史乃煜 陳海濤 魏志鵬 柴譽(yù)鐸 侯守印 王 星

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

播種單體主要由種肥開溝器、排種器、覆土鎮(zhèn)壓器等多個(gè)工作部件構(gòu)成，一次性可完成肥開溝、落肥、種開溝、投種、覆土和鎮(zhèn)壓等作業(yè)環(huán)節(jié)[1-5]。其中，肥料落入肥溝后，依靠土壤回流填充肥溝，再進(jìn)行播種作業(yè)。在濕黏土壤條件下作業(yè)時(shí)，由于土壤流動(dòng)性差，施肥鏟回填性能弱，易導(dǎo)致種肥同床，從而發(fā)生“燒種”現(xiàn)象[6-7]。同時(shí)，為保證土壤有充足時(shí)間回流肥溝，機(jī)具作業(yè)速度不能過快，因此制約了高效率播種施肥機(jī)械的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)開溝器與土壤作用規(guī)律開展了系列研究。BARR等[8]利用離散元仿真方法研究了開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)土壤運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)具性能的影響，并對(duì)仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得到作業(yè)后疏松土壤面積、壟高、土壤回填率和土壤側(cè)向拋擲距離的相對(duì)誤差分別為9%、14%、0.8%和9%。趙淑紅等[7]通過建立開溝器與土壤的運(yùn)動(dòng)模型，分析了影響土壤顆粒運(yùn)動(dòng)的相關(guān)因素，并以牽引阻力和回土面積為指標(biāo)對(duì)雙圓盤開溝器進(jìn)行優(yōu)化研究，優(yōu)化后的雙圓盤開溝器較傳統(tǒng)雙圓盤開溝器牽引阻力減小83 N、回土面積增加8.5 cm2。曹曉東[9]為解決現(xiàn)有芯鏵式開溝器開溝寬度大的問題，將傳統(tǒng)芯鏵凹曲面變?yōu)橥骨?，并?duì)改進(jìn)后的裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：改進(jìn)后的開溝器在作業(yè)速度5、8 km/h時(shí)，較傳統(tǒng)開溝器土壤擾動(dòng)率分別降低6%和16.2%，回填率分別增加17.1%和15.9%。譚賀文[10]基于集成化思想設(shè)計(jì)一種集開溝、回土、鎮(zhèn)壓一體化的組合式播種開溝器，應(yīng)用四因素五水平三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法對(duì)影響開溝質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，優(yōu)化后的組合式播種開溝器回土量比雙圓盤和尖角式開溝器分別提升21.6%和51.3%。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)濕黏土壤條件下肥開溝器存在的問題，基于最速降線原理設(shè)計(jì)一種強(qiáng)制回土裝置，通過理論分析、虛擬仿真和預(yù)試驗(yàn)確定裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用正交試驗(yàn)優(yōu)化得到該裝置最優(yōu)參數(shù)組合，為高效率精準(zhǔn)播種施肥機(jī)械的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

增設(shè)強(qiáng)制回土裝置的播種單體主要由施肥鏟、強(qiáng)制回土裝置、平行四連桿、種開溝器、排種器、種箱和覆土鎮(zhèn)壓裝置7部分組成，其中，強(qiáng)制回土裝置主要由鏟柄褲、預(yù)緊彈簧以及對(duì)稱布置的回流擋板支架、回流擋板構(gòu)成，如圖1所示，作業(yè)時(shí)肥料落入由施肥鏟開出的施肥溝內(nèi)，土壤在強(qiáng)制回土裝置的作用下流入施肥溝后，由種開溝鏟開出種溝，種子經(jīng)排種器均勻落入種溝，隨后進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)，完成施肥播種全部作業(yè)環(huán)節(jié)。

圖1 帶有強(qiáng)制回土裝置的播種單體結(jié)構(gòu)圖

作為與土壤直接接觸的工作部件，回流擋板的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)土壤回流情況有顯著影響，其中回流擋板與地表夾角α將回流擋板與土壤的作用力產(chǎn)生豎直分量，使回流擋板在被秸稈堵塞時(shí)受垂直反力繞軸旋轉(zhuǎn)防堵，同時(shí)預(yù)緊彈簧可調(diào)節(jié)回流擋板防堵閾值，閾值大小影響土壤回流和單體通過性；土壤回填率與回流擋板間距d負(fù)相關(guān)，但間距過小會(huì)阻礙秸稈堵塞時(shí)自行流出。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 考慮阻力時(shí)的最速降線數(shù)值運(yùn)算

