油菜鋪膜打孔播種機滾動式割膜打孔裝置設計與試驗

廖慶喜 裴立民 張青松 王 磊 羅湛程 符明聯

(1.華中農業大學工學院,武漢 430070; 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室,武漢 430070;3.云南省農業科學院經濟作物研究所,昆明 650000)

0 引言

我國油菜種植以冬油菜和春油菜為主,春油菜主要分布在新疆、青海、甘肅等北方地區,種植面積約占總面積的15%,干旱和低溫冷凍害是影響春油菜生長發育和產量的重要因素[1-2]。油菜鋪膜播種技術能有效改善土壤水熱條件,提高水分利用效率,具有顯著的增產效應[3-4]。油菜鋪膜打孔播種機能夠一次完成旋耕、開溝播種、鋪膜和膜上打孔等多重作業工序,省時省力。滾動式割膜打孔裝置作為油菜鋪膜打孔播種機的關鍵裝置,其性能對整機作業質量至關重要,在實際工作過程中存在膜孔尺寸偏大和膜孔粘連等問題,影響種子生長發育。

國內外相關學者為提高打孔裝置性能,分別從整體結構、驅動方式以及成孔部件結構形式等方面進行了打孔裝置的改進設計。整體結構改進方面,石林榕等[5]基于平行轉動導桿機構驅動平行四桿機構的原理設計了一種前進速度補償機構,具有膜孔尺寸較小,且不存在撕膜、挑膜等優點;趙武云等[6]為解決傳統穴播器存在撕膜、挑膜、種穴與幼苗錯位等問題,基于凸輪-曲柄滑塊機構和運動放大機構設計了一種玉米全膜雙壟溝直插式穴播機;ISMAIL等[7]基于四桿機構設計了一種膜上打孔機構,通過改變曲柄長度調節入土深度,實現了膜上垂直打孔。驅動方式改進方面,王松林[8]利用空氣壓縮機產生的高壓氣體驅動成穴器高速往復運動,有效解決了現有直插式穴播機工作效率低、插入阻力大、撕膜及穴孔與膜孔錯位等問題;王平[9]為解決現有玉米成穴機構存在撕膜、刮膜等問題,利用電機給轉動導桿提供動力驅動四桿機構設計了一種直插式成穴打孔裝置;LAWRENCE等[10]基于控制算法設計了一種氣動式打孔裝置,能夠實現多種作物不同孔距、不同膜孔尺寸的靈活調整,有效解決了膜孔形狀不規則等問題。成孔部件結構形式改進方面,廖慶喜等[11]針對傳統膜上打孔機構龐大復雜、工作時易撕挑地膜等問題,設計了一種法蘭式滾輪與螺紋式圓錐型錐釘組合式結構的打孔裝置;侯守印等[12]為解決秸稈纖維基地膜覆膜播種時膜孔尺寸大、形狀不規則、播種質量差等問題,設計了一種側開式滑切破膜精量播種單體;意大利FORIGO公司研制的MODULA JET系列鋪膜打孔播種機[13],通過傳感器檢測種子落種位置,設計了一種電動式圓錐型錐釘打孔裝置,解決了撕膜、挑膜以及膜孔與種子錯位等問題;韓國Jang Automation Co.,Ltd公司研制的JRSM系列鋪膜播種機[14],通過電機驅動刀片繞整機前進方向旋轉,避免了與土壤接觸,能夠在地膜上形成垂直于整機前進方向的一字型膜孔。綜上,國內外學者針對膜上打孔裝置從不同方面進行了改進設計,但主要集中在玉米、大豆等中大粒徑作物,針對油菜鋪膜播種的專用膜上打孔裝置研究相對較少,尤其對應用滑切原理破膜成孔的滾動式割膜打孔裝置研究鮮見報道。

本文結合春油菜種植農藝要求,基于滑切原理設計一種滾動式割膜打孔裝置,其主要由打孔裝置和仿形機構組成。確定打孔裝置和仿形機構結構參數,建立打孔裝置運動學模型,分析確定影響膜孔長度的主要因素及其取值范圍。運用DEM-MFBD耦合仿真,確定較優參數組合,開展滾動式割膜打孔裝置田間試驗驗證其設計的合理性,以期為油菜鋪膜播種割膜打孔裝置設計提供參考。

