贾洪雷，郑嘉鑫，袁洪方，郭明卓，王文君，姜鑫铭



仿形滑刀式开沟器设计与试验

贾洪雷，郑嘉鑫，袁洪方※，郭明卓，王文君，姜鑫铭

（1. 吉林大学生物与农业工程学院，长春130025；2. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春130025）

为了改善种床质量、提高播种分布直线性及播深一致性，通过“V”形种沟成因分析，设计了一种适用于大豆垄上双行种植模式的仿形滑刀式开沟器。该开沟器具有滑刀和仿形压土轮机构，可实现开沟、压沟和仿形功能，进而构建底部紧实、覆盖土壤松软的优良种床。通过土槽试验，以回土量为指标，采用响应面优化法分析得出最优参数组合，即载荷大小为689.66 N，开沟角度为40.43°，前进速度为2.12 m/s，开沟深度为51.62 mm。在最优工况下进行田间验对比试验，仿形滑刀式开沟器、双V型筑沟器、圆盘开沟器的横向偏移离散度分别为4.42、4.34、6.55，播深变异系数分别为6.06%、6.80%、11.52%，在50～75 mm土层开沟镇压后土壤紧实度分别为0.261、0.248、0.165 MPa，仿形滑刀式开沟器作业效果优于双V型筑沟器和圆盘开沟器，可以提高种床质量和播深一致性，且使种床紧实，利于种子出苗。

机械化；优化；设计；仿形；开沟器；离散度；播深变异系数

0 引 言

近年来，高速精密播种已成为播种技术主要发展方向。除排种、投种2个环节外，种子着床工艺的好坏也会影响到高速播种的精确性[1]，良好的种床环境会提高种子分布的均匀性、播深一致性及出苗率[2-4]，因此，能否提供良好的种床环境是影响精密播种机性能的一个重要因素。

在发达国家，早已进行优良种床构建的研究，提出理想的种床环境要求种床紧实，以利提墒，促进种子发芽，而覆盖种床的土壤要松软细碎，透水透气以利发芽、出苗[3-5]。Ozmerzi等[6]研究精密播种机播深均匀性的影响，进行不同播深、土壤压实度、沟底粗糙度、种子和化肥分布、土壤覆盖等条件下的试验研究，以出苗率来评估开沟器的工作质量。Fallahi等[7]针对不同的耕作方式，以种子粒距均匀性指数及出苗率指数等为试验指标，对播种机触土部件进行了对比研究。现国外机械化精播玉米等大株距作物已趋于成熟，播种机使用的开沟装置可以开出较好的沟形且配有压沟装置，紧实种床土壤[8-10]，如德国LEMKEN公司机械式播种机Saphir7和Saphir8的开沟环节由双盘开沟器或靴式开沟器配合镇压器实现；MASCHIO GASPARDO集团公司、德国AMAZONE公司等研发的播种机使用开沟器加压沟轮实现种床构建。国内研究者们多年来对开沟器进行不断改进[11-12]，王庆杰等[13]研究设计了楔刀型免耕开沟器，赵淑红等[14]针对播种深施肥时，播种深度难以控制，结合滑推工作原理，设计一种滑推式开沟器。这些开沟器可在种子与种沟接触后迅速回土，使种子与湿土接触，不易搅混土层，降低土壤伤情损耗，利于种子出苗。

现有开沟器的改进研究多适用于提高玉米等大株距作物的种床质量[15-17]，而大豆、甜菜等小株距作物的植株较玉米种子更易发生滚动、弹跳等位移[8-10]，高速精播下现有开沟器难以配合其高产耕作模式实现田间分布的均匀性。目前，黑龙江大豆主产区机械化垄上双行种植广泛使用的开沟器为2个单圆盘开沟器对称布置，在垄距为600～650 mm的垄上开出100～150 mm的种沟，种床构建效果不佳。适合小株距圆粒种子高速精播的开沟装置有待进一步研究。

