楊文彩 蒲望 潘吳建 等 三七育苗播種覆土鎮(zhèn)壓裝置的研究設(shè)計與試驗 J 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2022 43 2 122 132 YANG Wencai PU Wang PAN Wujian et al Design and experiment of soil covering and compacting device for Panax notoginseng seedling sowing J Journal of South China Agricultural University 2022 43 2 122 132 三七育苗播種覆土鎮(zhèn)壓裝置的研究設(shè)計與試驗 楊文彩1 蒲 望1 潘吳建1 張效偉1 張 良2 鄭嘉鑫1 1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院 云南 昆明 650201 2 楚天科技股份有限公司 湖南 長沙 410600 摘要 目的 為提高三七育苗品質(zhì) 針對槽式三七育苗播種行株距小 播深淺的特殊農(nóng)藝要求 設(shè)計一種集覆土 鎮(zhèn)壓功能為一體的密集型種溝覆土鎮(zhèn)壓裝置 方法 在田間試驗確定三七出苗率高 種苗品級最佳的基質(zhì)緊實 度范圍的基礎(chǔ)上 對鎮(zhèn)壓輥與土壤接觸進行動力學(xué)分析 確定覆土鎮(zhèn)壓裝置相關(guān)參數(shù) 借助離散元法對覆土鎮(zhèn)壓 過程進行仿真分析 以開溝深度 播種機前進速度為試驗因素 以覆土厚度及一致性為試驗指標(biāo)進行土槽試驗 驗證覆土鎮(zhèn)壓裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)是否滿足要求 結(jié)果 由田間試驗得到基質(zhì)緊實度范圍為200 400 kPa 覆土 鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)為 鎮(zhèn)壓輪直徑150 mm 彈簧最大剛度140 5 N mm 由仿真分析得到覆土厚度為9 77 11 40 mm 粒距偏移量為0 07 6 23 mm 行距偏移量為0 03 1 43 mm 土槽試驗結(jié)果表明 最優(yōu)工作參數(shù)為 開溝深度為 25 mm 播種機前進速度為0 16 m s 此時覆土厚度均值為11 mm 覆土厚度一致性為85 15 覆土鎮(zhèn)壓后基質(zhì) 緊實度為300 360 kPa 結(jié)論 由仿真分析和土槽試驗可知 覆土鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計滿足三七育苗播種時基質(zhì)緊實 度和覆土厚度的農(nóng)藝要求 研究結(jié)果可為三七覆土鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計提供參考 關(guān)鍵詞 三七 育苗 播種 緊實度 覆土鎮(zhèn)壓 EDEM仿真 中圖分類號 S223 26 文獻標(biāo)志碼 A 文章編號 1001 411X 2022 02 0122 11 Design and experiment of soil covering and compacting device for Panax notoginseng seedling sowing YANG Wencai1 PU Wang1 PAN Wujian1 ZHANG Xiaowei1 ZHANG Liang2 ZHENG Jiaxin1 1 College of Mechanical and Electrical Engineering Yunnan Agricultural University Kunming 650201 China 2 Chutian Technology Limited Company Changsha 410600 China Abstract Objective Aiming at the special agronomy of small row spacing and shallow sowing depth of slot type Panax notoginseng seedling a compact soil covering and compacting device for seed ditch was designed to improve the quality of P notoginseng seedlings Method On the basis of the field experiment to determine the range of matrix compactness with high emergence rate and the best seedling grade of P notoginseng the dynamic analysis of the contact between roller and soil was carried out to determine the relevant parameters of the soil covering and