油菜直播機旋切式微壟種床制備裝置設計與試驗

李蒙良 廖慶喜,2 裴立民 廖宜濤,2 王 磊,2 張青松,2

(1.華中農業大學工學院, 武漢 430070; 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室, 武漢 430070)

0 引言

長江中下游流域是中國油菜主要種植區,該區域降水年內和年際變化大,降水分布不均勻[1],油菜適播期存在土壤含水率變化大影響油菜成苗的問題[2]。壟作具有雨季便于排澇,旱季便于灌溉的特點,對田間小氣候和土壤水熱進行調控,已廣泛應用于玉米、小麥、大豆、馬鈴薯等作物栽培[3],同時土壤表面微形貌加工對灌溉水利用率、作物產量有積極作用[4]。

相關學者根據農藝需求,對油菜種床制備裝置進行了研究。張青松等[5-6]針對積水漬害影響油菜生長的問題,研制了2BFQ系列油菜聯合直播機開畦溝系統和起壟裝置,并通過EDEM仿真優化了機具作業參數。劉曉鵬等[7]運用微分幾何理論并結合EDEM仿真方法設計了一種組合式船形開溝器,可在黏重土壤制備符合農藝要求的畦溝。文獻[8-9]針對南方水稻田種植油菜過程中種床制備中高濕度、高稻茬的問題研制了2BYL系列油菜壟作施肥聯合播種機,并提出了深溝窄壟新種植模式。以上種床制備裝置均為寬廂壟作模式[3],即平面廂面播種,廂面兩側開畦溝。畦溝可及時將廂面積水排出,但過深的種溝、作業質量較差的廂面在強降雨后仍易產生漬害,且遇連續伏秋連旱,廂面應提升蓄水保墑能力,減少土壤水分蒸發。

研究表明,壟作和土壤表面微形貌加工對種床環境、作物生長有積極的調控效果。壟作栽培立體化配置種床,強降雨時壟溝及時排水,壟頂、壟腰無積水,減少強降雨積水漬害幼苗根系[10];壟溝降低風速,抑制蒸發[11],保墑蓄水[12];壟作表面積變大增加光截獲量[13],改善植株通風透光條件。相關學者對土壤表面微形貌加工進行研究,與傳統耕作相比,土壤表面微形貌加工可增強土壤攔蓄水能力[4],不僅可顯著提高灌溉水利用率、減少水土流失,對土壤物理特性改善和作物產量具有積極影響[14]。

目前,油菜種床研究主要集中在大秸稈量、黏重土壤等工況適應性方面,針對廂面表形改進的種床制備裝置研究較少。本文提出一種油菜微壟直播工藝,設計一種油菜直播機旋切式微壟種床制備裝置,通過等間距的腹板被動旋轉切土(簡稱旋切),形成與畦溝方向垂直的微壟。根據油菜播種農藝要求,通過分析微壟裝置滾動包絡線得到作業參數范圍,利用DEM-MBD耦合仿真和試驗優化方法得到裝置較優工作參數組合,進行田間驗證試驗、播種試驗驗證優化結果并測試出苗效果,為油菜直播機農機農藝融合提供新途徑。

1 微壟與油菜直播工藝

微壟示意圖如圖1所示,考慮適配不同株行距配置[15],定義微壟距為150～350 mm。相關研究表明[16-18],壟作栽培0～150 mm土層有明顯增溫效果,大于150 mm差異不明顯;在淺旋和免耕作業模式下,油菜主根下扎深度為68～143 mm,定義微壟高為75～150 mm。為兼顧蓄水、灌水和排水,微壟溝與兩側畦溝相通,畦溝溝底低于微壟溝20 mm。為擴大土壤表面積,調控土壤水熱,微壟截面以弧面為宜,壟體高寬比不超過0.5,利于保持壟體穩定。

圖1 油菜微壟示意圖

油菜微壟直播工藝原理如圖2所示,油菜微壟直播作業工序為旋耕碎土、兩側同步開畦溝、廂面旋切成微壟、微壟表面同步播種。

圖2 油菜微壟直播工藝原理圖

2 總體結構與工作過程

2.1 總體結構

油菜微壟聯合直播機主要由旋耕裝置、旋切式微壟種床制備裝置(簡稱微壟裝置)、施肥裝置、排種系統組成,一次作業完成旋耕滅茬、開溝起微壟、施肥播種多道工序。整機結構示意圖如圖3所示,微壟裝置結構示意圖如圖4所示,整機參數見表1。其中微壟裝置是制備廂面微壟的核心部件。

