油菜移栽仿生波纹状成穴器的设计与试验

Design and testing of a bionic corrugated hole-former for oilseed rape transplanting

摘要

针对南方稻油轮作区机械移栽过程中因成穴器与土壤粘附严重导致栽植失败的问题，运用仿生及表面改性的方法，采用图像拟合技术提取蛴螬外形轮廓，设计一款油菜移栽仿生波纹状成穴器。分析土壤在波纹状成穴器上的粘附机理，确定了影响成穴器减粘降阻的主要结构和工作参数。构建成穴作业EDEM离散元仿真模型，以波纹状成穴器的宽高比、波纹个数及机具前进速度为试验因素，以减粘率和减阻率为试验指标，进行了二次正交旋转回归仿真实验与优化，得到波纹状成穴器最优工作参数：宽高比为3，波纹数为7，前进速度为0.55 m/s。利用土槽试验进行验证试验与性能试验，土壤验证试验表明：仿真实验减粘、减阻值与预测值的误差分别为3.3%、3.5%；土槽性能试验结果表明，相较于传统成穴器而言，仿生波纹状成穴器的减粘降阻效果显著，减粘率为18.4%，减阻率为20.7%。仿生波纹状成穴器能够满足减粘降阻的需求，为油菜移栽农机农艺融合提供了新方法。

Abstract

Aiming at the problem of planting failure due to the serious adhesion between the hole-former and the soil in the mechanical transplanting process in the southern rice-oil rotation area， this paper utilizes the methods of bionic and surface modification， and extracts the grub profile by image fitting technology to design a bionic corrugated hole-former for oilseed rape transplanting. The adhesion mechanism of soil in the corrugated burrower is analyzed， and the main structure and working parameters affecting the reduction of viscosity and resistance of the burrower are determined. A discrete element simulation model of EDEM was constructed for the burrowing operation， and with the aspect ratio， number of ripples and forward speed of the corrugated burrower as the test factors， and the viscosity reduction rate and resistance reduction rate as the test indexes， quadratic orthogonal rotational regression simulation tests and optimization were carried out to obtain the optimal working parameters of the corrugated burrower： the aspect ratio of 3， the number of ripples of 7， and the forward speed of 0.55 m/s. The soil trench test was used for the verification test. The soil validation test shows that the error between the simulation test viscosity reduction and resistance reduction values and the predicted values are 3.3% and 3.5%， respectively； the soil tank performance test results show that the bionic corrugated burrower has a significant effect of viscosity reduction and detachment， with a viscosity reduction rate of 18.4% and a resistance reduction rate of 20.7%， compared with the traditional burrower. The bionic corrugated hole-former can meet the demand of stickiness reduction and resistance reduction， and provides a new method for the integration of agricultural machinery and agronomy in rape transplanting.

Graphical abstract

关键词

农业机械 / 移栽 / 减粘脱附 / 仿生技术 / 仿真优化

Key words

agricultural machinery / transplanting / reducing adhesion and detachment / biomimetic technology / simulation and optimization

0 引 言

油菜是我国重要的油料作物之一，长江中下游地区是冬油菜的主产区，以稻-油或稻-稻-油（棉）水旱轮作的一年多熟生产模式为主，种植面积及产量均为世界第一^［1-3］。成穴作业是油菜移栽过程中的重要环节^［4，5］。南方稻茬田含水率高、土壤粘重，成穴器在该环境下作业易与土壤产生较严重的粘附，不仅影响移栽过程中的成穴作业质量，还会加速触土部件金属表面的腐蚀^［6-8］，因此，开展降低触土部件与土壤之间粘附的研究意义重大。

