摘要：在玉米免耕播種作業(yè)中，開溝器在秸稈殘茬覆蓋的地表作業(yè)時，會存在施肥播種單體偏擺甚至掉壟的問題?；趪鈮抛鱾?cè)深施肥開溝器的研發(fā)經(jīng)驗及玉米免耕播種作業(yè)的實際需求，從減少開溝阻力和增加作業(yè)穩(wěn)定性兩方面來介紹開溝器的設(shè)計和研發(fā)現(xiàn)狀，以期為進一步提升開溝器的性能提供理論參考。

關(guān)鍵詞：開溝器；離散元法；阻力；穩(wěn)定性；仿生

中圖分類號：S223.19 " " 文獻標識碼：A " "文章編號：1674-1161（2024）01-0065-02

近年來，東北黑土區(qū)水土流失嚴重，土壤肥力逐年降低。為有效提升東北地區(qū)的黑土地質(zhì)量，推廣玉米免耕播種技術(shù)勢在必行。開溝器是玉米免耕播種機的重要部件，其性能直接影響著施肥和播種質(zhì)量。然而，在東北地區(qū)實施玉米免耕播種作業(yè)時，播種開溝器與施肥部件不在一條直線上，側(cè)深施肥部件先入土后會使該側(cè)土壤疏松，常導(dǎo)致施肥播種單體偏擺甚至掉壟，加之秸稈殘茬分布不均，開溝阻力也較大。借鑒國外玉米壟作側(cè)深施肥機（以下簡稱”側(cè)深施肥機“）的研發(fā)經(jīng)驗，并基于對開溝器工作原理的分析和研究，我國科研工作者不斷對開溝器進行改進與設(shè)計，以期進一步提升開溝播種的作業(yè)質(zhì)量。

1 側(cè)深施肥機開溝器的性能要求及設(shè)計理論

國內(nèi)播種時的施肥量較大，容易出現(xiàn)燒種的情況，因此播種機大多采用側(cè)深施肥裝置。當(dāng)前，側(cè)深施肥的實現(xiàn)主要有兩種方式：一是采用有較大夾角的圓盤開溝器；二是施肥、播種開溝器側(cè)位配置。在免耕條件下采用側(cè)深施肥時，入土深，加之秸稈殘茬分布不均，極易出現(xiàn)掉壟現(xiàn)象，對此，亟須對播種及側(cè)深施肥部件進行優(yōu)化和改進。

1.1 性能要求

東北地區(qū)開展玉米免耕播種時，多數(shù)年份因春季風(fēng)大而造成表層土壤含水率低（一般在12%左右），所以開溝深度多為60 mm。在東北地區(qū)，玉米免耕播種作業(yè)對開溝器性能的要求為：1）開出的溝直線度好、溝穴整齊、深度一致，同時要盡量避免攪亂土層。多年的生產(chǎn)實踐表明，玉米底肥應(yīng)施放于種子側(cè)4～8 cm、下5～6 cm處。2）由于開溝器需要在有秸稈殘茬覆蓋的地表上作業(yè)，因此需要具有良好的橫向穩(wěn)定性和通過性，無偏擺和掉壟現(xiàn)象，且不易被地表的秸稈殘茬堵塞。3）東北地區(qū)的壟作側(cè)深施肥需要開溝器入土較深，加之地表覆蓋秸稈殘茬，因此開溝器應(yīng)具有良好的入土能力，且耐磨損和不易變形。4）工作時的前進阻力小，作業(yè)功耗少。

1.2 設(shè)計理論基礎(chǔ)

為設(shè)計和改進開溝器的性能，使之更加符合農(nóng)藝要求，諸多學(xué)者致力于模擬研究開溝器工作時的土壤運動規(guī)律和施加于土壤上的作用力。離散元法（Discrete Element Method，DEM）能夠模擬顆粒材料和研究材料間的微觀宏觀變形、仿真土壤和剛性體間的相互作用[1]，因此，諸多學(xué)者便利用離散元仿真來模擬開溝器和土壤之間的相互作用，再通過追蹤顆粒運動來分析土壤在耕作過程中的受力和擾動情況，以此來確定開溝器工作時的阻力，從而為開溝器的設(shè)計及改進提供理論基礎(chǔ)。開溝器的工作過程是工作部件與土壤間的相互運動，雖然過程十分復(fù)雜，但用離散元法來仿真土壤與開溝器之間的相互作用、分析土壤顆粒的流動過程，是比較接近實際情況的。

