赵淑红，谭贺文，王加一，杨 超，杨悦乾

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

0 引 言

中国东北农业区由于长时间耕垦且土壤扰动频繁、耕地退化严重、水土流失加剧影响了播种作业质量，良好的种床土壤环境可改善播种质量[1]。构建优良的种床环境与播种机作业性能密不可分，因而通过对播种机具关键部件的设计和研究，为播种机具整体作业性能的提高提供辅助性装备支撑[2-3]。

开沟和镇压是播种作业过程中的关键环节。近年来，开沟器与镇压轮作为播种机的关键部件被研究者广泛研究[4-5]。贾洪雷等[6]为改善种床质量、提高播种分布直线性及播深一致性，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；王徐建等[7]为解决机械化的倾斜移栽甘草苗，提出一种倾斜开沟器；赵淑红等[8]为减小播种作业阻力、降低土壤扰动，基于仿生思想设计了仿旗鱼头部曲线型开沟器；Aliakbar等[9-11]利用追踪法获取不同倾角、铲尖形状、铲柄形状的开沟器在作业时的土壤扰动位移，以优化开沟器结构参数进而提高作业性能；Vamerali等[12]为提高开沟器松土能力以及播种深度一致性提出一种宽翼型开沟器，并提出出苗率与土壤坚实度有一定关系。Ozmerzi等[13]为研究播种机播种深度均匀性的影响，选取不同播深、土壤紧实度、沟底平整度、种子和化肥分布、土壤覆盖进行田间试验研究，以出苗率来评价播种开沟器的作业性能。佟金等[14-15]基于臭蜣螂腹侧面的几何结构设计了肋条型仿生镇压锟，改善了镇压锟在作业过程中的黏土问题；郭慧等[16]为简化机具结构，设计了一种兼具覆土和镇压功能的覆土镇压器，解决了传统播种作业过程中覆土、镇压稳定性不佳的问题。

目前对播种机中开沟和镇压的研究多集中于单个部件的结构以及在开沟器的工作阻力、回土性能以及镇压轮的仿形、减黏降阻等方面，而对开沟覆土镇压一体化结构的研究鲜有报道。针对以上问题，本文设计了一种集开沟、回土和镇压功能于一体的多功能集成式播种开沟器，以期实现开沟器在作业时滑刀、挡土板、镇压轮配合作业，实现开出种沟、种子落至沟底、湿土回流沟内、镇压轮镇压种沟，种子与土壤紧密接触的作业过程。同时，本文拟通过三元二次回归正交试验确定多功能集成式播种开沟器的最佳参数组合。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构

多功能集成式播种开沟器主要由滑刀、挡土板、镇压轮、弹簧、铲柄架、导种管等组成，如图1所示。

图1 多功能集成式播种开沟器示意图Fig.1 Schematic diagram of multifunctional integrated seeding opener

1.2 工作原理

播种作业时，多功能集成式播种开沟器中滑刀首先入土开出窄沟，破坏部分土壤；兼有扩沟功能的挡土板将窄沟扩宽，开出完整的种沟，种子通过导种管直落沟底（导种管靠近挡土板前端），此时保证了种子深度与播种深度一致。挡土板末端设有缺口，随着开沟器作业运动，部分湿土从挡土板端部回流至种沟，将种子覆盖。而后镇压轮对种沟进行镇压，增加湿土与种子接触的紧实度，其镇压强度可根据土壤状态和作物压实要求，通过弹簧来调节。

多功能集成式播种开沟器镇压和传统镇压工作原理对比图，如图2所示。图2a可以看出，播种开沟器整体结构决定其播种作业时，种子先于土壤回流前落入沟底，达到播种深度均匀性，传统开沟器播种时会有扰动土壤流入种沟内，难以控制播种深度。传统开沟器配合播种机具中的传统镇压轮对整个垄面进行镇压，覆土后的垄面存在中间部位回流的松软土壤以及未被开沟器破坏的土壤，故对种沟内土壤镇压存在局限性，如图2b所示。多功能集成式播种开沟器作业时其镇压部分对种沟进行一定程度镇压后传统镇压轮对垄面进行镇压，这种组合镇压方式提高了种床土壤的紧实程度。整体结构的设计，保证开沟器播种深度的均匀性和种床土壤的紧实度，实现开沟器功能的集成化。

