甘薯除草部件设计与仿真研究

邵伟 张文毅 纪要 严伟 刘宏俊

摘要：除草部件作为甘薯中耕除草机的关键作业部件，其结构与性能将直接影响到机具的作业效果。目前的除草部件结构只能实现沟底除草，但无法实现垄侧除草。根据甘薯种植的垄体参数和实际作业需求，设计一种锥体除草部件，该结构的设计能够增大作业区域，在原有的沟底除草基础上，增加垄侧中耕除草功能，提高机具作业性能。对锥体除草部件的工作参数和结构参数进行理论分析计算，并采用离散元法进行仿真验证试验。与传统除草部件相比较，碎土率提升11.31%，功率提升4.73%，作业覆盖面积增加133.33%，充分验证该设计的可行性。

关键词：甘薯；除草；中耕；离散元法

中图分类号：S224.1+5

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 04-0050-07

Abstract： As the key working parts of sweet potato weeding machine， the structure and performance of weeding parts will directly affect the working effect of the machine. The current weeding component structure can only achieve ditch bottom weeding， but can not achieve ridge side weeding. According to the ridge parameters of sweet potato planting and the actual operation requirements， a cone weeding component is designed. The structure design increases the operation area， increases the function of weeding in the ridge side on the basis of the original ditch bottom weeding， and improves the operation performance of the machine. The working parameters and structural parameters of the cone weeding component were analyzed and calculated theoretically， and the simulation test was carried out by using the discrete element method. Compared with the traditional weeding component， the soil crushing rate increased by 11.31%， the power increased by 4.73%， and the operation coverage area increased by 133.33%， which fully verified the feasibility of the design.

Keywords： sweet potato; weeding； intertillage; discrete element method

0 引言

甘薯是旋花科甘薯属一年或多年生双子叶草本植物，俗称红薯、山芋、红苕、地瓜等［1］，起源于墨西哥、厄瓜多尔到秘鲁一带的热带美洲，性喜温，不耐寒，是喜光的短日照作物。中国是甘薯最大生产国，拥有主粮化历史的甘薯，其丰富的加工产品为餐桌化、保健化提供保障［2］。现阶段，甘薯生产对甘薯商品性、品质要求高，想要提高甘薯品质，就要改良品种和提高种植水平。而杂草作为影响甘薯品质和商品性的制约因素之一，它会吸取农作物的水分和营养物质，多年来一直被作为研究的热点。甘薯的种植模式主要是垄作，目前甘薯除草主要依靠化学除草和人工除草，具有诸多局限性，而机械除草以其诸多优势，逐渐替代化学除草和人工除草［3］。甘薯机械除草主要与中耕相结合，中耕有许多好处，可以松土、增加土壤透气性、提高地温、提高土壤肥力等，是我国农业精耕细作的重要环节之一［4］。旋耕刀是除草部件的关键机构，近年来国内外对旋耕刀的研究在不断深入。扈伟昊等［5］基于离散元法探究立式旋耕刀与土壤的作业机理，确定了旋耕刀的最佳工作参数及作业的影响规律。熊平原等［6］基于南方土壤环境构建了旋耕刀—土壤相互作用仿真模型，分析了旋耕刀三向阻力影响因素及变化规律，为旋耕机作业能耗、刀片损耗等研究提供理论依据。方会敏等［7］对旋耕刀进行了受力分析，并构建了桔梗—土壤—旋耕刀相互作用模型来探索三者之间的相互作用机理。

目前使用的3ZC-2型甘薯中耕除草机具有除草率低、压垄、伤垄等缺点，部分原因是其除草部件只能对沟底进行除草，除草覆盖面积小，对垄侧的杂草只能通过覆土的方式来清除；垄侧杂草离甘薯苗更近，与甘薯生长争夺养分，影响甘薯品质。为实现垄侧除草，现设计一种锥体除草部件，对关键参数进行理论分析计算，并采用离散元法进行仿真验证試验。

