賈洪雷 王萬鵬 陳 志 鄭鐵志 張 鵬 莊 健
(1.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室,長春130025;2.吉林大學生物與農業(yè)工程學院,長春130025; 3.中國農業(yè)機械工業(yè)協(xié)會,北京100083;4.吉林省農業(yè)機械化管理中心,長春130022; 5.雷沃重工股份有限公司,濰坊261206)
農業(yè)機械觸土部件優(yōu)化研究現(xiàn)狀與展望
賈洪雷1,2王萬鵬1,2陳 志2,3鄭鐵志4張 鵬5莊 健1,2
(1.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室,長春130025;2.吉林大學生物與農業(yè)工程學院,長春130025; 3.中國農業(yè)機械工業(yè)協(xié)會,北京100083;4.吉林省農業(yè)機械化管理中心,長春130022; 5.雷沃重工股份有限公司,濰坊261206)
簡述了農業(yè)機械觸土部件的發(fā)展及現(xiàn)狀,歸納了可提升觸土部件減阻降耗、減粘脫附和耐磨延壽等性能的諸多優(yōu)化設計方法,明確了土壤性狀與觸土部件結構或材料之間的互作關系,提出觸土部件材料的優(yōu)化制造工藝,分析了仿生等先進設計方法在觸土部件上的應用前景,最后總結了觸土部件設計、加工等方法對現(xiàn)代農業(yè)機械性能的保障性作用,并對未來觸土部件的研究趨勢和發(fā)展方向進行了展望。
農業(yè)機械;觸土部件;優(yōu)化設計
農業(yè)生產工具的發(fā)明、改進、發(fā)展與人類社會的發(fā)展有著密切的關系,如犁耕技術的傳播與應用極大地促進了人類的遷徙、社會的發(fā)展和人口的增加[1-2],而農業(yè)機械的出現(xiàn)和發(fā)展極大地推動了農業(yè)的發(fā)展和人類文明的進步。農業(yè)機械在不同的作業(yè)過程中需構建不同的土壤結構,其中土壤耕作部件起到了至關重要的作用。
土壤耕作部件是指通過特定的觸土部件與土壤發(fā)生機械作用,使與其接觸的土壤產生破碎、切削、翻轉或移動等效果,統(tǒng)稱各類觸土部件為土壤耕作部件[3-5],農業(yè)機械在作業(yè)過程中會產生大量能耗,而大部分能耗來自于克服土壤耕作部件作業(yè)時產生的阻力[6-7],作業(yè)時,土壤耕作部件受土壤顆粒的沖擊將導致磨損和斷裂失效,使土壤耕作部件的使用壽命縮短,將直接使農業(yè)機械的生產成本變高[3,8-10]。而隨著現(xiàn)代農業(yè)機械向著大型化、復合化方向發(fā)展,對觸土部件的各項性能提出了越來越高的要求,這使得農業(yè)機械觸土部件的優(yōu)化設計技術和方法成為該領域研究的重要前沿和熱點之一。
隨著現(xiàn)代農業(yè)機械的專業(yè)化程度進一步提升,觸土部件種類不斷增多,但在實際作業(yè)過程中普遍存在阻力大、能耗高、粘附和磨損嚴重、作業(yè)效果與農藝要求不匹配等問題[3,10-11],如土壤粘附使犁耕阻力增加30%以上[12-13],耕整機械能耗增加30% ~50%[14-15],播種機械出苗率降低5% ~10%,而不同部件對于性能優(yōu)化的需求各不相同,因此,本文分析觸土部件的種類和性能需求,總結不同性能的優(yōu)化設計方法,展望觸土部件研究發(fā)展趨勢,為提高我國觸土部件研究水平、提高現(xiàn)代農業(yè)裝備性能和效益提供參考。
現(xiàn)代農業(yè)的機械化作業(yè)過程中,作物的種植一般包括播前耕整地、播種、田間管理和收獲等環(huán)節(jié),而大部分的觸土部件應用于其中前3個作業(yè)環(huán)節(jié)中,如播前耕整地用犁、耙、旋耕和鎮(zhèn)壓等部件,播種作業(yè)用開溝、覆土整形和鎮(zhèn)壓等部件,田間管理用深松、培土等部件[16]。不同部件的結構、作業(yè)方式各不相同,因此對其進行性能優(yōu)化的方向也不相同,如犁和深松鏟等部件作業(yè)阻力大、能耗高[6,17-19],減阻降耗就成為其重要的優(yōu)化研究方向[20-23],表1所示為幾種主要觸土部件的性能特點及其對性能優(yōu)化的要求。
