基于EDEM的小麦宽苗带深松免耕播种机设计与试验

刁怀龙，张银平，刁培松，赵 娜

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049)



基于EDEM的小麦宽苗带深松免耕播种机设计与试验

刁怀龙，张银平，刁培松，赵 娜

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049)

随着保护性耕作技术的发展，深松和免耕技术得到大力推广。为此，设计了一种小麦深松免耕播种机，运用EDEM离散元分析技术，对深松铲在不同工作速度下的工作阻力进行了分析。结果表明：随着速度的增加，深松铲工作阻力逐渐增大，且增大速率逐渐加强。同时，结合宽苗带播种技术，对播种口进行设计，得到最佳的排种角度和内部凸起高度，分别为40°和4mm。对小麦宽苗带深松免耕播种机进行了田间试验，结果表明：机器通过性好，播种深度和施肥深度合格率及种肥间距合格率分别为90.82%、95.32%、91.17%，变异系数分别为4.06%、2.39%、4.91%，符合农艺要求。

深松；免耕；宽苗带；离散元分析

0 引言

现有的耕作模式主要有两种：一是传统的精耕细作；二是近年来发展的保护性耕作。对应的小麦播种机主要有两种方式：一是在精耕细作后的土地上进行播种的播种机；二是在秸秆覆盖条件下进行播种的免耕播种机。随着保护性耕作技术的发展，免耕播种技术得到大力推广，免耕播种机也越来越受到农民的青睐。但是，人们对免耕的理解有误，认为免耕就是不对土壤进行翻耕，长期不翻耕带来的耕层变浅、土壤表层板结现象也越来越突出[1]。深松技术作为保护性耕作的四大主要技术之一，在改善土壤结构、增加土壤的通透性和蓄水保墒能力方面具有很大的作用[1-5]。为此，设计了一种小麦深松免耕播种机，结合宽苗带播种和苗带精细旋耕技术，一次进地完成深松、苗带旋耕、施肥、播种、覆土及镇压等功能，既简化了播种环节，又对土壤进行了有效的深松。

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构

小麦宽苗带深松免耕播种机主要由深松、旋耕、施肥、播种、覆土及镇压等部分组成，如图1所示。深松部分设计为可拆卸型，可将深松部件拆下在其他季节单独进行深松，深松铲前后两排交错布置，避免了深松铲之间易堵塞的问题；旋耕部分采用苗带旋耕，只对播种行进行旋耕，创造了良好的种床环境，减少了对土壤的耕作，降低了功率消耗；施肥采用正位深施，施肥开沟器采用箭铲式；排种采用外槽轮排种器，下部安装燕尾式播种口，进行宽苗带播种；镇压轮设计为浮动可调式，能够根据不同地形条件自动整体仿形，也可根据不同播种条件和要求，调节镇压力大小，改变镇压效果；前部的限深轮及后部的镇压轮结合形成桥式结构，播种深度可以通过调节限深轮的高低进行调节。旋耕部分的动力由拖拉机动力输出轴提供，排种器及排肥器由镇压轮通过链传动驱动。

1.深松部装 2.限深轮 3.旋耕刀 4.施肥开沟器 5.播种口 6.挡土板 7.镇压轮 8.种肥箱 9.变速箱

1.2 工作原理

小麦宽苗带深松免耕播种机在拖拉机的牵引下前进，深松铲深入地下完成深松作业；拖拉机动力通过变速箱传递给旋耕装置，旋耕装置高速旋转对播种行苗带进行旋耕，制造出精细的种床环境；镇压轮通过链传动驱动播种施肥的上位外槽轮排种器和排肥器。排出的种子通过导种管和燕尾式播种口，均匀地播撒在种床上，形成宽苗带；排出的肥料通过施肥开沟器施入土壤中。旋耕装置抛起的土壤遇到后部的挡土板后下落在播种后的苗带上，完成覆土；最后，经镇压轮将苗带压实，完成整个深松播种过程。

2 关键部件设计与分析

2.1 深松铲

2.1.1 深松铲参数设计

本文以箭形深松铲为研究对象。深松铲主要由铲尖和铲柄构成，其主要参数如图2和图3所示。一般箭宽范围为100～200mm，箭角范围为30°～90°，起土角范围为10°～30°；铲柄侧面宽度一般小于300mm，铲柄楔角范围为50°～70°，铲柄厚度为10～30mm。本文中所设计的参数为：箭宽W=200mm，箭角α=60°，起土角β=30°；铲柄侧面宽度b=85mm，铲柄楔角θ=60°，铲柄厚度s=25mm[5-8]。在UG中建立三维模型。

W.箭宽 α.箭角 β.起土角

b.侧面宽度 θ.铲柄楔角 s.铲柄厚度

2.1.2 深松铲与土壤作用的离散元分析

土壤是由众多细小的颗粒构成的，不是连续的模型，其动态变化也不能用连续体模型进行分析[4]。相对于有限元，离散单元法更适合对土壤进行分析，离散元模型能很好地模拟土壤的不连续形状，对土壤颗粒间的相互作用和外力对土壤的剪切行为进行形象的描述，解决典型触土部件对离散结构土壤的复杂动态扰动行为[10,15]。

