预切种式甘蔗横向种植机开沟器结构优化

黄柳益

(北部湾大学机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535011)

随着城镇化的加快，农业机械化的发展速度也随之增快。耕作制度的变革及耕作的精细化，对种植机的性能要求也越来越高。作为甘蔗种植大省的广西，以60%以上的占比引领了全国的蔗糖种植和生产[1]。但机械化严重不足导致了其生产效率低，甘蔗浅播问题严重影响甘蔗生产效率。国外种植机种植效率已经高达18hm2·d-1，而国内稳定播种效率在10hm2·d-1[2]。

近年来，国内学者针对不同种子和农艺种植需求，以开沟装置多种因素影响和各参数的优化为出发点，对开沟器进行了广泛研究。贾洪雷[3]等根据狗獾犬齿的特点，对标准芯铧式开沟器进行优化仿生设计，其开沟形的沟深、沟宽、侧垄高和侧垄宽的变异系数均低于5%。王军增[4]等设计了一种尖角长翼型开沟器，并分析其入土角、入土隙角以及开沟器幅宽对覆土和回土的影响。为了降低开沟器犁地阻力同时提高开沟效率，杨文敏[5]等基于离散元法对立式螺旋开沟器开沟质量做出了评价，并为立式螺旋开沟器的参数优化奠定了基础。王剑[6]等基于现有的咖啡种植开沟劳动强度大、工作效率低、人工成本高等因素，设计了一种适合于小粒咖啡开沟的斜置逆转开沟器。为能实现连续开沟、施肥、排放种苗、覆土、盖膜等一次性作业，韩杰等对预切种式甘蔗种植机设计与实验，最终得到最大沟深可达19.13cm，符合甘蔗种植沟深的标准。

综上所述，现有开沟器研究集中于提高开沟质量、回土、镇压，以及满足不同种子不同株距的开沟装置。为解决现有开沟器开沟后回土过多导致播种浅，无法满足甘蔗深播的问题。本文对芯铧式开沟器结构进行改进，使其可实现侧面压实。应用EDEM设立相关参数，建立反映不同侧翼倾角与土壤颗粒回流量关系的仿真数学模型，模拟开沟过程，最终达到优化目的。

1 开沟器结构优化

根据现场调研需求，满足预切种横向种植要求的双蔗牙甘蔗长度约为300mm[7]。本文以标准芯铧式开沟器为基础，将开沟器的侧翼设计成有一定倾斜角度，便于侧翼前进时向土壤两侧推挤、向沟槽面进行压实，巩固沟型。

如图1所示，原有的芯铧型角尖为入土时开沟器与土壤初始交汇部分，尖角开沟器可提升切土能力，故本开沟器采用尖角芯铧型开沟器的结构。根据农艺要求及农业机械设计手册[8]可知，入土性能随着入土角δ变大而性能越差，但入土角过小芯铧强度又会减弱，一般以30°～50°为宜；入土隙角ε为开沟器下表面过尖角点切线与水平面的夹角，一般为5°～10°，过大会使沟底不平，过小则会使入土性能变差；图2中的铧高H过高会发生壅土，增加作业阻力。开沟器的理论开沟深度为250～300mm，为保证开沟器切削刃口能完全与土壤作用，犁体高度应高于开沟深度。

图1 开沟器轮廓示意图

图2 开沟器后视图

由于双芽蔗的蔗种长度约为300mm，为尽可能不破坏耕土面，开沟器底面长度L1可设为300mm，如图2所示。根据图几何关系可知：

(1)

开沟器侧翼倾角的不同以及侧翼倾角不同可能会对沟型的构造有所改变。假设开沟器地面宽度L1固定不变，当倾角α角度越小时，根据式(1)得L2会变大，此时会使得开沟过浅，沟面过大。因此，开沟装置作业效果和开沟沟型的差异完全是由开沟器侧翼倾角不同引起的。

2 土壤模型建立

为分析土壤对开沟器的影响，观察颗粒回流情况，分析开沟器在土壤中的运动规律，建立相应土壤层。广西甘蔗种植地主要由黄、红壤组成[9]，此类土壤含水率高并且极为粘重，以20%的土壤含水率(不同含水率的影响作解释，或者从降雨量和甘蔗种植的春秋季节分析)作为指标，土壤颗粒设置如表1所示[10]。颗粒之间选用Hertz-mindlin with JKR模型作为离散元仿真的颗粒接触模型，并且用bonding键连接。

