韓長杰，徐 陽，尤 佳，張 靜，袁盼盼

?

半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機成穴器參數(shù)優(yōu)化

韓長杰，徐 陽，尤 佳，張 靜，袁盼盼

（新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，烏魯木齊 830052）

在圓餅狀壓縮基質型西瓜缽苗移栽時，由于栽植機形成的穴形質量不佳，會造成缽苗傾斜。根據(jù)西瓜缽苗的移栽農(nóng)藝要求，結合旱地移栽機械作業(yè)的特點，開展了半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機的成穴器參數(shù)優(yōu)化研究。分析了成穴器的運動機理，建立了栽植穴的參數(shù)方程，得出理論成穴深度是影響穴口上部縱長的主要因素；利用離散元法對成穴器成穴過程進行仿真分析，驗證成穴器結構參數(shù)與運動參數(shù)的合理性，探明了小端直徑不同的成穴器在不同理論成穴深度的成穴效果；結合田間試驗對成穴器參數(shù)進行優(yōu)化，試驗結果表明，成穴器小端直徑為60 mm，理論成穴深度為65 mm時，所成穴形有利于圓餅狀壓縮基質型西瓜缽苗栽植；仿真及試驗結果表明，穴口上部縱長、穴口上部寬度和有效成穴深度的仿真結果與試驗結果之間的誤差最小值、最大值和平均值分別為0.34%、12.78%、6.7%；7.23%、20.87%、12.33%；1.79%、17.92%、10.46%。該研究為成穴器的優(yōu)化改進提供參考。

機械化；移栽；優(yōu)化；成穴器；離散元

0 引 言

圓餅狀壓縮基質（以草本泥炭、木質素為主要原料，壓制成圓餅狀，單個質量（40±3）g）常用于培育種子較大、根系較為發(fā)達的西瓜和甜瓜類經(jīng)濟作物。其幼苗質量相對于基質塊很小，且幼苗較為矮小，多采用覆膜種植[1-3]。開溝式移栽機能夠進行小株距裸苗移栽，但不能實現(xiàn)覆膜移栽。鴨嘴式移栽機能夠移栽基質塊較小的缽苗，鴨嘴式移栽機對幼苗苗齡和外觀形狀要求高[4]，受其工作方式的限制，圓餅狀壓縮基質培育的幼苗落入鴨嘴時，不能保證缽苗的直立，且栽植時鴨嘴在土壤中打開，部分土壤回流造成穴底不平整，難以保證壓縮基質型缽苗移栽直立[5-6]。成穴式移栽機也存在對土壤土質及含水率要求較高等問題，但是該類機型對栽植幼苗要求較低，采用先成穴后放苗工作方式，能夠保證缽苗的直立，可實現(xiàn)快速移栽作業(yè)，因此發(fā)展成穴式移栽技術具有較好的科研前景[7]，作為成穴式移栽機械的關鍵工序成穴技術的研究還未取得突破性的進展。

國外移栽機械生產(chǎn)開始于20世紀中期，成穴式移栽機以意大利Ferrari公司研制的Rotostrapp型移栽機、美國Kennco、Buckeye Tractor公司研制的水輪式成穴移栽機為代表[8]。國內的成穴式移栽機以王曉東[9]在借鑒國外同類產(chǎn)品的基礎上研制的2行水輪式移栽機及江蘇省農(nóng)機技術推廣站研制的2ZX-2型棉花營養(yǎng)缽移栽成穴機為代表。意大利Ferrari公司研制的Rotostrapp型移栽機采用精確的電子控制系統(tǒng)和株距調控系統(tǒng)，自動化程度較高，技術先進，但其價格昂貴，且不能適應中國的農(nóng)藝要求，對操作人員的專業(yè)素質要求較高，在中國難以推廣[10]。美國Kennco、Buckeye Tractor公司、王曉東及江蘇省農(nóng)機技術推廣站研制的成穴式移栽機，都是在水輪式成穴機的基礎上研制的，該類移栽機適合于大株距作物移栽，需要通過更換水輪來實現(xiàn)不同株距的移栽，所成穴形的質量難以得到保證[11]。

為此，本文根據(jù)移栽圓餅壓縮基質培育的西瓜缽苗的農(nóng)藝要求，結合旱地移栽機械作業(yè)的特點，以半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機中成穴裝置的成穴器為研究對象[12]，利用離散元法對成穴器成穴過程進行研究，探究小端直徑不同的成穴器在不同理論成穴深度的成穴效果，結合田間試驗對成穴器參數(shù)進行優(yōu)化[13]。

1 成穴裝置結構與工作原理

圖1為半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機成穴裝置結構示意圖。其中成穴裝置主要由成穴器、棘輪機構、擺動機構、機架等組成。工作時，地輪將動力由主動鏈輪傳入擺動機構，擺動機構的曲柄通過連桿將動力傳遞給從動桿，從動桿往復擺動帶動同軸安裝的棘輪機構間歇轉動，從而帶動成穴器間歇旋轉，刺穿地膜插入土壤中，隨著成穴器的旋轉，土壤受到剪切及彈塑性變形，形成栽植穴。

