甘薯除草部件設(shè)計(jì)與仿真研究

邵偉 張文毅 紀(jì)要 嚴(yán)偉 劉宏俊

摘要：除草部件作為甘薯中耕除草機(jī)的關(guān)鍵作業(yè)部件，其結(jié)構(gòu)與性能將直接影響到機(jī)具的作業(yè)效果。目前的除草部件結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)溝底除草，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)壟側(cè)除草。根據(jù)甘薯種植的壟體參數(shù)和實(shí)際作業(yè)需求，設(shè)計(jì)一種錐體除草部件，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠增大作業(yè)區(qū)域，在原有的溝底除草基礎(chǔ)上，增加壟側(cè)中耕除草功能，提高機(jī)具作業(yè)性能。對(duì)錐體除草部件的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行理論分析計(jì)算，并采用離散元法進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。與傳統(tǒng)除草部件相比較，碎土率提升11.31%，功率提升4.73%，作業(yè)覆蓋面積增加133.33%，充分驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：甘薯；除草；中耕；離散元法

中圖分類(lèi)號(hào)：S224.1+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2023） 04-0050-07

Abstract： As the key working parts of sweet potato weeding machine， the structure and performance of weeding parts will directly affect the working effect of the machine. The current weeding component structure can only achieve ditch bottom weeding， but can not achieve ridge side weeding. According to the ridge parameters of sweet potato planting and the actual operation requirements， a cone weeding component is designed. The structure design increases the operation area， increases the function of weeding in the ridge side on the basis of the original ditch bottom weeding， and improves the operation performance of the machine. The working parameters and structural parameters of the cone weeding component were analyzed and calculated theoretically， and the simulation test was carried out by using the discrete element method. Compared with the traditional weeding component， the soil crushing rate increased by 11.31%， the power increased by 4.73%， and the operation coverage area increased by 133.33%， which fully verified the feasibility of the design.

Keywords： sweet potato; weeding； intertillage; discrete element method

0 引言

甘薯是旋花科甘薯屬一年或多年生雙子葉草本植物，俗稱(chēng)紅薯、山芋、紅苕、地瓜等［1］，起源于墨西哥、厄瓜多爾到秘魯一帶的熱帶美洲，性喜溫，不耐寒，是喜光的短日照作物。中國(guó)是甘薯最大生產(chǎn)國(guó)，擁有主糧化歷史的甘薯，其豐富的加工產(chǎn)品為餐桌化、保健化提供保障［2］?，F(xiàn)階段，甘薯生產(chǎn)對(duì)甘薯商品性、品質(zhì)要求高，想要提高甘薯品質(zhì)，就要改良品種和提高種植水平。而雜草作為影響甘薯品質(zhì)和商品性的制約因素之一，它會(huì)吸取農(nóng)作物的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，多年來(lái)一直被作為研究的熱點(diǎn)。甘薯的種植模式主要是壟作，目前甘薯除草主要依靠化學(xué)除草和人工除草，具有諸多局限性，而機(jī)械除草以其諸多優(yōu)勢(shì)，逐漸替代化學(xué)除草和人工除草［3］。甘薯機(jī)械除草主要與中耕相結(jié)合，中耕有許多好處，可以松土、增加土壤透氣性、提高地溫、提高土壤肥力等，是我國(guó)農(nóng)業(yè)精耕細(xì)作的重要環(huán)節(jié)之一［4］。旋耕刀是除草部件的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)旋耕刀的研究在不斷深入。扈偉昊等［5］基于離散元法探究立式旋耕刀與土壤的作業(yè)機(jī)理，確定了旋耕刀的最佳工作參數(shù)及作業(yè)的影響規(guī)律。熊平原等［6］基于南方土壤環(huán)境構(gòu)建了旋耕刀—土壤相互作用仿真模型，分析了旋耕刀三向阻力影響因素及變化規(guī)律，為旋耕機(jī)作業(yè)能耗、刀片損耗等研究提供理論依據(jù)。方會(huì)敏等［7］對(duì)旋耕刀進(jìn)行了受力分析，并構(gòu)建了桔?！寥馈断嗷プ饔媚Ｐ蛠?lái)探索三者之間的相互作用機(jī)理。

