基于EDEM的植苗溝槽成形分析與試驗(yàn)研究

肖仕雄,肖名濤,孫松林,陳 斌

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,長(zhǎng)沙 410128)

0 引言

育苗移栽技術(shù)能夠充分利用光熱資源,讓秧苗有效地減少霜凍、蟲(chóng)害等自然災(zāi)害所帶來(lái)的損失,縮短作物的生長(zhǎng)周期,對(duì)氣候具有補(bǔ)償作用,能夠有效解決輪種作物的接茬矛盾,提升土地復(fù)種指數(shù),是我國(guó)確保農(nóng)作物增產(chǎn)增收的重要手段。目前,移栽方式按不同的作物可以分為水田移栽與旱地移栽：水田中泥土十分松軟,土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)小,粘結(jié)力小,秧苗入土阻力小,栽植完成后,泥漿自動(dòng)回填,不需要覆土;與水田移栽不同,旱地移栽即使精細(xì)化耕整地,使土壤碎土率在一定的范圍內(nèi),但土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)仍很大,導(dǎo)致顆粒間的分離阻力大,缽苗只能依靠移栽裝置強(qiáng)行打穴入土,隨后在利用覆土機(jī)構(gòu)覆土,完成定植。目前,市面上常見(jiàn)的吊杯式移栽機(jī)與鴨嘴式移栽機(jī)都采用這種移栽方式。

傳統(tǒng)的旱地移栽方式需要在土地達(dá)到農(nóng)藝要求時(shí)才能進(jìn)行移栽,在移栽之前需要進(jìn)行耕整地作業(yè)。耕整地需要消耗大量的工時(shí),增加了作業(yè)成本。這種移栽方式同樣難以適應(yīng)稻田油菜的種植,由于稻田油菜的移栽與水稻收獲存在茬口期,導(dǎo)致油菜移栽作業(yè)時(shí)間緊張,缺乏耕整地時(shí)間。若直接在廂面移栽,土壤的高含水率及高粘性會(huì)降低移栽效率,加大打孔難度,甚至?xí)萑胪翆訐p壞機(jī)器。針對(duì)上述問(wèn)題,提出了一種淺免耕開(kāi)溝槽的栽植方式。目前,有許多科研機(jī)構(gòu)與研究人員對(duì)這種栽植方式進(jìn)行研究。浙江理工大學(xué)的鄭士永設(shè)計(jì)了一款多桿扶苗式植苗機(jī)構(gòu),先由開(kāi)溝器在廂面開(kāi)出溝槽,隨后由導(dǎo)苗管將缽苗送至底板,再由扶苗機(jī)構(gòu)將缽苗推入溝槽中,最后通過(guò)覆土機(jī)構(gòu)完成覆土。通過(guò)MatLab分析了不同參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)工作姿態(tài)的影響,并優(yōu)化部件的設(shè)計(jì)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了理想的移栽軌跡,且驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)在株距與直立度方面的移栽效果。

本文從溝槽成形過(guò)程中土壤與觸土部件之間的接觸進(jìn)行分析,通過(guò)EDEM軟件分析在不同條件對(duì)溝槽成形效果的影響,為以后溝槽移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考[1-4]。

1 植苗溝槽成型農(nóng)藝要求

針對(duì)油菜的特性,油菜免耕開(kāi)溝槽移栽是先通過(guò)開(kāi)排水溝形成廂面,再對(duì)廂面進(jìn)行淺耕平整,隨后在廂面上開(kāi)設(shè)植苗溝槽,最后由移栽裝置將缽苗植入溝槽中完成移栽,如圖1所示。

圖1 廂面開(kāi)溝移栽示意圖

南方稻田油菜的移栽常在晚稻收獲期之后,土壤中含水量較高,加上南方秋季雨量較大,一方面土壤的含水量很難降到易耕含水量,若強(qiáng)行耕作,不僅會(huì)損壞機(jī)具,還會(huì)使已黏閉的土壤進(jìn)一步結(jié)閉;另一方面雨水充足導(dǎo)致田間雜草嚴(yán)重影響油菜的生長(zhǎng),為了實(shí)現(xiàn)對(duì)土地的去茬保墑,可以對(duì)土地采用淺耕,僅對(duì)土壤表層進(jìn)行旋耕,以保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)。官春云等人研究發(fā)現(xiàn),稻板田免耕油菜不僅成活率高,且省工省時(shí),降低了成本[5]。