1 锥体除草部件结构

1.1 甘薯种植垄体参数

锥体除草部件的机构形式及参数需根据甘薯垄体参数来进行设计。由于甘薯种植模式多样，各地方甘薯起垄参数标准并不一致，在平原地区起垄垄距Ld一般为800～1 000 mm，起垄高度h一般为250～350 mm［8］。为便于全程机械化配套，起垄垄距Ld选择900 mm，起垄高度h选择300 mm，垄顶宽Lw选择300 mm，垄底宽为600 mm，如图1所示。

1.2 锥体除草部件

甘薯封垄后进行中耕不易操作，易伤蔓，且封垄后甘薯蔓会阻碍杂草的光合作用，无需再进行中耕除草，故甘薯中耕除草期一般为甘薯苗栽插后一周到封垄前，一般进行2～3次。甘薯栽插后，薯苗苗梢会与移栽机前进方向平行，薯苗苗梢全部都在垄顶中心线位置。在中耕时期，甘薯处于发根缓苗期，此时薯苗栽插入土发根成活，大部分秧苗从叶腋处长出腋芽，枝蔓蔓延至垄侧处的情况极少，故锥体除草部件的侧刀作业面可以覆盖垄侧大半部分区域，产生伤苗情况的几率很小。

锥体除草部件是一种新型组合式机构，主要由传统旋耕刀组和锥体状侧刀组成。能够实现传统旋耕刀组对垄底土壤进行旋耕除草的同时，锥体状侧刀对垄侧土壤进行微耕除草。传统旋耕刀组主要由四把旋耕刀和圆盘形刀轴组成，圆盘形刀轴与单体下方的齿轮同轴连接，动力通过万向节、齿轮箱、传动轴、单体链传动组传递，由拖拉机带动刀轴转动。相邻旋耕刀之间间隔90°，通过交错的方式固定在圆盘形刀轴上。锥体状侧刀主要由圆盘形底座和三根刀条组成，三根刀条之间间隔120°，与底座组成锥体状，刀条上等间距排列了7个刀片，锥体除草部件结构如图2所示。

2 锥体除草部件关键参数设计

锥体除草部件作为甘薯中耕除草机的关键作业部件，其作业性能直接影响了中耕除草的工作质量，作业示意图如图3所示，锥体除草部件的设计需要考虑到结构参数和工作参数等因素。

关于锥体除草部件中的传统旋耕刀组，其结构参数主要有旋耕刀形状、刀片长度宽度、刀片角度等。如旋耕刀形状越尖锐，旋耕的深度就越深，但在較硬的土地里阻力较大；刀片越圆润，旋耕的深度就越浅，对较硬的土地来说阻力也较小。刀片长度和宽度会影响机器的中耕效率。刀片长度越长、宽度越宽，中耕面积越大，但也会增加机具的重量和阻力［9］。锥体状侧刀的运动参数包括除草部件绕刀轴所做的圆周运动转速和甘薯中耕除草机前进速度。转速越快，中耕除草效果越好，但会增加机具作业的噪声和能耗。甘薯中耕除草机前进速度越快，作业效率越高，但是会增加能耗、降低作业质量等。

2.1 工作参数计算

关于锥体状侧刀的设计，首先要考虑到工作参数。对其作业运动轨迹进行分析，锥体状侧刀的运动可分为机具前进所带来的匀速直线运动和绕传动刀轴的匀速圆周运动，其运动分析如图4所示。

如图7所示，刀片倾角α为刀片与刀条之间形成的夹角，即刀尖与圆周运动切线方向的夹角。其大小会影响到侧刀所受到的阻力大小和单个刀片作业面积。若刀片倾角α≤0，则刀背会与未中耕的土壤挤压，增加机具作业的机械磨损，导致除草部件阻力矩的不均匀波动，机具作业的稳定性变差。刀身在余摆线轨迹线交点处的交点，刀身所在直线与余摆线切线的夹角为θ，若α>θ也会发生刀背与未耕土壤挤压的情况。查阅相关资料可知，刀背倾角范围在4°～10°［11］。