随着近几年人们对土壤粘附机理的认识不断加深，国内外学者研究出不同的方法减少土壤粘附，归纳可主要分为以下4类：机械脱附技术、表面工程技术、表面改形技术、仿生技术^［9-13］。文献［14］在开沟机钢齿上涂覆UHMWPE材料，使涂层的钢齿粘附更少，且沟形更均匀，此外钢齿所需的牵引力更小，能耗更低；文献［15，16］基于蜣螂体表的微凸体结构，设计了5种不同高径比的凸包，试验表明，控制凸包的高径比在一定范围内时，能有效起到减少土壤粘附和降低工作阻力的效果；文献［17］为解决深松铲在作业过程中破土困难、耕作阻力大的问题，以砂鱼蜥头部为仿生原型设计了3种仿生深松铲尖，通过仿真和实测试验测定不同铲尖垂直贯入土壤的阻力，得出仿生铲尖BS2减阻率为8.34%~19.31%；文献［18-21］通过对触土生物（泥鳅、蚯蚓和灰巴蜗牛壳体等）体表非光滑结构提取轮廓曲线进行触土部件的仿生设计，在机具作业时减粘降阻方面做了大量研究，且效果显著；文献［22］为降低烟苗井窖式移栽螺旋叶片上的土壤粘附量，运用凸包结构对螺旋叶片进行改进优化，不仅能减少粘附量，还能减小钻头旋转时的动不平衡，从而提升了成穴质量。

综上所述，将仿生学运用于农业机械触土部件的设计能有效降低土壤耕作阻力及粘附，对其作业效果和性能的提升起到重要作用。本文针对传统成穴作业过程中成穴器与土壤粘附严重问题，在原有纯滚动栽植孔成型机^［6-8］的基础上进行改进，将蛴螬幼虫体表的减黏降阻特性及波纹结构应用于成穴器的结构设计中，设计仿生波纹结构成穴器，并与普通成穴器进行成穴作业土壤粘附量及阻力的对比分析，以期为油菜钵苗移栽机触土部件的减黏降阻优化设计提供参考。

1 整机结构与工作原理

油菜移栽打孔机如图1所示。整机主要由仿生波纹状成穴器、机架、滚轴、锥刺、轴承座等组成。在实际作业中，整机由三点悬挂安装在拖拉机上牵引前进，纯滚动式波纹状成穴器锥刺首先会压入土壤中，然后通过波纹状成穴器与土壤间的摩擦带动波纹状成穴器在滚轴上转动，最后波纹状成穴器锥刺退出土壤进而形成孔穴，完成移栽打穴作业。整机技术参数如表1所示。

2 波纹状成穴器结构设计

2.1　仿生生物原型

蛴螬俗称鸡母虫，如图2所示。按其食性可分为植食性、粪食性、腐食性三类，其中植食性的占60%以上^［23］。蛴螬常栖息在土壤中，喜欢潮湿的土壤环境。背部疏生细毛，体壁柔软，当受到外力触碰时蛴螬会迅速卷曲呈C字型。头大而圆，多为黄褐色或红褐色，生有左右对称的刚毛。当蛴螬觅食或运动时，一般是利用头部和胸足把土挖开，接着以背部接触土壤并配合身体的蠕动钻入土壤^{［24，25］}。通过观察，蛴螬背部分布有特殊的波纹状结构，该非光滑结构不仅为蛴螬的行动带来了便利，也是蛴螬在土壤之中运动而不粘土的主要原因之一。

考虑到成穴器入土与蛴螬都是通过钻土来完成成穴或行动，因而本文以蛴螬体表的波纹状结构为研究对象，应用到成穴器上来改善成穴器与土壤的粘附。

2.2　仿生生物原型

对波纹状表面的减粘脱附机理进行分析，求解波纹状结构的参数对粘附的影响，对曲线拟合以及后续的优化试验起指导性意义。假设波纹状成穴器在田间运动的前进速度为v、角速度为ω，距波纹状成穴器圆心距离为R处粘附着质量为m的土块，并随着波纹状成穴器一起运动，若此时考虑土壤即将脱离波纹状成穴器瞬间，如图3所示，则有：

F_{\mathrm{L}}=m{\omega }^{\mathrm{2}}R（1）

f=\mu \left(mg\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\alpha }_{\mathrm{2}}+F_{\mathrm{L}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\alpha }_{\mathrm{1}}-AF\right)（2）

mg\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{2}}+F_{\mathrm{L}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{1}}=AC+f（3）

mg\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\alpha }_{\mathrm{2}}+F_{\mathrm{L}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\alpha }_{\mathrm{1}}=AF（4）

v=\omega R（5）

F=\frac{Rmg\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\alpha }_{\mathrm{2}}+m{v}^{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\alpha }_{\mathrm{1}}}{AR}（6）

