包攀峰，吴明亮，官春云，罗海峰，贺一鸣，向 伟



犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置设计

包攀峰1,2,3，吴明亮1,2,3※，官春云3,4，罗海峰1,2,3，贺一鸣1,2,3，向 伟1,2,3

（1. 湖南农业大学工学院，长沙 410128；2. 湖南省现代农业装备工程技术研究中心，长沙 410128； 3. 南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128；4. 湖南农业大学油料所，长沙 410128）

针对中国南方稻田土壤黏重、高含水率土壤使传统油菜开沟起垄机构作业后沟壁易垮塌影响垄沟排水和后期油菜生长，研制了犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置。设计了犁体式成沟起垄部件的入土角、翼板角度和翼板长度等结构参数，优化了旋转式切土部件的旋耕弯刀、沟壁切土直刀的安装方式及其结构参数。在室内土槽进行了多因素二次正交旋转组合试验，结果表明：影响沟面宽稳定度、垄高稳定度的主次顺序为沟壁切土直刀的回转半径、翼板长度、翼板角度；影响回土率的主次顺序为翼板长度、翼板角度、沟壁切土直刀的回转半径。装置最优的工作参数组合为沟壁切土直刀的回转半径为351 mm，翼板长度为78 cm，翼板角度为41°。对最优工作参数组合进行试验验证，各评价指标试验结果与软件分析值的相对偏差均不超过1%。该研究可为油菜垄作高产栽培提供技术参考。

农业机械；设计；农作物；油菜；犁旋组合式；开沟；垄作

0 引 言

油菜是一种重要的油料作物，其菜籽油占中国居民食用植物油的40%左右，目前，中国油菜种植面积700万hm2和总产量1 200万t均居世界第一，但食用植物油自给率却不足40%[1-4]。为解决中国食用植物油供给安全，需要提高油菜籽的总产量，在稳定和扩大种植面积外，还需创新油菜种植模式，提高单位面积的油菜产量。垄作种植是作物生产中提高产量的重要措施，且具有改善土壤受光条件、恒定地温、提高肥料利用率、促进根系下扎、边行优势明显的生态效应等优点，已在玉米、大豆、油菜等主要作物上得到了广泛应用[5-9]。玉米、大豆等低密度种植作物其垄作种植配套的机具主要采用旋耕、灭茬刀辊翻耕土壤，起垄铧实现起垄作业，最终得到垄距大，垄沟浅的垄体[10-13]。油菜是直根系忌水作物，种植密度大，为实现垄作需采用窄垄深沟种植，因此现有垄作配套机具难以实现油菜的垄作种植作业要求。

南方冬油菜种植以稻油轮作为主，前茬水稻留茬高、存量大，多为高含水率黏重土壤，传统的宽垄浅沟种植模式采用犁体式或旋转圆盘式进行开沟起垄作业，犁体式作业机具无法解决稻茬田的灭茬除草，旋转圆盘式作业机具面对部分高湿度的田块易缠草、壅泥，2种开沟起垄装置已无法完成窄垄深沟为主要特征的油菜垄作种植要求[14-24]。现有油菜垄作种植模式中，种植密度为20～30万株/hm2，行距为300 mm，沟面宽为400 mm，沟底宽为100 mm，垄高不小于250 mm。依据垄体几何尺寸，倒梯形截面沟的沟壁倾角约为53°，而南方现有稻田土壤的自然堆积角大都低于45°[25]。因此，无法得到满足农艺要求的稳定的倒梯形截面垄沟。为此，本文针对南方油菜垄作种植模式的垄体要求，结合2种传统开沟起垄装置的优点，将垄沟截面设计成由矩形沟和倒梯形沟组合式沟形截面，并依据此沟形设计了犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置，在室内土槽对样机进行试验，得到了沟底回土量少、沟形垄型稳定的适合南方黏重土壤环境进行油菜垄作种植的垄体。

