棚室電動(dòng)履帶式旋耕起壟一體作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)研究

王海楠，弋景剛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001）

我國溫室大棚等大型設(shè)施占世界設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積的85%以上［1］。日光溫室環(huán)境相對(duì)密閉，主要以傳統(tǒng)的土壤栽培為主，周年連續(xù)高強(qiáng)度、高集約化的生產(chǎn)方式致使土壤肥力下降；不科學(xué)的水肥管理導(dǎo)致了土壤肥力狀況進(jìn)一步退化，而且使氮、磷向地下淋溶，造成地下水污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害［2-4］。這些問題嚴(yán)重影響著蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，成為制約設(shè)施農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的瓶頸［5］。壟作栽培方式可以有效解決上述問題，采用壟作栽培方式后地表的面積比平作增加了約20 ～30%，增大了土壤的受光面積；起壟后覆膜，可以有效提高土壤水分、增加土壤溫度、活化養(yǎng)分等，最終促進(jìn)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的提高［6-10］。

國外對(duì)起壟機(jī)具的研究起步較早，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。歐美國家起壟機(jī)具作業(yè)1 次性能完成旋耕切土、精細(xì)碎土、精量施肥、鎮(zhèn)壓、平整、起壟定形、覆膜等多項(xiàng)聯(lián)合作業(yè)，由液壓裝置控制壟型，主要適用于平原地區(qū)砂性土壤環(huán)境，需配套動(dòng)力在40 kW 以上的拖拉機(jī)［11］。日、韓等國研制的起壟機(jī)具主要以中小型為主，單一作業(yè)性能較好［12-13］。能同時(shí)完成旋耕、起壟、覆膜等作業(yè)，整機(jī)體積小、質(zhì)量輕，零件插裝更換容易，作業(yè)效率高，可以應(yīng)用于大棚內(nèi)的耕整地和起壟作業(yè)。國內(nèi)對(duì)起壟機(jī)具的研究始于20 世紀(jì)60 ～70 年代，經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)具有一定的規(guī)模，分別針對(duì)大型聯(lián)合作業(yè)機(jī)具和小地塊作業(yè)機(jī)具進(jìn)行了研究。大型聯(lián)合作業(yè)機(jī)具主要應(yīng)用于平原地區(qū)，起壟高度、壟距可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，可1 次性完成旋耕、起壟、鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)，配套動(dòng)力37.5 kW 以上［14］。對(duì)小地塊作業(yè)機(jī)具的研究主要針對(duì)溫室棚室、山地丘陵等作業(yè)環(huán)境，采用起壟犁對(duì)土地的翻耕起壟［15］、旋耕起壟［16］、圓盤犁、鏵式犁復(fù)合起壟［17］等方式。機(jī)具具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠等特點(diǎn)，能1 次完成翻土、碎土、起壟、覆膜等作業(yè)，適合應(yīng)用于烤煙、花生、花卉、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物的種植。

我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展較快，但是溫室大棚沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，受到溫室大棚作業(yè)環(huán)境的限制，起壟機(jī)具普及率不是很高，由于汽油、柴油機(jī)作業(yè)機(jī)械存在工作噪音大、尾氣污染嚴(yán)重、作業(yè)效率低等問題，因此研發(fā)1 款適用于溫室大棚作業(yè)環(huán)境的小型電動(dòng)起壟作業(yè)機(jī)顯得尤為重要。本文基于溫室大棚中壟作番茄種植要求，設(shè)計(jì)了適用于溫室大棚作業(yè)環(huán)境的電動(dòng)履帶式旋耕起壟一體作業(yè)機(jī)，1 次作業(yè)中能夠完成旋耕、起壟、覆膜3 道作業(yè)工序，能夠滿足溫室大棚環(huán)境作業(yè)，對(duì)于溫室大棚起壟耕作機(jī)械化的發(fā)展和普及，具有重要的實(shí)用價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 番茄種植農(nóng)藝要求

