王金武 李 響 高鵬翔 那明君 王 奇 周文琪

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

我國胡蘿卜種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一位，但大多數(shù)地區(qū)的胡蘿卜收獲仍然采用人工與半機械化結(jié)合的收獲方式[1]。人工收獲勞動強度大、效率低，半機械化收獲經(jīng)濟成本高，因此無法滿足胡蘿卜規(guī)?；斋@要求。松土是胡蘿卜機械化收獲的重要環(huán)節(jié)，松土質(zhì)量直接影響前進阻力、漏拔率等技術(shù)指標。因此，提升胡蘿卜聯(lián)合收獲機松土鏟的作業(yè)性能是推進胡蘿卜機械化收獲的有效途徑。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對胡蘿卜聯(lián)合收獲機松土鏟鮮有研究。相關(guān)研究多對耕地部件深松鏟進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[2-4]，且主要針對深松鏟進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并未結(jié)合胡蘿卜生產(chǎn)模式及收獲農(nóng)藝要求研制專用松土鏟，常規(guī)深松鏟適應(yīng)性較差，影響機具作業(yè)質(zhì)量。

仿生學(xué)作為一門新興工程學(xué)科，已在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。張金波等[6]對小家鼠爪趾曲線進行擬合，設(shè)計了刃口為指數(shù)函數(shù)曲線型的減阻深松鏟，試驗表明，仿生設(shè)計可以顯著降低深松鏟的耕作阻力，有效提升松土部件的作業(yè)性能。

本文基于仿生學(xué)原理與部件-土壤間力學(xué)模型分析，設(shè)計一種高效減阻松土鏟。利用離散元法建立部件-土壤-作物多元仿真模型，結(jié)合試驗優(yōu)化和回歸分析等方法，探究松土鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)對胡蘿卜聯(lián)合收獲機松土鏟作業(yè)質(zhì)量的影響，以期解決胡蘿卜聯(lián)合收獲機松土鏟土壤擾動小、前進阻力大和漏拔率高等問題。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

胡蘿卜聯(lián)合收獲機松土鏟安裝位置位于帶輪正下方，由仿生鏟尖、松土鏟翼和破土鏟柄組成。破土鏟柄位于機具正下方與機架連接，松土鏟翼與仿生鏟尖位于帶輪正下方與鏟柄固接，如圖1所示。

圖1 高效減阻松土鏟結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of high efficiency drag reducing shovel1.仿生鏟尖 2.松土鏟翼 3.破土鏟柄 4.機架 5.清土輥 6.松土鏟 7.輸送梁 8.帶輪 9.扶禾器 10.土壤與胡蘿卜

工作時，整機由拖拉機牽引向前運動，松土鏟對胡蘿卜行間土壤進行擾動，降低胡蘿卜與土壤間的粘附作用。胡蘿卜通過扶禾器作用后旋轉(zhuǎn)處于直立狀態(tài)，并在輸送帶的作用下，向后方夾持輸送，完成胡蘿卜松土、挖掘和輸送作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 仿生鏟尖

通過對狗獾前爪趾結(jié)構(gòu)進行研究[7-9]，發(fā)現(xiàn)其爪趾尖部呈錐形，狗獾在挖掘土壤過程中，其爪趾的運動方式同松土鏟的工作過程極為相似。即以水平運動為主，通過爪趾的移動切碎土壤。因此，以狗獾爪趾作為研究對象，將爪趾相關(guān)曲線結(jié)構(gòu)應(yīng)用于松土鏟鏟尖的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

為精準擬合狗獾爪趾特征，基于逆向工程理論[10]，取狗獾前爪中指利用先臨三維公司生產(chǎn)的EinScan Pro 2x型非接觸式三維掃描儀進行掃描，如圖2所示。在掃描創(chuàng)建網(wǎng)格階段，對獲得的點云數(shù)據(jù)依次進行“采樣”、“平滑”和“雜點消除”處理，使得點云得到優(yōu)化進而得到更高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)[11]。在Geomagic Design X軟件中對優(yōu)化后的點云模型進行封裝和填孔得到狗獾爪趾三維模型，如圖3所示。