最速降線問題指在不考慮摩擦力時(shí)，質(zhì)點(diǎn)從起始點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)至不在其垂直下方的終點(diǎn)B，下滑時(shí)間最短的曲線，如圖2所示，半徑為r的圓沿直線OB滾動(dòng)，圓上一點(diǎn)掃過的軌跡即為O、B兩點(diǎn)間的最速降線，最速降線解析方程為[11-13]

(1)

式中 (x,y)——質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)，m

θ——質(zhì)點(diǎn)滾動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)角，(°)

圖2 最速降線幾何含義

當(dāng)最速降線問題應(yīng)用于工程領(lǐng)域時(shí)，常需考慮摩擦阻力的作用[14-16]，因此對(duì)該解析方程進(jìn)行處理，對(duì)考慮摩擦?xí)r的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行能量分析。

(2)

其中

(3)

式中v——質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，m/s

m——質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

μ——?jiǎng)幽Σ烈驍?shù)

φ——摩擦角，(°)

s——質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)路程，m

從起始點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)B的時(shí)間T為

(4)

式中xB——B點(diǎn)橫向位置坐標(biāo)，m

將Oxy坐標(biāo)系順時(shí)針旋轉(zhuǎn)φ，得到在摩擦因數(shù)作用下的OXY坐標(biāo)系如圖3所示，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式為y-μx=Y/cosφ，轉(zhuǎn)換后運(yùn)動(dòng)時(shí)間

圖3 轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系后的最速降線

(5)

式中 (X,Y)——轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系后質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)，m

XB——轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系后B點(diǎn)橫向位置坐標(biāo)，m

由旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系可以看出，曲線la開始的一部分進(jìn)入x<0區(qū)域，由式(5)可知，質(zhì)點(diǎn)沿曲線la在P處速度小于其自由落體速度，因此該曲線不是從O到P的最優(yōu)路徑，對(duì)最速降線解析方程進(jìn)行伸縮平移變換[17]

(6)

式中R——變換后參數(shù)半徑，m

b——最速降線方程橫向平移量，m

此時(shí)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在OC段自由落體，后沿最速降線lb滑動(dòng)至終點(diǎn)B處，運(yùn)動(dòng)時(shí)間

(7)

式中 (xC,yC)——C點(diǎn)坐標(biāo)，m

當(dāng)C處位置發(fā)生變化時(shí)有

(8)

其中C為極值點(diǎn)，條件滿足δT=0，即y′=∞，因此得出結(jié)論：當(dāng)曲線lb與y軸相切時(shí)，即為在考慮摩擦阻力作用下從O到B的最速降線。此時(shí)C點(diǎn)位置滿足

(9)

式中 (XC,YC)——轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系后C點(diǎn)坐標(biāo)，m

θC——質(zhì)點(diǎn)滾動(dòng)至C點(diǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)角，(°)

其中最速降線平移量b=2(μ-πφ/180)R。從起始點(diǎn)O到終點(diǎn)B的最速降線參數(shù)R、b僅取決于O、B兩點(diǎn)相對(duì)位置和回流擋板與土壤間的摩擦因數(shù)，其中，兩點(diǎn)縱向位置由肥開溝鏟與種開溝器空間位置確定，參考2BMFJ系列免耕播種單體，實(shí)際測(cè)量后取120 mm，橫向位置由肥開溝鏟開溝后土壤泛起寬度決定。

2.2 開溝寬度建模分析

開溝鏟作業(yè)時(shí)，將土壤泛起至肥溝兩側(cè)種床上，部分土壤回流至肥溝，形成如圖4所示的3個(gè)區(qū)域，a、c、h分別表示土壤泛起寬度、開溝寬度和開溝深度[7,18]。

