OSID：
覆土装置作为播种机重要工作部件之一,主要在开沟下种后完成覆土盖种作业[1]。覆土作业应满足将种沟内的种子覆盖严密,并达到覆土量适宜和覆土均匀的目的[2]。其作业性能决定了种子生长的土壤环境,进而影响种子发芽及出苗[3-4]。目前,常见覆土装置工作时主要利用对土壤的侧向推移进行种沟覆土,按结构分主要有拖环式、八字型刮板式、双圆盘式、V型挤压式4种[5-6],其中V型挤压式覆土装置集覆土和镇压功能为一体,也称为V型镇压器,在玉米精量播种机上应用最为广泛。但实际生产过程中,V型挤压式覆土装置有时只能将种沟上层表土闭合,种沟内的种子不能很好地和土壤接触,在种子上方形成空穴,造成种子“架空”,严重时种沟土壤不能闭合,造成“晾种”,影响种子发芽及出苗,在土壤流动性较差的黏土中表现尤为明显,因此需要对覆土装置进一步研究。
近年来,对于播种机质量控制研究大多集中在开沟器、排种器、导种装置及电驱控制系统等方面,对于结构相对简单的覆土装置研究较少。王景立[5]利用高速摄影技术对种子被覆盖前产生的位移进行研究,结果表明决定覆土过程中种子位移变化的主要原因是种子被覆盖后随土流一起运动。刘选伟等[7]为了减少覆土过程中种子位移,采用均匀设计方法,设计了双层圆盘式覆土器,并进行了试验研究。陈海涛等[8]为提高2BMFJ系列原茬地免耕覆秸精量播种机作业过程中覆土镇压及防粘土性能,设计一种兼具覆土、镇压和减粘功能的三向可调式V型覆土镇压器。郭慧等[6]为简化机具结构,同时解决传统播种作业过程中覆土及镇压作业稳定性不佳的问题,设计了一种由左右2个具有锥形结构的覆土镇压轮组成,兼具覆土和镇压功能的覆土镇压器。张志君等[1]认为覆土装置无法将大土块有效破碎,造成了空穴的形成,为此设计了破碎式仿生覆土装置。但以上研究多适用于流动性较好的土壤条件,在黏重土壤条件下适应性不强,种沟闭合不严实的现象依旧存在。
针对上述问题,本文提出一种星齿球面盘式覆土装置,对其主要结构参数进行设计,通过理论分析和仿真试验相结合的方法确定最佳工作参数,并通过田间对比试验对性能加以验证。
播种单体整体结构如图1所示,主要由播种单体主体、星齿球面盘式覆土装置、镇压装置等组成,其中星齿球面盘式覆土装置安装在播种单体主体和镇压装置之间。星齿球面盘式覆土装置结构如图2所示,主要由星齿球面覆土盘、覆土盘安装侧板、深度调节弹簧、丝杠、轴套、固定架、轴承座等组成。固定架与播种单体机架通过螺栓固连,覆土盘安装侧板与播种单体机架铰接。左、右两星齿球面覆土盘通过螺栓与覆土盘安装侧板连接,并与竖直面呈一定的夹角,通过更换不同长度的轴套可改变左、右两星齿球面覆土盘的安装间距。为了增强覆土装置强度,两侧覆土盘安装侧板通过加强筋固连。通过调节丝杠有效工作长度(即调节弹簧压缩量)来调节覆土盘作业深度。
图1 播种单体整体结构图
Fig.1 Overall structure diagram of planter unit
1.播种单体主体 2.星齿球面盘式覆土装置 3.镇压装置
图2 星齿球面盘式覆土装置结构图
Fig.2 Structure diagrams of star-tooth spherical disc soil-covering device
1.左覆土盘 2.覆土盘安装侧板 3.深度调节弹簧 4.丝杠 5.右覆土盘 6.轴套 7.螺栓 8.轴承 9.固定架 10.轴承座
覆土作业时,左、右覆土盘一方面依靠覆土盘与种沟两侧土壤之间的摩擦做被动的旋转运动,一方面随机组前进做直线运动。由于种沟两侧的土壤经双圆盘开沟器和限深轮的耕作压实后,土壤密实,流动性差,覆土过程首先由覆土盘上的星齿强制切开种沟土壤,在机组不断前进过程中,星齿球面覆土盘不断切开种沟土壤,原本密实的种沟土壤被破碎,使得土壤之间的粘结力变小,增强了流动性;其次,当星齿完成切土后,在左、右覆土盘凸弧面的作用下,将种沟两侧的土壤向种沟挤压,由于种沟土壤变得细碎,在覆土盘挤压作用下很容易向种沟中心移动,实现覆土作业,有效改善了种子与土壤的接触,避免了种子“架空”和“晾种”现象。
