李尚平 潘家枫 钟家勤,3 黄宗晓 甘芳芳

(1.广西大学机械工程学院， 南宁 530004； 2.广西民族大学电子信息学院， 南宁 530006；3.北部湾大学机械与船舶海洋工程学院， 钦州 535011)

0 引言

甘蔗是我国主要的糖料作物，蔗糖产量约占全国食糖产量的90%。广西地区作为我国的甘蔗主产区，种植面积占全国的60%以上。但是，由于地形等条件限制，甘蔗种植的综合机械化率约55%，并主要以纵向种植方式为主[1]。为了减少甘蔗种植的用种量，推广甘蔗良种良法技术，农艺专家提出了双芽段甘蔗横向种植模式。与传统的纵向种植模式相比，耗种量减少50%～60%，并且分蘖能力强，出芽率较高。但是，横向种植对于落种质量要求高，作业时要求蔗种“深种浅埋”，即种植深度大于28 cm，蔗种落地时保持横向姿态，有利于蔗种扎根，提高抗倒伏能力和延长宿根年限[2-5]。

由种植作业过程可知，开沟部件的作业效果是种植深度与落种形态能否达到农艺要求的关键因素。目前，研究人员根据甘蔗种植要求对开沟部件进行了设计与研究。韩杰等[6]设计了一种带弧形挡板的甘蔗种植机开沟覆土装置，可以引导甘蔗种顺利进入种植沟，并对直线型、凹型和凸型3种不同切削刃类型的开沟性能进行试验，结果表明，凸型开沟器的开沟效果较好。夏利利等[7]设计了一种W形开沟器，可以使甘蔗种落下时隔开一定横向距离，避免蔗种扎堆，并能减小开沟器的工作阻力。张国庆等[8]针对种肥分施的要求，设计了一种种肥隔离式开沟器，并对主要结构参数进行理论和受力分析，确定了最佳入土角、张角、外倾角和幅宽。SINGH等[9]探究了开沟器类型、开沟深度和前进速度对垄高、甘蔗发芽率和土壤扰动特性等指标的影响，得到了较佳的开沟器类型与工作参数。目前，国内外研究人员关于甘蔗种植机开沟部件的研究主要集中在纵向种植方面，对横向种植开沟器的研究较少，并且结合落种过程的研究更少。

为此，根据横向种植对开沟落种提出的要求，本文通过分析落种与土壤运动关系，基于有效落种空间形成的要求，设计一种适用于甘蔗横向种植的组合式开沟器，以满足甘蔗横向种植的落种要求，提高横向种植机的落种质量。

1 开沟器开沟原理分析

1.1 预切种式甘蔗横向种植机工作原理

预切种式甘蔗横向种植机如图1所示，主要由组合式开沟器、播种器、施肥和覆土覆膜等机构组成。工作时拖拉机输出动力驱动组合式开沟器旋耕切削土壤，随着拖拉机拉动种植机前进和三点悬挂调节工作高度，开沟器切入形成种植沟，地轮提供动力给播种器和施肥机构，按一定频率横向排出蔗种和肥料，最后覆土覆膜，完成双行开沟、播种、施肥、覆土覆膜等甘蔗种植工序。

图1 预切种甘蔗横向种植机结构简图Fig.1 Structural diagram of transversal sugarcane planter1.机架 2.开沟器上液压缸 3.挡泥板 4.播种器集蔗箱 5.播种器一级提升链 6.播种器二级输送链 7.覆土覆膜机构 8.地轮 9.播种器落种点 10.螺旋施肥机构 11.开沟犁 12.旋耕刀 13.旋耕刀盘 14.防漏犁 15.开沟器下臂 16.开沟器下液压缸 17.开沟器上臂

1.2 横向种植落种农艺要求

如图2所示，双芽段甘蔗横向种植时要求将蔗种横向放入种植沟内，蔗种之间水平距离ds为30～40 cm，开沟宽度w1≥35 cm，有利于通风与采光，便于后续的中耕培土和机械化收获。种植截面如图3所示，根据“深种浅埋”的要求，蔗种底部至地表面的深度，即种植深度Hp≥28 cm，沟底浮土厚度Hq为2～3 cm，覆土厚度Hc为5～10 cm。