圖4 溝形示意圖

土壤泛起寬度、回流量由開溝鏟參數(shù)、土壤含水率等共同決定[19]，很難通過理論分析或軟件仿真求得準(zhǔn)確數(shù)值，因此通過田間預(yù)試驗(yàn)對(duì)溝形建模分析，試驗(yàn)選取機(jī)具作業(yè)速度為變量，該值主要由排種器性能確定，排種器播種合格指數(shù)與作業(yè)速度負(fù)相關(guān)，但速度過慢會(huì)降低播種效率，綜合考慮選取作業(yè)速度1.5～2.5 m/s[20]；試驗(yàn)地平均含水率20.6%，平均土壤硬度28.1 kg/m2，應(yīng)用鏟式銳角開溝鏟實(shí)施試驗(yàn)，其中，鏟柄寬度30 mm，設(shè)定開溝深度100 mm，使用輪廓儀對(duì)溝形進(jìn)行測(cè)繪，測(cè)量5次取平均值，如圖5所示。

圖5 溝形測(cè)繪

統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果，開溝鏟作業(yè)后溝寬(112.2±11.6) mm，土壤泛起寬度(138.4±13.1) mm，根據(jù)肥鏟作業(yè)后土壤泛起寬度確定O、B兩點(diǎn)橫向距離，作業(yè)過程中隨該橫向距離的增加，單位時(shí)間喂入秸稈量增多，易造成拖堆堵塞，因此在能夠填滿肥溝前提下應(yīng)減小該橫向距離，由于土壤泛起后容重降低，且大部分土壤堆積在靠近肥溝兩側(cè)，強(qiáng)制回土裝置僅輸送部分土壤即可填滿肥溝，根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)效果選取泛起寬度的一半作為O、B兩點(diǎn)橫向距離。

2.3 自適應(yīng)防堵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為防止播種苗帶混入的秸稈堵塞強(qiáng)制回土裝置，設(shè)計(jì)時(shí)加入自適應(yīng)防堵結(jié)構(gòu)，當(dāng)秸稈塞入強(qiáng)制回土裝置時(shí)，回流擋板繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)防止拖堆堵塞，彈簧預(yù)緊力和回流擋板與地表夾角是影響該結(jié)構(gòu)作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，其中，預(yù)緊力過大易造成拖堆堵塞，過小則減弱土壤回流效果，因此取沿機(jī)器前進(jìn)方向?yàn)榻孛?，?duì)塞入回流擋板間的秸稈進(jìn)行受力分析，如圖6所示，得到其不與種床發(fā)生相對(duì)位移的臨界條件。

(10)

式中F——土壤對(duì)回流擋板的支持力，N

f1——土壤與秸稈間摩擦力，N

f2——回流擋板與秸稈間摩擦力，N

N1——土壤對(duì)秸稈的垂直反力，N

N2——回流擋板對(duì)秸稈壓力，N

M——秸稈質(zhì)量，kg

整理得到回流擋板對(duì)秸稈壓力范圍

(11)

圖6 回流擋板受力分析

該作用力由土壤對(duì)回流擋板的支持力F、秸稈質(zhì)量M、回流擋板與地表夾角α、土壤與秸稈間摩擦因數(shù)μ1和回流擋板與秸稈間摩擦因數(shù)μ2共同決定。查閱文獻(xiàn)可知，通常情況下，秸稈與土壤、肥鏟間動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.5、0.3[21]，由于Mg?F，因此忽略秸稈重力，整理得到回流擋板與秸稈間正壓力上限為F/(1.17sin(α-9.9°))，當(dāng)滿足上限值大于下限值F時(shí)，1.17sin(α-9.9°)<1，即回流擋板與地表夾角α小于68.7°。

2.4 離散元仿真分析

土壤對(duì)回流擋板的支持力很難通過理論分析得到，因此根據(jù)EDEM離散元仿真軟件確定大致范圍，應(yīng)用SolidWorks 2017對(duì)裝有強(qiáng)制回土裝置的肥鏟進(jìn)行數(shù)字化建模，導(dǎo)入EDEM離散元仿真軟件對(duì)回流擋板和土壤間接觸力進(jìn)行分析，全局變量參數(shù)設(shè)置如表1所示[22]。仿真采用Hertz-mindlin(no-slip)模型，設(shè)置肥鏟開溝深度100 mm，作業(yè)速度1.5～2.5 m/s，仿真步長(zhǎng)9.25×10-6s，數(shù)據(jù)記錄間隔0.01 s，仿真過程如圖7所示。