星齿球面式覆土装置主要作用是将双圆盘开沟器与限深轮形成的种沟完全闭合,让种子更好地与土壤接触,种沟的闭合是由于土壤颗粒的横向运动导致的,因此需对主要工作部件星齿球面覆土盘作业过程中种沟土壤颗粒运动情况进行分析。如图3所示,因左、右覆土盘对称安装,两侧种沟内的土壤颗粒受力及运动情况一致,选择左侧种沟内任一点土壤颗粒M进行运动学分析。假设在整个覆土作业过程中星齿球面盘为匀速运动且入土深度保持稳定[9],星齿球面盘对土壤颗粒的作用点位于入土深度的1/2处[10-11]。覆土作业时,土壤颗粒M主要受力有覆土盘挤压力N、覆土盘摩擦力f、重力G、土壤间粘结阻力Q。
图3 土壤颗粒受力分析
Fig.3 Soil particle force analysis
因覆土盘盘面为球面,作业时盘面对土壤颗粒的作用力为空间力系,以覆土盘盘面回转中心O为原点建立如图3所示的空间直角坐标系OXYZ,Z轴为机组前进方向,Y轴为竖直方向,X轴为水平面内与Z轴垂直方向。根据空间力系的二次投影法,将土壤颗粒M所受的作用力分别沿X、Y、Z方向进行分解,可得
(1)
式中 α——盘面中心O与土壤颗粒M的连线与竖直方向夹角,(°)
β——盘面与竖直面的夹角,即安装倾角,(°)
θ——球面曲率中心O1与土壤颗粒M的连线与盘面垂线夹角,(°)
φ——土壤与覆土盘间摩擦角,(°)
R——球面半径,mm
m——土壤颗粒质量,kg
H——覆土盘作业深度,mm
g——重力加速度,m/s2
t——覆土盘与土壤颗粒的作用时间,s
D——覆土盘盘面直径,mm
Qx——土壤间粘结阻力Q在X方向分力,N
Qy——土壤间粘结阻力Q在Y方向分力,N
Qz——土壤间粘结阻力Q在Z方向分力,N
由式(1)可得土壤颗粒M在覆土盘作用下X、Y、Z方向上的速度分别为
(2)
式中 vx——土壤颗粒在X方向上的速度,m/s
vy——土壤颗粒在Y方向上的速度,m/s
vz——土壤颗粒在Z方向上的速度,m/s
由公式(1)、(2)可知,覆土作业过程中,土壤颗粒的运动速度与星齿球面式覆土盘结构参数D、R及安装倾角β、入土深度H有关,因此需进一步对圆盘的结构参数和安装参数进行设计和确定。
2.2.1 盘面直径D
如图4所示,星齿球面覆土盘结构与圆盘耙结构相似,在结构设计时,相关参数参考圆盘耙设计经验公式计算。根据播种深度要求,按经验公式[12]计算得
图4 星齿球面覆土盘结构示意图
Fig.4 Structure diagram of star-tooth spherical soil-covering disc
D=KH
(3)
式中 K——径深比,取3～5,设计时作业深度大取小值,反之取大值
盘面直径还应满足结构要求,即
D>2H+d
(4)
式中 d——安装法兰盘最大外径,mm
根据农艺要求,一般适宜的播种深度为30～50 mm,为了保证覆土效果,覆土盘入土深度H应大于播深,取40～80 mm。结构设计时取K=5,d=100 mm,综合公式(3)、(4),取D=400 mm。
2.2.2 球面半径R
当星齿球面覆土盘盘面直径D和安装法兰盘最大外径d确定时,星齿球面覆土盘的凸面结构由球面半径R决定。当球面半径较小时,工作阻力增加,当球面半径较大时,覆土盘盘面挤土能力减弱,覆土效果降低。同时为了加工方便,参照标准ISO 5679—1979中圆盘主要参数,选择R为500 mm。
2.2.3 盘面厚度δ
根据作业负荷,盘面厚度计算经验公式[12]为
δ=0.008D
(5)
在粘重土壤作业时
δ=0.008D+1
(6)
为了保证设计的星齿球面覆土盘在多种类型土壤的工况下均可可靠作业,厚度δ取偏大值,本设计取δ=4 mm。
2.2.4 盘面刃角i
刃角越大,盘面入土时切土阻力越大,刃角越小,盘面入土时切土阻力越小。但若刃角过小,刃口的强度变小,易发生变形,因此在保证刃口强度的条件下,可取较小的刃角。参照文献[12]取刃角为15°。
2.2.5 星齿设计
如图5所示,星齿结构主要由刃口曲线参数、星齿高度h1、齿顶宽s1、齿根相切圆弧半径R2和R3决定。对星齿球面覆土盘而言,刃口曲线是球面部分的空间曲线,设计时可在盘面展开图上作出[9]。假设刃口曲线位于以盘面中心O为曲率中心,偏心距为e的圆上,刃口曲线曲率半径为R1。由几何关系可知
