王金武 馬驍馳 唐 漢 王 奇 吳亦鵬 張振江

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司， 南通 158400；3.黑龍江牡丹江農(nóng)墾向明農(nóng)業(yè)機(jī)械制造有限公司， 虎林 226009)

0 引言

機(jī)械除草是一項(xiàng)環(huán)境友好型雜草防控技術(shù)[1]，具有無化學(xué)污染[2-4]、可改善土壤物理環(huán)境[5]、促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育[6-7]、提高水稻產(chǎn)量[8-9]等優(yōu)點(diǎn)，近年來已被大面積推廣使用。水田土壤、旱田土壤特性不同，水田土壤長(zhǎng)期浸水，具有含水量高、強(qiáng)度低、粘性大等特點(diǎn)[10]，使水田除草作業(yè)性能和作業(yè)穩(wěn)定性較難保證，這也是水田機(jī)械除草的重點(diǎn)與難點(diǎn)。因此，高效的機(jī)械除草是提高水稻品質(zhì)和保證水稻安全的基礎(chǔ)。

目前，行間機(jī)械除草裝置按結(jié)構(gòu)形式主要分為鼠籠式和耙齒式。近年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)水田除草裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[11-13]和除草機(jī)整機(jī)輕簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)[14-15]，而鮮見對(duì)除草關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，并且缺乏關(guān)于除草關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)與除草性能間關(guān)系的研究?，F(xiàn)有除草裝置的除草輪多為多個(gè)金屬板條橫置或豎置焊接于除草輪盤，對(duì)土壤擾動(dòng)不足、易黏附土壤和掛草，導(dǎo)致除草作業(yè)性能不穩(wěn)定；通過減小作業(yè)幅寬可降低除草輪及其安裝架在作業(yè)過程中對(duì)稻株莖葉和根系的損傷，但導(dǎo)致其有效除草幅寬和除草率均同時(shí)下降；除草輪與安裝架多為剛性連接，其仿形能力差，無法保證作業(yè)性能的穩(wěn)定。因此，需要開發(fā)一種能夠高效、穩(wěn)定的水田行間除草裝置。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)一種被動(dòng)式曲面輪齒斜置式稻田行間除草裝置，通過理論分析確定除草輪盤結(jié)構(gòu)形式和影響作業(yè)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)及取值范圍，通過正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)與顯式動(dòng)力學(xué)仿真確定除草輪盤的最優(yōu)參數(shù)組合，通過田間對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證該裝置的作業(yè)性能。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

曲面輪齒斜置式稻田行間除草裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由固定架、壓力調(diào)節(jié)彈簧、支架、除草輪安裝架、曲面輪齒除草輪和固定軸承等部件組成。曲面輪齒除草輪是該裝置的關(guān)鍵工作部件，由除草輪圓盤和曲面除草輪齒組成，兩個(gè)除草輪對(duì)稱斜置布置。張緊彈簧兩端掛接在除草輪安裝架和支架上。

1.2 工作原理

該裝置由插秧機(jī)機(jī)頭提供動(dòng)力，通過機(jī)架掛接在三點(diǎn)懸掛架上，沿插秧機(jī)前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)。作業(yè)前，根據(jù)入土深度要求調(diào)節(jié)限深滑掌使裝置在恒定深度下運(yùn)行；根據(jù)不同水田地況調(diào)節(jié)仿形機(jī)構(gòu)彈簧擋位，以實(shí)現(xiàn)除草裝置遇到田間障礙物或水田地況軟硬不均時(shí)仍可穩(wěn)定工作，提高作業(yè)性能穩(wěn)定性。作業(yè)時(shí)，除草輪在插秧機(jī)拉力和泥土摩擦力的作用下在行間作業(yè)區(qū)域內(nèi)作被動(dòng)旋轉(zhuǎn)；以特定斜置角度對(duì)置安裝的兩除草輪圓盤使除草輪整體“上寬下窄”，在保證除草幅寬的同時(shí)減小除草輪最下方寬度，有效降低對(duì)秧苗根系的損傷；除草輪各輪齒偏移角度與除草輪安裝斜置角度相同，提高輪齒入土面積，為除草輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)提供穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)力；各曲面除草輪齒順次入土、壓埋雜草并攪動(dòng)土壤，隨后帶動(dòng)雜草根部與接觸泥土翻轉(zhuǎn)并帶出泥土層，使雜草漂浮于水面；曲面除草輪齒出土后，附著在其表面的雜草和泥土在所受合力作用下沿輪齒外表面滑脫，避免掛草現(xiàn)象發(fā)生，從而去除作業(yè)幅寬內(nèi)生長(zhǎng)的雜草，完成稻田行間除草作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 曲面輪齒除草輪