目前使用的3ZC-2型甘薯中耕除草機(jī)具有除草率低、壓壟、傷壟等缺點(diǎn)，部分原因是其除草部件只能對(duì)溝底進(jìn)行除草，除草覆蓋面積小，對(duì)壟側(cè)的雜草只能通過(guò)覆土的方式來(lái)清除；壟側(cè)雜草離甘薯苗更近，與甘薯生長(zhǎng)爭(zhēng)奪養(yǎng)分，影響甘薯品質(zhì)。為實(shí)現(xiàn)壟側(cè)除草，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種錐體除草部件，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行理論分析計(jì)算，并采用離散元法進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 錐體除草部件結(jié)構(gòu)

1.1 甘薯種植壟體參數(shù)

錐體除草部件的機(jī)構(gòu)形式及參數(shù)需根據(jù)甘薯壟體參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于甘薯種植模式多樣，各地方甘薯起壟參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)并不一致，在平原地區(qū)起壟壟距Ld一般為800～1 000 mm，起壟高度h一般為250～350 mm［8］。為便于全程機(jī)械化配套，起壟壟距Ld選擇900 mm，起壟高度h選擇300 mm，壟頂寬Lw選擇300 mm，壟底寬為600 mm，如圖1所示。

1.2 錐體除草部件

甘薯封壟后進(jìn)行中耕不易操作，易傷蔓，且封壟后甘薯蔓會(huì)阻礙雜草的光合作用，無(wú)需再進(jìn)行中耕除草，故甘薯中耕除草期一般為甘薯苗栽插后一周到封壟前，一般進(jìn)行2～3次。甘薯栽插后，薯苗苗梢會(huì)與移栽機(jī)前進(jìn)方向平行，薯苗苗梢全部都在壟頂中心線位置。在中耕時(shí)期，甘薯處于發(fā)根緩苗期，此時(shí)薯苗栽插入土發(fā)根成活，大部分秧苗從葉腋處長(zhǎng)出腋芽，枝蔓蔓延至壟側(cè)處的情況極少，故錐體除草部件的側(cè)刀作業(yè)面可以覆蓋壟側(cè)大半部分區(qū)域，產(chǎn)生傷苗情況的幾率很小。

錐體除草部件是一種新型組合式機(jī)構(gòu)，主要由傳統(tǒng)旋耕刀組和錐體狀側(cè)刀組成。能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)旋耕刀組對(duì)壟底土壤進(jìn)行旋耕除草的同時(shí)，錐體狀側(cè)刀對(duì)壟側(cè)土壤進(jìn)行微耕除草。傳統(tǒng)旋耕刀組主要由四把旋耕刀和圓盤(pán)形刀軸組成，圓盤(pán)形刀軸與單體下方的齒輪同軸連接，動(dòng)力通過(guò)萬(wàn)向節(jié)、齒輪箱、傳動(dòng)軸、單體鏈傳動(dòng)組傳遞，由拖拉機(jī)帶動(dòng)刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)。相鄰旋耕刀之間間隔90°，通過(guò)交錯(cuò)的方式固定在圓盤(pán)形刀軸上。錐體狀側(cè)刀主要由圓盤(pán)形底座和三根刀條組成，三根刀條之間間隔120°，與底座組成錐體狀，刀條上等間距排列了7個(gè)刀片，錐體除草部件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 錐體除草部件關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

錐體除草部件作為甘薯中耕除草機(jī)的關(guān)鍵作業(yè)部件，其作業(yè)性能直接影響了中耕除草的工作質(zhì)量，作業(yè)示意圖如圖3所示，錐體除草部件的設(shè)計(jì)需要考慮到結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)等因素。

