm时，安装于仿形壁与仿形支撑杆组成的空间内的仿形辊将发生塑性形变，仿形复位性能急速恶化，故合理的仿形辊直径范围为22～26 mm。弹性形变范围内，仿形辊的压力与压缩距离关系为

Ft=τxt

(10)

式中τ——仿形辊弹性系数，N/m

xt——仿形辊压缩距离，m

基于质构仪压缩试验、仿形机构空间尺寸关系、实际开沟器土壤工况及播种机整机质量，并参考文献[6]，设计仿形机构最大载荷为800 N，开沟器绕中心旋转角度应小于45°，以保证仿形辊保持弹性形变和有效仿形量。简化开沟器结构，开沟器几何尺寸关系如图7所示，A点为开沟器凿尖点，A′为仿形过程中A点的位置，由几何关系可得仿形量计算公式

(11)

式中θ——仿形过程中凿尖旋转的角度，(°)

loc——轴心O到凿尖的垂直距离，mm

lac——轴心O到凿尖的水平距离，mm

la′b——理论仿形量，mm

图7 仿形量几何关系示意图Fig.7 Sketch of profiling geometric relationship

结合式(9)～(11)可得仿形量la′b计算公式为

(12)

由式(12)可得仿形量与仿形辊压缩距离xt、开沟器受力、作用力矩之间的关系。依据设计尺寸，loc为365 mm，lac为285 mm，当最大转角θ为45°时，计算得最大理论仿形量la′b为308 mm。

2.5 导流板设计

2.5.1土壤导流原理

开沟器作业时，开沟器凿式主体入土后，被翻动的土壤向种沟两侧抛撒，土壤颗粒碰撞到导流板后，导流板曲面可使接触的土粒抛撒速度下降，并阻止土粒继续向种沟两侧更远距离运动，实现被抛撒土壤回落地表。开沟器未安装与安装导流板时，简化后的土壤流动特性如图8所示。

图8 土壤抛撒示意图Fig.8 Sketches of spilling soil

图8中，x轴为开沟器运动方向，AB、A′B′为耕地地表，被开沟器扰动抛出的土壤对称抛撒至凿式主体两侧，形成堆积的扇形圆弧区域。未安装导流板时，抛撒的土壤沿x、y、z轴方向运动距离比安装导流板时更远，增加了土壤抛撒的无序性，土壤颗粒在y轴方向运动距离越远，越难以保证被扰动抛出的土壤顺利覆盖种沟，增加了覆土弹片设计的难度。安装导流板时，土壤被抛撒到弧形倒流板上，形成扇形圆弧区域A′B′C′D′，土壤颗粒撞击到导流板后速度下降，降低了土壤颗粒回落到土壤表面的速度，减少了土壤颗粒在y轴方向的抛撒距离，更利于覆土。

2.5.2参数确定

开沟器入土后，被抛撒的土壤为散粒体，假设土壤颗粒撞击到导流板后，初始速度为零[22]，土壤颗粒接触导流板后的质点动力学分析如图9所示。

图9 土壤颗粒受力分析示意图Fig.9 Sketch of soil particle force analysis1.凿式主体 2.导流板

土壤颗粒受重力Gt、导流板壁面对其产生的支持力Ft和摩擦力ft作用。土壤沿导流板壁面下滑时，沿x轴方向的加速度ax为0。

以土壤颗粒为研究对象，建立平衡方程

(13)

式中γ——导流板与竖直方向的安装夹角，(°)

μt——土壤颗粒与导流板之间的摩擦因数

由式(13)可得y轴方向的加速度为

ay=gcosγ-gμtsinγ

(14)

加速度决定抛撒至导流板上土粒的回流速度，加速度ay越大，则回流到地表上的速度越快，更利于土壤快速在地表聚拢。由式(14)可知，摩擦因数μt、导流板壁面与竖直方向的夹角γ是影响ay的主要参数。γ越小，土粒回流速度越快，当安装角γ过小时，导流板易缠绕秸秆，综合考虑开沟器对播种区域的适应性，取γ为5°。