2.1.1除草輪輪齒形式確定

除草輪輪齒結(jié)構(gòu)直接影響除草性能，為探究不同輪齒結(jié)構(gòu)對(duì)除草裝置作業(yè)性能的影響，對(duì)曲面結(jié)構(gòu)和直面結(jié)構(gòu)除草輪輪齒作業(yè)過程進(jìn)行力學(xué)分析。

(1)入土壓埋過程

將土壤視為質(zhì)點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱土壤顆粒)，建立土壤-輪齒力學(xué)分析模型。取除草輪輪齒上一土壤顆粒M，對(duì)其入土過程進(jìn)行力學(xué)分析。除草輪作業(yè)時(shí)的前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速為勻速運(yùn)動(dòng)，作業(yè)深度保持穩(wěn)定。如圖2所示，以土壤顆粒中心點(diǎn)為原點(diǎn)O，過土壤顆粒作曲面齒切平面，平行于切平面方向?yàn)閤軸方向，垂直于切平面方向?yàn)閥軸方向，建立直角坐標(biāo)系Oxy。土壤顆粒M受力包括：輪齒對(duì)土壤的正壓力N(曲面輪齒和直面輪齒分別用Nq和Nz表示)、摩擦力f和重力mg。在入土過程中，輪齒對(duì)土壤施加的正壓力越大，其對(duì)雜草壓埋強(qiáng)度越高，因此對(duì)正壓力N進(jìn)行分析。

以輪齒曲面結(jié)構(gòu)為例，土壤顆粒M受輪齒對(duì)土壤正壓力為

Nq=mgcosσ1/μ

(1)

式中σ1——入土過程曲面輪齒接觸土壤所受重力方向與切平面方向夾角，(°)

μ——土壤與除草輪齒摩擦因數(shù)

同理可得

Nz=mgcosσ2/μ

(2)

式中σ2——入土過程直面輪齒接觸土壤所受重力方向與切平面方向夾角，(°)

當(dāng)輪齒剛接觸土壤時(shí)，σ1=σ2。隨著輪齒逐漸入土，σ1<σ2，即Nq>Nz。因此，曲面輪齒對(duì)雜草壓埋能力優(yōu)于直面輪齒。

(2)出土脫附過程

取除草輪輪齒上一土壤顆粒Q，對(duì)其出土過程進(jìn)行力學(xué)分析。坐標(biāo)系建立方式與入土過程相同。土壤顆粒Q受力有重力mg、摩擦力f和輪齒對(duì)土壤的支持力FN，如圖3所示。出土過程中，土壤在輪齒上所受滑脫合力越大，其滑脫效果越好，越不容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。因此，對(duì)土壤滑脫時(shí)所受合力Fh進(jìn)行分析。

以輪齒曲面結(jié)構(gòu)為例，假設(shè)土壤顆粒Q沿除草輪齒表面只進(jìn)行滑動(dòng)，無跳動(dòng)和滾動(dòng)現(xiàn)象。因此，mgsinσ3可分解為向土壤提供向心力的分力F1和用來平衡支持力FN的支反力F2，其中F1又可分解為土壤牽連運(yùn)動(dòng)向心力Fe和切向分力Ft，建立土壤顆粒Q力學(xué)平衡方程為

