丘陵山地油茶栽植大直径钻孔装置优化与试验

Optimization and Experiment of Large Diameter Drilling Device for Camellia oleifera Planting in Hilly and Mountainous Areas

摘要

针对油茶挖坑机具工作过程中出土率低下、土壤回流量大、人工二次清土工作繁杂等问题，依照现有油茶挖坑机具的结构，利用离散元法仿真软件（Engineering discrete element method，EDEM）仿真及试验研究，优化机具参数提高挖坑出土率。以适用于丘陵山地复杂立地环境的大直径挖坑钻头为研究对象，提出油茶大直径钻孔技术方案，设计一款大直径钻孔、高出土率的钻头。对挖坑钻头主要部件建模并结合EDEM2023软件对土壤建模，同时对机具挖坑工作过程进行仿真。以钻孔装置出土率高低为评价指标，以钻杆直径、螺旋升角、土壤与翼片静摩擦因数为试验因素，进行单因素试验确定3个参数的取值范围；以此为基础进行多因素正交试验从而确定出土率最佳的参数组合。单因素试验结果表明，钻孔装置钻杆直径从80 mm增大至120 mm，出土率呈现下降趋势；翼片螺旋升角由15°增大至23°，出土率呈现下降趋势；土壤与翼片的静摩擦系数由0.50增大至0.60，出土率呈现先增后减趋势。在三者中，螺旋升角对出土率影响最大，钻杆直径对出土率影响最小。二次回归正交旋转组合试验结果表明，三因素对挖坑机具出土率的影响由大到小的顺序为螺旋升角、静摩擦系数、钻杆直径，最佳方案是钻杆直径为82 mm、螺旋升角为23°、静摩擦因数为0.56，这3个参数组合下出土率为92.73%。

Abstract

In order to solve the problems of low excavation rate， large soil reflux and complicated manual secondary soil clearing work in the working process of Camellia oleifera digging machine， according to the structure of the existing Camellia oleifera digging machine， EDEM simulation and experimental research were used to optimize the parameters of the machine and improve the excavation rate of the pit. Taking the large-diameter pit drilling bit suitable for the complex site environment of hilly and mountainous areas as the research object， the large-diameter drilling technology scheme of Camellia oleifera was proposed， and a large-diameter drilling bit with high excavation rate was designed. The main components of the digging bit were modeled， and the soil was modeled by combining EDEM2023 software， and the working process of the pit digging was simulated. Taking the excavation rate of the drilling device as the evaluation index， and the diameter of the drill rod， the spiral rising angle and the static friction factor of the soil-fin as the test factors， the single factor test was carried out to determine the value range of the three parameters. On this basis， multi-factor orthogonal experiments were carried out to determine the optimal combination of parameters for the excavation rate. The results of single factor test showed that the diameter of the drill rod of the drilling device increased from 80mm to 120 mm， and the excavation rate showed a downward trend. The spiral rise angle of the fin increased from 15° to 23°， and the excavation rate showed a downward trend. The static friction coefficient between the soil and the fin increased from 0.50 to 0.60， and the excavation rate showed a trend of first increasing and then decreasing. Among the three， the spiral angle had the greatest influence on the excavation rate， and the diameter of the drill rod had the least influence on the excavation rate. The results of the quadratic regression orthogonal rotation combination test showed that the influence order of the three factors on the excavation rate of the digging machine was the spiral rising angle>the static friction coefficient > the diameter of the drill rod， the diameter of the drill rod was 82 mm， the spiral rise angle was 23°， and the static friction factor was 0.56， and the excavation rate was 92.73% under the combination of this parameter.

Graphical abstract

关键词

油茶栽植 / 钻孔装置 / 螺旋钻头 / 离散元仿真 / 出土率优化 / 多因素正交试验 / 林业装备设计

Key words

Camellia oleifera planting / drilling rig / twist drill bit / discrete element simulation / excavation rate optimization / multifactor orthogonal experiment / forestry equipment design

0 引言

油茶（Camellia oleifera Abel.）为山茶科、山茶属常绿乔木，与油棕、椰子、油橄榄并称为世界四大木本食用油料作物，已有2 000多年的栽培历史。目前我国是世界上油茶分布最广、品种最多的国家。我国油茶主产区集中分布在湖南、江西、广西和浙江等地区。油茶籽含油丰富（25%~40%），油茶籽经过压榨或浸提可获得油茶籽油。油茶籽油中富含不饱和脂肪酸，含量最高可达90%以上，对人体健康十分有益，属高分品质油品。油茶籽油中含有植物甾醇、生育酚及生育三烯酚、角鲨烯、多酚和多酚类物质（黄酮、山茶苷）等有益的天然活性物质，具有抗病毒、抗氧化、抗肿瘤、提高机体免疫力的功能，是一种重要的高端保健食用油^［1］。

