油菜钵苗移栽机成穴器外形优化试验研究

全伟,吴明亮,官春云,罗海峰

(1.湖南农业大学机电工程学院，长沙 410128；2.湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128；3.湖南农业大学，国家油料改良中心湖南分中心，长沙 410128)

油菜机械化钵苗移栽能延长油菜种植季节，扩大种植面积，缓解作物茬口矛盾，是油菜产业发展必不可少的种植模式[1-3]。根据油菜等作物栽植技术，移栽机械可分为开苗沟式移栽机、鸭嘴栽插式移栽机和打穴式移栽机[4-8]。由于打穴式移栽机采用先成穴后放苗的作业方式，能保证钵苗的直立，可实现快速移栽作业，具有较好的应用前景[9-11]。

打穴式移栽机的成穴器根据成穴方式不同分为取土式与挤压式2类[12]。刘宏新等[13]基于五杆机构设计了免耕播种圆锥形成穴器，能在秸秆高度还田情况下完成打穴作业，且能有效穿透秸秆并按要求成穴，挂带现象少；韩长杰等[10]分析了圆柱台形成穴器的运动机理，建立了栽植穴的参数方程，明确了影响孔穴形态的主要参数为理论成穴深度和小端直径。孙伟等[14]设计了双曲柄多杆膜下方锥形成穴机构，并进行了田间试验，其膜下播种深度合格率达到92%。周迈乐等[15]研制了一种探出式蔬菜钵苗打孔移栽机构，该机构可交替完成打孔和栽植过程，其铲式打孔器能保证穴口对称，土壤回流均匀。综上，国内学者主要是对成穴器能否成型合格孔穴进行了大量研究[4，9-18]，但对成穴器外形的优化研究鲜有报道，而成穴器作为打穴式移栽机的关键部件，其外形结构和工作参数对成穴作业功耗及穴形质量均有重要影响[10-11]。

目前，离散元法研究机具与土壤之间的相互作用关系已成为一种发展趋势[10，12，21]。为了降低成穴作业功耗、提高穴形质量，本文以不同外形的取土式成穴器为研究对象，利用离散元仿真试验与物理验证试验，研究成穴器外形及其工作参数对成穴器入土阻力和穴内截面回土系数[12]的影响，对成穴器外形及相关参数进行优化分析，以获得一种相对较优的成穴器外形及其相关参数。

1 材料与方法

1.1 成穴装置结构与工作原理

图1为取土式成穴装置结构(以圆柱台形成穴器为例，去掉机架上的左侧板)，主要由成穴器、导轨、滑块、动力输入轴、机架、齿轮齿条、成穴器连接板、连接销等组成。取土式成穴器设计为上端大、下端小形状，有利于成穴时成穴器顺利地刺入土壤。工作时成穴器在齿轮齿条Ⅱ的作用下以张开的姿态竖直向下入土，同时对土壤产生剪切作用，在达到一定入土深度后，在齿轮齿条Ⅰ与成穴器复位弹簧的共同作用下成穴器闭合，使土壤产生形变而汇集在成穴器内部，随后在齿轮齿条Ⅱ的作用下以闭合姿态竖直出土，完成取土的同时形成孔穴，取土式成穴装置随机具水平运动至成型孔穴前方，成穴器在齿轮齿条Ⅰ的作用下向外打开完成排土，随后复位完成整个成穴过程。

注：1—成穴器；2—导轨；3—滑块；4—动力输入轴；5—机架；6—齿轮齿条Ⅰ；7—齿轮齿条Ⅱ；8—成穴器连接板；9—连接销。Note:1—Soil opener;2—Guide;3—Slider;4—Power input shaft;5—Frame;6—Gear-rackⅠ;7—Gear-rackⅡ;8—Connecting plate of soil opener;9—Connecting pin.图1 取土式成穴装置结构Fig.1 Structure of soil picking type hole forming device