圖2 狗獾爪趾取樣掃描Fig.2 Sampling and scanning of badger claw

圖3 狗獾爪趾點云與三維模型Fig.3 Point cloud and 3D model of badger claw

為確定狗獾爪趾內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對狗獾爪趾內(nèi)側(cè)曲線進行提取[12]。首先，將狗獾爪趾三維模型導(dǎo)入SolidWorks軟件中，采用手動取點的方式按順序依次取點，如圖4所示，對每個點進行測量，獲得其點坐標數(shù)據(jù)，將所取得的點的位置坐標導(dǎo)入函數(shù)繪圖軟件Origin Pro中進行曲線擬合，得到爪趾內(nèi)側(cè)曲線的擬合方程

圖4 狗獾爪趾內(nèi)側(cè)擬合曲線Fig.4 Fitting curve of inner side of badger claw

(1)

擬合曲線決定系數(shù)R2=0.958 15。

為進一步探究仿生鏟尖減阻機理，分別以仿生鏟尖(圖5a)與鑿式鏟尖(圖5b)為例，對土壤-鏟尖進行力學(xué)對比分析，如圖6所示。

圖5 鏟尖結(jié)構(gòu)對比簡圖Fig.5 Comparison diagrams of shovel tip structure

圖6 土壤顆粒與松土鏟尖力學(xué)對比分析Fig.6 Comparative analysis of mechanics between soil particles and tip of shovel

以仿生鏟尖為例，當土壤顆粒接觸鏟尖表面時，存在相對速度v，其可以分解為切向速度v1與法向速度v2，法向速度v2全部轉(zhuǎn)化為阻力F1阻礙鏟尖向前運動，阻力F1又可分解為水平方向的水平阻力Fd1與豎直方向的垂直阻力Fv1，垂直阻力Fv1對鏟尖產(chǎn)生正壓力的同時也表現(xiàn)為鏟尖所受摩擦力，仿生鏟尖前進阻力Fj1由水平阻力Fd1和鏟尖所受摩擦力的水平分力Ff1組成。

(2)

(3)

Ff1=μ1Fv1sin2δ=μ1F1sin3δ

(4)

(5)

v2=vcosδ

(6)

其中m——顆粒質(zhì)量，kg

a——加速度，m/s2

v0——前進末速度，m/s

t——作用時間，s

δ——仿生鏟尖速度v與法向方向夾角，(°)

μ1——鏟尖與土壤間摩擦因數(shù)

由式(5)可知，μ1sin3δ遠小于cosδ，則式(5)可簡化為

(7)

同理鑿式鏟尖所受前進阻力Fj2表達式為

(8)

式中η——鑿式鏟尖速度v與法向方向夾角，(°)

當土壤顆粒開始接觸鏟尖時δ=η，隨著土壤顆粒沿鏟尖內(nèi)側(cè)滑動可得δ>η，即Fj1

根據(jù)計算結(jié)果，當松土鏟尖以相同的速度沖擊土壤顆粒，由于仿生鏟尖內(nèi)側(cè)曲線的特殊結(jié)構(gòu)形式，使得土壤顆粒水平初速度v在垂直接觸點切線方向的分速度所產(chǎn)生的阻力明顯小于鑿式鏟尖，因此，仿生鏟尖的土壤阻力要小于其它類型鑿式鏟尖。

將狗獾爪趾三維模型導(dǎo)入SolidWorks軟件中，進行等比放大，為保證其工作適應(yīng)性，根據(jù)胡蘿卜種植模式與生長特性，并參考現(xiàn)有松土鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)及入土角，放大倍數(shù)選取10倍，松土鏟入土角γ=25°。此時，入土高度d1=97.8 mm，入土寬度d2=68 mm。