图2 组合与传统镇压原理对比图Fig.2 Principle contrast diagram of combined repression and traditional repression

2 开沟器设计及参数确定

2.1 滑刀曲线设计

由于切割阻力随滑切角的增大而减小，随摩擦角的增大而增大，故滑切破土阻力小于砍切破土阻力[17-19]，因此滑刀刃口为曲线比直线更省力。根据滑切原理，滑切角应大于摩擦角，滑刀入土后沿机组前进方向运动，土壤与滑刀作用发生剪切破坏。根据文献[6]，本文选取抛物线函数曲线来作为滑刀刃口曲线，这可以保证滑切角大于摩擦角、方便控制滑刀刃口曲线的形状，且便于加工制造。设滑刀曲线方程为

由于常数项 b的变化只会改变函数位置的变化，而不会改变其线形，故令常数b为0。取滑刀曲线起始点B与终止点C，求得曲线上点的斜率，如式（2）。通过坐标可得曲线上2点的垂直距离lAC，与式（1）联立可得常数a关系式。

式中x1为起始点B横坐标，x2为终止点C横坐标。

由于滑刀滑切角 α1、α2与 γ1、γ2互为余角，可得最终滑刀曲线方程

如公式（4）所示，滑刀曲线的形状受α1、α2和lAC3个参数的影响。由图3可知，滑切角呈递增趋势，即α2＞α1。为满足滑切条件，起始滑切角α1应大于摩擦角φ0，取摩擦角φ0为23°[20-21]，则α1＞23°。α1与α2互为余角，即α2＜67°，得出终止滑切角 α2的取值范围为：23°＜α2＜67°。为方便加工制造，取滑切角α为25°～65°。当滑刀高度lAC不变时，改变滑切角将会得到不同的滑刀曲线。

图3 滑刀示意图Fig.3 Schematic diagram of slider

在开沟器结构中，滑刀与机架螺栓连接，作业时损坏便于更换，且滑刀的下部需要安装挡土板，因此滑刀应具有足够的高度，保证空间的充足性，取滑刀高度为230 mm。

2.2 挡土板设计

2.2.1 回土原理

在开沟器结构中，导种管一端连结铲柄架，另一端顺延至挡土板中间。开沟器作业时，种子籽粒通过导种管可直接落入沟底。图 4为扰动土壤与挡土板侧壁接触部分N1O1(N2O2)为湿土，M1N1为堆积扰动土的休止边，靠近休止边的土壤为干土。开沟器作业过程中土壤体积守恒[22]，故种沟横截面面积守恒。扰动出去的土壤按照自然休止角堆积。如图4所示，回土前横截面土壤满足

式中 AM1N1Q1为三角形M1N1Q1面积，cm2； AQ1O3K4O1为梯形Q1O3K4O1面积，cm2。

回土后，横截面土壤满足

式中 A K2K3O2K4为四边形K2K3O2K4面积，cm2； A N2K1K3为三角形N2K1K3面积，cm2。

待种子籽粒落入沟底后，部分土壤会从挡土板缺口处回落至沟底将种子覆盖，此时种子被湿润松软的土壤包围，保证了湿润的种床土壤环境。

图4 挡土板示意图Fig.4 Schematic diagram of retaining soil plate

2.2.2 参数确定

试验地为耕整地，比较松软，且无较大土块。且滑刀工作时对上层土壤进行破坏，播种时的土壤状态是细碎的，可将其视为散粒体。设开沟器入土后，随机组以稳定的深度和速度前进。挡土板与土壤接触的每个点上沿法线方向挤压土粒。取土壤颗粒进行质点动力学分析，图 5所示。土壤颗粒受重力 G、种沟沟壁对其产生的支持力FN，以及土粒所受的摩擦力FS。土壤回流时，土粒沿斜坡下滑，故沿y方向的加速度ay为0。

