芯鏵式開溝器仿生設(shè)計與試驗

賈洪雷 孟凡豪 劉立晶 史 嵩 趙佳樂 莊 健

(1.吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院， 長春 130022； 2.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室， 長春 130022;3.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院， 北京 100083； 4.山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院， 濟南 250100)

0 引言

開溝器是農(nóng)業(yè)播種機械必不可少的觸土部件，在播種機工作時，開溝器開出種溝，引導(dǎo)種子和肥料進入一定深度的土層中。傳統(tǒng)的芯鏵式開溝器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，入土性能較好，對播前整地的要求不高，但其開溝阻力較大，制約了播種機速度的提升[1]。近年來，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)裝備的作業(yè)效率不斷提高，播種機的作業(yè)速度也在不斷提高，這對開溝器的設(shè)計制造提出了新的要求。為了提高作業(yè)速度，在穩(wěn)定功耗及保證作業(yè)質(zhì)量的前提下，需要盡可能減小開溝器的作業(yè)阻力。而標準芯鏵式開溝器因作業(yè)阻力大，不能滿足高速作業(yè)的要求。

目前，對開溝器作業(yè)阻力的研究大多是對原有開溝器相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，從而實現(xiàn)減阻效果。趙艷忠等[2]研究發(fā)現(xiàn)，隨著雙圓盤開溝器圓盤直徑及夾角的增大，開溝阻力呈現(xiàn)線性增大的趨勢。馬延武[3]對鴨嘴式開溝器進行減阻設(shè)計，通過單因素試驗和二次正交回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗，得出鴨嘴式開溝器阻力最小的參數(shù)組合為：入土角 43°、入土隙角 6°、鏟體長度145 mm、鏟體寬度21 mm。曹曉東[4]改進設(shè)計了芯鏵式開溝器，將芯鏵面由凹面改為凸面，明顯減小土壤擾動，促進種子的萌發(fā)和生長。

在高效低耗農(nóng)機部件結(jié)構(gòu)的研究中，仿生學為研究者提供了新思路。依據(jù)農(nóng)業(yè)機械觸土部件的實際需求，仿生學設(shè)計方法運用單元仿生、多元耦合仿生的理論及技術(shù)，結(jié)合觸土部件作業(yè)規(guī)律和結(jié)構(gòu)特點，進行農(nóng)業(yè)機械部件的設(shè)計。目前，多種仿生脫附減阻部件已在農(nóng)業(yè)機械上得到了應(yīng)用，并顯示出廣闊的發(fā)展前景[5-6]。白景峰等[7-8]基于狗獾爪趾曲線設(shè)計了一種振動式深松鏟，其耕作阻力比原有深松鏟明顯減小。馬云海等[9]研制了一種仿生波紋型開溝器，具有良好的減黏降阻效果，但其對土壤的有效擾動大于普通開溝器。趙淑紅等[10-11]根據(jù)旗魚頭部的流線型曲線，設(shè)計了仿旗魚頭部曲線型開溝器，并進行了離散元仿真和室內(nèi)土槽試驗，證明仿旗魚頭部曲線型開溝器可降低工作阻力，并能有效減小土壤擾動。林福東[12]研究發(fā)現(xiàn)，狗獾犬齒尖銳鋒利，長期的自然進化使得牙齒可以以最低的切削阻力撕裂食物。狗獾犬齒齒尖部分極為鋒利和堅硬，在其捕食中起到了關(guān)鍵性作用，對食物有較好的穿透能力、刺入能力和撕裂能力。

國內(nèi)對于農(nóng)業(yè)機械觸土部件的仿生學優(yōu)化大多是在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過改變其表面性能進行減阻脫附，對觸土部件的整體結(jié)構(gòu)進行仿生學重構(gòu)的較少。本文通過提取狗獾犬齒曲線，研究芯鏵式開溝器成型原理，整體重構(gòu)4種滑動式開溝裝置，旨在探討基于仿生曲線的減阻開溝器整體設(shè)計方法，并通過試驗驗證滑動式開溝裝置的作業(yè)效果以及減阻效果，為開溝器的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 滑動式開溝裝置脊線的獲取