compacting device The process of soil covering and compacting was simulated and analyzed using discrete element method Taking ditching depth and forward speed of the planter as test factors the covering soil thickness and consistency as the test indexes soil trough test was carried out to verify whether the relevant structural parameters of soil covering and compacting device met the requirements Result The 收稿日期 2021 06 16 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間 2022 01 07 08 16 17 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 作者簡介 楊文彩 教授 博士 主要從事農(nóng)業(yè)機械化與裝備工程研究 E mail yangwencai2005 基金項目 云南省科技計劃農(nóng)業(yè)聯(lián)合專項重點項目 2018FG 001 007 云南省科技廳重大科技專項 2018ZC001 4 3 云南 省科技廳重大科技專項 2019ZG00902 03 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 Journal of South China Agricultural University 2022 43 2 122 132 DOI 10 7671 j issn 1001 411X 202106019 results of field experiment showed that the range of substrate compactness was 200 to 400 kPa The structural parameters of the soil covering and compacting device were as follows The diameter of the pressing wheel was 150 mm and the maximum spring stiffness was 140 5 N mm The simulation results showed that the soil covering thickness was 9 77 to 11 40 mm the offset of grain spacing was 0 07 to 6 23 mm and the offset of row spacing was 0 03 to 1 43 mm The results of soil trough test showed that the optimal working parameters were as following The trench depth was 25 mm the forward speed of planter was 0 16 m s the average covering thickness was 11 mm the consistency of soil covering thickness was 85 15 and the compactness of substrate after compaction was 300 to 360 kPa Conclusion According to the simulation analysis and soil trough test the design of the soil covering and compacting device can meet the agronomic requirements of substrate compactness and covering soil thickness for P notoginseng seedlings The research results can provide references for the design of soil covering and compacting device of P notoginseng Key words Panax notoginseng Seedling raising Seeding Compactness Soil covering and compacting EDEM simulation 三七 Panax notoginseng是名貴中藥材 主產(chǎn)于 云南 三七栽培需先育苗再移栽 育苗農(nóng)藝要求非常特 殊 一是播種行株距均為50 mm 播種深度為10 mm 屬于超精密播種 1 二是種床為特殊土壤 由云南紅 壤土和蔗渣 有機質(zhì) 生物質(zhì)炭 礦物土壤調(diào)理劑等 按特殊比例混合制成 下文中土壤和基質(zhì)皆為此特 殊土壤 覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)質(zhì)量對優(yōu)質(zhì)種苗培育有至 關(guān)重要的作用 2 3 而目前三七覆土 鎮(zhèn)壓基本是人 工模式 存在作業(yè)成本高 覆土厚度不一致 基質(zhì)壓 實程度不均勻 效率低下等問題 設(shè)計一種覆土鎮(zhèn) 壓裝置代替人工作業(yè) 對優(yōu)質(zhì)三七種苗培育具有重 要意義 目前國內(nèi)外學(xué)者對覆土 鎮(zhèn)壓裝置進行了大量 研究 現(xiàn)有的覆土 鎮(zhèn)壓裝置多為覆土 鎮(zhèn)壓分體式 結(jié)構(gòu) 對集覆土 鎮(zhèn)壓功能一體的裝置研究較少 常 見的覆土鎮(zhèn)壓器為擠壓式覆土鎮(zhèn)壓器 但其擠土輪 與土壤接觸面積較小 土壤黏附量較大 覆土和鎮(zhèn) 壓作業(yè)穩(wěn)定性不佳 4 6 侯守印等 7 設(shè)計的彈性螺旋 式覆土鎮(zhèn)壓器雖然可以減少土壤黏附量 但其結(jié)構(gòu) 相對復(fù)雜 不適用于窄行株距的三七播種 在覆土 鎮(zhèn)壓過程中 仿形機構(gòu)可控制鎮(zhèn)壓均勻度和強度的 穩(wěn)定性 現(xiàn)有后置仿形 液壓仿形和彈簧壓縮水平 仿形等機構(gòu) 8 趙淑紅等 9 設(shè)計了可調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力的 雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置 能實現(xiàn)橫向和縱向仿形 鎮(zhèn)壓 均勻性好 為本文提供了一定的參考 隨著土壤本 構(gòu)模型的不斷完善和計算機計算能力的提高 仿真 分析在農(nóng)機觸土部件與土壤相互作用的研究中應(yīng) 用得越來越廣泛 離散元法能有效模擬土壤顆粒和 觸土部件間的微觀 宏觀變形 能直觀反映觸土部 件與土壤顆粒的相互作用 土壤顆粒對種子的擾動 行為以及種子的運動過程 因此適用于研究覆土鎮(zhèn) 壓過程 10 13 現(xiàn)有覆土鎮(zhèn)壓器主要針對大田大行株 距作物 不適用于小行株距 淺播深的三七育苗播 種 故設(shè)計一種適合三七播種的覆土鎮(zhèn)壓器是十分 必要的 本文針對密集型種溝 設(shè)計集覆土 鎮(zhèn)壓功能 為一體的覆土鎮(zhèn)壓裝置 通過田間試驗確定適宜優(yōu) 質(zhì)三七種苗培育的最佳緊實度范圍 通過動力學(xué)分 析設(shè)計覆土鎮(zhèn)壓裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù) 借助EDEM軟 件分析覆土鎮(zhèn)壓效果 以開溝深度 播種機前進速 度為試驗因素 以覆土厚度及覆土厚度一致性為試 驗指標(biāo)開展土槽試驗 驗證最優(yōu)參數(shù)組合下鎮(zhèn)壓力 大小 覆土厚度是否滿足三七育苗播種時基質(zhì)緊實 度和覆土厚度的農(nóng)藝要求 1 基質(zhì)濕度 緊實度對出苗率及種苗 品級的影響 土壤緊實度對根莖類作物有重要影響 合理的 土壤緊實脅迫可以控制主 側(cè)根的長度 直徑和生 長方向 利于優(yōu)質(zhì)三七種苗培育 14 17 播種時基質(zhì) 濕度會影響機械化作業(yè)效果進而影響出苗率 因此 本研究同時開展基質(zhì)濕度 基質(zhì)緊實度對三七種子 出苗率及三七種苗品級影響試驗 找到種苗培育的 最佳基質(zhì)濕度和緊實度范圍 為覆土鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計 提供依據(jù) 1 1 試驗設(shè)計 我們連續(xù)3年對三七育苗基地的特殊基質(zhì)育 苗期的緊實度進行了采樣統(tǒng)計 基質(zhì)緊實度范圍為 100 600 kPa 但集中度不明顯 另外 根據(jù)農(nóng)藝要 第 2 期 楊文彩 等 三七育苗播種覆土鎮(zhèn)壓裝置的研究設(shè)計與試驗 123 求 三七播種時基質(zhì)濕度一般要求在15 35 8 因此本試驗選取3個基質(zhì)濕度水平 15 25 和 35 使用土壤水分測量儀測量 并根據(jù)測量數(shù)據(jù) 用澆水壺逐步控制濕度 6個基質(zhì)緊實度水平 0 200 400 600 800 1 000 kPa 使用緊實度測量儀測 量 測量深度為10 cm 人工鎮(zhèn)壓使基質(zhì)達到所需緊 實度 共18組試驗 每組試驗土槽長度均為300 mm 為排除偶然性 另外設(shè)置2組重復(fù)試驗 4月份出 苗整齊后 用全額計數(shù)法統(tǒng)計出苗率 待年底種苗 收獲時 借助WinRHIZO根系分析儀 航信科學(xué)儀 器有限公司 測量統(tǒng)計種苗品級 試驗設(shè)備如圖1 所示 a 緊實度測量儀 a Compactness measuring instrument b 土壤水分測量儀 b Soil moisture meter c 根系分析儀 c Root analyzer 圖 1 試驗裝置 Fig 1 Test device 1 2 試驗方法 1 2 1 土壤含水率測量和控制 按圖2中所示的位 置在每個試驗基質(zhì)塊 