孫文峰 劉海洋 付天鵬 何 躍 王潤濤 王福林

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.嶺南師范學(xué)院信息工程學(xué)院， 湛江 524048)

0 引言

農(nóng)作物病蟲草害防治是人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最普遍的一項農(nóng)事活動，而施用農(nóng)藥是病蟲草害防治中最為快速、經(jīng)濟、有效的手段[1-2]。在農(nóng)作物生長中后期，密植作物或枝葉茂盛植株的霧滴沉積一直是困擾植保行業(yè)的難題。吊噴桿施藥可以有效解決這一問題，但莖葉損傷大、適用性低、工作狀態(tài)易受莖葉干擾，制約了施藥技術(shù)發(fā)展[3-4]。因此，設(shè)計一種能夠有效降阻減傷并提升施藥效果的分禾裝置，對提高植保作業(yè)效率及質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

國外針對分禾裝置的研究主要以病蟲草害的防治為目標。ZHU等[5]設(shè)計了一種用于防治大豆銹病的分禾器，采用一硬質(zhì)橫梁布置在噴頭前，使大豆植株彎曲后進行施藥；MOURA等[6]采用多個剛鏈組成鏈幕，用來提高藥液在植株中下部的沉積度；PRADO等[7]在文獻[5]的基礎(chǔ)上進行了改進，在橫梁兩端采用軸承座進行裝配，能夠有效減輕莖葉損傷。以上幾種裝置能夠有效改善作物的縱向霧滴沉積，但要提高植株下部的霧滴沉積，則會造成莖葉損傷增大。崔龍飛等[8]利用EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近試驗和響應(yīng)因素之間的數(shù)學(xué)模型，得到了針對于棉花作物植保分禾器的最佳試驗參數(shù)；李瑞敏[9]利用ADAMS軟件建立了植保分禾器與玉米莖稈作用的仿真模型，并通過模擬得出莖稈極限位置下分禾器的作業(yè)參數(shù)；潘佛雛[10]針對于新疆棉花的物理特性設(shè)計了拋物線型分禾器，經(jīng)試驗得出，行進速度越快，分禾器所受壓力越大。目前，關(guān)于植保分禾裝置的研究多集中于通過試驗方法確定其工作參數(shù)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計均缺少理論依據(jù)[11-12]。植保分禾裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理會造成霧滴沉積率低、傷苗率高、機組能耗大等問題。近年來，仿生學(xué)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用越來越受到重視[13-15]。

本文基于仿生學(xué)原理，兼顧植保分禾裝置作業(yè)原理和鱘魚的低阻行進能力，通過仿生設(shè)計、理論分析、試驗分析及優(yōu)化等方法設(shè)計仿生植保分禾裝置，分析該裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)對行進阻力及霧滴沉積度的影響規(guī)律，以期為高性能植保機械仿生分禾器提供設(shè)計及理論依據(jù)。

1 仿生植保分禾裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 生物原型分析

鱘魚擁有細長的紡錘狀且符合流體動力學(xué)的流線型身體[16]，如圖1所示，其運動過程中能夠獲得較低的阻力，與其頭部流線型曲線密不可分，這為流體內(nèi)部運動和流體機械的仿生設(shè)計提供了參考。根據(jù)文獻[17-18]可將與植保分禾裝置作用的植株視為流體，這與鱘魚的生存環(huán)境相似，故以鱘魚頭部曲線作為仿生原型，設(shè)計了仿生植保分禾裝置。

1.2 結(jié)構(gòu)與工作原理

仿生植保分禾裝置安裝在噴桿式噴霧機桁架上，整體裝置由上仿生分禾葉片、下仿生分禾葉片、支撐彈簧、吊噴桿等組成。

如圖2所示，裝置通過快速連接機構(gòu)與桁架相連，上仿生分禾葉片裝配在下仿生分禾葉片外部，通過固定滑道可以實現(xiàn)縱向高度調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同作物的不同生長期；為避免分禾裝置在高速運動時或莖葉茂盛情況下造成壅積，在分禾器內(nèi)部支撐部件間配裝有支撐彈簧，分禾裝置前進阻力過大時能夠被動調(diào)整角，使莖稈在分禾葉片表面劃過；噴頭與吊噴桿交錯排列，噴頭位于植株上方，吊噴桿在植株行間運動，作物在上仿生分禾葉片、下仿生分禾葉片的作用下分向兩側(cè)，為吊噴桿創(chuàng)造良好的施藥空間。