1.成穴器軸鏈輪 2.機架 3.主動鏈輪 4.棘爪 5.棘輪 6.彈簧 7.棘輪軸鏈輪 8.下軸瓦 9.棘輪軸 10.曲柄軸 11.成穴器軸 12.成穴器 13.U型卡 14.固定座 15.上軸瓦 16.連桿 17.從動桿 18.曲柄

1.Sprocket of opener shaft 2.Frame 3.Drive sprocket 4.Pawl 5.Ratchet 6.Spring 7.Ratchet shaft sprocket 8.Lower bearing 9. Ratchet shaft 10.Crankshaft 11.Opener axis 12.Opener 13.U-shaped card 14.Fixed seat 15.Upper bearing 16.Connecting rod 17.Driven rod 18.Crank

圖1 半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機成穴裝置結構示意圖

Fig.1 Schematic diagram of hole-forming device for semi-automatic transplanter for watermelon seedlings raised on compression substrate

2 成穴器參數(shù)化設計

成穴器是半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機的核心部件，成穴器的結構參數(shù)與運動影響著成穴效果，而栽植穴的形狀參數(shù)直接影響著栽植質量。成穴器為上端大、下端小圓錐形，以利于成穴時順利刺入土壤中，工作時隨著機器的前進，成穴器間歇轉動，順利的刺入、拔出土壤，在土壤中產(chǎn)生栽植穴。采用圓餅狀壓縮基質培育的西瓜缽苗的缽體直徑為50～51.5 mm，高度為31.5～33 mm[12]。栽植時要求，穴底平整，栽植深度50～70 mm。根據(jù)西瓜缽苗缽體圓餅狀外形尺寸參數(shù)，本研究確定的成穴器小端直徑分別為50、60、70 mm，成穴器組件如圖2所示。

1.成穴器安裝軸 2.鏈輪 3.成穴器

1.Shaft of opener 2.Sprocket 3.Opener

圖2 成穴器組件結構示意圖

Fig.2 Schematic diagram of opener device

2.1 成穴機理及參數(shù)方程

半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機的成穴過程由入土階段和出土階段組成。工作時成穴器擠壓剪切土壤，土壤受到剪切力和因擠壓力產(chǎn)生的塑性變形，形成栽植穴，了解半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機的成穴機理有助于獲得滿足移栽要求的栽植穴。

圖3為成穴器運動分析。如圖3a所示，成穴器上的4個特殊點（分別為點、、、）在一定前進速度下形成的軌跡組成了栽植穴輪廓。成穴時點最先觸碰土壤，點與點組成的阻力面向前下方運動剪切擠壓土壤，隨后點擠壓剪切土壤并向最低點運動的過程為入土階段，當成穴器與地面垂直，點、點處于同一水平深度時，入土階段結束，成穴器開始向后上方運動進入出土階段，出土階段中，點與點組成的阻力面向后上方剪切并擠壓土壤，隨著機具的前進及旋轉離開土壤，土壤中留下栽植穴[7]。

注：點為成穴器的旋轉中心，為機器前進方向，點為成穴器底面中點，點與點的連線為成穴器中線；成穴器位置用成穴器中線與垂線夾角、表示，rad；為成穴器理論滾動半徑，mm；為理論成穴深度，mm；為成穴器小端直徑，mm；點、、、是成穴器上的特殊點；l為成穴器上點與點的連線；′為成穴器中線與l的夾角，為正值，rad；l為成穴器上點與點的連線；為成穴器入土階段中成穴器中線與l的夾角，為正值，rad；l為成穴器上點與點的連線，′為成穴器出土階段中，成穴器中線與l的夾角，rad；l為成穴器上點與點的連線，為入土階段中成穴器中線與l的夾角，為正值，rad。圖3b中實線部分表示的是成穴器的入土階段，雙點劃線表示的是成穴器的出土階段。

Note: Pointis center of rotation of opener;is direction of machine; pointis midpoint of bottom surface of opener; line connecting pointand pointis center line of opener; position of opener is represented by angleandbetween center line of opener and vertical line;is theoretical rolling radius of opener, mm;is theoretical depth of hole-forming, mm;is diameter of small end of opener, mm; points,,, andare special points on opener;lis connection pointand pointon opener;′ is angle between center line of opener andl, which is positive value, rad;lis line connecting pointand pointon opener;is angle between midline of opener andlin entering soil stage, which is positive, rad;lis connecting pointand pointon opener,′ is angle between midline of opener andlin leaves soil stage, rad;lis line connecting pointand pointon opener,is angle between midline of opener andlin entering soil stage, which is positive, rad. Solid line in Fig.3b shows opener entering soil stage, two-dot chain line indicates opener leaves soil stage.

