胡婷, 全偉,2, 吳明亮*, 李林

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院, 長沙 410128; 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院, 長沙 410128)

花生是我國重要的油料經(jīng)濟作物，總產(chǎn)量占40%左右，居世界首位，種植面積僅次于印度，居第二位[1-2]。近年來，我國南方花生播種面積越來越大，2018年，我國花生播種面積達到4.62×106hm2，其中南方的播種面積占比接近40%[3]，極大地促進了花生產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

國內(nèi)學(xué)者圍繞花生播種開展了大量研究，并研制出了花生播種機，其種肥溝作業(yè)部件大多采用圓盤式開溝器或改進后的鋤鏟式開溝器[4-7]，對我國北方花生主產(chǎn)區(qū)的機械化作業(yè)水平提升發(fā)揮了重要作用。而南方地區(qū)由于土壤黏重、含水率高，現(xiàn)有花生播種機的觸土部件在作業(yè)過程中易壅泥堵塞而影響作業(yè)質(zhì)量，嚴(yán)重制約了南方花生種植規(guī)模擴大和種植效益提高[8-9]。因此，針對南方丘陵山地黏重土壤環(huán)境下的播種機械研究具有重要意義。

目前南方丘陵地區(qū)花生種植采用壟作模式[10]，其農(nóng)藝參數(shù)為：種溝寬度100～200 mm，種溝深度30～50 mm，行距300 mm，壟寬500 mm，壟高150 mm，壟溝寬300 mm，壟溝溝底寬150 mm。為此，本項目組研制了一款適合南方高含水率黏重土壤環(huán)境的雙壟四行花生壟作播種機，基于南方土壤仿真標(biāo)定參數(shù)，采用實驗數(shù)據(jù)與仿真模型相結(jié)合的方法研究花生播種機觸土部件與土壤的相互作用規(guī)律[11-15]，借助離散元軟件對所設(shè)計的種溝開溝器關(guān)鍵參數(shù)進行仿真優(yōu)化，以期解決南方丘陵地區(qū)花生播種機種溝開溝作業(yè)問題。

1 材料與方法

1.1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

雙壟四行花生壟作播種機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由覆土裝置、開種溝裝置、側(cè)邊開壟溝裝置、中間開壟溝裝置、旋耕裝置等組成。其中開種溝裝置主要由預(yù)緊彈簧、平土拖板、種溝開溝器等組成，該種溝開溝器傾斜焊接在平土拖板內(nèi)側(cè)底部。

工作時，動力帶動旋耕裝置碎土并整理壟面；側(cè)邊開壟溝裝置和中間開壟溝裝置與旋耕裝置一同前進并切土翻垡，最終形成雙壟壟面用于種植花生。在預(yù)緊彈簧的作用下平土拖板始終緊貼壟面滑行，焊接于平土拖板上的兩個種溝開溝器在細碎土壤的壟面上劃出深度、形狀一致的兩條種溝；由排種器排出的種子在排種管的引導(dǎo)下落入種溝內(nèi)，覆土裝置將種子覆土并將壟面刮平，完成花生播種作業(yè)。

注： 1—側(cè)邊開壟溝裝置； 2—中間開壟溝裝置； 3—旋耕裝置； 4—開種溝裝置； 41—預(yù)緊彈簧； 42—種溝開溝器； 43—平土拖板。Note: 1—Side ridging device; 2—Middle ridging device; 3—Rotary tiller; 4—Seed ditch device; 41—Pre tightening spring; 42—Seed furrow opener; 43—Planning board.圖1 雙壟四行花生壟作播種機及開種溝裝置Fig.1 Structure of double ridge four row peanut ridge seeder assembly and furrow opening device

1.2 種溝開溝器作業(yè)參數(shù)

種溝開溝器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其為鋼板彎折成兩個翼板組成的倒三角形結(jié)構(gòu)，主要由翼板和刀刃組成。作業(yè)參數(shù)包括雙翼板夾角β、翼板傾角α、入土角γ、開溝深度h。

圖2 種溝開溝器Fig.2 Seed channel opener

①雙翼夾角β。為保證種溝開溝器能夠順利開出倒三角形種溝，開溝器翼板傾角應(yīng)不大于旋耕后土壤的自然堆積角41°[15]。結(jié)合種溝開溝器(圖2)的幾何關(guān)系，則雙翼夾角β需大于98°。由壟作花生種植農(nóng)藝要求可知，雙翼夾角β與種溝寬度b和種溝深度h之間滿足反三角函數(shù)關(guān)系，當(dāng)種溝深度取最小值30 mm，種溝寬度為最大值200 mm時，βmax=146°。綜上，雙翼夾角β取值范圍為98°～146°。

