施肥開溝器的設(shè)計(jì)與作業(yè)過程離散元仿真

陳貝貝，王淑銘，李小海，郭書立，徐祥龍，劉巖

（1.154000 黑龍江省 佳木斯市 佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2.154000 黑龍江省 佳木斯市 黑龍江省二道河農(nóng)場）

0 引言

黑龍江省是我國最大的粳米生產(chǎn)基地[2]，以五常大米為代表的寒地粳米味道清香，口感綿軟，品質(zhì)優(yōu)良，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。2019 年黑龍江省水稻播種面積在372 萬hm2左右，總產(chǎn)量連續(xù)9年穩(wěn)定在2 000 萬t 以上，2019 年水稻產(chǎn)量占全國的12.5%[3-4]。

目前，寒地大規(guī)模水稻在插秧種植前基肥的施肥方式主要是人工撒肥或撒肥器施肥[5]，隨攪漿整地，肥料被覆蓋在土下8～10 cm，這兩種施肥方式施肥料量較大且難以保證均勻性。攪漿整地效果不好會(huì)使肥料裸露在地表，造成磷肥富集誘發(fā)水綿滋生，也會(huì)加重農(nóng)業(yè)對(duì)水環(huán)境的污染。側(cè)深施肥比人工或撒肥器施肥節(jié)省肥料[6]，只需在秧苗的一側(cè)施肥而不需全田施肥，可節(jié)省肥料30 kg/hm2。側(cè)深施肥后的顆粒肥料會(huì)被泥漿覆蓋在水稻秧苗一側(cè)，這樣更有利于秧苗吸收。

目前，國內(nèi)外已有很多針對(duì)農(nóng)田開溝技術(shù)的研究[7-10]，但大多是關(guān)于旱田大型開溝機(jī)的減阻性、開溝質(zhì)量等方面的研究，所研究的開溝機(jī)具不適合寒地水稻田這種需要小型開溝器的場景，對(duì)土壤自動(dòng)回填方面的研究也相對(duì)較少。尤曉東[11]通過土壤沿堆放斜面滑動(dòng)受力分析等對(duì)開溝器土壤回填原理進(jìn)行了分析。

本文針對(duì)側(cè)深施肥機(jī)上傳統(tǒng)施肥開溝器作業(yè)后泥漿自動(dòng)回填效果差、溝槽中的顆粒肥料覆蓋率低裸露在外沒有被泥漿覆蓋、溶解后污染周圍水系環(huán)境的問題，在國內(nèi)外開溝器深入研究的基礎(chǔ)上[12-13]，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種作業(yè)時(shí)能增加泥漿回填量的施肥開溝器。

1 施肥開溝器分析與設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

施肥開溝器是側(cè)深施肥機(jī)上的觸土部件，由滑刀、防堵塞裝置、連接板組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其主要作用是在水稻插秧的同時(shí)將肥料施于秧苗側(cè)位土壤中。所開肥溝位于水稻秧苗一側(cè)3 cm，固態(tài)顆粒肥料經(jīng)防堵塞裝置落入V 型肥溝底部，V 型肥溝利于泥漿回流下滑從而覆蓋住肥料，提高肥料利用率，減少肥料裸露溶解后對(duì)周圍水環(huán)境的污染。

圖1 開溝器三維模型Fig.1 Three dimensional model of ditcher

1.2 上寬度以及高度設(shè)計(jì)

