基于离散元法的深松作业玉米秸秆运动规律

赵淑红，高连龙，袁溢文，侯磊涛，张 鑫，杨悦乾

基于离散元法的深松作业玉米秸秆运动规律

赵淑红，高连龙，袁溢文，侯磊涛，张 鑫，杨悦乾※

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

东北垄作区玉米秸秆还田条件下，针对垄台播种带秸秆残茬易导致深松铲以及后续机具缠草堵塞和阻力增加等问题，建立深松铲-土壤-秸秆-根茬的离散元模型，分析仿真因素秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角、根茬状态（根茬中间切割、根茬一侧切割、根茬挑起和无根茬）和秸秆之间相互影响对深松作业过程中秸秆拨离垄台的影响。进一步探究深松铲作用下垄上秸秆运动规律并分析其扰动比阻（秸秆扰动力矩与深松铲阻力之比）。仿真结果表明：秸秆距垄台中心距离对秸秆位移中的水平侧向运动的影响最大；秸秆水平侧向位移随着秸秆与机具前进方向夹角增大呈减小趋势；根茬状态影响秸秆位移的主次顺序依次为：根茬挑起、根茬一侧切割、无根茬、根茬中间切割；当秸秆距垄台中心距离为60 mm时，秸秆之间相互影响对秸秆位移中的前进方向运动的影响最大；当秸秆距垄台中心距离大于60 mm，秸秆前进方向位移呈增大趋势。秸秆运动的力矩变化趋势为平稳变化，后产生峰值，最后又趋于平稳；影响秸秆力矩的主次顺序依次为：根茬状态、秸秆之间相互影响、秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角。深松过程中，秸秆扰动比阻在切割根茬一侧时达到最大值0.152 mm。田间对比试验结果表明，仿真模型得到的秸秆总位移、水平侧向、前进方向和垂直方向位移与田间试验值的误差分别为0.36%～9.67%、0.16%～12.31%、0.56%～10.11%和0.43%～4.63%，秸秆力矩的误差为0.16%～11.06%。研究结果可为深松铲设计以及优化提供一定的理论依据。

仿真；试验；离散元法；深松；秸秆运动；力矩

0 引 言

深松可以打破犁底层，改善土壤耕层结构，增强土壤通透性，提高土壤蓄水能力和改善植物根系生长环境[1-4]，从而提高作物的产量[5-7]。但玉米秸秆还田后，秸秆残茬易导致深松铲及后续机具缠草堵塞和阻力增加等问题[8-9]，因此研究深松过程中秸秆的运动规律，可有效降低深松铲以及后续机具缠草堵塞，减少其引起的耕作阻力并为深松铲设计提供理论基础。

离散元法（Discrete Element Method）可用来模拟颗粒材料和研究材料间的变形，允许颗粒材料间存在接触的形成和破坏，因此学者基于EDEM建立秸秆-根茬-土壤、根茬-土壤、秸秆-土壤离散元模型，采用刚性不可变形的几何体、离散元颗粒粘结或颗粒堆积形成几何体方法建立模型，并通过仿真与田间试验，对土壤与耕作机具间的作用过程进行了广泛研究[10-13]，结合理论研究优化深松铲结构。

刘俊安[14]利用离散元颗粒粘结形成玉米根系及根土复合体，建立根系-土壤模型，对仿真与田间深松试验的土壤扰动数据进行对比分析，优化深松铲关键参数。赵淑红等[15]利用离散元颗粒堆积形成秸秆、颗粒粘结形成土壤，建立土壤-秸秆模型，基于不同分层深松铲的仿真试验获得底层土壤与表层秸秆侧向扰动规律。郑侃等[16]利用离散元颗粒堆积形成适合华北平原的三层深松土壤模型，结合离散元验证设计的折线破土刃深松铲能减少土层扰动量和牵引阻力。Wang等[17]建立颗粒粘结的三层深松土壤模型和圆柱体形土壤模型，通过离散元试验对比不同结构的振动深松铲的相互作用力和土壤扰动。Niziolomski等[18]在土槽试验中分析窄铲、翼铲和弯腿窄铲在不同耕深下的力学性能和土壤疏松质量，得到其对缓解压实效果的影响。从文献报道看，在建立离散元模型时，难以模拟深松铲作用后不同的玉米根茬状态，并且未见有利用土壤-秸秆-根茬的综合离散元模型对秸秆拨离现象和其运动规律的理论分析。