本文针对大豆垄上双行精密播种种植模式，基于已发明的《双V型筑沟器》[18-19]设计一种同时具有开沟、压沟和仿形功能的滑刀式开沟器，增加滑刀刀片及仿形压土轮机构，并在双V型筑沟器基础上进一步量化种床构建的指标，研究种床构建的重要影响因素，通过Box-Behnken Design响应面优化法进行正交试验，确定仿形滑刀式开沟器最佳参数组合。

1 仿形滑刀式开沟器分析与设计

1.1 整体结构

仿形滑刀式开沟器由连接杆、仿形压土轮、仿形机构、挤土刀、滑刀组成。其中滑刀被夹持在挤土刀中间，增加开沟器通过性，结构如图1所示，其主要作用是开沟的同时压出“V”形种沟。种沟的横向距离为110 mm，沟壁均匀平整，种子落入“V”形种沟后滚落在种沟底部，保证了种子分布直线性及播深一致性，提高播种质量，紧实种床土壤，加快种子出苗。

1.2 挤土刀总成与土壤受力分析

挤土刀总成包括挤土刀片和滑刀两部分，滑刀被夹持在开沟器挤土刀中间，用于切断杂草，可减小开沟刀片入土阻力和耕作阻力，有效避免入土性能不好、易堵塞的问题，在滑切的同时紧实土壤，筑造沟形。

1.2.1 “V”形种沟成因分析

种沟形状的好坏取决于机具与土壤之间及土壤颗粒间的相互作用，土壤回落影响开沟质量。土壤颗粒在不受外力情况下，土壤颗粒可视为散体颗粒，如图2a所示，设种沟的侧壁与水平面的夹角为土壤休止角，“V”形种沟的夹角为。则根据土壤湿度不同，当土壤休止角=30°～50°时土壤产生摩擦力自锁，当值大于临界值则土壤回落，此时种沟夹角=80°～120°才可使土壤保持稳定，然而过宽的种沟不能满足农艺需求，因此需要通过机具与土壤间相互作用减小种沟夹角并使沟壁土壤保持稳定。

土壤在受到外力的情况下形成土壤颗粒集合体，在集合体内颗粒相互接触而形成强度迥异的力链，力链支撑整个颗粒堆而保持稳定[20]。当滑刀滑切土壤瞬间，挤土刀和仿形轮与土壤接触变形所产生的挤压力使土壤散体颗粒与两侧土壤粘附，减少散土颗粒回落。

1.2.2 滑刀刀刃受力及曲线

滑刀刀刃所受入土阻力与刀刃曲线有关，在滑切过程中土壤受到刀刃的挤压，直到应力达到破坏极限时而发生剪切断裂[21]。在滑刀的作用下，土壤颗粒之间出现相对位移，颗粒沿着刀刃曲线向下滑移，遭到破坏后沿刀刃的楔面方向滑向两侧。顾耀全等[15]研究表明，当滑切角为35°～55°时入土阻力较小，因此，刀刃曲线的滑切角按此范围设计，如图3所示，设刀刃曲线函数为

式中为刀刃曲线纵坐标；′为的一阶导数；、为常数；为曲线斜率。

a. 仿形滑刀式开沟器受力分析

a. Force analysis of profiling sliding-knife opener

b. 挤土刀刀刃受力b. Force of squeezing knife edgec. 挤土刀与土壤接触面受力c. Force imposed on the contact area between the squeezing knife and soils

根据三角函数关系可得

式中为刀刃触土处的滑切角，(°)。

当=0 mm，取最大值55°，当=35 mm，取最小值35°，代入式（2）和式（3）。求得=0.01，=0.7，代入式（1），得出刀刃曲线函数为

注：、为坐标系（）中刀刃曲线上两点；1为刀刃曲线在点处的斜率；2为刀刃曲线在点处的斜率；1为点处法线；2为点处的法线；θ为点处的滑切角，(°)；θ为点处的滑切角，(°)。

Note:andare two points on the curve in coordinate system();1is the slope of cutting-edge curve at point;2is the slope of cutting-edge curve at point;1is the normal line at point;2is the normal line at point;θis the sliding cutting angle at point,(°);θis the sliding cutting angle at point,(°).