表1 油菜微壟聯合直播機主要技術指標

圖3 油菜微壟聯合直播機結構示意圖

圖4 微壟裝置結構示意圖

2.2 工作過程

機具作業時,旋耕裝置先將未耕土壤旋碎滅茬,旋耕裝置兩側的開溝犁同步開出畦溝。旋耕后的細碎土壤經旋耕裝置的拖板平整后,微壟裝置腹板隨機具前進被動循環切入土壤并旋轉,將土壤堆積成微壟。旋切深度通過電動推桿調整,在微壟裝置一側軸承座上安裝編碼器檢測微壟裝置轉速,為排種系統提供速度源。排種驅動模塊轉速與微壟裝置轉速同步,將種子均勻播種于微壟表面。其中微壟裝置是將廂面旋切成等距橫向微壟的關鍵裝置。

3 微壟裝置結構設計與分析

3.1 結構組成

微壟裝置整體結構如圖4所示,旋切組件(圖5)是微壟裝置的核心,旋切組件通過軸承座安裝于固定架、擺臂組成的支架上,調節兩側的電動推桿伸縮控制旋切組件的旋切深度,電動推桿行程為200 mm,當機具存放或不需要旋切土壤時,可將電動推桿收縮至上止點。

圖5 旋切組件結構示意圖

旋切組件由中心軸、端面軸、腹板盤、腹板組成。中心軸為直徑80 mm空心軸,兩側端面焊接有法蘭盤,用于安裝腹板盤和端面軸。腹板作業面由3 mm鋼板折彎成形,兩端面焊接腹板固定件,通過螺栓安裝于腹板盤。更換不同孔數的腹板安裝盤可調整腹板數量。腹板安裝數量、回轉半徑、頂角是裝置的關鍵參數。

3.2 腹板回轉半徑分析與確定

機具前進過程中,腹板循環旋切土壤。對腹板端點旋切過程進行靜力學和運動學分析,分析并確定微壟裝置回轉半徑r、被動旋切轉動速比λ等參數,考慮旋切過程中土壤產生堆積,實際溝深大于旋切深度,設旋切深度D為0.10 m。

參考《農業機械設計手冊》中的軋滾設計,腹板安裝數N通常不少于6件,腹板安裝間隔角度越小,越易被動旋轉,因此對N為6時進行分析。簡化相鄰腹板為線段OM、ON,O為旋轉中心,M、N為腹板端點。設點M觸土時靜止,受力如圖6所示。

圖6 腹板端點受力分解圖

設點M靜止,受到推力為Fp,根據合力矩定理和幾何關系有

(1)

式中Mo——點M對于點O力矩,N·m

θ0——點M觸土時OM與y軸夾角,(°)

θ1——ON與y軸夾角,(°)

Fn——土壤對點M法向支持力,N

點M和土壤摩擦角φ與θ0、r關系為

(2)

當點M摩擦角φ小于土壤與金屬摩擦角時,點M不產生x方向滑動,微壟裝置可被動旋轉。參考文獻[19],金屬與土壤摩擦角范圍23°～45°,取下限值計算得到r=0.33 m。為減小機具縱向尺寸,向下取整r=0.30 m,當腹板數量為6時,相鄰腹板端點間弧長為0.31 m,處于定義的微壟距范圍內;代入式(2)驗算得點M摩擦角φ最大為24.45°,與摩擦角范圍下限接近,判定可連續被動旋轉作業。

3.3 被動旋轉速比分析

將腹板簡化為線段OM,設腹板回轉中心點O為靜系,土壤為動系,腹板尖端點M為動點(圖7)。設機具前進速度為vm,方向為x軸負方向,腹板尖端動點M觸土時運動速度可分解為速度vpa與速度vpr,當點M運動到y軸時,點M旋切深度為D。根據點的速度合成定理有