2 仿生植保分禾裝置設(shè)計

2.1 仿生信息提取及方程建立

分禾葉片為與莖稈接觸的主要工作部件，是本裝置核心部分，因此主要對分禾葉片進行仿生改進設(shè)計。為精準獲取鱘魚頭部輪廓特征，基于逆向工程原理，在不破壞鱘魚物理特征的前提下使其正常死亡，利用杭州思看科技公司生產(chǎn)的ScanTech HSCAN331 型手持式激光三維掃描儀掃描，其精度為0.03 mm，信息提取過程如圖3所示。經(jīng)掃描創(chuàng)建網(wǎng)格后，得到鱘魚點云數(shù)據(jù)，將采集的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Stuio 2014軟件中，對優(yōu)化后的點云數(shù)據(jù)進行封裝和填孔后得到鱘魚模型，如圖4所示。

為確定鱘魚頭部結(jié)構(gòu)參數(shù)，對鱘魚頭部輪廓曲線進行提取。首先，將鱘魚模型導(dǎo)入SolidWorks軟件中，根據(jù)文獻[19-21]所采用方法獲取了鱘魚的三維模型，利用AutoCAD獲取模型頭部曲線二維點的坐標，調(diào)用Matlab軟件的cftool函數(shù)，得到鱘魚頭部擬合曲線如圖5所示，則鱘魚頭部擬合方程為

(1)

式中h——鱘魚頭部縱剖面輪廓垂直高度，mm

z——鱘魚頭部縱剖面輪廓水平長度，mm

2.2 減阻減傷機理分析

為進一步探究仿生植保分禾裝置對莖葉的減傷機理，以基于上文所提取鱘魚頭部曲線的仿生植保分禾葉片和現(xiàn)有的原型圓弧分禾葉片為例，以兩種分禾葉片表面輪廓曲線為作用曲面，分別對植株進行力學(xué)分析，如圖6所示。

以仿生分禾葉片與莖稈作用為例，將莖稈與分禾葉片的接觸點視為質(zhì)點作為分析對象，對其進行質(zhì)點動力學(xué)分析[22]。由于莖稈在鉛垂平面受力平衡，故不必分析，當莖稈接觸分禾葉片時，會在分禾葉片作用下產(chǎn)生彎曲并發(fā)生滑切，此時莖稈質(zhì)點運動方程為

(2)

式中F′Tn——質(zhì)點受到仿生分禾葉片所給的支持力，N

F′Tτ——質(zhì)點受到仿生分禾葉片所給的摩擦力，N

F′Sx——仿生分禾葉片作用下質(zhì)點受到莖稈由于彎曲產(chǎn)生彈力沿x方向分力，N

F′Sy——仿生分禾葉片作用下質(zhì)點受到莖稈由于彎曲產(chǎn)生彈力沿y方向分力，N

m——質(zhì)量，kg

a′e——質(zhì)點牽連加速度，m/s2

a′r——質(zhì)點相對加速度，m/s2

θ——支持力與牽連加速度夾角，(°)

由分禾裝置工作原理可知，莖稈與分禾葉片接觸點在其工作過程中與分禾葉片之間存在相對運動，因此在兩者之間會產(chǎn)生滑動摩擦力，由工程力學(xué)[23]可知，滑動摩擦與正壓力呈線性關(guān)系，一般關(guān)系式為

F′Tτ=μF′Tn

(3)

式中μ——莖稈與分禾葉片間摩擦因數(shù)

聯(lián)立式(2)、(3)可得

F′Tn(tanθ-μ)-F′Sy(cosθ-sinθtanθ)=ma′r

(4)

由于植株根部與大地間連接可視為固定約束，故簡化成懸臂梁模型[24]，由梁彎曲微分方程可知[25]

(5)

式中ε——莖稈彈性模量，Pa

I——莖稈截面慣性矩，kg·m2

r1——仿生分禾葉片作用力臂，m

y1——仿生分禾葉片作用下莖稈在x處的撓度，m

同理可得

(6)

