免耕播種機漸開線側(cè)深施肥開溝器設(shè)計與試驗

趙艷忠，茍金保，王玉峰，董守坤，趙淑紅*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

免耕播種是保護性耕作主要技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于東北黑土壟作區(qū)[1-2]。為維持耕作土壤肥效穩(wěn)定，減少追肥機具進地次數(shù)，免耕播種機具多采用側(cè)深施肥裝置進行施肥[3]。側(cè)深施肥免耕播種機采用施肥開溝器與播種開溝器側(cè)位配置方式進行側(cè)深施肥[4]。根據(jù)東北地區(qū)壟作側(cè)深施肥免耕播種長期作業(yè)及跟蹤調(diào)研可知，在實際作業(yè)過程中，因施肥開溝器入土較深，開溝阻力大；且施肥開溝器與播種開溝器不在同一直線，施肥開溝器先入土導(dǎo)致該側(cè)土壤疏松，加劇免耕播種作業(yè)中施肥播種單體偏擺甚至掉壟問題，影響播種作業(yè)質(zhì)量[5]。國內(nèi)外學(xué)者開展機具橫向穩(wěn)定性創(chuàng)新研究，包文育等增加機具圓錐臺型導(dǎo)向裝置，使其行走于壟溝，防止機具從壟臺滑落[6]；趙艷忠等設(shè)計一種直斜錯位式雙圓盤肥種溝開溝器，通過降低非側(cè)深開溝側(cè)圓盤側(cè)向阻力提高機具橫向穩(wěn)定性[7]。在開溝器降阻方面，趙淑紅等基于旗魚高速低阻生物運動特性，設(shè)計一種仿旗魚頭部曲線型開溝器降低前進阻力[8]；賈洪雷等基于狗獾犬齒低阻貫穿特性，設(shè)計一種仿狗獾犬齒曲面芯鏵式開溝器，開溝阻力較標(biāo)準(zhǔn)芯鏵式開溝器降低[9]；王慶杰等設(shè)計一種楔刀型開溝器，作業(yè)時可降低15%～25%土壤擾動量，開溝阻力明顯降低[10]；Vilaseca等對開溝器材料進行PVD涂層熱沖壓，通過降低摩擦力減阻[11]；張杰等為解決苜蓿播種機開溝器開溝作業(yè)阻力大、入土困難等問題，設(shè)計一種可實現(xiàn)種肥正位分施曲面刃口型開溝器[12]。但目前針對東北壟作側(cè)深施肥農(nóng)藝要求，關(guān)于側(cè)深施肥免耕播種機施肥開溝器降阻和播種機橫向穩(wěn)定性研究較少。

本文以側(cè)深施肥免耕播種機為載體，針對弧式施肥開溝器在作業(yè)過程中鏟尖處易形成土壤堆積、開溝阻力大和溝型直線度差等問題，設(shè)計一種漸開線施肥開溝器，通過降低側(cè)深施肥側(cè)土壤擾動和合理配置側(cè)深施肥開溝器位置提高機具橫向穩(wěn)定性，以期為相似部件設(shè)計提供參考。

1 漸開線施肥開溝器設(shè)計

1.1 側(cè)深施肥播種單體結(jié)構(gòu)

免耕播種機由若干個施肥播種單體組成，每個施肥播種單體由限深輪、破茬圓盤刀、漸開線施肥開溝器、肥種溝開溝器、排種器、排肥器、種箱、肥箱、護種板、覆土盤和鎮(zhèn)壓輪組成，一次作業(yè)可完成破茬開溝、底肥側(cè)位深施、口肥垂直分施、精密播種和覆土鎮(zhèn)壓等工序，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 施肥播種單體結(jié)構(gòu)Fig.1 Fertilizer seeding monomer structure

施肥播種單體利用漸開線施肥開溝器和肥種溝開溝器側(cè)位錯落配置實現(xiàn)底肥側(cè)位深施、口肥同層垂直分施，以玉米或大豆為例，底肥在種子側(cè)4～8 cm、下5～6 cm位置施入[13-14]。