(7)
图5 星齿结构示意图
Fig.5 Structure diagram of star-tooth
星齿刃口曲线参数方程为
(8)
式中 ρ——刃口曲线AB上任一点与盘面中心的距离,mm
ε——刃口曲线上任一点和盘面中心连线与水平面的夹角,(°)
刃口曲线滑切角τ为
(9)
当e/R1为定值、ε=0时滑切角最小,即τmin=arccos(e/R1)。为了保证球面圆盘在入土过程阻力小,圆盘对土壤的切削过程应为滑切,即刃口曲线任一点的滑切角τmin应大于土壤相对金属间的摩擦角(23°～45°)。相关研究表明[13],当e/R1取0.74时,具有较好的滑切作业性能,本文选取e/R1=0.74。
根据农艺要求和前人研究结果[1,10],本设计取齿高h1=50 mm。为了防止由于作业过程中星齿的磨损导致作业深度变小,选取齿顶宽s1=8 mm。齿根相切圆弧半径R2越大,齿根部长度越大,星齿强度增大。但R2越大,切点将被抬高,刃口曲线有效工作长度变短,滑切作用减弱,阻力变大,因此R2不宜过大。齿根相切圆弧半径R3不参与切土,仅起过渡作用,因此R3对星齿球面覆土盘作业性能影响不大。综合考虑本设计取R2=R3=20 mm。
2.2.6 齿数n
星齿齿数越多,对种沟两侧土壤的细碎程度越高,土壤的流动性越好,覆土作业的质量越好。根据星齿设计的几何参数,齿数n计算公式为
(10)
式中 s——单个星齿齿根弧长,mm
取星齿轮周向可布置的最大齿数为本设计的齿数,经计算,n取整为12。
星齿球面覆土盘安装间距影响覆土作业效果。如图6所示,若安装间距过小,挤压土壤的厚度不足,覆土作业过程中土壤颗粒的总量不足以将种沟完全闭合。若间距过大,覆土盘离种沟中心的距离增大,挤土厚度虽增加,但由于土壤颗粒间的粘结作用,覆土盘对种沟两侧土壤的挤压作用将变小,覆土效果变差,种沟也将无法闭合。这都将影响覆土作业后种子生长的土壤环境,影响种子的发芽和出苗,因此需对覆土盘安装间距进行分析和确定。
图6 覆土盘安装示意图
Fig.6 Installation diagram of star-tooth spherical soil-covering disc
由几何关系可知
(11)
式中 L——覆土盘安装间距,mm
b——种沟地表宽度,mm
l——覆土盘与种沟侧壁之间的土块厚度,即单侧覆土盘挤土厚度,mm
t0——覆土盘深度,mm
t1——交点A2到盘面的垂直距离,即线段A2A3长度,mm
t2——覆土盘在切土深度为H处与地表交点A1A2的距离,mm
由公式(11)可知,覆土盘安装间距L除了与覆土盘结构参数D、R、d、t0有关,还与种沟地表宽度b、覆土盘与种沟侧壁之间的土块厚度l、安装倾角β以及参数t2有关。其中t2由R、D、β决定,种沟地表宽度b由播种机开沟器结构决定。安装倾角β取6°～30°[10]。覆土盘的挤土量能完全使得种沟闭合,则覆土盘与种沟侧壁之间的最小土块厚度lmin>b/2,将上述分析确定的相关参数代入式(11)即可求得最小安装间距Lmin。此外,由于覆土盘安装在播种机限深轮的正后方,主要作用是将限深轮和双圆盘开沟器形成的种沟闭合,因此,覆土盘的安装间距最大值不应超过两限深轮的外侧间距。根据播种机实际结构参数,安装间距L取 160～300 mm。
在EDEM中建立长×宽×高为1 000 mm×450 mm×150 mm的虚拟土槽,综合考虑计算机性能和仿真精度,采用半径为5 mm球形颗粒模拟田间土壤颗粒[14-16],选择Hertz-Mindlin with Bonding模型为土壤颗粒间接触模型[17-18]。实际作业过程中,星齿球面覆土盘为主要作业部件,为了减小仿真过程的计算量,对覆土装置进行简化处理,在不影响仿真精度的前提下,去除仿真过程中无关部件[9-10,19]。通过Solidworks软件对星齿球面覆土盘进行1∶1建模,保存.igs格式导入EDEM软件中,设置仿真模型材料为65Mn钢。根据前期对黏重土壤参数的标定结果,建立的土壤-覆土装置互作仿真模型如图7所示,离散元仿真基本参数如表1所示。
