帶狀旋耕式小麥免耕播種機耕作部件作業機理研究*

楊艷山，丁啟朔，賀亭峰，孫翠華，王鋒

(1. 蘇州農業職業技術學院，江蘇蘇州，215000； 2. 南京農業大學工學院/江蘇省智能化農業裝備重點實驗室，南京市，210031； 3. 山西農業大學山西有機旱地農業研究院，太原市，030031)

0 引言

隨著保護性耕作技術在稻麥輪作系統中的不斷推廣與應用，稻茬田免耕播種技術越來越受到重視[1-4]。與北方相比，南方稻麥輪作地區田塊小而零散不規則，多以家庭為基礎的小規模農業生產為主，大型免耕播種機械不能達到很好的作業效果[5]。為適應稻麥輪作區域的地理和土壤條件，踐行保護性耕作理念，帶狀旋耕式免耕播種機得到了廣泛的推廣與應用[6-8]。

帶狀旋耕式免耕播種機耕作部件創造的種溝內應具有足夠多的松碎濕潤土壤，以滿足種子與土壤充分接觸以及萌發生長對水分的需要[9]。提高耕后土壤破碎體的回填效果是保證帶狀旋耕式播種機耕作質量的關鍵。研究表明旋耕刀形狀、刀軸轉速、田間土壤物理狀態等因素是影響帶狀旋耕耕作土壤破碎和回填的關鍵因素[10-13]。然而，耕作過程中刀具與土壤的相互作用過程非常復雜，以往的田間或室內試驗研究方法僅能根據耕作前后的相關數據和現象推測刀具與土壤的相互作用機理，難以明確刀具與土壤間的真實作用關系[14]。近年來，隨著計算機科學與仿真軟件的不斷發展和應用[15-17]，離散元仿真軟件在農業領域的應用為明確耕作機具的作業機理提供了切實有效的研究方法[14, 18-19]。Tanaka等[20]對土壤圓錐貫入過程進行了離散仿真和室內試驗研究，結果表明試驗與仿真結果一致，離散元仿真模型能夠模擬實際土壤的不連續行為。Zhang Rui等[21]對推土刀工作過程進行了離散元仿真分析，發現仿真土壤顆粒的破碎過程與真實土壤破碎時的表現一致。丁啟朔等[22]對水稻土條件下深松鏟的作業過程進行了仿真與試驗研究，結果表明離散元仿真軟件的應用能夠從微觀角度揭示不同工況下深松鏟與土壤間的相互作用機理。方會敏[14, 23]等對旋耕過程中秸稈和土壤的位移情況進行了離散元仿真分析，結果表明離散元仿真分析有助于從微觀層面分析刀具—土壤—秸稈的相對運動關系，為機具的優化提供理論依據。鑒于帶狀旋耕過程中刀具與土壤相互作用的復雜性和土壤回填效果對耕作機具評價的重要性，本文旨在利用離散元數值模擬方法探究旋耕刀—土壤相互作用機理，結合田間試驗結果找出影響土壤回填效果的關鍵因素，為帶狀旋耕式免耕播種機耕作機具的優化提供理論支持。

1 田間試驗

1.1 試驗田基本情況

試驗田位于南京市六合區八百橋鎮，該地區為典型的稻麥輪作區域，土壤中砂粒、壤粒、黏粒含量分別為24.1%、40.4%、35.6%。土壤物理參數如表1所示。

表1 試驗區土壤物理參數Tab. 1 Soil physical parameters of the test area

1.2 田間試驗方法

本文采用南京農業大學丁啟朔課題組研發的田間原位綜合耕作試驗臺[24]對典型的且已廣泛應用的IT225型旋耕刀[1]、直刃旋耕刀[11]、鑿型旋耕刀(圖1、圖2)進行4種刀軸轉速(180，280，380，510 r/min)共16個小區的田間原位旋耕耕作試驗，每個小區長8 m，寬4 m，試驗進行3次重復處理。