2 國外側(cè)深施肥機的研發(fā)現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外學(xué)者不斷開展側(cè)深施肥技術(shù)研究，并研制出一些具有側(cè)深施肥功能的玉米播種機型。由于國外對于保護性耕作的研究起步較早，經(jīng)多年的不斷發(fā)展，已經(jīng)形成相對成熟的理論基礎(chǔ)和健全的配套機具體系。當(dāng)前，具有代表性的側(cè)深施肥機包括：美國John Deere公司的1895型免耕條播機、意大利馬斯奇奧公司的MT系列播種機和挪威Kverneland公司的2BQJ6重載型精量點播機。由于國外農(nóng)業(yè)大多以平原大地塊作業(yè)模式為主，因此免耕播種機的工作幅寬大、作業(yè)性能好、自動化和智能化程度高，但機具質(zhì)量偏大，對動力的要求也較高，同時工作部件的結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。

3 我國側(cè)深施肥機開溝器的研發(fā)方向

近年來，針對側(cè)深施肥免耕播種作業(yè)穩(wěn)定性和作業(yè)質(zhì)量差的實際情況，科研工作者對于開溝器的設(shè)計和改進也主要集中在這兩方面，即減少開溝阻力和增加作業(yè)穩(wěn)定性。

3.1 增加作業(yè)穩(wěn)定性

高留茬秸稈覆蓋還田是東北地區(qū)的主流模式，但在玉米免耕播種過程中，兩行之間受到的阻力不平衡，機具會不可避免地產(chǎn)生微小偏轉(zhuǎn)，進而導(dǎo)致極易出現(xiàn)迂回現(xiàn)象，同時播種機由于兩側(cè)受力不均，土壤工作部件易偏向一側(cè)并滑下壟臺。

為解決上述問題，包文育等[2]通過增加機具圓錐臺型導(dǎo)向裝置，并從加大機器質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心與虛牽引點的距離、減小總阻力及增加橫向阻力等方面來提高機器在運行過程中的橫向穩(wěn)定性；趙艷忠等[3]設(shè)計了一種底肥側(cè)位深施、口肥垂直分施的免耕播種機側(cè)深分層施肥播種部件，通過試驗確定當(dāng)圓盤直徑352 mm、圓盤夾角14°、圓盤傾角7.5°時，肥種溝開溝器的深度穩(wěn)定性處于較佳狀態(tài)。

3.2 降低作業(yè)阻力

當(dāng)前，對開溝器作業(yè)阻力的研究方向，主要是通過優(yōu)化原有開溝器的相關(guān)參數(shù)來減小阻力。趙艷忠等[4]通過離散元土壤模型來分析導(dǎo)致施肥開溝器鏟尖土壤堆積的主要原因，認為關(guān)鍵因素是弧式施肥開溝器鏟尖曲線根部與鏟柄之間的夾角。

概括來說，開溝器的鏟型主要有4種，分別為弧式、單圓式、雙圓式和漸開式。王慶杰等[5]設(shè)計的楔刀型開溝器，對土壤的擾動量減少了15%～25%，且開溝阻力明顯降低。還有的研究通過用PVD涂層來降低摩擦阻力。

近年來，還有諸多學(xué)者根據(jù)觸土部件的運動規(guī)律和結(jié)構(gòu)特點，運用單元仿生和多元耦合仿生技術(shù)來設(shè)計和改進開溝器，從而使多種仿生脫附減阻開溝機得到設(shè)計和發(fā)展。