Farn=marn=FN-F2=0

(3)

Fe=mae=mω2rQ=Ft/cosξ

(4)

Fart=mart=Ft+mgcosσ3-μFN

(5)

式中Farn——土壤顆粒Q所受法向力，N

arn——土壤顆粒Q法向相對(duì)加速度，m/s2

ae——土壤顆粒Q牽連加速度，m/s2

ω——除草輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

rQ——土壤顆粒Q與旋轉(zhuǎn)中心間距離，mm

ξ——土壤顆粒Q和旋轉(zhuǎn)中心連線與切平面夾角，(°)

Fart——土壤顆粒Q所受切向力，N

art——土壤顆粒Q切向相對(duì)加速度，m/s2

σ3——出土過程曲面輪齒接觸土壤所受重力方向與切平面方向夾角，(°)

由式(3)～(5)可得

Fhq=mart=mgcosσ3-μmgsinσ3+mω2rQcosξ+μmω2rQsinξ

(6)

式中Fhq——曲面輪齒上土壤滑脫時(shí)所受合力，N

同理可得

Fhz=mart=mgcosσ4-μmgsinσ4+mω2rQcosξ+μmω2rQsinξ

(7)

式中Fhz——直面輪齒上土壤滑脫時(shí)所受合力，N

σ4——出土過程直面輪齒接觸土壤所受重力方向與切平面方向夾角，(°)

當(dāng)土壤顆粒開始滑脫時(shí)，σ3=σ4。隨著土壤顆粒沿除草輪齒滑脫可得σ3<σ4，于是mgcosσ3>mgcosσ4、μmgsinσ3<μmgsinσ4，即Fhq>Fhz。因此，曲面輪齒滑脫能力優(yōu)于直面輪齒。

綜上所述，輪齒曲面結(jié)構(gòu)相比于直面結(jié)構(gòu)在入土過程對(duì)雜草壓埋能力和在出土過程對(duì)土壤滑脫能力均更優(yōu)，因此選用曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除草輪輪齒。

2.1.2除草輪結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

除草輪回轉(zhuǎn)半徑如圖4所示。

為防止除草輪圓盤出現(xiàn)纏草現(xiàn)象，除草輪圓盤和輪齒數(shù)量需要滿足結(jié)構(gòu)要求[16]

2πr≥l

(8)

(9)

其中

R=r+q

(10)

式中r——除草輪圓盤半徑，mm

l——雜草高度，mm

R——除草輪回轉(zhuǎn)半徑，mm

q——曲面齒作業(yè)深度(曲面作業(yè)深度等于曲面輪齒投影長(zhǎng)度)，mm

i——除草輪輪齒數(shù)量

S——相鄰齒根弦長(zhǎng)，mm

采用以除草輪圓盤為圓心的偏心圓的一段圓弧作為曲面輪齒的曲線，構(gòu)成輪齒曲面結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

曲面輪齒曲線的參數(shù)方程為

p2-2epsinδ=ρ2-e2

(11)

式中p——曲面曲線上任一點(diǎn)到除草輪圓盤圓心距離，mm

e——曲面曲線的偏心距，mm

δ——曲線上任一點(diǎn)和除草輪圓盤圓心連線與水平方向夾角，(°)

ρ——曲面曲線的曲率半徑，mm

綜合上述分析，根據(jù)東北地區(qū)除草時(shí)期農(nóng)藝要求，最佳除草時(shí)期為插秧后7～20 d，作業(yè)時(shí)，泥土深度180～200 mm，返青后控水，泥漿層深度20～50 mm，在插秧后15 d的除草期內(nèi)水稻秧苗根部深度為80～100 mm，雜草高度一般不超過240 mm[17-18]，雜草根部深度為30～50 mm[19]。綜合以上設(shè)計(jì)要求，經(jīng)計(jì)算，確定除草輪圓盤半徑r=60 mm，曲面輪齒投影長(zhǎng)度q為40 mm，除草輪輪齒數(shù)量i為14，曲率半徑ρ取值范圍為60～100 mm，偏心距e取值范圍為80～120 mm。