圖7 腹板運動速度分解示意圖

vpa=vpe+vpr

(3)

式中vpa——動點M的切向速度,m/s

vpe——動點M的x軸負方向速度,與vm大小相等,m/s

vpr——動點M的y軸方向速度,m/s

vpe與vpa模的比值為

(4)

式中θ——OM與y軸夾角,(°)

設OM轉動角度θ與時間的函數為ω(t),則有

(5)

式中ω——OM轉動角速度,rad/s

結合式(4)和式(5)有

(6)

微分方程(6)邊界條件為動點M由初始位置θ0運動到y軸所需時間t。由腹板旋切深度D、轉動半徑r決定。在無滑移情況下,點M運動到y軸所需時間t為

(7)

根據邊界條件求解微分方程(6)并求導得OM轉動角度與角速度為

(8)

結合式(5)、(8),vpa與vpe的速度比例λ為

(9)

由幾何關系可知點M的入土深度為

D=rcosθ-rcosθ0

(10)

對于給定的機具前進速度vpe和時間t可求得對應入土深度D。通過式(8)、(10)可得到t、D、vpe的關系為

(11)

由式(9)、(11)得到速比λ與點M入土深度D關系為

(12)

使用Matlab繪制出式(9)、(12)速比λ的函數圖(圖8)。在參數范圍內,速比λ隨著旋切深度逐漸減小,減小速度先快后慢。當旋切深度為0.05 m時速比降低為1.2,當旋切深度到0.1 m即達到最深時,λ為1。微壟表面形狀由線段OM自點M向點O包絡而成,當腹板端點M入土較淺時,后部腹板尚未入土,未形成有效的包絡線;當旋切深度過半時頂部包絡線逐漸成形,此時速比小于1.2,并隨著入土深度增加逐漸逼近于1。

圖8 速比λ變化曲線

3.4 腹板運動包絡線設計與分析

分析腹板運動包絡線,研究微壟距p與腹板數量N的關系,并確定腹板頂角a參數范圍。

3.4.1腹板運動包絡線設計

考慮實際情況下動點M存在滑移,裝置被動旋轉過程中至少有2件腹板同時觸土,為進一步分析微壟裝置運動軌跡,設λ為1,即微壟裝置腹板端點線速度與機具前進速度相同,在微壟底部所在平面發生純滾動。根據次擺線參數方程,線段OM上各點的運動軌跡為

(13)

式中i——OM上某點與點O距離,mm

xi——點i運動軌跡x坐標

yi——點i運動軌跡y坐標

θr——動圓轉動的弧度,rad

使用Matlab繪制出150 mm≤i≤300 mm時,相鄰腹板A和B的運動軌跡(圖9),腹板A、B相位差為30°。在y軸0～250 mm范圍內標出包絡線間斷點CP1～CP10,并計算出各點斜率和切線角度(表2),并使用三次樣條插值法繪制出包絡圖像。由圖10所示,腹板運動包絡線的高度h從200 mm逐漸運動至0 mm時,包絡線切線與水平方向夾角逐漸增大,當y為0 mm,即點M運動到最低點時,切土角度為90°。

表2 微壟裝置腹板包絡線各點統計

圖9 相鄰腹板運動包絡線

圖10 腹板運動包絡線三次樣條插值曲線

3.4.2包絡線分析與關鍵參數確定

根據腹板運動包絡線對微壟距p、腹板數量N進行分析。設微壟距最小時,兩相鄰腹板包絡線相交高度h為1.5倍旋切深度D,避免發生“切頂”擾動微壟頂部土壤回落至微壟溝。當h為150 mm時,開度b為92.58 mm,因微壟包絡線對稱,微壟距為2倍開度b,即185.16 mm。當λ為1,腹板回轉半徑r為0.30 m時,微壟距p與腹板數量N的關系為

(14)

根據式(14)計算得出腹板最大安裝數量為10.18,取整為10,當腹板數量N為6～10時,對應理論微壟距p為188.50～314.17 mm。

確定腹板頂角a范圍:考慮土壤回流至溝內形成無效深度,參考GB/T 5668—2017《旋耕機》中旋耕后1級碎土土塊最長邊為40 mm,視溝寬小于40 mm的溝深為無效溝深(圖11)。結合表3和圖10,當開度b為20 mm,即溝寬為40 mm時,高度h(無效溝深)為64.06 mm,為降低無效溝深,設置腹板面按一定角度折彎(腹板頂角a),如圖12所示。

