李蒙良 廖慶喜,2 裴立民 廖宜濤,2 王 磊,2 張青松,2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 武漢 430070; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070)

0 引言

長(zhǎng)江中下游流域是中國(guó)油菜主要種植區(qū),該區(qū)域降水年內(nèi)和年際變化大,降水分布不均勻[1],油菜適播期存在土壤含水率變化大影響油菜成苗的問(wèn)題[2]。壟作具有雨季便于排澇,旱季便于灌溉的特點(diǎn),對(duì)田間小氣候和土壤水熱進(jìn)行調(diào)控,已廣泛應(yīng)用于玉米、小麥、大豆、馬鈴薯等作物栽培[3],同時(shí)土壤表面微形貌加工對(duì)灌溉水利用率、作物產(chǎn)量有積極作用[4]。

相關(guān)學(xué)者根據(jù)農(nóng)藝需求,對(duì)油菜種床制備裝置進(jìn)行了研究。張青松等[5-6]針對(duì)積水漬害影響油菜生長(zhǎng)的問(wèn)題,研制了2BFQ系列油菜聯(lián)合直播機(jī)開畦溝系統(tǒng)和起壟裝置,并通過(guò)EDEM仿真優(yōu)化了機(jī)具作業(yè)參數(shù)。劉曉鵬等[7]運(yùn)用微分幾何理論并結(jié)合EDEM仿真方法設(shè)計(jì)了一種組合式船形開溝器,可在黏重土壤制備符合農(nóng)藝要求的畦溝。文獻(xiàn)[8-9]針對(duì)南方水稻田種植油菜過(guò)程中種床制備中高濕度、高稻茬的問(wèn)題研制了2BYL系列油菜壟作施肥聯(lián)合播種機(jī),并提出了深溝窄壟新種植模式。以上種床制備裝置均為寬廂壟作模式[3],即平面廂面播種,廂面兩側(cè)開畦溝。畦溝可及時(shí)將廂面積水排出,但過(guò)深的種溝、作業(yè)質(zhì)量較差的廂面在強(qiáng)降雨后仍易產(chǎn)生漬害,且遇連續(xù)伏秋連旱,廂面應(yīng)提升蓄水保墑能力,減少土壤水分蒸發(fā)。

研究表明,壟作和土壤表面微形貌加工對(duì)種床環(huán)境、作物生長(zhǎng)有積極的調(diào)控效果。壟作栽培立體化配置種床,強(qiáng)降雨時(shí)壟溝及時(shí)排水,壟頂、壟腰無(wú)積水,減少?gòu)?qiáng)降雨積水漬害幼苗根系[10];壟溝降低風(fēng)速,抑制蒸發(fā)[11],保墑蓄水[12];壟作表面積變大增加光截獲量[13],改善植株通風(fēng)透光條件。相關(guān)學(xué)者對(duì)土壤表面微形貌加工進(jìn)行研究,與傳統(tǒng)耕作相比,土壤表面微形貌加工可增強(qiáng)土壤攔蓄水能力[4],不僅可顯著提高灌溉水利用率、減少水土流失,對(duì)土壤物理特性改善和作物產(chǎn)量具有積極影響[14]。

目前,油菜種床研究主要集中在大秸稈量、黏重土壤等工況適應(yīng)性方面,針對(duì)廂面表形改進(jìn)的種床制備裝置研究較少。本文提出一種油菜微壟直播工藝,設(shè)計(jì)一種油菜直播機(jī)旋切式微壟種床制備裝置,通過(guò)等間距的腹板被動(dòng)旋轉(zhuǎn)切土(簡(jiǎn)稱旋切),形成與畦溝方向垂直的微壟。根據(jù)油菜播種農(nóng)藝要求,通過(guò)分析微壟裝置滾動(dòng)包絡(luò)線得到作業(yè)參數(shù)范圍,利用DEM-MBD耦合仿真和試驗(yàn)優(yōu)化方法得到裝置較優(yōu)工作參數(shù)組合,進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)、播種試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果并測(cè)試出苗效果,為油菜直播機(jī)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合提供新途徑。

1 微壟與油菜直播工藝

微壟示意圖如圖1所示,考慮適配不同株行距配置[15],定義微壟距為150～350 mm。相關(guān)研究表明[16-18],壟作栽培0～150 mm土層有明顯增溫效果,大于150 mm差異不明顯;在淺旋和免耕作業(yè)模式下,油菜主根下扎深度為68～143 mm,定義微壟高為75～150 mm。為兼顧蓄水、灌水和排水,微壟溝與兩側(cè)畦溝相通,畦溝溝底低于微壟溝20 mm。為擴(kuò)大土壤表面積,調(diào)控土壤水熱,微壟截面以弧面為宜,壟體高寬比不超過(guò)0.5,利于保持壟體穩(wěn)定。