式中r2——原型圓弧分禾葉片作用力臂，m

y2——原型圓弧分禾葉片作用下莖稈在x處的撓度，m

F″Sy——原型圓弧分禾葉片作用下質(zhì)點受到莖稈由于彎曲產(chǎn)生彈力沿y方向分力，N

聯(lián)立式(4)、(5)易知，分禾葉片作用在莖稈上支持力受撓度、支持力與牽連加速度夾角θ影響。利用AutoCAD分析可知，在莖稈與兩種分禾葉片接觸全過程中，角變化范圍差別不大，因此當莖稈在兩種分禾葉片作用下所產(chǎn)生的相對運動一致時，由于仿生分禾葉片獨特的結(jié)構(gòu)輪廓曲線，使y1

2.3 莖稈彎曲動力學(xué)建模

當分禾葉片接觸莖稈后，莖稈會產(chǎn)生彎曲變形。為準確描述莖稈彎曲及回彈過程，進而確定分禾器相關(guān)尺寸關(guān)鍵參數(shù)，需建立莖稈彎曲動力學(xué)模型，參考相關(guān)研究[26]，莖稈可視為均質(zhì)圓梁。在兼顧建模過程的簡易化及合理性的同時，以莖稈作用俯視圖為模型建立基準面，莖稈在分禾葉片作用下彎曲示意如圖7所示。

2.3.1水平分力作用下垂直撓度

分禾器在拖拉機帶動下以速度v行進，莖稈與分禾葉片作用位置可分為初始接觸位置A和分離位置B。莖稈在分禾葉片所給的支持力FT作用下發(fā)生彎曲，其可分為水平彎曲撓度和垂直彎曲撓度，根據(jù)ZHU等[5]的研究，水平撓度并不影響莖稈回彈受藥特性，因此本文只研究垂直撓度ym對莖稈回彈受藥的影響。莖稈總垂直撓度ym由支持力FT的水平分力FTx所產(chǎn)生的垂直撓度ymx與支持力FT的垂直分力FTy所產(chǎn)生的垂直撓度ymy累加而得。莖稈在距離根部x處受支持力FT的水平分力FTx作用所產(chǎn)生的垂直撓度為

(7)

式中y3——水平分力作用下垂直撓度，m

求解微分方程可知其通解為

(8)

式中c1、c2——未知常量

(9)

當x=N-b時，y3=ymx。則式(9)為

(10)

式中N——莖稈長度，m

b——分禾葉片對莖稈擾動深度，m

聯(lián)立式(9)、(10)可得莖稈任意處垂直撓度為

(11)

式(11)仍無法表示莖稈在B處垂直撓度與分禾葉片作用擾動深度之間關(guān)系，因此引入莖稈長度微元，即

(12)

式中l(wèi)——微元條件下莖稈長度，m

由式(11)可知

(13)

聯(lián)立式(12)、(13)可知

(14)

由式(14)形式可知，其符合第二類不完全橢圓積分的基本形式[27]。將式(14)積分可得

(15)

(16)

(17)

經(jīng)上述分析易知，引入變量j后，可明確莖稈在位置B受FTx作用最大垂直撓度ymx與分禾葉片作用擾動深度b之間數(shù)學(xué)模型為

(18)

2.3.2垂直分力作用下垂直撓度

莖稈在距離根部x處受支持力FT的垂直分力FTy作用所產(chǎn)生的垂直撓曲線方程為

(19)

同理可得莖稈在FTy作用下任意處垂直撓度為

(20)

莖稈于B處在FTy作用下所產(chǎn)生的垂直撓度為

(21)

以圖解法求得FTx和FT夾角為20°，故可知

(22)

聯(lián)立式(10)、(22)可知在FTy作用最大垂直撓度ymy與分禾葉片作用擾動深度b之間數(shù)學(xué)模型為

(23)

由式(18)、(23)易知，莖稈在分禾裝置作用下所產(chǎn)生總彎曲撓度受分禾葉片作用擾動深度影響，因此可依據(jù)此數(shù)學(xué)模型進而確定仿生分禾裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.3.3莖稈回彈建模

由文獻[29-30]可知，分禾器脫離所作用的莖稈后，莖稈所做運動遵循欠阻尼振動微分方程

(24)

式中c——阻尼系數(shù)，N·s/m

k——彈性系數(shù)，N/m

由積分初始條件可解上述方程為

(25)

式中t——時間，s

f——莖稈自然頻率，Hz

α——莖稈臨界阻尼系數(shù)

