免耕播种机渐开线侧深施肥开沟器设计与试验

赵艳忠，苟金保，王玉峰，董守坤，赵淑红*

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081；3.东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

免耕播种是保护性耕作主要技术之一，广泛应用于东北黑土垄作区[1-2]。为维持耕作土壤肥效稳定，减少追肥机具进地次数，免耕播种机具多采用侧深施肥装置进行施肥[3]。侧深施肥免耕播种机采用施肥开沟器与播种开沟器侧位配置方式进行侧深施肥[4]。根据东北地区垄作侧深施肥免耕播种长期作业及跟踪调研可知，在实际作业过程中，因施肥开沟器入土较深，开沟阻力大；且施肥开沟器与播种开沟器不在同一直线，施肥开沟器先入土导致该侧土壤疏松，加剧免耕播种作业中施肥播种单体偏摆甚至掉垄问题，影响播种作业质量[5]。国内外学者开展机具横向稳定性创新研究，包文育等增加机具圆锥台型导向装置，使其行走于垄沟，防止机具从垄台滑落[6]；赵艳忠等设计一种直斜错位式双圆盘肥种沟开沟器，通过降低非侧深开沟侧圆盘侧向阻力提高机具横向稳定性[7]。在开沟器降阻方面，赵淑红等基于旗鱼高速低阻生物运动特性，设计一种仿旗鱼头部曲线型开沟器降低前进阻力[8]；贾洪雷等基于狗獾犬齿低阻贯穿特性，设计一种仿狗獾犬齿曲面芯铧式开沟器，开沟阻力较标准芯铧式开沟器降低[9]；王庆杰等设计一种楔刀型开沟器，作业时可降低15%～25%土壤扰动量，开沟阻力明显降低[10]；Vilaseca等对开沟器材料进行PVD涂层热冲压，通过降低摩擦力减阻[11]；张杰等为解决苜蓿播种机开沟器开沟作业阻力大、入土困难等问题，设计一种可实现种肥正位分施曲面刃口型开沟器[12]。但目前针对东北垄作侧深施肥农艺要求，关于侧深施肥免耕播种机施肥开沟器降阻和播种机横向稳定性研究较少。

本文以侧深施肥免耕播种机为载体，针对弧式施肥开沟器在作业过程中铲尖处易形成土壤堆积、开沟阻力大和沟型直线度差等问题，设计一种渐开线施肥开沟器，通过降低侧深施肥侧土壤扰动和合理配置侧深施肥开沟器位置提高机具横向稳定性，以期为相似部件设计提供参考。

1 渐开线施肥开沟器设计

1.1 侧深施肥播种单体结构

免耕播种机由若干个施肥播种单体组成，每个施肥播种单体由限深轮、破茬圆盘刀、渐开线施肥开沟器、肥种沟开沟器、排种器、排肥器、种箱、肥箱、护种板、覆土盘和镇压轮组成，一次作业可完成破茬开沟、底肥侧位深施、口肥垂直分施、精密播种和覆土镇压等工序，结构如图1所示。

图1 施肥播种单体结构Fig.1 Fertilizer seeding monomer structure

施肥播种单体利用渐开线施肥开沟器和肥种沟开沟器侧位错落配置实现底肥侧位深施、口肥同层垂直分施，以玉米或大豆为例，底肥在种子侧4～8 cm、下5～6 cm位置施入[13-14]。

侧深施肥免耕播种机配套使用弧式施肥开沟器在作业过程中常出现铲尖土壤堆积现象，如图2所示，导致施肥开沟器壅土，沟型直线度差，前进阻力和土壤扰动增加，加剧侧深施肥条件下施肥播种单体偏摆和掉垄问题，机具横向稳定性变差。

图2 施肥开沟器铲尖处土壤堆积Fig.2 Soil accumulation at the tip of manure shovel trencher

1.2 离散元土壤模型建立

为探究施肥开沟器铲尖土壤堆积原因，本文采用离散元法分析铲尖土壤颗粒轨迹。2021年4月30日采集东北农业大学农学院试验田土壤、玉米秸秆和根茬样品测量物理参数，通过剪切试验测量力学参数，选用Hertz-Mindlin with bonding模型作为接触力学模型[8,15]。标定样品本征参数、基本接触参数[16-17]和接触模型参数[8]，测量和标定结果如表1所示，构建离散元模型，如图3所示。

