甘薯除草部件設計與仿真研究

邵偉 張文毅 紀要 嚴偉 劉宏俊

摘要：除草部件作為甘薯中耕除草機的關鍵作業部件，其結構與性能將直接影響到機具的作業效果。目前的除草部件結構只能實現溝底除草，但無法實現壟側除草。根據甘薯種植的壟體參數和實際作業需求，設計一種錐體除草部件，該結構的設計能夠增大作業區域，在原有的溝底除草基礎上，增加壟側中耕除草功能，提高機具作業性能。對錐體除草部件的工作參數和結構參數進行理論分析計算，并采用離散元法進行仿真驗證試驗。與傳統除草部件相比較，碎土率提升11.31%，功率提升4.73%，作業覆蓋面積增加133.33%，充分驗證該設計的可行性。

關鍵詞：甘薯；除草；中耕；離散元法

中圖分類號：S224.1+5

文獻標識碼：A

文章編號：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。中國是甘薯最大生產國，擁有主糧化歷史的甘薯，其豐富的加工產品為餐桌化、保健化提供保障［2］?，F階段，甘薯生產對甘薯商品性、品質要求高，想要提高甘薯品質，就要改良品種和提高種植水平。而雜草作為影響甘薯品質和商品性的制約因素之一，它會吸取農作物的水分和營養物質，多年來一直被作為研究的熱點。甘薯的種植模式主要是壟作，目前甘薯除草主要依靠化學除草和人工除草，具有諸多局限性，而機械除草以其諸多優勢，逐漸替代化學除草和人工除草［3］。甘薯機械除草主要與中耕相結合，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，是我國農業精耕細作的重要環節之一［4］。旋耕刀是除草部件的關鍵機構，近年來國內外對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機理，確定了旋耕刀的最佳工作參數及作業的影響規律。熊平原等［6］基于南方土壤環境構建了旋耕刀—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律，為旋耕機作業能耗、刀片損耗等研究提供理論依據。方會敏等［7］對旋耕刀進行了受力分析，并構建了桔?！寥馈断嗷プ饔媚Ｐ蛠硖剿魅咧g的相互作用機理。

目前使用的3ZC-2型甘薯中耕除草機具有除草率低、壓壟、傷壟等缺點，部分原因是其除草部件只能對溝底進行除草，除草覆蓋面積小，對壟側的雜草只能通過覆土的方式來清除；壟側雜草離甘薯苗更近，與甘薯生長爭奪養分，影響甘薯品質。為實現壟側除草，現設計一種錐體除草部件，對關鍵參數進行理論分析計算，并采用離散元法進行仿真驗證試驗。

1 錐體除草部件結構

1.1 甘薯種植壟體參數

錐體除草部件的機構形式及參數需根據甘薯壟體參數來進行設計。由于甘薯種植模式多樣，各地方甘薯起壟參數標準并不一致，在平原地區起壟壟距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

甘薯封壟后進行中耕不易操作，易傷蔓，且封壟后甘薯蔓會阻礙雜草的光合作用，無需再進行中耕除草，故甘薯中耕除草期一般為甘薯苗栽插后一周到封壟前，一般進行2～3次。甘薯栽插后，薯苗苗梢會與移栽機前進方向平行，薯苗苗梢全部都在壟頂中心線位置。在中耕時期，甘薯處于發根緩苗期，此時薯苗栽插入土發根成活，大部分秧苗從葉腋處長出腋芽，枝蔓蔓延至壟側處的情況極少，故錐體除草部件的側刀作業面可以覆蓋壟側大半部分區域，產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構，主要由傳統旋耕刀組和錐體狀側刀組成。能夠實現傳統旋耕刀組對壟底土壤進行旋耕除草的同時，錐體狀側刀對壟側土壤進行微耕除草。傳統旋耕刀組主要由四把旋耕刀和圓盤形刀軸組成，圓盤形刀軸與單體下方的齒輪同軸連接，動力通過萬向節、齒輪箱、傳動軸、單體鏈傳動組傳遞，由拖拉機帶動刀軸轉動。相鄰旋耕刀之間間隔90°，通過交錯的方式固定在圓盤形刀軸上。錐體狀側刀主要由圓盤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個刀片，錐體除草部件結構如圖2所示。