表1 全局變量參數(shù)設(shè)置

圖7 EDEM仿真過程

對(duì)仿真后的單個(gè)回流擋板進(jìn)行接觸壓力分析，得到在1.5、2.0、2.5 m/s 3個(gè)作業(yè)速度下，接觸壓力分別為20.3、21.8、19.5 N，可將該力視為回流擋板防堵閾值，閾值高低影響土壤回流和單體通過性，為滿足預(yù)緊力在各作業(yè)速度下均可有效保證作業(yè)質(zhì)量，設(shè)定回流擋板防堵閾值F為仿真極大值21.8 N，由圖6分析得到此時(shí)彈簧預(yù)緊力為F/sinα。

3 試驗(yàn)優(yōu)化與分析

3.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

試驗(yàn)于2019年10月20日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)地為壟距110 cm的玉米原茬地，平均土壤硬度29.3 kg/m2，平均土壤含水率21.7%，選用2BMFJ-DL4型免耕播種機(jī)作為試驗(yàn)實(shí)施載體，如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)裝置

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

應(yīng)用三因素三水平正交試驗(yàn)方法[23-26]，選取作業(yè)速度、回流擋板間距和回流擋板與地表夾角為試驗(yàn)因素，土壤回填率與單體通過性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)影響強(qiáng)制回土裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

結(jié)合前期理論分析、虛擬仿真和預(yù)試驗(yàn)結(jié)果確定各因素水平，其中免耕播種機(jī)作業(yè)速度主要由排種器性能確定，排種器播種合格指數(shù)與作業(yè)速度負(fù)相關(guān)，但速度過慢導(dǎo)致播種效率降低，綜合考慮選取作業(yè)速度1.5～2.5 m/s[20]；回流擋板間距根據(jù)預(yù)試驗(yàn)開溝寬度100.6～123.8 mm確定；由式(11)確定回流擋板與地表夾角小于68.7°，但隨該角度減小會(huì)降低回流擋板對(duì)土壤的橫向輸送作用。最終確定各因素水平如表2所示，試驗(yàn)方案如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

通過測(cè)量施肥鏟通過后肥溝溝形計(jì)算土壤回填率

(12)

式中S1——開溝后土壤回填區(qū)域面積，mm2

S2——開溝后土壤未回填區(qū)域面積，mm2

單體通過性參考農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)機(jī)鑒定總站免耕播種機(jī)性能檢測(cè)要求[27-28]，在工作長(zhǎng)度120 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)秸稈堵塞現(xiàn)象且必須停機(jī)清理時(shí)為重度堵塞，出現(xiàn)秸稈堵塞現(xiàn)象不需停機(jī)清理為中度堵塞，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象但秸稈能隨作業(yè)過程自行脫離或不影響正常播種為輕微堵塞，為量化試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)重度堵塞、中度堵塞、輕微堵塞和不堵塞4種結(jié)果分別以3、2、1、0標(biāo)記，試驗(yàn)5次對(duì)結(jié)果進(jìn)行累加。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

試驗(yàn)結(jié)果與極差分析如表3所示，A、B、C分別為作業(yè)速度、回流擋板間距和回流擋板與地表夾角的水平值。

表3 試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

對(duì)于土壤回填率Y1，影響主次順序?yàn)锽、A、C，優(yōu)化組合A1B1C2，即作業(yè)速度1.5 m/s、回流擋板間距101 mm、回流擋板與地表夾角60°；對(duì)于單體通過性Y2，影響主次順序?yàn)锽、C、A，優(yōu)化組合A1B3C1或A1B3C2，即作業(yè)速度1.5 m/s、回流擋板間距123 mm、回流擋板與地表夾角55°或60°。