3 高速数字化土槽试验

3.1 试验设备

试验于华中农业大学工程训练中心室内土槽开展。试验设备为高速数字化土槽试验台，试验装置为凿式播种开沟器，可通过土槽车的液压系统调节开沟器的入土深度[23]。地表平整度采用三维激光扫描仪(美国天宝公司，Trimble TX8，精度2 mm)测量。土槽内土壤含水率为18.53%，平均土壤紧实度为580.46 kPa，地表平整度计算方法参考文献[24]，试验工作速度为4.5 km/h，试验装置如图10所示。

图10 土槽试验装置Fig.10 Soil-bin test device

3.2 沟深稳定性测量

种沟深度的稳定性直接影响种子播深及出苗效果。测试前，调整覆土装置与地面的距离。沟深测量时，开沟器前进20 m，沿种沟中段取10 m的范围，等距取10个横断面，测量原地表到沟底的垂直距离作为开沟深度。开沟深度稳定性系数计算式为

U=1-V

(15)

其中

式中h——开沟深度平均值，mm

hi——第i个测量点的开沟深度，mm

S——开沟深度的标准差,mm

n——测量的横断面样本数

V——开沟深度变异系数，%

U——开沟深度稳定性系数，%

3.3 试验方案

基于对凿式开沟器的设计与参数分析，确定刃口宽度、仿形辊直径、入土角、播深为影响开沟深度稳定性的主要因素，试验指标为开沟深度稳定性系数。采用响应面优化法开展二次回归正交组合试验，获取凿式开沟器最佳参数组合。试验因素水平如表1所示。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

3.4 试验结果分析

应用Design-Expert 软件处理试验数据，试验方案与试验结果如表2所示。通过回归分析处理试验结果，获取方差分析如表3所示(x1、x2、x3、x4为因素水平值)，建立开沟深度稳定性系数水平值的回归方程，并检验其显著性。

(16)

对回归方程(16)进行失拟性检验，P值为0.23，不显著。表明影响试验指标的其他主要因素不存在，试验指标和试验因素存在显著的二次关系。

表2 试验方案与结果Tab.2 Experiment scheme and results

表3 开沟深度稳定性系数方差分析Tab.3 Variance analysis of stability on sowing depth

3.5 参数优化

依据试验结果和数据分析，以开沟深度稳定性系数最高为目标，通过Design-Expert 8.06软件分析，可得多个最佳参数组合，列举其中4个符合期望的优选方案，如表4所示。分析方差分析表3和回归方程(16)可知，仿形辊直径是影响开沟深度稳定性关键因素。由于仿形辊直径的变化，会影响其在弹性形变中对仿形壁的摩擦力产生的力矩，进而影响对地表变化的响应能力。仿形辊直径在合理范围内时，凿式开沟器遇到地表起伏时，可形成合适的仿形量。综合考虑长江中下游和新疆地区油菜、小麦的播种深度要求和实际加工制造水平，确定开沟器实际加工尺寸为刃口宽度12 mm、仿形辊直径24 mm、入土角22°。田间播种作业中，根据作物播种实际农艺要求，适当调整播深，以满足作物出苗要求。

表4 开沟深度稳定性系数优选方案Tab.4 Optimization scheme of stability on sowing depth

4 田间试验

田间试验用以验证最佳参数组合下的开沟器的作业效果，包括田间作业性能对比试验和田间播种试验。通过田间作业性能对比试验，分析设计的凿式开沟器与购置的翼铲式播种开沟器开沟性能差异；通过田间播种试验，观测凿式开沟器播种油菜、小麦的出苗效果。

