全 偉，吳明亮，羅海峰，陳超鵬，謝 偉

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；3. 湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410128）

0 引 言

油菜機(jī)械化缽苗移栽可以緩解作物茬口矛盾，有效提高作業(yè)效率與栽植質(zhì)量[1-3]。根據(jù)不同的栽植原理，移栽機(jī)械可分為開(kāi)苗溝式移栽機(jī)、鴨嘴栽插式移栽機(jī)、打穴式移栽機(jī)。相關(guān)研究表明，因打穴式移栽機(jī)作業(yè)受前茬秸稈及雜草影響較小、可實(shí)現(xiàn)快速移栽作業(yè)，故具有較好的科研前景[4-8]。成穴器是打穴式移栽機(jī)械的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)對(duì)孔穴形態(tài)及土壤擾動(dòng)均有重要影響[9-13]。

根據(jù)成穴方式的不同，成穴器主要有擠壓式和取土式[11-12]，擠壓式成穴器作業(yè)時(shí)，成穴器直接刺入土壤，通過(guò)擠壓土壤形成孔穴；取土式成穴器作業(yè)時(shí)，其底端以開(kāi)口狀態(tài)刺入土壤，將土壤取出而形成孔穴。孫偉等[14]從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度建立了雙曲柄多桿膜下擠壓式成穴機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，其膜下播種深度合格率達(dá)到92%。向偉等[10]對(duì)履帶式栽植孔成型機(jī)的擠壓式打孔機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，通過(guò)田間試驗(yàn)得到其成孔合格率為93.8%。韓長(zhǎng)杰等[12]分析了取土式成穴器的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，建立了栽植穴的參數(shù)方程，明確了影響孔穴形態(tài)的主要參數(shù)為理論成穴深度和小端直徑。綜合分析，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要是對(duì)成穴器所成孔穴的合格率及孔穴形態(tài)進(jìn)行了大量研究[9-16]，但對(duì)成穴器成穴方式的對(duì)比研究鮮有報(bào)道，結(jié)合孔穴形態(tài)和土壤擾動(dòng)2 方面進(jìn)行成穴方式的對(duì)比研究更少。

因此，為了確定一種較優(yōu)的油菜機(jī)械移栽成穴方式，減少成穴過(guò)程的土壤擾動(dòng)及優(yōu)化油菜缽苗生長(zhǎng)環(huán)境，本文以取土方式和擠壓式成穴器為研究對(duì)象[17-18]，通過(guò)離散元仿真試驗(yàn)與土槽驗(yàn)證試驗(yàn)，研究成穴器成穴方式及其結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)對(duì)孔穴穴內(nèi)截面回土系數(shù)（實(shí)際穴內(nèi)回土截面積與理論孔穴截面積比值）和衡量土壤擾動(dòng)量的穴壁孔隙度的影響，對(duì)成穴方式及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，以獲得一種成穴方式及相關(guān)參數(shù)相對(duì)較優(yōu)的成穴器。

1 成穴裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

現(xiàn)有油菜缽苗育苗活動(dòng)苗盤(pán)的外形尺寸為方錐臺(tái)形，上、下端邊長(zhǎng)分別為50 和25 mm，高為40 mm。根據(jù)缽苗的外形尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)方錐臺(tái)形栽植孔穴，上、下端邊長(zhǎng)分別為55 和30 mm，孔深為40 mm。

