仿生分拨草防堵装置的设计与试验.pdf

第 卷第 期 年 月干 旱 地 区 农 业 研 究 .文章编号:():./.仿生分拨草防堵装置的设计与试验朱惠斌张 旭洪 洋白丽珍赵浩然马世骜(昆明理工大学现代农业工程学院云南 昆明)摘 要:针对我国西南地区小麦秸秆覆盖地玉米免耕播种机内被动式清秸防堵装置作业时存在的易缠绕堵塞、种沟清秸率低、作业不稳定等问题基于仿生学原理以白星花金龟前后肢轮廓曲线及后肢运动轨迹曲线为仿生原型设计了一种高清秸率、不易堵塞的仿生分拨草防堵装置 通过运动学分析研究了关键结构参数对清秸防堵效果的影响规律并得出最优参数组合:拨草轮运动偏角 为 轮盘直径 为 拨草轮爪数量 为 个利用 软件和 试验优化设计方法建立了拨草轮入土深度()、机具前进速度()、分草挡板偏角()与清秸率 的回归数学模型分析表明三因素对清秸率均有显著影响且显著性 经过优化求解获得了最优作业参数组合:拨草轮入土深度 为 、机具前进速度 为 分草挡板偏角 为 田间验证试验表明整机的通过性良好土壤扰动量及其变异系数分别为.和.实际秸秆清除率及其变异系数分别为.和.作业质量稳定符合免耕播种机作业的农艺和技术要求关键词:少免耕播种机分拨草防堵装置仿生白星花金龟图像处理离散元仿真中图分类号:.文献标志码:():.()()()().收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金()作者简介:朱惠斌()男山西五台人博士教授主要从事丘陵山区保护性耕作技术研究:.通信作者:白丽珍()女山西五台人高级实验师主要从事智能农业装备测控技术研究:.:保护性耕作可以降低土壤的风蚀水蚀、改善土壤结构、蓄水保墒、增加土壤肥力是一种节本增效的农业生产方式 西南地区是中国三大玉米产区之一前茬作物小麦秸秆粉碎覆盖还田量大保护性耕作模式下在秸秆覆盖地进行少、免耕播种作业时易发生残茬缠绕造成机器堵塞降低播种作业质量及工作效率 因此提高清秸防堵技术水平是保护性耕作少免耕播种机作业的关键目前清秸防堵装置按动力来源可分为主动式和被动式:主动式清秸防堵装置主要通过施加动力将秸秆高速切断粉碎或者抛送到种沟两侧及后方从而避免发生缠绕堵塞其综合防堵性能好但结构复杂功耗较大因此主动式清秸防堵机具无法适应我国西南地区地块较小且坡耕地较多的作业环境被动式清秸防堵装置主要使用圆盘式、星型除草轮式清秸部件等依靠机具牵引力与地表秸秆摩擦力的共同作用完成拨抛防堵其具有结构简单、土壤扰动量小、功耗低等优点此类装置对坡耕地免耕播种机具有较好的适用性 近年来国内外学者对被动式清秸防堵装置进行了一系列研究赵淑红等设计了一种多功能集成式播种开沟器采用典型的双圆盘开沟装置此类防堵装置在秸秆半量还田条件下作业质量较好当秸秆覆盖量过大时因其对秸秆的抛送速度不足清秸率降低且圆盘的入土角为钝角要求机具具有较大重量范旭辉等设计了一种仿形爪式防堵清茬机构运用拨禾行星轮原理在双圆盘开沟器基础上设计了星型轮爪式拨草轮可同时完成秸秆残茬的拨动以及侧向分离刘正平等设计了一种从动型旋转齿盘分草装置对星型轮爪式清秸部件进行了优化配合设计分草栅条工作进一步提高了拨草及分草性能 但由于机具结构的限制上述清秸防堵装置仍存在作业稳定性差、拨离速度不足、漏清、秸秆回流等问题清秸防堵能力有限本文基于仿生学原理结合免耕播种机清秸防堵 装 置 的 工 作 原 理 与 白 星 花 金 龟()前、后肢在秸秆层中的拨草、分草机理在结构形态仿生的基础上进行运动形态仿生设计一种仿生爪式拨草轮、分草挡板、分草栅条相结合的分拨草防堵装置通过理论分析确定仿生分拨草防堵装置的主要结构参数通过离散元仿真试验获得最佳作业参数组合并进行田间试验验证以期为高性能免耕播种机清秸防堵装置的研究和发展提供参考 仿生分拨草防堵装置的设计.