现有油菜钵苗的外形尺寸大都为方锥台形，上端边长为35或50 mm，下端边长为25 mm，高为40或45 mm[4，19]。结合前期研究成果[12]，设计孔穴上端尺寸(圆柱台形为孔穴穴口横截面半径、方锥台形为孔穴穴口横截面边长、正菱台形为孔穴穴口横截面对角线长度)为55 mm，下端尺寸为35 mm，孔深为40 mm。根据孔穴的外形尺寸设计要求，本文设计成穴器组件(以圆柱台形成穴器为例)如图2所示。主要由圆柱面形左鸭嘴、张合推杆、复位弹簧、连接销、圆柱面形右鸭嘴等组成。

1.2 成穴过程EDEM仿真分析

1.2.1成穴器建模 根据目前主要的取土式成穴器研究结果[10，12，21-24]，为了保证三种成穴器在取土阶段左右鸭嘴下端能完全闭合(出土阶段底端不漏土)，且所成孔穴能满足设计要求，如图3所示，利用Pro/E软件按1∶1的比例建立方锥台形、圆柱台形、正菱台形3种不同的成穴器三维模型(图3A)，另存为.igs格式导入EDEM软件[25]。从图3B和C可以看出，三种成穴器模型纵向截面下端尺寸均为l，与纵向截面垂直的正交截面(横向截面)下端尺寸分别为l1、l2、l3，外侧边缘与竖直方向夹角均为17°，高度H1均为150 mm，成穴器的理论入土深度为H，其中，根据三种成穴器的外形结构特点，方锥台形的纵向截面下端尺寸与横向截面下端尺寸相等，圆柱台形与正菱台形成穴器的横向截面下端尺寸均小于纵向截面下端尺寸，故若三种成穴器所成孔穴的横向截面下端尺寸满足设计要求，纵向截面下端尺寸也满足要求。从成型孔穴的横向截面轮廓图(图3B)与孔穴穴口理论轮廓(图3D和E)可以看出，其中，满足设计要求的三种成穴器所成孔穴的上端横向尺寸分别为L1、L2、L3，孔穴下端有效尺寸均为b，孔穴有效深度分别为h1、h2、h3。

1.2.2仿真试验方案 根据油菜移栽农艺要求及相关研究[10，12]，成穴器外形、下端尺寸及入土深度是影响成穴器成穴效果的主要因素，为了更加直观表达不同外形的成穴器在不同下端尺寸及入土深度下对成穴器入土阻力及穴形质量的影响，采用单因素进行仿真试验，根据成穴器结构参数及孔穴外形尺寸要求，试验选取成穴器纵向下端尺寸分别为25、35、45 mm，入土深度分别为 60、65、70 mm(对应孔穴有效深度分别为40、45、50 mm)，竖直入土、出土速度均为 0.05 m·s-1，成穴器取土时鸭嘴闭合角速度均为 0.13 rad·s-1。以孔穴尺寸(孔穴上端尺寸、下端尺寸、有效深度)、入土阻力及穴内截面回土系数为评价指标，分析成穴器外形、成穴器结构及作业参数对孔穴形态、成穴器入土阻力及穴形质量的影响。采用 EDEM中的切片功能沿成穴器运动的水平方向进行切片，观察孔穴形态，利用 EDEM中tool工具测量孔穴参数，利用处理功能得到成穴器的入土阻力。穴内截面回土系数的测量、计算方法及仿真土槽尺寸与文献[12]一致，仿真试验的土壤样品为中国南方黏壤土，取自湖南农业大学工程实训中心试验土槽，0～150 mm深的土壤平均含水率为18%左右，仿真土壤的粒径及质量分数分别为：1 mm、14.6%，3 mm、75.7%，5 mm、9.8%[12]。

1.3 土槽试验

1.3.1试验条件与设备 为检测仿真试验的准确性和成穴器工作的可靠性，试制优化后的成穴器样机(圆柱台形成穴器，下端尺寸为35 mm)，在湖南农业大学农业机械化工程实训中心数字化土槽中开展验证试验，以入土阻力及穴内截面回土系数为响应值，进行孔穴成型土槽试验，将实测值与仿真值进行对比分析并计算两者的相对误差。

土槽试验用土为黏壤土，通过对土槽土壤进行喷淋洒水、旋耕机旋耕等处理，调整土壤平均含水率及土壤颗粒粒径大小与仿真试验条件基本一致。仪器设备主要有土槽车、成穴装置样机、万能试验机、孔形测绘器、坐标纸、钢尺、坚实度测定仪、铝盒、工具刀、记号笔等。