表3 微壟裝置腹板包絡線反求特殊點

圖11 微壟溝示意圖

圖12 腹板側板角度示意圖

為避免土壤進入腹板內側夾角中,設定M1E1長度為1.5倍旋切深度D,S1S2連線與OM1垂直且過點E1。當OM1長度為300 mm,腹板數量為10時,θ1為36°?？紤]安裝間隙S2S3,設定腹板頂角a區間為0°～28°。

通過理論分析得到微壟裝置主要結構參數為:回轉半徑r為0.30 m,腹板數量為6～10,腹板頂角a為0°～28°。

4 DEM-MBD耦合仿真分析與參數優化

微壟裝置作業對象為旋耕后土壤,是具有離散性的散體顆粒群。被動旋轉切土過程中散體顆粒群與機具相互作用,顆粒、機具的運動狀態、受力隨時間持續變化,難以通過解析法定量表達顆粒群的運動。為進一步探究機具性能,使用DEM-MBD耦合仿真探究理論分析得到的主要結構參數,從土壤角度定量研究微壟成形過程,結合試驗優化方法,得到較優參數組合。

4.1 DEM-MBD耦合仿真試驗模型建立

4.1.1模型仿真基礎參數

使用RecurDyn和EDEM軟件進行DEM-MBD耦合仿真。DEM-MBD耦合仿真結合MBD和DEM仿真的優勢,可對單一仿真無法完成的工況進行模擬,得到了廣泛運用[20-21]。微壟裝置的作業土壤為旋耕后碎土,顆粒之間黏結力較小,作業過程中無直接垂直向下的壓力,忽略顆粒塑性變形,設顆粒與顆粒之間的接觸模型為Hertz-Mindlin[22]。機具材料的本征參數、材料與EDEM顆粒間接觸參數通過文獻[22-25]獲得。EDEM顆粒之間接觸參數對作業區域內旋耕后的土壤進行參數標定獲得,詳細參數見表4。

表4 仿真材料與模型參數

4.1.2虛擬土槽生成

對旋耕后的土壤進行采樣統計,將采樣后土壤顆粒按最長邊大于50 mm、40～50 mm、30～40 mm、20～30 mm、0～20 mm篩分成5類并統計質量比,每種尺度類型土壤顆粒隨機選取1種進行三維掃描建立STL模型,在EDEM中按質量比填充復現5種尺度土塊,重構旋耕后土壤?？紤]旋耕作業后土壤蓬松度增加,種床體積膨脹,將虛擬土槽厚度設定為220 mm?？紤]計算量[23-24],設定顆粒床尺寸為3 000 mm×500 mm×220 mm。

4.1.3模型設置

建立微壟裝置的簡化模型,如圖13所示。為模擬裝置在實際作業中被動旋轉工況,在RecurDyn軟件中定義微壟裝置與中心軸之間的運動副為旋轉副,中心軸勻速直線運動,方向與機具前進方向相同。離散元仿真時間步長設定為2×10-5s,當裝置旋切完虛擬土槽時停止仿真。

圖13 耦合仿真模型

4.2 微壟成形過程分析

4.2.1微壟裝置被動旋轉分析

使用RecurDyn后處理中Plot功能導出微壟裝置被動旋轉角速度與y方向位移關系折線圖(圖14)。腹板數量、腹板頂角取分析結果中間值,即腹板數量為8、腹板頂角14°,前進速度分別為1、3、5 km/h。結果表明,微壟裝置被動旋轉角速度呈周期性變化,且變化幅度隨著前進速度增大而變大;微壟裝置轉動平均角速度分別為0.927、2.70、4.47 rad/s,腹板端點平均線速度分別為0.98、2.92、4.83 km/h,滑移率分別為2.02%、2.73%、3.44%,與理論分析中λ為1相符。

