楊啟志，朱夢嵐，賈翠平，李章彥，何文兵，胡建平

(江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212013)

0 引言

目前，我國蔬菜穴盤苗機(jī)械式移栽作業(yè)所使用的移栽機(jī)多以小型化及半自動化為主，移栽過程可大致分為取送苗、栽植機(jī)構(gòu)移栽、覆土三個階段[1-4]，其中，進(jìn)行穩(wěn)定的栽植機(jī)構(gòu)移栽是移栽作業(yè)完成的重要基礎(chǔ)。吊杯式栽植機(jī)構(gòu)因其可一次性完成打孔、栽植以及覆土等工作；適合柔嫩幼苗以及易碎缽體幼苗的移栽；可進(jìn)行膜上栽植等眾多優(yōu)勢被眾多研究者們選用[5-8]。不同形狀的吊杯能影響移栽機(jī)的膜上成穴性能及栽植品質(zhì)。因此深入研究不同形狀吊杯在不同頻率下的膜上成穴性能對于吊杯式移栽機(jī)械的栽植質(zhì)量的提高有著十分重要的意義。

我國幅員遼闊，各地區(qū)土壤差異大，尤其南方地區(qū)多為黏性較大的黏壤土，土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，黏結(jié)力大，影響因素多，尚未發(fā)現(xiàn)成熟的理論方法可用于土壤—機(jī)械互做機(jī)理研究，用簡單理論分析，無法確定土壤對吊杯的反作用力，栽植實(shí)際運(yùn)動軌跡與理論分析相差甚遠(yuǎn)，若進(jìn)行田間試驗(yàn)則成本較高且周期較長。離散元法可有效模擬分析機(jī)具作用下土壤的運(yùn)動規(guī)律，可以從土壤顆粒之間的角度來探究在機(jī)具作用下土壤顆粒的運(yùn)動及受力狀況，但僅適用于少量數(shù)量土壤顆粒群及簡單機(jī)械裝置模型仿真分析；RecurDyn多體動力學(xué)軟件模擬分析栽植器在理想狀態(tài)下較復(fù)雜運(yùn)動規(guī)律。采用EDEM-RecurDyn耦合仿真，可對栽植機(jī)構(gòu)作業(yè)過程中吊杯—土壤的接觸運(yùn)動過程進(jìn)行仿真模擬，并能研究在土壤作用下栽植器的復(fù)雜運(yùn)動學(xué)特性。國外學(xué)者對于離散元應(yīng)用的研究比較成熟，且較早的運(yùn)用離散元軟件對土壤顆粒進(jìn)行仿真分析。Ucgul等[9]通過離散元法分析了土壤顆粒與旋耕機(jī)之間的相互作用，以此來研究旋耕機(jī)的表層土壤混合能力并與實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果做對比，結(jié)果表明了旋耕機(jī)作用下的土壤混合能力可通過離散元仿真方法進(jìn)行預(yù)測。Tamás[10]提出了一種三維離散單元法模型用于模擬土壤—清掃器之間相互作用，通過模擬和實(shí)測土槽數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證了DEM方法在土壤—機(jī)械互做機(jī)理研究上的可行性與正確性。目前對于吊杯式栽植器的很多研究都是在中低速狀態(tài)下基于無土壤接觸時的運(yùn)動軌跡進(jìn)行研究的，對于中高速狀態(tài)下栽植器和土壤之間的相互作用機(jī)理等尚不清楚。

因此擬采用離散元分析軟件EDEM并借助多體動力學(xué)仿真軟件RecurDyn對吊杯式栽植器和土壤之間的相互作用關(guān)系進(jìn)行研究，仿真分析吊杯的膜上成穴性能參數(shù)，以獲得最佳栽植參數(shù)，以便于進(jìn)一步對栽植器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而使高速吊杯式移栽機(jī)在膜上具有更好的栽植性能。

1 吊杯式栽植器結(jié)構(gòu)及主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

吊杯式栽植機(jī)構(gòu)主要由栽植器、栽植盤、覆土裝置、支撐主架等組成，如圖1所示。其中，栽植盤由偏心圓盤、安裝圓盤、軸承滾輪、空間凸輪、固定轉(zhuǎn)臂等組成，如圖2所示。

圖1 分苗栽植機(jī)構(gòu)總裝圖

圖2 栽植盤

偏心圓盤、安裝盤以及固定轉(zhuǎn)臂組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，吊杯通過兩轉(zhuǎn)臂連接在兩安裝圓盤間，在工作過程中始終垂直于地面。吊杯構(gòu)件主要由投苗杯、吊杯組件、空間凸輪、開合彈簧等組成，通過左右兩邊的固定轉(zhuǎn)臂連接在栽植盤上，如圖3所示。