图2 预切种双芽段甘蔗横向种植位置俯视图Fig.2 Top view of transversal double-bud sugarcane planting situation with seed pre-cutting

图3 预切种双芽段甘蔗横向种植截面图Fig.3 Sectional view of double-bud sugarcane planting with seed pre-cutting

1.3 有效落种空间形成机理分析

开沟作业之后，垄上堆积的土壤在重力作用下回填种植沟内是土壤的一种固有特性。土壤回填会增加沟底浮土，并且形成V形沟，影响蔗种种植深度和落地姿态。因此，蔗种应在开沟器开沟完成之后、土壤回填之前的极短时间段内落入种沟。此时开沟犁的开沟深度等于种植深度，且落种方向没有改变，才满足落种要求，如图4所示。

图4 有效落种示意图Fig.4 Schematic of effective seeding

将蔗种落地姿态保持横向且种植深度达到要求的排种过程称为有效落种，其深度定义为有效落种深度。完成有效落种的前提是在该时间段内开沟器与播种器之间形成一个无土壤回填的瞬时稳定的落种区域，可以保证蔗种下落达到种植深度要求且落种姿态保持横向不改变，将这个区域称为有效落种空间。有效落种的过程分为空间形成、蔗种掉落和土壤回填3个阶段，因此，有效落种空间是动态变化的，即播种器不断排出蔗种，有效落种空间不断形成，各阶段有机衔接以完成精准布种。

假设播种器落种点与土壤回填点的水平距离为S2，机具前进方向为x轴正方向，竖直向下为y轴正方向，对播种器上单根蔗种做运动学分析，如图5所示。

图5 落种运动分析图Fig.5 Motion analysis diagram of seeder

质量为m1的蔗种受到惯性力和重力作用做斜抛运动，运动轨迹方程为

(1)

式中x——蔗种水平方向抛出距离,m

y——落种高度,m

v0——蔗种离开蔗槽的瞬时速度，定义为初始线速度,m/s

α——蔗种初始线速度与x轴夹角，定义为落种夹角,(°)

vm——种植机前进速度,m/s

t1——落种时间,s

g——重力加速度,取9.8 m2/s

由于开沟器与播种器均随着整机前进，水平方向的相对速度为零，由式(1)得到蔗种水平方向的抛出距离x与落种高度y之间的关系方程为

(2)

由式(2)可知，蔗种抛出距离受到落种高度、初始线速度和落种夹角的影响，当工作深度为0.3 m时，落种夹角α=25°，落种高度y=0.4 m，初始线速度v0=0.19 m/s，代入式(2)计算得到抛出距离x=0.064 m。因此，为达到深种浅埋的种植要求，基于有效落种空间形成，对开沟器提出以下设计要求：

(1)根据种植深度和沟底细碎浮土厚度要求，开沟器的碎土层深度应达到35 cm，开沟深度应达到30 cm，能一次形成有效落种空间，有效落种深度达到28 cm以上。

(2)普通双芽段蔗种的长度范围为25～35 cm，要实现横向落种姿态不变，种植沟的宽度应大于蔗种长度，沟型截面为长方形，因此开沟宽度w1应在35 cm以上。

(3)由图5可知，蔗种抛出距离大于或等于落种点与土壤回填点的水平距离，蔗种才能在土壤回填之前落入种沟，即S2≤x，有S2≤6.4 cm。

(4)开沟过程中，土壤不能漫过犁面增加沟底浮土，影响种植深度。蔗种落入种植沟后，护板两侧土壤回填形成部分覆土，对土壤的扰动性小，有利于保持土壤和蔗种水分。

2 开沟器关键部件设计

根据上述设计要求，开沟器为组合式设计，主要由防漏犁、旋耕部件和开沟犁构成，分两步完成开沟作业，保证开沟质量。首先由防漏犁与旋耕部件对土壤进行切削粉碎，降低开沟犁开沟阻力，保证碎土深度，并与挡泥板配合作用抛出部分土壤。然后，由开沟犁推动沟内剩余土壤沿犁面导流清理种沟，形成有效落种空间，并防止土壤回填。