1 總體結構及工作過程

1.1 油菜鋪膜播種農藝要求

油菜種子小,頂土能力弱,要求土層深厚、疏松、肥沃,需要深耕細作、精細整地[15]。春油菜種植要求行距為200～250 mm,穴距為100～150 mm,播種深度30～40 mm[16-17]。根據油菜鋪膜種植農藝要求,本文設計機具采用8行播種,行距為200 mm,為保證膜邊完全被壓入土壤,選用寬度為2000 mm、厚度為0.01 mm的銀色地膜。膜孔的最小尺寸由每穴種子在種溝的分布范圍決定,為抑制雜草生長,最大膜孔尺寸通常小于50 mm[11,18]。本機具所用排種器經臺架試驗得到沿整機前進方向的種子分布長度大多在30 mm之內,垂直于整機前進方向的種子分布寬度大多在25 mm之內,因此確定膜孔長度為30～50 mm,膜孔寬度為25～50 mm。

1.2 總體結構

油菜鋪膜打孔播種機主要有開溝犁、三點懸掛、旋耕裝置、排肥裝置、開溝播種裝置、鋪膜裝置、滾動式割膜打孔裝置、膜側覆土裝置等組成,可一次完成旋耕、開溝播種、鋪膜、膜上打孔等功能。其中滾動式割膜打孔裝置為其核心部件,主要由8個等距依次排列的打孔裝置和仿形機構組成。油菜鋪膜打孔播種機和滾動式割膜打孔裝置結構如圖1所示,其主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

圖1 油菜鋪膜打孔播種機及滾動式割膜打孔裝置結構示意圖

1.3 工作過程

油菜鋪膜打孔播種機工作過程如圖2所示,作業時旋耕裝置對施有肥料的地表進行旋耕整地,開溝播種裝置在旋耕完成后的種床上開溝播種,鋪膜裝置將地膜鋪設在已播種地面,膜側覆土裝置壓膜輪將地膜兩側壓緊,膜側覆土圓盤將側邊土壤填入廂溝鎮壓兩側膜邊,滾動式割膜打孔裝置的打孔裝置在鋪膜種床上連續滾動進行割膜打孔作業。作業時,割膜刀縱向刀片的刀尖扎破地膜,縱向刀片兩側刀刃在逐步進入地膜的過程中沿整機前進方向切割地膜,橫向刀片兩側刀刃的刀尖進入地膜后,沿垂直于整機方向切割地膜,直到割膜刀完全離開膜孔,完成割膜打孔作業。膜孔長度即割膜刀縱向刀片在破膜過程中形成沿整機前進方向撕裂地膜的長度;膜孔寬度即割膜刀橫向刀片在作業過程中形成垂直于整機前進方向撕裂地膜的長度。

圖2 油菜鋪膜打孔播種機工作過程圖

2 關鍵部件結構設計與分析

2.1 打孔裝置設計與破膜過程

打孔裝置主要由打孔滾筒、割膜刀、安裝管等組成。割膜刀是打孔裝置的核心部件,由焊接螺柱、連接板、縱向刀片(平行整機前進方向)、橫向刀片(垂直整機前進方向)等組成,其結構如圖3所示。

圖3 打孔裝置及割膜刀結構示意圖

2.1.1打孔裝置破膜過程

在打孔裝置運動過程中,割膜刀縱向刀片對地膜的壓力和縱向刀片與地膜接觸點的速度隨著打孔裝置的運動而變化,從而導致割膜刀縱向刀片刀刃AB和AC切割地膜的滑切角變化。為保證割膜刀切割地膜時滑切效果始終存在,對打孔裝置破膜過程進行了分析,以確定割膜刀縱向刀片刀刃AB、AC和橫向刀片切割地膜時的最小滑切角位置。

打孔裝置破膜過程如圖4所示,圖中Fn1為縱向刀片刀刃AB對地膜壓力,Fn2為縱向刀片刀刃AC對地膜壓力,τr為縱向刀片刀尖接觸地膜時刀尖相對速度與水平面的夾角,τn為縱向刀片刀尖接觸地膜時刀尖對地膜壓力與水平面夾角,vr、va和ve為縱向刀片刀刃上與地膜接觸點的相對速度、絕對速度和牽連速度。絕對速度與刀刃到地膜壓力的夾角即為滑切角,其中τ1為刀刃AB與地膜滑切角,τ2為刀刃AC與地膜滑切角。