圖1 油菜微壟示意圖

油菜微壟直播工藝原理如圖2所示,油菜微壟直播作業(yè)工序?yàn)樾橥?、兩?cè)同步開畦溝、廂面旋切成微壟、微壟表面同步播種。

圖2 油菜微壟直播工藝原理圖

2 總體結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

2.1 總體結(jié)構(gòu)

油菜微壟聯(lián)合直播機(jī)主要由旋耕裝置、旋切式微壟種床制備裝置(簡(jiǎn)稱微壟裝置)、施肥裝置、排種系統(tǒng)組成,一次作業(yè)完成旋耕滅茬、開溝起微壟、施肥播種多道工序。整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,微壟裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,整機(jī)參數(shù)見表1。其中微壟裝置是制備廂面微壟的核心部件。

表1 油菜微壟聯(lián)合直播機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

圖3 油菜微壟聯(lián)合直播機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 微壟裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作過(guò)程

機(jī)具作業(yè)時(shí),旋耕裝置先將未耕土壤旋碎滅茬,旋耕裝置兩側(cè)的開溝犁同步開出畦溝。旋耕后的細(xì)碎土壤經(jīng)旋耕裝置的拖板平整后,微壟裝置腹板隨機(jī)具前進(jìn)被動(dòng)循環(huán)切入土壤并旋轉(zhuǎn),將土壤堆積成微壟。旋切深度通過(guò)電動(dòng)推桿調(diào)整,在微壟裝置一側(cè)軸承座上安裝編碼器檢測(cè)微壟裝置轉(zhuǎn)速,為排種系統(tǒng)提供速度源。排種驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)速與微壟裝置轉(zhuǎn)速同步,將種子均勻播種于微壟表面。其中微壟裝置是將廂面旋切成等距橫向微壟的關(guān)鍵裝置。

3 微壟裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

3.1 結(jié)構(gòu)組成

微壟裝置整體結(jié)構(gòu)如圖4所示,旋切組件(圖5)是微壟裝置的核心,旋切組件通過(guò)軸承座安裝于固定架、擺臂組成的支架上,調(diào)節(jié)兩側(cè)的電動(dòng)推桿伸縮控制旋切組件的旋切深度,電動(dòng)推桿行程為200 mm,當(dāng)機(jī)具存放或不需要旋切土壤時(shí),可將電動(dòng)推桿收縮至上止點(diǎn)。

圖5 旋切組件結(jié)構(gòu)示意圖

旋切組件由中心軸、端面軸、腹板盤、腹板組成。中心軸為直徑80 mm空心軸,兩側(cè)端面焊接有法蘭盤,用于安裝腹板盤和端面軸。腹板作業(yè)面由3 mm鋼板折彎成形,兩端面焊接腹板固定件,通過(guò)螺栓安裝于腹板盤。更換不同孔數(shù)的腹板安裝盤可調(diào)整腹板數(shù)量。腹板安裝數(shù)量、回轉(zhuǎn)半徑、頂角是裝置的關(guān)鍵參數(shù)。

3.2 腹板回轉(zhuǎn)半徑分析與確定

機(jī)具前進(jìn)過(guò)程中,腹板循環(huán)旋切土壤。對(duì)腹板端點(diǎn)旋切過(guò)程進(jìn)行靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,分析并確定微壟裝置回轉(zhuǎn)半徑r、被動(dòng)旋切轉(zhuǎn)動(dòng)速比λ等參數(shù),考慮旋切過(guò)程中土壤產(chǎn)生堆積,實(shí)際溝深大于旋切深度,設(shè)旋切深度D為0.10 m。

參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的軋滾設(shè)計(jì),腹板安裝數(shù)N通常不少于6件,腹板安裝間隔角度越小,越易被動(dòng)旋轉(zhuǎn),因此對(duì)N為6時(shí)進(jìn)行分析。簡(jiǎn)化相鄰腹板為線段OM、ON,O為旋轉(zhuǎn)中心,M、N為腹板端點(diǎn)。設(shè)點(diǎn)M觸土?xí)r靜止,受力如圖6所示。

圖6 腹板端點(diǎn)受力分解圖

設(shè)點(diǎn)M靜止,受到推力為Fp,根據(jù)合力矩定理和幾何關(guān)系有

(1)

式中Mo——點(diǎn)M對(duì)于點(diǎn)O力矩,N·m

θ0——點(diǎn)M觸土?xí)rOM與y軸夾角,(°)

θ1——ON與y軸夾角,(°)

Fn——土壤對(duì)點(diǎn)M法向支持力,N

點(diǎn)M和土壤摩擦角φ與θ0、r關(guān)系為

(2)

