油菜缽苗移栽機成穴器外形優(yōu)化試驗研究

全偉,吳明亮,官春云,羅海峰

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，長沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院，長沙 410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學，國家油料改良中心湖南分中心，長沙 410128)

油菜機械化缽苗移栽能延長油菜種植季節(jié)，擴大種植面積，緩解作物茬口矛盾，是油菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展必不可少的種植模式[1-3]。根據(jù)油菜等作物栽植技術(shù)，移栽機械可分為開苗溝式移栽機、鴨嘴栽插式移栽機和打穴式移栽機[4-8]。由于打穴式移栽機采用先成穴后放苗的作業(yè)方式，能保證缽苗的直立，可實現(xiàn)快速移栽作業(yè)，具有較好的應用前景[9-11]。

打穴式移栽機的成穴器根據(jù)成穴方式不同分為取土式與擠壓式2類[12]。劉宏新等[13]基于五桿機構(gòu)設(shè)計了免耕播種圓錐形成穴器，能在秸稈高度還田情況下完成打穴作業(yè)，且能有效穿透秸稈并按要求成穴，掛帶現(xiàn)象少；韓長杰等[10]分析了圓柱臺形成穴器的運動機理，建立了栽植穴的參數(shù)方程，明確了影響孔穴形態(tài)的主要參數(shù)為理論成穴深度和小端直徑。孫偉等[14]設(shè)計了雙曲柄多桿膜下方錐形成穴機構(gòu)，并進行了田間試驗，其膜下播種深度合格率達到92%。周邁樂等[15]研制了一種探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)，該機構(gòu)可交替完成打孔和栽植過程，其鏟式打孔器能保證穴口對稱，土壤回流均勻。綜上，國內(nèi)學者主要是對成穴器能否成型合格孔穴進行了大量研究[4，9-18]，但對成穴器外形的優(yōu)化研究鮮有報道，而成穴器作為打穴式移栽機的關(guān)鍵部件，其外形結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)對成穴作業(yè)功耗及穴形質(zhì)量均有重要影響[10-11]。

目前，離散元法研究機具與土壤之間的相互作用關(guān)系已成為一種發(fā)展趨勢[10，12，21]。為了降低成穴作業(yè)功耗、提高穴形質(zhì)量，本文以不同外形的取土式成穴器為研究對象，利用離散元仿真試驗與物理驗證試驗，研究成穴器外形及其工作參數(shù)對成穴器入土阻力和穴內(nèi)截面回土系數(shù)[12]的影響，對成穴器外形及相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化分析，以獲得一種相對較優(yōu)的成穴器外形及其相關(guān)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 成穴裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為取土式成穴裝置結(jié)構(gòu)(以圓柱臺形成穴器為例，去掉機架上的左側(cè)板)，主要由成穴器、導軌、滑塊、動力輸入軸、機架、齒輪齒條、成穴器連接板、連接銷等組成。取土式成穴器設(shè)計為上端大、下端小形狀，有利于成穴時成穴器順利地刺入土壤。工作時成穴器在齒輪齒條Ⅱ的作用下以張開的姿態(tài)豎直向下入土，同時對土壤產(chǎn)生剪切作用，在達到一定入土深度后，在齒輪齒條Ⅰ與成穴器復位彈簧的共同作用下成穴器閉合，使土壤產(chǎn)生形變而匯集在成穴器內(nèi)部，隨后在齒輪齒條Ⅱ的作用下以閉合姿態(tài)豎直出土，完成取土的同時形成孔穴，取土式成穴裝置隨機具水平運動至成型孔穴前方，成穴器在齒輪齒條Ⅰ的作用下向外打開完成排土，隨后復位完成整個成穴過程。

注：1—成穴器；2—導軌；3—滑塊；4—動力輸入軸；5—機架；6—齒輪齒條Ⅰ；7—齒輪齒條Ⅱ；8—成穴器連接板；9—連接銷。Note:1—Soil opener;2—Guide;3—Slider;4—Power input shaft;5—Frame;6—Gear-rackⅠ;7—Gear-rackⅡ;8—Connecting plate of soil opener;9—Connecting pin.圖1 取土式成穴裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of soil picking type hole forming device

現(xiàn)有油菜缽苗的外形尺寸大都為方錐臺形，上端邊長為35或50 mm，下端邊長為25 mm，高為40或45 mm[4，19]。結(jié)合前期研究成果[12]，設(shè)計孔穴上端尺寸(圓柱臺形為孔穴穴口橫截面半徑、方錐臺形為孔穴穴口橫截面邊長、正菱臺形為孔穴穴口橫截面對角線長度)為55 mm，下端尺寸為35 mm，孔深為40 mm。根據(jù)孔穴的外形尺寸設(shè)計要求，本文設(shè)計成穴器組件(以圓柱臺形成穴器為例)如圖2所示。主要由圓柱面形左鴨嘴、張合推桿、復位彈簧、連接銷、圓柱面形右鴨嘴等組成。

