賈洪雷 郭明卓 郭春江 鄭 健 張成亮 趙佳樂(lè)

(1.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130025； 2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130025； 3.哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 哈爾濱 150028)

0 引言

優(yōu)質(zhì)的土壤性狀是玉米穩(wěn)產(chǎn)增收的基礎(chǔ)，保護(hù)性耕作因具有恢復(fù)地力、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和提高降水利用率等優(yōu)點(diǎn)，已逐步成為主流耕作模式[1-2]。東北地區(qū)為玉米一熟區(qū)，秸稈、根茬粗壯量大，且由于氣候低溫易旱致使秸稈、根茬難以腐爛，破茬防堵作業(yè)所需切割扭矩極大，致使免耕播種作業(yè)時(shí)秸稈根茬難以切斷，殘茬纏繞堵塞播種機(jī)具，嚴(yán)重影響了作業(yè)質(zhì)量與效率，制約了保護(hù)性耕作在東北地區(qū)的發(fā)展[3-4]。

為此，現(xiàn)有免耕播種機(jī)均設(shè)有破茬防堵裝置，為有效提高其秸稈切斷率和降低作業(yè)所需切割扭矩，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究[5-8]，上述研究均對(duì)破茬防堵裝置研制與推廣起到了有力的促進(jìn)作用，而仿生學(xué)等技術(shù)的逐步成熟也為進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)性能提供了可能。

仿生學(xué)作為一門(mén)新興工程學(xué)科，已在工程領(lǐng)域得到了大面積應(yīng)用[9]。生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，總能利用現(xiàn)有材料和最小的能量消耗，“制造”出功能最優(yōu)的生物體結(jié)構(gòu)，仿生學(xué)正是通過(guò)研究生物的優(yōu)異結(jié)構(gòu)特性為人類(lèi)解決科學(xué)技術(shù)難題提供靈感。目前，通過(guò)仿生學(xué)原理解決農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域難題，已經(jīng)逐步受到人們的重視[10-12]，這些研究表明，通過(guò)仿生學(xué)設(shè)計(jì)可有效提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)性能。

因此，本文基于仿生學(xué)原理，融合免耕播種機(jī)破茬防堵機(jī)構(gòu)作業(yè)原理與蝗蟲(chóng)口器高效切割機(jī)理，在結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的基礎(chǔ)上，加入運(yùn)動(dòng)形態(tài)仿生，設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)雙刀盤(pán)異向等速旋轉(zhuǎn)切割作業(yè)的動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置，其可同時(shí)模擬出蝗蟲(chóng)口器切割植物纖維時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式與口器結(jié)構(gòu)形態(tài)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方式和形態(tài)結(jié)構(gòu)的耦合仿生設(shè)計(jì)，并通過(guò)理論分析、試驗(yàn)優(yōu)化和回歸分析等方法，明確該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)對(duì)殘茬秸稈切割性能的影響規(guī)律，從而為高性能破茬防堵裝置的設(shè)計(jì)提供理論與技術(shù)支撐。

1 免耕播種機(jī)動(dòng)態(tài)仿生防堵裝置設(shè)計(jì)

1.1 生物原型分析

蝗蟲(chóng)是一種常見(jiàn)的直翅目昆蟲(chóng)，主要以玉米、水稻等農(nóng)作物為食，因此其口器進(jìn)化出了具有對(duì)禾本性植物高效、低阻切割功效的結(jié)構(gòu)和咬合方式。如圖1所示，蝗蟲(chóng)口器結(jié)構(gòu)具有一組對(duì)稱(chēng)的上顎結(jié)構(gòu)，上顎前端左右切齒葉各包括4個(gè)頂端尖銳的大齒，長(zhǎng)度約為上顎的三分之一，組成了多段階梯鋸齒狀切割刃口結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可有效減少對(duì)植物纖維的拉伸，進(jìn)而降低作業(yè)所需切割扭矩；同時(shí)上顎的基部具有強(qiáng)大的收肌腱和較小的展肌腱，兩束肌肉通過(guò)快速的伸縮和舒展，能靈活的控制上顎的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)食過(guò)程中，使兩上顎同時(shí)向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，對(duì)植物纖維進(jìn)行類(lèi)似于剪刀的異向等速旋轉(zhuǎn)切割作業(yè)，可有效降低切割扭矩[13]。本文所設(shè)計(jì)的仿蝗蟲(chóng)動(dòng)態(tài)仿生破茬機(jī)構(gòu)可模擬出蝗蟲(chóng)口器進(jìn)食時(shí)的異向等速咬合運(yùn)動(dòng)方式，以及多段階梯鋸齒狀的口器結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到高效破茬防堵作業(yè)效果。

