基于離散元法的移動式開溝器秸稈擾動規(guī)律研究

中圖分類號：S222.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0012-09

Abstract：Toaddress theproblemofmobilefurrowopeners becoming blockedbystrawduring no-tilloperations，adiscrete element model was developed toanalyzetheinteractionsamong thefurowopener，straw，andsoilStraw displacementwas usedas the primaryevaluationindicator，andsinglefactorexperiments wereconductedtoexaminetheefectsof strawcovrage， operating spee，working depth，transversespacing，andlongitudinal spacingonthisindicator.Acolision model wasalso constructed tostudy forces betweensoilandstraw.Toevaluatethe furowopener'sdisturbanceeffectsonsoilatboth micro and microlevels，thecrossectionalareaandexcavationratewereusedasadditionaltestindicators.Theresultsshowed thatallexperimentalfactorssigniicantlyinfluencedstrawdisplacement，withhorizontaldisplacementbeingthemostaffected followedbylateralandverticaldisplacements.Thehorizontaldisplacementdecreasedwithincreasingstrawcoveragebut increasedconsistentlywithoperatingspeed.Itfirstdecreasedandthenincreasedwithgreatertransversespacingand workingdepth，anddecreasedwithincreasedlongitudinalspacing.Thevelocitydistributioncurveofsoilparticlescloselymatched boththearcof thecuttingbladeandthestraw’svelocitydistribution.Therelativeerorsinthecros-sectionalareaof the front and rear furrow openers were 2.48% and 5.2% ，respectively，while the relative errors in excavation rate were 0.27% and 5.14% ，respectively. These results providea theoretical foundation for optimizing thedesign of mobile furow openers to reduce blockages during no-tillfarming operations. Keywords：mobile furrow opener;no-tillsowing;discrete element simulation；straw displacement；soil disturbance

0 引言

在保護性耕作中，作物秸稈覆蓋在地表，可以減少土壤流失、改善土壤結(jié)構(gòu)，對生產(chǎn)效益和生態(tài)環(huán)境都有積極作用1。其中，秸稈覆蓋在地表使得播種機在農(nóng)田中的相互作用關(guān)系從機具一土壤轉(zhuǎn)變?yōu)闄C具一秸稈—王壤。然而，對于輕簡型免耕播種機而言，其較輕的質(zhì)量和簡單的結(jié)構(gòu)[2]，易被秸稈堵塞，影響播種機的通過性[3]。因此，為分析秸稈擁堵現(xiàn)象，對秸稈和土壤的擾動規(guī)律進行研究，分析開溝器一秸稈一土壤的作用機理。

近年來，國內(nèi)外學者針對機具一秸稈一土壤的研究方法主要包括傳統(tǒng)試驗和離散元仿真試驗。在傳統(tǒng)試驗方面，Eltom等[4]研究了小麥秸稈位移與犁地速度、耕作深度和覆草板附著的關(guān)系，確定低速作業(yè)會導致更大的秸稈位移，但有無覆草板對秸稈位移并無影響。徐高明等[5]通過示蹤法研究秸稈—土壤—旋耕機系統(tǒng)中的關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)，并分析作業(yè)參數(shù)對秸稈位移和旋耕埋草效果的影響。Zhang等6分析了秸稈在圓輥爪防堵裝置作用下的位移，結(jié)果表明，秸稈前移量比側(cè)向位移大，且裝置速度的增加導致秸稈總位移量增加。Xu等利用田間試驗臺分析秸稈長度、耕作深度和轉(zhuǎn)速對秸稈位移的影響，確定影響秸稈位移的顯著順序為耕作深度、秸稈長度、轉(zhuǎn)速。郭俊等8根據(jù)秸稈位移，確定反旋作業(yè)對地表秸稈位移的影響大于正旋作業(yè)。Liu等[9通過土槽試驗研究耕耘機刀軸對秸稈位移的影響，確定耕作速度的增加會降低秸稈的深埋率，且秸稈的正向位移隨耕作速度的增加而增加。在離散元仿真試驗方面，Liu等[1°通過建立離散元模型分析“T”型犁溝開溝器、秸稈和土壤之間的相互作用，確定開溝器側(cè)向葉片形狀和工作速度及其相互作用對拔模力、下壓力、土壤位移和秸稈位移都有顯著影響。趙淑紅等[1]基于深松鏟—土壤—秸稈—根茬離散元模型，分析秸稈位置、角度、數(shù)量和根茬狀態(tài)對秸稈位移的影響。方會敏等[12]建立了秸稈一土壤—旋耕刀的離散元模型，分析旋耕刀作業(yè)參數(shù)對秸稈位移的影響。Zeng等[13]建立土壤—機具—秸稈殘茬的離散元仿真模型，指出秸稈位移隨機具作業(yè)速度的增加而增加。上述學者都從不同角度分析耕作機具一秸稈一土壤的相互作用機理，有的學者甚至在相互作用機理的基礎(chǔ)上設(shè)計防堵裝置，如王韋韋等[4通過分析秸稈微觀運動和秸稈移位效果，設(shè)計主動式秸稈移位防堵裝置。孫萌萌等[15設(shè)計了齒盤式秸稈移位裝置，通過運動學分析影響秸稈移位的重要因素，并通過離散元仿真確定秸稈移位裝置的最佳參數(shù)組合。這些防堵裝置在一定程度上解決了秸稈擁堵問題，但對于輕簡型免耕播種機上的移動式開溝器，尚未有人進行移動式開溝器一秸稈一土壤的相互作用研究。