②入土角γ。種溝開溝器作業(yè)原理如圖3所示，由圖中幾何關(guān)系和受力分析可得公式(1)。

Fx=F×sin(180°-γ)

(1)

式中，F(xiàn)x為沿水平方向的分力，N；F為工作過程中土壤作用在開溝器上的阻力，N。

為使開溝器的開溝阻力盡量小，則根據(jù)公式(1)及圖3中幾何關(guān)系，其入土角γ應(yīng)取最大值165°，但此時開溝器已無法入土。通過改變預(yù)緊彈簧的預(yù)緊力可調(diào)節(jié)開溝器的入土角γ，為使開溝器入土，至少需將入土角減少13°，故入土角γ<152°。

圖3 種溝開溝器作業(yè)原理Fig.3 Operation of seed ditch opener

為保證開溝器的刃線具有滑切作用，其入土角γ應(yīng)滿足γ>π/2+ψ[16]，ψ為開溝器的刃線與土壤摩擦角，(°)。由文獻[16]可知，ψ一般取值為18°～42°，取值為ψ=42°，可得γ>132°。

綜合以上，可確定入土角的取值范圍為132°<γ<152°。

③開溝深度h。開溝深度影響溝型穩(wěn)定性，是影響開溝器牽引阻力的關(guān)鍵因素。為了匹配農(nóng)藝要求的種溝深度，開溝深度取值范圍為30～50 mm。

1.3 種溝開溝器作業(yè)EDEM仿真

1.3.1土壤與開溝器仿真建模 ①土壤模型。本文在綜合考慮南方土壤的實際情況和EDEM軟件的內(nèi)置接觸模型后，選用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接觸模型[17-18]，仿真參數(shù)如表1所示，含水率通過試驗測量，其余各參數(shù)均參考相關(guān)研究進展[15,19-21]。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameter

根據(jù)花生播種的農(nóng)藝要求，設(shè)定仿真土槽規(guī)格為1 000 mm×500 mm×250 mm的無蓋長方體。設(shè)置離散元仿真土壤的基本顆粒參數(shù)為半徑4 mm、圓球形，采用隨機分布方式生成土壤顆粒，在顆粒工廠Partical Generation將顆粒半徑設(shè)置為3.2～4.8 mm(0.8～1.2倍)、顆粒生成速率為10萬顆·s-1。

②開溝器模型。利用軟件Solidworks2016按照1∶1比例建立倒三角形種溝開溝器的三維模型，然后將其導(dǎo)入EDEM離散元仿真軟件中，并按照需求設(shè)置其運動參數(shù)后，即可開展仿真試驗。

1.3.2試驗因素與水平 利用Design-Expert軟件設(shè)計多因素正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，試驗因素和水平如表2所示。

表2 試驗因素與水平Table 2 Test factors and levels

1.3.3試驗指標(biāo) 試驗采用溝型系數(shù)和牽引阻力作為評價指標(biāo)[22-23]。

①溝型系數(shù)。在土槽長度方向的中間進行切片，切片厚度為50 mm，選擇代表種溝橫截面輪廓的顆粒，生成所選仿真土壤顆粒在XY平面中的散點圖，最后導(dǎo)出坐標(biāo)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)編入Matlab程序中進行擬合，得到Matlab擬合種溝輪廓，同時得到y(tǒng)(x)的多項式并對其進行定積分求解得到仿真種溝橫截面面積S1。

(2)

式中，β為雙翼夾角，(°)；h為開溝深度，mm；S2為理論種溝橫截面面積，mm2。

②牽引阻力。采用軟件后處理計算出單次試驗的牽引阻力平均值作為試驗結(jié)果。

1.3.4仿真設(shè)計和優(yōu)化 采用Design-Expert軟件進行Box-Behnken試驗設(shè)計和響應(yīng)面優(yōu)化。

1.4 土槽驗證試驗

1.4.1試驗儀器和設(shè)備 土槽驗證試驗的儀器和設(shè)備為TCC電力四驅(qū)土槽試驗臺、六分力測試架、開種溝裝置(安裝有最優(yōu)參數(shù)組合下的兩個種溝開溝器)、手持式土壤水分測定儀、卷尺(精度cm)、直尺(精度mm),將六分力測定架三點掛接于土槽車，利用抱箍將開種溝裝置安裝于六分力測定架橫梁，使用數(shù)據(jù)線將六分力測定架的數(shù)據(jù)采集盒與土槽車控制臺計算機連接。