图5 土壤颗粒运动分析Fig.5 Kinematic analysis of soil particles

式（7）中第一式、第二式分别表示土壤颗粒在x、y轴方向上的合力，θ为挡土板与竖直方向的夹角（挡土板倾角），ax为x轴方向加速度，μ为滑动摩擦系数。可得

根据土壤颗粒在x轴方向的运动方程（8），可求得土粒在x轴方向的位移Sx，x轴负方向即为土壤颗粒回流方向。由于开沟器以稳定速度和深度作业，则任意一段区域内土壤回流时间 t0是不变的，视为常数。由土壤回流位移S回可知，改变变量θ，则土壤回流位移发生改变，

从而影响回土质量。综上所述，挡土板倾角 θ影响土壤回流。

l1、l2为挡土板下间距与上间距。东北地区垄作播种机常用导种管的口径宽度一般（含壁厚）为 19 mm[23]，为避免种子落地后弹跳过大，应保证导种管端部与地面近一些，若挡土板下端间距过大，则无法保证种子落地后的横向均匀性，故取l1值为20 mm。由图4分析可知，θ＞0，则 l1、l2满足关系

若挡土板上宽度过大，导致挡土板倾角过大，会将扰动土过多推出沟外，给覆土造成困难，挡土板上端间距与垄高间距之间的比值小于1∶3[24-26]。扰动土垄起高度（扰动土最高点与垄台平面距离）h′取20 mm，扰动土垄高间距取256 mm，进而得到挡土板上宽度l2＜85.3 mm。考虑玉米作物播深要求（50～70 mm），以及扰动土垄起高度h′，且当土壤扰动达至最高点时具有一定动能，因此挡土板长度应大于85.3 mm，为保证落种时种沟无土壤回流，取挡土板长度h为1.5(d +h′)，其中d为播种深度，挡土板长度h即为135 mm。

综上所述，可得挡土板倾角 θ的取值范围 0＜θ＜12.4°。

2.3 镇压部分设计

开沟器镇压部分在于对种沟内回流土壤进行镇压，使种子与湿土紧密接触，提高种床土壤紧实度。为此，对开沟器中镇压部分进行设计，包括镇压轮尺寸以及镇压强度调节部分。

2.3.1 镇压轮参数确定

大豆、玉米等农作物传统种植模式下选取的镇压轮直径一般为200～500 mm，其宽度应小于垄距。在作业速度和单位面积压强不变的情况下，镇压效果与镇压轮直径尺寸有很大相关性。轮径越大，镇压时间越长，对土壤的镇压越紧实。传统的镇压轮作业是为保证回土后垄台土壤的压实程度，蓄水保墒。而多功能集成式播种开沟器中对镇压轮设计目的在于增加种床土壤紧实度，若压实程度过大，则不利于出苗。因此，针对该机构的作业特点对镇压轮进行设计。

镇压轮材料选用亲水性较差的聚氟乙烯，与湿土接触时减少其粘附作用。如图 4所示，挡土板下端的外侧间距O1O2就是种沟沟底的宽度，挡土板壁厚为6 mm，下端间距l1取20 mm，故镇压轮宽度B＞O1O2=32 mm。镇压轮宽度过窄，会导致苗带下沉，沟底形成沟状；宽度过大，载荷不变的情况下，镇压轮与土壤接触面积变大，对土壤的压实度变低，取镇压轮宽度B为40 mm。镇压轮的中心需安装支撑轮架与轴承，为防止扰动土壤将其堵塞，保证轮子半径大于最大播深，故取镇压轮直径D为150 mm。

