果园开沟施肥机开沟器设计与试验*

杨欣伦，王加一，杨健，赵立军，李强

(1. 成都农业科技职业学院,成都市,611130; 2. 潍柴雷沃智慧农业科技股份有限公司,山东潍坊,261200; 3. 重庆文理学院智能制造工程学院,重庆市,402160)

0 引言

果园开沟施肥机能够为果园中耕松土、施加肥料,加速果树的生长发育,为果实的成长提供必要的养分[1-3]。果园常用的施肥方式有果树树干涂施肥料、果树叶喷肥、土壤深层施加肥料、土壤浅层施加肥料[4-6]。土壤深层施肥是果园最主要的施肥方式[7-8],而在土壤深层施肥作业中,开沟器作为核心部件之一,对于开沟施肥的质量起到至关重要的作用。

国内外学者在开沟施肥机的研究方面对开沟器进行了重点研发,Penner等[9]设计并研究了旋转式开沟器,Saeya等[10]对链式开沟器控制系统进行了设计。从20世纪中叶到21世纪初形成了以铧式犁开沟器、旋转式开沟器、链式开沟器为主的开沟方式[11]。国外对于开沟器的研发主要以企业为主,美国的公司开发了履带式、轮胎式系列的开沟机[6]。我国对于开沟施肥机的研究主要以高校为主,王京风等[11]设计了微型遥控果园开沟施肥机,遥控可控制开沟器进行深度达50 cm的开沟作业。姜建辉[12]设计了可调式振动深施机,其以振动的方式实现降耗减阻,最大开沟深度能够达到50 cm。魏子凯[13]设计了一种山地果园挖穴施肥覆土机,采用挖穴的方式最大可实现40 cm的挖穴施肥。

我国果园施肥开沟技术已经取得部分成果,但依然存在开沟阻力大、功耗高、动土量大等缺陷。鉴于此,本文针对现有果园开沟施肥机开沟器功耗高、动土量大等问题,对开沟器开展研究,运用正交试验对其结构参数进行优化确定。

1 开沟器设计

1.1 总体结构

本文重点设计应用于果园开沟施肥机的开沟器,其能够实现单独开沟、旋耕及除草等作业,属于小体积、低重心型开沟器,可在不同地形和土质的果园进行作业,其目的是开沟松土,为后续的施肥作业提供必要的条件。开沟器随同整机前进作业的同时绕自身旋转轴旋转,三维模型如图1所示,作业参数如表1所示。

图1 三维模型图Fig. 1 3D model diagram

表1 果园开沟施肥机开沟器主要参数Tab. 1 Main parameters of furrow opener of orchard ditching machine

1.2 受力分析与刃口参数

1.2.1 开沟器受力分析

果园开沟施肥机开沟器作业时,其运动为慢速平动伴随较快速转动,对果园开沟施肥机开沟器作业状态进行受力分析时,忽略其慢速平动,开沟器受力分析如图2所示。开沟器在其刃口的法方向受到土壤颗粒对其反作用支持力FN,同时在刃口的切向上(与开沟器刃口的运动方向相反)受到土壤颗粒的反向作用力FT。在垂直方向上分别受土壤的支持力N以及自身的重力G1′,作业状态理想化N与G1′平衡。α为开沟器的入土角。

图2 开沟器作业状态受力分析图Fig. 2 Force analysis diagram of operation of ditching applicator

根据图2可知

Ff=FT+μFN

(1)

式中:Ff——果园开沟施肥机开沟器作业时的耕作阻力,N;

μ——果园开沟施肥机开沟器与土壤间的摩擦因数。

果园开沟施肥机开沟器作业时,由于作业速度较低,开沟器主要靠刃口的砍切作用进行切土,其受到的耕作阻力基本垂直于刃口方向,因此旋转式开沟器的耕作阻力并非影响其前进方向,而是增大了开沟器切割土壤时的扭力偶矩,故刃口的旋转半径、刃口所受阻力决定了发动机功耗。

1.2.2 刃口参数初步确定

功耗高低能够评价开沟器的作业性能,而在旋转式开沟器作业过程中,耕作阻力和旋转半径主要影响着功耗,果园开沟施肥机开沟器作业时,单片叶片的耕作阻力随着开沟器的旋转方向时刻变化,整个开沟器设计为4片叶片,各叶片相对中轴的间隔角度为90°,作业时各位置相对平衡,因此整体开沟器前进方向的耕作阻力理论上基本一致,除与作业工况有关外,主要受刃口和叶片影响,刃口切削土壤,叶片运送、抛撒,故刃口的结构参数较大地影响了果园开沟施肥机开沟器的耕作阻力。根据设计经验,刃口的长度取值范围为100～110 mm(合理的旋转式开沟器旋转半径条件下),刃口的宽度取值范围为30～50 mm(合理的旋转式开沟器旋转半径条件下),厚度设计为4 mm,材料确定为65 Mn钢。为了实现降耗减阻,需对刃口长度和刃口宽度在试验中进行进一步地优化设计。

