基于離散元法的免耕深施肥分段式玉米播種開溝器研制

趙淑紅，劉漢朋，侯磊濤，張 鑫，袁溢文，楊悅乾

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

基于離散元法的免耕深施肥分段式玉米播種開溝器研制

趙淑紅，劉漢朋，侯磊濤，張 鑫，袁溢文，楊悅乾※

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

針對(duì)東北壟作深施肥免耕播種機(jī)上開溝器播種深度均勻性差、工作阻力大、土壤擾動(dòng)大的問題，該研究利用離散元軟件（EDEM 2.7）仿真分析不同類型破茬刀-施肥鏟裝置對(duì)土壤的作用機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種分段式玉米播種開溝器。首先建立土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元仿真模型，然后進(jìn)行不同類型破茬刀-施肥鏟裝置離散元仿真試驗(yàn)，以回落土壤最大合外力的位置和方向?yàn)橐罁?jù)設(shè)計(jì)開溝器入土部分曲線，同時(shí)結(jié)合滑切原理設(shè)計(jì)開溝器未入土部分斜刃，最后根據(jù)土壤回落距離確定施肥鏟和開溝器間距為374 mm。田間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，分段式開溝器比尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器的播深變異系數(shù)分別降低了14.24%、27.31%、33.63%；工作阻力分別降低了27.56%、16.93%、1.23%；土壤擾動(dòng)面積分別降低了11.67%、28.34%、49.34%。分段式開溝器播種深度均勻性高、工作阻力小、土壤擾動(dòng)小，具有較優(yōu)的作業(yè)效果。

離散元法；農(nóng)業(yè)機(jī)械；開溝器；免耕播種；播種深度均勻性；工作阻力；土壤擾動(dòng)

0 引 言

在玉米免耕播種作業(yè)中，深施肥作業(yè)方式使根系直接接觸肥料，能有效促進(jìn)種子萌發(fā)[1]，開溝器作為免耕播種機(jī)上的關(guān)鍵部件之一，其性能影響免耕播種開溝作業(yè)質(zhì)量[2-3]。圓盤式開溝器因工作阻力小、通過性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用到免耕播種機(jī)上，但機(jī)具質(zhì)量較大且深施肥條件下播深一致性差，不適合中小型免耕播種機(jī)[4]。因此，不斷優(yōu)化開溝器結(jié)構(gòu)，使之更符合農(nóng)藝要求，在降低工作阻力和土壤擾動(dòng)的同時(shí)，提高深施肥條件下的播種深度均勻性，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分重要。

離散元法可用來模擬顆粒材料和研究材料間的微觀及宏觀變化，被廣泛地應(yīng)用到開溝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中[5-7]。學(xué)者通常以工作阻力和土壤擾動(dòng)作為免耕播種開溝器性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[8-10]，對(duì)開溝器的研究取得大量成果[11-15]。茍文等[12]設(shè)計(jì)了一種圓弧刃口型開溝器，降低了開溝器工作阻力和土壤擾動(dòng)，并具有較優(yōu)的根茬切斷能力和通過性。馬云海等[13]采用仿生思想，設(shè)計(jì)了一種仿生波紋形開溝器，解決了傳統(tǒng)開溝器易黏土、工作阻力大的問題。Saeys等[8]采用試驗(yàn)的方法探究了開溝器滑切和砍切2種切割方式，得出采用滑切方式切割時(shí)開溝器作業(yè)阻力較小的結(jié)論。趙淑紅等[14]結(jié)合滑推工作原理設(shè)計(jì)了一種滑推式開溝器，提高了深施肥條件下播種開溝器的回土能力和播深一致性。張祥彩[15]針對(duì)中小型免耕播種機(jī)，設(shè)計(jì)一種滑動(dòng)式開溝器，創(chuàng)造了良好的種床環(huán)境，提升了開溝器減阻、防堵和耐磨性能。但針對(duì)提高深施肥條件下免耕播種機(jī)開溝器播種深度均勻性的研究還鮮有報(bào)道，且在破茬-深施肥-開溝過程土壤運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)播種深度均勻性的影響并不明確。

本研究在土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元仿真模型的基礎(chǔ)上，對(duì)不同類型破茬刀-施肥鏟裝置進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)，通過分析深施肥回落土壤運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)開溝器入土部分曲線，通過滑切原理分析設(shè)計(jì)開溝器未入土部分斜刃，以提高開溝器的播種深度均勻性、降低開溝器的工作阻力和土壤擾動(dòng)。同時(shí)通過開溝器離散元仿真驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的合理性。并進(jìn)行田間試驗(yàn)，對(duì)比分析其作業(yè)效果。

