仿生储能—仿形深松装置设计与试验研究

由于田间长期的翻耕、旋耕作业,耕作区底部土壤形成了紧实的犁底层。犁底层的存在严重阻碍了作物根系生长,使其难以从更深的土层中获取营养和水分,导致作物产量降低。此外,犁底层阻碍水分渗透,降雨时极易导致地表径流和土壤侵蚀。因此打破犁底层对于保护土壤、提高作物产量、实现“藏粮于地”的国家战略具有重要意义。深松是打破犁底层的有效耕作方法,但作为深松作业的主要工作部件——深松装置,其在打破犁底层的过程中所受阻力大、能耗高,限制了深松作业的推广和应用。目前,研究人员主要通过优化深松铲结构实现减阻降耗,然而振动深松装置却因缺少机构创新思路与高精度参数优化试验方法,长期被研究人员所忽视。本研究基于穴兔优异的土壤挖掘功能,以其前上肢为仿生原型,通过模仿其独特的机构形式,创新设计出仿穴兔前上肢的仿生储能-仿形深松装置,并采用DEM-MBD耦合仿真技术和田间验证试验揭示了其功能优势机理。主要研究内容如下:(1)基于穴兔前上肢的仿生储能-仿形深松装置的设计。根据穴兔前上肢挖掘时储能、仿形的功能特点,设计出一种仿生储能-仿形深松装置,可同时模拟穴兔前上肢各结构运动方式及其在挖掘土壤时前上肢储能-仿形的功能特点,实现耦合仿生设计。根据深松的作业特性,采用理论力学、刚体动力学等方法对仿生储能-仿形深松装置进行分析得到,扭矩弹簧(1)和扭矩弹簧(3)的扭转弹性系数优化的范围在110-210 k N·mm/°之间,扭矩弹簧(2)的扭转弹性系数优化的范围在220-420 k N·mm/°之间,为仿生储能-仿形深松装置核心参数优化仿真试验提供探索指导。(2)仿生储能-仿形深松装置高精度仿真作业场景构建。根据不同耕层土壤物理力学特性的差异,对土壤颗粒的物理力学特性进行测定。采用单一球体模型和Hertz-Mindlin with JKR接触模型建立了4种不同尺寸的土壤颗粒模型,并通过Box-Behnken Design试验获得土壤颗粒最佳接触参数。基于不同尺寸土壤颗粒模型及接触参数构建土壤DEM模型。通过圆锥贯入阻力试验和土壤直剪试验验证了土壤DEM模型具有极高的准确性,为仿生储能-仿形深松装置的DEMMBD耦合仿真试验提供虚拟场景。(3)仿生储能-仿形深松装置耦合仿真优化试验。根据DEM土壤模型与两种深松装置多刚体动力学模型,基于DEM与MBD耦合算法,采用离散元软件EDEM和多刚体动力学软件Recurdyn,对深松装置的工作过程进行耦合仿真试验。试验得到不同深松装置及其核心参数对土壤颗粒平均速度、土壤扰动比率、深松平均阻力、储能总和以及深松能耗的影响规律,通过分析仿生储能-仿形深松装置和传统振动深松装置的扭转弹性系数-深松能耗回归模型可得:扭转弹性系数为140 k N·mm/°时深松能耗最小,且仿生储能-仿形深松装置比传统振动深松装置的深松能耗预测值降低约22.6%。仿生储能-仿形深松装置耦合仿真优化试验为田间验证试验提供了参考和理论依据。(4)仿生储能-仿形深松装置耕深实时监测系统的开发。基于对仿生储能-仿形深松装置的运动过程和耕作深度的分析,协同使用Python和Lab VIEW,开发了一种深松质量监测系统,该系统可实现对深松深度稳定性、机组打滑率及深松作业合格率等深松作业主要指标的实时测量与显示。(5)仿生储能-仿形深松装置的田间试验及其功能优势机理。对仿生储能-仿形深松装置与传统振动深松装置开展田间验证试验。不同作业速度下,与传统振动深松装置相比,仿生储能-仿形深松装置的深松油耗降低了26.5%～29.2%,深松阻力降低了19.9%～27.2%;且同种作业条件下,仿生储能-仿形深松装置的土壤扰动比率和耕深稳定性均优于传统振动深松装置;此外,使用两种不同装置对同一地块进行深松作业后发现,使用仿生储能-仿形深松装置作业后的土壤在第二年春播时的含水率显著提高。根据耦合仿真试验与田间验证试验对仿生储能-仿形深松装置在柔性仿形、耕深控制、深松减阻、弹性储能和深松降耗方面的优势机理进行分析。