目前,發(fā)達國家在農機觸土部件的設計過程中,均充分考慮到機具的結構、功能和農藝要求、土壤性狀等因素,并通過結合材料成分與優(yōu)化加工工藝,來保證觸土部件的各項性能指標符合作業(yè)要求,同時也實現(xiàn)了部件生產企業(yè)的專業(yè)化生產,產生了許多國際知名的專業(yè)觸土部件生產商,如西班牙貝洛塔公司,其生產的耙片、犁尖、犁壁、圓盤開溝器等部件,為雷肯、庫恩、約翰-迪爾、格蘭等企業(yè)生產的機具配套,顯著提高了產品的附加值[30]。
而我國目前農機觸土部件生產企業(yè)大多數(shù)規(guī)模較小,產業(yè)集中度低,技術實力和加工能力相對薄弱,在高精度成型、高強耐磨材料熱處理等方面存在問題[32],因而導致我國農機觸土部件性能、使用壽命和作業(yè)質量與國際先進水平仍存在差距,難以滿足我國現(xiàn)代農業(yè)機械發(fā)展的需要。
由于觸土部件作業(yè)產生的阻力消耗了大量的動力和能源,因此減阻始終是土壤耕作部件設計領域的首要目標。研究表明,在耕作過程中,土壤對觸土部件產生的作用力主要有土壤變形所產生的反作用力和摩擦力,同時受土壤剪切強度、土壤內聚力、土壤內摩擦角和外摩擦角等因素影響[33-36]。此外土壤與部件之間的粘附作用顯著影響著部件的作業(yè)阻力、功耗和質量,由于影響土壤粘附的因素眾多,許多科研工作者從不同角度提出了不同的理論和學說以解釋和說明土壤粘附的現(xiàn)象與規(guī)律,如毛細管理論[12,37-38]、五層界面理論[39]、合力理論[12,40]、分子電荷理論以及粘附界面的分子模型理論[41],但大多數(shù)為基于Fountaine的水膜張力理論,這是因為在耕作過程中,土壤和觸土部件表面的粘附與界面水膜的狀況呈現(xiàn)出密切的關系[42]。
土壤存在著成分復雜、內部成分和結構不均勻、不同成分與部件接觸特性存在顯著差異、不同水分溫度條件對土壤特性影響顯著等問題[43-45],同時現(xiàn)有土壤-部件作用關系理論依然存在著制約因素多,計算過程繁復,而導致模擬仿真計算量大、結果可靠性較差等問題[46-50]。因此需要針對不同的部件和作業(yè)條件,建立更為簡潔和準確的計算模型,借助快速提升的超級計算機的運算能力,提高部件-土壤關系分析的效率和準確性,為部件的優(yōu)化設計提供基礎。
國內外研究者對觸土耕作部件與土壤的相互作用關系進行了相關研究,并建立了相關的模型,同時利用模型對觸土耕作部件的結構參數(shù)進行分析和優(yōu)化,如圓盤犁的牽引力和功率計算預測模型[51-52];鏵式犁牽引力預測模型[53];犁體結構參數(shù)優(yōu)化方法[54];利用有限元非線性分析法對碎土輥耙齒進行強度和剛度分析,并進行結構優(yōu)化設計[55];基于切土、拋土和轉運對動力消耗影響的旋耕刀分析模型及優(yōu)化設計方法[56];采用離散元法研究開溝器的工作過程及工作阻力,為開溝器的研究和優(yōu)化設計提供了一種新方法[57];分析深松鏟翼張角、刃角、翼傾角與觀測指標牽引阻力之間的數(shù)學模型,為深松鏟的優(yōu)化設計提供參考依據(jù)[58];通過建立立柱式深松鏟受力數(shù)學模型進行深松鏟結構優(yōu)化設計[59]。在上述研究的基礎上,國內外研究者對觸土部件進行了有針對性的結構優(yōu)化設計。
表1 主要觸土部件的性能特點及其對性能優(yōu)化的要求Tab.1 Performance characteristics of soil-engaging com ponents and requirement for performance optim ization
