預(yù)切種式甘蔗橫向種植機(jī)開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

黃柳益

(北部灣大學(xué)機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535011)

隨著城鎮(zhèn)化的加快，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展速度也隨之增快。耕作制度的變革及耕作的精細(xì)化，對(duì)種植機(jī)的性能要求也越來(lái)越高。作為甘蔗種植大省的廣西，以60%以上的占比引領(lǐng)了全國(guó)的蔗糖種植和生產(chǎn)[1]。但機(jī)械化嚴(yán)重不足導(dǎo)致了其生產(chǎn)效率低，甘蔗淺播問(wèn)題嚴(yán)重影響甘蔗生產(chǎn)效率。國(guó)外種植機(jī)種植效率已經(jīng)高達(dá)18hm2·d-1，而國(guó)內(nèi)穩(wěn)定播種效率在10hm2·d-1[2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同種子和農(nóng)藝種植需求，以開(kāi)溝裝置多種因素影響和各參數(shù)的優(yōu)化為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)開(kāi)溝器進(jìn)行了廣泛研究。賈洪雷[3]等根據(jù)狗獾犬齒的特點(diǎn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)芯鏵式開(kāi)溝器進(jìn)行優(yōu)化仿生設(shè)計(jì)，其開(kāi)溝形的溝深、溝寬、側(cè)壟高和側(cè)壟寬的變異系數(shù)均低于5%。王軍增[4]等設(shè)計(jì)了一種尖角長(zhǎng)翼型開(kāi)溝器，并分析其入土角、入土隙角以及開(kāi)溝器幅寬對(duì)覆土和回土的影響。為了降低開(kāi)溝器犁地阻力同時(shí)提高開(kāi)溝效率，楊文敏[5]等基于離散元法對(duì)立式螺旋開(kāi)溝器開(kāi)溝質(zhì)量做出了評(píng)價(jià)，并為立式螺旋開(kāi)溝器的參數(shù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。王劍[6]等基于現(xiàn)有的咖啡種植開(kāi)溝勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、人工成本高等因素，設(shè)計(jì)了一種適合于小粒咖啡開(kāi)溝的斜置逆轉(zhuǎn)開(kāi)溝器。為能實(shí)現(xiàn)連續(xù)開(kāi)溝、施肥、排放種苗、覆土、蓋膜等一次性作業(yè)，韓杰等對(duì)預(yù)切種式甘蔗種植機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，最終得到最大溝深可達(dá)19.13cm，符合甘蔗種植溝深的標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，現(xiàn)有開(kāi)溝器研究集中于提高開(kāi)溝質(zhì)量、回土、鎮(zhèn)壓，以及滿足不同種子不同株距的開(kāi)溝裝置。為解決現(xiàn)有開(kāi)溝器開(kāi)溝后回土過(guò)多導(dǎo)致播種淺，無(wú)法滿足甘蔗深播的問(wèn)題。本文對(duì)芯鏵式開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其可實(shí)現(xiàn)側(cè)面壓實(shí)。應(yīng)用EDEM設(shè)立相關(guān)參數(shù)，建立反映不同側(cè)翼傾角與土壤顆粒回流量關(guān)系的仿真數(shù)學(xué)模型，模擬開(kāi)溝過(guò)程，最終達(dá)到優(yōu)化目的。

1 開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研需求，滿足預(yù)切種橫向種植要求的雙蔗牙甘蔗長(zhǎng)度約為300mm[7]。本文以標(biāo)準(zhǔn)芯鏵式開(kāi)溝器為基礎(chǔ)，將開(kāi)溝器的側(cè)翼設(shè)計(jì)成有一定傾斜角度，便于側(cè)翼前進(jìn)時(shí)向土壤兩側(cè)推擠、向溝槽面進(jìn)行壓實(shí)，鞏固溝型。