圖3 成穴器運動分析

Fig.3 Analysis of motion of opener

2.2 穴形參數(shù)方程

栽植穴的形成是運動的成穴器外輪廓與土壤相互作用的結果，分析成穴器上特殊點的運動軌跡，即可得出栽植穴的參數(shù)方程[14-15]。

在對成穴器進行運動分析時，建立圖3b所示坐標系，成穴器與土壤接觸的外形輪廓由點、、、的運動軌跡組成。圖3b中實線部分表示的是成穴器的入土階段，雙點劃線表示的是成穴器的出土階段，栽植穴由1-2--3-4組成的包絡線表示，12段為出土階段中端點及非阻力面的運動軌跡，2段為端點在入土階段中形成的運動軌跡，3為端點在出土階段中形成的運動軌跡，34段為入土階段中端點及阻力面的運動軌跡。

1）出土階段中，栽植穴前緣12段的參數(shù)方程

式中l為成穴器上點與點的連線距離，mm；′為成穴器出土階段中成穴器的轉動弧度，數(shù)值逐漸變大，為正值，rad。

2）入土階段中，栽植穴前緣2段的參數(shù)方程

式中為成穴器入土階段中成穴器的轉動弧度，數(shù)值逐漸變小，為負值，rad。

3）出土階段中，栽植穴后緣3段的參數(shù)方程

4）入土階段中，栽植后緣34段的參數(shù)方程

通過以上4組參數(shù)方程，分4部分描繪出栽植穴的輪廓。分析上述參數(shù)方程可知，當牽引速度一定時，成穴器旋轉速度過大時，栽植穴的輪廓就由特殊點、的運動軌跡組成，此時栽植穴的輪廓就由參數(shù)方程（2）、（3）表示，但所成栽植穴尺寸較大且側壁陡峭，不利于穴形的穩(wěn)定。若成穴器轉速較小時，栽植穴成穴輪廓由（1）~（4）組方程式表示，形成上端大、下端小的栽植穴，有利于保證穴形的穩(wěn)定[14]。

2.3 栽植穴形狀參數(shù)

聯(lián)立公式（1）~（4）繪制軌跡曲線，軌跡曲線上的各點坐標可由參數(shù)方程得出。栽植穴輪廓參數(shù)化，有助于了解影響栽植穴輪廓主要因素。設處于輪廓線12、34任意距離地面深度為1的直線與栽植穴輪廓線交點為、，處于輪廓線2、4任意距離地面深度為2的直線與栽植穴輪廓線交點為′、′，成穴器旋轉中心距地面高度為，因栽植穴前緣與栽植穴后緣關于軸對稱，故穴口上部縱長l為

l=x?x=2x（5）

同理可得，栽植穴在深度為2時，穴口底部縱長l為

分析式（5）、（6）可知，在成穴器結構參數(shù)僅小端直徑變化的情況下，理論成穴深度為影響穴口上部縱長l與穴口下部縱長l′n′的關鍵因素[14]；穴口寬度（垂直于機器行走方向測量穴口）與成穴器尺寸參數(shù)及理論成穴深度有關。因此，本研究確定的成穴器理論成穴深度分別為50、65、80 mm。

3 EDEM仿真分析

3.1 成穴器建模

為保證仿真結果的準確性，采用Solidworks三維制圖軟件，按照1:1的比例建立小端直徑分別為50、60、70 mm的3種成穴器組件模型，并將其另存為.stp格式[16-18]。

3.2 土壤顆粒參數(shù)

離散單元法是把離散體看作具有一定形狀和質量的離散顆粒單元的集合，并將其理想化為相互獨立、相互接觸和相互作用的顆粒群體[17-18]，因此土壤模型參數(shù)的準確性是離散元模擬的基礎。為了提高模型的真實性，由于旋耕后耕層土壤較為疏松，孔間隙大，土壤顆粒的基本結構主要包括塊狀顆粒、核狀顆粒、片狀顆粒、柱狀顆粒的情況，使用離散元軟件中球型顆粒的不同組合替代不同類型的土壤顆粒形狀，模擬土壤團聚體，共建立了球形、線形組合、三角形組合、四面體組合分別近似的代表塊狀、核狀、片狀、柱狀土壤顆粒，土壤顆粒模型如圖4所示，設置土壤顆粒填充半徑為5 mm，模型參數(shù)見表1所示[19]。土壤顆粒參數(shù)通過參考相關文獻取得[20-26]，仿真前測量了選用試驗地的土壤的含水率及土壤堆積角，通過土壤仿真堆積角修正顆粒參數(shù)。選用離散元模型基本參數(shù)如表2所示。

圖4 土壤顆粒模型

表1 土壤模型參數(shù)

表2 離散元模型基本參數(shù)

3.3 土壤接觸模型

顆粒運動必然會引起顆粒之間的相互碰撞，顆粒之間有力的產(chǎn)生，接觸模型的分析計算直接決定了粒子所受的力和力矩的大小，對于不同的仿真對象，必須建立不同的接觸模型，研究發(fā)現(xiàn)材料彈塑性模型適合土壤在受力條件下的應變特征[17-18]，選擇能夠體現(xiàn)土壤彈塑性和土壤黏結性的The Edinburgh Elasto-Plastic Cohesion Model模型[20,27]。

3.4 EDEM成穴模型

為滿足成穴作業(yè)要求，根據(jù)栽植穴理論成穴深度及成穴器的形狀尺寸，在模型中建立尺寸（長×寬×高）為400 mm×200 mm×150 mm的虛擬土槽，參數(shù)設定完成后，顆粒工廠生成顆粒，沉積后形成土槽，待土槽中顆粒穩(wěn)定后，導入的成穴器組件以5.14 rad/s旋轉，并以0.6 m/s開始向方向運動，仿真過程共歷時3 s[28-30]。