图3 滑刀刀刃曲线示意图

Fig.3 Schematic diagram of sliding-knife cutting-edge

1.2.3 开沟器受力分析

当开沟器工作的瞬间，机具与土壤接触发生变形，挤土刀与土壤间的应力有表面正应力和剪应力，设s为单位面积上剪应力的合力（如图2c），土壤与开沟器之间相对运动产生垂直于V形侧壁的剪力s，挤土刀两侧土壤分别受到机具向下的压力sp（如图2a），假设滑刀刀刃受到土壤施加的合力为′（如图2b），则在图2a所示坐标系内，方向上的受力平衡方程为

机具在前进方向上所受的阻力为

由式（5）推出

式中为挤土角，(°)；为刀刃合力与支持力夹角，(°)；μ为滑动摩擦系数；w为外压土轮所受阻力，N；z为中间压土轮所受阻力，N。

从受力分析中可知，种沟的好坏与挤土刀和土壤之间的相互作用力s有直接关系，s受挤土角、机具对种沟两侧土壤的压力sp、刀刃受到土壤施加的合力′、滑切角等因素影响。由于刀刃曲线为定值，则在匀速运动过程中滑切角不变，′趋近于定值，则′cos(90°)为定值。由于s为挤土刀与土壤接触面积所受的力，其大小与挤土刀面积有直接关系，开沟深度不同，受力面积不同，因此，开沟深度也是影响s的主要因素之一。通过受力分析确定影响开沟器刀片设计的3个影响因素，分别为开沟角度，开沟深度及压力大小。

1.3 仿形压土轮机构设计

仿形滑刀式开沟器特点在于挤土刀两侧设有仿形压土轮机构，与挤土刀共同作用，筑出“V”形种沟。与现有双V型筑沟器相比，双V型筑沟器在配合圆盘开沟器使用可达到最佳效果，侧重提高种子田间分布均匀性；该机构增强独立开沟功能，在提高种子田间分布均匀性的同时侧重紧实土壤，同时筑造沟形，给土壤提供良好种床环境。图4为仿形压土轮机构示意图。

1.螺栓 2.弹簧 3.连杆 4.销轴 5.压土轮

1.Bolt 2.Spring 3.Connecting bar 4.Pin roll 5.Soil-compressing profiling wheels

注：为支点；Z为作用在压土轮上的力，N；T为弹簧给螺栓的力，N；1为Z的力臂，m；2为T的力臂，m。

Note:is pivot;Zis force applied on soil-compressing profiling wheels, N;Tis the spring force applied on the bolt, N;1is force-arm ofZ, m;2is force-arm ofT, m.

图4 仿形压土轮机构示意图

Fig.4 Schematic diagram of profiling compacting wheels

仿形压土轮机构由弹簧、压土轮、连杆组成，如图4a所示，初始状态时，弹簧被压缩，有一定的预紧力，对螺栓有一个向上的力，螺栓带动连杆绕销轴顺时针旋转，此时压土轮对地有恒定压力，可以压碎小土块、紧实土壤；当地面有凸包时，弹簧受力大于预紧力被压缩，压土轮被抬起，实现仿形。仿形压土轮分为3组分别作用于每个挤土刀两侧，在压碎种沟两侧种床上土块的同时，实现单独仿形。

仿形压土轮机构的受力分析如图4b所示，根据力矩平衡可得

因为1=2，故式（8）化简为

式中Z为作用在压土轮上的力，N；T为弹簧给螺栓的力，N；1为作用在压土轮上力的力臂，m；2为弹簧给螺栓力的力臂，m。

弹簧具有初始预紧力，此时压土轮对地有恒定压力，挤土刀两侧压土轮材料为聚酰胺类树脂，机械强度高，韧性好，有较高的抗拉、抗压强度，且耐磨减阻。非刚性路面承受载荷，压土轮下陷量不大时，压土轮下陷量与作用力关系可按如下公式计算[22]

式中0为下陷量，cm；为压土轮的宽度，mm；为压土轮的直径，mm；为土壤特性系数；0为与土壤性质有关的参数。

由式（10）和式（11）推导得

东北地区黑土属于黏性土壤，土壤特性相关参数取0=1.01。设作用在中间压土轮上的力为Z1，两侧压土轮上的力别为Z2和Z3。弹簧在具有初始设计的压土轮的下陷量为0=3 mm，压土轮宽度为1=70 mm，2=3= 45 mm，直径为=70 mm，带入式（12）得出Z1=334.22 N，Z2=Z3=214.86 N。根据胡克定律

