第35卷 第11期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.35 No.11 48 2019年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2019 半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)成穴器參數(shù)優(yōu)化 韓長(zhǎng)杰，徐 陽(yáng)，尤 佳，張 靜，袁盼盼 （新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052） 摘 要：在圓餅狀壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽時(shí)，由于栽植機(jī)形成的穴形質(zhì)量不佳，會(huì)造成缽苗傾斜。根據(jù)西瓜缽苗的移栽農(nóng)藝要求，結(jié)合旱地移栽機(jī)械作業(yè)的特點(diǎn)，開(kāi)展了半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)的成穴器參數(shù)優(yōu)化研究。分析了成穴器的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)的主要因素；利用離散元法對(duì)成穴器成穴過(guò)程進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證成穴器結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)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(jié)合田間試驗(yàn)對(duì)成穴器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果表明，成穴器小端直徑為60 mm，理論成穴深度為65 mm時(shí)，所成穴形有利于圓餅狀壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗栽植；仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，穴口上部縱長(zhǎng)、穴口上部寬度和有效成穴深度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(jìn)提供參考。 關(guān)鍵詞：機(jī)械化；移栽；優(yōu)化；成穴器；離散元 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.006 中圖分類號(hào)：S223.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-6819(2019)-11-0048-09 韓長(zhǎng)杰，徐 陽(yáng)，尤 佳，張 靜，袁盼盼. 半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)成穴器參數(shù)優(yōu)化J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(11)：4856. 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 substrateJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 4856. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.006 http:/www.tcsae.org 0 引 言 圓餅狀壓縮基質(zhì)（以草本泥炭、木質(zhì)素為主要原料，壓制成圓餅狀，單個(gè)質(zhì)量（403）g）常用于培育種子較大、根系較為發(fā)達(dá)的西瓜和甜瓜類經(jīng)濟(jì)作物。其幼苗質(zhì)量相對(duì)于基質(zhì)塊很小，且幼苗較為矮小，多采用覆膜種植1-3。開(kāi)溝式移栽機(jī)能夠進(jìn)行小株距裸苗移栽，但不能實(shí)現(xiàn)覆膜移栽。鴨嘴式移栽機(jī)能夠移栽基質(zhì)塊較小的缽苗，鴨嘴式移栽機(jī)對(duì)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(zhì)培育的幼苗落入鴨嘴時(shí)，不能保證缽苗的直立，且栽植時(shí)鴨嘴在土壤中打開(kāi)，部分土壤回流造成穴底不平整，難以保證壓縮基質(zhì)型缽苗移栽直立5-6。成穴式移栽機(jī)也存在對(duì)土壤土質(zhì)及含水率要求較高等問(wèn)題，但是該類機(jī)型對(duì)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(shí)現(xiàn)快速移栽作業(yè)，因此發(fā)展成穴式移栽技術(shù)具有較好的科研前景7，作為成穴式移栽機(jī)械的關(guān)鍵工序成穴技術(shù)的研究還未取得突破性的進(jìn)展。 國(guó)外移栽機(jī)械生產(chǎn)開(kāi)始于20世紀(jì)中期，成穴式移栽機(jī)以意大利Ferrari公司研制的Rotostrapp型移栽機(jī)、美收稿日期：2019-03-04 修訂日期：2019-05-15 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51565059）；“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0700803-2）；自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018B01001-3）；自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（XJGRI2017-074） 作者簡(jiǎn)介：韓長(zhǎng)杰，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與智能農(nóng)業(yè)裝備的研究。Email：hcj_627163.com 國(guó)Kennco、Buckeye Tractor公司研制的水輪式成穴移栽機(jī)為代表8。國(guó)內(nèi)的成穴式移栽機(jī)以王曉東9在借鑒國(guó)外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上研制的2行水輪式移栽機(jī)及江蘇省農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站研制的2ZX-2型棉花營(yíng)養(yǎng)缽移栽成穴機(jī)為代表。意大利Ferrari公司研制的Rotostrapp型移栽機(jī)采用精確的電子控制系統(tǒng)和株距調(diào)控系統(tǒng)，自動(dòng)化程度較高，技術(shù)先進(jìn)，但其價(jià)格昂貴，且不能適應(yīng)中國(guó)的農(nóng)藝要求，對(duì)操作人員的專業(yè)素質(zhì)要求較高，在中國(guó)難以推廣10。