造林整地是油茶丰产栽培技术中关键的一环，造林前整地有利于土壤熟化，提高油茶幼苗的成活率，实现更好的生长效果。整地时间通常选择在造林前的 2~3个月，清理完林地后进行垦地。垦地分为全垦、带垦和穴垦3种方式，坡度小于10°时全垦，坡度为10°~25°时带垦，坡度大于25°时穴垦，3种垦地方式挖穴坑的规格均相同，即穴坑的长、宽、深分别为60、60、40 cm。穴坑挖好后要适当回填表土至穴深的1/3处，然后施基肥与之拌匀促进油茶幼苗生长^［2-4］。造林垦地过程中，钻孔是极为关键的一步，现今钻孔装置多用于中小直径坑穴，丘陵山地大直径坑穴的钻孔装置较少。现有栽植油茶幼苗主要依靠人工钻孔，土壤回流率高，工作效率低下，生产成本高。无法满足油茶幼苗移栽需求。研究一款大直径钻孔装置对推动油茶幼苗栽植的自动化、规模化具有重要意义。针对钻孔装置对坑穴的影响，国内外有部分学者开展了对钻孔装置参数的探索，主要为钻孔装置对成穴质量的研究，大部分研究聚焦于挖坑后坑穴的紧实度、坑穴顶端的抛土半径及螺旋钻的连续性工作，鲜有文献探索钻孔装置挖坑后土壤存留量的问题^［5-6］。

综上，鉴于油茶本身的高作物价值、复杂的生长环境及受限的栽植农艺要求，目前油茶幼苗栽植装备仍处于半自动化阶段，本研究针对油茶钻孔装置工作过程中出土率低下、土壤回流量大和人工二次清土工作繁杂等问题^［7］，以适用于丘陵山地复杂立地环境的大直径挖坑钻头为研究对象，提出油茶大直径钻孔技术方案，设计一款大直径挖坑钻头，高速钻孔，高出土率的钻头，以实地调研勘测油茶幼苗移栽农艺要求为基础，以理论公式为前提，建立挖坑过程中钻头与土壤颗粒受力的动力学模型，进行了基于离散元法仿真软件（Engineering discrete element method，EDEM）软件的仿真优化，对优化后的参数进行试验验证，以期为油茶栽植挖坑阶段自动化、规模化奠定基础。

1 挖坑机钻头结构及工作原理

1.1 结构组成及工作原理

挖坑机钻头结构主要由3部分构成：钻杆、螺旋翼片及钻头。钻杆连接套杆与原动机配合，以提供挖坑机具所需的动力。为保证钻头工作强度，将钻杆同螺旋翼片焊接一体^［8］，螺旋叶片由大、小两翼片组成；小翼片协助挖坑过程中的切土操作，整个挖坑机钻头结构的出土率依靠大翼片的留土能力。底部安装有双螺旋钻头便于机具钻土。钻杆与螺旋叶片焊接为一体，大、小螺旋翼片水平方向对称焊接。两螺旋叶片近土端焊接有挖齿；底部双螺旋钻头通过钻杆底部孔配合。挖坑机具工作时，螺旋钻依靠钻杆传递的动力旋转，同时进行竖直方向的下降，机具底部合金钻头进行钻土，一段时间后，螺旋翼片接触土壤进行切土，土壤经过摩擦、压实、堆积至螺旋翼片上层。进行到指定深度后，停止下降，保持机具继续旋转，一段时间后停止回转运动，提升钻头结构出土即可完成油茶幼苗移栽坑穴的挖掘。挖坑机钻头结构如图1所示。

1.2 挖坑机钻头结构设计及受力分析

1.2.1 螺旋外直径D和钻杆直径d

挖坑机钻头结构螺旋外径由移栽坑穴直径D₁确定，油茶栽植因地而异，在湖南株洲区域，栽植林地多为丘陵山地，挖垦的方式多为条垦，在栽植前需清除石块、树根等杂物，耙平后按行距定点挖坑，挖坑规格为50 cm×50 cm×50 cm^［9］。

由于挖坑过程中钻头产生振动，通常取D=（0.92~0.98）D₁，选取D=500 mm满足油茶幼苗移栽农艺要求。钻杆直径d即螺旋内直径，试验样机为中小型悬挂式挖坑机如图2所示，其他参数见表1。其机械悬臂连接轴直径为120 mm，考虑钻杆强度需满足工作要求，取120 mm（≥80 mm）^［10］。