圖1 蝗蟲(chóng)口器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagrams of locust mouthpart

1.2 動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與作業(yè)原理

如圖2a所示，動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置主要由智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、行星齒輪變速機(jī)構(gòu)、仿生破茬刀(正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn))等組成，其中仿生破茬刀上設(shè)有仿蝗蟲(chóng)口器刀片，其刀刃曲線采用仿蝗蟲(chóng)口器切齒葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中正、反轉(zhuǎn)仿生破茬刀各具有9個(gè)和18個(gè)仿蝗蟲(chóng)口器刀片。如圖2b所示，智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)和動(dòng)力輸出軸組成，其中轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)器、編碼器、顯示模塊等組成。如圖2c所示，智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)軸連接，正轉(zhuǎn)仿生破茬刀通過(guò)固定軸套固連在驅(qū)動(dòng)軸上，驅(qū)動(dòng)軸與反轉(zhuǎn)仿生破茬刀通過(guò)行星齒輪變速機(jī)構(gòu)相連接，反轉(zhuǎn)仿生破茬刀通過(guò)螺栓固連在行星齒輪變速機(jī)構(gòu)的內(nèi)齒圈上。如圖2d所示，行星齒輪變速機(jī)構(gòu)由1個(gè)太陽(yáng)齒輪、3個(gè)行星齒輪、1個(gè)內(nèi)齒圈等組成，其中太陽(yáng)齒輪通過(guò)鍵連接與驅(qū)動(dòng)軸固連[14]。

圖2 動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagrams of dynamic bionic stubble cutting device1.仿生破茬刀 2.行星齒輪變速機(jī)構(gòu) 3.連接機(jī)構(gòu) 4.智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5.步進(jìn)電機(jī) 6.顯示模塊 7.驅(qū)動(dòng)器 8.編碼器 9.主控芯片 10.固定軸套 11.正轉(zhuǎn)仿生破茬刀 12.動(dòng)力輸出軸 13.反轉(zhuǎn)仿生破茬刀 14.外殼 15.防轉(zhuǎn)架 16.軸承座 17.內(nèi)齒圈軸承 18.內(nèi)齒圈 19.太陽(yáng)齒輪 20.行星齒輪 21.行星齒輪軸

動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置安裝在免耕播種機(jī)播種單體最前方，如圖3所示，作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸將步進(jìn)電機(jī)輸出的扭矩傳遞給正轉(zhuǎn)仿生破茬刀和行星齒輪變速機(jī)構(gòu)，其中正轉(zhuǎn)仿生破茬刀進(jìn)行正轉(zhuǎn)切割作業(yè)，行星齒輪變速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)反向變速傳動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)反轉(zhuǎn)仿生破茬刀進(jìn)行反轉(zhuǎn)切割作業(yè)，使兩個(gè)仿生破茬刀實(shí)現(xiàn)同軸異向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)采集機(jī)具前進(jìn)作業(yè)速度v，并通過(guò)Arduino主控芯片實(shí)時(shí)計(jì)算出與速度v相對(duì)應(yīng)的刀片旋轉(zhuǎn)角速度ω，最終通過(guò)3ND2283-600驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以角速度ω輸出扭矩，從而使兩把仿生破茬刀的平均切割線速度近似相等，進(jìn)而模擬出蝗蟲(chóng)口器進(jìn)食過(guò)程中的異向等速咬合運(yùn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)仿生切割運(yùn)動(dòng)方式與仿生刃口結(jié)構(gòu)的耦合設(shè)計(jì)，達(dá)到高效切割秸稈與根茬的目的。

圖3 作業(yè)原理圖Fig.3 Operating principle diagram

1.3 行星齒輪變速機(jī)構(gòu)

作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸和行星齒輪變速機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動(dòng)正、反轉(zhuǎn)仿生破茬刀進(jìn)行同軸異向等速旋轉(zhuǎn)切割作業(yè)。此時(shí)，正、反轉(zhuǎn)破茬刀上任一點(diǎn)的切割線速度為[15]

vi=ωri-v

(1)

vj=Iωrj+v

(2)

