蚯蚓仿生注液沃土裝置設(shè)計與試驗

張東光，左國標(biāo)，佟金，張智泓※

（1.太原理工大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，太原030024；2.土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室，太原030031；3.昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，昆明650500；4.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春130025）

0 引 言

利用農(nóng)機具改變耕層土壤地貌，人為創(chuàng)造土壤洞道，改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到蓄水保墑、減少水土流失和風(fēng)沙揚塵的目的。仿生注液沃土的技術(shù)思路是通過學(xué)習(xí)土壤動物改變耕層土壤性狀的方式，構(gòu)建土壤洞道并施加液體肥，從而提高土壤肥力，促進(jìn)作物根系生長[1-2]。依據(jù)該技術(shù)思路設(shè)計的沃土裝置，通過擠壓土壤形成洞道或裂隙，調(diào)節(jié)土壤孔隙度，控制耕層水分[3-6]，并采用注射液體肥的方式增加耕層含水率和養(yǎng)分含量[7-9]。仿生注液沃土技術(shù)改善了耕層土壤的理化性狀，為土壤動物生存、農(nóng)作物生長創(chuàng)造有利的生態(tài)環(huán)境[10-13]。

億萬年來，蚯蚓進(jìn)化出優(yōu)異的生存本能，適應(yīng)、改造了土壤環(huán)境，具有精巧的生物形態(tài)[14-15]。蚯蚓在土壤中運動，背孔不斷分泌出黏性體液，溶解大量的氧氣，并順著節(jié)間溝浸潤體表，形成液體保護(hù)膜[16-17]。蚯蚓在耕層土壤中構(gòu)建洞穴而不粘附土粒，體表粘液的作用不可忽視[18-19]。蚯蚓脫附減阻的機理在于，蚯蚓在構(gòu)建洞道過程中，體表粘液形成潤滑層，減小了蚯蚓運動的阻力[20]。并且，蚯蚓的環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)減小了體表與土壤的接觸面積，破壞了界面水膜的連續(xù)性，降低了土壤對體表的粘附力，表現(xiàn)出良好的減阻性能[21-23]。將蚯蚓在土壤中運動的脫附減阻特性應(yīng)用于注液沃土工作部件，對減小土壤與部件之間的粘附具有積極的意義[24-26]。

本研究從蚯蚓運動、黏液分泌和體表結(jié)構(gòu)耦合形成的優(yōu)異減阻性能獲得啟示，借助工程仿生技術(shù)手段和方法[27-35]，仿照蚯蚓構(gòu)建洞穴改良土壤的生存方式，設(shè)計仿生注液沃土裝置，期望達(dá)到改善土壤結(jié)構(gòu)，增加耕層肥力的目的。在此基礎(chǔ)上，以最小工作阻力和土壤粘附量為優(yōu)化目標(biāo)，在保證所要求的土壤洞道或液體沃土質(zhì)量前提下，優(yōu)選仿生注液沃土裝置樣機類型，分析前進(jìn)速度、入土深度、注液量與裝置土壤粘附量、工作阻力之間的關(guān)系，求解仿生注液沃土裝置最優(yōu)工作參數(shù)，提高裝置工作過程的脫附減阻性能。

1 材料與方法

注液沃土機具主要由深松鏟和仿生注液沃土裝置2部分組成，工作原理為：在拖拉機牽引下，前置深松鏟在地表開出具有一定深度的溝槽，注液沃土裝置的錐形輪廓擠壓、分離土壤，肥箱中的液體肥在壓力作用下進(jìn)入裝置內(nèi)部，并由注液孔不斷流出充盈裝置環(huán)槽，浸潤部件表面，滲入耕層土壤，如圖1 所示。注液沃土裝置隨拖拉機牽引向前運動，一方面在耕層土壤洞道內(nèi)施加液體肥，另一方面液體肥與裝置的環(huán)狀結(jié)構(gòu)相配合，在裝置外表面與土壤之間不斷形成水膜，降低仿生注液沃土裝置與土壤之間的黏附力和摩擦阻力。