2.1 防漏犁设计

由图1可知，防漏犁是开沟器部件中最先切入土壤的部件，随种植机前进切削链轮箱体下方土壤，起土导流至旋耕区。设计防漏犁结构如图6所示，导曲线由直线和曲线组成。根据开沟深度确定防漏犁胫刃线高度为380 mm，其中曲线段曲率半径为R1=295 mm、高度h1=275 mm，直线段高度h2=105 mm。为减小入土时机具的上抬高度和犁尖的突出长度，胫刃线开度L1=115 mm。为减小入土阻力，犁体幅宽由上往下逐渐减小，根据旋耕链轮箱宽度将犁体上部幅宽确定为B2=150 mm。由于防漏犁与深松铲工况相近，参考深松铲标准取犁尖幅宽为B1=80 mm，底部张角γ1=65°，顶部张角γ2=80°[10]。为缩短入土行程，降低入土阻力，确定防漏犁入土角σ1=35°，入土缝隙角β1=8°[11]。

图6 防漏犁结构图Fig.6 Structure diagram of leak-proof plough

2.2 旋耕部件设计

旋耕部件用于切削粉碎种植区域的土壤，降低开沟犁的前进阻力，增加土壤疏松程度与通透性，促进甘蔗根系发育[12-13]。旋耕部件总体结构如图7所示，主要由旋耕刀、刀盘、刀轴、挡泥板和链轮箱组成。旋耕刀轴与链轮箱通过花键连接，单侧安装两片旋耕刀盘，将单侧旋耕区域划分为4个切削小区。为避免旋耕抛出土壤回流种沟，防止土壤击打人员与进入传动部件，设计挡泥板将旋耕抛起土壤导流至侧向。

图7 旋耕部件结构简图Fig.7 Structure diagram of rotary tillage unit1.旋耕刀 2.刀盘 3.挡泥板 4.链轮箱 5.刀轴

土壤破碎程度与切土节距相关，土壤颗粒细碎有利于甘蔗出芽与扎根。由切土节距理论得到旋耕转速计算公式为

(3)

式中n——旋耕刀轴转速,r/min

SD——切土节距,cm

z——各切削小区内旋耕刀片数量

根据种植季节的土壤含水率和蔗地类型，选择SD=8 cm[14]，由整机设计要求可知机具前进速度为0.6～1.2 m/s，各切削小区内的刀片数量为3，由式(3)计算得到旋耕转速为150～300 r/min。

2.3 开沟犁设计

根据设计要求，开沟犁需要开出深度为30 cm、宽度为35 cm以上的长方形种沟，并且开沟过程中土壤不能漫过犁面进入种沟。因此，设计开沟犁主要包括导曲线切削刃、犁曲面、护板、连接杆与支撑梁，结构与参数如图8所示。

图8 开沟犁结构简图Fig.8 Structure diagram of furrow plough1.切削刃 2.犁曲面 3.护板 4.支撑梁 5.连接杆

犁曲面和护板为主要触土面，用于将土壤进一步挤压粉碎，随后导流提升至两侧垄面，护板在对土壤挤压塑形的同时防止土垄上的土壤回流，从而形成一个稳定的落种空间。在中间加方形结构支撑梁增加犁体刚度，支撑两侧犁板与护板，避免受挤压变形影响沟型。

2.3.1犁曲面参数分析

由图8所示的开沟犁设计参数可知，犁体参数由导曲线、犁体高度h3、护板幅宽D、入土角σ2、入土缝隙角β2、护板倾角φ、开角γ3和挡板长度L2决定。对土迹线上的土壤颗粒在开沟犁曲面的运动进行分析，如图9所示。