式中为弹簧受的力，N；Δ为弹簧形变量，mm。

弹簧的受力等于弹簧给螺栓的力，设Δ=3 mm，经计算得到弹簧的刚度系数1=33.4 N/mm，2=3=21.5 N/mm。

2 土槽试验

2.1 试验设备及方法

2015年9月，在吉林大学工程仿生教育部重点试验室进行土槽试验，试验台自带计算机控制系统和数据采集与传输系统。仿形滑刀式开沟器安装在播种单体上，与台车连接。试验土壤类型为典型东北黑黏土，试验前，进行洒水润土，充分渗透后，使土壤在0～100 mm含水率达到18%，适宜大豆生长且适宜机械耕作。将旋耕机安装在台车上进行旋耕、碎土、刮平，后将配套压实辊安装在台车上，将土壤压实。图5为仿行滑刀式开沟器土槽试验现场示意图。

a. 开沟器安装a. Setting diagram of opener b. 局部放大图b. Partial enlarged comparison diagram

为配合试验，制作3套不同角度挤土刀的开沟器。将仿形滑刀式开沟器安装在播种单体上，将播种单体与试验台车相连接进行多因素正交组合试验来选择最佳参数。

每组试验重复3次，取平均值。为保证直观的对比效果，分别将不同开沟角度的开沟器在土槽左右两端进行。为保证试验的可重复性，每次试验后对土槽内土壤进行翻整压平处理。为达到相同紧实度，每次在作业前进方向上中段20 m，每隔5 m取一样点，使用SC-900型土壤紧实度仪进行测试，确保每次试验前的土壤紧实度保持一致。

2.2 回土量的测量

回土量的多少直接反应了种沟的塑形好坏，以及种沟沟壁土壤是否均匀紧实。回土量少，播种深度容易控制，且沟壁平整易于种子落入设计位置。为更加直观准确的测量评价指标，使用回土体积与理论沟形体积比作为回土量的计算方法[23]。实际操作时，参考建筑施工中常用于计算土方量的平均断面法[23]测量开沟后种沟体积。在不同设计因素组合的开沟器开沟后，截取种沟截面，种沟截面呈规则的等腰三角形，沿种沟中段取10 m的范围，随机取10个横断面，测量实际开沟深度及去除回土后实际种沟深度′。图6为开沟后实际种沟截面示意图，则回土量可通过式（14）计算得出。

注：H′为实际种沟深度，mm；h为测量实际开沟深度，mm；d为实际开沟宽度，mm。Note: H′ is actual seed furrow depth, mm; h is the mearsuring furrow depth, mm; d is actual seed furrow width, mm.

图6 实际种沟截面示意图

Fig.6 Schematic diagram of actual seed furrow section

2.3 试验方案

根据Design-Expert软件中的Box-Behnken Design响应面优化法进行正交试验，选择仿形滑刀式开沟器最佳参数。

通过受力分析以及考虑机具实际作业情况，土槽试验选取的影响因素为：开沟角度、机具前进速度、开沟深度及压力大小，试验指标为回土量。试验总次数为29次，因素及水平如表1所示。

表1 试验因素及水平

2.4 试验结果与方差分析

利用Design-Expert软件对数据进行处理，得出试验方案与结果如表2所示。回土量的方差分析如表3所示。

表2 试验方案与结果

表3 回土量方差分析

式中1为开沟角度，(°)；2为前进速度，m/s；3为开沟深度，mm；4为压力大小，N。

1）回归系数显著性检验。表3中值小于0.05项是显著项，影响因子1、2、3、4、12、12、22、32、42对回土量的影响均为显著项。

对29号螺孔螺纹使用梳刀、铣刀、打磨、抛光等工具对损伤螺纹进行了铣削去除和抛光打磨，初步修复后检查发现较多螺纹扣出现损伤，29号螺孔总体情况如下：①第2-20扣螺纹，中径实测值超出设计最大值152.667mm，其中8-18扣螺纹中径值达到或超过M156螺孔中径值范围；②第21-55扣螺纹尺寸符合设计要求；

