0.   引　言

油菜是中国重要的油料作物 ^[1-2]，因其抗逆性强、适应范围广的特点而成为了长江中下游流域冬季种植一种优势作物。近年来开发利用冬闲田种植油菜的扶持力度日益加大 ^[3]，2016年至2022年全国油菜播种面积由662.3万hm²逐年增加至725.3万hm² ^[4]。由于长江中下游流域冬油菜种植区常采用稻油轮作模式，生产中常发生因上茬水稻跨区域收割较晚造成油菜播种晚，导致油菜出苗少，长势弱的问题 ^[5]，同时冬闲田油菜扩种的背景加剧了这一问题，因此提升油菜直播机作业速度对油菜生产具有重要的现实意义。

近年来，全球气候变暖与局部地区降雨时空分布不均匀加剧导致冬油菜种植区在油菜适播期、苗期易发生持续干旱或降雨等极端恶劣气候 ^[6]。由于油菜播种深度较浅（0～20 mm），根系忌水 ^[7]，在生长初期若持续降雨，常会发生渍害导致减产；若气候持续干旱，导致种子萌发缺乏水分而无法出苗。为此，相关学者提出了一种油菜微垄种床种植农艺方案 ^[8-9]，即构建垄高为75～150 mm，垄距为300～350 mm的微垄种床，同步开设深度为180 mm，宽度为250 mm的畦沟，形成一种畦沟比垄沟深的布局，便于排水防涝。将油菜种子播种至微垄垄顶和垄沟的播种带内，有效利用立体化种植增加了光能截获量，同时播种行距为150～175 mm，满足油菜合理密植的种植要求，若发生持续干旱，由于垄沟的保墒能力强，可保证垄沟种子萌发；若发生持续降雨，垄沟排涝，垄顶种子萌发，以提高极端条件下油菜出苗、成苗率，实现旱涝保收，稳产增产。相关的研究表明，起垄作业还可以改善土壤微环境，调节根系激素水平，促进地上部分及地下根系发育，提高作物产量 ^[10-11]。目前湖北地区的油菜微垄种植相比平作种植，在出苗、成苗率和产量上均有显著提升，已在一定范围内得到推广应用，但生产中微垄种床构建仍以人工作业为主，劳动强度大且效率低。国内相关专家学者围绕微垄种床构建的农机具开展了研究，李蒙良等 ^{[9, 12]}设计了一种旋切式微垄种床制备装置，通过与油菜直播机联合作业形成与机具前进方向垂直的微垄种床，戴飞等 ^[13]通过先旋耕再主动滚压的方式完成垄向与机具前进方向相同的微垄种床构建。由于目前相关研究均搭配旋耕装置，适用于4～6 km/h的常规速度作业，在高速（≥10 km/h）作业时旋耕装置切土节距过大，机具功耗增大且种床质量下降，同时采用旋耕装置只能对0～90 mm的耕层进行作业，长期作业导致犁底层变浅。综上所述，微垄种植模式可保证油菜旱涝保收，稳产增产，但人工作业劳动强度大，相关配套农机具作业效率有待提高成为制约微垄种植模式进一步推广的重要因素，因此开展可实现高速高质播种作业的油菜微垄播种装备具有重要意义。

为此，本文对油菜高速带状微垄联合直播机关键部件浅耕犁进行动力学分析得出相关结构参数，并对浅耕犁开展EDEM仿真分析和田间试验，以期提高整机在高速作业时的通过性能和微垄种床的稳定性，并为油菜高速微垄直播装备研究提供参考。

1.   整机结构及工作过程

1.1   整机结构

油菜高速带状微垄联合直播机主要由浅耕犁组、开畦沟犁、笼式碎土辊、挤压整形板、四杆调节机构、排肥装置、排种装置等组成，结构如图1a所示。浅耕犁组可按照翻土方向分为左翻浅耕犁、右翻浅耕犁和中间分土犁，分两排安装于机具前方，如图1b所示；开畦沟犁对称布置于直播机两侧；笼式碎土辊和挤压整形板通过四杆调节机构固定于机架上，其中船型开沟器安装于挤压整形板尾部的顶端和底部。该机主要参数如表1所示。

图  1  油菜高速带状微垄联合直播机结构示意图

1. 开畦沟犁 2. 浅耕犁组 3. 笼式碎土辊 4. 挤压整形板 5. 四杆调节机构 6. 排肥装置 7. 排种装置 8. 种箱 9. 肥箱 10. 右翻浅耕犁 11. 中间分土犁 12. 左翻浅耕犁

Figure  1.  Schematic diagram of the high-speed strip micro-ridge combined direct seeding machine for rapeseed

1. Ditching plow 2. Shallow plow group 3. Cage type soil crushing roller 4. Extruded shaping plates 5. Four-bar adjusting mechanism 6. Fertilizer discharge device 7. Rape seed metering device 8. Rape seed box 9. Fertilizer box 10. Right-turn shallow plow 11.Central soil-dividing plow 12. Left-turn shallow plow