2.2 松土鏟翼

鏟翼可以增加土壤擾動范圍[13-14]，減小胡蘿卜拔取力，但增加鏟翼后松土鏟前進阻力明顯升高。為探究鏟翼結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)，建立鏟翼與土壤間力學(xué)接觸模型，對鏟翼進行受力分析。在鏟翼表面任意一點建立空間直角坐標系Oxyz，y軸為松土作業(yè)時鏟翼前進方向，z軸為豎直方向，x軸為水平面內(nèi)與y軸垂直方向。分析鏟翼與土壤顆粒接觸時的受力情況，包括鏟翼受到的土壤支持力N(與z軸夾角為90°-α/2)、鏟翼受到的土壤摩擦力f(在yz平面上)和其自身重力G。鏟翼受到的合力即為鏟翼前進阻力Fy，方向與其前進方向相反。如圖7所示，可得平衡方程

(9)

f=μ2N

(10)

(11)

將式(9)和式(10)代入式(11)得

(12)

式中μ2——鏟翼與土壤間摩擦因數(shù)

α——鏟翼開角，(°)

β——鏟翼傾角，(°)

圖7 鏟翼力學(xué)分析Fig.7 Mechanical analysis of shovel wing

由式(12)可知，松土鏟翼前進阻力Fy與鏟翼開角α、鏟翼傾角β有關(guān)，后文將通過EDEM仿真試驗探究其最優(yōu)參數(shù)組合。

2.3 破土鏟柄

鏟柄刃口曲線上任意一點的法線與該點運動速度方向之間的夾角定義為滑切角，而滑切作用的大小主要取決于滑切角的選取[15-16]，對鏟柄進行力學(xué)分析，如圖8所示。

圖8 鏟柄滑切力學(xué)分析Fig.8 Stress analysis of sliding cutting of shovel handle

鏟柄的設(shè)計滑切角需大于摩擦角?？紤]到滑切角過小滑切效應(yīng)不明顯，滑切角過大會引起鏟柄整體尺寸過大以及由此引發(fā)的強度不足和干涉等問題，結(jié)合黑龍江地區(qū)土壤特性與胡蘿卜種植模式，選取滑切角θ=44.5°。

3 離散元模型建立與仿真分析

運用離散元仿真軟件EDEM建立部件-土壤-作物多元仿真模型，以前進阻力和胡蘿卜拔取力為主要評價指標，在常規(guī)工況下對胡蘿卜聯(lián)合收獲機田間作業(yè)狀態(tài)進行模擬，分析影響機具作業(yè)性能的主要因素，為后續(xù)仿真優(yōu)化及田間試驗驗證奠定基礎(chǔ)。

3.1 離散元模型建立

3.1.1松土鏟及胡蘿卜仿真模型

為合理有效地進行仿真模擬與計算，對整機模型簡化處理，去除其牽引機具及各級傳動箱體等部件[17]。應(yīng)用三維制圖軟件SolidWorks對機具進行實體建模(比例1∶1)，以.step文件格式導(dǎo)入EDEM軟件中，根據(jù)物理樣機試制特點，松土鏟材料屬性為65Mn鋼，泊松比為0.35，剪切模量為7.8×1010Pa，密度為7 850 kg/m3。

為精準模擬胡蘿卜與土壤間的接觸關(guān)系，取若干胡蘿卜利用先臨三維公司生產(chǎn)的EinScan Pro 2x型非接觸式三維掃描儀對胡蘿卜進行掃描，建立胡蘿卜三維模型，如圖9所示，并將其導(dǎo)入EDEM仿真土槽中。