1 44 m 3 00 m 上標(biāo)記6個 點 在以每個點為中心 半徑為0 2 m的圓內(nèi)任取 3處使用土壤水分測量儀進行濕度測量 1 2 3 4 5 6 數(shù)字表示濕度測定點 Numbers present humidity measuring points 圖 2 土壤含水率測量 Fig 2 Soil moisture content measurement 設(shè)置濕度水平為15 25 和35 用土壤水 分測量儀測量原始濕度 根據(jù)測量數(shù)據(jù) 用澆水壺 逐步控制濕度 讀數(shù)小于15 時 繼續(xù)澆水微調(diào)并 翻土混合 讀數(shù)超過15 時 混合干燥基質(zhì)后用土 壤水分測量儀測量讀數(shù) 調(diào)整到濕度為15 左右 25 35 濕度水平如上述方法進行調(diào)整 1 2 2 土壤緊實度測量和控制 按圖3中所示的 位置在每個試驗基質(zhì)塊 1 44 m 0 50 m 上標(biāo)記 3個點 在以每個點為中心 半徑為0 2 m的圓內(nèi)任 取3處使用緊實度測量儀進行緊實度測量 測量深 度為10 cm 設(shè)置緊實度水平 0 200 400 600 800 1 000 kPa 對應(yīng)每種濕度取6個基質(zhì)塊 1 44 m 0 50 m 用緊實度測量儀測量 人工鎮(zhèn)壓 測量數(shù)據(jù) 未超過200 kPa時 繼續(xù)鎮(zhèn)壓測量 調(diào)整到200 kPa 左右 測量數(shù)據(jù)超過200 kPa時 人工松土再鎮(zhèn)壓 測量逐步調(diào)整到200 kPa 土壤緊實度400 600 800 1 000 kPa均如上述方法進行調(diào)整 1 2 3 數(shù)字表示測定點 Numbers present compactness measuring points 圖 3 土壤緊實度測量 Fig 3 Soil compactness measurement 1 3 試驗結(jié)果與分析 1 3 1 種子出苗率 4月份出苗整齊時 采集出苗 階段長勢情況 并統(tǒng)計種子出苗率 局部出苗情況 如圖4所示 統(tǒng)計分析得出各濕度和緊實度下種子出苗率 均值如圖5所示 由圖5可知 所有基質(zhì)濕度下 基 質(zhì)無鎮(zhèn)壓時三七出苗率無明顯差異 緊實度高于 600 kPa時 三七出苗率均出現(xiàn)下降趨勢 在25 35 基質(zhì)濕度下 當(dāng)緊實度處于400 600 kPa時 三 七出苗率出現(xiàn)下降趨勢 在15 25 基質(zhì)濕度下 基質(zhì)緊實度處于200 400 kPa較無鎮(zhèn)壓下三七出苗 率有所提高 在35 基質(zhì)濕度下 基質(zhì)緊實度處于 200 400 kPa較無鎮(zhèn)壓下三七出苗率較穩(wěn)定 綜合 可得 在相同基質(zhì)濕度下 三七出苗率最佳基質(zhì)緊 實度范圍為200 400 kPa 124 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 第 43 卷 1 3 2 種苗品級 年底種苗收獲時 按不同組數(shù)每 小組隨機挖取30株種苗 種苗標(biāo)準(zhǔn)參考文獻 18 3種基質(zhì)濕度 6種基質(zhì)緊實度 3組對照試驗區(qū)下 共采集1 620株種苗進行分級 測量 記錄種苗質(zhì) 量 主根長度 種苗直徑 休眠芽直徑和根須數(shù) 得 到三七種苗各項統(tǒng)計指標(biāo) 如表1所示 表 1 三七種苗各項指標(biāo)統(tǒng)計 Table 1 Index statistics of Panax notoginseng seedlings 項目 Item 單株質(zhì)量 g Weight per plant 主根長 mm Taproot length 種苗直徑 mm Seedling diameter 休眠芽直徑 mm Dormant bud diameter 根須數(shù) Root number 最小值 Minimum value 0 38 12 60 4 70 2 20 2 最大值 Maximum value 2 86 72 20 14 30 10 30 20 均值 Mean value 1 27 32 38 9 07 4 49 9 81 標(biāo)準(zhǔn)差 Standard deviation 0 22 4 32 0 63 0 33 1 45 變異系數(shù) Coefficient of variation 17 13 7 7 15 單株質(zhì)量變異系數(shù)最大 以單株質(zhì)量為參考 對三七種苗各項指標(biāo)做相關(guān)性分析 得到三七種苗 主根長 種苗直徑 休眠芽直徑 根須數(shù)與單株質(zhì)量 的相關(guān)系數(shù)分別為0 69 0 47 0 86和0 76 根據(jù)ISO 20408 2017 中藥 三七種子和幼苗 國際標(biāo)準(zhǔn)三七種苗品級分級標(biāo)準(zhǔn) 19 對不同濕度 不同緊實度下的三七種苗進行分級 結(jié)果如表2所 示 由表2可知 育苗期其他條件相同 在基質(zhì)濕度 為25 緊實度為200 400 