表1 离散元仿真模型参数
Tab.1 Parameters of discrete element simulation model
材料 参数数值密度/(kg·m-3)1.68×103土壤泊松比0.43剪切模量/Pa1×106密度/(kg·m-3)7.861×10365Mn钢泊松比0.3剪切模量/Pa7.90×1010恢复系数0.55土壤-土壤静摩擦因数0.80滚动摩擦因数0.15恢复系数0.45土壤-65Mn钢静摩擦因数0.31滚动摩擦因数0.125
图7 仿真模型
Fig.7 Simulation models
为了研究不同作业参数条件下星齿球面覆土盘的作业效果,根据理论分析结果,确定星齿球面覆土盘安装倾角β、安装间距L、入土深度H为试验因素,先后开展单因素试验和Box-Behnken试验。
根据农艺要求,覆土作业后种沟内应完全填满土壤颗粒,一定范围内,种沟内土壤颗粒的质量越大,说明覆土作业过程中,进入种沟内的土壤颗粒越多,覆土效果越好,同时覆土过程应具有良好的覆土均匀性,因此选取种沟覆土量W和覆土量变异系数CV为试验评价指标。
仿真数据采集时,利用EDEM后处理Analyst模块,在土槽中间位置共设7个数据采集点,分别为Q1～Q7,单个区域大小设置为35 mm×80 mm×100 mm,使其处于整个种沟之间,数据采集方法如图8所示。
图8 数据采集方法示意图
Fig.8 Schematic of data collection method
为了确定星齿球面覆土盘安装倾角β、安装间距L、入土深度H的最佳作业参数范围,根据播种机实际作业情况,设置机组作业速度为8 km/h进行仿真分析。为保证仿真的连续性,设置其固定时间步长为Rayleigh时间步长的15%,总时间为10 s,网格尺寸设置为土壤颗粒尺寸的2倍,以便对后续数据精准处理。试验结果如图9所示。
图9 不同参数下作业质量性能参数变化
Fig.9 Variations of performance parameters for operation quality under different parameters
在实际覆土作业时,农艺要求在不影响播深的情况下,需要较大的覆土量和较小的覆土量变异系数,以保证种沟完全闭合且覆土均匀。如图9a所示,随安装倾角的增大,覆土量逐渐增加,覆土量变异系数逐渐减小。当安装倾角为6°～12°时,覆土量较小,覆土量变异系数较大,表明该条件下种沟不能完全闭合,覆土均匀性较差,不满足农艺要求。当安装倾角为18°～30°,覆土量快速增大,同时覆土量变异系数减小,覆土质量明显改善,因此选择安装倾角为18°～30°。如图9b所示,覆土量随安装间距的增大先增大后减小,覆土量变异系数随安装间距的增大而增大。当安装间距为160～230 mm,覆土量大于200 g,覆土量变异系数小于10%,均处于较优水平。当安装间距超过230 mm后,覆土量快速减小,覆土量变异系数明显增大,作业质量明显变差,因此选择安装间距为160～230 mm。如图9c所示,覆土量随入土深度的增大而增大,覆土量变异系数随入土深度的增大而减小,即作业质量随入土深度增加而变优。当入土深度大于60 mm时,覆土量增加速率减慢,覆土量变异系数减小速率也减慢,此时作业质量已达到较优水平,因此选择入土深度为60～80 mm。
3.4.1 试验设计
根据单因素试验结果,为确定星齿球面覆土盘的最优参数组合,利用Design-Expert软件进一步开展Box-Behnken试验,试验因素编码如表2所示。
表2 试验因素编码
Tab.2 Test factors and coding
编码因素β/(°)L/mmH/mm-118160600241957013023080
3.4.2 试验结果与分析
Box-Behnken试验设计方案与结果如表3所示,X1、X2、X3分别为安装倾角β、安装间距L、入土深度H的编码值。通过Design-Expert软件分别对覆土量和覆土量变异系数进行方差分析。
表3 试验设计方案与结果