圖1 為成穴裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（去掉機(jī)架上的左側(cè)板），成穴裝置主要由成穴器（取土式和擠壓式）、成穴器連接板、動(dòng)力輸入軸、連接銷(xiāo)、齒輪齒條、導(dǎo)軌滑塊、機(jī)架等組成。如圖1a 所示，取土式成穴器由左鴨嘴、右鴨嘴、張合推桿、復(fù)位彈簧組成，工作時(shí)左、右鴨嘴在齒輪齒條的作用下以張開(kāi)的姿態(tài)豎直向下入土，同時(shí)對(duì)土壤產(chǎn)生剪切作用，在達(dá)到一定入土深度后，左、右鴨嘴在張合推桿及復(fù)位彈簧的共同作用下以連接銷(xiāo)為支點(diǎn)同時(shí)閉合，使土壤產(chǎn)生形變而匯集在鴨嘴內(nèi)部，隨后在齒輪齒條的作用下以閉合姿態(tài)豎直出土，在完成取土的同時(shí)形成孔穴，取土式成穴裝置隨機(jī)具水平運(yùn)動(dòng)至已成型孔穴前方，左、右鴨嘴向外打開(kāi)完成排土，隨后左右鴨嘴復(fù)位完成整個(gè)成穴過(guò)程。如圖1b 所示，擠壓式成穴器為封閉下端的方錐臺(tái)，工作時(shí)成穴器在齒輪齒條的作用下豎直向下插入并擠壓土壤，土壤在擠壓力的作用下發(fā)生形變，隨后成穴器豎直出土從而在土壤中留下孔穴。

圖1 成穴裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig.1 Structure diagram of hole opening device

2 成穴過(guò)程EDEM 仿真分析

2.1 成穴器建模

為保證仿真分析的準(zhǔn)確性，利用Pro/E 軟件按1∶1的比例建立成穴器三維模型，另存為.stp 格式導(dǎo)入EDEM軟件[19-20]。根據(jù)仿真試驗(yàn)需要，結(jié)合孔穴結(jié)構(gòu)尺寸要求，建立2 類(lèi)各3 種成穴器三維模型，成穴器模型下端尺寸分別為30、40 和50 mm，外側(cè)邊緣與豎直方向夾角為17°，高度為150 mm。

2.2 土壤模型建立

土壤樣品為中國(guó)南方黏壤土，取自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程實(shí)訓(xùn)中心試驗(yàn)土槽，0～150 mm 深的土壤平均含水率為18%，平均堅(jiān)實(shí)度為185 kPa。由于土槽內(nèi)土壤顆粒的大小和形狀各不相同，在建模時(shí)要準(zhǔn)確描述所有土壤顆粒的形狀與大小比較困難，故本文模擬仿真時(shí)將土壤顆粒簡(jiǎn)化為球形[20]，篩分土槽內(nèi)土壤時(shí)，土壤顆粒粒徑大于5 mm 和小于1 mm 的顆粒數(shù)量并不多，根據(jù)實(shí)測(cè)的土壤粒徑及質(zhì)量百分含量測(cè)定數(shù)值，設(shè)定仿真土壤的粒徑及質(zhì)量百分比分別為：1 mm，14.6%；3 mm，75.7%；5 mm，9.8%。為了使仿真土壤更接近真實(shí)狀態(tài)下的土壤形態(tài)，在顆粒工廠設(shè)置土壤生成時(shí)，將土壤顆粒粒徑大?。⊿ize）選擇為隨機(jī)（random），設(shè)定3 種尺寸顆粒生成時(shí)的尺寸為基本設(shè)定半徑的80%～120%，使得0.8～6 mm 粒徑范圍內(nèi)均有顆粒生成。土壤顆粒參數(shù)參考文獻(xiàn)[21-22]取值，根據(jù)土壤堆積角仿真試驗(yàn)對(duì)文獻(xiàn)中的土壤顆粒參數(shù)進(jìn)行修正，得到離散元仿真參數(shù)如表1 所示。在EDEM 軟件中建立土槽模型，其尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為300 mm×250 mm×150 mm，按照修正后的土壤顆粒參數(shù)在土槽模型中生成高度為150 mm 的土壤模型，土壤模型生成過(guò)程中，采用一定程度的壓實(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)土壤平均堅(jiān)實(shí)度為185 kPa。