因此，本研究旨在使用离散元建立不同深松试验状态的土壤-秸秆-根茬模型，仿真模拟深松作业过程，对秸秆拨离垄台的因素进行分析，利用多个单因素试验对比分析其运动规律，获得较大的扰动比阻，并通过田间试验进行验证，为深松铲设计以及优化提供理论依据。

1 离散元模型

1.1 基本假设

为了保证仿真的可行性和可重复性，对仿真过程作如下假设：

1）仿真中涉及的土壤简化为足够多的球颗粒群，颗粒赋予物性并给予一定的质量和速度等[10-11]。

2）土壤、根茬颗粒间力学模型为Hertz-Mindlin with Bonding 接触模型[11-13]，Bonding模型能体现颗粒与颗粒之间的粘附力和弹塑性，并且Bonding模型颗粒粘结半径可以反映土壤的含水率，能较好模拟物体的破碎与变形；深松铲、秸秆的力学关系模型为Hertz-Mindlin（no slip）接触模型[19-20]，Hertz-Mindlin（no slip）模型为EDEM默认接触模型，能较好模拟物体的运动；根茬-土壤颗粒间内聚力接触模型为Hertz-Mindlin with JKR[21-22]，JKR模型可较好体现物体的表面能，能较好模拟根系表面与土壤的粘结。

3）深松是在深松铲于垄台中心对根茬和秸秆进行作用且在不翻转土壤、不打破原有土壤耕层结构的前提下，利用深松铲疏松种床，打破坚硬的犁底层[9]。

仿真中秸秆的运动反映了深松铲对秸秆的影响，分析深松作业过程中秸秆的扰动范围和运动（秸秆在运动时为空间运动加自身旋转的复杂三维运动），获得因素对秸秆运动的影响。

1.2 EDEM模型

1.2.1 土壤模型

基于东北壤土的物理特性，利用离散元软件EDEM建立土壤模型。参考文献[12,19,23-25]离散元仿真土壤所需参数，参数如表1所示。

表1 土壤模型参数

1.2.2 秸秆模型

深松作业时，深松铲对秸秆作用大多为扰动，较少对秸秆进行切割破碎[12]。因此，为了模拟秸秆扰动，建立多个直径相同的球面，通过球面堆积的方式生成秸秆。秸秆模型为刚性体，可以较好的表达秸秆运动。

依据文献[12]中秸秆模型参数，参数如表2所示。为使所选取的秸秆更具有代表性，对还田后秸秆进行测量与统计，将占比最多的秸秆尺寸（长度和直径）作为仿真依据。设置玉米秸秆直径为20 mm，长度为75 mm，秸秆模型如图2所示。

表2 秸秆模型参数

1.2.3 根茬模型

基于田间深松过程，根茬被深松铲作用后分为三种状态：中间切割、一侧切割和挑起[9]，因此需建立两种不同模式的根茬模型。参考文献[28,29]中根茬各部位平均尺寸，用319个直径不同的球面堆积成根系状刚性体，模拟根茬挑起时的情况，如图3a所示。使用三维建模软件SolidWorks 2016建立根茬空心模型，保存格式为stp，导入EDEM软件，模型内部填充根茬颗粒，设置根茬颗粒半径为1.5 mm，采用建立土壤模型相同的填充方法，对根茬进行颗粒粘结填充，可以较好模拟根茬切割破碎情况，如图3b所示。根茬模型参数参考文献[12,19,23]，具体参数如表3所示。