1 土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元仿真模型建立

1.1 土壤模型

為保證工作部件的作業(yè)范圍，本研究設(shè)置長(zhǎng)1 500 mm、寬400 mm、高150 mm的土壤仿真模型區(qū)域，設(shè)置土壤顆粒模型為單一顆粒的球體[16]，設(shè)置土壤顆粒半徑為8 mm，選用EDEM軟件中Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型作為土壤顆粒之間的黏結(jié)模型，根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]，土壤模型其他參數(shù)如表1所示，土壤顆粒生成時(shí)間為0～6 s，沉降時(shí)間1 s。

表1 土壤模型參數(shù)

1.2 玉米根系模型

為充分模擬根系的破碎與變形，采用離散元顆粒粘結(jié)成根系模型[18]，根據(jù)文獻(xiàn)[19]確定根系各部分平均尺寸，設(shè)置根系間距為30 mm，根系總數(shù)為4個(gè)，根系幅寬為200 mm；地下部分高度為120 mm；地上部分高度為80 mm，其中氣生根高度為30 mm；半徑為4 mm；莖稈高度為50 mm；半徑為15 mm。設(shè)置根系顆粒半徑為1.5 mm，選用EDEM軟件中Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型作為根系之間的粘結(jié)模型，選用EDEM軟件中JKR接觸模型作為土壤-根系之間的黏結(jié)模型，設(shè)置根系與土壤表面能為10 J/m2，根據(jù)文獻(xiàn)[16-18]確定根系模型參數(shù)，如表2所示，設(shè)置根系生成時(shí)間為7～8 s。

表2 根系模型參數(shù)

1.3 玉米秸稈模型

目前秸稈模型在離散元仿真時(shí)普遍被假設(shè)為剛性體，但該秸稈模型無法模擬秸稈破碎狀態(tài)，因此，本研究采用EDEM中內(nèi)置Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型，通過顆粒粘結(jié)的方式建立秸稈模型[20]。設(shè)置秸稈顆粒半徑為1.5 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[16,20-21]設(shè)置秸稈模型參數(shù)如表3所示，秸稈還田后長(zhǎng)度為50～100 mm，本研究設(shè)置秸稈長(zhǎng)度分別為50、75和100 mm，莖稈半徑為10～15 mm，根據(jù)玉米生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)，玉米秸稈直徑從根部到頂部呈逐漸減小的變化，一般最大直徑為30 mm，本研究設(shè)置秸稈半徑分別為10、12.5和15 mm，隨機(jī)組合成9種類型秸稈，設(shè)置秸稈模型為圓柱形。

表3 秸稈模型參數(shù)

根據(jù)玉米秸稈還田后秸稈覆蓋量[16]，共設(shè)置秸稈108根，每種類型秸稈12根，隨機(jī)平鋪于地表上，秸稈生成總時(shí)間為8～9 s，土壤-玉米根系-玉米秸稈整體仿真模型如圖1所示。

2 破茬刀-施肥鏟裝置離散元仿真試驗(yàn)

2.1 土壤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡分析

根據(jù)免耕播種農(nóng)藝要求，免耕播種過程包括破茬、深施肥、開種溝、排種、覆土和鎮(zhèn)壓。為充分研究破茬-深施肥過程中的土壤運(yùn)動(dòng)軌跡，本研究選取直面式、缺口式、波紋式3種類型圓盤破茬刀，尖角式、弧狀式2種類型施肥鏟組合成6種破茬刀-施肥鏟裝置，分別為直面破茬刀-尖角鏟裝置、缺口破茬刀-尖角鏟裝置、波紋破茬刀-尖角鏟裝置、直面破茬刀-弧形鏟裝置、缺口破茬刀-弧形鏟裝置、波紋破茬刀-弧形鏟裝置。參考農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊(cè)，建立破茬刀-施肥鏟裝置仿真幾何模型，分別將6種幾何模型保存為stp格式導(dǎo)入到土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元仿真模型中，破茬刀-施肥鏟裝置的材料為65 Mn鋼，參考文獻(xiàn)[16,18]，設(shè)置鋼密度為7 865 kg/m3、泊松比為0.3、剪切模量為7.97×1011Pa，其他接觸參數(shù)如表4所示，設(shè)置破茬刀入土深度為80 mm，前進(jìn)速度為4 km/h，旋轉(zhuǎn)速度為5 rad/s，施肥鏟入土深度為100 mm，仿真試驗(yàn)過程如圖2所示。

