基于離散元法的多功能集成式開溝裝置設計

白旭普 王振華 翟改霞 吳海華 周海燕 楊葆華

摘要：針對牧草免耕播種機進行退化草原補播作業(yè)時存在土壤擾動明顯、播種深度不均勻、種溝保墑能力差等問題，設計一款集切根、開溝、回土功能于一體的多功能集成式開溝裝置。該裝置采用平面圓盤破土切根，隨后采用倒“T”型開溝器形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的種溝并清理種子周圍土壤內(nèi)的根莖，最后由回土機構(gòu)將開溝過程中被擠壓至地表的土壤回填至種溝內(nèi)對種子進行掩埋。采用離散元法輔助開溝裝置設計，選用Hertz-Mindlin with JKR接觸模型創(chuàng)建土壤離散元模型。通過離散元仿真試驗確定開溝器連接柄與地面夾角為90°時作業(yè)效果最佳。通過分析回土機構(gòu)工作過程受力情況，確定仿形機構(gòu)彈簧勁度系數(shù)為0.6 N/mm，彈簧初始壓力為60 N。開展田間試驗與離散元仿真試驗檢驗多功能集成式開溝裝置作業(yè)效果，試驗結(jié)果表明該裝置最佳作業(yè)速度范圍為0.8～1.2 m/s；作業(yè)過程土壤擾動較小，側(cè)壟寬不超過50 mm；開溝深度穩(wěn)定可控，種溝深度波動不超過5 mm；回土機構(gòu)作業(yè)效果良好，有助于改善種溝保墑能力。

關(guān)鍵詞：開溝裝置；離散元法；草原補播；開溝器；回土機構(gòu)

中圖分類號： S223.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0001-07

收稿日期：2022年9月8日

修回日期：2023年2月10日

*基金項目：國有資本經(jīng)營預算項目（GZ202006）

第一作者：白旭普，男，1998年生，河北邯鄲人，碩士研究生；研究方向為農(nóng)牧業(yè)機械化工程。E-mail： xzcf201608@163.com

通訊作者：王振華，男，1975年生，內(nèi)蒙古通遼人，博士，研究員，碩導；研究方向為農(nóng)牧業(yè)機械。E-mail： wzhh2008@yeah.net

Design of multifunctional furrow opening device based on discrete element method

Bai Xupu¹， Wang Zhenhua²， Zhai Gaixia²， Wu Haihua¹， Zhou Haiyan³， Yang Baohua¹

（1. Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences Group Co.， Ltd.， Beijing， 100083， China;

2. Hohhot Branch of Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences Co.， Ltd.， Hohhot， 010010， China;

3. State Key Laboratory of Soil Plant Machinery System Technology， Beijing， 100083， China）

Abstract： In view of the problems such as obvious soil disturbance， undulation of seeding depth and poor moisture retention capacity of furrow when no-tillage seeder is applied to reseeding of degraded grassland， a multifunctional furrow opening device is designed， which integrates functions of cutting roots， opening furrows and returning soil. A flat disc is used to break the soil and cut the roots. Then an inverted T-furrow opener is applied to form a stable furrow and clean the roots around the seeds. In the final stage， the soil-returning mechanism is applied to bury the seeds with the soil that has been squeezed out of the ground during the furrow opening process. The discrete element method was used to assist the design of the multifunctional furrow opening device. Hertz-Mindlin with JKR contact model was applied to create a discrete element soil model. The results of discrete element method simulation showed that the best operation effect of inverted T-furrow opener was achieved when the connecting shank was vertical. Analyzing the force of the soil-returning mechanism， the stiffness coefficient of the spring was determined to be 0.6 N/mm， and the initial pressure of the spring was determined to be 60 N. Field experiment and discrete element simulation test were carried out to verify the operation effect of the multifunctional integrated trenching device. The test results show that the optimal operating speed range of the device is 0.8-1.2 m/s. The soil disturbance was small and the side ridge width was not more than 50 mm. The grooving depth is stable and controllable， and the fluctuation of the grooving depth does not exceed 5 mm. The operation effect of soil return mechanism is good， which is helpful to improve the soil moisture retention ability of planting ditch.