4.2.2土壤顆粒擾動分析

使用EDEM后處理分析微壟曲面成形過程中顆粒擾動規律。腹板數量、腹板頂角取分析結果中間值,即腹板數量為8、腹板頂角14°,前進速度分別為1、3、5 km/h。相鄰的微壟表面由Ea、Eb兩個包絡曲面組成,Ea、Eb通過腹板側面旋轉包絡成形。對于先成形的包絡曲面Ea,腹板端點觸土后,腹板側面將下后方的土壤顆粒沿包絡線進行推擠,逐漸形成包絡曲面Ea;隨著機具前進腹板旋轉至90°達到旋切深度,此時包絡曲面Ea成形(圖15b),包絡方向沿微壟自上而下。對于后成形的包絡曲面Eb,隨著機具前進,腹板繼續轉動,腹板側面將前方土壤朝作業方向推擠,至腹板離開土壤,包絡曲面Eb成形(圖15c),包絡方向沿微壟自下而上。

圖15 相鄰微壟曲面成形過程

對微壟成形過程中土壤顆粒擾動情況進行分析。以腹板數量為8、腹板頂角14°,前進速度分別為1、3、5 km/h為例,分析單個微壟成形過程中土壤顆粒擾動情況。使用矢量箭頭表示土壤顆粒運動方向,不同顏色表示土壤顆粒的運動速度,為便于統一比較,將顆粒速度色階范圍設置為0～0.6 m/s。腹板沿微壟裝置圓周均勻布置,作業過程中交替旋切入土,當腹板數量為8時,微壟裝置每轉動45°形成一個微壟。為記錄微壟成形完整過程,觀察微壟裝置轉動相位角分別為0°、15°、30°、45°時顆粒擾動情況,如圖16所示。

圖16 不同前進速度與相位土壤顆粒擾動分析

土壤顆粒擾動方向從后向前,顆粒擾動區域和擾動速度隨著機具前進速度增大而增大,當前進速度為1 km/h時,最大擾動速度相位角為15°,有少量土壤顆?；芈渲梁蠓轿艤现?當前進速度為3 km/h,最大擾動速度相位角在15°～30°之間,部分土壤顆粒擾動至微壟頂部;當前進速度為5 km/h時,最大擾動速度相位角為30°,部分土壤顆粒擾動后越過微壟頂部,落入前方微壟溝。前進速度增加,土壤顆粒沿前進方向流動量增加,最大擾動速度相位角有延后的趨勢。當前進速度較低時,土壤顆粒易朝后流動并回落至后方微壟溝中,隨著前進速度增加,土壤顆粒朝前擾動速度增加,易落入前方微壟溝中。

4.3 優化仿真試驗指標與方法

微壟成形過程中土壤顆粒經擾動后將不同程度地回流至微壟溝中,為便于定量探究各參數對微壟成形的影響,將有效溝深作為主要指標。有效溝深是微壟裝置推動后顆粒在臨界滑動狀態的一種特征,在微壟定義范圍內有效溝深越大越好。

通過EDEM后處理中切片功能將微壟部位顆粒切出顯示,導出x軸方向正視圖,將圖像二值化處理后提取輪廓路徑,將輪廓路徑導入AutoCAD縮放至實際尺寸后進行參數測量。測量指標為實際溝深、無效溝深、微壟距(圖11),有效溝深為實際溝深與無效溝深之差,微壟距為相鄰微壟溝距離。為減少誤差,虛擬土槽中第一個和最后一個完整微壟不計入統計,每次試驗至少統計5個微壟。

4.4 單因素試驗與結果分析

理論分析得到的腹板數量N、腹板頂角a為區間值,旋切深度D與機具前進速度S是作業過程中關鍵作業參數。探究作業旋切深度D、前進速度S、腹板數量N、腹板頂角a對作業效果的影響,并確定各因素的范圍。

考慮旋切后土壤堆積、旋耕機前進速度區間及3.4.2節分析結果,設定單因素試驗中水平為:旋切深度80 mm、前進速度3 km/h、腹板數量8、腹板頂角14°。進行某一因素試驗時將其他因素設為中間水平。試驗結果如圖17所示。各因素水平間差異使用LSD法比較(***、**、*分別表示方差分析在0.001、0.01、0.05水平上顯著,ns表示不顯著)。