1.3 土壤受力分析与入土角确定

1.3.1 土壤受力分析

对开沟器作业时的土壤颗粒进行受力分析,以单粒土壤颗粒为分析对象,将土壤颗粒理想化为质点,其受到重力G、开沟器对其的法向作用力fn、切向作用力ft以及周围土壤颗粒施加的摩擦力f,受力状态如图3所示。

图3 土壤受力分析图Fig. 3 Force analysis diagram of soil

开沟器作业时,对土壤颗粒建立微分方程,如式(2)、式(3)所示。

(2)

(3)

式中:m——土壤颗粒的质量,kg。

其中:ft=μfn。

式(2)、式(3)对时间求解积分,可得土壤颗粒在x轴、z轴方向的速度方程,如式(4)、式(5)所示。

=[fn(μcosα-sinα)-fcosα]t+C1

(4)

=[fn(cosα-μsinα)+fsinα]t+C2

(5)

式中:vx——土壤颗粒在x轴方向的速度,m/s;

vz——土壤颗粒在z轴方向的速度,m/s;

C1、C2——积分常数。

式(4)、式(5)对时间求解积分,可得土壤颗粒在x轴、z轴方向的位移方程,如式(6)、式(7)所示。

(6)

(7)

式中:sx——土壤颗粒在x轴方向的位移,m;

sz——土壤颗粒在z轴方向的位移,m;

C3、C4——积分常数。

总位移

(8)

其中,土壤颗粒在x、z方向的位移与土壤颗粒受到的法向力fn、摩擦力f、土壤与开沟器的摩擦因数μ、入土角α有关。摩擦力主要由周围土壤及开沟器的作业参数决定;摩擦因数由土壤和开沟器的材料决定;法向力除与开沟器作业参数有关,还受开沟器结构影响,主要为开沟器刃口,由于初步设计刃口的长度取值范围为100～110 mm,刃口的宽度取值范围为30～50 mm,需要进一步对刃口参数确定。为了实现低扰减阻,需尽可能地降低开沟器对土壤的作用力,使土壤的总位移减小。

1.3.2 入土角参数初步确定

入土角增大,能够增强开沟器的入土能力,但会增加开沟器作业时的功耗,入土角减小会降低开沟器的功耗,但会增大开沟器入土的难度,基于1.3.1节分析的土壤总位移情况以及触土部件入土角的经验取值范围19°～23°[14]。初步确定果园施肥机开沟器的入土角取值范围为19°～23°。

2 优化与验证试验

为进一步确定果园开沟施肥机开沟器的主要结构参数,选择采用仿真的技术手段对开沟器的初步设计参数范围进行优化,并探究影响开沟器作业指标的主要因素,仿真软件采用EDEM 2018。

2.1 因素水平与指标确定

果园开沟施肥机开沟器的刃口长度、刃口宽度、入土角直接影响着开沟器作业的功耗与开沟质量,因此以开沟器刃口长度x1、刃口宽度x2、入土角x3为试验因素。以开沟器的功耗Y1和开沟器的土壤扰动横截面面积Y2为评价指标[15],采用3因素3水平正交试验方法[16],共实施9组试验。依据文献[16],确定本次仿真试验的试验因素以及试验水平编码表,如表2所示。

表2 试验因素水平编码Tab. 2 Coding levels and factors

2.2 指标测定方法

功耗是评价果园开沟施肥机开沟器的重要指标,其能直接影响发动机的耗油量,开沟器的功耗分为平动功耗和转动功耗[17]。

(9)

(10)

式中:W1——开沟器作业时的前进方向功耗,kW;

F——开沟器作业时的前进方向的耕作阻力,N;

vm——开沟器作业时前进速度,m/s;

W2——开沟器作业时的转动功耗,kW;

n——开沟器作业时的转速,r/min;

M——开沟器作业时的扭矩,N·m。

则果园开沟施肥机开沟器的总功耗

W=W1+W2

(11)

离散元软件EDEM 2018仿真后,在后处理模块直接输出开沟器在前进方向的耕作阻力F和开沟器的扭矩M即可计算出Y1。

仿真试验结束后,在EDEM 2018软件后处理模块中随机选取稳定开沟作业时的5组截面,测量其横截面面积并计算平均值,即可得到Y2。

2.3 仿真模型与模型参数确定

在EDEM 2018软件的前处理模块中,建立长1 000 mm、宽600 mm、高500 mm的几合体模型,如图4所示。在Catia V5软件中绘制果园开沟施肥机开沟器的三维图,保存为stp格式并导入EDEM 2018软件中。材料设定为65 Mn钢,密度设定为7 850 kg/m3,剪切模量为7.546×1010Pa,泊松比为0.3。设置土壤颗粒小球颗粒半径为4 mm,填满整个仿真模型。土壤生成时间为32 s,沉降1 s,仿真时间为1.5 s,开沟器前进速度为2 km/h,旋转速度为24 rad/s,平动伴随转动。依据离散元法的力学基础[18-19]以及壤土的性质,土壤颗粒与深松铲之间设定为Hertz-Mindlin(no slip)接触模型,土壤颗粒与土壤添加Hertz-Mindlin with bonding接触模型[18-21]来模拟果园土壤的板结与粘性。其他微观参数如表3所示。

