仿生分撥草防堵裝置的設計與試驗

2023-08-04 13:02:28朱惠斌白麗珍趙浩然馬世驁

干旱地區農業研究 2023年4期

朱惠斌,張旭,洪洋,白麗珍,趙浩然,馬世驁

(昆明理工大學現代農業工程學院,云南昆明 650500)

保護性耕作可以降低土壤的風蝕水蝕、改善土壤結構、蓄水保墑、增加土壤肥力,是一種節本增效的農業生產方式[1-4]。西南地區是中國三大玉米產區之一,前茬作物小麥秸稈粉碎覆蓋還田量大,保護性耕作模式下在秸稈覆蓋地進行少、免耕播種作業時,易發生殘茬纏繞,造成機器堵塞,降低播種作業質量及工作效率。因此,提高清秸防堵技術水平是保護性耕作少免耕播種機作業的關鍵[5-6]。

目前清秸防堵裝置按動力來源可分為主動式和被動式[7-8]：主動式清秸防堵裝置主要通過施加動力將秸稈高速切斷粉碎或者拋送到種溝兩側及后方,從而避免發生纏繞堵塞,其綜合防堵性能好,但結構復雜,功耗較大,因此主動式清秸防堵機具無法適應我國西南地區地塊較小且坡耕地較多的作業環境[9];被動式清秸防堵裝置主要使用圓盤式、星型除草輪式清秸部件等,依靠機具牽引力與地表秸稈摩擦力的共同作用完成撥拋防堵,其具有結構簡單、土壤擾動量小、功耗低等優點[10-11],此類裝置對坡耕地免耕播種機具有較好的適用性。近年來國內外學者對被動式清秸防堵裝置進行了一系列研究,趙淑紅等[12]設計了一種多功能集成式播種開溝器,采用典型的雙圓盤開溝裝置,此類防堵裝置在秸稈半量還田條件下作業質量較好,當秸稈覆蓋量過大時,因其對秸稈的拋送速度不足,清秸率降低,且圓盤的入土角為鈍角,要求機具具有較大重量;范旭輝等[13]設計了一種仿形爪式防堵清茬機構,運用撥禾行星輪原理,在雙圓盤開溝器基礎上設計了星型輪爪式撥草輪,可同時完成秸稈殘茬的撥動以及側向分離;劉正平等[14]設計了一種從動型旋轉齒盤分草裝置,對星型輪爪式清秸部件進行了優化,配合設計分草柵條工作,進一步提高了撥草及分草性能。但由于機具結構的限制,上述清秸防堵裝置仍存在作業穩定性差、撥離速度不足、漏清、秸稈回流等問題,清秸防堵能力有限。

本文基于仿生學原理,結合免耕播種機清秸防堵裝置的工作原理與白星花金龜(Potosiabrevitarsis)前、后肢在秸稈層中的撥草、分草機理,在結構形態仿生的基礎上進行運動形態仿生[15-16],設計一種仿生爪式撥草輪、分草擋板、分草柵條相結合的分撥草防堵裝置,通過理論分析確定仿生分撥草防堵裝置的主要結構參數,通過離散元仿真試驗獲得最佳作業參數組合,并進行田間試驗驗證,以期為高性能免耕播種機清秸防堵裝置的研究和發展提供參考。

1 仿生分撥草防堵裝置的設計

1.1 整機結構與作業原理

仿生分撥草防堵裝置通過U型螺栓安裝于免耕播種機機架上,隨播種機的前進進行分撥草開溝防堵作業(圖1)。機器前進過程中,仿生撥草輪輪爪插入秸稈層中,在拖拉機牽引力與地表秸稈層摩擦阻力形成的力偶作用下向后轉動,將秸稈撥起并向側后方拋出。隨后仿生分草擋板將秸稈進一步向兩側分流,同時由仿生分草柵條增大秸稈的流動性。

1. 限深輪;2. 機架;3. 肥箱;4. 種箱;5. 懸掛裝置;6. 仿生分撥草防堵裝置1. Depth limiting wheel; 2. Rack; 3. Fertilizer box; 4. Seed box;5. Suspension device; 6. Biomimetic shifting and diffluence straw anti-blocking device

