胡婷, 全伟,2, 吴明亮*, 李林

(1.湖南农业大学机电工程学院, 长沙 410128; 2.湖南农业大学东方科技学院, 长沙 410128)

花生是我国重要的油料经济作物，总产量占40%左右，居世界首位，种植面积仅次于印度，居第二位[1-2]。近年来，我国南方花生播种面积越来越大，2018年，我国花生播种面积达到4.62×106hm2，其中南方的播种面积占比接近40%[3]，极大地促进了花生产业发展。

国内学者围绕花生播种开展了大量研究，并研制出了花生播种机，其种肥沟作业部件大多采用圆盘式开沟器或改进后的锄铲式开沟器[4-7]，对我国北方花生主产区的机械化作业水平提升发挥了重要作用。而南方地区由于土壤黏重、含水率高，现有花生播种机的触土部件在作业过程中易壅泥堵塞而影响作业质量，严重制约了南方花生种植规模扩大和种植效益提高[8-9]。因此，针对南方丘陵山地黏重土壤环境下的播种机械研究具有重要意义。

目前南方丘陵地区花生种植采用垄作模式[10]，其农艺参数为：种沟宽度100～200 mm，种沟深度30～50 mm，行距300 mm，垄宽500 mm，垄高150 mm，垄沟宽300 mm，垄沟沟底宽150 mm。为此，本项目组研制了一款适合南方高含水率黏重土壤环境的双垄四行花生垄作播种机，基于南方土壤仿真标定参数，采用实验数据与仿真模型相结合的方法研究花生播种机触土部件与土壤的相互作用规律[11-15]，借助离散元软件对所设计的种沟开沟器关键参数进行仿真优化，以期解决南方丘陵地区花生播种机种沟开沟作业问题。

1 材料与方法

1.1 整机结构与工作原理

双垄四行花生垄作播种机结构如图1所示，主要由覆土装置、开种沟装置、侧边开垄沟装置、中间开垄沟装置、旋耕装置等组成。其中开种沟装置主要由预紧弹簧、平土拖板、种沟开沟器等组成，该种沟开沟器倾斜焊接在平土拖板内侧底部。

工作时，动力带动旋耕装置碎土并整理垄面；侧边开垄沟装置和中间开垄沟装置与旋耕装置一同前进并切土翻垡，最终形成双垄垄面用于种植花生。在预紧弹簧的作用下平土拖板始终紧贴垄面滑行，焊接于平土拖板上的两个种沟开沟器在细碎土壤的垄面上划出深度、形状一致的两条种沟；由排种器排出的种子在排种管的引导下落入种沟内，覆土装置将种子覆土并将垄面刮平，完成花生播种作业。

注： 1—侧边开垄沟装置； 2—中间开垄沟装置； 3—旋耕装置； 4—开种沟装置； 41—预紧弹簧； 42—种沟开沟器； 43—平土拖板。Note: 1—Side ridging device; 2—Middle ridging device; 3—Rotary tiller; 4—Seed ditch device; 41—Pre tightening spring; 42—Seed furrow opener; 43—Planning board.图1 双垄四行花生垄作播种机及开种沟装置Fig.1 Structure of double ridge four row peanut ridge seeder assembly and furrow opening device

1.2 种沟开沟器作业参数

种沟开沟器结构如图2所示，其为钢板弯折成两个翼板组成的倒三角形结构，主要由翼板和刀刃组成。作业参数包括双翼板夹角β、翼板倾角α、入土角γ、开沟深度h。

图2 种沟开沟器Fig.2 Seed channel opener

①双翼夹角β。为保证种沟开沟器能够顺利开出倒三角形种沟，开沟器翼板倾角应不大于旋耕后土壤的自然堆积角41°[15]。结合种沟开沟器(图2)的几何关系，则双翼夹角β需大于98°。由垄作花生种植农艺要求可知，双翼夹角β与种沟宽度b和种沟深度h之间满足反三角函数关系，当种沟深度取最小值30 mm，种沟宽度为最大值200 mm时，βmax=146°。综上，双翼夹角β取值范围为98°～146°。