圖1 注液沃土機具工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of sub-soil liquid fertilizer

1.1 蚯蚓體表結(jié)構(gòu)輪廓曲線的提取

本文以赤子愛勝蚓(Eisenia foetida)為仿生對象。該類蚯蚓為廣布品種，體長50～60 mm，體寬3～5 mm，體節(jié)數(shù)在90～110 節(jié)之間，體呈暗紅色。使用體視顯微鏡觀察并拍攝其分泌體液時的體表特征照片，采用數(shù)學(xué)分析軟件Matlab 2013，從體視顯微鏡圖片中檢測并提取蚯蚓體表外緣輪廓。蚯蚓頭部（圖2a）是運動時首先接觸并鍥入土壤的部位，其外緣輪廓可作為注液沃土裝置外部曲線，提取蚯蚓頭部幾何結(jié)構(gòu)表面的輪廓曲線，如圖2b所示。輪廓曲線方程的擬合優(yōu)度是保證設(shè)計精度和加工難易度的重要環(huán)節(jié)，精度過低，曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計不可靠；精度過高，又會增加樣機的加工難度。經(jīng)比較，本文選用二次多項式函數(shù)作為蚯蚓頭部輪廓曲線的擬合方程，如式（1）所示。

圖2 蚯蚓頭部及其輪廓曲線Fig.2 Earthworm head and its contour curve

式中p1的取值范圍為-0.005～-0.003，p2的取值范圍為0.8至0.9，參數(shù)p3的取值范圍為1.2～1.5，擬合優(yōu)度R2為0.99，標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE為0.79。

蚯蚓體節(jié)的幾何結(jié)構(gòu)（圖3a）降低了體表與土壤的接觸面積，峰谷交錯的節(jié)間溝波紋結(jié)構(gòu)破壞了體表與土壤之間水膜的連續(xù)性，降低了土壤黏附阻力，該結(jié)構(gòu)可作為注液部件的表面輪廓。蚯蚓體節(jié)幾何結(jié)構(gòu)輪廓曲線（圖3b）的擬合方程為傅里葉級數(shù)方程，如式（2）所示。

式中a0的取值范圍為6.0～6.2，參數(shù)a1的取值范圍為2.3～2.5，參數(shù)b1的取值范圍為1.5～1.8，參數(shù)w 的取值范圍為0.25～0.27，擬合優(yōu)度R2為0.95，標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE為0.48。

圖3 蚯蚓體節(jié)幾何結(jié)構(gòu)輪廓曲線Fig.3 Contour curve of earthworm segment geometry

1.2 注液沃土裝置仿生結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

通過對蚯蚓頭部、體節(jié)幾何結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行量化分析，根據(jù)外緣輪廓的幾何特征曲線構(gòu)建仿生注液沃土裝置的幾何結(jié)構(gòu)表面。注液沃土裝置由仿照蚯蚓頭部輪廓曲線設(shè)計的錐形觸土部件和仿照蚯蚓體節(jié)特征曲線設(shè)計的帶有幾何結(jié)構(gòu)表面的管狀注液部件組成。注液部件表面峰谷交錯，仿蚯蚓背孔排布方式，在波谷內(nèi)設(shè)計3 個斜向防堵塞注液孔。為提高注液的均勻性，在3 孔注液部件的基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計雙側(cè)6 孔型注液部件。采用參數(shù)化建模軟件Creo 2.0（PTC Corporate Headquarters, Needham,USA）構(gòu)建的注液沃土裝置3D結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 仿生注液沃土裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of bionic sub-soil liquid fertilizer