當(dāng)點(diǎn)M摩擦角φ小于土壤與金屬摩擦角時(shí),點(diǎn)M不產(chǎn)生x方向滑動(dòng),微壟裝置可被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。參考文獻(xiàn)[19],金屬與土壤摩擦角范圍23°～45°,取下限值計(jì)算得到r=0.33 m。為減小機(jī)具縱向尺寸,向下取整r=0.30 m,當(dāng)腹板數(shù)量為6時(shí),相鄰腹板端點(diǎn)間弧長(zhǎng)為0.31 m,處于定義的微壟距范圍內(nèi);代入式(2)驗(yàn)算得點(diǎn)M摩擦角φ最大為24.45°,與摩擦角范圍下限接近,判定可連續(xù)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)作業(yè)。

3.3 被動(dòng)旋轉(zhuǎn)速比分析

將腹板簡(jiǎn)化為線段OM,設(shè)腹板回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O為靜系,土壤為動(dòng)系,腹板尖端點(diǎn)M為動(dòng)點(diǎn)(圖7)。設(shè)機(jī)具前進(jìn)速度為vm,方向?yàn)閤軸負(fù)方向,腹板尖端動(dòng)點(diǎn)M觸土?xí)r運(yùn)動(dòng)速度可分解為速度vpa與速度vpr,當(dāng)點(diǎn)M運(yùn)動(dòng)到y(tǒng)軸時(shí),點(diǎn)M旋切深度為D。根據(jù)點(diǎn)的速度合成定理有

圖7 腹板運(yùn)動(dòng)速度分解示意圖

vpa=vpe+vpr

(3)

式中vpa——?jiǎng)狱c(diǎn)M的切向速度,m/s

vpe——?jiǎng)狱c(diǎn)M的x軸負(fù)方向速度,與vm大小相等,m/s

vpr——?jiǎng)狱c(diǎn)M的y軸方向速度,m/s

vpe與vpa模的比值為

(4)

式中θ——OM與y軸夾角,(°)

設(shè)OM轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ與時(shí)間的函數(shù)為ω(t),則有

(5)

式中ω——OM轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s

結(jié)合式(4)和式(5)有

(6)

微分方程(6)邊界條件為動(dòng)點(diǎn)M由初始位置θ0運(yùn)動(dòng)到y(tǒng)軸所需時(shí)間t。由腹板旋切深度D、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r決定。在無(wú)滑移情況下,點(diǎn)M運(yùn)動(dòng)到y(tǒng)軸所需時(shí)間t為

(7)

根據(jù)邊界條件求解微分方程(6)并求導(dǎo)得OM轉(zhuǎn)動(dòng)角度與角速度為

(8)

結(jié)合式(5)、(8),vpa與vpe的速度比例λ為

(9)

由幾何關(guān)系可知點(diǎn)M的入土深度為

D=rcosθ-rcosθ0

(10)

對(duì)于給定的機(jī)具前進(jìn)速度vpe和時(shí)間t可求得對(duì)應(yīng)入土深度D。通過(guò)式(8)、(10)可得到t、D、vpe的關(guān)系為

(11)

由式(9)、(11)得到速比λ與點(diǎn)M入土深度D關(guān)系為

(12)

使用Matlab繪制出式(9)、(12)速比λ的函數(shù)圖(圖8)。在參數(shù)范圍內(nèi),速比λ隨著旋切深度逐漸減小,減小速度先快后慢。當(dāng)旋切深度為0.05 m時(shí)速比降低為1.2,當(dāng)旋切深度到0.1 m即達(dá)到最深時(shí),λ為1。微壟表面形狀由線段OM自點(diǎn)M向點(diǎn)O包絡(luò)而成,當(dāng)腹板端點(diǎn)M入土較淺時(shí),后部腹板尚未入土,未形成有效的包絡(luò)線;當(dāng)旋切深度過(guò)半時(shí)頂部包絡(luò)線逐漸成形,此時(shí)速比小于1.2,并隨著入土深度增加逐漸逼近于1。

圖8 速比λ變化曲線

3.4 腹板運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線設(shè)計(jì)與分析

分析腹板運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線,研究微壟距p與腹板數(shù)量N的關(guān)系,并確定腹板頂角a參數(shù)范圍。

3.4.1腹板運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線設(shè)計(jì)

考慮實(shí)際情況下動(dòng)點(diǎn)M存在滑移,裝置被動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中至少有2件腹板同時(shí)觸土,為進(jìn)一步分析微壟裝置運(yùn)動(dòng)軌跡,設(shè)λ為1,即微壟裝置腹板端點(diǎn)線速度與機(jī)具前進(jìn)速度相同,在微壟底部所在平面發(fā)生純滾動(dòng)。根據(jù)次擺線參數(shù)方程,線段OM上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為

(13)

式中i——OM上某點(diǎn)與點(diǎn)O距離,mm

xi——點(diǎn)i運(yùn)動(dòng)軌跡x坐標(biāo)

yi——點(diǎn)i運(yùn)動(dòng)軌跡y坐標(biāo)