如圖1所示，原有的芯鏵型角尖為入土?xí)r開(kāi)溝器與土壤初始交匯部分，尖角開(kāi)溝器可提升切土能力，故本開(kāi)溝器采用尖角芯鏵型開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)。根據(jù)農(nóng)藝要求及農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[8]可知，入土性能隨著入土角δ變大而性能越差，但入土角過(guò)小芯鏵強(qiáng)度又會(huì)減弱，一般以30°～50°為宜；入土隙角ε為開(kāi)溝器下表面過(guò)尖角點(diǎn)切線與水平面的夾角，一般為5°～10°，過(guò)大會(huì)使溝底不平，過(guò)小則會(huì)使入土性能變差；圖2中的鏵高H過(guò)高會(huì)發(fā)生壅土，增加作業(yè)阻力。開(kāi)溝器的理論開(kāi)溝深度為250～300mm，為保證開(kāi)溝器切削刃口能完全與土壤作用，犁體高度應(yīng)高于開(kāi)溝深度。

圖1 開(kāi)溝器輪廓示意圖

圖2 開(kāi)溝器后視圖

由于雙芽蔗的蔗種長(zhǎng)度約為300mm，為盡可能不破壞耕土面，開(kāi)溝器底面長(zhǎng)度L1可設(shè)為300mm，如圖2所示。根據(jù)圖幾何關(guān)系可知：

(1)

開(kāi)溝器側(cè)翼傾角的不同以及側(cè)翼傾角不同可能會(huì)對(duì)溝型的構(gòu)造有所改變。假設(shè)開(kāi)溝器地面寬度L1固定不變，當(dāng)傾角α角度越小時(shí)，根據(jù)式(1)得L2會(huì)變大，此時(shí)會(huì)使得開(kāi)溝過(guò)淺，溝面過(guò)大。因此，開(kāi)溝裝置作業(yè)效果和開(kāi)溝溝型的差異完全是由開(kāi)溝器側(cè)翼傾角不同引起的。

2 土壤模型建立

為分析土壤對(duì)開(kāi)溝器的影響，觀察顆粒回流情況，分析開(kāi)溝器在土壤中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立相應(yīng)土壤層。廣西甘蔗種植地主要由黃、紅壤組成[9]，此類土壤含水率高并且極為粘重，以20%的土壤含水率(不同含水率的影響作解釋，或者從降雨量和甘蔗種植的春秋季節(jié)分析)作為指標(biāo)，土壤顆粒設(shè)置如表1所示[10]。顆粒之間選用Hertz-mindlin with JKR模型作為離散元仿真的顆粒接觸模型，并且用bonding鍵連接。

表1 仿真參數(shù)

土壤顆粒產(chǎn)生是應(yīng)用仿真軟件提供的Particle Factory TM技術(shù)﹐按照土壤分層設(shè)定生成各種形式的顆粒集合[11]。不同耕土層土壤粒徑不同，為使仿真模型與實(shí)際土壤更貼切且符合種植環(huán)境，對(duì)其分層處理。本文采用EDEM離散元仿真軟件，建立4種土壤顆粒。單球半徑為5mm，生成20000顆。雙球由2個(gè)半徑為5mm的球結(jié)合而成，組合后最大直徑為12mm，生成60000顆，水平三球和三角三球顆粒數(shù)分別為10000顆[12]。設(shè)置顆粒時(shí)選擇Random生成方式，其為初始半徑的0.8～1.2倍，為便于快速下落，在y方向施予-1m·s-1的初速度，最終建立寬1m，長(zhǎng)1.5m，高度為0.3m的土層。如圖3所示。

圖3 土壤模型

3 結(jié)果與分析

運(yùn)用虛擬仿真模擬開(kāi)溝過(guò)程，可直觀地觀察顆粒回流和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在沒(méi)有實(shí)際物體的條件下，驗(yàn)證其結(jié)論是否可靠。側(cè)翼角在55°～90°間取值，作為影響種溝質(zhì)量的主要因素，以開(kāi)溝器作業(yè)種溝顆粒變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，確定傾角最優(yōu)參數(shù)。