②入土角γ。种沟开沟器作业原理如图3所示，由图中几何关系和受力分析可得公式(1)。

Fx=F×sin(180°-γ)

(1)

式中，Fx为沿水平方向的分力，N；F为工作过程中土壤作用在开沟器上的阻力，N。

为使开沟器的开沟阻力尽量小，则根据公式(1)及图3中几何关系，其入土角γ应取最大值165°，但此时开沟器已无法入土。通过改变预紧弹簧的预紧力可调节开沟器的入土角γ，为使开沟器入土，至少需将入土角减少13°，故入土角γ<152°。

图3 种沟开沟器作业原理Fig.3 Operation of seed ditch opener

为保证开沟器的刃线具有滑切作用，其入土角γ应满足γ>π/2+ψ[16]，ψ为开沟器的刃线与土壤摩擦角，(°)。由文献[16]可知，ψ一般取值为18°～42°，取值为ψ=42°，可得γ>132°。

综合以上，可确定入土角的取值范围为132°<γ<152°。

③开沟深度h。开沟深度影响沟型稳定性，是影响开沟器牵引阻力的关键因素。为了匹配农艺要求的种沟深度，开沟深度取值范围为30～50 mm。

1.3 种沟开沟器作业EDEM仿真

1.3.1土壤与开沟器仿真建模 ①土壤模型。本文在综合考虑南方土壤的实际情况和EDEM软件的内置接触模型后，选用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型[17-18]，仿真参数如表1所示，含水率通过试验测量，其余各参数均参考相关研究进展[15,19-21]。

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameter

根据花生播种的农艺要求，设定仿真土槽规格为1 000 mm×500 mm×250 mm的无盖长方体。设置离散元仿真土壤的基本颗粒参数为半径4 mm、圆球形，采用随机分布方式生成土壤颗粒，在颗粒工厂Partical Generation将颗粒半径设置为3.2～4.8 mm(0.8～1.2倍)、颗粒生成速率为10万颗·s-1。

②开沟器模型。利用软件Solidworks2016按照1∶1比例建立倒三角形种沟开沟器的三维模型，然后将其导入EDEM离散元仿真软件中，并按照需求设置其运动参数后，即可开展仿真试验。

1.3.2试验因素与水平 利用Design-Expert软件设计多因素正交旋转组合试验，试验因素和水平如表2所示。

表2 试验因素与水平Table 2 Test factors and levels

1.3.3试验指标 试验采用沟型系数和牵引阻力作为评价指标[22-23]。

①沟型系数。在土槽长度方向的中间进行切片，切片厚度为50 mm，选择代表种沟横截面轮廓的颗粒，生成所选仿真土壤颗粒在XY平面中的散点图，最后导出坐标数据。将数据编入Matlab程序中进行拟合，得到Matlab拟合种沟轮廓，同时得到y(x)的多项式并对其进行定积分求解得到仿真种沟横截面面积S1。

(2)

式中，β为双翼夹角，(°)；h为开沟深度，mm；S2为理论种沟横截面面积，mm2。

②牵引阻力。采用软件后处理计算出单次试验的牵引阻力平均值作为试验结果。

1.3.4仿真设计和优化 采用Design-Expert软件进行Box-Behnken试验设计和响应面优化。

1.4 土槽验证试验

1.4.1试验仪器和设备 土槽验证试验的仪器和设备为TCC电力四驱土槽试验台、六分力测试架、开种沟装置(安装有最优参数组合下的两个种沟开沟器)、手持式土壤水分测定仪、卷尺(精度cm)、直尺(精度mm),将六分力测定架三点挂接于土槽车，利用抱箍将开种沟装置安装于六分力测定架横梁，使用数据线将六分力测定架的数据采集盒与土槽车控制台计算机连接。