图9 犁曲面受力分析Fig.9 Force analyses of plough surface

由受力分析可知，土壤颗粒受力有竖直向下的重力m2g、犁曲面的摩擦力f、挤压力FN。由于摩擦力与压力为空间力，设前进方向为x轴正方向、竖直向下的重力方向为y轴正方向、侧边为z轴方向建立空间直角坐标系，将挤压力沿坐标轴3个方向分解为3个分力[15]，得到运动学方程

(4)

其中

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中FNx——挤压力在x轴方向分力,N

FNy——挤压力在y轴方向分力,N

FNz——挤压力在z轴方向分力,N

fxz——土壤颗粒xz平面摩擦力,N

fyz——土壤颗粒yz平面摩擦力,N

ax——土壤颗粒x方向加速度,m/s2

ay——土壤颗粒y方向加速度,m/s2

az——土壤颗粒z方向加速度,m/s2

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θ——元线角,(°)

m2——土壤颗粒质量,kg

σ3——等效入土角,(°)

ψ——土壤内摩擦角,(°)

联立式(4)～(9)求解可得

(10)

(11)

(12)

土壤受到三面楔挤压而产生滑移线，从应力状态分析得出，犁刃角在45°附近时产生最大剪应力，可有效降低开沟阻力，则元线角θ应满足条件

(13)

说明土壤颗粒运动情况与摩擦角、等效入土角、土壤颗粒对犁曲面压力等因素相关。根据广西蔗区土壤类型，取ψ=28°[16]，代入式(13)满足31°<θ<45°<62°。由式(10)～(12)可得，当σ3>0°时，ax、az大于零，ay小于零，说明土壤颗粒有向前、向侧边和向上的运动趋势。

2.3.2犁曲面参数设计

由铧式犁犁面设计成型原理可知，犁曲面参数决定了开沟犁曲面受力与土壤运动状态等工作性能[17-18]。根据设计要求，设计切削刃口曲线为导曲线，如图10a所示，导曲线高度与h3相等，计算公式为

图10 开沟犁曲面设计图Fig.10 Design diagrams of furrow plough surfaces

h3=λ(H1+H3)

(14)

式中H1——开沟犁开沟深度,cm

H3——垄高,cm

λ——高度系数,一般取1.2～1.3[19]

根据设计要求与前期课题组试验可知，当H1=30 cm时，H3=15 cm，取λ=1.2，代入式(14)计算可得h3=54 cm。

为平衡入土性能和结构强度的关系，选择σ2=20°，γ3=75°[20-21]，始端入土直线段为140 mm，导曲线开度取340 mm，便于快速入土，增加结构强度。增大入土缝隙角可以减小开沟阻力，但入土缝隙角会导致沟底有土壤回填，导致沟底不平，因此取β2=0°。元线角与水平直元线高度间的变化关系为

θ=f(Z)

(15)

式中Z——水平直元线高度,mm

如图10b所示，设计元线角变化曲线分为两段，为了避免犁壁翼边线刮擦到已经翻出的土壤，应使θmin≤θ0，因此设计第1段元线角是直线，从θ0直线递减至θmin；第2段元线角为抛物线，从θmin增大至θmax。

取θ0为36°，θmin为35°，θmax为43°[22]，则元线角变化方程为

(16)

2.3.3护板参数设计

结合横向种植的落种要求，护板既要阻挡土壤回填种植沟破坏有效落种空间，又需要在蔗种落下后回填土壤，减少土壤扰动。当护板倾角大于土壤内摩擦角时，土壤平衡状态被打破，进行运动学分析得

(17)

式中W——斜面方向土壤下滑距离,m

μ——触土部件滑动摩擦因数

t2——土壤回填时间,s

由式(17)可知，土壤颗粒下滑距离与护板倾角、触土部件滑动摩擦因数相关，当土壤回填时间一定时，倾角越大，摩擦因数越小，回填的距离越长，土壤量越多。为了保证垄沟宽度并使得土壤在开沟完成后及时回填种沟，取φ=90°[23]。