整机结构与作业原理仿生分拨草防堵装置通过 型螺栓安装于免耕播种机机架上随播种机的前进进行分拨草开沟防堵作业(图)机器前进过程中仿生拨草轮轮爪插入秸秆层中在拖拉机牵引力与地表秸秆层摩擦阻力形成的力偶作用下向后转动将秸秆拨起并向侧后方抛出 随后仿生分草挡板将秸秆进一步向两侧分流同时由仿生分草栅条增大秸秆的流动性.限深轮.机架.肥箱.种箱.悬挂装置.仿生分拨草防堵装置.图 整机结构示意图.仿生曲线的提取本文以白星花金龟为仿生对象作为一种长期生活在玉米、小麦等秸秆层中的鞘翅目昆虫白星花金龟前后肢对禾本类植物具有较高效的拨动分离能力其在秸秆中爬行时一对前肢呈“八”字型由前向后运动将秸秆向侧后方拨离后肢随后继续完成秸秆的分流前后肢运动的清秸作用与免耕防堵开沟装置相似以此为启示借助工程仿生技术手段和方法设计仿生拨草轮、分草挡板、分草栅条期望提高此类装置的秸秆清除率和防堵塞能力第 期 朱惠斌等:仿生分拨草防堵装置的设计与试验.白星花金龟前后肢结构轮廓曲线的提取提取白星花金龟前、后肢轮廓结构曲线分别作为仿生拨草轮爪和仿生分草挡板轮廓线 曲线获取过程如下:将白星花金龟前、后肢置于 型连续变倍体视显微镜下观察不断调焦使图像清晰前、后肢样品调整至最佳位置后分别截图保存所得轮廓结构如图(见 页)所示使用 软件的、函数命令对图 的轮廓进行处理使其由原始图像转换为二值图像得出结构曲线轮廓的坐标点 采用二阶拉普拉斯高斯边缘提取算法将轮廓的坐标点绘制成边界图所得结构完整与原图基本一致 边界轮廓如图 所示依据设计需求将前肢内、外边界轮廓曲线和后肢外边界轮廓曲线使用 软件分别拟合曲线方程的拟合优度决定了仿生设计精度与加工难度精度过低仿生设计不可靠精度过高则会增加机具的加工难度 经多次拟合对比将前肢外、内结构轮廓曲线拟合为最小二乘法五次多项式分别为、将后肢外结构轮廓曲线拟合为最小二乘法七次多项式 拟合优度 分别为.、.和.说明拟合程度较高 多项式方程如下:.().().()利用 软件将拟合函数绘制在直角坐标系中获得轮廓曲线与拟合曲线对比图以及残差分布图如图、图 所示拟合曲线与原始轮廓基本一致残差值均匀随机分布于 值两侧且无异常点拟合情况良好图 白星花金龟前、后肢边界轮廓曲线.图 白星花金龟前、后肢边界轮廓曲线与拟合曲线对比图.干旱地区农业研究 第 卷图 白星花金龟前、后肢拟合曲线残差图.白星花金龟后肢运动轨迹曲线的提取白星花金龟实际行进过程中后肢做空间运动而前述获取的后肢内外轮廓结构曲线仅可用于静态结构仿生为了进一步还原白星花金龟的运动状态提高分草挡板的分草清秸效果提取白星花金龟后肢根部、中部及尾部 点(如图 所示见 页)动态运动轨迹曲线并设计分草栅条应用于仿生分草防堵装置上 使用高速摄像机拍摄记录白星花金龟的运动过程利用高速视频目标跟踪测量软件 .通过白平衡、亮度对比度调节、透视、畸变矫正对拍摄的后肢运动视频进行图像处理以白星花金龟后肢根部、中部及尾部上 点为运动初始点进行跟踪按照上述相同方法使用 软件处理图像得出选定目标的运动轨迹如图 所示将上述曲线使用 软件分别拟合经多次拟合比较确定后肢 个点位运动轨迹曲线拟合为最小二乘法七次多项式根部、中部及尾部拟合曲线分别为、和 拟合优度 分别为.