圖4 打孔裝置破膜過程圖

所設計的打孔裝置在牽引力和摩擦阻力的作用下,以直線和旋轉的復合運動向前滾動,v為整機前進速度,ωd為打孔裝置轉動角速度。取打孔裝置的單一割膜刀為研究對象,作業時割膜刀縱向刀片刀尖點A先與地膜接觸,扎破地膜(圖4a),隨后在割膜刀運動到最低點的過程中,割膜刀縱向刀片刀刃AB向前下方運動并滑切破膜(圖4b),直到縱向刀片關鍵點B運動到地膜下方。這個過程中τr和τn以打孔裝置旋轉角度逐漸減小,因此相對速度vr與絕對速度va夾角以及Fn1與va的夾角均逐漸增加,絕對速度由相對速度和牽連速度共同決定,因此相對速度vr與絕對速度va夾角增加角度小于Fn1與va的夾角,即這個過程中刀刃AB與地膜滑切角逐漸增加,當縱向刀片關鍵點B運動地膜下方到刀尖A運動到最低點,刀刃AB不切割地膜。因此從刀尖A接觸地膜到運動到最低點過程中,刀尖剛接觸地膜時刀刃AB與地膜滑切角最小。

當刀尖A運動到最低點后(圖4c),刀刃AB向后上方運動滑切破膜(圖4d),直至完全退出地膜,這個過程中,τ1>90°,滑切一直存在,不需要分析最小滑切角。

割膜刀縱向刀片刀刃AC在刀尖A運動到最低點的過程中,向前下方運動切割地膜(圖4e),這個過程中,刀刃AC與地膜滑切角τ2逐漸減小,即刀尖A運動到最低點時,刀刃AC與地膜滑切角最小。當運動到最低點后(圖4f),刀刃AC向后上方運動不切割地膜,隨機具前進退出地膜(圖4d)。

在縱向刀片刀尖點A運動到最低點的過程中,橫向刀片切割地膜,運動到最低點后,向后上方運動不切割地膜,橫向刀片在作業過程中與地膜的滑切角保持不變。

2.1.2打孔滾筒設計

(1)打孔滾筒直徑

打孔裝置在割膜打孔的同時通過鏈傳動給窩眼輪排種器提供動力,打孔滾筒直徑計算式為

(1)

式中Dg——打孔滾筒直徑,mm

S——油菜種植穴距,mm

Zw——窩眼輪型孔數

δ——打孔裝置與鋪膜地面滑移系數

i——打孔裝置與窩眼輪排種器傳動比

結合春油菜鋪膜播種農藝要求,設計穴距S為140 mm,窩眼輪排種器型孔數Zw為12,設計打孔裝置與窩眼輪式排種器傳動比為2,打孔裝置與鋪膜地面滑移系數一般為5%～12%[19],取試驗測得值8%,由式(1)計算得出打孔滾筒直徑Dg為247.57 mm,取整為250 mm。

打孔滾筒同時起到鎮壓土壤的作用,而壓實效果與打孔滾筒直徑有很大相關性。輪徑過小鎮壓效果不明顯,同時會導致滑移系數增大,因此打孔滾筒直徑不宜過小,一般取200～500 mm為宜[20],經式(1)計算得到的打孔滾筒直徑Dg=250 mm可滿足設計要求。

(2)打孔滾筒寬度

打孔滾筒寬度應大于開溝器開溝寬度同時小于油菜種植行距,且應便于打孔裝置安裝與拆卸。油菜鋪膜打孔播種機的開溝寬度為40 mm,播種行距為200 mm,本文將打孔滾筒寬度Bw設計為80 mm。

2.1.3割膜刀設計與分析

(1)割膜刀滑切分析

由打孔裝置破膜過程分析可知,打孔裝置作業時,縱向刀片刀刃AB、AC與地膜的滑切角隨著打孔裝置的運動而變化,刀刃AB與地膜的滑切角在刀尖剛接觸時最小,刀刃AC與地膜滑切角在刀尖運動到最低點時最小;而橫向刀片在運動過程中滑切角為定值。為保證割膜刀在運動過程中與地膜間存在滑切效果,即割膜刀刀刃絕對速度方向與刀刃即不平行也不垂直。對刀刃AB、刀刃AC切割地膜滑切角最小時和橫向刀片切割破膜時進行受力分析,如圖5所示。

圖5 割膜刀滑切受力分析圖

圖5a為刀刃AB切割地膜時的最小滑切角受力分析圖,為保證刀刃AB切割地膜時存在滑切,應滿足

(2)

式中f1——刀刃AB割膜過程與地膜摩擦力,N

T1——地膜受到刀刃AB的切向力,N

ψ——地膜與刀刃間的摩擦角,(°)

由式(2)化簡可得

(3)

圖5b為刀刃AC切割地膜時的最小滑切角受力分析圖,為使刀刃AC與地膜存在相對滑動,應滿足

(4)

式中f2——刀刃AC割膜過程與地膜摩擦力,N

T2——地膜受到刀刃AC切向力,N

由式(4)化簡可得

(5)

圖5c為橫向刀片切割地膜時的滑切角受力分析圖,橫向刀片與地膜存在滑切應滿足

(6)