以直面破茬刀-尖角鏟裝置為例，在破茬刀正前方豎直方向等距選取工作深度范圍內(nèi)任意6個(gè)土壤顆粒，如圖3a所示，對(duì)顆粒軌跡進(jìn)行逐一輸出，輸出后的土壤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖3可知，隨著破茬刀-施肥鏟裝置的前進(jìn)，破茬刀首先接觸土壤顆粒，在破茬刀作用下土壤顆粒被下壓，產(chǎn)生沿前進(jìn)方向斜向下的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3b所示，破茬刀經(jīng)過后，該土壤顆粒在施肥鏟的作用下被抬起，產(chǎn)生沿前進(jìn)方向斜向上的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3c所示，在施肥鏟的拖動(dòng)下，該土壤顆粒隨施肥鏟前進(jìn)，由于受到周圍土壤的阻力，該土壤顆粒運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，當(dāng)施肥鏟剛通過土壤顆粒時(shí)，該土壤顆粒不再受施肥鏟作用，受周圍土壤顆粒的擠壓開始回落，如圖3d所示。隨著施肥鏟前進(jìn)，土壤顆粒逐漸回落，直至穩(wěn)定。在破茬刀-施肥鏟裝置的作用下，完整的土壤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡為下壓-抬起-開始回落-回落-回落穩(wěn)定，如圖3e所示。

表4 離散元模型部分接觸參數(shù)

2.2 土壤顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

提取所選土壤顆粒從開始回落到回落穩(wěn)定過程中任一時(shí)刻所受合外力的大?。ㄩg隔0.01 s），土壤顆粒編號(hào)依次為22427、19357、17339、15417、13020和11019，輸出最大合外力時(shí)刻下土壤顆粒的位置坐標(biāo)和所受合外力的大小及方向，將每種破茬刀-施肥鏟裝置回落土壤所受最大合外力的位置和方向剔除不良數(shù)據(jù)后利用CAD中樣條曲線功能進(jìn)行曲線擬合，以土壤模型幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，各破茬刀-施肥鏟裝置各土壤顆粒最大合外力擬合曲線如圖4所示。

3 開溝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 入土部分曲線設(shè)計(jì)

將破茬刀-施肥鏟裝置作業(yè)后土壤顆?；芈溥^程最大合外力位置和方向的擬合曲線設(shè)計(jì)為開溝器入土部分曲線，能有效避免開溝器對(duì)回落土壤的碰撞，能有效保證土壤的有序回落，避免種肥同層，能提高開溝器播種深度均勻性、降低開溝器工作阻力。

按照東北地區(qū)壟作玉米免耕播種開溝農(nóng)藝要求，玉米種溝深度為30～50 mm，免耕播種開溝器入土深度通常大于玉米種溝深度，本研究擬設(shè)置開溝器入土深度為60 mm。根據(jù)不同類型破茬刀-施肥鏟裝置影響土壤運(yùn)動(dòng)軌跡的情況可知，不同類型破茬刀對(duì)土壤運(yùn)動(dòng)軌跡影響較小，不同類型施肥鏟對(duì)土壤運(yùn)動(dòng)軌跡影響較大，同時(shí)為了充分體現(xiàn)不同類型破茬刀-施肥鏟裝置影響土壤運(yùn)動(dòng)規(guī)律的差異性，將同一類型施肥鏟和不同類型施肥鏟作業(yè)后能代表土壤回落過程最大合外力的位置和方向曲線進(jìn)行擬合，因此將圖4a～4c中3條土壤顆粒擬合曲線在深度方向（縱坐標(biāo)）截取60 mm后在OriginPro9.1中擬合成一條開溝器入土部分曲線Ⅰ，如圖5a所示，將圖4d～4f中3條土壤顆粒擬合曲線在深度方向（縱坐標(biāo)）截取60 mm后在OriginPro9.1中擬合成一條開溝器入土部分曲線Ⅱ，如圖5b所示，將圖4a～4f中6條土壤顆粒擬合曲線在深度方向（縱坐標(biāo)）截取60 mm后在OriginPro9.1擬合成一條開溝器入土部分曲線Ⅲ，如圖5c所示。

3.2 未入土部分斜刃設(shè)計(jì)

秸稈堵塞是免耕播種存在的主要問題，玉米秸稈還田后全覆蓋于地表，厚度可達(dá)120 mm，在開溝器工作過程中，地表播種帶覆蓋秸稈會(huì)大量掛集于開溝器前端，造成堵塞、破壞溝型[4]，因此開溝器應(yīng)具有良好的防堵性能。玉米秸稈還田后秸稈不同的鋪放方式會(huì)影響開溝器的堵塞形式[22]，當(dāng)秸稈順向（沿開溝器前進(jìn)方向）鋪放時(shí)，隨著開溝器移動(dòng)，秸稈會(huì)沿開溝器兩側(cè)向后分流，不易造成堵塞，當(dāng)秸稈橫向（垂直開溝器前進(jìn)方向）鋪放時(shí)，隨著開溝器移動(dòng)，秸稈會(huì)被掛集到開溝器前端，且隨機(jī)組前進(jìn)掛集秸稈會(huì)越來越多，直至達(dá)到堵塞狀態(tài)[15]。因此開溝器作業(yè)過程造成堵塞的主要原因?yàn)闄M向鋪放秸稈。