、.和.拟合程度较高 多项式方程如下:.().().()利用 软件将拟合函数绘制在直角坐标系中获得原运动轨迹与运动轨迹拟合曲线对比图以及残差分布图如图、图(见 页)所示拟合曲线与原始轨迹基本一致残差值均匀随机分布于 值两侧且无异常点拟合情况良好图 白星花金龟后肢 个点位运动轨迹.仿生分拨草防堵装置的设计与建模通过对白星花金龟肢、后肢轮廓结构以及后肢运动轨迹进行量化分析根据拟合曲线构建了仿生分拨草防堵装置的三维模型 如图 所示仿生分拨草防堵装置主要由铲式开沟器、固定支臂、仿生拨草轮、仿生分草挡板、仿生分草栅条、挡板偏角调节装置等部分组成其中拨草轮轮爪轮廓线为、曲线分草挡板轮廓线为 曲线分草栅条轮廓线分别为、曲线投影于分草挡板外侧面上形成共 组均分布于仿生分草挡板外侧面上 个仿生拨草轮通过转轴呈“八”字型安装于固定支臂上固定支臂与铲式开沟器支架相连接挡板偏角调节装置由与开沟器支架相连接的固定支架、固定圆环、固定板组成 个仿生分草挡板与开沟器支架铰接并通过固定圆环与挡板偏角调节装置相连接仿生分草栅条焊接于仿生分草挡板外侧面.运动学分析与结构参数仿生拨草轮设置有运动偏角随机器前进作业时轮爪作复合运动 以仿生拨草轮与地面接触点为坐标原点 轴和 轴分别平行、垂直于拨草轮盘平面 面水平 轴垂直于 面建立坐标轴第 期 朱惠斌等:仿生分拨草防堵装置的设计与试验如图 所示任一仿生拨草轮爪顶点的运动轨迹方程为:()()式中 为机具前进速度()为拨草轮盘运动偏角()为拨草轮盘角速度()为拨草轮盘的半径()绘制任一仿生拨草轮爪顶点的运动轨迹并将 面展开如图 所示 由图 可知顶点运动轨迹为空间螺旋线此时可将其运动分解为从 点到 点的纯滚动和从 点到 点的平移运动从 面内图 原运动轨迹与运动轨迹拟合曲线对比.铲式开沟器.仿生拨草轮.仿生分草挡板.固定支臂.挡板偏角调节装置.图 仿生分拨草防堵装置结构图.图 仿生拨草轮盘运动分析简图.图 仿生拨草轮爪上任一顶点的运动轨迹.的运动轨迹投影可以看出拨草轮爪的顶点有比较明显的横向移动即对秸秆有侧方向的推动作用当运动偏角 增大时相同作业行程内 方向运动距离减小 方向运动距离增大即对秸秆的侧向推动作用增强向后拨动作用减弱当运动偏角 减小时对秸秆的侧向推动作用减弱向后拨动作用增强仿生分拨草装置中两拨草轮盘的交汇点高度(图)是影响拨草清秸效果的重要指标之一当 值过小时秸秆会从交汇点上方进入两拨草轮盘中间并造成堵塞当 值过大时两拨草轮在前下方秸秆层位置空间过大会导致中间秸秆遗漏 为增强拨离作用通常使 略小于或等于秸秆层的覆盖高度 小麦秸秆留茬粉碎覆盖还田后碎秸秆覆盖高度约为 并且秸秆层流动性较差为满足作业要求本设计选取交汇点高度 图 中 为秸秆层的覆盖高度()为 个仿生拨草轮盘拨草交汇点 为仿生拨草轮盘的交汇点高度()为幅宽定义点 为工作幅宽()为运动偏角()由图 得出仿生拨草装置工作幅宽 的计算 干旱地区农业研究 第 卷公式为:()()()式中 为 点到 点的长度()为满足农艺要求选取工作幅宽 且为满足机具实际的工作要求应保证 即 将以上参数带入公式()中得出.