表1 仿真基本参数Table 1 Simulation basic parameter

图3 离散元土壤模型Fig.3 Discrete element soil model

1.3 铲型曲线分析与设计

通过长期免耕播种作业跟踪调研发现，弧式施肥开沟器铲尖曲线根部与铲柄之间夹角为造成施肥开沟器铲尖土壤堆积主要原因，铲尖曲线如图4中曲线1所示，α0为铲尖曲线与铲柄夹角。为探究铲尖土壤堆积原理，分析土壤颗粒在施肥开沟器作用下轨迹，铲尖处土壤堆积为颗粒群体运动集成，因此需在离散元模型中在铲尖上方利用Grid bin group方法创建标记空间[18]，对标记空间内所有颗粒轨迹进行总体分析，创建标记空间如图5所示，标记位置与根茬侧向距离为5 cm。

图4 不同施肥开沟器铲型曲线Fig.4 Curves of different fertilizer shovels

图5 模型标记空间创建Fig.5 Model tag space creation

将弧式施肥开沟器导入离散元模型中进行仿真分析，分析结果如图6a所示。在标记空间内所有土壤颗粒在弧式施肥开沟器作用下向上抛起，而后随施肥开沟器一起向前运动，在铲尖根部上方产生滞留。下方继续向上抛起颗粒由于受到滞留颗粒阻碍，滞留颗粒增加，形成滞留团体，当团体进一步扩大时，弧式施肥开沟器铲尖曲线根部和铲柄间夹角α0对滞留团体提供支撑作用，在东北土壤黏性特征条件下，土壤堆积形成。

由上述分析可知，增大夹角α0可在一定程度上解决土壤堆积问题，当α0=180°时，可使铲尖对滞留团体所提供支撑作用最小，可将弧式曲线根部改进设计成相切形式或者直接将夹角进行圆角化，所得曲线分别命名为单圆式和双圆式，如图4中曲线2和3所示。

施肥开沟器在作业过程中单圆弧过渡处应力无法良好分散，易产生应力集中，采用多圆弧过渡方式可降低应力集中[19-20]。采用渐开线式曲线，这种曲线由无数个渐变圆弧组成，在解决土壤堆积问题基础上又可避免铲尖应力集中，渐开线式曲线如图4中曲线4所示。

将单圆式、双圆式和渐开线式导入离散元模型中进行仿真分析，在标记空间内分别得到如图6b～d所示颗粒轨迹图。

图6 土壤颗粒在不同施肥开沟器作用下轨迹Fig.6 Trajectories of soil particles under different fertilizing trenchers

分析可知，土壤颗粒在单圆式施肥开沟器作用下被抛起，有部分颗粒产生滞留，可能是因单圆式施肥开沟器铲尖过短，土壤在铲尖作用下未向两侧抛离即与铲柄碰撞，铲尖在前进方向上土壤推挤量增大，导致部分土壤无法回落。土壤颗粒在双圆式和渐开线式施肥开沟器作用下被抛起，再向下回落，中间未产生颗粒滞留，作业效果较好。4种施肥开沟器在开沟深度为90 mm条件下前进阻力如图7所示。

分析图7，计算得到各施肥开沟器前进阻力，与弧式施肥铲相比，单圆式施肥开沟器前进阻力提高40.13%，双圆式和渐开线式施肥开沟器分别降低9.46%、1.17%。单圆式施肥开沟器前进阻力比其他3种施肥开沟器大，与其铲尖过短造成土壤推挤量增大现象相符[8]。受仿真时间和土壤模型限制，弧式施肥开沟器铲尖不易形成土壤堆积，其前进阻力与双圆式和渐开线式相差不大。综上所述，施肥开沟器铲尖曲线设计成渐开线式。

图7 不同施肥开沟器前进阻力Fig.7 Forward resistance of ditcher with different fertilization

1.4 渐开线施肥开沟器结构设计

渐开线施肥开沟器主要由铲柄、铲尖、导肥舌和顶丝定位孔组成，如图8a所示。铲柄采用30 mm×50 mm空心钢管，兼具导底肥作用，为防止回土堵塞影响肥料下落，设置导肥舌。施肥开沟器铲尖主要结构参数有入土角α、入土隙角β、渐开线基圆曲率半径R和铲尖附柄高度h，如图8b所示。参考文献[7,21]，施肥开沟器入土角取值为20°～40°，入土隙角取值为5°～14°，铲尖附柄高度根据入土深度取80 mm。图8b中CG渐开曲线段为基圆曲率半径为R、发生线长度为1/4基圆周长所形成曲线，发生线滚动角为0～90°。