1.2 成穴過程EDEM仿真分析

1.2.1成穴器建模 根據(jù)目前主要的取土式成穴器研究結(jié)果[10，12，21-24]，為了保證三種成穴器在取土階段左右鴨嘴下端能完全閉合(出土階段底端不漏土)，且所成孔穴能滿足設(shè)計要求，如圖3所示，利用Pro/E軟件按1∶1的比例建立方錐臺形、圓柱臺形、正菱臺形3種不同的成穴器三維模型(圖3A)，另存為.igs格式導入EDEM軟件[25]。從圖3B和C可以看出，三種成穴器模型縱向截面下端尺寸均為l，與縱向截面垂直的正交截面(橫向截面)下端尺寸分別為l1、l2、l3，外側(cè)邊緣與豎直方向夾角均為17°，高度H1均為150 mm，成穴器的理論入土深度為H，其中，根據(jù)三種成穴器的外形結(jié)構(gòu)特點，方錐臺形的縱向截面下端尺寸與橫向截面下端尺寸相等，圓柱臺形與正菱臺形成穴器的橫向截面下端尺寸均小于縱向截面下端尺寸，故若三種成穴器所成孔穴的橫向截面下端尺寸滿足設(shè)計要求，縱向截面下端尺寸也滿足要求。從成型孔穴的橫向截面輪廓圖(圖3B)與孔穴穴口理論輪廓(圖3D和E)可以看出，其中，滿足設(shè)計要求的三種成穴器所成孔穴的上端橫向尺寸分別為L1、L2、L3，孔穴下端有效尺寸均為b，孔穴有效深度分別為h1、h2、h3。

1.2.2仿真試驗方案 根據(jù)油菜移栽農(nóng)藝要求及相關(guān)研究[10，12]，成穴器外形、下端尺寸及入土深度是影響成穴器成穴效果的主要因素，為了更加直觀表達不同外形的成穴器在不同下端尺寸及入土深度下對成穴器入土阻力及穴形質(zhì)量的影響，采用單因素進行仿真試驗，根據(jù)成穴器結(jié)構(gòu)參數(shù)及孔穴外形尺寸要求，試驗選取成穴器縱向下端尺寸分別為25、35、45 mm，入土深度分別為 60、65、70 mm(對應孔穴有效深度分別為40、45、50 mm)，豎直入土、出土速度均為 0.05 m·s-1，成穴器取土時鴨嘴閉合角速度均為 0.13 rad·s-1。以孔穴尺寸(孔穴上端尺寸、下端尺寸、有效深度)、入土阻力及穴內(nèi)截面回土系數(shù)為評價指標，分析成穴器外形、成穴器結(jié)構(gòu)及作業(yè)參數(shù)對孔穴形態(tài)、成穴器入土阻力及穴形質(zhì)量的影響。采用 EDEM中的切片功能沿成穴器運動的水平方向進行切片，觀察孔穴形態(tài)，利用 EDEM中tool工具測量孔穴參數(shù)，利用處理功能得到成穴器的入土阻力。穴內(nèi)截面回土系數(shù)的測量、計算方法及仿真土槽尺寸與文獻[12]一致，仿真試驗的土壤樣品為中國南方黏壤土，取自湖南農(nóng)業(yè)大學工程實訓中心試驗土槽，0～150 mm深的土壤平均含水率為18%左右，仿真土壤的粒徑及質(zhì)量分數(shù)分別為：1 mm、14.6%，3 mm、75.7%，5 mm、9.8%[12]。

1.3 土槽試驗

1.3.1試驗條件與設(shè)備 為檢測仿真試驗的準確性和成穴器工作的可靠性，試制優(yōu)化后的成穴器樣機(圓柱臺形成穴器，下端尺寸為35 mm)，在湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)機械化工程實訓中心數(shù)字化土槽中開展驗證試驗，以入土阻力及穴內(nèi)截面回土系數(shù)為響應值，進行孔穴成型土槽試驗，將實測值與仿真值進行對比分析并計算兩者的相對誤差。

土槽試驗用土為黏壤土，通過對土槽土壤進行噴淋灑水、旋耕機旋耕等處理，調(diào)整土壤平均含水率及土壤顆粒粒徑大小與仿真試驗條件基本一致。儀器設(shè)備主要有土槽車、成穴裝置樣機、萬能試驗機、孔形測繪器、坐標紙、鋼尺、堅實度測定儀、鋁盒、工具刀、記號筆等。

