麥?玉耕作秸稈混土還田模式下離散元參數(shù)標(biāo)定

摘 要： 麥?玉一年兩熟的江淮、黃淮地區(qū)秸稈混土還田保護(hù)性耕作模式，麥秸稈?土壤混合的種床缺乏準(zhǔn)確的物料相互接觸參數(shù)，阻礙了機(jī)械化玉米精密播種過程中關(guān)鍵部件、種粒、肥料與混合種床相互作用研究，進(jìn)而制約了機(jī)具優(yōu)化與改進(jìn)。采用物理與EDEM 離散元方法結(jié)合研究非連續(xù)體麥秸稈?土壤混合物之間相互作用，選用Bonding V2 黏結(jié)模型搭建柔性麥秸稈段“元顆粒”，選取Hertz-Mindlin with JKR 模型對一定濕度的土壤進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。首先，以圓桶提升麥秸稈和土壤種床混合物堆積角為響應(yīng)值，采用Plackett-Burman 篩選試驗(yàn)和最陡爬坡試驗(yàn)分別對顯著影響因素從大到小排序和縮近最佳取值范圍。利用Box-Behnken 試驗(yàn)構(gòu)建了顯著影響因素與堆積角二階回歸模型，對顯著因素交互項(xiàng)進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，利用Design-Expert 軟件優(yōu)化模型并以實(shí)測堆積角39.94°為目標(biāo)響應(yīng)值，計(jì)算得土壤JKR 表面能0.500、土壤?秸稈動(dòng)摩擦系數(shù)0.065 8、土壤?秸稈JKR 表面能0.262 及土壤?土壤動(dòng)摩擦系數(shù)0.155，仿真驗(yàn)證誤差1.08%，表明標(biāo)定的接觸模型參數(shù)可靠。該研究可為麥?玉保護(hù)性耕作模型下混合種床與機(jī)具精密播種相互作用研究提供參考和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：麥?玉耕作；秸稈還田；混合種床；離散元；接觸模型；堆積角

中圖分類號：S152.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）08-0072-10

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.013

0 引言

機(jī)械化秸稈還田是保護(hù)性耕作的一項(xiàng)核心技術(shù)，也是秸稈資源最為直接有效利用的一種方式[1-2]。冬小麥?夏玉米作為江淮、黃淮地區(qū)一年兩熟旱地作物主要耕作模式之一，前茬小麥聯(lián)合收獲作業(yè)后，將秸稈粉碎并全量還田覆蓋地表，短時(shí)間田塊秸稈晾曬，后通過旋耕機(jī)滅茬松土作業(yè)將秸稈進(jìn)一步打碎均勻埋土，完成田塊混茬整平[3]。這種耕作方式改變種床的物理性狀，造成觸土部件、種粒、肥料與混合種床的相互作用關(guān)系更加復(fù)雜，繼而影響了銜接的玉米精密機(jī)播投種著床位置的不確定性。因此研究混合種床中土壤?麥秸稈相互作用規(guī)律，對改善秸稈還田下玉米精量投種著床的均勻度與整齊度具有重要意義[4-5]。

