芯铧式开沟器仿生设计与试验

贾洪雷 孟凡豪 刘立晶 史 嵩 赵佳乐 庄 健

(1.吉林大学生物与农业工程学院， 长春 130022； 2.吉林大学工程仿生教育部重点实验室， 长春 130022;3.中国农业机械化科学研究院， 北京 100083； 4.山东省农业机械科学研究院， 济南 250100)

0 引言

开沟器是农业播种机械必不可少的触土部件，在播种机工作时，开沟器开出种沟，引导种子和肥料进入一定深度的土层中。传统的芯铧式开沟器结构简单，制造成本低，入土性能较好，对播前整地的要求不高，但其开沟阻力较大，制约了播种机速度的提升[1]。近年来，随着现代农业的发展，农业装备的作业效率不断提高，播种机的作业速度也在不断提高，这对开沟器的设计制造提出了新的要求。为了提高作业速度，在稳定功耗及保证作业质量的前提下，需要尽可能减小开沟器的作业阻力。而标准芯铧式开沟器因作业阻力大，不能满足高速作业的要求。

目前，对开沟器作业阻力的研究大多是对原有开沟器相关参数进行优化设计，从而实现减阻效果。赵艳忠等[2]研究发现，随着双圆盘开沟器圆盘直径及夹角的增大，开沟阻力呈现线性增大的趋势。马延武[3]对鸭嘴式开沟器进行减阻设计，通过单因素试验和二次正交回归旋转组合试验，得出鸭嘴式开沟器阻力最小的参数组合为：入土角 43°、入土隙角 6°、铲体长度145 mm、铲体宽度21 mm。曹晓东[4]改进设计了芯铧式开沟器，将芯铧面由凹面改为凸面，明显减小土壤扰动，促进种子的萌发和生长。

在高效低耗农机部件结构的研究中，仿生学为研究者提供了新思路。依据农业机械触土部件的实际需求，仿生学设计方法运用单元仿生、多元耦合仿生的理论及技术，结合触土部件作业规律和结构特点，进行农业机械部件的设计。目前，多种仿生脱附减阻部件已在农业机械上得到了应用，并显示出广阔的发展前景[5-6]。白景峰等[7-8]基于狗獾爪趾曲线设计了一种振动式深松铲，其耕作阻力比原有深松铲明显减小。马云海等[9]研制了一种仿生波纹型开沟器，具有良好的减黏降阻效果，但其对土壤的有效扰动大于普通开沟器。赵淑红等[10-11]根据旗鱼头部的流线型曲线，设计了仿旗鱼头部曲线型开沟器，并进行了离散元仿真和室内土槽试验，证明仿旗鱼头部曲线型开沟器可降低工作阻力，并能有效减小土壤扰动。林福东[12]研究发现，狗獾犬齿尖锐锋利，长期的自然进化使得牙齿可以以最低的切削阻力撕裂食物。狗獾犬齿齿尖部分极为锋利和坚硬，在其捕食中起到了关键性作用，对食物有较好的穿透能力、刺入能力和撕裂能力。

国内对于农业机械触土部件的仿生学优化大多是在原结构的基础上通过改变其表面性能进行减阻脱附，对触土部件的整体结构进行仿生学重构的较少。本文通过提取狗獾犬齿曲线，研究芯铧式开沟器成型原理，整体重构4种滑动式开沟装置，旨在探讨基于仿生曲线的减阻开沟器整体设计方法，并通过试验验证滑动式开沟装置的作业效果以及减阻效果，为开沟器的优化设计提供参考。

1 滑动式开沟装置脊线的获取

狗獾犬齿尖锐锋利，长期的自然进化使其牙齿可以以最小的贯入阻力刺穿猎物[12]。本研究选取中国东北地区人工养殖的5龄雄獾，其质量为12.8 kg，身体状况良好，无疾病。将其麻醉后取出獾口右上方犬齿(图1)并置于体积分数为28%的酒精溶液中进行消毒处理，在浸泡2～3 h后用蒸馏水反复清洗20～30次，最后置于烧杯中在室温条件下自然风干。