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1.2   工作过程

油菜高速带状微垄联合直播机由拖拉机提供动力，采用被动作业的方式，先由浅耕犁组中各浅耕犁在高速作业状态下对土壤进行定向抛送，初步形成垄沟和垄体，排肥装置同步将肥料均布排至地表；笼式碎土辊对翻耕后未破碎的大土块进行挤压破碎，并进一步实现肥料的混合；挤压整形板通过刮压作用对初步垄体进行整形，同时安装于挤压整形板尾部顶端和底部的船型开沟器开出20 mm深的种沟；油菜种子经排种装置同步播至种沟内，在土壤自身回流作用下实现种子覆土，最终完成油菜垄沟和垄顶播种作业，机具作业流程油菜高速带状微垄联合直播机由拖拉机提供动力，采用被动作业的方式，工艺流程主要为：①浅耕犁组高速定向抛土，初步形成垄沟和垄体；②开畦沟犁开出两侧畦沟；③排肥装置同步施肥至地表；④笼式碎土辊对未破碎土块进行挤压破碎并混合肥料；⑤挤压整形板对初步形成的垄体进行整形；⑥安装于挤压整形板尾部顶端和底部的船型开沟器开出20 mm深的种沟，油菜种子经排种装置播种至种沟内，在土壤自身回流作用下实现种子覆土，最终完成油菜垄沟和垄顶播种作业。其中浅耕犁可实现土壤定向抛送，是油菜高速带状微垄联合直播机的关键部件。

表  1  机具主要技术参数

Table  1.  Main technical parameters of the machine

参数 Parameter	数值 Values
整机尺寸（长×宽×高） Machine dimensions(length×width×height)/ (mm×mm×mm)	1500×2100×1400
作业速度 Working speed/(km·h−1)	8～12
配套动力 Matched power/kW	≥70
垄宽 Ridge width/mm	300～350
垄高 Ridge height/mm	100～150
耕深 Tillage depth/mm	110～130

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2.   浅耕犁结构设计及分析

浅耕犁组由多个不同翻土方向的犁体组成，作业时土壤在犁体的配合下沿着箭头方向进行定向抛送初步形成5个微垄，如图2a所示。浅耕犁主要由犁铧、犁体曲面、翼铲和犁柱组成，结构如图2b所示，其作业的关键在于高速作业时犁体可迅速抬升土垡至一定高度并具备较大的初速度，然后在犁体曲面作用下实现土垡运动方向偏转，最后土垡在离开犁体曲面后做斜抛运动以实现定向抛土，翼铲对未翻耕区域进行土壤扰动以实现疏松的作业效果，如图2c所示。由于浅耕犁设计方法相同，仅是翻土方向不同，因此选择左翻浅耕犁开展结构设计并进行动力学分析。

图  2  浅耕犁结构及作业示意图

1.犁铧 2.翼铲 3.犁体曲面 4.犁柱

Figure  2.  Diagram of shallow plow structure and operation

1. Plowshare 2.Wing shovel 3.Plow body surface 4.Plow post

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2.1   犁铧设计与参数分析

犁铧结构参数对牵引阻力及土垡抬升有较大影响 ^[14]。为提高犁铧在高速作业下的入土性能，同时减小工作阻力，设计铧尖与土壤及根系接触为滑切接触形式 ^[15]。犁铧结构示意图如图3所示。

图  3  犁铧结构示意图及铧尖受力分析

注：R为圆弧段半径，mm；θ为入土角，mm；h₂为犁铧高度，mm；L₁为犁铧宽度，mm；δ为铧刃角，（°）；F_t为土壤推力，N； F_f为土粒与铧尖摩擦力，N；AB段为平面段；BC段为圆弧曲面段。

Figure  3.  Schematic diagram of plowshare structure and force analysis of the plowshare tip

Note: R is the radius of the arc segment, mm; θ is the soil penetration angle, mm; h₂ is the height of the plowshare, mm; L₁ is the plowshare width, mm; δ is the plowshare blade angle, (°); F_t is the soil thrust, N; F_f is the friction between soil particles and the plowshare tip, N; Segment AB is the planar segment; segment BC is the arc-curved surface segment.

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为满足铧尖与土壤及根系接触形式为滑切，由图3b中铧尖受力分析可得，产生滑切的条件为

其中${F}_{f}={F}_{t}\text{sin}\frac{\delta }{2}\mathrm{tan}\sigma $

式中σ为土壤与铧尖摩擦角， (°)，由式（1）可得

σ一般为15°～38° ^[15-16]，选取σ=30°，故δ=120°。

入土角θ对浅耕犁的入土性能和前进阻力影响较大，为减小入土阻力，一般选取25°～35° ^[17]，综合考虑浅耕犁结构尺寸，设计入土角θ=30°。

土垡被抛送至一侧完成侧向迁移的关键在于土垡能在犁铧作用下抬升至地表以上高度，即犁铧高度h₂大于耕作深度，为确定犁铧高度h₂，对垄形进行分析。根据微垄种植农艺要求，微垄垄形为拱形，设计微垄断面形状为直线-抛物线-直线形，如图4所示。

图  4  微垄断面示意图

注：V₁为垄体下部分体积，mm³；V₂为垄体上部分体积，mm³；h为耕作深度，mm；H₂为墒面高度（距离垄底2/3垄高），mm；H₁为垄高，mm；a为墒面宽度，mm；b为垄宽，mm。

Figure  4.  Schematic diagram of the cross section of micro-ridge

Note: V₁ is the volume of the lower part of the ridge, mm³; V₂ is the volume of the upper part of the ridge, mm³; h is the tillage depth, mm; H₂ is the height of the soil moisture surface (2/3 of the ridge height from the ridge bottom), mm; H₁ is the ridge height, mm; a is the width of the soil moisture surface, mm; b is the ridge width, mm.