聯(lián)立式(18)、(23)、(25)，可得莖稈脫離分禾器后的垂直撓度關(guān)于時間的數(shù)學(xué)模型為

(26)

2.4 關(guān)鍵參數(shù)確定

2.4.1分禾葉片間寬度

在分禾施藥作業(yè)過程中，噴頭距分禾葉片尾端距離對分禾施藥作業(yè)效果影響明顯，如距離過小，會導(dǎo)致經(jīng)噴嘴霧化后霧滴撞擊分禾葉片內(nèi)表面，如圖8中噴頭距分禾葉片尾端Smin位置處；如距離過大，會造成當莖稈恢復(fù)到初始狀態(tài)時仍未受藥，進而影響著藥質(zhì)量，如圖8中噴頭距分禾葉片尾端Smax位置處；因此噴頭距分禾葉片尾端距離應(yīng)滿足

ym+R≥S≥r

(27)

式中S——噴頭距分禾葉片尾端距離，m

R——噴頭距分禾葉片尾端Smax處施藥半徑，m

r——噴頭距分禾葉片尾端Smin處施藥半徑，m

由式(27)及分禾裝置作業(yè)原理可知，從提高莖稈直接受藥效果角度出發(fā)，應(yīng)使ym盡可能大。但由式(18)、(23)可知，為使ym增大，須大幅增加分禾葉片作用擾動深度b，因此可能導(dǎo)致莖葉脫落進而影響塊莖生長，嚴重甚至造成莖稈折斷。同時當ym過大時，會導(dǎo)致莖稈經(jīng)分禾葉片作用后振動加劇，進而影響莖稈最終著藥量。為探究造成莖葉脫落的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行了相關(guān)前期田間試驗。試驗在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)種植基地進行，試驗地為東北大壟馬鈴薯種植地，壟距800 mm，壟頂寬400 mm，壟體高250 mm，品種為克新13，對200株馬鈴薯莖稈測量得知，馬鈴薯莖稈平均高度為820 mm，匍匐莖數(shù)平均每株11棵，植株平均生長傾斜角約為37°。由于試驗設(shè)備搭載課題組研發(fā)的變量施藥系統(tǒng)，因此參考國家標準[31],行進車速為5.4～9 km/h，為避免速度過大造成莖稈損傷進而影響分禾葉片尾端間距尺寸確定，試驗時盡量控制行進車速為5.4 km/h，為避免多次加工分禾葉片，通過調(diào)節(jié)快速連接機構(gòu)實現(xiàn)分禾裝置沿噴霧機桁架方向上的平移，以代替不同分禾葉片作用擾動深度對莖稈損傷的影響。參考市面上現(xiàn)有分禾裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)，首先使分禾裝置的一側(cè)分禾葉片尾端與作物壟溝中線相距100 mm，考慮到作物生長性狀，機組每行進10 m將分禾器沿噴霧機桁架方向移20 mm，試驗重復(fù)3次，計算平均值并記錄，以此探究避免造成莖稈損傷的合理分禾葉片寬度。試驗過程如圖9所示，試驗結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著分禾器對莖稈擾動深度增加，分禾裝置對莖稈的損傷機率和程度均會升高，且當擾動深度大于140 mm時，莖稈的損傷占比及程度會顯著升高。在本試驗所進行的地形及作物形態(tài)的條件下，為保障植株完整性，最終確定本田間工況下分禾葉片間寬度為280 mm(即b=140 mm)。后續(xù)實際生產(chǎn)中為滿足裝置普適性，需將裝置改裝為分禾葉片寬度可調(diào)。

表1 莖稈損傷試驗結(jié)果Tab.1 Results of stem damage experiment

2.4.2噴頭距分禾葉片尾端距離

經(jīng)前文分析確定分禾裝置對莖稈擾動深度為140 mm，并且試驗地壟距為800 mm，由此可知噴頭在距分禾葉片尾端距離分別為Smin、Smax時，噴頭距兩極限施藥平面距離分別為140、400 mm。參照文獻[32-33]，同時在課題組前期試驗研究的基礎(chǔ)上可知，當管路壓力為0.4 MPa，在兩施藥平面所產(chǎn)生的霧滴施藥范圍半徑分別為100、150 mm，試驗過程如圖10所示。由式(18)、(23)可知，莖稈在分禾葉片擾動下所產(chǎn)生垂直撓度為175 mm，由式(27)計算，并綜合考慮加工使用等問題，最終確定噴頭距分禾葉片尾端距離為200 mm。