表3 根茬模型参数

基于田间试验测量并且参考文献[30]，确定玉米根茬几何参数与模型，根茬根茎直径1为30 mm；留茬高度1为130 mm；根茬根系地上高度2为40 mm；根茬根系地下高度3为120 mm；根茬根系直径2为8 mm；根茬根系幅宽3为160 mm，如图3c所示

1.2.4 整体模型

使用SolidWorks 2016建立深松铲几何模型，所用深松铲为国标JB/T 9788—1999圆弧深松铲，如图4所示。

深松铲保存格式为step并导入EDEM模型中，材料为65Mn钢，设置前进速度为1.5 km/h，深松深度为300 mm。深松铲仿真参数参考文献[12,19]，参数如表4所示。

表4 深松铲仿真参数

土槽生成时间为0～5 s，秸秆和根茬生成时间为5～5.7 s，深松铲作业时间为5.7～6.5 s，瑞利时间步长为5%，进行离散元仿真试验。

依据所探索的秸秆运动情况，整体模型为深松铲-土壤-秸秆或深松铲-土壤-秸秆-根茬，如图5所示。

2 仿真结果分析

2.1 秸秆运动影响因素

深松作业时，土壤、秸秆、根茬和深松铲对秸秆运动产生影响，但深松铲直接对秸秆作用的情况较少，大多为通过土壤影响秸秆运动，因此本文重点考虑土壤、秸秆与根茬对秸秆运动的影响规律研究。

秸秆无序的铺在田间，分析深松作业秸秆运动，可知距垄台中心不同距离处土壤所受的作用不同，秸秆不同状态以及数量所受到的作用不同，作业后根茬的不同形态所产生的作用不同，因此确定影响秸秆运动的因素为：秸秆距垄台中心的距离、秸秆与机具前进方向的夹角（简称：秸秆角度）、根茬状态和秸秆之间相互影响（秸秆数量）。

依据秸秆自身直径与根茬气生根范围[31]，确定秸秆距垄台中心的距离（秸秆形心与深松铲运动截面的垂直距离）。考虑到秸秆近似圆柱体存在对称性，秸秆角度为0～180°，等角度选取秸秆角度值。基于田间深松时根茬被作用后的状态以及与无根茬进行对比，根茬状态确定为：根茬中间切割、根茬一侧切割、根茬挑起和无根茬。试验田垄台上多点测量秸秆数量，取其平均值，确定因素为秸秆之间相互影响时秸秆的数量。基于上述分析进行4个单因素试验，探究各个因素对秸秆运动的影响。试验方案如表5所示。

表5 试验因素及取值

依据单因素试验优选法确定试验条件[32]。因素为秸秆距垄台中心距离的试验条件：秸秆角度0°，无根茬，秸秆数量1根；因素为秸秆角度的试验条件：秸秆距垄台中心的距离60 mm，无根茬，秸秆数量1根；因素为根茬状态的试验条件：秸秆距垄台中心的距离60 mm，秸秆角度0°，秸秆数量1根；因素为秸秆数量的试验条件：秸秆距垄台中心的距离60 mm，秸秆角度0°，无根茬。试验重复3次，数据取其平均值。

多个单因素对比试验需控制变量，基于深松时深松铲对土壤的作用[27]和地表根茬的影响，且其余因素试验要与存在根茬时进行对比；采用梅花形布点法对试验田地表留茬宽度采样，通过预试验确定适合东北垄作的深松铲对土壤的作用距离，综合确定秸秆距垄台中心初始距离为60 mm。深松铲沿轴（垄台中心）匀速前进。试验因素示意图如图6所示