關(guān)于錐體除草部件中的傳統(tǒng)旋耕刀組，其結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有旋耕刀形狀、刀片長(zhǎng)度寬度、刀片角度等。如旋耕刀形狀越尖銳，旋耕的深度就越深，但在較硬的土地里阻力較大；刀片越圓潤(rùn)，旋耕的深度就越淺，對(duì)較硬的土地來(lái)說(shuō)阻力也較小。刀片長(zhǎng)度和寬度會(huì)影響機(jī)器的中耕效率。刀片長(zhǎng)度越長(zhǎng)、寬度越寬，中耕面積越大，但也會(huì)增加機(jī)具的重量和阻力［9］。錐體狀側(cè)刀的運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括除草部件繞刀軸所做的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速和甘薯中耕除草機(jī)前進(jìn)速度。轉(zhuǎn)速越快，中耕除草效果越好，但會(huì)增加機(jī)具作業(yè)的噪聲和能耗。甘薯中耕除草機(jī)前進(jìn)速度越快，作業(yè)效率越高，但是會(huì)增加能耗、降低作業(yè)質(zhì)量等。

2.1 工作參數(shù)計(jì)算

關(guān)于錐體狀側(cè)刀的設(shè)計(jì)，首先要考慮到工作參數(shù)。對(duì)其作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，錐體狀側(cè)刀的運(yùn)動(dòng)可分為機(jī)具前進(jìn)所帶來(lái)的勻速直線運(yùn)動(dòng)和繞傳動(dòng)刀軸的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)分析如圖4所示。

如圖7所示，刀片傾角α為刀片與刀條之間形成的夾角，即刀尖與圓周運(yùn)動(dòng)切線方向的夾角。其大小會(huì)影響到側(cè)刀所受到的阻力大小和單個(gè)刀片作業(yè)面積。若刀片傾角α≤0，則刀背會(huì)與未中耕的土壤擠壓，增加機(jī)具作業(yè)的機(jī)械磨損，導(dǎo)致除草部件阻力矩的不均勻波動(dòng)，機(jī)具作業(yè)的穩(wěn)定性變差。刀身在余擺線軌跡線交點(diǎn)處的交點(diǎn)，刀身所在直線與余擺線切線的夾角為θ，若α>θ也會(huì)發(fā)生刀背與未耕土壤擠壓的情況。查閱相關(guān)資料可知，刀背傾角范圍在4°～10°［11］。

3 錐體除草部件離散元仿真試驗(yàn)

為提高甘薯中耕除草機(jī)的中耕除草性能，本文以現(xiàn)有的旋耕刀研究方法為參考依據(jù)，采用離散元仿真試驗(yàn)來(lái)模擬錐體除草部件在田間作業(yè)，從而探究錐體除草部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)作業(yè)性能的影響。本文在EDEM軟件中建立土壤顆粒模型后生成甘薯種植壟體土槽，在SolidWorks三維制圖軟件中建立旋耕刀模型，刀片寬度為20 mm、刀片厚度為4 mm、刀片間距為30 mm、刀背傾角為7°。轉(zhuǎn)換成igs格式后導(dǎo)入EDEM軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1 離散元模型建立

仿真試驗(yàn)結(jié)果的可靠性依賴(lài)于模型參數(shù)的設(shè)置，顆粒大小及形狀、顆粒接觸模型、粒徑分布、物體材料特性參數(shù)、物體運(yùn)動(dòng)參數(shù)、仿真步長(zhǎng)等因素對(duì)仿真的準(zhǔn)確性和仿真時(shí)間起到關(guān)鍵性作用，合理的模型參數(shù)設(shè)置既可以保證試驗(yàn)結(jié)果的精確，也可以減少仿真運(yùn)算試驗(yàn)。