本文結(jié)合輕簡型免耕播種機的特點以及黃淮海地區(qū)的免耕播種模式，通過離散元仿真和土槽試驗，研究開溝器關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)對秸稈位移和土壤擾動的影響，為移動式開溝器的防堵機理提供理論依據(jù)。

開溝器結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用移動式開溝器進行試驗，設(shè)計參數(shù)包括開溝器的入土角、入土隙角和刃口曲線等。

1. 1 入土角

合適的入土角 α 便于開溝器入土，同時將土壤以及秸稈進行分流，開辟出良好的種床環(huán)境，利于播種。因此對刃口曲線上的點A進行受力分析，如圖1所示。將土壤簡化為一個質(zhì)點，忽略土壤間以及王壤與秸稈間的相互碰撞。

圖1點A的受力分析Fig.1Force analysis of point A

以點A作為坐標原點，建立水平坐標系 xOy ，則受力平衡方程如式（1）所示。

式中： F_s 1 開溝器所受土壤的阻力，N；F_f 一土壤對開溝器的摩擦力， F 開溝器對土壤的推力，N；G 土壤自身重力，N；μ 1 土壤與開溝器的摩擦系數(shù)。

由式（1）得

開溝器工作過程中，人王角 α 過大，會增大人王阻力；入土角 α 過小使得開溝器鏟尖過長，開溝器結(jié)構(gòu)強度減弱。人土角 α 應大于 30^° ，結(jié)合文獻[16]中對開溝器入土角的試驗結(jié)果，確定開溝器人土角 α 為 55^° 。

1. 2 入土隙角

入土隙角 β 是開溝器底面與地面間的夾角，過大會減小開溝器鏟尖強度和回土效果；過小會減弱入土效果。人土隙角 β 的取值范圍一般是 0^°～12^° ，結(jié)合文獻[17中對不同入土隙角的受力分析，確定入土隙角為 5^° 時，前進阻力最低，因此，取入土隙角 β 為 5^° 。

1.3 刃口曲線

開溝器作業(yè)時，不同的刃口曲線對秸稈和土壤的作用效果不同。自前的刃口曲線包括直線形、圓弧形與直線和曲線組合形等形式。在作業(yè)速度和深度一定的情況下，開溝器的牽引阻力由大到小依次為：組合形、直線形、圓弧形[18]。綜上，選取圓弧形作為開溝器刃口曲線，如圖2所示。

圖2刃口曲線設(shè)計

在入土點O處（0，0）建立坐標系，假設(shè)B點坐標（x_B，h?） ，圓弧圓心 γ 坐標為 （x₀，y₀） ，則圓弧所在圓的方程為

（x-x₀）²+（y-y₀）²=R²

式中： R 圓弧所在圓半徑，取 R=300mm 。

其中，圓弧圓心 γ 的橫、縱坐標分別為

把圓弧圓心 γ 坐標代入式（3）中，得

（x+Rsinα）²+（y-Rcosα）²=R²

B點的縱坐標 y_B=h ，B點的橫坐標為

式中： h 開溝器擋土板高度， mm 。

由式（6）可知，圓弧形刃口曲線的形狀由入土角α 、圓弧所在圓半徑 R 、開溝器擋土板高度 h 確定，為更好地調(diào)節(jié)開溝器的深度，設(shè)計開溝器擋土板高度 h 為