Keywords： furrow opening device; discrete element method; prairie reseeding; furrow opener; soil-returning mechanism

0 引言

近年來，由于氣候變暖、病蟲災害、超載放牧等原因，草原退化現(xiàn)象日益嚴重，改良退化草原已成為當前一項亟待解決的任務^[1]。使用免耕播種機開展補播作業(yè)是目前最常用的退化草原改良手段之一^[2]。播種機開溝效果對種子成活率影響顯著。為改善開溝效果，研究人員對開溝部件進行深入研究，發(fā)明鏟式^[3]、鑿式^[4]、芯鏵式^{[5， 6]}、滑刀式^[7]、彎柄式^[8]、雙圓盤式^[9]等多種開溝器，并通過大量試驗對各類開溝器的作業(yè)特點和作業(yè)參數(shù)進行分析^{[10， 11]}。虛擬仿真技術(shù)和參數(shù)化設計的應用使開溝裝置整體結(jié)構(gòu)與局部曲線更加符合力學原理^[12]。近年來，研究人員將仿生學應用于開溝裝置結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化，在減小開溝阻力、增強入土能力等方面取得較大進展^[13-16]。退化草地土壤表層較硬，土壤肥力下降，保墑能力差，且內(nèi)含大量雜亂分布的植物根莖?，F(xiàn)有開溝裝置多針對農(nóng)田作業(yè)環(huán)境設計，應用于退化草原補播作業(yè)時會出現(xiàn)土壤擾動明顯、播種深度不均勻、種溝保墑能力差等問題，不利于牧草種子發(fā)芽生長。

針對上述問題，本文采用理論分析、離散元仿真、試驗驗證相結(jié)合的方法，研發(fā)一款具備切根、開溝、回土三項功能的多功能集成式開溝裝置，以期改善草原補播作業(yè)效果，減小開溝作業(yè)對草原土壤環(huán)境的破壞。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

草原免耕補播機多功能集成式開溝裝置由切根圓盤、倒“T”型開溝器、回土機構(gòu)、排種管及安裝架組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

切根圓盤置于開溝裝置前端，對開溝路徑上的植被及其根莖進行縱向切除，同時在土壤中形成一道較窄的溝壑，可避免開溝器纏草，減小開溝器前進阻力。倒“T”型開溝器沿切根圓盤形成的溝壑進行二次開溝，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的種溝，有助于控制播種深度，降低晾籽率。切根圓盤與開溝器之間距離極短，切根與開溝銜接流暢，作業(yè)軌跡重合度高，有助于降低作業(yè)阻力^[17]。種子經(jīng)位于開溝器后方的排種管排出落入種溝?；赝翙C構(gòu)前進過程中下壓被開溝器抬升的土壤，同時將被開溝器擠壓出地面的細碎土壤回填至種溝內(nèi)對種子進行掩埋，以改善鎮(zhèn)壓效果，提高種溝保墑能力。

2 土壤離散元仿真模型的創(chuàng)建

2.1 接觸模型的選取

本文在離散元分析軟件EDEM環(huán)境下創(chuàng)建虛擬土槽對開溝裝置作業(yè)過程進行仿真，以分析開溝裝置作業(yè)特點，優(yōu)化設計方案。草原土壤土質(zhì)緊實，具有一定黏性，可表現(xiàn)出顯著的塑性行為。根據(jù)草原土壤特點，參考軟件內(nèi)置NonCompressible Sticky Material材料模型，本文土壤顆粒選用單圓球模型，并選用Hertz-Mindlin with JKR接觸模型創(chuàng)建土壤離散元模型。Hertz-Mindlin with JKR模型強調(diào)顆粒表面能的作用，可對顆粒黏連、團聚情況進行仿真，能夠真實反映退化草原土壤特點^[18]。