在EDEM軟件中建立土槽前需建立土壤顆粒模型，考慮到所生成的壟體寬度為1 200 mm，在保證仿真精度的前提下為減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，設(shè)置顆粒半徑大小為8 mm。為了更好地模擬土壤本身由于含水和擠壓所形成的板結(jié)土層環(huán)境，展示出中耕除草作業(yè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在顆粒與顆粒鍵添加Bonding鍵，設(shè)置顆粒之間接觸模型為Hertz-Midlin with JKR，滾動(dòng)摩擦模型為標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)模型，附加模型為Bonding模型。添加Bonding模型可以將眾多顆粒組成一個(gè)整體，顆粒與顆粒間生成可以承受一定切向和法向力的黏結(jié)鍵，在受到超過(guò)一定大小的剪切應(yīng)力時(shí)，黏結(jié)鍵斷裂，顆粒與顆粒分離。該模型可適用于模擬巖石結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、土壤結(jié)構(gòu)等環(huán)境。

在EDEM軟件中，仿真參數(shù)主要包括顆粒參數(shù)、材料參數(shù)、材料與材料間接觸參數(shù)，本文通過(guò)參考文獻(xiàn)［12］確定土壤顆粒參數(shù)。在Solidworks軟件中建立錐體除草部件三維模型，其中4把旋耕刀件采取目前市面上應(yīng)用較多的IT225型的旋耕刀件。三維模型建立完成后轉(zhuǎn)換成igs格式后導(dǎo)入EDEM軟件中，目前市面上的旋耕刀材料采用65Mn較多，本仿真試驗(yàn)選擇旋耕刀模型材料為65Mn，并根據(jù)65Mn的材料屬性參數(shù)在EDEM中設(shè)置好材料參數(shù)。具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

在EDEM軟件中建立一個(gè)槽，在槽上方區(qū)域建立一個(gè)四邊形區(qū)域，在此四邊形區(qū)域添加顆粒工廠，0～2.4 s時(shí)讓土壤顆粒以動(dòng)態(tài)生成的方式在四邊形區(qū)域中生成顆粒投入槽里從而生成土槽。為模擬甘薯種植的壟作情景，在Solidworks中建立一個(gè)壟形壓板，如圖8所示，轉(zhuǎn)換成igs格式后從土槽上方以1 m/s的速度勻速往下運(yùn)動(dòng)，從而在土槽中壓出壟體。通過(guò)多次試驗(yàn)，當(dāng)從300 mm高度處向下勻速運(yùn)動(dòng)1.6 s時(shí)，剛好可以壓實(shí)壟體且不會(huì)使得顆粒受到過(guò)度擠壓，能較好地模擬田間土壤環(huán)境。

形成壟體后再使顆粒間生成Boinding鍵，去除壓板后仿真1 s使得顆粒速度和bond鍵數(shù)量趨于穩(wěn)定，仿真時(shí)間步長(zhǎng)參考瑞利波速相關(guān)理論［13］，選擇步長(zhǎng)時(shí)間為20%。最終生成仿真試驗(yàn)所需的土槽，如圖9所示。

3.2 仿真運(yùn)動(dòng)分析

設(shè)置好錐體除草部件模型在土槽中的初始位置后，通過(guò)Add motion功能對(duì)錐體除草部件模型添加一個(gè)繞刀軸勻速自轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)和一個(gè)水平前進(jìn)的勻速直線運(yùn)動(dòng)，以此來(lái)模擬中耕除草作業(yè)情景［14］，從后處理分析中導(dǎo)出仿真試驗(yàn)參數(shù)。5～6.6 s為運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)間，錐體除草部件初始坐標(biāo)和位置如圖10所示。選擇前進(jìn)速度為1 m/s、轉(zhuǎn)速為300 r/min。

為了更直觀地觀察土壤顆粒運(yùn)動(dòng)情況，仿真運(yùn)動(dòng)如圖11所示。

由圖11可得，設(shè)置前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速?gòu)牡? s開(kāi)始驅(qū)動(dòng)，此時(shí)顆粒顏色都為黑色，速度為0；第5.5 s時(shí)由于旋耕刀的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)，破壞了壟溝里顆粒之間的Bond鍵，使得土壤具有一定速度，其中淺灰色為速度較大的顆粒，位于壟頂處；深灰色為速度較小的顆粒，大多位于壟底處靠近旋耕刀尾部，此時(shí)顆粒由于除草部件的運(yùn)動(dòng)下出現(xiàn)土壤擾動(dòng)，速度還較小且具有一定的加速度。第6 s與第6.5 s為運(yùn)動(dòng)仿真俯視圖，從圖中可以看出壟側(cè)三分之二區(qū)域的顆粒具有一定速度，且通過(guò)顆粒顏色與密度可知，側(cè)刀可有效對(duì)壟側(cè)進(jìn)行中耕除草，且對(duì)表面土壤的松土效果較好。