2.2 深松作用下秸秆运动规律研究

2.2.1 深松作用下秸秆位移分析

1）秸秆距垄台中心的距离对秸秆运动的影响

秸秆距垄台中心不同距离的仿真试验数据，如图7所示。

秸秆在水平侧向和垂直方向位移随距离的增加呈增加趋势；秸秆在前进方向位移随距离的增加呈减小趋势；秸秆距垄台中心距离的变化对秸秆位移中的水平侧向运动的影响最大。

秸秆距离垄台中心越远，秸秆滚下垄台所需距离越小，在垄台侧坡的影响下，水平侧向和垂直方向位移增大。距离垄台中心越远，土壤扰动向外逐渐减小，前进方向位移减小。

2）秸秆角度对秸秆运动的影响

不同秸秆角度的仿真试验数据，如图8所示。

秸秆的水平侧向位移随着秸秆角度的增加呈减小趋势，减少32.08 mm；秸秆的垂直方向位移随着秸秆角度的增加呈减小趋势，减少4.69 mm；秸秆角度为0°时，水平侧向和垂直方向位移最大。秸秆在前进方向位移变化幅度为9.99 mm；秸秆角度为45°时，前进方向位移最大。秸秆角度变化对秸秆位移中的水平侧向运动的影响最大。由于秸秆角度不同，对秸秆的作用发生变化，引起秸秆位移变化。

3）根茬状态对秸秆运动的影响

输出深松铲作用后根茬不同状态的仿真试验数据并与无根茬进行对比，如图9所示。

根茬状态影响秸秆位移（水平侧向位移、前进方向位移、垂直方向位移）的主次顺序为根茬挑起、根茬一侧切割、无根茬、根茬中间切割。

由土壤的速度云图（图10）可知：根茬中间切割（图 10a），根茬及其下方的土壤作用较大，作用从根茬区域向外逐渐减小；根茬一侧切割（图10b），垄台和根茬下方的土壤作用较大，并且作用向外逐渐减小，根茬左侧作用大于右侧；根茬被挑起（图10c），作用主要集中于根茬下方及其两侧，土壤底部作用较小；无根茬（图 10d），土壤底部作用较广但作用较小，较大作用在土壤垄台。

4）秸秆之间相互影响对秸秆运动的影响

对秸秆之间相互影响的仿真试验数据同2.2.1节秸秆距垄台中心距离数据进行对比，如表6所示。秸秆之间的相互影响，如图11所示（靠近垄沟一侧定义为外侧，靠近垄台中心为内侧）。

表6 不同秸秆数量时秸秆之间相互影响仿真试验数据

秸秆距垄台中心的距离为60 mm时，秸秆水平侧向（方向）和垂直方向（方向）位移呈减小趋势，前进方向（方向）位移呈增加趋势；秸秆之间相互影响对秸秆位移中的前进方向运动的影响最大。

秸秆距垄台中心的距离大于60 mm时，仅有当秸秆为最远杆时，其水平侧向和垂直方向位移才会大于对比组（秸秆距垄台中心不同距离见图7）；秸秆前进方向位移结果：距离为80 mm时，秸秆位移基本不变；距离为100 mm时，秸秆位移呈现增大趋势，增加了3.67 mm；距离为120 mm时，秸秆位移呈现增大趋势，增加了21.89 mm。可以得出：当秸秆距垄台中心的距离大于60 mm，秸秆数量增加时，秸秆前进方向位移呈增大趋势。

秸秆受土壤作用向外运动，之后秸秆相互接触运动；水平侧向运动：运动被外侧秸秆阻挡，水平侧向和垂直方向位移减小；前进方向运动：秸秆相互接触，由于运动速度差，产生滑动，前进方向位移增加。

2.2.2 深松作用下秸秆力矩分析

深松时秸秆的旋转变化，主要体现在秸秆所受力矩。对所有仿真试验中秸秆的力矩进行输出，如图12所示。从图中得出总体趋势为：在土壤作用下较为平稳后因受到土壤或秸秆或根茬的作用，产生峰值，后又趋于平稳。