狗獾犬齒尖銳鋒利，長期的自然進化使其牙齒可以以最小的貫入阻力刺穿獵物[12]。本研究選取中國東北地區(qū)人工養(yǎng)殖的5齡雄獾，其質(zhì)量為12.8 kg，身體狀況良好，無疾病。將其麻醉后取出獾口右上方犬齒(圖1)并置于體積分數(shù)為28%的酒精溶液中進行消毒處理，在浸泡2～3 h后用蒸餾水反復(fù)清洗20～30次，最后置于燒杯中在室溫條件下自然風干。

圖1 狗獾犬齒實物圖Fig.1 Real picture of badgers’ canine teeth

狗獾犬齒干燥后，在其表面均勻噴灑D-76顯影劑，使用三維掃描儀(柯尼卡美能達RANGE7型)進行掃描，獲得犬齒完整的3D點云數(shù)據(jù)。在狗獾捕食過程中，犬齒將獵物刺穿并撕裂，其對獵物的作用分為4個過程：預(yù)剪切(剪破獵物的表皮)、剪切(剪破獵物的真皮)、擠壓(將強度相對較低的皮下組織擠壓至兩側(cè))、擴張(將獵物徹底撕裂)。如圖1所示，狗獾犬齒前后兩端的主刃線(圖2中Y1和Y2)是與獵物最早接觸的部分，也是對獵物剪切作用最強的部分；狗獾犬齒左右兩端中間位置處的側(cè)刃線(圖2中Y3和Y4)對獵物也有一定的剪切和擠壓作用[13]。且狗獾犬齒只有齒尖以上約15 mm的部分處在牙齦以外，該部分犬齒具備上述剪切、擠壓及擴張的功能。因此，如圖2所示，分別提取犬齒的前后左右4個端面正中處齒尖以上高度H=15 mm的4條輪廓線Y1、Y2、Y3、Y4，獲得與4條輪廓線對應(yīng)的4組點云數(shù)據(jù)。將4組點云數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Matlab進行數(shù)據(jù)光滑處理后，利用cftool工具包計算1～5階多項式下的擬合圖形，發(fā)現(xiàn)三階多項式擬合時效果較好[14-15]，因此選擇函數(shù)polyfit(x，y，3)進行三階多項式擬合。擬合后的4條曲線數(shù)學方程如表1所示。

圖2 用于開溝器設(shè)計的犬齒區(qū)域Fig.2 Canine tooth area for opener design

表1 擬合曲線數(shù)學方程
Tab.1 Mathematical equations of fitting curves

序號擬合曲線方程x范圍1Y1=0.0003432x3-0.02783x2+0.8736x+2.0560≤x≤89.22Y2=0.0001131x3-0.01224x2+0.5855x+2.7830≤x≤1243Y3=0.0001969x3-0.01097x2+0.4158x+2.5270≤x≤92.44Y4=0.0001299x3-0.01468x2+0.7032x+0.7090≤x≤120.9

