油菜缽苗移栽機(jī)成穴器外形優(yōu)化試驗(yàn)研究

全偉,吳明亮,官春云,羅海峰

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，國(guó)家油料改良中心湖南分中心，長(zhǎng)沙 410128)

油菜機(jī)械化缽苗移栽能延長(zhǎng)油菜種植季節(jié)，擴(kuò)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(jī)械可分為開苗溝式移栽機(jī)、鴨嘴栽插式移栽機(jī)和打穴式移栽機(jī)[4-8]。由于打穴式移栽機(jī)采用先成穴后放苗的作業(yè)方式，能保證缽苗的直立，可實(shí)現(xiàn)快速移栽作業(yè)，具有較好的應(yīng)用前景[9-11]。

打穴式移栽機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǎng)杰等[10]分析了圓柱臺(tái)形成穴器的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jì)了雙曲柄多桿膜下方錐形成穴機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，其膜下播種深度合格率達(dá)到92%。周邁樂(lè)等[15]研制了一種探出式蔬菜缽苗打孔移栽機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可交替完成打孔和栽植過(guò)程，其鏟式打孔器能保證穴口對(duì)稱，土壤回流均勻。綜上，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要是對(duì)成穴器能否成型合格孔穴進(jìn)行了大量研究[4，9-18]，但對(duì)成穴器外形的優(yōu)化研究鮮有報(bào)道，而成穴器作為打穴式移栽機(jī)的關(guān)鍵部件，其外形結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)對(duì)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(jī)具與土壤之間的相互作用關(guān)系已成為一種發(fā)展趨勢(shì)[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(duì)象，利用離散元仿真試驗(yàn)與物理驗(yàn)證試驗(yàn)，研究成穴器外形及其工作參數(shù)對(duì)成穴器入土阻力和穴內(nèi)截面回土系數(shù)[12]的影響，對(duì)成穴器外形及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，以獲得一種相對(duì)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(tái)形成穴器為例，去掉機(jī)架上的左側(cè)板)，主要由成穴器、導(dǎo)軌、滑塊、動(dòng)力輸入軸、機(jī)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(jì)為上端大、下端小形狀，有利于成穴時(shí)成穴器順利地刺入土壤。工作時(shí)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(shí)對(duì)土壤產(chǎn)生剪切作用，在達(dá)到一定入土深度后，在齒輪齒條Ⅰ與成穴器復(fù)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(shí)形成孔穴，取土式成穴裝置隨機(jī)具水平運(yùn)動(dòng)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(fù)位完成整個(gè)成穴過(guò)程。

注：1—成穴器；2—導(dǎo)軌；3—滑塊；4—?jiǎng)恿斎胼S；5—機(jī)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(tái)形，上端邊長(zhǎng)為35或50 mm，下端邊長(zhǎng)為25 mm，高為40或45 mm[4，19]。結(jié)合前期研究成果[12]，設(shè)計(jì)孔穴上端尺寸(圓柱臺(tái)形為孔穴穴口橫截面半徑、方錐臺(tái)形為孔穴穴口橫截面邊長(zhǎng)、正菱臺(tái)形為孔穴穴口橫截面對(duì)角線長(zhǎng)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(jì)要求，本文設(shè)計(jì)成穴器組件(以圓柱臺(tái)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(fù)位彈簧、連接銷、圓柱面形右鴨嘴等組成。

1.2 成穴過(guò)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(jì)要求，如圖3所示，利用Pro/E軟件按1∶1的比例建立方錐臺(tái)形、圓柱臺(tái)形、正菱臺(tái)形3種不同的成穴器三維模型(圖3A)，另存為.igs格式導(dǎo)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(diǎn)，方錐臺(tái)形的縱向截面下端尺寸與橫向截面下端尺寸相等，圓柱臺(tái)形與正菱臺(tái)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(jì)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(jì)要求的三種成穴器所成孔穴的上端橫向尺寸分別為L(zhǎng)1、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(yàn)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(dá)不同外形的成穴器在不同下端尺寸及入土深度下對(duì)成穴器入土阻力及穴形質(zhì)量的影響，采用單因素進(jìn)行仿真試驗(yàn)，根據(jù)成穴器結(jié)構(gòu)參數(shù)及孔穴外形尺寸要求，試驗(yàn)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(duì)應(yīng)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?xí)r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(píng)價(jià)指標(biāo)，分析成穴器外形、成穴器結(jié)構(gòu)及作業(yè)參數(shù)對(duì)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(yùn)動(dòng)的水平方向進(jìn)行切片，觀察孔穴形態(tài)，利用 EDEM中tool工具測(cè)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(cè)量、計(jì)算方法及仿真土槽尺寸與文獻(xiàn)[12]一致，仿真試驗(yàn)的土壤樣品為中國(guó)南方黏壤土，取自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心試驗(yàn)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?jǐn)?shù)分別為：1 mm、14.6%，3 mm、75.7%，5 mm、9.8%[12]。

