播种机开沟器参数优化分析

李晓娜

（山东华宇工学院，山东德州 253000）

0 引言

在农业生产过程中，播种机开沟器的性能直接决定种子上方的覆土厚度和种子穴间距离，进而影响到种子发芽率和后期生产管理，对最终产量有实质性影响。相对国外相关技术发展，我国主流水平的开沟器在速度、开沟阻力、沟深控制和沟底处理方面，都有较为明显的差距。在整体性能不足情形下，播种机开沟器作业速度受到较为明显的限制，加强这方面的参数优化研究，对于播种机发展具有重要促进作用。

1 播种机开沟器的作业特点与性能分析

在我国目前农业生产体系中，播种机开沟器有多种类型，包括滑推式、滑刀式、圆盘式、宽幅易铲式、锄铲式、芯铧式和鸭嘴式等，这些开沟器类型在性能上存在较为明显的差异，应用范围和推广程度也有所不同。以滑推式和滑刀式开沟器为例，保墒性能较好，种床结构优化，但是容易将土壤压实，对种子发芽造成影响。圆盘式开沟器又分为单双两种，前者不利于保墒、播深容易出现不一致，后者则在入土性能上有所不足[1]。近些年新研制并得以广泛应用的鸭嘴式开沟器，在入土能力方面具有较为明显优势，开沟阻力较小，通过参数优化，能够达到较高的应用价值。

2 开沟器结构参数优化设计

2.1 铲体结构参数的优化试验

鸭嘴式开沟器参数优化目的是为了更好地降低开沟器工作阻力，提升作业性能。基于动态阻力模型分析，开沟器在工作中主要受到入土角、入土隙角、铲体宽度和铲体长度等因素影响，因此优化试验的设计，是在土壤参数、作业深度和作业速度确定的情形下，对这些参数进行仿真试验，为结构参数优化提供参考。第一步是进行单因素仿真试验，在作业速度较低的情形下，以工作阻力变动为指标，分析开沟器铲体宽度、入土角和入土隙角范围。试验过程是先保持其他参数一致，对某一项参数变动进行分析，找出参数变化与性能变化之间的对应规律[2]。

经试验分析，在入土角不断增加时，开沟阻力呈现先减小又逐步增加的变动模式，因此将入土角控制在30°～50°为宜。在入土隙角不断增加的情形下，工作阻力会逐步下降后开始上升，将入土隙角控制在3°～9°较为合适。在铲体宽度不断增加的情形下，工作阻力在整体上会呈现不断上升的趋势，但是在不同增加幅度情形下，阻力增长会有平缓程度不同。在同时考虑铲柄导种性能作用下，将铲体宽度控制在20～30 mm 为宜。在铲体长度逐渐减小的情形下，工作阻力会随之逐渐减小，然后转变为逐步增加的情形，根据试验情况将铲体长度控制在135～165 mm 较为合适。根据单项因素分析结果，对相关数据变化趋势进行分析，鸭嘴式开沟器铲体结构参数优化范围为：入土角30°～50°，入土隙角3°～9°，铲体宽度20～30 mm，铲体长度135～165 mm。

在确定这些参数信息后，还需要采用二次回归正交旋转组合试验的方式对选择结果进行验证。根据构建模型中不同因素对试验指标的影响分析，铲体宽度对开沟器参数优化结果的影响最为明显，入土隙角的影响最小。通过结构参数整体优化，考虑设备生产及多方面使用环境要求，鸭嘴式开沟器铲体结构参数优化设计为：入土角43°，入土隙角6°，铲体宽度21 mm，铲体长度145 mm。

2.2 开沟器铲柄的参数选择

开沟器铲柄参数设计是基于对设备对应的作物播种要求，合理设计种管和铲柄的壁厚。以应用于玉米播种的播种机为例，种子在种管内的下落状态具有明显的随机性，必须要更加合理地设计种管形状和尺寸，以更好地提升开沟器的导种性能。同时，开沟器铲柄在播种作业过程中，应当满足前进方向上的弯曲强度要求，其具体参数主要是受到铲柄壁厚的影响。根据上述参数优化要求，在铲体宽度确定的情形下，以45#矩形钢管为材料，壁厚应当控制在3 mm 以上，可满足开沟器在作业过程中的弯曲强度要求[3]。

2.3 开沟器结构参数的确定

根据开沟器铲体和铲柄参数的具体选择，对整体结构参数进行优化：将铲柄规格设计为20 mm×50 mm 和25 mm×50 mm两种，在铲柄内部截面宽度大于14 mm 情形下，能够得到整体结构的最优参数。