圖9 胡蘿卜點云與三維模型Fig.9 Carrot point cloud and 3D model

3.1.2土壤顆粒模型

建立準確的土壤顆粒模型是保證仿真結(jié)果有效性的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有研究表明，土壤顆粒的基本結(jié)構(gòu)主要包括粒狀顆粒、團粒狀顆粒、片狀顆粒和桿狀顆粒，如圖10所示。在EDEM中設(shè)置4種顆粒[18-20]，并在土槽中添加顆粒工廠命令進行填充。為保證仿真與實際土壤的一致性，設(shè)置EDEM球形填充單元半徑為3 mm。

圖10 土壤顆粒離散元模型Fig.10 Discrete element simulation models of soil particles

為準確模擬機械部件-土壤-胡蘿卜狀態(tài)，土壤顆粒黏結(jié)力主要根據(jù)其內(nèi)部黏聚特性設(shè)定，將其內(nèi)部黏結(jié)、內(nèi)聚、摩擦及破碎等關(guān)系簡化為Hertz-Mindlin with bonding接觸模型[21]來模擬土壤顆粒間、顆粒與邊界間的相互作用。

3.1.3其他仿真參數(shù)設(shè)定

將所建立的松土鏟、胡蘿卜三維模型和土壤顆粒模型導(dǎo)入EDEM軟件中，通過其前處理模塊(Creator)依次對接觸力學(xué)作用關(guān)系和顆粒工廠進行設(shè)置。其中接觸力學(xué)模型的選擇是分析部件-土壤-作物間黏結(jié)作用的重要基礎(chǔ)，直接影響部件與顆粒間作用關(guān)系，根據(jù)斜面法測量得到具體參數(shù)如表1所示。

表1 離散元模型基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of discrete element model

為模擬實際胡蘿卜聯(lián)合收獲作業(yè)狀態(tài)，運用EDEM軟件建立虛擬土槽，設(shè)置土槽基本尺寸(長×寬×高)為400 mm×400 mm×500 mm，將其設(shè)定為虛擬顆粒工廠，以10 000個/s的速率生成初速度為0 m/s的土壤顆粒模型，總量為100 000個，生成顆粒總時間為10 s，保證土槽內(nèi)存有充足顆粒進行仿真。在生成顆粒過程中，使其僅在重力作用下自由沉降，且整體生成后在顆粒群上方加載校準土壤密度所需的垂直載荷，進行土壤模型壓實，使仿真與實際土壤保持一致。

3.2 虛擬仿真過程與評價指標

3.2.1虛擬仿真過程

在虛擬作業(yè)過程中，設(shè)置松土鏟位于土槽一側(cè)進行初始作業(yè)，如圖11所示。根據(jù)黑龍江省胡蘿卜種植模式與農(nóng)藝要求，胡蘿卜根部長度約為150 mm。為保證胡蘿卜順利拔取，設(shè)定松土鏟入土深度250 mm，鏟翼寬度125 mm，設(shè)置松土鏟前進速度0.7 m/s，胡蘿卜拔取速度0.4 m/s。為保證仿真的真實性，要求鏟尖運動到胡蘿卜下方時胡蘿卜開始向上運動。為保證仿真的連續(xù)性，設(shè)置其固定時間步長為5.76×10-5s(即Rayleigh時間步長的10%[22-25])，總時間為1.6 s，網(wǎng)格單元尺寸為5 mm，為顆粒平均半徑的3倍，以便對后續(xù)數(shù)據(jù)精準處理。通過仿真可得到松土鏟對土壤的擾動情況，從EDEM后處理工具中導(dǎo)出胡蘿卜拔取過程中胡蘿卜所受土壤顆粒阻力以及前進阻力的實時數(shù)據(jù)[26]。

圖11 EDEM虛擬仿真過程分析Fig.11 Analysis of virtual simulation process of EDEM

3.2.2虛擬仿真評價指標

由于目前國內(nèi)外尚無評價胡蘿卜聯(lián)合收獲作業(yè)質(zhì)量的統(tǒng)一標準，查閱相關(guān)資料并結(jié)合實際胡蘿卜種植農(nóng)藝要求，選取松土鏟前進阻力及胡蘿卜拔取力為虛擬仿真分析的評價指標。