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作业后单位长度的垄体体积分为上部抛物线部分和下部梯形部分，由于机具作业后微垄个数为5个，因此起垄前后需满足以下关系：

式中V为单位长度下单个垄体体积，mm³；V’为作业前单位长度对应工作区域的土壤体积，mm³；c为机具作业幅宽，mm；λ为土壤膨松系数，取1.0～1.8 ^[18-19]。由式（3）可得

根据微垄垄形H₁=150 mm，H₂=100 mm，a=170 mm，b=350 mm等相关参数要求 ^[9]，结合式（4）可得h=95 mm。由于浅耕犁初步实现土壤抛送运移，后期还需挤压整形板进行挤压成形，因此设计犁铧高度大于耕作深度，选取h₂=120 mm。

浅耕犁作业时假定在土垡抬升及后续抛送阶段具有连续性，由稳定翻土抛送的条件L₁/h＞1.27 ^[20]，可得犁铧宽度L₁=120 mm。

2.2   犁体曲面设计及影响参数分析

犁体曲面会对土垡进一步破碎、翻转及抛掷，其曲面结构参数对于土垡破碎效果、翻转过程及抛掷距离有较大影响。

螺旋桨高速转动时，曲面可在流体中产生不同升力的特性在航空、船舶等领域应用较多 ^[21]。为满足浅耕犁的高速作业性能，参照螺旋桨设计方法，以犁体破碎、翻转及抛掷土垡的工艺流程，设计犁体曲面为变螺距扭曲螺旋面，如图5a所示。其中犁体曲面为螺距面上截取的一个区域，C’D为螺旋面的母线，犁体曲面以母线C’D为分界线划分为I和II两个区域，土垡在上升过程中经由I区域发生破碎并偏转至抛送方向，经由II区域发生土垡的翻转和抛掷。由于螺距越大，曲面扭曲程度越大，当I区域和II区域螺距均较大时，土垡过早抛掷，使得土垡侧向抛送距离不够，造成土垡堆积于沟边位置造成回流；当两区域螺距均较小时，土垡上升高度过大，且土垡侧向抛送距离过大，不满足定向抛土要求，因此设计I区域为小螺距，II区域为大螺距，土垡在I区域上升一定高度并完成转向后转移至II区域实现快速抛送过程。

图  5  导曲线形状与参数

注：L为犁体开度，mm；H为犁体高度，mm；o’为圆弧段圆心；R为圆弧段半径，mm；ϕ为抛物线段起始点切线与水平线夹角，(º)；x₁为圆弧段起始点横坐标，mm；h₁为圆弧段起始点纵坐标，mm；x₂为抛物线段起始点横坐标，mm；h₂为抛物线段起始点纵坐标，mm；x₃为抛物线段末端点横坐标，mm；h₃为抛物线段末端点纵坐标，mm。

Figure  5.  Guiding curve shape and parameters

Note: L is the shallow plow opening, mm; H is the shallow plow height, mm; o’ is the center of the arc segment; R is the radius of the arc segment, mm; ϕ is the angle between the tangent at the starting point of the parabola segment and the horizontal line, (º); x₁ is the coordinate of the starting point of the arc segment, mm; h₁ is the coordinate of the starting point of the arc segment, mm; x₂ is the coordinate of the starting point of the parabolic segment, mm; h₂ is the coordinate of the starting point of the parabolic segment, mm; x₃ is the coordinate of the end point of the parabolic segment, mm; h₃ is the coordinate of the end point of the parabolic segment, mm.

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犁体中间面部分由犁铧和犁体曲面母线C’D投影形成一条曲线ACD为导曲线，如图5a所示。为减少犁体磨损，满足土垡先抬后抛的作业方式，设计导曲线平滑过渡。由2.1节可知，犁铧部分由平面和圆弧曲面组成，设计投影曲线CD为抛物线，故螺旋面母线C’D也为抛物线。导曲线第1段AB为直线，对应犁铧的直面部分；第2段BC为圆弧，对应犁铧的曲面部分；第3段CD为抛物线，代表犁体曲面的导曲线。各段端点为A（0,0）、B（x₁,h₁）、C（x₂,h₂）、D(x₃,h₃)，为了使导曲线各段之间平滑过渡，保持在B、C过渡点的斜率一致。

建立导曲线数学模型为

式中k、d、e、f、g为常数。

由导曲线各段平滑过渡，在B、C点斜率一致可得：

由式（5）、（6）及图中几何关系可知圆弧段半径R、导曲线各点坐标对犁体的开度L、高度H有较大影响，对土垡抬升等运动影响较大，故开展土垡运动学分析以确定各参数。

2.3   土垡定向抛送运动学分析

浅耕犁定向抛送土壤对起垄作业起关键作用。土垡的运动主要分两个阶段，第1阶段为土垡在犁体的I区域沿犁面快速上升破碎并发生偏转和侧移，运动至II区域，第2阶段为土垡在II区域犁面作用下发生翻转并以一定的速度抛出，如图6所示。为明析高速作业时土垡运动过程，确定土垡抛送位置，对其进行分析。

图  6  土垡运动过程示意图

注：v₀为初始状态土垡相对犁的运动速度，m·s⁻¹；v₁为土垡沿犁体曲面抛出速度，m·s⁻¹；γ为土垡抛出点犁体曲面螺距角，(º)；x₄为土垡沿速度方向的位移，m；x₅为土垡只在重力作用下的位移，m；x₆为土垡在抛出速度作业面内的最大抛出距离，m；h’为土垡在犁面上的上升高度，m；∆h为抛出点距离落地点的高度，m；l为土垡横向抛送最大距离，m。

Figure  6.  Schematic diagram of clod movement process

Note: v₀ is the speed of the clod relative to the plow in the initial state, m·s⁻¹; v₁ is the speed of the clod being thrown along the plow body surface, m·s⁻¹; γ is the plow body surface helix angle at the clod throwing point, (º); x₄ is the displacement of the clod in the direction of velocity, m; x₅ is the displacement of the clod under the action of gravity only, m; x₆ is the maximum throwing distance of the clod in the throwing speed working surface, m; h’ is the height of clod rise in shallow plow, m; ∆h is the height from the throwing point to the landing point, m; l is the maximum lateral throwing distance of the clod, m.

