玉米壟作側(cè)深施肥開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)改進(jìn)

摘要：在玉米免耕播種作業(yè)中，開(kāi)溝器在秸稈殘茬覆蓋的地表作業(yè)時(shí)，會(huì)存在施肥播種單體偏擺甚至掉壟的問(wèn)題。基于國(guó)外壟作側(cè)深施肥開(kāi)溝器的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)及玉米免耕播種作業(yè)的實(shí)際需求，從減少開(kāi)溝阻力和增加作業(yè)穩(wěn)定性兩方面來(lái)介紹開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)和研發(fā)現(xiàn)狀，以期為進(jìn)一步提升開(kāi)溝器的性能提供理論參考。

關(guān)鍵詞：開(kāi)溝器；離散元法；阻力；穩(wěn)定性；仿生

中圖分類號(hào)：S223.19 " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " "文章編號(hào)：1674-1161（2024）01-0065-02

近年來(lái)，東北黑土區(qū)水土流失嚴(yán)重，土壤肥力逐年降低。為有效提升東北地區(qū)的黑土地質(zhì)量，推廣玉米免耕播種技術(shù)勢(shì)在必行。開(kāi)溝器是玉米免耕播種機(jī)的重要部件，其性能直接影響著施肥和播種質(zhì)量。然而，在東北地區(qū)實(shí)施玉米免耕播種作業(yè)時(shí)，播種開(kāi)溝器與施肥部件不在一條直線上，側(cè)深施肥部件先入土后會(huì)使該側(cè)土壤疏松，常導(dǎo)致施肥播種單體偏擺甚至掉壟，加之秸稈殘茬分布不均，開(kāi)溝阻力也較大。借鑒國(guó)外玉米壟作側(cè)深施肥機(jī)（以下簡(jiǎn)稱”側(cè)深施肥機(jī)“）的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并基于對(duì)開(kāi)溝器工作原理的分析和研究，我國(guó)科研工作者不斷對(duì)開(kāi)溝器進(jìn)行改進(jìn)與設(shè)計(jì)，以期進(jìn)一步提升開(kāi)溝播種的作業(yè)質(zhì)量。

1 側(cè)深施肥機(jī)開(kāi)溝器的性能要求及設(shè)計(jì)理論

國(guó)內(nèi)播種時(shí)的施肥量較大，容易出現(xiàn)燒種的情況，因此播種機(jī)大多采用側(cè)深施肥裝置。當(dāng)前，側(cè)深施肥的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方式：一是采用有較大夾角的圓盤開(kāi)溝器；二是施肥、播種開(kāi)溝器側(cè)位配置。在免耕條件下采用側(cè)深施肥時(shí)，入土深，加之秸稈殘茬分布不均，極易出現(xiàn)掉壟現(xiàn)象，對(duì)此，亟須對(duì)播種及側(cè)深施肥部件進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

1.1 性能要求

東北地區(qū)開(kāi)展玉米免耕播種時(shí)，多數(shù)年份因春季風(fēng)大而造成表層土壤含水率低（一般在12%左右），所以開(kāi)溝深度多為60 mm。在東北地區(qū)，玉米免耕播種作業(yè)對(duì)開(kāi)溝器性能的要求為：1）開(kāi)出的溝直線度好、溝穴整齊、深度一致，同時(shí)要盡量避免攪亂土層。多年的生產(chǎn)實(shí)踐表明，玉米底肥應(yīng)施放于種子側(cè)4～8 cm、下5～6 cm處。2）由于開(kāi)溝器需要在有秸稈殘茬覆蓋的地表上作業(yè)，因此需要具有良好的橫向穩(wěn)定性和通過(guò)性，無(wú)偏擺和掉壟現(xiàn)象，且不易被地表的秸稈殘茬堵塞。3）東北地區(qū)的壟作側(cè)深施肥需要開(kāi)溝器入土較深，加之地表覆蓋秸稈殘茬，因此開(kāi)溝器應(yīng)具有良好的入土能力，且耐磨損和不易變形。4）工作時(shí)的前進(jìn)阻力小，作業(yè)功耗少。