秸秆力矩与总位移（总位移为前进方向、水平侧向和垂直方向的矢量和）的仿真试验数据，如图13所示。

秸秆距垄台中心距离变化时，秸秆的力矩和总位移呈现为增大趋势，秸秆力矩与秸秆总位移呈正相关。

秸秆角度为45°时秸秆力矩最大，秸秆运动的总位移呈现减小趋势。秸秆角度变化时，秸秆力矩对秸秆总位移的影响较小。

根茬状态影响秸秆力矩的主次顺序为根茬挑起、根茬一侧切割、根茬中间切割、无根茬，根茬对秸秆力矩有较大影响。根茬状态对秸秆总位移的影响主次顺序为根茬挑起、根茬一侧切割、无根茬、根茬中间切割。

秸秆之间相互影响对于秸秆力矩存在影响，因碰撞第一根秸秆（距垄台中心距离60 mm的秸秆）力矩增大，且秸秆数量越多第一根秸秆的力矩越大，但此时秸秆力矩对第一根秸秆总位移的影响较小。其余秸秆的力矩在第一根秸秆的作用下呈现递增趋势，但力矩小于第一根秸秆，秸秆总位移亦呈递增趋势，此时秸秆力矩与秸秆总位移呈正相关。

影响秸秆力矩的主次顺序为根茬状态、秸秆数量、秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角。

以深松时常见挑起根茬为例，分析秸秆力矩（如图 14），将仿真数据输入Matlab软件（秸秆总位移变化：力矩对应时间段的位移差），进行中心化与比例化处理且以残差平方最小为目标进行拟合，方程取95%的置信区间，可得秸秆力矩与总位移变化的拟合曲线，如图15所示。

秸秆力矩(N·mm)与秸秆总位移变化b(mm)的拟合方程：

2.2.3 扰动比阻分析

提取各仿真试验中深松铲平均阻力，如表7所示。可知在没有根茬情况下，深松铲阻力基本一致。

表7 各仿真试验中深松铲的阻力

基于减少深松铲缠草堵塞和其引起的深松阻力，主要考虑秸秆力矩扰动较大的秸秆位移。将秸秆扰动力矩与深松铲阻力之比定义为秸秆扰动比阻。比较仿真试验中秸秆扰动比阻，探究影响扰动比阻的主要因素，得到最大扰动比阻，使秸秆扰动力矩较大的同时，并保证深松铲前进阻力较小。

当秸秆距垄台中心距离为60、80、100、120 mm时，秸秆的扰动比阻分别为0.094、0.096、0.107、0.117 mm；当距离为120 mm时扰动比阻最大。当秸秆角度为0、45、90、135°时，秸秆的扰动比阻分别为0.094、0.106、0.108、0.1 mm；秸秆角度为90°时扰动比阻最大。根茬状态为根茬中间切割、根茬一侧切割、根茬挑起、无根茬，秸秆的扰动比阻分别为0.126、0.152、0.104、0.094 mm；

根茬状态影响秸秆扰动比阻的主次顺序为根茬一侧切割、根茬中间切割、根茬挑起、无根茬。当秸秆数量为2根时，秸秆的扰动比阻分别为0.108、0.104 mm；当秸秆数量为3根时，秸秆的扰动比阻分别为0.135、0.104、0.12 mm；当秸秆数量为4根时，秸秆的扰动比阻分别为0.146、0.103、0.118、0.127 mm；当秸秆数量为4根时，距离为60 mm的秸秆扰动比阻最大。

深松时，秸秆最大扰动比阻为根茬一侧切割时，可基于此时的土壤、秸秆和根茬状态进行深松铲设计以及优化，达到秸秆扰动较大，深松阻力较小。

3 田间深松试验

3.1 试验条件与设备

为进一步验证仿真试验的可靠性，于2021年4月8日在东北农业大学保护性耕作试验基地进行基于高速摄像的田间深松试验。试验地为东北黑壤土，为垄作玉米收获后秸秆还田地，有秸秆和残茬覆盖（图16a），对垄台进行清理，并放置带有标记的秸秆，使田间试验条件尽量达到仿真试验条件（图16b）。平均留茬高度110 mm，土壤平均含水率（19±1）%，平均土壤容重1.5 g/cm3，土壤硬度分别为：1 526 kPa（0～125 mm）、3 649 kPa（125～250 mm）、2 433 kPa（250～300 mm）。