3 仿真對比分析

3.1 仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置

利用虛擬樣機技術(shù)可有效降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，為驗證仿生分禾葉片優(yōu)越性，使用虛擬仿真軟件ADAMS來模擬分禾裝置與莖稈作用全過程，為節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存以節(jié)約時間，將分禾裝置做適當簡化，僅選取其上仿生分禾葉片作為仿真模型。在建模軟件SolidWorks中建立仿生分禾裝置與原型圓弧分禾裝置三維模型，并保存以保真度較高的*.x_t文件導(dǎo)入ADAMS2014中，定義分禾葉片一個方向移動副，前進速度為2 m/s，傾斜角為0°,距地高度為100 mm，分禾葉片寬度為280 mm。設(shè)置分禾葉片仿真模型材質(zhì)為鋼，由于實際加工分禾葉片材質(zhì)為Q235，為保證工況一致性，在ADAMS中調(diào)用Material Type對話框，設(shè)置仿真模型材料參數(shù)為：密度7.85 g/cm3，彈性模量200 GPa，泊松比0.3。采用離散柔性連接件的方式建立馬鈴薯植株莖稈，運用Bushing連接來模擬植株與大地之間的連接，定義分禾葉片與植株莖稈的接觸[34-36]。分禾葉片與莖稈仿真模型如圖11所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

分禾葉片與莖稈作用的評價指標主要體現(xiàn)在莖稈受脅迫運動時所受的力及產(chǎn)生速度。運動結(jié)束后在ADAMS自帶后處理軟件ADAMS/Post Processor中打開數(shù)據(jù)文件，利用其自帶模塊可將任意部分受力情況及運動速度在視圖區(qū)進行可視化顯示，由于模擬仿真無法將莖稈數(shù)量因素考慮在內(nèi)，故本文采取單個莖稈的方式來模擬分禾裝置與莖稈的接觸。分禾裝置與莖稈接觸點的受力情況如圖12所示。由圖12可知，分禾葉片在0.052 s時與莖稈發(fā)生接觸，0.146 s時分離，總作用時間為0.094 s。在0.052～0.076 s階段莖稈與分禾葉片其拋物線首部接觸，故兩種仿生分禾葉片在此階段受阻力一致，在0.076～0.08 s階段莖稈與分禾葉片的首部尾部交界處相接觸，仿生分禾器切面輪廓曲線導(dǎo)致在0.077 s時阻力出現(xiàn)一處驟減，在0.08～0.146 s階段，兩種分禾葉片所受阻力均呈增加趨勢，在分離瞬間仿生分禾葉片所受阻力7.26 N，相比原型圓弧分禾葉片所受阻力7.54 N減小3.7%。由牛頓第三定律可知分禾葉片所受阻力與莖稈接觸點受力數(shù)值相等，故可知與莖稈作用全過程中，仿生分禾葉片所受阻力小于原型圓弧分禾葉片，通過計算數(shù)值均方根得知仿生分禾葉片相對于原型圓弧分禾葉片可減阻27.7%。

由圖13可知，在兩種分禾葉片對莖稈擾動相同的情況下，莖稈受分禾葉片的脅迫而產(chǎn)生運動，在分禾葉片與莖稈接觸全過程中，由于原型圓弧分禾葉片其表面形狀使莖稈更容易脫離，因此莖稈在0.147 s與分禾葉片分開后致使其回彈速度急劇增加，這不利于藥液在莖葉表面沉積。

4 田間試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗條件

為驗證分禾裝置設(shè)計的合理性及運動仿真的準確性，并尋找較優(yōu)的工作參數(shù)，于2020年7月14—17日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)種植基地進行田間試驗，試驗地形與試驗植株與前文預(yù)試驗一致。由于本次試驗需使用水敏紙(日本AS ONE)探究霧滴沉積效果，應(yīng)避免田間相對濕度及葉片呼吸作用對本試驗影響，故試驗時間選在14:00—15:00。試驗時溫度28℃，空氣相對濕度71%。噴霧裝置為3WF-1000型懸掛式變量噴霧機，選用TXA8003VK型錐形噴嘴，載體農(nóng)機為約翰迪爾954型拖拉機。試驗主要儀器有水敏紙(日本AS ONE)、HTC-2A型電子溫濕度顯示計(江蘇紅旗儀表)、SHHF-50KNS型數(shù)顯推拉力計、訂書器、卷尺、萬能角尺等。