1.2 仿生曲線的提取

本文以白星花金龜為仿生對象,作為一種長期生活在玉米、小麥等秸稈層中的鞘翅目昆蟲,白星花金龜前后肢對禾本類植物具有較高效的撥動分離能力,其在秸稈中爬行時,一對前肢呈“八”字型由前向后運動,將秸稈向側后方撥離,后肢隨后繼續完成秸稈的分流,前后肢運動的清秸作用與免耕防堵開溝裝置相似[17],以此為啟示,借助工程仿生技術手段和方法,設計仿生撥草輪、分草擋板、分草柵條,期望提高此類裝置的秸稈清除率和防堵塞能力。

1.2.1 白星花金龜前后肢結構輪廓曲線的提取提取白星花金龜前、后肢輪廓結構曲線分別作為仿生撥草輪爪和仿生分草擋板輪廓線[18-19]。曲線獲取過程如下:將白星花金龜前、后肢置于XTL-165型連續變倍體視顯微鏡下觀察,不斷調焦使圖像清晰,前、后肢樣品調整至最佳位置后分別截圖保存[20],所得輪廓結構如圖2所示。

使用Matlab軟件的rgb2gray、imerode、imdilate、im2bw、Imfill、edge函數命令對圖2的輪廓進行處理,使其由原始圖像轉換為二值圖像,得出結構曲線輪廓的坐標點[20-23]。采用二階拉普拉斯-高斯邊緣提取算法將輪廓的坐標點繪制成邊界圖,所得結構完整,與原圖基本一致。邊界輪廓如圖3所示。

依據設計需求將前肢內、外邊界輪廓曲線和后肢外邊界輪廓曲線使用Origin軟件分別擬合,曲線方程的擬合優度決定了仿生設計精度與加工難度,精度過低,仿生設計不可靠;精度過高,則會增加機具的加工難度。經多次擬合對比,將前肢外、內結構輪廓曲線擬合為最小二乘法五次多項式分別為y1、y2,將后肢外結構輪廓曲線擬合為最小二乘法七次多項式y3,擬合優度R2分別為0.95975、0.85285和0.99502,說明擬合程度較高。多項式方程如下:

y1=-916.46716+21.78817x-0.13697x2+

4.29792×10-4x3-6.71029×10-7x4+

4.13408×10-10x5

(1)

y2=93.63063+3.77977x-0.01874x2+5.45324×

10-5x3-9.34981×10-8x4+6.7427×

10-11x5

(2)

y3=459.48669-27.47246x+1.09975x2-0.02206x3+

2.50725×10-4x4-1.63085×10-6x5+

5.63525×10-9x6-7.9926×10-12x7

(3)

利用Origin軟件將擬合函數繪制在直角坐標系中,獲得輪廓曲線與擬合曲線對比圖以及殘差分布圖,如圖4、圖5所示,擬合曲線與原始輪廓基本一致,殘差值均勻隨機分布于0值兩側,且無異常點,擬合情況良好。

圖4 白星花金龜前、后肢邊界輪廓曲線與擬合曲線對比圖

圖5 白星花金龜前、后肢擬合曲線殘差圖

1.2.2 白星花金龜后肢運動軌跡曲線的提取白星花金龜實際行進過程中后肢做空間運動,而前述獲取的后肢內外輪廓結構曲線僅可用于靜態結構仿生,為了進一步還原白星花金龜的運動狀態,提高分草擋板的分草清秸效果,提取白星花金龜后肢根部、中部及尾部3點(如圖2所示,見325頁)動態運動軌跡曲線并設計分草柵條應用于仿生分草防堵裝置上。使用高速攝像機拍攝記錄白星花金龜的運動過程,利用高速視頻目標跟蹤測量軟件V 1.0,通過白平衡、亮度對比度調節、透視、畸變矯正對拍攝的后肢運動視頻進行圖像處理,以白星花金龜后肢根部、中部及尾部上3點為運動初始點進行跟蹤[19],按照上述相同方法使用Matlab軟件處理圖像,得出選定目標的運動軌跡如圖6所示。

將上述曲線使用Origin軟件分別擬合,經多次擬合比較,確定后肢3個點位運動軌跡曲線擬合為最小二乘法七次多項式,根部、中部及尾部擬合曲線分別為y4、y5和y6。擬合優度R2分別為0.98660、0.97938和0.97311,擬合程度較高。多項式方程如下:

y4=111.33972-0.16936x-0.0027x2+3.08872×10-5x3-1.75971×10-7x4+6.07712×10-10x5-1.18327×10-12x6+9.6257×10-16x7

(4)