采用免耕開(kāi)洼溝、廂面開(kāi)植苗溝槽的種植方式,既可以提高油菜的種植效率,還可以因?yàn)橛筒碎_(kāi)溝成廂拋擲在廂面的土壤碎爛,呈疏松狀,覆蓋在板層及肥料表面,既保肥水不流失,又增強(qiáng)了油菜根系的通氣條件,避免缺氧,使肥水、氧氣能充分發(fā)揮作用,有效地解決了后期早衰、營(yíng)養(yǎng)不良缺素癥和因土壤漬水病害嚴(yán)重的矛盾,從而達(dá)到增產(chǎn)增效的目的[6]。

根據(jù)南方水田應(yīng)用的配套旋耕機(jī)的參數(shù),選擇中置開(kāi)溝刀盤、廂面寬度在1800～2200mm之間比較合適,開(kāi)溝寬度為200～250mm,開(kāi)溝深度與開(kāi)溝寬度接近相等比較合適。根據(jù)開(kāi)排水溝后的拋土量,淺免耕的高度在30～50mm比較合適,根據(jù)油菜缽苗缽體的寬度和移栽農(nóng)藝要求設(shè)定為溝槽寬度為25mm,深度為50mm。

2 EDEM溝槽成形仿真試驗(yàn)

溝槽的成形包括開(kāi)溝器的破土及溝壁的回落兩個(gè)過(guò)程。其中,溝壁的回落將會(huì)對(duì)移栽效果產(chǎn)生影響,溝槽回土率的大小是缽苗覆土的關(guān)鍵因素,同時(shí)決定了缽苗栽植的直立情況。為了模擬溝槽成形的實(shí)際情況,對(duì)實(shí)際土壤進(jìn)行了采樣標(biāo)定,并建立了土壤模型[7-11]。

2.1 土壤模型的建立

土壤顆粒間由于水分的存在產(chǎn)生了顆粒之間的粘結(jié)力,為了表示這種粘結(jié)力,土壤模型選擇EDEM中的Hertz-Mindlin with JKR接觸模型。該模型能夠根據(jù)顆粒間的重疊量、表面粘性力及接觸參數(shù)計(jì)算出顆粒間的法向接觸力FJKR,還可以計(jì)算出顆粒不直接接觸時(shí)的范德華力[12～13]。

法向接觸力FJKR用來(lái)表示顆粒間的凝聚力,即

其中,γ為表面張力(N/m),E為等效彈性模量(Pa),α為切向重疊量(m),R為效接觸半徑(m)。

為了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,根據(jù)南方油菜種植環(huán)境采取了3種不同含水率下的土壤,分別建立了模型。樣本選取的是湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)室內(nèi)土槽中的土壤,通過(guò)五點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣并測(cè)得其含水率在13.8%時(shí)堆積角為31.5°,在含水率為31.5%時(shí)堆積角為45.6°,在含水率為21.6%時(shí)堆積角為40.3°。針對(duì)這些土壤的本征參數(shù),,根據(jù)EDEM內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)詳細(xì)的本征參數(shù)進(jìn)行選擇,隨后將土壤模型進(jìn)行堆積角的仿真試驗(yàn),得到仿真堆積角與現(xiàn)實(shí)土壤堆積角誤差在2.4%左右。設(shè)置的顆粒本證參數(shù)如表1所示。

表1 土壤顆粒的本征參數(shù)Table 1 Intrinsic parameters of soil particles

2.2 試驗(yàn)裝置

采用SolidWorks軟件建立開(kāi)溝裝置的三維實(shí)體模型,并通過(guò)轉(zhuǎn)換為IGES格式,實(shí)現(xiàn)SolidWorks的實(shí)體模型與EDEM軟件的數(shù)據(jù)交換。仿真土槽長(zhǎng)200mm、寬100mm、高100mm,為了統(tǒng)一變量,兩種開(kāi)溝器長(zhǎng)度均位60mm,開(kāi)溝器幅寬為30mm。開(kāi)溝器與土壤的接觸參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[14],具體參數(shù)如表2所示。