本文将在UG中建好的模型导入离散元分析软件EDEM中，建立深松铲尖与土壤离散元分析模型，如图4所示。采用线性粘弹性接触力学模型计算土壤颗粒之间以及深松铲与土壤间的接触作用力[5]。仿真分析时，深松铲与土壤的性能参数以及两者之间的接触参数如表1所示。

图4 深松铲-土壤离散元分析模型

参数数值深松铲(45) 泊松比0．30剪切模量/Pa7．00×1010密度/kg·m-37．80×103土壤 泊松比0．50剪切模量/Pa1．00×105密度/kg·m-32．00×103土-土恢复因数0．12土-土静摩擦因数0．25土-土动摩擦因数0．04土-钢恢复因数0．10土-钢动摩擦因数0．02土颗粒半径/mm2土颗粒数目200000

2.1.3 离散元分析结果

本设计深松铲的深度为300mm，运用EDEM离散元分析软件，对比分析了深松铲速度为0.8、1.0、1.2m/s时的耕作阻力。

图5所示耕作阻力随速度的变化规律：随着速度的增加，深松铲耕作阻力逐渐增大；从曲线的曲率可知：深松铲阻力随速度的增大，其增大的速率越来越大。图6所示速度为1.0 m/s时，深松铲耕作阻力随时间的变化规律：随着深松铲与土壤接触面积的增大，耕作阻力也逐渐增大，至最大值后逐渐减小，直至与土壤完全分离。

图5 耕作阻力随速度的变化规律

图 6 v=1.0m/s 时耕作阻力随时的变化规律

2.2 播种口设计

播种口分种口的下种角度α和中间凸起的高度h是影响排种性能的关键因素，如图7所示。小麦作为种子的含水率一般为12%～14%，休止角为27°～38°[4]。为了达到最佳的排种和分种效果，运用EDEM离散元分析软件对播种口的排种性能进行试验，从而确定最佳的下种角度和凸起高度，如图7所示。

下种角度α大于小麦种子的自然休止角时，才能顺畅下种，仿真时分别设置为35°、40°、45°；中间凸起高度分别为2、4、6mm，最大宽度为6cm，占整个分种口最大宽度的1/2。

小麦种子是非球体，可用椭球体来近似代替，选用郑麦9203，参照文献[3]，可以将小麦种子简化为5个球粘合的组合球颗粒模型，如图8所示。播种仿真模型如图9所示。播种口与种子的性能参数及接触参数如表2所示。

图7 播种口参数

图8 小麦种子简化模型

1.颗粒厂 2.播种口 3.颗粒 4.容器

仿真结束后，数出容器中每个小格内的种子数量，计算密度比，如表3所示。

从试验结果可以看出：当α=35°、h=2mm时，密度差异不明显，h=4mm和h=6mm时均发生堵塞，不能满足排种要求。当α=45°时，3种高度水平下均满足排种要求，h=2mm和h=4mm时密度差异不明显，h=6mm时，密度差异太大，两侧种子太多；当α=40°、h=2mm时，排种顺畅，种子分布情况为左∶中∶右=4:3:4，密度差异不明显；h=6mm时，密度差异太大，两侧种子太多；只有h=4mm时，种子分布情况为左∶中∶右=2∶1∶2，密度差异明显，能够体现边行优势，两侧种子又不至于太多，满足设计要求。为了充分利用边行优势，播种口的下种角设计为40°，中间凸起高度为4mm。

表2 播种口与种子的性能参数

Table 2 Parameters between sow mouth and seeds

参数数值小麦种子 (郑麦9023) 泊松比0．42弹性模量/Pa1．45×108密度/kg·m-31．35×103播种口(钢) 泊松比0．3剪切模量/Pa7．00×1010密度/kg·m-37．80×103种-种恢复因数0．42种-种静摩擦因数0．15种-钢恢复因数0．50种-钢静摩擦因数0．20土颗粒数目200

表3 分种情况

3 试验

3.1 试验条件

试验在山东淄博临淄富群农机合作社试验田进行，秸秆覆盖量不小于40%，秸秆切碎长度合格率不小于85%、残茬覆盖量0.3～0.6kg/m2(秸秆含水率不大于25%)，配套动力不小于73.5kW。

3.2 试验结果

根据《免耕播种机选型试验大纲》和小麦免耕播种机性能检测项目与检测方法，测区长度不得小于60m，往返一个行程不发生堵塞或者有一次轻度堵塞，即视为合格。在机具的3次通过性测试中，测试行程100m，3次均无堵塞，机具的通过性良好。

播种后，随机取8行，每行在50m内随机取20个点，人工扒开土层进行播种深度、施肥深度、深松深度的测量，并记录测试数据，所得结果如表4所示。

表4 播种试验结果

燕尾式播种口设计宽度为14cm，小麦播种后选择20个测试点。20个测试点上，苗带宽度及分种效果的测量，使用自制的铁框，如图10所示。记录铁框不同框格内的种子数量，苗带的宽度及各点上种子分布情况如表5所示。从表5可以看出：苗带基本宽度可以达到12.5～14cm，苗带边上种子数量一般为3～5粒，苗带中间种子数量一般为1～2粒，可以达到中间少、两边多的数量分布，满足设计要求。