1.4.2土槽土壤處理 試驗前調(diào)整土槽內(nèi)土壤含水率：在土槽試驗范圍內(nèi)按五點取樣法選擇測點，使用手持式土壤水分測定儀測量土槽土壤含水率為13.54%，用灑水壺均勻噴灑一定量的水，靜置4 h后旋耕土壤至深度15 cm左右，繼續(xù)測量含水率，計算下次所需施水量，噴灑靜置后耕整，將土壤含水率調(diào)至18.2%±0.2%。

1.4.3測定方法 試驗時，設(shè)置土槽車行進速度為0.44 m·s-1，并將種溝開溝器的開溝深度調(diào)40 mm處。試驗重復(fù)三次，取平均值作為試驗結(jié)果。

在每個行程隨機選取連續(xù)10個測點，每個測點間隔0.5 m，將水平尺橫臥于種溝上方作為x方向坐標(biāo)，將板尺垂直于水平尺并與種溝溝底相交作為y軸方向，水平尺與板尺的交點為坐標(biāo)原點，如圖4所示。沿x軸正負方向每隔10 mm測得對應(yīng)的y值，測量并記錄溝型數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)編入Matlab程序中進行擬合,得到種溝截面擬合圖，并進行定積分求解得出種溝截面面積，種溝截面面積與理論面積之比即為溝型系數(shù)。將每個行程所有測點的溝型系數(shù)的平均值為試驗結(jié)果。

圖4 溝型系數(shù)測量Fig.4 Measuring of the channel shape coefficient

試驗過程中土槽車可自動獲取開溝器的牽引阻力值，由于試驗使用了兩個開溝器，將每次試驗所獲數(shù)據(jù)的0.5倍作為試驗結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果

采用Design-Expert軟件進行Box-Behnken試驗設(shè)計，得到仿真試驗方案和結(jié)果如表3所示，試驗因素不同水平值取值條件下，評價指標(biāo)中溝型系數(shù)的變化范圍為0.15～1.39，而牽引阻力的變化范圍為33.16～151.76 N，表明各個試驗因素不同水平值對評價指標(biāo)的影響較大。

表3 試驗方案和結(jié)果Table 3 Protocols and results

仿真與MATLAB擬合的種溝輪廓如圖5所示，溝型輪廓符合農(nóng)藝要求，試驗效果較理想。

圖5 仿真與MATLAB擬合的種溝輪廓Fig.5 Seed channel contour of simulation and MATLAB fitting

2.2 回歸方程分析

利用Design-Expert軟件的Analysis模塊對試驗結(jié)果進行分析，即可得到兩個試驗指標(biāo)分別與開溝深度、雙翼夾角及入土角之間的回歸方程，如公式(3)和(4)所示。

Y1=0.791 6+0.107 5A+0.206 1B+0.214 5C+0.102 2AB+0.060 4AC-0.335 9C+0.071 8A2-0.110 9B2+0.298C2

(3)

Y2=8.42+0.877 4A+1.94B-1.32C+0.198AB-0.068 1AC-0.390 5BC+0.014 1A2+0.544 6B2-0.319 3C2

(4)

式中，A為開溝深度，mm；B為雙翼夾角，(°)；C為入土角，(°)；Y1為溝型系數(shù)；Y2為牽引阻力，N。

2.3 方差分析

由二次項模型的方差分析結(jié)果(表4和5)可知，溝型系數(shù)的回歸模型呈現(xiàn)顯著(P<0.05)，牽引阻力的回歸模型均呈現(xiàn)極顯著(P<0.001)；溝型系數(shù)和牽引阻力的模型失擬項不顯著(P>0.05)，說明可用回歸方程替代試驗真實點對試驗結(jié)果進行分析；溝型系數(shù)和牽引阻力的決定系數(shù)(R2)分別為85.59%和99.89%，校正決定系數(shù)(adj-R2)分別為67.06%和99.76%，變異系數(shù)(C.V.)分別為23.15%和1.05%，精密度系數(shù)(Adeq precisior)分別為8.084 6與95.008，說明溝型系數(shù)和牽引阻力模型能較好擬合。

表4 目標(biāo)函數(shù)y1的二次項模型方差分析Table 4 Analysis of variance of quadratic model of objective function y1

F值反映了各試驗因素對回歸模型響應(yīng)值的影響程度，由F值檢驗得出各試驗因素對溝型系數(shù)的影響程度由大到小依次為C、B、A；對牽引阻力的影響程度由大到小依次為B、C、A。

