农耕好帮手-仿生开垄松土作业机

项目背景及意义

随着普通耕作方式和秸秆焚烧带来的土地流失加剧、土壤肥力不断下降、空气雾霾污染加重，人们逐渐意识到保护耕地、保护环境的重要性和紧迫性。保护性耕作以保护耕地为主要目标，并能实现农作物稳产高产且可持续发展的一种先进的农业耕作技术，越来越得到人们的重视，重要的是其对秸秆的还田处理得到了人们的广泛认可，因此在越来越多的国家和地区均积极推行保护性耕作。保护性耕作的内涵除了免耕少耕之外还包括秸秆还田和深松整地。人们普遍认为秸秆还田能有效增加土壤有机质含量，疏松土壤并能增加土壤蓄水保墒的能力，并且具有促进农作物增收的作用。而且将秸秆进行覆盖还田还有明显的防风固土的作用，能有效减缓土壤水蚀和风蚀现象。但我国北方冷凉低温、耕地干旱板结严重、秸秆残茬粗壮量大不易腐烂，传统保护性耕作模式难以全面适用。为解决以上问题，多采取垄作保护性耕作技术模式。但该耕作模式下，秋季玉米收获后会在垄上种植区域残留大量根茬，若翌年选择原垄种植，未腐烂的根茬会干扰正常播种，故需要对后遗留在地里的作物根茬进行粉碎还田处理，即根茬切割处理，进而保证播种质量。破茬机构在进行作业时，刀片需要同时对地表上的残茬与地下的部分根茬进行破碎，刀片的切割效率直接影响了根茬破碎质量，因此对破茬刀进行减阻设计具有一定必要性。

同时我国北方高寒易旱，土壤强度大，常需要通过深松作业改善土壤环境。深松作业过程中，深松铲是关键部件，其工作状态直接影响深松机的作业质量，由于深松铲直接作业在土壤地表下 30~45 cm 范围内，相比于其他地表耕作环节产生的阻力极大，约为种植、收获作业的 3~5 倍。且深松机作业过程中，由于土壤层下结构复杂，不易观察，作业过程中会不可避免地产生横向振动现象，导致作业效果不稳定，在遇到间硬土层结构或坚硬石块时，由于深松铲与整机相对静止，不能及时避开对深松铲结构，磨损较大，降低了使用寿命，同时残茬还会影响深松铲的通过性能，直接深松作业会导致深松机前进困难、深松作业阻力增大。因此，对破茬刀和深松铲进行减阻设计是降低阻力、提高作业质量的必要措施。

项目针对我国北方保护性耕作技术特点与实际农艺需求，设计一种适合垄作保护性耕作技术模式的动态仿生破茬深松联合作业机，该联合作业机一次进地可实现破茬、清茬、深松等作业，不仅可满足秋季垄上留茬收获后根茬破除与高效深松的耕作需求，且该联合作业机的高效减阻设计和自激式振动深松减阻设计等关键技术有利于降低能耗、节约成本、提高经济效益，也对推动深松作业、改善耕地质量、实现农机现代化发展具有重要的意义。