1.3 土槽試驗(yàn)

1.3.1試驗(yàn)條件與設(shè)備 為檢測(cè)仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和成穴器工作的可靠性，試制優(yōu)化后的成穴器樣機(jī)(圓柱臺(tái)形成穴器，下端尺寸為35 mm)，在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程實(shí)訓(xùn)中心數(shù)字化土槽中開展驗(yàn)證試驗(yàn)，以入土阻力及穴內(nèi)截面回土系數(shù)為響應(yīng)值，進(jìn)行孔穴成型土槽試驗(yàn)，將實(shí)測(cè)值與仿真值進(jìn)行對(duì)比分析并計(jì)算兩者的相對(duì)誤差。

土槽試驗(yàn)用土為黏壤土，通過(guò)對(duì)土槽土壤進(jìn)行噴淋灑水、旋耕機(jī)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(yàn)條件基本一致。儀器設(shè)備主要有土槽車、成穴裝置樣機(jī)、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、孔形測(cè)繪器、坐標(biāo)紙、鋼尺、堅(jiān)實(shí)度測(cè)定儀、鋁盒、工具刀、記號(hào)筆等。

1.3.2試驗(yàn)方法 按照文獻(xiàn)[12]方法使土槽土壤與仿真土壤條件一致，土槽試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)9 m，寬1.5 m，機(jī)具前進(jìn)速度為2.58 km·h-1，保證土槽試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)成穴器作業(yè)參數(shù)一致，成穴過(guò)程中成穴器豎直出入土壤(無(wú)水平方向速度)，成穴裝置在測(cè)試區(qū)內(nèi)完成孔穴均勻分布的成穴作業(yè)，共成型20個(gè)孔穴。測(cè)定測(cè)試區(qū)內(nèi)每個(gè)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(cè)量結(jié)果取平均值為試驗(yàn)結(jié)果。

成穴器的入土阻力采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)完成，試驗(yàn)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(yàn)保持一致；孔穴尺寸與穴內(nèi)截面回土系數(shù)測(cè)算方法與文獻(xiàn)[12]中的方法相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 成穴器外形對(duì)孔穴形態(tài)的影響