1.2.2 螺旋翼片参数及钻头参数

移栽坑穴纵深略大于500 mm，设置螺旋翼片高度为550 mm可满足挖坑要求。国内外试验资料表明：便携式挖坑机通常取螺旋升角\beta为10°~16°，悬挂式挖坑机通常取\beta为15°~24°^［11］。螺旋升角越小，通常螺旋翼片上土壤存留量越大，应当尽量选择小螺旋升角的挖坑机钻头^［12］。导程p是指螺旋线上某一点沿螺旋线围绕其轴线旋转一周在轴上所移动的距离。\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\beta =\frac{p}{D}，\beta =\mathrm{10}°~\mathrm{16}°，可得p=134~233 mm。对于悬挂式挖坑机，工作直径在0.5 m的钻头通常取i=2^［13］。油茶栽植区多为浅山丘陵中未开垦的多杂草灌木地、碎石地等特殊地貌，作业时需保证钻头工作强度，硬质合金钻尖能更好地深入坑穴底部。

1.3 挖坑机钻头与土壤作用动力学分析

土壤在挖坑机钻头切土过程中，需满足土壤颗粒能在机具回转运动中保持上升。钻头转速过低导致土壤颗粒离心力较小，容易造成土壤颗粒堵塞使得钻头切土阻力增加。当转速提高时，被切下的土壤颗粒离心力增大，在离心力的作用下土壤颗粒与坑壁发生摩擦，由于螺旋升角的存在，被抛出的土壤颗粒相对于坑壁只发生竖直向上的相对运动。当转速过大时，挖坑机钻头最上方土壤颗粒因为离心力过大导致抛土半径过大，对土壤回填造成不利影响^［14-15］。综上所述，机具转速\omega应处于合理范围内，水平方向建立X轴，竖直方向建立Y轴，以单个土壤颗粒在螺旋翼片上恰好保持静止的条件下进行受力分析，如图3所示。

由图3可知，土壤颗粒的受力平衡方程满足

\left\{\begin{array}{c}{\sum }_{}X=\mathrm{0}\\ {\sum }_{}Y=\mathrm{0}\end{array}\right.。（1）

F_{\mathrm{1}}=F_{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta +F\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta。（2）

F\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta =G+F_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta。（3）

式中：F为螺旋翼片对土壤颗粒的作用，N；F_{\mathrm{1}}为土壤颗粒与坑壁的摩擦力，N；F_{\mathrm{2}}为土壤颗粒与螺旋翼片的摩擦力，N；G为土壤颗粒的重力，N；\beta为螺旋翼片的螺旋升角，°。

由摩擦力公式及离心力公式得

F_{\mathrm{1}}={\mu }_{\mathrm{1}}P。（4）

F_{\mathrm{2}}={\mu }_{\mathrm{2}}F。（5）

P=mg{\omega }_{\mathrm{0}}R。（6）

式中：{\mu }_{\mathrm{1}}为土壤颗粒与坑壁之间的摩擦系数；{\mu }_{\mathrm{2}}为土壤颗粒与螺旋翼片之间的摩擦系数；P为土壤颗粒受到的离心力，N；{\omega }_{\mathrm{0}}为土壤颗粒与螺旋翼片发生相对运动的临界角速度，r/min；R为螺旋翼片半径，mm；m为土壤颗粒单元质量，kg；g为重力加速度，m/s²。

通过上述公式可得出临界角速度为

{\omega }_{\mathrm{0}}=\sqrt[]{\frac{g\left(\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta +{\mu }_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta \right)}{{\mu }_{\mathrm{2}}R\left(\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta -{\mu }_{\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta \right)}}。（7）

当钻杆钻速不小于临界转速时，土壤颗粒相对坑壁产生竖直向上运动。此土壤颗粒产生复杂的运动方式，主要运动可分解为相对坑壁的竖直向上运动和沿轴方向的旋转轴向运动^［16-17］。为简化模型，在不考虑土壤颗粒之间的吸附力、相对运动及其他次要因素的影响下，假定土壤颗粒为单个质点，其运动分解图如图4所示。

当挖坑机钻头以某一速度\omega旋转时，土壤颗粒在此瞬时以线速度V_{\mathrm{o}}沿切点方向运动，V_{\mathrm{o}}即为土壤颗粒的牵引速度；不考虑螺旋翼片摩擦力的条件下，土壤颗粒沿翼片法向方向作绝对速度V_{\mathrm{t}}的运动；土壤颗粒与螺旋翼片接触产生切线方向的一个摩擦力F_{\mathrm{2}}，使得绝对速度V_{\mathrm{t}}发生了角度偏转，得到一个速度记为V_{\mathrm{c}}，发生的偏转角定义为螺旋翼片与土壤的摩擦当量角\rho；进一步将V_{\mathrm{c}}分解为轴向速度V_{\mathrm{Z}}和轴向速度V_{\mathrm{r}}。利用速度三角形对土壤颗粒在此瞬时的运动速度求解，由图4可得^［18］