取任一橫向鋪放秸稈為研究對(duì)象，置于笛卡爾坐標(biāo)系的平面內(nèi)，秸稈與開溝器斜刃相接觸，開溝器沿軸正向平行移動(dòng)，假定斜刃對(duì)秸稈的切割過程為“原地切割”，即秸稈的位置固定不動(dòng)，斜刃沿方向發(fā)生偏移，沿方向切割秸稈[23]，對(duì)斜刃切割秸稈受力分析和位移分析，分別如圖6所示。

根據(jù)圖6中秸稈受力分析可得秸稈的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)微分方程為

式中為秸稈的質(zhì)量，kg；為秸稈與開溝器斜刃滑動(dòng)摩擦角，(°)。

根據(jù)圖6中秸稈位移分析可得：

式中為開溝器作業(yè)速度，m/s；為開溝器斜刃對(duì)秸稈的切割作用時(shí)間，s。

根據(jù)圖6中秸稈受力和位移分析可得到開溝器斜刃切割單個(gè)秸稈的功耗1為[23-24]

開溝器勻速前進(jìn)，則e0，秸稈相對(duì)于開溝器斜刃加速移動(dòng)主要發(fā)生在方向，則

假設(shè)秸稈均勻排列，則開溝器斜刃每次切割秸稈的總數(shù)量可表示為

式中為開溝器斜刃的高度，mm。

聯(lián)立求解式（1）～（5），開溝器斜刃切割秸稈的總功耗2為

由式（6）可知，開溝器斜刃切割秸稈的總功耗2和斜刃高度、開溝器作業(yè)速度、秸稈質(zhì)量、秸稈直徑、秸稈的摩擦角、滑切角有關(guān)，開溝器作業(yè)速度設(shè)定為4 km/h，開溝器斜刃高度設(shè)定為140 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[22]，秸稈與鋼的滑動(dòng)摩擦角為27°，代入式（6）計(jì)算得到最小切割功耗下滑切角為32.24°，為便于加工取整數(shù)32°。

3.3 其他參數(shù)設(shè)計(jì)

開溝器入土隙角過小，則入土性能變差，入土隙角過大，則使土壤提前回落，本文入土隙角選取為6°[12]；當(dāng)開溝器橫向?qū)挾刃∮阽P柄橫向?qū)挾葧r(shí)，能降低土壤擾動(dòng)，本文開溝器橫向?qū)挾冗x取為20 mm[10]；鏟柄采用30 mm× 50 mm的鋼管[11]，兼具輸種管的作用，長(zhǎng)度為500 mm。

3.4 施肥鏟-分段式開溝器安裝距離的確定

為了最大限度內(nèi)降低土壤擾動(dòng)，需保證回落土壤在最大合外力的時(shí)刻恰好沿開溝曲線切線方向運(yùn)動(dòng)，這就要保證回落土壤在回落到最大合外力的時(shí)刻恰好落在開溝曲線上，因此施肥鏟-分段式開溝器安裝距離為定值可有效降低土壤擾動(dòng)[16]，由于分段式開溝器勻速前進(jìn)，以6種破茬刀-施肥鏟裝置22427號(hào)土壤顆粒為例，根據(jù)回落土壤從開始回落至最大合外力的時(shí)間1，即可求出開溝曲線頂點(diǎn)距施肥鏟的距離1，公式如式（7）所示，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

式中1為開溝曲線頂點(diǎn)距施肥鏟的距離，mm，1為回落土壤從開始回落至最大合外力的時(shí)間，s。

表5 開溝曲線頂點(diǎn)距施肥鏟距離

該距離基于土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元模型，結(jié)合土壤回落最大合外力的時(shí)間計(jì)算求得，是考慮根系顆粒和秸稈顆粒影響下的最優(yōu)土壤回落距離，能夠保證回落土壤顆粒恰好落在開溝曲線上，并沿曲線切線方向運(yùn)動(dòng)，避免了開溝器對(duì)回落土壤的碰撞，能有效降低土壤擾動(dòng)。由于波紋破茬刀-尖角鏟裝置22427號(hào)土壤顆粒仿真過程中濺出，因此分段式開溝器Ⅰ入土部分曲線頂點(diǎn)距施肥鏟中心距離取直面破茬刀-尖角鏟裝置22427號(hào)顆粒和缺口破茬刀-尖角鏟裝置22427號(hào)顆粒最大合外力時(shí)刻距施肥鏟距離的平均值約為284 mm，結(jié)合開溝器結(jié)構(gòu)尺寸，綜合計(jì)算得出分段式開溝器Ⅰ鏟柄中心距施肥鏟距離為396 mm，同理可求出分段式開溝器Ⅱ鏟柄中心距施肥鏟距離為360 mm，分段式開溝器Ⅲ鏟柄中心距施肥鏟距離為374 mm。