2.1.3除草輪斜置角度和輪齒結(jié)構(gòu)確定

除草作業(yè)過程中部件使水稻植株傷苗傷根均會(huì)影響植株生長(zhǎng)和產(chǎn)量[19-20]，為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，本文設(shè)計(jì)將除草輪斜置從而保證在有效作業(yè)幅寬不變條件下降低對(duì)水稻根系的損傷；改變除草輪安裝形式，從而避免安裝架損傷稻株莖葉和掛草現(xiàn)象發(fā)生；將除草圓盤安裝斜置角度和曲面輪齒偏移角度均設(shè)置為θ，保證除草輪被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力和入土深度穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)除草輪齒為梯形結(jié)構(gòu)以便于加工，如圖6所示。

為避免除草輪在作業(yè)過程中出現(xiàn)傷苗傷根現(xiàn)象，應(yīng)使除草輪最高點(diǎn)幅寬B2不超過兩側(cè)秧苗最小間距B1，同時(shí)在土壤最低點(diǎn)處幅寬B4小于兩根系最小間距B5，因此，則有

(12)

B4=2b1+d≤B5

(13)

式中d——兩除草輪齒間距離，mm

b1——除草輪齒齒頂寬，mm

綜合上述分析，根據(jù)東北地區(qū)水稻常規(guī)種植要求，種植行距為300 mm。水稻秧苗根系直徑為100 mm[15]，通過實(shí)際測(cè)量除草期莖葉直徑為40 mm，設(shè)計(jì)除草輪最上方幅寬B2為250 mm，理論除草幅寬B3為200 mm，除草輪最下方幅寬B4為185 mm，兩除草輪齒間距離d為25 mm。經(jīng)計(jì)算并對(duì)數(shù)值進(jìn)行取整，確定除草輪輪齒齒頂寬b1為80 mm、齒底寬b2為15 mm、固裝間距c為10 mm，除草圓盤安裝斜置角度和曲面輪齒偏移角度θ為10°。

2.2 仿形機(jī)構(gòu)

除草裝置作業(yè)時(shí)需要根據(jù)不同地塊泥土條件設(shè)置除草輪入土壓力，使之能夠在合理的入土深度下作業(yè)，從而保證裝置作業(yè)性能穩(wěn)定一致；同時(shí)當(dāng)遇到障礙物時(shí)，需要具有越障能力，防止對(duì)裝置造成破壞。因此，本文設(shè)計(jì)了單鉸鏈結(jié)構(gòu)的仿形機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)彈簧伸長(zhǎng)量調(diào)整除草輪初始入土壓力，實(shí)現(xiàn)隨地仿形功能。

為確定仿形機(jī)構(gòu)各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立Oxy平面直角坐標(biāo)系，如圖7所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)臂繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度τ時(shí)，轉(zhuǎn)臂ACB轉(zhuǎn)至A′C′B′，由幾何關(guān)系得

lByB′y=lOBy-lOB′y=l2cosγ-l2cos(γ+τ)=Δh

(14)

lAyA′y=lOAy-lOA′y=l1sinα-l1(α-τ)=Δh′

(15)

(16)

式中l(wèi)ByB′y——By、B′y之間距離，mm

lOBy——O、By之間距離，mm

lOB′y——O、B′y之間距離，mm

lAyA′y——Ay、A′y之間距離，mm

lOAy——O、Ay之間距離，mm

lOA′y——O、A′y之間距離，mm

l1——O、A之間距離，即鉸鏈點(diǎn)左側(cè)轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度，mm

l2——O、B之間距離，即除草輪圓心與鉸鏈點(diǎn)之間距離，mm

l3——O、C之間距離，即鉸鏈點(diǎn)右側(cè)轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度，mm

l4——C、B之間距離，即除草輪安裝架豎直方向長(zhǎng)度，mm

γ——OB與豎直方向夾角，(°)

α——轉(zhuǎn)臂與水平方向夾角，(°)