国内外研究现状和发展趋势

破茬技术特指对后遗留在地里的作物根茬进行破碎，在田间破茬作业通常采用根茬粉碎还田机，主要机具类型包括单轴式根茬粉碎机、秸秆粉碎与根茬粉碎联合作业机、双轴式根茬粉碎旋耕机等，其关键工作部件为高速旋转的金属刀片，作业过程中，刀片在短时间内对玉米根茬进行多次有支撑切割，最终将根茬粉碎为细碎的小段或纤维状，作业深度通常为 80~100 mm。由于玉米属于典型的硬茬作物，相比于其他稻麦类软质秸秆，破茬过程所需能量更高，因此在刀片的设计过程中，不仅需要考虑对根茬的破碎效果，还需保证刀片的结构强度与稳定性。破茬刀片的设计对根茬的切碎质量、机具的作业 功耗、刀片使用寿命均有显著影响，为此，国内外采用了多种不同破茬刀片以适应不同农艺需求和耕作条件。按照外形，破茬刀片主要有L 型刀、通用刀、直刀、Y 型刀、爪型刀和锤型刀。其中 L 型刀是最典型的破茬刀，也是我国秸秆根茬处理机构上最常使用的刀具，其工作方式以打击为主，切割为辅，对刃口锋利程度要求不高[30]，通过螺旋线排列方式安装在横轴刀盘上，再固定于刀辊上。作业时，L 型刀切削刃的弯角刃口高速击打玉米残茬，短时间内多次冲击达到破碎效果。根据弯折角的不同，L 型刀可具有多种改进型结构，其目的主要是为了减小切割阻力，提高根茬粉碎效率。

在进行根茬粉碎作业时，需根据当地农艺特点、田间环境、根茬性能等条件，采取最适宜的刀片进行作业，从而实现最佳的粉碎效果。对于保护性耕作模式下不同的根茬粉碎方案，经过多年的实践经验与技术积累，国内外也进行了针对性地选择，如我国已经逐渐从单一的根茬粉碎机作业，向根茬粉碎、深松、起垄、旋耕等一体的复式作业发展[31]，多通过动力输出轴驱动，机具以中小型为主；国外多采用根茬秸秆粉碎一体机进行作业，既有液压驱动，也有动力输出轴驱动，机具以大型为主[32]。

深松作业通常不需要额外的动力输出，安装较为简便，因此在深松联合作业机的设计过程中，与多项农艺均可以实现较好的兼容效果。若采用拖拉机输出轴作为整机动力源，深松作业常与旋耕作业相配合，常见机型为深松旋耕联合作业机、深松旋耕起垄联合作业机等[75]。为降低整机质量节省功耗，通常在机架前端安装深松铲，中部安装旋耕机组，尾端根据作业需要安装碎土辊或起垄铲，作业时深松铲对土壤深层进行松碎，旋耕刀对土壤表层进行松翻，最后平整地表或进行压实[76]。这类机型结构紧凑，多属于中小型机具，多为三点悬挂或拖拉机连接，作业行数在 3~6 行之间，市场占有量较大。

综上，在田间作业环节中，以破茬和深松为技术核心的联合作业机具，多数都进行了土壤旋耕及翻整，一次进地实现了根茬粉碎、地表平整的操作。但在相关资料的研究过程中，对集成破茬与深松作业的联合机具研究仍不够清晰，尤其在实施保护性耕作技术时，应尽量避免由于动土量过大而导致的风蚀水蚀现象。同时由于破茬与深松作业阻力极大，也缺少在联合机具中对于减阻性能的相关研究。为此本文设计了一种适宜在东北黑土区使用的破茬深松联合作业机具，其动土量小，实现了垄上破茬与深松联合作业模式；对关键部件进行仿生减阻设计，在理论研究的基础上进行结构优化，降低联合机具的作业阻力，实现高效破茬与深松联合作业，为相关机具的设计、优化提供参考。

动态仿生破茬装置设计

（一）设计思路

根据仿生对象及模拟形式的不同，仿生学可分为形态模拟、结构模拟、构型模拟、材料模拟、行为模拟等，其中形态模拟与构型模拟因数学建模技术的日渐成熟，成为应用最广泛的仿生技术方法。如根据蚯蚓头部收缩形态特征，吉林大学马云海等设计了仿生波纹形开沟器，有效降低了开沟器的作业阻力；根据动物挖土爪趾形状特点，浙江省农业机械研究院张加清等设计了开沟刀具，有效解决了坚硬土壤条件下开深沟的难题。上述研究表明通过结构仿生学设计，可有效提升农业机械的作业性能。自然界生物经过长期与环境进行物质、能量及信息交换，使其进化出高效适应环境的本领，同时也是生物体自身各器官之间协同作用的结果。因此单一的结构仿生虽然能在一定程度上解决工程应用问题，但若想进一步实现更好的作业效果，除了需要借鉴生物结构的显著特点外，还需要对合适的仿生原型进行全方位研究，从多个方向共同实现最大化仿生效能，从而突破单一仿生范畴实现“动态仿生”。