2.3.2 镇压轮载荷

镇压轮作业时与种沟作用，种沟在受到载荷和重力的作用下，镇压轮下陷量的计算可简化为

其中

式中Z0为土壤下陷量，mm；Q为镇压轮所受载荷，N；K为土壤特性系数；α0为与土壤性质有关的参数。

镇压轮的接地面积S为

其中

式中β为接触角，（°）；l为镇压轮与地面接触弧长，cm。

图6为镇压机构受力分析示意图。由图6所示，镇压轮支撑架2与镇压轮3共同铰接于机架1上。由于弹簧力作用在镇压轮架上，而镇压轮与地面发生接触，产生力的作用，铰接点I所受的力视为2与3组成的系统的内力。整体机构受弹簧给予的压力F，与地面作用的支持力F0。l为镇压轮与镇压轮支撑架受力板之间的距离，为保证镇压轮作业时受力板不与镇压轮接触，同时为保证结构的紧凑型，取l值为30 mm。φ为弹簧力正压力方向与水平夹角（取为60°），φ为镇压轮架与竖直方向夹角（取为30°）。

图6 镇压机构受力分析示意图Fig.6 Force analysis of press device

考虑镇压机构对地面施加载荷 Q，列出平衡方程。将各变量数值带入，得到载荷Q。

式中R为镇压轮半径，mm；k为弹簧刚度系数，N/mm；Δl为弹簧变形量，mm。

考虑东北地区土壤条件以及春季的田间作业情况，以及结合土壤性质、水分、密度和作物（大豆、玉米）的要求，镇压轮接地强度ρ应满足30～50 kPa的范围[16,27]。

由式（13）～（20）可得

镇压部分作业时的镇压对象为沿挡土板回流至沟内的松碎土壤，通过镇压增强种子与湿润土壤的紧实度。对于松过的黏性土壤，土壤性质相关参数取α0=1.01，土壤下限量取Z0=8 mm[14,22,27]；镇压轮与挡土板配合作业，故取镇压轮宽度B=40 mm，镇压轮直径D=150 mm，进而得到土壤特性系数K=11.92。为保证开沟器工作性能稳定性和弹簧的寿命，选择螺旋压缩弹簧，其具体参数：中径为30 mm；圈数为11；直径为12 mm，根据文献[28]确定其刚度系数k=18.3 N/mm。由式（21）确定弹簧形变量Δl的理论范围为 9～15 mm，考虑试验中存在调节误差，取弹簧形变量Δl为4～20 mm。

3 参数优化试验

3.1 试验准备

试验在黑龙江省农业机械工程科学研究院的室内土槽中进行。试验所用土槽长70 m、宽3 m、土壤厚度1.5 m，其土壤为典型东北黑壤土，具有粒度均匀、透气性好、透水性好等特点。试验条件模拟东北地区春季播种时的土壤情况，试验工作速度为 3.68 km/h，作业深度为60 mm，土壤含水率为 18.03%，试验过程以及试验设备如图 7所示。试验设备为全液压四轮驱动车，土槽车最大速度可达8 km/h，侧力装置分为上悬挂架和下悬挂架，2个架子间以6个拉力传感器铰接相连。

图7 土槽试验Fig.7 Soil tank test

3.2 试验指标的测量

本文选取土壤扰动量和土壤紧实度为土槽试验的试验指标：1）土壤扰动量。作为试验指标衡量开沟器对土壤的扰动性，扰动量过大不利于覆土。如图 8所示，以种沟两侧扰动出来的土壤的横截面积来表示开沟器的扰动性。利用沟形轮廓仪在坐标纸上勾勒出种沟形状，计算出扰动面积[29-30]；2）土壤紧实度。衡量种床土壤硬度，用SC-900型土壤硬度仪进行测量。

图8 土壤扰动示意图Fig.8 Schematic diagram of soil disturbance

3.3 试验方案与试验结果

依据上述对开沟器各部分的设计，选取滑刀滑切角α、挡土板倾角θ和弹簧形变量Δ l为试验因素，选取滑刀滑切角45°、挡土板倾角6°、弹簧形变量12 mm为试验因素零水平，根据三元二次回归正交组合设计理论[31-32]，确定试验因素水平编码表，如表1所示。