τ——轉(zhuǎn)動(dòng)后轉(zhuǎn)臂與轉(zhuǎn)動(dòng)前轉(zhuǎn)臂夾角，(°)

Δh——除草輪遇到障礙物被迫舉起高度，mm

Δh′——仿形安全彈簧被迫壓縮的長(zhǎng)度，mm

當(dāng)部件在相同地況下作業(yè)時(shí)，可以認(rèn)為該部件為剛性結(jié)構(gòu)，彈簧預(yù)緊力和彈簧具體參數(shù)計(jì)算式為

F3cosβl1cosα=F4l3cosα

(17)

F3=kΔh

(18)

(19)

式中F3——彈簧預(yù)緊力，N

F4——所受土壤支持力，N

β——彈簧彈力與垂直方向夾角，(°)

k——彈簧剛度系數(shù)，N/mm

G——彈性系數(shù)，kg/mm2

d1——彈簧線徑，mm

Dc——彈簧中心徑，mm

Nc——彈簧有效圈數(shù)

綜合考慮作業(yè)地況條件和裝置結(jié)構(gòu)配置，確定轉(zhuǎn)臂參數(shù)l1=110 mm、l3=50 mm、l4=110 mm，選擇彈簧材質(zhì)為彈簧鋼(彈性系數(shù)為8 000 kg/mm2)，設(shè)定彈簧具體參數(shù)為線徑d1=2 mm、中心徑Dc=18 mm、有效圈數(shù)Nc=54，在上述參數(shù)條件下，仿形機(jī)構(gòu)的初始下壓力調(diào)節(jié)范圍為33.93～96.13 N，能滿足作業(yè)要求。

3 LS-DYNA虛擬仿真試驗(yàn)

采用顯式動(dòng)力學(xué)軟件LS-DYNA建立除草輪-水-土壤流固耦合模型，模擬行間除草田間作業(yè)環(huán)境，以土壤擾動(dòng)率和耦合應(yīng)力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析影響除草輪作業(yè)性能的主要因素，探尋最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，為后續(xù)田間試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

3.1 仿真模型建立

3.1.1除草輪有限元模型

采用Creo3.0軟件建立除草輪三維實(shí)體模型。為了縮短仿真運(yùn)算時(shí)間，且合理有效地進(jìn)行仿真模擬與計(jì)算，對(duì)除草輪模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，材料均采用剛性體定義，去除其工作過程中無關(guān)的部件。建模后以.stp格式導(dǎo)入hypermesh軟件中，通過六面體網(wǎng)格單元對(duì)除草輪模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成k文件后導(dǎo)入到LS-DYNA前后處理軟件LS-PrePost中。除草輪材料采用MAT_RIGID關(guān)鍵字進(jìn)行定義，設(shè)置其參數(shù)為：密度0.007 86 g/mm3，彈性模量2.12×105MPa，泊松比0.288[21]。有限元仿真試驗(yàn)統(tǒng)一使用g-mm-ms單位制。網(wǎng)格劃分后除草輪模型如圖8所示。

3.1.2水-土壤多物質(zhì)耦合模型

除草輪在實(shí)際作業(yè)時(shí)的作業(yè)對(duì)象為水和土壤的耦合物質(zhì)。為模擬實(shí)際田間作業(yè)狀態(tài)，運(yùn)用LS-DYNA前后處理軟件LS-PrePost建模功能進(jìn)行建模。建立兩個(gè)長(zhǎng)方體實(shí)體作為水層模型和土壤模型，將水層模型直接建立在土壤模型上，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)重合命令讓兩個(gè)長(zhǎng)方體模型進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重合，形成由上至下水-土壤兩物質(zhì)耦合模型。根據(jù)農(nóng)藝要求，土壤模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)設(shè)置為650 mm×300 mm×60 mm，水層模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)設(shè)置為650 mm×300 mm×30 mm。