（二）动态仿生破茬装置设计

1.选取仿生模型

蝗虫，俗称“蚂蚱”，属直翅目，主要包括飞蝗和土蝗两个种类。在我国飞蝗有东 亚飞蝗、亚洲飞蝗和西藏飞蝗 3 种[89]，其中东亚飞蝗分布范围最广、危害最严重，是造成我国蝗灾的最主要飞蝗种类。在蝗虫的口器结构中，上颚为主要的食物切割器官，由于蝗虫取食破坏植物体的过程与根茬破碎过程相似，因此选择蝗虫口器结构作为破茬作业装置的动态仿生原型。

2.切割原理分析

蝗虫口器上颚结构中切齿具有高低交错的典型特征，可有效减少对植物纤维的拉伸，进而降低作业所需切割扭矩，其结构形态特征明显，且与破茬时切割根茬过程具有相似的需求，因此在进行破茬刀结构设计时，选择东亚飞蝗的上颚切齿叶作为仿生原型，利用切齿叶高效切割的减阻特点，实现动态仿生中的结构仿生。

东亚飞蝗上颚高效切割食物的作业效果，不仅依赖于切齿叶的锯齿状结构，同时也取决于口器中肌腱的连接方式。相较于蜚蠊、豆娘等同样具有咀嚼式口器的昆虫，东亚飞蝗的上颚基部具有发达的收肌腱和展肌腱，其中收肌腱控制双上颚同时向内收缩，进食过程中不仅可以牢牢夹持食物，同时也提供了较大的剪切力，便于切碎食物；展肌腱控制上颚向外舒张，缩短了上颚的运动响应时间，两束肌肉通过快速的伸缩和舒展，共同实现了对植物纤维进行类似于剪刀的异向等速旋转切割作业，可有效降低切割扭矩。因此在破茬装置设计过程中，以东亚飞蝗口器运动模式为原型，实现动态仿生中的运动仿生。

基于深度控制系统的振动深松装置设计

设计原理

深松铲的减阻方式主要有振动减阻与结构减阻两种方式，其中振动深松分为自激式振动与受迫式振动，自激式振动深松利用地表起伏、耕深变化、不同范围内土壤条件变化等因素，在作业过程中通过弹性元件施加的预作用力进行自激振动，当土壤阻力较大时，深松铲能够在竖直平面内绕连接点发生一定角度的偏转，并在土壤阻力较小时释放弹力，推动深松铲加速松碎土壤，这种振动方式所引起的冲击和对土壤压实作用小，且能够实现过载保护；受迫式深松则是通过外接动力源，对深松铲施加主动恒定的振动频率，通过铲柄及铲尖的高速振动将土壤切碎或振碎，优点是降低了工作阻力，但是会产生额外的能耗；结构减阻则是通对深松铲的曲线及表面结构进行加工，如通过仿生设计或表面处理等方式，使深松铲实现切割性能提高，作业阻力降低等效果。

无论是何种减阻方式，在不同作业环境条件下均具有一定的局限性。采用了结构减阻方式的深松铲，多使用传统牵引方式作业，深松铲与机架直接连接，虽然深松深度较为稳定，但减阻效果有限，相比振动深松铲具有较大差距[117]；采取了振动减阻方式的深松铲，工作时在自身位置变化和土壤阻力双重作用下，加剧了深松深度不稳定的现象；研究表明，深松深度不均匀会影响翌年的植物生长，且现有深松深度监测装置多以监测为主，缺少深松深度不达标后能够自动调控的措施；因此本文结合了结构减阻与振动减阻各自优势，设计一种基于振动深松状态下的深松深度控制系统：通

