基于EDEM的植苗沟槽成形分析与试验研究

肖仕雄,肖名涛,孙松林,陈 斌

(湖南农业大学 工学院,长沙 410128)

0 引言

育苗移栽技术能够充分利用光热资源,让秧苗有效地减少霜冻、虫害等自然灾害所带来的损失,缩短作物的生长周期,对气候具有补偿作用,能够有效解决轮种作物的接茬矛盾,提升土地复种指数,是我国确保农作物增产增收的重要手段。目前,移栽方式按不同的作物可以分为水田移栽与旱地移栽：水田中泥土十分松软,土壤团粒结构小,粘结力小,秧苗入土阻力小,栽植完成后,泥浆自动回填,不需要覆土;与水田移栽不同,旱地移栽即使精细化耕整地,使土壤碎土率在一定的范围内,但土壤的团粒结构仍很大,导致颗粒间的分离阻力大,钵苗只能依靠移栽装置强行打穴入土,随后在利用覆土机构覆土,完成定植。目前,市面上常见的吊杯式移栽机与鸭嘴式移栽机都采用这种移栽方式。

传统的旱地移栽方式需要在土地达到农艺要求时才能进行移栽,在移栽之前需要进行耕整地作业。耕整地需要消耗大量的工时,增加了作业成本。这种移栽方式同样难以适应稻田油菜的种植,由于稻田油菜的移栽与水稻收获存在茬口期,导致油菜移栽作业时间紧张,缺乏耕整地时间。若直接在厢面移栽,土壤的高含水率及高粘性会降低移栽效率,加大打孔难度,甚至会陷入土层损坏机器。针对上述问题,提出了一种浅免耕开沟槽的栽植方式。目前,有许多科研机构与研究人员对这种栽植方式进行研究。浙江理工大学的郑士永设计了一款多杆扶苗式植苗机构,先由开沟器在厢面开出沟槽,随后由导苗管将钵苗送至底板,再由扶苗机构将钵苗推入沟槽中,最后通过覆土机构完成覆土。通过MatLab分析了不同参数对机构工作姿态的影响,并优化部件的设计参数,实现了理想的移栽轨迹,且验证了机构在株距与直立度方面的移栽效果。

本文从沟槽成形过程中土壤与触土部件之间的接触进行分析,通过EDEM软件分析在不同条件对沟槽成形效果的影响,为以后沟槽移栽机构的设计提供参考[1-4]。

1 植苗沟槽成型农艺要求

针对油菜的特性,油菜免耕开沟槽移栽是先通过开排水沟形成厢面,再对厢面进行浅耕平整,随后在厢面上开设植苗沟槽,最后由移栽装置将钵苗植入沟槽中完成移栽,如图1所示。

图1 厢面开沟移栽示意图

南方稻田油菜的移栽常在晚稻收获期之后,土壤中含水量较高,加上南方秋季雨量较大,一方面土壤的含水量很难降到易耕含水量,若强行耕作,不仅会损坏机具,还会使已黏闭的土壤进一步结闭;另一方面雨水充足导致田间杂草严重影响油菜的生长,为了实现对土地的去茬保墒,可以对土地采用浅耕,仅对土壤表层进行旋耕,以保护土壤结构。官春云等人研究发现,稻板田免耕油菜不仅成活率高,且省工省时,降低了成本[5]。

采用免耕开洼沟、厢面开植苗沟槽的种植方式,既可以提高油菜的种植效率,还可以因为油菜开沟成厢抛掷在厢面的土壤碎烂,呈疏松状,覆盖在板层及肥料表面,既保肥水不流失,又增强了油菜根系的通气条件,避免缺氧,使肥水、氧气能充分发挥作用,有效地解决了后期早衰、营养不良缺素症和因土壤渍水病害严重的矛盾,从而达到增产增效的目的[6]。

根据南方水田应用的配套旋耕机的参数,选择中置开沟刀盘、厢面宽度在1800～2200mm之间比较合适,开沟宽度为200～250mm,开沟深度与开沟宽度接近相等比较合适。根据开排水沟后的抛土量,浅免耕的高度在30～50mm比较合适,根据油菜钵苗钵体的宽度和移栽农艺要求设定为沟槽宽度为25mm,深度为50mm。