1 总体结构及主要技术指标

1.1 整机结构及工作原理

犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置主要由机架、传动部件、垄面整理部件、入土部件和犁旋组合式成沟起垄机构等组成，如图1所示。其中犁旋组合式成沟起垄机构由旋转式切土部件及安装于其正后方的犁体式成沟起垄部件组成。作业时，牵引动力带动机架两侧板前方的小前犁在未耕地上切土和翻垡，引导整机平稳入土和定厢作业。旋转动力驱动旋转式切土部件中的旋耕轴转动，旋耕轴上布置的旋耕弯刀完成垄体旋耕碎土作业，同轴布置的沟壁切土直刀划切沟壁土壤并配合犁体式成沟起垄部件的推土板、矩形成型体等完成沟底矩形截面成形；沟壁切土直刀划切的土块受到正后方的犁体式成沟起垄部件的推土板、推土铲、分土板等共同作用将土块提升并推送至垄体区，同时在翼板和挡土板的作用下完成垄沟倒梯形截面成形；最后经垄面整理装置对垄面进行压实定型，得到油菜垄作种植要求的垄体。

1.机架 2.传动部件 3.垄面整理部件 4.入土部件 5.小前犁 6.旋耕轴 7.旋耕弯刀 8.沟壁切土直刀 9.推土板 10.推土铲 11.矩形成形体 12.翼板 13.挡土板 14.分土板

1.2 主要技术参数

犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置作业后得到3条垄沟和2个垄体，由图3可知，其工作幅宽为1为2 400 mm，旋耕轴长度为2为2 100 mm。技术参数如表1所示。

表1 犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置技术参数

2 关键部件设计

2.1 犁体式成沟起垄部件的设计

2.1.1 结构及组成

犁体式成沟起垄部件总体结构如图2所示，主要由矩形成形体、翼板、推土铲、推土板、分土板、挡土板等组成。推土板位于成沟起垄部件最前端，在牵引力作用下将沟壁切土直刀划切的土块推送至推土铲处；推土铲的垂直切刃进一步破碎土壤并将土壤提升引导至分土板并由分土板分散至翼板处的垄体区域；翼板由前往后逐渐向外延伸，两相向布置的翼板及挡土板组合成前宽后窄、上宽下窄的箱体结构，旋转式切土部件上的旋耕刀推送土壤经宽口径进入，窄口径流出，在翼板及挡土板的挤压作用下，形成上宽下窄的梯形垄沟。连接推土铲和翼板的矩形成形体，设计为前高后低的U型结构形状，随着机具的前进，矩形成形体对沟底和垂直沟壁进一步挤压成型，保障沟底、沟壁平直。

1.矩形成形体 2.翼板 3.铲尖 4.推土铲 5.垂直切刃 6.推土板 7.分土板 8.挡土板

2.1.2 翼板及矩形成形体高度

为确定犁体式成沟起垄部件的结构参数、工作参数，本节在讨论土粒受到机具作用的运动规律时将土壤颗粒视为质点，土壤颗粒相互作用力忽略不计。如图3所示，开沟起垄过程中，沟内土壤被均匀地分布到两侧的垄体区域，因土壤在开沟起垄前后总量平衡，等长度内的厢沟截面面积与厢面土壤覆盖区域的截面面积相等。

注：b为沟底宽，100 mm；h1为矩形沟壁高度，h2为开沟深度，为垄壁倾角，取45°；h3为起垄后土壤堆积高度，a为沟面宽，400 mm；c为垄宽，600 mm；H为垄高，250 mm；L1为工作幅宽，2 400 mm；L2为旋耕轴长度，2 100 mm.

考虑土壤的膨松系数后得

同时，图1中满足几何关系

开沟起垄后，垄高满足

=123（3）

式（1）中，为土壤膨松系数，1.2；联立（1），（2），（3）式得：2=104 mm，1=100 mm，3=46 mm。即矩形成形体高度设计为100 mm，翼板高度设计为150 mm。

2.1.3 犁体入土角及铲尖张角

就开沟起垄过程而言，犁体式成沟起垄部件的推土铲需要有较好的导土作用，将土壤从沟底提升到地面的同时并使土壤向两侧运动，使土壤得到旋耕轴上刀片的旋耕作用，并使大部分土壤尽量堆积到垄体的中间，使土壤不回流到沟底。基于这些分析和考虑，采用三面楔模型为基础对推土铲做以下分析，如图4所示，建立坐标系。