圖17 單因素試驗仿真結果與統計

(1)分析旋切深度分別為50、80、110 mm時對微壟成形的影響。當旋切深度為50 mm,其他因素為中水平時,有效溝深平均值為19.19 mm,深度較淺。隨著旋切深度增加,有效溝深從53.71 mm增加至59.59 mm,旋切深度在50～80 mm時增幅較大,80～110 mm時增幅減小。方差分析和多重比較表明,旋切深度對有效溝深有極顯著影響,旋切深度在80 mm和110 mm時差異不顯著。

(2)分析前進速度分別為1、3、5 km/h時對微壟成形的影響。當前進速度從1 km/h增加至5 km/h時,有效溝深緩慢從42.41 mm增加至52.59 mm。方差分析和多重比較表明,前進速度對有效溝深有較顯著影響,當前進速度為3 km/h和5 km/h時,有效溝深差異不顯著,前進速度為1 km/h和3 km/h、1 km/h和5 km/h時差異顯著。

(3)分析腹板數量為6、8、10時對微壟成形的影響。當腹板數量從6增加至8時,有效溝深平均值從47.24 mm增加至53.71 mm,再跌至41.29 mm。方差分析和多重比較表明,腹板數量對有效溝深有顯著影響,腹板數量在6和8之間差異不顯著,但腹板數量8和10之間差異顯著,有效溝深降低。

(4)分析腹板頂角為0°、14°、28°時對微壟成形的影響。當腹板頂角從0°增加至28°時,有效溝深平均值從34.30 mm增加至58.66 mm,標準差變化幅度較小。方差分析和多重比較表明,腹板頂角對有效深度有極顯著影響,各個水平之間差異均為極顯著水平。

4.5 正交旋轉回歸試驗與參數優化

單因素試驗表明,腹板數量N為10時,有效溝深顯著降低,僅41.29 mm,且與8水平差異顯著,將腹板數量N設置為6、8兩種進行試驗。因前進速度S為3～5 km/h時,對微壟有效溝深影響不顯著,將前進速度S設置為3 km/h進行試驗。旋切深度D、腹板頂角a是影響有效溝深的極顯著因素(P<0.001),將旋切深度D和腹板頂角a設定為二次正交旋轉回歸試驗因素。試驗設計與結果見表5,y6、y8分別為N取6、8時有效溝深。

表5 正交旋轉回歸試驗設計與結果

試驗使用Design-Expert 11.0軟件進行分析,當腹板數量為6、8時,方差分析見表6、7。方差分析表明,腹板數量為6或8時,旋切深度D和腹板頂角a對有效溝深影響極顯著,有效溝深y6、y8與旋切深度D、腹板頂角a之間的回歸方程分別為

表6 N=6時正交旋轉回歸試驗方差分析

表7 N=8時正交旋轉回歸試驗方差分析

y6=-204.46+45.13D+0.03a+0.17Da-1.94D2-0.02a2

(15)

y8=-363.65+75.30D+36.11a-0.43Da-3.47D2-0.04a2

(16)

旋切深度D和腹板頂角a與有效溝深的響應曲面見圖18。當腹板數量為6時,隨著旋切深度D和腹板頂角a的增加,有效溝深增加,旋切深度D為增加的主要因素,由等高線圖可知,為獲得不小于70 mm的有效溝深,旋切深度應大于90 mm,為獲得較深的有效溝深,腹板頂角a和旋切深度D應盡量取最大值。當腹板數量為8時,有效溝深隨旋切深度D和腹板頂角a在各自因素范圍內出現拐點,從等高線圖可知,有效溝深最大值為64.26 mm,為獲得較深的有效溝深,腹板頂角范圍應設置在22°～27°之間,旋切深度應設置在86.00～97.00 mm之間。

圖18 旋切深度與腹板頂角交互作用的響應曲面

為獲得較優因素組合,使用Design-Expert 11.0進行求解,設置旋切深度D和腹板頂角a范圍分別為80～100 mm、14°～28°,求解設置有效溝深為最大,獲得的較優參數組合分別為:當腹板數量為6時,腹板頂角a和旋切深度D分別為28.00°、100 mm,有效溝深y6為83.59 mm;當腹板數量為8時,腹板頂角a和旋切深度D分別為26.50°、92.00 mm,有效溝深y8為64.26 mm。