C=\frac{Rmg\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{2}}+m{v}^{\mathrm{2}}R\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{1}}}{AR}（7）

式中：F_L为土壤随成穴器转动时受到的离心力，N；m为粘附土壤的质量，kg；ω为成穴器角速度，rad/s；f为土壤所受摩擦力，N；μ为土壤与成穴器表面间的摩擦因数；g为重力加速度，m/s²；α₁为离心力与坐标轴的夹角，（°）；α₂为重力与坐标轴的夹角，（°）；A为土壤与成穴器的接触面积，m²；F为土壤粘附力，N；C为土壤与成穴器表面的切向粘附力，N；v为机具前进速度，m/s。

从上述分析可知，土壤能粘附在成穴器的表面是因所受的土壤粘附力大于土壤在法向方向上所受重力与离心力的合力，若想让成穴器上土壤粘附量小，就需减小土壤粘附力或减小土壤与成穴器的接触面积。设土壤与成穴器接触的有限长度的长宽分别为a、b，那么当土壤粘附在光滑成穴器表面时，两物体间的接触面积为土壤的面积，即：

A_{\mathrm{1}}=a\times b（8）

式中：A₁为土壤与光滑成穴器接触面积，m²；a为土壤的长度，m；b为土壤的宽度，m。

若此时土壤质量不变，将光滑表面替换为波纹状表面，土壤与成穴器间的接触面积则转变为土壤与波纹状结构的接触。由于稻茬田土壤含水率较高，结持性较大，当波纹状成穴器在田间作业时，土壤会不断被波纹状结构顶起，减少了土壤与成穴器的接触面积。从水分张力理论来说，接触面积的减少实质上是减少了土壤与成穴器粘附界面间水环的数量并且，使得连续性的水膜难以形成，从而减少了粘附，如图4所示，可推导出土壤和波纹状成穴器接触时的接触面积：

A_{\mathrm{2}}=L\times b\times N=\theta \frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{180}}r\times b\times N（9）

式中：A₂为土壤与波纹状成穴器的接触面积，m²；L为土壤与波纹状成穴器接触的弧长，m；N为土壤与成穴器波纹状结构接触的个数；θ为弧长对应的圆心角，（°）；r为弧所对应的曲率半径，m。

结合上述理论与推导公式可知A₂＜A₁，当面积减小时，土壤粘附力也在减少，因此在成穴器表面添加波纹状结构能达到减小粘附的效果，并且从式（6）（7）（9）可知，减粘脱土的效果与波纹状结构的个数、曲率半径、前进速度等参数有关。

2.3　成穴器表面波纹状结构曲线设计

本试验在提取曲线前先采用了RX-100超景深光学显微镜对蛴螬不同部位进行拍摄，来获取蛴螬体表波纹状轮廓，如图5所示。对其外轮廓进行观察分析，最终选择蛴螬体表头、中、尾3个不同部位的单个波纹状结构进行提取和拟合，从而获得不同的曲线。

经质量分数为10%的福尔马林溶液浸泡过的蛴螬身体呈自然弯曲状态，将其身体侧面朝上放置于载物板上，选择显微镜型号HR-2016，倍率30×观察蛴螬的体表外轮廓，并分别在蛴螬的身体头部、中部、尾部拍摄显微图片，如图6所示。

分别在头部、中部、尾部3个部位各选取一个波峰进行拟合，使得到的波峰宽度与高度的比值呈现一定的规律性，各部位的宽高比大致为：头（2∶1）、中（3∶1）、尾（4∶1）。如图7所示，曲线拟合需要获取曲线上点的坐标，首先需对得到的显微图片进行二值化处理，将图片导入Matlab软件中，提取出图片中蛴螬体表的边缘轮廓曲线；然后利用Getdate软件，在经二值化处理后的图片上建立坐标、描点，得到各曲线对应的一系列坐标点。