3.1 仿真結(jié)果分析

為了確保開(kāi)溝器平穩(wěn)運(yùn)行，獲得雙芽蔗蔗種橫向播種要求的種溝，土壤顆粒設(shè)置在第3秒開(kāi)始形成粘結(jié)鍵，待顆粒相對(duì)靜止后，開(kāi)溝器模型從第4秒開(kāi)始進(jìn)入土壤。

回土量是衡量開(kāi)溝結(jié)果時(shí)的一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)。使用EDEM軟件的Grid Bin Group模塊監(jiān)控一個(gè)截面的顆粒變化數(shù)量，圖4為不同側(cè)翼傾角的開(kāi)溝器進(jìn)入土壤后種溝土壤顆粒的動(dòng)態(tài)變化，開(kāi)溝器側(cè)翼傾角取值范圍為55°～90°。由圖4可知，當(dāng)開(kāi)溝器傾角為90°時(shí)，在6～8s的時(shí)間內(nèi)，表面土壤顆粒回流進(jìn)種溝內(nèi)數(shù)量過(guò)多，表明此開(kāi)溝器開(kāi)溝效果不佳，開(kāi)溝深度不足，種溝表面不齊。當(dāng)改變側(cè)翼傾角角度時(shí)，發(fā)現(xiàn)顆粒數(shù)量回流減少，60°和55°傾角的開(kāi)溝器開(kāi)出種溝后，土壤顆粒回流的上升趨勢(shì)不明顯，可見(jiàn)60°和55°傾角的開(kāi)溝器只有少量泥土顆粒回流進(jìn)已開(kāi)的溝槽內(nèi)，表明種溝平面比較穩(wěn)定，種溝溝壁有一定的堆積性。

圖4 不同側(cè)翼傾角的顆粒回流量

圖5為開(kāi)溝器經(jīng)過(guò)監(jiān)控模塊之后，顆粒相對(duì)靜止后不同側(cè)翼傾角的開(kāi)溝器所開(kāi)出的種溝中所剩的顆粒數(shù)。由圖5可知，傾角越小，種溝遺留的顆粒數(shù)量越少，但考慮到土壤的保墑性能，側(cè)拋土量不宜過(guò)大，且在傾角為55°～60°時(shí)，種溝內(nèi)顆粒數(shù)變化相差無(wú)幾，如再減小意義不大，故選取側(cè)翼傾角為60°的開(kāi)溝器較為合適。

圖5 顆粒靜止后種溝中存留顆粒數(shù)

3.2 開(kāi)溝效果

經(jīng)過(guò)EDEM的后處理圖像分析，圖6為90°傾角的開(kāi)溝器所開(kāi)出的溝型，溝型不明顯且易被表面土層顆粒回土掩埋；芯鏵面兩側(cè)的土壤不斷積累，開(kāi)溝器后方土壤顆粒向溝槽內(nèi)有很大程度回流，會(huì)導(dǎo)致甘蔗種植深度過(guò)淺。而圖7顯示的是60°側(cè)翼傾角的開(kāi)溝器經(jīng)過(guò)土壤層的示意圖，開(kāi)出的溝型較于前者較穩(wěn)定，土壤兩側(cè)有一定的堆積性，溝底平整浮土少，利于蔗種更好地在種溝內(nèi)分布。

圖6 側(cè)翼傾角90°開(kāi)溝器俯視圖

圖7 側(cè)翼傾角60°開(kāi)溝器俯視圖

4 總結(jié)

依據(jù)甘蔗種植要求，對(duì)傳統(tǒng)芯鏵式開(kāi)溝器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)土壤特性采用離散元仿真建立土壤模擬開(kāi)溝模型，給定不同側(cè)翼傾角值，分析開(kāi)溝效果，從土壤回流量圖和不同側(cè)翼角的種溝顆粒變異曲線進(jìn)行仿真分析。仿真優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)開(kāi)溝器側(cè)翼傾角為60°時(shí)，耕后溝底平整，表層兩側(cè)土壤有一定的堆積，溝寬明顯。終止條件下滿足開(kāi)溝程度穩(wěn)定性；保持穩(wěn)定溝型，并利于甘蔗蔗種深耕條件。