隨著數(shù)值模擬技術和方法的發(fā)展,國內外研究者針對不同作業(yè)環(huán)節(jié)和土壤條件,進行了觸土部件結構的優(yōu)化設計與分析,如應用EDEM軟件進行深松鏟性能分析,檢驗了破土刃切削刃角θ與滑切角φ最優(yōu)效果設計的折線破土刃深松鏟[17],以及采用ANSYS/LS-DYNA分析和優(yōu)化設計得到的復合形態(tài)深松鏟[60];運用DEM分析土壤和旋耕刀作用下秸稈的微觀運動行為,為秸稈處理機械中旋耕刀的設計與優(yōu)化提供理論依據(jù)[61];在ANSYS/LS-DYNA軟件中完成犁體耕作過程的動力學模擬仿真,表明在與土體-犁體接觸點垂直的平面內,體位移以與犁體接觸點為中心呈環(huán)帶狀向四周逐漸減小[62];采用ANSYS軟件對免耕播種機缺口圓盤刀進行了有限元靜強度分析,得到刀片的應力分布圖,為缺口圓盤刀的設計和優(yōu)化提供了理論依據(jù)[63]。
在模擬仿真研究的基礎上,國內外研究者通過理論分析、結構設計和試驗驗證的方法,進行了不同觸土部件的減阻減粘結構設計,如經檢驗振動法減粘降阻的裝置試驗,當土壤含水率為38.7%,振動率在60~100 Hz之間時,板上土壤分離的效果最明顯[64];如由驅動圓盤犁和鏵式犁組合而成的組合式左翻驅動圓盤犁,入土力矩顯著增大,實現(xiàn)了減阻的效果[65];通過田間試驗,對深松鏟受力數(shù)學模型進行試驗驗證,實現(xiàn)了對深松鏟結構參數(shù)的優(yōu)化,降低了作業(yè)阻力[59];綜合深松鏟對土壤擾動疏松效果、牽引阻力及溝形面積比阻分析,入土角α為21°的鑿形鏟是相對最優(yōu)的鏟形[66];基于星形耙片的曲面和星齒刃口曲線的幾何參數(shù)對作業(yè)質量及作用力的影響關系,對耙片結構參數(shù)進行優(yōu)化[67];利用TRIZ沖突矩陣建立的犁壁減粘脫附結構優(yōu)化設計方法[68]等,均能夠有效降低觸土部件在特定條件下的作業(yè)阻力或土壤粘附,提高部件的作業(yè)質量和效率,優(yōu)化性能指標。
研究者通過對觸土部件與土壤之間關系的研究及對現(xiàn)有觸土部件機構的不斷優(yōu)化,使得觸土部件在減阻減粘結構的設計方面取得了顯著的效果,與此同時研究者也開始將仿生結構設計等新型設計方法應用于觸土部件的結構設計,同樣取得了良好的效果。
土壤動物是土壤中生存的各種動物的總稱,土壤動物在億萬年的進化過程中,進化出大量適應地下生活,能夠降低挖掘阻力、土壤粘附和運動磨損的多尺度結構,為與土壤作用的觸土部件的減阻、減粘和耐磨結構設計提供了天然的摹本和高效的優(yōu)化設計途徑,如基于蜣螂體表結構設計的仿生犁壁,能夠實現(xiàn)減粘脫附性能[69-70],通過方鼴鼠爪趾結構曲線連接碎茬刀和旋耕刀刃口曲線研制的仿生旋耕碎茬通用刀片[71],在作業(yè)時刀片扭矩和機器振動顯著降低;通過模仿蚯蚓結構和運動行為設計的仿生開溝器[72]和鎮(zhèn)壓輥仿生減粘脫附結構[73],均可減少觸土部件表面土壤粘附;基于黃鼠、小家鼠爪趾結構設計的可降低深松作業(yè)阻力的仿生深松鏟柄[74]和鏟柄破土刃口結構[75]等,在減阻、減粘脫附等性能優(yōu)化方面取得了良好的應用效果。
表2是一些具有代表性的觸土部件仿生結構設計實例。
我國觸土部件的仿生結構設計已取得一系列創(chuàng)新性成果,成為國際仿生學研究的重要分支之一。但目前隨著農業(yè)機械化作業(yè)速度、精度的快速提升,單純依靠對土壤動物器官分析和模仿進行觸土部件結構優(yōu)化設計的方法也已經不能完全滿足實際應用的需求,因此,在之后的研究中需要針對觸土部件的使用環(huán)境進行生物原型的選擇和分析,以提高仿生結構設計的可靠性;在仿生結構設計的同時,對土壤動物的運動學特性進行深入的分析,研究其運動對減阻、耐磨、減粘等特性的影響規(guī)律和作用機理,并將這些運動特征引入觸土部件機構設計中,實現(xiàn)觸土部件性能的動態(tài)優(yōu)化,進一步提高部件性能。
觸土部件在耕作過程中,會受到土壤顆粒的沖擊,導致磨損、斷裂等形式的失效,為了提高耕作部件的性能和壽命,研究人員一直在努力優(yōu)化觸土部件的材料性能和加工工藝,如采用白口鑄鐵加工的陽城犁鏡就是其中的杰出代表[81-82]。但隨著現(xiàn)代農業(yè)裝備作業(yè)速度和強度的快速提升,對觸土部件的硬度、強度和韌性均提出了更高的要求,而同步提高的硬度和韌性也正是材料學領域的重大難題之一,為此國內外研究人員分別從材料自身和工藝方法等方面開展研究,提高了觸土部件的性能。