為減小土壤容器對仿真過程的影響，土壤容器材質(zhì)與土壤顆粒材質(zhì)保持一致，容器與土壤顆粒間接觸模型與土壤模型內(nèi)部顆粒間接觸模型保持一致。本文選用65Mn作為機具材料，并采用Hertz-Mindlin with JKR模型作為機具與土壤間接觸模型以反映土壤黏性對開溝過程的影響。

2.2 土壤模型關(guān)鍵參數(shù)設置

結(jié)合文獻資料與土壤樣本試驗測試數(shù)據(jù)初步確定離散元仿真參數(shù)，在此基礎(chǔ)上通過土壤堆積角試驗檢驗土壤模型仿真程度并優(yōu)化模型參數(shù)，使土壤模型的力學特性更加接近真實土壤，以保證仿真結(jié)果的可靠性。

從田間采集0～100 mm深度范圍內(nèi)土壤樣本開展研究。采樣地土壤較為緊實，土壤樣本中含有較小團塊及少量細碎植物根莖。采用烘干法測定土壤含水率，共進行10組試驗。按照干基含水率公式計算土壤水分含量，測得土壤樣本含水率平均值為13.3%，平行測定結(jié)果相差不超過0.3%。開展土壤堆積角試驗，將土壤樣本存放于圓柱體容器內(nèi)，緩慢抬升容器使土壤由容器底部自然下落，待土壤堆積穩(wěn)定后測量土壤堆積角。共進行平行試驗10次，計算土壤樣本堆積角平均值為30.7°，標準差為3.1°。

通過查閱資料^[19-21]，結(jié)合土壤樣本試驗數(shù)據(jù)初步確定仿真參數(shù)。參照土壤堆積角試驗創(chuàng)建試驗裝置模型并開展仿真試驗，如圖2（a）、圖2（b）所示。將土壤模型堆積角與現(xiàn)實土壤進行對比，根據(jù)對比結(jié)果對仿真參數(shù)進行調(diào)整，記錄最佳參數(shù)組合。經(jīng)調(diào)整的土壤模型堆積角為28.3°，與現(xiàn)實土壤堆積角相差僅2.4°，如圖2（c）、圖2（d）所示。最終確定的各項仿真參數(shù)如表1所示。

2.3 創(chuàng)建虛擬土槽

根據(jù)播種深度、種溝間距、機具尺寸確定土壤模型尺寸（長×寬×高）為1200 mm×300 mm×120 mm。在軟件環(huán)境中創(chuàng)建1200 mm×300 mm×200 mm的無蓋幾何體作為土壤容器。在幾何體頂部創(chuàng)建1200mm×300mm矩形顆粒工廠生成土壤顆粒。顆粒生成完畢后，經(jīng)平整形成1200 mm×300 mm×120 mm土壤顆粒結(jié)合體。至此，虛擬土槽創(chuàng)建完成，如圖3所示。

3 關(guān)鍵部件設計

3.1 切根圓盤設計

常見切根圓盤有缺口圓盤、波紋圓盤、平面圓盤、凹面圓盤等。本文選用受力平穩(wěn)的平面圓盤開展切根作業(yè)。切根圓盤如圖4所示，直徑300 mm，切根深度可達100 mm，圓盤兩面為光滑平面，最大程度降低工作阻力，減小土壤擾動。圓盤邊緣采用內(nèi)凹形曲線設計，以保證刃口鋒利，增強破土能力和切割能力。

3.2 倒“T”型開溝器設計

3.2.1 倒“T”型開溝器結(jié)構(gòu)及工作原理

倒“T”型開溝器由連接柄、切根刀片及成型塊三部分組成，裝配后三者前端45°刃口重合，開溝器整體為對稱結(jié)構(gòu)，形如倒立字母“T”，如圖5所示。開溝深度可達100 mm。

