作品名稱：農耕好幫手-仿生開壟松土作業機
學校名稱：唐山學院
參賽隊伍：乘風隊
隊伍編號：207437
參賽學生：韓凱迪 解卓然 杜晨宇
指導老師：秦紅星 申雪玲
投票日期：2024年10月08日 00:00->2024年12月05日 15:00
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農耕好幫手-仿生開壟松土作業機
項目背景及意義
隨著普通耕作方式和秸稈焚燒帶來的土地流失加劇、土壤肥力不斷下降、空氣霧霾污染加重，人們逐漸意識到保護耕地、保護環境的重要性和緊迫性。保護性耕作以保護耕地為主要目標，并能實現農作物穩產高產且可持續發展的一種先進的農業耕作技術，越來越得到人們的重視，重要的是其對秸稈的還田處理得到了人們的廣泛認可，因此在越來越多的國家和地區均積極推行保護性耕作。保護性耕作的內涵除了免耕少耕之外還包括秸稈還田和深松整地。人們普遍認為秸稈還田能有效增加土壤有機質含量，疏松土壤并能增加土壤蓄水保墑的能力，并且具有促進農作物增收的作用。而且將秸稈進行覆蓋還田還有明顯的防風固土的作用，能有效減緩土壤水蝕和風蝕現象。但我國北方冷涼低溫、耕地干旱板結嚴重、秸稈殘茬粗壯量大不易腐爛，傳統保護性耕作模式難以全面適用。為解決以上問題，多采取壟作保護性耕作技術模式。但該耕作模式下，秋季玉米收獲后會在壟上種植區域殘留大量根茬，若翌年選擇原壟種植，未腐爛的根茬會干擾正常播種，故需要對后遺留在地里的作物根茬進行粉碎還田處理，即根茬切割處理，進而保證播種質量。破茬機構在進行作業時，刀片需要同時對地表上的殘茬與地下的部分根茬進行破碎，刀片的切割效率直接影響了根茬破碎質量，因此對破茬刀進行減阻設計具有一定必要性。
同時我國北方高寒易旱，土壤強度大，常需要通過深松作業改善土壤環境。深松作業過程中，深松鏟是關鍵部件，其工作狀態直接影響深松機的作業質量，由于深松鏟直接作業在土壤地表下 30~45 cm 范圍內，相比于其他地表耕作環節產生的阻力極大，約為種植、收獲作業的 3~5 倍。且深松機作業過程中，由于土壤層下結構復雜，不易觀察，作業過程中會不可避免地產生橫向振動現象，導致作業效果不穩定，在遇到間硬土層結構或堅硬石塊時，由于深松鏟與整機相對靜止，不能及時避開對深松鏟結構，磨損較大，降低了使用壽命，同時殘茬還會影響深松鏟的通過性能，直接深松作業會導致深松機前進困難、深松作業阻力增大。因此，對破茬刀和深松鏟進行減阻設計是降低阻力、提高作業質量的必要措施。
項目針對我國北方保護性耕作技術特點與實際農藝需求，設計一種適合壟作保護性耕作技術模式的動態仿生破茬深松聯合作業機，該聯合作業機一次進地可實現破茬、清茬、深松等作業，不僅可滿足秋季壟上留茬收獲后根茬破除與高效深松的耕作需求，且該聯合作業機的高效減阻設計和自激式振動深松減阻設計等關鍵技術有利于降低能耗、節約成本、提高經濟效益，也對推動深松作業、改善耕地質量、實現農機現代化發展具有重要的意義。
國內外研究現狀和發展趨勢