kPa時 二級種苗占比較 高 三七種苗品級較好 此時 二級種苗占27 8 三級種苗占60 5 三級以下種苗占11 7 綜合 考慮出苗率及種苗品級試驗結(jié)果 覆土鎮(zhèn)壓輥的鎮(zhèn) 壓力大小按200 400 kPa設(shè)計 進行土槽試驗時基 質(zhì)濕度控制在25 左右 0 kPa 200 kPa 400 kPa 600 kPa 800 kPa 1 000 kPa 圖 4 不同緊實度的三七種子出苗圖 Fig 4 Seed emergence diagram of Panax notoginseng under different soil compactness 0 200 400 600 800 1 000 土壤緊實度 kPa Soil compactness 0 200 400 600 800 1 000 土壤緊實度 kPa Soil compactness 0 200 400 600 800 1 000 土壤緊實度 kPa Soil compactness 種子出苗率 Seed emer gence rate a 濕度 15 Humidity 15 c 濕度 35 Humidity 35 b 濕度 25 Humidity 25 94 92 90 88 86 84 95 90 85 80 75 70 65 100 90 80 70 60 50 圖 5 不同土壤濕度和緊實度的出苗率 Fig 5 Seedling emergence rate under different soil humidity and compactness 第 2 期 楊文彩 等 三七育苗播種覆土鎮(zhèn)壓裝置的研究設(shè)計與試驗 125 2 覆土鎮(zhèn)壓裝置的設(shè)計 2 1 整體設(shè)計 覆土鎮(zhèn)壓是育苗播種的最后工序 鎮(zhèn)壓力應(yīng)能 滿足優(yōu)質(zhì)三七種苗培育的緊實度要求 三七播種 前 開溝輪開出的v型種溝如圖6所示 覆土鎮(zhèn)壓 裝置整體結(jié)構(gòu)主要由覆土鎮(zhèn)壓輥 固定支架 支撐 桿和球形鏈接等組成 覆土鎮(zhèn)壓輥與播種機鏈接處 采用開口銷鏈接以方便拆卸 結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所 示 為減少覆土鎮(zhèn)壓輥的前進阻力 保證v型溝槽 頂端基質(zhì)被鎮(zhèn)壓后地表平整 鎮(zhèn)壓輥設(shè)計成光滑型 表面 作業(yè)時 覆土鎮(zhèn)壓輪隨播種機滾動前進 在重 力和彈簧力的作用下完成覆土和鎮(zhèn)壓 2 2 覆土鎮(zhèn)壓輥寬度及直徑的確定 農(nóng)藝上三七育苗槽一般寬度為1 500 mm 考慮 中間50 mm行距和兩側(cè)25 mm安裝間隙 故覆土 鎮(zhèn)壓輥寬度設(shè)計為1 400 mm 覆土鎮(zhèn)壓輥直徑大小直接影響覆土鎮(zhèn)壓效果 及鎮(zhèn)壓輪的滑移率 鎮(zhèn)壓輥直徑太小 作業(yè)過程會 產(chǎn)生滑移 出現(xiàn)拖土壅土現(xiàn)象 20 影響覆土鎮(zhèn)壓效 果 反之 鎮(zhèn)壓輥直徑越大 可減小作業(yè)過程中的滑 移現(xiàn)象 覆土鎮(zhèn)壓效果好 但制作成本會增加 整機 穩(wěn)定性也會受限 適宜的鎮(zhèn)壓輥直徑應(yīng)結(jié)合作業(yè)過 程的受力情況進行設(shè)計 2 3 覆土鎮(zhèn)壓輥工作過程受力分析 在鎮(zhèn)壓輥配重相同的情況下 若鎮(zhèn)壓輥直徑越 大 其滾動阻力越小 滑移率和壅土阻力也會適當(dāng) 減小 21 為保證鎮(zhèn)壓輥正常轉(zhuǎn)動和不滑移 覆土鎮(zhèn) 壓輥直徑 D 應(yīng)滿足 7 D 2MrG 1 式中 為土壤與覆土鎮(zhèn)壓輥之間的摩擦系數(shù) G為 覆土鎮(zhèn)壓輥的重力及其附加載荷 N Mr為軸套中 的摩擦力矩 N m 由式 1 可知 覆土鎮(zhèn)壓輥最小直徑與軸套中 摩擦力矩 土壤對覆土鎮(zhèn)壓輥的摩擦系數(shù)和鎮(zhèn)壓力 等有關(guān) 在軸套中摩擦力矩和摩擦系數(shù)確定的情況 下 為保證覆土鎮(zhèn)壓質(zhì)量 同時控制成本 應(yīng)在農(nóng)藝 要求范圍內(nèi)提高鎮(zhèn)壓力 2 4 覆土鎮(zhèn)壓輥滾動條件 覆土鎮(zhèn)壓過程中 覆土鎮(zhèn)壓輥在垂直載荷作用 下 與基質(zhì)的接觸點 不僅有基質(zhì)對輪子的支撐反 力法向合力 FN 切向摩擦力的合力 FT 還有輪 軸中的內(nèi)摩擦力矩 Mm 基質(zhì)給部件在輪上的阻力 矩 Mk 等 受力分析如圖8所示 當(dāng)鎮(zhèn)壓輥處于平衡狀態(tài)時 根據(jù)圖8有 8 FP FPlv Glh Mm Mk 3 輪子處于既滾動又滑動狀態(tài) 有 FP Fx FPlv Glh Mm Mk 4 輪子處于純滑移狀態(tài) 有 Fx FP FPlv Glh Mm Mk 5 由于基質(zhì)的復(fù)雜特性 覆土鎮(zhèn)壓輥運動過程 中 覆土鎮(zhèn)壓輥與基質(zhì)接觸不可能完全純滾動 會 存在一定的滑移 因此 為保證純滾動 在地輪與鎮(zhèn) 壓輥間加入鏈傳動 