絕大部分的觸土部件是由鋼鐵材料制造的,而面對觸土部件對硬度、強度和韌性的較高要求,生產觸土部件所采用的鋼鐵材料也逐步由鑄鐵材料向合金鋼材料發(fā)展,其中應用最為廣泛的是65Mn鋼,通過采用合理的熱處理工藝,可以在保證其強度和韌性的前提下,有效提高其應變硬化指數(shù),使部件表面在作業(yè)過程中形成硬化層,有效提高耐磨性[83-85]。近年來隨著冶煉、加工和熱處理技術的發(fā)展,硼鋼越來越多地應用在觸土部件的生產領域,如西班牙貝洛塔公司采用28MnB5鋼加工的觸土部件,表面硬度可達48~52 HRC,兼具優(yōu)良的韌性和硬度[86-88]。表3是65Mn鋼和28MnB5鋼的主要成分、熱處理工藝和主要性能。
表2 觸土部件仿生結構設計實例Tab.2 Structuralbionicdesignexamplesofsoil-engagingcomponents
表3 65Mn鋼和28MnB5鋼Tab.3 Comparativeof65Mnand28MnB5
但具有較高強度的硼鋼材料在生產、加工和熱處理等環(huán)節(jié)還存在較大技術難度,尤其是目前我國企業(yè)尚無法保證硼鋼材料加工的觸土部件在熱處理后的結構精度,這也成為制約這些材料應用的瓶頸。
為了保證觸土部件耐磨、減粘等性能,同時保證其結構強度和韌性,研究者采用多種工藝方法在韌性材料表面構建具有不同結構的功能性結構,成為觸土部件優(yōu)化性能和提高使用壽命的重要途徑,如在觸土部件表面通過熔覆、粘接等方式添加高硬度的合金或陶瓷涂層,以提高部件的耐磨性和使用壽命,同時保證部件的機械強度和韌性[89-93];通過合理的熱處理或鑄造方法,形成材料結構和性能的梯度分布,提高部件表面的硬度和耐磨性,保證部件的結構強度和韌性[94],通過涂覆高分子涂層減少土壤在觸土部件表面的粘附,提高材料微觀粗糙度與接觸角等方法,提高作業(yè)質量[79,95-97]。這些方法的應用顯著提高了部件的性能、作業(yè)質量和作業(yè)效率,降低了部件的使用成本。
如犁壁表面的仿生涂層結構可降低土壤的粘附[80,98-99];通過研究犁壁表面磨損特性研發(fā)的激光表面雕刻方法,可降低犁壁磨損造成的損失[100-101];在旋耕片表面采用高速氧燃料噴涂WC/Co復合涂層、采用等離子噴涂Al2O3涂層,旋耕刀片磨損速率顯著降低,而等離子噴涂Al2O3刀片的磨損速率幾乎未變[102];利用熱噴涂技術在旋耕刀具表面噴涂WC-Co-Cr、Cr3C2NiCr和Stellite-21 3種涂層,噴涂涂層對刀具的磨損率有明顯的改觀,WC-Co-Cr涂層具有優(yōu)異的耐磨性能[103];在30MnB5鋼制成的犁頭表面分別電鍍20μm硬鉻層、化學鍍20μm的鎳涂層以及物理氣相沉積4μm的TiN涂層,并在砂質粘壤土中進行耐磨損試驗,結果表明,TiN涂層的耐磨性能優(yōu)于硬鉻層和鎳涂層[104];采用火焰熔覆[105-106]或激光熔覆[107-109]在65Mn等鋼基體上制備了金屬基或陶瓷基耐磨涂層結構,可有效提高犁體耐磨性和使用壽命。幾種觸土部件表面處理方法及應用如表4所示。
表4 觸土部件表面處理方法Tab.4 Surface pre-treatments of soil-engaging com ponents
現(xiàn)代農業(yè)對農機裝備的要求已不僅局限于高效低耗地完成各個作業(yè)環(huán)節(jié),還需要作業(yè)后的地表環(huán)境與農藝要求相匹配,這就需要農機觸土部件結構和作業(yè)方式與農藝要求實現(xiàn)緊密的融合,同時,我國種植農業(yè)存在多區(qū)域、多熟制和多品種的特點,這也要求觸土部件在實現(xiàn)基本功能的前提下,需要針對不同的環(huán)境條件實現(xiàn)一定的適應性。
以耕整地用鎮(zhèn)壓裝置為例,不同的土壤條件、作物品種和種植模式,對播前種床土壤的要求各不相同,需要具有不同結構和功能的鎮(zhèn)壓裝置進行作業(yè),鎮(zhèn)壓器有V型鎮(zhèn)壓器、網(wǎng)環(huán)形結構鎮(zhèn)壓器、圓筒形鎮(zhèn)壓器等,而針對不同的工作環(huán)境、土壤構成、地表平整度,有不同類型的鎮(zhèn)壓器,如防風噴霧鎮(zhèn)壓器、雙面牙嵌型鎮(zhèn)壓器、直面風扇型鎮(zhèn)壓器、菊型鎮(zhèn)壓器、AqueelⅡ型鎮(zhèn)壓器和仿形鎮(zhèn)壓器等[110-112],表5為幾種常用鎮(zhèn)壓器主要適用耕作環(huán)境或與之配套用的機具。