式中vi——正轉(zhuǎn)破茬刀任意一點(diǎn)切割線速度，m/s

vj——反轉(zhuǎn)破茬刀任意一點(diǎn)切割線速度，m/s

ri——正轉(zhuǎn)破茬刀任意一點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑，mm

rj——反轉(zhuǎn)破茬刀任意一點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑，mm

I——變速比

由式(1)、(2)可得出正、反轉(zhuǎn)仿生破茬刀的平均切割線速度為

(3)

(4)

式中v1——正轉(zhuǎn)破茬刀任意一點(diǎn)的平均切割線速度，m/s

v2——反轉(zhuǎn)破茬刀任意一點(diǎn)的平均切割線速度，m/s

n——正、反轉(zhuǎn)仿生破茬刀轉(zhuǎn)速，r/s

為使動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置模擬出蝗蟲(chóng)口器切割植物體的異向等速咬合運(yùn)動(dòng)方式，正、反轉(zhuǎn)仿生破茬刀的平均切割線速度應(yīng)近似相等，因此得出驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)角速度、機(jī)具前進(jìn)速度和行星齒輪變速機(jī)構(gòu)變速比之間應(yīng)滿(mǎn)足

(5)

由扭矩公式P=Tω可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出功率P一定時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)角速度ω越小，輸出扭矩T就越大[15]，作業(yè)時(shí)破茬機(jī)構(gòu)輸出扭矩與作業(yè)所需切割扭矩之差越大，切割機(jī)構(gòu)越容易切斷秸稈。由式(5)可知，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速隨行星齒輪變速機(jī)構(gòu)變速比的增大而減小，因此變速比應(yīng)選擇可選范圍內(nèi)的最大值。

太陽(yáng)輪加工過(guò)程中齒輪模數(shù)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1357—87優(yōu)先取整，綜合考慮機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、加工難易程度，同時(shí)保證機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性，太陽(yáng)輪選擇模數(shù)m=3 mm，齒厚20 mm，太陽(yáng)輪齒數(shù)Z1取25～31。根據(jù)機(jī)構(gòu)整體內(nèi)部空間配合，內(nèi)齒圈齒數(shù)Z3選擇54～56。行星齒輪變速機(jī)構(gòu)變速比與內(nèi)齒圈直徑d之間的關(guān)系為

(6)

表1 行星齒輪變速機(jī)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Planetary gear transmission mechanism parameters

1.4 轉(zhuǎn)速智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)以Arduino為主控芯片，結(jié)合雷賽步進(jìn)電機(jī)110BYG350D、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3ND2283-600、歐姆龍?jiān)隽渴焦怆娋幋a器E6B2-CWZ6C、LCD顯示模塊DM1602C、藍(lán)牙模塊HC-06等完成整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)的采集與分析處理[17-18]。系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電路圖Fig.4 Schematic of system circuit

U1為Arduino芯片，用于控制整個(gè)系統(tǒng)的正常工作；U2為增量式光電編碼器，用以實(shí)時(shí)采集整個(gè)機(jī)組的前進(jìn)速度，該系統(tǒng)中使用了A、B兩相的脈沖信號(hào)，用于判斷旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速。編碼器的輸出方式和輸出信號(hào)如圖5、6所示，通過(guò)捕獲編碼器U2中A相和B相的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)，并計(jì)算出前進(jìn)速度。Arduino系統(tǒng)通過(guò)式(5)，實(shí)時(shí)計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率[19-20]。

圖5 編碼器E6B2-CWZ6C的輸出回路Fig.5 Output circuit of encoder E6B2-CWZ6C

圖6 編碼器E6B2-CWZ6C的輸出脈沖信號(hào)Fig.6 Output pulse signal of encoder E6B2-CWZ6C

U3為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3ND2283-600，用于控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的110三相混合式步進(jìn)電機(jī)，該驅(qū)動(dòng)器與控制器的接線為PNP輸出接線方式[21]；U4為藍(lán)牙模塊HC-06，用以和Android系統(tǒng)連接通信，通過(guò)相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、顯示和命令控制，工作中，LCD屏也實(shí)時(shí)顯示前進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等。

1.5 仿生破茬刀設(shè)計(jì)