通過各因素及其交互項的P值可判斷，從單因素方面分析：雙翼夾角、入土角對溝型系數(shù)影響顯著，開溝深度對溝型系數(shù)的影響較小。開溝深度、雙翼夾角、入土角對牽引阻力的影響均極顯著；而基于各因素交互作用得出：雙翼夾角與入土角的交互作用對溝型系數(shù)的影響極顯著，開溝深度和雙翼夾角、雙翼夾角和入土角的交互作用對牽引阻力影響極顯著。

2.4 回歸模型交互效應(yīng)分析

根據(jù)二次項模型方差分析結(jié)果，利用Design-Expert軟件繪制響應(yīng)曲面圖(圖6)。當(dāng)入土角較小時，隨著雙翼夾角增大，溝型系數(shù)小幅度增大后逐漸減小，但變化范圍不大；當(dāng)入土角增大后，溝型系數(shù)隨著雙翼夾角增大而顯著減??；當(dāng)雙翼夾角一定時，溝型系數(shù)隨著入土角增大而增大。雙翼夾角與入土角一定時，牽引阻力隨著開溝深度增大而增大；開溝深度與雙翼夾角一定時，牽引阻力隨著入土角增大而減小。開溝深度與入土角一定時，牽引阻力隨著雙翼夾角增大而增大。

2.5 最優(yōu)參數(shù)組合

為了同時得到開溝質(zhì)量最高且牽引阻力最小時開溝深度、雙翼夾角與入土角的最優(yōu)參數(shù)組合，使用Design-Expert軟件的Optimization功能進行優(yōu)化，以溝型系數(shù)的理想值1為目標(biāo)值，以牽引阻力F的最小值為求解目標(biāo)，同時對回歸模型Y1和Y2進行尋優(yōu)求解，并得到了多組解，其中有多個組合的溝型系數(shù)等于1，選擇牽引阻力最小的一組作為最優(yōu)參數(shù)組合，其中開溝深度、雙翼夾角與入土角的值分別為40 mm、98°、144°。

2.6 仿真與土槽試驗結(jié)果對比分析

仿真試驗與土槽驗證試驗所得牽引阻力和溝型系數(shù)的對比結(jié)果如表6所示?？梢钥闯觯抡媾c土槽試驗所得溝型系數(shù)分別為1.06與1.02，誤差為3.78%；種溝開溝器的牽引阻力分別為43.4和46.3 N，誤差為6.68%，表明仿真試驗結(jié)果較為準(zhǔn)確；溝型系數(shù)的變異系數(shù)相對牽引阻力的變異系數(shù)較大。

表6 仿真試驗與土槽驗證試驗結(jié)果對比Table 6 Comparison of simulation test and soil trough verification test results

3 討論

本文依據(jù)土壤耕作理論應(yīng)用成果[10,15-16]與工程力學(xué)理論，設(shè)計了一款雙壟四行花生壟作播種機種溝開溝器。高質(zhì)量的種溝溝型和低牽引阻力是反映開溝器工作性能的重要指標(biāo)[22-23]。為此選取溝型系數(shù)及牽引阻力為評價指標(biāo)，并以開溝器開溝深度、雙翼夾角和入土角為試驗因素，基于南方土壤的實際情況和EDEM軟件建立南方土壤模型[15,17-21]，開展種溝開溝器作業(yè)EDEM仿真試驗。相對于傳統(tǒng)試驗采用回土量計算溝型[22-23]，該試驗采用曲線擬合法量化溝型，且本研究方案可為南方丘陵地區(qū)花生播種機種溝開溝器設(shè)計提供參考。

通過響應(yīng)面優(yōu)化法對種溝開溝器的作業(yè)參數(shù)進行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合(開溝深度40 mm、雙翼夾角98°、入土角144°)，并探究了各因素及其交互作用對開溝器作業(yè)效果的影響規(guī)律，對于種溝開溝器作業(yè)性能的影響程度，入土角大于雙翼夾角，與趙淑紅等[22]結(jié)論相似，該研究對種溝開溝器作業(yè)性能的提高具有理論指導(dǎo)意義。但仍然存在其他較多影響開溝器作業(yè)性能的因素，如開溝器外形、土壤顆粒粒徑和含量、開溝速度、土壤含水率等，還需進一步研究其他因素對種溝開溝器作業(yè)的影響規(guī)律。

在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，使用種溝開溝器開展土槽試驗對仿真結(jié)果進行驗證，試驗結(jié)果表明，仿真與土槽試驗所得溝型系數(shù)與牽引阻力的誤差分別為3.78%與6.68%，均在允許范圍內(nèi)，表明仿真試驗獲得的最優(yōu)參數(shù)組合是可靠的。因此借助離散元軟件對種溝開溝器的作業(yè)性能進行研究是可行的。