(1)松土鏟前進阻力

前進阻力是衡量機具綜合性能的主要技術(shù)參數(shù)，直接體現(xiàn)整機作業(yè)性能[27]。松土鏟前進阻力主要由前部土壤阻力與底部土壤摩擦阻力兩部分組成，通過EDEM軟件對不同時刻松土鏟前進阻力進行測定[28]，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件中進行整理，計算機具各階段阻力變化趨勢，如圖12所示。本研究主要對虛擬仿真狀態(tài)下松土鏟作業(yè)前進阻力進行測定分析。

圖12 土壤顆粒速度變化分析Fig.12 Analysis of the change of soil particle velocity

(2)胡蘿卜拔取力

胡蘿卜與土壤顆粒間也存在著粘結(jié)力，胡蘿卜拔取過程中，胡蘿卜與土壤間粘結(jié)力較大，造成胡蘿卜纓果結(jié)合部斷裂現(xiàn)象，從而導(dǎo)致胡蘿卜漏拔率增加[29-31]。因此，胡蘿卜拔取力是檢驗松土鏟性能的重要指標。當松土鏟運動至胡蘿卜下方時，土壤蓬松度達到峰值，胡蘿卜所需拔取力最小，此時胡蘿卜開始向上運動，運動過程中，由于胡蘿卜與土壤間的粘結(jié)力較大，土壤顆粒粘附在胡蘿卜表面，土壤顆粒間粘結(jié)鍵開始進一步斷裂。由EDEM后處理命令對不同時刻胡蘿卜拔取力進行數(shù)據(jù)輸出，拔取時土壤顆粒速度變化如圖13所示。

圖13 土壤顆粒速度流線圖Fig.13 Streamline diagram of soil particle velocity

4 虛擬仿真試驗與結(jié)果分析

4.1 虛擬仿真單因素試驗

4.1.1試驗設(shè)計

為探究影響胡蘿卜聯(lián)合收獲機松土鏟作業(yè)質(zhì)量的主要因素取值范圍，以鏟翼開角α和鏟翼傾角β為試驗因素進行單因素試驗，對松土鏟前進阻力與胡蘿卜拔取力進行測定分析。由上述力學(xué)分析可知，胡蘿卜聯(lián)合收獲機松土鏟作業(yè)質(zhì)量與鏟翼開角α、鏟翼傾角β等因素密切相關(guān)。根據(jù)黑龍江地區(qū)胡蘿卜種植農(nóng)藝要求，選取不同鏟翼開角α(90°～170°)和鏟翼傾角β(5°～85°)研究對前進阻力與胡蘿卜拔取力的影響，為后續(xù)正交試驗提供理論基礎(chǔ)。

4.1.2單因素試驗結(jié)果與分析

將各組數(shù)據(jù)記錄到Excel軟件中，即可得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，前進阻力與胡蘿卜拔取力變化規(guī)律。

(1)前進阻力變化規(guī)律

由圖14可知，松土鏟與土壤顆粒相互作用初期，其前進阻力隨時間增大而迅速增大。土壤顆粒沿鏟尖內(nèi)側(cè)曲線做變加速運動，土壤沿鏟尖上端飛出。仿真作業(yè)0.5～0.8 s時，松土鏟前進阻力迅速上升，主要由于土壤整體受到擠壓變形至破碎需要消耗較大能量，松土鏟進行擠壓切削使土壤變形，因克服內(nèi)部粘結(jié)與內(nèi)聚作用，其變化速率較快。當仿真作業(yè)到1.23 s時，前進阻力急劇增加到峰值，主要由于鏟翼進入土壤顆粒中，土壤擾動性增強，造成大量的土壤顆粒粘結(jié)鍵斷裂。當仿真運行至1.3 s時，松土鏟完全進入土槽中，前進阻力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖14 各階段虛擬作業(yè)阻力變化曲線Fig.4 Changing curves of resistance of virtual operation in simulation processes