100mm ，寬度 d 為 40mm 。結(jié)合選用的入土角 α 和入土隙角 β ，確定開溝器圓弧形刃口曲線的形狀。該移動式開溝器結(jié)構(gòu)如圖3所示。開溝器高度 H= 400mm ，鏟柄長度 L=300mm ，開溝器寬度 d= 40mm ，人土角 α=55^° ，入土隙角 β=5^° 。

圖3開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.3Structure diagram of furrow opener1.切土刃口2.鏟柄3.擋土板

2 材料與方法

2.1 試驗材料

室內(nèi)試驗在土壤試驗臺內(nèi)進行，該試驗臺由機架、移動裝置、提升裝置和控制系統(tǒng)等組成[19]，如圖4所示。土槽試驗臺整體尺寸（長 x 寬 x 高）為 8m× 1m×1m ；移動裝置水平最大移動速度為 1.62m/s 水平最大牽引力為 649N ；提升裝置位移范圍為 0～ 300mm ，最大提升力為 13 572N 。

圖4試驗臺示意圖

Fig.4Schematic diagram ofthe soil bin1.提升裝置2.移動裝置3.控制系統(tǒng)

2.2 試驗方法

試驗時，為保證試驗臺內(nèi)的土壤接近農(nóng)田里的土壤環(huán)境。先使用犁地工具耕地，松軟土壤，接著壓實土壤，然后在土壤表面噴灑適量的水，等待水滲透后再次使用犁地工具松軟土壤，反復進行3次[20]。通過篩選法、環(huán)刀法、烘干法等操作對試驗臺內(nèi)的土壤參數(shù)進行分析，其檢測結(jié)果如表1所示。

表1土壤參數(shù)Tab.1 Soil parameters

注：≥5mm、2～5mm、1～2mm、0.5～1 mm ， lt;0.5mm 為土壤粒徑分布大小。

采用示蹤器追蹤法對秸稈進行追蹤，研究其在不同作業(yè)條件下的空間分布規(guī)律。為追蹤秸稈位移，選取 5～20cm 的秸稈作為研究對象，對其進行標記與上色處理，隨后將秸稈放置在土槽中進行觀察，如圖5所示。在布置秸稈時，藍色秸稈擺放方向與開溝器前進方向一致，紅色秸稈擺放方向則與之垂直，而剩余秸稈放置在周圍，模擬農(nóng)田中秸稈的自然分布狀態(tài)。

2.3 試驗指標

為提高輕簡型免耕播種機的防堵性能，開溝器采用多排布置的方式。當開溝器只有一排時，開溝器間距為 r（r 為小麥行距，本文取 15cm ，當開溝器布置方式為多排時，開溝器間距為 nr（n 為排數(shù)），如圖6所示。開溝器間距的增大，意味著秸稈能夠流動的空間變大，有效減少秸稈堵塞的情況，但是受限于種植模式和拖拉機懸掛能力。國內(nèi)多采用雙排結(jié)構(gòu)形式，因此，為研究開溝器間距對秸稈位移的影響，確定結(jié)構(gòu)形式為雙排、三排、四排（ n 取2、3、4），即開溝器橫向間距（開溝器間距 nr 值）為 300mm，450mm，600mm 。同時也考慮到縱向間距（開溝器排與排之間的距離）的影響，為研究前排開溝器對后排開溝器的影響，結(jié)合參考文獻[21中開溝器前后排距離要求，選擇開溝器縱向間距為 150mm，200mm，250mm，300mm 0

圖6多排開溝器布置方式 Fig.6Multi-row furrow opener arrangement

免耕作業(yè)條件下，覆蓋在地表的秸稈相互之間會產(chǎn)生影響，為觀察秸稈覆蓋量對秸稈位移的影響，結(jié)合黃淮海地區(qū)的秸稈覆蓋量，確定秸稈覆蓋量為0.86kg/m²，1.24kg/m²，1.66kg/m² 。