3.5 離散元仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的合理性，將3種開溝器與破茬刀、施肥鏟進(jìn)行裝配。以直面破茬刀、尖角施肥鏟為例，組成破茬-深施肥-開溝幾何模型，進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)。開溝器入土深度為60 mm，前進(jìn)速度為4 km/h，選取與2.1節(jié)相同的22427、19357、17339、15417土壤顆粒編號(hào)進(jìn)行最大合外力方向?qū)Ρ龋治龇椒ㄅc2.2節(jié)相同，將輸出土壤顆粒在與方向的合外力進(jìn)行矢量合成得到土壤顆粒每一時(shí)刻所受到的合外力，通過篩選比較得到土壤顆粒所受到的最大合外力，以最大合外力作用點(diǎn)為原點(diǎn)得出土壤顆粒所受最大合外力的方向，結(jié)果如表6所示。

表6 不同裝置類型的最大合外力方向

根據(jù)離散元仿真試驗(yàn)結(jié)果可得，3種破茬-深施肥-開溝裝置與直面破茬刀-尖角施肥鏟裝置所選土壤顆粒最大合外力的方向均在同一象限，且角度相差不大，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的合理性。3種分段式開溝器的結(jié)構(gòu)僅在入土部分曲線有差別，且3種入土部分曲線（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）趨勢(shì)基本一致。為使分段式開溝器具有更廣泛的適用性，能適用多種類型破茬刀-施肥鏟裝置作業(yè)，能適用多種免耕播種機(jī)機(jī)型，因此選擇由入土部分曲線Ⅲ構(gòu)成的分段式開溝器Ⅲ（6種類型破茬刀-施肥鏟裝置作業(yè)后的土壤顆?；芈溥^程最大合外力位置和方向的擬合曲線）作為本文最終設(shè)計(jì)的開溝器，對(duì)其進(jìn)行加工，開溝器材料采用65Mn鋼，對(duì)未入土斜刃部位進(jìn)行了淬火處理以提高其強(qiáng)度，開溝器實(shí)物圖如圖7所示。

4 田間試驗(yàn)

對(duì)上述所設(shè)計(jì)的開溝器，取播深變異系數(shù)、工作阻力、土壤擾動(dòng)面積為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)分段式開溝器、尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器進(jìn)行田間作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)，分析其性能。

4.1 試驗(yàn)條件

田間對(duì)比試驗(yàn)于2020年10月在黑龍江省東北農(nóng)業(yè)大學(xué)保護(hù)性耕作試驗(yàn)基地展開。試驗(yàn)區(qū)土壤容重（0～150 mm土層）1.62 g/cm3，土壤硬度（0～150 mm）1 623 kPa，平均留茬高度110 mm，秸稈覆蓋量1 000 g/m2，土壤含水率（0～150 mm）(20±1)%，秸稈含水率20.8%。

試驗(yàn)所用設(shè)備有奔野-454拖拉機(jī)（寧波）、約翰迪爾-354拖拉機(jī)（寧波）、2BM-2深施肥免耕播種機(jī)、分段式開溝器、尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器、SC-900型土壤硬度儀、GPS-10A機(jī)動(dòng)車多功能檢測(cè)裝置等。

4.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選取2BM-2深施肥免耕播種機(jī)進(jìn)行免耕播種作業(yè)，破茬-深施肥過程配套與仿真過程相同的直面破茬刀、尖角施肥鏟，設(shè)置4種類型開溝器前進(jìn)速度分別為2、4和6 km/h，開溝深度均為60 mm。設(shè)置每組試驗(yàn)的行程為50 m，每組試驗(yàn)重復(fù)5次。機(jī)器設(shè)備連接及試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量如圖8所示。

工作阻力的測(cè)量：利用奔野-454拖拉機(jī)牽引約翰迪爾-354拖拉機(jī)和2BM-2深施肥免耕播種機(jī)進(jìn)行工作阻力測(cè)量，首先輸出空載（不配裝開溝器）的工作阻力；再分別輸出作業(yè)時(shí)（配裝各類型開溝器）的工作阻力；最后利用差值法計(jì)算出每種類型開溝器的工作阻力[25]。

土壤擾動(dòng)面積的測(cè)量：以開溝器作業(yè)后擾動(dòng)至種溝兩側(cè)的土壤橫截面積來表示土壤擾動(dòng)面積的大小，將水平尺的中心氣泡處固定于溝型輪廓儀上，在坐標(biāo)紙上勾勒出種溝形狀，根據(jù)坐標(biāo)紙種溝形狀計(jì)算出土壤擾動(dòng)面積[26]。土壤溝型輪廓圖如圖9所示。

播深變異系數(shù)計(jì)算方法：開溝器作業(yè)后，將種子上方的回流土壤扒出，測(cè)量其深度，不同類型開溝器每組試驗(yàn)取25個(gè)點(diǎn)[26]，播深變異系數(shù)的計(jì)算公式為