連接柄擠壓前進路徑上的土壤形成種溝。成型塊位于開溝器底部，能夠?qū)⒎N溝側(cè)壁土壤向兩側(cè)擠壓，清除種子周圍的植物根莖，降低種子生存壓力。成型塊底部的條紋設計可以起到破碎土塊，壓實種溝的功能。切根刀片位于連接柄和成型塊之間，兩側(cè)刀刃部分超出成型塊邊緣，前進過程中可以對成型塊擠壓的根莖進行切除。成型塊對切根刀片具有固定支撐的作用，能夠增強刀片的抗彎折能力，延長刀片使用壽命。

3.2.2 倒“T”型開溝器連接柄傾角的選取

開溝器連接柄與地面的夾角對開溝作業(yè)效果具有顯著影響。為確定連接柄最佳安裝傾角，本文對不同傾角連接柄作業(yè)過程中的受力情況與土壤擾動情況進行離散元仿真。連接柄與開溝器前進方向的夾角包括銳角、直角、鈍角三種情況，與之對應建立60°、90°、120°三種夾角的連接柄模型，如圖6所示。將模型導入離散元軟件，在虛擬土槽中進行仿真試驗，開溝深度為60 mm，前進速度為1m/s，連接柄刀刃于Y-Z平面內(nèi)平移，前進方向為Y軸正方向。定時采集連接柄模型運動過程的受力情況，計算得到模型穩(wěn)定運動過程受力平均值如表2所示。開溝過程土壤擾動情況如圖7所示。

仿真結(jié)果表明，連接柄與前進方向夾角為120°時工作阻力最小，60°時工作阻力最大。120°夾角連接柄工作過程土壤擾動最大，易造成明顯翻土。90°與60°夾角連接柄對土壤的抬升較小，可有效避免翻土。綜合對比三種連接柄受力情況與土壤擾動情況，最終采用連接柄與開溝器前進方向夾角為90°的設計方案。

3.2.3 切根刀片設計

草原退化過程中草層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，優(yōu)質(zhì)牧草逐漸被雜草替代。根莖型及根莖疏叢型植物的增多使土壤中根莖數(shù)量大增，導致土壤更加緊實，進一步加快草原退化進程。

本文在開溝器中加入切根刀片，開溝同時對種溝兩側(cè)的根莖進行橫切，以減小種子周圍雜草過度生長對種子發(fā)芽產(chǎn)生的抑制作用。切根刀片結(jié)構(gòu)如圖8所示，切根刀片前端為45°尖角，邊緣不開刃，裝配后與成型塊前端重合。刀身后半部分采用漸寬式結(jié)構(gòu)設計，邊緣開刃，可對種溝兩側(cè)根莖進行切除。刀刃與刀片前進方向夾角僅8.5°，以降低刀片前進阻力，增強刀片滑切效果，便于切割柔韌性較強的根莖。刀身最寬部分僅46 mm，將橫切范圍限定于種子周圍的小片區(qū)域，以避免大面積翻土。

3.3 回土機構(gòu)設計

3.3.1 回土機構(gòu)組成及工作原理

回土機構(gòu)由回土輥及仿形機構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

回土輥整體呈沙漏型，圓輥邊緣分布凹槽以加強滾動效果，如圖10所示?；赝凛仢L動前進過程中可以下壓開溝作業(yè)抬升的土壤，并可以將種溝兩側(cè)被開溝器擠壓出地面的土壤匯聚至種溝內(nèi)對種子進行掩埋，進而改善鎮(zhèn)壓效果，提高種溝保墑能力。

仿形機構(gòu)采用搖桿滑塊原理，由搖桿、連桿、滑塊、滑軌、彈簧等部件組成，仿形高度范圍達100 mm，可使回土機構(gòu)適應不同播種深度，保持回土輥壓緊地面，避免地形變化與作業(yè)過程中的障礙物對機具造成損傷。