使覆土鎮(zhèn)壓輥與地輪同步轉(zhuǎn)動 2 5 覆土鎮(zhèn)壓輥所受支撐反力 由圖8可知 G w dR cos 0 6 換算得 G b w x 0 FPdx 7 覆土鎮(zhèn)壓輥行走阻力 Fp 計算公式為 Fp kZn 8 k 0 1 0 27b 0 式中 b表示覆土鎮(zhèn)壓輥的寬度 mm n k均為基質(zhì) 參數(shù) 表示與土壤性質(zhì)相關(guān)參數(shù) 取1 08 Z為下陷量 mm 一般耕作層土壤取n 1 2 22 2 6 覆土鎮(zhèn)壓輥對地壓強計算 非剛性路面承受載荷 當(dāng)鎮(zhèn)壓輥壓入基質(zhì)的深 度不大時 則下陷量 Z 的計算可以簡化 9 為 Z 6G 5KbD12 9 接地面積 S 計算公式為 S b D2 cos 1 D 2ZD 10 因此 鎮(zhèn)壓輥對地面的壓強 P 通過下式計算 P GS 11 覆土鎮(zhèn)壓輥直徑按照播種深度的緊實度進行設(shè) 計 根據(jù)文獻 23 介紹的土層剖面法 結(jié)合三七育苗 的最佳鎮(zhèn)壓力范圍 可得基質(zhì)深度為10 mm處的鎮(zhèn) 壓力為20 30 kPa 故設(shè)計鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓力為30 kPa 根據(jù)播深為10 mm的農(nóng)藝要求 3 取下陷量為10 mm 得出覆土鎮(zhèn)壓輥載荷為1 560 N 接地面積為0 052 m2 直徑為150 mm 2 7 壓力彈簧選型 基質(zhì)本身存在密度不均勻的現(xiàn)象 15 基質(zhì)緊實 度因此有差異 開溝器開出的溝壟可能高低不平 使得覆土厚度不均勻 故需壓力彈簧來補償鎮(zhèn)壓力 及覆土高度 根據(jù)育苗槽的尺寸特性 三七育苗槽 槽內(nèi)基質(zhì)表面距離槽肩約70 130 mm 結(jié)合農(nóng)藝要 求和三七精密播種機整體結(jié)構(gòu) 覆土鎮(zhèn)壓輥整體連 接結(jié)構(gòu)如圖9所示 A B F Fk l1 FN L Ff FN為地面對覆土鎮(zhèn)壓輪作用力 L為桿AB的長度 l1為壓力彈簧接 觸點距A點的距離 為桿AB與水平面之間的夾角 F 為牽引力 Fk為 彈簧壓縮力 Ff為地面與覆土鎮(zhèn)壓輥之間的摩擦力 FN Force acting on the ground surface of the soil covering and pressing wheel L Length of rod AB l1 is the distance between the contact point of pressure spring and point A Angle between the rod AB and the horizontal plane F Fraction force Fk Spring compression force Ff Friction force between the ground and the soil covering and pressing roller 圖 9 覆土鎮(zhèn)壓輥連接機構(gòu)受力分析 Fig 9 Force analysis of the connecting mechanism of soil covering and pressing roller 在正常工作條件下 地面對覆土鎮(zhèn)壓輪的作用 力和彈簧的壓力共同作用在中間連桿上 在左端 鉸鏈處形成平衡杠桿 根據(jù)杠桿平衡原理 24 可得 8 Fkl1cos FNLcos FfLsin Fk K l Ff FN 12 第 2 期 楊文彩 等 三七育苗播種覆土鎮(zhèn)壓裝置的研究設(shè)計與試驗 127 式中 L為桿AB的長度 mm l1為壓力彈簧接觸點 距A點的距離 mm 為桿AB與水平面之間的夾 角 K表示彈簧剛度系數(shù) N mm l表示彈簧壓 縮量 mm 表示地面與覆土鎮(zhèn)壓輥之間的摩擦系 數(shù) 基質(zhì)摩擦系數(shù)取0 207 25 由式 12 可得 FN k l1 l cos L cos sin 13 當(dāng)下陷量為10 mm時 彈簧處于自然狀態(tài) 對 鎮(zhèn)壓輥無作用 此時 1 14 82 如圖10a所示 F 1cos 1 FN1 G1 Ff1 F1sin 1 14 當(dāng)下陷量低于10 mm時 彈簧處于壓縮狀態(tài) 此 時下陷量Z按最低值5 mm計算 此時 2 18 48 如 圖10b所示 F 2cos 2 FN2 Fk2 G2 Fk2L2sin 2 FN2 F2cos 2 G2 L2sin 2 15 根據(jù)機架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 l1 142 mm L 235 mm 鎮(zhèn)壓輥剛好接觸基質(zhì)時 68 根據(jù)式 12 13 得 出Fk 2 108 8 N 前期試驗研究發(fā)現(xiàn) 播前土壤緊 實度不足易導(dǎo)致開溝時土壤回落量大 并根據(jù)農(nóng)藝 要求 8 26 開溝輪開溝深度為15 30 mm 按最大的 剛度來計算 K Fk L 140 5 N mm 16 