表1 试验因素编码Table 1 Coding levels and factors

土壤扰动量和土壤紧实度为试验指标，数据以excel形式保存在计算机内。试验方案与结果如表2所示。

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

3.4 试验结果分析

利用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行二次回归分析，并进行多元回归拟合，得到土壤扰动量 Y1、土壤紧实度Y22个试验指标的回归方程并进对其显著性进行检验。

3.4.1 交互因子对土壤扰动量影响效应分析

通过对试验数据的分析和多元回归拟合，土壤扰动量Y1方差分析如表3所示。由表3可知,对于土壤扰动量，因素及因素之间的交互作用影响的主次顺序是x2、x1、、x1x2、x3、x2x3、、x1x3，其中挡土板倾角、滑刀滑切角、滑切角与挡土板倾角的交互项、滑刀滑切角的二次项及挡土板倾角的二次项对土壤扰动量的影响极显著（P＜0.01）；弹簧形变量对土壤扰动量的影响较显著（0.05＜P＜0.1）。将不显著的交互作用项的回归平方和及自由度并入残差项后，再进行方差分析。得到各因素对土壤扰动量影响的回归方程。

式中x1、x2、x3表示滑刀滑切角、挡土板倾角和弹簧形变量的编码值（如表1所示）。

对上述回归方程进行失拟性检验，其中P =0.183 8，不显著，说明不存在其他影响试验指标的主要因素，试验指标和试验因素存在显著的二次关系。

3.4.2 交互因子对土壤紧实度影响效应分析

通过对试验数据的分析和多元回归拟合，土壤紧实度Y2方差分析如表3所示。由表3可知,对于土壤紧实度，因素及因素之间的交互作用影响的主次顺序是：、x3、x2、x2x3、x1、、x1x2、、x1x3，其中弹簧形变量、挡土板倾角以及弹簧形变量的二次项对土壤紧实度的影响极显著（P＜0.01）；滑刀滑切角、挡土板倾角与弹簧形变量的交互项对土壤紧实度的影响较显著（0.05＜P＜0.1）。将不显著的交互作用项的回归平方和及自由度并入残差项后，再进行方差分析。得到各因素对土壤紧实度影响的回归方程。

对上述回归方程进行失拟性检验，其中P = 0.331 4，不显著，说明不存在其他影响试验指标的主要因素，试验指标和试验因素存在显著的二次关系。

3.4.3 响应曲面分析

经Design-Expert 8.0.6软件对数据处理得到滑刀滑切角x1、挡土板倾角x2、弹簧形变量x3之间显著和较显著交互作用对土壤扰动量Y1、土壤紧实度Y2等试验指标影响的响应曲面，如图9所示。

表3 土壤扰动量与土壤紧实度方差分析Table 3 Variance analysis of soil disturbance and soil compaction

图9 开沟器试验响应曲面分析Fig.9 Response surface analysis of opener test

对于土壤扰动量Y1，当弹簧形变量12 mm时，挡土板倾角与滑刀滑切角的交互作用响应曲面如图9a所示。当滑刀滑切角一定时，土壤扰动量Y1随着挡土板倾角的增加呈现增大的趋势。原因是随着挡土板倾角增大，播种时种沟在挡土板的作用下会增大其扰动宽度，从而增大土壤扰动量 Y1，为后续的覆土造成一定困难；当挡土板倾角一定时，土壤扰动量Y1随滑切角的增大而增大。滑刀与土壤作用面积随滑切角增加而增大，会增加其对土壤的扰动性。在滑切角和挡土板倾角的交互作用中，主要影响土壤扰动量Y1的因素是挡土板倾角。