開溝器作業(yè)速度的不同，給予秸稈的動力也不相同，結(jié)合土槽試驗臺移動裝置的運行速度，確定開溝器作業(yè)速度為 0.8m/s，1.0m/s，1.2m/s，1.4m/s 0

小麥播種深度的農(nóng)藝要求為 30～50mm ，為進一步分析播種深度對秸稈位移和土壤擾動的影響，選擇開溝器的作業(yè)深度為 40mm，50mm，60mm 。

試驗過程中，通過對作業(yè)前后秸稈示蹤器的記錄，計算示蹤器的位移之差 M ，得到秸稈在各種作用下的位移變化，其位移計算如式（7）所示。

式中： （x₁，y₁） 工 作業(yè)前秸稈坐標；

（x₂，y₂） 一 作業(yè)后秸稈坐標。

試驗結(jié)束后，用測量工具隨機測量5處土壤的壟起高度 d_s 、拋土寬度 W 、切土寬度 W_s 和作業(yè)深度 h_?1 。土壤擾動參數(shù)如圖7所示。

圖7土壤擾動參數(shù)Fig.7Soil disturbance parameters

通過式（8）和式（9）分別計算土壤擾動的溝型截面積 S 和動土率 Z 。

3 離散元仿真

3.1 開溝器建模

根據(jù)數(shù)值模擬的簡化原則，將開溝器進行簡化，去除與工作過程無關(guān)的零部件，以.igs格式導人EDEM中的Geometry項中。開溝器模型材料屬性設(shè)置為45號鋼，密度為 7865kg/m³ ，泊松比為0.3，剪切模量為7.9×101°Pa[22]。

3.2土壤顆粒建模

仿真過程中，隨著土壤顆粒尺寸的減小，其運算時間也變得緩慢，并且所需的存儲空間也會增加[23」。因此，在仿真時土壤顆粒的粒徑一般比真實粒徑要大得多。

為提高仿真的土壤顆粒的準確性，選用半徑為4mm 的土壤顆粒。設(shè)定土壤顆粒之間的接觸模型為Hertz—MindlinwithBonding接觸模型，土壤密度為 2250kg/m³ ，泊松比為0.38，剪切模量為 1.0× 10⁶Pa^[24] 。對土壤顆粒進行堆積角試驗，如圖8所示。仿真的堆積角試驗用漏斗進行模擬，內(nèi)含5000個土壤顆粒。將土壤顆粒堆積結(jié)果與土槽內(nèi)的土壤堆積進行比較，仿真顆粒角度為 34.24^° ，土槽土壤角度為34.18^° ，表明仿真的土壤顆粒與土槽內(nèi)的土壤參數(shù)基本吻合。

圖8堆積角試驗Fig.8 Stackingangle test

3.3 秸稈建模

為簡化秸稈模型并縮短仿真時間，確定秸稈模型直徑為 16mm 、球心間隔為 10mm 。秸稈模型長度包括56mm，72mm，104mm ，如圖9所示。秸稈密度為（20號 241kg/m³ ，泊松比為0.4，剪切模量為 1.0×10⁶Pa^[25] （2

3.4 EDEM建模

土壤顆粒、秸稈和開溝器間的接觸參數(shù)[26]如表2所示。為模擬免耕播種機在農(nóng)田中作業(yè)，在EDEM軟件中構(gòu)建一個虛擬土槽。該虛擬土槽基本尺寸（長 x 寬 x 高）為 2000mm×1000mm× 130mm 。在模型中，一共生成350000個土壤顆粒和1000個秸稈顆粒，來模擬實際的土壤和秸稈環(huán)境。建立的虛擬土槽仿真模型如圖10所示。