图1 狗獾犬齿实物图Fig.1 Real picture of badgers’ canine teeth

狗獾犬齿干燥后，在其表面均匀喷洒D-76显影剂，使用三维扫描仪(柯尼卡美能达RANGE7型)进行扫描，获得犬齿完整的3D点云数据。在狗獾捕食过程中，犬齿将猎物刺穿并撕裂，其对猎物的作用分为4个过程：预剪切(剪破猎物的表皮)、剪切(剪破猎物的真皮)、挤压(将强度相对较低的皮下组织挤压至两侧)、扩张(将猎物彻底撕裂)。如图1所示，狗獾犬齿前后两端的主刃线(图2中Y1和Y2)是与猎物最早接触的部分，也是对猎物剪切作用最强的部分；狗獾犬齿左右两端中间位置处的侧刃线(图2中Y3和Y4)对猎物也有一定的剪切和挤压作用[13]。且狗獾犬齿只有齿尖以上约15 mm的部分处在牙龈以外，该部分犬齿具备上述剪切、挤压及扩张的功能。因此，如图2所示，分别提取犬齿的前后左右4个端面正中处齿尖以上高度H=15 mm的4条轮廓线Y1、Y2、Y3、Y4，获得与4条轮廓线对应的4组点云数据。将4组点云数据分别导入Matlab进行数据光滑处理后，利用cftool工具包计算1～5阶多项式下的拟合图形，发现三阶多项式拟合时效果较好[14-15]，因此选择函数polyfit(x，y，3)进行三阶多项式拟合。拟合后的4条曲线数学方程如表1所示。

图2 用于开沟器设计的犬齿区域Fig.2 Canine tooth area for opener design

表1 拟合曲线数学方程
Tab.1 Mathematical equations of fitting curves

序号拟合曲线方程x范围1Y1=0.0003432x3-0.02783x2+0.8736x+2.0560≤x≤89.22Y2=0.0001131x3-0.01224x2+0.5855x+2.7830≤x≤1243Y3=0.0001969x3-0.01097x2+0.4158x+2.5270≤x≤92.44Y4=0.0001299x3-0.01468x2+0.7032x+0.7090≤x≤120.9

2 滑动式开沟装置仿生设计

以标准芯铧式开沟器为基础，将获得的仿生学曲线1～4作为滑动式开沟装置的脊线，设计芯铧式开沟器新结构。如图3所示，芯铧式开沟器在构型时，以水平面上的底部轮廓线为基础，以脊线作为引导线(图3a)，扫描形成芯铧面和侧翼面(图3b)。加厚曲面形成实体(图3c)并设计出入土隙角和安装孔(图3d)实现整体建模。根据农艺要求及农业机械设计手册[1]可知：入土角过大，入土性能差。入土角过小，芯铧强度减弱，一般以15°～25°为宜；一般入土隙角为5°，过大会使沟底不平，过小则会使入土性能变差；铧高过高会发生壅土，增加作业阻力，一般为80～140 mm；芯铧幅宽取决于播种宽度，而窄行播种宽度一般为40～60 mm；芯铧式开沟器脊线为等曲率的圆弧，其半径一般250～350 mm为宜；开沟器长度不能过大，过长会降低播种机的通过性。根据上述原则将0号标准芯铧式开沟器以及2、3、4号滑动式开沟装置尺寸设计如下：入土隙角ε=5°，幅宽B=40 mm，厚度δ=2 mm，铧高h=100 mm(为保证各开沟器铧高相等，各条脊线在水平方向上的取值范围并不相同，表1已列出)，长度l=200 mm。芯铧面在作业方向上的正投影面积完全相同，皆为4 000 mm2。0～4号开沟装置的区别在于脊线的不同以及脊线不同引起的入土角不同(15°～25°)和芯铧面的不同。如图4所示：0号开沟器的脊线为半径R=250 mm的圆弧，1～4号滑动式开沟装置的脊线分别为表1所示的1～4号曲线。因此，上述5个开沟装置作业效果和作业阻力的差异完全是由脊线不同引起的。

图3 开沟器建模过程Fig.3 Opener modeling process

图4 0～4号开沟器结构示意图Fig.4 Schematics of no.0～4 openers

3 土槽试验

3.1 试验方案

采用数控铣削的方法对淬火后的45号钢进行加工，得到参与试验的样品如图5所示，其中0号为标准芯铧式开沟器，1～4号为与表1所述曲线相对应的基于狗獾犬齿曲线设计的滑动式开沟装置。为研究不同的作业速度和不同脊线的开沟器对作业质量和作业阻力的影响，在室内土槽中对0～4号开沟器进行了对比试验，选取耕作方向的开沟作业阻力为主要指标，开沟器开出沟形的侧垄宽、侧垄高、沟宽、沟深作为次要指标[16]。