2 錐體除草部件關鍵參數設計

錐體除草部件作為甘薯中耕除草機的關鍵作業部件，其作業性能直接影響了中耕除草的工作質量，作業示意圖如圖3所示，錐體除草部件的設計需要考慮到結構參數和工作參數等因素。

關于錐體除草部件中的傳統旋耕刀組，其結構參數主要有旋耕刀形狀、刀片長度寬度、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，旋耕的深度就越淺，對較硬的土地來說阻力也較小。刀片長度和寬度會影響機器的中耕效率。刀片長度越長、寬度越寬，中耕面積越大，但也會增加機具的重量和阻力［9］。錐體狀側刀的運動參數包括除草部件繞刀軸所做的圓周運動轉速和甘薯中耕除草機前進速度。轉速越快，中耕除草效果越好，但會增加機具作業的噪聲和能耗。甘薯中耕除草機前進速度越快，作業效率越高，但是會增加能耗、降低作業質量等。

2.1 工作參數計算

關于錐體狀側刀的設計，首先要考慮到工作參數。對其作業運動軌跡進行分析，錐體狀側刀的運動可分為機具前進所帶來的勻速直線運動和繞傳動刀軸的勻速圓周運動，其運動分析如圖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，即刀尖與圓周運動切線方向的夾角。其大小會影響到側刀所受到的阻力大小和單個刀片作業面積。若刀片傾角α≤0，則刀背會與未中耕的土壤擠壓，增加機具作業的機械磨損，導致除草部件阻力矩的不均勻波動，機具作業的穩定性變差。刀身在余擺線軌跡線交點處的交點，刀身所在直線與余擺線切線的夾角為θ，若α>θ也會發生刀背與未耕土壤擠壓的情況。查閱相關資料可知，刀背傾角范圍在4°～10°［11］。

3 錐體除草部件離散元仿真試驗

為提高甘薯中耕除草機的中耕除草性能，本文以現有的旋耕刀研究方法為參考依據，采用離散元仿真試驗來模擬錐體除草部件在田間作業，從而探究錐體除草部件的運動參數和結構參數對作業性能的影響。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°。轉換成igs格式后導入EDEM軟件中進行運動仿真驗證試驗。

3.1 離散元模型建立

仿真試驗結果的可靠性依賴于模型參數的設置，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、物體運動參數、仿真步長等因素對仿真的準確性和仿真時間起到關鍵性作用，合理的模型參數設置既可以保證試驗結果的精確，也可以減少仿真運算試驗。

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算機運算時間，設置顆粒半徑大小為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土層環境，展示出中耕除草作業評價指標，在顆粒與顆粒鍵添加Bonding鍵，設置顆粒之間接觸模型為Hertz-Midlin with JKR，滾動摩擦模型為標準滾動模型，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鍵，在受到超過一定大小的剪切應力時，黏結鍵斷裂，顆粒與顆粒分離。該模型可適用于模擬巖石結構、混凝土結構、土壤結構等環境。

在EDEM軟件中，仿真參數主要包括顆粒參數、材料參數、材料與材料間接觸參數，本文通過參考文獻［12］確定土壤顆粒參數。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用較多的IT225型的旋耕刀件。三維模型建立完成后轉換成igs格式后導入EDEM軟件中，目前市面上的旋耕刀材料采用65Mn較多，本仿真試驗選擇旋耕刀模型材料為65Mn，并根據65Mn的材料屬性參數在EDEM中設置好材料參數。具體參數設置如表1所示。

在EDEM軟件中建立一個槽，在槽上方區域建立一個四邊形區域，在此四邊形區域添加顆粒工廠，0～2.4 s時讓土壤顆粒以動態生成的方式在四邊形區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中建立一個壟形壓板，如圖8所示，轉換成igs格式后從土槽上方以1 m/s的速度勻速往下運動，從而在土槽中壓出壟體。通過多次試驗，當從300 mm高度處向下勻速運動1.6 s時，剛好可以壓實壟體且不會使得顆粒受到過度擠壓，能較好地模擬田間土壤環境。

