黃柳益

(北部灣大學機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535011)

隨著城鎮(zhèn)化的加快，農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展速度也隨之增快。耕作制度的變革及耕作的精細化，對種植機的性能要求也越來越高。作為甘蔗種植大省的廣西，以60%以上的占比引領(lǐng)了全國的蔗糖種植和生產(chǎn)[1]。但機械化嚴重不足導致了其生產(chǎn)效率低，甘蔗淺播問題嚴重影響甘蔗生產(chǎn)效率。國外種植機種植效率已經(jīng)高達18hm2·d-1，而國內(nèi)穩(wěn)定播種效率在10hm2·d-1[2]。

近年來，國內(nèi)學者針對不同種子和農(nóng)藝種植需求，以開溝裝置多種因素影響和各參數(shù)的優(yōu)化為出發(fā)點，對開溝器進行了廣泛研究。賈洪雷[3]等根據(jù)狗獾犬齒的特點，對標準芯鏵式開溝器進行優(yōu)化仿生設(shè)計，其開溝形的溝深、溝寬、側(cè)壟高和側(cè)壟寬的變異系數(shù)均低于5%。王軍增[4]等設(shè)計了一種尖角長翼型開溝器，并分析其入土角、入土隙角以及開溝器幅寬對覆土和回土的影響。為了降低開溝器犁地阻力同時提高開溝效率，楊文敏[5]等基于離散元法對立式螺旋開溝器開溝質(zhì)量做出了評價，并為立式螺旋開溝器的參數(shù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。王劍[6]等基于現(xiàn)有的咖啡種植開溝勞動強度大、工作效率低、人工成本高等因素，設(shè)計了一種適合于小?？Х乳_溝的斜置逆轉(zhuǎn)開溝器。為能實現(xiàn)連續(xù)開溝、施肥、排放種苗、覆土、蓋膜等一次性作業(yè)，韓杰等對預切種式甘蔗種植機設(shè)計與實驗，最終得到最大溝深可達19.13cm，符合甘蔗種植溝深的標準。

綜上所述，現(xiàn)有開溝器研究集中于提高開溝質(zhì)量、回土、鎮(zhèn)壓，以及滿足不同種子不同株距的開溝裝置。為解決現(xiàn)有開溝器開溝后回土過多導致播種淺，無法滿足甘蔗深播的問題。本文對芯鏵式開溝器結(jié)構(gòu)進行改進，使其可實現(xiàn)側(cè)面壓實。應用EDEM設(shè)立相關(guān)參數(shù)，建立反映不同側(cè)翼傾角與土壤顆?；亓髁筷P(guān)系的仿真數(shù)學模型，模擬開溝過程，最終達到優(yōu)化目的。

1 開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研需求，滿足預切種橫向種植要求的雙蔗牙甘蔗長度約為300mm[7]。本文以標準芯鏵式開溝器為基礎(chǔ)，將開溝器的側(cè)翼設(shè)計成有一定傾斜角度，便于側(cè)翼前進時向土壤兩側(cè)推擠、向溝槽面進行壓實，鞏固溝型。

如圖1所示，原有的芯鏵型角尖為入土時開溝器與土壤初始交匯部分，尖角開溝器可提升切土能力，故本開溝器采用尖角芯鏵型開溝器的結(jié)構(gòu)。根據(jù)農(nóng)藝要求及農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[8]可知，入土性能隨著入土角δ變大而性能越差，但入土角過小芯鏵強度又會減弱，一般以30°～50°為宜；入土隙角ε為開溝器下表面過尖角點切線與水平面的夾角，一般為5°～10°，過大會使溝底不平，過小則會使入土性能變差；圖2中的鏵高H過高會發(fā)生壅土，增加作業(yè)阻力。開溝器的理論開溝深度為250～300mm，為保證開溝器切削刃口能完全與土壤作用，犁體高度應高于開溝深度。

圖1 開溝器輪廓示意圖

圖2 開溝器后視圖

由于雙芽蔗的蔗種長度約為300mm，為盡可能不破壞耕土面，開溝器底面長度L1可設(shè)為300mm，如圖2所示。根據(jù)圖幾何關(guān)系可知：

(1)

開溝器側(cè)翼傾角的不同以及側(cè)翼傾角不同可能會對溝型的構(gòu)造有所改變。假設(shè)開溝器地面寬度L1固定不變，當傾角α角度越小時，根據(jù)式(1)得L2會變大，此時會使得開溝過淺，溝面過大。因此，開溝裝置作業(yè)效果和開溝溝型的差異完全是由開溝器側(cè)翼傾角不同引起的。

2 土壤模型建立

為分析土壤對開溝器的影響，觀察顆粒回流情況，分析開溝器在土壤中的運動規(guī)律，建立相應土壤層。廣西甘蔗種植地主要由黃、紅壤組成[9]，此類土壤含水率高并且極為粘重，以20%的土壤含水率(不同含水率的影響作解釋，或者從降雨量和甘蔗種植的春秋季節(jié)分析)作為指標，土壤顆粒設(shè)置如表1所示[10]。顆粒之間選用Hertz-mindlin with JKR模型作為離散元仿真的顆粒接觸模型，并且用bonding鍵連接。