式中f3——橫向刀片割膜過程與地膜摩擦力,N

T3——地膜受到橫向刀片切向力,N

τ3——橫向刀片與地膜間摩擦角,(°)

由式(6)化簡可得

tanτ3>tanψ

(7)

由式(3)、(5)、(7)可知,為保證割膜刀割膜過程中存在滑切效果,則刀刃AB、刀刃AC與地膜的最小滑切角τ1、τ2以及橫向刀片與地膜滑切角τ3均大于刀刃與地膜的摩擦角ψ,刀刃與地膜的摩擦因數為0.33[21],對應的摩擦角為18°,因此割膜刀最小滑切角應大于該摩擦角,即大于18°。

(2)割膜刀縱向刀片設計

縱向刀片長度是決定膜孔長度的重要因素,膜孔過大易給雜草滋生提供空間,而膜孔過小則會影響油菜種子生長,其主要參數為縱向刀片長度l、縱向刀片高度h、縱向刀片頂角αz,如圖6a所示。本機具所用窩眼輪排種器每穴播種2～4粒,且投種方式為低位投種,投種高度為60 mm,種子彈跳范圍較小[22]。經前期臺架試驗得到窩眼輪排種器投種高度為60 mm時,種子彈跳范圍小于30 mm,縱向刀片長度應大于種子彈跳范圍,且為抑制雜草生長,膜孔不能過大。縱向刀片近似為三角形,為確保縱向刀片刀尖易于扎破地膜,且在破膜過程中應保證縱向刀片滑切效果存在,即縱向刀片刀刃AB和AC的最小滑切角應大于刀刃與地膜間的摩擦角。結合圖5a、5b、6a,縱向刀片相關參數應滿足

圖6 割膜刀結構參數示意圖

(8)

式中Zh——打孔裝置下陷深度,mm

τd——縱向刀片刀刃頂角的一半,(°)

R——打孔滾筒半徑,mm

下陷深度取5 mm,則由式(8)分析并確定割膜刀縱向刀片長度為30～40 mm,縱向刀片高度為 30～35 mm。

(3)割膜刀橫向刀片設計

橫向刀片相關參數如圖6b所示,橫向刀片長度l1是影響膜孔寬度的重要因素,為減小割膜刀作業時阻力,橫向刀片長度l1應小于開溝器寬度40 mm;為便于割膜刀縱向刀片刀尖扎破地膜,橫向刀片高度h1應小于縱向刀片高度,且在破膜過程中應保證橫向刀片滑切效果存在。結合圖5c和圖6b,橫向刀片設計應滿足

(9)

其中

式中lt——橫向刀片刀刃底部與縱向刀片距離,mm

lh——橫向刀片刀刃寬度,mm

lm——刀片厚度,mm

αr——刃口角,(°)

將刀片厚度lm設計為2 mm,刃口角設計為30°,由式(9)綜合分析將橫向刀片寬度設計為30 mm,橫向刀片高度設計為25 mm。

(4)割膜刀數量確定

割膜刀數量主要由油菜播種穴距、打孔滾筒結構參數以及割膜刀縱向刀片高度確定,計算式為

(10)

式中Z——割膜刀數量

其中打孔滾筒直徑Dg為250 mm,割膜刀高度為30～35 mm,計算得到Z為6.96～7.18,因此割膜刀數量取7。當割膜刀數量取7時,由式(10)可以得到穴距為139.13～143.62 mm,滿足設計要求。

2.1.4打孔裝置運動軌跡

滾動式割膜打孔裝置中的8個打孔裝置在實際作業過程中運動形式相同,取單一打孔裝置為研究對象。在整機前進過程中,打孔裝置向前作平面運動,割膜刀連續進入種床上鋪設地膜,形成十字型膜孔。膜孔長度和膜孔寬度是衡量割膜刀工作質量的重要指標,前期試驗表明膜孔寬度在作業過程中無明顯變化,約等于橫向刀片寬度;而膜孔長度主要由割膜刀縱向刀片的運動軌跡決定,取打孔裝置上單一割膜刀為研究對象,建立如圖7所示直角坐標系。

打孔裝置運動軌跡參數方程為

(11)

式中Rh——打孔裝置中心與割膜刀尖距離,mm

θ——割膜刀上任一點與中心線的夾角,(°)

α——打孔裝置轉動角度,(°)

t——打孔裝置運動時間,s

R0——打孔裝置實際滾動半徑,mm

r——割膜刀縱向刀片上任一點與打孔裝置中心距離,mm

由式(11)得到打孔裝置的運動速度方程為

(12)