为便于试验设计，使用的开沟器设置5个水平(分别对应0号标准芯铧式开沟器、1～4号滑动式开沟装置)；因为目前常用标准芯铧式开沟器作业速度为5 km/h，结合土槽试验车最高时速10 km/h 的试验条件，将作业速度设置3个水平：3.6、5.4、7.2 km/h，交叉分组，因此本试验共有15个水平组合。东北垄作大豆播种深度一般为30～50 mm[17]，故本次试验将开沟深度统一设置为50 mm。将加工后的5个开沟器样品分别装在机架上，应用土槽试验车对其进行试验。通过分析试验结果，验证獾犬齿用于开沟器设计的效果。试验方案设计及实际试验结果如表2所示。

图5 0～4号开沟器样品Fig.5 No.0～4 openers sample

表2 试验方案与受力结果
Tab.2 Test scheme and results N

作业速度/(km·h-1)试验段序号开沟器序号01234151.2347.0749.1843.0945.54251.1947.1149.2143.0545.493.6350.9946.9748.3442.8744.61451.8647.0549.3943.6745.63均值51.3247.0549.0343.1745.32177.4171.1873.3967.0369.35276.9970.9372.3566.6468.295.4377.5371.0873.5267.1469.41477.3270.0172.6466.9468.57均值77.3170.8072.9866.9468.911118.19107.37109.51103.07105.342118.17107.92109.48103.05105.137.23118.31107.55109.52103.18105.994117.97108.35110.02104.69106.42均值118.16107.79109.63103.50105.72

3.2 试验条件

试验于2019年4月在吉林大学农机实验室室内土槽进行，土槽长50 m、宽3 m、深0.8 m。试验前使用旋耕机将土槽土壤旋耕一次，再用镇压辊将土槽土壤整平。之后对土壤的物理性质进行测量，包括容积密度、土壤坚实度、含水率以及温度。

使用容积为200 cm3的不锈钢圆筒测量深度在0～50 mm和50～100 mm范围内的土壤容积密度。每个深度范围内任意收集4组土壤样本。用SKG-01型微波炉将8组土壤样本在110 ℃条件下干燥12 h。计算土壤的容积密度

式中ρ——土壤的容积密度，g/cm3

M——每组样本的土壤质量，g

V——不锈钢圆筒的容积，cm3

通过SPECTRUM SC-900型便携式土壤坚实度速测仪分别测量4次深度为50、100 mm的土壤坚实度，使用土壤温度计分别测量4次0～100 mm范围内的土壤温度；通过SPECTRUM TDR-300型土壤水分测定仪分别测量4次0～100 mm范围内的土壤平均含水率；各项结果如表3所示。依照中国土壤质地分类标准[18]，试验用土槽中土壤类型为轻黏土，土槽中土壤颗粒组成为：细黏粒(粒径0～0.002 mm)占17.9%、粗粉粒(粒径0.002～0.05 mm)占39.4%、砂粒(粒径0.05～1 mm)占33.7%。

表3 试验前土槽土壤部分物理性质参数Tab.3 Some soil physical properties from study site measured before experiments

3.3 试验方法

如图6所示，作业阻力采用土槽试验车上的测力系统进行测量。将0～4号开沟器在3种作业速度下分别作业一次，共计15次。每次作业后整平土壤，并调整开沟器位置，避开上次作业的开沟区。每次试验距离为40 m，包括前后两端各4 m的调整区和中间部分32 m的数据采集区(每8 m为一个数据统计区间)。试验数据统计结果如表2所示。

图6 开沟器阻力测试图Fig.6 Diagram of resistance test for opener1.测力系统 2.三点悬挂架 3.U型螺栓 4.可调高连接杆 5.滑动式开沟装置