表1 土壤離散元仿真參數(shù) Table 1 Discrete element simulation parameters of soil

2.3 仿真試驗(yàn)方案

由相關(guān)研究成果可知，成穴器下端尺寸和入土深度是影響成穴器成穴效果的主要因素[10-12]，為了更加直觀表達(dá)不同下端尺寸的成穴器在不同入土深度下對(duì)孔穴形態(tài)及孔穴周邊土壤擾動(dòng)的影響，仿真試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)方法，根據(jù)孔穴結(jié)構(gòu)尺寸要求，試驗(yàn)選取成穴器入土深度分別為40、50 和60 mm，豎直入土、出土速度均為0.05 m/s，取土式成穴器取土?xí)r鴨嘴閉合角速度均為0.13 rad/s。以孔穴上端尺寸、下端尺寸、有效深度、穴壁土壤孔隙度及穴內(nèi)截面回土系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析成穴方式、成穴器結(jié)構(gòu)及作業(yè)參數(shù)對(duì)孔穴形態(tài)和土壤擾動(dòng)效果的影響。采用EDEM 的clipping 功能沿成穴器運(yùn)動(dòng)的水平與垂直方向進(jìn)行切片，觀察孔穴形態(tài)，利用EDEM 的tool 工具中的測(cè)量功能[23]對(duì)孔穴參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如圖2 所示。以EDEM 軟件后處理中的Voidage功能測(cè)定成型孔穴周邊20 mm 內(nèi)的土壤孔隙度作為穴壁土壤孔隙度，穴內(nèi)截面回土系數(shù)δ 為δ=(S1-S2)/S1，其中S1為理論孔穴截面積，S2為仿真（或土槽試驗(yàn)）孔穴截面積（mm2）。其中理論孔穴截面為倒梯形，由成穴器結(jié)構(gòu)參數(shù)與入土深度決定，S2通過(guò)MATLAB 軟件計(jì)算仿真（或土槽試驗(yàn)擬合）得到的孔穴外形輪廓曲線得出。

圖2 孔穴結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Structure diagram of hole

3 結(jié)果與分析

3.1 成穴方式對(duì)孔穴形態(tài)的影響

3.1.1 孔穴尺寸

孔穴尺寸的仿真測(cè)量結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，無(wú)論采用何種成穴方式，對(duì)于下端尺寸相同的成穴器，隨著理論入土深度的增加，孔穴的上端尺寸及有效深度均增加。擠壓式成穴器所成孔穴的上端尺寸、下端尺寸的縱長(zhǎng)與寬度均相差不大，所成孔穴基本為方錐臺(tái)形；取土式成穴器所成孔穴的縱向尺寸均小于寬度尺寸，根據(jù)取土式成穴器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，成穴器入土過(guò)程中始終保持張開(kāi)狀態(tài)，孔穴寬度方向上的土壤在成穴器的作用下向成穴器內(nèi)部流動(dòng)，其受到的擠壓力小于孔穴縱向上的土壤，且成穴器的閉合過(guò)程及出土過(guò)程均對(duì)孔穴寬度方向上的穴壁土壤有一定擾動(dòng)，導(dǎo)致孔穴寬度方向上的穴內(nèi)土壤回流量大于縱向，故孔穴上端寬度尺寸大于縱向尺寸，下端寬度尺寸小于縱向尺寸。

表2 不同成穴方式所成孔穴的形狀尺寸仿真結(jié)果 Table 2 Simulation results of shape and size of holes formed by different hole opening methods

結(jié)合栽植孔穴設(shè)計(jì)要求及表2 數(shù)據(jù)可知，對(duì)于取土式成穴器，下端尺寸為50 mm、入土深度為40 或者50 mm；對(duì)于擠壓式成穴器，下端尺寸為40 或50 mm，入土深度為60 mm 時(shí)，所得到的孔穴尺寸滿(mǎn)足油菜移栽孔穴要求。