土層材料選擇LS-DYNA中的MAT_FHWA_SOIL材料，參數(shù)取值為：土壤密度0.001 61 g/mm3，土粒密度0.002 73 g/mm3，體積模量5.6 MPa，剪切模量1.9 MPa，黏聚力0.015 5 MPa，內(nèi)摩擦角15°，含水率40%[22]。其他參數(shù)的選取參考MAT147的試驗(yàn)值[23]。

水層材料選擇LS-DYNA中的MAT_NULL材料，密度0.001 g/mm3，截止壓力-1×10-5MPa。并定義EOS狀態(tài)方程，用于定義土壤和空氣的材料參數(shù)。

采用多物質(zhì)ALE單元算法的SOLID網(wǎng)格單元來定義水層網(wǎng)格和土層網(wǎng)格單元類型。為實(shí)現(xiàn)水與土壤在模型中相互混合，采用多物質(zhì)耦合關(guān)鍵字ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP對(duì)模型進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定該關(guān)鍵字命令后，允許一個(gè)單元中容納多種ALE物質(zhì)材料。為模擬真實(shí)的水土模型，對(duì)水土耦合模型施加重力條件，運(yùn)用BOUNDARY_NON_REFLECTING關(guān)鍵字對(duì)水土表面進(jìn)行約束，對(duì)土壤底層施加SPC全約束。后通過CONTROL_ALE關(guān)鍵字來對(duì)ALE網(wǎng)格光滑化進(jìn)行激活。虛擬水-土壤復(fù)合模型如圖9所示。

3.2 除草輪與水-土壤流固耦合仿真過程

根據(jù)除草輪實(shí)際作業(yè)狀態(tài)及除草農(nóng)藝要求，設(shè)置該裝置前進(jìn)速度為0.8 m/s，入土深度為40 mm。為便于后續(xù)除草輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵字設(shè)定，對(duì)除草輪設(shè)置局部坐標(biāo)系，并創(chuàng)建向量。除草輪運(yùn)動(dòng)可分為勻速直線運(yùn)動(dòng)和定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此運(yùn)用DEFINE_CURVE關(guān)鍵字命令對(duì)其前進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度曲線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度曲線進(jìn)行定義。通過BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID關(guān)鍵字命令調(diào)用速度曲線，對(duì)除草輪進(jìn)行前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)置。設(shè)置CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID流固耦合關(guān)鍵字命令，將ALE單元體(水-土壤模型)定義為主結(jié)構(gòu)MASTER，將拉格朗日單元體(除草輪模型)定義為從結(jié)構(gòu)SLAVE，設(shè)置罰耦合算法進(jìn)行流固耦合仿真。仿真狀態(tài)截圖如圖10所示。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為得到除草輪最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，進(jìn)行LS-DYNA虛擬仿真試驗(yàn)。根據(jù)理論分析結(jié)果，確定除草輪曲率半徑和偏心距為試驗(yàn)因素，以作業(yè)后土壤擾動(dòng)率和耦合應(yīng)力為試驗(yàn)指標(biāo)，采用二因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)方案，試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

3.4 試驗(yàn)指標(biāo)

參照相關(guān)文獻(xiàn)，以土壤擾動(dòng)率和耦合應(yīng)力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Levels of experimental factors mm

(1)土壤擾動(dòng)率

土壤擾動(dòng)率定義為受破壞導(dǎo)致密度下降的土壤單元數(shù)與土壤復(fù)合模型總單元數(shù)的比值，土壤擾動(dòng)率越大，除草率越高[24]。如圖11所示，后處理軟件LS-PrePost可對(duì)不同時(shí)刻密度分布進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)土壤網(wǎng)格單元密度進(jìn)行導(dǎo)出。通過將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件中進(jìn)行整理，得出總網(wǎng)格單元數(shù)與密度下降土壤單元數(shù)，可計(jì)算出土壤擾動(dòng)率Sr。