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第1阶段土垡受重力、支持力和摩擦力作用，根据动能定理可得

其中$ \begin{array}{l}W={\displaystyle {\int }_{\text{0}}^{s}mg\mu \mathrm{cos}\alpha \text{d}s}\end{array} $, $\Delta {E}_{p}=\dfrac{\text{1}}{\text{2}}m{v}_{\text{1}}^{\text{2}}-\dfrac{\text{1}}{\text{2}}m{v}_{\text{0}}^{\text{2}} $

式中W为摩擦力做功，J；∆E_P为动量增量，J；μ为土壤与犁体的摩擦系数；α为土垡运动过程中犁体各点的起土角，(º)；s为土垡在犁体上移动的距离，m。由式（7）可得

在第2阶段中，土垡以速度v₁做斜抛运动，将斜抛运动分解为沿速度v₁方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动，根据图6几何关系可得

式中t为土垡做斜抛运动所需时间，s。由式（9）计算可得：

由式（8）和式（10）可得，土垡横向最大抛送距离l与初速度v₀、土垡上升高度h^’、土垡在犁体上移动的距离s，土垡运动过程中犁体各点起土角α、土垡抛出位置螺距角γ有关。而h^’、s及α与犁体开度L及高度H有关；土垡抛出位置螺距角γ与螺旋曲面末端螺距角γ₃有关。参考农业机械设计手册 ^[20]，犁体高度H常取1.3H₁，由于高速犁体作业速度较快，土垡上升高度较大，设计犁体高度为2H₁≤H≤3H₁，即H取300～450 mm；综合考虑农业机械设计手册中犁体末端抛土角度和高速作业工况，选择螺旋曲面末端螺距角γ₃为15°～45°；选择犁体开度L为180～220 mm。后续将设计具有不同犁体高度H，开度L与不同末端螺距角γ₃的犁体，通过EDEM仿真分析的方法开展各犁体对土壤定向抛送效果的研究，以进一步确定犁体曲面模型。

3.   仿真试验

3.1   模型建立

为探究犁体高度、犁体开度以及末端螺距角对起垄作业效果的影响并确定较优结构参数组合，利用EDEM开展仿真研究，构建长×宽×高为4000 mm×1000 mm×150 mm的土槽，采用平均直径为6 mm的球体模拟土壤颗粒进行填充，填充时从土槽底部开始按照高度0～ 60 mm、60～150 mm分两次进行填充，每次填充后采用板材进行压实，以模拟实际田间密度均匀且耕作层为90 mm的土壤耕层状况，如图7所示。土壤接触模型采用Hertz-Mindlin with Bonding模型，其本征参数及接触参数参考文献 ^[22-25]确定，如表2所示。

图  7  离散元仿真模型

Figure  7.  Discrete element simulation model

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表  2  仿真模型材料及接触参数

Table  2.  Material parameters of simulation model

项目 Items	类别 Type and contact	参数 Parameters	数值 Values
本征参数 Intrinsic parameters	土壤 Soil	密度/(kg·m−3)	2650
		泊松比	0.31
		剪切模量/Pa	1.82×106
	钢 Steel	密度/(kg·m−3)	7860
		泊松比	0.25
		剪切模量/Pa	7.9×1010
接触参数 Contact parameters	土壤-土壤 Soil-soil	静摩擦系数	0.75
		动摩擦系数	0.5
		碰撞恢复系数	0.6
	土壤-钢 Soil-steel	静摩擦系数	0.75
		动摩擦系数	0.4
		碰撞恢复系数	0.2
Bonding模型 Bonding model	土壤 Soil	单位面积法向刚度(N·m−3)	2.0×108
		单位面积切向刚度(N·m−3)	7.5×107
		临界法向应力/kPa	1.0×105
		临界切向应力/kPa	5.3×104
		粘结键半径/mm	3
		接触半径/mm	3.9

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3.2   试验因素与指标

仿真试验时，设置入土深度为120 mm，作业速度参考当前油菜高速排种技术已达10 ～14 km/h的发展现状 ^[26]，本文以12 km/h为例开展研究，以前期分析所得犁体高度H、犁体开度L、末端螺距角γ₃为试验因素，以土壤回流垄沟比Y₁、土壤定向迁移比Y₂及土壤抛送堆积高度H₃作为试验指标。各评价指标的测量运用EDEM后处理模块在作业稳定区域内进行测量，采用Total Mass Sensor模块在作业前沿前进方向等距选用200 mm×120 mm×120 mm质量提取框I’以获取作业前犁体扰动区域土壤质量，在作业后获取回流土壤质量，在前进方向相同位置处等距选用200 mm×350 mm×120 mm质量提取框II’以获取作业后垄体区域土壤质量，如图8所示。