3.1.2 孔穴輪廓

為使表達(dá)方便，將下端尺寸50 mm、入土深度40 和50 mm 的取土式成穴器分別記為Q5040 和Q5050；將下端尺寸40 和50 mm、入土深度60 mm 的擠壓式成穴器分別記為J4060、J5060。因成穴器縱向與寬度方向上的理論截面輪廓一致，即理論穴形的截面輪廓一致、面積相等，故將縱向穴形截面圖與寬度方向穴形截面圖放在同一個(gè)圖中進(jìn)行分析討論，如圖3 所示。

由圖3a 可知，Q5040 所成孔穴穴形與理論穴形僅在長(zhǎng)度尺寸上有所差異，穴深尺寸基本無(wú)差異，孔穴寬度方向上的上端尺寸大于理論穴形及縱向上端尺寸，而孔穴寬度方向上的下端尺寸小于理論穴形及縱向的下端尺寸，說(shuō)明在成穴器外形尺寸一致的前提下，成穴器觸土面積越小（寬度方向鴨嘴），土壤回流量越大；對(duì)比圖 3a和3b 可知，Q5040 與Q5050 所成孔穴穴壁的土壤回流趨勢(shì)基本一致，由于入土深度不同，所成孔穴有效深度也不同，在下端尺寸相同的條件下，成穴器入土深度越深，孔穴上端尺寸越大；由圖3a、3b 和3c 可知，J4060 縱向與寬度方向上的觸土面積相同，故其所成孔穴在縱向與寬度方向上的穴內(nèi)土壤回流量基本相等，由計(jì)算可得，縱向和寬度方向的穴形截面積與理論穴形截面積差值分別為2.6 和2.47 cm2，穴內(nèi)土壤回流量與Q5040、Q5050所成孔穴相差不大；對(duì)比圖3c、3d 可知，J5060 與J4060所成孔穴的穴內(nèi)土壤回流規(guī)律相同，但J5060 所成孔穴的上端尺寸與下端尺寸更大，說(shuō)明擠壓式成穴器在入土深度相同的條件下，下端尺寸越大，孔穴幾何尺寸越大，土壤擾動(dòng)量越大。