表1 仿真參數(shù)

土壤顆粒產(chǎn)生是應用仿真軟件提供的Particle Factory TM技術(shù)﹐按照土壤分層設(shè)定生成各種形式的顆粒集合[11]。不同耕土層土壤粒徑不同，為使仿真模型與實際土壤更貼切且符合種植環(huán)境，對其分層處理。本文采用EDEM離散元仿真軟件，建立4種土壤顆粒。單球半徑為5mm，生成20000顆。雙球由2個半徑為5mm的球結(jié)合而成，組合后最大直徑為12mm，生成60000顆，水平三球和三角三球顆粒數(shù)分別為10000顆[12]。設(shè)置顆粒時選擇Random生成方式，其為初始半徑的0.8～1.2倍，為便于快速下落，在y方向施予-1m·s-1的初速度，最終建立寬1m，長1.5m，高度為0.3m的土層。如圖3所示。

圖3 土壤模型

3 結(jié)果與分析

運用虛擬仿真模擬開溝過程，可直觀地觀察顆?；亓骱瓦\動狀態(tài)，在沒有實際物體的條件下，驗證其結(jié)論是否可靠。側(cè)翼角在55°～90°間取值，作為影響種溝質(zhì)量的主要因素，以開溝器作業(yè)種溝顆粒變異系數(shù)為評價指標進行仿真試驗，確定傾角最優(yōu)參數(shù)。

3.1 仿真結(jié)果分析

為了確保開溝器平穩(wěn)運行，獲得雙芽蔗蔗種橫向播種要求的種溝，土壤顆粒設(shè)置在第3秒開始形成粘結(jié)鍵，待顆粒相對靜止后，開溝器模型從第4秒開始進入土壤。

回土量是衡量開溝結(jié)果時的一個重要的標準。使用EDEM軟件的Grid Bin Group模塊監(jiān)控一個截面的顆粒變化數(shù)量，圖4為不同側(cè)翼傾角的開溝器進入土壤后種溝土壤顆粒的動態(tài)變化，開溝器側(cè)翼傾角取值范圍為55°～90°。由圖4可知，當開溝器傾角為90°時，在6～8s的時間內(nèi)，表面土壤顆?；亓鬟M種溝內(nèi)數(shù)量過多，表明此開溝器開溝效果不佳，開溝深度不足，種溝表面不齊。當改變側(cè)翼傾角角度時，發(fā)現(xiàn)顆粒數(shù)量回流減少，60°和55°傾角的開溝器開出種溝后，土壤顆?；亓鞯纳仙厔莶幻黠@，可見60°和55°傾角的開溝器只有少量泥土顆?；亓鬟M已開的溝槽內(nèi)，表明種溝平面比較穩(wěn)定，種溝溝壁有一定的堆積性。

圖4 不同側(cè)翼傾角的顆?；亓髁?/p>

圖5為開溝器經(jīng)過監(jiān)控模塊之后，顆粒相對靜止后不同側(cè)翼傾角的開溝器所開出的種溝中所剩的顆粒數(shù)。由圖5可知，傾角越小，種溝遺留的顆粒數(shù)量越少，但考慮到土壤的保墑性能，側(cè)拋土量不宜過大，且在傾角為55°～60°時，種溝內(nèi)顆粒數(shù)變化相差無幾，如再減小意義不大，故選取側(cè)翼傾角為60°的開溝器較為合適。

圖5 顆粒靜止后種溝中存留顆粒數(shù)

3.2 開溝效果

經(jīng)過EDEM的后處理圖像分析，圖6為90°傾角的開溝器所開出的溝型，溝型不明顯且易被表面土層顆?；赝裂诼?；芯鏵面兩側(cè)的土壤不斷積累，開溝器后方土壤顆粒向溝槽內(nèi)有很大程度回流，會導致甘蔗種植深度過淺。而圖7顯示的是60°側(cè)翼傾角的開溝器經(jīng)過土壤層的示意圖，開出的溝型較于前者較穩(wěn)定，土壤兩側(cè)有一定的堆積性，溝底平整浮土少，利于蔗種更好地在種溝內(nèi)分布。

圖6 側(cè)翼傾角90°開溝器俯視圖

圖7 側(cè)翼傾角60°開溝器俯視圖

4 總結(jié)

依據(jù)甘蔗種植要求，對傳統(tǒng)芯鏵式開溝器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)土壤特性采用離散元仿真建立土壤模擬開溝模型，給定不同側(cè)翼傾角值，分析開溝效果，從土壤回流量圖和不同側(cè)翼角的種溝顆粒變異曲線進行仿真分析。仿真優(yōu)化結(jié)果表明，當開溝器側(cè)翼傾角為60°時，耕后溝底平整，表層兩側(cè)土壤有一定的堆積，溝寬明顯。終止條件下滿足開溝程度穩(wěn)定性；保持穩(wěn)定溝型，并利于甘蔗蔗種深耕條件。