表2離散元仿真參數(shù)Tab.2Parameters of discrete element simulation

4 結(jié)果與分析

4.1 秸稈位移分析

4.1.1秸稈覆蓋量對秸稈位移的影響

秸稈位移在不同秸稈覆蓋量下的仿真數(shù)據(jù)如圖11所示。隨著秸稈覆蓋量的增加，秸稈在水平方向上的位移先增加后減少，變化幅度為 54.31mm ；在垂直方向上的位移也是先增后減，變化幅度為 4.8mm ，兩個方向同時在 1.24kg/m² 達到最大位移；而在側(cè)向方向上的位移表現(xiàn)為逐漸減少，減少 20.58mm 。主要原因在于：當秸稈覆蓋面積較小時，秸稈之間的相互作用較弱，因此開溝器能夠有效地清理種溝內(nèi)的秸稈。然而，在秸稈覆蓋面積較大的條件下，秸稈間的相互影響變得顯著，導致開溝器對秸稈的擾動變得不那么明顯，從而使得清理效果減弱。

4. 1.2 作業(yè)速度對秸稈位移的影響

不同作業(yè)速度對秸稈位移仿真數(shù)據(jù)如圖12所示。隨著作業(yè)速度的增加，秸稈在3個方向的位移都是穩(wěn)定增加，只是增加的幅度不同。水平位移增加78.43mm ，側(cè)向位移增加 20.61mm ，垂直位移增加5.3mm 。主要原因：隨著作業(yè)速度的增加，開溝器對秸稈的作用力變強，能夠更好地推動秸稈運動，提高開溝器清理種溝內(nèi)秸稈的能力。

4.1. 3 橫向間距對秸稈位移的影響

橫向間距對秸稈位移的仿真數(shù)據(jù)如圖13所示。隨著橫向間距的逐漸增大，秸稈在水平方向上的位移先減少，隨后又增加，整體變化幅度為 24.27mm ，在600mm 處達到位移最大值；而在側(cè)向方向上的位移則是先增大后減小的趨勢，變化幅度為 19.36mm ，最大位移值出現(xiàn)在 450mm 處；相比之下，秸稈在垂直方向上的位移基本保持穩(wěn)定，沒有明顯變化。其原因主要是橫向間距的增大，秸稈所流動的空間也隨之增大，

4.1.4 縱向間距對秸稈位移的影響

縱向間距對秸稈位移的影響如圖14所示。隨著縱向間距的增加，秸稈在水平方向上的位移一直減小，其變化幅度為 47.23mm ；側(cè)向方向的位移先減小后增加，變化幅度為 22.4mm ，但最大位移處出現(xiàn)在150mm 處；垂直方向上的變化趨勢并不明顯。主要原因：開溝器縱向間距的增大，在一定程度上擴大秸稈的流動空間，但是前后排開溝器間的相互作用減弱，從而使得秸稈的位移量減小。

4.1.5作業(yè)深度對秸稈位移的影響

作業(yè)深度對秸稈位移的影響如圖15所示。隨著作業(yè)深度的增加，秸稈位移在3個方向的變化幅度都很小。其中，水平方向上的變化幅度為 6mm ，最大位移發(fā)生在 40mm 處，最大位移為 221.55mm ；側(cè)向方向上的變化幅度為 17.58mm ；垂直方向上的變化趨勢并不明顯。主要原因：作業(yè)過程中，開溝器以直接或間接推動土壤的方式擾動秸稈，而作業(yè)深度的增加，會逐漸減小開溝器對秸稈的作用區(qū)域，但會增大對土壤的擾動區(qū)域，因此開溝器對秸稈的擾動作用減弱較小，秸稈位移變化幅度也較小。

4.2土壤與秸稈相互作用分析

選擇開溝器運行到土槽中間的時刻作為研究對象，該時刻開溝器對土壤和秸稈的擾動效果如圖16所示?？梢钥闯?，土壤越靠近開溝器，速度越大，土壤顆粒的等速度分布曲線越接近開溝器切土刃口弧線。且圖16中秸稈速度分布與土壤顆粒速度分布接近，表明在免耕播種條件下，開溝器主要是通過對土壤的擾動作用進而影響秸稈的運動。有時在作業(yè)深度較深的條件下，開溝器的鏟柄會直接作用到秸稈。因此，在開溝器直接或間接的作用下，秸稈會隨著土壤的流向進行移動，如圖17所示。