圖3 孔穴在不同方向上的截面曲線 Fig.3 Section curve of hole in different directions

3.2 成穴方式對(duì)土壤擾動(dòng)狀態(tài)的影響

3.2.1 成穴過(guò)程分析

為驗(yàn)證不同成穴方式成穴器的成穴過(guò)程，利用離散元方法，選取結(jié)構(gòu)參數(shù)和入土深度相同而成穴方式不同的Q5040、J5040 進(jìn)行成穴過(guò)程分析，如圖4 所示，為便于觀察成穴器成穴過(guò)程中土壤的擾動(dòng)情況，仿真試驗(yàn)前，將土槽模型內(nèi)的土壤以不同顏色分為7 層，每層厚20 mm，圖4a 為Q5040 成穴過(guò)程1.9～4.7 s 中的幾個(gè)典型時(shí)刻，圖4b 為J5040 成穴過(guò)程1.9～3.7 s中的幾個(gè)典型時(shí)刻，由圖4a 和4b 可知，1.9 s 時(shí)2 種成穴器即將進(jìn)入土體，土壤開(kāi)始產(chǎn)生破碎，2.7 s 時(shí)2種成穴器均運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)，Q5040 在3.7 s 時(shí)完成對(duì)土壤的抓取動(dòng)作，4.7 s 時(shí)完成取土成穴作業(yè)，而J5040在3.7 s 時(shí)完成成穴作業(yè)。取土式成穴器入土過(guò)程中，土槽內(nèi)0～40 mm 深度內(nèi)的部分土壤在成穴器剪切力的作用下產(chǎn)生破碎進(jìn)入成穴器內(nèi)部（1.9～2.7 s），因成穴器為倒錐臺(tái)形狀，在其垂直入土的過(guò)程中鴨嘴外壁會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生一定的擠壓作用，有利于成型孔穴內(nèi)壁土壤顆粒的穩(wěn)定；隨著成穴器鴨嘴閉合，成穴器內(nèi)部的土壤顆粒在鴨嘴的剪切作用下發(fā)生破碎，被收集到成穴器內(nèi)（2.7～3.7 s），隨成穴器被帶離地面，從而形成孔穴（3.7～4.7 s）。擠壓式成穴器入土過(guò)程中，土壤在成穴器擠壓作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)（1.9～2.7 s），當(dāng)成穴器位于土槽內(nèi)40 mm 深度時(shí)（2.7 s）對(duì)土壤的擾動(dòng)深度到達(dá)土槽內(nèi)120 mm 位置處，之后成穴器運(yùn)動(dòng)離開(kāi)土壤表面從而形成孔穴（2.7～3.7 s）。2 種成穴方式的成穴過(guò)程均與原理分析過(guò)程吻合。對(duì)比圖4a、4b 可知，2 種成穴方式的成穴器在入土過(guò)程中，取土式成穴器對(duì)土壤的擾動(dòng)深度到達(dá)土槽內(nèi)60 mm 位置處（黃色顆粒層），擠壓式成穴器對(duì)土壤的擾動(dòng)深度到達(dá)土槽內(nèi)120 mm 位置處（紅色顆粒層），說(shuō)明擠壓式成穴器底端對(duì)土壤的擾動(dòng)量遠(yuǎn)大于取土式成穴器。在成穴作業(yè)過(guò)程中，選擇對(duì)土壤擾動(dòng)較小的成穴方式更符合保護(hù)性耕作的理念[24-25]。

3.2.2 孔穴內(nèi)土壤顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

為進(jìn)一步定量分析成穴器成穴過(guò)程對(duì)土壤的擾動(dòng)，描述土壤在成穴器作用下的位置變化至關(guān)重要。因此選取代表性位置（孔穴穴壁及穴底）的土壤顆粒，分析其在成穴過(guò)程中的位移變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，Q5040、Q5050、J4060、J5060 均在1.9 s 時(shí)開(kāi)始成穴作業(yè)，由于成穴器的入土深度不同，4種成穴器到達(dá)最低點(diǎn)的時(shí)刻分別為2.7、2.9、3.1 和3.1 s，完成成穴作業(yè)的時(shí)刻分別為4.7、5.1、4.5 和4.5 s。由圖 5a和5b 可知，成穴器入土過(guò)程中，與成穴器側(cè)壁外緣接觸的土壤顆粒在成穴器作用下開(kāi)始向外運(yùn)動(dòng)，當(dāng)成穴器運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，土壤顆粒位移達(dá)到最大，成穴器出土過(guò)程中，土壤顆粒向內(nèi)運(yùn)動(dòng)一段距離后達(dá)到穩(wěn)定從而形成孔穴。土壤顆粒向內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中穴內(nèi)產(chǎn)生土壤回流，對(duì)比圖5a 和5b，縱向上的穴壁土壤顆粒擾動(dòng)位移明顯大于橫向，說(shuō)明成穴器在成穴過(guò)程中對(duì)穴壁縱向的土壤擾動(dòng)大。由圖5c 和5d 可知，位于孔穴穴底的土壤顆粒，在成穴器作用下橫向的擾動(dòng)位移不明顯，由于取土式成穴器與擠壓式成穴器的成穴方式不同，導(dǎo)致縱向上J4060 和J5060 對(duì)土壤顆粒的擾動(dòng)位移遠(yuǎn)大于Q5040 和Q5050。

綜合分析可知，Q5040 和Q5050 在各方向上的土壤位移均小于J4060 和J5060，說(shuō)明取土式成穴器對(duì)孔穴周邊土壤的擾動(dòng)小于擠壓式成穴器。