1.3.2試驗方法 按照文獻[12]方法使土槽土壤與仿真土壤條件一致，土槽試驗區(qū)長9 m，寬1.5 m，機具前進速度為2.58 km·h-1，保證土槽試驗與仿真試驗成穴器作業(yè)參數(shù)一致，成穴過程中成穴器豎直出入土壤(無水平方向速度)，成穴裝置在測試區(qū)內(nèi)完成孔穴均勻分布的成穴作業(yè)，共成型20個孔穴。測定測試區(qū)內(nèi)每個孔穴的上端尺寸、有效深度及穴內(nèi)截面回土系數(shù)，各參數(shù)測量結(jié)果取平均值為試驗結(jié)果。

成穴器的入土阻力采用萬能試驗機完成，試驗中成穴器的相關(guān)參數(shù)與小型土槽的外形尺寸均與仿真試驗保持一致；孔穴尺寸與穴內(nèi)截面回土系數(shù)測算方法與文獻[12]中的方法相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 成穴器外形對孔穴形態(tài)的影響

2.1.1孔穴尺寸對孔穴形態(tài)的影響 孔穴尺寸的仿真測量結(jié)果如表1所示。由表1可知，無論采用何種外形成穴器，隨著理論入土深度的增加，下端尺寸相同的成穴器所成孔穴的上端尺寸及有效深度均增加。在相同的底端尺寸及入土深度條件下，正菱臺形成穴器所成孔穴的有效深度在三種成穴器中最小，說明正菱臺形成穴器在成穴過程中對穴壁土壤擾動較大，造成穴內(nèi)回土較多，導致孔穴有效深度無法滿足栽植要求。結(jié)合孔穴設(shè)計要求及表1數(shù)據(jù)可知，在滿足孔穴下端尺寸的設(shè)計要求前提下，當成穴器外形為方錐臺形，其下端尺寸為35、45 mm時所成孔穴均滿足設(shè)計要求；當成穴器外形為圓柱臺形，其下端尺寸為35 mm時所成孔穴均滿足設(shè)計要求，同時，當下端尺寸分別為25、45 mm，入土深度為70 mm時所成孔穴也能滿足設(shè)計要求；當成穴器外形為正菱臺形，僅在其下端尺寸為35 mm，入土深度分別為65、70 mm時所成孔穴滿足設(shè)計要求。

表1 不同成穴器外形所成孔穴的形狀尺寸仿真結(jié)果Table 1 Simulation result of shape and size of holes formed by different soil opener shapes

2.1.2孔穴輪廓對孔穴形態(tài)的影響 根據(jù)表1的結(jié)果，在三種不同成穴器外形中選取滿足栽植要求且工作參數(shù)相同的成穴器參數(shù)組合：下端尺寸為35 mm、入土深度分別為65、70、70 mm的方錐臺形成穴器、圓柱臺形成穴器、正菱臺形成穴器。為使表達方便，分別將上述成穴器參數(shù)組合記為F3565、F3570，Y3565、Y3570，L3565、L3570。因三種成穴器縱向上的最大理論截面輪廓一致，故將三種成穴器所成最大縱長方向穴形截面圖放在同一個圖中進行分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當三種成穴器的下端尺寸一致，入土深度為65 mm時，成穴器所成孔穴的實際深度分別為64、63、59 mm，入土深度為70 mm時，所成孔穴的實際深度分別為68、69、67 mm；三種成穴器所成孔穴的實際深度基本無差異，但滿足設(shè)計要求的孔穴有效深度正菱臺形最小，方錐臺形與圓柱臺形相近；三種成穴器的縱長方向穴形截面積與理論穴形截面積的差值以正菱臺形最大，說明正菱臺形成穴器所成孔穴的穴內(nèi)回土量最大。當成穴器的下端尺寸一致，入土深度均為65 mm時，三種成穴器所成孔穴的穴口面積與理論面積的差值由大到小依次為正菱臺形成穴器、方錐臺形成穴器、圓柱臺形成穴器；正菱臺形成穴器所成穴口面積明顯大于理論穴口面積，差值為6.77 cm2，而方錐臺形與圓柱臺形成穴器所成孔穴的穴口面積與理論面積相差不大，差值分別為2.84、2.26 cm2，說明正菱臺形成穴器成穴過程中穴口處土壤回流較多，導致其所成孔穴的穴口尺寸變大而有效深度減小。由圖4可知，在成穴器下端尺寸相同的條件下，入土深度增加時，三種成穴器的有效深度與穴內(nèi)回土量均呈增加趨勢，入土深度越深，三種成穴器所成孔穴的上端尺寸越大。