與蚯蚓洞道類似，草原上的鼠洞同樣具有蓄水和排水的作用。鼠洞裂隙內(nèi)含有一定水分，可以保持洞內(nèi)濕潤；鼠洞群地下排布縱橫交錯，有利于及時排空降水，保持鼠洞結(jié)構(gòu)[36-37]。有研究者調(diào)查了草原田鼠（Microtus pennsylvanicus）的鼠洞尺寸[1]，本文參考鼠洞直徑設(shè)計注液沃土裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，將外徑設(shè)定為40 mm，內(nèi)徑設(shè)定為20 mm，裝置長度設(shè)定為135 mm。錐形觸土部件起到擠壓、分離土壤的作用，輪廓曲線方程如式（3）所示。

式中x的取值范圍為25～60 mm。

裝置在土層中運動時，管狀注液部件的幾何結(jié)構(gòu)表面起到脫附減阻的作用，設(shè)定管狀部件上有3 個注液環(huán)槽，輪廓曲線方程如式（4）所示。

式中x的取值范圍為5～25 mm。

液體肥入口、注液孔與管狀部件內(nèi)徑分別連通，采用計算機流體力學(xué)方法仿真計算注液沃土裝置內(nèi)部流場的出口壓力和各出口速度矢量[1]。依據(jù)出口壓力大提高注液孔防堵性能、各出口流速均勻有助于液體肥料均勻噴施的原則，設(shè)計的仿生注液沃土裝置尺寸參數(shù)如圖5所示。

圖5 仿生注液沃土裝置尺寸參數(shù)Fig.5 Dimension parameters of bionic sub-soil liquid fertilizer

1.3 注液沃土裝置材質(zhì)及配套深松鏟

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）具有耐磨損、耐腐蝕和表面疏水等優(yōu)異性能，可降低土壤粘附量，并減小肥液流動時裝置內(nèi)壁產(chǎn)生的能量損失。選用密度為0.95 g/cm3、摩擦系數(shù)為0.17、吸水性為0.01%的UHMWPE作為注液沃土裝置的加工材料，進(jìn)一步減小土壤對裝置的粘附，降低工作阻力。

作業(yè)過程中，為避免注液沃土裝置錐形觸土部件承受過高的工作阻力，選擇課題組前期研制的仿生深松鏟作為配套機具。該深松鏟采用了仿照穿山甲鱗片外表面設(shè)計的棱紋形深松鏟刃，以及仿照小家鼠爪趾縱剖面輪廓線設(shè)計的指數(shù)曲線型深松鏟柄，其中鏟刃間隙角為4°，鏟柄寬60 mm，厚30 mm[38]。

1.4 土槽試驗

采用吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)機械實驗室的土槽臺車試驗系統(tǒng)進(jìn)行仿生注液沃土裝置樣機測試。通過控制土槽臺車的速度和仿生注液沃土裝置的工作參數(shù)，以仿生注液沃土裝置的土壤粘附量、工作阻力為考核指標(biāo)，共進(jìn)行8 類樣機的對比試驗，遴選出土壤粘附量和工作阻力較小的樣機類型。根據(jù)試驗優(yōu)化設(shè)計原理，分析前進(jìn)速度、入土深度、注液量與仿生注液沃土裝置土壤黏附量、工作阻力之間的關(guān)系，優(yōu)化裝置的工作參數(shù)。

土槽試驗系統(tǒng)由土壤、臺車、數(shù)據(jù)采集3 個子系統(tǒng)組成，如圖6 所示。土槽長45 m，寬2.8 m，土壤深度1.8 m，土壤物理特性參數(shù)如表1 所示。土槽兩邊鋪設(shè)導(dǎo)軌，臺車系統(tǒng)在導(dǎo)軌上運行。土槽臺車主要由機架、行走、動力和控制等部分組成。

