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摘要为了优化垂直分层种肥施开沟器的结构参数，提高免耕播种机的作业质量，以种肥间距为作业指标，采用正交试验设计的方法，研究其结构参数对工作性能的影响。通过对试验结果的极差和方差分析，得出影响种肥间距的因素主次为：开沟器宽度>开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H>开沟器I段下边沿长度；由方差分析知因素A×C的交互作用对指标的影响呈极显著水平，采用交互作用表进一步分析因素的优水平，得出较优参数为：开沟器宽度为6.0 cm、开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H为4.0 cm、开沟器I段下边沿长度为3.5 cm。重复试验表明：种肥间距在3.5～4.5 cm之间。参数优化后，机具播深一致性好，无种肥混施现象。
关键词播种机；开沟器；种肥间距；正交试验
中图分类号S222.5+2文献标识码A文章编号0517-6611（2015）30-337-03
开沟器是免耕播种机的关键部件之一[1～3]，其结构参数直接影响播种机的作业质量[4～6]。多年来广大农机科研工作者研制了大量的免耕开沟器[7～11]，并进行了大规模的推广应用，基本解决了中国北方免耕播种机对开沟器的需求问题，有力地促进了中国北方保护性耕作的发展。但现有开沟器在西北旱作农业区使用时易造成种肥混施现象，导致烧苗，影响播种质量，缺乏真正适应西北雨养农业区的免耕开沟器。为此，课题组针对西北雨养农业区的地域特点、开沟器的功能及现有开沟器的不足，研制了一种垂直分层种施开沟器[12～14]（见图1）。该开沟器一次可实现化肥和种子垂直分层施入，减小机械作业动土量和作业阻力，提高了作业效率和播种质量。
注：1-铲刃；2-铲柄；3-开沟器固定座；4-导肥板；5-导种板；6-侧壁；7-散种板；L-开沟器I段下边沿长度；H-开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差；B-开沟器的宽度。
图1垂直分层种施开沟器简图以种肥间距为作业指标，采用正交试验设计的方法进行试验研究，对试验数据进行极差分析和方差分析，得出影响种肥间距的因子主次，探索各因子对种肥间距影响的规律，以此优化垂直分层种施开沟器的结构参数。
1试验设备与试验地概况
1.1开沟器工作原理垂直分层种施开沟器主要由铲刃、铲柄、开沟器固定座、导肥板、导种板、侧壁和散种板构成。在播种作业中，开沟器通过U型螺栓固定在播种机主梁架上随播种机前进，铲刃将土壤切开，侧壁将土壤向两边推挤，形成肥沟，导肥板将化肥输送到沟底，同时通过侧壁的阶台结构使土壤先从开沟器I段回落对化肥覆盖，侧壁Ⅱ段结合散种板将Ⅰ段初步形成的种沟沟底刮平并压实，将种子成条铺洒在该播种带上，最后通过土壤自然回落和镇压覆土装置的作用将种子覆盖并镇压，完成一个播种工序。
侧壁Ⅱ段结合散种板将Ⅰ段初步形成的种沟刮平压实，避免种子从土块间隙掉陷进正下方的肥沟中，刮平沟底还能保证播深一致性。
1.2试验区自然条件田间试验在甘肃省定西市李家堡镇甘肃农业大学试验基地进行，该地区位于甘肃省中部，为典型的黄土高原雨养农业代表区，气候属中温带干旱、半干旱区，土壤为黄绵土，年平均日照2 500.1 h，年均气温6.3 ℃，极端最高温34.3 ℃，极端最低气温零下27.1 ℃，正常年降水量400 mm左右，多集中在秋季，年蒸发量高达1 500 mm。
试验地地势平坦没有翻耕，耕层土壤平均含水率为167%，土壤坚实度为2.36 kg/cm2，供试小麦品种为“西旱2号”，试验用肥为尿素（含N 46%），施用量为150 kg/hm2，配套动力为8.8 kW的手扶拖拉机，II档作业（作业速度0.86 m/s），机具播幅为100 cm，行距20 cm。
2试验方法
将制作好的垂直分层种施开沟器安装在自主研制的小型山地免耕播种机上，于2012年3月进行田间施肥播种试验，试验后挖开沟槽断面，轻轻用毛刷在断面上刷出种子和化肥，用直尺测量种子和肥料的垂直距离；采用正交试验的方法，得出各因素之间的优化组合。
