開溝器土壤回填的理論分析

尤曉東

摘要：在介紹種床開溝器土壤回填原理的基礎(chǔ)上，采用計算分析的方法，詳細探討土壤回填過程中，開溝器工作時的土壤顆粒受力情況及土壤顆粒向溝內(nèi)回落的情況，為不同結(jié)構(gòu)類型的開溝器設(shè)計及改進提供理論參考。

關(guān)鍵詞：土壤回填；受力分析；開溝器；土壤顆粒

中圖分類號：S222.5+2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）11-0037-03

種床是種子的棲息之所，是種子萌芽、扎根直至發(fā)芽、出苗的土壤環(huán)境，也是幼苗和植株生長的場所。開溝器是播種機的主要工作部件，它的主要功用是開溝、導(dǎo)種入土和覆土。開溝器是種床的最終營造者，是將種子置于種床之上并加以覆蓋的播種機工作部件。不同結(jié)構(gòu)類型的開溝器由于開溝工藝不同，土壤被翻轉(zhuǎn)流動的特性不同，因此制造的種床特性也不同。

1 土壤回填的原理

土壤回填是開溝器工作時土壤顆粒從靜止到隨開溝器一同運動，再到脫離，最后自然回落的物理過程，回落的土壤顆粒堆積形態(tài)對種床底部形狀起決定性作用。了解土壤回填原理，對準確設(shè)計開溝器有很大幫助。

2 土壤回填的物理分析

以滑刀式開溝器作為試驗對象，對土壤顆粒的運動做相關(guān)的力學(xué)分析。

2.1 開溝器工作時的土壤顆粒情況

開溝時，土壤沿開溝器的頰面分開，然后回落下來。影響種子覆土的因素有土壤沿開溝器方向位移的速度及回落速度、開溝持續(xù)時間等。這些參數(shù)都影響種子覆蓋和固定的時間。

上層土壤在播種前進行前期處理，因此，播種時的土壤狀態(tài)是細碎的，可以視為散粒體。滑刀式開溝器前端為垂直楔形面。現(xiàn)研究土粒在開溝器作用下的流動過程。

設(shè)開溝器以楔面進入土壤并以穩(wěn)定深度和勻速v前進。楔面在與土壤接觸的每個點上沿法線方向擠壓土粒。

觀察溝底表面上的土粒m，它與楔面接觸于a點。作用在土粒上的力N=-Px。式中：-Px為土粒的側(cè)壓力及摩擦力F。將力N分解成沿楔的運動速度方向及沿楔面方向的兩個分力Pxt和Pxv。以β表示楔面速度方向與其法線間的夾角。土粒將在Pxt或Pxv>F的作用下沿表面滑動。

因為開溝器楔面頂角很小，所以β角將大于摩擦角φ。切向分力Pxt=Pxtgβ，摩擦力F=Pxtgφ。式中tgφ為土粒沿楔面的摩擦系數(shù)。

當β>φ時，Pxtgβ>Pxtgφ，即Pxt>F，土粒將處于力（Pxtgβ-Pxtgφ）和力Px組成的合力R的作用下。當楔面運動時，土粒沿R方向移動（圖1），土粒m的運動微分方程為：

m=tgφ-tgβ （1）

m=0

式中：=Px；a為土粒自然休止角。

將式（1）轉(zhuǎn)換為=（tgφ-tgβ），求積分得到：vx=×+C。當t=0時，x=0，v=0，故C1=0。所以vx=×；=vx。

土粒的位移為：

x=×+C （2）

當土粒隨楔面運動到a1時，即開始沿開溝器頰面運動，這時作用在土粒上的力有：使土粒沿速度v方向向前移動的力F1和相鄰?fù)翆拥哪Σ亮2。F2=Pxtgφ1（φ1為土粒間的摩擦角），F(xiàn)1=Pxtgφ（圖1）。

土粒沿開溝器頰板的運動方程為：

m=×-× （3）

轉(zhuǎn)換后求得：

dvx=（tgφ-tgφ1）dt （4）

得到：

vx=（tgφ-tgφ1）+C （5）

當t=0時，土粒沿開溝器頰面的運動為s=0。當土粒運動至頰板表面后，其速度與頰板一致，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。當初始條件t=0，x=0時，C=0。再將t消去可得：

vx= （8）

土粒從開溝器頰板脫離的一瞬間，具有這樣的速度。

2.2 土壤顆粒向溝內(nèi)回落情況

土粒回落時按照自然休止角堆放。首先，土層邊緣的土粒下落，此過程可視為零初速垂直自由落體運動。緊接著邊緣土粒下落，是位于自然休止角范圍內(nèi)的所有土粒。

設(shè)ox軸沿速度方向，oy軸垂直向下，以土粒中心o為坐標原點做圖，結(jié)果見圖2。

土粒從開溝器后緣脫離后，立刻開始下落。作用在土粒上的力為重力mg和空氣阻力。由于下落垂直初速為0，下落高度不大，因此空氣阻力可以忽略不計。土粒的運動方程式為：

m=0；m=mg （9）

積分變換可得：vx=C1；vy=gt+C2。

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

將（1）式代入可得：

y= （10）

速度計算公式為：

vy== （11）

則土粒下落的合速度為：V=；下落角度為：a=arctg。

由邊緣土層中脫離出來的土粒沿土壤自然休止角a的斜面滑動。這時作用在土粒上的力將只有重力，其分力mgsina使土粒沿傾斜表面移動。摩擦力F=mgcosa的作用方向與運動方向相反（見圖3）

土粒的運動方程式為：m=0 ；m=mgsina-mgcosatgφ。求得：x=vv0t；y=gt2cosa（tga-tgφ1）。

變換求得邊層土粒及自然休止角范圍內(nèi)的土粒下落時間分別為：

t1=；t2= （12）

這段時間溝底呈敞開狀態(tài)，敞開部分的長度L（從開溝器頰板后緣至回落土流的距離）隨播種機的速度不同而變化。

3 結(jié)論

土粒回落時經(jīng)過的路程S=Vx0t。在這段時間播種機前進的距離為Vmt，則：L=x-S=（vm-vx0）。式中：Vm為拖拉機前進速度。

由此可見，播種機前進速度越大，開溝器入土深度越深，敞開溝底的可見部分就越長。