注：x轴为机具前进方向，y轴为沟宽方向，z轴为垂直方向，面OAC为推土铲的左半部分，面ABC为垄沟横截面。γ为铲尖张角，(°)；α为入土角，(°)；β为翻土角，(°)。

同时设计推土板与沟底平面的夹角为，即犁体入土角。为避免土壤在犁体前方堆积，土块应以最快速度穿过推土铲进入翼板处垄体区域。故其运动轨迹应垂直平面过点作与成角的直线角为土壤堆积角，则直线为翼板在面上的投影线。由空间立体几何关系可得：tan=/，tan/，tan/，+90°，=45°。联立可得：tantan/tan45°=1，即。

由设计和实践经验可知：入土角过大时，工作土层抬得高，工作阻力也随之增加，入土角过小，会增加整个犁体的高度及长度，浪费材料；铲尖张角过大，土壤易被推向两侧使土层外翻而乱，同时易缠绕秸秆，铲尖张角过小，切断草根的能力减弱[26]。综合考虑设定入土角及铲尖张角均为30°。即30º。

2.1.4 垂直切刃

图5为垂直切刃设计示意图。如图5所示，垂直切刃最高点为(1,1)，垂直切刃与矩形成形体接触点为(2,2)，满足

注：垂直切刃由推土板上的OE段直线和推土铲的GE段曲线组成，土壤颗粒在G点受到的工作阻力与正压力的夹角为ε1，在E点受到的工作阻力与正压力的夹角为ε2，(°)；α1，α2分别过E、G两点作切线与x轴的夹角，(°)。

如图6所示为垂直切刃上段的任意点处单个土壤颗粒在工作状态时的受力图。

注：τ为垂直切刃上D点的切线方向；n为垂直切刃上D点的法线方向；ε为工作阻力与正压力在D点的夹角，(°)；T为土粒受到其他土壤阻力，方向与机具前进方向vm相反，N；FN为土粒受到推土铲的法向支撑力，方向为垂直切刃上D点的法线方向，N；Ff为土粒受到推土铲的滑动摩檫力，方向为垂直切刃上D点的切线方向，N。

此时土壤颗粒从点沿曲面上升至点的条件需满足切线方向上的合力必须大于0，而法线方向合力等于0，得式（6）。则有tan≥tan，即≥。

式中为土壤与开沟起垄器的摩擦角，(°)。南方土壤与钢材的摩擦角大致在25°～30°之间，取=28°，由式（4）可知垂直切刃上任一点的切线与轴夹角满足=90°-，故90°-62°，犁体入土角取30°满足设计要求。为了使土壤快速到达犁体顶端取130，260。之间的垂直高度为150 mm，代入式（5）得垂直切刃线段的方程为：(1/225)2。

2.1.5 翼板长度

犁体式成沟起垄部件翼板的另一作用是防止土壤回落入沟内，其长度设置与机具前进速度、土壤下落的高度（垄高）有关系[27]。土壤从最高点落入沟内的运动轨迹满足式（7）。

式中V、V为土壤颗粒在前进方向和垂直方向的速度，其中V=1.72 km/h，为土壤颗粒下落的高度，250 mm；为重力加速度，9.8 m/s2，为土壤颗粒下落时间，s。代入式（7）得到翼板的最小长度为77 cm。

2.2 旋转式切土部件

2.2.1 结构及组成

旋转式切土部件总体结构如图7所示，主要由旋耕弯刀、沟壁切土直刀、旋耕轴组成。旋耕弯刀、沟壁切土直刀均安装于旋耕轴上，旋耕弯刀布置于整个旋耕轴所对应的垄体区，主要负责垄体区的深层旋耕及前茬秸秆埋茬；犁体式成沟起垄部件正前方的旋耕轴上布置沟壁切土直刀，沟壁切土直刀对称布置于推土板的外边沿，随旋耕轴转动而划切出下层矩形沟的沟壁，与犁体式成沟起垄部件共同作用将由推土板推送至推土铲作用区域的土块，抛扔至翼板挤压区，经翼板挤压完成垄沟倒梯形截面成形。