取整为 数值大小适中且便于加工生产将 代回式()计算得 即得拨草轮盘的直径 拨草轮爪的数量 也是影响作业效果的重要参数 过大会增加轮爪插入秸秆层的难度 过小则连续拨草作业需要的转速过大 参照多齿拨草星轮的设计轮爪数量一般为 个 按照 比例绘制仿生拨草轮盘工作示意图如图 所示为使拨草轮盘能在秸秆层中能稳定地连续不断进行拨草作业当秸秆覆盖高度较小时应保证优先工作区覆盖高度 内至少有 个以上的拨草轮爪同时工作选取仿生拨草轮爪数量为 且均匀分布 分拨草防堵装置离散元仿真.模型在 软件中生成三维尺寸为 的虚拟土床以及厚度为 的秸秆层模型采用三维建模软件 对仿生分拨草免耕防堵装置按照 的尺寸比例进行仿真三维建模以“.”格式导入离散元仿真软件中颗粒间接触模型为 接触模型进行清秸防堵仿真(图 见 页).仿真优化试验为获取仿生分拨草装置工作的最优参数组合以仿生拨草轮入土深度()、机具的前进速度()以及分草挡板的偏角()为试验因素种带的清秸率 作为试验指标采用 试验优化设计方法进行二次回归正交组合离散元仿真优化试验 试验因素编码如表 所示试验方案与结果如表 所示.试验结果与分析通过 软件对试验结果进行回归分析如表 所示 影响试验指标清秸率 的主要因素依次是分草挡板偏角、机具前进速度、入土深度 清秸率 的试验模型极显著(.)机具前进速度、分草挡板偏角、入土深度的二次项、机具前进速度的二次项、分草挡板偏角的二次项 对清秸率 存在极显著影响(.)入土深度与分草挡板偏角的交互项、机具前进速度与分草挡板偏角的交互项 对清秸率 存在显著影响(.失拟项不显著不存在其他影响指标的主要因素存在试验指标与试验因素存在显著的二次型关系并且决定系数与校正后的决定系数均接近于 变异系数小于 信噪比大于 说明回第 期 朱惠斌等:仿生分拨草防堵装置的设计与试验归方程的可信度、精确性、合理性高回归模型的预测值对试验值有较高的拟合水平利用 软件固定 个因素中的一个因素为零水平通过响应曲面法分析其他两个因素对试验指标的影响和交互作用绘制自变量与响应值(清秸率)的三维响应面图(图)()固定 因素取 水平()时 因素和 因素对清秸率 的影响可表示为:.()如图 所示机具前进速度一定时清秸率随拨草轮入土深度的增加先增大后减小拨草轮入土深度一定时清秸率随机具前进速度的增加同样先增大后减小 同时机具前进速度增加时清秸率随拨草轮入土深度变化的速率缓慢降低 拨草轮入土深度为 机具前进速度为.时清秸率较高()固定 因素取 水平()时 因素和 因素对清秸率 的影响可表示为:.()如图 所示分草挡板偏角一定时清秸率随拨草轮入土深度的增加先增大后减小拨草轮入土深度一定时清秸率随分草挡板偏角的增加同样先增大后减小 同时分草挡板偏角增加时清秸率随拨草轮入土深度变化的速率降低 拨草轮入土深度为 分草挡板偏角介于 时清秸率较高()固定 因素取 水平()时 因素和 因素对清秸率 的影响可表示为:表 试验设计及结果 标准序号试验序号清秸率 /.()如图 所示分草挡板偏角一定时清秸率随机具前进速度的增加先增大后减小机具前进速度一定时清秸率随分草挡板偏角的增加同样先增大后减小 同时分草挡板偏角增加时清秸率随机具前进速度变化的速率快速降低 机具前进速度为.分草挡板偏角介于时清秸率较高以清秸率最大为寻优指标通过 软件中的 模块对回归模型进一步优化求解其中约束条件为:().()从优化结果中选取一组优化方案作为最优参数组合即当拨草轮的入土深度 为、前进速度 为 、分草挡板的偏角 为 时清秸防堵装置作业性能最理想此时的清秸率为.表 方差分析表 方差来源平方和自由度 均方显著性模型.