2 滑動式開溝裝置仿生設(shè)計

以標準芯鏵式開溝器為基礎(chǔ)，將獲得的仿生學曲線1～4作為滑動式開溝裝置的脊線，設(shè)計芯鏵式開溝器新結(jié)構(gòu)。如圖3所示，芯鏵式開溝器在構(gòu)型時，以水平面上的底部輪廓線為基礎(chǔ)，以脊線作為引導(dǎo)線(圖3a)，掃描形成芯鏵面和側(cè)翼面(圖3b)。加厚曲面形成實體(圖3c)并設(shè)計出入土隙角和安裝孔(圖3d)實現(xiàn)整體建模。根據(jù)農(nóng)藝要求及農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[1]可知：入土角過大，入土性能差。入土角過小，芯鏵強度減弱，一般以15°～25°為宜；一般入土隙角為5°，過大會使溝底不平，過小則會使入土性能變差；鏵高過高會發(fā)生壅土，增加作業(yè)阻力，一般為80～140 mm；芯鏵幅寬取決于播種寬度，而窄行播種寬度一般為40～60 mm；芯鏵式開溝器脊線為等曲率的圓弧，其半徑一般250～350 mm為宜；開溝器長度不能過大，過長會降低播種機的通過性。根據(jù)上述原則將0號標準芯鏵式開溝器以及2、3、4號滑動式開溝裝置尺寸設(shè)計如下：入土隙角ε=5°，幅寬B=40 mm，厚度δ=2 mm，鏵高h=100 mm(為保證各開溝器鏵高相等，各條脊線在水平方向上的取值范圍并不相同，表1已列出)，長度l=200 mm。芯鏵面在作業(yè)方向上的正投影面積完全相同，皆為4 000 mm2。0～4號開溝裝置的區(qū)別在于脊線的不同以及脊線不同引起的入土角不同(15°～25°)和芯鏵面的不同。如圖4所示：0號開溝器的脊線為半徑R=250 mm的圓弧，1～4號滑動式開溝裝置的脊線分別為表1所示的1～4號曲線。因此，上述5個開溝裝置作業(yè)效果和作業(yè)阻力的差異完全是由脊線不同引起的。

圖3 開溝器建模過程Fig.3 Opener modeling process

圖4 0～4號開溝器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematics of no.0～4 openers

3 土槽試驗

3.1 試驗方案

采用數(shù)控銑削的方法對淬火后的45號鋼進行加工，得到參與試驗的樣品如圖5所示，其中0號為標準芯鏵式開溝器，1～4號為與表1所述曲線相對應(yīng)的基于狗獾犬齒曲線設(shè)計的滑動式開溝裝置。為研究不同的作業(yè)速度和不同脊線的開溝器對作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)阻力的影響，在室內(nèi)土槽中對0～4號開溝器進行了對比試驗，選取耕作方向的開溝作業(yè)阻力為主要指標，開溝器開出溝形的側(cè)壟寬、側(cè)壟高、溝寬、溝深作為次要指標[16]。

為便于試驗設(shè)計，使用的開溝器設(shè)置5個水平(分別對應(yīng)0號標準芯鏵式開溝器、1～4號滑動式開溝裝置)；因為目前常用標準芯鏵式開溝器作業(yè)速度為5 km/h，結(jié)合土槽試驗車最高時速10 km/h 的試驗條件，將作業(yè)速度設(shè)置3個水平：3.6、5.4、7.2 km/h，交叉分組，因此本試驗共有15個水平組合。東北壟作大豆播種深度一般為30～50 mm[17]，故本次試驗將開溝深度統(tǒng)一設(shè)置為50 mm。將加工后的5個開溝器樣品分別裝在機架上，應(yīng)用土槽試驗車對其進行試驗。通過分析試驗結(jié)果，驗證獾犬齒用于開溝器設(shè)計的效果。試驗方案設(shè)計及實際試驗結(jié)果如表2所示。

圖5 0～4號開溝器樣品Fig.5 No.0～4 openers sample

表2 試驗方案與受力結(jié)果
Tab.2 Test scheme and results N

作業(yè)速度/(km·h-1)試驗段序號開溝器序號01234151.2347.0749.1843.0945.54251.1947.1149.2143.0545.493.6350.9946.9748.3442.8744.61451.8647.0549.3943.6745.63均值51.3247.0549.0343.1745.32177.4171.1873.3967.0369.35276.9970.9372.3566.6468.295.4377.5371.0873.5267.1469.41477.3270.0172.6466.9468.57均值77.3170.8072.9866.9468.911118.19107.37109.51103.07105.342118.17107.92109.48103.05105.137.23118.31107.55109.52103.18105.994117.97108.35110.02104.69106.42均值118.16107.79109.63103.50105.72