圖4 孔穴穴形截面Fig.4 Section curve of hole

2.2 成穴器外形對入土阻力及穴內(nèi)截面回土系數(shù)的影響

三種不同外形的成穴器在入土深度相等時的受力情況如圖5所示。由圖5可知，三種成穴器所受阻力的最大區(qū)域大致處于各自觸土面的中心位置，因方錐臺形成穴器的觸土面積最大，故其入土阻力大于其他兩種成穴器，三種成穴器的入土阻力由大到小依次為方錐臺形、圓柱臺形、正菱臺形。

在不同的入土深度條件下，三種不同外形的成穴器入土阻力及其所成孔穴穴內(nèi)截面回土系數(shù)如表2所示。隨著理論入土深度的增加，三種成穴器的入土阻力及穴內(nèi)截面回土系數(shù)均呈增加趨勢；三種成穴器中穴內(nèi)截面回土系數(shù)由大到小依次為正菱臺形、方錐臺形、圓柱臺形，其中，正菱臺形成穴器的穴內(nèi)截面回土系數(shù)遠大于方錐臺形與圓柱臺形成穴器，說明正菱臺形成穴器所成孔穴穴內(nèi)土壤回流量大，孔穴穩(wěn)定性較差。

在本試驗條件下，綜合分析孔穴形態(tài)及表2數(shù)據(jù)可知，圓柱臺形成穴器是相對較優(yōu)的成穴器，其入土阻力及穴內(nèi)截面回土系數(shù)相對較優(yōu)，確定較優(yōu)的圓柱臺形成穴器的參數(shù)組合為：成穴器下端尺寸35 mm，理論入土深度65 mm。

2.3 土槽試驗結(jié)果與分析

圖6所示為成穴器入土阻力，可知，成穴器入土阻力總體呈上升趨勢，成穴器入土深度在0—30 mm時入土阻力增加較為平緩，在30—65 mm時阻力急劇上升，其變化趨勢與仿真試驗基本一致。

圖6 入土阻力Fig.6 Soil opening resistance test

圖7所示為土槽試驗中圓柱臺形成穴器的穴形截面圖；由圖6及圖7得到孔穴尺寸、入土阻力及穴內(nèi)截面回土系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

結(jié)合圖7及表3可知，孔穴的上端尺寸與穴內(nèi)截面回土系數(shù)的試驗值均大于仿真值，孔穴有效深度與入土阻力的試驗值均小于仿真值；本試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的相對誤差分別為5.7%、6.9%、5.3%、22.2%，在合理誤差范圍內(nèi)，驗證了外形優(yōu)化后的成穴器所成孔穴能滿足油菜缽苗移栽的農(nóng)藝要求。

表3 仿真與土槽試驗結(jié)果對比Table 3 Comparison the results of simulation and soil-bin test

圖7 穴形截面測量結(jié)果Fig.7 Measurement results of hole section

3 討論

目前，國內(nèi)學者對于油菜缽苗移栽孔穴成型技術(shù)及裝備已有較多研究，如向偉等[26]研制了滾動式油菜移栽成穴裝置，通過離散元法模擬其成穴作業(yè)效果；劉振亞等[27]對打孔式油菜移栽機進行了設(shè)計，該機可在移栽機水平運動時實現(xiàn)垂直打孔；韓長杰等[28]研制了一款旋轉(zhuǎn)式打穴機構(gòu)，用于壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽；全偉等[12]對取土式與擠壓式兩種成穴方式進行了研究，得到了較優(yōu)的成穴方式及其相關(guān)參數(shù)。本文對三種不同外形結(jié)構(gòu)的成穴器進行研究，采用虛擬仿真與土槽試驗相結(jié)合的方法對不同外形成穴器的成穴過程進行分析，利用離散元法模擬各成穴器的成穴效果，得到較優(yōu)的成穴器外形為圓柱臺形，其作業(yè)參數(shù)為下端尺寸35 mm、入土深度65 mm。通過土槽試驗與EDEM仿真試驗進行對比分析，成型孔穴能滿足設(shè)計要求，仿真與土槽試驗的誤差在合理范圍之內(nèi)。

本文通過仿真和土槽試驗對成穴器外形及其相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化研究，降低了成穴作業(yè)過程中的入土阻力及穴內(nèi)回土量。為打穴式移栽機的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)，為成穴機構(gòu)與土壤相互作用關(guān)系的研究提供了參考。但影響成穴作業(yè)效果的因素還有很多，如成穴器表面材料、成穴器入土角度和土壤環(huán)境等，其他最優(yōu)參數(shù)性能的優(yōu)化還需進一步研究。

本文將成穴器作為一個獨立的主體進行研究，要實現(xiàn)油菜移栽全程機械化作業(yè)，后期應考慮成穴裝置與取、送苗裝置、栽植機構(gòu)等之間的匹配問題。