3.4 试验结果

3.4.1作业阻力分析

0～4号开沟装置在各个速度和深度下的平均作业阻力如图7所示。由图7可知，开沟装置作业时在前进方向上所受到的作业阻力随着作业速度的增加而增加，在3.6 km/h时各开沟装置所受水平阻力最小，在7.2 km/h时各开沟装置所受阻力最大；在同一作业速度下，3号滑动式开沟装置受到的阻力最小，0号标准芯铧式开沟器受到的阻力最大，各个滑动式开沟装置的阻力均比标准芯铧式开沟器小，这说明基于仿生学曲线设计的滑动式开沟装置具有减阻效果。在3.6、5.4、7.2 km/h的作业条件下，3号滑动式开沟装置相对标准芯铧式开沟器阻力分别降低8.04%、8.15%、8.71%。

图7 0～4号开沟器在不同作业速度下平均阻力Fig.7 Average resistance of no. 0～4 openers at different speeds

为进一步研究开沟器类型对工作阻力的影响，通过SPSS 24对试验数据进行方差分析[19-20]，开沟器水平方向所受阻力为唯一试验指标。结合表2所述试验方案和试验结果，由表4可知，不同作业速度、不同开沟器类型对作业方向上阻力的影响极显著，Pc<0.05，说明开沟装置的类型对平均作业阻力影响显著；Pd<0.05，说明作业速度对平均作业阻力也具有显著影响。由表5可知，不同类型的开沟装置的水平方向平均作业阻力显著不同，当作业速度相同时，其在作业方向上所受阻力从小到大依次为3号滑动式开沟装置、4号滑动式开沟装置、1号滑动式开沟装置、2号滑动式开沟装置、0号标准芯铧式开沟器。

表4 主体间效应检验统计Tab.4 Statistics of effect test between subjects

3.4.2沟形参数的对比

在设计开沟器时，0～4号开沟器的长、宽、高皆相等，在前进方向上的投影面积也相等，因此5种开沟器作业后的沟形并无明显差别。经试验验证，所设计开沟器开出沟型为图8所示的V形沟(a为侧垄宽，b为侧垄高，m为沟宽，n为沟深)，在对沟型测量时，评价沟形质量的指标[21-23]如图8所示，测量采用分段测量取平均值(每隔8 m测量一次，每次试验测量5次取平均值)的方法。5种开沟器在作业速度5.4 km/h、开沟深度50 mm时开出的沟形轮廓参数平均值如表6所示。由于开沟器设计时，开沟器的芯铧面正投影面积相等，开沟器的长和宽也都相等，试验时开沟深度均调节至50 mm，结合图8和表6可知，0～4号开沟器开出的沟形并无显著差别。沟宽的变异系数最小，说明5个开沟器分别作业后沟宽最为稳定；侧垄高变异系数最大，说明开沟器类型对沟形侧垄高的影响最大，因为不同芯铧面的开沟器在进行作业时，各个芯铧面曲率不同引起对土壤的抬升作用[24-25]不同，导致被挤出土壤在两侧堆积量不同而引起的。

表5 开沟装置类型多重比较Tab.5 Multiple comparison of types of openers N

图8 沟形轮廓参数示意图Fig.8 Schematic of groove profile parameters

表6 5种开沟器开出的沟形参数平均值
Tab.6 Groove shape parameters of five kinds of openers

开沟器序号a/mmb/mmm/mmh/mm040.010.0150.055.0139.59.0149.053.0239.89.2148.455.3339.59.4148.154.0439.89.1149.354.0均值39.729.34148.9654.26标准差0.2170.3970.7500.915变异系数/%0.554.260.501.69

4 结论

(1)滑动式开沟装置具有明显的减阻效果。在作业深度50 mm条件下，减阻最明显的是3号曲线，在3.6、5.4、7.2 km/h的作业速度下，3号滑动式开沟装置相对0号标准芯铧式开沟器阻力分别降低8.04%、8.15%、8.71%。

(2)在3种作业速度下，各开沟器所受平均阻力由小到大顺序皆相同，依次为3号滑动式开沟装置、4号滑动式开沟装置、1号滑动式开沟装置、2号滑动式开沟装置、0号标准芯铧式开沟器。3号开沟器为最优结构。

(3)依据狗獾犬齿的4条拟合曲线和芯铧式开沟器的成型原理，设计了4种滑动式开沟装置。土槽试验表明，0～4号开沟器开出的沟形并无显著差别，沟形的沟深、沟宽、侧垄高、侧垄宽的变异系数均低于5%。