破茬技術特指對后遺留在地里的作物根茬進行破碎，在田間破茬作業通常采用根茬粉碎還田機，主要機具類型包括單軸式根茬粉碎機、秸稈粉碎與根茬粉碎聯合作業機、雙軸式根茬粉碎旋耕機等，其關鍵工作部件為高速旋轉的金屬刀片，作業過程中，刀片在短時間內對玉米根茬進行多次有支撐切割，最終將根茬粉碎為細碎的小段或纖維狀，作業深度通常為 80~100 mm。由于玉米屬于典型的硬茬作物，相比于其他稻麥類軟質秸稈，破茬過程所需能量更高，因此在刀片的設計過程中，不僅需要考慮對根茬的破碎效果，還需保證刀片的結構強度與穩定性。破茬刀片的設計對根茬的切碎質量、機具的作業 功耗、刀片使用壽命均有顯著影響，為此，國內外采用了多種不同破茬刀片以適應不同農藝需求和耕作條件。按照外形，破茬刀片主要有L 型刀、通用刀、直刀、Y 型刀、爪型刀和錘型刀。其中 L 型刀是最典型的破茬刀，也是我國秸稈根茬處理機構上最常使用的刀具，其工作方式以打擊為主，切割為輔，對刃口鋒利程度要求不高[30]，通過螺旋線排列方式安裝在橫軸刀盤上，再固定于刀輥上。作業時，L 型刀切削刃的彎角刃口高速擊打玉米殘茬，短時間內多次沖擊達到破碎效果。根據彎折角的不同，L 型刀可具有多種改進型結構，其目的主要是為了減小切割阻力，提高根茬粉碎效率。
在進行根茬粉碎作業時，需根據當地農藝特點、田間環境、根茬性能等條件，采取最適宜的刀片進行作業，從而實現最佳的粉碎效果。對于保護性耕作模式下不同的根茬粉碎方案，經過多年的實踐經驗與技術積累，國內外也進行了針對性地選擇，如我國已經逐漸從單一的根茬粉碎機作業，向根茬粉碎、深松、起壟、旋耕等一體的復式作業發展[31]，多通過動力輸出軸驅動，機具以中小型為主；國外多采用根茬秸稈粉碎一體機進行作業，既有液壓驅動，也有動力輸出軸驅動，機具以大型為主[32]。
深松作業通常不需要額外的動力輸出，安裝較為簡便，因此在深松聯合作業機的設計過程中，與多項農藝均可以實現較好的兼容效果。若采用拖拉機輸出軸作為整機動力源，深松作業常與旋耕作業相配合，常見機型為深松旋耕聯合作業機、深松旋耕起壟聯合作業機等[75]。為降低整機質量節省功耗，通常在機架前端安裝深松鏟，中部安裝旋耕機組，尾端根據作業需要安裝碎土輥或起壟鏟，作業時深松鏟對土壤深層進行松碎，旋耕刀對土壤表層進行松翻，最后平整地表或進行壓實[76]。這類機型結構緊湊，多屬于中小型機具，多為三點懸掛或拖拉機連接，作業行數在 3~6 行之間，市場占有量較大。
綜上，在田間作業環節中，以破茬和深松為技術核心的聯合作業機具，多數都進行了土壤旋耕及翻整，一次進地實現了根茬粉碎、地表平整的操作。但在相關資料的研究過程中，對集成破茬與深松作業的聯合機具研究仍不夠清晰，尤其在實施保護性耕作技術時，應盡量避免由于動土量過大而導致的風蝕水蝕現象。同時由于破茬與深松作業阻力極大，也缺少在聯合機具中對于減阻性能的相關研究。為此本文設計了一種適宜在東北黑土區使用的破茬深松聯合作業機具，其動土量小，實現了壟上破茬與深松聯合作業模式；對關鍵部件進行仿生減阻設計，在理論研究的基礎上進行結構優化，降低聯合機具的作業阻力，實現高效破茬與深松聯合作業，為相關機具的設計、優化提供參考。
動態仿生破茬裝置設計
（一）設計思路