Tab.3 Experimental design and results
试验序号因素X1X2X3W/gCV/%1-1-10169.823.1221-10172.273.593-110176.4814.344110241.925.185-10-1201.686.18610-1232.423.997-101225.504.238101250.712.9990-1-1192.733.221001-1207.958.81110-11201.183.8912011240.714.2613000228.533.6814000245.952.4115000239.202.5616000243.703.4417000245.954.02
覆土量方差分析结果如表4所示,整体模型极显著(P<0.01),且失拟项不显著(P>0.05),表明该模型拟合良好,模型可信。
影响极显著。各因素对覆土量影响由大到小顺序为:安装间距X2、安装倾角X1、入土深度X3。对试验结果进行多元回归拟合,可得到各因素对覆土量W的回归方程为
表4 覆土量方差分析
Tab.4 Variance analysis of covering soil weight
来源平方和自由度均方FP模型12333.3091370.3733.02<0.0001∗∗X11917.0411917.0446.190.0003∗∗X22147.0912147.0951.740.0002∗∗X3867.781867.7820.910.0026∗∗X1X2991.941991.9423.900.0018∗∗X1X37.6517.650.180.6807X2X3147.741147.743.560.1011X211188.9811188.9828.650.0011∗∗X224793.0014793.00115.49<0.0001∗∗X2358.13158.131.400.2752残差290.50741.50失拟项76.03325.340.470.7179纯误差214.48453.62总和12623.8116
注:**表示极显著(P<0.01)。下同。
W=240.67+15.48X1+16.38X2+10.42X3+
15.75X1X2-1.38X1X3+6.08X2X3-
(12)
覆土量变异系数方差分析结果如表5所示,整体模型极显著(P<0.01),且失拟项不显著(P>0.05),表明该模型拟合良好,模型可信。X2、X1X2影响极显著,
影响显著。各因素对覆土量变异系数影响由大到小顺序为:安装间距X2、安装倾角X1、入土深度X3。对试验结果进行多元回归拟合,可得到各因素对覆土量变异系数CV的回归方程为
表5 覆土量变异系数方差分析
Tab.5 Variance analysis of variation coefficient of covering soil weight
来源平方和自由度均方FP模型124.15913.798.450.0051∗∗X118.36118.3611.250.0122∗X244.04144.0426.990.0013∗∗X35.8315.833.570.1006X1X223.18123.1814.210.0070∗∗X1X30.2310.230.140.7210X2X36.8116.814.170.0803X217.3317.334.490.0719X2217.12117.1210.490.0143∗X230.1610.160.100.7650残差11.4271.63失拟项9.4333.146.310.0536纯误差1.9940.50总和135.5716
注:*表示显著(0.01≤P<0.05)。
CV=3.22-1.52X1+2.35X2-0.85X3-2.41X1X2+
(13)
3.4.3 参数优化
为了得到星齿球面盘式覆土装置的最优工作参数组合,采用多目标变量优化方法,对影响覆土量和覆土量变异系数的各因素进行优化设计,根据实际作业要求,在目标范围内,以提高覆土量和覆土均匀性为原则,根据各试验因素的边界条件,建立参数优化目标函数为
(14)