鏟翼開角α對前進阻力影響如圖15a所示。隨著α的增大，鏟翼擾動范圍增加，破壞土壤內(nèi)部粘結(jié)鍵數(shù)量增多，水平阻力Fd也隨著增加，土壤對鏟翼的垂直分力增加，鏟翼開角增加到110°時，垂直阻力接近峰值，后隨著開角的增加，垂直阻力Fv漲幅不大。

圖15 鏟翼開角α和鏟翼傾角β對前進阻力的影響Fig.15 Influence of opening angle α and inclination angle β on forward resistance

鏟翼傾角β對松土鏟阻力影響如圖15b所示。隨著β的增加，鏟翼垂直截面積增大，對土壤的擾動性增強，大面積破壞土壤間粘結(jié)鍵，導(dǎo)致松土鏟水平阻力Fd急劇增加，鏟翼的水平截面積增加，土壤對鏟翼的垂直分力增加。當鏟翼傾角超過45°時，鏟翼的水平截面積減小，土壤對鏟翼的垂直分力減小，鏟翼垂直阻力Fv在45°時達到峰值；當鏟翼傾角超過65°時，垂直阻力趨于穩(wěn)定，變化可忽略不計。

鏟翼開角α和鏟翼傾角β對胡蘿卜拔取力的影響如圖16所示，隨著α增大，鏟翼松土面積增加，胡蘿卜拔取力減小。當α大于150°時，鏟翼觸碰胡蘿卜表面，產(chǎn)生損傷。隨著β增大，鏟翼垂直截面積增加，土壤擾動性增加，胡蘿卜拔取力減小，便于減小漏拔率；當β大于25°時，胡蘿卜拔取力小于胡蘿卜纓果結(jié)合部拉斷力峰值，可滿足胡蘿卜聯(lián)合收獲要求。

圖16 鏟翼開角α和鏟翼傾角β對胡蘿卜拔取力的影響Fig.16 Influence of opening angle α and inclination angle β on extracting power of carrot

綜上所述，為得到試驗因素最佳工作參數(shù)組合，選取鏟翼開角α(110°～150°)和鏟翼傾角β(25°～65°)為試驗因素取值范圍，為后續(xù)多因素試驗提供理論基礎(chǔ)。

4.2 虛擬仿真多因素試驗

4.2.1多因素試驗設(shè)計

為研究松土鏟性能變化規(guī)律，分析影響作業(yè)穩(wěn)定性的主要因素，得到理想?yún)?shù)組合，在前期虛擬模型建立及數(shù)值模擬分析基礎(chǔ)上，進行EDEM正交旋轉(zhuǎn)虛擬仿真試驗研究。結(jié)合前期理論分析和單因素預(yù)試驗及常規(guī)胡蘿卜收獲作業(yè)狀態(tài)，設(shè)定試驗因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of experimental factors

圖17 試驗因素對指標的影響曲面Fig.17 Influence surfaces of experiment factors on indexes

4.2.2多因素試驗結(jié)果與分析

采用二因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計多因素優(yōu)化虛擬試驗方案，根據(jù)所得數(shù)據(jù)進行結(jié)果分析，并對影響指標的主要因素進行顯著性分析。連續(xù)記錄虛擬土槽上穩(wěn)定工作狀態(tài)下松土鏟前進阻力與胡蘿卜拔取力，其他各項參數(shù)保持恒定，數(shù)據(jù)取平均值作為試驗結(jié)果。具體試驗方案與結(jié)果如表3所示，其中x1和x2為因素編碼值。

通過Design-Expert 8.0.6 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析和因素方差分析，篩選出影響顯著因素，得到前進阻力F3和胡蘿卜拔取力F4與因素編碼值間回歸方程

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Schemes and results of experiments

(13)

(14)