(a) IT225型旋耕刀

圖2 旋耕刀具的排列組合

根據保護性耕作盡量減少土壤擾動且能保證小麥播種需要的原則[25]，刀具數量和旋轉方向采用Lee等[10]推薦的4把旋耕刀和正旋切削的方式，旋耕刀的前進速度為0.5 m/s，刀座中心距設定為60 mm，作業深度設定為50 mm[26]。

1.3 田間試驗評價指標

本文采用回填率作為評價耕作質量的指標，回填率是指耕作完成后種溝內土壤破碎體干重與被擾動土壤總干重的比值[11]，種溝內含有的土壤破碎體越多，回填效果越好，種—土接觸越充分，對種子萌發、根系生長越有利。試驗中采用灌沙法對不同刀具和轉速產生的回填效果進行測量[27]，回填率的計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：F——回填率，%；

W——種溝內土體破碎體的干重，kg；

V——測試區域種溝的體積，m3；

ρ——土壤的容重，kg/m3。

2 仿真研究

2.1 仿真模型的建立

根據水稻土壤含水率高、粘結性大的特點，本文選擇Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型對水稻土壤進行模擬建模。在離散元仿真中土槽的尺寸對邊界效應和時效影響顯著，土槽越大土壤顆粒數越多，邊界效應越小，試驗結果越真實。考慮到計算機硬件的限制和運算效性的合理性，結合相關資料[14, 18, 28]確定的土壤模型參數如表2所示，離散元仿真中的旋耕刀形狀、排列、旋轉方向、前進速度和刀軸轉速均按照田間試驗標準設定。

表2 土壤模型參數Tab. 2 Properties of simulation model

2.2 仿真研究評價指標

本文采用側拋率來定量分析旋耕刀在耕作過程中對土壤破碎體向種溝兩側的拋撒現象。如圖3所示，在離散元軟件中以種溝土壤表面的中心線為基準，向種溝兩側每隔10 mm進行分區處理，共80個區域。

圖3 土壤模型的分區處理

計算各個區域內包含的土壤破碎體顆粒數量，以種溝外土壤破碎顆粒數與整個區域內土壤破碎顆粒總數的比值作為側拋率。計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：N1——被拋撒到種溝外的土壤顆粒數量；

N2——整個區域內土壤顆粒總量。

3 結果與討論

3.1 旋耕刀—土壤相互作用過程分析

旋耕刀的耕作過程主要由未切土、刀具與土壤共同運動和拋土三個階段組成，其中切土階段和拋土階段是形成土壤破碎體的關鍵階段。從圖4～圖6中可以看出直刃旋耕刀由于不具備橫切刃在耕作過程中拋土性能最差，在拋土階段僅有少量的土壤破碎體被拋出。IT225型旋耕刀具有較寬的橫切刃，拋土現象明顯，土壤破碎體與擋土板撞擊之后向種溝兩側發散的情況明顯。鑿型旋耕刀在耕作過程中將被切下的土壤向上勾或帶起，因此產生的土壤破碎體一部分與擋土板碰撞向兩側發散，另一部在刀具的作用下向機具前進方向拋灑。

圖4 直刃旋耕刀耕作過程示意圖(280 r/min)

圖5 IT225型旋耕刀耕作過程示意圖(280 r/min)

圖6 鑿型旋耕刀耕作過程示意圖(280 r/min)

帶狀旋耕的目的是創造良好的種溝條件，耕作過程中應盡量減少土壤破碎體向種溝兩側拋灑，以保證種溝內具有足夠多的土壤破碎體，以滿足種子與土壤充分接觸的需要。

3.2 土壤側拋現象

從圖7～圖10中可以看出，耕作過程中土壤破碎體的側拋現象受刀軸轉速影響顯著，向種溝兩側拋撒的土壤破碎體數量隨著刀軸轉速的增加顯著增多。這是因為，刀軸轉速增加導致被拋出土壤破碎體的動能增加，土壤與擋土板碰撞的激烈程度增加導致了土壤顆粒的側向運動程度增加，土壤顆粒的擴散范圍隨刀軸轉速的增加而增大。鑿型旋耕刀和IT225型旋耕刀產生的側拋率明顯高于直刃旋耕刀，在刀軸轉速為510 r/min時鑿型旋耕刀和IT225型旋耕刀的側拋率高達85%和92%，而直刃旋耕刀的側拋率只有70%。這是因為鑿型旋耕刀和IT225型旋耕刀在耕作過程中拋出的土壤破碎體與擋土板碰撞后大部分向種溝兩側發散(圖5和圖6)，直刃旋耕刀沒有橫切刃不具備拋土特性(圖4)，其耕作過程中形成的土壤破碎體擴散范圍最小且主要集中在種溝區域，因此其產生的土壤顆粒側拋率最低。