基于Design-Expert软件中Optimization模块对目标函数进行参数优化并求解,结合星齿球面盘式覆土装置的结构和实际作业要求,得到最优参数组合,即安装倾角为25.03°、安装间距为196.66 mm、入土深度为77.65 mm时,该覆土装置覆土量为253.83 g,覆土量变异系数为2.31%。
为验证星齿球面盘式覆土装置在田间的作业性能,于2023年5月在黑龙江省齐齐哈尔市甘南县甘南镇边江村开展田间试验。试验地前茬作物为玉米,玉米收获后对玉米秸秆进行回收处理,地表有玉米根茬和少量秸秆,玉米根茬平均高度为15.6 cm,平均秸秆覆盖量为0.73 kg/m2。试验田土壤为黑黏土,0～10 cm平均土壤含水率为27.64%,0～10 cm 处平均土壤紧实度为11.47 kg/cm2,0～20 cm处平均土壤紧实度为23.78 kg/cm2。根据优化后的最优工作参数,考虑实际加工精度及测量精度,选择安装倾角为25°、安装间距为197 mm、入土深度为77 mm,加工试制了星齿球面盘式覆土装置,并安装在中农机2BMY-2型玉米免耕精量播种机上,配套动力为博马654型拖拉机,播种作业速度为8 km/h。
为了验证星齿球面盘式覆土装置的覆土性能,同时验证仿真试验的准确性,将2BMY-2型玉米免耕精量播种机左侧行的V型镇压器更换成星齿球面盘式覆土装置,进行覆土作业。试验过程及结果如图10所示。
图10 覆土性能试验
Fig.10 Soil covering performance test
通过观察覆土后种沟的闭合情况,可以明显看出,安装V型镇压器的一侧,会断断续续出现种沟闭合不严的情况,而采用星齿球面盘式覆土装置的一侧,种沟两侧土壤被挤向种沟的中心位置,种沟完全闭合,未出现种沟闭合不严实的现象。田间对比试验表明,星齿球面盘式覆土装置相对于V型镇压器可以有效地避免黏重土壤条件下种沟闭合不严实的现象。此外,由图10也可以发现,星齿球面盘式覆土装置作业的左侧,其动土量明显高于V型镇压器作业的右侧,增加了土壤水分的蒸发,不利于土壤的保墒,需进一步改进。
完成覆土作业后,采用自制的取土装置收集种沟内的土壤,取土装置的尺寸和取土位置同仿真中数据采集区域大小和位置一致,以保证田间试验和仿真过程一致,取出土壤后用电子秤称量,并记录数据。得到覆土量平均值为241.46 g,与最优参数组合下仿真结果基本一致,相对误差为5.12%,覆土量变异系数为3.71%,覆土均匀,作业质量好。
播种机覆土作业后,若覆土量过大,在经镇压后覆土厚度将偏大,随之播深偏深;若覆土量过小,在经镇压后覆土厚度将偏小,随之播深变浅。播种过深或过浅都将影响种子生长的土壤环境,影响发芽和出苗。根据当地玉米种植农艺,播深以40～50 mm为宜。为了验证上述最优参数组合下的覆土量经镇压后是否满足农艺生产要求,开展了田间对比试验。试验时在玉米免耕精量播种机左侧行V型镇压器的前方加装星齿球面盘式覆土装置,调整两行V型镇压器压力一致,完成播种作业后,测量两行种子的播种深度。试验过程如图11所示。
图11 播深验证试验
Fig.11 Sowing depth verification test
试验数据如表6所示。试验结果表明在该试验土壤条件下,右侧行播深平均值为(38.4±7.96) mm,偏浅,而加装星齿球面盘式覆土装置的左侧行,播深平均值为(46.4±2.87) mm,满足生产要求,同时播深一致性左侧行优于右侧行。结合覆土性能试验结果,分析造成播深偏浅的原因是右侧行在部分地方出现了种沟闭合不严实的现象,造成了种子上方覆土量不足。综合分析可知,本文设计的星齿球面盘式覆土装置可有效改善播种机覆土性能。
表6 播深测量结果
Tab.6 Sowing depth measurement results mm
试验序号左侧行播深右侧行播深1484624330351414464754428均值±标准差46.40±2.8738.40±7.96
(1)设计了一种星齿球面盘式覆土装置,分析了其作业原理,通过理论分析和数值计算确定了覆土盘的主要结构参数。