图  8  仿真试验指标测量示意图

Figure  8.  Schematic diagram of simulation experiment index measurement

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相关指标计算方法如式（11）。

式中m₁为作业后回流土壤质量，kg；m₀为作业前犁体扰动区域土壤质量，kg；n为测点数量；m₂为作业后垄体区域土壤质量，kg；z₁为沿前进方向稳定作业区段随机选取截面的垄顶颗粒的纵坐标；z₂为截面处垄沟底部颗粒的纵坐标。

为得到较优结构参数组合，结合前期分析所得犁体高度为300～450 mm，犁体开度为180～220 mm，螺旋曲面末端螺距角为15°～45°，进行单因素试验。开展单因素试验时，其他因素取中心值，如开展犁体高度单因素试验时，犁体开度取200 mm，末端螺距角取30°。

3.3   单因素试验结果与分析

浅耕犁体高度、开度及末端螺距角对土壤定向抛送效果及土壤流向的影响如图9、10所示。

图  9  浅耕犁体高度、开度及末端螺距角对作业指标的影响

Figure  9.  Impacts of shallow plow height, opening, and end helix angle on operational performance metrics

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图  10  不同犁体高度、开度及末端螺距角对土壤流向的影响

Figure  10.  Impacts of different shallow plow height, opening, and end helix angle on soil flow direction

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3.3.1   犁体高度对作业效果的影响

犁体高度对作业指标的影响如图9a所示，土壤回流垄沟比随着犁体高度的增加呈现先降低再增加的变化趋势，在犁体高度为375 mm时，垄沟土壤回流最少，在375～450 mm范围内，土壤回流垄沟比增加趋势变化较小。土壤定向迁移比与土壤抛送堆积高度均随着犁体高度的增加呈现先增加再降低的变化趋势，在犁体高度为375 mm时，土壤定向迁移比与土壤抛送堆积高度达到最大，在375～450 mm范围内，两个指标的降低趋势变化较小。

根据仿真试验可知，当犁体高度较小时，土壤上升高度大于犁体高度并从犁体顶端溢出至垄沟中，导致土壤回流垄沟比较大，同时土壤过早进入犁面上的II区域发生侧滑，导致土壤回流较多，土壤定向迁移比较小，如图10a绿色颗粒所示，其中虚线为土壤抛送稳定后地表形状。土壤抛送堆积高度也因土壤定向迁移少而土量不足，因此土壤抛送堆积高度较低，且各指标变化趋势较大。通过对试验结果分析可得，土壤上升高度为370 mm；随着犁体高度增大，犁体对土壤的横向抛送距离增大，垄沟土壤回流减少，土壤定向迁移增多，垄体区土量增多，土壤抛送堆积高度增大。当犁体高度大于土壤上升高度时，各指标变化趋势变小，但随着犁体高度的增加，犁体前方壅土增多，单位高度下的导曲线曲率变化减小，土壤流动性增强，从犁体边缘流出至垄沟中，同时向相反方向运动的土壤增多，导致在375～450 mm范围内土壤回流垄沟比有所增加，土壤定向迁移比有所减少，且土壤定向迁移比减小值比土壤回流垄沟比增加值大，如图10b绿色颗粒所示。

3.3.2   犁体开度对作业效果的影响

犁体开度对作业效果的影响如图9b所示，土壤回流垄沟比随着犁体开度的增加而递增。土壤定向迁移比随着犁体开度的增加呈现先增加再降低的变化趋势，在犁体开度为200 mm时，土壤定向迁移比最大，在200～220 mm范围内，土壤定向迁移比降低值比土壤回流垄沟比增加值要大。土壤抛送堆积高度随着犁体开度的增加呈现先增加再降低的变化趋势，在犁体开度为200 mm时，土壤抛送堆积高度达到最大，在200～220 mm范围内，土壤抛送堆积高度降低趋势变化较大。

根据仿真试验可知，当犁体开度较小时，抛物线曲率较大，犁体前方壅土较多且无法及时排出，向相反方向运动的土壤较多，同时部分土壤横向运动距离超出垄体区域，因此土壤定向迁移比较小，如图10c绿色颗粒所示。当犁体开度增大时，抛物线曲率变小，土壤上升相对平缓，流动性增强，壅土有所缓解，土壤定向迁移比增加，垄体区域的土壤增加，土壤抛送堆积高度增大，但流动性增强后土壤成垡显著，犁体边缘土壤在土垡侧向运移时发生挤压从侧边流出，如图10d绿色颗粒所示，导致土壤回流垄沟比增大；当犁体开度增大到一定值后，土垡窜动的横向距离超出垄体区域，导致土壤定向迁移比降低，土壤抛送堆积高度减小，因此土壤定向迁移比降低值要比土壤回流垄沟比增加值要大。

3.3.3   末端螺距角对作业效果的影响

末端螺距角对作业效果的影响如图9c所示，土壤回流垄沟比随着末端螺距角的增大呈现先递减再增大的变化趋势，在末端螺距角为37.5°时，土壤回流垄沟比最小。土壤定向迁移比随着末端螺距角的增大而递增。土壤抛送堆积高度随着末端螺距角增大呈现先增加再降低的变化趋势，在末端螺距角为30°时，土壤抛送堆积高度达到最大。