以較優參數組合進行仿真驗證試驗(圖19),每組參數組合重復3次。試驗結果為:腹板數量為6時,有效溝深y6平均值為83.25 mm;腹板數量為8時,有效溝深y8平均值為63.89 mm。驗證仿真結果與優化結果偏差不超過0.58%。

圖19 最優參數組合仿真結果

5 田間試驗

5.1 試驗方法

為驗證仿真優化結果,將微壟裝置安裝于播種機進行優化驗證試驗和播種試驗。作業參數設定為最優參數組合進行田間優化驗證試驗,使用Trimble TX8三維激光掃描儀掃描作業后廂面以獲得微壟點云圖(圖20),通過Trimble RealWorks軟件處理微壟實際輪廓并進行分析。試驗時微壟裝置各參數為:調節兩側電動推桿同步運動將作業深度分別設置為100 mm和92 mm;調節拖拉機手油門將機具前進速度控制為3 km/h。

圖20 田間優化驗證試驗

將機具安裝排種系統進行播種試驗,排種系統由10行單體排種器、排種驅動模塊、編碼器、導種管組成(圖3)。在微壟裝置軸端面安裝編碼器測定微壟裝置轉速,閉環步進電機為動力源,通過單片機控制閉環步進電機轉速,以隨速播種。

5.2 試驗結果與分析

5.2.1優化驗證試驗

因微壟溝噪點較多,無法準確標出無效溝深,將點云圖中測得的實際溝深與仿真中的實際溝深進行對比,以驗證仿真合理性。微壟點云圖通過Trimble RealWorks軟件在廂面中截取獲得,隨機截取10個連續微壟,將截面點云圖導入AutoCAD,在正投影方向測量微壟距、實際溝深。微壟點云圖見圖21,測量統計結果見表8。當腹板數量為6時,實際溝深和微壟距平均值分別為103.08、332.92 mm,與最優參數組合下仿真結果(104.37、324.66 mm)基本一致,誤差分別為1.25%和2.48%,微壟合格率為100%;當腹板數量為8時,實際溝深和微壟距平均值分別為85.16、266.88 mm,與較優參數組合下仿真結果(82.51、244.85 mm)基本一致,誤差分別為3.11%和8.25%,微壟合格率為90%。

表8 田間試驗微壟統計

圖21 田間試驗微壟點云圖

5.2.2播種試驗

2021年9月29日在湖北省荊門市掇刀區展開了油菜微壟直播試驗,配套動力為雷沃1204型拖拉機,設置微壟裝置腹板數量為6,作業參數為最優參數組合。機具設置10行單體排種器,配置行距為150 mm,播量為5 277 g/hm2,品種為高油酸雜交油菜H2133,油菜出苗效果良好(圖22)。

6 結論

(1)設計了一種油菜直播機旋切式微壟種床制備裝置,基于運動學分析了裝置運動過程,確定了裝置基本結構參數。微壟裝置從動滾動組件回轉半徑為0.30 m,腹板數量為6～10,腹板頂角為0°～28°。

(2)DEM-MBD耦合仿真試驗分析了前進速度、旋切深度、腹板頂角、腹板數量對有效溝深的影響,并優化了工作參數。通過正交旋轉回歸試驗得到有效溝深最大的較優參數組合為:腹板數量為6時,腹板頂角和旋切深度分別為28.00°、100 mm,有效溝深為83.59 mm;腹板數量為8時,腹板頂角和旋切深度分別為26.50°、92 mm,有效溝深為64.26 mm。

(3)田間優化驗證試驗使用Trimble TX8三維激光掃描儀掃描較優參數組合下作業的微壟廂面,與優化仿真結果進行對比分析。結果表明:當腹板數量為6時,微壟距平均為332.92 mm,實際溝深平均為103.08 mm;當腹板數量為8時,微壟距平均為266.88 mm,實際溝深平均為85.16 mm,微壟合格率不小于90%,試驗各指標與優化結果基本一致,最大誤差為8.25%。在湖北省荊門市掇刀區展開了油菜微壟直播試驗,出苗效果良好。