2.1试验指标的确定为了使播种机种肥间距一致性好，无种肥混施、烧苗现象，提高肥料利用效率，需对垂直分层种施开沟器进行定量的分析研究。为此，参照行业业内人士的观点和相关文献，确定了垂直分层种施开沟器试验结果的指标为种肥间距。由以往的经验知道种肥间距是一个范围，而不是一个定值[15-16]，根据文献[15]中小麦种植农艺要求，一般施用尿素时种肥间距在3.5～4.5 cm之间，为了便于正交分析，取种肥间距的平均值为4 cm，同时将试验指标进行转化，转化成种肥间距测量值与农艺要求平均值的偏差，转化后试验指标偏差值要求越小越好。
种肥间距测量值与农艺要求平均值的偏差值计算：
T=|S-4|54×100%（1）
式中：S——测定的种肥间距（cm）；T——偏差值（%）。
2.2试验因素及水平由理论分析可知，影响种肥间距的因素有土壤特性、地里残茬情况、土壤含水率、开沟器宽度、开沟器I段下边沿长度L、开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H等。影响试验指标的因素很多，其中有些因素虽然非常重要，但人们无法控制，如土壤的含水量、地里的杂草状况等因素。因此，试验因素选择了人们可以控制又对试验指标影响最主要的因素。由以往的经验得知，各因素之间的交互效应对试验指标有重要影响，所以试验也考虑了各因素之间的交互作用对指标的影响。试验的因素及水平见表1，正交试验选用L27（313）的正交表来安排。
开沟器宽度占据了首要位置，A、C交互作用次之，因素A、C的交互作用对指标值的影响大于因素B和C对指标值的影响，也大于因素A、B及因素B、C交互作用的大小[18-19]。为了得到最优的水平组合，对数据进行方差分析[15-16]。
因素A、交互作用A×C对试验指标的影响呈极显著水平，其余因素及交互作用对试验指标的影响不显著（FA=14.96，FA×C=8.58，临界值F0.01（2，8）=8.65）。由于试验结果的指标是种肥间距与平均值的偏差值，数据越小说明该开沟器的种肥间距一致性较好，无种肥混施现象，作业效果好。因此，最好的结构参数为A2B2C2，这结果与极差分析结果相一致。 由以上分析可知，A×C的交互作用对指标值的影响仅次于因素A，而且呈极显著水平，为了进一步确定因素A×C的优水平，进行了A与C的交互作用分析结果见表3。
表3A和C对指标值的交互效应
C5A152531562.50554.17561.672543.17534.17553.333545.8357.50535.83
从表3可以看出，当A取第2水平，C取第3水平时，试验结果为7.5，是试验结果中的最小值，但从表中也可以看出当A取第2水平，C取第2水平时，试验结果为34.17，仅次于A2C3，两者试验结果较接近。为此，综合考虑开沟器结构参数、作业阻力、农业种植要求和因素B与C对试验指标的影响不显著，而A、C交互作用对试验指标的影响呈极显著水平，因而试验因素按具有良好综合性能的15号试验选取A2B2C3为最佳试验方案，即开沟器宽度为6.0 cm、开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H为4.0 cm、开沟器I段下边沿长度为3.5 cm。
4结论
（1）通过极差分析和方差分析得出了，影响指标值的因素主次顺序为开沟器宽度>开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H>开沟器I段下边沿长度。在该试验条件下，其指标值最佳的参数组合为开沟器宽度为6.0 cm、开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H为4.0 cm、开沟器I段下边沿长度3.0 cm。
（2）因素A×C的交互作用对指标值的影响呈极显著水平，通过试验数据分析和综合考虑垂直分层种施开沟器的结构参数和种植农艺要求，确定最佳试验方案应为垂直分层种施开沟器最佳的结构参数组合为开沟器宽度为6.0 cm、开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H为4.0 cm、开沟器I段下边沿长度3.5 cm。
43卷30期李 辉等垂直分层种肥分施开沟器试验研究参考文献
[1] 姚宗路，王晓燕，高焕文，等.小麦免耕播种机种肥分施机构的改进与应用效果[J].农业工程学报，2007，23（1）：120-124.