如圖3所示，正、反轉(zhuǎn)仿生破茬刀在工作過(guò)程中，主要依靠其外側(cè)延伸的多個(gè)仿蝗蟲(chóng)口器刀片進(jìn)行剪切作業(yè)。仿生破茬刀片切割秸稈與蝗蟲(chóng)口器切割植物纖維具有相同的作業(yè)特點(diǎn)，因此根據(jù)仿生學(xué)理論，以蝗蟲(chóng)口器上顎為原型，通過(guò)提取上顎切齒葉外輪廓曲線，將切齒葉高效切割的特性應(yīng)用于破茬刀片的切割刃中，以期實(shí)現(xiàn)破茬刀高效破茬的功效。將蝗蟲(chóng)的上顎樣品置于體式顯微鏡下觀察，由于切齒葉輪廓結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸微小不便于采集，因此對(duì)該部分進(jìn)行圖像截取后并放大，所得輪廓結(jié)構(gòu)如圖7所示[22-23]。

圖7 截取后的棉蝗切齒葉輪廓Fig.7 Contour map of intercepted cotton-powder cut tooth

分別使用Matlab軟件中的rgb2gray、imerode、imdilate、im2bw、Imfill、edge函數(shù)命令對(duì)圖7的輪廓圖進(jìn)行處理，使其由原始圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像，最終得出曲線輪廓坐標(biāo)點(diǎn)[24-25]，其工作流程如圖8所示。

最后采用LOG算法將坐標(biāo)點(diǎn)繪制成最終邊界圖，所得曲線結(jié)構(gòu)完整清晰，與原圖相比基本一致。

圖8 工作流程圖Fig.8 Flow chart of work

并根據(jù)圖像曲線連續(xù)性特點(diǎn)，以每個(gè)波峰為一個(gè)單元，將整個(gè)輪廓曲線分為5部分，并分別命名為曲線1、曲線2、曲線3、曲線4和曲線5，所得輪廓邊界與曲線劃分如圖9所示。

圖9 輪廓邊界與曲線劃分Fig.9 Division diagram of outline boundary and curve

使用Origin軟件對(duì)上述5部分曲線分別擬合，擬合方式為最小二乘法六次多項(xiàng)式，擬合方程為[26]

φ(x)=B0+B1x+B2x2+B3x3+B4x4+B5x5+B6x6

(7)

式中參數(shù)B0及B1～B6擬合結(jié)果如表2所示。由表2可知，5個(gè)曲線的擬合方差R2均大于0.988，擬合程度較高，將擬合函數(shù)繪制在直角坐標(biāo)系中，得出絕大多數(shù)殘差小于10，擬合精度符合加工要求。

表2 參數(shù)擬合結(jié)果Tab.2 Parameter fitting results

(8)

(9)

式中D——仿生破茬刀回轉(zhuǎn)直徑，mm

d——刀盤(pán)基圓回轉(zhuǎn)直徑，mm

圖10 仿生破茬刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure diagrams of bionic cutting disc

如圖10a所示，刀盤(pán)基圓回轉(zhuǎn)直徑d近似等于內(nèi)齒圈軸承外圈直徑，計(jì)算得出單個(gè)仿蝗蟲(chóng)口器刀片高度50 mm

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件與儀器設(shè)備

試驗(yàn)于2018年3月1—20日在吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院土槽實(shí)驗(yàn)室(土槽長(zhǎng)30 m、寬4 m)進(jìn)行，為使土槽土壤狀況與田間情況一致，采用的整土工藝為：人工整土整平—人工灑水—埋入根茬—壓實(shí)—土壤表面鋪上秸稈[27]。所采用玉米秸稈平均直徑為25 mm，玉米根茬地上平均高度為300～500 mm，根茬主根地下平均深度為65～75 mm，其余土壤物理化學(xué)屬性如表3所示。

