刁懷龍，張銀平，刁培松，趙 娜

(山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255049)

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基于EDEM的小麥寬苗帶深松免耕播種機設計與試驗

刁懷龍，張銀平，刁培松，趙 娜

(山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255049)

隨著保護性耕作技術(shù)的發(fā)展，深松和免耕技術(shù)得到大力推廣。為此，設計了一種小麥深松免耕播種機，運用EDEM離散元分析技術(shù)，對深松鏟在不同工作速度下的工作阻力進行了分析。結(jié)果表明：隨著速度的增加，深松鏟工作阻力逐漸增大，且增大速率逐漸加強。同時，結(jié)合寬苗帶播種技術(shù)，對播種口進行設計，得到最佳的排種角度和內(nèi)部凸起高度，分別為40°和4mm。對小麥寬苗帶深松免耕播種機進行了田間試驗，結(jié)果表明：機器通過性好，播種深度和施肥深度合格率及種肥間距合格率分別為90.82%、95.32%、91.17%，變異系數(shù)分別為4.06%、2.39%、4.91%，符合農(nóng)藝要求。

深松；免耕；寬苗帶；離散元分析

0 引言

現(xiàn)有的耕作模式主要有兩種：一是傳統(tǒng)的精耕細作；二是近年來發(fā)展的保護性耕作。對應的小麥播種機主要有兩種方式：一是在精耕細作后的土地上進行播種的播種機；二是在秸稈覆蓋條件下進行播種的免耕播種機。隨著保護性耕作技術(shù)的發(fā)展，免耕播種技術(shù)得到大力推廣，免耕播種機也越來越受到農(nóng)民的青睞。但是，人們對免耕的理解有誤，認為免耕就是不對土壤進行翻耕，長期不翻耕帶來的耕層變淺、土壤表層板結(jié)現(xiàn)象也越來越突出[1]。深松技術(shù)作為保護性耕作的四大主要技術(shù)之一，在改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤的通透性和蓄水保墑能力方面具有很大的作用[1-5]。為此，設計了一種小麥深松免耕播種機，結(jié)合寬苗帶播種和苗帶精細旋耕技術(shù)，一次進地完成深松、苗帶旋耕、施肥、播種、覆土及鎮(zhèn)壓等功能，既簡化了播種環(huán)節(jié)，又對土壤進行了有效的深松。

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

小麥寬苗帶深松免耕播種機主要由深松、旋耕、施肥、播種、覆土及鎮(zhèn)壓等部分組成，如圖1所示。深松部分設計為可拆卸型，可將深松部件拆下在其他季節(jié)單獨進行深松，深松鏟前后兩排交錯布置，避免了深松鏟之間易堵塞的問題；旋耕部分采用苗帶旋耕，只對播種行進行旋耕，創(chuàng)造了良好的種床環(huán)境，減少了對土壤的耕作，降低了功率消耗；施肥采用正位深施，施肥開溝器采用箭鏟式；排種采用外槽輪排種器，下部安裝燕尾式播種口，進行寬苗帶播種；鎮(zhèn)壓輪設計為浮動可調(diào)式，能夠根據(jù)不同地形條件自動整體仿形，也可根據(jù)不同播種條件和要求，調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力大小，改變鎮(zhèn)壓效果；前部的限深輪及后部的鎮(zhèn)壓輪結(jié)合形成橋式結(jié)構(gòu)，播種深度可以通過調(diào)節(jié)限深輪的高低進行調(diào)節(jié)。旋耕部分的動力由拖拉機動力輸出軸提供，排種器及排肥器由鎮(zhèn)壓輪通過鏈傳動驅(qū)動。

1.深松部裝 2.限深輪 3.旋耕刀 4.施肥開溝器 5.播種口 6.擋土板 7.鎮(zhèn)壓輪 8.種肥箱 9.變速箱

1.2 工作原理

小麥寬苗帶深松免耕播種機在拖拉機的牽引下前進，深松鏟深入地下完成深松作業(yè)；拖拉機動力通過變速箱傳遞給旋耕裝置，旋耕裝置高速旋轉(zhuǎn)對播種行苗帶進行旋耕，制造出精細的種床環(huán)境；鎮(zhèn)壓輪通過鏈傳動驅(qū)動播種施肥的上位外槽輪排種器和排肥器。排出的種子通過導種管和燕尾式播種口，均勻地播撒在種床上，形成寬苗帶；排出的肥料通過施肥開溝器施入土壤中。旋耕裝置拋起的土壤遇到后部的擋土板后下落在播種后的苗帶上，完成覆土；最后，經(jīng)鎮(zhèn)壓輪將苗帶壓實，完成整個深松播種過程。