有效落种空间对开沟犁的设计要求为S2≤6.4 cm。为避免由于振动影响斜抛距离导致蔗种落在有效落种空间之外的情况发生，设计的护板长度应延伸至落种点下方覆盖落种区域，即S2≤0，得到L2=500 mm。为避免土壤漫入，提前回填种沟导致有效落种深度变浅与方向改变，取D=500 mm，护板高度与犁体高度相同，取为540 mm。

3 田间试验

3.1 试验条件

为检验所设计开沟犁的作业效果和作业功耗，探究作业参数对有效落种深度、旋耕功率和开沟阻力的影响，搭建田间试验平台，如图11所示，试验于2020年11月在广西亚热带农科新城甘蔗良种研发与繁育基地进行。

图11 试验平台Fig.11 Experiment platform

在试验平台上旋耕部件安装最低点比开沟犁低50 mm，用于在沟底形成浮土层，两者之间的水平距离为670 mm。试验设备包括试验平台、东方红LX1204型拖拉机(功率88.2 kW)、SG404H型无线应变传感器节点(北京必创科技股份有限公司，测量范围：±15 000 με，测量精度：0.05% red±5 με)、TQ201H型无线扭矩传感器节点(北京必创科技股份有限公司，测量范围：±12 000 με，测量精度：0.1% red±2 με)、迈测X6型激光测距仪(深圳市迈测科技有限公司，测量范围：0.2～40 m，测量精度：±2.0 mm)、TYD-2型数显土壤硬度计(浙江托普云农科技股份有限公司，测量范围：0～1 000 N/cm2，测量精度：±0.5%)、TZS-2X-G型土壤含水率测定仪(浙江托普云农科技股份有限公司，测量范围：0～100%，分辨率：0.1%)、DT-2234B型光电式转速计(台湾路昌电子企业股份有限公司，量程5～999.9 r/min，精度：±0.05%)等。

选取地势平坦的深松蔗地作为试验区域，在试验区域用五点法确定取样点位[24]，测得土壤条件如表1所示，土壤类型为砖红壤。

表1 试验区域土壤条件Tab.1 Soil condition of experimental area

3.2 试验方案

在田间作业时，横向种植机的作业参数主要包括工作深度、旋耕转速和机具前进速度[25]。并且根据现有研究[26-27]与前期预试验，这3项参数会对落种效果、作业功耗及阻力产生重要影响。因此，选择工作深度、旋耕转速和机具前进速度作为试验因素，选择旋耕功耗、开沟阻力和有效落种深度作为试验指标，开展三因素三水平正交试验，验证开沟器开沟性能，并探究作业参数对开沟指标的影响，获得较优的作业参数组合。为研究不同工作深度对实际开沟性能和落种效果的影响，根据甘蔗种植的常见深度和同类型种植机研究的开沟深度范围[5-6,8-9]，选择工作深度范围为10～30 cm。根据2.2节旋耕部件设计要求，选择旋耕转速范围为200～300 r/min。由于拖拉机的作业速度由拖拉机前进挡位决定，因此根据拖拉机的技术参数与机具技术要求，选择低Ⅰ、低Ⅱ与低Ⅲ 3个拖拉机的前进挡位，速度范围为0.65～1.20 m/s。因素水平如表2所示。

表2 试验因素水平Tab.2 Experimental factors and levels

3.3 试验指标

3.3.1有效落种深度

有效落种深度是衡量落种空间是否有效和落种是否合格的定性指标。开沟试验时，蔗种由人工在开沟犁护板尾部位置投掷。试验完成后，刨开覆土层使得蔗种露出地面，使用卷尺测量蔗种的初始落种深度，如图12所示。

图12 初始落种深度测量Fig.12 Original seeding depth measurement

测量值减去垄高后取平均值作为该组试验的有效落种深度Hs。

3.3.2开沟阻力

在开沟犁连接杆上粘贴应变片，由受力分析可知，开沟阻力主要为前进方向阻力，通过测力计与葫芦吊等设备对前进方向阻力标定，如图13所示，得到主应变片与前进阻力的标定方程为

图13 开沟阻力标定Fig.13 Calibration for furrowing resistance

FR=14.942ε-39.259

(18)