(2)耦合應(yīng)力

耦合應(yīng)力為部件與水-土壤模型作用過程中耦合面上所產(chǎn)生的耦合應(yīng)力平均值，耦合應(yīng)力越小，部件所受阻力越小，作業(yè)能耗越小[25]。如圖12所示，后處理軟件LS-PrePost對(duì)不同時(shí)刻應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)定和導(dǎo)出，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件中進(jìn)行整理計(jì)算。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析與優(yōu)化

虛擬試驗(yàn)操作值與參數(shù)設(shè)計(jì)值無誤差，可根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析，具體試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示，x1、x2為因素編碼值。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Schemes and results of tests

通過Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析和因素方差分析，篩選出影響顯著因素，從而得出土壤擾動(dòng)率y1和耦合應(yīng)力y2的回歸方程

(20)

(21)

為直觀分析試驗(yàn)因素與指標(biāo)間關(guān)系，運(yùn)用Design-Expert軟件得到響應(yīng)曲面圖，如圖13所示。

根據(jù)上述回歸方程和響應(yīng)曲面圖可知，除草輪曲率半徑和偏心距對(duì)土壤擾動(dòng)率存在交互作用，如圖13a所示，其中偏心距對(duì)土壤擾動(dòng)率影響比曲率半徑顯著；當(dāng)偏心距一定時(shí)，土壤擾動(dòng)率隨曲率半徑的增加而增加；當(dāng)曲率半徑一定時(shí)，土壤擾動(dòng)率隨偏心距的增加而降低。除草輪曲率半徑和偏心距對(duì)耦合應(yīng)力存在交互作用，如圖13b所示，其中偏心距對(duì)耦合應(yīng)力影響比曲率半徑顯著；當(dāng)偏心距一定時(shí)，耦合應(yīng)力隨曲率半徑增加而增加；當(dāng)曲率半徑一定時(shí)，耦合應(yīng)力隨偏心距增加而降低。分析上述影響規(guī)律產(chǎn)生的原因可知，除草輪曲率半徑增大，增大了除草輪齒作業(yè)時(shí)與土壤接觸面積，從而使土壤擾動(dòng)率增加，也使耦合應(yīng)力增加；除草輪的偏心距增大，減小了除草輪齒作業(yè)時(shí)與土壤接觸面積，從而使土壤擾動(dòng)率降低，也使耦合應(yīng)力降低。

為得到該行間除草裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，遵循提高土壤擾動(dòng)率、降低耦合應(yīng)力的原則，采用多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化方法，結(jié)合試驗(yàn)因素邊界條件，建立非線性規(guī)劃參數(shù)模型

(22)

基于Design-Expert軟件中的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化(Optimization)模塊對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析求解，從優(yōu)化結(jié)果中選取一組合理參數(shù)組合，即當(dāng)曲率半徑為65.86 mm，偏心距為113.27 mm時(shí)，行間除草裝置作業(yè)性能較理想，其土壤擾動(dòng)率為88.21%，耦合應(yīng)力為0.045 69 MPa。根據(jù)所優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證，其土壤擾動(dòng)率為89.63%，耦合應(yīng)力為0.047 23 MPa，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

4 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證曲面輪齒斜置式行間除草裝置在田間作業(yè)時(shí)工作性能，于2020年6月24日—7月1日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)阿城水稻試驗(yàn)示范區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)期間平均氣溫20～25℃，無降雨。試驗(yàn)田水層深度為20～30 mm，泥腳深度為160～180 mm。水稻秧苗平均高度為220～250 mm，行距為300 mm，株距為150 mm。雜草主要種類有稗草和野慈菇，平均高度100～140 mm。試驗(yàn)區(qū)平均雜草密度為35株/m2。

該裝置由南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司加工試制，曲面輪齒斜置式行間除草裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)在優(yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行取整處理：輪齒曲率半徑為66.00 mm，偏心距為113.00 mm。該裝置通過三點(diǎn)懸掛架與插秧機(jī)相連。試驗(yàn)前，調(diào)節(jié)機(jī)器限深裝置作業(yè)深度為40 mm。試驗(yàn)時(shí)控制插秧機(jī)前進(jìn)速度為0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 m/s共5個(gè)水平，以除草率和傷苗率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖14所示。