影響番茄發(fā)育和產(chǎn)量的因素有很多，栽培密度是影響番茄發(fā)育和產(chǎn)量的重要因素之一，張寬伶等人研究表明，在一定范圍內(nèi)隨著密度、留果數(shù)的增加，產(chǎn)量也增加，但超過一定范圍后，產(chǎn)量呈下降趨 勢［18］。當(dāng)前在溫室大棚中番茄的種植，使用寬壟覆膜技術(shù)并采取合適的栽培密度，可以在提高土壤溫度，抑制雜草生長的同時(shí)，更能有效利用壟溝水分運(yùn)移規(guī)律，實(shí)現(xiàn)壟溝間水分交替補(bǔ)充，從而提高水分利用效率。

根據(jù)番茄種植農(nóng)藝要求，以及通過對(duì)日光溫室大棚中種植番茄進(jìn)行實(shí)地考察，番茄采用寬壟覆膜栽培模式，壟背上番茄雙行種植，壟型尺寸及番茄種植模式示意圖如圖1 所示。

圖1 番茄壟型種植模式示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of tomato ridge planting pattern

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

棚室電動(dòng)履帶式旋耕起壟一體作業(yè)機(jī)的溫室大棚作業(yè)環(huán)境決定了作業(yè)機(jī)具有輕便靈活、易于操作、省時(shí)省工的特點(diǎn)。通過對(duì)行走動(dòng)力底盤的分析，最終確定采用履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)；借鑒各種起壟裝置結(jié)構(gòu)和原理，設(shè)計(jì)適合溫室大棚等小地塊環(huán)境下番茄壟作種植的旋耕起壟工作部件；通過理論計(jì)算與仿真優(yōu)化分析，驗(yàn)證作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)的合理性與工作可靠性。

整機(jī)結(jié)構(gòu)為：作業(yè)機(jī)分為行走部件和作業(yè)部件，行走部件主要由車架、履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電池能源裝置、液壓懸掛裝置等組成，車架分為上下2 層，主要由槽鋼焊接而成，下層依次布置液壓系統(tǒng)散熱器、液壓油箱、行走驅(qū)動(dòng)橋，行走驅(qū)動(dòng)橋通過電池能源裝置為行走電機(jī)提供能源，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)履帶驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)；車架上層布置電池能源部件、液壓泵、液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液壓閥組以及駕駛操作臺(tái)等。電池能源部件為液壓系統(tǒng)提供能源，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)液壓泵，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，在液壓閥組的控制下將高壓液壓油傳遞給旋耕液壓馬達(dá)和液壓油缸。行走部件通過液壓懸掛裝置連接工作部件，通過提升液壓油缸和俯仰液壓油缸調(diào)整工作部件的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)工作部件的姿態(tài)在工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)場狀態(tài)下根據(jù)工作需要進(jìn)行調(diào)整。工作部件由旋耕裝置、起壟成型裝置、液壓馬達(dá)、齒輪箱等組成，通過液壓馬達(dá)帶動(dòng)齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)來帶動(dòng)旋耕刀輥旋轉(zhuǎn)，將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，將土壤打碎；將打碎后的土壤起壟成型并完成覆膜作業(yè)，達(dá)成作業(yè)要求。作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 A schematic view of the whole structure

表1 整機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Machine technical parameters

2 履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 行走機(jī)構(gòu)方案確定

履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)的合理性直接影響著作業(yè)機(jī)的工作性能，履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)采用“三輪一帶”行走結(jié)構(gòu)方式，由履帶、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、張緊裝置、履帶架等結(jié)構(gòu)組成，其作用是支撐整機(jī)的重量，并通過履帶將驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妆P在地面上的行駛運(yùn)動(dòng)，是作業(yè)機(jī)的關(guān)鍵動(dòng)力源部件，主要承受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的沖擊和載荷。履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)在履帶前端設(shè)置有導(dǎo)向輪，為了增強(qiáng)作業(yè)機(jī)的越障能力，前端的導(dǎo)向輪高于其它負(fù)載輪，產(chǎn)生一定的越障角，導(dǎo)向輪具體安裝位置應(yīng)根據(jù)越障角大小而定，另外，導(dǎo)向輪也起到張緊作用，在盡量保證履帶式底盤緊湊的情況下，保證作業(yè)機(jī)的正常作業(yè)。后端的驅(qū)動(dòng)輪高于其它負(fù)載輪，產(chǎn)生了一定的離去角，可使履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)更緊湊，增強(qiáng)該作業(yè)機(jī)的行駛穩(wěn)定性。支重輪主要起到承受整機(jī)作業(yè)載荷、地面作用力以及整機(jī)重量的作用，因此支重輪布置在重心處，且布置4 個(gè)支重輪，增加與履帶的接觸面積，降低履帶單位面積接觸壓力，可有效提高履帶使用壽命，降低履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)因下陷過深而導(dǎo)致“誤車”的可能性，如圖3 所示。