4.1 作业性能对比试验

4.1.1试验方法

2017年10月14日、2018年5月8日、2018年11月1日分别于湖北省监利县、新疆维吾尔自治区伊犁昭苏县77团、湖北省农业科学院试验基地开展田间作业性能对比试验。试验设备为油麦兼用型精量宽幅免耕播种机，配套动力为约翰迪尔1054型拖拉机，试验装置为凿式播种开沟器、翼铲式开沟器，试验装置如图11所示。试验仪器包括：皮尺(100 m)、直尺(3 m)、耕深尺(精度：0.01 mm)、三维激光扫描仪(美国天宝公司，Trimble TX8，精度2 mm)、磁性水平尺(三箭工具有限公司，精度0.002 9°)、土壤紧实度仪(浙江托普仪器有限公司，TJSD-750Ⅱ型，±0.5% FS)、土壤水分测试仪(浙江托普仪器有限公司，TZS-2X型，0.01%)。湖北省监利县为机收后稻茬田，播种前田块经过旋耕处理，地表平整，秸秆量少，土壤类型为黄棕壤，土壤含水率为22.53%；新疆地区为一年一熟油菜小麦轮作田，因秸秆自然消减，故地表基本无秸秆残留，地表平整度为13.28 mm，土壤类型为灰钙土，土壤含水率为7.56%、土壤紧实度为302.14 kPa；湖北省农业科学院试验基地为机收后稻茬田，播种前田块经过旋耕处理，地表平整，秸秆量少，土壤类型为黄棕壤，土壤含水率为20.95%。试验过程中，设定开沟铲的播深为30 mm，播种机沿直线方向作业距离50 m，选取中间30 m作为测量区域，沿机组前进方向每隔3 m测量开沟深度，每行程种沟测10个点，试验重复5次，计算播后地表平整度[22]，并观测作业通过性。

图11 开沟器田间试验Fig.11 Field experiment photos of opener1.翼铲式开沟器 2.凿式开沟器

4.1.2试验结果分析

通过对2种不同类型开沟器开沟深度、地表平整度的测定，计算开沟深度变异系数和地表平整度，并观测开沟器5次重复试验中拖拽秸秆及壅土的次数，即作业通过性。试验结果如表5所示，其中序号1、2、3分别为湖北省监利县、新疆维吾尔自治区伊犁昭苏县77团、湖北省农业科学院试验基地测定数据结果。

表5 作业性能对比试验结果Tab.5 Contrastive experiment results of operational performance

由表5可知，凿式开沟器的深度变异系数、播后地表平整度、作业通过性均优于翼铲式开沟器，且凿式开沟器拖拽的秸秆、壅土能从开沟器间流过，其性能满足GB/T 20865—2007《免耕施肥播种机》的要求。翼铲式开沟器的翼铲对土壤扰动量大，且不易入土，难以控制播种深度且易堵塞；根据表5中数据可知，采用凿式开沟器，新疆地区的开沟深度变异系数为7.53%，播后地表平整度为17.6 mm，均低于湖北地区。主要在于新疆地区地表耕作区块平整度高、土壤松散，且无秸秆覆盖、含水率低，利于仿形功能的实现，开沟稳定性更优。

4.2 播种试验

4.2.1试验方法

2018年5月11日、2018年9月14日、2018年11月4日分别于新疆维吾尔自治区伊犁昭苏县77团、华中农业大学现代农业示范基地、湖北省农业科学院试验基地开展田间播种试验。试验中选择刃口宽度为12 mm、仿形辊直径为24 mm、入土角为22°的最佳参数开沟器。

新疆维吾尔自治区伊犁昭苏县77团开展春油菜播种试验，土壤类型为灰钙土，土壤含水率为7.14%，土壤紧实度为315.64 kPa，油菜品种为西禾油3号，播量7.5 kg/hm2，作业速度10 km/h，播深30 mm，播种中采用镇压辊镇压；华中农业大学现代农业示范基地开展冬油菜播种试验，土壤类型为黄棕壤，播种田块已旋耕，土壤含水率为18.13%，油菜品种为华油杂62，播量4.275 kg/hm2，作业速度7 km/h，播深20 mm；湖北省农业科学院试验基地开展小麦播种试验，试验田为机收后稻茬田，土壤类型为黄棕壤，播种田块已旋耕，土壤含水率为19.54%，小麦品种为郑麦9023，播量195 kg/hm2，作业速度8 km/h，播深40 mm。试验设备为油麦兼用型精量宽幅免耕播种机，工作幅宽4.8 m，24行播种。播种30 d后，每行测5段，测每段1 m长度内的油菜、小麦苗数[25]。播种试验和出苗情况如图12所示。