3.2 試驗條件

試驗于2019年4月在吉林大學農(nóng)機實驗室室內(nèi)土槽進行，土槽長50 m、寬3 m、深0.8 m。試驗前使用旋耕機將土槽土壤旋耕一次，再用鎮(zhèn)壓輥將土槽土壤整平。之后對土壤的物理性質(zhì)進行測量，包括容積密度、土壤堅實度、含水率以及溫度。

使用容積為200 cm3的不銹鋼圓筒測量深度在0～50 mm和50～100 mm范圍內(nèi)的土壤容積密度。每個深度范圍內(nèi)任意收集4組土壤樣本。用SKG-01型微波爐將8組土壤樣本在110 ℃條件下干燥12 h。計算土壤的容積密度

式中ρ——土壤的容積密度，g/cm3

M——每組樣本的土壤質(zhì)量，g

V——不銹鋼圓筒的容積，cm3

通過SPECTRUM SC-900型便攜式土壤堅實度速測儀分別測量4次深度為50、100 mm的土壤堅實度，使用土壤溫度計分別測量4次0～100 mm范圍內(nèi)的土壤溫度；通過SPECTRUM TDR-300型土壤水分測定儀分別測量4次0～100 mm范圍內(nèi)的土壤平均含水率；各項結(jié)果如表3所示。依照中國土壤質(zhì)地分類標準[18]，試驗用土槽中土壤類型為輕黏土，土槽中土壤顆粒組成為：細黏粒(粒徑0～0.002 mm)占17.9%、粗粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)占39.4%、砂粒(粒徑0.05～1 mm)占33.7%。

表3 試驗前土槽土壤部分物理性質(zhì)參數(shù)Tab.3 Some soil physical properties from study site measured before experiments

3.3 試驗方法

如圖6所示，作業(yè)阻力采用土槽試驗車上的測力系統(tǒng)進行測量。將0～4號開溝器在3種作業(yè)速度下分別作業(yè)一次，共計15次。每次作業(yè)后整平土壤，并調(diào)整開溝器位置，避開上次作業(yè)的開溝區(qū)。每次試驗距離為40 m，包括前后兩端各4 m的調(diào)整區(qū)和中間部分32 m的數(shù)據(jù)采集區(qū)(每8 m為一個數(shù)據(jù)統(tǒng)計區(qū)間)。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

圖6 開溝器阻力測試圖Fig.6 Diagram of resistance test for opener1.測力系統(tǒng) 2.三點懸掛架 3.U型螺栓 4.可調(diào)高連接桿 5.滑動式開溝裝置

3.4 試驗結(jié)果

3.4.1作業(yè)阻力分析

0～4號開溝裝置在各個速度和深度下的平均作業(yè)阻力如圖7所示。由圖7可知，開溝裝置作業(yè)時在前進方向上所受到的作業(yè)阻力隨著作業(yè)速度的增加而增加，在3.6 km/h時各開溝裝置所受水平阻力最小，在7.2 km/h時各開溝裝置所受阻力最大；在同一作業(yè)速度下，3號滑動式開溝裝置受到的阻力最小，0號標準芯鏵式開溝器受到的阻力最大，各個滑動式開溝裝置的阻力均比標準芯鏵式開溝器小，這說明基于仿生學曲線設(shè)計的滑動式開溝裝置具有減阻效果。在3.6、5.4、7.2 km/h的作業(yè)條件下，3號滑動式開溝裝置相對標準芯鏵式開溝器阻力分別降低8.04%、8.15%、8.71%。

圖7 0～4號開溝器在不同作業(yè)速度下平均阻力Fig.7 Average resistance of no. 0～4 openers at different speeds