\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Z}}=V_{\mathrm{c}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\rho +\beta \right)\\ V_{\mathrm{r}}=V_{\mathrm{c}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\rho +\beta \right)\end{array}\right.\end{array}。（8）

\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{c}}=\frac{\omega S\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta }{\mathrm{60}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\rho }\end{array}。（9）

将式（9）代入式（8）中得

\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Z}}=\frac{\omega S}{\mathrm{60}}\left(\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}\beta -\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\rho \right)\\ V_{\mathrm{r}}=\frac{\omega S}{\mathrm{60}}\left(\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta -\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}\beta \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\rho \right)\end{array}\right.。（10）

\left\{\begin{array}{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta =\frac{\mathrm{1}}{\sqrt[]{\mathrm{1}+{\left(\frac{S}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}\right)}^{\mathrm{2}}}}\\ \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta =\frac{\frac{S}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}}{\sqrt[]{\mathrm{1}+{\left(\frac{S}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}\right)}^{\mathrm{2}}}}\end{array}\right.。（11）

将式（11）代入式（10）中得

\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Z}}=\frac{\omega S}{\mathrm{60}}\frac{\mathrm{1}-{\mu }_{\mathrm{2}}\frac{S}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}}{\mathrm{1}+{\left(\frac{S}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}\right)}^{\mathrm{2}}}\\ V_{\mathrm{r}}=\frac{\omega S}{\mathrm{60}}\frac{{\mu }_{\mathrm{2}}+\frac{S}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}}{\mathrm{1}+{\left(\frac{S}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}\right)}^{\mathrm{2}}}\end{array}\right.。（12）

式中：V_{\mathrm{Z}}为土壤颗粒轴向速度，mm/s；V_{\mathrm{r}}为土壤颗粒周向速度，mm/s；{\mu }_{\mathrm{2}}为土壤颗粒与螺旋翼片之间的摩擦系数；\omega为挖坑机具旋转角速度，r/min；S为螺旋翼片螺距，mm；r为土壤颗粒所在位置的半径，mm。

由式（12）可知，在挖坑过程中，土壤颗粒的合速度与螺旋翼片的动摩擦系数{\mu }_{\mathrm{2}}、钻头转速\omega、螺旋翼片螺距即螺旋升角\beta有关^［19-20］。目前研究挖坑装置出土率的参考资料较少，且没有较为明确的理论计算公式，因而利用挖坑机钻头其他主要参数，结合EDEM软件展开对出土率的研究。在钻土阶段工作时间充足的条件下，挖坑机钻头出土量与螺旋翼片参数相关性较大，螺旋翼片的高度、外径为定值时，影响出土量大小的关键因素为螺旋翼片的相对宽度，即钻杆直径以及螺旋升角。在出土阶段考虑土壤能尽可能地存留在翼片上被提出土坑，停止钻杆出土时的回转运动，在不考虑土壤自身参数的条件下，静摩擦系数是阻止土壤颗粒发生相对运动关键因素。

综上所述，选定钻杆直径、螺旋升角及土壤-螺旋翼片静摩擦系数为研究出土率的考察因素。

2 挖坑过程仿真模型建立

2.1 仿真参数确定

EDEM软件包含了离散元数值计算方法，在分析求解复杂离散元系统的动力学问题上具有重要作用，通常用于模拟土壤或粉末等颗粒在处理过程中的运动、摩擦和碰撞等行为。离散元模拟土壤可以更好地研究挖坑机钻头结构对土壤的扰动、作用力和承载颗粒数量等问题，能够精确直观地求解出参数目标值^［21］。

本试验所用土壤取样自湖南株洲油茶种植试验基地，试验基地土壤以山地黄壤为主，在油茶种植林地进行土壤采样，经土壤参数标定可知：黄壤水湿条件较好，含水率分布范围在20%~40%。土壤密度为2.68 g/cm³，土壤内聚力约为14 kPa。该试验田土壤样本粒径为5、3、1 mm的占比约为15%、74%、11%。山地黄壤土壤颗粒形状复杂，含水量充分，为便于后续仿真处理，简化为3 mm单个球形颗粒。查阅文献［22］，确定挖坑装置主要机具与土壤颗粒的接触模型为赫兹-明德林结合JKR（Johnson-Kendall-Roberts）模型（Hertz-Mindlin with JKR），土壤颗粒之间的接触模型为爱丁堡弹塑性黏附模型（Edinburgh elasto-plastic adhesion model，EEPA），其他参数见表2。