美國(guó)Kennco、Buckeye Tractor公司、王曉東及江蘇省農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站研制的成穴式移栽機(jī)，都是在水輪式成穴機(jī)的基礎(chǔ)上研制的，該類移栽機(jī)適合于大株距作物移栽，需要通過(guò)更換水輪來(lái)實(shí)現(xiàn)不同株距的移栽，所成穴形的質(zhì)量難以得到保證11。 為此，本文根據(jù)移栽圓餅壓縮基質(zhì)培育的西瓜缽苗的農(nóng)藝要求，結(jié)合旱地移栽機(jī)械作業(yè)的特點(diǎn)，以半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)中成穴裝置的成穴器為研究對(duì)象12，利用離散元法對(duì)成穴器成穴過(guò)程進(jìn)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(jié)合田間試驗(yàn)對(duì)成穴器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化13。 1 成穴裝置結(jié)構(gòu)與工作原理 圖1為半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)成穴裝置結(jié)構(gòu)示意圖。其中成穴裝置主要由成穴器、棘輪機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成。工作時(shí)，地輪將動(dòng)力由主動(dòng)鏈輪傳入擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的曲柄通過(guò)連桿將動(dòng)力傳遞給從動(dòng)桿，從動(dòng)桿往復(fù)擺動(dòng)帶動(dòng)同軸安裝的棘輪機(jī)構(gòu)間第11期 韓長(zhǎng)杰等：半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)成穴器參數(shù)優(yōu)化 49 歇轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)成穴器間歇旋轉(zhuǎn)，刺穿地膜插入土壤中，隨著成穴器的旋轉(zhuǎn)，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(jī)架 3.主動(dòng)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(dòng)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(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī) 成穴裝置結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì) 成穴器是半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)的核心部件，成穴器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)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(zhì)量。成穴器為上端大、下端小圓錐形，以利于成穴時(shí)順利刺入土壤中，工作時(shí)隨著機(jī)器的前進(jìn)，成穴器間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，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(zhì)培育的西瓜缽苗的缽體直徑為5051.5 mm，高度為31.533 mm12。栽植時(shí)要求，穴底平整，栽植深度5070 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(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Schematic diagram of opener device 2.1 成穴機(jī)理及參數(shù)方程 半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)的成穴過(guò)程由入土階段和出土階段組成。工作時(shí)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(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)的成穴機(jī)理有助于獲得滿足移栽要求的栽植穴。 圖3為成穴器運(yùn)動(dòng)分析。如圖3a所示，成穴器上的4個(gè)特殊點(diǎn)（分別為點(diǎn)A、B、C、D）在一定前進(jìn)速度下形成的軌跡組成了栽植穴輪廓。成穴時(shí)A點(diǎn)最先觸碰土壤，A點(diǎn)與D點(diǎn)組成的阻力面向前下方運(yùn)動(dòng)剪切擠壓土壤，隨后B點(diǎn)擠壓剪切土壤并向最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程為入土階段，當(dāng)成穴器與地面垂直，A點(diǎn)、B點(diǎn)處于同一水平深度時(shí)，入土階段結(jié)束，成穴器開(kāi)始向后上方運(yùn)動(dòng)進(jìn)入出土階段，出土階段中，A點(diǎn)與D點(diǎn)組成的阻力面向后上方剪切并擠壓土壤，隨著機(jī)具的前進(jìn)及旋轉(zhuǎn)離開(kāi)土壤，土壤中留下栽植穴7。 注：O點(diǎn)為成穴器的旋轉(zhuǎn)中心，V為機(jī)器前進(jìn)方向，點(diǎn)G為成穴器底面中點(diǎn)，點(diǎn)G與點(diǎn)O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；R為成穴器理論滾動(dòng)半徑，mm；h為理論成穴深度，mm；d為成穴器小端直徑，mm；點(diǎn)A、B、C、D是成穴器上的特殊點(diǎn)；lOC為成穴器上點(diǎn)O與點(diǎn)C的連線；為成穴器中線與lOC的夾角，為正值，rad；lOB為成穴器上點(diǎn)O與點(diǎn)B的連線；為成穴器入土階段中成穴器中線與lOB的夾角，為正值，rad；lOA為成穴器上點(diǎn)O與點(diǎn)A的連線，為成穴器出土階段中，成穴器中線與lOA的夾角，rad；lOD為成穴器上點(diǎn)O與點(diǎn)D的連線，為入土階段中成穴器中線與lOD的夾角，為正值，rad。圖3b中實(shí)線部分表示的是成穴器的入土階段，雙點(diǎn)劃線表示的是成穴器的出土階段。 