[2] 姚宗路，高焕文，王晓燕，等.小麦免耕播种机开沟器对作物生长的试验研究[J].农业工程学报，2007，23（7）：117-121.
[3] 李兵，李洪文.2BMD-12型小麦对行免耕播种机的设计[J].农业机械学报，2006，37（3）：35-38.
[4] 张中锋，丁宏斌.2BLGF-13行垄作沟灌分层施肥麦类播种机的设计[J].中国农机化，2012（6）：74-77.
[5] 姚宗路，王晓燕，李洪文，等.2BMD-12型小麦对行免耕施肥播种机改进与试验研究[J].干旱地区农业研究，2005，23（5）：46-51.
[6] 樊高琼，郑亭，陈溢，等.耕作方式、播深及覆土对机播套作小麦群体质量和产量的影响[J].农业工程学报，2011，27（14）：20-25.
[7] 王庆杰，姚宗路，高焕文，等.楔刀型免耕开沟器设计与试验[J].机械工程学报，2008，44（9）：177-182.
[8] 姚宗路.楔刀型免耕开沟器研究[D].北京：中国农业大学，2008.
[9] 张小丽，张晋国，李江国，等.双层施肥旋耕播种机的设计[J].农业机械学报，2006，37（11）：49-51.
[10] 罗红旗.基于Inventor的免耕播种机组合式开沟器设计[J].农机化研究，2014（4）：110-113.
[11] 顾耀权，贾洪雷，郭慧，等.滑刀式开沟器设计与试验[J].农业机械学报，2013，44（2）：38-42.
[12] 李辉，吴建民，孙伟.垂直分层种施开沟器的设计与试验研究[J].甘肃农业大学学报，2010，45（2）：143-146.
[13] 孙伟，吴建民，黄晓鹏，等.2BFM-5型山地免耕播种机的设计与试验[J].农业工程学报，2011，27（11）：26-31.
[14] 董丽梅.山地播种机的研究与设计[D].兰州：甘肃农业大学，2009.
[15] 杨文钰.农学概论[M].北京：中国农业出版社，2002.
[16] 张水江，王耀发.旱地冬小麦保护性耕作中的种肥分施[J].中国农业大学学报，1997（6）：53-56.
[17] 何月娥.农机试验设计[M].北京：机械工业出版社，1986.
[18] 吴贵生.试验设计与数据处理[M].北京：冶金工业出版社，1997.
[19] 陈魁.试验设计与分析[M].北京：清华大学出版社，1996.安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci.2015，43（30）：340-341，343
关键词播种机；开沟器；种肥间距；正交试验
中图分类号S222.5+2文献标识码A文章编号0517-6611（2015）30-337-03
开沟器是免耕播种机的关键部件之一[1～3]，其结构参数直接影响播种机的作业质量[4～6]。多年来广大农机科研工作者研制了大量的免耕开沟器[7～11]，并进行了大规模的推广应用，基本解决了中国北方免耕播种机对开沟器的需求问题，有力地促进了中国北方保护性耕作的发展。但现有开沟器在西北旱作农业区使用时易造成种肥混施现象，导致烧苗，影响播种质量，缺乏真正适应西北雨养农业区的免耕开沟器。为此，课题组针对西北雨养农业区的地域特点、开沟器的功能及现有开沟器的不足，研制了一种垂直分层种施开沟器[12～14]（见图1）。该开沟器一次可实现化肥和种子垂直分层施入，减小机械作业动土量和作业阻力，提高了作业效率和播种质量。
注：1-铲刃；2-铲柄；3-开沟器固定座；4-导肥板；5-导种板；6-侧壁；7-散种板；L-开沟器I段下边沿长度；H-开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差；B-开沟器的宽度。
图1垂直分层种施开沟器简图以种肥间距为作业指标，采用正交试验设计的方法进行试验研究，对试验数据进行极差分析和方差分析，得出影响种肥间距的因子主次，探索各因子对种肥间距影响的规律，以此优化垂直分层种施开沟器的结构参数。
1试验设备与试验地概况