圖4 土壤擾動(dòng)過(guò)程仿真分析 Fig.4 Simulation analysis of soil disturbance processes

圖5 不同位置的土壤顆粒位移曲線 Fig.5 Displacement curves of soil particles at different locations

3.3 穴壁土壤孔隙度與穴內(nèi)截面回土系數(shù)

Q5040、Q5050、J4060、J5060 所成孔穴的穴壁土壤孔隙度及穴內(nèi)截面回土系數(shù)如表3 所示。由表3 可知，Q5040 與Q5050 所成孔穴穴壁土壤孔隙度相近，J4060與J5060 所成孔穴穴壁土壤孔隙度相近，取土式成穴器所成孔穴穴壁土壤孔隙度高于擠壓式成穴器所成孔穴穴壁土壤孔隙度；Q5040、Q5050、J4060、J5060 所成孔穴的穴內(nèi)截面回土系數(shù)分別為0.08、0.07、0.08 和0.10，穴內(nèi)截面回土系數(shù)越小，說(shuō)明穴內(nèi)土壤回流量越小，孔穴越穩(wěn)定。

在本文試驗(yàn)條件下，綜合孔穴形態(tài)、土壤擾動(dòng)及表3數(shù)據(jù)分析可知，取土式成穴是相對(duì)較優(yōu)的成穴方式，成穴器對(duì)孔穴周邊土壤擾動(dòng)小，所成孔穴的外形尺寸、穴壁 土壤孔隙度及穴內(nèi)截面回土系數(shù)相對(duì)較優(yōu)。由于Q5040和Q5050 所成孔穴的穴壁土壤孔隙度與穴內(nèi)截面回土系數(shù)相近，根據(jù)表2 中Q5040 和Q5050 所成孔穴的外形尺寸參數(shù)可知，Q5050 的入土深度大于Q5040，為減少成穴作業(yè)能耗，確定較優(yōu)的取土式成穴器參數(shù)組合為：成穴器底端尺寸50 mm，入土深度40 mm。

表3 不同成穴方式的穴壁土壤孔隙度及穴內(nèi)截面回土系數(shù) Table 3 Soil porosity of the hole wall and the return coefficient of soil in hole section of different ways of soil opening method

4 土槽試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與材料

為檢測(cè)仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和成穴器工作的可靠性，試制優(yōu)化后的成穴器樣機(jī)，以孔穴上端尺寸、孔穴有效深度、穴壁土壤孔隙度及穴內(nèi)截面回土系數(shù)為響應(yīng)值，進(jìn)行孔穴成型土槽試驗(yàn)，將實(shí)測(cè)值與仿真值進(jìn)行對(duì)比分析并計(jì)算實(shí)測(cè)值與仿真值之間的相對(duì)誤差值。

土槽驗(yàn)證試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程實(shí)訓(xùn)中心數(shù)字化土槽中開(kāi)展，試驗(yàn)用土質(zhì)為黏壤土。儀器設(shè)備主要有：土槽車(chē)、成穴裝置樣機(jī)（圖6a）、自制土壤容重測(cè)定器（圖6c）與孔形測(cè)繪器（圖6d）、皮尺、鋼尺、堅(jiān)實(shí)度測(cè)定儀、鋁盒、工具刀、電子秤、坐標(biāo)紙、記號(hào)筆等。其中，成穴裝置的關(guān)鍵部件成穴器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與仿真試驗(yàn)得到的最佳參數(shù)取值相同。