残差.失拟误差 .纯误差.总离差.决定系数.校正决定系数.变异系数/.信噪比.注:表示显著(.)表示极显著(.):(.)(.).干旱地区农业研究 第 卷图 白星花金龟前、后肢结构原图.图 拟合运动轨迹曲线的残差.图 各因素对清秸率影响的响应曲面.图 仿真作业过程.田间试验.试验条件与仪器设备试验于 年 月 日在云南省昆明理工大学呈贡校区保护性耕作试验田(海拔 )进行如图 所示试验期间日平均图 田间试验现场.气温为.试验区域为 坡地土壤类型为红壤土土壤容重、含水率及坚实度过高或过低都会减弱拨草轮的被动转动试验地土壤的物理性质如表 所示 前茬作物小麦种植行距为 收获后全量覆盖还田小麦秸秆平均长度第 期 朱惠斌等:仿生分拨草防堵装置的设计与试验为 秸秆含水率为.地表留茬高度为 平均残茬(地表以上小麦秸秆及根茬的总称)覆盖率为.平均残茬覆盖量为.试验条件满足中免(少)耕施肥播种机试验准备(/)的规定 试验主要设备:黄海金马 型拖拉机、土壤紧实度仪、环刀、烘箱、手持便携式气象站、型电子天平.试验指标与方法根据免耕播种机质量评价技术规范及农业部农机鉴定总站免耕播种机性能检测要求将仿生分拨草防堵装置单体安装于播种机上以上述最优作业参数进行田间试验测试内容为播种机通过性、实际清秸率、土壤扰动量在一个试验行程中间隔 选取 个测试点观察防堵装置的堵塞程度按照无、轻微、中度、重度堵塞 个标准进行记录无堵塞或发生一次轻微堵塞为合格 使用台式电子秤测量分拨草免耕防堵装置工作前后测试点中秸秆质量计算实际清秸率 计算公式为式()值越大越好 测量出实际开沟宽度取播种行距 为 算出土壤扰动量 计算公式为式()值越小越好 ()式中 为实际清秸率()为作业前测试点秸秆质量()为作业后测试点秸秆质量()()式中 为土壤扰动量()为实际开沟宽度()为播种行距().试验结果与分析种带的实际清秸率、土壤扰动量测定结果如表、表 所示实际作业中只在一个测试点发生轻微堵塞整机的通过性良好各测试点土壤扰动量测定值较为均匀平均土壤扰动量为.满足检测要求已知目前同类型被动式破茬防堵机构秸秆清除率介于 主动式破茬防堵机构秸秆清除率为 左右本设计的平均实际秸秆清除率表 试验区域土壤物理性质 物理特性 土层深度 /容重 /().含水率 /.土壤坚实度/.为.略低于仿真试验结果清秸防堵效果较好 并且实际秸秆清除率和土壤扰动量变异系数均较小分别为.和.证明机器的工作稳定性较好 结 论)以白星花金龟为仿生原型使用连续变倍体视显微镜和高速摄像机获得了其前、后肢轮廓图像及后肢运动视频用 和高速视频目标跟踪测量软件 .进行图像处理后采用 软件获得了白星花金龟前、后肢轮廓拟合曲线及后肢运动轨迹拟合曲线并设计了一种新型的仿生分拨草清秸防堵装置)对仿生拨草轮进行了运动学分析得出运动偏角 与机具对秸秆的侧向推动作用呈正相关关系与机具对秸秆的拨动作用呈负相关关系 通过计算分析获得了影响作业性能的结构参数运动偏角 为 拨草轮盘的直径 为 拨草轮爪数量为 个)采用 试验优化设计方法进行二次回归正交组合离散元仿真优化试验通过 表 种带秸秆清除效果测定表 试验号 /.表 土壤扰动量测定表 试验号/.干旱地区农业研究 第 卷 软件对试验结果进行分析获得了最优作业参数组合:拨草轮入土深度 为 机具前进速度 为 分草挡板偏角 为)田间试验结果表明安装仿生分拨草防堵装置后 整机的通过性良好 平均秸秆清除率为.平均土壤扰动量为.