2 關(guān)鍵部件設計與分析

2.1 深松鏟

2.1.1 深松鏟參數(shù)設計

本文以箭形深松鏟為研究對象。深松鏟主要由鏟尖和鏟柄構(gòu)成，其主要參數(shù)如圖2和圖3所示。一般箭寬范圍為100～200mm，箭角范圍為30°～90°，起土角范圍為10°～30°；鏟柄側(cè)面寬度一般小于300mm，鏟柄楔角范圍為50°～70°，鏟柄厚度為10～30mm。本文中所設計的參數(shù)為：箭寬W=200mm，箭角α=60°，起土角β=30°；鏟柄側(cè)面寬度b=85mm，鏟柄楔角θ=60°，鏟柄厚度s=25mm[5-8]。在UG中建立三維模型。

W.箭寬 α.箭角 β.起土角

b.側(cè)面寬度 θ.鏟柄楔角 s.鏟柄厚度

2.1.2 深松鏟與土壤作用的離散元分析

土壤是由眾多細小的顆粒構(gòu)成的，不是連續(xù)的模型，其動態(tài)變化也不能用連續(xù)體模型進行分析[4]。相對于有限元，離散單元法更適合對土壤進行分析，離散元模型能很好地模擬土壤的不連續(xù)形狀，對土壤顆粒間的相互作用和外力對土壤的剪切行為進行形象的描述，解決典型觸土部件對離散結(jié)構(gòu)土壤的復雜動態(tài)擾動行為[10,15]。

本文將在UG中建好的模型導入離散元分析軟件EDEM中，建立深松鏟尖與土壤離散元分析模型，如圖4所示。采用線性粘彈性接觸力學模型計算土壤顆粒之間以及深松鏟與土壤間的接觸作用力[5]。仿真分析時，深松鏟與土壤的性能參數(shù)以及兩者之間的接觸參數(shù)如表1所示。

圖4 深松鏟-土壤離散元分析模型

參數(shù)數(shù)值深松鏟(45) 泊松比0．30剪切模量/Pa7．00×1010密度/kg·m-37．80×103土壤 泊松比0．50剪切模量/Pa1．00×105密度/kg·m-32．00×103土-土恢復因數(shù)0．12土-土靜摩擦因數(shù)0．25土-土動摩擦因數(shù)0．04土-鋼恢復因數(shù)0．10土-鋼動摩擦因數(shù)0．02土顆粒半徑/mm2土顆粒數(shù)目200000

2.1.3 離散元分析結(jié)果

本設計深松鏟的深度為300mm，運用EDEM離散元分析軟件，對比分析了深松鏟速度為0.8、1.0、1.2m/s時的耕作阻力。

圖5所示耕作阻力隨速度的變化規(guī)律：隨著速度的增加，深松鏟耕作阻力逐漸增大；從曲線的曲率可知：深松鏟阻力隨速度的增大，其增大的速率越來越大。圖6所示速度為1.0 m/s時，深松鏟耕作阻力隨時間的變化規(guī)律：隨著深松鏟與土壤接觸面積的增大，耕作阻力也逐漸增大，至最大值后逐漸減小，直至與土壤完全分離。

圖5 耕作阻力隨速度的變化規(guī)律

圖 6 v=1.0m/s 時耕作阻力隨時的變化規(guī)律

2.2 播種口設計

播種口分種口的下種角度α和中間凸起的高度h是影響排種性能的關(guān)鍵因素，如圖7所示。小麥作為種子的含水率一般為12%～14%，休止角為27°～38°[4]。為了達到最佳的排種和分種效果，運用EDEM離散元分析軟件對播種口的排種性能進行試驗，從而確定最佳的下種角度和凸起高度，如圖7所示。

下種角度α大于小麥種子的自然休止角時，才能順暢下種，仿真時分別設置為35°、40°、45°；中間凸起高度分別為2、4、6mm，最大寬度為6cm，占整個分種口最大寬度的1/2。