2.2 仿真模型建立

油茶栽植挖坑机钻头利用SolidWorks2023软件建立，建模过程可对影响仿真结果较小的部件进行简化处理，建模完成后保存为IGS格式文件导入EDEM2023软件中，并按照表2设置土壤参数，现螺旋翼片使用较多的3种材料：锰钢（65Mn）、碳钢（Q235）及不锈钢316L（0Cr₁₇Ni₁₂MO₂），挖坑机钻头结构3种材料及仿真参数见表3。

先建立block单元矩形土壤块便于加快后续仿真过程的速度，尺寸大小为800 mm×800 mm×100 mm，由土壤块体积推算出block块的理论质量为172.5 kg，设置土壤颗粒生成速率为200 kg/s，仿真时长为2 s，仿真生成block土壤块后保存。再新建一个box用于模拟真实土坑的尺寸，土坑尺寸设置为800 mm×800 mm×1 000 mm，将block土壤块导入box中，仿真时长为0.5 s，用以沉积block块达到自然状态下沉降压实土壤的效果。土坑仿真模型如图5所示。

土坑仿真模型建立完毕后，导入挖坑钻头结构IGS文件，设置表1及表2参数。经前期预试验处理确定钻头结构挖坑入土阶段竖直下降速度为0.8 m/s，转速为60 r/min，提土阶段竖直上升速度为1 m/s。且钻头结构出土率与挖坑过程的入土速度、出土速度与钻速无关。钻头结构入土仿真起始时间为0.5 s，经1.25 s下降到指定深度，同时钻杆保持旋转。在1.75 s时钻杆到达指定位置不再下降，钻杆继续旋转1 s保证运动圆周一圈充分与土壤接触。钻头结构入土阶段结束后停止旋转并以指定速度提升，确定仿真总时长为3.75 s。仿真时间步长通常设置为15%~20%，为保证仿真数据拟合程度高，确定时间步长为15%。数据保存时间间隔为0.05 s。网格尺寸大小影响仿真过程的真实性，一般选择最小颗粒半径的2~3倍，网格尺寸过小导致计算机仿真速率过低，选择网格尺寸为3R^［23］。挖坑钻头结构土坑仿真模型如图6所示。

3 仿真过程及单因素试验

3.1 仿真过程及结果

挖坑仿真过程如图7所示。仿真参数为钻杆直径100 mm，螺旋升角25°，土壤-翼片摩擦系数0.5，结果以钻杆最后一瞬时网格分类组中颗粒数量为出土量指标，利用EDEM软件后处理选项中监测网格属性的功能，达到对网格内每个土壤颗粒数量的实时计算与统计目的。在后处理选项中的设置选择，选择新增选项中的网格分类组。建立与钻杆体积相匹配的统计网格，并利用EDEM软件中的Analyst模块处理仿真数据^［24］，在不同的钻头结构工作参数下，得到网格分类组内土壤颗粒数量的总量，计算得出不同参数下钻头结构挖坑的出土率。

3.2 单因素试验分析与讨论

确定挖坑机钻头结构螺旋翼片螺旋升角为15°，钻杆直径为80 mm，土壤-螺旋翼片静摩擦因素选取0.5、0.52、0.54、0.56、0.58、0.60，一共进行6组仿真试验，试验数据通过Great Graph主界面右击保存为.csv文件。确定挖坑机钻头结构钻杆直径为80 mm，土壤-螺旋翼片静摩擦因数为0.54，螺旋升角分别选取15°、17°、19°、21°、23°，进行5组试验；同理，确定螺旋升角为15°，土壤-螺旋翼片静摩擦因数为0.54，钻杆直径分别选取80、90、100、110、120 mm，进行5组试验。汇总上述数据，结果如图8所示。试验结果表明，当土壤-翼片静摩擦因数在0.5~0.6时，静摩擦因数越大，土壤颗粒越不易产生翼片的相对滑动，提升阶段越不容易从翼片上滑落；当钻杆直径在80~120 mm时，钻杆直径越大，螺旋翼片相对工作面积越小，存土量越小，出土率呈下降趋势。当螺旋升角在15°~23°时，螺旋升角越大，土壤颗粒在倾斜面分力越大，越不易保持相对静止。

4 试验方案与回归模型建立

4.1 试验方案

通过EDEM软件仿真分析得到的各考察因素影响挖坑机钻头结构出土率的规律，确定挖坑机钻头结构的最优钻杆直径、螺旋升角、土壤-翼片静摩擦因数为试验因素，进行二次旋转正交组合试验，将钻头结构的出土率作为评价指标，试验因素编码见表4。

结合油茶幼苗移栽的农艺要求，前期实地勘测及国内外研究成果，确定挖坑机钻头结构钻杆直径为80~100 mm、螺旋升角为15°~19°、土壤-翼片静摩擦因数为0.54~0.58，通过响应面分析法对试验指标的显著性进行分析，采用三因素三水平二次回归正交旋转组合，得到钻孔装置的出土率R_{\mathrm{1}}在88.43%~92.73%，从而确定对试验指标的影响规律，得到最佳出土率参数组合。