图4 开沟器离散元仿真模型图Fig. 4 Simulation model of DEM of ditching applicator

表3 离散元仿真微观参数Tab. 3 Simulation of microscopic parameters of discrete element

2.4 仿真结果与分析

离散元仿真试验每种状态重复5次,取平均值为最终的评价结果。应用Design-Expert8.0.6试验设计软件,采用L9(34)正交表分析试验结果,试验结果与分析如表4所示。X、Y、Z分别为开沟器刃口长度x1、刃口宽度x2、入土角x3的因素编码值。

表4 正交试验结果与极差分析Tab. 4 Results of orthography experiment and range analysis

由表4可知各因素对功耗和土壤扰动横截面面积的影响情况。通过对试验结果的极差分析,得到影响功耗的主次因素顺序为Z、Y、X,各因素的最优水平分别为X2、Y2、Z2,则最优组合为X2Y2Z2。同理,影响土壤扰动横截面面积因素的主次因素顺序为Z、X、Y,各因素的最优水平分别为X3、Y2、Z2,则最优组合为X3Y2Z2。

2.5 显著性检验

对果园开沟施肥机开沟器的功耗和土壤扰动横截面面积进行显著性检验,检验结果如表5、表6所示。

表5 功耗方差分析Tab. 5 Power consumption variance analysis

表6 土壤扰动横截面面积方差分析Tab. 6 Variance of soil disturbance cross section area analysis

由表5可知,整个模型对果园开沟施肥机开沟器功耗的影响显著(0.01

由表6可以得到,整个模型对果园开沟施肥机开沟器土壤扰动横截面面积的影响显著(0.01

2.6 最优组合确定

根据果园开沟施肥机开沟器作业性能要求,采用综合加权评分法对2.4节的两组最优组合进行分析,确定尽可能地最优组合[22]。考虑到刃口宽度、刃口长度、入土角对功耗和土壤扰动横截面面积的重要程度,以100分作为总“权”,功耗和土壤扰动横截面面积各为50分,试验的综合加权结果如表7所示。

表7 综合加权结果Tab. 7 Result of integrated weight

通过表7分析得出刃口宽度、刃口长度、入土角对功耗和土壤扰动横截面面积影响的最优组合,各因素大小排列顺序为Z、X、Y,各因素最佳水平组合为X2Y2Z2,即刃口长度为105 mm、刃口宽度为40 mm、入土角为21°。

2.7 试验验证

田间试验选择在崇州农业园区(东经102°54′～104°53′,北纬30°05′～31°26′)进行,试验时间为2022年10月3日,试验地属于亚热带季风性湿润气候。具有春早、夏热、秋凉、冬暖的气候特点,年平均气温为16 ℃,年降雨量为1 000 mm左右。试验设备为CP188F微耕机,试验设备如图5所示。

图5 试验设备Fig. 5 Test equipment

将果园施肥机开沟器的结构参数加工为:刃口长度105 mm、刃口宽度40 mm、入土角21°,并对其进行田间验证试验,功耗的测试方法同文献[23],土壤扰动横截面面积的测试方法同文献[24]。每组试验20 m,试验区划分为5 m的加速准备区和5 m的减速停止区。正式试验测试区长度为10 m,因此每次试验数据为10 m试验的发动机平均功耗。试验重复5次,取平均值为最终的评价结果。

最终得到开沟器作业时的平均功耗为3.09 kW,平均土壤扰动横截面面积为9 531.21 mm2。两指标均低于正交试验的各组值,因此优化试验可靠性较强。当果园开沟施肥机开沟器的结构参数刃口长度为105 mm、刃口宽度为40 mm、入土角为21°时,开沟器的作业效果与作业性能均较优。

3 结论

1) 针对现有果园开沟施肥机开沟器作业过程中耕作阻力大、功耗高、动土量大等问题,设计了一种旋转式开沟器,结合理论分析与设计经验初步确定果园开沟施肥机的主要结构参数为:刃口长度100～110 mm,刃口宽度30～50 mm,入土角19°～23°。

2) 通过进一步对果园开沟施肥机开沟器实施离散元仿真正交试验,最终依据功耗确定了最优组合为入土角21°、刃口宽度40 mm、刃口长度105 mm,依据土壤扰动横截面面积确定最优组合为入土角21°、刃口长度110 mm、刃口宽度40 mm。同时正交试验结果显示影响功耗的主次因素顺序为:入土角、刃口宽度、刃口长度;影响土壤扰动横截面面积的主次因素顺序为:入土角、刃口长度,刃口宽度。

3) 最后采用综合加权评分法对两指标综合评价进行综合评分,得到最优组合为刃口长度105 mm、刃口宽度40 mm、入土角21°。田间验证试验得到此参数组合时,开沟器作业时功耗为3.09 kW,土壤扰动横截面面积为9 531.21 mm2,相对各组正交试验结果均较优,为果园开沟施肥机开沟器作业的性能和作业效果提供参考。