4.2 試驗方案

經(jīng)前文分析及課題組前期試驗，并參照文獻[10]可知，分禾裝置作業(yè)效果受行進速度、距地高度、傾斜角三者共同影響，參數(shù)示意圖如圖14所示。

試驗采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗方法，選取行進速度x1、傾斜角x2、距地高度x3為試驗因素，以行進阻力y1、霧滴沉積度y2為試驗評價指標，試驗參考GB/T 20183.3—2006《植保機械 噴霧裝置 農(nóng)業(yè)液力噴霧機每公頃施液量調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗方法》及田間植株相關(guān)性狀，選取行進速度為5.4～9.0 km/h、傾斜角為0°～20°、距地高度為100～200 mm。各水平組合下進行3組試驗，取其平均值作為結(jié)果數(shù)據(jù)，因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of experiment factors

4.3 試驗指標及方法

行進阻力使用推拉力計采集數(shù)據(jù)，推拉力計安裝在分禾裝置原彈簧的裝配位置，為減少試驗誤差，每次試驗取樣區(qū)域長度為10 m，區(qū)域間隔保持5 m以上。試驗結(jié)果在基于LabView所開發(fā)的上位機監(jiān)測軟件實時顯示，并保存在Excel數(shù)據(jù)庫中，計算均方根作為結(jié)果。霧滴沉積度是衡量植保作業(yè)效果的重要指標，在每個取樣區(qū)域內(nèi)隨機選取5株植株作為取樣點，植株的上、中、下位置的莖葉正反兩面各設(shè)置4個水敏紙采樣點，具體布置方式如圖15所示。

利用訂書器將水敏紙固定在馬鈴薯葉片的正面及背面。為防止水敏紙局部甚至整張變色，影響試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，待噴霧機作業(yè)后，盡快將水敏紙封裝帶回實驗室進行分析，試驗取每平方厘米霧滴沉積數(shù)為試驗指標，將每個取樣區(qū)域內(nèi)5個取樣點水敏紙霧滴沉積數(shù)目統(tǒng)計并取其平均值作為該取樣區(qū)域數(shù)值結(jié)果進行分析。試驗情況如圖16所示。

4.4 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表3所示(X1、X2、X3為因素編碼值)，利用Design-Expert對結(jié)果進行統(tǒng)計分析，通過顯著性分析確定行進阻力y1、霧滴沉積度y2的回歸模型，結(jié)合響應(yīng)曲面法分析各因素間的交互作用對試驗指標的影響，并根據(jù)實際需求對各參數(shù)組合進行優(yōu)化，最終獲得較優(yōu)的各因素組合。

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Experiment scheme and results

4.4.1行進阻力回歸模型建立與顯著性檢驗

由方差分析可知(表4)，在置信度為0.05條件下，因素與行進阻力和霧滴沉積度所建立的模型其P值均小于0.01，表明其模型極顯著，失擬項F顯然大于0.05，不存在未加控制因素對試驗指標產(chǎn)生影響，模型擬合效果好。通過整個二次回歸分析得到對行進阻力的影響由大到小依次為距地高度X3、行進速度X1、傾斜角X2，其中距地高度X3、行進速度X1對行進阻力y1的影響極顯著(P<0.01)，行進速度與傾斜角交互項X1X2、行進速度與距地高度交互項X1X3、傾斜角與距地高度交互項X2X3、行進速度二次項、距地高度二次項對行進阻力的影響不顯著。剔除不顯著項，得到行進阻力因素編碼回歸方程為

(28)

4.4.2霧滴沉積度回歸模型建立與顯著性檢驗

通過整個二次回歸分析得到對霧滴沉積度的影響由大到小依次為距地高度X3、行進速度X1、傾斜角X2，其中傾斜角和距地高度的交互項X2X3對試驗指標霧滴沉積度影響顯著(P<0.05)。行進速度與傾斜角交互項X1X2、行進速度與距地高度交互項

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

X1X3對霧滴沉積度影響不顯著(P>0.1)。剔除不顯著項后，得到霧滴沉積度的因素編碼回歸方程為

(29)