(2)以星齿球面覆土盘安装倾角β、安装间距L、入土深度H为试验因素,以覆土量和覆土量变异系数为评价指标,基于EDEM软件先后开展单因素和Box-Behnken仿真试验。单因素试验确定了各试验因素的取值范围为18°≤β≤30°、160 mm≤L≤230 mm、60 mm≤H≤80 mm。Box-Behnken仿真试验得到了最优参数组合:安装倾角为25.03°、安装间距为196.66 mm、入土深度为77.65 mm,此时覆土量为253.83 g,覆土量变异系数为2.31%。
(3)田间验证试验结果表明,最优参数组合下,覆土量平均值为241.46 g,与仿真结果基本一致,相对误差为5.12%,覆土量变异系数为3.71%,覆土均匀,作业质量好,覆土作业后种子播深满足农艺要求,星齿球面盘式覆土装置能有效改善播种机覆土性能。
[1] 张志君,孙旭伟,金柱男,等.大豆播种机破碎式仿生覆土装置设计与试验[J].农业机械学报,2018,49(2):34-40,73.
ZHANG Zhijun,SUN Xuwei,JIN Zhu’nan,et al.Design and test of crushing bionic soil covering device of soybean seeder[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2018,49(2):34-40,73.(in Chinese)
[2] 贾洪雷,陈忠亮,马成林,等.北方旱作农业区耕作体系关键技术[J].农业机械学报,2008,39(11):59-63.
JIA Honglei,CHEN Zhongliang,MA Chenglin,et al.Key technologies for the tillage system in area of dry farming of northern China[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2008,39(11):59-63.(in Chinese)
[3] PANNING J W,KOCHER M F,SMITH J A,et al.Laboratory and field testing of seed spacing uniformity for sugarbeet planters[J].Applied Engineering in Agriculture,2000,16(1):7-13.
[4] ÖZMERZI A,KARAYEL D,TOPAKCI M.Effect of sowing depth on precision seeder uniformity[J].Biosystems Engineering,2002,82(2):227-230.
[5] 王景立.精密播种机覆土与镇压过程对种子触土后位置控制的研究[D].长春:吉林大学,2012.
WANG Jingli.The research of position control after seed contacting soil in process of soil covering and rolling with precision seeder[D].Changchun:Jilin University,2012.(in Chinese)
[6] 郭慧,陈志,贾洪雷,等.锥形轮体结构的覆土镇压器设计与试验[J].农业工程学报,2017,33(12):56-65.
GUO Hui,CHEN Zhi,JIA Honglei,et al.Design and experiment of soil-covering and soil-compacting device with cone-shaped structure of wheel[J].Transactions of the CSAE,2017,33(12):56-65.(in Chinese)
[7] 刘选伟,金亮,赵亚祥,等.基于均匀设计的双层圆盘式覆土器的试验研究[J].中国农机化学报,2016,37(2):26-28.