1.2 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

為設(shè)計(jì)和改進(jìn)開(kāi)溝器的性能，使之更加符合農(nóng)藝要求，諸多學(xué)者致力于模擬研究開(kāi)溝器工作時(shí)的土壤運(yùn)動(dòng)規(guī)律和施加于土壤上的作用力。離散元法（Discrete Element Method，DEM）能夠模擬顆粒材料和研究材料間的微觀宏觀變形、仿真土壤和剛性體間的相互作用[1]，因此，諸多學(xué)者便利用離散元仿真來(lái)模擬開(kāi)溝器和土壤之間的相互作用，再通過(guò)追蹤顆粒運(yùn)動(dòng)來(lái)分析土壤在耕作過(guò)程中的受力和擾動(dòng)情況，以此來(lái)確定開(kāi)溝器工作時(shí)的阻力，從而為開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。開(kāi)溝器的工作過(guò)程是工作部件與土壤間的相互運(yùn)動(dòng)，雖然過(guò)程十分復(fù)雜，但用離散元法來(lái)仿真土壤與開(kāi)溝器之間的相互作用、分析土壤顆粒的流動(dòng)過(guò)程，是比較接近實(shí)際情況的。

2 國(guó)外側(cè)深施肥機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷開(kāi)展側(cè)深施肥技術(shù)研究，并研制出一些具有側(cè)深施肥功能的玉米播種機(jī)型。由于國(guó)外對(duì)于保護(hù)性耕作的研究起步較早，經(jīng)多年的不斷發(fā)展，已經(jīng)形成相對(duì)成熟的理論基礎(chǔ)和健全的配套機(jī)具體系。當(dāng)前，具有代表性的側(cè)深施肥機(jī)包括：美國(guó)John Deere公司的1895型免耕條播機(jī)、意大利馬斯奇奧公司的MT系列播種機(jī)和挪威Kverneland公司的2BQJ6重載型精量點(diǎn)播機(jī)。由于國(guó)外農(nóng)業(yè)大多以平原大地塊作業(yè)模式為主，因此免耕播種機(jī)的工作幅寬大、作業(yè)性能好、自動(dòng)化和智能化程度高，但機(jī)具質(zhì)量偏大，對(duì)動(dòng)力的要求也較高，同時(shí)工作部件的結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。

3 我國(guó)側(cè)深施肥機(jī)開(kāi)溝器的研發(fā)方向

近年來(lái)，針對(duì)側(cè)深施肥免耕播種作業(yè)穩(wěn)定性和作業(yè)質(zhì)量差的實(shí)際情況，科研工作者對(duì)于開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)也主要集中在這兩方面，即減少開(kāi)溝阻力和增加作業(yè)穩(wěn)定性。

3.1 增加作業(yè)穩(wěn)定性

高留茬秸稈覆蓋還田是東北地區(qū)的主流模式，但在玉米免耕播種過(guò)程中，兩行之間受到的阻力不平衡，機(jī)具會(huì)不可避免地產(chǎn)生微小偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致極易出現(xiàn)迂回現(xiàn)象，同時(shí)播種機(jī)由于兩側(cè)受力不均，土壤工作部件易偏向一側(cè)并滑下壟臺(tái)。

為解決上述問(wèn)題，包文育等[2]通過(guò)增加機(jī)具圓錐臺(tái)型導(dǎo)向裝置，并從加大機(jī)器質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心與虛牽引點(diǎn)的距離、減小總阻力及增加橫向阻力等方面來(lái)提高機(jī)器在運(yùn)行過(guò)程中的橫向穩(wěn)定性；趙艷忠等[3]設(shè)計(jì)了一種底肥側(cè)位深施、口肥垂直分施的免耕播種機(jī)側(cè)深分層施肥播種部件，通過(guò)試驗(yàn)確定當(dāng)圓盤直徑352 mm、圓盤夾角14°、圓盤傾角7.5°時(shí)，肥種溝開(kāi)溝器的深度穩(wěn)定性處于較佳狀態(tài)。