2）回归方程的显著性检验。回归方程值为19.41，回归方程显著，显著性水平为0.001。

3）回归模型失拟检验。失拟项的值为0.489 5，显然>0.05，回归方程不失拟，回土量模型实测值与预测值相近，决定系数与校正决定系数均接近于1，表明回归方程精确、效果显著，精密度值为16.449>4，表明该回归方程在设计域内预测性能良好。

各影响因子对回土量的显著性顺序从大到小依次为压力大小＞开沟角度＞前进速度＞开沟深度。

2.5 最佳参数组合

根据试验结果，以回土量最小为限制条件，软件得出最佳参数组合如表4所示，给出了3个符合期望的优选方案，其回土量与期望值均差别不大。综合考虑大豆播种机、大豆播种深度30～50 mm的需求及开沟器自身特点，选择最佳参数组合为压力大小689.66 N、开沟角度40.43°、前进速度2.12 m/s、开沟深度51.62 mm。由于开沟器开沟角度和开沟深度可以设置，而压力大小和前进速度在田间作业较难保证其精准性，因此通过期望分析可知，开沟当开沟角度为40.43°，开沟深度为51.62 mm时，作业速度控制在2～2.3 m/s，压力范围在650～700 N之间，期望度接近于1，均能达到良好的作业效果。

表4 最佳参数组合

3 田间试验

田间试验目的是验证土槽试验得出的开沟器结构最佳工作参数组合是否具有良好的作业效果，并与目前国内应用于垄上双行大豆播种机广泛使用的圆盘开沟器及已发明的双V型筑沟器做对比，验证仿形滑刀式开沟器作业性能。

3.1 试验准备和试验方法

试验于2016年5月23—26日，在黑龙江省七台河市勃农产业园（N45.78°，E130.59°，海拔197 m）进行，该区域地处寒温带，属于北温带大陆性季风气候，春秋季节多风。年平均降雨量为450～550 mm，日照时数在2 350～2 450 h，活动积温在2 300～2 700 ℃。地势平坦，土质肥沃，土壤类型为典型东北黑黏土[25]。田间试验的试验条件：试验田为均匀垄大豆地，无秸秆残茬覆盖；耕作方式为垄作，翻耕后土壤0～25 mm处土壤紧实度为0.103 MPa，25～50 mm处土壤紧实度为0.241 MPa，50～75 mm处土壤紧实度为0.345 MPa，75～100 mm处土壤紧实度为0.414 MPa。0～50 mm处土壤含水率为6.2%，50～100 mm处土壤含水率为13.2%，100～150 mm处土壤含水率为19%。仿形滑刀式开沟器连接在2BDB-6大豆变量施肥播种机的播种单体上，田间试验现场如图7所示。

a. 田间试验a. Field trial b. 圆盘开沟器b. Disk opener c. 双V型筑沟器c. Double-V furrow openerd. 仿形滑刀式开沟器d. Profiling sliding-knife opener

试验用的主要仪器设备：凯斯FARMALL 1254拖拉机、2BDB-6大豆变量施肥播种机、SC-900型土壤紧实度仪、TDR 300土壤水分测定仪、环刀组件（容积100 cm3）、电子天平等，试验用大豆种子品种为禾丰50。

3.2 试验内容与结果分析

仿形滑刀式开沟器能够提高种子分布的直线性及播种深度一致性，为了验证其性能，选取播种横向偏移离散度和播深变异系数作为评价指标，并对比种床紧实度变化情况。

3.2.1 种子横向偏移离散度测定

为研究种沟对田间播种均匀性的影响，提出可反映种子分布直线性的种子横向偏移离散度[26]作为试验指标。机具作业100 m测量一组数据，以种沟中线为基准，测量种子偏移量，每行连续测量100粒种子，进行10次重复试验，结果如图8所示。使用EXCEL软件中的AVEDEV（mean absolute deviation, 平均绝对偏差）函数计算离散度[25]，离散度又称“标准差率”，是衡量资料中各观测值变异程度的一个统计量，离散度越小越稳定。