圖3 吊杯構(gòu)件

1.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)吊杯式栽植器的設(shè)計(jì)要求[11]，高速懸掛式自動移栽機(jī)的栽植機(jī)構(gòu)單側(cè)可安裝的吊杯數(shù)量為1～6個，在作業(yè)過程中可根據(jù)株距要求確定實(shí)際安裝個數(shù)，移栽機(jī)安裝吊杯個數(shù)N為5個。當(dāng)?shù)醣瓟?shù)量一定時，可通過調(diào)節(jié)栽植器及六方軸上的鏈輪齒數(shù)來改變地輪和栽植器的傳動比來調(diào)節(jié)栽植株距。栽植行距大小、栽植深度可根據(jù)具體蔬菜種植要求分別調(diào)節(jié)兩個栽植器之間的距離、栽植器和地面的高度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 栽植機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 建立吊杯式栽植器仿真模型

2.1 建立虛擬樣機(jī)模型

根據(jù)實(shí)際樣機(jī)的尺寸大小，在Solidworks中建立三維樣機(jī)模型，如圖4所示。然后對樣機(jī)模型進(jìn)行簡化，精簡掉不需要的零部件后，將其導(dǎo)入到RecurDyn軟件中，利用RecurDyn軟件對機(jī)構(gòu)添加約束、接觸、載荷等仿真參數(shù)，以72株/(min·行)為例，設(shè)置移栽機(jī)的前進(jìn)速度為0.3 m/s，吊杯的傳動速度為14.4 r/min，為了清晰地在曲線圖上顯示，設(shè)置仿真時間為10 s，仿真步長為1 000步，其施加約束后的虛擬樣機(jī)如圖所示。主要運(yùn)動副參數(shù)、不同栽植頻率下的吊杯傳動速度和移栽機(jī)前進(jìn)速度如表2和表3所示。設(shè)置完成后的虛擬樣機(jī)模型如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)臺架樣機(jī)

表2 栽植器虛擬樣機(jī)模型的運(yùn)動副列表

表3 不同栽植頻率下的吊杯傳動速度和移栽機(jī)前進(jìn)速度

圖5 施加約束后的虛擬樣機(jī)

2.2 不同吊杯模型的建立

選擇蔬菜移栽作業(yè)中常用的兩種不同形狀吊杯，在Solidworks中創(chuàng)建三維模型，如圖6所示，然后將其裝配到栽植機(jī)構(gòu)臺架上進(jìn)行模擬仿真，分析栽植孔穴的成型情況。

(a) 錐形

3 不同吊杯膜上成穴性能模擬

3.1 膜上成穴性能評價標(biāo)準(zhǔn)

吊杯從開始入土到完全離開土壤的過程中，會對地膜造成一定的損壞，根據(jù)農(nóng)藝要求，地膜損傷程度越小，則栽植效果越好。根據(jù)地膜最小損傷的要求，分析成穴過程中錐形吊杯和圓錐形吊杯對地膜的損傷程度。通過EDEM-RecurDyn耦合仿真對上述過程進(jìn)行仿真模擬，分析對地膜損傷較小的吊杯，由于地膜在橫向方向有收縮性，所以本次試驗(yàn)只比較縱向方向的尺寸。

3.2 不同栽植頻率下不同吊杯的栽植孔成穴模擬

選擇吊杯的栽植速率分別為60株/(min·行)、72株/(min·行)、84株/(min·行)、96株/(min·行)，為了方便記錄，將錐形吊杯、圓錐形吊杯分別標(biāo)記為A、B，如A60表示在栽植頻率為60株/(min·行)時錐形吊杯的成穴情況。吊杯在上升至完全離開土壤的過程中，土壤顆粒逐漸回流，當(dāng)土壤顆粒穩(wěn)定后，形成了一個最終狀態(tài)的穴孔，孔穴的最終成型效果如圖7所示。對穩(wěn)定后的栽植孔穴口尺寸橫向長度進(jìn)行測量，其中橫向指的是與移栽機(jī)前進(jìn)方向垂直的方向。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，在相同的栽植頻率下，取三次仿真試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終的試驗(yàn)結(jié)果，測量結(jié)果如表4所示。

(a) A60

表4 栽植孔穴口尺寸

由圖7可得，由于栽植器運(yùn)動軌跡取決于栽植器特征值λ[12]，故在栽植器特征值λ固定的情況下，吊杯的運(yùn)動軌跡基本相同，所以栽植孔的成型效果也基本相同，而栽植頻率的不同導(dǎo)致栽植孔的大小有細(xì)微的差別。此試驗(yàn)數(shù)據(jù)為后續(xù)吊杯撕膜程度提供參考。