圖18土壤和秸稈相互作用關(guān)系Fig.18 Soil and straw interactions

Fig.l7Vectordrawing of soil and straw in motion

注：大箭頭代表秸稈運動方向，小箭頭代表土壤運動方向。

由圖17可知，在開溝器作用的瞬間，秸稈運動方向大致與土壤方向一致，由于開溝器刃口曲線的存在，土壤和秸稈的瞬時運動方向垂直于刃口曲線，向前上方進行運動。結(jié)合圖17對土壤和秸稈之間的相互作用關(guān)系進行受力分析。將土壤、秸稈簡化為剛體，此時的土壤由多個土壤顆粒組成，忽略土壤間和秸稈間的相互碰撞，由于秸稈在碰撞后會發(fā)生曲線運動，因此對土壤與秸稈碰撞的瞬時時刻進行受力分析，如圖18所示。

以土壤和秸稈受力點建立坐標系 x^′Oy^′ ，受力平衡方程如式（10）所示。

式中： F_n ——土壤與秸稈之間的法向力，

g ——秸稈自身重力，N；

f 秸稈與土壤之間的摩擦力，N；

F_t 1 -秸稈與土壤之間的切向力，N；

θ 秸稈與水平方向的夾角， （^°） μ₁ 秸稈與土壤間的摩擦系數(shù)。

開溝過程中，土壤會堆積在開溝器前方，堆積的過程會推動秸稈進行運動。當土壤與秸稈之間的切向力F_t 大于開溝器對土壤的推力時，秸稈有沿 x^′ 正方向運動的趨勢，此時摩擦力 f 方向與 x^′ 負方向同向；當土壤與秸稈之間的切向力 F_i 小于開溝器對土壤的推力時，秸稈有沿 x^′ 負方向移動的趨勢，此時摩擦力 f 方向與 x^′ 正方向同向。同時，秸稈與水平方向的夾角 θ .在一定程度上會影響到秸稈與土壤之間的相互作用力，繼而影響到后續(xù)秸稈的運動方向。

通過EDEM軟件得到秸稈覆蓋量為 0.86kg/m² ，作業(yè)速度為 1m/s ，橫向間距為 300mm ，縱向間距為200mm ，作業(yè)深度為 50mm 時土壤與秸稈之間的切向力和法向力，如圖19所示。

圖19土壤與秸稈之間的相互作用力 Fig.19Interaction forces between soil and straw

開溝器作業(yè)過程中，秸稈在開溝器前方會形成堆積現(xiàn)象，較多秸稈的存在會限制其之間的位移，使得秸稈逐漸沿著刃口曲線的切線方向向上運動，繼而導致土壤與秸稈之間的切向力逐漸增大，此時土壤與秸稈之間的法向力逐漸減小，秸稈垂直于刃口曲線向上的運動也逐漸減少。

4.3 土壤擾動分析

4.3.1土壤運動狀態(tài)分析

為進一步分析開溝器對土壤的擾動效果，觀察秸稈覆蓋量為 0.86kg/m² ，作業(yè)速度為 1m/s ，橫向間距為 300mm ，縱向間距為 200mm ，作業(yè)深度為 50mm 時土壤顆粒的矢量圖，如圖20所示。

圖20土壤運動矢量圖Fig.20 Soil movement vector

從圖20可以看出，土壤在開溝器的作用下向前方、上方和左右兩側(cè)方向運動，逐漸在地表形成土壤破碎輪廓，且輪廓會隨著開溝器的前進沿著垂直于擋土板的方向向兩側(cè)逐漸擴大。破碎的土壤在受到擋土板的擠壓作用、切土刃口的剪切作用以及土壤本身之間的相互作用，進一步破碎。此時，土壤運動變得較為復雜，一部分土壤在開溝器的擠壓作用下向前方和兩側(cè)運動，另一部分土壤通過與開溝器的摩擦，沿著擋土板向后運動（圖21紅色圈部分），并在重力的作用下回填種溝，如圖21所示。

圖21土壤在擋土板作用下的運動矢量圖Fig.21Vector diagram of soil movementunder the action of retaining plate

作業(yè)過程中，開溝器不僅會對淺層土壤進行擾動，還會對深層土壤產(chǎn)生作用，開溝器對深層土壤擾動的矢量圖如圖22所示?？梢钥闯?，開溝器在作業(yè)時，不僅會推動淺層土壤向前方運動，還會擠壓土壤向深處運動，推動中層土壤向深層土壤運動，限制深層土壤的運動，從而達到松動淺層土壤，壓實深層土壤的目的。