圖6 白星花金龜后肢3 個點位運動軌跡

y5=90.14843-0.09003-0.0027x2+1.38998×10-5x3+3.98935×10-8x4-4.58713×10-10x5+1.14763×10-12x6-9.19282×10-16x7

(5)

y6=73.15929-0.01338x-0.00342x2+1.86646×10-5x3+2.39678×10-8x4-4.45859×10-10x5+1.19097×10-12x6-9.8802×10-16x7

(6)

利用Origin軟件將擬合函數繪制在直角坐標系中獲得原運動軌跡與運動軌跡擬合曲線對比圖以及殘差分布圖,如圖7、圖8所示,擬合曲線與原始軌跡基本一致,殘差值均勻隨機分布于0值兩側,且無異常點,擬合情況良好。

1.3 仿生分撥草防堵裝置的設計與建模

通過對白星花金龜肢、后肢輪廓結構以及后肢運動軌跡進行量化分析,根據擬合曲線構建了仿生分撥草防堵裝置的三維模型。如圖9所示,仿生分撥草防堵裝置主要由鏟式開溝器、固定支臂、仿生撥草輪、仿生分草擋板、仿生分草柵條、擋板偏角調節裝置等部分組成,其中撥草輪輪爪輪廓線為y1、y2曲線,分草擋板輪廓線為y3曲線,分草柵條輪廓線分別為y4、y5、y6曲線投影于分草擋板外側面上形成,共4組均分布于仿生分草擋板外側面上。2個仿生撥草輪通過轉軸呈“八”字型安裝于固定支臂上,固定支臂與鏟式開溝器支架相連接,擋板偏角調節裝置由與開溝器支架相連接的固定支架、固定圓環、固定板組成;2個仿生分草擋板與開溝器支架鉸接,并通過固定圓環與擋板偏角調節裝置相連接,仿生分草柵條焊接于仿生分草擋板外側面。

1.4 運動學分析與結構參數

仿生撥草輪設置有運動偏角,隨機器前進作業時,輪爪作復合運動[14]。以仿生撥草輪與地面接觸點為坐標原點,x軸和y軸分別平行、垂直于撥草輪盤平面,xoy面水平,z軸垂直于xoy面,建立坐標軸如圖10所示。

任一仿生撥草輪爪頂點的運動軌跡方程為:

(7)

式中,v為機具前進速度(km·h-1);δ為撥草輪盤運動偏角(°);ω為撥草輪盤角速度(rad·s-1);R為撥草輪盤的半徑(mm)。

繪制任一仿生撥草輪爪頂點的運動軌跡,并將zoy面展開,如圖11所示。由圖11可知,頂點運動軌跡為空間螺旋線,此時可將其運動分解為從a點到b點的純滾動和從b點到c點的平移運動,從xoy面內的運動軌跡投影可以看出,撥草輪爪的頂點有比較明顯的橫向移動,即對秸稈有側方向的推動作用。當運動偏角δ增大時,相同作業行程內x方向運動距離減小,y方向運動距離增大,即對秸稈的側向推動作用增強,向后撥動作用減弱;當運動偏角δ減小時,對秸稈的側向推動作用減弱,向后撥動作用增強。

圖7 原運動軌跡與運動軌跡擬合曲線對比

圖8 擬合運動軌跡曲線的殘差

1. 鏟式開溝器;2. 仿生撥草輪;3. 仿生分草擋板;4. 固定支臂;5. 擋板偏角調節裝置1. Hoe opener; 2. Bionic grass wheel; 3. Bionic dividing baffle; 4. Fixed arm; 5. Baffle angle adjustment device

圖10 仿生撥草輪盤運動分析簡圖

圖11 仿生撥草輪爪上任一頂點的運動軌跡

仿生分撥草裝置中兩撥草輪盤的交匯點高度h(圖12)是影響撥草清秸效果的重要指標之一,當h值過小時,秸稈會從交匯點上方進入兩撥草輪盤中間并造成堵塞;當h值過大時,兩撥草輪在前下方秸稈層位置空間過大,會導致中間秸稈遺漏。為增強撥離作用,通常使h略小于或等于秸稈層的覆蓋高度。小麥秸稈留茬粉碎覆蓋還田后,碎秸稈覆蓋高度約為50～100 mm,并且秸稈層流動性較差,為滿足作業要求,本設計選取交匯點高度h=80 mm。

圖12中,H為秸稈層的覆蓋高度(mm);e為2個仿生撥草輪盤撥草交匯點,h為仿生撥草輪盤的交匯點高度(mm);f為幅寬定義點,d為工作幅寬(mm);δ為運動偏角(°)。