4.4.3響應(yīng)曲面分析

由上文可知，因素間交互作用對行進阻力的影響不顯著，則其相互作用響應(yīng)曲面沒有實際意義，因此利用降維法將行進速度調(diào)整至零水平，利用Design-Expert繪制響應(yīng)曲面，考察交互作用對霧滴沉積度的影響。由圖17可知，當行進速度為7.2 km/h時，距地高度一定時，霧滴沉積度隨著傾斜角增加呈快速增加后緩慢減小趨勢，原因是在傾斜角增加初期時，提高了藥液在莖稈下端的著藥量，但傾斜角持續(xù)增加后，影響了莖稈中、上端的藥液沉積量。當傾斜角一定時，霧滴沉積度隨著距地高度增加而減小，原因是分禾器距地高度增加后，下端莖葉未被分開，無法使莖稈全面受藥，導(dǎo)致霧滴沉積度降低，最優(yōu)的傾斜角在7.1°～12.9°之間。

4.4.4基于蟻群算法的多目標優(yōu)化與驗證

在進行全局搜索的過程中，蟻群算法能夠有效避免陷入局部最優(yōu)，用Pareto解集表示原問題的最優(yōu)解集，搜索結(jié)果都為多目標優(yōu)化問題的可行解[37-39]。對于本試驗優(yōu)化而言，為典型的多目標優(yōu)化問題，為減少搜索時間及迭代次數(shù)，采用聚集函數(shù)法，通過建立指標綜合目標函數(shù)手段將原多目標問題轉(zhuǎn)換為單目標問題，能更有利于指導(dǎo)蟻群向高濃度信息素的區(qū)域進行搜索，同時為防止函數(shù)出現(xiàn)零值或無效值，引入均勻分布在(0,1)的隨機數(shù)η，轉(zhuǎn)換方程為

(30)

式中w1、w2——1、2項指標權(quán)重

ly1、ly2——1、2項指標最大值與最小值的差值

y1min、y2min——1、2項指標最小值

行進阻力主要代表機組能耗及莖葉損傷程度；霧滴沉積度主要體現(xiàn)了在植株莖葉表面的附著效果，進而影響整個噴霧作業(yè)效果；由此可知，霧滴沉積度是本研究擬提高的主要試驗指標，而行進阻力是次要試驗指標。最終確定作業(yè)阻力、霧滴沉積度的權(quán)重w1、w2分別為0.3、0.7。通過對圖17響應(yīng)曲面的分析，并根據(jù)分禾器的實際工作情況最終確定選擇優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為

(31)

采用蟻群算法對式(31)數(shù)學(xué)模型進行多目標優(yōu)化后，獲得數(shù)學(xué)模型間權(quán)衡曲線，其中Pareto最優(yōu)解如圖18所示。

通過對目標函數(shù)求解，得到多組參數(shù)優(yōu)化組合。綜合考慮機組工作穩(wěn)定性、分禾裝置作業(yè)質(zhì)量，進而從最優(yōu)集中篩選得到當行進速度為7.035 km/h，傾斜角為15.782°，距地高度為155.049 mm時，行進阻力為40.6 N，霧滴沉積度為31.1個/cm2。考慮試驗實際操作可能性和機組實際工作情況，對優(yōu)化參數(shù)進行一定的調(diào)整，最終確定行進速度為7.0 km/h，傾斜角為16°，距地高度為155 mm，并在此參數(shù)組合下進行試驗，采用5點取樣法在試驗地塊內(nèi)選取5個試驗區(qū)域，試驗進行5次。試驗結(jié)果如表5所示。

表5 驗證試驗結(jié)果Tab.5 Verification test results

由表5可知，各試驗指標的實測值與優(yōu)化值較吻合，相對誤差均小于5%，試驗參數(shù)優(yōu)化可靠。霧滴沉積度最小值為30.5 個/cm2，并且本試驗數(shù)值為莖葉正面及反面計算均值所得，由此可知，作業(yè)效果明顯高于國家標準[40]。