LIU Xuanwei,JIN Liang,ZHAO Yaxiang,et al.Experimental research on double-deck disk coverer based on uniform design[J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization,2016,37(2):26-28.(in Chinese)
[8] 陈海涛,徐源,史乃煜.三向可调式V型覆土镇压器设计与试验[J].东北农业大学学报,2018,49(11):65-73.
CHEN Haitao,XU Yuan,SHI Naiyu.Design and experiment on three-way adjustable V-type soil-covering and soil-compacting device[J].Journal of Northeast Agricultural University,2018,49(11):65-73.(in Chinese)
[9] 王奇,贾洪雷,朱龙图,等.免耕播种机星齿凹面盘式清秸防堵装置设计与试验[J].农业机械学报,2019,50(2):68-77.
WANG Qi,JIA Honglei,ZHU Longtu,et al.Design and experiment of star-toothed concave disk row cleaners for no-till planter[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2019,50(2):68-77.(in Chinese)
[10] 黄玉祥,高鹏洋,张庆凯,等.免耕播种机切茬导草组合式草土分离装置设计与试验[J].农业机械学报,2020,51(5):67-78.
HUANG Yuxiang,GAO Pengyang,ZHANG Qingkai,et al.Design and experiment of grass-soil separation device with combination of stubble cutting and grass guiding used for no-till planter[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2020,51(5):67-78.(in Chinese)
[11] 李宝筏.农业机械学[M].2版.北京:中国农业出版社,2017.
[12] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[M].北京:中国农业科学技术出版社,2017.
[13] 张才权.水田耙星形耙片几何参数的研究[J].农业机械学报,1979,10(2):85-95.
ZHANG Caiquan.Research of geometric parameters of star-shape disc for paddy field harrow[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,1979,10(2):85-95.(in Chinese)
[14] 王宪良,胡红,王庆杰,等.基于离散元的土壤模型参数标定方法[J].农业机械学报,2017,48(12):78-85.
WANG Xianliang,HU Hong,WANG Qingjie,et al.Calibration method of soil contact characteristic parameters based on DEM theory[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2017,48(12):78-85.(in Chinese)
[15] 何晓宁,张学军,赵壮,等.反向旋抛式油莎豆起挖装置设计与试验[J].农业机械学报,2022,53(5):34-43.
HE Xiaoning,ZHANG Xuejun,ZHAO Zhuang,et al.Design and optimization tests of reverse spin-throwing Cyperus edulis starting device[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2022,53(5):34-43.(in Chinese)
[16] YUAN P P,LI H W,HUANG S H,et al.Parameter optimization and experiment of a seed furrow cleaning device for no-till maize seeding[J].Agriculture,2022,12(11):1901.
[17] 丁启朔,任骏,ADAM BELAL Eisa,等.湿粘水稻土深松过程离散元分析[J].农业机械学报,2017,48(3):38-48.
DING Qishuo,REN Jun,ADAM BELAL Eisa,et al.DEM analysis of subsoiling process in wet clayey paddy soil[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2017,48(3):38-48.(in Chinese)
[18] 王学振,岳斌,高喜杰,等.深松铲不同翼铲安装高度时土壤扰动行为仿真与试验[J].农业机械学报,2018,49(10):124-136.
WANG Xuezhen,YUE Bin,GAO Xijie,et al.Discrete element simulations and experiments of disturbance behavior as affected by mounting height of subsoiler’s wing[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2018,49(10):124-136.(in Chinese)
[19] 林静,吕洲翼,李宏哲,等.垄作免耕播种机被动式防缠绕破茬清垄装置设计与试验[J].农业机械学报,2023,54(6):19-27,37.
LIN Jing,LÜ Zhouyi,LI Hongzhe,et al.Design and experiment of passive anti-winding stubble breaking and ridge cleaning device for no-tillage planter[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2023,54(6):19-27,37.(in Chinese)