試驗(yàn)主要儀器設(shè)備如下：土槽臺(tái)車(chē)測(cè)試系統(tǒng)、卷尺、耕深尺、環(huán)刀組件(容積100 cm3)、電子天平、MS-350型水分測(cè)定儀、SC-900型土壤緊實(shí)度儀、11000型土壤溫度計(jì)、AKC-205B 型扭矩傳感器、TS-5HM 型智能測(cè)試儀、OLS3000型共聚焦激光掃描顯微鏡等。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為兩部分。第一部分為研究動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)秸稈切斷率、切割扭矩的影響，由前文分析可知，兩仿生破茬刀的仿蝗蟲(chóng)口器刀片為主要工作部件，作業(yè)效果與前進(jìn)速度、入土深度、切割次數(shù)有關(guān)，受三者共同影響。因此對(duì)整個(gè)工作部件選取3個(gè)主要因素：播種機(jī)前進(jìn)速度v、仿生破茬刀回轉(zhuǎn)半徑R、每個(gè)仿生破茬刀上的仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量M，每個(gè)因素選擇3個(gè)水平。6～10 km/h為東北地區(qū)播種機(jī)常用前進(jìn)速度，因此選擇6、8、10 km/h 3種作業(yè)速度為參數(shù)水平；市面上現(xiàn)有圓盤(pán)破茬刀的回轉(zhuǎn)半徑多介于200～300 mm之間，同時(shí)基于破茬裝置結(jié)構(gòu)限制，取回轉(zhuǎn)半徑300 mm為上限值，因此選擇200、250、300 mm 3種回轉(zhuǎn)半徑為參數(shù)水平；動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置在切割秸稈和根茬時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)刀片刃口接觸秸稈根茬的次數(shù)越多，切斷率就越高，由于刀盤(pán)尺寸限制，在被動(dòng)刀盤(pán)仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量為18時(shí)達(dá)到最大值，若繼續(xù)添加仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量，會(huì)導(dǎo)致主動(dòng)刀盤(pán)與被動(dòng)刀盤(pán)形成的夾角不足以?shī)A住秸稈，前文研究可知：正轉(zhuǎn)破茬刀仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量與反轉(zhuǎn)破茬刀仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量之比為1∶2，因此設(shè)定正轉(zhuǎn)破茬刀仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量范圍為7～9個(gè)。

表3 土槽試驗(yàn)田0～100 mm深度土壤物理化學(xué)屬性Tab.3 Soil physical and chemical properties at 0～100 mm depth in soil test field

根據(jù)Design-Expert軟件中的Box-Behnken Design組合設(shè)計(jì)原理，以作業(yè)所需切割扭矩和秸稈切斷率作為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了三因素三水平正交組合試驗(yàn)[28]。因素編碼如表4所示。運(yùn)用Design-Expert軟件中Box-Behnken Design響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)法，共進(jìn)行17組試驗(yàn)，其中12組為析因點(diǎn)，5組為零點(diǎn)以估計(jì)誤差，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，檢驗(yàn)各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的顯著性影響，并得出響應(yīng)曲面和回歸方程，優(yōu)化出各因素的最佳參數(shù)組合[29]。

表4 因素編碼Tab.4 Codes of factors

第二部分為研究動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)相較于傳統(tǒng)破茬機(jī)構(gòu)作業(yè)性能的對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)指標(biāo)為：秸稈切斷率、作業(yè)所需切割扭矩、刃口表面磨痕形貌和磨痕深度。根據(jù)第一部分試驗(yàn)所得出的最優(yōu)組合參數(shù)組合加工出最佳動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置，與被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀(西班牙BELLOTA農(nóng)機(jī)具有限公司)和驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)破茬刀(吉林農(nóng)信機(jī)械制造有限公司)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)第一部分試驗(yàn)的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，3種刀具材質(zhì)均為65Mn。

作業(yè)分3組進(jìn)行，分別安裝被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀、驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀、動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置。臺(tái)車(chē)前進(jìn)速度固定為6、8、10 km/h，驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀作業(yè)狀態(tài)下轉(zhuǎn)軸無(wú)動(dòng)力輸出，驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)刀與動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置作業(yè)條件下，布置好根茬與秸稈后，每次試驗(yàn)后重新布置相同數(shù)量的秸稈和根茬，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，土槽試驗(yàn)結(jié)束后，分別卸下3組刀片，對(duì)刃口處進(jìn)行激光切割，切割片大小不超過(guò)30 mm×30 mm，進(jìn)行激光共聚焦觀測(cè)試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)試方法

動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置工作過(guò)程中，兩刀盤(pán)共同切割玉米秸稈，兩刀盤(pán)通過(guò)同一根旋轉(zhuǎn)軸連接，本文通過(guò)在旋轉(zhuǎn)軸軸端處安裝扭矩傳感器測(cè)量整個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的扭矩[30]，因此本試驗(yàn)以玉米秸稈切斷率和切割扭矩為參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)指標(biāo)，以秸稈切斷率、切割扭矩和刃口表面磨痕形貌和磨痕深度為對(duì)比試驗(yàn)指標(biāo)。

2.3.1玉米秸稈根茬切斷率

土槽試驗(yàn)時(shí)，將一定數(shù)量的根茬埋入壟上種植帶中，再將一定數(shù)量的秸稈隨機(jī)散亂的鋪在種植區(qū)域[31]，臺(tái)車(chē)每運(yùn)行一次，對(duì)土槽內(nèi)玉米秸稈、根茬的總數(shù)量和被切斷數(shù)進(jìn)行測(cè)量，玉米秸稈根茬切斷率為