3.5 成穴過程驗證與仿真分析

傳統(tǒng)的試驗方法表述成穴器與土壤相互作用過程較為困難，為更加形象的了解不同小端直徑成穴器在不同理論成穴深度成穴時，對所成栽植穴的形狀及尺寸參數(shù)的影響[24]，根據(jù)成穴器參數(shù)化設計及栽植穴參數(shù)方程，成穴器小端直徑分別為50、60、70 mm，理論成穴深度分別為50、65、80 mm，試驗分組如表3所示。采用EDEM的clipping模塊沿成穴器總成前進方向及垂直前進方向進行剖視。為便于觀察成穴過程及栽植穴成穴效果，對模擬土槽的土壤分層上色。利用EDEM的tool模塊中的測量命令，測量栽植穴深度及其穴口大小[17-18]。

表3 試驗分組

成穴過程中的入土階段如圖5所示，從圖中可以看出，已經(jīng)有土壤顆粒產(chǎn)生失效破碎進入成穴器內部，隨著成穴器的旋轉，成穴器內部積聚的土壤顆粒不斷增加。當成穴器垂直于地面時，成穴器向下壓取土壤，因成穴器為倒錐形的形狀，成穴器內土壤顆粒在重力的作用下對成穴器內壁產(chǎn)生側壓力，以及土壤顆粒之間的凝聚力共同的作用，有利于成穴器將土壤顆粒從栽植穴中取出。出土階段土壤顆粒受到成穴器的剪切擠壓繼續(xù)破碎，使土壤顆粒隨成穴器的旋轉被帶出地面[29]，與本文機理分析部分描述的過程吻合。

為探究小端不同直徑成穴器，在不同深度對成穴效果的影響，機具沿方向運動。成穴器小端直徑為50 mm的成穴器，理論成穴深度為50、65 mm時，所成栽植穴穴口較圓，穴底顏色主要由綠色和藍色組成，理論成穴深度為80 mm時，穴底由紅色、綠色、藍色組成，顏色差異表明穴底不平整。這是由于成穴器小端直徑較小，成穴器壓取土壤顆粒時，進入成穴器內部土壤顆粒數(shù)量有限，大部分剪切破碎的土壤顆粒聚集在成穴器外側，土壤顆?；靥钤斐裳ǖ撞黄秸?。小端直徑為70 mm的成穴器，理論成穴深度為50、65、80 mm時，所成栽植穴底部主要由藍色和綠色組成。這是由于小端直徑為70 mm的成穴器，成穴器小端直徑較大，破碎的土壤進入成穴器后，成穴器內壁斜度較大，壓取進入成穴器內部土壤顆粒的彈性形變及黏結力不足以克服重力的作用掉落，導致栽植穴穴底不平整。小端直徑為60 mm的成穴器，理論成穴深度分別為50、65、80 mm時，栽植穴穴底顏色主要由綠色構成，成穴效果如圖6所示。小端直徑為60 mm的成穴器，所成栽植穴的穴底平整度優(yōu)于其他2種規(guī)格的成穴器。

1.土槽 2.成穴器

1.Soil-bin 2.Opener

圖5 成穴器入土階段絕對坐標位置

Fig.5 Absolute coordinate position of opener entering soil stage

注：穴口上部縱長測量，沿著機器前進方向（軸方向），穴口上部寬度測量，垂直于及其行走方向（軸方向），為理論成穴深度，mm。

Note: Measurement of upper longitudinal length of the hole, along direction of machine (-axis direction), measurement of upper width of hole, perpendicular to direction of its walking (-axis direction),is theoretical depth of hole-forming, mm.

圖6 小端直徑為60 mm時成穴仿真效果

Fig.6 Simulation effect of hole punch when small end diameter is 60 mm

栽植穴仿真測量結果如表4所示，小端直徑相同的成穴器隨著理論成穴深度的增加，穴口上部縱長及有效成穴深度是增大的，穴口上部寬度受成穴器與土壤接觸截面尺寸的影響，與理論成穴深度正相關[31]。成穴器小端直徑越大，所成穴形的穴口上部寬度、穴口上部縱長越大，當理論成穴深度為50、65 mm時，所成栽植穴穴口上部縱長及穴口上部寬度相差不大，所成穴口較圓，當理論成穴深度為80 mm時，成穴器與土壤接觸范圍較大，穴口上部縱長增加，所成穴口為橢圓形。理論成穴深度為50 mm時，有效成穴深度分別為38、39、37 mm，不能滿足栽植要求；理論成穴深度為80 mm，成穴器小端直徑為60、70 mm時，栽植穴穴口上部縱長分別為158.56、166.63 mm，穴口尺寸較大，減弱了覆膜移栽作物保水、增溫效果，不利于幼苗生長發(fā)育[32-33]。

表4 栽植穴仿真結果

由圖6中栽植穴的成穴效果及表4中的仿真結果分析可知，成穴器小端直徑為60 mm，理論成穴深度為65 mm（圖6b），穴底顏色主要為綠色，穴底較為平整，有效成穴深度為51 mm，穴口上部縱長、穴口上部寬度尺寸相對較小，能夠滿足幼苗移栽要求。