圖3 履帶式行走機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of crawler walking mechanism

2.2 主要參數(shù)計(jì)算

一些重要參數(shù)受到很多制約條件的影響，同時(shí)也是履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)的研究過程中的重點(diǎn)，其結(jié)果直接影響整個(gè)行走機(jī)構(gòu)的綜合使用性能。

（1）履帶參數(shù)計(jì)算

履帶的接地長度l和履帶的寬度b是履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)主要參數(shù)，由傳統(tǒng)履帶底盤經(jīng)驗(yàn)公式可知，履帶接地長度l和履帶寬度b可通過下式［19］計(jì)算得到：

式中，m為整機(jī)滿載質(zhì)量。

結(jié)合棚室作業(yè)特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)要求，最終選用履帶接地長度l=800 mm，履帶寬度b=150 mm，選用履帶厚度為20 mm。

履帶接地比壓呈均勻分布狀態(tài)，稱為平均接地比壓，履帶平均接地比壓Pa由以下公式計(jì)算得到：

式中，m為整機(jī)滿載質(zhì)量，g 為重力加速度。

將上述履帶參數(shù)代入上式，由計(jì)算得到履帶平均接地比壓|Pa|=32.7 kPa，通常情況下履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)的接地比壓為0.03 ～0.05 MPa［20］，因此，設(shè)計(jì)的履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)具有較好的通過潮濕地面的能力，該作業(yè)機(jī)履帶的接地比壓設(shè)計(jì)合理。

履帶節(jié)距是影響履帶和驅(qū)動(dòng)輪的重要參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，履帶節(jié)距pj計(jì)算公式為：

將參數(shù)代入上式，按照履帶規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，選取履帶節(jié)距pj為60 mm。

（2）最大行駛阻力計(jì)算

作業(yè)機(jī)在坡道上行駛受力簡圖如圖4 所示，由分析可知，在坡道上行駛需滿足Ft≥Ff的條件，設(shè)定作業(yè)機(jī)具有20°的爬坡能力，該狀態(tài)下作業(yè)機(jī)行走阻力最大，因此在該狀態(tài)下，地面對(duì)履帶的滾動(dòng)阻力為f1

保定地區(qū)處于華北平原，土壤類型為輕壤土，根據(jù)表2 可知［20］，選擇沙壤土地，選取滾動(dòng)阻力系數(shù)a=0.08。將數(shù)據(jù)代入式（5）、式（6）中，可以得到 |f1|=589 N，|f2|=2 681 N，因此Ft≥Ff=3 270 N。

圖4 作業(yè)機(jī)坡道行駛受力簡圖Fig.4 Simplified diagram of the working machine's slope driving force

表2 典型地面條件下滾動(dòng)阻力系數(shù)Table 2 Rolling resistance coefficient under typical ground conditions

2.3 通過性分析

履帶式底盤的通過性能主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是跨越壕溝的寬度和垂直障礙物的高度［21］。

（1）最大跨越壕溝寬度

履帶式底盤跨越壕溝的能力主要取決于跨越壕溝的寬度，跨越壕溝的寬度越大，履帶式底盤越障能力越強(qiáng)，根據(jù)履帶式底盤的行駛方式及相關(guān)參數(shù)，模擬出履帶式底盤跨越壕溝的分析模型［22］。可以分為以下2 種情況，履帶式底盤跨越壕溝過程示意圖如圖5 所示：

1）履帶式底盤在低速勻速行駛，不會(huì)墜入到溝道中。當(dāng)履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)的前支重輪觸碰到壕溝的另一側(cè)時(shí)，其質(zhì)心應(yīng)未越過近側(cè)溝道邊界線，如圖5(a)所示；當(dāng)履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)后支重輪離開溝道邊界線時(shí)，其質(zhì)心應(yīng)已經(jīng)越過溝道的近側(cè)邊界線，如圖5(b)所示，此時(shí)壕溝寬度為l1。