3 锥体除草部件离散元仿真试验

为提高甘薯中耕除草机的中耕除草性能，本文以现有的旋耕刀研究方法为参考依据，采用离散元仿真试验来模拟锥体除草部件在田间作业，从而探究锥体除草部件的运动参数和结构参数对作业性能的影响。本文在EDEM软件中建立土壤颗粒模型后生成甘薯种植垄体土槽，在SolidWorks三维制图软件中建立旋耕刀模型，刀片宽度为20 mm、刀片厚度为4 mm、刀片间距为30 mm、刀背倾角为7°。转换成igs格式后导入EDEM软件中进行运动仿真验证试验。

3.1 离散元模型建立

仿真试验结果的可靠性依赖于模型参数的设置，颗粒大小及形状、颗粒接触模型、粒径分布、物体材料特性参数、物体运动参数、仿真步长等因素对仿真的准确性和仿真时间起到关键性作用，合理的模型参数设置既可以保证试验结果的精确，也可以减少仿真运算试验。

在EDEM软件中建立土槽前需建立土壤颗粒模型，考虑到所生成的垄体宽度为1 200 mm，在保证仿真精度的前提下为减少计算机运算时间，设置颗粒半径大小为8 mm。为了更好地模拟土壤本身由于含水和挤压所形成的板结土层环境，展示出中耕除草作业评价指标，在颗粒与颗粒键添加Bonding键，设置颗粒之间接触模型为Hertz-Midlin with JKR，滚动摩擦模型为标准滚动模型，附加模型为Bonding模型。添加Bonding模型可以将众多颗粒组成一个整体，颗粒与颗粒间生成可以承受一定切向和法向力的黏结键，在受到超过一定大小的剪切应力时，黏结键断裂，颗粒与颗粒分离。该模型可适用于模拟岩石结构、混凝土结构、土壤结构等环境。

在EDEM软件中，仿真参数主要包括颗粒参数、材料参数、材料与材料间接触参数，本文通过参考文献［12］确定土壤颗粒参数。在Solidworks软件中建立锥体除草部件三维模型，其中4把旋耕刀件采取目前市面上应用较多的IT225型的旋耕刀件。三维模型建立完成后转换成igs格式后导入EDEM软件中，目前市面上的旋耕刀材料采用65Mn较多，本仿真试验选择旋耕刀模型材料为65Mn，并根据65Mn的材料属性参数在EDEM中设置好材料参数。具体参数设置如表1所示。

在EDEM软件中建立一个槽，在槽上方区域建立一个四边形区域，在此四边形区域添加颗粒工厂，0～2.4 s时让土壤颗粒以动态生成的方式在四边形区域中生成颗粒投入槽里从而生成土槽。为模拟甘薯种植的垄作情景，在Solidworks中建立一个垄形压板，如图8所示，转换成igs格式后从土槽上方以1 m/s的速度匀速往下运动，从而在土槽中压出垄体。通过多次试验，当从300 mm高度处向下匀速运动1.6 s时，刚好可以压实垄体且不会使得颗粒受到过度挤压，能较好地模拟田间土壤环境。

形成垄体后再使颗粒间生成Boinding键，去除压板后仿真1 s使得颗粒速度和bond键数量趋于稳定，仿真时间步长参考瑞利波速相关理论［13］，选择步长时间为20%。最终生成仿真试验所需的土槽，如图9所示。

3.2 仿真运动分析

设置好锥体除草部件模型在土槽中的初始位置后，通过Add motion功能对锥体除草部件模型添加一个绕刀轴匀速自转的驱动和一个水平前进的匀速直线运动，以此来模拟中耕除草作业情景［14］，从后处理分析中导出仿真试验参数。5～6.6 s为运动仿真时间，锥体除草部件初始坐标和位置如图10所示。选择前进速度为1 m/s、转速为300 r/min。