4 試驗與分析

為檢測上述設計方法的準確性和成穴裝置工作的可靠性，試制試驗樣機1臺及3對小端直徑分別為50、60、70 mm的成穴器，在理論成穴深度分別為50、65、80 mm時，進行田間試驗。田間試驗于2018年10月在山東省金利達機械制造有限公司的試驗田進行，烘干法測得土壤含水率為13.8%。試驗田要求旋耕后整地，保證地面平整，地輪直徑600 mm，設計時取滑移率為1.2，工作時地輪與成穴器的傳動比為1:1.26。

4.1 試驗方法

為方便試驗結果的測量，試驗時試驗地不鋪膜，試驗分組如表3所示，共9組試驗，每組試驗連續(xù)完成30個栽植穴，測定中間連續(xù)的20個栽植穴的穴口上部縱長、穴口上部寬度及有效成穴深度。各試驗指標測量結果取平均值為每組試驗的結果。圖7所示為田間試驗情況。

圖7 田間試驗

圖8為栽植穴仿真與田間試驗測量結果。由圖8可知，同一成穴器隨著理論成穴深度的增加穴口上部縱長也隨之增大；同一理論成穴深度的不同成穴器，所成穴口上部縱長隨著成穴器小端直徑的增大而增大。成穴器小端直徑變化對穴口上部縱長的影響弱于理論成穴深度的變化，理論成穴深度對穴口上部縱長的大小影響較為顯著。試驗結果與仿真結果變化趨勢一致，仿真結果與試驗結果之間的誤差最小值為0.34%，最大值為12.78%，誤差平均值為6.7%[34]。

由圖8可知，同一成穴器，隨著理論成穴深度的增加穴口上部寬度增大，同一理論成穴深度的不同成穴器所成穴口上部寬度隨著成穴器小端直徑的增加而增大。成穴器小端直徑越大，隨著理論成穴深度的增加，穴口上部寬度增加的越緩慢。試驗結果與仿真結果變化趨勢一致，仿真結果與試驗結果之間的誤差最小值為7.23%，最大值為20.87%，誤差平均值為12.33%。

圖8 栽植穴仿真與田間試驗測量結果

由圖8中有效成穴深度試驗值曲線可知，組3中試驗有效成穴深度為52.1 mm，小于組2有效成穴深度（55 mm）。因理論成穴深度深與土壤接觸范圍較大，土壤顆粒受到擾動的范圍較廣。試驗地土壤含水率比較低，土壤顆粒尺寸較小。成穴器小端直徑小，進入成穴器內部的剪切破碎的土壤顆粒數(shù)量少，大部分剪切破碎的土壤顆粒在成穴器外側，受到擾動的土壤顆粒回填，有效成穴深度減小。其余各組試驗結果與仿真結果變化趨勢一致。試驗測得小端直徑為60 mm，理論成穴深度分別為50、65、80 mm時，栽植穴有效成穴深度分別45.1、54、62.5 mm；小端直徑為70 mm，理論成穴深度分別為50、65、80 mm時，栽植穴有效成穴深度分別43.1、57.5、61.9 mm，說明隨著理論成穴深度的增加栽植穴的有效成穴深度是增加的，同一理論成穴深度的不同成穴器所成穴形有效成穴深度一致，仿真結果與試驗結果之間的誤差最小值為1.79%，最大值為17.92%，平均誤差為10.46%。

由田間試驗結果可知，組1、組4、組7所成栽植穴平均有效成穴深度分別41.3、45.1、43.1 mm，不能滿足農(nóng)藝要求。組3、組6、組9所成栽植穴有效成穴深度分別為52.1、62.5、61.9 mm，穴口上部縱長分別為151.6、161.4、167.2 mm，減弱了覆膜移栽作物保水、增溫效果。組2、組5、組8所成栽植穴有效成穴深度分別為55、54、57.5 mm，能夠滿足栽植要求，組8所成栽植穴上部穴口尺寸相對于組2、組5較大。組2、組5所成栽植穴穴口上部尺寸相差不大，其中組2所成栽植穴的出土位置，土壤回填產(chǎn)生了斜面，組5所成栽植穴穴底較為平整。因此，組5所成穴形更利于栽植（小端直徑為60 mm，理論成穴深度為65 mm）。結合3項試驗數(shù)據(jù)及仿真結果可知，3項指標的平均誤差為9.83%，說明仿真環(huán)境下合適的土壤顆粒參數(shù)及黏結模型可以模擬出機具與土壤相互作用的情況。

4.2 膜上成穴試驗

隨后為檢測成穴裝置是否滿足膜上成穴要求，在相同的條件下進行了膜上成穴試驗，膜上成穴與不覆膜成穴試驗結果變化趨勢一致。成穴效果如圖9所示，成穴裝置能夠滿足膜上成穴要求。

圖9 膜上成穴功能驗證及膜上成穴效果

5 結 論

1）通過分析成穴器的運動機理，研究成穴器的運動參數(shù)方程，建立了栽植穴參數(shù)方程，在成穴器結構參數(shù)僅小端直徑變化的情況下，理論成穴深度為影響穴口上部縱長、穴口下部縱長和穴口寬度的關鍵因素。利用離散元法對成穴器成穴過程進行研究，驗證了成穴器結構參數(shù)與運動參數(shù)的合理性，探究小端直徑不同的成穴器在不同理論成穴深度的成穴效果，測量了栽植穴穴口上部縱長、穴口上部寬度，有效成穴深度。

