油菜钵苗移栽机成穴作业方式及参数优化

全 伟，吴明亮，罗海峰，陈超鹏，谢 伟

（1. 湖南农业大学机电工程学院，长沙 410128；2. 湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128；3. 湖南省现代农业装备工程技术研究中心，长沙 410128）

0 引 言

油菜机械化钵苗移栽可以缓解作物茬口矛盾，有效提高作业效率与栽植质量[1-3]。根据不同的栽植原理，移栽机械可分为开苗沟式移栽机、鸭嘴栽插式移栽机、打穴式移栽机。相关研究表明，因打穴式移栽机作业受前茬秸秆及杂草影响较小、可实现快速移栽作业，故具有较好的科研前景[4-8]。成穴器是打穴式移栽机械的关键部件，其结构参数和作业参数对孔穴形态及土壤扰动均有重要影响[9-13]。

根据成穴方式的不同，成穴器主要有挤压式和取土式[11-12]，挤压式成穴器作业时，成穴器直接刺入土壤，通过挤压土壤形成孔穴；取土式成穴器作业时，其底端以开口状态刺入土壤，将土壤取出而形成孔穴。孙伟等[14]从运动学角度建立了双曲柄多杆膜下挤压式成穴机构的数学模型，并进行了田间试验，其膜下播种深度合格率达到92%。向伟等[10]对履带式栽植孔成型机的挤压式打孔机构进行设计与优化，通过田间试验得到其成孔合格率为93.8%。韩长杰等[12]分析了取土式成穴器的运动机理，建立了栽植穴的参数方程，明确了影响孔穴形态的主要参数为理论成穴深度和小端直径。综合分析，国内学者主要是对成穴器所成孔穴的合格率及孔穴形态进行了大量研究[9-16]，但对成穴器成穴方式的对比研究鲜有报道，结合孔穴形态和土壤扰动2 方面进行成穴方式的对比研究更少。

因此，为了确定一种较优的油菜机械移栽成穴方式，减少成穴过程的土壤扰动及优化油菜钵苗生长环境，本文以取土方式和挤压式成穴器为研究对象[17-18]，通过离散元仿真试验与土槽验证试验，研究成穴器成穴方式及其结构和作业参数对孔穴穴内截面回土系数（实际穴内回土截面积与理论孔穴截面积比值）和衡量土壤扰动量的穴壁孔隙度的影响，对成穴方式及相关参数进行优化分析，以获得一种成穴方式及相关参数相对较优的成穴器。

1 成穴装置结构与工作原理

现有油菜钵苗育苗活动苗盘的外形尺寸为方锥台形，上、下端边长分别为50 和25 mm，高为40 mm。根据钵苗的外形尺寸参数，设计方锥台形栽植孔穴，上、下端边长分别为55 和30 mm，孔深为40 mm。

图1 为成穴装置结构简图（去掉机架上的左侧板），成穴装置主要由成穴器（取土式和挤压式）、成穴器连接板、动力输入轴、连接销、齿轮齿条、导轨滑块、机架等组成。如图1a 所示，取土式成穴器由左鸭嘴、右鸭嘴、张合推杆、复位弹簧组成，工作时左、右鸭嘴在齿轮齿条的作用下以张开的姿态竖直向下入土，同时对土壤产生剪切作用，在达到一定入土深度后，左、右鸭嘴在张合推杆及复位弹簧的共同作用下以连接销为支点同时闭合，使土壤产生形变而汇集在鸭嘴内部，随后在齿轮齿条的作用下以闭合姿态竖直出土，在完成取土的同时形成孔穴，取土式成穴装置随机具水平运动至已成型孔穴前方，左、右鸭嘴向外打开完成排土，随后左右鸭嘴复位完成整个成穴过程。如图1b 所示，挤压式成穴器为封闭下端的方锥台，工作时成穴器在齿轮齿条的作用下竖直向下插入并挤压土壤，土壤在挤压力的作用下发生形变，随后成穴器竖直出土从而在土壤中留下孔穴。