试验结果得出，使用仿形滑刀式开沟器横向偏移离散度为4.42，使用双V型筑沟器横向偏移离散度为4.34，使用圆盘开沟器横向偏移离散度为6.55。相同工况下，使用仿形滑刀式开沟器和双V型筑沟器播种横向偏移离散度基本相同，与圆盘开沟器相比，仿形滑刀式开沟器横向偏移离散度降低了32.52%。由试验结果分析仿形滑刀式开沟器和双V型筑沟器均能使种沟成“V”形，种子落入种沟后会向沟底滚动，所以种子落入种沟中间的概率较大。相比双V型筑沟器，仿形滑刀式开沟器的仿形轮机构对土壤有一定预紧力，在最优参数下，使沟形更加紧实。其中偏移中线大于20～30 mm的种子，因为播种过程中机身振动等原因[27]，未能使种子落入沟底。而圆盘开沟器，由2个相对的单圆盘开沟器组成，由于圆盘开沟器对土壤的扰动范围是一个在传统楔基础上的随机变量，自身无限深装置，靠重力入土，开沟宽度受土壤条件影响较大，致使沟形不均，种子播种横向偏移量增大，并直接导致播种深度不一致。

3.2.2 播种深度一致性

播深一致性是影响作物产量的重要因素之一。研究表明[28]，出苗不一致会使作物产量降低，至使总产量下降。因此对3种开沟器的播深一致性进行了对比试验，每个开沟器测量6行，进行5次重复试验。播种深度变异系数计算公式为

试验结果如表5所示，仿形滑刀式开沟器播深变异系数为6.06%，双V型筑沟器的播深变异系数为6.80%，优于圆盘开沟器的播深变异系数11.52%，仿形滑刀式开沟器播深变异系数比双V型筑沟器降低了10.88%，比圆盘开沟器降低了47.40%。圆盘开沟器在工作过程中若遇到土块则将其拨开，导致开沟宽度不均匀，沟形如图9a所示；仿形滑刀式开沟器和双V型筑沟器在工作过程中能压碎土块，开出的种沟宽度较窄且均匀，利于形成良好种床，易于将种子播入设计位置，如图9b和9c所示，其播深一致性明显优于圆盘开沟器；而仿形滑刀式开沟器设计有仿形压土轮，对地有恒定的压力，可紧实种沟，提高开沟质量，因此其播深一致性略高于双V型筑沟器。

表5 播种深度变异系数结果

a. 圆盘开沟器a. Disk openerb. 双V型筑沟器b. Double-V furrow openerc. 仿形滑刀式开沟器c. Profiling sliding-knife opener

图9 沟形局部放大对比图

Fig.9 Partial enlarged comparison diagram of seed furrows

3.2.3 种沟土壤紧实度情况分析

使用SC-900型土壤紧实度仪测量开沟后土壤紧实度，在作业方向中段20 m种沟内，每隔2 m取一点，共测量20点，取平均值。

土壤紧实度是指土壤颗粒松紧程度，是对土壤颗粒组成、孔性、容重及含水量等的综合反应[29]。使用仿形滑刀式开沟器试验前后分别在0～25，>25～50，>50～75，>75～100 mm深度时对土壤紧实度测量平均值对比，如图10所示。

优良的种床环境要求种床底部紧实，覆盖种床土壤松软，由图10可知，使用圆盘开沟器、双V型筑沟器和仿形滑刀式开沟器开沟镇压后，在种床底部>50～75 mm土层，土壤紧实度分别为0.165、0.248、0.261 MPa，在种床覆盖层>25～50 mm土层，土壤紧实度分别为0.137、0.213、0.206 MPa，2个土层间土壤紧实度差值分别为0.028、0.035、0.055 MPa，仿形滑刀式开沟器两土层间土壤紧实度差值明显高于双V型筑沟器和圆盘开沟器，利于构建底部紧实、覆盖土壤松软的种床。仿形滑刀式开沟器的仿形压土轮可独立仿形，对地保持恒定压力，具有对压紧种床底部的作用，滑刀可切断杂草、压碎土块，使覆盖的土壤松软细碎。在种床底部>50～75 mm土层，仿形滑刀式开沟器开沟镇压后的土壤紧实度比双V型筑沟器提高了5.24%，比圆盘开沟器提高了58.18%。仿形滑刀式开沟器在开沟的同时，对作业深度约为50 mm处土壤施加足够的压力，使50～75 mm区域内的土壤变得更加紧实，而无法影响更深层的土壤，使其与>75～100mm的紧实度存在差异。土壤物理学研究表明[30-31]，在干旱半干旱地区，土壤中含水率不能达到饱和的情况下，土壤紧实度增加，有利于水汽缓慢聚集，并形成膜状水，聚集到种子周围。由此推断，仿形滑刀式开沟器在平滑种沟的同时，也能起到提墒的作用，从而加快种子萌发。