表2 顆粒與開(kāi)溝裝置的接觸參數(shù)Table 2 Contact parameters of particle and ditching device

2.3 溝槽回土率試驗(yàn)

溝槽的回土率對(duì)于開(kāi)溝槽移栽是非常重要的參數(shù),其大小與缽苗的移栽直立度之間有緊密的聯(lián)系：在回土率較大的土壤中,從溝壁回落的土壤能夠及時(shí)將缽苗覆土定植;在回土率較低的土壤中,由于粘性力的影響溝壁不容易垮塌,需要采用覆土裝置對(duì)其進(jìn)行覆土。

2.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了解在開(kāi)溝過(guò)程中溝壁的回落情況,通過(guò)調(diào)整土槽顆粒間的參數(shù)模擬不同土壤環(huán)境下的土壤回落。由于土壤顆粒間的關(guān)系復(fù)雜,通過(guò)改變其本征參數(shù)、顆粒混合比、顆粒粒徑比和開(kāi)溝器前進(jìn)速度等因素來(lái)分析溝槽成形過(guò)程中溝壁回落情況。

將已建立的3種土壤模型按照不同的顆粒形狀、顆粒半徑建立虛擬土槽,采用同種開(kāi)溝器模型在土槽內(nèi)進(jìn)行開(kāi)溝仿真。為了保證試驗(yàn)的真實(shí)性,每一個(gè)因素都設(shè)計(jì)了3個(gè)水平,但由于試驗(yàn)數(shù)量過(guò)于龐大,采用正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法在不影響試驗(yàn)結(jié)果的前提下減少試驗(yàn)次數(shù),以縮短試驗(yàn)時(shí)間。

將土壤顆粒形狀混合比、土壤顆粒粒徑比、粘性力大小與裝置行進(jìn)速度設(shè)為試驗(yàn)因素,每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平,具體參數(shù)如表3所示。

表3 因素水平表Table 3 Factor level table

采用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS生成3因素4水平的正交表(見(jiàn)表4),按照正交表的水平編碼進(jìn)行9次仿真試驗(yàn),并截取開(kāi)溝器后方5處截面的回土率,作為試驗(yàn)指標(biāo)。

表4 四因素三水平正交表L9(34)Table 4 Orthogonal table of four factors with three levels L9(34)

2.5 試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量與分析

為了測(cè)定溝壁回土情況,對(duì)開(kāi)溝裝置后端2、4、6、8、10cm處截取土壤截面,分析回填的土壤占開(kāi)溝溝槽面積的比例,得到某一截面下的土壤回填率,通過(guò)計(jì)算回填率判斷溝槽的成形狀態(tài)與成形質(zhì)量[15-17]。

為了更直觀地描述溝壁回落的變化,將9次試驗(yàn)的5段截面輪廓圖進(jìn)行了整合,試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Table 5 Data of test results

試驗(yàn)1、試驗(yàn)4與試驗(yàn)7的結(jié)果表明：隨著土壤中粘性力的降低,溝壁回落情況逐漸加大,溝槽的形狀變化的幅度加大。對(duì)比試驗(yàn)1與試驗(yàn)3、試驗(yàn)4與試驗(yàn)6的結(jié)果顯示：小顆粒對(duì)溝壁的穩(wěn)定有一定聯(lián)系,但隨著顆粒間粘性力的降低,這一現(xiàn)象逐漸減弱。對(duì)比5處位置的回填率,可以發(fā)現(xiàn)：靠近開(kāi)溝器位置的回土率較低,溝型比較穩(wěn)定,能夠提供一定的植苗空間。

為了找到相關(guān)性最顯著的因素,采用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS進(jìn)行回歸分析,將5處截面的回土率設(shè)為因變量,分別為y1、y2、y3、y4、y5。