图1 成穴装置结构简图 Fig.1 Structure diagram of hole opening device

2 成穴过程EDEM 仿真分析

2.1 成穴器建模

为保证仿真分析的准确性，利用Pro/E 软件按1∶1的比例建立成穴器三维模型，另存为.stp 格式导入EDEM软件[19-20]。根据仿真试验需要，结合孔穴结构尺寸要求，建立2 类各3 种成穴器三维模型，成穴器模型下端尺寸分别为30、40 和50 mm，外侧边缘与竖直方向夹角为17°，高度为150 mm。

2.2 土壤模型建立

土壤样品为中国南方黏壤土，取自湖南农业大学农业机械化工程实训中心试验土槽，0～150 mm 深的土壤平均含水率为18%，平均坚实度为185 kPa。由于土槽内土壤颗粒的大小和形状各不相同，在建模时要准确描述所有土壤颗粒的形状与大小比较困难，故本文模拟仿真时将土壤颗粒简化为球形[20]，筛分土槽内土壤时，土壤颗粒粒径大于5 mm 和小于1 mm 的颗粒数量并不多，根据实测的土壤粒径及质量百分含量测定数值，设定仿真土壤的粒径及质量百分比分别为：1 mm，14.6%；3 mm，75.7%；5 mm，9.8%。为了使仿真土壤更接近真实状态下的土壤形态，在颗粒工厂设置土壤生成时，将土壤颗粒粒径大小（Size）选择为随机（random），设定3 种尺寸颗粒生成时的尺寸为基本设定半径的80%～120%，使得0.8～6 mm 粒径范围内均有颗粒生成。土壤颗粒参数参考文献[21-22]取值，根据土壤堆积角仿真试验对文献中的土壤颗粒参数进行修正，得到离散元仿真参数如表1 所示。在EDEM 软件中建立土槽模型，其尺寸（长×宽×高）为300 mm×250 mm×150 mm，按照修正后的土壤颗粒参数在土槽模型中生成高度为150 mm 的土壤模型，土壤模型生成过程中，采用一定程度的压实来实现土壤平均坚实度为185 kPa。

表1 土壤离散元仿真参数 Table 1 Discrete element simulation parameters of soil

2.3 仿真试验方案

由相关研究成果可知，成穴器下端尺寸和入土深度是影响成穴器成穴效果的主要因素[10-12]，为了更加直观表达不同下端尺寸的成穴器在不同入土深度下对孔穴形态及孔穴周边土壤扰动的影响，仿真试验采用单因素试验方法，根据孔穴结构尺寸要求，试验选取成穴器入土深度分别为40、50 和60 mm，竖直入土、出土速度均为0.05 m/s，取土式成穴器取土时鸭嘴闭合角速度均为0.13 rad/s。以孔穴上端尺寸、下端尺寸、有效深度、穴壁土壤孔隙度及穴内截面回土系数为评价指标，分析成穴方式、成穴器结构及作业参数对孔穴形态和土壤扰动效果的影响。采用EDEM 的clipping 功能沿成穴器运动的水平与垂直方向进行切片，观察孔穴形态，利用EDEM 的tool 工具中的测量功能[23]对孔穴参数进行测量，如图2 所示。以EDEM 软件后处理中的Voidage功能测定成型孔穴周边20 mm 内的土壤孔隙度作为穴壁土壤孔隙度，穴内截面回土系数δ 为δ=(S1-S2)/S1，其中S1为理论孔穴截面积，S2为仿真（或土槽试验）孔穴截面积（mm2）。其中理论孔穴截面为倒梯形，由成穴器结构参数与入土深度决定，S2通过MATLAB 软件计算仿真（或土槽试验拟合）得到的孔穴外形轮廓曲线得出。