趙淑紅等[6]參考旗魚頭部的流線型曲線建立了擬合曲線的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)東北地區(qū)田間播種時的土壤狀態(tài)和播種農(nóng)藝要求，設(shè)計了一種仿旗魚頭部曲線型開溝器。之后運用離散元法對工作阻力和土壤擾動情況進行仿真分析時發(fā)現(xiàn)，隨著含水率和開溝深度的增加，工作阻力也隨之增加；隨著開溝深度的增加，土壤的擾動增大；土壤含水率對土壤的擾動寬度和回土深度無明顯影響。與圓弧型開溝器相比，仿旗魚頭部曲線型開溝器的工作阻力小、擾動寬度窄、回土深。

此外，賈洪雷等[7]以標準芯鏵式開溝器為基礎(chǔ)，在基于狗獾犬齒具有低阻貫穿特性的基礎(chǔ)上，利用仿生學(xué)曲線設(shè)計了一種滑動式開溝裝置。與標準芯鏵式開溝器相比，滑動式開溝裝置的相對阻力變小，因而具有一定的減阻效果。馬延武[8]對鴨嘴式開溝器進行了減阻設(shè)計，其通過單因試驗和二次正交回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗，確定了阻力最小的參數(shù)組合為：入土角43°、入土隙角6°、鏟體長度145 mm、鏟體寬度21 mm。馬云海[9]依據(jù)土壤動物與生俱來的減黏脫土特性和超高分子量聚乙烯優(yōu)異的減黏性能來改進原有的普通開溝器，從而使仿生開溝器的減黏降阻效果高于普通開溝器9%左右。

4 結(jié)語

高性能的播種開溝器能有效減少對土壤的擾動，且工作阻力較小。近年來，開溝器的設(shè)計和改進的主要方向是在穩(wěn)定功耗及保證作業(yè)質(zhì)量的前提下，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，以此來提高入土能力、減輕對土壤的擾動和增加播種機的橫向穩(wěn)定性。

參考文獻

[1] 張銳，李建橋，李因武，等.部件復(fù)雜表面影響土壤擾動行為的離散元宏細觀分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2009，39（5）：1218-1223.

[2] 包文育，林靜，霍春明，等.2BG-2型免耕播種機橫向運動穩(wěn)定性分析[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，40（3）：370-372.

[3] 趙艷忠，王勇，龔振平，等.免耕播種機側(cè)深分層施肥播種部件設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2021，52（8）：40-50.

[4] 趙艷忠，茍金保，王玉峰，等.免耕播種機漸開線側(cè)深施肥開溝器設(shè)計與試驗[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2022，53（12）：91-100.

[5] 王慶杰，姚宗路，高煥文，等.楔刀型免耕開溝器設(shè)計與試驗[J].機械工程學(xué)報，2008（9）：177-182.

[6] 趙淑紅，劉宏俊，譚賀文，等.仿旗魚頭部曲線型開溝器設(shè)計與性能試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33（5）：32-39.

[7] 賈洪雷，孟凡豪，劉立晶，等.芯鏵式開溝器仿生設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2020，51（4）：44-49.

[8] 馬延武.播種機開溝器參數(shù)優(yōu)化與試驗研究[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2018.

[9] 馬云海，馬圣勝，賈洪雷，等.仿生波紋形開溝器減黏降阻性能測試與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30（5）：36-41.

Improvement of the Design of Furrow Opener for Deep Fertilization on the Side of Corn Ridge Tillage

JIA Zhenzhen

（Liaoning Modern Agricultural Production Base Construction Engineering Center， Shenyang 110033， China）

Abstract： In the no-till sowing operation of corn， the problem of tilting and even ridge dropping of the fertilizing monomer will occur when the furrow opener works on the ground covered with stubble. Based on the research and development experience of the furrow opener in foreign countries and the actual demand of the no-tillage sowing operation， the design and development status of the furrow opener were introduced from the two aspects of reducing the resistance of furrow opening and increasing the stability of the operation， so as to provide theoretical reference for further improving the performance of the furrow opener.

Key words： "furrow opener; discrete element method; resistance; stability; bionic