2 EDEM沟槽成形仿真试验

沟槽的成形包括开沟器的破土及沟壁的回落两个过程。其中,沟壁的回落将会对移栽效果产生影响,沟槽回土率的大小是钵苗覆土的关键因素,同时决定了钵苗栽植的直立情况。为了模拟沟槽成形的实际情况,对实际土壤进行了采样标定,并建立了土壤模型[7-11]。

2.1 土壤模型的建立

土壤颗粒间由于水分的存在产生了颗粒之间的粘结力,为了表示这种粘结力,土壤模型选择EDEM中的Hertz-Mindlin with JKR接触模型。该模型能够根据颗粒间的重叠量、表面粘性力及接触参数计算出颗粒间的法向接触力FJKR,还可以计算出颗粒不直接接触时的范德华力[12～13]。

法向接触力FJKR用来表示颗粒间的凝聚力,即

其中,γ为表面张力(N/m),E为等效弹性模量(Pa),α为切向重叠量(m),R为效接触半径(m)。

为了试验的准确性,根据南方油菜种植环境采取了3种不同含水率下的土壤,分别建立了模型。样本选取的是湖南农业大学室内土槽中的土壤,通过五点取样法进行取样并测得其含水率在13.8%时堆积角为31.5°,在含水率为31.5%时堆积角为45.6°,在含水率为21.6%时堆积角为40.3°。针对这些土壤的本征参数,,根据EDEM内置数据库对详细的本征参数进行选择,随后将土壤模型进行堆积角的仿真试验,得到仿真堆积角与现实土壤堆积角误差在2.4%左右。设置的颗粒本证参数如表1所示。

表1 土壤颗粒的本征参数Table 1 Intrinsic parameters of soil particles

2.2 试验装置

采用SolidWorks软件建立开沟装置的三维实体模型,并通过转换为IGES格式,实现SolidWorks的实体模型与EDEM软件的数据交换。仿真土槽长200mm、宽100mm、高100mm,为了统一变量,两种开沟器长度均位60mm,开沟器幅宽为30mm。开沟器与土壤的接触参数设置参考文献[14],具体参数如表2所示。

表2 颗粒与开沟装置的接触参数Table 2 Contact parameters of particle and ditching device

2.3 沟槽回土率试验

沟槽的回土率对于开沟槽移栽是非常重要的参数,其大小与钵苗的移栽直立度之间有紧密的联系：在回土率较大的土壤中,从沟壁回落的土壤能够及时将钵苗覆土定植;在回土率较低的土壤中,由于粘性力的影响沟壁不容易垮塌,需要采用覆土装置对其进行覆土。

2.4 试验方案设计

为了解在开沟过程中沟壁的回落情况,通过调整土槽颗粒间的参数模拟不同土壤环境下的土壤回落。由于土壤颗粒间的关系复杂,通过改变其本征参数、颗粒混合比、颗粒粒径比和开沟器前进速度等因素来分析沟槽成形过程中沟壁回落情况。

将已建立的3种土壤模型按照不同的颗粒形状、颗粒半径建立虚拟土槽,采用同种开沟器模型在土槽内进行开沟仿真。为了保证试验的真实性,每一个因素都设计了3个水平,但由于试验数量过于庞大,采用正交试验的设计方法在不影响试验结果的前提下减少试验次数,以缩短试验时间。

将土壤颗粒形状混合比、土壤颗粒粒径比、粘性力大小与装置行进速度设为试验因素,每个因素设计3个水平,具体参数如表3所示。

表3 因素水平表Table 3 Factor level table

采用数据分析软件SPSS生成3因素4水平的正交表(见表4),按照正交表的水平编码进行9次仿真试验,并截取开沟器后方5处截面的回土率,作为试验指标。

表4 四因素三水平正交表L9(34)Table 4 Orthogonal table of four factors with three levels L9(34)

2.5 试验结果测量与分析

为了测定沟壁回土情况,对开沟装置后端2、4、6、8、10cm处截取土壤截面,分析回填的土壤占开沟沟槽面积的比例,得到某一截面下的土壤回填率,通过计算回填率判断沟槽的成形状态与成形质量[15-17]。