施肥深度對(duì)水稻秧苗的成長有著重要的影響。所謂施肥深度，實(shí)際上是指肥料上方覆蓋泥土的厚度。設(shè)計(jì)開溝器結(jié)構(gòu)尺寸前應(yīng)充分考慮寒地水稻種植環(huán)境以及各種類型開溝器的特點(diǎn)，施肥開溝器設(shè)計(jì)為滑推式開溝器（鈍角開溝器）。根據(jù)黑龍江省建三江分局寒地水稻生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程，水稻機(jī)械插秧深度應(yīng)該在20 mm 內(nèi)且不低于15 mm，以此作為施肥開溝器下寬度以及高度的設(shè)計(jì)依據(jù)，考慮到機(jī)械插秧秧苗間距問題以及指劃溝可以慢慢自動(dòng)恢復(fù)寬度大小的影響，開溝器的下寬度設(shè)計(jì)為20 mm，上寬度設(shè)計(jì)為27.5 mm，高度設(shè)計(jì)為52 mm。

1.3 滑推曲線設(shè)計(jì)

滑推式開溝器作業(yè)時(shí)為垂直入土，然后向前運(yùn)動(dòng)利用滑推作用進(jìn)行開溝，無論是在垂直入土過程中還是向前運(yùn)動(dòng)過程中，滑推式開溝器與土壤間的作用都是滑推作用，只是方向不同。垂直入土?xí)r滑推作用垂直向下，根據(jù)滑推原理只有當(dāng)滑推曲線上的滑推角大于摩擦角時(shí)才能產(chǎn)生滑推作用，因?yàn)閽佄锞€曲線上的滑推角有一定規(guī)律（滑推角度呈遞減或遞增趨勢(shì)），所以滑推曲線輪廓利用拋物線作為滑推曲線（取拋物線的某一段連續(xù)曲線作為滑推曲線輪廓，可以保證滑推角恒大于摩擦角）。

建立如圖2 所示坐標(biāo)系，A、B 為拋物線上的兩點(diǎn)，過A、B 兩點(diǎn)做滑推曲線的切線，再過A、B 兩點(diǎn)作切線的垂直線，該垂直線與X 軸所形成的角即為滑推角。

圖2 滑推曲線及滑推角Fig.2 Sliding curve and angle

拋物線的方程為

根據(jù)式（1）解得的式（2）可知，滑推曲線形狀主要由A、B 兩點(diǎn)處的滑切角和高度H 決定，該拋物線從A 點(diǎn)到B 點(diǎn)滑推角沿拋物線遞增。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，田間測(cè)量摩擦角為23 °，利用該拋物線作為滑推曲線時(shí)，滑推角需大于摩擦角。開溝器入土?xí)r與土壤接觸的方向?yàn)榇怪毕蛳碌幕谱饔茫孕枰ＷC90 °-θB＞23 °，即滑推角需小于67 ° 。利用CAD 軟件標(biāo)注拋物線各點(diǎn)處滑切角的大小，截取上滑推角26 °下滑推角66.5 °的曲線段作為開溝器的滑推曲線輪廓。

2 仿真參數(shù)設(shè)置

利用離散元軟件EDEM2020 建立寒地水稻土壤模型[14-15]，將施肥開溝器三維模型以STL 格式導(dǎo)入離散元軟件EDEM2020 進(jìn)行施肥開溝作業(yè)仿真，查看顆粒肥料覆蓋情況。

2.1 肥料顆粒參數(shù)設(shè)置

肥料的仿真參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[16]：顆粒肥料密度1 571 kg/m3，等效直徑3.2 mm，球形率0.91，剪切模量設(shè)置為3×108Pa；顆粒肥料間恢復(fù)系數(shù)0.314，靜摩擦系數(shù)0.420，滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.130；顆粒肥料與防堵塞裝置間恢復(fù)系數(shù)0.446，靜摩擦系數(shù)0.136，滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.050；顆粒肥料與水稻土壤間的接觸參數(shù)的設(shè)定為軟件默認(rèn)值。

2.2 運(yùn)動(dòng)速度及肥料生成速率設(shè)置

施肥開溝器離散元仿真作業(yè)速度以及肥料顆粒生成速率參照水稻側(cè)深施肥裝置技術(shù)參數(shù)[16]，施肥開溝器運(yùn)動(dòng)速度1 m/s，顆粒工廠生成顆粒肥料的速率設(shè)置為20 g/m。肥料顆粒設(shè)置使用EDEM自帶的單球面模型，直徑3 mm,每個(gè)顆粒肥料的質(zhì)量為2.220 95×10-5kg，體積1.143 72×10-8m3，肥料生成速率設(shè)置為1 600 粒/m。