将生成的坐标点导入到MATLAB的曲线拟合器中，采用的拟合类型为正弦和，得到的拟合方程分别为：

头部：

Y_{\mathrm{1}}=\mathrm{6.8027}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{0.2291}x-\mathrm{0.4062}\right)（10）

中部：

\begin{array}{c}{Y}_{\mathrm{2}}=\mathrm{2.6170}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{0.0091}x-\mathrm{1.8484}\right)+\\ \mathrm{2.2296}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{0.3833}x+\mathrm{4.9318}\right)\end{array}（11）

尾部：

\begin{array}{c}{Y}_{\mathrm{3}}=\mathrm{2.4919}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{0.2758}x-\mathrm{0.2324}\right)+\\ \mathrm{0.2827}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{0.8389}x+\mathrm{1.4917}\right)\end{array}（12）

方程的拟合度分别为头部R²=0.982 6、中部R²=0.955 1、尾部R²=0.984 5，说明方程能对波峰轮廓曲线做出准确描述。

2.4　波纹状仿生成穴器三维建模

波纹状结构的建模相对复杂，采用Pro/E5.0软件对波纹状成穴器进行三维模型的建立，仅知道曲线的方程并不能在软件中将模型建立出来，还要采用其他的辅助工具。本文使用Desmos的图形计算器工具，在输入栏中输入曲线的拟合方程，工具会自动在图形显示区生成对应的曲线；然后，可通过设置按钮在方程下方生成对应的点坐标表格，当输入x值时，工具会计算出相应的y值，通过图形计算器的辅助，很容易得到了方程上的多个坐标点；而后在Pro/E5.0软件的草绘界面中，运用点命令将每条曲线对应的坐标点绘制出来，最后运用样条曲线命令将各点连接得到了与函数方程1∶1的波纹状轮廓曲线，如图8所示。

得到波纹轮廓曲线后，在Pro/E5.0中运用旋转、阵列等指令绘制仿生波纹特征，以波纹状凸起宽高比2∶1、3∶1和4∶1的头部曲线分别建立仿生套筒，并将其装配到成穴器上，如图9所示。

3 波纹状成穴器离散元仿真优化

为了优化仿生成穴器的波纹状结构参数与工作参数，使成穴器的土壤粘附量显著减少，运用离散元法对波纹状仿生成穴器的田间作业进行模拟。离散元法作为一种不连续数值模拟方法，因其具有试验周期短、成本低的特点^［26-28］，可直观地计算出在不同作业和结构参数下成穴器的土壤粘附量。本文以波纹曲线的宽高比、波纹个数及机具的前进速度为试验因素，以减粘率和减阻率为评价指标开展三因素三水平试验研究，寻求仿生波纹状成穴器的最优工作参数组合。

3.1　成穴作业离散元模型建立

3.1.1　土壤-仿生成穴器仿真模型

离散元仿真模型中，考虑仿真时长、存储空间、仿真结果真实性及触土部件仿生成穴器尺寸等，将装载土壤颗粒的长方体模型长×宽×高设置为2 000 mm×200 mm×200 mm，且选择顶端不封闭，以便成穴器的刺入与取出。在长方体模型中建立一个同等大小的颗粒工厂，工厂生成颗粒的方式为以总质量为目标静态分层生成。颗粒工厂生成土壤颗粒时以2.5 mm为基础半径，并在其0.6~1.4倍之间随机生成土壤颗粒。土槽生成完毕后，将仿生成穴器导入到模型中，调整其坐标到合适的位置，并将其材料设置为UHMWPE。调整土壤的本征物理参数建立含水率为26%的土槽土壤，土壤与仿生成穴器的接触模型选择JKR模型，如图10所示。

为模拟成穴器在实际土槽试验中的运动，在仿真模型中，依次对仿生成穴器施加朝着X轴正方向的前进运动和绕Y轴顺时针旋转的转动及朝着Z轴正向的直线运动。完成前处理的参数设置后，对于固定时间步长（Fixed time step）通常设置为Rayleigh时间步长的5%~40%^［29］；为保持土壤颗粒的稳定性及缩短仿真时间，仿真时长设置为17%。根据成穴器的前进速度，本仿真实验的总时长为8 s，数据点保存间隔时间设为每隔0.1 s。网格通过软件估算设置为2.5R_min。