2）由仿真結果及田間試驗結果分析可知，同一成穴器隨著理論成穴深度的增加穴口上部縱長、穴口上部寬度是增加的，同一理論成穴深度的不同成穴器所成穴口上部縱長、穴口上部寬度隨著成穴器小端直徑的增加而增大，成穴器小端直徑變化對穴口上部縱長的影響弱于理論成穴深度的變化，理論成穴深度對穴口上部縱長的大小影響較為顯著。成穴器小端直徑越大，隨著理論成穴深度的增加，穴口上部寬度增加的越緩慢。穴口上部縱長、穴口上部寬度和有效成穴深度仿真結果與試驗結果之間的誤差最小值、最大值、平均值分別為0.34%、12.78%、6.7%；7.23%、20.87%、12.33%；1.79%、17.92%、10.46%。結合3項試驗數(shù)據(jù)及仿真結果可知，3項指標的平均誤差為9.83%。成穴器小端直徑為60 mm，理論成穴深度為65 mm時，穴底較為平整，所成栽植穴利于圓餅狀壓縮基質培育的西瓜缽苗栽植，穴口上部縱長、穴口上部寬度尺寸相對較小，利于覆膜移栽作物的生長。

仿真環(huán)境下合適的土壤顆粒參數(shù)及黏結模型可以模擬出機具與土壤相互作用的情況，該研究能夠為成穴器的優(yōu)化改進提供參考。

[1] 胡君輝，葛政元，田海丹，等. 壓縮型基質營養(yǎng)缽在嫁接西瓜育苗上的應用效果[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學，2009(1)：61－62.

[2] 李桂芬，何毅，覃斯華，等. 西瓜和甜瓜壓縮型基質營養(yǎng)缽育苗技術規(guī)程[J]. 中國瓜菜，2016，29(10)：46－48.

[3] 張慶. 壓縮型基質營養(yǎng)缽西瓜育苗技術研究[D]. 上海：上海交通大學，2010.

Zhang Qing. Study on Nursery Technique of Watermelon with Compressed Substrate Block[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[4] 向偉，吳明亮，官春云，等. 油菜缽體苗移栽栽植孔成型機設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2017，48(10)：40－48，58.

Xiang Wei, Wu Mingliang, Guan Chunyun, et al. Design and test of transplanting hole-forming machine for rapeseed potted seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(10): 40－48,58. (in Chinese with English abstract)

[5] 石鐵. 全自動玉米秧苗移栽機的研制與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(3)：23－30.

Shi Tie. Development and test of automatic corn seedling transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 23－30. (in Chinese with English abstract)

[6] 封俊，秦貴，宋衛(wèi)堂，等. 移栽機的吊杯運動分析與設計準則[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2002，33(5)：48－50.

Feng Jun, Qin Gui, Song Weitang, et al. The kinematic analysis and design criteria of the dibble-type transplanters[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2002, 33(5): 48－50. (in Chinese with English abstract)

[7] 向偉. 油菜移栽機栽植孔成型機構試驗研究[D]. 長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學，2014.

Xiang Wei. Experiment Study on Planting Hole Forming Device of Transplanting Machine for Rape[D]. Changsha: Hunan Agriculture University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[8] 盧勇濤，李亞雄，劉洋，等. 國內外移栽機及移栽技術現(xiàn)狀分析[J]. 新疆農(nóng)機化，2011(3)：29－32.

Lu Yongtao, Li Yaxiong, Liu Yang, et al. Status analysis of abroad’s transplanting machine and transplanting technology[J]. Xinjiang Agricultural Mechanization, 2011(3): 29－32. (in Chinese with English abstract)

[9] 王曉東. 水輪式打穴移栽機成穴機理及試驗研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2005.

Wang Xiaodong. The Experimental Study on the Water-Wheel Transplanter’s Punching Mechanism[D]. Beijing: China Agricultural University, 2005. (in Chinese with English abstract)

[10] 于曉旭，趙勻，陳寶成，等. 移栽機械發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45(8)：44－53.

Yu Xiaoxu, Zhao Yun, Chen Baocheng, et al. Current situation and prospect of transsplanter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(8): 44－53. (in Chinese with English abstract)

[11] 王曉東，封俊. 國內外膜上移栽機械化的發(fā)展狀況[J]. 中國農(nóng)機化，2005(3)：25－28.

Wang Xiaodong, Feng Jun. State and development of transplanting mechanization with mulch film at home andabroad[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2005(3): 25－28. (in Chinese with English abstract)

[12] 韓長杰，徐陽，張靜，等. 半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(13)：54－61.

Han Changjie, Xu Yang, Zhang Jing, et al. Design and experiment of semi-automatic transplanter for watermelon seedlings raised on compression substrate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 54－61. (in Chinese with English abstract)

[13] 賈洪雷，王萬鵬，陳志，等. 農(nóng)業(yè)機械觸土部件優(yōu)化研究現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2017，48(7)：1－13.