θr——?jiǎng)訄A轉(zhuǎn)動(dòng)的弧度,rad

使用Matlab繪制出150 mm≤i≤300 mm時(shí),相鄰腹板A和B的運(yùn)動(dòng)軌跡(圖9),腹板A、B相位差為30°。在y軸0～250 mm范圍內(nèi)標(biāo)出包絡(luò)線間斷點(diǎn)CP1～CP10,并計(jì)算出各點(diǎn)斜率和切線角度(表2),并使用三次樣條插值法繪制出包絡(luò)圖像。由圖10所示,腹板運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線的高度h從200 mm逐漸運(yùn)動(dòng)至0 mm時(shí),包絡(luò)線切線與水平方向夾角逐漸增大,當(dāng)y為0 mm,即點(diǎn)M運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí),切土角度為90°。

表2 微壟裝置腹板包絡(luò)線各點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

圖9 相鄰腹板運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線

圖10 腹板運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線三次樣條插值曲線

3.4.2包絡(luò)線分析與關(guān)鍵參數(shù)確定

根據(jù)腹板運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線對(duì)微壟距p、腹板數(shù)量N進(jìn)行分析。設(shè)微壟距最小時(shí),兩相鄰腹板包絡(luò)線相交高度h為1.5倍旋切深度D,避免發(fā)生“切頂”擾動(dòng)微壟頂部土壤回落至微壟溝。當(dāng)h為150 mm時(shí),開度b為92.58 mm,因微壟包絡(luò)線對(duì)稱,微壟距為2倍開度b,即185.16 mm。當(dāng)λ為1,腹板回轉(zhuǎn)半徑r為0.30 m時(shí),微壟距p與腹板數(shù)量N的關(guān)系為

(14)

根據(jù)式(14)計(jì)算得出腹板最大安裝數(shù)量為10.18,取整為10,當(dāng)腹板數(shù)量N為6～10時(shí),對(duì)應(yīng)理論微壟距p為188.50～314.17 mm。

確定腹板頂角a范圍:考慮土壤回流至溝內(nèi)形成無(wú)效深度,參考GB/T 5668—2017《旋耕機(jī)》中旋耕后1級(jí)碎土土塊最長(zhǎng)邊為40 mm,視溝寬小于40 mm的溝深為無(wú)效溝深(圖11)。結(jié)合表3和圖10,當(dāng)開度b為20 mm,即溝寬為40 mm時(shí),高度h(無(wú)效溝深)為64.06 mm,為降低無(wú)效溝深,設(shè)置腹板面按一定角度折彎(腹板頂角a),如圖12所示。

表3 微壟裝置腹板包絡(luò)線反求特殊點(diǎn)

圖11 微壟溝示意圖

圖12 腹板側(cè)板角度示意圖

為避免土壤進(jìn)入腹板內(nèi)側(cè)夾角中,設(shè)定M1E1長(zhǎng)度為1.5倍旋切深度D,S1S2連線與OM1垂直且過(guò)點(diǎn)E1。當(dāng)OM1長(zhǎng)度為300 mm,腹板數(shù)量為10時(shí),θ1為36°?？紤]安裝間隙S2S3,設(shè)定腹板頂角a區(qū)間為0°～28°。

通過(guò)理論分析得到微壟裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:回轉(zhuǎn)半徑r為0.30 m,腹板數(shù)量為6～10,腹板頂角a為0°～28°。

4 DEM-MBD耦合仿真分析與參數(shù)優(yōu)化

微壟裝置作業(yè)對(duì)象為旋耕后土壤,是具有離散性的散體顆粒群。被動(dòng)旋轉(zhuǎn)切土過(guò)程中散體顆粒群與機(jī)具相互作用,顆粒、機(jī)具的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、受力隨時(shí)間持續(xù)變化,難以通過(guò)解析法定量表達(dá)顆粒群的運(yùn)動(dòng)。為進(jìn)一步探究機(jī)具性能,使用DEM-MBD耦合仿真探究理論分析得到的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),從土壤角度定量研究微壟成形過(guò)程,結(jié)合試驗(yàn)優(yōu)化方法,得到較優(yōu)參數(shù)組合。

4.1 DEM-MBD耦合仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

4.1.1模型仿真基礎(chǔ)參數(shù)

使用RecurDyn和EDEM軟件進(jìn)行DEM-MBD耦合仿真。DEM-MBD耦合仿真結(jié)合MBD和DEM仿真的優(yōu)勢(shì),可對(duì)單一仿真無(wú)法完成的工況進(jìn)行模擬,得到了廣泛運(yùn)用[20-21]。微壟裝置的作業(yè)土壤為旋耕后碎土,顆粒之間黏結(jié)力較小,作業(yè)過(guò)程中無(wú)直接垂直向下的壓力,忽略顆粒塑性變形,設(shè)顆粒與顆粒之間的接觸模型為Hertz-Mindlin[22]。機(jī)具材料的本征參數(shù)、材料與EDEM顆粒間接觸參數(shù)通過(guò)文獻(xiàn)[22-25]獲得。EDEM顆粒之間接觸參數(shù)對(duì)作業(yè)區(qū)域內(nèi)旋耕后的土壤進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定獲得,詳細(xì)參數(shù)見表4。