由圖12得出仿生撥草裝置工作幅寬d的計算公式為:

(8)

式中,L為e點到f點的長度(mm)。

為滿足農藝要求,選取工作幅寬d=200 mm,且為滿足機具實際的工作要求,應保證H-R

撥草輪爪的數量N也是影響作業效果的重要參數,N過大會增加輪爪插入秸稈層的難度,N過小則連續撥草作業需要的轉速過大。參照多齒撥草星輪的設計,輪爪數量一般為9～15個。按照1∶1比例繪制仿生撥草輪盤工作示意圖,如圖13所示,為使撥草輪盤能在秸稈層中能穩定地連續不斷進行撥草作業,當秸稈覆蓋高度較小時,應保證優先工作區覆蓋高度S內至少有2個以上的撥草輪爪同時工作,選取仿生撥草輪爪數量為13且均勻分布。

2 分撥草防堵裝置離散元仿真

2.1 DEM模型

在EDEM軟件中生成三維尺寸為2 000 mm×400 mm×400 mm的虛擬土床以及厚度為70 mm的秸稈層模型,采用三維建模軟件Solidworks對仿生分撥草免耕防堵裝置按照1∶1的尺寸比例進行仿真三維建模,以“.x_t”格式導入離散元仿真軟件中,顆粒間接觸模型為Hertz Mindlin with JKR接觸模型[24-26],進行清秸防堵仿真(圖14,見325頁)。

2.2 仿真優化試驗

為獲取仿生分撥草裝置工作的最優參數組合,以仿生撥草輪入土深度T(A)、機具的前進速度v(B)以及分草擋板的偏角α(C)為試驗因素,種帶的清秸率Y作為試驗指標,采用Box-Behnken試驗優化設計方法,進行二次回歸正交組合離散元仿真優化試驗。試驗因素編碼如表1所示,試驗方案與結果如表2所示。

2.3 試驗結果與分析

通過Design-Expert軟件對試驗結果進行回歸分析,如表3所示。影響試驗指標清秸率Y的主要因素依次是分草擋板偏角C、機具前進速度B、入土深度A。清秸率Y的試驗模型極顯著(P<0.01)。機具前進速度B、分草擋板偏角C、入土深度的二次項A2、機具前進速度的二次項B2、分草擋板偏角的二次項C2對清秸率Y存在極顯著影響(P<0.01),入土深度與分草擋板偏角的交互項AC、機具前進速度與分草擋板偏角的交互項BC對清秸率Y存在顯著影響(0.01

圖12 仿生撥草輪盤結構示意圖

圖13 仿生撥草輪盤圖

表1 試驗因素編碼水平表

Y=92.99+0.28A+0.39B+1.11C+0.34AC-

0.47BC-1.48A2-1.51B2-1.55C2

(9)

通過上述回歸模型的失擬性檢驗,可知P=0.0651>0.05,失擬項不顯著,不存在其他影響指標的主要因素存在,試驗指標與試驗因素存在顯著的二次型關系,并且決定系數與校正后的決定系數均接近于1,變異系數小于5%,信噪比大于4,說明回歸方程的可信度、精確性、合理性高,回歸模型的預測值對試驗值有較高的擬合水平。

利用Design-Expert軟件,固定3個因素中的一個因素為零水平,通過響應曲面法分析其他兩個因素對試驗指標的影響和交互作用,繪制自變量與響應值(清秸率)的三維響應面圖(圖15)。

(1)固定C因素取0水平(30°)時,A因素和B因素對清秸率Y的影響可表示為:

Y1=92.99+0.28A+0.39B-1.48A2-1.51B2

(10)

如圖15a所示,機具前進速度一定時,清秸率隨撥草輪入土深度的增加先增大后減小;撥草輪入土深度一定時,清秸率隨機具前進速度的增加同樣先增大后減小。同時機具前進速度增加時,清秸率隨撥草輪入土深度變化的速率緩慢降低。撥草輪入土深度為9～11 mm,機具前進速度為4.0～4.5 km·h-1時,清秸率較高。

(2)固定B因素取0水平(4 km·h-1)時,A因素和C因素對清秸率Y的影響可表示為:

Y2=92.99+0.28A+1.11C+0.34AC-

1.48A2-1.55C2

(11)