1.1开沟器工作原理垂直分层种施开沟器主要由铲刃、铲柄、开沟器固定座、导肥板、导种板、侧壁和散种板构成。在播种作业中，开沟器通过U型螺栓固定在播种机主梁架上随播种机前进，铲刃将土壤切开，侧壁将土壤向两边推挤，形成肥沟，导肥板将化肥输送到沟底，同时通过侧壁的阶台结构使土壤先从开沟器I段回落对化肥覆盖，侧壁Ⅱ段结合散种板将Ⅰ段初步形成的种沟沟底刮平并压实，将种子成条铺洒在该播种带上，最后通过土壤自然回落和镇压覆土装置的作用将种子覆盖并镇压，完成一个播种工序。
侧壁Ⅱ段结合散种板将Ⅰ段初步形成的种沟刮平压实，避免种子从土块间隙掉陷进正下方的肥沟中，刮平沟底还能保证播深一致性。
1.2试验区自然条件田间试验在甘肃省定西市李家堡镇甘肃农业大学试验基地进行，该地区位于甘肃省中部，为典型的黄土高原雨养农业代表区，气候属中温带干旱、半干旱区，土壤为黄绵土，年平均日照2 500.1 h，年均气温6.3 ℃，极端最高温34.3 ℃，极端最低气温零下27.1 ℃，正常年降水量400 mm左右，多集中在秋季，年蒸发量高达1 500 mm。
试验地地势平坦没有翻耕，耕层土壤平均含水率为167%，土壤坚实度为2.36 kg/cm2，供试小麦品种为“西旱2号”，试验用肥为尿素（含N 46%），施用量为150 kg/hm2，配套动力为8.8 kW的手扶拖拉机，II档作业（作业速度0.86 m/s），机具播幅为100 cm，行距20 cm。
2试验方法
将制作好的垂直分层种施开沟器安装在自主研制的小型山地免耕播种机上，于2012年3月进行田间施肥播种试验，试验后挖开沟槽断面，轻轻用毛刷在断面上刷出种子和化肥，用直尺测量种子和肥料的垂直距离；采用正交试验的方法，得出各因素之间的优化组合。
2.1试验指标的确定为了使播种机种肥间距一致性好，无种肥混施、烧苗现象，提高肥料利用效率，需对垂直分层种施开沟器进行定量的分析研究。为此，参照行业业内人士的观点和相关文献，确定了垂直分层种施开沟器试验结果的指标为种肥间距。由以往的经验知道种肥间距是一个范围，而不是一个定值[15-16]，根据文献[15]中小麦种植农艺要求，一般施用尿素时种肥间距在3.5～4.5 cm之间，为了便于正交分析，取种肥间距的平均值为4 cm，同时将试验指标进行转化，转化成种肥间距测量值与农艺要求平均值的偏差，转化后试验指标偏差值要求越小越好。
种肥间距测量值与农艺要求平均值的偏差值计算：
T=|S-4|54×100%（1）
式中：S——测定的种肥间距（cm）；T——偏差值（%）。
2.2试验因素及水平由理论分析可知，影响种肥间距的因素有土壤特性、地里残茬情况、土壤含水率、开沟器宽度、开沟器I段下边沿长度L、开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H等。影响试验指标的因素很多，其中有些因素虽然非常重要，但人们无法控制，如土壤的含水量、地里的杂草状况等因素。因此，试验因素选择了人们可以控制又对试验指标影响最主要的因素。由以往的经验得知，各因素之间的交互效应对试验指标有重要影响，所以试验也考虑了各因素之间的交互作用对指标的影响。试验的因素及水平见表1，正交试验选用L27（313）的正交表来安排。
开沟器宽度占据了首要位置，A、C交互作用次之，因素A、C的交互作用对指标值的影响大于因素B和C对指标值的影响，也大于因素A、B及因素B、C交互作用的大小[18-19]。为了得到最优的水平组合，对数据进行方差分析[15-16]。
因素A、交互作用A×C对试验指标的影响呈极显著水平，其余因素及交互作用对试验指标的影响不显著（FA=14.96，FA×C=8.58，临界值F0.01（2，8）=8.65）。由于试验结果的指标是种肥间距与平均值的偏差值，数据越小说明该开沟器的种肥间距一致性较好，无种肥混施现象，作业效果好。因此，最好的结构参数为A2B2C2，这结果与极差分析结果相一致。 由以上分析可知，A×C的交互作用对指标值的影响仅次于因素A，而且呈极显著水平，为了进一步确定因素A×C的优水平，进行了A与C的交互作用分析结果见表3。
表3A和C对指标值的交互效应
C5A152531562.50554.17561.672543.17534.17553.333545.8357.50535.83