3.3.2 確定回土機構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

為保證回土機構(gòu)作業(yè)效果，需要彈簧具有一定的初始壓力并且達到一定勁度系數(shù)。通過離散元仿真試驗模擬回土輥工作過程，測得回土輥受土壤作用力的水平方向最大分量為10.5 N，豎直方向最大分量為31.1 N。為保證回土效果，將仿真數(shù)據(jù)擴大50%作為設計標準，要求回土機構(gòu)正常工作狀態(tài)下，回土輥對土壤豎直壓力至少為46.65 N，水平推力至少為15.75 N，據(jù)此確定彈簧勁度系數(shù)與初始壓力，保證回土輥貼緊土壤并能夠推動土壤運動?；赝翙C構(gòu)作業(yè)過程中仿形機構(gòu)的受力情況如圖11所示。

仿形機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸滿足

l₃·sinβ=l₂·sinα+h（1）

式中： l₂——連桿搖桿鉸接處與搖桿轉(zhuǎn)軸間距離，mm；

l₃——連桿長度，mm；

h——搖桿轉(zhuǎn)軸與滑塊初始位置豎直距離，mm；

α——搖桿與水平面夾角，（°）；

β——連桿與水平面夾角，（°）。

由力的傳遞過程可得

F₂=F·cosβ=（F₃+F₀）·cosβ（2）

式中： F₂——連桿對搖桿作用力，N；

F₃——搖桿擺動導致的彈簧對滑塊壓力增長量，N；

F₀——彈簧對滑塊的初始壓力，N；

F——彈簧壓力，N。

由胡克定律可得

F₃=k·d=k·（l₂·cosα+l₃·cosβ－l₀）（3）

式中： l₀——搖桿轉(zhuǎn)軸與滑塊初始位置水平距離，mm；

k——彈簧勁度系數(shù)，N/mm；

d——滑塊位移，mm。

為維持搖桿穩(wěn)定，需要搖桿所受轉(zhuǎn)矩平衡

F₂·l₂·sin（α+β）=F₁·l₁·sin[180°－（α+γ）]（4）

式中： l₁——搖桿長度，mm；

γ——回土輥對搖桿作用力與水平面夾角，（°）；

F₁——回土輥對搖桿作用力，N。

正常作業(yè)狀態(tài)下，搖桿與水平面夾角處于30°～90°。仿形機構(gòu)各部件的受力情況隨搖桿角度變化而發(fā)生非線性變化。利用Matlab對搖桿處于不同位置時回土作業(yè)所需彈簧壓力及理論彈簧勁度系數(shù)進行計算。不同搖桿傾角下回土作業(yè)所需彈簧壓力如圖12所示，彈簧壓力最小為49.41 N，最大可達120.44 N，對彈簧壓力需求最小的位置為搖桿豎直狀態(tài)，此時滑塊位移為零，因此彈簧至少需要49.41 N的初始壓力。在為彈簧施加50 N初始壓力的情況下計算搖桿處于不同傾角時回土作業(yè)對彈簧勁度系數(shù)的理論需求值，避免出現(xiàn)彈簧勁度系數(shù)需求值無限大的計算結(jié)果。不同搖桿傾角下回土作業(yè)對彈簧勁度系數(shù)的理論需求值如圖13所示，對彈簧勁度系數(shù)要求最高的位置為搖桿接近豎直狀態(tài)時，理論彈簧勁度系數(shù)需求值為0.52 N/mm。由于彈簧初始壓力50 N足以滿足搖桿與水平面夾角接近90°時回土作業(yè)對彈簧壓力的需求，因此曲線末尾部分出現(xiàn)理論彈簧勁度系數(shù)驟降的情況。

基于理論計算結(jié)果，最終確定彈簧勁度系數(shù)為0.6 N/mm，彈簧初始壓力為60 N，彈簧初始壓縮量為100 mm，以保證搖桿處于正常工作范圍內(nèi)任何位置時，回土輥都能對土壤產(chǎn)生足夠的壓力與推動力。