为了更直观地观察土壤颗粒运动情况，仿真运动如图11所示。

由图11可得，设置前进速度和转速从第5 s开始驱动，此时颗粒颜色都为黑色，速度为0；第5.5 s时由于旋耕刀的运动，带动土壤颗粒的运动，破坏了垄沟里颗粒之间的Bond键，使得土壤具有一定速度，其中浅灰色为速度较大的颗粒，位于垄顶处；深灰色为速度较小的颗粒，大多位于垄底处靠近旋耕刀尾部，此时颗粒由于除草部件的运动下出现土壤扰动，速度还较小且具有一定的加速度。第6 s与第6.5 s为运动仿真俯视图，从图中可以看出垄侧三分之二区域的颗粒具有一定速度，且通过颗粒颜色与密度可知，侧刀可有效对垄侧进行中耕除草，且对表面土壤的松土效果较好。

锥体除草部件仿真运动过程中所受的总扭矩和X、Y、Z轴上的扭矩如图12所示。

由于除草部件本身是圆周运动，受力规律为周期性波动，且从图12中可看出，除草部件三向扭矩与总扭矩都为周期性波动。通过分析可知，由于除草部件触土部分并不是对称的，所以当部件触土作业时，由于左右两个锥体除草部件受力不对称，产生周期性的X轴向和Y轴向的扭矩，扭矩方向会随着除草部件位置的改变而产生周期性的改變，该扭矩作用在旋耕刀轴上，由刀件和刀轴本身的材料刚性产生扭矩来实现扭矩平衡。X轴向和Y轴向扭矩过大会加剧对旋耕刀的损耗，影响到机具作业的平稳性。Z轴向扭矩与总扭矩接近重合，且Z轴方向上的扭矩较大，该扭矩方向与除草部件旋转方向相反，与传动轴输出的扭矩形成扭矩平衡，转速不变时，Z轴向扭矩越大，机具作业功率越大。

输出仿真试验结果，以Bond键断裂数和扭矩作为试验评价指标。其中，键断裂数可以有效反映出碎土率，碎土率越高，中耕效果越好，土壤透气性变好，除草率越高；除草部件所受扭矩可以较好地反映功耗变化和机具作业的稳定性。试验得出Bond键断裂数为86 241，平均扭矩为80.53 N·m，仿真运动过程中最大扭矩差值为53.44 N·m。与去除锥体侧刀的传统除草部件仿真试验结果进行对比，键断裂数为77 483，平均扭矩为76.89 N·m，最大扭矩差值为52.91 N·m。根据试验结果可得，碎土率提升了11.30%，功率提升了4.7%，扭矩波动无明显变化，而传统除草部件作业宽度仅为300 mm，锥体除草部件作业宽度为700 mm，作业覆盖面积提升了133.33%。试验结果充分证明了锥体除草部件对比传统除草部件的优越性，满足甘薯中耕除草作业的设计需求。

4 结论

1） 根据甘薯种植垄体参数与田间管理需求，设计出甘薯中耕除草机上所使用的锥体除草部件结构，该结构可以弥补传统除草部件无法对垄侧进行除草的缺陷，提高作业性能，并通过对锥体除草部件运动的理论计算与分析，为后续仿真试验研究提供理论基础。

2） 在EDEM软件中建立土壤颗粒模型并生成土槽，导入锥体除草部件模型后进行运动仿真试验，对试验过程和结果进行理论分析，以Bond键断裂数和扭矩作为评价指标，相比较于传统除草部件，碎土率提升了11.3%，功率提升了4.73%，作业覆盖面积提升了133.33%，验证了该设计的可行性，展现了相比较于传统除草部件的优势，本研究可为锥体除草部件的进一步优化与加工试制提供数据参考和技术支持。

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