小麥種子是非球體，可用橢球體來近似代替，選用鄭麥9203，參照文獻[3]，可以將小麥種子簡化為5個球粘合的組合球顆粒模型，如圖8所示。播種仿真模型如圖9所示。播種口與種子的性能參數(shù)及接觸參數(shù)如表2所示。

圖7 播種口參數(shù)

圖8 小麥種子簡化模型

1.顆粒廠 2.播種口 3.顆粒 4.容器

仿真結(jié)束后，數(shù)出容器中每個小格內(nèi)的種子數(shù)量，計算密度比，如表3所示。

從試驗結(jié)果可以看出：當α=35°、h=2mm時，密度差異不明顯，h=4mm和h=6mm時均發(fā)生堵塞，不能滿足排種要求。當α=45°時，3種高度水平下均滿足排種要求，h=2mm和h=4mm時密度差異不明顯，h=6mm時，密度差異太大，兩側(cè)種子太多；當α=40°、h=2mm時，排種順暢，種子分布情況為左∶中∶右=4:3:4，密度差異不明顯；h=6mm時，密度差異太大，兩側(cè)種子太多；只有h=4mm時，種子分布情況為左∶中∶右=2∶1∶2，密度差異明顯，能夠體現(xiàn)邊行優(yōu)勢，兩側(cè)種子又不至于太多，滿足設計要求。為了充分利用邊行優(yōu)勢，播種口的下種角設計為40°，中間凸起高度為4mm。

表2 播種口與種子的性能參數(shù)

Table 2 Parameters between sow mouth and seeds

參數(shù)數(shù)值小麥種子 (鄭麥9023) 泊松比0．42彈性模量/Pa1．45×108密度/kg·m-31．35×103播種口(鋼) 泊松比0．3剪切模量/Pa7．00×1010密度/kg·m-37．80×103種-種恢復因數(shù)0．42種-種靜摩擦因數(shù)0．15種-鋼恢復因數(shù)0．50種-鋼靜摩擦因數(shù)0．20土顆粒數(shù)目200

表3 分種情況

3 試驗

3.1 試驗條件

試驗在山東淄博臨淄富群農(nóng)機合作社試驗田進行，秸稈覆蓋量不小于40%，秸稈切碎長度合格率不小于85%、殘茬覆蓋量0.3～0.6kg/m2(秸稈含水率不大于25%)，配套動力不小于73.5kW。

3.2 試驗結(jié)果

根據(jù)《免耕播種機選型試驗大綱》和小麥免耕播種機性能檢測項目與檢測方法，測區(qū)長度不得小于60m，往返一個行程不發(fā)生堵塞或者有一次輕度堵塞，即視為合格。在機具的3次通過性測試中，測試行程100m，3次均無堵塞，機具的通過性良好。

播種后，隨機取8行，每行在50m內(nèi)隨機取20個點，人工扒開土層進行播種深度、施肥深度、深松深度的測量，并記錄測試數(shù)據(jù)，所得結(jié)果如表4所示。

表4 播種試驗結(jié)果

燕尾式播種口設計寬度為14cm，小麥播種后選擇20個測試點。20個測試點上，苗帶寬度及分種效果的測量，使用自制的鐵框，如圖10所示。記錄鐵框不同框格內(nèi)的種子數(shù)量，苗帶的寬度及各點上種子分布情況如表5所示。從表5可以看出：苗帶基本寬度可以達到12.5～14cm，苗帶邊上種子數(shù)量一般為3～5粒，苗帶中間種子數(shù)量一般為1～2粒，可以達到中間少、兩邊多的數(shù)量分布，滿足設計要求。

圖10 分種情況測量方法

測點號苗帶寬度/cmA區(qū)種子數(shù)/粒B區(qū)種子數(shù)/粒C區(qū)種子數(shù)/粒測點113．4323測點213．8413測點312．9424測點413．5415測點512．5423測點613．5424測點713．8514測點814．0424測點912．5424測點1013．9324測點1113．5513測點1214．0415測點1313．7325測點1413．8414測點1513．3325