图10 分种情况测量方法

测点号苗带宽度/cmA区种子数/粒B区种子数/粒C区种子数/粒测点113．4323测点213．8413测点312．9424测点413．5415测点512．5423测点613．5424测点713．8514测点814．0424测点912．5424测点1013．9324测点1113．5513测点1214．0415测点1313．7325测点1413．8414测点1513．3325

续表5

4 结论

1)设计了一种小麦宽苗带深松免耕播种机，实现了深松、苗带精细旋耕、施肥、播种、覆土及镇压等功能。通过田间试验，验证了设计的可行性。

2)运用EDEM离散元分析软件对深松铲与土壤的接触力进行了分析，比较了不同速度条件下的耕作阻力，得到耕作阻力随速度的变化规律；同时，运用EDEM对不同下种角度和凸起高度的播种口进行了模拟试验，确定最佳的下种角度和凸起高度，分别为40°和4mm。

3)对设计的小麦深松宽苗带免耕播种机进行了田间试验，试验结果表明：播种机通过性好，播种和施肥深度合格率及种肥垂直间距合格率分别为90.82%、95.32%、91.7%；变异系数分别为4.06%、2.39%、4.91%，符合农艺要求。

[1] 张银平，杜瑞成，刁培松，等.机械化生态沃土种植模式提高土壤质量和作物产量[J].农业工程学报,2014,31(7):33-38.

[2] 高焕文,李问盈,李洪文.中国特色保护性耕作技术[J].农业工程学报,2003,19(3):1-4.

[3] 王福林，尚家杰，刘宏新，等.EDEM颗粒仿真技术在排种机构研究上的应用[J].东北农业大学学报，2013，42(2)：110-114.

[4] 田晓红,谭斌,刘明，等.漏斗法粮食休止角测量结果的影响因素研究[J].中国粮油学报，2011,10(26)：108-113.

[5] 汲文峰，刘涛，张青松，等.双翼式深松铲的仿生设计及离散元分析[J].广东农业科学，2013(13):180-182.

[6] 刁培松，杜瑞成，李复辉，等.小麦深松免耕播种机的研制[J].农机化研究，2013，35(11)：103-106.

[7] 金凤超,吴丽华,齐广义.机械化深松技术的应用研究[J].湖北农机化,2010(2):54.

[8] 韩志武,崔占荣,任露泉,等.非光滑仿生曲面形推土铲推土阻力试验研究[J].农业机械学报, 2002,33(2):125-126.

[9] 王宏立,张伟.基于PRO/E 的深松铲结构参数最优化设计[J].农机化研究,2011,33(1):141-144.

[10] 张锐,李建桥,李因武.离散单元法在土壤机械特性动态仿真中的应用进展[J].农业工程学报,2003,19(1):16-19.

[11] 李玲玲,胡晓丽,王燕,等.离散元法在土壤动力学方面的研究[J].农业与技术,2012,32(7):1-2.

[12] 于建群,钱立彬,于文静,等.开沟器工作阻力的离散元法仿真分析[J].农业机械学报，2009,40(6):53-57.

[13] 苟文,马荣朝,杨文钰,等.小麦免耕播种机开沟器的设计[J].农业工程学报,2012,28(S1):21-25.

[14] 心男.基于EDEM_FLUENT耦合的气吹式排种器工作过程仿真分析[D].长春：吉林大学，2013.

[15] 姜珊珊.基于离散元法的开沟器试验研究[D].长春：吉林农业大学，2014.

Design and Experiment of a No-tillage and Wide Band Wheat Planter with Subsoilers Based on EDEM

Diao Huailong，Zhang Yinping，Diao Peisong，Zhao Na

(Department of Agricultural Engineering and Food Science，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China)

With the development of conservation tillage techniques, deep plowing and no-tillage technology have been vigorously promoted.A no-tillage wheat planter with subsoilers was designed in this paper, and the software EDEM was used to analyse the subsoilers at different working speeds, the results showed that the resistance increased with increasing speed，and increasing rate is more and more high. The sowing device was designed and anlysed by EDEM combined with wide planting technology, the best angle and internal projections height were 40 and 4mm.At the end, the planter was tested in field, results showed that: the passing ability of planter was good, sowing and fertilization depth percent of pass and distance between seed and fertilizer percent of pass were 90.82%，95.32% and 91.17%，variable coefficient were 4.06%，2.39% and 4.91%，satisfied the agronomic requirements．

subsoiling; no-tillage; wide plant band; discrete element analysis

2015-12-14

农业科技成果转化项目(2014GB2C600520)；山东省现代农业产业技术体系建设玉米机械岗位专家项目(2010-2015)

刁怀龙(1978-)，男，山东郓城人，讲师，硕士，(E-mail)sdddl@sina.com。

赵 娜(1978-)，女，湖北荆门人，讲师，硕士，(E-mail)zhaona2001@sina.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2017)01-0058-05