试验所用设备有奔野-454拖拉机（宁波）、机架、国标JB/T 9788—1999圆弧深松铲、平面镜、直流电源、逆变器（12 V转换220 V，直流转换交流）、插排、计算机、高速摄像机（Vision Research公司生产的phantom V5.1）等。

3.2 试验方法

装置连接：直流电源连接逆变器，使直流12 V电流转变为高速摄像可用的220 V交流电，逆变器连接高速摄像机，高速摄像机连接计算机。拖拉机采用三点悬挂连接机架，深松铲与机架通过顶丝固定，如图17所示。

1.逆变器 2.插排 3.直流电源 4.计算机 5.高速摄像机 6.平面镜 7.机架 8.深松铲 9.奔野454拖拉机

试验重复3次，共随机选取试验地内9处根茬和39个无根茬处，按试验方案放置带标记的秸秆，摆设并调整高速摄像机，使计算机PCC 2.8软件所呈现图像清晰，拖拉机以慢2档位低油门（1.5 m/s）前进，深松铲入土深度为300 mm，对深松过程秸秆运动状态进行拍摄，记录并保存。高速摄像机直接记录秸秆前进方向和垂直方向运动；平面镜与地表呈45°夹角，间接记录秸秆水平侧向运动。

3.3 试验结果

采用上述方法在PCC 2.8软件中对所拍摄的视频进行分析，高速摄像部分试验图片，如图18所示。

从试验田中选取多根秸秆，进行直径和质量测量，取其平均值：秸秆直径20.25 mm，秸秆质量4.79 g。

对摄像结果中的秸秆位移和加速度变化进行提取，并计算力矩。

田间试验值同2.2.1～2.2.4节中仿真所得理论值对比，结果如图19所示（定义仿真与田间试验值的绝对差值与仿真值之比为田间试验相对误差）。

秸秆的总位移误差在0.36%～9.67%内；秸秆的水平侧向位移误差在0.16%～12.31%内；秸秆的前进方向位移误差在0.56%～10.11%内；秸秆的垂直方向位移误差在0.43%～4.63%内；秸秆的力矩误差在0.16%～11.06%内，相差较小，且田间试验值与仿真值变化趋势相同。故田间试验验证离散元仿真的合理性和离散元模拟秸秆田间运动的可行性。

4 结 论

1）本文在东北垄作区玉米秸秆还田条件下，使用离散元仿真和田间试验，探究秸秆在不同状态下的运动规律，基于大的扰动比阻，为深松铲设计与优化提供理论依据。

2）深松铲秸秆位移分析：秸秆距垄台中心距离对秸秆位移中水平侧向运动的影响最大；秸秆水平侧向位移随着秸秆角度增大呈减小趋势；根茬状态影响秸秆位移的主次顺序为根茬挑起、根茬一侧切割、无根茬、根茬中间切割；秸秆距垄台中心距离为60 mm时，秸秆之间相互影响对秸秆位移中前进方向运动的影响最大；距离大于60 mm，秸秆数量增加时，秸秆前进方向位移呈增大趋势。深松铲秸秆力矩分析：秸秆在不同状态下的秸秆力矩变化趋势为平稳变化，后产生峰值，最后又趋于平稳；影响秸秆力矩的主次顺序为根茬状态、秸秆之间相互影响、秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角。深松时，秸秆最大扰动比阻为根茬一侧切割0.152 mm。

3）对离散元仿真试验以及对应的田间试验数据进行分析，秸秆的总位移、水平侧向、前进方向和垂直方向位移误差分别为0.36%～9.67%、0.16%～12.31%、0.56%～10.11%和0.43%～4.63%，秸秆力矩的误差为0.16%～11.06%，相差较小且试验值与仿真值变化趋势相同，故田间试验验证离散元仿真的可行性和合理性。