式中vx——割膜刀上任一點水平方向分速度,km/h

vy——割膜刀上任一點豎直方向分速度,km/h

由打孔裝置割膜打孔原理知,割膜刀以擺線軌跡完成破膜打孔,且在余擺線環扣的最大橫弦上,存在水平方向上絕對分速度為零的點,此時vx=0,則有

(13)

式中λ——打孔裝置運動軌跡的特征參數

λ是機具前進速度與打孔裝置回轉速度的比值,其決定了打孔裝置運動軌跡,λ的取值分為λ>1、λ=1和λ<1共3種情況[23]。當λ>1時,打孔裝置運動軌跡為短擺線;當λ=1時,打孔裝置運動軌跡為一般擺線;當λ<1時,打孔裝置運動軌跡為長幅旋輪線。易知打孔裝置在實際作業中受到重力、仿形裝置中彈簧壓力等作用力和滑移的影響,打孔裝置實際滾動半徑R0

2.1.5膜孔尺寸分析

割膜刀縱向刀片所形成的膜孔運動軌跡線可由abOcd輪廓曲線表示,主要包括ab、bc、cd段3部分,如圖8所示。其中ab段為縱向刀片刀刃AB運動軌跡線的一部分。ab段的參數方程為

圖8 膜孔尺寸分析簡圖

(14)

式中φ1——縱向刀片關鍵點B與軸中心O2的連線和縱向刀片中線的夾角,(°)

α1——從最低點到離開地膜的過程中縱向刀片轉動角度,(°)

bc段為縱向刀片刀尖點A形成的運動軌跡線的一部分,其參數方程為

(15)

式中α3——縱向刀片刀尖點A的轉動角,(°)

cd段為縱向刀片刀刃AC運動軌跡線的一部分,其參數方程為

(16)

其中

(17)

式中φ2——縱向刀片關鍵點C與軸中心O1的連線和縱向刀片中線的夾角,(°)

α2——從刀尖點A開始接觸地膜到最低點的過程中縱向刀片轉動角,(°)

由圖8可知,地膜與膜孔輪廓曲線的交點a和d之間的距離即為理論膜孔長度,主要由縱向刀片關鍵點B和C的軌跡決定,由式(14)～(17)可得點a和點d的坐標,兩點x軸坐標差的絕對值即為膜孔長度理論值Wk,打孔裝置的結構和運動軌跡均呈對稱性,因此膜孔長度理論值Wk為

Wk=|xd-xa|=2|xd|=

(18)

式中h′——縱向刀片刀尖與地面距離,mm

由式(18)可知,膜孔長度主要與縱向刀片長度、縱向刀片高度以及打孔滾筒半徑有關。基于打孔裝置相關結構參數分析得到膜孔長度理論范圍為32.72～47.44 mm,可以滿足油菜生長要求。

2.2 仿形機構設計

由于土壤阻力的不同和地形起伏變化等因素影響,打孔裝置在作業過程中易造成地膜受力撕裂破損。因此設計仿形機構以保證滾動式割膜打孔裝置在作業過程中隨地形起伏變化,減小地膜受力,降低地膜破損。

2.2.1仿形機構受力分析

仿形機構對稱布置,且在受力平衡時,滾動式割膜打孔裝置才能穩定工作[24]。仿形機構在工作過程中受力情況如圖9所示。

圖9 滾動式割膜打孔裝置受力簡圖

滾動式割膜打孔裝置穩定工作時在xy平面上的受力平衡方程為

Fx+f+F2=0

(19)

Fy-G-T+F1=0

(20)

(F1-G)(l0-h0tanβ)cosβ-

Tl0cosβ-F2ly+fH=0

(21)

其中

f=μF1

T=K(X+X0)

式中Fx——機架對仿形桿的水平拉力,N

Fy——機架對仿形桿的垂直拉力,N

F1——地表對滾動式割膜打孔裝置支持力的一半,N

F2——機架對彈簧桿的拉力,N

f——滾動式割膜打孔裝置所受阻力,N

μ——打孔裝置與地膜滑動摩擦因數

G——滾動式割膜打孔裝置總重的一半,N

T——仿形彈簧壓力,N

β——仿形桿牽引角,(°)

l0——仿形桿長度,mm

ly——固定桿與仿形桿鉸接點垂直距離,mm

h0——打孔裝置中心與彈簧桿鉸接點距離,mm

K——仿形彈簧剛度,N/m

X——仿形彈簧壓縮量,mm

X0——仿形彈簧初始壓縮量,mm

H——仿形桿鉸接點與地面距離,mm

由式(19)～(21)得到

(22)