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4種類型開溝器作業(yè)效果如圖10所示，記錄并計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)，4種類型開溝器的播深變異系數(shù)、土壤擾動(dòng)面積在不同作業(yè)速度下的對(duì)比，如圖11所示，工作阻力試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由圖11可知，分段式開溝器、尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器的平均播深變異系數(shù)分別為6.81%、7.78%、8.67%、9.10%；平均土壤擾動(dòng)面積分別為1 362、1 521、1 748、2 034 mm2；由表7可知，分段式開溝器、尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器的平均工作阻力分別為61.60、78.58、72.03、62.36 N。分段式開溝器比尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器的播深變異系數(shù)分別降低了14.24%、27.31%、33.63%；工作阻力分別降低了27.56%、16.93%、1.23%；土壤擾動(dòng)面積分別降低了11.67%、28.34%、49.34%。

表7 開溝器工作阻力試驗(yàn)結(jié)果

以上4種類型開溝器開出的種溝都較為平整，工作性能相對(duì)穩(wěn)定，且作業(yè)時(shí)均未發(fā)生纏草、堵塞相關(guān)問題，均可適用于免耕播種下的開種溝作業(yè)。在4種開溝器作業(yè)效果的比較中，分段式開溝器設(shè)計(jì)土壤回落最大合外力的位置和方向曲線為開溝曲線，根據(jù)回落土壤規(guī)律確定了安裝距離，所以其播種深度均勻性好、工作阻力小、土壤擾動(dòng)小。尖角式開溝器屬于銳角開溝器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、橫向?qū)挾刃?、回土性好，其工作阻力最大、土壤擾動(dòng)較小，播種深度均勻性較好，但播種深度過深?；妒介_溝器播深變異系數(shù)較大，工作時(shí)向下壓切土壤，對(duì)種溝側(cè)壁形成一定的擠壓作用，工作阻力較大，回土量比尖角式開溝器小，土壤擾動(dòng)較大。雙圓盤式開溝器播深變異系數(shù)最大，其滾動(dòng)作業(yè)，工作阻力較小，且與分段式開溝器工作阻力差別不大，但其回土量小，對(duì)土壤產(chǎn)生的擾動(dòng)最大。結(jié)合各種開溝器指標(biāo)的平均值可知，分段式開溝器可提高深施肥條件下播種深度均勻性、減小工作阻力、降低土壤擾動(dòng)、滿足免耕播種作業(yè)要求。

5 結(jié) 論

本文運(yùn)用離散元數(shù)值仿真分析破茬-深施肥-開溝過程，以提高播種深度均勻性、減阻降擾為目標(biāo)，通過提取土壤運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)分段式開溝器。

通過建立的土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元仿真模型，對(duì)不同類型破茬刀-施肥鏟裝置進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)。以回落土壤最大合外力的位置和方向?yàn)橐罁?jù)設(shè)計(jì)分段式開溝器入土部分曲線；運(yùn)用滑切原理設(shè)計(jì)分段式開溝器未入土部分斜刃。

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，分段式開溝器比尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器的播深變異系數(shù)分別降低了14.24%、27.31%、33.63%；工作阻力分別降低了27.56%、16.93%、1.23%；土壤擾動(dòng)面積分別降低了11.67%、28.34%、49.34%。研究對(duì)開溝器的設(shè)計(jì)及其理論研究具有參考意義。

[1] 包紅靜，安景文，解占軍，等. 一次深施肥對(duì)玉米供肥規(guī)律的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(31)：10-12.

Bao Hongjing, An Jingwen, Xie Zhanjun, et al. Effect of once deep fertilization on the law of fertilizer supply of corn[J]. Journal of Anhui Agriculture Science, 2008, 36(31): 10-12. (in Chinese with English abstract)

[2] 賈洪雷，姜鑫銘，郭明卓，等. 2BH-3型玉米行間播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(3)：83-89.

Jia Honglei, Jiang Xinming, Guo Mingzhuo, et al. Design and experiment of anti-blocking mechanism for inter-row no-tillage seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(3): 83-89. (in Chinese with English abstract)

[3] 林靜，劉安東，李寶筏，等. 2BG-2型玉米壟作免耕播種機(jī)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(6)：43-46.

Lin Jing, Liu Andong, Li Baofa, et al. 2BG-2 type cron ridge planting no-till planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(6): 43-46. (in Chinese with English abstract)

[4] 高煥文，李洪文，姚宗路. 輕型高防堵性能免耕播種機(jī)研究[J]. 中國工程科學(xué)，2007，9(9)：35-39.

Gao Huanwen, Li Hongwen, Yao Zonglu. Study on the light no-till seeders with high anti-blockage performance[J]. Strategic Study of CAE, 2007, 9(9): 35-39. (in Chinese with English abstract)

[5] 于建群，錢立彬，于文靜，等. 開溝器工作阻力的離散元法仿真分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(6)：53-57.