图8 渐开线施肥开沟器结构Fig.8 Involute fertilizing furrow opener

1.5 渐开线施肥开沟器受力分析

渐开线施肥开沟器属于锐角开沟器，主要利用对土壤切、推作用开出肥沟。渐开线施肥开沟器与土壤之间应力主要为正应力和切应力，受力分析如图9所示。作业时，渐开线施肥开沟器与土壤间正应力和切应力变化不大，铲尖受力大小主要与铲尖与土壤接触面积有关，影响渐开线施肥开沟器前进阻力主要因素为入土角、入土隙角和基圆曲率半径，在保证一定铲尖长度和宽度前提下，基圆曲率半径可通过入土角和入土隙角近似计算求得[8]。因此确定合适入土角、入土隙角值可在一定程度上减小前进阻力，降低功耗。

图9 施肥开沟器铲尖受力分析Fig.9 Stress analysis diagram of shovel tip of fertilizing ditcher

2 渐开线施肥开沟器结构参数优化

2.1 渐开线施肥开沟器铲尖结构参数优化

深施肥侧土壤扰动为造成机具偏摆主要原因[7]，较小土壤扰动有利于机具横向稳定性提高。结合1.5节，为探究渐开线施肥开沟器结构参数对其工作性能影响，本试验以入土角和入土隙角为因素，土壤扰动面积[22-23]和前进阻力为指标，根据Central composite design（CCD）试验设计原理设计试验，因素水平编码如表2所示。

表2 因素水平编码Table 2 Experimental values and coded levels

仿真试验过程如图10所示。由图10a～c可知，随渐开线施肥开沟器逐渐切入土壤，地表土壤受剪切和挤压作用向上抬升，形成隆起，侧边根茬随之被挑起；当其完全没入土壤中时，地表隆起达到最大，土壤扰动增大，土壤颗粒沿铲尖渐开曲面向上运动直至脱离铲尖，部分土壤颗粒回流入沟，当土壤颗粒即将脱离铲尖时速度达到最大。分析图11d和e可知，渐开线施肥开沟器在前进过程中将地表秸秆向两侧推挤。沟形截面如图11a所示，为方便测量扰动面积，将秸秆隐藏，分别绘出坑形轮廓和地表垄形轮廓，形成封闭区域即为土壤扰动面积，如图11b所示。

图10 渐开线施肥开沟器作业仿真过程Fig.10 Simulation process of involute fertilizing trencher operation

图11 土壤扰动面积Fig.11 Soil disturbance area

试验每组重复3次，取平均值，仿真试验结果见表3。

利用Design-Expert 8.0.6软件对表3数据作多元回归拟合和方差分析，去除不显著项，得到各因素对前进阻力y1、土壤扰动面积y2影响回归方程为：

表3 试验设计方案及结果Table 3 Experimental design scheme and results

为更直观分析各因素与试验指标之间关系，利用Design-Expert 8.0.6软件对数据分析处理得到响应曲面，如图12和13所示。

由图12可知，当入土角小于一定值时，渐开线施肥开沟器前进阻力随入土隙角增加呈减小趋势，当入土角大于一定值时，前进阻力随入土隙角增加呈先减后增趋势，前进阻力越小越好，最优入土隙角范围为8.6°～14.0°；当入土隙角小于一定值时，前进阻力随入土角增加渐减小趋势，当入土隙角大于一定值时，前进阻力随入土角增加呈增大趋势，最优入土角范围为20°～32°。

图12 因素交互作用对前进阻力影响Fig.12 Influence of factor interaction on forward resistance

由图13可知，土壤扰动面积随入土隙角增加呈先减后增趋势，土壤扰动面积越小越好，最优入土隙角范围为5.0°～14.0°；土壤扰动面积随入土角增加呈先减后增趋势，最优入土角范围为20°～40°。

图13 因素交互作用对土壤扰动面积影响Fig.13 Influence of factor interaction on soil disturbance area

为获得最佳试验因素水平组合，利用Design-Expert 8.0.6软件Optimization模块对回归模型进行求解，根据渐开线施肥开沟器实际工作要求，选择目标函数和约束条件为：