針對麥秸稈?土壤混合特性復(fù)雜的問題，采用以往試驗(yàn)的方法對非連續(xù)體顆粒材料間碰撞互作研究，受時(shí)節(jié)限制，試驗(yàn)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且很難獲得顆粒間實(shí)時(shí)作用力、位移和速度等參數(shù)信息，制約了堆積顆粒微觀機(jī)理研究發(fā)展[6-8]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近些年，研究人員采用離散元法（DEM）來研究物料顆粒之間的互作效應(yīng)，通過實(shí)際測量與虛擬標(biāo)定對不連續(xù)土壤、秸稈、肥料等顆粒群體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)行為精準(zhǔn)參數(shù)試驗(yàn)[9-11]。張銳等[12] 針對無黏沙土特性，采用Hertz-Mindlin 接觸模型仿真標(biāo)定了摩擦系數(shù)?？紤]東北地區(qū)黏重黑土顆粒間黏結(jié)力，李俊偉等[13] 采用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion 凝聚力接觸模型對不同含水率的土壤進(jìn)行相關(guān)參數(shù)標(biāo)定。為研究機(jī)具觸土部件與含濕土壤互作破碎過程功率消耗，朱浩等[14] 選取Hertz-Mindlin with Bonding（HWB）模型代替土壤顆粒間的液橋，通過Bond 鍵將縮放的沙壤土土壤顆粒黏結(jié)，得出旋耕刀最佳工作參數(shù)。在秸稈離散元仿真參數(shù)標(biāo)定研究方面，施麗莉等[15] 用Hertz-Mindlin 無滑動(dòng)接觸模型構(gòu)建了粉碎后水稻秸稈剛性體模型，對其拋撒過程的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)軌跡仿真分析。廖宜濤等[16]、田辛亮[17] 以油菜和玉米秸稈為研究對象，應(yīng)用Hertz-Mindlin 基本模型和圓筒提升堆積法，以堆積角為響應(yīng)值，優(yōu)化秸稈與邊緣接觸參數(shù)。鐘曉康等[4] 為探究秸稈?土壤混合介質(zhì)下土壤應(yīng)力傳遞特性，采用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)模型設(shè)置由9 個(gè)半徑8 mm 的顆粒堆積而成玉米秸稈剛性球柱體模型，在秸稈含量不同條件下土壤顆粒運(yùn)動(dòng)行為的變化規(guī)律。綜上所述，對農(nóng)業(yè)離散元仿真標(biāo)定研究主要集中在種粒、土壤或秸稈單一材料，在材料特性主要以剛性體作為仿真研究對象，而在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對江淮地區(qū)麥?玉耕作模式下具有柔性特征的麥秸稈?土壤混合種床離散元接觸研究鮮有報(bào)道。

本研究采用物理實(shí)測與虛擬仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對麥秸稈?土壤混合物的離散元模擬模型參數(shù)進(jìn)行了精確標(biāo)定，采用Bonding V2 接觸模型將多個(gè)填充球莖稈單元黏結(jié)成元顆粒，構(gòu)建柔性秸稈模型，并選擇Hertz-Mindlin with JKR 接觸模型來標(biāo)定含濕土壤顆粒接觸參數(shù)，以休止角為響應(yīng)值，通過麥秸稈與土壤種床混合物圓筒提升試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，通過仿真驗(yàn)證和實(shí)測對比獲得最優(yōu)影響因素參數(shù)值，以期在前茬麥秸稈還田條件下混合種床與精密機(jī)具播種作業(yè)互作效應(yīng)研究提供參數(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 測試材料

選取江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所南通薛窯基地（32°7′N，120°37′E）麥秸稈?土壤混合物材料為研究對象，土壤pH 值約7.3，年降水量約990 mm，土壤有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分狀況適合種植小麥、玉米和大豆等作物。

所選田塊前茬小麥于2023 年6 月2 日機(jī)械化收獲后秸稈粉碎覆蓋還田，采用手扶式旋耕機(jī)于2023 年6月7 日對田塊進(jìn)行淺旋破茬松土作業(yè)，麥秸稈混入土壤10 cm 耕層，因此選用田塊0～10 cm 深度混合物為研究對象。田塊形狀為長條形，采用等距法隨機(jī)在3個(gè)田畦多點(diǎn)進(jìn)行取樣，每個(gè)取樣點(diǎn)均為10 cm 邊長的正方體混合體，將麥秸稈和土壤分離稱質(zhì)量，分別計(jì)算質(zhì)量占比和容積密度，采用烘干法分別測量秸稈和土壤的含水率，采用比重瓶法對烘干后土壤進(jìn)行顆粒密度測量，麥秸稈密度按測量參考文獻(xiàn)[18]，種床麥秸稈?土壤混合物本征參數(shù)測量結(jié)果如表1 所示。

采用篩分法對土壤顆粒粒徑進(jìn)行分析，不同直徑孔標(biāo)準(zhǔn)土壤篩對烘干后土壤顆粒粒徑分布進(jìn)行篩分，取3 次樣重復(fù)，粒徑占比如表2 所示，其中[0， 1] mm粒徑間質(zhì)量占比24.44%，粒徑在（1， 3] mm 顆粒質(zhì)量占比49.62%，（3， 5] mm 顆粒質(zhì)量占比25.94%。