表4 仿真材料與模型參數(shù)

4.1.2虛擬土槽生成

對(duì)旋耕后的土壤進(jìn)行采樣統(tǒng)計(jì),將采樣后土壤顆粒按最長(zhǎng)邊大于50 mm、40～50 mm、30～40 mm、20～30 mm、0～20 mm篩分成5類并統(tǒng)計(jì)質(zhì)量比,每種尺度類型土壤顆粒隨機(jī)選取1種進(jìn)行三維掃描建立STL模型,在EDEM中按質(zhì)量比填充復(fù)現(xiàn)5種尺度土塊,重構(gòu)旋耕后土壤?？紤]旋耕作業(yè)后土壤蓬松度增加,種床體積膨脹,將虛擬土槽厚度設(shè)定為220 mm?？紤]計(jì)算量[23-24],設(shè)定顆粒床尺寸為3 000 mm×500 mm×220 mm。

4.1.3模型設(shè)置

建立微壟裝置的簡(jiǎn)化模型,如圖13所示。為模擬裝置在實(shí)際作業(yè)中被動(dòng)旋轉(zhuǎn)工況,在RecurDyn軟件中定義微壟裝置與中心軸之間的運(yùn)動(dòng)副為旋轉(zhuǎn)副,中心軸勻速直線運(yùn)動(dòng),方向與機(jī)具前進(jìn)方向相同。離散元仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為2×10-5s,當(dāng)裝置旋切完虛擬土槽時(shí)停止仿真。

圖13 耦合仿真模型

4.2 微壟成形過(guò)程分析

4.2.1微壟裝置被動(dòng)旋轉(zhuǎn)分析

使用RecurDyn后處理中Plot功能導(dǎo)出微壟裝置被動(dòng)旋轉(zhuǎn)角速度與y方向位移關(guān)系折線圖(圖14)。腹板數(shù)量、腹板頂角取分析結(jié)果中間值,即腹板數(shù)量為8、腹板頂角14°,前進(jìn)速度分別為1、3、5 km/h。結(jié)果表明,微壟裝置被動(dòng)旋轉(zhuǎn)角速度呈周期性變化,且變化幅度隨著前進(jìn)速度增大而變大;微壟裝置轉(zhuǎn)動(dòng)平均角速度分別為0.927、2.70、4.47 rad/s,腹板端點(diǎn)平均線速度分別為0.98、2.92、4.83 km/h,滑移率分別為2.02%、2.73%、3.44%,與理論分析中λ為1相符。

4.2.2土壤顆粒擾動(dòng)分析

使用EDEM后處理分析微壟曲面成形過(guò)程中顆粒擾動(dòng)規(guī)律。腹板數(shù)量、腹板頂角取分析結(jié)果中間值,即腹板數(shù)量為8、腹板頂角14°,前進(jìn)速度分別為1、3、5 km/h。相鄰的微壟表面由Ea、Eb兩個(gè)包絡(luò)曲面組成,Ea、Eb通過(guò)腹板側(cè)面旋轉(zhuǎn)包絡(luò)成形。對(duì)于先成形的包絡(luò)曲面Ea,腹板端點(diǎn)觸土后,腹板側(cè)面將下后方的土壤顆粒沿包絡(luò)線進(jìn)行推擠,逐漸形成包絡(luò)曲面Ea;隨著機(jī)具前進(jìn)腹板旋轉(zhuǎn)至90°達(dá)到旋切深度,此時(shí)包絡(luò)曲面Ea成形(圖15b),包絡(luò)方向沿微壟自上而下。對(duì)于后成形的包絡(luò)曲面Eb,隨著機(jī)具前進(jìn),腹板繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),腹板側(cè)面將前方土壤朝作業(yè)方向推擠,至腹板離開土壤,包絡(luò)曲面Eb成形(圖15c),包絡(luò)方向沿微壟自下而上。

圖15 相鄰微壟曲面成形過(guò)程

對(duì)微壟成形過(guò)程中土壤顆粒擾動(dòng)情況進(jìn)行分析。以腹板數(shù)量為8、腹板頂角14°,前進(jìn)速度分別為1、3、5 km/h為例,分析單個(gè)微壟成形過(guò)程中土壤顆粒擾動(dòng)情況。使用矢量箭頭表示土壤顆粒運(yùn)動(dòng)方向,不同顏色表示土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)速度,為便于統(tǒng)一比較,將顆粒速度色階范圍設(shè)置為0～0.6 m/s。腹板沿微壟裝置圓周均勻布置,作業(yè)過(guò)程中交替旋切入土,當(dāng)腹板數(shù)量為8時(shí),微壟裝置每轉(zhuǎn)動(dòng)45°形成一個(gè)微壟。為記錄微壟成形完整過(guò)程,觀察微壟裝置轉(zhuǎn)動(dòng)相位角分別為0°、15°、30°、45°時(shí)顆粒擾動(dòng)情況,如圖16所示。