2）履帶式底盤在低速勻速行駛中，會(huì)墜入到溝道中。當(dāng)前支重輪尚未碰到壕溝的另一側(cè)時(shí)，其質(zhì)心處在近側(cè)溝道邊界線上，如圖5(c)所示；履帶式底盤繼續(xù)低速前進(jìn)，質(zhì)心越過近側(cè)溝道邊界線，履帶式底盤的前側(cè)因?yàn)橹亓Φ淖饔茫越鼈?cè)溝道邊界線與履帶交點(diǎn)處發(fā)生旋轉(zhuǎn)，前支重輪與溝道另一側(cè)接觸，如圖5(d)所示；此時(shí)履帶式底盤向上攀爬，越上溝道后繼續(xù)向前，當(dāng)質(zhì)心處于前側(cè)溝道邊界線，履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)的后支重輪處于后側(cè)溝道邊界線時(shí)，如圖5(e)所示，履帶式底盤可以越過壕溝，此時(shí)壕溝寬度為l2。

圖5 履帶式底盤跨越壕溝過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of the process of the tracked chassis crossing the trench

根據(jù)圖5 所示的幾何關(guān)系可知，履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)的最大跨越壕溝寬度分別為：

由上述分析并結(jié)合公式可知，l2大于l1，但是第2 種情況中底盤會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此在使用過程中，不宜跨過寬度超過l1的壕溝，不能跨過寬度超過的l2壕溝。

（2）最大越障高度

履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)的越障能力可以定義為其可順利通過垂直障礙物的最大高度，根據(jù)履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)的實(shí)際攀爬情況，可以將整個(gè)越障過程分為3 個(gè)階段［23-24］。第一階段，前導(dǎo)向輪與垂直障礙物接觸，如圖6(a)所示，履帶式底盤繼續(xù)前進(jìn)并隨后沿近壁側(cè)開始上升；第二階段，隨著導(dǎo)向輪的上升，主體質(zhì)心不斷升高，履帶式底盤緩慢前移時(shí)，底盤與地而的夾角逐漸增大，當(dāng)其質(zhì)心恰好在臺(tái)階邊緣線正上方時(shí)，履帶式底盤處于攀越垂直壁的臨界狀態(tài)，如圖6(b)所示；第三階段，履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)的質(zhì)心作用線越過垂直壁邊緣后，履帶式底盤重新回到水平面，履帶式底盤完成越障如圖6(c)所示。

圖6 履帶式底盤越障過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of tracked vehicle overcoming obstacles

3 基于離散元法的工作部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

土壤旋耕作業(yè)使得土粒具有大規(guī)模離散體群動(dòng)和變形的特點(diǎn)，并伴隨著剪切、破壞、流動(dòng)等特征，因此DEM 法適合研究旋耕刀作業(yè)切土、拋土等各種問題［25］。近年來，離散元法在土壤耕作領(lǐng)域發(fā)展較快，通過離散元法仿真有助于分析聯(lián)合作業(yè)機(jī)工作過程、優(yōu)化關(guān)鍵部件，同時(shí)能夠縮短研發(fā)周期。

3.1 土壤模型的建立

土壤中由于存在植物根須、農(nóng)作物殘留物及存活物等，其土壤顆粒間受力較為復(fù)雜，不同區(qū)域的土壤顆粒間受力也不相同。為了進(jìn)行工作部件作業(yè)仿真分析，將土壤中雜物去除，只存在土壤顆粒［26］。

（1）接觸模型的選取

EDEM 中適用于模擬旋耕土壤的模型為：Hertz-Mindlin(no slip)、Hertz-Mindlin with Bonding、Hertz-Mindlin with JKR Conduction。Hertz-Mindlin with Bonding 模 型 在Hertz-Mindlin(no slip) 模 型，基礎(chǔ)上，在顆粒之間加入了“膠黏劑”，使得顆?？梢责そY(jié)在一起，直到達(dá)到使黏結(jié)破裂的極限。因此確定土壤顆粒之間的接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding 模型。

耕作部件一般為鋼鐵，表面光滑且均質(zhì)，耕作部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)與土壤顆粒發(fā)生接觸碰撞。在接觸點(diǎn)位置發(fā)生微小的彈性形變，產(chǎn)生一定的重疊量來控制受力的大小。當(dāng)切向力大于靜摩擦力時(shí)，土壤顆粒在接觸面發(fā)生滑動(dòng)，在土壤顆粒運(yùn)動(dòng)中還存在滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其主要由切向力矩與滾動(dòng)摩擦力矩綜合決定。因此確定土壤與耕作部件之間的接觸模型為Hertz-Mindlin(no slip)。