錐體除草部件仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的總扭矩和X、Y、Z軸上的扭矩如圖12所示。

由于除草部件本身是圓周運(yùn)動(dòng)，受力規(guī)律為周期性波動(dòng)，且從圖12中可看出，除草部件三向扭矩與總扭矩都為周期性波動(dòng)。通過(guò)分析可知，由于除草部件觸土部分并不是對(duì)稱(chēng)的，所以當(dāng)部件觸土作業(yè)時(shí)，由于左右兩個(gè)錐體除草部件受力不對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生周期性的X軸向和Y軸向的扭矩，扭矩方向會(huì)隨著除草部件位置的改變而產(chǎn)生周期性的改變，該扭矩作用在旋耕刀軸上，由刀件和刀軸本身的材料剛性產(chǎn)生扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩平衡。X軸向和Y軸向扭矩過(guò)大會(huì)加劇對(duì)旋耕刀的損耗，影響到機(jī)具作業(yè)的平穩(wěn)性。Z軸向扭矩與總扭矩接近重合，且Z軸方向上的扭矩較大，該扭矩方向與除草部件旋轉(zhuǎn)方向相反，與傳動(dòng)軸輸出的扭矩形成扭矩平衡，轉(zhuǎn)速不變時(shí)，Z軸向扭矩越大，機(jī)具作業(yè)功率越大。

輸出仿真試驗(yàn)結(jié)果，以Bond鍵斷裂數(shù)和扭矩作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，鍵斷裂數(shù)可以有效反映出碎土率，碎土率越高，中耕效果越好，土壤透氣性變好，除草率越高；除草部件所受扭矩可以較好地反映功耗變化和機(jī)具作業(yè)的穩(wěn)定性。試驗(yàn)得出Bond鍵斷裂數(shù)為86 241，平均扭矩為80.53 N·m，仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大扭矩差值為53.44 N·m。與去除錐體側(cè)刀的傳統(tǒng)除草部件仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，鍵斷裂數(shù)為77 483，平均扭矩為76.89 N·m，最大扭矩差值為52.91 N·m。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得，碎土率提升了11.30%，功率提升了4.7%，扭矩波動(dòng)無(wú)明顯變化，而傳統(tǒng)除草部件作業(yè)寬度僅為300 mm，錐體除草部件作業(yè)寬度為700 mm，作業(yè)覆蓋面積提升了133.33%。試驗(yàn)結(jié)果充分證明了錐體除草部件對(duì)比傳統(tǒng)除草部件的優(yōu)越性，滿(mǎn)足甘薯中耕除草作業(yè)的設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

1） 根據(jù)甘薯種植壟體參數(shù)與田間管理需求，設(shè)計(jì)出甘薯中耕除草機(jī)上所使用的錐體除草部件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)除草部件無(wú)法對(duì)壟側(cè)進(jìn)行除草的缺陷，提高作業(yè)性能，并通過(guò)對(duì)錐體除草部件運(yùn)動(dòng)的理論計(jì)算與分析，為后續(xù)仿真試驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。

2） 在EDEM軟件中建立土壤顆粒模型并生成土槽，導(dǎo)入錐體除草部件模型后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行理論分析，以Bond鍵斷裂數(shù)和扭矩作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，相比較于傳統(tǒng)除草部件，碎土率提升了11.3%，功率提升了4.73%，作業(yè)覆蓋面積提升了133.33%，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性，展現(xiàn)了相比較于傳統(tǒng)除草部件的優(yōu)勢(shì)，本研究可為錐體除草部件的進(jìn)一步優(yōu)化與加工試制提供數(shù)據(jù)參考和技術(shù)支持。

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