由式(22)可知,地表對滾動式割膜打孔裝置支持力主要與滾動式割膜打孔裝置總重、仿形機構各桿結構參數、彈簧剛度、彈簧初始增量、打孔滾筒直徑以及牽引角等因素有關。地表對滾動式割膜打孔裝置支持力即滾動式割膜打孔裝置對地膜豎直方向的反作用力,作用力過小會影響打孔裝置作業效果,且容易出現滑移影響開溝播種裝置和鋪膜裝置作業效果;作用力過大則容易導致地膜破損,影響整機作業質量。

2.2.2仿形機構參數設計

仿形機構結構參數對滾動式割膜打孔裝置工作性能有直接的影響。由式(22)可知,在仿形桿鉸接點與地面距離H一定時,影響滾動式割膜打孔裝置穩定性的主要因素為仿形桿長度l0和仿形桿初始牽引角β0。本文所設計仿形機構為整體仿形,因此僅考慮上仿形量。當仿形桿向上仿形時,其仿形量h1為

h1=H-R-l0sin(β0-β1)-h0cos(β0-β1)

(23)

式中β1——仿形桿向上仿形擺角,(°)

由式(23)可知,在仿形量一定的情況下,仿形桿長度l0越大,牽引角變化范圍越小,即仿形桿越長打孔裝置在越過凸起時擺動越小,打孔裝置運行越平穩。

仿形機構的仿形量主要由地表狀況和作業性能決定,一般情況下仿形量為80～100 mm[25-27]。滾動式割膜打孔裝置在旋耕后地表作業,地表較為平整,因此將仿形量h1設計為80 mm。考慮到整機空間結構和質心位置的影響,仿形機構結構尺寸不能過大,參考《農業機械手冊》[28],確定初始牽引角β0為10°,向上仿形擺角設計0°。式(23)中,仿形桿鉸接點與地面距離H為310 mm,打孔裝置中心與彈簧桿鉸接點距離h0為50 mm,計算得到仿形桿長度l0=321.10 mm,取整為320 mm。

2.3 打孔播種過程分析

油菜鋪膜打孔播種機所用窩眼輪排種器投種角γp為0°,油菜種子脫離型孔的投種點位于排種輪的最下方,在投種點處建立直角坐標系,如圖10所示,設投種點到種溝的距離(投種高度)為Ht,投種點處油菜種子從離開型孔到落入種溝向前移動的水平距離為x1。

圖10 打孔播種過程分析圖

投種點處油菜種子的運動方程為

(24)

其中

(25)

式中t1——種子脫離型孔后到種溝的運動時間,s

vx1——種子脫離型孔后沿水平方向速度,m/s

g——重力加速度,m/s2

ωp——排種盤轉動角速度,rad/s

dp——排種盤直徑,mm

由式(24)、(25)可得

(26)

投種高度Ht為60 mm,整機前進速度v為3～5 km/h,排種盤直徑為60 mm,由式(26)可得投種點處油菜種子水平移動距離x1為82～136 mm。

打孔裝置中心到排種盤中心的水平距離為x2,為保證膜孔恰好在油菜種子上方,打孔裝置中心到排種盤中心的距離為

x2=NS-x1

(27)

式中N——打孔點和落種點間隔穴距數量

基于整機空間布局和裝配安裝方便,本文選取打孔點和落種點間隔穴距數量N為4,由式(27)可得打孔裝置中心到排種盤中心距離為424～478 mm,并經試驗確定為460 mm。

3 打孔裝置割膜成孔仿真分析

在機具作業過程中,打孔裝置在鋪膜地面土壤的作用下被動旋轉,需要采用離散元法進行分析;打孔裝置的作業效果可由割膜刀片上關鍵點的運動軌跡確定,且地膜為柔性體,需要應用多體動力學軟件進行分析;而常用的離散元仿真軟件與多體動力學軟件均無法單獨完成上述仿真分析要求。因此采用DEM-MFBD耦合仿真進行相關分析。