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鍵數量趨于穩定，仿真時間步長參考瑞利波速相關理論［13］，選擇步長時間為20%。最終生成仿真試驗所需的土槽，如圖9所示。

3.2 仿真運動分析

設置好錐體除草部件模型在土槽中的初始位置后，通過Add motion功能對錐體除草部件模型添加一個繞刀軸勻速自轉的驅動和一個水平前進的勻速直線運動，以此來模擬中耕除草作業情景［14］，從后處理分析中導出仿真試驗參數。5～6.6 s為運動仿真時間，錐體除草部件初始坐標和位置如圖10所示。選擇前進速度為1 m/s、轉速為300 r/min。

為了更直觀地觀察土壤顆粒運動情況，仿真運動如圖11所示。

由圖11可得，設置前進速度和轉速從第5 s開始驅動，此時顆粒顏色都為黑色，速度為0；第5.5 s時由于旋耕刀的運動，帶動土壤顆粒的運動，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，此時顆粒由于除草部件的運動下出現土壤擾動，速度還較小且具有一定的加速度。第6 s與第6.5 s為運動仿真俯視圖，從圖中可以看出壟側三分之二區域的顆粒具有一定速度，且通過顆粒顏色與密度可知，側刀可有效對壟側進行中耕除草，且對表面土壤的松土效果較好。

錐體除草部件仿真運動過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動，受力規律為周期性波動，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。通過分析可知，由于除草部件觸土部分并不是對稱的，所以當部件觸土作業時，由于左右兩個錐體除草部件受力不對稱，產生周期性的X軸向和Y軸向的扭矩，扭矩方向會隨著除草部件位置的改變而產生周期性的改變，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生扭矩來實現扭矩平衡。X軸向和Y軸向扭矩過大會加劇對旋耕刀的損耗，影響到機具作業的平穩性。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方向相反，與傳動軸輸出的扭矩形成扭矩平衡，轉速不變時，Z軸向扭矩越大，機具作業功率越大。

輸出仿真試驗結果，以Bond鍵斷裂數和扭矩作為試驗評價指標。其中，鍵斷裂數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具作業的穩定性。試驗得出Bond鍵斷裂數為86 241，平均扭矩為80.53 N·m，仿真運動過程中最大扭矩差值為53.44 N·m。與去除錐體側刀的傳統除草部件仿真試驗結果進行對比，鍵斷裂數為77 483，平均扭矩為76.89 N·m，最大扭矩差值為52.91 N·m。根據試驗結果可得，碎土率提升了11.30%，功率提升了4.7%，扭矩波動無明顯變化，而傳統除草部件作業寬度僅為300 mm，錐體除草部件作業寬度為700 mm，作業覆蓋面積提升了133.33%。試驗結果充分證明了錐體除草部件對比傳統除草部件的優越性，滿足甘薯中耕除草作業的設計需求。

4 結論

1） 根據甘薯種植壟體參數與田間管理需求，設計出甘薯中耕除草機上所使用的錐體除草部件結構，該結構可以彌補傳統除草部件無法對壟側進行除草的缺陷，提高作業性能，并通過對錐體除草部件運動的理論計算與分析，為后續仿真試驗研究提供理論基礎。

2） 在EDEM軟件中建立土壤顆粒模型并生成土槽，導入錐體除草部件模型后進行運動仿真試驗，對試驗過程和結果進行理論分析，以Bond鍵斷裂數和扭矩作為評價指標，相比較于傳統除草部件，碎土率提升了11.3%，功率提升了4.73%，作業覆蓋面積提升了133.33%，驗證了該設計的可行性，展現了相比較于傳統除草部件的優勢，本研究可為錐體除草部件的進一步優化與加工試制提供數據參考和技術支持。

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