施肥开沟器的设计与作业过程离散元仿真

2022-10-31陈贝贝王淑铭李小海郭书立徐祥龙刘岩

农业装备与车辆工程 2022年7期

陈贝贝，王淑铭，李小海，郭书立，徐祥龙，刘岩

（1.154000 黑龙江省佳木斯市佳木斯大学机械工程学院；2.154000 黑龙江省佳木斯市黑龙江省二道河农场）

0 引言

黑龙江省是我国最大的粳米生产基地[2]，以五常大米为代表的寒地粳米味道清香，口感绵软，品质优良，具有很高的经济价值[2]。2019 年黑龙江省水稻播种面积在372 万hm2左右，总产量连续9年稳定在2 000 万t 以上，2019 年水稻产量占全国的12.5%[3-4]。

目前，寒地大规模水稻在插秧种植前基肥的施肥方式主要是人工撒肥或撒肥器施肥[5]，随搅浆整地，肥料被覆盖在土下8～10 cm，这两种施肥方式施肥料量较大且难以保证均匀性。搅浆整地效果不好会使肥料裸露在地表，造成磷肥富集诱发水绵滋生，也会加重农业对水环境的污染。侧深施肥比人工或撒肥器施肥节省肥料[6]，只需在秧苗的一侧施肥而不需全田施肥，可节省肥料30 kg/hm2。侧深施肥后的颗粒肥料会被泥浆覆盖在水稻秧苗一侧，这样更有利于秧苗吸收。

目前，国内外已有很多针对农田开沟技术的研究[7-10]，但大多是关于旱田大型开沟机的减阻性、开沟质量等方面的研究，所研究的开沟机具不适合寒地水稻田这种需要小型开沟器的场景，对土壤自动回填方面的研究也相对较少。尤晓东[11]通过土壤沿堆放斜面滑动受力分析等对开沟器土壤回填原理进行了分析。

本文针对侧深施肥机上传统施肥开沟器作业后泥浆自动回填效果差、沟槽中的颗粒肥料覆盖率低裸露在外没有被泥浆覆盖、溶解后污染周围水系环境的问题，在国内外开沟器深入研究的基础上[12-13]，改进设计了一种作业时能增加泥浆回填量的施肥开沟器。

1 施肥开沟器分析与设计

1.1 整体结构

施肥开沟器是侧深施肥机上的触土部件，由滑刀、防堵塞装置、连接板组成，结构如图1 所示。其主要作用是在水稻插秧的同时将肥料施于秧苗侧位土壤中。所开肥沟位于水稻秧苗一侧3 cm，固态颗粒肥料经防堵塞装置落入V 型肥沟底部，V 型肥沟利于泥浆回流下滑从而覆盖住肥料，提高肥料利用率，减少肥料裸露溶解后对周围水环境的污染。

图1 开沟器三维模型Fig.1 Three dimensional model of ditcher

1.2 上宽度以及高度设计

施肥深度对水稻秧苗的成长有着重要的影响。所谓施肥深度，实际上是指肥料上方覆盖泥土的厚度。设计开沟器结构尺寸前应充分考虑寒地水稻种植环境以及各种类型开沟器的特点，施肥开沟器设计为滑推式开沟器（钝角开沟器）。根据黑龙江省建三江分局寒地水稻生产技术规程，水稻机械插秧深度应该在20 mm 内且不低于15 mm，以此作为施肥开沟器下宽度以及高度的设计依据，考虑到机械插秧秧苗间距问题以及指划沟可以慢慢自动恢复宽度大小的影响，开沟器的下宽度设计为20 mm，上宽度设计为27.5 mm，高度设计为52 mm。

1.3 滑推曲线设计

滑推式开沟器作业时为垂直入土，然后向前运动利用滑推作用进行开沟，无论是在垂直入土过程中还是向前运动过程中，滑推式开沟器与土壤间的作用都是滑推作用，只是方向不同。垂直入土时滑推作用垂直向下，根据滑推原理只有当滑推曲线上的滑推角大于摩擦角时才能产生滑推作用，因为抛物线曲线上的滑推角有一定规律（滑推角度呈递减或递增趋势），所以滑推曲线轮廓利用抛物线作为滑推曲线（取抛物线的某一段连续曲线作为滑推曲线轮廓，可以保证滑推角恒大于摩擦角）。

