基于机械-作物-土壤耦合模型的小株距榨菜栽植装置设计与试验

作     者：张洪东 

作者单位：山东农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邵园园

授予年度：2023年

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 

主      题：栽植装置 小株距 耦合仿真 相互作用机理 试验研究 

摘      要：浙江省余姚市是我国著名的榨菜生产加工基地。在当地,榨菜属于高密度栽植作物,要求定植时株距在12～14 cm。因目前国内市面上缺乏密植类移栽机,所以在移栽环节仍采用人工作业。人工作业存在劳动强度大、效率低和栽植不标准等问题,而且随着人工费用的上涨,使得生产成本变高,导致最终的效益不明显,从而降低了种植户的生产积极性,阻碍了当地榨菜产业的进一步发展。因此,本文研究了一款可以实现小株距移栽榨菜的栽植装置。主要的研究内容及结论如下:(1)根据榨菜栽植农艺要求,对作为移栽机核心工作部件的栽植装置进行设计。首先建立运动学数学模型进行理论分析;然后根据数学模型,在ADAMS软件中建立栽植装置的参数化模型,通过优化栽植点轨迹曲线,得到符合栽植农艺要求的较优结构参数组合;最后根据确定的结构参数,在Solid Works软件中完成栽植装置三维模型的设计,结合ADAMS软件对其进行模拟仿真分析。(2)本文将通过EDEM-ADAMS软件耦合的方法对栽植装置移栽榨菜苗的整个过程进行模拟仿真,以研究机械-作物-土壤之间的相互作用机理,但前提需要确定建立榨菜苗和土壤颗粒仿真模型的离散元参数。因此,为建立榨菜苗仿真模型,测量了甬榨2号和甬榨4号两品种榨菜苗的物理及力学特性参数,并以甬榨2号为代表,对榨菜苗离散元参数进行了标定。同时,为建立土壤颗粒仿真模型,测量了土壤的本征物理参数,并对土壤颗粒离散元参数进行了标定。(3)通过EDEM-ADAMS软件耦合的方法对栽植装置移栽榨菜苗的整个过程进行模拟仿真。首先分别在ADAMS和EDEM软件中完成栽植装置耦合仿真模型的设置;然后根据前期确定的离散元参数,在EDEM软件中建立榨菜苗及土壤颗粒的仿真模型;最后通过耦合仿真对机械-作物-土壤之间的相互作用机理进行分析,包括榨菜苗的位姿变化情况、土壤颗粒的扰动情况及栽植器的受力变化情况。通过分析可以得到:栽植器对榨菜苗有一定的扶正作用,移栽后的榨菜苗直立度较高;栽植器从入土到栽苗再到离开土壤,对土壤有一定的扰动,栽植器离开土壤后,形成一定大小的穴口,但随着土壤颗粒的回流,穴口有所减小,土壤颗粒回流对保证榨菜苗的有效栽植深度及稳固榨菜苗直立姿态有一定作用;分析鸭嘴栽植器、榨菜苗和土壤三者之间的相互作用力得出,左右两侧鸭嘴的最大载荷分别为11.51 N和11.70 N,栽植器破土较容易,仅栽植器与苗接触时,左右两侧鸭嘴的最大载荷分别为0.91 N和1.06 N,不足以产生伤苗情况。(4)完成栽植装置的加工并进行移栽机整机组装,然后对甬榨2号和甬榨4号两个品种的榨菜苗进行田间试验,根据漏栽率、伤苗率、直立度等移栽评价指标对移栽机栽植质量进行统计分析。分析数据得:两品种的漏栽率及伤苗率较低,均在5%以下;栽植深度合格率较高,均在95%以上;移栽合格率较高,均达到90%及以上,甬榨2号的移栽优良率为86%,甬榨4号的移栽优良率为88%;平均株距均在130 mm左右,株距变异系数小,说明移栽机适用性较好,作业性能稳定,满足小株距栽植榨菜的农艺要求。同时,本文为辣椒和上海青等其他密植类作物移栽机械的研发提供了参考。