1.小前犁 2.旋耕弯刀 3.沟壁切土直刀 4.旋耕轴 5.端板 6.机架 7.犁体式成沟起垄部件

2.2.2 切土部件回转半径

旋耕弯刀旋切土壤时不能破坏到矩形沟壁，沟壁切土直刀均需要扩大旋耕深度来满足作业要求[28-29]。图8为犁旋组合式装配示意图。

沟壁切土直刀的回转半径1、旋耕弯刀回转半径2需满足以下关系式

得到1=350 mm，2≤250 mm。则沟壁切土直刀的回转半径为350 mm，选用60Si2Mn弹簧钢材料加工而成，刃口光滑过渡；旋耕弯刀采用ⅡT245弯刀，其回转半径为2为245 mm。

2.2.3 切削面刀片数量

土壤颗粒的粒径大小与切土节距存在关系，由于小颗粒的土壤可以相互填充空隙，使颗粒间的接触面积增大，相互结合就会越紧密，从而形成稳定的土壤团粒结构。同时土壤颗粒越细碎越有利于油菜的生长，所以设定切土节距为=6 cm，同一旋转切削面内的刀具数量

式中为旋耕速比，正常作业取=12.5，2取值 250 mm，由式（10）得刀片数量为2把。

3 试验与分析

为检验犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置的作业效果，探讨各因素对开沟起垄性能的影响规律，优化设计结构参数，进行了多因素二次正交旋转组合试验。开沟起垄装置的作业效果评价指标依据行业标准NY/T740-2003《田间开沟机械作业质量》和机械行业推荐标准JB/T8401.2-2007《旋耕联合作业机旋耕深松灭茬起垄机》要求，选取沟面宽稳定度、垄高稳定度、回土率作为评价指标。垄高稳定度及沟面宽稳定度指给定的工作条件下工作时垄高及沟面宽的稳定程度，回土率指开沟起垄后单位体积内回到沟内的土壤质量与工作前单位体积内土壤质量的比值。

3.1 试验设备和方法

试验于2017年3月在湖南农业大学农业机械化工程实训中心的室内土槽完成。土槽长50 m、宽3 m、土壤厚度0.8 m，土槽内为黏土。试验前一周用TCC电力四驱土槽试验台配备的旋耕机和压辊分别对土槽试验区进行翻耕和压实，耕作深度达到20 cm，适量洒水渗透，通风静置一周。图9为试验机具及试验结果图。图9b为沟壁切土直刀回转半径351 mm，翼板长度78 cm，翼板角度41º时的试验效果。

1.犁体式成沟起垄部件 2.垄面整理装置

试验前测定单位体积内的土壤质量，5点法测量0～20 cm深度区域坚实度和土壤含水率，TDR-300型土壤水分测试仪测得0～20 cm土壤平均含水率为23.2%，SC-900型土壤紧实度仪测得0～20 cm土壤平均坚实度为864 kPa。

3.2 多因素试验

依据前文中设计的主要结构参数及考虑结构参数对开沟起垄性能的影响程度，选择沟壁切土直刀的回转半径、翼板长度、翼板角度为试验因素，并依据结构设计中的参数数值设定各因素的取值范围，按照二次回归正交旋转试验设计方法，利用Design-Expert数据处理软件，进行三因素五水平二次正交旋转组合试验，建立回归方程和优化模型。因素水平编码表如表2所示。

表2 因素水平编码

注：回转半径均指沟壁切土直刀的回转半径。

Note: Turning radius is the turning radius of straight tilling blade.

3.3 试验结果与分析

根据多因素二次正交旋转组合试验设计进行试验，以各影响因素取值为自变量，以沟面宽稳定度、垄高稳定度、回土率为相应指标的试验结果，如表3所示。

表3 试验方案和结果

3.3.1 方差分析

对回归模型中各项回归系数进行检验和方差分析，经软件处理后，得出沟面宽稳定度、垄高稳定度及回土率的方差分析结果如表4所示。

表4 目标函数y1、y2与y3的二次项模型方差分析

注：<0.01，极显著，**；<0.05，显著，*。

Note: Whenis less than 0.01 the test is highly significant,**. Whenis less than 0.05, the test is significant, *.