根据仿真试验可知，当末端螺距角较小时，土壤抛送横向距离较大，同时犁体前方壅土增多，来不及抛出，因此抛送至相反方向的土壤、从犁两侧流出的土壤及超出垄体区域的土壤较多，导致土壤定向迁移比较小，垄沟回流比较大，如图10e绿色颗粒所示。随着末端螺距角增大，土壤在犁体上的流动性增强，定向迁移的土壤量增多，土壤抛送堆积高度也在增加。当末端螺距角增大到一定值时，土壤抛送的横向距离变小，土壤堆积后发生回流导致土壤回流垄沟比增大，且土壤抛送堆积高度降低，如图10f绿色颗粒所示。

3.4   中心复合试验与结构参数优化分析

3.4.1   试验方案及回归模型构建

通过对单因素试验结果分析可得，对于不同犁体高度（≥375 mm）、犁体开度和末端螺距角，土壤在犁体上的上升高度均为370 mm，故选取犁体高度为375 mm。基于单因素试验中在犁体开度190～210 mm，末端螺距角22.5～37.5°条件下，可获得较大的土壤定向迁移比及土壤抛送堆积高度的结果，开展二因素五水平中心复合试验，以分析犁体开度及末端螺距角对试验指标的交互作用，得到机具较优的作业参数组合。各因素水平编码如表3所示，试验方案及结果如表4所示。

表  3  试验因素和水平

Table  3.  Test factors and levels

水平值 Level value	犁体开度 Shallow plow opening L/mm	末端螺距角 End helix angle γ3 /(°)
-γ	185.86	19.39
-1	190.00	22.50
0	200.00	30.00
1	210.00	37.50
γ	214.14	40.61

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表  4  试验方案及结果

Table  4.  Test plan and result

序号 No.	L	γ3	Y1/%	Y2//%	H3/ mm
1	200.00	30.00	27.56	54.41	162.64
2	190.00	37.50	29.45	54.51	149.51
3	200.00	30.00	28.34	56.29	165.81
4	200.00	30.00	27.66	54.94	156.78
5	210.00	37.50	31.13	53.32	130.91
6	214.14	30.00	31.62	48.28	138.53
7	200.00	19.39	32.57	54.97	155.05
8	200.00	30.00	28.25	55.97	157.61
9	200.00	30.00	28.44	55.42	157.21
10	200.00	40.61	30.54	57.77	142.91
11	210.00	22.50	34.47	48.51	148.88
12	190.00	22.50	30.32	53.44	151.31
13	185.86	30.00	28.37	51.15	154.10

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建立土壤回流垄沟比、土壤定向迁移比和土壤抛送堆积高度与犁体开度及末端螺距角的回归模型，并进行方差分析，结果如表5所示。

表  5  起垄效果方差分析

Table  5.  Analysis of variance for seed bed quality

指标 Index	来源 Sources	平方和 Sum of Squares	自由度 Freedom	均方 Mean Square	F	P
Y1	模型	51.67	5	10.33	41.83	< 0.0001**
	L	13.59	1	13.59	55.01	0.0001**
	γ3	6.27	1	6.27	25.37	0.0015**
	Lγ3	1.53	1	1.53	6.17	0.0419*
	L2	8.64	1	8.64	34.99	0.0006**
	γ32	24.96	1	24.96	101.05	< 0.0001**
	残差	1.73	7	0.2470
	失拟项	1.06	3	0.3536	2.12	0.2410
	纯误差	0.6684	4	0.1671
	总和	53.40	12
Y2	模型	94.65	5	18.93	33.02	0.0001**
	L	12.95	1	12.95	22.59	0.0021**
	γ3	12.10	1	12.10	21.11	0.0025**
	Lγ3	3.50	1	3.50	6.10	0.0428*
	L2	62.39	1	62.39	108.84	< 0.0001**
	γ32	0.7712	1	0.7712	1.35	0.2841
	残差	4.01	7	0.5732
	失拟项	1.70	3	0.5679	0.9838	0.4846
	纯误差	2.31	4	0.5772
	总和	98.66	12
H3	模型	1044.61	5	208.92	18.74	0.0006**
	L	231.65	1	231.65	20.78	0.0026**
	γ3	170.55	1	170.55	15.30	0.0058**
	Lγ3	65.37	1	65.37	5.86	0.0460*
	L2	388.41	1	388.41	34.84	0.0006**
	γ32	262.07	1	262.07	23.51	0.0019**
	残差	78.03	7	11.15
	失拟项	13.44	3	4.48	0.2774	0.8398
	纯误差	64.59	4	16.15
	总和	1122.63	12
注：*为显著（P<0.05），**为极显著（P<0.01）。下同。
Note: * is significant (P<0.05), ** is extremely significant (P<0.01). The same below.

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通过响应面分析，试验指标的变化值与单因素试验的变化趋势相同。由表5可知，各试验指标的回归模型均极显著（P＜0.01），失拟项P值不显著，γ₃² 对土壤定向迁移比影响不显著，其他各项均显著，剔除不显著项，得到各试验指标与各因素的回归关系为

3.4.2   结构参数优化分析

由上述分析可得，满足各指标的响应值的犁体参数优化属于多目标优化问题，根据田间种植农艺要求，土壤回流垄沟比应选择较小值，土壤定向迁移比应选择较大值，土壤抛送堆积高度由于后续还需相关镇压部件进行镇压整形，因此应选择较大值，建立如下优化模型