3.3 不同吊杯膜上成穴性能模擬

吊杯從開始入土到完全離開土壤的過程中，會對地膜造成一定的損壞，根據(jù)農(nóng)藝要求，地膜損傷程度越小，則栽植效果越好。根據(jù)地膜最小損傷的要求，分析成穴過程中錐形吊杯和圓錐形吊杯對地膜的損傷程度。通過EDEM-RecurDyn耦合仿真對上述過程進(jìn)行仿真模擬，分析對地膜損傷較小的吊杯，由于地膜在橫向方向有收縮性，所以本次試驗(yàn)只比較縱向方向的尺寸。

通過查找相關(guān)文獻(xiàn)[13-14]確定地膜的仿真參數(shù)，如表5所示。

表5 膜上成穴仿真參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，在EDEM中建立土槽—地膜—吊杯仿真模型，如圖8所示。

圖8 土槽—地膜—吊杯耦合仿真模型

主要選擇兩種吊杯中對地膜損傷較小的吊杯，所以在建立地膜的EDEM仿真模型時，對地膜有一定比例的放大。通過上文無膜條件下的成穴特性可知，在栽植器特征系數(shù)λ為定值時，不同栽植頻率下栽植孔的穴口尺寸基本相同，所以本次試驗(yàn)選擇一種栽植頻率進(jìn)行膜上成穴性能仿真試驗(yàn)，選擇栽植頻率為72株/(min·行)，通過EDEM-RecurDyn耦合仿真，比較兩種吊杯所形成的膜面穴口形狀及尺寸，試驗(yàn)效果如圖9所示。

(a) 錐形吊杯撕膜效果

3.4 結(jié)果分析

在栽植頻率為72株/(min·行)時，由圖9可知，兩種吊杯形成的膜面穴口形狀不同，錐形吊杯形成的穴口從四角撕開，形成“×”形穴口，其縱向尺寸為同側(cè)兩最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的距離。圓錐形吊杯形成的穴口從中間撕開，形成“+”形穴口，其縱向尺寸為中間兩端點(diǎn)之間的距離，為了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種吊杯做三組平行試驗(yàn)，對其取平均值即為地膜穴口縱向尺寸。仿真模擬得錐形吊杯形成的膜口縱向尺寸為105.37 mm，圓錐形吊杯形成膜口縱向尺寸為101.26 mm，圓錐形吊杯的縱向尺寸較錐形吊杯小4.11 mm。由于本次仿真試驗(yàn)對地膜厚度做了放大處理，本次測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能和栽植作業(yè)中實(shí)際的膜口尺寸做直接數(shù)據(jù)對比，但是其趨勢可和實(shí)際趨勢進(jìn)行比較。試驗(yàn)表明，不同形狀的吊杯對膜口的縱向尺寸的影響較大，就地膜的損傷程度而言，圓錐形吊杯的膜上成穴效果優(yōu)于錐形吊杯。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)?zāi)康募霸O(shè)備

通過吊杯式栽植器臺架試驗(yàn)，可以檢驗(yàn)兩種不同形狀吊杯分別在四種不同栽植頻率下的成穴性能和在栽植頻率為72株/(min·行)時的膜上成穴性能，并和仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

試驗(yàn)臺架主要包括吊杯式栽植機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)。栽植機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動，牽引機(jī)構(gòu)由汽油機(jī)驅(qū)動，控制系統(tǒng)主要用來調(diào)節(jié)栽植機(jī)構(gòu)的栽植速度與牽引機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度相匹配。

試驗(yàn)器具主要包括：錐形吊杯及圓錐形吊杯(圖10)、角度器、直尺、卷尺、高清攝像機(jī)等。

(a) 錐形吊杯

搭建室內(nèi)臺架實(shí)驗(yàn)場地，規(guī)格(長×寬×壟高)14 000 mm×1000 mm×150 mm，壟槽內(nèi)選擇沙子來代替試驗(yàn)土壤，原因在于：一方面南方地區(qū)土壤顆粒較黏，流動性較差，當(dāng)改變土壤含水率時試驗(yàn)效果不易顯現(xiàn)，使用沙子作為試驗(yàn)對象，容易呈現(xiàn)出試驗(yàn)結(jié)果，另一方面該研究屬于定性研究，此研究規(guī)律不僅適用于南方地區(qū)土壤同時適用于其他地區(qū)。

4.2 試驗(yàn)方法

通過遙控器控制牽引機(jī)構(gòu)的行走速度，從而改變移栽機(jī)構(gòu)的水平前進(jìn)速度，通過改變調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變移栽機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動速度，移栽機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度和其栽植器旋轉(zhuǎn)速度相匹配，從而實(shí)現(xiàn)特定的栽植頻率。本次試驗(yàn)情況如圖11所示。