建立如图2 所示坐标系，A、B 为抛物线上的两点，过A、B 两点做滑推曲线的切线，再过A、B 两点作切线的垂直线，该垂直线与X 轴所形成的角即为滑推角。

图2 滑推曲线及滑推角Fig.2 Sliding curve and angle

抛物线的方程为

根据式（1）解得的式（2）可知，滑推曲线形状主要由A、B 两点处的滑切角和高度H 决定，该抛物线从A 点到B 点滑推角沿抛物线递增。根据文献[13]，田间测量摩擦角为23 °，利用该抛物线作为滑推曲线时，滑推角需大于摩擦角。开沟器入土时与土壤接触的方向为垂直向下的滑推作用，所以需要保证90 °-θB＞23 °，即滑推角需小于67 ° 。利用CAD 软件标注抛物线各点处滑切角的大小，截取上滑推角26 °下滑推角66.5 °的曲线段作为开沟器的滑推曲线轮廓。

2 仿真参数设置

利用离散元软件EDEM2020 建立寒地水稻土壤模型[14-15]，将施肥开沟器三维模型以STL 格式导入离散元软件EDEM2020 进行施肥开沟作业仿真，查看颗粒肥料覆盖情况。

2.1 肥料颗粒参数设置

肥料的仿真参数设置参考文献[16]：颗粒肥料密度1 571 kg/m3，等效直径3.2 mm，球形率0.91，剪切模量设置为3×108Pa；颗粒肥料间恢复系数0.314，静摩擦系数0.420，滚动摩擦系数0.130；颗粒肥料与防堵塞装置间恢复系数0.446，静摩擦系数0.136，滚动摩擦系数0.050；颗粒肥料与水稻土壤间的接触参数的设定为软件默认值。

2.2 运动速度及肥料生成速率设置

施肥开沟器离散元仿真作业速度以及肥料颗粒生成速率参照水稻侧深施肥装置技术参数[16]，施肥开沟器运动速度1 m/s，颗粒工厂生成颗粒肥料的速率设置为20 g/m。肥料颗粒设置使用EDEM自带的单球面模型，直径3 mm,每个颗粒肥料的质量为2.220 95×10-5kg，体积1.143 72×10-8m3，肥料生成速率设置为1 600 粒/m。

2.3 水稻土壤参数设置

水稻土壤样本取自黑龙江建三江七星农场，取土时间2019 年5 月。水稻土壤的本征参数（水稻土壤粒径组成、密度）为实际测得，接触参数、接触模型参数利用土壤堆积角虚拟标定方法测得，具体参数设置为：水稻土壤颗粒使用EDEM2020 自带的单球面模型，半径设置为4 mm；密度1 300 kg/m3；泊松比0.4；剪切模量10.5 MPa；水稻土壤颗粒间的恢复系数0.01；水稻土壤颗粒间的静摩擦系数0.5；水稻土壤颗粒间的滚动摩擦系数0.42；JKR表面能0.35 J/m3；开沟器与水稻土壤离散元模型间的接触参数使用软件默认值。

3 仿真分析

颗粒肥料通过防堵塞装置落入肥沟，肥料颗粒由颗粒工厂生成，颗粒工厂设置为virtual；同时，赋予颗粒工厂与施肥开沟器相同的运动速率与方向。作业过程如图3 所示。梯形施肥沟两斜边的土壤颗粒有沿斜面下滑的趋势，说明开沟器上宽下窄的结构更有利于作业后泥浆的回流。

图3 离散元EDEM 开沟作业仿真过程Fig.3 Simulation process of EDEM trenching operation

3.1 试验指标与方法

以施肥开沟器作业后肥沟内颗粒肥料的覆盖情况（即肥料颗粒是否被水稻土壤颗粒覆盖）为试验指标，计算方法如式（3）所示：

式中：q——肥料覆盖率，%；g ——测量长度范围内未被覆盖肥料的粒数，粒；G——测量长度范围内总的施肥粒数，粒。

3.2 结果分析

肥料覆盖效果如图4 所示。仿真完成后可以在EDEM 分析树（Analyst Tree）的图表制作（Create Graph）中进行数据分析，查看不同时间段内肥料颗粒的生成数量，如图5 所示。肥料颗粒渲染成浅蓝色，未被覆盖的肥料颗粒可在Z 轴视角方向上放大，直观观察统计。在仿真作业长度为0.5 m 时，经统计共有68 粒肥料裸露（包括未被完全覆盖的），0～0.5 s 内共生成800 粒肥料，根据式（3）中的计算方法得出肥料的覆盖率为91.5%。