(10)

式中n1——切斷的根茬數(shù)量

n2——切斷的秸稈數(shù)量

n0——種植帶上玉米秸稈和根茬總數(shù)

2.3.2切割扭矩

計(jì)算切割扭矩時(shí)，刀盤(pán)切割莖稈所產(chǎn)生扭矩為扭矩傳感器實(shí)測(cè)總扭矩減去步進(jìn)電機(jī)空載時(shí)所產(chǎn)生扭矩，即

T=T1-T0

(11)

式中T1——扭矩傳感器實(shí)測(cè)總扭矩

T0——步進(jìn)電機(jī)空載時(shí)所產(chǎn)生扭矩

2.3.3刃口表面磨痕形貌和磨痕深度

對(duì)動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置、被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀、驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)破茬刀刃口分別進(jìn)行拋光處理，使用表面粗糙度測(cè)量?jī)x檢測(cè)拋光面表面粗糙度Ra<0.2 μm，劃痕深度Rv<0.5 μm，在土槽試驗(yàn)車(chē)固定后以相同速度試驗(yàn)完成后使用激光共聚焦測(cè)量?jī)x分別檢測(cè)3種破茬機(jī)構(gòu)刃口表面粗糙度與劃痕深度，測(cè)量方式如圖11所示。

圖11 共聚焦激光掃描試驗(yàn)Fig.11 Experiment of confocal laser scanning

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樣品與參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12、13所示，被動(dòng)圓盤(pán)破茬刀與驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)破茬刀回轉(zhuǎn)半徑均為250 mm，作業(yè)過(guò)程中，被動(dòng)圓盤(pán)破茬刀無(wú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)破茬刀與動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置刀片轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以各影響因素編碼值為自變量，以玉米秸稈根茬切斷率、切割扭矩為相應(yīng)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，X1、X2、X3分別為作業(yè)速度、回轉(zhuǎn)半徑、仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量編碼值。

圖12 試驗(yàn)樣品Fig.12 Test samples

圖13 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.13 Parameter optimization test site

表5中的試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)Design-Expert軟件處理后得出整理后的方差分析結(jié)果見(jiàn)表6。

對(duì)表6數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到平均玉米秸稈根茬切斷率、平均切割扭矩對(duì)編碼自變量的二次多元回歸方程分別為

Y1=97.20-1.61X1-1.44X2-2.00X3+

(12)

表5 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.5 Response surface experimental design and results

Y2=54.10-5.78X1+7.04X2+7.94X3+

(13)

表6 正交試驗(yàn)方差分析Tab.6 Variance analysis of orthogonal test result

失擬項(xiàng)P值為0.278 4，顯然P>0.05，回歸方程不失擬。決定系數(shù)與校正決定系數(shù)均接近于1，表明回歸方程擬合度很高，精密度為18.78，大于4，表明該回歸方程在設(shè)計(jì)域內(nèi)預(yù)測(cè)性能良好。各因素對(duì)秸稈根茬切斷率顯著性的影響由大到小依次為：仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量、回轉(zhuǎn)半徑、作業(yè)速度。

3.2 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

固定3因素中的1個(gè)因素為零水平，應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析其他2個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響和交互作用。運(yùn)用Matlab軟件對(duì)Design-Expert軟件求出的回歸方程進(jìn)行尋優(yōu)，得出最佳參數(shù)組合。

3.2.1試驗(yàn)各因素對(duì)平均玉米秸稈根茬切斷率的影響規(guī)律

固定作業(yè)速度為8 km/h時(shí)，回轉(zhuǎn)半徑和仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量與玉米秸稈根茬切斷率的關(guān)系為

(14)

固定回轉(zhuǎn)半徑R為250 mm時(shí)，作業(yè)速度和仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量與玉米秸稈根茬切斷率的關(guān)系為

(15)

固定仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量M為8，作業(yè)速度和回轉(zhuǎn)半徑與玉米秸稈根茬切斷率的關(guān)系為

(16)