（2）生成顆粒床

在進(jìn)行仿真時(shí)將土壤分為耕作層、犁底層，其深度分別為0 ～150 mm，150 ～250 mm。在軟件中建立長寬高分別為 2 400、1 800 和250 mm 的離散元虛擬土槽，仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)置［27-29］見表3。

為縮短仿真時(shí)間，提高效率，本文通過顆粒床的方式快速生成虛擬土槽土壤顆粒。分別創(chuàng)建并生成犁底層土壤顆粒Material Block 和耕作層土壤顆粒Material Block，其長寬高分別為200、300、100 mm 和200、300、150 mm，將生成的土壤顆粒Material Block 添 加 到EDEM 材 料 數(shù) 據(jù) 庫 中，按照犁底層土壤顆粒、耕作層土壤顆粒順序，從EDEM 材料數(shù)據(jù)庫中分別導(dǎo)出生成的2 層土壤顆粒Material Block，得到虛擬土槽土壤模型，生成顆粒數(shù)目為166 346 個(gè)，生成的土壤顆粒Material Block及虛擬土槽土壤模型如圖7 所示。

表3 EDEM 仿真相關(guān)參數(shù)Table 3 EDEM simulation related parameters

圖7 虛擬土槽土壤顆粒床Fig.7 Virtual soil trough soil particle bed

3.2 部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

在三維軟件Creo3.0 中建立旋耕起壟工作部件的三維模型，轉(zhuǎn)化為.stp 文件后導(dǎo)入到EDEM 軟件中，三維模型如圖8 所示。

圖8 EDEM 中旋耕起壟工作部件三維模型Fig.8 3D model of rotary cultivation ridge working parts in EDEM

3.2.1 起壟成型部件的優(yōu)化設(shè)計(jì) 旋耕刀輥在工作時(shí)，會(huì)將土壤向后甩動(dòng)，如果起壟成型部件離旋耕刀輥的距離過近，會(huì)導(dǎo)致大量土壤堆積，從而增大整機(jī)功耗，降低作業(yè)效果，對(duì)作業(yè)機(jī)的牽引能力要求較高；如果起壟成型部件距離旋耕刀輥過大的話，雖然避免了土壤堆積現(xiàn)象的發(fā)生，但是會(huì)使旋耕起壟工作部件的尺寸變大，從而不利于在溫室大棚等小地塊環(huán)境作業(yè)。因此，通過離散元法進(jìn)行旋耕刀輥不同轉(zhuǎn)速的情況下，對(duì)旋耕刀輥后土壤顆粒的堆積情況進(jìn)行仿真，可以為起壟成型部件的設(shè)計(jì)提供參考。

使用上節(jié)生成的虛擬土槽土壤模型，將旋耕刀輥導(dǎo)入到其中，將旋耕刀輥的位置定位在耕深 150 mm 位置處，設(shè)置仿真時(shí)間為旋耕刀輥旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間。仿真結(jié)束后，在旋耕刀輥旋轉(zhuǎn)半徑后依次建立5 個(gè)長寬高尺寸分別為100、1 300、500 mm的區(qū)域，添加質(zhì)量傳感器，分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)域內(nèi)的顆粒質(zhì)量。土壤顆粒質(zhì)量分布餅圖如圖9 所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4 所示。

表4 土壤顆粒質(zhì)量分布統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table of soil particle mass distribution

圖9 土壤顆粒質(zhì)量分布餅圖Fig.9 Pie chart of soil particle mass distribution

由圖9 可知，前3 個(gè)區(qū)域的顆粒量占比達(dá)到了92%，因此，起壟成型部件距離旋耕刀輥旋轉(zhuǎn)半徑后300 mm 即滿足要求，選用ⅠT245 旋耕刀的旋轉(zhuǎn)半徑為245 mm，因此，起壟成型部件距離旋耕刀輥軸在550 mm，即滿足要求。