从表3可以看出，当A取第2水平，C取第3水平时，试验结果为7.5，是试验结果中的最小值，但从表中也可以看出当A取第2水平，C取第2水平时，试验结果为34.17，仅次于A2C3，两者试验结果较接近。为此，综合考虑开沟器结构参数、作业阻力、农业种植要求和因素B与C对试验指标的影响不显著，而A、C交互作用对试验指标的影响呈极显著水平，因而试验因素按具有良好综合性能的15号试验选取A2B2C3为最佳试验方案，即开沟器宽度为6.0 cm、开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H为4.0 cm、开沟器I段下边沿长度为3.5 cm。
4结论
（1）通过极差分析和方差分析得出了，影响指标值的因素主次顺序为开沟器宽度>开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H>开沟器I段下边沿长度。在该试验条件下，其指标值最佳的参数组合为开沟器宽度为6.0 cm、开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H为4.0 cm、开沟器I段下边沿长度3.0 cm。
（2）因素A×C的交互作用对指标值的影响呈极显著水平，通过试验数据分析和综合考虑垂直分层种施开沟器的结构参数和种植农艺要求，确定最佳试验方案应为垂直分层种施开沟器最佳的结构参数组合为开沟器宽度为6.0 cm、开沟器I段下边沿与II段下边沿的高度差H为4.0 cm、开沟器I段下边沿长度3.5 cm。
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[1] 姚宗路，王晓燕，高焕文，等.小麦免耕播种机种肥分施机构的改进与应用效果[J].农业工程学报，2007，23（1）：120-124.
[2] 姚宗路，高焕文，王晓燕，等.小麦免耕播种机开沟器对作物生长的试验研究[J].农业工程学报，2007，23（7）：117-121.
[3] 李兵，李洪文.2BMD-12型小麦对行免耕播种机的设计[J].农业机械学报，2006，37（3）：35-38.
[4] 张中锋，丁宏斌.2BLGF-13行垄作沟灌分层施肥麦类播种机的设计[J].中国农机化，2012（6）：74-77.
[5] 姚宗路，王晓燕，李洪文，等.2BMD-12型小麦对行免耕施肥播种机改进与试验研究[J].干旱地区农业研究，2005，23（5）：46-51.
[6] 樊高琼，郑亭，陈溢，等.耕作方式、播深及覆土对机播套作小麦群体质量和产量的影响[J].农业工程学报，2011，27（14）：20-25.
[7] 王庆杰，姚宗路，高焕文，等.楔刀型免耕开沟器设计与试验[J].机械工程学报，2008，44（9）：177-182.
[8] 姚宗路.楔刀型免耕开沟器研究[D].北京：中国农业大学，2008.
[9] 张小丽，张晋国，李江国，等.双层施肥旋耕播种机的设计[J].农业机械学报，2006，37（11）：49-51.
[10] 罗红旗.基于Inventor的免耕播种机组合式开沟器设计[J].农机化研究，2014（4）：110-113.
[11] 顾耀权，贾洪雷，郭慧，等.滑刀式开沟器设计与试验[J].农业机械学报，2013，44（2）：38-42.
[12] 李辉，吴建民，孙伟.垂直分层种施开沟器的设计与试验研究[J].甘肃农业大学学报，2010，45（2）：143-146.
[13] 孙伟，吴建民，黄晓鹏，等.2BFM-5型山地免耕播种机的设计与试验[J].农业工程学报，2011，27（11）：26-31.
[14] 董丽梅.山地播种机的研究与设计[D].兰州：甘肃农业大学，2009.
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[16] 张水江，王耀发.旱地冬小麦保护性耕作中的种肥分施[J].中国农业大学学报，1997（6）：53-56.
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[18] 吴贵生.试验设计与数据处理[M].北京：冶金工业出版社，1997.
[19] 陈魁.试验设计与分析[M].北京：清华大学出版社，1996.安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci.2015，43（30）：340-341，343