1.4.2土槽土壤处理 试验前调整土槽内土壤含水率：在土槽试验范围内按五点取样法选择测点，使用手持式土壤水分测定仪测量土槽土壤含水率为13.54%，用洒水壶均匀喷洒一定量的水，静置4 h后旋耕土壤至深度15 cm左右，继续测量含水率，计算下次所需施水量，喷洒静置后耕整，将土壤含水率调至18.2%±0.2%。

1.4.3测定方法 试验时，设置土槽车行进速度为0.44 m·s-1，并将种沟开沟器的开沟深度调40 mm处。试验重复三次，取平均值作为试验结果。

在每个行程随机选取连续10个测点，每个测点间隔0.5 m，将水平尺横卧于种沟上方作为x方向坐标，将板尺垂直于水平尺并与种沟沟底相交作为y轴方向，水平尺与板尺的交点为坐标原点，如图4所示。沿x轴正负方向每隔10 mm测得对应的y值，测量并记录沟型数据，将数据编入Matlab程序中进行拟合,得到种沟截面拟合图，并进行定积分求解得出种沟截面面积，种沟截面面积与理论面积之比即为沟型系数。将每个行程所有测点的沟型系数的平均值为试验结果。

图4 沟型系数测量Fig.4 Measuring of the channel shape coefficient

试验过程中土槽车可自动获取开沟器的牵引阻力值，由于试验使用了两个开沟器，将每次试验所获数据的0.5倍作为试验结果。

2 结果与分析

2.1 仿真结果

采用Design-Expert软件进行Box-Behnken试验设计，得到仿真试验方案和结果如表3所示，试验因素不同水平值取值条件下，评价指标中沟型系数的变化范围为0.15～1.39，而牵引阻力的变化范围为33.16～151.76 N，表明各个试验因素不同水平值对评价指标的影响较大。

表3 试验方案和结果Table 3 Protocols and results

仿真与MATLAB拟合的种沟轮廓如图5所示，沟型轮廓符合农艺要求，试验效果较理想。

图5 仿真与MATLAB拟合的种沟轮廓Fig.5 Seed channel contour of simulation and MATLAB fitting

2.2 回归方程分析

利用Design-Expert软件的Analysis模块对试验结果进行分析，即可得到两个试验指标分别与开沟深度、双翼夹角及入土角之间的回归方程，如公式(3)和(4)所示。

Y1=0.791 6+0.107 5A+0.206 1B+0.214 5C+0.102 2AB+0.060 4AC-0.335 9C+0.071 8A2-0.110 9B2+0.298C2

(3)

Y2=8.42+0.877 4A+1.94B-1.32C+0.198AB-0.068 1AC-0.390 5BC+0.014 1A2+0.544 6B2-0.319 3C2

(4)

式中，A为开沟深度，mm；B为双翼夹角，(°)；C为入土角，(°)；Y1为沟型系数；Y2为牵引阻力，N。

2.3 方差分析

由二次项模型的方差分析结果(表4和5)可知，沟型系数的回归模型呈现显著(P<0.05)，牵引阻力的回归模型均呈现极显著(P<0.001)；沟型系数和牵引阻力的模型失拟项不显著(P>0.05)，说明可用回归方程替代试验真实点对试验结果进行分析；沟型系数和牵引阻力的决定系数(R2)分别为85.59%和99.89%，校正决定系数(adj-R2)分别为67.06%和99.76%，变异系数(C.V.)分别为23.15%和1.05%，精密度系数(Adeq precisior)分别为8.084 6与95.008，说明沟型系数和牵引阻力模型能较好拟合。

表4 目标函数y1的二次项模型方差分析Table 4 Analysis of variance of quadratic model of objective function y1

F值反映了各试验因素对回归模型响应值的影响程度，由F值检验得出各试验因素对沟型系数的影响程度由大到小依次为C、B、A；对牵引阻力的影响程度由大到小依次为B、C、A。