Jia Honglei, Wang Wanpeng, Chen Zhi, et al. Research status and prospect of soil-engaging components optimization for agricultural machinery[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(7): 1－13. (in Chinese with English abstract)

[14] 向偉，吳明亮，官春云，等. 履帶式油菜苗移栽栽植孔成型機的設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(15)：12－18.

Xiang Wei, Wu Mingliang, Guan Chunyun, et al. Design and experiment of planting hole forming device of crawler transplanter for rape (Brassica napus) seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(15): 12－18. (in Chinese with English abstract)

[15] 陳建能，王伯鴻，張翔，等. 多桿式零速度缽苗移栽機植苗機構運動學模型與參數(shù)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(9)：7－12.

Chen Jianneng, Wang Bohong, Zhang Xiang, et al. Kinematics modeling and characteristic analysis of multi-linkage transplanting mechanism of pot seedling transplanter with zero speed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(9): 7－12. (in Chinese with English abstract)

[16] 黃玉祥，杭程光，苑夢嬋，等. 深松土壤擾動行為的離散元仿真與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47(7)：80－88.

Huang Yuxiang, Hang Chengguang, Yuan Mengchan, et al. Discrete element simulation and experiment on disturbance behavior of subsoiling[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 80－88. (in Chinese)

[17] 胡國明. 顆粒系統(tǒng)的離散元素法分析仿真[M]. 武漢：武漢理工大學出版社，2010：64－101.

[18] 王國強. 離散單元法及其在EDEM上的實踐[M]. 西安：西北工業(yè)大學出版社，2010：2－58.

[19] 王燕. 基于離散單元法的深松鏟結構與松土效果研究[D]. 長春：吉林農(nóng)業(yè)大學，2014.

Wang Yan. Simultion Analysis of Structure and Effect of the Subsoiler Based on DEM[D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[20] 王憲良，胡紅，王慶杰，等. 基于離散元的土壤模型參數(shù)標定方法[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2017，48(12)：78－85.

Wang Xianliang, Hu Hong, Wang Qingjie, et al. Calibration method of soil contact characteristic parameters based on DEM theory[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2017, 48(12): 78－85. (in Chinese with English abstract)

[21] 石林榕，趙武云，孫偉. 基于離散元的西北旱區(qū)農(nóng)田土壤顆粒接觸模型和參數(shù)標定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(21)：181－187.

Shi Linrong, Zhao Wuyun, Sun Wei. Parameter calibration of soil particles contact model of farmland soil in northwest arid region based on discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(21): 181－187. (in Chinese with English abstract)

[22] 方會敏，姬長英，Ahmed Ali Tagar，等. 秸稈-土壤-旋耕刀系統(tǒng)中秸稈位移仿真分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47(1)：60－67.

Fang Huimin, Ji Changying, Ahmed Ali Tagar, et al. Simulation analysis of straw movement straw-soil-rotary blade system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(1): 60－67. (in Chinese with English abstract)

[23] 方會敏，姬長英，F(xiàn)arman Ali Chandio，等. 基于離散元法的旋耕過程土壤運動行為分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47(3)：22－28.

Fang Huimin, Ji Changying, Farman Ali Chandio, et al. Analysis of soil dynamic behavior during rotary tillage based on discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(3): 22－28. (in Chinese with English abstract)

[24] 王學振，岳斌，高喜杰，等. 深松鏟不同翼鏟安裝高度時土壤擾動行為仿真與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2018，49(10)：124－136.

Wang Xuezhen, Yue Bin, Gao Xijie, et al. Discrete element simulations and experiments of disturbance behavior as affected by mounting height of subsoiler's wing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2018, 49(10): 124－136. (in Chinese with English abstract)

[25] Janda A, Ooi J Y. DEM modeling of cone penetration and unconfined compression in cohesive solids[J]. Powder Technology, 2016, 293: 60－68.

[26] 王超，劉從京，李洪文，等. 非對稱式大小圓盤開溝裝置設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(18)：28－36.

Wang Chao, Liu Congjing, Li Hongwen, et al. Design and experiment of asymmetric large-small double discs ditching device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 28－36. (in Chinese with English abstract)

[27] 王憲良. 農(nóng)機作業(yè)土壤壓實評價及組合鏟松土技術研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2018.

Wang Xianliang. Study on Evaluation of Soil Compaction by Agricultural Tire and Combination Shovel Loose Soil Technology[D]. Beijing: China Agricultural University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[28] 高國華，王凱，孫曉娜. 嫁接機鋼針頂起穴盤苗過程 EDEM模擬驗證及參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(21)：29－35.

Gao Guohua, Wang Kai, Sun Xiaona. Verification for EDEM simulation of process of jacking tray-seedling by steel needle ingrafting machine and parameter optimization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(21): 29－35. (in Chinese with English abstract)

[29] 熊平原，楊洲，孫志全，等. 基于離散元法的旋耕刀三向工作阻力仿真分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(18)：113－121.

Xiong Pingyuan, Yang Zhou, Sun Zhiquan, et al. Simulation analysis and experiment for three-axis working resistances of rotary blade based on discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 113－121. (in Chinese with English abstract)

[30] 鄧佳玉，胡軍，李慶達，等. 基于 EDEM 離散元法的深松鏟仿真與試驗研究[J]. 中國農(nóng)機化學報，2016(4)：14－18.