表1 仿真参数

土壤颗粒产生是应用仿真软件提供的Particle Factory TM技术﹐按照土壤分层设定生成各种形式的颗粒集合[11]。不同耕土层土壤粒径不同，为使仿真模型与实际土壤更贴切且符合种植环境，对其分层处理。本文采用EDEM离散元仿真软件，建立4种土壤颗粒。单球半径为5mm，生成20000颗。双球由2个半径为5mm的球结合而成，组合后最大直径为12mm，生成60000颗，水平三球和三角三球颗粒数分别为10000颗[12]。设置颗粒时选择Random生成方式，其为初始半径的0.8～1.2倍，为便于快速下落，在y方向施予-1m·s-1的初速度，最终建立宽1m，长1.5m，高度为0.3m的土层。如图3所示。

图3 土壤模型

3 结果与分析

运用虚拟仿真模拟开沟过程，可直观地观察颗粒回流和运动状态，在没有实际物体的条件下，验证其结论是否可靠。侧翼角在55°～90°间取值，作为影响种沟质量的主要因素，以开沟器作业种沟颗粒变异系数为评价指标进行仿真试验，确定倾角最优参数。

3.1 仿真结果分析

为了确保开沟器平稳运行，获得双芽蔗蔗种横向播种要求的种沟，土壤颗粒设置在第3秒开始形成粘结键，待颗粒相对静止后，开沟器模型从第4秒开始进入土壤。

回土量是衡量开沟结果时的一个重要的标准。使用EDEM软件的Grid Bin Group模块监控一个截面的颗粒变化数量，图4为不同侧翼倾角的开沟器进入土壤后种沟土壤颗粒的动态变化，开沟器侧翼倾角取值范围为55°～90°。由图4可知，当开沟器倾角为90°时，在6～8s的时间内，表面土壤颗粒回流进种沟内数量过多，表明此开沟器开沟效果不佳，开沟深度不足，种沟表面不齐。当改变侧翼倾角角度时，发现颗粒数量回流减少，60°和55°倾角的开沟器开出种沟后，土壤颗粒回流的上升趋势不明显，可见60°和55°倾角的开沟器只有少量泥土颗粒回流进已开的沟槽内，表明种沟平面比较稳定，种沟沟壁有一定的堆积性。

图4 不同侧翼倾角的颗粒回流量

图5为开沟器经过监控模块之后，颗粒相对静止后不同侧翼倾角的开沟器所开出的种沟中所剩的颗粒数。由图5可知，倾角越小，种沟遗留的颗粒数量越少，但考虑到土壤的保墒性能，侧抛土量不宜过大，且在倾角为55°～60°时，种沟内颗粒数变化相差无几，如再减小意义不大，故选取侧翼倾角为60°的开沟器较为合适。

图5 颗粒静止后种沟中存留颗粒数

3.2 开沟效果

经过EDEM的后处理图像分析，图6为90°倾角的开沟器所开出的沟型，沟型不明显且易被表面土层颗粒回土掩埋；芯铧面两侧的土壤不断积累，开沟器后方土壤颗粒向沟槽内有很大程度回流，会导致甘蔗种植深度过浅。而图7显示的是60°侧翼倾角的开沟器经过土壤层的示意图，开出的沟型较于前者较稳定，土壤两侧有一定的堆积性，沟底平整浮土少，利于蔗种更好地在种沟内分布。

图6 侧翼倾角90°开沟器俯视图

图7 侧翼倾角60°开沟器俯视图

4 总结

依据甘蔗种植要求，对传统芯铧式开沟器进行结构优化。根据土壤特性采用离散元仿真建立土壤模拟开沟模型，给定不同侧翼倾角值，分析开沟效果，从土壤回流量图和不同侧翼角的种沟颗粒变异曲线进行仿真分析。仿真优化结果表明，当开沟器侧翼倾角为60°时，耕后沟底平整，表层两侧土壤有一定的堆积，沟宽明显。终止条件下满足开沟程度稳定性；保持稳定沟型，并利于甘蔗蔗种深耕条件。