Note: Point O is center of rotation of opener; V is direction of machine; point G is midpoint of bottom surface of opener; line connecting point G and point O is center line of opener; position of opener is represented by angle and between center line of opener and vertical line; R is theoretical rolling radius of opener, mm; h is theoretical depth of hole-forming, mm; d is diameter of small end of opener, mm; points A, B, C, and D are special points on opener; lOC is connection point O and point C on opener; is angle between center line of opener and lOC, which is positive value, rad; lOB is line connecting point O and point B on opener; is angle between midline of opener and lOB in entering soil stage, which is positive, rad; lOA is connecting point O and point A on opener, is angle between midline of opener and lOA in leaves soil stage, rad; lOD is line connecting point O and point D on opener, is angle between midline of opener and lOD in 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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的成穴器外輪廓與土壤相互作用的結(jié)果，分析成穴器上特殊點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，即可得出栽植穴的參數(shù)方程14-15。 在對(duì)成穴器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，建立圖3b所示坐標(biāo)系，成穴器與土壤接觸的外形輪廓由點(diǎn)A、B、C、D的運(yùn)動(dòng)軌跡組成。圖3b中實(shí)線部分表示的是成穴器的入土階段，雙點(diǎn)劃線表示的是成穴器的出土階段，栽植穴由S1-S2-O-S3-S4組成的包絡(luò)線表示，S1S2段為出土階段中端農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 50 點(diǎn)C及非阻力面BC的運(yùn)動(dòng)軌跡，S2O段為端點(diǎn)B在入土階段中形成的運(yùn)動(dòng)軌跡，OS3為端點(diǎn)A在出土階段中形成的運(yùn)動(dòng)軌跡，S3S4段為入土階段中端點(diǎn)D及阻力面AD的運(yùn)動(dòng)軌跡。 1）出土階段中，栽植穴前緣S1S2段的參數(shù)方程 1 21 22 22 21 sin41 cos4SS CDSS CDx R R h ly R R h l （1） 式中l(wèi)CD為成穴器上點(diǎn)C與點(diǎn)D的連線距離，mm；為成穴器出土階段中成穴器的轉(zhuǎn)動(dòng)弧度，數(shù)值逐漸變大，為正值，rad。 2）入土階段中，栽植穴前緣S2O段的參數(shù)方程 222222sin( )4cos( )4S OS Odx R Rdy R R （2） 式中為成穴器入土階段中成穴器的轉(zhuǎn)動(dòng)弧度，數(shù)值逐漸變小，為負(fù)值，rad。 3）出土階段中，栽植穴后緣OS3段的參數(shù)方程 332222sin( )4cos( )4OSOSdx R Rdy R R （3） 4）入土階段中，栽植后緣S3S4段的參數(shù)方程 3 43 42 22 21 sin41 cos4S S CDS S CDx R R h ly R R h l （4） 通過(guò)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(dāng)牽引速度一定時(shí)，成穴器旋轉(zhuǎn)速度過(guò)大時(shí)，栽植穴的輪廓就由特殊點(diǎn)A、B的運(yùn)動(dòng)軌跡組成，此時(shí)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(cè)壁陡峭，不利于穴形的穩(wěn)定。若成穴器轉(zhuǎn)速較小時(shí)，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(diǎn)坐標(biāo)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(shè)處于輪廓線S1S2、S3S4任意距離地面深度為h1的直線與栽植穴輪廓線交點(diǎn)為m、n，處于輪廓線S2O、OS4任意距離地面深度為h2的直線與栽植穴輪廓線交點(diǎn)為m、n，成穴器旋轉(zhuǎn)中心距地面高度為H，因栽植穴前緣與栽植穴后緣關(guān)于y軸對(duì)稱，故穴口上部縱長(zhǎng)lmn為 lmn=xmxn=2xm （5） 式中 2 21( ) sin( )4m CDx R R h l 12 2arccos 14 CDH hR h l 同理可得，栽植穴在深度為h2時(shí)，穴口底部縱長(zhǎng)lmn為 2mn m n ml x x x （6） 式中 22 sin( )4m dx R R 222arccos4H hdR 分析式（5）、（6）可知，在成穴器結(jié)構(gòu)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(zhǎng)lmn與穴口下部縱長(zhǎng)lmn的關(guān)鍵因素14；穴口寬度（垂直于機(jī)器行走方向測(cè)量穴口）與成穴器尺寸參數(shù)及理論成穴深度有關(guān)。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(jié)果的準(zhǔn)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(zhì)量的離散顆粒單元的集合，并將其理想化為相互獨(dú)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(zhǔn)確性是離散元模擬的基礎(chǔ)。