彈簧的選擇應(yīng)使彈簧剛度大于理論剛度以保證 彈簧的安全性 根據(jù)彈簧剛度 彈簧最低可伸長量 彈簧最低可承受載荷 查詢相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn) 27 選 5 25 50 GB T2089號的壓縮彈簧 A B F1 1 Fk1 FN1 G1 L1 Ff1 A B F2 2 Fk2 FN2 G2 L2 Ff2 a 10 mm b 10 mm FN1和FN2為地面對覆土鎮(zhèn)壓輪作用力 L1和L2為桿AB的長度 1和 2為桿AB與垂直平面之間的夾角 F1和F2為牽引力 Fk1和Fk2為彈簧壓 縮力 Ff1和Ff2為地面與覆土鎮(zhèn)壓輥之間的摩擦力 FN1 FN2 Force acting on the ground surface of soil covering and pressing roller L1 L2 Length of rod AB 1 2 Angle between the rod AB and the vertical plane F1 F2 Traction force Fk1 Fk2 Spring compression force Ff1 Ff2 Friction force between the ground and the soil covering and pressing roller 圖 10 不同下陷量的覆土鎮(zhèn)壓輥彈簧平衡受力圖 Fig 10 Spring balance force diagram of soil covering and pressing rollers with different sinkage 3 覆土鎮(zhèn)壓過程仿真分析 因三七育苗播種為小行株距 淺播深 針對其 所設(shè)計的覆土鎮(zhèn)壓輥 作業(yè)時產(chǎn)生的微量土壤擾動 是否會使已經(jīng)播種合格的種子發(fā)生較大位置偏移 量尚不可知 因此 在制作實物前先進行仿真分析 采用離散元法 借助EDEM軟件 對覆土鎮(zhèn)壓過程 中的覆土厚度 粒距偏移量及行距偏移量進行仿真 3 1 EDEM仿真模型建立 用SolidWorks軟件對覆土鎮(zhèn)壓輥進行實體建 模 如圖11所示 用EDEM軟件建立虛擬土槽 前期研究發(fā)現(xiàn) 最終播種深度受開溝過程土壤回落 和覆土鎮(zhèn)壓過程土壤擾動的影響 在播種機前進速 度為0 1 m s 開溝深度為20 mm時效果較好 8 但 后續(xù)生產(chǎn)實踐中 農(nóng)藝期望將播種機前進速度提高 至0 16 m s 進一步提高播種效率 而速度提高后開 溝時會造成土壤回落量增大 因此 綜合考慮土壤 基質(zhì)類型 基質(zhì)濕度和開溝后的土壤回落情況 仿 真試驗時將開溝深度設(shè)定為25 mm 因單行無法表 示雙行的受力擠壓情況 故基質(zhì)土槽設(shè)置2行 單 行測算2顆種子位移即可 但考慮第1顆種子偏差 很大 且排除偶然性 增加前后2顆種子的測算量 故單行設(shè)置4顆種子 共8顆種子 編號為A B C D E F G H 如圖12所示 為簡化模型 基質(zhì) 采用1 mm顆粒 種子采用5 75 mm顆粒 28 參照文 獻 29 選取仿真參數(shù) 土壤JKR表面能12 73 J m2 土壤 土壤恢復(fù)系數(shù)和靜摩擦因數(shù)分別為0 55和 0 84 土壤泊松比0 38 土壤 土壤滾動摩擦因數(shù)為 圖 11 覆土鎮(zhèn)壓輥模型 Fig 11 Model of the soil covering and pressing roller 128 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 第 43 卷 0 10 土壤 鎮(zhèn)壓輪恢復(fù)系數(shù) 靜摩擦因數(shù)和滾動摩 擦因數(shù)分別為0 30 0 60 和0 10 G E C A H F D B A H為種子編號 A H are seed numbers 圖 12 基質(zhì)模型 Fig 12 Matrix model 3 2 仿真結(jié)果 為模擬播種機實際運動作業(yè)狀態(tài) 設(shè)定覆土鎮(zhèn) 壓輥前進速度為0 16 m s 轉(zhuǎn)速0 3 r s 下陷量10 mm 并設(shè)置覆土鎮(zhèn)壓輥在基質(zhì)土槽一側(cè)進行作業(yè) 仿真 過程如圖13所示 當(dāng)播種速度為0 16 m s 開溝深 度為25 mm 鎮(zhèn)壓力為300 kPa時 仿真結(jié)果顯示 覆 土鎮(zhèn)壓輥穩(wěn)定作業(yè)后 覆土厚度為9 77 11 40 mm 如圖14所示 粒距偏移量為0 07 6 23 mm 如圖15a 所示 行距偏移量為0 03 1 43 mm 如圖15b 所示 仿真結(jié)果顯示 覆土厚度符合農(nóng)藝要求 種子 的行距偏移量 粒距偏移量均非常小 可以制作鎮(zhèn) 壓輥實物開展試驗 4 覆土鎮(zhèn)壓性能試驗 依據(jù)仿真結(jié)果 試制覆土鎮(zhèn)壓裝置 開展試驗 驗證所設(shè)計覆土鎮(zhèn)壓輥的可行性 4 1 試驗條件 試驗在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)搭建的土槽進行 