通过各因素及其交互项的P值可判断，从单因素方面分析：双翼夹角、入土角对沟型系数影响显著，开沟深度对沟型系数的影响较小。开沟深度、双翼夹角、入土角对牵引阻力的影响均极显著；而基于各因素交互作用得出：双翼夹角与入土角的交互作用对沟型系数的影响极显著，开沟深度和双翼夹角、双翼夹角和入土角的交互作用对牵引阻力影响极显著。

2.4 回归模型交互效应分析

根据二次项模型方差分析结果，利用Design-Expert软件绘制响应曲面图(图6)。当入土角较小时，随着双翼夹角增大，沟型系数小幅度增大后逐渐减小，但变化范围不大；当入土角增大后，沟型系数随着双翼夹角增大而显著减小；当双翼夹角一定时，沟型系数随着入土角增大而增大。双翼夹角与入土角一定时，牵引阻力随着开沟深度增大而增大；开沟深度与双翼夹角一定时，牵引阻力随着入土角增大而减小。开沟深度与入土角一定时，牵引阻力随着双翼夹角增大而增大。

2.5 最优参数组合

为了同时得到开沟质量最高且牵引阻力最小时开沟深度、双翼夹角与入土角的最优参数组合，使用Design-Expert软件的Optimization功能进行优化，以沟型系数的理想值1为目标值，以牵引阻力F的最小值为求解目标，同时对回归模型Y1和Y2进行寻优求解，并得到了多组解，其中有多个组合的沟型系数等于1，选择牵引阻力最小的一组作为最优参数组合，其中开沟深度、双翼夹角与入土角的值分别为40 mm、98°、144°。

2.6 仿真与土槽试验结果对比分析

仿真试验与土槽验证试验所得牵引阻力和沟型系数的对比结果如表6所示。可以看出，仿真与土槽试验所得沟型系数分别为1.06与1.02，误差为3.78%；种沟开沟器的牵引阻力分别为43.4和46.3 N，误差为6.68%，表明仿真试验结果较为准确；沟型系数的变异系数相对牵引阻力的变异系数较大。

表6 仿真试验与土槽验证试验结果对比Table 6 Comparison of simulation test and soil trough verification test results

3 讨论

本文依据土壤耕作理论应用成果[10,15-16]与工程力学理论，设计了一款双垄四行花生垄作播种机种沟开沟器。高质量的种沟沟型和低牵引阻力是反映开沟器工作性能的重要指标[22-23]。为此选取沟型系数及牵引阻力为评价指标，并以开沟器开沟深度、双翼夹角和入土角为试验因素，基于南方土壤的实际情况和EDEM软件建立南方土壤模型[15,17-21]，开展种沟开沟器作业EDEM仿真试验。相对于传统试验采用回土量计算沟型[22-23]，该试验采用曲线拟合法量化沟型，且本研究方案可为南方丘陵地区花生播种机种沟开沟器设计提供参考。

通过响应面优化法对种沟开沟器的作业参数进行优化，得到最优参数组合(开沟深度40 mm、双翼夹角98°、入土角144°)，并探究了各因素及其交互作用对开沟器作业效果的影响规律，对于种沟开沟器作业性能的影响程度，入土角大于双翼夹角，与赵淑红等[22]结论相似，该研究对种沟开沟器作业性能的提高具有理论指导意义。但仍然存在其他较多影响开沟器作业性能的因素，如开沟器外形、土壤颗粒粒径和含量、开沟速度、土壤含水率等，还需进一步研究其他因素对种沟开沟器作业的影响规律。

在最优参数组合条件下，使用种沟开沟器开展土槽试验对仿真结果进行验证，试验结果表明，仿真与土槽试验所得沟型系数与牵引阻力的误差分别为3.78%与6.68%，均在允许范围内，表明仿真试验获得的最优参数组合是可靠的。因此借助离散元软件对种沟开沟器的作业性能进行研究是可行的。