側(cè)深施肥免耕播種機配套使用弧式施肥開溝器在作業(yè)過程中常出現(xiàn)鏟尖土壤堆積現(xiàn)象，如圖2所示，導(dǎo)致施肥開溝器壅土，溝型直線度差，前進阻力和土壤擾動增加，加劇側(cè)深施肥條件下施肥播種單體偏擺和掉壟問題，機具橫向穩(wěn)定性變差。

圖2 施肥開溝器鏟尖處土壤堆積Fig.2 Soil accumulation at the tip of manure shovel trencher

1.2 離散元土壤模型建立

為探究施肥開溝器鏟尖土壤堆積原因，本文采用離散元法分析鏟尖土壤顆粒軌跡。2021年4月30日采集東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗田土壤、玉米秸稈和根茬樣品測量物理參數(shù)，通過剪切試驗測量力學(xué)參數(shù)，選用Hertz-Mindlin with bonding模型作為接觸力學(xué)模型[8,15]。標(biāo)定樣品本征參數(shù)、基本接觸參數(shù)[16-17]和接觸模型參數(shù)[8]，測量和標(biāo)定結(jié)果如表1所示，構(gòu)建離散元模型，如圖3所示。

表1 仿真基本參數(shù)Table 1 Simulation basic parameter

圖3 離散元土壤模型Fig.3 Discrete element soil model

1.3 鏟型曲線分析與設(shè)計

通過長期免耕播種作業(yè)跟蹤調(diào)研發(fā)現(xiàn)，弧式施肥開溝器鏟尖曲線根部與鏟柄之間夾角為造成施肥開溝器鏟尖土壤堆積主要原因，鏟尖曲線如圖4中曲線1所示，α0為鏟尖曲線與鏟柄夾角。為探究鏟尖土壤堆積原理，分析土壤顆粒在施肥開溝器作用下軌跡，鏟尖處土壤堆積為顆粒群體運動集成，因此需在離散元模型中在鏟尖上方利用Grid bin group方法創(chuàng)建標(biāo)記空間[18]，對標(biāo)記空間內(nèi)所有顆粒軌跡進行總體分析，創(chuàng)建標(biāo)記空間如圖5所示，標(biāo)記位置與根茬側(cè)向距離為5 cm。

圖4 不同施肥開溝器鏟型曲線Fig.4 Curves of different fertilizer shovels

圖5 模型標(biāo)記空間創(chuàng)建Fig.5 Model tag space creation

將弧式施肥開溝器導(dǎo)入離散元模型中進行仿真分析，分析結(jié)果如圖6a所示。在標(biāo)記空間內(nèi)所有土壤顆粒在弧式施肥開溝器作用下向上拋起，而后隨施肥開溝器一起向前運動，在鏟尖根部上方產(chǎn)生滯留。下方繼續(xù)向上拋起顆粒由于受到滯留顆粒阻礙，滯留顆粒增加，形成滯留團體，當(dāng)團體進一步擴大時，弧式施肥開溝器鏟尖曲線根部和鏟柄間夾角α0對滯留團體提供支撐作用，在東北土壤黏性特征條件下，土壤堆積形成。

由上述分析可知，增大夾角α0可在一定程度上解決土壤堆積問題，當(dāng)α0=180°時，可使鏟尖對滯留團體所提供支撐作用最小，可將弧式曲線根部改進設(shè)計成相切形式或者直接將夾角進行圓角化，所得曲線分別命名為單圓式和雙圓式，如圖4中曲線2和3所示。

施肥開溝器在作業(yè)過程中單圓弧過渡處應(yīng)力無法良好分散，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，采用多圓弧過渡方式可降低應(yīng)力集中[19-20]。采用漸開線式曲線，這種曲線由無數(shù)個漸變圓弧組成，在解決土壤堆積問題基礎(chǔ)上又可避免鏟尖應(yīng)力集中，漸開線式曲線如圖4中曲線4所示。

將單圓式、雙圓式和漸開線式導(dǎo)入離散元模型中進行仿真分析，在標(biāo)記空間內(nèi)分別得到如圖6b～d所示顆粒軌跡圖。

圖6 土壤顆粒在不同施肥開溝器作用下軌跡Fig.6 Trajectories of soil particles under different fertilizing trenchers