圖6 土槽試驗(yàn) Fig.6 Soil bin test

4.2 試驗(yàn)方法

為保證土槽土壤與仿真土壤條件一致，試驗(yàn)前對(duì)土槽土壤進(jìn)行旋耕機(jī)旋耕、刮土板刮平、噴淋系統(tǒng)灑水、鎮(zhèn)壓輥壓實(shí)等處理，調(diào)整土槽土壤含水率與仿真模型的土壤含水率一致，0～150 mm 深的平均土壤堅(jiān)實(shí)度為185 kPa。如圖6b 所示，土槽試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)9 m，寬1.5 m，機(jī)具作業(yè)速度為2.58 km/h，保證土槽試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)成穴器作業(yè)參數(shù)一致，成穴過(guò)程中成穴器豎直出入土壤（無(wú)水平方向速度），成穴裝置在測(cè)試區(qū)內(nèi)完成孔穴均勻分布的2 列成穴作業(yè)，每列成型16 個(gè)孔穴。測(cè)定測(cè)試區(qū)內(nèi)每一列中間10個(gè)孔穴的參數(shù)，為避免測(cè)量后孔穴損壞而影響其他參數(shù)的測(cè)量，取第1 列孔穴中的第4～8 個(gè)孔穴測(cè)量孔穴上端尺寸、第9～13 個(gè)孔穴測(cè)量孔穴有效深度，取第2 列孔穴中相同位置及個(gè)數(shù)的孔穴分別測(cè)量穴壁孔隙度及穴內(nèi)截面回土系數(shù)，各參數(shù)測(cè)量結(jié)果取平均值為該組試驗(yàn)的結(jié)果。

4.2.1 孔穴外形尺寸

如圖7a 所示，將鋼尺沿穴口邊緣放置，且保證2鋼尺平行，測(cè)量2 鋼尺之間的距離作為孔穴上端尺寸；如圖7b 所示，將鋼尺水平放置在穴口上，將另一鋼尺豎直插入孔穴底部，2 個(gè)鋼尺相交處的讀數(shù)作為孔穴有效深度。

圖7 孔穴外形尺寸測(cè)量 Fig.7 Measurement of hole size

4.2.2 穴壁土壤孔隙度及穴內(nèi)截面回土系數(shù)

如圖6c 所示，自制土壤容重測(cè)定器由把手和自制矩形環(huán)刀組成，其中矩形環(huán)刀尺寸根據(jù)仿真試驗(yàn)穴壁土壤孔隙度測(cè)量區(qū)域的尺寸設(shè)計(jì)，內(nèi)腔長(zhǎng)寬高為60 mm×40 mm×20 mm。成穴作業(yè)完成后，測(cè)量人員通過(guò)把手將矩形環(huán)刀沿垂直于孔穴內(nèi)壁方向壓入土壤，直至矩形環(huán)刀上端面溢出土壤，再用工具刀切除矩形環(huán)刀上下兩端面多余的土壤，將矩形環(huán)刀內(nèi)的土壤放入鋁盒中，根據(jù)ρ=m/v 計(jì)算土壤容重，其中m 為鋁盒內(nèi)土壤烘干后的質(zhì)量（g），v 為矩形環(huán)刀內(nèi)土壤的體積，即矩形環(huán)刀內(nèi)腔體積（cm3），再通過(guò)土壤孔隙度計(jì)算公式[26]求得孔穴穴壁土壤孔隙度。