如圖15b所示,分草擋板偏角一定時,清秸率隨撥草輪入土深度的增加先增大后減小;撥草輪入土深度一定時,清秸率隨分草擋板偏角的增加同樣先增大后減小。同時分草擋板偏角增加時,清秸率隨撥草輪入土深度變化的速率降低。撥草輪入土深度為9～11 mm,分草擋板偏角介于33°～39°時,清秸率較高。

(3)固定A因素取0水平(10 mm)時,B因素和C因素對清秸率Y的影響可表示為:

表2 Box-Behnken試驗設計及結果

Y3=92.99+0.39B+1.11C-0.47BC-

1.51B2-1.55C2

(12)

如圖15c所示,分草擋板偏角一定時,清秸率隨機具前進速度的增加先增大后減小;機具前進速度一定時,清秸率隨分草擋板偏角的增加同樣先增大后減小。同時分草擋板偏角增加時,清秸率隨機具前進速度變化的速率快速降低。機具前進速度為3.8～4.5 km·h-1,分草擋板偏角介于30°～36°時,清秸率較高。

以清秸率最大為尋優指標,通過Design-Expert軟件中的Optimization模塊對回歸模型進一步優化求解,其中約束條件為:

(13)

從優化結果中選取一組優化方案作為最優參數組合,即當撥草輪的入土深度T為11 mm、前進速度v為4 km·h-1、分草擋板的偏角α為35°時,清秸防堵裝置作業性能最理想,此時的清秸率為93.2253%。

表3 方差分析表

圖14 仿真作業過程

圖15 各因素對清秸率影響的響應曲面

3 田間試驗

3.1 試驗條件與儀器設備

圖16 田間試驗現場

試驗于2020 年9月7日在云南省昆明理工大學呈貢校區保護性耕作試驗田(24°51′N,102°51′E,海拔1 892 m)進行,如圖16所示,試驗期間日平均氣溫為16.5～23.6℃,試驗區域為60 m×5 m坡地,土壤類型為紅壤土,土壤容重、含水率及堅實度過高或過低都會減弱撥草輪的被動轉動,試驗地土壤的物理性質如表4所示。前茬作物小麥種植行距為200 mm,收獲后全量覆蓋還田,小麥秸稈平均長度為118 mm,秸稈含水率為14.6%,地表留茬高度為5～10 mm,平均殘茬(地表以上小麥秸稈及根茬的總稱)覆蓋率為88.3%,平均殘茬覆蓋量為0.636 kg·m-2,試驗條件滿足《中免(少)耕施肥播種機試驗準備》(GB/T20865—2017)的規定。試驗主要設備:黃海金馬304型拖拉機、SC-900土壤緊實度儀、環刀、烘箱、手持便攜式氣象站、JE502型電子天平。

3.2 試驗指標與方法

根據《免耕播種機質量評價技術規范》及農業部農機鑒定總站免耕播種機性能檢測要求[27-30],將仿生分撥草防堵裝置單體安裝于播種機上,以上述最優作業參數進行田間試驗,測試內容為播種機通過性、實際清秸率、土壤擾動量。

在一個試驗行程中間隔5 m選取10個測試點觀察防堵裝置的堵塞程度,按照無、輕微、中度、重度堵塞4個標準進行記錄,無堵塞或發生一次輕微堵塞為合格。使用臺式電子秤測量分撥草免耕防堵裝置工作前后測試點中秸稈質量,計算實際清秸率γ,計算公式為式(14),γ值越大越好。測量出實際開溝寬度,取播種行距Z為600 mm,算出土壤擾動量η,計算公式為式(15),η值越小越好。

(14)

式中,γ為實際清秸率(%);M為作業前測試點秸稈質量(kg);m為作業后測試點秸稈質量(kg)。

(15)

式中,η為土壤擾動量(%);W為實際開溝寬度(mm);Z為播種行距(mm)。

3.3 試驗結果與分析

種帶的實際清秸率、土壤擾動量測定結果如表5、表6所示,實際作業中只在一個測試點發生輕微堵塞,整機的通過性良好;各測試點土壤擾動量測定值較為均勻,平均土壤擾動量為20.00%,滿足檢測要求;已知目前同類型被動式破茬防堵機構秸稈清除率介于50%～80%,主動式破茬防堵機構秸稈清除率為90%左右,本設計的平均實際秸稈清除率為90.58%,略低于仿真試驗結果,清秸防堵效果較好。并且實際秸稈清除率和土壤擾動量變異系數均較小,分別為1.20%和5.30%,證明機器的工作穩定性較好。