圖6 土槽試驗系統(tǒng)Fig.6 Soil bin testing system

表1 試驗土壤物理特性參數(shù)Table 1 Soil physical property parameters

拉壓力傳感器兩端分別連接深松鏟與仿生注液沃土裝置，可以有效測定仿生注液沃土裝置的工作阻力。機具的注液系統(tǒng)安裝在土槽臺車的活動臺架上，可在臺車橫梁上左右移動。注液系統(tǒng)由空氣壓縮機（0.7 MPa，臺州，中國）、肥液箱（聚丙烯材質(zhì)，自制）、數(shù)字式液體渦輪流量計（K24型，溫州永嘉，中國）組成。空氣壓縮機開啟后，用調(diào)壓閥調(diào)節(jié)氣壓，將肥液箱中的液體肥輸送至裝置內(nèi)部，通過數(shù)字流量計讀取液體的質(zhì)量、流量，采用快速開關(guān)閥門開啟和關(guān)閉注液功能，實現(xiàn)對裝置注液過程的控制。土槽臺車通過機架連接并牽引深松鏟和仿生注液沃土裝置運動。在土槽臺車牽引行進(jìn)過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄仿生注液沃土裝置的工作阻力；臺車停止后關(guān)閉注液系統(tǒng)，采用稱質(zhì)量法測定仿生注液沃土裝置的土壤粘附量。

1.4.1 工作阻力及土壤粘附量測試方法

注液沃土裝置與仿生深松鏟通過全橋式應(yīng)變傳感器（H3-C3-6B 750 kg,ZEMIC,China）連接。在土槽車牽引樣機運動過程中，傳感器將拉力信號傳遞至應(yīng)變式傳感器信號放大器（RW-ST01A,SMOWO,China）。經(jīng)放大器調(diào)理后，拉力信號由數(shù)據(jù)采集卡（myDAQ, National Instruments, USA）傳送至計算機?；贚abVIEW 2014（National Instruments,USA）虛擬儀器平臺設(shè)計了工作阻力數(shù)據(jù)采集程序。程序設(shè)定采樣頻率為100 Hz，經(jīng)拉力—電壓標(biāo)定曲線換算得到工作阻力，并調(diào)用虛擬示波器顯示。所有采樣值經(jīng)輸出模塊存儲為文本文件后，完成對工作阻力的數(shù)據(jù)采集過程。在進(jìn)行工作阻力測試前，需要對拉力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連通，通過萬能試驗機均勻加載拉力，由數(shù)據(jù)采集卡的測試面板讀取并記錄電壓值，標(biāo)定完成后可以得到拉力—電壓之間對應(yīng)的關(guān)系曲線。將標(biāo)定數(shù)據(jù)輸入至Lab-VIEW 2014 參數(shù)管理模塊MAX Automation Explorer，采集程序通過電壓信號計算實際工作阻力。

在裝置到達(dá)出土調(diào)整區(qū)之后，關(guān)閉注液系統(tǒng)，采用稱質(zhì)量法測量裝置的土壤粘附量。稱量時，用毛刷剝離粘附在注液沃土裝置上的土壤，收集于密封袋之中，然后立即用電子天平稱量土壤質(zhì)量。

1.4.2 試驗區(qū)劃分

試驗準(zhǔn)備階段在土槽內(nèi)撒少量水并翻整土壤，深度達(dá)到40 cm；之后鎮(zhèn)壓土壤，確保地表平整均勻；多點測量土槽測試區(qū)內(nèi)土壤的含水率和堅實度，誤差分別控制在5%和10%以內(nèi)，確保土壤物理條件的一致性。由于注液沃土裝置工作后會改變土壤物理參數(shù)，為保證試驗準(zhǔn)確性，需要分區(qū)安排，整地一次后可以完成一組完整的試驗。試驗區(qū)劃分如圖7 所示：在土槽中選擇40 m 作為試驗區(qū)，分為A-H 測試區(qū)，每個測試區(qū)長7 m，寬1 m。為獲得土槽臺車穩(wěn)定的前進(jìn)速度，在測試區(qū)前后分別設(shè)置了入土和出土調(diào)整區(qū)各2 m，僅對臺車進(jìn)入測試區(qū)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并作為測定值。全部試驗完成之后，重復(fù)翻整、晾曬、鎮(zhèn)壓土槽測試區(qū)內(nèi)的土壤，在試驗前測量土壤的含水率和堅實度，在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)重復(fù)測試3次，取平均值作為最終測試結(jié)果。