Yu Jianqun, Qian Libin, Yu Wenjing, et al. DEM analysis of the resistances applied on furrow openers[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(6): 53-57. (in Chinese with English abstract)

[6] 潘世強(qiáng). 基于離散元法的芯鏵式開溝器優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

Pan Shiqiang. Research on the Optimization Design and the Experiment of the Core Ploughshare Furrow Opener Based on the Discrete Element Method[D]. Changchun:Jinlin University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[7] Shmulevich I, Asaf Z, Rubinstein D. Interaction between soil and a wide cutting blade using the discrete element method[J]. Soil & Tillage Research, 2007, 97(1): 37-50.

[8] Saeys W, Wallays C, et al. An automatic depth control system for shallow slurry injection, Part 2: Control design and field validation[J]. Biosystems Engineering, 2008, 99(2): 161-170.

[9] Aili H, Ying C. Soil disturbance and draftforce of selected seed openers[J]. Soil & Tillage Research, 2014, 140: 48-4.

[10] 趙淑紅，劉宏俊，譚賀文，等. 仿旗魚頭部曲線型開溝器設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(5)：32-39.

Zhao Shuhong, Liu Hongjun, Tan Hewen, et al. Design and performance experiment of opener based on bionic sailfish head curve[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 35(5): 32-39. (in Chinese with English abstract)

[11] 趙淑紅，楊悅乾，閆以勛，等. 鴨嘴式開溝器的設(shè)計(jì)試驗(yàn)[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，44(11)：113-117.

Zhao Shuhong, Yang Yueqian, Yan Yixun, et al. Design of duck mouth type opener[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2013, 44(11): 113-117. (in Chinese with English abstract)

[12] 茍文，馬榮朝，楊文鈺，等. 小麥免耕播種機(jī)開溝器的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(增刊1)：21-25.

Gou Wen, Ma Rongchao, Yang Wenyu, et al. Design of opener on no-till wheat seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp.1): 21-25. (in Chinese with English abstract)

[13] 馬云海，馬圣勝，賈洪雷，等. 仿生波紋形開溝器減黏降阻性能測(cè)試與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(5)：36-41.

Ma Yunhai, Ma Shengsheng, Jia Honglei, et al. Measurement and analysis on reducing adhesion and resistance of bionic ripple opener[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(5): 36-41. (in Chinese with English abstract)

[14] 趙淑紅，劉宏俊，張先民，等. 滑推式開溝器設(shè)計(jì)與作業(yè)性能優(yōu)化試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(19)：26-34.

Zhao Shuhong, Liu Hongjun, Zhang Xianmin, et al. Design and optimization experiment of working performance of sliding push opener[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 26-34. (in Chinese with English abstract)

[15] 張祥彩. 免耕播種機(jī)偏轉(zhuǎn)側(cè)滑式防堵開溝器研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

Zhang Xiangcai. Study on Slide-slip Anti-blocking Furrow Opener for No-till Planterd[D]. Beijing: China Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[16] 趙淑紅，劉漢朋，楊超，等. 玉米秸稈還田交互式分層深松鏟設(shè)計(jì)與離散元仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52(3)：75-87.

Zhao Shuhong, Liu Hanpeng, Yang Chao, et al. Design and discrete element simulation of interative layered subsoiler with maize straw returned to filed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(3): 75-87. (in Chinese with English abstract)

[17] 張永良. 基于離散元的逆轉(zhuǎn)旋耕施肥播種機(jī)拋土性能仿真及試驗(yàn)研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2012.

Zhang Yongliang. Simulation and Experimental Study Throwing Soil Performance of Reversal Cultivated Land and Fertilization Seeder Based on DEM[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[18] 劉俊安. 基于離散元方法的深松鏟參數(shù)優(yōu)化及松土綜合效應(yīng)研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

Liu Junan. Study on Subsoiler Parameters Optimization and Comprehensive Effect of Subsoiling Based on the Discrete Element Method[D]. Beijing: China Agricultural University, 2018. (in chinese with English abstract)

[19] 孫劍. 玉米根茬結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征及與土壤的摩擦學(xué)性能[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

Sun Jian. Structural and Mechanical Characteristics of Corn Stubble and Its Tribological Properties against Soil[D]. Changchun: Jilin University, 2011. (in chinese with English abstract)

[20] 張鋒偉，宋學(xué)鋒，張雪坤，等. 玉米秸稈柔絲破碎過程力學(xué)特性仿真與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(9)：58-65.

Zhang Fengwei, Song Xuefeng, Zhang Xuekun, et al. Simulation and experiment on mechanical characteristics of kneading and crushing process of corn straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(9): 58-65. (in Chinese with English abstract)

[21] 張濤，劉飛，趙滿全，等. 玉米秸稈接觸物理參數(shù)測(cè)定與離散元仿真標(biāo)定[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，23(4)：120-127.