对表4中的数据进行二次多元回归拟合，选用二次项模型建立沟面宽稳定度1、垄高稳定度2、回土率3与各影响因素间的回归模型，并去除不显著项，得到1、2、3对编码自变量沟壁切土直刀的回转半径1、翼板长度2、翼板角度3的简化二次多元回归方程为如式（11）所示。

表4中的模型失拟项表示所用模型与试验的拟合程度（二者差异度），一般要求失拟项>0.05。由表4知目标函数1、2、3的模型值分别为0.262 7、0.052 1、0.061 8，均大于0.05，说明无失拟因素存在，可用该回归方程替代试验真实点对试验结果进行分析。

由表4方差分析结果可知，沟面宽稳定度、垄高稳定度及回土率的模型显著性值均为0.000 1，远远小于0.05，说明该模型具有统计学意义。值的大小表示各因素对评价指标的影响程度，值越大则影响程度越高，各因素对沟面宽稳定度和垄高稳定度的显著性顺序从大到小依次均为回转半径、翼板长度、翼板角度；各因素对回土率的显著性顺序从大到小依次为翼板长度、翼板角度、回转半径。

3.3.2 响应曲面分析

运用软件的Optimization功能，进行优化分析，调整各评价指标的最佳取值，即沟面宽稳定度和垄高稳定度取最大值，回土率取最小值，得到机具工作的最优参数组合，各参数的取值为：回转半径为350.61 mm，翼板长度为77.53 cm，翼板角度为40.92°。此时，沟面宽稳定度达到99.2706%，垄高稳定度达到99.053%，回土率为6.52%，综合评价指数为最大0.994[30]。运用软件的Central Composite Design中心组合试验原理，利用Numerical工具进行响应面分析，由于翼板角度相对而言对开沟起垄性能的影响最小，故固定其为40.92°，考察回转半径、翼板长度对综合评价指数的影响，得到综合评价响应曲面图如图10所示。

图10 综合评价响应曲面图（翼板角度40.92°）

从图10响应曲面图可知，回转半径与翼板长度对开沟起垄性能影响呈非线性变化，随着回转半径和翼板长度的增加，响应曲面的综合评价指数呈现先增加后减少的趋势，当回转半径位于345～350.61mm区域时，随着回转半径的增加，综合评价指数逐渐增大，当回转半径大于350.61 mm时，随着回转半径的增加，综合评价指数逐渐减小；当翼板长度位于70.00～80.00 cm区域时，随着翼板长度的增加，综合评价指数逐渐增大；由此可见，在回转半径为350.61 mm，翼板长度为75.00～80.00 cm区域存在最优值点，该点即为响应曲面图中的极值点。

3.3.3 验证试验

根据响应曲面分析得到的最优参数组合，取整回转半径为351 mm，翼板长度为78 cm，翼板角度为41°，在室内土槽进行验证试验，保证试验前的各土壤参数误差在10%以内。为消除随机误差，进行5次重复试验，取5次试验结果的平均值，得到试验结果如表5所示。

表5 最优参数值验证结果

沟面宽稳定度为99.11%，垄高稳定度为98.84%，回土率为6.92%，试验结果与软件分析值基本相符，且相对偏差均不超过1%，验证了理论分析的准确性，最佳参数组合满足设计要求。

4 结 论

本文结合窄垄深沟的垄作技术要求，创新研究出深层旋耕从动开沟起垄机理，研制了犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置。得到以下结论：

1）基于最大土壤输送量和三面楔模型设计了犁体式成沟起垄器的入土角、翼板角度和翼板长度等结构参数，创新配置了旋转式切土装置的旋耕弯刀、沟壁切土直刀的同轴安装方式，优化设计了各功能刀片的回转半径。

2）试制犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置试验台，对土槽内土壤进行了二次正交旋转组合试验。借助Design-Expert数据分析软件，得出了各因素与犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置工作性能的数学模型，运用值检验得到了各因素对沟面宽稳定度、垄高稳定度影响程度的高低顺序为回转半径、翼板长度、翼板角度；各因素对回土率影响程度的高低顺序为翼板长度、翼板角度、回转半径。