4 試驗測試

4.1 離散元仿真試驗

將多功能集成式開溝裝置裝配模型導入離散元仿真軟件，設定機具前進速度為1 m/s，開溝深度為60 mm。在排種管內(nèi)添加顆粒工廠生成初始下落速度為1 m/s的顆粒，模擬氣力式排種過程。觀察開溝裝置的開溝效果、埋種效果以及土壤擾動情況。開溝裝置作業(yè)過程如圖14所示，作業(yè)效果如圖15所示。

仿真結(jié)果表明，該開溝裝置能夠形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的種溝，有助于控制播種深度。播種連續(xù)性良好，晾籽率低?；赝列Ч@著，土壤擾動較小。裝置整體作業(yè)效果達到預期目標。

調(diào)整開溝裝置前進速度重復開溝過程離散元仿真試驗，探究機具速度對開溝效果的影響。裝置速度變化范圍為0.6～1.4 m/s，每組試驗速度相差0.1 m/s。采集開溝過程中機具前進方向所受阻力，計算阻力平均值如表3所示。結(jié)果表明開溝裝置前進速度越快，所受阻力越大。機具速度過快難以保證播種均勻性和連續(xù)性。綜合考慮工作阻力、作業(yè)效果，作業(yè)效率等因素，開溝裝置最佳作業(yè)速度范圍為0.8～1.2 m/s。

4.2 田間試驗

試驗于呼和浩特市樊家窯試驗站開展，將多功能集成式開溝裝置樣機安裝于試驗播種機上，播種機前進速度控制在3.6 km/h左右。分別進行兩組試驗，第一組試驗回土機構(gòu)固定，不接觸地面，以觀察開溝效果；開溝作業(yè)完成后，隨機選擇20個取樣點測量種溝深度和側(cè)壟寬，分析種溝深度均勻性和機具作業(yè)過程土壤擾動。第二組試驗回土機構(gòu)接觸地面，以觀察回土效果。田間試驗場景如圖16所示。

試驗數(shù)據(jù)如表4所示。計算種溝深度平均值為59.8 mm，標準差為1.36 mm，溝深波動不超過5 mm。試驗證明本文設計的多功能集成式開溝裝置能夠形成深度均勻的種溝。種溝側(cè)壟寬可控制于50 mm以內(nèi)，證明該裝置開溝過程土壤擾動較小，不易造成明顯翻土。觀察開溝裝置作業(yè)效果，結(jié)果表明倒“T”型開溝器能夠精準切除種子周圍土壤內(nèi)植物根莖，同時可有效避免對土壤環(huán)境造成大面積破壞；回土機構(gòu)回土效果顯著，能夠起到填埋種溝的作用，有助于提高種溝保墑能力。

5 結(jié)論

1） 針對退化草原土壤環(huán)境，設計一款多功能集成式開溝裝置，關(guān)鍵作業(yè)部件包括切根圓盤、倒“T”型開溝器和回土機構(gòu)。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，可一次性完成切根、開溝、回土作業(yè)。

2） 創(chuàng)建土壤離散元模型，通過離散元仿真輔助開溝裝置設計。綜合運用理論分析、離散元仿真與Matlab編程計算等方法，確定開溝器連接柄與地面夾角為90°，確定回土機構(gòu)彈簧勁度系數(shù)為0.6 N/mm，彈簧初始壓力為60 N。

3） 田間試驗和離散元仿真試驗結(jié)果表明，該裝置最佳作業(yè)速度范圍為0.8～1.2 m/s；切根圓盤與倒“T”型開溝器的組合能夠形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、深度均勻的種溝，溝深波動不超過5 mm；開溝過程對周邊土壤擾動較小，側(cè)壟寬不超過50 mm；回土機構(gòu)回土效果顯著，有助于提高種溝保墑能力。試驗證明該多功能集成式開溝裝置整體作業(yè)效果良好，有助于改善草原補播作業(yè)效果，具有實際應用價值。

參 考 文 獻

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