為了提高模型的真實(shí)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(jié)構(gòu)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(tuán)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(shè)置土壤顆粒填充半徑為5 mm，模型參數(shù)見(jiàn)表1所示19。土壤顆粒參數(shù)通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)取得20-26，仿真前測(cè)量了選用試驗(yàn)地的土壤的含水率及土壤堆積角，通過(guò)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 Fig.4 Soil particle model 第11期 韓長(zhǎng)杰等：半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)成穴器參數(shù)優(yōu)化 51 表1 土壤模型參數(shù) Table 1 Model parameters of soil 坐標(biāo)軸位置 Coordinate position 顆粒模型 Particle model 半徑 Radius/mm 接觸半徑 Contact radius/mm X Y Z 球形Spherical 5 5 0 0 0 顆粒1 5 5 -4 0 0 顆粒2 5 5 0 0 0 線形 Linear 顆粒3 5 5 4 0 0 顆粒1 5 5 0 2.2 0 顆粒2 5 5 -2.2 -1.5 0 三角形 Triangular 顆粒3 5 5 2.2 -1.5 0 顆粒1 5 5 0 0 2.45 顆粒2 5 5 0 2.6 -2.45 顆粒3 5 5 -3 -2.6 -2.45 四面體 Tetrahedron 顆粒4 5 5 3 -2.6 -2.45 表2 離散元模型基本參數(shù) Table 2 Basic parameters of discrete element model 參數(shù)Parameters 數(shù)值Value 土壤顆粒泊松比Poissons ratio of soil 0.35 土壤顆粒密度Soil particle density/(kgm-3) 2 550 土壤顆粒剪切模量Shear modulus of soil particles/MPa 1 土壤顆粒間恢復(fù)系數(shù)Coefficient of restitution between soil particles 0.6 土壤顆粒間靜摩擦因數(shù) Static friction factor between soil particles 0.541 土壤顆粒間動(dòng)摩擦因數(shù) Dynamic friction factor between soil particles 0.31 鋼的泊松比Poissons ratio of steel 0.3 鋼的密度Density of steel/(kgm-3) 7850 鋼的剪切模量Shear modulus of steel 7.91010 土壤-機(jī)具恢復(fù)系數(shù) Coefficient of restitution between soil and implements 0.6 土壤-機(jī)具靜摩擦因數(shù) Coefficient of static friction between soil and implements 0.6 土壤-機(jī)具動(dòng)摩擦因數(shù) Coefficient of dynamic friction between soil and implements 0.05 3.3 土壤接觸模型 顆粒運(yùn)動(dòng)必然會(huì)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(jì)算直接決定了粒子所受的力和力矩的大小，對(duì)于不同的仿真對(duì)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(yīng)變特征17-18，選擇能夠體現(xiàn)土壤彈塑性和土壤黏結(jié)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(zhǎng)寬高）為400 mm200 mm150 mm的虛擬土槽，參數(shù)設(shè)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(dǎo)入的成穴器組件以5.14 rad/s旋轉(zhuǎn)，并以0.6 m/s開(kāi)始向Y方向運(yùn)動(dòng)，仿真過(guò)程共歷時(shí)3 s28-30。 3.5 成穴過(guò)程驗(yàn)證與仿真分析 傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法表述成穴器與土壤相互作用過(guò)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(shí)，對(duì)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(shè)計(jì)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(yàn)分組如表3所示。采用EDEM的clipping模塊沿成穴器總成前進(jìn)方向及垂直前進(jìn)方向進(jìn)行剖視。為便于觀察成穴過(guò)程及栽植穴成穴效果，對(duì)模擬土槽的土壤分層上色。利用EDEM的tool模塊中的測(cè)量命令，測(cè)量栽植穴深度及其穴口大小17-18。 表3 試驗(yàn)分組 Table 3 Test groups 組號(hào) Group No. 小端直徑 Small end diameter d/mm 理論成穴深度 Theoretical depth of hole-forming h/mm 1 50 50 2 50 65 3 50 80 4 60 50 5 60 65 6 60 80 7 70 50 8 70 65 9 70 80 成穴過(guò)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(jìn)入成穴器內(nèi)部，隨著成穴器的旋轉(zhuǎn)，成穴器內(nèi)部積聚的土壤顆粒不斷增加。當(dāng)成穴器垂直于地面時(shí)，成穴器向下壓取土壤，因成穴器為倒錐形的形狀，成穴器內(nèi)土壤顆粒在重力的作用下對(duì)成穴器內(nèi)壁產(chǎn)生側(cè)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(zhuǎn)被帶出地面29，與本文機(jī)理分析部分描述的過(guò)程吻合。 為探究小端不同直徑成穴器，在不同深度對(duì)成穴效果的影響，機(jī)具沿Y方向運(yùn)動(dòng)。