4.2 回归模型建立及方差分析

试验方案与结果见表5，表5中钻杆直径A、螺旋升角B、土壤-翼片静摩擦因数C为因素编码值，出土率R_{\mathrm{1}}为响应值。根据表5试验结果，建立以R_{\mathrm{1}}为因变量，A、B、C为自变量的二次多项式响应面回归模型。分析表6数据可知，其模型的P小于0.01，表明该钻孔装置的回归模型高度显著；且失拟项数值均大于0.05，表明该模型的失拟性不显著，其回归方程的拟合程度高，可以采用该模型近似替代真实模型获取试验结果以进行分析。

对R_{\mathrm{1}}进行方差分析，由表6数据可知，试验因素中A、B、C、C^{\mathrm{2}}的P均小于0.01，表明上述试验因素对因变量的影响均极为显著；试验因素AB、B^{\mathrm{2}}的P小于0.05，表明2个试验因素对因变量的影响是显著的；而AC、BC、A^{\mathrm{2}}三者的P均大于0.05，表明上述三者对因变量的影响是不显著的，因此可以将上述3个试验指标进行优化。影响机具挖坑出土量指标的试验因素由大到小的顺序为：B、C^{\mathrm{2}}、C、A、AB、B^{\mathrm{2}}。因此，出土率R_{\mathrm{1}}对试验因素的回归方程可简化为

R₁=91.24-0.260 0A-1.42B+0.366 2C+0.077 5AB-0.069 5B²-0.864 5C²。（13）

4.3 响应曲面分析及参数优化

对试验数据进行分析，便于研究各试验因素与试验指标之间的关系，处理后得到直径与螺旋升角交互、直径与静摩擦因数交互、螺旋升角与静摩擦因数交互对出土率影响的响应曲面，如图9所示。

由图9（a）可知，当静摩擦因数一定时，出土率与螺旋升角呈负相关，螺旋升角越小，土壤颗粒在翼片上沿斜面受到的分力越小，土壤颗粒因重力掉落的数量越少。当螺旋升角也一定时，钻杆直径越小，螺旋翼片相对钻头结构的面积越大，出土率越高。由图9（b）可知，当螺旋升角一定时，出土率随静摩擦因数增大先增后减，其原因是，静摩擦虽然可以有效阻止土壤颗粒下滑，随着翼片切土量增大，土壤在翼片之间的填充量也随之增大，静摩擦因数过大时，导致翼片底层土壤阻力过大，降低了土壤的流通量，导致切土不充分，出土率与钻杆直径呈负相关。由图9（c）可知，当钻杆直径一定时，出土率与螺旋升角呈负相关，出土率随静摩擦因数增大先增后减。

利用Design Expert软件对3个试验因素进行参数优化以得到最佳的出土率对应的参数组合。在保证工作强度要求、经济条件、作物栽培农艺要求的前提下，根据试验条件确定优化目标函数及约束条件λ为

\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}{R}_{\mathrm{1}}\left(A,B,C\right)

\lambda =\mathrm{s}.\mathrm{t}.\left\{\begin{array}{c}-\mathrm{1}\le A\le \mathrm{1}\\ -\mathrm{1}\le B\le \mathrm{1}\\ -\mathrm{1}\le C\le \mathrm{1}\end{array}\right.（14）

求得挖坑机钻头最优参数组合为钻杆直径82 mm、螺旋升角15°、静摩擦因数0.56，此参数组合下出土率为92.73%。

5 田间实验

为了验证仿真试验及正交试验优化后参数的准确性^［25］，选择湖南株洲油茶种植实验基地，测得土壤含水量26.9%，选择螺旋翼片材料为65 Mn，设置螺旋升角为15°，钻杆直径为82 mm，油茶挖坑机的田间作业如图10所示。作业后移栽坑穴尺寸为半径530 mm，高度550 mm的圆柱形土坑，符合油茶幼苗移栽要求，出土率平均值为92.53%。与仿真试验及正交试验数据存在合理范围内的误差，其主要原因是土壤含水量导致静摩擦系数存在差异及油茶挖坑机切土过程中产生震动导致土壤掉落量较仿真更多。结果表明，当机具钻杆直径在80~100 mm、翼片螺旋升角在15°~19°、土壤与翼片动摩擦系数在0.54~0.58时，挖坑机钻头出土率较高，出土率范围为88.43%~92.73%。利用EDEM软件对机具优化后，得到最佳参数组合为：钻杆直径82 mm、翼片螺旋升角15°、土壤与翼片动摩擦系数0.56，挖坑机钻头出土率可达92.73%。