3.1.2　离散元模型材料参数与接触参数

将所建立的成穴器部件与土壤颗粒导入EDEM后，通过前期测验及查阅文献^［30-33］，对土壤、仿生成穴器的材料本征参数与土壤-土壤、土壤-仿生成穴器接触参数进行设定，仿真参数如表2所示。

3.2　仿真实验方案与评价指标

3.2.1　仿真实验方案

通过前文对波纹状外形的力学分析可知，该结构外轮廓曲线的曲率半径以及波纹个数会对土壤粘附量存在影响。因成穴器有限长度限制了波纹个数的上限，波纹个数太少则会导致在成穴器上分布过于零散，从而增大与土壤的接触面积，达不到减粘降阻的效果，且与仿生生物原型体表微结构有较大出入。模拟成穴器作业时，机具的前进速度取东方红ME604拖拉机慢一挡为0.45 m/s；因此，各试验因素的选取范围：宽高比2~4，波纹个数4~8个，前进速度0.35~0.55 m/s。试验因素的水平编码如表3所示。

根据试验原理，采用CCD设计方法制定试验方案，以波纹状结构的宽高比、波纹个数以及机具的前进速度为试验因素，以仿生波纹成穴器的减粘率与减阻率为试验指标，进行三因素三水平试验；通过对因素水平编码确定机具作业参数组合，分别进行建模仿真。并对仿真结果中影响试验指标的因素进行显著性分析，将各因素组合进行参数优化，最终获取较适宜的各试验因素组合。试验方案与结果如表4所示。

3.2.2　评价指标

试验指标减粘率R_a与减阻率R_x的计算公式^［34］为：

（1）减粘率

仿生波纹成穴器与传统成穴器上的土壤粘附量差值和传统成穴器上的土壤粘附量之比即为减粘率。

R_{\mathrm{a}}=\frac{M_{\mathrm{a}}-M_{\mathrm{a}}^{\mathrm{\text{'}}}}{M_{\mathrm{a}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（13）

式中：M_a^{\text{'}}为仿生波纹成穴器上的土壤粘附量，kg；M_a为传统成穴器上的土壤粘附量，kg；R_a为减粘率。

（2）减阻率

牵引阻力是通过土槽车后处理界面的图表工具进行测量。将生成的图表数据取绝对值导出，并采用图表中稳定波动阶段所受力的平均值作为成穴器在进行作业时所受的牵引力。仿生波纹成穴器与传统成穴器上的牵引阻力差值和传统成穴器上的牵引阻力之比即为减阻率。计算公式为：

R_{\mathrm{x}}=\frac{P_{\mathrm{x}}-P_{\mathrm{x}}^{\mathrm{\text{'}}}}{P_{\mathrm{x}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（14）

式中：P_x^{\text{'}}为仿生波纹成穴器的牵引阻力，N；P_x为传统成穴器的牵引阻力，N；R_x为减阻率。

3.3　仿真结果与分析

利用Design-Expert软件对试验结果进行二次回归分析，并进行多元回归拟合，得到减粘率R_a和减阻率R_x关于波纹宽高比A₁、波纹个数A₂和前进速度A₃的回归方程，并进行显著性检验。

由表5和表6的方差分析结果可知，回归模型中减粘率R_a和减阻率R_x的P值均小于0.01，表明回归模型极显著，模型拟合度R²分别为0.996 0、0.970 5，说明该模型可以对设计起指导作用。各因素对减粘率R_a和减阻率R_x影响的回归方程为：

R_a=-0.128 8-0.163 5A₁+0.052 0A₂-0.052A₃+0.0036A₁A₂-0.0056A₁A₃-0.021 2A₂A₃+0.108 8A₁²-0.002 3A₂²+0.007 6A₃²；

R_x=-0.088 8-0.121A₁+0.026 4A₂+0.049 4A₃+0.036 9A₁A₂+0.001 8A₁A₃-0.018 8A₂A₃+0.065A₁²-0.010A₂²-0.038 5A₃²

各因素中，A₁、A₂、A₃、A₁²对减粘率影响极显著，A₂、A₃影响显著，其余项不显著；A₁、A₃、A₁²对减阻率影响极显著，A₂、A₁A₂、A₃²显著，其余项不显著。剔除模型中的不显著因素，对方程进行优化，实际方程为：