图12 播种试验及出苗情况Fig.12 Planting experiment and emergence

4.2.2试验结果分析

开沟器的性能直接影响播种均匀性、出苗率及作物长势，可通过测定各行苗数、单行苗数变异系数和各行苗数一致性变异系数来表征开沟器开沟、覆土的综合性能。单行苗数变异系数通过分析单行油菜各测量段的苗数差异，可表明单个开沟器的仿形开沟效果；各行苗数一致性变异系数通过分析各行油菜测量段的出苗差异，可表明各行开沟器的仿形开沟效果及对宽幅作业的适应性。单行苗数变异系数计算公式为

(17)

式中Sz——单行5次测量苗数的标准差

Xz——单行苗数平均值

Vz——单行苗数变异系数，%

各行苗数一致性变异系数计算公式为

(18)

式中Sg——各行平均苗数的标准差

Xg——各行苗数的平均值

Vg——各行苗数一致性变异系数，%

由苗数测量数据和式(17)可得春油菜、冬油菜、小麦的各行苗数、单行苗数变异系数如图13所示。

图13 单行苗数和苗数变异系数Fig.13 Seedling number and variation coefficient of seeding number

根据图13可知，油菜、小麦的各行平均苗数和单行苗数变异系数均在合理的范围内。春油菜各行1 m内平均苗数为26，单行苗数变异系数为5.82%～9.58%；冬油菜各行1 m内平均苗数为20，单行苗数变异系数为6.03%～9.03%；小麦的各行1 m内平均苗数为35，单行苗数变异系数为6.25%～10.15%。油菜、小麦的苗数和单行苗数变异系数均满足实际生产中油菜、小麦精量播种要求。由式(18)和图13可知小麦各行苗数一致性变异系数为8.11%，春油菜、冬油菜的各行苗数一致性变异系数分别为7.53%、7.91%。

综合田间作业性能对比试验和田间播种试验可知，采用仿形凿式开沟器开沟播种性能优于NY/T 1411—2007《小麦免耕播种机作业质量》和NY/T 2709—2015《油菜免耕播种机作业质量》的要求，表明仿形凿式开沟器可提高播深稳定性、各行播深一致性，并提高作业效率。

5 结论

(1)为提高宽幅油麦兼用型播种机的作业效率、播深稳定性和一致性，设计了一种基于仿形辊弹性形变、实现仿形功能的凿式播种开沟器，确定了凿式刃口曲线方程，分析了开沟器各部件与土壤互作关系力学模型，阐明了仿形机构的弹性形变与仿形阻力及仿形量的关系。

(2)通过二次回归正交组合试验，得出了曲面刃口宽度、仿形辊直径、入土角、播深与开沟器稳定性系数的二次回归方程。方差分析表明，仿形辊直径对开沟深度稳定性影响最显著，并得出最优参数组合为刃口宽度12 mm、仿形辊直径24 mm、入土角22°。

(3)田间作业性能对比试验表明，凿式开沟器的播深变异系数、播后地表平整度、作业通过性均优于翼铲式开沟器，且凿式开沟器在新疆偏沙壤土区域作业性能优于长江中下游含水率高的棕壤土区域的作业性能。

(4)田间播种试验表明，安装自适应仿形开沟器的播种机作业效果较好，小麦的各行1 m内平均苗数为35，单行苗数变异系数为6.25%～10.15%，各行苗数一致性变异系数为8.11%；春油菜各行1 m内平均苗数为26，单行苗数变异系数为5.82%～9.58%，各行苗数一致性变异系数为7.53%；冬油菜各行1 m内平均苗数为20，单行苗数变异系数为6.03%～9.03%，各行苗数一致性变异系数为7.91%，满足油菜、小麦精量播种要求。