对于土壤紧实度Y2，当滑刀滑切角45°时，弹簧形变量与挡土板倾角的交互作用响应曲面如图9b所示。当挡土板倾角一定时，土壤紧实度Y2随着弹簧形变量的增加呈现先增大而后缓慢减小的趋势，原因是挡土板倾角一定时，种沟内的回土质量稳定。镇压轮在弹簧挤压作用下对种沟内土壤进行镇压，土壤紧实度随弹簧形变量的增加而增大，但由于土壤具有一定塑性，当压力达到一定程度时，被压实的土壤会发生回弹现象，因此压实度会轻微降低；当弹簧形变量一定时，土壤紧实度Y2随挡土板倾角的增大呈缓慢增大的趋势。原因是挡土板角度增大，种沟扰动性加大，沟壁会有逐步增多的湿土回流至沟内，在压力作用下土壤紧实度增大，使种子与湿土接触更加紧实。在弹簧形变量和挡土板倾角的交互作用中，主要影响土壤紧实度Y2的因素是弹簧形变量。

3.4.4 参数优化

在土槽试验中对多功能集成式播种开沟器参数优化的目的是获取最优参数组合，最大程度降低开沟器的土壤扰动量以及最大程度增强土壤紧实度，通过对图9中2个响应曲面的分析，利用Design-Expert 8.0.6软件中的优化模块对回归模型进行求解，根据实际工作条件及上述相关模型分析结果，选定试验因素的约束条件为

对其参数进行求解，参数优化结果为滑刀滑切角44.6°、挡土板倾角3.2°、弹簧形变量11.8 mm，将开沟器最优参数圆整后。为便于加工将最优参数取整为滑刀滑切角45°、挡土板倾角3°、弹簧形变量12 mm，得到多功能集成式播种开沟器理论土壤扰动量为9.65 cm2、土壤紧实度为46 kPa。

3.4.5 试验验证

为进一步增强优化结果的可靠性，在东北农业大学向阳农场试验田对最优参数下的集成播种开沟器进行试验验证，测量开沟后的土壤扰动量和土壤紧实度。每个试验指标测量10次后取平均值，土壤扰动量为8.92 cm2，土壤紧实度为 48 kPa。土壤紧实度试验值对理论值的误差为4.35%，土壤扰动量试验值对理论值的误差为7.56%，这是由于田间试验不确定因素较多，但二者误差值较小，验证了集成式开沟器最优参数的可靠性。

4 性能对比试验

4.1 试验准备

试验于2018年5月在东北农业大学向阳农场试验基地进行。试验地为耕整地，耕作模式为垄作。0～2.5 cm耕作层下的土壤硬度为59 kPa、2.5～5 cm下土壤硬度为167 kPa、5～7.5 cm下土壤硬度为313 kPa、5～7.5 cm下土壤硬度为 425 kPa；0～5 cm 耕层的土壤含水率为8.62%、5～10 cm耕层的土壤含水率为15.14%。

试验设备所用设备为约翰迪尔484型拖拉机，2BM-2型播种机，SC-900型土壤硬度仪（美国Spectrum公司生产，精度为±1.25 cm、±103 kPa），环刀组件（容积100 cm3），JD1000-2电子天平（沈阳龙腾电子天平公司生产，精度为10 mg），沟形轮廓仪等。

试验选取 3种播种开沟器进行性能试验，最优参数下的多功能集成式播种开沟器（滑刀滑切角45°、挡土板倾角3°、弹簧形变量12 mm）与东北常用双圆盘开沟器、尖角式开沟器进行对比试验，测量播种深度及土壤紧实度现场图，如图10所示。

图10 试验现场Fig.10 Test site

4.2 试验结果

以播种开沟器的播种深度变异系数、平均土壤紧实度（0～10 cm）、土壤扰动量、回土量为对比试验指标，其试验结果如下。

4.2.1 播种深度变异系数

播种深度均匀性是影响作物产量的重要因素之一，也是多功能集成式播种开沟器的主要思想之一。每种开沟器的播种深度测量25个点。播种深度变异系数（CV）计算公式为

式中S为种深标准差，mm；x为种深平均值，mm。

种子深度的测量方法为，手动将沟内扰动土扒出，待种子刚刚暴露测量其深度，试验结果如表4所示。

表4 播种深度变异系数结果分析Table 4 Analysis results of sowing depth variation coefficient

双圆盘开沟器播深变异系数为8.92%，尖角式开沟器播深变异系数为 8.06%，集成式开沟器播深变异系数为6.03%。集成式开沟器比双圆盘开沟器的播深变异系数低了32.4%，比尖角式开沟器低了25.2%。双圆盘开沟器转动作业，两侧圆盘将沟内土壤向两侧挤压，部分土壤被带出种沟外，致使沟底平整性差，影响种子深度均匀性；尖角式开沟器作业时对土壤扰动大，且不易回土，不易控制播种深度。