式中FR——开沟犁的开沟阻力,kN

ε——主应变片应变,με

利用标定方程计算各组试验的开沟阻力。

3.3.3旋耕功耗

使用应变片和无线扭矩测量传感器节点测量旋耕扭矩，计算功率得到旋耕功耗。

(19)

式中PT——旋耕功耗,kW

T——旋耕扭矩,N·m

3.4 正交试验结果分析

3.4.1极差分析

选用L9(34)正交表，进行三因素三水平正交试验，试验安排与试验结果如表3所示，A、B、D为旋耕转速、工作深度、前进速度水平。极差分析结果表明，影响有效落种深度、旋耕功耗和开沟阻力的主次因素均为B、A、D，说明工作深度对试验指标的影响最大，其次为旋耕转速，前进速度的影响最小。有效落种深度是评价开沟器性能的关键指标，最优的作业参数应为满足落种要求的条件下，旋耕功率和开沟阻力相对较小的参数。但是，在实际生产中还需要考虑作业效率以降低作业成本。由于前进速度为决定作业效率的因素且为次要影响因素，因此综合考虑较优作业参数组合取为A1B3D3[28]。

表3 正交试验设计和结果Tab.3 Design scheme and results of orthogonal experiment

3.4.2方差分析

为了进一步分析各因素水平对各指标影响的显著性，对试验数据进行方差分析，分析结果如表4所示。由方差分析结果可知，对于各试验指标，因素的影响显著性主次顺序均为B、A、D，与极差分析相吻合。即旋耕转速对旋耕功率有极显著影响；工作深度对有效落种深度、旋耕功耗和开沟阻力影响极显著；前进速度对旋耕功耗有显著性影响。这说明旋耕转速改变影响单位时间内切削次数，导致旋耕功耗改变。工作深度直接决定有效落种深度，由于切削量和出土量增加，旋耕功率和开沟阻力随着工作深度增加。提高前进速度，导致切土节距增大和旋耕功耗增加。

表4 正交试验方差分析Tab.4 Variance analysis results of orthogonal experiment

3.5 田间验证试验

根据极差分析得到较优作业参数组合A1B3D3，即旋耕转速200 r/min，工作深度30 cm，前进速度为1.20 m/s(低Ⅲ挡)。选择坡度与土壤条件相似的蔗地进行验证试验，试验结果如表5所示，平均有效落种深度为29.9 cm，落种深度稳定性系数为97.6%，覆土厚度为8.8 cm，浮土厚度3.4 cm，说明在此作业参数下，所设计的开沟器性能指标均满足横向种植机的有效落种要求，平均旋耕功耗为34.0 kW，单侧开沟阻力为14.1 kN。

表5 验证试验结果Tab.5 Results of verification experiment

4 结论

(1)根据甘蔗横向种植的落种要求，对有效落种空间的形成机理进行分析，并基于有效落种空间提出开沟器的设计要求，设计了一种组合式开沟器。通过落种与土壤的运动学分析，确定了防漏犁、旋耕部件和开沟犁的结构参数。

(2)通过搭建试验平台进行田间试验，探究旋耕转速、工作深度和前进速度对开沟器性能的影响规律。试验的方差分析结果表明，工作深度对有效落种深度、旋耕功耗和开沟阻力有极显著影响；旋耕转速对旋耕功耗有极显著影响；前进速度对旋耕功耗有显著性影响。通过极差分析得到各因素对各试验指标影响的主次顺序均为工作深度、旋耕转速、前进速度，较优作业参数组合为旋耕转速200 r/min、工作深度30 cm和前进速度为1.20 m/s(低Ⅲ挡)。

(3)采用较优作业参数组合开展田间验证试验，试验结果表明，在该参数组合下开沟器作业形成的种植沟可以形成有效落种空间，落种不转向，落种深度稳定。有效落种深度为29.9 cm，落种深度稳定性系数为97.6%，覆土厚度8.8 cm，浮土厚度3.4 cm，旋耕功耗34.0 kW，单侧开沟阻力为14.1 kN，满足甘蔗横向种植有效落种空间形成的开沟要求。