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(shí)，所成栽植穴穴口較圓，穴底顏色主要由綠色和藍(lán)色組成，理論成穴深度為80 mm時(shí)，穴底由紅色、綠色、藍(lán)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(shí)，進(jìn)入成穴器內(nèi)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(cè)，土壤顆?；靥钤斐裳ǖ撞黄秸Ｐ《酥睆綖?0 mm的成穴器，理論成穴深度為50、65、80 mm時(shí)，所成栽植穴底部主要由藍(lán)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(jìn)入成穴器后，成穴器內(nèi)壁斜度較大，壓取進(jìn)入成穴器內(nèi)部土壤顆粒的彈性形變及黏結(jié)力不足以克服重力的作用掉落，導(dǎo)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(shí)，栽植穴穴底顏色主要由綠色構(gòu)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。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 52 1.土槽 2.成穴器 1.Soil-bin 2.Opener 圖5 成穴器入土階段絕對(duì)坐標(biāo)位置 Fig.5 Absolute coordinate position of opener entering soil stage 注：穴口上部縱長(zhǎng)測(cè)量，沿著機(jī)器前進(jìn)方向（Y軸方向），穴口上部寬度測(cè)量，垂直于及其行走方向（X軸方向），h為理論成穴深度，mm。 Note: Measurement of upper longitudinal length of the hole, along direction of machine (Y-axis direction), measurement of upper width of hole, perpendicular to direction of its walking (X-axis direction), h is theoretical depth of hole-forming, mm. 圖6 小端直徑為60 mm時(shí)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(cè)量結(jié)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(zhǎng)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(guān)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(zhǎng)越大，當(dāng)理論成穴深度為50、65 mm時(shí)，所成栽植穴穴口上部縱長(zhǎng)及穴口上部寬度相差不大，所成穴口較圓，當(dāng)理論成穴深度為80 mm時(shí)，成穴器與土壤接觸范圍較大，穴口上部縱長(zhǎng)增加，所成穴口為橢圓形。理論成穴深度為50 mm時(shí)，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(shí)，栽植穴穴口上部縱長(zhǎng)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(zhǎng)發(fā)育32-33。 表4 栽植穴仿真結(jié)果 Table 4 Simulation results of planting holes 成穴器小端直徑 Small end diameter of opener/mm 理論成穴深度 Theoretical depth of hole-forming/ mm 穴口上部寬度 Upper width of hole/mm 穴口上部縱長(zhǎng) Upper longitudinal length of hole/mm 有效成穴深度 Effective depth of hole-forming/ mm 50 89.83 107.55 38 65 99.51 124.16 56 50 80 105.82 139.08 60 50 96.33 112.42 39 65 112.75 127.90 51 60 80 124.65 158.56 53 50 113.17 128.00 37 65 116.96 134.32 51 70 80 131.90 166.63 56 由圖6中栽植穴的成穴效果及表4中的仿真結(jié)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(zhǎng)、穴口上部寬度尺寸相對(duì)較小，能夠滿足幼苗移栽要求。 4 試驗(yàn)與分析 為檢測(cè)上述設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性和成穴裝置工作的可靠性，試制試驗(yàn)樣機(jī)1臺(tái)及3對(duì)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(shí)，進(jìn)行田間試驗(yàn)。田間試驗(yàn)于2018年10月在山東省金利達(dá)機(jī)械制造有限公司的試驗(yàn)田進(jìn)行，烘干法測(cè)得土壤含水率為13.8%。試驗(yàn)田要求旋耕后整地，保證地面平整，地輪直徑600 mm，設(shè)計(jì)時(shí)取滑移率為1.2，工作時(shí)地輪與成穴器的傳動(dòng)比為1:1.26。 4.1 試驗(yàn)方法 為方便試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量，試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)地不鋪膜，試驗(yàn)分組如表3所示，共9組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)連續(xù)完成30個(gè)栽植穴，測(cè)定中間連續(xù)的20個(gè)栽植穴的穴口上部縱長(zhǎng)、穴口上部寬度及有效成穴深度。各試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)量結(jié)果取平均值為每組試驗(yàn)的結(jié)果。圖7所示為田間試驗(yàn)情況。 圖7 田間試驗(yàn) Fig.7 Field trials 圖8為栽植穴仿真與田間試驗(yàn)測(cè)量結(jié)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)穴口上部縱長(zhǎng)的影響弱于理論成穴深度的變化，理論成穴深度對(duì)穴口上部縱長(zhǎng)的大小影響較為顯著。