R_a=-0.128 8-0.163 5A₁+0.052 0A₂-0.052A₃-0.021 2A₂A₃+0.108 8A₁²

R_x=-0.088 8-0.121A₁+0.026 4A₂+0.049 4A₃+0.036 9A₁A₂+0.065A₁²-0.038 5A₃²。

3.4　成穴器最佳结构参数

使用Design-Expert软件对数据处理，分析表5和表6可知，波纹数和前进速度的交互影响结果对减粘率的影响显著，P值为0.015 9，波纹宽高比和波纹数对减阻率的影响显著，P值为0.0309。运用Design-Expert中的3D Surface功能生成相应的响应曲面，如图11所示。根据响应曲面分析上述试验因素对减粘率、减阻率的影响。

由图11（a）可知，当波纹数一定时，减粘率随着前进速度的增大而朝着负向逐渐增大，即朝着减粘效果好的方向变化。这是因为，机具的前进速度越大，成穴器的转速就会越高，当成穴器以较高的速度刺入和拔出土壤时，成穴器与土壤的接触、在土壤中停留的时间较短，与土壤的接触点数量较少，土壤也不易于沉降到波谷中，因而土壤的粘附量就会减少。当前进速度一定时，减粘率随着波纹数的增多而朝着正向逐渐增加，即朝着减粘效果较低的方向变化，但不管成穴器上波纹数量如何变化，相较于传统成穴器而言，仿生波纹成穴器都具有一定减粘效果。

由图11（b）可知，当波纹数一定时，减阻率随着波纹宽高比的增加而朝着负向逐渐增大，即朝着减阻效果好的方向变化。这是因为波纹宽高比的比值越大，波纹的凸起高度就越小，与土壤接触时的受力面积就越小，所受的阻力越小。当波纹宽高比固定在低水平时，减阻效果随着波纹数的增加而变差；而当宽高比逐渐增大时，减阻效果随着波纹数的增加而变得更好。这是因为，宽高比较小时，波纹高而陡，增加成穴器与土壤的接触面积，阻碍了土壤在波纹表面的滑动，增加了切向阻力，从而导致了减粘率下降。

由方差分析得到的回归模型，利用Design-Expert软件对所建立的模型寻求最优解，并且以减粘率为第一权重，减阻率为第二权重进行求解，选择优化约束条件为式（15）。求得最优解为：宽高比为3.124，波纹数为6.701，前进速度为0.542 m/s，仿真软件中预测值减粘率为18.1%，减阻率为8.7%。

\left\{\begin{array}{l}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}{R}_{\mathrm{a}}\left(A_{\mathrm{1}},A_{\mathrm{2}},A_{\mathrm{3}}\right)\\ \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}{R}_{\mathrm{x}}\left(A_{\mathrm{1}},A_{\mathrm{2}},A_{\mathrm{3}}\right)\\ \mathrm{s}.\mathrm{t}.\left\{\begin{array}{l}-\mathrm{1}\le A_{\mathrm{1}}\le \mathrm{1}\\ -\mathrm{1}\le A_{\mathrm{2}}\le \mathrm{1}\\ -\mathrm{1}\le A_{\mathrm{3}}\le \mathrm{1}\end{array}\right.\end{array}\right.（15）

因仿生设计的宽高比需要来自蛴螬的外形结构，且波纹数存在小数不便于加工，因此对上述最优解进行精简，最终解取宽高比为3，波纹数为7，前进速度为0.55 m/s，精简后的数值设计仿生成穴器，置于仿真模型中进行验证试验，其与传统成穴器的仿真结果对比，减粘率为17.5%，减阻率为9.0%。