图2 孔穴结构图 Fig.2 Structure diagram of hole

3 结果与分析

3.1 成穴方式对孔穴形态的影响

3.1.1 孔穴尺寸

孔穴尺寸的仿真测量结果如表2 所示。由表2 可知，无论采用何种成穴方式，对于下端尺寸相同的成穴器，随着理论入土深度的增加，孔穴的上端尺寸及有效深度均增加。挤压式成穴器所成孔穴的上端尺寸、下端尺寸的纵长与宽度均相差不大，所成孔穴基本为方锥台形；取土式成穴器所成孔穴的纵向尺寸均小于宽度尺寸，根据取土式成穴器结构特点，成穴器入土过程中始终保持张开状态，孔穴宽度方向上的土壤在成穴器的作用下向成穴器内部流动，其受到的挤压力小于孔穴纵向上的土壤，且成穴器的闭合过程及出土过程均对孔穴宽度方向上的穴壁土壤有一定扰动，导致孔穴宽度方向上的穴内土壤回流量大于纵向，故孔穴上端宽度尺寸大于纵向尺寸，下端宽度尺寸小于纵向尺寸。

表2 不同成穴方式所成孔穴的形状尺寸仿真结果 Table 2 Simulation results of shape and size of holes formed by different hole opening methods

结合栽植孔穴设计要求及表2 数据可知，对于取土式成穴器，下端尺寸为50 mm、入土深度为40 或者50 mm；对于挤压式成穴器，下端尺寸为40 或50 mm，入土深度为60 mm 时，所得到的孔穴尺寸满足油菜移栽孔穴要求。

3.1.2 孔穴轮廓

为使表达方便，将下端尺寸50 mm、入土深度40 和50 mm 的取土式成穴器分别记为Q5040 和Q5050；将下端尺寸40 和50 mm、入土深度60 mm 的挤压式成穴器分别记为J4060、J5060。因成穴器纵向与宽度方向上的理论截面轮廓一致，即理论穴形的截面轮廓一致、面积相等，故将纵向穴形截面图与宽度方向穴形截面图放在同一个图中进行分析讨论，如图3 所示。

由图3a 可知，Q5040 所成孔穴穴形与理论穴形仅在长度尺寸上有所差异，穴深尺寸基本无差异，孔穴宽度方向上的上端尺寸大于理论穴形及纵向上端尺寸，而孔穴宽度方向上的下端尺寸小于理论穴形及纵向的下端尺寸，说明在成穴器外形尺寸一致的前提下，成穴器触土面积越小（宽度方向鸭嘴），土壤回流量越大；对比图 3a和3b 可知，Q5040 与Q5050 所成孔穴穴壁的土壤回流趋势基本一致，由于入土深度不同，所成孔穴有效深度也不同，在下端尺寸相同的条件下，成穴器入土深度越深，孔穴上端尺寸越大；由图3a、3b 和3c 可知，J4060 纵向与宽度方向上的触土面积相同，故其所成孔穴在纵向与宽度方向上的穴内土壤回流量基本相等，由计算可得，纵向和宽度方向的穴形截面积与理论穴形截面积差值分别为2.6 和2.47 cm2，穴内土壤回流量与Q5040、Q5050所成孔穴相差不大；对比图3c、3d 可知，J5060 与J4060所成孔穴的穴内土壤回流规律相同，但J5060 所成孔穴的上端尺寸与下端尺寸更大，说明挤压式成穴器在入土深度相同的条件下，下端尺寸越大，孔穴几何尺寸越大，土壤扰动量越大。