根據仿生對象及模擬形式的不同，仿生學可分為形態模擬、結構模擬、構型模擬、材料模擬、行為模擬等，其中形態模擬與構型模擬因數學建模技術的日漸成熟，成為應用最廣泛的仿生技術方法。如根據蚯蚓頭部收縮形態特征，吉林大學馬云海等設計了仿生波紋形開溝器，有效降低了開溝器的作業阻力；根據動物挖土爪趾形狀特點，浙江省農業機械研究院張加清等設計了開溝刀具，有效解決了堅硬土壤條件下開深溝的難題。上述研究表明通過結構仿生學設計，可有效提升農業機械的作業性能。自然界生物經過長期與環境進行物質、能量及信息交換，使其進化出高效適應環境的本領，同時也是生物體自身各器官之間協同作用的結果。因此單一的結構仿生雖然能在一定程度上解決工程應用問題，但若想進一步實現更好的作業效果，除了需要借鑒生物結構的顯著特點外，還需要對合適的仿生原型進行全方位研究，從多個方向共同實現最大化仿生效能，從而突破單一仿生范疇實現“動態仿生”。
（二）動態仿生破茬裝置設計
1.選取仿生模型
蝗蟲，俗稱“螞蚱”，屬直翅目，主要包括飛蝗和土蝗兩個種類。在我國飛蝗有東 亞飛蝗、亞洲飛蝗和西藏飛蝗 3 種[89]，其中東亞飛蝗分布范圍最廣、危害最嚴重，是造成我國蝗災的最主要飛蝗種類。在蝗蟲的口器結構中，上顎為主要的食物切割器官，由于蝗蟲取食破壞植物體的過程與根茬破碎過程相似，因此選擇蝗蟲口器結構作為破茬作業裝置的動態仿生原型。
2.切割原理分析
蝗蟲口器上顎結構中切齒具有高低交錯的典型特征，可有效減少對植物纖維的拉伸，進而降低作業所需切割扭矩，其結構形態特征明顯，且與破茬時切割根茬過程具有相似的需求，因此在進行破茬刀結構設計時，選擇東亞飛蝗的上顎切齒葉作為仿生原型，利用切齒葉高效切割的減阻特點，實現動態仿生中的結構仿生。
東亞飛蝗上顎高效切割食物的作業效果，不僅依賴于切齒葉的鋸齒狀結構，同時也取決于口器中肌腱的連接方式。相較于蜚蠊、豆娘等同樣具有咀嚼式口器的昆蟲，東亞飛蝗的上顎基部具有發達的收肌腱和展肌腱，其中收肌腱控制雙上顎同時向內收縮，進食過程中不僅可以牢牢夾持食物，同時也提供了較大的剪切力，便于切碎食物；展肌腱控制上顎向外舒張，縮短了上顎的運動響應時間，兩束肌肉通過快速的伸縮和舒展，共同實現了對植物纖維進行類似于剪刀的異向等速旋轉切割作業，可有效降低切割扭矩。因此在破茬裝置設計過程中，以東亞飛蝗口器運動模式為原型，實現動態仿生中的運動仿生。
基于深度控制系統的振動深松裝置設計
設計原理
深松鏟的減阻方式主要有振動減阻與結構減阻兩種方式，其中振動深松分為自激式振動與受迫式振動，自激式振動深松利用地表起伏、耕深變化、不同范圍內土壤條件變化等因素，在作業過程中通過彈性元件施加的預作用力進行自激振動，當土壤阻力較大時，深松鏟能夠在豎直平面內繞連接點發生一定角度的偏轉，并在土壤阻力較小時釋放彈力，推動深松鏟加速松碎土壤，這種振動方式所引起的沖擊和對土壤壓實作用小，且能夠實現過載保護；受迫式深松則是通過外接動力源，對深松鏟施加主動恒定的振動頻率，通過鏟柄及鏟尖的高速振動將土壤切碎或振碎，優點是降低了工作阻力，但是會產生額外的能耗；結構減阻則是通對深松鏟的曲線及表面結構進行加工，如通過仿生設計或表面處理等方式，使深松鏟實現切割性能提高，作業阻力降低等效果。
無論是何種減阻方式，在不同作業環境條件下均具有一定的局限性。采用了結構減阻方式的深松鏟，多使用傳統牽引方式作業，深松鏟與機架直接連接，雖然深松深度較為穩定，但減阻效果有限，相比振動深松鏟具有較大差距[117]；采取了振動減阻方式的深松鏟，工作時在自身位置變化和土壤阻力雙重作用下，加劇了深松深度不穩定的現象；研究表明，深松深度不均勻會影響翌年的植物生長，且現有深松深度監測裝置多以監測為主，缺少深松深度不達標后能夠自動調控的措施；因此本文結合了結構減阻與振動減阻各自優勢，設計一種基于振動深松狀態下的深松深度控制系統：通