為直觀地分析指標與因素間關(guān)系，運用Design-Expert 8.0.6 軟件得到響應(yīng)曲面，如圖17所示。

在作業(yè)指標滿足胡蘿卜收獲農(nóng)藝要求下，對各因素影響規(guī)律進行分析，根據(jù)相關(guān)回歸方程和響應(yīng)曲面中的等高線分布密度可知，鏟翼開角α和鏟翼傾角β對松土鏟前進阻力和胡蘿卜拔取力存在交互作用。由圖17a可知，當鏟翼開角α一定時，隨著鏟翼傾角β的增加，前進阻力增加；當鏟翼傾角β一定時，隨著鏟翼開角α的增加，前進阻力增加；當鏟翼傾角β變化時，前進阻力變化區(qū)間較大，因此鏟翼傾角β是影響前進阻力的主要因素。 由圖17b可知，當鏟翼開角α一定時，隨著鏟翼傾角β的增加，鏟翼推土截面積增加，擾動增強，胡蘿卜拔取力降低；當鏟翼傾角β一定時，隨著鏟翼開角α的增加，鏟翼水平面積增加，胡蘿卜拔取力降低；當鏟翼傾角β變化時，胡蘿卜拔取力變化區(qū)間較大，因此鏟翼傾角β是影響胡蘿卜拔取力的主要因素。

為得到試驗因素最佳工作組合，對試驗進行優(yōu)化設(shè)計。建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合試驗因素的邊界條件，遵循減阻增擾(減小前進阻力與胡蘿卜拔取力)原則，對機具前進阻力和胡蘿卜拔取力回歸方程進行分析，建立非線性規(guī)劃參數(shù)模型

(15)

運用Design-Expert 8.0.6軟件中的多目標參數(shù)優(yōu)化(Optimization)模塊對數(shù)學(xué)模型進行分析求解，可得多組優(yōu)化參數(shù)組合。從優(yōu)化結(jié)果中選取一組合理參數(shù)組合，即當鏟翼開角α為120.27°，鏟翼傾角β為47.37°時，機具綜合作業(yè)性能較理想，其前進阻力為2 026.35 N，胡蘿卜拔取力為58.53 N。根據(jù)所優(yōu)化的結(jié)果進行虛擬仿真驗證，其前進阻力為1 908.76 N，胡蘿卜拔取力為55.37 N，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

5 田間性能試驗

5.1 試驗方法

為檢驗設(shè)計的高效減阻松土鏟作業(yè)性能，結(jié)合理論分析與仿真模擬結(jié)果進行高效減阻松土鏟的試驗。于2018年10月6日在黑龍江省哈爾濱市慶豐村進行田間性能試驗和對比試驗。試驗區(qū)土壤質(zhì)地為黑壤土，運用環(huán)刀測試法對不同深度土壤容重進行測量[32]，由測量結(jié)果可知：0～100 mm范圍內(nèi)土壤容重為1.236 g/cm3，100～200 mm范圍內(nèi)土壤容重為1.433 g/cm3，200～300 mm范圍內(nèi)土壤容重為1.308 g/cm3。高效減阻松土鏟與鑿式松土鏟分別安裝在4UZL-2型自走式胡蘿卜聯(lián)合收獲機上，田間試驗現(xiàn)場如圖18所示。

圖18 田間性能試驗Fig.18 Field performance experiment

試驗主要儀器設(shè)備：環(huán)刀組件、牽引力負荷傳感器、無線動態(tài)應(yīng)變采集儀組件、土壤緊實度測定儀、拉力計、水平尺、卷尺、直尺等。

試驗中選取地勢平坦，長度為300 m的試驗地塊，設(shè)定前、后10 m為調(diào)試區(qū)，中間30 m為工作平穩(wěn)區(qū)。機具作業(yè)速度設(shè)定為0.7 m/s，以松土后胡蘿卜拔取力與機具前進阻力作為評價指標，將電阻式應(yīng)變片粘貼在松土鏟前后兩側(cè)。采用屏蔽線按照半橋連接方式將電阻應(yīng)變片接入到東華DH5908無線動態(tài)應(yīng)變采集儀中采集機具前進阻力，利用拉力計對不同區(qū)域松土后胡蘿卜進行拔取力試驗并觀察機具后方漏拔情況，計算漏拔率，試驗重復(fù)5次，機具田間試驗情況如圖19所示。