图3 孔穴在不同方向上的截面曲线 Fig.3 Section curve of hole in different directions

3.2 成穴方式对土壤扰动状态的影响

3.2.1 成穴过程分析

为验证不同成穴方式成穴器的成穴过程，利用离散元方法，选取结构参数和入土深度相同而成穴方式不同的Q5040、J5040 进行成穴过程分析，如图4 所示，为便于观察成穴器成穴过程中土壤的扰动情况，仿真试验前，将土槽模型内的土壤以不同颜色分为7 层，每层厚20 mm，图4a 为Q5040 成穴过程1.9～4.7 s 中的几个典型时刻，图4b 为J5040 成穴过程1.9～3.7 s中的几个典型时刻，由图4a 和4b 可知，1.9 s 时2 种成穴器即将进入土体，土壤开始产生破碎，2.7 s 时2种成穴器均运动到最低点，Q5040 在3.7 s 时完成对土壤的抓取动作，4.7 s 时完成取土成穴作业，而J5040在3.7 s 时完成成穴作业。取土式成穴器入土过程中，土槽内0～40 mm 深度内的部分土壤在成穴器剪切力的作用下产生破碎进入成穴器内部（1.9～2.7 s），因成穴器为倒锥台形状，在其垂直入土的过程中鸭嘴外壁会对土壤产生一定的挤压作用，有利于成型孔穴内壁土壤颗粒的稳定；随着成穴器鸭嘴闭合，成穴器内部的土壤颗粒在鸭嘴的剪切作用下发生破碎，被收集到成穴器内（2.7～3.7 s），随成穴器被带离地面，从而形成孔穴（3.7～4.7 s）。挤压式成穴器入土过程中，土壤在成穴器挤压作用下发生运动（1.9～2.7 s），当成穴器位于土槽内40 mm 深度时（2.7 s）对土壤的扰动深度到达土槽内120 mm 位置处，之后成穴器运动离开土壤表面从而形成孔穴（2.7～3.7 s）。2 种成穴方式的成穴过程均与原理分析过程吻合。对比图4a、4b 可知，2 种成穴方式的成穴器在入土过程中，取土式成穴器对土壤的扰动深度到达土槽内60 mm 位置处（黄色颗粒层），挤压式成穴器对土壤的扰动深度到达土槽内120 mm 位置处（红色颗粒层），说明挤压式成穴器底端对土壤的扰动量远大于取土式成穴器。在成穴作业过程中，选择对土壤扰动较小的成穴方式更符合保护性耕作的理念[24-25]。

3.2.2 孔穴内土壤颗粒运动规律分析

为进一步定量分析成穴器成穴过程对土壤的扰动，描述土壤在成穴器作用下的位置变化至关重要。因此选取代表性位置（孔穴穴壁及穴底）的土壤颗粒，分析其在成穴过程中的位移变化趋势，结果如图5 所示。

由图5 可知，Q5040、Q5050、J4060、J5060 均在1.9 s 时开始成穴作业，由于成穴器的入土深度不同，4种成穴器到达最低点的时刻分别为2.7、2.9、3.1 和3.1 s，完成成穴作业的时刻分别为4.7、5.1、4.5 和4.5 s。由图 5a和5b 可知，成穴器入土过程中，与成穴器侧壁外缘接触的土壤颗粒在成穴器作用下开始向外运动，当成穴器运动到最低点时，土壤颗粒位移达到最大，成穴器出土过程中，土壤颗粒向内运动一段距离后达到稳定从而形成孔穴。土壤颗粒向内运动过程中穴内产生土壤回流，对比图5a 和5b，纵向上的穴壁土壤颗粒扰动位移明显大于横向，说明成穴器在成穴过程中对穴壁纵向的土壤扰动大。由图5c 和5d 可知，位于孔穴穴底的土壤颗粒，在成穴器作用下横向的扰动位移不明显，由于取土式成穴器与挤压式成穴器的成穴方式不同，导致纵向上J4060 和J5060 对土壤颗粒的扰动位移远大于Q5040 和Q5050。

综合分析可知，Q5040 和Q5050 在各方向上的土壤位移均小于J4060 和J5060，说明取土式成穴器对孔穴周边土壤的扰动小于挤压式成穴器。

图4 土壤扰动过程仿真分析 Fig.4 Simulation analysis of soil disturbance processes

图5 不同位置的土壤颗粒位移曲线 Fig.5 Displacement curves of soil particles at different locations

3.3 穴壁土壤孔隙度与穴内截面回土系数

Q5040、Q5050、J4060、J5060 所成孔穴的穴壁土壤孔隙度及穴内截面回土系数如表3 所示。由表3 可知，Q5040 与Q5050 所成孔穴穴壁土壤孔隙度相近，J4060与J5060 所成孔穴穴壁土壤孔隙度相近，取土式成穴器所成孔穴穴壁土壤孔隙度高于挤压式成穴器所成孔穴穴壁土壤孔隙度；Q5040、Q5050、J4060、J5060 所成孔穴的穴内截面回土系数分别为0.08、0.07、0.08 和0.10，穴内截面回土系数越小，说明穴内土壤回流量越小，孔穴越稳定。