(a) 穴口橫向長度測量

進(jìn)行非膜上成穴試驗(yàn)，每種吊杯共進(jìn)行4組試驗(yàn)，分別對應(yīng)四種不同的栽植頻率，即60株/(min·行)、72株/(min·行)、84株/(min·行)、96株/(min·行)；膜上成穴試驗(yàn)選擇栽植頻率為72株/(min·行)時進(jìn)行膜上成穴試驗(yàn)，每組試驗(yàn)走完整個土槽，測定中間部分連續(xù)的5個栽植穴的穴口縱向尺寸，并取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，有效深度的測量方法是缽苗落入栽植孔后測量其上表面距離孔穴上表面的距離，然后加上缽苗的缽體高度，即為臺架試驗(yàn)的有效深度。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

兩種吊杯采用四種不同的栽植頻率，測量每組實(shí)驗(yàn)中連續(xù)5個的栽植穴的縱向尺寸，并取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

由表6可知，栽植器成穴性能臺架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)之間略有差別，具體表現(xiàn)為：錐形吊杯與圓錐形吊杯的穴口橫向長度相差最大值分別為5.06 mm、7.30 mm；錐形吊杯與圓錐形吊杯的穴口縱向長度相差最大值分別為4.98 mm、3.40 mm；錐形吊杯與圓錐形吊杯的有效深度相差最大值分別為1.24 mm、0.64 mm，但栽植器成穴性能臺架試驗(yàn)結(jié)果和仿真試驗(yàn)結(jié)果趨勢一致，說明在成穴試驗(yàn)中，仿真試驗(yàn)結(jié)果具有有效性。

表6 吊杯試驗(yàn)成穴尺寸

兩種吊杯采用特定栽植頻率進(jìn)行膜上成穴試驗(yàn)，如圖12所示。栽植頻率為72株/(min·行)，測量每組試驗(yàn)中連續(xù)5個穴口的膜口縱向尺寸，結(jié)果如表7所示。

(a) 土槽覆膜

由表7可知，錐形吊杯的膜口縱向尺寸約為130.58 mm，圓錐形吊杯的膜口縱向尺寸約為121.40 mm，由此可得圓錐形吊杯的膜上成穴性能優(yōu)于錐形吊杯。兩種吊杯的縱向穴口尺寸趨勢和仿真試驗(yàn)中的趨勢一致，證明了使用EDEM-RecurDyn耦合仿真模擬栽植器膜上成穴性能的合理性。

表7 膜口尺寸(栽植頻率72株/(min·行))

5 結(jié)論

結(jié)合吊杯式栽植器特性，借助離散元仿真軟件EDEM及多體系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件RecurDyn，耦合仿真分出兩種不同形狀的吊杯在四種不同栽植頻率下的成穴過程仿真分析、膜上成穴性能和撕膜大小程度。

1) 通過EDEM-RecurDyn耦合仿真分析了兩種不同形狀的吊杯在四種不同栽植頻率下的栽植孔成型后的穴口尺寸，結(jié)果表明不同形狀的吊杯對穴口橫向尺寸的影響不明顯。

2) 通過EDEM-RecurDyn耦合仿真分析了兩種不同形狀的吊杯在栽植頻率為72株/(min·行)下的條件下，對兩種形狀吊杯的膜上成穴性能進(jìn)行分析，仿真模擬得錐形吊杯形成的膜口縱向尺寸為105.37 mm，圓錐形吊杯形成膜口縱向尺寸為101.26 mm，圓錐形吊杯的縱向尺寸較錐形吊杯小4.11 mm。得到不同形狀的吊杯對膜口的縱向尺寸的影響較大，就地膜的損傷程度而言，圓錐形吊杯的膜上成穴效果優(yōu)于錐形吊杯。

3) 通過栽植器臺架進(jìn)行了室內(nèi)非膜上和膜上成穴性土槽試驗(yàn)，非膜上成穴試驗(yàn)測定了兩種吊杯四種不同栽植頻率的成穴性能，實(shí)驗(yàn)表明和仿真略有差別錐形吊杯與圓錐形吊杯的穴口橫向長度相差最大值分別為5.06 mm、7.30 mm；錐形吊杯與圓錐形吊杯的穴口縱向長度相差最大值分別為4.98 mm、3.40 mm，但是與仿真試驗(yàn)結(jié)果趨勢一致；膜上成穴試驗(yàn)?zāi)ど铣裳ㄔ囼?yàn)測定了兩種吊杯在栽植頻率為72株/(min·行)下的膜上成穴性能，結(jié)果表明與仿真結(jié)果一致，不同形狀的吊杯對穴口的縱向尺寸影響較大，而對穴口橫向尺寸的影響不明顯，通過膜上成穴性能試驗(yàn)，得出錐形吊杯和圓錐形吊杯的膜口縱向尺寸分別為130.58 mm、121.40 mm左右。臺架試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果趨勢一致，證明建立的離散元仿真成穴模型正確，采用離散元仿真試驗(yàn)方法可以有效預(yù)栽植器的成穴性能和質(zhì)量。