根據(jù)兩優(yōu)化結(jié)果，共同確定因素A、C最優(yōu)水平分別為A1、C2，對(duì)于土壤回填率Y1，B因素各水平優(yōu)化順序?yàn)锽1、B2、B3，對(duì)于單體通過性Y2，B因素各水平優(yōu)化順序?yàn)锽3、B2、B1，綜合考慮兩指標(biāo)，選取B2為優(yōu)化水平，此時(shí)土壤回填率Y1與最優(yōu)水平差4.3個(gè)百分點(diǎn)，單體通過性Y2與最優(yōu)水平差2.6。

綜上，通過極差分析得出優(yōu)化因素組合：作業(yè)速度1.5 m/s、回流擋板間距112 mm、回流擋板與地表夾角60°。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

應(yīng)用Design-Expert 8.0對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

對(duì)于土壤回填率Y1，作業(yè)速度和回流擋板間距對(duì)其影響極顯著(P<0.01)，回流擋板與地表夾角對(duì)其影響不顯著(P>0.05)，這是因?yàn)橥寥阑亓髦饕赏寥罊M向移動(dòng)距離和流動(dòng)時(shí)間決定，土壤橫向移動(dòng)距離與回流擋板間距正相關(guān)，流動(dòng)時(shí)間與作業(yè)速度負(fù)相關(guān)，而回流擋板與地表夾角僅影響強(qiáng)制回土裝置防堵閾值，無秸稈堵塞時(shí)對(duì)土壤回填率影響不顯著。

表4 方差分析結(jié)果

對(duì)于單體通過性Y2，回流擋板間距和回流擋板與地表夾角對(duì)其影響極顯著(P<0.01)，作業(yè)速度對(duì)其影響顯著(0.01

綜合考慮各因素對(duì)土壤回填率Y1和單體通過性Y2兩指標(biāo)影響，以保障單體通過性、增加土壤回填率為目標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化結(jié)果為作業(yè)速度1.5 m/s、回流擋板間距112 mm、回流擋板與地表夾角60°，與極差分析優(yōu)化結(jié)果相吻合。

3.5 對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)優(yōu)化后的最速降線式強(qiáng)制回土裝置與直板式強(qiáng)制回土裝置、未裝有強(qiáng)制回土裝置的單體進(jìn)行工作性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)效果如圖9所示，結(jié)果如表5所示。

圖9 田間試驗(yàn)效果

由圖9可知，未裝有強(qiáng)制回土裝置的單體作業(yè)后地表有明顯開溝痕跡，裝有強(qiáng)制回土裝置的單體作業(yè)后地表較平整。由表5可知，最速降線式強(qiáng)制回土裝置較直板式強(qiáng)制回土裝置土壤回填率提升16.5%，且作業(yè)過程中無秸稈堵塞現(xiàn)象，在保證單體通過性的同時(shí)有效增加土壤回填率，因此，最速降線式強(qiáng)制回土裝置設(shè)計(jì)及優(yōu)化結(jié)果滿足作業(yè)要求。

表5 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)基于最速降線原理設(shè)計(jì)的強(qiáng)制回土裝置，在不降低免耕播種單體通過性的同時(shí)，有效提高了土壤回填率，避免在濕黏環(huán)境下因土壤流動(dòng)性差而導(dǎo)致種肥同床，為免耕播種機(jī)高質(zhì)量、高效率作業(yè)提供理論參考與技術(shù)支撐。

(2)影響土壤回填率的因素順序由大到小依次為：回流擋板間距、作業(yè)速度、回流擋板與地表夾角；影響單體通過性的因素順序由大到小依次為：回流擋板間距、回流擋板與地表夾角、作業(yè)速度。

(3)基于最速降線原理設(shè)計(jì)的強(qiáng)制回土裝置，在土壤硬度29.3 kg/m2、平均土壤含水率21.7%的玉米原茬地上，當(dāng)參數(shù)組合為作業(yè)速度1.5 m/s、回流擋板間距112 mm、回流擋板與地表夾角60°時(shí)，土壤回填率為91.2%。對(duì)比試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的最速降線式強(qiáng)制回土裝置較直板式強(qiáng)制回土裝置土壤回填率提升了16.5%，且作業(yè)過程未發(fā)生單體堵塞現(xiàn)象。