在本文试验条件下，综合孔穴形态、土壤扰动及表3数据分析可知，取土式成穴是相对较优的成穴方式，成穴器对孔穴周边土壤扰动小，所成孔穴的外形尺寸、穴壁 土壤孔隙度及穴内截面回土系数相对较优。由于Q5040和Q5050 所成孔穴的穴壁土壤孔隙度与穴内截面回土系数相近，根据表2 中Q5040 和Q5050 所成孔穴的外形尺寸参数可知，Q5050 的入土深度大于Q5040，为减少成穴作业能耗，确定较优的取土式成穴器参数组合为：成穴器底端尺寸50 mm，入土深度40 mm。

表3 不同成穴方式的穴壁土壤孔隙度及穴内截面回土系数 Table 3 Soil porosity of the hole wall and the return coefficient of soil in hole section of different ways of soil opening method

4 土槽试验

4.1 试验条件与材料

为检测仿真试验的准确性和成穴器工作的可靠性，试制优化后的成穴器样机，以孔穴上端尺寸、孔穴有效深度、穴壁土壤孔隙度及穴内截面回土系数为响应值，进行孔穴成型土槽试验，将实测值与仿真值进行对比分析并计算实测值与仿真值之间的相对误差值。

土槽验证试验在湖南农业大学农业机械化工程实训中心数字化土槽中开展，试验用土质为黏壤土。仪器设备主要有：土槽车、成穴装置样机（图6a）、自制土壤容重测定器（图6c）与孔形测绘器（图6d）、皮尺、钢尺、坚实度测定仪、铝盒、工具刀、电子秤、坐标纸、记号笔等。其中，成穴装置的关键部件成穴器的结构参数与仿真试验得到的最佳参数取值相同。

图6 土槽试验 Fig.6 Soil bin test

4.2 试验方法

为保证土槽土壤与仿真土壤条件一致，试验前对土槽土壤进行旋耕机旋耕、刮土板刮平、喷淋系统洒水、镇压辊压实等处理，调整土槽土壤含水率与仿真模型的土壤含水率一致，0～150 mm 深的平均土壤坚实度为185 kPa。如图6b 所示，土槽试验区长9 m，宽1.5 m，机具作业速度为2.58 km/h，保证土槽试验与仿真试验成穴器作业参数一致，成穴过程中成穴器竖直出入土壤（无水平方向速度），成穴装置在测试区内完成孔穴均匀分布的2 列成穴作业，每列成型16 个孔穴。测定测试区内每一列中间10个孔穴的参数，为避免测量后孔穴损坏而影响其他参数的测量，取第1 列孔穴中的第4～8 个孔穴测量孔穴上端尺寸、第9～13 个孔穴测量孔穴有效深度，取第2 列孔穴中相同位置及个数的孔穴分别测量穴壁孔隙度及穴内截面回土系数，各参数测量结果取平均值为该组试验的结果。

4.2.1 孔穴外形尺寸

如图7a 所示，将钢尺沿穴口边缘放置，且保证2钢尺平行，测量2 钢尺之间的距离作为孔穴上端尺寸；如图7b 所示，将钢尺水平放置在穴口上，将另一钢尺竖直插入孔穴底部，2 个钢尺相交处的读数作为孔穴有效深度。

图7 孔穴外形尺寸测量 Fig.7 Measurement of hole size

4.2.2 穴壁土壤孔隙度及穴内截面回土系数

如图6c 所示，自制土壤容重测定器由把手和自制矩形环刀组成，其中矩形环刀尺寸根据仿真试验穴壁土壤孔隙度测量区域的尺寸设计，内腔长宽高为60 mm×40 mm×20 mm。成穴作业完成后，测量人员通过把手将矩形环刀沿垂直于孔穴内壁方向压入土壤，直至矩形环刀上端面溢出土壤，再用工具刀切除矩形环刀上下两端面多余的土壤，将矩形环刀内的土壤放入铝盒中，根据ρ=m/v 计算土壤容重，其中m 为铝盒内土壤烘干后的质量（g），v 为矩形环刀内土壤的体积，即矩形环刀内腔体积（cm3），再通过土壤孔隙度计算公式[26]求得孔穴穴壁土壤孔隙度。