1.3.2试验方法 按照文献[12]方法使土槽土壤与仿真土壤条件一致，土槽试验区长9 m，宽1.5 m，机具前进速度为2.58 km·h-1，保证土槽试验与仿真试验成穴器作业参数一致，成穴过程中成穴器竖直出入土壤(无水平方向速度)，成穴装置在测试区内完成孔穴均匀分布的成穴作业，共成型20个孔穴。测定测试区内每个孔穴的上端尺寸、有效深度及穴内截面回土系数，各参数测量结果取平均值为试验结果。

成穴器的入土阻力采用万能试验机完成，试验中成穴器的相关参数与小型土槽的外形尺寸均与仿真试验保持一致；孔穴尺寸与穴内截面回土系数测算方法与文献[12]中的方法相同。

2 结果与分析

2.1 成穴器外形对孔穴形态的影响

2.1.1孔穴尺寸对孔穴形态的影响 孔穴尺寸的仿真测量结果如表1所示。由表1可知，无论采用何种外形成穴器，随着理论入土深度的增加，下端尺寸相同的成穴器所成孔穴的上端尺寸及有效深度均增加。在相同的底端尺寸及入土深度条件下，正菱台形成穴器所成孔穴的有效深度在三种成穴器中最小，说明正菱台形成穴器在成穴过程中对穴壁土壤扰动较大，造成穴内回土较多，导致孔穴有效深度无法满足栽植要求。结合孔穴设计要求及表1数据可知，在满足孔穴下端尺寸的设计要求前提下，当成穴器外形为方锥台形，其下端尺寸为35、45 mm时所成孔穴均满足设计要求；当成穴器外形为圆柱台形，其下端尺寸为35 mm时所成孔穴均满足设计要求，同时，当下端尺寸分别为25、45 mm，入土深度为70 mm时所成孔穴也能满足设计要求；当成穴器外形为正菱台形，仅在其下端尺寸为35 mm，入土深度分别为65、70 mm时所成孔穴满足设计要求。

表1 不同成穴器外形所成孔穴的形状尺寸仿真结果Table 1 Simulation result of shape and size of holes formed by different soil opener shapes

2.1.2孔穴轮廓对孔穴形态的影响 根据表1的结果，在三种不同成穴器外形中选取满足栽植要求且工作参数相同的成穴器参数组合：下端尺寸为35 mm、入土深度分别为65、70、70 mm的方锥台形成穴器、圆柱台形成穴器、正菱台形成穴器。为使表达方便，分别将上述成穴器参数组合记为F3565、F3570，Y3565、Y3570，L3565、L3570。因三种成穴器纵向上的最大理论截面轮廓一致，故将三种成穴器所成最大纵长方向穴形截面图放在同一个图中进行分析，结果如图4所示。

由图4可知，当三种成穴器的下端尺寸一致，入土深度为65 mm时，成穴器所成孔穴的实际深度分别为64、63、59 mm，入土深度为70 mm时，所成孔穴的实际深度分别为68、69、67 mm；三种成穴器所成孔穴的实际深度基本无差异，但满足设计要求的孔穴有效深度正菱台形最小，方锥台形与圆柱台形相近；三种成穴器的纵长方向穴形截面积与理论穴形截面积的差值以正菱台形最大，说明正菱台形成穴器所成孔穴的穴内回土量最大。当成穴器的下端尺寸一致，入土深度均为65 mm时，三种成穴器所成孔穴的穴口面积与理论面积的差值由大到小依次为正菱台形成穴器、方锥台形成穴器、圆柱台形成穴器；正菱台形成穴器所成穴口面积明显大于理论穴口面积，差值为6.77 cm2，而方锥台形与圆柱台形成穴器所成孔穴的穴口面积与理论面积相差不大，差值分别为2.84、2.26 cm2，说明正菱台形成穴器成穴过程中穴口处土壤回流较多，导致其所成孔穴的穴口尺寸变大而有效深度减小。由图4可知，在成穴器下端尺寸相同的条件下，入土深度增加时，三种成穴器的有效深度与穴内回土量均呈增加趋势，入土深度越深，三种成穴器所成孔穴的上端尺寸越大。