3 验证试验

3.1 场地准备

为更好地控制试验环境参数，平台设计为室内智能型模式，主要结构包括土槽、轨道、牵引部分、电控系统、传感设备及数据传输部分。牵引部分能够根据试验要求完成不同速度的动态模拟，开沟器的布置方式为三点悬挂，作业模式分为手动控制和自动控制两种，通过传感器收集数据并完成分析、生成数据报表，为试验分析奠定准确基础。

3.2 试验制备

试验制备包括3 个基本方面：①开沟器挂接架，其作用是为了连接试验台车和连接架；②对作业深度进行标定，在每次试验流程开始前，通过不同开沟深度的标定，能够更加细化地分析播种效果；③完成土壤含水率和紧实度的测量，只有在完成多次测量，确保含水量和紧实度都保持一致的状态下，才能够开始后续土槽试验[4]。

3.3 试验方案

试验方案内容：①加工开沟器实体，由于开沟器呈不规则形状，在焊接时会出现凸棱现象，增加开沟工作阻力，为减少由此带来的影响，可以适当增加铲体宽度，对比不同加工方案，以达到更好的试验效果；②土槽的试验预处理，在复杂的试验条件下，要确保试验流程稳定进行，需要在正式试验前利用不同数量开沟器进行预试验，初步对相同作业条件下开沟器工作阻力进行分析。分析发现，不同的悬挂方式会造成开沟器工作阻力的变化，尤其是单体悬挂方式的波动更为明显。为更好地提升试验效果，同时选择3 个开沟器进行试验。

3.4 试验结果分析

试验结果分析采用有限元分析法进行，验证结构参数优化的可行性。试验指标设定为作业深度5 cm、作业速度7 km/h，对开沟器优化后的作业效果和实际作业效果进行对比分析，分析内容包括土壤扰动特征的比较和工作阻力测试结果比较两个方面。根据对比结果显示，有限元分析模拟结果能够较为准确地反应土壤扰动的特征，但是由于开沟器在实际运行中工作阻力受到多种因素影响，使得有限元模拟结果对比存在一定误差，但是误差结果在允许范围内。

4 开沟器作业性能分析

4.1 开沟器减阻性能分析

开沟器减阻性能分析主要考虑在不同作业速度和不同作业深度两种情况，以此能够更加准确地分析实际性能。对不同作业速度的分析，需将作业深度控制在5 cm，速度分别设定为6 km/h、7 km/h、8 km/h。以开沟试验结果为分析依据，在玉米播种机开沟器设计方案中，将铲体宽度设定在23 mm 时，减阻效果能够达到最优化状态，降阻率能够降低20%左右。将作业速度控制在7 km/h，将作业深度设置为3 cm、4 cm 和5 cm 三种状态，再次重复实验过程。经数据分析结果显示，在不同作业深度下铲体宽度设定在21 mm 时，减阻效果最佳，23 mm 次之。在具体设定时，需要考虑其他方面因素进行设计。

4.2 土壤扰动情况分析

土壤扰动情况分析同样包括不同作业速度和不同作业深度两种情况分析，分析内容主要是将开沟器作用情况进行简化，测算侧方抛土距离。对不同作业速度进行分析，将作业深度设置为5 cm，作业速度分别为6 km/h、7 km/h 和8 km/h 三种条件，通过试验可以发现，相同参数的开沟器，在作业速度增加的情形下，抛土距离会产生明显的增加。对不同作业深度的分析，则是将作业速度设定为7 km/h，作业深度分别设置为3 cm、4 cm和5 cm 三种条件，通过分析发现，相同参数的开沟器在作业深度增加的情形下，侧方抛土距离增加幅度逐渐降低[5]。

4.3 开沟深度稳定性分析

开沟深度稳定性对作物的生长发育具有最终影响，选择不同作业速度和作业深度的参数，对深度稳定性进行分析，经过优化后开沟器铲体宽度降低的情形下，稳定性得以较好的提升，但是稳定性会随作业速度和深度的增加而降低，尤其是在作业速度增加情形下，影响更为明显。

4.4 播种性能分析

播种性能主要是对播深一致性和株距均匀性进行对比，在作业速度增加的情形下，播种深度会有明显的波动，株距均匀性也会降低，对播种效果造成影响。因此在进行播种作业速度提升时，应当同步提升排种器的转速，确保播种效果达到设计要求。

5 结束语

鸭嘴式开沟器在播种作业中，具有良好的应用效果，但是在实际应用中，由于相关方面的设计优化不足，使得其整体效果还无法充分显现出来，因此对相关研究单位而言，应当通过对不同参数的优化，利用有限元分析验证和试验方式对优化效果进行分析，从而达到更好的处理效果。在目前试验设计中，参数设计精细化水平还有所不足，室内试验环境相对单一，还需要在完成试验内容后，针对性地开展田间试验，对作业质量深入分析，确保设备优化达到更高水平。