圖22開溝器對深層土壤的擾動 Fig.22 Disturbance of deep soil by furrow opener

4.3.2 土壤擾動效果分析

開溝結(jié)束后，采集土壤擾動輪廓的橫、縱坐標，在坐標軸中擬合出土壤輪廓曲線，如圖23所示。

圖23土壤擾動輪廓Fig.23Soil disturbance profile

隨著作業(yè)深度的增加，地表上的土壤輪廓逐漸減小，而土壤開溝深度在逐漸增加。中間土壤開溝深度要淺于兩側(cè)土壤開溝深度，是因為作業(yè)過程中，兩側(cè)后排開溝器推動土壤擾動時，對中間的種溝產(chǎn)生影響，部分土壤在擾動過程中回填中間的種溝，造成中間土壤的開溝深度要淺于兩側(cè)土壤開溝深度。以上現(xiàn)象的發(fā)生，表明開溝器之間的距離，不僅對秸稈的位移產(chǎn)生影響，對土壤的擾動依然會產(chǎn)生影響。

通過仿真與土槽試驗的對比，按照式（8）和式（9）計算出秸稈覆蓋量為 0.86kg/m² ，作業(yè)速度為1m/s ，橫向間距為 300mm ，縱向間距為 200mm ，作業(yè)深度為 50mm 時，土壤的各項基本數(shù)據(jù)、溝型截面積和動土率結(jié)果如表3所示。壟起高度 d_s 、拋土寬度 W 、切土寬度 W_s 、作業(yè)深度 h_i 、溝型截面積 s 和動土率 Z 的試驗數(shù)據(jù)均比仿真數(shù)據(jù)略大。其中，后排開溝器的溝型截面積相對誤差最大，為 5.2% ，前排開溝器的動土率相對誤差最小，為 0.27% ，表明仿真結(jié)果能夠準確地反映出開溝器對土壤的擾動情況。前排開溝器的各項參數(shù)均比后排開溝器的參數(shù)小，其原因可能是土壤在后排開溝器擋土板的作用下向兩側(cè)運動，逐漸延伸到兩側(cè)的種溝內(nèi)，使得前排開溝器耕作出來的種溝各項數(shù)據(jù)較小。

表3土壤擾動效果分析Tab.3Analysis of soil disturbance effects

5 結(jié)論

1）結(jié)合離散元仿真和土槽試驗，對秸稈覆蓋率、作業(yè)速度、橫向間距、縱向間距和作業(yè)深度進行單因素試驗。結(jié)果表明，5個因素均對秸稈水平位移產(chǎn)生顯著影響，且呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。水平位移會隨作業(yè)速度的增加持續(xù)增加，隨橫向間距和作業(yè)深度的增加先減小后增加，隨秸稈覆蓋量的增加呈先增加后減小的趨勢，隨縱向間距的增加保持下降的趨勢。在側(cè)向位移方面，5個因素的影響程度雖然也較為顯著，但程度相對較弱。而在垂直位移方面，5個因素的影響幾乎可以忽略不計。

2）土壤的運動速度隨土壤與開溝器之間距離的增大逐漸減小，土壤顆粒的等速度分布曲線不僅與開溝器切土刃口弧線基本吻合，還與秸稈速度的分布曲線相一致。通過對秸稈與土壤之間的相互作用進行分析，確定秸稈與水平方向的夾角會影響到土壤與秸稈之間的法向力和切向力，繼而影響秸稈的運動趨勢。

3）通過土壤運動矢量圖發(fā)現(xiàn)，土壤在開溝器作用下向周圍進行擴散，在地表形成土壤破碎輪廓，且隨著開溝器的進一步作業(yè)，土壤會沿著擋土板的方向向后方運動，同時在重力作用下回填種溝。土壤擾動輪廓曲線表明開溝器的間距對土壤擾動依然會造成一定的影響。通過對仿真與試驗獲取的試驗數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)仿真與試驗獲取的各項數(shù)據(jù)基本一致。前排開溝器和后排開溝器的溝型截面積相對誤差分別為 2.48%.5.2% ，動土率相對誤差分別為 0.27%.5.14% 。

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