圖16 不同前進(jìn)速度與相位土壤顆粒擾動(dòng)分析

土壤顆粒擾動(dòng)方向從后向前,顆粒擾動(dòng)區(qū)域和擾動(dòng)速度隨著機(jī)具前進(jìn)速度增大而增大,當(dāng)前進(jìn)速度為1 km/h時(shí),最大擾動(dòng)速度相位角為15°,有少量土壤顆粒回落至后方微壟溝中;當(dāng)前進(jìn)速度為3 km/h,最大擾動(dòng)速度相位角在15°～30°之間,部分土壤顆粒擾動(dòng)至微壟頂部;當(dāng)前進(jìn)速度為5 km/h時(shí),最大擾動(dòng)速度相位角為30°,部分土壤顆粒擾動(dòng)后越過(guò)微壟頂部,落入前方微壟溝。前進(jìn)速度增加,土壤顆粒沿前進(jìn)方向流動(dòng)量增加,最大擾動(dòng)速度相位角有延后的趨勢(shì)。當(dāng)前進(jìn)速度較低時(shí),土壤顆粒易朝后流動(dòng)并回落至后方微壟溝中,隨著前進(jìn)速度增加,土壤顆粒朝前擾動(dòng)速度增加,易落入前方微壟溝中。

4.3 優(yōu)化仿真試驗(yàn)指標(biāo)與方法

微壟成形過(guò)程中土壤顆粒經(jīng)擾動(dòng)后將不同程度地回流至微壟溝中,為便于定量探究各參數(shù)對(duì)微壟成形的影響,將有效溝深作為主要指標(biāo)。有效溝深是微壟裝置推動(dòng)后顆粒在臨界滑動(dòng)狀態(tài)的一種特征,在微壟定義范圍內(nèi)有效溝深越大越好。

通過(guò)EDEM后處理中切片功能將微壟部位顆粒切出顯示,導(dǎo)出x軸方向正視圖,將圖像二值化處理后提取輪廓路徑,將輪廓路徑導(dǎo)入AutoCAD縮放至實(shí)際尺寸后進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。測(cè)量指標(biāo)為實(shí)際溝深、無(wú)效溝深、微壟距(圖11),有效溝深為實(shí)際溝深與無(wú)效溝深之差,微壟距為相鄰微壟溝距離。為減少誤差,虛擬土槽中第一個(gè)和最后一個(gè)完整微壟不計(jì)入統(tǒng)計(jì),每次試驗(yàn)至少統(tǒng)計(jì)5個(gè)微壟。

4.4 單因素試驗(yàn)與結(jié)果分析

理論分析得到的腹板數(shù)量N、腹板頂角a為區(qū)間值,旋切深度D與機(jī)具前進(jìn)速度S是作業(yè)過(guò)程中關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)。探究作業(yè)旋切深度D、前進(jìn)速度S、腹板數(shù)量N、腹板頂角a對(duì)作業(yè)效果的影響,并確定各因素的范圍。

考慮旋切后土壤堆積、旋耕機(jī)前進(jìn)速度區(qū)間及3.4.2節(jié)分析結(jié)果,設(shè)定單因素試驗(yàn)中水平為:旋切深度80 mm、前進(jìn)速度3 km/h、腹板數(shù)量8、腹板頂角14°。進(jìn)行某一因素試驗(yàn)時(shí)將其他因素設(shè)為中間水平。試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。各因素水平間差異使用LSD法比較(***、**、*分別表示方差分析在0.001、0.01、0.05水平上顯著,ns表示不顯著)。

圖17 單因素試驗(yàn)仿真結(jié)果與統(tǒng)計(jì)

(1)分析旋切深度分別為50、80、110 mm時(shí)對(duì)微壟成形的影響。當(dāng)旋切深度為50 mm,其他因素為中水平時(shí),有效溝深平均值為19.19 mm,深度較淺。隨著旋切深度增加,有效溝深從53.71 mm增加至59.59 mm,旋切深度在50～80 mm時(shí)增幅較大,80～110 mm時(shí)增幅減小。方差分析和多重比較表明,旋切深度對(duì)有效溝深有極顯著影響,旋切深度在80 mm和110 mm時(shí)差異不顯著。