現(xiàn)就起壟成型部件距離旋耕刀輥軸550、600 mm 處進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為140、160、180、200 r/min，前 進(jìn) 速 度 設(shè) 置 為0.4 m/s，仿 真時(shí)間設(shè)置為2 s，分別建立2 個(gè)Selection，類型為Geromtry bin，統(tǒng)計(jì)2 個(gè)區(qū)域內(nèi)顆粒的數(shù)量，第1 個(gè)Geromtry bin 設(shè)置其大小為480 mm×1 300 mm× 340 mm，統(tǒng)計(jì)旋耕刀輥在地面上區(qū)域的土壤顆粒數(shù)量，第2 個(gè)Geromtry bin 設(shè)置其大小為300 mm× 1 300 mm×340 mm，統(tǒng)計(jì)旋耕刀輥后到起壟成型部件之間區(qū)域的土壤顆粒數(shù)量，將得到的數(shù)據(jù)由Origlablab8.0 軟件繪制B 樣條曲線，如圖10 所示，參數(shù)與結(jié)果如下表5 所示。

圖10 不同參數(shù)下1、2 區(qū)域內(nèi)土壤顆粒數(shù)量對(duì)比曲線圖Fig.10 Comparison of soil particle numbers in areas 1 and 2 under different parameters

表5 起壟成型部件仿真參數(shù)與結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 5 Table of simulation parameters and results of ridge forming parts

從圖10(a)中可以看出，當(dāng)起壟成型部件距旋耕刀軸距離一定時(shí)，旋耕刀輥轉(zhuǎn)速越高，旋耕刀輥甩出的土壤顆粒能量越高，旋耕刀輥區(qū)域內(nèi)土壤顆粒數(shù)量越少，越不容易引起旋耕刀輥內(nèi)土壤顆粒的擁堵；當(dāng)增大起壟成型部件距旋耕刀軸距離時(shí)，土壤顆粒數(shù)量明顯降低，由此可見，適當(dāng)增大起壟成型部件距旋耕刀軸距離，對(duì)于減少旋耕刀輥區(qū)域土壤顆粒數(shù)量效果明顯。由圖10(b)可以看出，旋耕刀輥轉(zhuǎn)速的增加和增大起壟成型部件距離旋耕刀輥的距離，2 區(qū)域內(nèi)的土壤顆粒數(shù)量有所降低，雖然效果不是很明顯，但是增大體積后，顆粒數(shù)量同樣降低。由表中數(shù)據(jù)可以看出，2 區(qū)域顆粒占比降低明顯，降幅最大為4.027%，起壟成型部件所受水平阻力大大減小，最多減小了471.93 N，因此，將起壟成型部件距離旋耕刀輥軸距離調(diào)整為600 mm。

3.2.2 撥土轉(zhuǎn)板的優(yōu)化設(shè)計(jì) 旋耕部件在作業(yè)時(shí)，會(huì)將土壤顆粒向后拋出，不同的刀輥轉(zhuǎn)速，土壤顆粒拋出的高度等都不相同，旋耕起壟工作部件設(shè)計(jì)了1 個(gè)撥土轉(zhuǎn)板，利用一部分被拋出的土壤顆粒，通過撥土轉(zhuǎn)板的作用下，使土壤顆粒滑落在起壟后的鋪膜上，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋪膜的壓實(shí)。

使用EDEM 軟件，設(shè)計(jì)了1 組仿真實(shí)驗(yàn)，將旋耕刀輥前進(jìn)速度設(shè)置為0.4 m/s，旋耕刀輥轉(zhuǎn)速分別為120、140、160、180、200、220 r/min，通 過 仿真發(fā)現(xiàn)土壤顆粒在旋耕刀輥?zhàn)鳂I(yè)后的分布情況（圖11），主要分為以下四類：Ⅰ類是通過在旋耕刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下，跟隨旋耕刀輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，向上拋出，距離旋耕刀輥較近；Ⅱ類是被旋耕刀輥的帶動(dòng)下，向后拋出1 個(gè)類似于拋物線的曲線；Ⅲ類為在旋耕刀輥的帶動(dòng)下，拋出后的高度比Ⅱ類要低，土壤顆粒數(shù)量相對(duì)較多；Ⅳ類是在旋耕刀輥的帶動(dòng)下，拋出土壤顆粒高度最低，數(shù)量最大。