圖7 土槽試驗區(qū)劃分Fig.7 Division of soil bin testing plots

1.5 樣機類型及試驗方案

為了驗證仿生注液沃土裝置的減黏膜脫附效果，依次在深松鏟后安裝8種類型的樣機，如表2所示。

表2 注液沃土裝置類型Table 2 Type of sub-soil liquid fertilizer

根據(jù)玉米種植農(nóng)藝條件（株距30 cm，行距65 cm），在田間1 m 長的玉米壟內(nèi)可種植4 株玉米。以單株玉米生長期至少施加50～100 g 肥液，注液沃土裝置運行速度1 m/s 計算，田間1 m 長的玉米壟內(nèi)需要施加200～400 g肥液。因此以質(zhì)量流量200 g/s 作為入口的邊界條件，在土槽試驗臺車牽引速度1.0 m/s、樣機入土深度15 cm、注液量200 g/s 的工作條件下，進(jìn)行裝置工作阻力和土壤粘附量的測試。

以有無表面結(jié)構(gòu)、孔數(shù)、材料和是否注液作為裝置性能的試驗因素，以工作阻力和土壤粘附量作為考核指標(biāo)，每個因素取2 個水平，選用正交試驗表L（824），正交試驗因素和水平如表3所示。每組試驗重復(fù)3次，分別記錄測試結(jié)果。采用極差分析和方差分析方法，選擇出最優(yōu)的樣機類型，并通過分析測試結(jié)果極差值的大小確定出各因素的主次和最優(yōu)水平，找到各因素的最優(yōu)水平組合。

表3 正交試驗因素水平表Table 3 Factor level table of orthogonal test

2 結(jié)果與分析

2.1 正交表分析

正交試驗方案和極差分析結(jié)果如表4 所示。由極差分析結(jié)果可知，影響工作阻力的試驗因素為：注液（D）＞孔數(shù)（B）＞材料（C）＞表面結(jié)構(gòu)（A），各因素的優(yōu)水平分別為注液（D1）、6 孔（B2）、UHMWPE（C2）和有表 面 結(jié)構(gòu)（A2），即獲得最小工作阻力的最優(yōu)組合為：D1B2C2A2。影響土壤粘附量的試驗因素為：表面結(jié)構(gòu)（A）＞孔數(shù)（B）＞材料（C）＞注液（D），各因素的優(yōu)水平分別為有表面結(jié)構(gòu)（A2）、6 孔（B2）、UHMWPE（C2）、注液（D1），即獲得最小土壤粘附量的最優(yōu)組合為A2B2C2D1。

2.2 方差分析

方差分析結(jié)果（顯著性水平P＜0.05）如表5 所示。由表4 和表5 可知，有無表面結(jié)構(gòu)對注液沃土裝置工作阻力的影響顯著，對土壤粘附量的影響極顯著，表明具有表面結(jié)構(gòu)的樣機可降低工作阻力及土壤粘附量。孔數(shù)對工作阻力的影響顯著，工作阻力隨著孔數(shù)的增加而減?。豢讛?shù)對土壤粘附量的影響極顯著，6 孔注液型可顯著減小土壤粘附量。材料對工作阻力及土壤粘附量的影響均顯著，采用UHMWP時，工作阻力和土壤粘附量均達(dá)到最小值。有無注液對工作阻力和土壤粘附量的影響均極顯著，在注液的情況下，工作阻力和土壤粘附量均有效降低。