Zhang Tao, Liu Fei, Zhao Manquan, et al. Determination of corn stalk contact parameters and calibration of discrete element method simulation[J]. Journal of China Agricultural University, 2018, 23(4): 120-127. (in Chinese with English abstract)

[22] 盧彩云. 免耕播種機(jī)滑板壓稈旋切式防堵技術(shù)與裝置研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

Lu Chaiyun. Study on Anti-blocking Technology and Device of Rotary Cutting with Slide Plate Pressing Straw for No-till Planter[D]. Beijing: China Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[23] 權(quán)龍哲. 玉米根茬收獲模式及采收機(jī)理[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

Quan Longzhe. Corn Stubble Harvest Mode and Mechanisms[D]. Changchun:Jilin University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[24] 鄭侃，何進(jìn)，李洪文，等. 基于離散元深松土壤模型的折線破土刃深松鏟研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(9)：62-72.

Zheng Kan, He Jin, Li Hongwen, et al. Research on polyline soil-breaking blade subsoiler based on subsoiling soil model using discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(9): 62-72. (in Chinese with English abstract)

[25] 王加一. 免耕條件下破茬深松裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D]. 哈爾濱，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019.

Wang Jiayi. Design and Experiment of Subsoiler-stubble Chopper Device in No-tillage[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[26] 趙淑紅，譚賀文，王加一，等. 多功能集成式播種開溝器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(11)：58-67.

Zhao Shuhong, Tan Hewen, Wang Jiayi, et al. Design and experiment of multifunctional integrated seeding opener[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(11): 58-67. (in Chinese with English abstract)

Development of deep fertilizing no-tillage segmented maize sowing opener using discrete element method

Zhao Shuhong, Liu Hanpeng, Hou Leitao, Zhang Xin, Yuan Yiwen, Yang Yueqian※

(School of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Openers in no-tillage can confer a yield benefit via disruption of pathogenic hyphae, particularly when crop rotations lack species diversity in extremely cold climates, like in northeast China. However, it is still urgent to improve the uniformity of seedling depth, while alleviating large working resistance and soil disturbance on the deep fertilizing no-tillage planter after returning crop stalks to the field. In this study, a novel opener was designed for corn seeds in a segmented flow for deep fertilizing and no-tillage using a Discrete Element Method (DEM). Six types of stubble cutter-fertilization shovel devices were selected on the soil to explore the effect mechanism in the simulated analysis. First of all, a soil-corn stubble-corn straw DEM model was established to achieve the uniform seed-to-soil contact. Three kinds of stubble cutters (including plane, notched and corrugated stubble cutter) were then randomly combined with two kinds of fertilization shovels (including sharp and arc-type fertilization shovel) in the DEM simulation test. After that, a respective analysis was carried out for the motion trail of soil particles in the six types of stubble cutter–fertilization shovel devices after the operation. The location and direction of soil particles were finally extracted to obtain six fitted curves representing the maximum force in the falling process. As such, the curve of the opener was designed in the buried part. Specifically, the opener curve Ⅰ was set as the fitted falling curve of soil particles after the combination operation of three kinds of stubble cutters and sharp-cornered fertilization shovel devices. The opener curve Ⅱ was that of three kinds of stubble cutters and arc-type fertilization shovel devices. The opener curve III was that of six kinds of stubble cutters and fertilization shovel devices. At the same time, the inclined edge of the opener in the unburied part was also designed to improve the passing ability, particularly for the sliding frictional angle under the minimum power consumption when cutting straw. In addition, the buried clearance angle of the opener was set as 6° with the traverse width of 20 mm and inclined edge angle of 30°. Finally, the optimal spacing between the fertilization shovel and the opener was determined as 374 mm, according to the time and advanced speed for the soil particle falling back to the maximum force. Besides, a field test was performed on three kinds of segmented openers to verify the feasibility of the developed device. Curve III was finally chosen in the buried part for more extensive applicability of the segmented opener. The field comparison test indicated that the variable coefficient of seedling depth in the segmented opener dropped 14.24%, 27.31%, and 33.63%, respectively, while the working resistance dropped 27.56%, 16.93%, and 1.23%, respectively, as well as 11.67%, 28.34%, and 49.34% in the soil disturbance area, compared with the sharp-cornered, the sliding knife and double disk opener. Consequently, a high operation performance was achieved in the segmented opener, including high uniformity of seedling depth, small working resistance, and soil disturbance for deep fertilizing and no-tillage.

discrete element method; agricultural machinery; opener; no-till sowing; sowing depth uniformity; working resistance; soil disturbance

2020-12-20

2021-04-28

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFD1000903）；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（GA19B101）

趙淑紅，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘镩g農(nóng)業(yè)機(jī)械及力學(xué)特性。Email：shhzh091@sina.com

楊悅乾，研究員級(jí)工程師，研究方向?yàn)楸Ｗo(hù)性農(nóng)業(yè)裝備。Email：yangyueqian@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.001

S220.39; S223.2

A

1002-6819(2021)-13-0001-10