圖19 田間試驗現(xiàn)場Fig.19 Field experiment site

5.2 田間試驗結(jié)果與分析

田間試驗的目的是驗證虛擬仿真試驗得出的高效減阻松土鏟最佳結(jié)構(gòu)組合是否具有良好的作業(yè)效果，試驗結(jié)果如表4所示。

試驗結(jié)果表明，高效減阻松土鏟作業(yè)時，前進阻力最大為2 034.23 N，最小為1 886.16 N，平均1 945.30 N；胡蘿卜拔取力最大為66.5 N，最小為54.3 N，平均58.7 N；漏拔率最大為3.6%，最小為2.7%，平均3.1%。與鑿式松土鏟相比，仿生鏟尖在破開壟面土壤的同時，土壤沿鏟尖內(nèi)側(cè)曲線做變加速運動，土壤沿鏟尖上端飛出，減小土壤能量損失以達到減阻目的；鏟翼在土壤中滑動，破壞土壤與胡蘿卜間的粘附作用，增大土壤擾動面積及蓬松度；鏟柄隨后破開胡蘿卜行間表面土壤，進一步減小胡蘿卜與土壤粘附面積，降低胡蘿卜拔取力與漏拔率。

表4 田間性能對比試驗結(jié)果Tab.4 Field performance comparison experiment results

由表4可知，在相同工況下實際松土鏟作業(yè)質(zhì)量略低于仿真試驗優(yōu)化結(jié)果，其前進阻力相對誤差為4.0%，胡蘿卜拔取力相對誤差為6.0%。產(chǎn)生誤差的原因可能是由于土壤外界條件狀態(tài)變化造成機具非規(guī)則振動，影響機具作業(yè)穩(wěn)定性，但誤差在可接受范圍內(nèi)。與鑿式松土鏟相比，高效減阻松土鏟前進阻力降低5.79%，胡蘿卜拔取力降低20.68%，漏拔率降低3.8個百分點，滿足胡蘿卜收獲農(nóng)藝要求。

6 結(jié)論

(1) 設(shè)計了一種高效減阻松土鏟，提高了土壤擾動性，降低了前進阻力、胡蘿卜拔取力和漏拔率，滿足胡蘿卜收獲農(nóng)藝要求。

(2) 以狗獾爪趾為仿生原型設(shè)計了仿生減阻鏟尖，分析了其減阻機理。建立了鏟翼與土壤間的力學(xué)接觸模型，探究鏟翼與土壤間力學(xué)規(guī)律，確定了影響松土鏟作業(yè)質(zhì)量的鏟翼結(jié)構(gòu)參數(shù)為鏟翼開角和鏟翼傾角。

(3) 利用離散元法建立了部件-土壤-作物多元仿真模型，以鏟翼開角和鏟翼傾角為試驗因素，以前進阻力和胡蘿卜拔取力為試驗指標，采用虛擬正交試驗方法建立了因素與指標間數(shù)學(xué)模型，運用多目標變量優(yōu)化方法建立了優(yōu)化模型，得出松土鏟鏟翼最優(yōu)參數(shù)組合為鏟翼開角120.27°、鏟翼傾角47.37°。

(4) 田間性能試驗表明，田間試驗結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果基本一致，高效減阻松土鏟前進阻力均值為1 945.30 N，胡蘿卜拔取力均值58.7 N，整機漏拔率為3.1%，高效減阻松土鏟綜合作業(yè)性能優(yōu)于鑿式松土鏟，可滿足胡蘿卜收獲農(nóng)藝要求。