表4 正交試驗設(shè)計表及極差分析Table 4 Orthogonal test design table and range analysis

表5 試驗結(jié)果方差分析Table 5 Analysis of variance of test results

通過對比分析，以工作阻力為指標(biāo)得到的最優(yōu)組合為D1B2C2A2，其中注液（D）對工作阻力的影響最顯著。以土壤粘附量為指標(biāo)得到的最優(yōu)組合為A2B2C2D1，4個因素與土壤粘附量呈極顯著相關(guān)，由F值可知，最顯著的因素為表面結(jié)構(gòu)（A）。通過綜合分析，得到最優(yōu)組合為A2B2C2D1；優(yōu)選的樣機類型為：含有6 個注液孔、UHMWPE 材質(zhì)且具有幾何結(jié)構(gòu)表面的仿生注液沃土裝置（8號樣機）。

為確認(rèn)樣機類型分析結(jié)果的有效性，在土槽試驗臺車牽引速度1.0 m/s、樣機入土深度15 cm、注液量200 g/s的工作條件下，對優(yōu)選的樣機進(jìn)行土槽驗證試驗并重復(fù)3次，試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 土槽試驗結(jié)果Fig.8 Soil bin test results

測試結(jié)果表明，工作阻力、土壤粘附量與樣機的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)類型密切相關(guān)，工作阻力和土壤粘附量隨著選用UHMWPE 材質(zhì)、增加孔數(shù)、構(gòu)建表面結(jié)構(gòu)呈逐步降低趨勢。其中，注液沃土裝置8 號樣機的工作阻力平均值為283.48 N，土壤粘附量平均值為10.93 g，顯著低于其他樣機測試結(jié)果，與樣機類型分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本研究通過學(xué)習(xí)蚯蚓粘液的分泌過程，采用仿生設(shè)計方法設(shè)計了注液沃土裝置。采用土槽臺車試驗系統(tǒng)進(jìn)行了仿生注液沃土裝置樣機選型和工作參數(shù)試驗。以土壤粘附量、工作阻力為試驗指標(biāo)，考察了裝置的表面結(jié)構(gòu)、注液孔數(shù)量、材質(zhì)和注液方式4 個性能參數(shù)對目標(biāo)值的影響，從8 類樣機遴選出土壤粘附量和工作阻力較小的樣機類型，得到如下結(jié)論：

1）性能參數(shù)對樣機工作阻力的影響程度為：注液＞孔數(shù)＞材料＞表面結(jié)構(gòu)，各試驗因素的優(yōu)水平分別為注液、6孔、UHMWPE和有表面結(jié)構(gòu)。性能參數(shù)對土壤粘附量的影響程度為：表面結(jié)構(gòu)＞孔數(shù)＞材料＞注液，各因素的優(yōu)水平分別為有表面結(jié)構(gòu)、6孔、UHMWPE和注液；

2）有無表面結(jié)構(gòu)對注液沃土裝置工作阻力的影響顯著，對土壤粘附量的影響極顯著。具有表面結(jié)構(gòu)的樣機可降低工作阻力，減小土壤粘附量。孔數(shù)對工作阻力的影響顯著，工作阻力隨著孔數(shù)的增加而減??；孔數(shù)對土壤粘附量的影響極顯著，6 孔注液型可顯著減小土壤粘附量。材料對工作阻力及土壤粘附量的影響均顯著，采用UHMWP 時，工作阻力和土壤粘附量均達(dá)到最小值。有無注液對工作阻力和土壤粘附量的影響均極顯著，在注液的情況下，工作阻力和土壤粘附量均有效降低；

3）通過綜合分析，從8 類樣機中確定的優(yōu)選類型為：具有表面幾何結(jié)構(gòu)的6 孔注液型UHMWPE 材質(zhì)沃土裝置。驗證試驗表明：在相同試驗條件下，該樣機工作阻力的平均值為283.48 N，土壤粘附量平均值為10.93 g。低于其他類型樣機的測試結(jié)果，可顯著減小土壤粘附量，降低工作阻力。