為進一步研究開溝器類型對工作阻力的影響，通過SPSS 24對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析[19-20]，開溝器水平方向所受阻力為唯一試驗指標。結(jié)合表2所述試驗方案和試驗結(jié)果，由表4可知，不同作業(yè)速度、不同開溝器類型對作業(yè)方向上阻力的影響極顯著，Pc<0.05，說明開溝裝置的類型對平均作業(yè)阻力影響顯著；Pd<0.05，說明作業(yè)速度對平均作業(yè)阻力也具有顯著影響。由表5可知，不同類型的開溝裝置的水平方向平均作業(yè)阻力顯著不同，當作業(yè)速度相同時，其在作業(yè)方向上所受阻力從小到大依次為3號滑動式開溝裝置、4號滑動式開溝裝置、1號滑動式開溝裝置、2號滑動式開溝裝置、0號標準芯鏵式開溝器。

表4 主體間效應(yīng)檢驗統(tǒng)計Tab.4 Statistics of effect test between subjects

3.4.2溝形參數(shù)的對比

在設(shè)計開溝器時，0～4號開溝器的長、寬、高皆相等，在前進方向上的投影面積也相等，因此5種開溝器作業(yè)后的溝形并無明顯差別。經(jīng)試驗驗證，所設(shè)計開溝器開出溝型為圖8所示的V形溝(a為側(cè)壟寬，b為側(cè)壟高，m為溝寬，n為溝深)，在對溝型測量時，評價溝形質(zhì)量的指標[21-23]如圖8所示，測量采用分段測量取平均值(每隔8 m測量一次，每次試驗測量5次取平均值)的方法。5種開溝器在作業(yè)速度5.4 km/h、開溝深度50 mm時開出的溝形輪廓參數(shù)平均值如表6所示。由于開溝器設(shè)計時，開溝器的芯鏵面正投影面積相等，開溝器的長和寬也都相等，試驗時開溝深度均調(diào)節(jié)至50 mm，結(jié)合圖8和表6可知，0～4號開溝器開出的溝形并無顯著差別。溝寬的變異系數(shù)最小，說明5個開溝器分別作業(yè)后溝寬最為穩(wěn)定；側(cè)壟高變異系數(shù)最大，說明開溝器類型對溝形側(cè)壟高的影響最大，因為不同芯鏵面的開溝器在進行作業(yè)時，各個芯鏵面曲率不同引起對土壤的抬升作用[24-25]不同，導(dǎo)致被擠出土壤在兩側(cè)堆積量不同而引起的。

表5 開溝裝置類型多重比較Tab.5 Multiple comparison of types of openers N

圖8 溝形輪廓參數(shù)示意圖Fig.8 Schematic of groove profile parameters

表6 5種開溝器開出的溝形參數(shù)平均值
Tab.6 Groove shape parameters of five kinds of openers

開溝器序號a/mmb/mmm/mmh/mm040.010.0150.055.0139.59.0149.053.0239.89.2148.455.3339.59.4148.154.0439.89.1149.354.0均值39.729.34148.9654.26標準差0.2170.3970.7500.915變異系數(shù)/%0.554.260.501.69

4 結(jié)論

(1)滑動式開溝裝置具有明顯的減阻效果。在作業(yè)深度50 mm條件下，減阻最明顯的是3號曲線，在3.6、5.4、7.2 km/h的作業(yè)速度下，3號滑動式開溝裝置相對0號標準芯鏵式開溝器阻力分別降低8.04%、8.15%、8.71%。

(2)在3種作業(yè)速度下，各開溝器所受平均阻力由小到大順序皆相同，依次為3號滑動式開溝裝置、4號滑動式開溝裝置、1號滑動式開溝裝置、2號滑動式開溝裝置、0號標準芯鏵式開溝器。3號開溝器為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

(3)依據(jù)狗獾犬齒的4條擬合曲線和芯鏵式開溝器的成型原理，設(shè)計了4種滑動式開溝裝置。土槽試驗表明，0～4號開溝器開出的溝形并無顯著差別，溝形的溝深、溝寬、側(cè)壟高、側(cè)壟寬的變異系數(shù)均低于5%。