在4個(gè)因素中剔除相關(guān)性較小的因素進(jìn)行方差分析,得到不同因變量下每個(gè)因素的顯著性統(tǒng)計(jì)量(Significance F)分析結(jié)果如表6所示。

表6 數(shù)據(jù)分析結(jié)果Table 6 Data analysis results

試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示：溝槽的回土率與土壤顆粒間的粘性力相關(guān),但在2cm與4cm處回土率相關(guān)性不大,是因?yàn)闇媳趶撵o止到塌陷需要一定時(shí)間;隨著開(kāi)溝器的繼續(xù)前進(jìn),開(kāi)溝器后端會(huì)形成一個(gè)空間,這個(gè)空間段能保證缽苗進(jìn)入溝槽后不會(huì)立即被土掩埋;后3段的回土率能夠反映出,土壤粘性力與溝壁的回土率之間相關(guān)性顯著。

3 實(shí)機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)

在溝槽成形過(guò)程的仿真分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)仿真結(jié)果,在室內(nèi)土槽進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：土壤分別在含水率為31.5%與13.8%時(shí),溝槽的回土率出現(xiàn)極值。由于含水率無(wú)法精確控制,在土槽加水調(diào)整前后測(cè)量其含水率為12%與30%,同時(shí)將試驗(yàn)土槽的顆粒粒徑小于0.5mm與粒徑在0.5～1mm之間的分布為均占50%,分別將土壤含水率調(diào)整至35%與15%,開(kāi)溝器行駛速度為0.3m/s。

試驗(yàn)臺(tái)架由土槽、驅(qū)動(dòng)梁、傳動(dòng)齒條和開(kāi)溝裝置等組成,如圖2所示。采用激光測(cè)距儀在開(kāi)溝器后端的5處溝型截面取點(diǎn)繪制截面輪廓,測(cè)距儀在測(cè)量時(shí)保持同一水平位置,每次測(cè)量13個(gè)點(diǎn)。

1.土槽 2.試驗(yàn)小車 3.升降機(jī)構(gòu) 4.機(jī)架 5.導(dǎo)軌 6.移栽動(dòng)力輸入裝置 7.移栽機(jī)構(gòu) 8.電器系統(tǒng)圖2 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The diagram of test bench structure

為了驗(yàn)證仿真回土率的正確性,通過(guò)對(duì)比開(kāi)溝器截面面積與實(shí)測(cè)溝槽截面面積計(jì)算實(shí)際回土率,即

其中,c為溝槽回土率(%),S1為測(cè)量的溝槽截面面積(mm2),S2為開(kāi)溝器整形板的截面面積(mm2)。通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)回土率與仿真回土率對(duì)比并分析誤差,驗(yàn)證仿真模型的正確性,具體結(jié)果如表7所示。

表7 仿真與實(shí)測(cè)回土率對(duì)比Table 7 Comparison of soil return rate between simulation and field measurement

將每處截面的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)求得誤差的平均值,含水率為35%的土槽誤差為5.4%,在含水率為15%的土槽中誤差為8%。

驗(yàn)證試驗(yàn)表明：EDEM仿真結(jié)構(gòu)與實(shí)際測(cè)量值比較近,故EDEM仿真建模具有可靠性。

4 結(jié)論與討論

1)開(kāi)溝器在作業(yè)時(shí),其末端的溝壁不會(huì)立即下落,從而形成一個(gè)提供缽苗定植的空間。缽苗能夠在定植后進(jìn)行覆土,一定程度上提升缽苗栽植的直立度。

2)土壤的含水率對(duì)溝槽回土率有較為顯著的影響,但土壤含水率從13.8%增至21.6%時(shí),溝槽的回土率大幅降低;從21.6%增至31.5%左右時(shí),回土率基本不變;土壤含水率與溝槽回土率的影響呈非線性變化。

3)由于實(shí)際土槽的含水率分布不均勻,土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)與仿真模型的差異偏大,使得仿真結(jié)果與實(shí)際情況存在一定誤差,仿真結(jié)果不能與試驗(yàn)結(jié)果完全吻合。但是溝槽回土率的變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果幾乎相同,并從一定程度上證明了模型的可靠性。