(2)分析前進(jìn)速度分別為1、3、5 km/h時(shí)對(duì)微壟成形的影響。當(dāng)前進(jìn)速度從1 km/h增加至5 km/h時(shí),有效溝深緩慢從42.41 mm增加至52.59 mm。方差分析和多重比較表明,前進(jìn)速度對(duì)有效溝深有較顯著影響,當(dāng)前進(jìn)速度為3 km/h和5 km/h時(shí),有效溝深差異不顯著,前進(jìn)速度為1 km/h和3 km/h、1 km/h和5 km/h時(shí)差異顯著。

(3)分析腹板數(shù)量為6、8、10時(shí)對(duì)微壟成形的影響。當(dāng)腹板數(shù)量從6增加至8時(shí),有效溝深平均值從47.24 mm增加至53.71 mm,再跌至41.29 mm。方差分析和多重比較表明,腹板數(shù)量對(duì)有效溝深有顯著影響,腹板數(shù)量在6和8之間差異不顯著,但腹板數(shù)量8和10之間差異顯著,有效溝深降低。

(4)分析腹板頂角為0°、14°、28°時(shí)對(duì)微壟成形的影響。當(dāng)腹板頂角從0°增加至28°時(shí),有效溝深平均值從34.30 mm增加至58.66 mm,標(biāo)準(zhǔn)差變化幅度較小。方差分析和多重比較表明,腹板頂角對(duì)有效深度有極顯著影響,各個(gè)水平之間差異均為極顯著水平。

4.5 正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

單因素試驗(yàn)表明,腹板數(shù)量N為10時(shí),有效溝深顯著降低,僅41.29 mm,且與8水平差異顯著,將腹板數(shù)量N設(shè)置為6、8兩種進(jìn)行試驗(yàn)。因前進(jìn)速度S為3～5 km/h時(shí),對(duì)微壟有效溝深影響不顯著,將前進(jìn)速度S設(shè)置為3 km/h進(jìn)行試驗(yàn)。旋切深度D、腹板頂角a是影響有效溝深的極顯著因素(P<0.001),將旋切深度D和腹板頂角a設(shè)定為二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)因素。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表5,y6、y8分別為N取6、8時(shí)有效溝深。

表5 正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

試驗(yàn)使用Design-Expert 11.0軟件進(jìn)行分析,當(dāng)腹板數(shù)量為6、8時(shí),方差分析見表6、7。方差分析表明,腹板數(shù)量為6或8時(shí),旋切深度D和腹板頂角a對(duì)有效溝深影響極顯著,有效溝深y6、y8與旋切深度D、腹板頂角a之間的回歸方程分別為

表6 N=6時(shí)正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)方差分析

表7 N=8時(shí)正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)方差分析

y6=-204.46+45.13D+0.03a+0.17Da-1.94D2-0.02a2

(15)

y8=-363.65+75.30D+36.11a-0.43Da-3.47D2-0.04a2

(16)

旋切深度D和腹板頂角a與有效溝深的響應(yīng)曲面見圖18。當(dāng)腹板數(shù)量為6時(shí),隨著旋切深度D和腹板頂角a的增加,有效溝深增加,旋切深度D為增加的主要因素,由等高線圖可知,為獲得不小于70 mm的有效溝深,旋切深度應(yīng)大于90 mm,為獲得較深的有效溝深,腹板頂角a和旋切深度D應(yīng)盡量取最大值。當(dāng)腹板數(shù)量為8時(shí),有效溝深隨旋切深度D和腹板頂角a在各自因素范圍內(nèi)出現(xiàn)拐點(diǎn),從等高線圖可知,有效溝深最大值為64.26 mm,為獲得較深的有效溝深,腹板頂角范圍應(yīng)設(shè)置在22°～27°之間,旋切深度應(yīng)設(shè)置在86.00～97.00 mm之間。

圖18 旋切深度與腹板頂角交互作用的響應(yīng)曲面

為獲得較優(yōu)因素組合,使用Design-Expert 11.0進(jìn)行求解,設(shè)置旋切深度D和腹板頂角a范圍分別為80～100 mm、14°～28°,求解設(shè)置有效溝深為最大,獲得的較優(yōu)參數(shù)組合分別為:當(dāng)腹板數(shù)量為6時(shí),腹板頂角a和旋切深度D分別為28.00°、100 mm,有效溝深y6為83.59 mm;當(dāng)腹板數(shù)量為8時(shí),腹板頂角a和旋切深度D分別為26.50°、92.00 mm,有效溝深y8為64.26 mm。

以較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)(圖19),每組參數(shù)組合重復(fù)3次。試驗(yàn)結(jié)果為:腹板數(shù)量為6時(shí),有效溝深y6平均值為83.25 mm;腹板數(shù)量為8時(shí),有效溝深y8平均值為63.89 mm。驗(yàn)證仿真結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果偏差不超過(guò)0.58%。