过对深松铲的仿生设计，降低深松作业阻力，增强深松铲的破土性能；通过自激振动

减阻的方式，降低作业过程中的载荷突变，通过振动增强深松铲的松土性能；通过深

仿生减阻深松铲结构设计

深松铲在作业过程中，始终与深层土壤接触，通过深松铲柄处的铲刃剪切土壤，

以增强深松铲的通过性，降低作业阻力。

由于深松铲在实际田间作业过程中，作用于铲柄的力不仅来源于土壤，在收获作业完成后，田间的残留根茬、杂草根须、硬质土块等，均会对铲柄施加大量的阻力，这类不易被直接切碎或切断的根土复合结构沿着铲刃逐渐上滑，若没有被及时切断，很容易滑至地表后极大增大作业阻力。综上，在深松铲结构减阻设计时，需要保证根土复合结构能够在土下被完整切断,适当增加摩擦力f的作用范围，同时减缓直接作用在铲柄与铲尖处的楔形角a,达到在适宜范围内降低作业阻力的目的。自然界中的动物经过数万年的优胜劣汰，进化出了各自独特的环境适应本领，其中许多动物因为自身生存的特性，需要在地上和地下交替生存，如土拨鼠、犰狳、土豚等生物，它们依靠自身强大的挖掘能力，挖穿地面后构建“土洞”躲避天敌、生存繁衍。其高效的挖掘能力归咎于强大的爪趾结构，这类动物的爪趾前端多尖锐而平薄,有利于刺穿土壤，中后端逐渐平滑隆起，与前端平滑过渡，在草原、森林等根系土壤高度复合环境下，仍然能够保证极高的挖掘效率，其爪趾的结构形状和作业原理与深松铲相似，因此本文拟选取土壤挖掘动物爪趾为仿生原型，对深松铲进行结构减阻设计。

扭簧式振动深松机构设计

扭簧式振动深松机构在作业过程中，主要通过扭转弹簧实现深松机构的振动过程，能够降低纵向尺寸，使结构更为紧凑，与深松铲的振动回转中心同轴度较高，非常适合在试验过程中探究仿生减阻结构和振动深松耦合作用机制下的减阻效果，其中深松铲振动过程中所偏转的角度由编码器采集后，可以方便的计算出深松铲的作业深度，为后续的深度控制系统设计过程提供了精确的数据记录。

扭簧式振动深松机构的设计目的是进一步提高仿生减阻深松铲的减阻能力，在结构减阻的基础上，通过两个型号相同的圆柱螺旋扭转弹簧实现深松铲的振动运动1。对扭转弹簧进行设计时，需要使深松铲的运动形式满足最大偏转角度为30°的受力振动，当弹簧扭力过大时，深松铲的振动幅度过小，松土效果与减阻效果不明显;当弹簧扭力过小时，弹簧的振幅变大，在一定程度上增强了松土能力，但随着机具的不断前进，此时施加在弹簧处的扭力无法控制，容易出现深松铲无法回转的现象，且偏转角度的大幅改变，导致深松深度变浅，降低了作业质量。因此在对两个扭转弹簧进行结构设计时，需要根据田间实际情况，将深松作业的振幅控制在一定范围内，从而实现最佳的减阻效果。

六、后续优化

动态仿生破茬深松联合作业机在设计过程中基于有限元分析、理论分析和试验验证等方法，优化了关键部件及结构布置，为了进一步提高基于垄作保护性耕作技术的联合作业机研究，，提出以下几点计划:

(1)动态仿生破茬装置的作业对象为垄上根茬，而实际留茬保护性耕作技术中,具有根茬与秸秆并存的技术需求，因此应进--步加强破茬刀片的破碎性能，使其能够适应多种复杂的切割环境。

(2)可对振动深松减阻的规律进一步探究，从动力学仿真、离散元仿真角度对振动深松系统进行更细致的分析。