每次試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)除草率和傷苗率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。各試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度為15 m，設(shè)置試驗(yàn)區(qū)前后各5 m區(qū)域?yàn)榫彌_區(qū)用于機(jī)器啟停緩沖，以便除草機(jī)組穩(wěn)定通過試驗(yàn)區(qū)。

除草率統(tǒng)計(jì)方法為在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)沿機(jī)器前進(jìn)方向選取5個(gè)測(cè)試小區(qū)，每個(gè)測(cè)試小區(qū)間隔1 m，目的是便于觀察作業(yè)后雜草數(shù)量及狀態(tài)并方便統(tǒng)計(jì)，其測(cè)試小區(qū)大小為0.2 m(除草裝置理論作業(yè)幅寬)×1 m。作業(yè)前記錄每個(gè)測(cè)試小區(qū)內(nèi)雜草數(shù)，作業(yè)后統(tǒng)計(jì)每個(gè)測(cè)試小區(qū)內(nèi)剩余雜草數(shù)。該試驗(yàn)區(qū)除草率即為每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)已除雜草數(shù)之和占每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)雜草數(shù)之和百分比。其中測(cè)試小區(qū)內(nèi)雜草根莖被拉斷、翻埋、漂起定義為已除雜草；雜草根與泥面相連接，可以繼續(xù)生長(zhǎng)定義為未除雜草[26]。

傷苗率統(tǒng)計(jì)方法為在試驗(yàn)前記錄試驗(yàn)區(qū)兩側(cè)總秧苗數(shù)，試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)出試驗(yàn)區(qū)兩側(cè)損傷秧苗數(shù)。傷苗率即為損傷秧苗數(shù)占總秧苗數(shù)百分比。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)被壓折葉片、連根拔起和倒伏定義為損傷秧苗[27]。

每組水平試驗(yàn)重復(fù)3次，測(cè)試結(jié)果取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。作業(yè)效果如圖15所示，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，在相同作業(yè)情況下曲面輪齒斜置式行間除草裝置的平均除草率為89.66%，平均傷苗率為2.1%，仿真試驗(yàn)中土壤擾動(dòng)率用來表征除草率，通過除草率田間試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，更大的土壤擾動(dòng)導(dǎo)致了更優(yōu)的除草效果，也驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)的可行性。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，曲面輪齒斜置式行間除草裝置除草作業(yè)性能良好，作業(yè)質(zhì)量滿足水田中耕行間除草農(nóng)藝要求。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種曲面輪齒斜置式行間除草裝置，該裝置能有效清除水田行間雜草，其除草率高、傷苗率低、工作性能穩(wěn)定，作業(yè)質(zhì)量滿足水田中耕行間除草作業(yè)要求。

(2)對(duì)土壤在輪齒表面上的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行理論分析，結(jié)果表明，曲面輪齒結(jié)構(gòu)除草輪的雜草壓埋效果和脫土效果均優(yōu)于直面輪齒結(jié)構(gòu)的除草輪。通過理論分析和數(shù)值計(jì)算得出影響作業(yè)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)為除草輪曲率半徑ρ和偏心距e，確定了ρ取值范圍為60～100 mm，e取值范圍為80～120 mm。

(3)運(yùn)用顯式動(dòng)力學(xué)軟件LS-DYNA構(gòu)建部件與水-土壤流固耦合仿真模型，以除草輪曲率半徑和偏心距為試驗(yàn)因素，以土壤擾動(dòng)率和耦合應(yīng)力為試驗(yàn)指標(biāo)，采用虛擬正交試驗(yàn)方法建立了因素與指標(biāo)間的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化方法建立了優(yōu)化模型，得出除草輪輪齒最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為曲率半徑65.86 mm、偏心距113.27 mm。

(4)田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下，曲面輪齒斜置式行間除草裝置平均除草率為89.66%、平均傷苗率為2.1%，滿足農(nóng)藝要求。