6 结论

1） 单因素试验确定出土壤-翼片静摩擦因数在0.5~0.6时，静摩擦因数越大，土壤颗粒越不易产生翼片的相对滑动，提升阶段越不容易从翼片上滑落；钻杆直径在80~120 mm时，钻杆直径越大，螺旋翼片相对工作面积越小，存土量越小，出土率呈下降趋势。螺旋升角在15°~23°时，螺旋升角越大，土壤颗粒在倾斜面分力越大，越不易保持相对静止。

2）多因素正交试验表明：当静摩擦因数一定时，出土率与螺旋升角呈负相关；螺旋升角越小，土壤颗粒在翼片上沿斜面受到的分力越小，土壤颗粒因重力掉落的数量越少。当螺旋升角也一定时，钻杆直径越小，螺旋翼片相对钻头结构的面积越大，出土率越高。当钻杆直径一定时，出土率与螺旋升角呈负相关；出土率随静摩擦因数增大先增后减。

3）在仿真优化挖坑机钻头结构预试验中，确定装置钻杆直径在80~100 mm、翼片螺旋升角在15°~19°、土壤与翼片动摩擦系数在0.54~0.58时，挖坑机钻头出土率较高，出土率范围为88.43%~92.76%。对挖坑钻头结构进行仿真优化后，选定钻杆直径为82 mm、翼片螺旋升角为15°、土壤与翼片动摩擦系数为0.56时，挖坑机钻头出土率可达93.84%。经田间实验表明，挖坑机钻头出土率满足油茶幼苗移栽的农艺要求。

参考文献

[1] PEREIRA A G， CARPENA M， CASSANI L，et al.Occurrence of fatty acids in Camellia genus： Extractions technologies and potential applications：A review［J］.Food Bioscience，2023，55：102960.

[2] 黎廷帆，罗义汉，卢云东.油茶丰产栽培技术及应用效果［J］.现代农业科技，2022（12）：70-71，82.

[3] LI T F， LUO Y H， LU Y D.High-yield cultivation techniques of Camellia oleifera and its application effect［J］.Modern Agricultural Science and Technology，2022（12）：70-71，82.

[4] 梁昭宁.油茶种植现状及高产栽培技术探究［J］.农村科学实验，2024（10）：103-105.

[5] LIANG Z N.Current situation of Camellia oleifera cultivation and its high-yield cultivation techniques［J］.Rural Scientific Experiment，2024（10）：103-105.

[6] 陆毕胜.油茶的特性及丰产栽培技术［J］.现代农业科技，2022（21）：39-41，46.

[7] LU B S.Characteristics of Camellia oleifera and its high-yield cultivation techniques［J］.Modern Agricultural Science and Technology，2022（21）：39-41，46.

[8] BOJA N， BOJA F， TEUSDEA A，et al.Resource allocation，pit quality，and early survival of seedlings following two motor-manual pit-drilling options［J］.Forests，2018，9（11）：665.

[9] ERSSON B T， LAINE T， SAKSA T.Mechanized tree planting in Sweden and Finland：Current state and key factors for future growth［J］.Forests，2018，9（7）：370.

[10] 张小玲.油茶种植现状及高产栽培技术分析［J］.种子科技，2023，41（9）：52-54.

[11] ZHANG X L.Current situation of Camellia oleifera planting and analysis of high-yield cultivation techniques［J］.Seed Science & Technology，2023，41（9）：52-54.

[12] 蒋永敏，金红基.基于ANSYS的挖坑机螺旋叶片有限元分析［J］.农业机械，2018（2）：97-98.

[13] JIANG Y M， JIN H J.Finite element analysis of spiral blade of digger based on ANSYS［J］.Agricultural Machinery，2018（2）：97-98.

[14] 黄守保，王冉，张保平，等.油茶高产稳产栽培技术初探［J］.河南林业科技，2024，44（2）：57-60.

[15] HUANG S B， WANG R， ZHANG B P，et al.Preliminary study on cultivation techniques for high and stable yield of Camellia oleifera ［J］.Journal of Henan Forestry Science and Technology，2024，44（2）：57-60.

[16] 靳成.基于EDEM的挖坑机钻头-土壤动力学仿真与试验研究［D］.福州：福建农林大学，2022.

[17] JIN C.Dynamics simulation and experimental investigation of earth auger bit-soil based on EDEM［D］.Fuzhou：Fujian Agriculture and Forestry University，2022.

[18] 孟庆华.深植挖坑机钻头动态过程数学描述与仿真研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2007.

[19] MENG Q H.Research on simulation and mathematical interpretation of dynamic process to earth auger for tree deep planting［D］.Harbin：Northeast Forestry University，2007.