3）运用Design-Expert软件的Optimization工具得到了犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置工作的最优参数组合：回转半径为351 mm，翼板长度为78 cm，翼板角度为41°。对最优参数组合进行试验验证，沟面宽稳定度为99.11%，垄高稳定度为98.84%，回土率为6.92%，试验结果与软件分析值基本相符，且相对偏差均不超过1%，该研究可为油菜垄作高产栽培提供技术保障。

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Design of plow-rotary style ditching and ridging device for rapeseed seeding

Bao Panfeng1,2,3, Wu Mingliang1,2,3※, Guan Chunyun3,4, Luo Haifeng1,2,3, He Yiming1,2,3, Xiang Wei1,2,3

(1.,,410128,; 2.,410128,; 3.,410128,; 4.,,410128,)

The crop rotation of rice and rapeseed is the main planting pattern for winter rapeseed in South China. In a traditional broad-ridge shallow-furrow planting mode, the ditching machine plow or rotary disc is used to ditch the field. However, the plow cannot solve the problem of high rice stubble in field, while the rotary disc is easy to be entangled by grass and backwater mud in high humidity field, which often causes the traditional parts of ditching and ridging for rapeseed to be loose and collapse. Aimed to solve the problem of high stubble of rice after harvesting and reduce the influence of high-water content in sticky soil, in this paper, a plow-rotary style ditching and ridging device for rapeseed seeding is designed, which can meet the requirements of narrow ridge and deep ditch. Based on the maximum transported soil volume and the triangular wedge model, the structural parameters such as the embedded angle, the angle of the wing and the length of the wing are designed. The installing way of the rotary machetes and the straight tilling blade are innovated in the same roller. The turning radius and the length of each functional blade are optimized based on the biggest installation space, the uniformity coefficient of groove surface, the stability of ridge high and the soil return rate are taken as evaluating indicator. The turning radius of straight cutting blade, and the length and angle of wing are taken as experiment factors, and the multifactor quadratic orthogonal rotation combination test was carried out. The quadratic model is selected to establish the regression model which is related to the uniformity coefficient of groove surface, the stability of ridge high and the soil return rate. Thetest and variance analysis are carried out for the coefficients of the regression model to establish quadratic multiple regression model related to the evaluation indices and influence factors. The results show that, the order of the factors influencing the uniformity coefficient of groove surface and the stability of ridge high from high to low is the turning radius of straight cutting blade, the length of wing and the angle of wing; the order of the factors influencing the soil return rate from high to low is the length of wing, the angle of wing and the rotary radius of straight cutting blade. The optimal combination of operating parameters is obtained after the application of the optimization function of the software: The turning radius of straight cutting blade is 351 mm, the length of wing is 78 cm and the angle of wing is 41°. And the evaluation indices are analyzed and the optimum values are selected: The uniformity coefficient of groove surface and the stability of ridge high reach the maximum values, and the soil return rate gets the minimum value. The optimal combination of operating parameters is verified, which meets the design requirements. All of the evaluation indices are basically the same as the software analysis, and the relative errors are less than 1%. The study results may provide technical support for high yield cultivation of rapeseed ridge planting.

agricultural machinery; design; crops; rapeseed; plow-rotary style; ditching; ridging

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.003

S222.4

A

1002-6819(2017)-20-0023-09

2017-06-06

2017-08-11

南方稻田油菜机械化起垄栽培技术研究与示范（2016NK2105），湖南省研究生科研创新项目（CX201613286）。

包攀峰，主要从事农业机械创新设计与试验研究。 Email：1152801554@qq.com.

※通信作者：吴明亮，教授，博士生导师，主要从事农业机械创新设计与试验研究。Email：mlwu@hunau.edu.cn.

包攀峰，吴明亮，官春云，罗海峰，贺一鸣，向 伟. 犁旋组合式油菜播种开沟起垄装置设计[J]. 农业工程学报，2017，33(20)：23－31. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.003 http://www.tcsae.org

Bao Panfeng, Wu Mingliang, Guan Chunyun, Luo Haifeng, He Yiming, Xiang Wei. Design of plow-rotary style ditching and ridging device for rapeseed seeding[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 23－31. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.003 http://www.tcsae.org