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Maize straw motion law in subsoiling operation using discrete element method

Zhao Shuhong, Gao Lianlong, Yuan Yiwen, Hou Leitao, Zhang Xin, Yang Yueqian※

(,,150030,)

Sowing stubbles with straw in ridges have seriously caused the entanglement, blockage, and resistance to the subsoiler and subsequent machine tool when returning corn straws to the field in the northeast areas of China. The purpose of this study was to establish a discrete element model of subsoiler-soil-straw-stubble for the motion behavior of straw during subsoiling operation, thereby exploring the movement and mechanical characteristics of straw under different conditions. The soil bin was also built as a common ridge in Northeast China. Among them, the straw was assumed as a rigid body, whereas, the breakable adhesive stubble was an unbreakable rigid body. The simulation and test data were then selected to investigate the motion mechanism of straws. Specifically, the tracking movement of straw was obtained as the simulation data. A high-speed camera was also utilized to record the movement data of straw in the field test. As such, the large variation in the movement of straw was better simulated during subsoiling operation, particularly in the complex field environment. Four influencing factors were achieved to represent the straw plucking away from the ridge in the operation of subsoiling, including the distance between the straw and the center of the ridge, the angle between straw and machine, the state of stubble (cutting in the middle of stubble, cutting on one side of stubble, picking up of stubble and no stubble), and the interaction between straws. Correspondingly, the displacement and torque of straws on ridges were obtained to determine the disturbance-specific resistance (the ratio of straw disturbance moment to subsoiler resistance) under the action of the subsoiler. The simulation results show that the distance between the straw and the center of the ridge presented the greatest influence on the horizontal and lateral movement of straws, where the horizontal-lateral displacement of straw decreased with the increase of the angle between the straw and machine. More importantly, there was the largest displacement in the forward direction of straw, when the angle of straw was 45°. The primary and secondary order of stubble state affecting straw displacement was as follows: stubble pick up, stubble side cutting, no stubble, stubble middle cutting. Especially, there was the greatest influence of the interaction between the straws on the forward direction of straws, when the distance between the straw and the center of the ridge was 60 mm. Once more than 60 mm, the displacement tended to increase in the forward direction of straws. In addition, the torque of straws was calculated to explore the rotation of straw in simulation tests. It was found that the overall trend was as follows: the peak value was generated after the stable operation, and then tended to be stable. Anyway, there was a great influence of stubble on the torque of straw. The errors of the total displacement, horizontal-lateral displacement and forward displacement obtained by the simulation model with the test values were 0.36% -9.67%, 0.16% -12.31%, and 0.56% -10.11%, respectively. The error of straw torque was also 0.16% to 11.06%. The error between the test and simulation value was within the allowable range, indicating a similar changing trend. Consequently, the test verified the rationality and feasibility of discrete element simulation. The finding can greatly contribute to understanding the mechanism of straw during subsoiling, particularly to the reasonable design of subsoil machinery in modern agriculture.

simulation; test; discrete element method; subsoiling; straw movement; torque

赵淑红，高连龙，袁溢文，等. 基于离散元法的深松作业玉米秸秆运动规律[J]. 农业工程学报，2021，37(20)：53-62.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.006 http://www.tcsae.org

Zhao Shuhong, Gao Lianlong, Yuan Yiwen, et al. Maize straw motion law in subsoiling operation using discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(20): 53-62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.006 http://www.tcsae.org

2021-08-05

2021-09-26

国家重点研发计划（2020YFD1000903）；黑龙江省应用技术研究与开发计划项目（GA19B101）

赵淑红，教授，博士生导师，研究方向为田间农业机械及力学特性的研究。Email：shhzh091@sina.com

杨悦乾，研究员级工程师，研究方向为保护性农业装备研究。Email：yangyueqian@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.0006

S222.1

A

1002-6819(2021)-20-0053-10