秸秆清除率和土壤扰动量变异系数分别为.和.作业质量稳定符合免耕播种机作业的农艺和技术要求参 考 文 献:戴伊莎 贾会娟 熊瑛 等.保护性耕作措施对西南旱地玉米田土壤有机碳、氮组分及玉米产量的影响.干旱地区农业研究():.():.邱野 王瑄.耕作模式对坡耕地土壤水分和大豆产量的影响.农业工程学报 ():.():.?.:.:.赵宏波 何进 郑智旗 等.少免耕播种机条带型行间侧抛清秸防堵装置研究.农业机械学报 ():./.():.陈海涛 魏志鹏 苏文海 等.前置式大垄原茬地种床整备装置设计与试验.农业机械学报 ():.():.王庆杰 曹鑫鹏 王超 等.东北黑土地玉米免少耕播种技术与机具研究进展.农业机械学报 ():./.():.何进 李洪文 陈海涛 等.保护性耕作技术与机具研究进展.农业机械学报 ():.():.施印炎 罗伟文 胡志超 等.全量秸秆粉碎条铺与种带分型清秸装置设计与试验.农业机械学报 ():.():.王奇 唐汉 周文琪 等.幅宽自动控制清秸防堵装置设计与试验.农业机械学报 ():.():.王奇 贾洪雷 朱龙图 等.免耕播种机星齿凹面盘式清秸防堵装置设计与试验.农业机械学报 ():.():.赵淑红 谭贺文 王加一 等.多功能集成式播种开沟器的设计与试验.农业工程学报 ():.():.范旭辉 贾洪雷 张伟汉 等.免耕播种机仿形爪式防堵清茬机构参数分析.农业机械学报 ():.():.刘正平 田梦 杨淞旭 等.从动型旋转齿盘分草装置的设计.华南农业大学学报 ():.():.贾洪雷 郭明卓 郭春江 等.免耕播种机动态仿生破茬装置设计与参数试验优化.农业机械学报 ():.():.贾洪雷 郑健 赵佳乐 等.()型大豆仿生智能耕播机设计与试验.农业机械学报 ():.().():.张广杰 王倩 刘玉升.白星花金龟人为条件生物学与应用潜力.环境昆虫学报 ():.第 期 朱惠斌等:仿生分拨草防堵装置的设计与试验(:).():.朱惠斌 钱诚 白丽珍 等.正反转动力式玉米切茬防堵装置设计与试验.农业工程学报 ():.():.石林榕 赵武云 孙伟 等.马铃薯仿生挖掘铲减阻性能研究.干旱地区农业研究 ():.():.():.林静 张桐嘉 田阳 等.秸秆深埋还田仿生开沟装置优化与试验.农业机械学报 (增刊):.():.():.():.田辛亮 丛旭 齐江涛 等.黑土区玉米秸秆土壤混料离散元模型参数标定.农业机械学报 ():.():.武涛 黄伟凤 陈学深 等.考虑颗粒间黏结力的黏性土壤离散元模型参数标定.华南农业大学学报 ():.():.王韦韦 蔡丹艳 谢进杰 等.玉米秸秆粉料致密成型离散元模型参数标定.农业机械学报 ():.():.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会.农业机械试验条件测定方法的一般规定:/.北京:中国标准出版社.:/.:.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会.免(少)耕施肥播种机:/.北京:中国标准出版社.:/.:.中华人民共和国农业部.免耕播种机质量评价技术规范:/.北京:中国标准出版社./.:.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会.单粒(精密)播种机试验方法:/.北京:中国标准出版社.():/.:.干旱地区农业研究 第 卷