式中ε 為孔穴穴壁孔隙度，%；ρb為土壤容重，g/cm3；ρs為土壤密度（與仿真試驗(yàn)取值相等）。

根據(jù)土壤擾動(dòng)輪廓測(cè)量方法[27]，自制孔形測(cè)繪器測(cè)繪成型孔穴的輪廓曲線，如圖6d 所示?？仔螠y(cè)繪器由底座、亞克力圓棒及坐標(biāo)紙組成，底座長(zhǎng)寬高為300 mm×50 mm×240 mm，亞克力圓棒直徑5 mm，長(zhǎng)度250 mm，底座相鄰圓孔位置的間距為6 mm，坐標(biāo)紙貼在底座的擋板上。成穴作業(yè)完成后，將孔形測(cè)繪器放置在孔穴正上方，坐標(biāo)紙平面與孔穴沿深度方向的中心剖面重合，將亞克力圓棒沿底座上的圓孔插入直至接觸土壤，再用記號(hào)筆標(biāo)記亞克力圓棒頂端在坐標(biāo)紙上的位置，讀取各標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)并擬合成曲線，得到孔穴內(nèi)壁輪廓曲線，通過(guò)Matlab 軟件計(jì)算擬合曲線的面積作為孔穴實(shí)際穴內(nèi)截面積，再按照仿真試驗(yàn)穴內(nèi)截面回土系數(shù)計(jì)算方法求得土槽試驗(yàn)穴內(nèi)截面回土系數(shù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用自制孔形測(cè)繪器與土壤容重測(cè)定器得到土槽試驗(yàn)孔穴穴形截面輪廓曲線（圖8）與穴壁土壤孔隙度，用鋼尺測(cè)得孔穴外形尺寸，并計(jì)算出實(shí)際穴內(nèi)截面回土系數(shù)，結(jié)果如表4 所示。

圖8 穴形截面測(cè)量結(jié)果 Fig.8 Measurement results of hole section

由表4 可知，上端長(zhǎng)、上端寬和有效深度的試驗(yàn)值均大于仿真值，穴內(nèi)截面回土系數(shù)與穴壁土壤孔隙度的試驗(yàn)值均小于仿真值，本文的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的相對(duì)誤差在合理范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了該成穴器能成型滿(mǎn)足農(nóng)藝要求的孔穴。其中，穴內(nèi)截面回土系數(shù)相對(duì)誤差最大，為14.2%，可能是測(cè)量及軟件擬合過(guò)程中誤差累計(jì)導(dǎo)致，孔穴有效深度相對(duì)誤差最小，為1.2%。

5 結(jié) 論

1）采用離散元法，研究了2 種成穴方式（取土式、擠壓式）的成穴器在不同下端尺寸及入土深度條件下對(duì)土壤的擾動(dòng)效果，仿真分析了孔穴上端尺寸、下端尺寸及有效深度，結(jié)果表明僅下端尺寸50 mm、入土深度40和50 mm 的取土式成穴器和下端尺寸40 和50 mm，入土深度60 mm 的擠壓式成穴器所成孔穴滿(mǎn)足油菜缽苗移栽設(shè)計(jì)要求。

2）仿真分析2 種不同參數(shù)的成穴器所成孔穴的形態(tài)及其對(duì)土壤擾動(dòng)情況的變化特點(diǎn)可知，穴內(nèi)截面回土系數(shù)越小，孔穴形態(tài)越穩(wěn)定，穴壁土壤孔隙度越小，土壤擾動(dòng)量越大，在本試驗(yàn)條件下，取土式為較優(yōu)的成穴方式，成穴器相對(duì)較優(yōu)參數(shù)為：下端尺寸50 mm，入土深度40 mm，其所成孔穴的橫截面形狀為矩形，穴壁土壤孔隙率為48.5%，穴內(nèi)截面回土系數(shù)為0.08。結(jié)合仿真結(jié)果及土槽試驗(yàn)結(jié)果可知，取土式成穴器所成孔穴能滿(mǎn)足移栽要求，離散元仿真能夠準(zhǔn)確的模擬孔穴成型過(guò)程，仿真與土槽試驗(yàn)獲取的孔穴截面輪廓曲線基本一致，孔穴上端長(zhǎng)、上端寬、有效深度、穴壁土壤孔隙度及穴內(nèi)截面回土系數(shù)的仿真值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差分別為4.8%、3.4 %、1.2%、1.5%、14.2%。

取土式成穴器所成孔穴滿(mǎn)足油菜缽苗移栽要求，針對(duì)文中方錐臺(tái)形取土式成穴器所成孔穴寬度方向上的土壤回流量大于縱長(zhǎng)方向的問(wèn)題，為減少穴內(nèi)土壤回流量，提高孔穴穩(wěn)定性，下一步研究擬對(duì)成穴器外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。