集成式开沟器播种时，在挡土板作用下种子先于土壤落入沟底，保证了种子深度均匀性，因此其播深均匀性高于双圆盘开沟器与尖角式开沟器。

4.2.2 平均土壤紧实度

对3种开沟器作业后的耕作层（0～10 cm）土壤紧实度进行测量，每种开沟器在耕作层的土壤紧实度取平均值。试验结果如表 5所示，集成式开沟器作业后的土壤紧实度为158 kPa，双圆盘开沟器为114 kPa，尖角式开沟器为 97 kPa。集成式开沟器比双圆盘开沟器紧实度高38.6%，比尖角式开沟器紧实度高62.9%。双圆盘与尖角式开沟器作业后，种沟经播种机镇压轮进行镇压，镇压程度具有局限性，种沟土壤紧实度不足。

表5 对比试验结果Table 5 Results of contrast test

集成式开沟器播种作业，其镇压部分对种沟进行镇压，增强土壤与种子接触的紧密程度，覆土后播种机镇压轮对垄台再次镇压，提高了耕作层的土壤紧实度，易于提高墒情。

4.2.3 土壤扰动量和回土量

土壤扰动量和回土量通过田间试验所测得的沟形面积进行计算，结果如表 5所示。集成式开沟器、双圆盘开沟器、尖角开开沟器的土壤扰动量分别为 8.7、10.4、13.7 cm2。集成式开沟器滑切作业，对土壤扰动较小，土壤扰动量比双圆盘开沟器低 16.3%，比尖角式开沟器低36.5%。双圆盘开沟器作业时被破坏土壤会随着圆盘转动扰动出种沟；尖角式开沟器是锐角开沟器，作业时土壤扰动大。

由表 5可得，集成式开沟器、双圆盘开沟器、尖角式开沟器的回土量分别为12.6、9.7、7.8 cm2。集成式开沟器回土量比双圆盘开沟器高29.9%，比尖角式开沟器高61.5%。

综合田间对比试验可知，多功能集成式播种开沟器可改善种床土壤环境，增强土壤紧实度，提高播种深度均匀性。

5 结 论

1）本文设计一种集开沟、回土、镇压一体化的集成式播种开沟器，通过滑刀、挡土板、镇压轮的相互配合能够实现开出种沟，种子落至沟底，湿土回流沟内，镇压轮镇压种沟，种子与土壤紧密接触。

2）以滑刀滑切角、挡土板倾角、弹簧形变量为试验因素，土壤扰动量、土壤紧实度为试验指标，对多功能集成式播种开沟器进行三元二次回归正交组合多因素试验，得到开沟器各参数最优组合：滑刀滑切角44.6°、挡土板倾角3.2°、弹簧形变量11.8 mm。

3）选取东北常用双圆盘开沟器、尖角式开沟器与最优参数下的多功能集成式播种开沟器进行田间对比试验，多功能集成式播种开沟器播深变异系数比双圆盘开沟器播深变异系数低了 32.4%，比尖角式开沟器低了25.2%；集成式开沟器作业后的土壤紧实度比双圆盘开沟器紧实度高38.6%，比尖角式开沟器紧实度高62.9%；多功能集成式播种开沟器作业产生的土壤扰动量比双圆盘开沟器降低16.3%，比尖角式开沟器降低36.5%，其回土量比双圆盘开沟器提高 29.9%，比尖角式开沟器提高61.5%。

多功能集成式播种开沟器可改善种床土壤环境，增强土壤紧实度，提高播种深度均匀性，为播种开沟器的设计提供集成化的借鉴思想。

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