Dong Jiayu, Hu Jun, Li Qingda, et al. Simulation and experimental study on subsoiler based on EDEM discrete element method[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2016(4): 14－18. (in Chinese with English abstract)

[31] 鄭侃，何進，李洪文，等. 基于離散元深松土壤模型的折線破土刃深松鏟研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47(9)：62－72.

Zheng Kan, He Jin, Li Hongwen, et al. Research on polyline soil-breaking blade subsoiler based on subsoiling soil model using discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(9): 62－72. (in Chinese with English abstract)

[32] 祖米來提·吐爾干，林濤，嚴昌榮，等. 地膜覆蓋時間對新疆棉田水熱及棉花耗水和產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(11)：113－120.

Zumilaiti Tuergan, Lin Tao, Yan Changrong, et al. Effect of plastic film mulching duration on soil temperature and moisture in field and cotton water comsumption and yield in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(11): 113－120. (in Chinese with English abstract)

[33] 李井云，李建波，李穎慧，等. 地膜覆蓋西瓜套種地瓜栽培技術[J]. 吉林蔬菜，2018（合刊2）：19－20.

[34] 陳建能，黃前澤，王英，等. 缽苗移栽機橢圓齒輪行星系植苗機構運動學建模與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(5)：6－12.

Chen Jianneng, Huang Qianze, Wang Ying, et al. Kinematics modeling and analysis of transplanting mechanism with planetary elliptic gears for pot seedling transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(5): 6－12. (in Chinese with English abstract)

Parameter optimization of opener of semi-automatic transplanter for watermelon seedlings raised on compression substrate

Han Changjie, Xu Yang, You Jia, Zhang Jing, Yuan Panpan

(,,830052,)

Aiming at the problems of the poor quality of the hole shape formed by the transplanter will cause the seeding to tilt, when watermelon seedlings raised on pie-shaped compression substrate for transplanting. Opener parameters of hole-forming device in semi-automatic transplanter for watermelon seedlings raised on compression substrate is optimized to meet the agronomic requirements of transplanting compression substrate watermelon seedling and combining the characteristics of dryland transplanting machinery. Through analyzing the movement mechanism of the opener, this paper established the parameter equation of the planting hole. It was concluded that the depth of the hole-forming was the main factor affecting the longitudinal length of the upper part of the hole mouth. The Edinburgh Elasto-Plastic Cohesion Model, which can reflect the elastoplasticity and cohesiveness of soil. The simulation analysis of the hole-forming process of the opener was carried out by using the discrete element method. The rationality of the structure parameters and motion parameters of the opener was verified, and the hole-forming effect of different diameters of the small end of opener was explored at different theoretical depth of hole-forming. According to the simulation results, the diameter of the small end of opener was 60 mm and the theoretical depth of hole-forming was 65 mm. The bottom of the hole was relatively flat, effective depth of hole-forming was 51 mm. The upper longitudinal length of hole and the upper width of hole were relatively small. It was conducive to the growth of coated transplanted crops. In order to verify the accuracy of the above design method and the reliability of the operation of the hole-forming device, a prototype and 3 sets of opener with different small end diameters were trial-manufactured to carry out field experiments, and the upper longitudinal length of hole, upper width of hole and effective depth of hole-forming were measured. The results of the experiment combined with the simulation analysis showed that the upper longitudinal length of hole and the upper width of hole were increased with the increase of the theoretical depth of hole-forming. The upper longitudinal length of hole and the upper width of hole increased with the increase of the diameter of the small end of the opener. The influence of the diameter change of the small end of the opener on the upper longitudinal length of hole was weaker than the change of theoretical depth of hole-forming. The theoretical depth of hole-forming had a significant effect on the upper longitudinal length of hole. The larger the diameter of the small end of the opener, the more the upper width of hole increased as the theoretical depth of hole-forming. The minimum error between simulation result and the test result of upper longitudinal length of hole was 0.34%, the maximum was 12.78%, and the average error was 6.7%. The minimum error between the simulation result and test result of the upper width of hole was 7.23%, maximum was 20.87%, and average error was 12.33%. The minimum error between effective depth of hole-forming simulation results and test results was 1.79%, the maximum was 17.92%, and the average error was 10.46%. The research can provide a reference for the optimization and improvement of the opener.

mechanization; transplants; optimization; opener; discrete element

2019-03-04

2019-05-15

國家自然科學基金項目（51565059）；“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0700803-2）；自治區(qū)重點研發(fā)計劃（2018B01001-3）；自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項目（XJGRI2017-074）

韓長杰，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機械設計與智能農(nóng)業(yè)裝備的研究。Email：hcj_627@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.006

S223.92

A

1002-6819(2019)-11-0048-09

韓長杰，徐 陽，尤 佳，張 靜，袁盼盼. 半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機成穴器參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(11)：48－56. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.006 http://www.tcsae.org

Han Changjie, Xu Yang, You Jia, Zhang Jing, Yuan Panpan. Parameter optimization of opener of semi-automatic transplanter for watermelon seedlings raised on compression substrate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 48－56. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.006 http://www.tcsae.org