开沟器土壤回填的理论分析

尤晓东

摘要：在介绍种床开沟器土壤回填原理的基础上，采用计算分析的方法，详细探讨土壤回填过程中，开沟器工作时的土壤颗粒受力情况及土壤颗粒向沟内回落的情况，为不同结构类型的开沟器设计及改进提供理论参考。

关键词：土壤回填；受力分析；开沟器；土壤颗粒

中图分类号：S222.5+2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）11-0037-03

种床是种子的栖息之所，是种子萌芽、扎根直至发芽、出苗的土壤环境，也是幼苗和植株生长的场所。开沟器是播种机的主要工作部件，它的主要功用是开沟、导种入土和覆土。开沟器是种床的最终营造者，是将种子置于种床之上并加以覆盖的播种机工作部件。不同结构类型的开沟器由于开沟工艺不同，土壤被翻转流动的特性不同，因此制造的种床特性也不同。

1 土壤回填的原理

土壤回填是开沟器工作时土壤颗粒从静止到随开沟器一同运动，再到脱离，最后自然回落的物理过程，回落的土壤颗粒堆积形态对种床底部形状起决定性作用。了解土壤回填原理，对准确设计开沟器有很大帮助。

2 土壤回填的物理分析

以滑刀式开沟器作为试验对象，对土壤颗粒的运动做相关的力学分析。

2.1 开沟器工作时的土壤颗粒情况

开沟时，土壤沿开沟器的颊面分开，然后回落下来。影响种子覆土的因素有土壤沿开沟器方向位移的速度及回落速度、开沟持续时间等。这些参数都影响种子覆盖和固定的时间。

上层土壤在播种前进行前期处理，因此，播种时的土壤状态是细碎的，可以视为散粒体。滑刀式开沟器前端为垂直楔形面。现研究土粒在开沟器作用下的流动过程。

设开沟器以楔面进入土壤并以稳定深度和匀速v前进。楔面在与土壤接触的每个点上沿法线方向挤压土粒。

观察沟底表面上的土粒m，它与楔面接触于a点。作用在土粒上的力N=-Px。式中：-Px为土粒的侧压力及摩擦力F。将力N分解成沿楔的运动速度方向及沿楔面方向的两个分力Pxt和Pxv。以β表示楔面速度方向与其法线间的夹角。土粒将在Pxt或Pxv>F的作用下沿表面滑动。

因为开沟器楔面顶角很小，所以β角将大于摩擦角φ。切向分力Pxt=Pxtgβ，摩擦力F=Pxtgφ。式中tgφ为土粒沿楔面的摩擦系数。

当β>φ时，Pxtgβ>Pxtgφ，即Pxt>F，土粒将处于力（Pxtgβ-Pxtgφ）和力Px组成的合力R的作用下。当楔面运动时，土粒沿R方向移动（图1），土粒m的运动微分方程为：

m=tgφ-tgβ （1）

m=0

式中：=Px；a为土粒自然休止角。

将式（1）转换为=（tgφ-tgβ），求积分得到：vx=×+C。当t=0时，x=0，v=0，故C1=0。所以vx=×；=vx。

土粒的位移为：

x=×+C （2）

当土粒随楔面运动到a1时，即开始沿开沟器颊面运动，这时作用在土粒上的力有：使土粒沿速度v方向向前移动的力F1和相邻土层的摩擦力F2。F2=Pxtgφ1（φ1为土粒间的摩擦角），F1=Pxtgφ（图1）。

土粒沿开沟器颊板的运动方程为：

m=×-× （3）

转换后求得：

dvx=（tgφ-tgφ1）dt （4）

得到：

vx=（tgφ-tgφ1）+C （5）

当t=0时，土粒沿开沟器颊面的运动为s=0。当土粒运动至颊板表面后，其速度与颊板一致，故：

v0=××cos（90°-β） （6）

因此得：

vx=（tgφ-tgφ1）+sinβ （7）

由=vx可得：x=[（tgφ-tgφ1）+（tgφ-tgβ）sinβ]+C。当初始条件t=0，x=0时，C=0。再将t消去可得：

vx= （8）

土粒从开沟器颊板脱离的一瞬间，具有这样的速度。

2.2 土壤颗粒向沟内回落情况

土粒回落时按照自然休止角堆放。首先，土层边缘的土粒下落，此过程可视为零初速垂直自由落体运动。紧接着边缘土粒下落，是位于自然休止角范围内的所有土粒。

设ox轴沿速度方向，oy轴垂直向下，以土粒中心o为坐标原点做图，结果见图2。

土粒从开沟器后缘脱离后，立刻开始下落。作用在土粒上的力为重力mg和空气阻力。由于下落垂直初速为0，下落高度不大，因此空气阻力可以忽略不计。土粒的运动方程式为：

m=0；m=mg （9）

积分变换可得：vx=C1；vy=gt+C2。

由初始条件可知：t=0，Vx=Vx0，Vy=0，则C1=Vx0，C2=0。由此求得：x=Vx0t+C3；y=+C。由初始条件求出C3=C4=0，且可得y=。

将（1）式代入可得：

y= （10）

速度计算公式为：

vy== （11）

则土粒下落的合速度为：V=；下落角度为：a=arctg。

由边缘土层中脱离出来的土粒沿土壤自然休止角a的斜面滑动。这时作用在土粒上的力将只有重力，其分力mgsina使土粒沿倾斜表面移动。摩擦力F=mgcosa的作用方向与运动方向相反（见图3）

土粒的运动方程式为：m=0 ；m=mgsina-mgcosatgφ。求得：x=vv0t；y=gt2cosa（tga-tgφ1）。

变换求得边层土粒及自然休止角范围内的土粒下落时间分别为：

t1=；t2= （12）

这段时间沟底呈敞开状态，敞开部分的长度L（从开沟器颊板后缘至回落土流的距离）随播种机的速度不同而变化。

3 结论

土粒回落时经过的路程S=Vx0t。在这段时间播种机前进的距离为Vmt，则：L=x-S=（vm-vx0）。式中：Vm为拖拉机前进速度。

由此可见，播种机前进速度越大，开沟器入土深度越深，敞开沟底的可见部分就越长。