仿形滑刀式开沟器增加了滑刀和仿形压土轮机构，通过试验，如图10所示，仿形滑刀式开沟器与双V型开沟器相比，工作稳定性没有显著性差异，开沟镇压后，土壤紧实度均小于2~3 MPa的作物生长临界值，新结构的增加未使整机性能受到影响，且可达到良好的工作效果。表5中，仿形滑刀式开沟器播深变异系数优于双V型筑沟器和圆盘开沟器，也可验证这一结论。

3.2.4 讨论

本研究在已发明的双V型筑沟器[18]的基础上，设计了仿形滑刀式开沟器，并与圆盘开沟器和双V型筑沟器进行了田间对比试验，以种子横向偏移离散度、播种深度一致性和种沟土壤紧实度为指标，来评价开沟器开出的种床质量和作业效果。农业机械在实际应用过程中，还应考虑可靠性、生产效率、使用寿命等工作性能，后续将对开沟器的耐磨性、工作阻力、疲劳强度等方面进行深入研究，进一步提高开沟器的工作性能。该研究为解决开沟器保证播种深度一致性和构建优良种床等问题提供了参考借鉴。

4 结 论

1）本文设计了一种适用于大豆垄上双行种植模式的仿形滑刀式开沟器，通过滑刀和仿形压土轮机构，可切断杂草、压碎土块、紧实沟壁、独立仿形。

2）利用响应面优化法，通过土槽试验对仿形滑刀式开沟器参数进行优化设计，最佳参数组合为：压力大小689.66 N、开沟角度40.43°、前进速度2.12 m/s、开沟深度51.62 mm。此时，作业速度控制在2～2.3 m/s，压力范围在650～700 N之间也能达到良好的作业效果。

3）通过田间对比试验得出，仿形滑刀式开沟器作业效果优于双V型筑沟器和圆盘开沟器，在最优工况下，仿形滑刀式开沟器的横向偏移离散度与双V型筑沟器相比基本相同，与圆盘开沟器相比降低了32.52%；仿形滑刀式开沟器播深变异系数与双V型筑沟器相比减小了10.88%，与圆盘开沟器相比减小了47.40%；在种沟底部50～75 mm土层，仿形滑刀式开沟器开沟镇压后土壤紧实度与双V型筑沟器相比提高了5.24%，与圆盘开沟器相比提高了58.18%。

仿形滑刀式开沟器可以开出紧实种沟，提高种床质量和播深一致性，可应用于大豆播种机上，为大豆高产机械化提供参考。

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Design and experiment of profiling sliding-knife opener

Jia Honglei, Zheng Jiaxin, Yuan Hongfang※, Guo Mingzhuo, Wang Wenjun, Jiang Xinming

(1.,,130025,; 2.,,,130025,)