分析可知，土壤顆粒在單圓式施肥開溝器作用下被拋起，有部分顆粒產(chǎn)生滯留，可能是因單圓式施肥開溝器鏟尖過短，土壤在鏟尖作用下未向兩側(cè)拋離即與鏟柄碰撞，鏟尖在前進方向上土壤推擠量增大，導(dǎo)致部分土壤無法回落。土壤顆粒在雙圓式和漸開線式施肥開溝器作用下被拋起，再向下回落，中間未產(chǎn)生顆粒滯留，作業(yè)效果較好。4種施肥開溝器在開溝深度為90 mm條件下前進阻力如圖7所示。

分析圖7，計算得到各施肥開溝器前進阻力，與弧式施肥鏟相比，單圓式施肥開溝器前進阻力提高40.13%，雙圓式和漸開線式施肥開溝器分別降低9.46%、1.17%。單圓式施肥開溝器前進阻力比其他3種施肥開溝器大，與其鏟尖過短造成土壤推擠量增大現(xiàn)象相符[8]。受仿真時間和土壤模型限制，弧式施肥開溝器鏟尖不易形成土壤堆積，其前進阻力與雙圓式和漸開線式相差不大。綜上所述，施肥開溝器鏟尖曲線設(shè)計成漸開線式。

圖7 不同施肥開溝器前進阻力Fig.7 Forward resistance of ditcher with different fertilization

1.4 漸開線施肥開溝器結(jié)構(gòu)設(shè)計

漸開線施肥開溝器主要由鏟柄、鏟尖、導(dǎo)肥舌和頂絲定位孔組成，如圖8a所示。鏟柄采用30 mm×50 mm空心鋼管，兼具導(dǎo)底肥作用，為防止回土堵塞影響肥料下落，設(shè)置導(dǎo)肥舌。施肥開溝器鏟尖主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有入土角α、入土隙角β、漸開線基圓曲率半徑R和鏟尖附柄高度h，如圖8b所示。參考文獻[7,21]，施肥開溝器入土角取值為20°～40°，入土隙角取值為5°～14°，鏟尖附柄高度根據(jù)入土深度取80 mm。圖8b中CG漸開曲線段為基圓曲率半徑為R、發(fā)生線長度為1/4基圓周長所形成曲線，發(fā)生線滾動角為0～90°。

圖8 漸開線施肥開溝器結(jié)構(gòu)Fig.8 Involute fertilizing furrow opener

1.5 漸開線施肥開溝器受力分析

漸開線施肥開溝器屬于銳角開溝器，主要利用對土壤切、推作用開出肥溝。漸開線施肥開溝器與土壤之間應(yīng)力主要為正應(yīng)力和切應(yīng)力，受力分析如圖9所示。作業(yè)時，漸開線施肥開溝器與土壤間正應(yīng)力和切應(yīng)力變化不大，鏟尖受力大小主要與鏟尖與土壤接觸面積有關(guān)，影響漸開線施肥開溝器前進阻力主要因素為入土角、入土隙角和基圓曲率半徑，在保證一定鏟尖長度和寬度前提下，基圓曲率半徑可通過入土角和入土隙角近似計算求得[8]。因此確定合適入土角、入土隙角值可在一定程度上減小前進阻力，降低功耗。

圖9 施肥開溝器鏟尖受力分析Fig.9 Stress analysis diagram of shovel tip of fertilizing ditcher

2 漸開線施肥開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 漸開線施肥開溝器鏟尖結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

深施肥側(cè)土壤擾動為造成機具偏擺主要原因[7]，較小土壤擾動有利于機具橫向穩(wěn)定性提高。結(jié)合1.5節(jié)，為探究漸開線施肥開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其工作性能影響，本試驗以入土角和入土隙角為因素，土壤擾動面積[22-23]和前進阻力為指標(biāo)，根據(jù)Central composite design（CCD）試驗設(shè)計原理設(shè)計試驗，因素水平編碼如表2所示。