为了更直观地描述沟壁回落的变化,将9次试验的5段截面轮廓图进行了整合,试验结果数据如表5所示。

表5 试验结果数据Table 5 Data of test results

试验1、试验4与试验7的结果表明：随着土壤中粘性力的降低,沟壁回落情况逐渐加大,沟槽的形状变化的幅度加大。对比试验1与试验3、试验4与试验6的结果显示：小颗粒对沟壁的稳定有一定联系,但随着颗粒间粘性力的降低,这一现象逐渐减弱。对比5处位置的回填率,可以发现：靠近开沟器位置的回土率较低,沟型比较稳定,能够提供一定的植苗空间。

为了找到相关性最显著的因素,采用数据分析软件SPSS进行回归分析,将5处截面的回土率设为因变量,分别为y1、y2、y3、y4、y5。

在4个因素中剔除相关性较小的因素进行方差分析,得到不同因变量下每个因素的显著性统计量(Significance F)分析结果如表6所示。

表6 数据分析结果Table 6 Data analysis results

试验结果与数据分析结果显示：沟槽的回土率与土壤颗粒间的粘性力相关,但在2cm与4cm处回土率相关性不大,是因为沟壁从静止到塌陷需要一定时间;随着开沟器的继续前进,开沟器后端会形成一个空间,这个空间段能保证钵苗进入沟槽后不会立即被土掩埋;后3段的回土率能够反映出,土壤粘性力与沟壁的回土率之间相关性显著。

3 实机验证试验

在沟槽成形过程的仿真分析的基础上,针对仿真结果,在室内土槽进行验证试验。仿真试验结果表明：土壤分别在含水率为31.5%与13.8%时,沟槽的回土率出现极值。由于含水率无法精确控制,在土槽加水调整前后测量其含水率为12%与30%,同时将试验土槽的颗粒粒径小于0.5mm与粒径在0.5～1mm之间的分布为均占50%,分别将土壤含水率调整至35%与15%,开沟器行驶速度为0.3m/s。

试验台架由土槽、驱动梁、传动齿条和开沟装置等组成,如图2所示。采用激光测距仪在开沟器后端的5处沟型截面取点绘制截面轮廓,测距仪在测量时保持同一水平位置,每次测量13个点。

1.土槽 2.试验小车 3.升降机构 4.机架 5.导轨 6.移栽动力输入装置 7.移栽机构 8.电器系统图2 试验台架结构图Fig.2 The diagram of test bench structure

为了验证仿真回土率的正确性,通过对比开沟器截面面积与实测沟槽截面面积计算实际回土率,即

其中,c为沟槽回土率(%),S1为测量的沟槽截面面积(mm2),S2为开沟器整形板的截面面积(mm2)。通过对比实测回土率与仿真回土率对比并分析误差,验证仿真模型的正确性,具体结果如表7所示。

表7 仿真与实测回土率对比Table 7 Comparison of soil return rate between simulation and field measurement

将每处截面的误差进行统计求得误差的平均值,含水率为35%的土槽误差为5.4%,在含水率为15%的土槽中误差为8%。

验证试验表明：EDEM仿真结构与实际测量值比较近,故EDEM仿真建模具有可靠性。

4 结论与讨论

1)开沟器在作业时,其末端的沟壁不会立即下落,从而形成一个提供钵苗定植的空间。钵苗能够在定植后进行覆土,一定程度上提升钵苗栽植的直立度。

2)土壤的含水率对沟槽回土率有较为显著的影响,但土壤含水率从13.8%增至21.6%时,沟槽的回土率大幅降低;从21.6%增至31.5%左右时,回土率基本不变;土壤含水率与沟槽回土率的影响呈非线性变化。

3)由于实际土槽的含水率分布不均匀,土壤团粒结构与仿真模型的差异偏大,使得仿真结果与实际情况存在一定误差,仿真结果不能与试验结果完全吻合。但是沟槽回土率的变化趋势与仿真结果几乎相同,并从一定程度上证明了模型的可靠性。