4 土槽试验

4.1　试验条件

土槽试验场地位于湖南农业大学农业机械化工程实训中心的室内土槽，试验所选用的土槽范围为6 m×2 m（长×宽）。机具以最佳作业参数组合对试验田开展作业。试验装置及土槽试验如图12所示。仪器设备主要有：土槽车、传统成穴器、仿生波纹状成穴器、旋耕机、镇压辊、含水率测量仪、牵引力无线测试系统（上拉杆传感器与无线动态数据采集器）、JM-F30002型电子天平、环刀、铝盒、卷尺、铁锹、相机等。

4.2　试验方法

在湖南农业大学农业机械化工程实训中心土槽土壤中开展试验，为使成穴器在土槽土壤的工作条件与田间土壤基本一致，使用土槽车喷淋系统对试验区土壤洒水处理，挂接旋耕机整理土壤后，静止一晚，测定土壤含水率，重复上述对土壤洒水、旋耕、压实及静止处理，直至土壤含水率达到26%左右，再进行成穴试验；将成穴装置通过三点悬挂固定在土槽车后方，用上拉杆传感器替代三点悬挂的上拉杆，并通过传感线将上拉杆传感器与无线动态数据采集器相连，结合配套软件njTesterYC即可获取上拉杆与水平方向所成角度、上拉杆水平受力与垂直受力，并能在软件中导出相应牵引阻力数据。重复试验4次，试验装置及土槽试验如图13所示。以减粘率、减阻率为性能评价指标，每次试验需测定试验测量区成穴器上的土壤粘附量和机具牵引阻力。

4.3　试验结果与分析

传统成穴器与最优参数仿生成穴器成穴作业后，土壤粘附结果如图14所示。取下表面粘附的土壤经JM-F30002型电子天平称量后得到传统成穴器上的土壤粘附量为756.37 g，最优参数仿生成穴器上的土壤粘附量为617.43 g，经计算得到最优参数仿生成穴器的减粘率为18.4%。

成穴器作业过程中所受力与时间的曲线如图14所示，牵引阻力呈现出振荡规律，因滚动式波纹状成穴器在成穴作业时首先从斜侧方向入土，其牵引阻力开始增加；当成穴器运动到与土壤垂直位置时，此时牵引阻力达到最大；随着前进，成穴器逐渐出土，牵引阻力也随之减小，一个成穴器接着循环上述运动过程，因而曲线图呈现反复振荡的规律。

从图14中可看出，波纹状成穴器入土阶段和出土阶段与仿真一样，都存在着不稳定阶段，所以试验牵引力平均值应选取稳定波动阶段计算，在该试验中选择在2~10 s的数据计算得出传统成穴器的牵引阻力数值为420.87 N，最优参数仿生成穴器的牵引阻力数值为333.7 N。减阻率为20.7%。

5 结 论

（1）针对南方稻油轮作区传统成穴作业现状，结合表面改性技术以及仿生技术对传统成穴器进行减粘降阻的优化参数设计，设计一款油菜移栽仿生波纹状成穴器。对土壤在成穴器作业过程中进行粘附机理分析，得出波纹状成穴器的宽高比、波纹个数及机具前进速度是影响土壤粘附的主要因素。

（2）运用EDEM技术建立了土壤与触土部件仿真模型，以波纹状成穴器的宽高比、波纹个数及机具的前进速度为试验因素，以减粘率和减阻率为评价指标，结合Design-Expert软件得到试验因素与指标间的回归数学模型，得到波纹状成穴器最优工作参数，进行了仿真实验。其结果表明：当波纹宽高比为3、波纹个数为7，机具的前进速度为0.55 m/s，减粘降阻综合作业性能较理想。其减粘率和减阻率分别为17.5%、9.0%。

（3）土槽性能试验结果表明：仿生波纹状成穴器作业后土壤粘附量为756.37 g，牵引阻力为333.7 N，减粘率和减阻率分别为18.4%、20.7%。本文研究为油菜移栽成穴机的研制与设计提供了理论依据与技术支撑。

参考文献

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基金资助

湖南省教育厅科学研究项目重点项目(23A0193)

湖南省自然科学基金青年基金项目(2022JJ40168)

湖南省智能农机装备创新研发项目(HN202308)