表2 因素水平編碼Table 2 Experimental values and coded levels

仿真試驗過程如圖10所示。由圖10a～c可知，隨漸開線施肥開溝器逐漸切入土壤，地表土壤受剪切和擠壓作用向上抬升，形成隆起，側(cè)邊根茬隨之被挑起；當(dāng)其完全沒入土壤中時，地表隆起達到最大，土壤擾動增大，土壤顆粒沿鏟尖漸開曲面向上運動直至脫離鏟尖，部分土壤顆?；亓魅霚?，當(dāng)土壤顆粒即將脫離鏟尖時速度達到最大。分析圖11d和e可知，漸開線施肥開溝器在前進過程中將地表秸稈向兩側(cè)推擠。溝形截面如圖11a所示，為方便測量擾動面積，將秸稈隱藏，分別繪出坑形輪廓和地表壟形輪廓，形成封閉區(qū)域即為土壤擾動面積，如圖11b所示。

圖10 漸開線施肥開溝器作業(yè)仿真過程Fig.10 Simulation process of involute fertilizing trencher operation

圖11 土壤擾動面積Fig.11 Soil disturbance area

試驗每組重復(fù)3次，取平均值，仿真試驗結(jié)果見表3。

利用Design-Expert 8.0.6軟件對表3數(shù)據(jù)作多元回歸擬合和方差分析，去除不顯著項，得到各因素對前進阻力y1、土壤擾動面積y2影響回歸方程為：

表3 試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 3 Experimental design scheme and results

為更直觀分析各因素與試驗指標(biāo)之間關(guān)系，利用Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)分析處理得到響應(yīng)曲面，如圖12和13所示。

由圖12可知，當(dāng)入土角小于一定值時，漸開線施肥開溝器前進阻力隨入土隙角增加呈減小趨勢，當(dāng)入土角大于一定值時，前進阻力隨入土隙角增加呈先減后增趨勢，前進阻力越小越好，最優(yōu)入土隙角范圍為8.6°～14.0°；當(dāng)入土隙角小于一定值時，前進阻力隨入土角增加漸減小趨勢，當(dāng)入土隙角大于一定值時，前進阻力隨入土角增加呈增大趨勢，最優(yōu)入土角范圍為20°～32°。

圖12 因素交互作用對前進阻力影響Fig.12 Influence of factor interaction on forward resistance

由圖13可知，土壤擾動面積隨入土隙角增加呈先減后增趨勢，土壤擾動面積越小越好，最優(yōu)入土隙角范圍為5.0°～14.0°；土壤擾動面積隨入土角增加呈先減后增趨勢，最優(yōu)入土角范圍為20°～40°。

圖13 因素交互作用對土壤擾動面積影響Fig.13 Influence of factor interaction on soil disturbance area

為獲得最佳試驗因素水平組合，利用Design-Expert 8.0.6軟件Optimization模塊對回歸模型進行求解，根據(jù)漸開線施肥開溝器實際工作要求，選擇目標(biāo)函數(shù)和約束條件為：

經(jīng)求解，得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：入土角為25.37°、入土隙角為12.92°，為便于加工將最優(yōu)參數(shù)圓整后為入土角為25°、入土隙角為13°，根據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系求得漸開線基圓曲率半徑為169 mm，此組最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合下漸開線施肥鏟前進阻力為264.49 N，土壤擾動面積為269.23 cm2。

2.2 漸開線施肥開溝器配置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

施肥播種單體作業(yè)偏擺現(xiàn)象歸咎于單體受力不平衡[7]，在前進作業(yè)過程中，因深施肥側(cè)土壤擾動，土壤緊實度降低，施肥播種單體中肥種溝開溝器兩圓盤側(cè)向受力差值較大導(dǎo)致不平衡，施肥播種單體向深施肥側(cè)偏擺，側(cè)深施肥側(cè)向間距為影響其受力平衡重要因素。為探究側(cè)向施肥間距對施肥播種單體橫向穩(wěn)定性影響，根據(jù)合理種肥距關(guān)系[14]，以不同側(cè)向施肥間距L(4、6、8 cm)為試驗因素，肥種溝開溝器在深施肥側(cè)斜盤側(cè)向力為試驗指標(biāo)開展仿真試驗，試驗過程如圖14所示，試驗結(jié)果肥種溝開溝器斜盤側(cè)向力隨時間變化如圖15所示。隨側(cè)向施肥間距增加，肥種溝開溝器斜盤側(cè)向力逐漸增加，施肥播種單體中肥種溝開溝器兩側(cè)受力差值減小，橫向穩(wěn)定性增加。參考文獻[24]可知，由于東北壟作壟寬限制，壟作側(cè)深施肥距離為5～6 cm，因此本設(shè)計選用6 cm側(cè)向施肥間距，可滿足設(shè)計要求。