續(xù)表5

4 結(jié)論

1)設計了一種小麥寬苗帶深松免耕播種機，實現(xiàn)了深松、苗帶精細旋耕、施肥、播種、覆土及鎮(zhèn)壓等功能。通過田間試驗，驗證了設計的可行性。

2)運用EDEM離散元分析軟件對深松鏟與土壤的接觸力進行了分析，比較了不同速度條件下的耕作阻力，得到耕作阻力隨速度的變化規(guī)律；同時，運用EDEM對不同下種角度和凸起高度的播種口進行了模擬試驗，確定最佳的下種角度和凸起高度，分別為40°和4mm。

3)對設計的小麥深松寬苗帶免耕播種機進行了田間試驗，試驗結(jié)果表明：播種機通過性好，播種和施肥深度合格率及種肥垂直間距合格率分別為90.82%、95.32%、91.7%；變異系數(shù)分別為4.06%、2.39%、4.91%，符合農(nóng)藝要求。

[1] 張銀平，杜瑞成，刁培松，等.機械化生態(tài)沃土種植模式提高土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,31(7):33-38.

[2] 高煥文,李問盈,李洪文.中國特色保護性耕作技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2003,19(3):1-4.

[3] 王福林，尚家杰，劉宏新，等.EDEM顆粒仿真技術(shù)在排種機構(gòu)研究上的應用[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報，2013，42(2)：110-114.

[4] 田曉紅,譚斌,劉明，等.漏斗法糧食休止角測量結(jié)果的影響因素研究[J].中國糧油學報，2011,10(26)：108-113.

[5] 汲文峰，劉濤，張青松，等.雙翼式深松鏟的仿生設計及離散元分析[J].廣東農(nóng)業(yè)科學，2013(13):180-182.

[6] 刁培松，杜瑞成，李復輝，等.小麥深松免耕播種機的研制[J].農(nóng)機化研究，2013，35(11)：103-106.

[7] 金鳳超,吳麗華,齊廣義.機械化深松技術(shù)的應用研究[J].湖北農(nóng)機化,2010(2):54.

[8] 韓志武,崔占榮,任露泉,等.非光滑仿生曲面形推土鏟推土阻力試驗研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報, 2002,33(2):125-126.

[9] 王宏立,張偉.基于PRO/E 的深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)化設計[J].農(nóng)機化研究,2011,33(1):141-144.

[10] 張銳,李建橋,李因武.離散單元法在土壤機械特性動態(tài)仿真中的應用進展[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2003,19(1):16-19.

[11] 李玲玲,胡曉麗,王燕,等.離散元法在土壤動力學方面的研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2012,32(7):1-2.

[12] 于建群,錢立彬,于文靜,等.開溝器工作阻力的離散元法仿真分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2009,40(6):53-57.

[13] 茍文,馬榮朝,楊文鈺,等.小麥免耕播種機開溝器的設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(S1):21-25.

[14] 心男.基于EDEM_FLUENT耦合的氣吹式排種器工作過程仿真分析[D].長春：吉林大學，2013.

[15] 姜珊珊.基于離散元法的開溝器試驗研究[D].長春：吉林農(nóng)業(yè)大學，2014.

Design and Experiment of a No-tillage and Wide Band Wheat Planter with Subsoilers Based on EDEM

Diao Huailong，Zhang Yinping，Diao Peisong，Zhao Na

(Department of Agricultural Engineering and Food Science，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China)

With the development of conservation tillage techniques, deep plowing and no-tillage technology have been vigorously promoted.A no-tillage wheat planter with subsoilers was designed in this paper, and the software EDEM was used to analyse the subsoilers at different working speeds, the results showed that the resistance increased with increasing speed，and increasing rate is more and more high. The sowing device was designed and anlysed by EDEM combined with wide planting technology, the best angle and internal projections height were 40 and 4mm.At the end, the planter was tested in field, results showed that: the passing ability of planter was good, sowing and fertilization depth percent of pass and distance between seed and fertilizer percent of pass were 90.82%，95.32% and 91.17%，variable coefficient were 4.06%，2.39% and 4.91%，satisfied the agronomic requirements．

subsoiling; no-tillage; wide plant band; discrete element analysis

2015-12-14

農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項目(2014GB2C600520)；山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設玉米機械崗位專家項目(2010-2015)

刁懷龍(1978-)，男，山東鄆城人，講師，碩士，(E-mail)sdddl@sina.com。

趙 娜(1978-)，女，湖北荊門人，講師，碩士，(E-mail)zhaona2001@sina.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2017)01-0058-05