式中ε 为孔穴穴壁孔隙度，%；ρb为土壤容重，g/cm3；ρs为土壤密度（与仿真试验取值相等）。

根据土壤扰动轮廓测量方法[27]，自制孔形测绘器测绘成型孔穴的轮廓曲线，如图6d 所示。孔形测绘器由底座、亚克力圆棒及坐标纸组成，底座长宽高为300 mm×50 mm×240 mm，亚克力圆棒直径5 mm，长度250 mm，底座相邻圆孔位置的间距为6 mm，坐标纸贴在底座的挡板上。成穴作业完成后，将孔形测绘器放置在孔穴正上方，坐标纸平面与孔穴沿深度方向的中心剖面重合，将亚克力圆棒沿底座上的圆孔插入直至接触土壤，再用记号笔标记亚克力圆棒顶端在坐标纸上的位置，读取各标记点的坐标并拟合成曲线，得到孔穴内壁轮廓曲线，通过Matlab 软件计算拟合曲线的面积作为孔穴实际穴内截面积，再按照仿真试验穴内截面回土系数计算方法求得土槽试验穴内截面回土系数。

4.3 试验结果与分析

利用自制孔形测绘器与土壤容重测定器得到土槽试验孔穴穴形截面轮廓曲线（图8）与穴壁土壤孔隙度，用钢尺测得孔穴外形尺寸，并计算出实际穴内截面回土系数，结果如表4 所示。

图8 穴形截面测量结果 Fig.8 Measurement results of hole section

由表4 可知，上端长、上端宽和有效深度的试验值均大于仿真值，穴内截面回土系数与穴壁土壤孔隙度的试验值均小于仿真值，本文的试验结果与仿真结果的相对误差在合理范围之内，验证了该成穴器能成型满足农艺要求的孔穴。其中，穴内截面回土系数相对误差最大，为14.2%，可能是测量及软件拟合过程中误差累计导致，孔穴有效深度相对误差最小，为1.2%。

5 结 论

1）采用离散元法，研究了2 种成穴方式（取土式、挤压式）的成穴器在不同下端尺寸及入土深度条件下对土壤的扰动效果，仿真分析了孔穴上端尺寸、下端尺寸及有效深度，结果表明仅下端尺寸50 mm、入土深度40和50 mm 的取土式成穴器和下端尺寸40 和50 mm，入土深度60 mm 的挤压式成穴器所成孔穴满足油菜钵苗移栽设计要求。

2）仿真分析2 种不同参数的成穴器所成孔穴的形态及其对土壤扰动情况的变化特点可知，穴内截面回土系数越小，孔穴形态越稳定，穴壁土壤孔隙度越小，土壤扰动量越大，在本试验条件下，取土式为较优的成穴方式，成穴器相对较优参数为：下端尺寸50 mm，入土深度40 mm，其所成孔穴的横截面形状为矩形，穴壁土壤孔隙率为48.5%，穴内截面回土系数为0.08。结合仿真结果及土槽试验结果可知，取土式成穴器所成孔穴能满足移栽要求，离散元仿真能够准确的模拟孔穴成型过程，仿真与土槽试验获取的孔穴截面轮廓曲线基本一致，孔穴上端长、上端宽、有效深度、穴壁土壤孔隙度及穴内截面回土系数的仿真值与试验值相对误差分别为4.8%、3.4 %、1.2%、1.5%、14.2%。

取土式成穴器所成孔穴满足油菜钵苗移栽要求，针对文中方锥台形取土式成穴器所成孔穴宽度方向上的土壤回流量大于纵长方向的问题，为减少穴内土壤回流量，提高孔穴稳定性，下一步研究拟对成穴器外形结构进行优化。