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果變化趨勢(shì)一致，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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，穴口第11期 韓長(zhǎng)杰等：半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機(jī)成穴器參數(shù)優(yōu)化 53 上部寬度增加的越緩慢。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果變化趨勢(shì)一致，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(yàn)測(cè)量結(jié)果 Fig.8 Planting hole simulation and experimental measurement results 由圖8中有效成穴深度試驗(yàn)值曲線可知，組3中試驗(yàn)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(dòng)的范圍較廣。試驗(yàn)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(jìn)入成穴器內(nèi)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(cè)，受到擾動(dòng)的土壤顆粒回填，有效成穴深度減小。其余各組試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果變化趨勢(shì)一致。試驗(yàn)測(cè)得小端直徑為60 mm，理論成穴深度分別為50、65、80 mm時(shí)，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(shí)，栽植穴有效成穴深度分別43.1、57.5、61.9 mm，說(shuō)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(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)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(zhǎng)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(duì)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(jié)合3項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果可知，3項(xiàng)指標(biāo)的平均誤差為9.83%，說(shuō)明仿真環(huán)境下合適的土壤顆粒參數(shù)及黏結(jié)模型可以模擬出機(jī)具與土壤相互作用的情況。 4.2 膜上成穴試驗(yàn) 隨后為檢測(cè)成穴裝置是否滿足膜上成穴要求，在相同的條件下進(jìn)行了膜上成穴試驗(yàn)，膜上成穴與不覆膜成穴試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)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(yàn)證及膜上成穴效果 Fig.9 Functional verification and effect of punching hole on film 5 結(jié) 論 1）通過(guò)分析成穴器的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研究成穴器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)方程，建立了栽植穴參數(shù)方程，在成穴器結(jié)構(gòu)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(zhǎng)、穴口下部縱長(zhǎng)和穴口寬度的關(guān)鍵因素。利用離散元法對(duì)成穴器成穴過(guò)程進(jìn)行研究，驗(yàn)證了成穴器結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)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(cè)量了栽植穴穴口上部縱長(zhǎng)、穴口上部寬度，有效成穴深度。 2）由仿真結(jié)果及田間試驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)、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(zhǎng)、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(duì)穴口上部縱長(zhǎng)的影響弱于理論成穴深度的變化，理論成穴深度對(duì)穴口上部縱長(zhǎng)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(zhǎng)、穴口上部寬度和有效成穴深度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(jié)合3項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果可知，3項(xiàng)指標(biāo)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(shí)，穴底較為平整，所成栽植穴利于圓餅狀壓縮基質(zhì)培育的西瓜缽苗栽植，穴口上部縱長(zhǎng)、穴口上部寬度尺寸相對(duì)較小，利于覆膜移栽作物的生長(zhǎng)。 仿真環(huán)境下合適的土壤顆粒參數(shù)及黏結(jié)模型可以模擬出機(jī)具與土壤相互作用的情況，該研究能夠?yàn)槌裳ㄆ鞯膬?yōu)化改進(jìn)提供參考。 參 考 文 獻(xiàn) 1 胡君輝，葛政元，田海丹，等. 壓縮型基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)缽在嫁接西瓜育苗上的應(yīng)用效果J. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009(1)：6162. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 54 2 李桂芬，何毅，覃斯華，等. 西瓜和甜瓜壓縮型基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)缽育苗技術(shù)規(guī)程J. 中國(guó)瓜菜，2016，29(10)：4648. 3 張慶. 壓縮型基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)缽西瓜育苗技術(shù)研究D. 上海：上海交通大學(xué)，2010. 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