圖14 仿真過程Fig.14 Simulation process

圖15 試驗結(jié)果Fig.15 Test results

3 田間試驗

3.1 試驗儀器

2021年10月12～14日，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗田開展對比驗證和整機試驗。試驗期間平均氣溫5～13℃，無降雨。試驗前茬作物為玉米，土壤質(zhì)地為黑土，選取200 m×100 m地塊作為試驗區(qū)，深度0～15 cm，土壤容重1.31g·cm-3，土壤緊實度713 KPa，土壤含水率19.38%。試驗儀器：約翰迪爾奔野454型拖拉機、自制測力架[7]、漸開線施肥開溝器、肥種溝開溝器、數(shù)顯式推拉力計(型號分別為：HG-10K、HG-30K，量程分別為10、30 kN)、SC-900型土壤硬度儀、電子天平、烘箱、環(huán)刀組件、鋼卷尺、皮尺等，裝置調(diào)試如圖16所示。

圖16 田間測試裝置Fig.16 Field test unit

3.2 對比驗證試驗

分別對漸開線施肥開溝器前進阻力、開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)、開溝直線度合格率以及側(cè)深開溝條件下肥種溝開溝器側(cè)向合力進行測量[7,25]，試驗重復(fù)5次，最終結(jié)果取平均值，測量及結(jié)果如圖17、表4所示。

圖17 試驗數(shù)據(jù)測量Fig.17 Test data measurement

分析表4可知，與弧式施肥開溝器相比，漸開線施肥開溝器前進阻力和側(cè)深開溝條件下肥種溝開溝器側(cè)向合力分別減少15.56%、25.14%，開溝直線度合格率提高8%，綜合作業(yè)性能明顯提高，漸開線施肥開溝器具有一定優(yōu)越性。前進阻力試驗值與仿真值相對誤差為17.9%。

表4 對比試驗結(jié)果Table 4 Comparative test results

3.3 整機驗證試驗

將漸開線施肥開溝器按照最優(yōu)側(cè)向間距安裝在免耕播種機上開展整機驗證試驗，如圖18所示。

圖18 田間整機驗證試驗Fig.18 Complete machine validation test in field

試驗發(fā)現(xiàn)，播種機在作業(yè)過程未出現(xiàn)偏擺或掉壟情況，機具橫向穩(wěn)定性較好；漸開線施肥開溝器鏟尖處未形成土壤堆積，作業(yè)效果良好，滿足側(cè)深施肥農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

a.為解決東北壟作側(cè)深施肥免耕播種機開溝阻力大、機具橫向穩(wěn)定性差等問題，基于解決當(dāng)前配套使用弧式施肥開溝器鏟尖土壤堆積問題，通過對不同鏟型土壤顆粒軌跡進行對比分析，設(shè)計一種漸開線施肥開溝器。

b.通過離散元仿真參數(shù)優(yōu)化，最終獲得當(dāng)漸開線施肥開溝器入土角為25°、入土隙角為13°、漸開線基圓曲率半徑為169 mm、側(cè)向施肥間距為60 mm時，作業(yè)效果最優(yōu)。

c.經(jīng)田間對比和整機驗證試驗可知，漸開線施肥開溝器性能明顯優(yōu)于弧式施肥開溝器，作業(yè)過程中免耕播種機具未出現(xiàn)偏擺及鏟尖土壤堆積，滿足側(cè)深施肥免耕播種作業(yè)要求。