求解模型优化参数，得出优化参数组合为：犁体开度L=203.60 mm、末端螺距角$ {\gamma _{\text{3}}} $=39.96°。该参数组合下，模型预测土壤回流垄沟比为30.53%、土壤定向迁移比为56.87%、土壤抛送堆积高度为138.24 mm。考虑后期加工制造精度，选择犁体开度为200 mm，末端螺距角为40°，将该参数组合下的结构进行仿真试验，得出土壤回流垄沟比为29.92%，与模型预测值相差0.61个百分点；土壤定向迁移比为57.72%，与模型预测值相差0.85个百分点；土壤抛送堆积高度为146.32 mm，与模型预测值相差8.08 mm，说明优化模型可靠。

4.   田间试验

4.1   试验条件

为检验浅耕犁高速作业时的土壤定向抛送作业效果及验证犁体在油菜高速带状微垄联合直播机上的种床制备作业性能，根据3.4节得出的优化参数组合对浅耕犁进行加工，于2023年9月在华中农业大学现代农业科学试验基地开展浅耕犁单体不同作业速度下的对比试验，试验地块为未耕杂草地，土壤类型为砂质黏壤土；于2023年10月在湖北省京山市屈家岭管理区华中农业大学高性能播种关键技术集成与智能播种机生产示范基地开展油菜高速带状微垄联合直播机性能试验，试验地块1.67 hm²，试验前茬作物为大豆（2023年8月收获），秸秆量为255.6 g/m²，土壤类型为壤土。试验前各地块工况如表6所示。

表  6  试验地块工况参数

Table  6.  Working condition parameters of test field

工况 Conditions	试验类型 Experiment type	坚实度 Compactness/ kPa	含水率 Moisture content/%	容重 Soil bulk density/(g·cm−3)
1	不同作业速度试验	1710.60	19.80	1.48
2	整机性能试验	1434.41	17.76	1.39

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4.2   试验指标及测试方法

试验机具动力均为东方红954型拖拉机，试验前通过预试验确定浅耕犁工作状态下入土深度为120 mm时下悬挂液压控制手柄的位置及拖拉机下悬挂的高度。试验时根据预试验结果调整浅耕犁的作业深度；通过调节拖拉机挡位和手油门位置调整拖拉机作业速度。试验机组在相应地块沿直线方向作业距离为60 m，每次试验进行往返以实现重复，选择中间行程40 m稳定作业区段测量相关作业指标。

4.2.1   不同作业速度试验

为验证浅耕犁在高速状态下的作业性能，将浅耕犁安装于台架上，如图11a所示，开展常规（4 km/h）与高速（12 km/h）作业速度的对比试验，浅耕犁单体试验评价指标与仿真试验作业指标相同。作业前在试验地块按照五点取样法随机挖取5个长×宽×高为400 mm×120 mm×120 mm的土方，测量其质量并求取平均值作为该试验区域内犁体扰动区土壤质量，如图11b所示。在每个行程内预计作业测量区域地表等距选取5点铺一薄层长×宽为400 mm×1000 mm白色标记物，如图11c所示。犁体作业后以垄沟最低处为中心线，以白色标记物层的高度为起始线向下取长×宽×高为400 mm×120 mm×120 mm区域内的土壤为垄沟回流土壤；沿土壤定向迁移方向，以垄沟最低处为起始线，取350 mm宽代表起垄区域宽度，沿作业前进方向取400 mm，统计400 mm×350 mm选框内白色标记物层以上的土壤为定向迁移土壤；沿机具前进方向，采用取型器测量垄顶至垄沟之间的高度代表土壤抛送堆积高度。两个行程作业后，统计10个取样点的垄沟回流土壤质量、定向迁移土壤质量及土壤抛送堆积高度并求取平均值。

图  11  浅耕犁不同速度对比试验

Figure  11.  Shallow plow comparative experiment at different speeds

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4.2.2   整机性能试验

整机性能试验中由于微垄种床制备主要由浅耕犁进行土壤定向抛送，实现土壤横向运移，笼式碎土辊及挤压整形板对土壤横向运移作用不大，因此微垄种床的垄形稳定性主要取决于浅耕犁定向抛送土量与土壤抛送堆积高度。为检验油菜高速带状微垄联合直播机的高速作业性能，选择作业速度为12 km/h，选取直播机作业后垄高及其变异系数、垄宽及其变异系数为作业指标。直播机作业后使用Trimble TX8三维激光扫描仪扫描微垄种床，以获得微垄点云图，通过Trimble RealWorks软件处理微垄轮廓并随机选取5点测量垄高及垄宽，并按照式（16）计算垄高变异系数CV₁和垄宽变异系数CV₂。

其中$ \overline{{H}_{\text{1}}^{\text{{'}}}}=\dfrac{{\displaystyle \sum _{i=\text{1}}^{5}{H}_{\text{1}i}^{\text{{'}}}}}{\text{5}}，\overline{{b}_{\text{1}}}=\dfrac{{\displaystyle \sum _{i=\text{1}}^{5}{b}_{\text{1}i}}}{\text{5}}，{s}_{\text{1}}=\dfrac{\sqrt{{\displaystyle \sum _{j=\text{1}}^{5}{\left({H}_{\text{1}i}^{\text{{'}}}-\overline{{H}_{\text{1}}^{\text{{'}}}}\right)}^{\text{2}}}}}{\text{5}} $， ${s}_{\text{2}}=\dfrac{\sqrt{{\displaystyle \sum _{j=\text{1}}^{5}{\left({b}_{\text{1}i}-\overline{{b}_{\text{1}}}\right)}^{\text{2}}}}}{\text{5}} $