過對深松鏟的仿生設計，降低深松作業阻力，增強深松鏟的破土性能；通過自激振動
減阻的方式，降低作業過程中的載荷突變，通過振動增強深松鏟的松土性能；通過深
仿生減阻深松鏟結構設計
深松鏟在作業過程中，始終與深層土壤接觸，通過深松鏟柄處的鏟刃剪切土壤，
以增強深松鏟的通過性，降低作業阻力。
由于深松鏟在實際田間作業過程中，作用于鏟柄的力不僅來源于土壤，在收獲作業完成后，田間的殘留根茬、雜草根須、硬質土塊等，均會對鏟柄施加大量的阻力，這類不易被直接切碎或切斷的根土復合結構沿著鏟刃逐漸上滑，若沒有被及時切斷，很容易滑至地表后極大增大作業阻力。綜上，在深松鏟結構減阻設計時，需要保證根土復合結構能夠在土下被完整切斷,適當增加摩擦力f的作用范圍，同時減緩直接作用在鏟柄與鏟尖處的楔形角a,達到在適宜范圍內降低作業阻力的目的。自然界中的動物經過數萬年的優勝劣汰，進化出了各自獨特的環境適應本領，其中許多動物因為自身生存的特性，需要在地上和地下交替生存，如土撥鼠、犰狳、土豚等生物，它們依靠自身強大的挖掘能力，挖穿地面后構建“土洞”躲避天敵、生存繁衍。其高效的挖掘能力歸咎于強大的爪趾結構，這類動物的爪趾前端多尖銳而平薄,有利于刺穿土壤，中后端逐漸平滑隆起，與前端平滑過渡，在草原、森林等根系土壤高度復合環境下，仍然能夠保證極高的挖掘效率，其爪趾的結構形狀和作業原理與深松鏟相似，因此本文擬選取土壤挖掘動物爪趾為仿生原型，對深松鏟進行結構減阻設計。
扭簧式振動深松機構設計
扭簧式振動深松機構在作業過程中，主要通過扭轉彈簧實現深松機構的振動過程，能夠降低縱向尺寸，使結構更為緊湊，與深松鏟的振動回轉中心同軸度較高，非常適合在試驗過程中探究仿生減阻結構和振動深松耦合作用機制下的減阻效果，其中深松鏟振動過程中所偏轉的角度由編碼器采集后，可以方便的計算出深松鏟的作業深度，為后續的深度控制系統設計過程提供了精確的數據記錄。
扭簧式振動深松機構的設計目的是進一步提高仿生減阻深松鏟的減阻能力，在結構減阻的基礎上，通過兩個型號相同的圓柱螺旋扭轉彈簧實現深松鏟的振動運動1。對扭轉彈簧進行設計時，需要使深松鏟的運動形式滿足最大偏轉角度為30°的受力振動，當彈簧扭力過大時，深松鏟的振動幅度過小，松土效果與減阻效果不明顯;當彈簧扭力過小時，彈簧的振幅變大，在一定程度上增強了松土能力，但隨著機具的不斷前進，此時施加在彈簧處的扭力無法控制，容易出現深松鏟無法回轉的現象，且偏轉角度的大幅改變，導致深松深度變淺，降低了作業質量。因此在對兩個扭轉彈簧進行結構設計時，需要根據田間實際情況，將深松作業的振幅控制在一定范圍內，從而實現最佳的減阻效果。
六、后續優化
動態仿生破茬深松聯合作業機在設計過程中基于有限元分析、理論分析和試驗驗證等方法，優化了關鍵部件及結構布置，為了進一步提高基于壟作保護性耕作技術的聯合作業機研究，，提出以下幾點計劃:
(1)動態仿生破茬裝置的作業對象為壟上根茬，而實際留茬保護性耕作技術中,具有根茬與秸稈并存的技術需求，因此應進--步加強破茬刀片的破碎性能，使其能夠適應多種復雜的切割環境。
(2)可對振動深松減阻的規律進一步探究，從動力學仿真、離散元仿真角度對振動深松系統進行更細致的分析。