3.2 降低作業(yè)阻力

當(dāng)前，對(duì)開(kāi)溝器作業(yè)阻力的研究方向，主要是通過(guò)優(yōu)化原有開(kāi)溝器的相關(guān)參數(shù)來(lái)減小阻力。趙艷忠等[4]通過(guò)離散元土壤模型來(lái)分析導(dǎo)致施肥開(kāi)溝器鏟尖土壤堆積的主要原因，認(rèn)為關(guān)鍵因素是弧式施肥開(kāi)溝器鏟尖曲線根部與鏟柄之間的夾角。

概括來(lái)說(shuō)，開(kāi)溝器的鏟型主要有4種，分別為弧式、單圓式、雙圓式和漸開(kāi)式。王慶杰等[5]設(shè)計(jì)的楔刀型開(kāi)溝器，對(duì)土壤的擾動(dòng)量減少了15%～25%，且開(kāi)溝阻力明顯降低。還有的研究通過(guò)用PVD涂層來(lái)降低摩擦阻力。

近年來(lái)，還有諸多學(xué)者根據(jù)觸土部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用單元仿生和多元耦合仿生技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和改進(jìn)開(kāi)溝器，從而使多種仿生脫附減阻開(kāi)溝機(jī)得到設(shè)計(jì)和發(fā)展。

趙淑紅等[6]參考旗魚(yú)頭部的流線型曲線建立了擬合曲線的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)東北地區(qū)田間播種時(shí)的土壤狀態(tài)和播種農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種仿旗魚(yú)頭部曲線型開(kāi)溝器。之后運(yùn)用離散元法對(duì)工作阻力和土壤擾動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著含水率和開(kāi)溝深度的增加，工作阻力也隨之增加；隨著開(kāi)溝深度的增加，土壤的擾動(dòng)增大；土壤含水率對(duì)土壤的擾動(dòng)寬度和回土深度無(wú)明顯影響。與圓弧型開(kāi)溝器相比，仿旗魚(yú)頭部曲線型開(kāi)溝器的工作阻力小、擾動(dòng)寬度窄、回土深。

此外，賈洪雷等[7]以標(biāo)準(zhǔn)芯鏵式開(kāi)溝器為基礎(chǔ)，在基于狗獾犬齒具有低阻貫穿特性的基礎(chǔ)上，利用仿生學(xué)曲線設(shè)計(jì)了一種滑動(dòng)式開(kāi)溝裝置。與標(biāo)準(zhǔn)芯鏵式開(kāi)溝器相比，滑動(dòng)式開(kāi)溝裝置的相對(duì)阻力變小，因而具有一定的減阻效果。馬延武[8]對(duì)鴨嘴式開(kāi)溝器進(jìn)行了減阻設(shè)計(jì)，其通過(guò)單因試驗(yàn)和二次正交回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，確定了阻力最小的參數(shù)組合為：入土角43°、入土隙角6°、鏟體長(zhǎng)度145 mm、鏟體寬度21 mm。馬云海[9]依據(jù)土壤動(dòng)物與生俱來(lái)的減黏脫土特性和超高分子量聚乙烯優(yōu)異的減黏性能來(lái)改進(jìn)原有的普通開(kāi)溝器，從而使仿生開(kāi)溝器的減黏降阻效果高于普通開(kāi)溝器9%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

高性能的播種開(kāi)溝器能有效減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，且工作阻力較小。近年來(lái)，開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)的主要方向是在穩(wěn)定功耗及保證作業(yè)質(zhì)量的前提下，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以此來(lái)提高入土能力、減輕對(duì)土壤的擾動(dòng)和增加播種機(jī)的橫向穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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Improvement of the Design of Furrow Opener for Deep Fertilization on the Side of Corn Ridge Tillage

JIA Zhenzhen

（Liaoning Modern Agricultural Production Base Construction Engineering Center， Shenyang 110033， China）

Abstract： In the no-till sowing operation of corn， the problem of tilting and even ridge dropping of the fertilizing monomer will occur when the furrow opener works on the ground covered with stubble. Based on the research and development experience of the furrow opener in foreign countries and the actual demand of the no-tillage sowing operation， the design and development status of the furrow opener were introduced from the two aspects of reducing the resistance of furrow opening and increasing the stability of the operation， so as to provide theoretical reference for further improving the performance of the furrow opener.

Key words： "furrow opener; discrete element method; resistance; stability; bionic