To improve the seedbed quality and enhance the even distribution of soybean seeds and the consistency of deep seeding in the field, and targeting the double-row high-yield planting techniques on soybean ridges, we manufactured the profiling sliding-knife openers that could dig out V-shaped seed furrows and function as single profiling based on a self-invented double-V shape opener. This new opener can build favorable seedbeds, thereby reducing variation coefficient of qualified grain space and variation coefficient of deep seeding and improving seeding quality. The profiling sliding-knife opener mainly functions to dig out V-shaped seed furrows, improve opener passing rate by holding blades, and guarantee the consistency of furrowing depths and the even distribution of seeds. The profiling sliding-knife opener is composed of connecting bar, soil-compressing profiling wheels, profiling device, squeezing knife, and sliding knife. Interaction mechanism between squeezing knife assembly and soil as well as force condition was illustrated, sliding-knife blade force and curve were analyzed, and structure of profiling compacting wheels and force condition were elaborated. Through soil-bin trials, a three-level four-variable central composite rotatable design was applied by Design Expert software. Based on the force analysis and the actual operating condition of machine, the furrowing angle, machine forward velocity, furrowing depth and pressure were selected as influence factors. And the test index was the quantity of backfill. Experiment data obtained were assessed by the analysis of variance (ANOVA) and the quadratic regression model was set up for optimization with response surface methodology. Through the lack of fit test of the regression model, thevalue of lack of fit was 0.489 5, which was larger than 0.05. The determination coefficient and adjusted determination coefficient were close to 1, which indicated that the regression equation was precise and effective. The precision was 16.449 which was larger than 4, indicating that the regression equation had sound estimation performance within the design domain. The significance sequence of influence factors on quantity of backfill from large to small was pressure, furrowing angle, machine forward velocity and furrowing depth. The optimal parameter combination of profiling sliding-knife openers was selected: load of 689.66 N, furrowing angle of 40.43°, furrowing depth of 51.62 mm, and machine forward speed of 2.12 m/s. Under these working conditions, the soil disturbing quantity by the profiling sliding-knife opener was the minimum, which indicated a humidity-improving function and a seedling-promoting effect. It could be learned from the expectation analysis that sound operating effect of ditching could be achieved when the furrowing angle was 40.43°, the furrowing depth was 51.62 mm, the operating velocity was within 2-2.3 m/s, the pressure scope was 600-700 N, and the expectation degree was close to 1. Field verification test and comparative test showed the sowing width mean absolute deviation was 4.42 after seeding by profiling sliding-knife openers, which was similar to the double-V shape opener (4.34) and smaller than the disk openers (6.55). These results suggested that under the same operating conditions, the scope of seed transverse fluctuation was smaller for the profiling sliding-knife opener or double-V shape opener versus the disk opener. The probability of seeds falling into the middle of the seed furrow was larger. The variation coefficient of seeding depth for the profiling sliding-knife openers was 6.06%, which was reduced by 10.88% compared with the double-V shape opener, smaller than that of disk openers (11.52%), indicating the seeding linearity and consistency of deep seeding were both better for our profiling sliding-knife openers. In the 50-75 mm soil layer, the soil cone index after furrowing and soil-covering by profiling sliding-knife opener, double-V shape opener and disc opener was 0.261, 0.248, and 0.165 MPa respectively. The profiling sliding-knife opener has a better operating effect compared with the double-V shape opener and disc opener. It can be used to improve the seedbed quality and sowing depth consistency, and the seedbed will be more compact, and the emergence rate will be higher.

mechanization; optimization; design; profiling; openers; mean absolute deviation; consistency of seeding depth

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.003

S220.39; S223.2

A

1002-6819(2017)-04-0016-09

2016-05-26

2017-02-09

“十二五”国家科技支撑计划资助项目（2014BAD06B03）；吉林省科技发展计划项目（20140204050NY，20140441006SC）。

贾洪雷，男（汉族），吉林长春人，教授，博士生导师，主要从事保护性耕作技术与全程机械化研究。长春 吉林大学生物与农业工程学院，130025。Email：jiahl@ vip.163.com

袁洪方，男（汉族），黑龙江宁安人，博士后，主要从事保护性耕作技术与农业机械优化设计研究。长春 吉林大学生物与农业工程学院，130025。Email：yhf1984828@163.com

贾洪雷，郑嘉鑫，袁洪方，郭明卓，王文君，姜鑫铭. 仿形滑刀式开沟器设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(4)：16－24. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.003 http://www.tcsae.org

Jia Honglei, Zheng Jiaxin, Yuan Hongfang, Guo Mingzhuo, Wang Wenjun, Jiang Xinming. Design and experiment of profiling sliding-knife opener[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 16－24. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.003 http://www.tcsae.org