4.5 對比試驗

4.5.1安裝分禾裝置對比試驗

為驗證所設(shè)計仿生植保分禾與吊桿組合施藥裝置在實際作業(yè)中的優(yōu)越性，在3WF-1000型噴霧機兩側(cè)桁架上分別安裝仿生植保分禾與吊桿組合施藥裝置與傳統(tǒng)莖葉上方施藥方式進行對比試驗，試驗在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)種植基地進行，試驗地為東北大壟馬鈴薯種植地，壟距800 mm，壟頂寬400 mm，壟體高250 mm，品種為克新13，馬鈴薯生長性狀與前期試驗一致。試驗前通過調(diào)整分配閥及噴頭體旋鈕使所有噴頭僅有兩組進行作業(yè)，以屏蔽試驗外干擾。采用上文試驗方法及試驗參數(shù)組合，試驗進行5次，每次分別取上、中、下3處霧滴沉積數(shù)目為平均值作為試驗數(shù)值，試驗結(jié)果如圖19所示。

由圖19可知，采用傳統(tǒng)施藥方式的霧滴沉積度隨著采樣點位置的降低而明顯減小，在上、中、下部的霧滴沉積度變異系數(shù)為64.1%；采用所設(shè)計仿生植保分禾與吊桿組合裝置，藥液在作物的上、中、下部的霧滴沉積度并無明顯變化，其變異系數(shù)為5.3%，說明采用所設(shè)計仿生植保分禾與吊桿組合裝置后，能夠顯著改善藥液在植株中、下層的沉積效果。部分試驗后水敏紙變色如圖20所示。

4.5.2分禾裝置性能對比試驗

為驗證所設(shè)計的仿生植保分禾裝置相對于現(xiàn)有原型圓弧分禾裝置在作業(yè)性能上的優(yōu)越性，同時為驗證仿真過程準確性，將仿生分禾裝置與原型圓弧分禾裝置分別安裝在噴霧機的左右桁架上，采用優(yōu)化所得到的最佳參數(shù)組合進行試驗。試驗采用上文方法進行5次，試驗結(jié)果如圖21所示。

由圖21可知，采用仿生分禾裝置，能夠有效減小行進阻力。分析5組試驗結(jié)果，傳統(tǒng)分禾裝置所產(chǎn)生的行進阻力平均值為48.7 N；仿生分禾裝置所產(chǎn)生的行進阻力平均值為38.6 N，可降阻20.7%。植株經(jīng)原型圓弧分禾裝置作用后，5組試驗所產(chǎn)生霧滴平均沉積度為26.5 個/cm2；經(jīng)仿生分禾裝置作用后所產(chǎn)生霧滴平均沉積度為30.1 個/cm2，采用仿生分禾器使霧滴沉積度提高13.6%，原因為仿生分禾葉片表面特有的輪廓曲線使植株莖稈在分離瞬間沿分禾器行進方向速度降低，增加藥液沉積可能性，這與上文仿真結(jié)果一致。

5 結(jié)論

(1)針對作物生長中后期進行植保作業(yè)時莖葉背面及植株中、下部霧滴沉積較差，同時原型圓弧分禾裝置對莖葉損傷嚴重的問題，分析并設(shè)計了植保分禾與吊桿組合施藥裝置，將莖稈視為懸臂梁力學(xué)模型，以高沉積、低損傷為目標，建立了莖稈彎曲和回彈過程力學(xué)模型，為植保分禾裝置設(shè)計提供了理論依據(jù)。

(2)采用運動學(xué)仿真軟件ADAMS模擬兩種分禾葉片與莖稈產(chǎn)生的碰撞，分析可知，莖稈與仿生分禾葉片的作用阻力比原型圓弧分禾葉片降低27.7%；由田間試驗對比可知，試驗作物為馬鈴薯植株，采用仿生分禾裝置作業(yè)時，阻力可降低20.7%。

(3)進行了二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，選取行進速度、傾斜角、距地高度為試驗因素，行進阻力與霧滴沉積度為試驗指標，建立了各因素與試驗指標間的數(shù)學(xué)模型，并采用蟻群算法對回歸模型進行多目標優(yōu)化，獲得最優(yōu)參數(shù)組合。當行進速度為7.0 km/h、傾斜角為16°、距地高度為155 mm時，行進阻力均值為38.7 N，霧滴沉積度均值為31.5個/cm2，作業(yè)指標高于國家標準。與現(xiàn)有原型圓弧分禾裝置相比，仿生分禾裝置能夠降阻20.7%、霧滴沉積度提高13.6%。