圖11 土壤顆粒分布情況示意圖Fig.11 Schematic diagram of soil particle distribution

由上述4 類土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)類型分析后，可得出，通過撥土轉(zhuǎn)板處的土壤顆粒主要是Ⅱ類土壤顆粒，因此，分別選取1.4 s 處，6 種不同轉(zhuǎn)速下仿真實(shí)驗(yàn)中Ⅱ類土壤顆粒的坐標(biāo)信息，在OriginLab8 中繪制B 樣條曲線，曲線如圖12 所示。

圖12 Ⅱ類土壤顆粒坐標(biāo)曲線圖Fig.12 Type Ⅱ soil particle coordinate curve

由圖12 中曲線可以得出，土壤顆粒被拋出的曲線斜率基本一致，拋出的高度以及距離只與旋耕刀輥轉(zhuǎn)速有關(guān)，旋耕刀輥轉(zhuǎn)速越快，土壤顆粒被拋出時(shí)初速度越大，沿著拋物線運(yùn)動(dòng)，被拋出土壤顆粒越高、越遠(yuǎn)。將圖中曲線分為3 類，Ⅰ類只包含1條曲線，在120 r/min 轉(zhuǎn)速下，土壤顆粒被拋出最低，最高高度在300 mm 左右，最高處距離旋耕刀甩出土壤顆粒處的距離在200 mm 左右；Ⅱ類區(qū)域包括了2 條曲線，分別是140、160 r/min，由圖中可以看出，曲線最高點(diǎn)高度在425 mm 左右，距離旋耕刀甩出土壤顆粒處的距離在300 mm 左右。Ⅲ類區(qū)域包含3 條曲線，分別是180、200、220 r/min，3 條曲線均經(jīng)過Ⅱ類中2 條曲線的最高點(diǎn)，因此，由圖中分析得到，撥土轉(zhuǎn)板的水平位置距離旋耕刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)軸550 mm，豎直方向上距離地面425 mm，在該位置上基本滿足要求。

土壤顆粒在撥土轉(zhuǎn)板作用下的運(yùn)動(dòng)過程示意圖如圖13 所示。圖中土壤顆粒為仿真中15 545 號(hào)顆粒，圖13(a)為土壤顆粒剛剛進(jìn)入時(shí)的狀態(tài)，圖13(b)為撥土轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)后與土壤顆粒剛剛接觸時(shí)的狀態(tài)，在接觸后，為圖13(c)所示，土壤顆粒受到撥土轉(zhuǎn)板的撥動(dòng)，改變了運(yùn)動(dòng)方向。

圖13 土壤顆粒在運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)板作用下的運(yùn)動(dòng)過程示意圖Fig.13 Schematic diagram of the movement process of soil particles under the action of a moving plate

該土壤顆粒的速度大小為2.37 m/s，速度方向如圖13（a）中所示，θ大小為34°，假設(shè)l1=l0，代入數(shù)據(jù)后，計(jì)算得到ω=270 r/min。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)棚室番茄種植農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了棚室電動(dòng)履帶式旋耕起壟一體作業(yè)機(jī)，通過對(duì)棚室作業(yè)環(huán)境的分析，確定采用履帶式底盤行走機(jī)構(gòu)，并對(duì)履帶參數(shù)、接地比壓、最大行駛阻力等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)履帶式底盤通過性進(jìn)行了分析。

（2）使用離散元方法對(duì)旋耕起壟工作部件進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)仿真對(duì)比試驗(yàn)，確定了起壟成型部件距離旋耕刀輥軸最小距離為550 mm，通過對(duì)旋耕刀輥轉(zhuǎn)速的調(diào)整，可知增大旋耕刀輥轉(zhuǎn)速，可以減少旋耕刀輥區(qū)域的土壤顆粒堆積，通過增大起壟成型部件距離旋耕刀輥軸的距離，起壟成型部件所受水平阻力大大減小，最多減小了471.93 N； 通過仿真實(shí)驗(yàn)分析土壤顆粒在旋耕刀輥后的分布情況，通過仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出撥土轉(zhuǎn)板的水平位置距離旋耕刀輥軸550 mm，豎直方向上距離地面425 mm 處，并通過計(jì)算得出撥土轉(zhuǎn)板的轉(zhuǎn)速為 270 r/min 滿足使用要求。