表5 鎮(zhèn)壓裝置Tab.5 Press-device
此外,國內外研究者還針對不同作物和不同農藝要求開展了如開溝、鎮(zhèn)壓、覆土整形、松土等部件的針對性結構設計與優(yōu)化,如針對大豆種子結構和種植模式設計的雙V型筑溝器[113-114]和仿形彈性鎮(zhèn)壓輥[115-117],針對不同作物、種植模式和土壤條件設計的鎮(zhèn)壓裝置可保證播種作業(yè)過程中的鎮(zhèn)壓效果[118];針對免耕條件下開溝作業(yè)易纏繞堵塞等問題設計的組合式開溝器、缺口圓盤開溝器[119-124]等,保證了免耕播種等保護性耕作技術的發(fā)展和推廣;為改善種床質量、提高播種分布直線性及播深一致性,設計了仿形滑刀式開溝器[125-127];為使覆土器能夠較好地完成覆土作業(yè),達到理想的覆土效果,同時盡量減少種子觸土后的位移而設計雙圓盤式覆土器[128];根據(jù)土壤墑情和不同作物鎮(zhèn)壓力需求不同的農藝要求隨時調節(jié)鎮(zhèn)壓力的可變力苗帶鎮(zhèn)壓器等[129];針對保護性工作時秸稈粉碎效果的農藝要求設計的V-L型秸稈粉碎還田刀片,延長了刀片的使用壽命、提高了秸稈粉碎效果和作業(yè)效率[130];在固定壟保護性耕作農藝要求條件下,對松壟割刀理論受力、作業(yè)油耗、土壤體積含水率增量性能指標進行評價,確定使用V型松壟割刀作業(yè)的綜合效益最高[131]。表6為與農藝相配套設計的觸土部件。
表6 與農藝相配套的觸土部件結構設計Tab.6 Structural design of soil-engaging componentsmatch the agronomy
綜上可見,隨著科技的進步和工業(yè)的發(fā)展,農業(yè)生產需要功能更多、效率更高、生產成本更低的農業(yè)機械,而觸土部件在保證和提升農業(yè)機械性能方面發(fā)揮著極為重要的作用,研究者通過研究土壤-部件相互作用關系,采用計算機模擬仿真、材料優(yōu)化設計、仿生設計等方法,對觸土部件進行了多方面的優(yōu)化設計,降低了部件的作業(yè)阻力、磨損、粘附和作業(yè)成本,提升了部件的作業(yè)效率、作業(yè)質量和使用壽命,滿足了農藝對農機和觸土部件的需求。
但同時,觸土部件的優(yōu)化并沒有完全滿足農機發(fā)展的需求,尤其在我國存在著多地域、多作物和多熟制的農業(yè)生產國情,觸土部件的優(yōu)化設計面臨更大的難度和挑戰(zhàn),因此對我國農機觸土部件優(yōu)化設計提出以下展望:
(1)針對我國不同地區(qū)土壤特性、作物品種、種植模式等差異,研究明確不同土壤-作物-部件間的互作關系,為觸土部件針對性優(yōu)化設計提供理論基礎。
(2)充分發(fā)揮多學科交叉研究優(yōu)勢,依靠具有技術優(yōu)勢的龍頭企業(yè)和院校,攻克硼鋼等關鍵材料的冶煉、加工和熱處理工藝等技術瓶頸,保證觸土部件材料性能。
(3)在傳統(tǒng)優(yōu)化設計方法基礎上,充分發(fā)揮計算機模擬仿真、仿生結構設計和表面處理技術等研究設計和加工方法的優(yōu)勢,開展農機觸土部件高效優(yōu)化設計和加工。
(4)針對不同地域、作物和農藝要求開展觸土部件優(yōu)化設計,通過農機與農藝的緊密融合,進一步提高觸土部件作業(yè)質量和效益。
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Research Status and Prospect of Soil-engaging Com ponents Optim ization for Agricultural Machinery
JIA Honglei1,2WANGWanpeng1,2CHEN Zhi2,3ZHENG Tiezhi4ZHANG Peng5ZHUANG Jian1,2