圖7 旋耕過程中直刃旋耕刀的側向拋土情況

圖8 旋耕過程中IT225型旋耕刀的側向拋土情況

圖9 旋耕過程中鑿型旋耕刀的側向拋土情況

圖10 刀具形狀及刀軸轉速對土壤側拋率的影響

3.3 土壤回填率

耕作的目的是創造松碎濕潤的土壤環境，種溝內應具有足夠多的土壤破碎體，以滿足種子萌發、作物根系生長以及空氣水分的需要[9, 29]。因此，土壤破碎體的回填率是評價帶狀旋耕播種機耕作部件作業效果的關鍵指標。

從田間試驗結果(圖11)可以看出，不同耕作刀具創造的回填效果具有較大差異且回填率隨著刀軸轉速增加而減小，其中隨著刀軸轉速的增加IT225型旋耕刀產生的回填率下降尤為明顯，在刀軸轉速為510 r/min時產生的回填率不足10%。這是因為IT225型旋耕刀有較寬的橫切刃，拋土現象明顯(圖5)，土壤破碎體與擋土板撞擊之后向種溝兩側發散的情況明顯，且側拋率隨著刀軸轉速升高而增加明顯(圖8和圖10)，在刀軸轉速為510 r/min時產生的土壤側拋率超過90%。鑿型旋耕刀耕作過程中刀具首先插入土壤，然后勾帶起土壤破碎體，在這一過程中大部分土壤破碎體向機具前進方向移動，少部分被側向拋出(圖6和圖9)，在刀軸轉速為510 r/min仍能達到36%遠高于IT225型旋耕刀的8%。

圖11 刀具形狀及轉速對回填率的影響

直刃旋耕刀沒有彎曲部分，不具備拋土特性(圖4)，并且在耕作過程中能夠有效的阻止土壤破碎體的側向移動[29]，土壤側拋范圍集中在刀軸兩側10 cm以內，因此直刃旋耕刀在刀軸轉速為510 r/min時產生的回填率仍高于50%，創造的種溝內土壤破碎體充足，能夠滿足播種過程中種—土充分接觸的需要。鑒此，從土壤回填效果來看直刃旋耕刀更加適合作為帶狀旋耕播種機的耕作部件。

4 結論

耕作的目的是創造松碎濕潤的土壤環境，耕后土壤破碎體的回填效果是評價帶狀旋耕播種機耕作部件作業效果的關鍵指標。本文利用離散元仿真和田間試驗研究從微觀和宏觀層面對刀具—土壤相互作用機理進行了理論分析。

1) 旋耕刀耕作過程中拋土階段是影響回填效果的關鍵因素，土壤顆粒的擴散范圍隨刀軸轉速的增加而增大，IT225型和鑿型旋耕刀耕作過程中土壤顆粒側向運動趨勢明顯，在4種刀軸轉速下側拋率均大于50%。直刃旋耕刀的側向拋土范圍最小且側拋率最低，在刀軸轉速為510 r/min時土壤側拋率只有70%，顯著低于其他兩種刀具。

2) 耕后土壤破碎體的回填效果是影響帶狀旋耕播種機耕作質量的關鍵因素，IT225型和鑿型旋耕刀在較高刀軸轉速時回填率下降明顯，刀軸轉速為510 r/min 時土壤回填率僅有8%和36%，遠遠低于直刃旋耕刀的60%。

3) 鑒于直刃旋耕刀耕作過程中具有土壤擾動范圍小、土壤破碎體側拋率低、回填效果好等優點，本文推薦直刃旋耕刀作為帶狀旋耕播種機的耕作部件。