由圖14和式(14)～(16)可知，三因素對(duì)平均玉米秸稈根茬切斷率具有顯著性影響(P<0.01)，作業(yè)速度分別與回轉(zhuǎn)半徑和仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量具有交互作用，回轉(zhuǎn)半徑和仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量之間無(wú)交互作用。平均玉米秸稈根茬切斷率隨著作業(yè)速度的加快而下降，下降趨勢(shì)逐步減緩；隨著回轉(zhuǎn)半徑的上升而增高，且上升趨勢(shì)逐漸減緩；隨著仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量的增加而上升，且上升趨勢(shì)逐步減緩。

圖14 各因素對(duì)平均玉米秸稈根茬切斷率影響的響應(yīng)曲面Fig.14 Response surface for influence of various factors on cutting rate of corn stalks and stubbles

3.2.2試驗(yàn)各因素對(duì)平均切割扭矩的影響規(guī)律

固定作業(yè)速度為8 km/h時(shí)，回轉(zhuǎn)半徑和仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量與切割扭矩的關(guān)系為

(17)

固定回轉(zhuǎn)半徑R為250 mm時(shí)，作業(yè)速度和仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量與切割扭矩的關(guān)系為

(18)

固定仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量M為8時(shí)，作業(yè)速度和回轉(zhuǎn)半徑與切割扭矩的關(guān)系為

(19)

圖15 各因素對(duì)平均切割扭矩影響的響應(yīng)曲面Fig.15 Response surface of influence of each factor on average cutting torque

由圖15和式(17)～(19)可知，三因素對(duì)平均切割扭矩具有顯著性影響(P<0.01)，作業(yè)速度分別與回轉(zhuǎn)半徑和仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量具有交互作用，回轉(zhuǎn)半徑和仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量之間無(wú)交互作用。平均切割扭矩隨著作業(yè)速度的加快而下降，下降趨勢(shì)逐步減緩，隨著回轉(zhuǎn)半徑的增大而上升，且上升趨勢(shì)逐漸減緩，隨著仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量的增加而上升，且上升趨勢(shì)逐步減緩。

3.2.3試驗(yàn)參數(shù)對(duì)作業(yè)性能影響規(guī)律的討論

由式(3)～(5)可知，作業(yè)速度和回轉(zhuǎn)半徑的增大，均會(huì)增大仿生破茬刀的切割線速度，切割線速度越大，切割阻力越小，但回轉(zhuǎn)半徑的增大，會(huì)增加相同作業(yè)深度條件下的仿生破茬刀入土面積，因此切割扭矩隨著作業(yè)速度的加快而下降，隨著回轉(zhuǎn)半徑的增大而上升；仿蝗蟲(chóng)口器刀片的數(shù)量越多，機(jī)具前進(jìn)單位長(zhǎng)度內(nèi)，仿生破茬刀切割次數(shù)越高，因此切割扭矩隨之上升。綜上說(shuō)明機(jī)具前進(jìn)單位長(zhǎng)度內(nèi)的切割次數(shù)比切割線速度對(duì)切割扭矩的影響更顯著。

作業(yè)速度加快會(huì)造成單位長(zhǎng)度內(nèi)仿生破茬刀切割次數(shù)的減少，因此平均玉米秸稈根茬切斷率隨著作業(yè)速度的加快而下降；在作業(yè)深度相同條件下，回轉(zhuǎn)半徑越大，同一時(shí)間內(nèi)與秸稈根茬相接觸的仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量越多，造成單位長(zhǎng)度內(nèi)仿生破茬刀切割次數(shù)的增加，因此平均玉米秸稈根茬切斷率隨著回轉(zhuǎn)半徑和仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量的增加而上升。綜上說(shuō)明機(jī)具前進(jìn)單位長(zhǎng)度內(nèi)的切割次數(shù)比切割線速度對(duì)平均玉米秸稈根茬切斷率的影響更顯著。

3.2.4結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化

在試驗(yàn)結(jié)果分析和模型擬合的基礎(chǔ)上利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)使用Matlab軟件對(duì)式(14)～(19)進(jìn)行尋優(yōu)求解，以秸稈切斷率為主要尋優(yōu)指標(biāo)，尋優(yōu)結(jié)果的期望度越接近1，說(shuō)明秸稈切斷率越好，將期望度按從高到低排序，獲得最優(yōu)參數(shù)取值方案如表7所示。從表7中可看出，第8號(hào)方案組合為最優(yōu)組合，由于作業(yè)速度易受田間復(fù)雜地況的影響而較難保證其精準(zhǔn)性，且規(guī)定仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量只能為自然數(shù)，并綜合考慮加工精度等問(wèn)題，最終選取的最優(yōu)參數(shù)組合為：作業(yè)速度為10 km/h，回轉(zhuǎn)半徑為250 mm，正轉(zhuǎn)破茬刀仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量為8.94(加工時(shí)取9)，仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量為18。