经求解，得到最优结构参数组合为：入土角为25.37°、入土隙角为12.92°，为便于加工将最优参数圆整后为入土角为25°、入土隙角为13°，根据结构关系求得渐开线基圆曲率半径为169 mm，此组最优结构组合下渐开线施肥铲前进阻力为264.49 N，土壤扰动面积为269.23 cm2。

2.2 渐开线施肥开沟器配置结构参数优化

施肥播种单体作业偏摆现象归咎于单体受力不平衡[7]，在前进作业过程中，因深施肥侧土壤扰动，土壤紧实度降低，施肥播种单体中肥种沟开沟器两圆盘侧向受力差值较大导致不平衡，施肥播种单体向深施肥侧偏摆，侧深施肥侧向间距为影响其受力平衡重要因素。为探究侧向施肥间距对施肥播种单体横向稳定性影响，根据合理种肥距关系[14]，以不同侧向施肥间距L(4、6、8 cm)为试验因素，肥种沟开沟器在深施肥侧斜盘侧向力为试验指标开展仿真试验，试验过程如图14所示，试验结果肥种沟开沟器斜盘侧向力随时间变化如图15所示。随侧向施肥间距增加，肥种沟开沟器斜盘侧向力逐渐增加，施肥播种单体中肥种沟开沟器两侧受力差值减小，横向稳定性增加。参考文献[24]可知，由于东北垄作垄宽限制，垄作侧深施肥距离为5～6 cm，因此本设计选用6 cm侧向施肥间距，可满足设计要求。

图14 仿真过程Fig.14 Simulation process

图15 试验结果Fig.15 Test results

3 田间试验

3.1 试验仪器

2021年10月12～14日，在东北农业大学农学院试验田开展对比验证和整机试验。试验期间平均气温5～13℃，无降雨。试验前茬作物为玉米，土壤质地为黑土，选取200 m×100 m地块作为试验区，深度0～15 cm，土壤容重1.31g·cm-3，土壤紧实度713 KPa，土壤含水率19.38%。试验仪器：约翰迪尔奔野454型拖拉机、自制测力架[7]、渐开线施肥开沟器、肥种沟开沟器、数显式推拉力计(型号分别为：HG-10K、HG-30K，量程分别为10、30 kN)、SC-900型土壤硬度仪、电子天平、烘箱、环刀组件、钢卷尺、皮尺等，装置调试如图16所示。

图16 田间测试装置Fig.16 Field test unit

3.2 对比验证试验

分别对渐开线施肥开沟器前进阻力、开沟深度稳定性系数、开沟直线度合格率以及侧深开沟条件下肥种沟开沟器侧向合力进行测量[7,25]，试验重复5次，最终结果取平均值，测量及结果如图17、表4所示。

图17 试验数据测量Fig.17 Test data measurement

分析表4可知，与弧式施肥开沟器相比，渐开线施肥开沟器前进阻力和侧深开沟条件下肥种沟开沟器侧向合力分别减少15.56%、25.14%，开沟直线度合格率提高8%，综合作业性能明显提高，渐开线施肥开沟器具有一定优越性。前进阻力试验值与仿真值相对误差为17.9%。

表4 对比试验结果Table 4 Comparative test results

3.3 整机验证试验

将渐开线施肥开沟器按照最优侧向间距安装在免耕播种机上开展整机验证试验，如图18所示。

图18 田间整机验证试验Fig.18 Complete machine validation test in field

试验发现，播种机在作业过程未出现偏摆或掉垄情况，机具横向稳定性较好；渐开线施肥开沟器铲尖处未形成土壤堆积，作业效果良好，满足侧深施肥农艺要求。

4 结论

a.为解决东北垄作侧深施肥免耕播种机开沟阻力大、机具横向稳定性差等问题，基于解决当前配套使用弧式施肥开沟器铲尖土壤堆积问题，通过对不同铲型土壤颗粒轨迹进行对比分析，设计一种渐开线施肥开沟器。

b.通过离散元仿真参数优化，最终获得当渐开线施肥开沟器入土角为25°、入土隙角为13°、渐开线基圆曲率半径为169 mm、侧向施肥间距为60 mm时，作业效果最优。

c.经田间对比和整机验证试验可知，渐开线施肥开沟器性能明显优于弧式施肥开沟器，作业过程中免耕播种机具未出现偏摆及铲尖土壤堆积，满足侧深施肥免耕播种作业要求。