土槽長 12 000 mm 寬1 500 mm 土層深度300 350 mm 基 質(zhì)濕度在20 30 土槽試驗如圖16所示 試驗用 a b 圖 13 覆土鎮(zhèn)壓過程土壤運動模型 Fig 13 Model of soil movement during the soil covering and compacting process 11 5 11 0 10 5 10 0 9 5 9 0 8 5 A B C D E F G H 種子編號 Seed number 覆土厚度 mm Overburden thickness 圖 14 仿真后種子處覆土厚度 Fig 14 Thickness of soil covering at seed after simulation 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 粒矩偏移量 mm Grain distance of fset 行矩偏移量 mm Line spacing of fset t s 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 t s A C B D E F G H A C B D E F G H 1 6 1 4 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 a b A H為種子編號 A H are seed numbers 圖 15 粒距偏移圖 Fig 15 Migration map of grain distance and line spacing b 試驗過程 b Test process a 土槽 a Soil trough 圖 16 土槽試驗 Fig 16 Soil trough test 第 2 期 楊文彩 等 三七育苗播種覆土鎮(zhèn)壓裝置的研究設(shè)計與試驗 129 的主要儀器設(shè)備有2QB 28型三七精密播種機 濕 度測量儀 DHKJ土壤緊實度儀 德卡精密量儀有限 公司 鋼直尺 精度0 1 mm 卷尺 計算器等 4 2 試驗設(shè)計及結(jié)果分析 以開溝深度 A 和播種機前進速度 B 為試驗 因素 以覆土厚度及覆土厚度一致性為試驗指標(biāo) 開展兩因素三水平正交組合試驗 覆土厚度按照 NYT 503 2015單粒 精密 播種機作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 30 規(guī)定的方法進行測量 因素水平表如表3所示 每 組試驗重復(fù)3次 表 3 試驗因素水平編碼表 Table 3 Table of test factors and levels 水平 Level 開溝深度 mm Trenching depth A 播種機前進速度 m s 1 Planter forward speed B 1 20 0 12 0 25 0 16 1 30 0 22 對試驗數(shù)據(jù)進行測量統(tǒng)計 結(jié)果如表4所示 表 4 試驗結(jié)果表 Table 4 Table of test results 試驗號 Test number A B 覆土厚度 mm Soil covering thickness Y1 覆土厚度一致性 Consistency of soil covering thickness Y2 1 1 1 10 78 48 2 1 1 11 79 56 3 1 1 12 80 62 4 1 1 13 83 75 5 1 0 11 79 08 6 1 0 13 82 71 7 0 1 10 82 99 8 0 1 12 84 31 9 0 0 11 85 15 以覆土厚度 Y1 及覆土厚度一致性 Y2 為分 析指標(biāo) 對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析 得到方差分析 結(jié)果 見表5和表6 覆土厚度方差分析結(jié)果如表5所示 覆土厚度 的回歸模型達到顯著水平 P 0 05 說明該回歸模 型與自變量具有顯著的函數(shù)關(guān)系 在覆土厚度回歸 方程中 A對覆土厚度影響極顯著 P 0 01 B對覆 土厚度影響顯著 P 0 05 其他因素影響不顯著 通過F檢驗 得出影響覆土厚度的主次順序為開溝 深度 播種機前進速度 與顯著性檢驗結(jié)果相吻合 將表5中不顯著因素剔除后 得到試驗因素與 試驗指標(biāo)的回歸方程 Y1 16 962 96 1 133 33A 0 962 96B 17 結(jié)果覆土厚度一致性方差分析結(jié)果如表6所 示 覆土厚度一致性的回歸模型達到極顯著水平 P 0 01 說明該回歸模型與自變量具有顯著的函數(shù)關(guān) 系 在覆土厚度一致性回歸方程中 A和A2對覆土 厚度一致性影響極顯著 P 0 01 B對覆土厚度一致 性影響顯著 P 0 05 其他因素影響不顯著 通過 F檢驗 得出影響覆土厚度一致性的主次順序為開 溝深度 播種機前進速度 與顯著性檢驗結(jié)果相吻合 表 6 覆土厚度一致性的方差分析 Table 6 Variance analysis of consistency of soil covering thickness 方差來源 Source 平