图4 孔穴穴形截面Fig.4 Section curve of hole

2.2 成穴器外形对入土阻力及穴内截面回土系数的影响

三种不同外形的成穴器在入土深度相等时的受力情况如图5所示。由图5可知，三种成穴器所受阻力的最大区域大致处于各自触土面的中心位置，因方锥台形成穴器的触土面积最大，故其入土阻力大于其他两种成穴器，三种成穴器的入土阻力由大到小依次为方锥台形、圆柱台形、正菱台形。

在不同的入土深度条件下，三种不同外形的成穴器入土阻力及其所成孔穴穴内截面回土系数如表2所示。随着理论入土深度的增加，三种成穴器的入土阻力及穴内截面回土系数均呈增加趋势；三种成穴器中穴内截面回土系数由大到小依次为正菱台形、方锥台形、圆柱台形，其中，正菱台形成穴器的穴内截面回土系数远大于方锥台形与圆柱台形成穴器，说明正菱台形成穴器所成孔穴穴内土壤回流量大，孔穴稳定性较差。

在本试验条件下，综合分析孔穴形态及表2数据可知，圆柱台形成穴器是相对较优的成穴器，其入土阻力及穴内截面回土系数相对较优，确定较优的圆柱台形成穴器的参数组合为：成穴器下端尺寸35 mm，理论入土深度65 mm。

2.3 土槽试验结果与分析

图6所示为成穴器入土阻力，可知，成穴器入土阻力总体呈上升趋势，成穴器入土深度在0—30 mm时入土阻力增加较为平缓，在30—65 mm时阻力急剧上升，其变化趋势与仿真试验基本一致。

图6 入土阻力Fig.6 Soil opening resistance test

图7所示为土槽试验中圆柱台形成穴器的穴形截面图；由图6及图7得到孔穴尺寸、入土阻力及穴内截面回土系数，结果如表3所示。

结合图7及表3可知，孔穴的上端尺寸与穴内截面回土系数的试验值均大于仿真值，孔穴有效深度与入土阻力的试验值均小于仿真值；本试验结果与仿真结果的相对误差分别为5.7%、6.9%、5.3%、22.2%，在合理误差范围内，验证了外形优化后的成穴器所成孔穴能满足油菜钵苗移栽的农艺要求。

表3 仿真与土槽试验结果对比Table 3 Comparison the results of simulation and soil-bin test

图7 穴形截面测量结果Fig.7 Measurement results of hole section

3 讨论

目前，国内学者对于油菜钵苗移栽孔穴成型技术及装备已有较多研究，如向伟等[26]研制了滚动式油菜移栽成穴装置，通过离散元法模拟其成穴作业效果；刘振亚等[27]对打孔式油菜移栽机进行了设计，该机可在移栽机水平运动时实现垂直打孔；韩长杰等[28]研制了一款旋转式打穴机构，用于压缩基质型西瓜钵苗移栽；全伟等[12]对取土式与挤压式两种成穴方式进行了研究，得到了较优的成穴方式及其相关参数。本文对三种不同外形结构的成穴器进行研究，采用虚拟仿真与土槽试验相结合的方法对不同外形成穴器的成穴过程进行分析，利用离散元法模拟各成穴器的成穴效果，得到较优的成穴器外形为圆柱台形，其作业参数为下端尺寸35 mm、入土深度65 mm。通过土槽试验与EDEM仿真试验进行对比分析，成型孔穴能满足设计要求，仿真与土槽试验的误差在合理范围之内。

本文通过仿真和土槽试验对成穴器外形及其相关参数进行优化研究，降低了成穴作业过程中的入土阻力及穴内回土量。为打穴式移栽机的设计提供了理论基础，为成穴机构与土壤相互作用关系的研究提供了参考。但影响成穴作业效果的因素还有很多，如成穴器表面材料、成穴器入土角度和土壤环境等，其他最优参数性能的优化还需进一步研究。

本文将成穴器作为一个独立的主体进行研究，要实现油菜移栽全程机械化作业，后期应考虑成穴装置与取、送苗装置、栽植机构等之间的匹配问题。