2.1.1孔穴尺寸對(duì)孔穴形態(tài)的影響 孔穴尺寸的仿真測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1可知，無(wú)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(tái)形成穴器所成孔穴的有效深度在三種成穴器中最小，說(shuō)明正菱臺(tái)形成穴器在成穴過(guò)程中對(duì)穴壁土壤擾動(dòng)較大，造成穴內(nèi)回土較多，導(dǎo)致孔穴有效深度無(wú)法滿足栽植要求。結(jié)合孔穴設(shè)計(jì)要求及表1數(shù)據(jù)可知，在滿足孔穴下端尺寸的設(shè)計(jì)要求前提下，當(dāng)成穴器外形為方錐臺(tái)形，其下端尺寸為35、45 mm時(shí)所成孔穴均滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)成穴器外形為圓柱臺(tái)形，其下端尺寸為35 mm時(shí)所成孔穴均滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，當(dāng)下端尺寸分別為25、45 mm，入土深度為70 mm時(shí)所成孔穴也能滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)成穴器外形為正菱臺(tái)形，僅在其下端尺寸為35 mm，入土深度分別為65、70 mm時(shí)所成孔穴滿足設(shè)計(jì)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(duì)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(tái)形成穴器、圓柱臺(tái)形成穴器、正菱臺(tái)形成穴器。為使表達(dá)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(zhǎng)方向穴形截面圖放在同一個(gè)圖中進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)三種成穴器的下端尺寸一致，入土深度為65 mm時(shí)，成穴器所成孔穴的實(shí)際深度分別為64、63、59 mm，入土深度為70 mm時(shí)，所成孔穴的實(shí)際深度分別為68、69、67 mm；三種成穴器所成孔穴的實(shí)際深度基本無(wú)差異，但滿足設(shè)計(jì)要求的孔穴有效深度正菱臺(tái)形最小，方錐臺(tái)形與圓柱臺(tái)形相近；三種成穴器的縱長(zhǎng)方向穴形截面積與理論穴形截面積的差值以正菱臺(tái)形最大，說(shuō)明正菱臺(tái)形成穴器所成孔穴的穴內(nèi)回土量最大。當(dāng)成穴器的下端尺寸一致，入土深度均為65 mm時(shí)，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(tái)形成穴器、方錐臺(tái)形成穴器、圓柱臺(tái)形成穴器；正菱臺(tái)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(tái)形與圓柱臺(tái)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(shuō)明正菱臺(tái)形成穴器成穴過(guò)程中穴口處土壤回流較多，導(dǎo)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(shí)，三種成穴器的有效深度與穴內(nèi)回土量均呈增加趨勢(shì)，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(duì)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(shí)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(tái)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(tái)形、圓柱臺(tái)形、正菱臺(tái)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(shì)；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(tái)形、方錐臺(tái)形、圓柱臺(tái)形，其中，正菱臺(tái)形成穴器的穴內(nèi)截面回土系數(shù)遠(yuǎn)大于方錐臺(tái)形與圓柱臺(tái)形成穴器，說(shuō)明正菱臺(tái)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(yàn)條件下，綜合分析孔穴形態(tài)及表2數(shù)據(jù)可知，圓柱臺(tái)形成穴器是相對(duì)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(duì)較優(yōu)，確定較優(yōu)的圓柱臺(tái)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(yàn)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(shì)，成穴器入土深度在0—30 mm時(shí)入土阻力增加較為平緩，在30—65 mm時(shí)阻力急劇上升，其變化趨勢(shì)與仿真試驗(yàn)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(yàn)中圓柱臺(tái)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(yàn)值均大于仿真值，孔穴有效深度與入土阻力的試驗(yàn)值均小于仿真值；本試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的相對(duì)誤差分別為5.7%、6.9%、5.3%、22.2%，在合理誤差范圍內(nèi)，驗(yàn)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(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison the results of simulation and soil-bin test

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

3 討論

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(dòng)式油菜移栽成穴裝置，通過(guò)離散元法模擬其成穴作業(yè)效果；劉振亞等[27]對(duì)打孔式油菜移栽機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該機(jī)可在移栽機(jī)水平運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)垂直打孔；韓長(zhǎng)杰等[28]研制了一款旋轉(zhuǎn)式打穴機(jī)構(gòu)，用于壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽；全偉等[12]對(duì)取土式與擠壓式兩種成穴方式進(jìn)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(duì)三種不同外形結(jié)構(gòu)的成穴器進(jìn)行研究，采用虛擬仿真與土槽試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)不同外形成穴器的成穴過(guò)程進(jìn)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(tái)形，其作業(yè)參數(shù)為下端尺寸35 mm、入土深度65 mm。通過(guò)土槽試驗(yàn)與EDEM仿真試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，成型孔穴能滿足設(shè)計(jì)要求，仿真與土槽試驗(yàn)的誤差在合理范圍之內(nèi)。

本文通過(guò)仿真和土槽試驗(yàn)對(duì)成穴器外形及其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，降低了成穴作業(yè)過(guò)程中的入土阻力及穴內(nèi)回土量。為打穴式移栽機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，為成穴機(jī)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(jìn)一步研究。

本文將成穴器作為一個(gè)獨(dú)立的主體進(jìn)行研究，要實(shí)現(xiàn)油菜移栽全程機(jī)械化作業(yè)，后期應(yīng)考慮成穴裝置與取、送苗裝置、栽植機(jī)構(gòu)等之間的匹配問(wèn)題。