[20] 赵亚斌，韩果，张辉.基于SolidWorks的全地形多用途推车式种树挖坑机结构设计［J］.农机使用与维修，2022（7）：13-16.

[21] ZHAO Y B， HAN G， ZHANG H.Structural design of all-terrain multipurpose cart-type tree planting and pit digging machine based on SolidWorks［J］.Agricultural Machinery Using & Maintenance，2022（7）：13-16.

[22] 张金玲.新型背负式挖坑机的研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2010.

[23] ZHANG J L.The design of a knapsack planting anger［D］.Harbin：Northeast Forestry University，2010.

[24] 史玉鹏，薛博，臧传江，等.山地作物移栽机井窖式单线螺旋成穴装置设计与试验［J］.农业机械学报，2023，54（S1）：103-114.

[25] SHI Y P， XUE B， ZANG C J，et al.Design and experiment of hole-forming drill bit for cellar type transplanter［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2023，54（S1）：103-114.

[26] 秦贵，宫少俊，李治国.挖坑机螺旋钻头直径、螺旋升角与转速［J］.农业机械，2005（9）：102.

[27] QIN G， GONG S J， LI Z G.Diameter，helix angle and rotation speed of auger auger bit of hole digger［J］.Farm Machinery，2005（9）：102.

[28] 周军，朱银锋，方继根，等.螺旋推进器叶型数值模拟研究［J］.佳木斯大学学报（自然科学版），2023，41（5）：58-62.

[29] ZHOU J， ZHU Y F， FANG J G，et al.Numerical simulation study of spiral propeller blade type［J］.Journal of Jiamusi University （Natural Science Edition），2023，41（5）：58-62.

[30] 位国建，祁兵，焦伟，等.水田机械式强制排肥装置设计与试验［J］.农业机械学报，2020，51（S1）：154-164.

[31] WEI G J， QI B， JIAO W，et al.Design and experiment of mechanical forced fertilizing device for paddy field［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2020，51（S1）：154-164.

[32] 赵静，朱建国，刘若宸，等.高效深栽牵引式植树机钻螺旋翼片的有限元分析［J］.安徽农业科学，2012，40（11）：6728-6730.

[33] ZHAO J， ZHU J G， LIU R C，et al.Finite element analysis of the drill’s wing about efficient and deep planted machine［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2012，40（11）：6728-6730.

[34] 顿国强，李鑫，纪欣鑫，等.同向双螺旋排肥器优化设计与试验［J］.华中农业大学学报，2024，43（5）：278-287.

[35] DUN G Q， LI X， JI X X，et al.Optimization and experiment of co-rotating and double-spiral fertilizer feeder［J］.Journal of Huazhong Agricultural University，2024，43（5）：278-287.

[36] 郭贵生，高梦祥，郭康权，等.基于MATLAB挖坑机螺旋钻头参数的研究［J］.西北农林科技大学学报（自然科学版），2003，31（3）：179-182.

[37] GUO G S， GAO M X， GUO K Q，et al.Study of screw auger parameters of mounted hole digger on the basis of MATLAB［J］.Journal of Northwest A & F University（Natural Science Edition），2003，31（3）：179-182.

[38] 王俊桦.三七移栽开沟部件的优化设计与研究［D］.昆明：云南农业大学，2023.

[39] WANG J H.Optimized design and research of trenching components for Panax notoginseng transplanting［D］.Kunming：Yunnan Agricultural University，2023.

[40] 蒲望.基于EDEM的三七育苗播种覆土镇压装置设计研究与试验［D］.昆明：云南农业大学，2023.

[41] PU W.Design and test of soil covering and pressing device for Panax notoginseng seedling based on EDEM［D］.Kunming：Yunnan Agricultural University，2023.

[42] 崔鹏.蔬菜苗床精细整地机设计与试验研究［D］.佳木斯：佳木斯大学，2023.

[43] CUI P.Design and experimental study of fine soil preparation machine for vegetable seedling bed［D］.Jiamusi：Jiamusi University，2023.

[44] 马世宽，郑效帅，燕海朋，等.基于EDEM的仿垄型切割装置的仿真优化［J］.中国农机装备，2023（12）：50-55.

[45] MA S K， ZHENG X S， YAN H P，et al.Simulation optimization of ridge imitation cutting device based on EDEM［J］.China Agricultural Machinery Equipment，2023（12）：50-55.

[46] 刘瑞，李衍军，刘春晓，等.铲式宽苗带燕麦播种开沟器设计与试验［J］.农业机械学报，2021，52（9）：89-96.

[47] LIU R， LI Y J， LIU C X，et al.Design and experiment of shovel type wide seedling belt oat seeding furrow opener［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2021，52（9）：89-96.

基金资助

黑龙江省省属本科高校优秀青年教师基础研究支持计划资助(YQJH2023270)