(1.Key Laboratory of Bionic Engineering,Ministry of Education,Jilin University,Changchun 130025,China 2.College of Biological and Agricultural Engineering,Jilin University,Changchun 130025,China 3.China Association of Agricultural Machinery Manufacturers,Beijing 100083,China 4.Jilin Agricultural Mechanization Management Center,Changchun 130022,China 5.Lovol Heavy Industry Co.,Ltd.,Weifang 261206,China)
The foundation and guarantee role of the modern agriculture mechanical properties of soilengaging componentswas analyzed and the primary performance parameters of soil-engaging components that need optimization at present was also summarized,which mainly included drag reduction and consumption reduction,anti-adhesion and desorption,wear resistance and life extensional and the satisfying requirements of agronomy.Themain research methods to optimize the structure and properties of soil-engaging components were summarized,which mainly included clearing the interaction between soil and soil-engaging components,optimizing material composition and machining process technology,aiming at the structure function design of agronomy.And the developing orientation of agricultural machinery soil-engaging components in China was prospected,which mainly included strengthening the basic theory research,overcoming the high-performance material processing bottleneck,designing soilengaging components by using comprehensive and advanced approach.
agriculturalmachinery;soil-engaging components;optimal design
S222
A
1000-1298(2017)07-0001-13
2017-06-19
2017-07-03
國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0700701)
賈洪雷(1957—),男,教授,博士生導師,主要從事機械化保護性耕作技術及仿生智能機械研究,E-mail:jiahl@vip.163.com
莊健(1981—),男,高級工程師,博士,主要從事農業(yè)機械仿生優(yōu)化設計研究,E-mail:zhuangjian_2001@163.com
10.6041/j.issn.1000-1298.2017.07.001