2.3 水稻土壤參數(shù)設(shè)置

水稻土壤樣本取自黑龍江建三江七星農(nóng)場，取土?xí)r間2019 年5 月。水稻土壤的本征參數(shù)（水稻土壤粒徑組成、密度）為實(shí)際測(cè)得，接觸參數(shù)、接觸模型參數(shù)利用土壤堆積角虛擬標(biāo)定方法測(cè)得，具體參數(shù)設(shè)置為：水稻土壤顆粒使用EDEM2020 自帶的單球面模型，半徑設(shè)置為4 mm；密度1 300 kg/m3；泊松比0.4；剪切模量10.5 MPa；水稻土壤顆粒間的恢復(fù)系數(shù)0.01；水稻土壤顆粒間的靜摩擦系數(shù)0.5；水稻土壤顆粒間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.42；JKR表面能0.35 J/m3；開溝器與水稻土壤離散元模型間的接觸參數(shù)使用軟件默認(rèn)值。

3 仿真分析

顆粒肥料通過防堵塞裝置落入肥溝，肥料顆粒由顆粒工廠生成，顆粒工廠設(shè)置為virtual；同時(shí)，賦予顆粒工廠與施肥開溝器相同的運(yùn)動(dòng)速率與方向。作業(yè)過程如圖3 所示。梯形施肥溝兩斜邊的土壤顆粒有沿斜面下滑的趨勢(shì)，說明開溝器上寬下窄的結(jié)構(gòu)更有利于作業(yè)后泥漿的回流。

圖3 離散元EDEM 開溝作業(yè)仿真過程Fig.3 Simulation process of EDEM trenching operation

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)與方法

以施肥開溝器作業(yè)后肥溝內(nèi)顆粒肥料的覆蓋情況（即肥料顆粒是否被水稻土壤顆粒覆蓋）為試驗(yàn)指標(biāo)，計(jì)算方法如式（3）所示：

式中：q——肥料覆蓋率，%；g ——測(cè)量長度范圍內(nèi)未被覆蓋肥料的粒數(shù)，粒；G——測(cè)量長度范圍內(nèi)總的施肥粒數(shù)，粒。

3.2 結(jié)果分析

肥料覆蓋效果如圖4 所示。仿真完成后可以在EDEM 分析樹（Analyst Tree）的圖表制作（Create Graph）中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，查看不同時(shí)間段內(nèi)肥料顆粒的生成數(shù)量，如圖5 所示。肥料顆粒渲染成淺藍(lán)色，未被覆蓋的肥料顆粒可在Z 軸視角方向上放大，直觀觀察統(tǒng)計(jì)。在仿真作業(yè)長度為0.5 m 時(shí)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)共有68 粒肥料裸露（包括未被完全覆蓋的），0～0.5 s 內(nèi)共生成800 粒肥料，根據(jù)式（3）中的計(jì)算方法得出肥料的覆蓋率為91.5%。

圖4 離散元仿真肥料覆蓋情況Fig.4 Fertilizer coverage simulation by discrete element method

圖5 顆粒工廠肥料的生成數(shù)量Fig.5 Quantity of fertilizer produced in pellet plant

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種滑推式開溝器并利用三維建模軟件UG 9.0 進(jìn)行了三維建模。利用離散元軟件EDEM2020 建立了寒地水稻土壤離散元模型，利用該模型進(jìn)行了開溝施肥仿真，仿真試驗(yàn)得出肥料覆蓋率為91.5%，為進(jìn)一步提高滑推式開溝器作業(yè)后肥料覆蓋率的研究提供了參考。