圖19 最優(yōu)參數(shù)組合仿真結(jié)果

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證仿真優(yōu)化結(jié)果,將微壟裝置安裝于播種機(jī)進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)和播種試驗(yàn)。作業(yè)參數(shù)設(shè)定為最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行田間優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn),使用Trimble TX8三維激光掃描儀掃描作業(yè)后廂面以獲得微壟點(diǎn)云圖(圖20),通過(guò)Trimble RealWorks軟件處理微壟實(shí)際輪廓并進(jìn)行分析。試驗(yàn)時(shí)微壟裝置各參數(shù)為:調(diào)節(jié)兩側(cè)電動(dòng)推桿同步運(yùn)動(dòng)將作業(yè)深度分別設(shè)置為100 mm和92 mm;調(diào)節(jié)拖拉機(jī)手油門將機(jī)具前進(jìn)速度控制為3 km/h。

圖20 田間優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)

將機(jī)具安裝排種系統(tǒng)進(jìn)行播種試驗(yàn),排種系統(tǒng)由10行單體排種器、排種驅(qū)動(dòng)模塊、編碼器、導(dǎo)種管組成(圖3)。在微壟裝置軸端面安裝編碼器測(cè)定微壟裝置轉(zhuǎn)速,閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源,通過(guò)單片機(jī)控制閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速,以隨速播種。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.2.1優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)

因微壟溝噪點(diǎn)較多,無(wú)法準(zhǔn)確標(biāo)出無(wú)效溝深,將點(diǎn)云圖中測(cè)得的實(shí)際溝深與仿真中的實(shí)際溝深進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證仿真合理性。微壟點(diǎn)云圖通過(guò)Trimble RealWorks軟件在廂面中截取獲得,隨機(jī)截取10個(gè)連續(xù)微壟,將截面點(diǎn)云圖導(dǎo)入AutoCAD,在正投影方向測(cè)量微壟距、實(shí)際溝深。微壟點(diǎn)云圖見圖21,測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表8。當(dāng)腹板數(shù)量為6時(shí),實(shí)際溝深和微壟距平均值分別為103.08、332.92 mm,與最優(yōu)參數(shù)組合下仿真結(jié)果(104.37、324.66 mm)基本一致,誤差分別為1.25%和2.48%,微壟合格率為100%;當(dāng)腹板數(shù)量為8時(shí),實(shí)際溝深和微壟距平均值分別為85.16、266.88 mm,與較優(yōu)參數(shù)組合下仿真結(jié)果(82.51、244.85 mm)基本一致,誤差分別為3.11%和8.25%,微壟合格率為90%。

表8 田間試驗(yàn)微壟統(tǒng)計(jì)

圖21 田間試驗(yàn)微壟點(diǎn)云圖

5.2.2播種試驗(yàn)

2021年9月29日在湖北省荊門市掇刀區(qū)展開了油菜微壟直播試驗(yàn),配套動(dòng)力為雷沃1204型拖拉機(jī),設(shè)置微壟裝置腹板數(shù)量為6,作業(yè)參數(shù)為最優(yōu)參數(shù)組合。機(jī)具設(shè)置10行單體排種器,配置行距為150 mm,播量為5 277 g/hm2,品種為高油酸雜交油菜H2133,油菜出苗效果良好(圖22)。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種油菜直播機(jī)旋切式微壟種床制備裝置,基于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析了裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程,確定了裝置基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。微壟裝置從動(dòng)滾動(dòng)組件回轉(zhuǎn)半徑為0.30 m,腹板數(shù)量為6～10,腹板頂角為0°～28°。

(2)DEM-MBD耦合仿真試驗(yàn)分析了前進(jìn)速度、旋切深度、腹板頂角、腹板數(shù)量對(duì)有效溝深的影響,并優(yōu)化了工作參數(shù)。通過(guò)正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)得到有效溝深最大的較優(yōu)參數(shù)組合為:腹板數(shù)量為6時(shí),腹板頂角和旋切深度分別為28.00°、100 mm,有效溝深為83.59 mm;腹板數(shù)量為8時(shí),腹板頂角和旋切深度分別為26.50°、92 mm,有效溝深為64.26 mm。

(3)田間優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)使用Trimble TX8三維激光掃描儀掃描較優(yōu)參數(shù)組合下作業(yè)的微壟廂面,與優(yōu)化仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明:當(dāng)腹板數(shù)量為6時(shí),微壟距平均為332.92 mm,實(shí)際溝深平均為103.08 mm;當(dāng)腹板數(shù)量為8時(shí),微壟距平均為266.88 mm,實(shí)際溝深平均為85.16 mm,微壟合格率不小于90%,試驗(yàn)各指標(biāo)與優(yōu)化結(jié)果基本一致,最大誤差為8.25%。在湖北省荊門市掇刀區(qū)展開了油菜微壟直播試驗(yàn),出苗效果良好。