式中$ H_{{\text{1}}i}^{{'}} $为垄高测量值，mm；b_1i为垄宽测量值，mm；H_1^'为垄高测量平均值，mm；$ \overline {{b_{\text{1}}}} $为垄宽测量平均值，mm；s₁为垄高标准差，mm；s₂为垄宽标准差，mm。

4.3   试验结果与分析

4.3.1   不同作业速度试验

在砂质黏壤土条件下，浅耕犁在不同作业速度下均打破了犁底层，相比常规旋耕作业提高了耕作层深度，但在不同作业速度下土壤抛送距离及抛送位置存在较大差异。在常规作业速度下土壤回流较多且抛送距离较小，土壤堆积于垄沟边缘位置，如图12a所示；在高速作业情况下土壤定向抛送效果明显，垄沟显著且土壤成条状堆积于起垄区域，如图12b所示，各指标参数如表7所示。高速作业比常规速度作业的土壤回流垄沟比小6.26个百分点，土壤定向迁移比大4.14个百分点，土壤抛送堆积高度大12.40 mm，表明浅耕犁在高速作业情况下抛土性能好。

图  12  浅耕犁不同作业速度效果对比

Figure  12.  Effect comparison of various operating speeds for shallow plows

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表  7  浅耕犁不同作业速度对比试验结果

Table  7.  Comparison of test results of shallow tillage plows at different operating speeds

试验指标 Experimental indicators	速度/( km·h−1)
	4	12
土壤回流垄沟比 Soil flowback ridge-furrow radio/%	32.44	26.18
土壤定向迁移比 Soil directed migration radio/%	53.28	57.42
土壤抛送堆积高度 Soil throw accumulation height/mm	148.20	160.60

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高速作业下各试验指标相较于仿真试验结果，土壤回流垄沟比要小3.74个百分点，土壤定向迁移比要小0.3个百分点，土壤抛送堆积高度要大14.28 mm，表明仿真模型可靠。田间高速作业和仿真作业的土壤回流垄沟比和土壤抛送堆积高度存在较大差异可能是由于田间土壤含水率存在差异，作业后部分土壤破碎不充分，导致部分土壤以块状的形式抛向相反方向；垄体区域的土壤以块状的形式堆积，导致土壤抛送堆积高度较高。

4.3.2   整机性能试验

整机性能试验结果表明，在壤土条件下油菜高速带状微垄联合直播机作业通过性好，垄形稳定，如图13所示。作业后垄高为148.64 mm，垄宽为349.06 mm，垄高变异系数为4.05%，垄宽变异系数为3.86%。垄形的稳定性说明了浅耕犁定向土壤抛送及土壤抛送高度满足作业要求且稳定性较好，其作业形成的种床满足油菜种植农艺要求，15 d和40 d的油菜出苗效果如图13b，13c所示，由于2023年油菜生长初期气候干旱，播种后40天内仅在第4、15、19、35天有3.4 mm、31 mm、7.9 mm和6.7 mm的降雨量，垄顶土壤水分较少，而垄沟保墒，所以油菜多集中于垄沟中。

图  13  整机田间试验及油菜出苗效果

Figure  13.  Field experiment of the machine and the effect of rapeseed seedling emergence

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综上所述，通过在砂质黏壤土和壤土条件下试验，基于仿真模拟分析设计的浅耕犁高速（12 km/h）优于常规(4 km/h)作业速度下的抛土性能，高速作业土壤定向迁移比大且土壤回流垄沟比小，抛送土量及抛送高度满足微垄要求，说明浅耕犁在高速作业下定向抛土效果显著，采用浅耕犁定向抛送的作业方式可满足油菜微垄种床制备作业在高速时的通过性。后续将进一步开展不同作业速度及不同工况下（如黏土等）的试验，以探索浅耕犁在不同作业速度下的抛送规律及对不同工况的适应性。

5.   结　论

1）针对现有微垄种床制备装置搭载传统旋耕装置作业效率有待提升且耕层浅的问题，结合油菜适播期与苗期易遭受极端恶劣气候影响和油菜扩种的背景，提出了一种油菜高速微垄直播工艺，设计了一种油菜高速带状微垄联合直播机关键部件浅耕犁，可实现土壤定向抛送并打破犁底层，以满足油菜微垄种床制备的高速化作业。

2）分析了变螺距扭曲螺旋面构建犁体曲面过程，确定了浅耕犁的犁铧铧刃角为120°，入土角30°，犁铧宽度120 mm；构建了犁体导曲线数学模型并开展了土垡抬升-抛送过程的运动学分析，利用EDEM仿真开展了各因素对土壤定向抛送效果的研究，确定犁体高度为375 mm，犁体开度为200 mm，末端螺距角为40°。

3）田间试验结果表明：浅耕犁高速作业的抛土性能比常规速度下的抛土性能好，高速作业土壤定向抛送明显，垄沟明显且土壤成条状堆积于起垄区域，土壤回流垄沟比为26.18%，土壤定向迁移比为57.42%，土壤抛送堆积高度为160.60 mm；整机作业通过性好，垄形稳定，垄高及垄宽变异系数均小于5%，说明浅耕犁定向抛送土壤量及抛送高度满足高速微垄制备要求，采用浅耕犁定向抛送的作业方式可满足油菜微垄种床制备作业在高速时的通过性，出苗效果也说明微垄种床满足油菜种植农艺要求。