3.1 多體動力學仿真模型

在SolidWorks中完成帶有轉軸的打孔裝置和地膜的建模與裝配,將裝配好的打孔裝置和地膜模型轉化為x_t格式導入RecurDyn中建立動力學模型。在RecurDyn仿真軟件中,使用Library模塊將帶有轉軸的打孔裝置材料設定為steel,在Flexible模塊中對地膜進行網格劃分,選用的網格單元類型為殼單元Shell4(Quad4),基于計算精度和時間的考慮定義最小網格邊長為4 mm,劃分的網格節點數為114 152、單元個數為114 150,并添加柔性化后地膜的材料屬性,如表2所示[11,29-30];通過Boundary Condition將地膜四端固定以更加接近鋪膜完成的地膜真實狀態;為便于添加接觸和導出wall.文件,將地膜通過Patchset創建為片集;在打孔裝置和轉軸之間添加旋轉副,將轉軸以Ground為參考系添加為沿x軸方向直線運動的移動副,方向與整機前進速度相同并為轉軸移動副添加驅動類型為velocity(time)的驅動函數,其函數表達式為step(time,0,0,0.1,vx),即在0～0.1 s內,轉軸與地面移動副的作業速度由0 m/s變化為vx達到預定作業速度;同時將打孔裝置與地膜添加接觸類型為Geo surface的接觸,相關接觸參數的設定如表2所示[31-32]。由前文膜孔尺寸分析可知,膜孔長度主要由割膜刀縱向刀片關鍵點B和C的運動軌跡確定;膜孔孔距由縱向刀片關鍵點A的運動軌跡確定,即相鄰兩個割膜刀關鍵點A的運動軌跡的最低點間的距離即為膜孔孔距。在RecurDyn中Trace模塊下將縱向刀片關鍵點A、B和C標記,并在仿真完成后得到其軌跡曲線,在Matlab中得到相關試驗數據。

表2 仿真模型相關參數

3.2 離散元仿真模型

將RecurDyn中建立的打孔裝置和地膜仿真模型以wall.文件的形式導出,在保證EDEM和RecurDyn耦合接口連接的情況下,通過EDEM中Geometries模塊下的Import Geometry from RecurDyn功能將生成的wall.文件導入EDEM。

由于打孔裝置作業種床為旋耕后土壤,土壤較為松軟、破碎,因此土壤顆粒選取球顆粒建模,其半徑設定為6 mm,土壤顆粒-土壤顆粒、土壤顆粒-割膜機構接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no-slip),仿真試驗所用參數設置如表2所示[32-33]。結合仿真試驗相關要求和計算機性能建立長×寬×高為3 000 mm×300 mm×100 mm的種床模型,耦合仿真模型如圖11所示。

圖11 耦合仿真模型圖

3.3 試驗設計

由打孔裝置運動分析和膜孔尺寸分析可知,整機前進速度、割膜刀縱向刀片的長度和高度決定其運動軌跡和作業效果,以整機前進速度、縱向刀片長度、縱向刀片高度為試驗因素開展仿真試驗。

在作業過程中膜孔長度受割膜刀縱向刀片運動軌跡影響,因此以膜孔長度Y1作為打孔裝置評價指標;本文設計機具播種穴距為140 mm,為保證膜孔與種穴對應,故以膜孔間距與春油菜播種穴距的差作為評價指標Y2,簡稱孔距差值。如圖12所示,P1、P2之間的距離即為膜孔長度,P3、P4的距離即為膜孔間距。

圖12 打孔裝置運動軌跡

仿真試驗采用三因素三水平回歸正交試驗方法[34],各試驗因素編碼如表3所示,共實施17組試驗,每組試驗重復3次。

表3 試驗因素編碼

3.4 試驗結果與分析

試驗方案和結果如表4所示,X1、X2、X3為試驗因素編碼值,借助Design-Expert 10.0.7軟件對試驗結果進行二次多項式回歸分析和因素方差分析,并分析各因素及其交互作用對試驗結果的影響規律。

表4 試驗方案與結果

根據試驗數據建立膜孔長度Y1、孔距差值Y2和整機前進速度X1、縱向刀片長度X2、縱向刀片高度X3的回歸模型

(28)

通過對試驗數據的分析和多元回歸擬合,膜孔長度和孔距差值方差分析如表5所示。

表5 方差分析

3.5 參數優化設計與試驗

由表5可知,縱向刀片長度與縱向刀片高度交互作用對膜孔長度影響顯著,整機前進速度與縱向刀片高度交互作用、整機前進速度與縱向刀片高度交互作用對膜孔長度影響不顯著,出現該現象的主要原因是縱向刀片長度決定了縱向刀片刀尖在最低點時的破膜面積,直接影響了膜孔長度尺寸;而縱向刀片長度和縱向刀片高度共同決定了縱向刀片刀尖頂角的大小,在縱向刀片長度一定時,縱向刀片高度增加會減小刀刃頂角,提高刀刃破膜能力。

整機前進速度與縱向刀片高度交互作用對孔距差值影響顯著,整機前進速度與縱向刀片長度交互作用、縱向刀片長度與縱向刀片高度交互作用對膜孔長度影響不顯著,這主要是因為縱向刀片高度增加會改變刀尖圓周大小,直接影響孔距;而整機前進速度的增大會導致滑移率增加,從而導致孔距差值增加。縱向刀片長度對孔距差值的影響不顯著,是由于縱向刀片長度的改變對打孔裝置刀尖圓周大小影響較小,且對整機前進速度和滑移率等無明顯影響。由前文打孔滾筒直徑設計和打孔裝置運動分析知,孔距差值主要與打孔裝置割膜刀刀尖圓周大小、作業速度以及滑移率等因素有關,因此縱向刀片長度對孔距差值沒有顯著影響。