1.2 試驗(yàn)方法

采用圓筒提升物理試驗(yàn)方法和EDEM 離散元模擬試驗(yàn)方法相結(jié)合的方法對麥秸稈?土壤混合物參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。對秸稈和土壤顆粒進(jìn)行建模，以此為種床混合物建模提供基礎(chǔ)，分析仿真種顆粒?顆粒、顆粒?邊界接觸模型與參數(shù)范圍， 利用Design-Expert 軟件的Plackett-Burman 部分篩選出對麥秸稈?土壤休止角影響顯著影響因數(shù)，并通過最陡爬坡試驗(yàn)縮進(jìn)各參數(shù)的最佳區(qū)間，后通過Box-Behnken 試驗(yàn)建立顯著影響因素與堆積角二階回歸模型，采用Design-Expert 軟件優(yōu)化模型并以實(shí)測堆積角為大小求解最優(yōu)因素?cái)?shù)值大小，反向仿真驗(yàn)證種床接觸參數(shù)標(biāo)定的正確性[19]。

1.3 麥秸稈-土壤混合物休止角物理試驗(yàn)

采用圓筒提升試驗(yàn)搭建麥秸稈?土壤種床混合物靜態(tài)休止角物理測試裝置，如圖1 所示，采用試驗(yàn)臺架夾爪固定長150 mm、外徑70 mm、壁厚2 mm 的玻璃材質(zhì)圓管，初始狀態(tài)下豎直放在2 mm 厚的玻璃板（200 mm×200 mm）正中間，取用500 g 土壤，根據(jù)混合物質(zhì)量占比調(diào)制好含水量的麥秸稈?土壤在圓管內(nèi)，均勻提升圓管直至混合物全部落下穩(wěn)定后，采用高清相機(jī)鏡頭面垂直于玻璃板拍照，獲得麥秸稈?土壤堆積角主視圖，如圖1 所示。

截取混合物堆積角主視圖均勻有效邊緣部分圖片，通過MATLAB 軟件編程與調(diào)用相關(guān)庫函數(shù)，對混合物堆積角依次進(jìn)行灰度處理、二值化處理、canny 邊緣檢測和最小二乘法線性擬合步驟，如圖2 所示。將混合物有效輪廓擬合成直線，進(jìn)而通過AutoCAD 完成邊緣線與底邊線夾角，重復(fù)試驗(yàn)10 次，取結(jié)果平均值，得到麥秸稈?土壤混合物的休止角39.94°。

2 麥秸稈?土壤混合物休止角模擬試驗(yàn)

2.1 麥柔性秸稈模型建立

通過上述麥秸稈?土壤混合物秸稈的分離，秸稈形狀為中空圓柱體，隨機(jī)挑選112 根利用直尺進(jìn)行長度測量。由圖3 可知，秸稈長度不一，滿足正態(tài)分布，集中于30～60 mm 長度秸稈占比超64%。因此，在仿真建模中，擬確定混料種床中秸稈長度40 mm，設(shè)定秸稈直徑為均值4.34 mm[18，20]。

真實(shí)的小麥莖稈具有剛?cè)狁詈闲?，剛性秸稈模型中各個(gè)顆粒位置固定，不能模擬高纖維秸稈在受力下發(fā)生彎曲變形[21]。因此，在混合種床顆粒間互作和玉米精量投種著床顆粒碰撞受力中可能帶來較大誤差。本研究采用“Bonding V2”接觸模型更好地構(gòu)建“元顆?！狈抡娼斩挾?，綜合上述小麥秸稈形狀與特征尺寸，采用半徑2.17 mm 單球顆粒為秸稈單元模型，設(shè)定在顆粒工廠生成秸稈時(shí)刻發(fā)生相互粘結(jié)，為保證秸稈單位顆粒能夠在創(chuàng)建黏結(jié)鍵，設(shè)定單元顆粒排列間的中心距離5.34 mm（顆粒直徑），將兩個(gè)顆粒的接觸半徑在鍵形成時(shí)間重疊，繼而將 8 個(gè)單元顆粒沿著秸稈軸向線性填充（圖4），秸稈段長度大小分布隨機(jī)系數(shù)0.8～1.2，黏結(jié)半徑大小按式（1）計(jì)算。