表7 軟件虛擬計(jì)算最佳參數(shù)組合方案及對(duì)應(yīng)效果Tab.7 Software virtual computing optimal parameter combination scheme and corresponding effect

3.3 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

如圖16所示，動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置在任意作業(yè)速度條件下的秸稈切斷率顯著優(yōu)于驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀(提高8.6%～13.5%)和被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀(提高22.6%～27.4%)(P<0.05)，其中作業(yè)速度為10 km/h時(shí)優(yōu)勢(shì)最大，秸稈切斷率為92.9%，相較于其他兩種破茬機(jī)構(gòu)分別提高切斷率13.5%和27.4%。

圖16 秸稈根茬切斷率試驗(yàn)結(jié)果Fig.16 Test results of cutting rate of corn stalks and stubbles

如圖17所示，動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置在任意作業(yè)速度條件下的切割扭矩顯著低于驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀(P<0.05)，顯著高于被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀(P<0.05)。隨著作業(yè)速度的增大，動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置與驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀之間的切割扭矩之差逐步增大，與被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀之間的切割扭矩之差逐步減小，作業(yè)速度為6 km/h時(shí)，作業(yè)所需切割扭矩為60.5 N·m，比驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀降低19.5%，當(dāng)作業(yè)速度為10 km/h時(shí)，作業(yè)所需切割扭矩為54.1 N·m，比驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀降低切割扭矩21.8%，僅比被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀提高切割扭矩5.9 N·m。

圖17 切割扭矩試驗(yàn)結(jié)果Fig.17 Test results of cutting torque

如圖18所示，動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置平均表面粗糙度Ra=0.344 μm，最大磨痕深度Rv=0.671 μm；被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀平均表面粗糙度Ra=0.312 μm，最大磨痕深度Rv=0.571 μm；驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)平均表面粗糙度Ra=0.34 μm，最大磨痕深度Rv=0.67 μm。動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置的痕跡密度與磨痕深度均高于被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀，主要是因?yàn)槠淝懈钏俣冗h(yuǎn)高于被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀所致。動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置的耐摩擦磨損性能顯著高于驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀(P<0.05)，刃口表面磨損形貌無(wú)明顯劃痕，痕跡密度與磨痕深度均低于驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀，平均表面粗糙度和最大磨痕深度相較于驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀分別下降14.5%和15.9%。

圖18 耐摩擦磨損性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.18 Test results of tribological wear

綜上，動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置的整體作業(yè)性能優(yōu)于驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀和被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀。

4 結(jié)論

(1)以多段階梯鋸齒狀的口器結(jié)構(gòu)和雙口器異向等速咬合運(yùn)動(dòng)方式為仿生原型，通過(guò)仿生構(gòu)建和理論設(shè)計(jì)等方法設(shè)計(jì)出行星齒輪變速機(jī)構(gòu)、智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和仿蝗蟲(chóng)口器刀片，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)-運(yùn)動(dòng)耦合仿生設(shè)計(jì)；該機(jī)構(gòu)相較于被動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀可提高秸稈切斷率22.6%～27.4%；相較于驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀可提高秸稈切斷率8.6%～13.5%，降低作業(yè)所需切割扭矩19.5%～21.8%；作業(yè)后其平均表面粗糙度和最大磨痕深度相較于驅(qū)動(dòng)缺口圓盤(pán)破茬刀分別下降14.5%和15.9%。

(2)通過(guò)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)和理論分析得出作業(yè)前進(jìn)速度、仿生刀盤(pán)回轉(zhuǎn)半徑和仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量等參數(shù)因可改變作業(yè)過(guò)程中的秸稈切割線速度，以及機(jī)具前進(jìn)單位長(zhǎng)度內(nèi)的切割次數(shù)，從而對(duì)秸稈切斷率和切割扭矩產(chǎn)生顯著性影響(P<0.05)，并得出動(dòng)態(tài)仿生破茬裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)組合為：作業(yè)速度為10 km/h，回轉(zhuǎn)半徑為250 mm，正轉(zhuǎn)破茬刀仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量為9，仿蝗蟲(chóng)口器刀片數(shù)量為18，該條件下其秸稈切斷率為92.9%，作業(yè)所需切割扭矩為54.1 N·m。