基于因素交互作用分析,綜合考慮各因素對膜孔長度Y1和孔距差值Y2的影響,利用Design-Expert 10.0.7對試驗參數進行優化。由于目前暫無對膜孔大小和割膜機構打孔性能的評價標準,故本文參照文獻[11-12]和前期經驗進行參數優化。

膜孔過大會給雜草滋生提供空間,而膜孔過小則會影響油菜種子生長[18]。綜合考慮將膜孔長度優化范圍設計為:35 mm≤Y1≤50 mm。孔距與油菜標準穴距的差值的絕對值越小越符合實際作業要求,本文將孔差值優化范圍設計為-5 mm≤Y2≤5 mm。故建立膜孔長度Y1、孔距差值Y2的目標優化函數和約束條件為

(29)

由式(29)求解得,當整機前進速度為3.3 km/h、縱向刀片長度為33.83 mm、縱向刀片高度為30.72 mm時,膜上作業效果較佳,此時膜孔長度為43.91 mm、孔距差值為-0.99 mm。為加工方便,將縱向刀片長度取整為34 mm、縱向刀片高度取整為31 mm。取驗證優化后參數,進行仿真驗證試驗,得到膜孔長度為44.78 mm,孔距差值為0.64 mm,與優化結果基本一致。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

為驗證仿真得到的較優參數組合在田間作業準確性,于2022年10月23日在華中農業大學現代農業示范基地進行滾動式割膜打孔裝置田間試驗,如圖13所示。試驗前測得土壤堅實度為1 831.46 kPa、含水率為16.87%,拖拉機型號為東方紅954,以慢2擋開展試驗,重復3次。

圖13 田間試驗

4.2 試驗方法

試驗參照NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業質量》、NY/T 2709—2015《油菜播種機作業質量》以及春油菜鋪膜種植農藝要求,選取穩定作業后的20 m作為測量區域。在20 m的測量區域內隨機選取100個膜孔,使用游標卡尺(量程0～150 mm)測量膜孔長度,使用鋼板尺(量程0～1 000 mm)測量相鄰兩膜孔中心之間的距離。以膜孔長度、膜孔長度穩定性變異系數、孔距差值以及膜孔孔距誤差作為滾動式割膜打孔裝置的性能評價指標。其中膜孔長度穩定性變異系數計算公式為

(30)

其中

式中La——膜孔長度平均值,mm

n——膜孔數量

Li——第i個膜孔的膜孔長度,mm

VL——膜孔長度穩定性變異系數,%

孔距誤差計算公式為

(31)

式中Dk——孔距誤差,%

Si——第i個相鄰兩膜孔中心點的距離,mm

n1——測量孔距數量

4.3 試驗結果與分析

田間試驗數據測量結果如表6所示。

表6 田間試驗結果

由表6可知,膜孔平均長度為43.15 mm,膜孔長度穩定性變異系數為3.86%;平均孔距差值為-1.32 mm,膜孔孔距誤差為4.22%,符合相關設計要求。田間試驗相關參數指標與仿真試驗基本一致,驗證了仿真試驗結果的準確性,表明了滾動式割膜打孔裝置結構設計的合理性。

5 結論

(1)基于滑切原理設計了一種帶有割膜刀的滾動式割膜打孔裝置。該裝置通過打孔裝置的割膜刀周期性進出地膜,形成一系列規則的十字型膜孔。

(2)通過分析打孔裝置的運動機理,確定了打孔裝置的運動參數方程,并基于打孔裝置的運動方程分析確定了影響膜孔長度的因素。基于DEM-MFBD耦合仿真對打孔裝置進行了仿真試驗,采用三因素三水平回歸正交試驗方法,分析整機前進速度、縱向刀片長度、縱向刀片高度對膜孔長度的影響。并確定較優參數組合為整機前進速度3.3 km/h、縱向刀片長度34 mm、縱向刀片高度31 mm。

(3)根據設計與仿真優化結果,試制加工樣機并進行了田間驗證試驗。在較優參數組合下,得到膜孔平均長度為43.15 mm,膜孔長度穩定性變異系數為3.86%;平均孔距差值為-1.32 mm,膜孔孔距誤差為4.22%,與仿真結果基本一致,滾動式割膜打孔裝置的各項性能指標滿足設計要求。