基于離散元法的免耕深施肥分段式玉米播種開溝器研制

趙淑紅，劉漢朋，侯磊濤，張 鑫，袁溢文，楊悅乾

·農業裝備工程與機械化·

基于離散元法的免耕深施肥分段式玉米播種開溝器研制

趙淑紅，劉漢朋，侯磊濤，張 鑫，袁溢文，楊悅乾※

（東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

針對東北壟作深施肥免耕播種機上開溝器播種深度均勻性差、工作阻力大、土壤擾動大的問題，該研究利用離散元軟件（EDEM 2.7）仿真分析不同類型破茬刀-施肥鏟裝置對土壤的作用機理，設計了一種分段式玉米播種開溝器。首先建立土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元仿真模型，然后進行不同類型破茬刀-施肥鏟裝置離散元仿真試驗，以回落土壤最大合外力的位置和方向為依據設計開溝器入土部分曲線，同時結合滑切原理設計開溝器未入土部分斜刃，最后根據土壤回落距離確定施肥鏟和開溝器間距為374 mm。田間對比試驗結果表明，分段式開溝器比尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器的播深變異系數分別降低了14.24%、27.31%、33.63%；工作阻力分別降低了27.56%、16.93%、1.23%；土壤擾動面積分別降低了11.67%、28.34%、49.34%。分段式開溝器播種深度均勻性高、工作阻力小、土壤擾動小，具有較優的作業效果。

離散元法；農業機械；開溝器；免耕播種；播種深度均勻性；工作阻力；土壤擾動

0 引 言

在玉米免耕播種作業中，深施肥作業方式使根系直接接觸肥料，能有效促進種子萌發[1]，開溝器作為免耕播種機上的關鍵部件之一，其性能影響免耕播種開溝作業質量[2-3]。圓盤式開溝器因工作阻力小、通過性強，被廣泛應用到免耕播種機上，但機具質量較大且深施肥條件下播深一致性差，不適合中小型免耕播種機[4]。因此，不斷優化開溝器結構，使之更符合農藝要求，在降低工作阻力和土壤擾動的同時，提高深施肥條件下的播種深度均勻性，對農業生產十分重要。

離散元法可用來模擬顆粒材料和研究材料間的微觀及宏觀變化，被廣泛地應用到開溝器的結構設計中[5-7]。學者通常以工作阻力和土壤擾動作為免耕播種開溝器性能的評價指標[8-10]，對開溝器的研究取得大量成果[11-15]。茍文等[12]設計了一種圓弧刃口型開溝器，降低了開溝器工作阻力和土壤擾動，并具有較優的根茬切斷能力和通過性。馬云海等[13]采用仿生思想，設計了一種仿生波紋形開溝器，解決了傳統開溝器易黏土、工作阻力大的問題。Saeys等[8]采用試驗的方法探究了開溝器滑切和砍切2種切割方式，得出采用滑切方式切割時開溝器作業阻力較小的結論。趙淑紅等[14]結合滑推工作原理設計了一種滑推式開溝器，提高了深施肥條件下播種開溝器的回土能力和播深一致性。張祥彩[15]針對中小型免耕播種機，設計一種滑動式開溝器，創造了良好的種床環境，提升了開溝器減阻、防堵和耐磨性能。但針對提高深施肥條件下免耕播種機開溝器播種深度均勻性的研究還鮮有報道，且在破茬-深施肥-開溝過程土壤運動規律對播種深度均勻性的影響并不明確。

本研究在土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元仿真模型的基礎上，對不同類型破茬刀-施肥鏟裝置進行離散元仿真試驗，通過分析深施肥回落土壤運動規律設計開溝器入土部分曲線，通過滑切原理分析設計開溝器未入土部分斜刃，以提高開溝器的播種深度均勻性、降低開溝器的工作阻力和土壤擾動。同時通過開溝器離散元仿真驗證試驗驗證設計思路的合理性。并進行田間試驗，對比分析其作業效果。

1 土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元仿真模型建立

1.1 土壤模型

為保證工作部件的作業范圍，本研究設置長1 500 mm、寬400 mm、高150 mm的土壤仿真模型區域，設置土壤顆粒模型為單一顆粒的球體[16]，設置土壤顆粒半徑為8 mm，選用EDEM軟件中Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型作為土壤顆粒之間的黏結模型，根據文獻[16-17]，土壤模型其他參數如表1所示，土壤顆粒生成時間為0～6 s，沉降時間1 s。

表1 土壤模型參數

1.2 玉米根系模型

為充分模擬根系的破碎與變形，采用離散元顆粒粘結成根系模型[18]，根據文獻[19]確定根系各部分平均尺寸，設置根系間距為30 mm，根系總數為4個，根系幅寬為200 mm；地下部分高度為120 mm；地上部分高度為80 mm，其中氣生根高度為30 mm；半徑為4 mm；莖稈高度為50 mm；半徑為15 mm。設置根系顆粒半徑為1.5 mm，選用EDEM軟件中Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型作為根系之間的粘結模型，選用EDEM軟件中JKR接觸模型作為土壤-根系之間的黏結模型，設置根系與土壤表面能為10 J/m2，根據文獻[16-18]確定根系模型參數，如表2所示，設置根系生成時間為7～8 s。

表2 根系模型參數

1.3 玉米秸稈模型

目前秸稈模型在離散元仿真時普遍被假設為剛性體，但該秸稈模型無法模擬秸稈破碎狀態，因此，本研究采用EDEM中內置Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型，通過顆粒粘結的方式建立秸稈模型[20]。設置秸稈顆粒半徑為1.5 mm，根據文獻[16,20-21]設置秸稈模型參數如表3所示，秸稈還田后長度為50～100 mm，本研究設置秸稈長度分別為50、75和100 mm，莖稈半徑為10～15 mm，根據玉米生長發育特點，玉米秸稈直徑從根部到頂部呈逐漸減小的變化，一般最大直徑為30 mm，本研究設置秸稈半徑分別為10、12.5和15 mm，隨機組合成9種類型秸稈，設置秸稈模型為圓柱形。

表3 秸稈模型參數

根據玉米秸稈還田后秸稈覆蓋量[16]，共設置秸稈108根，每種類型秸稈12根，隨機平鋪于地表上，秸稈生成總時間為8～9 s，土壤-玉米根系-玉米秸稈整體仿真模型如圖1所示。

2 破茬刀-施肥鏟裝置離散元仿真試驗

2.1 土壤顆粒運動軌跡分析

根據免耕播種農藝要求，免耕播種過程包括破茬、深施肥、開種溝、排種、覆土和鎮壓。為充分研究破茬-深施肥過程中的土壤運動軌跡，本研究選取直面式、缺口式、波紋式3種類型圓盤破茬刀，尖角式、弧狀式2種類型施肥鏟組合成6種破茬刀-施肥鏟裝置，分別為直面破茬刀-尖角鏟裝置、缺口破茬刀-尖角鏟裝置、波紋破茬刀-尖角鏟裝置、直面破茬刀-弧形鏟裝置、缺口破茬刀-弧形鏟裝置、波紋破茬刀-弧形鏟裝置。參考農業機械手冊，建立破茬刀-施肥鏟裝置仿真幾何模型，分別將6種幾何模型保存為stp格式導入到土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元仿真模型中，破茬刀-施肥鏟裝置的材料為65 Mn鋼，參考文獻[16,18]，設置鋼密度為7 865 kg/m3、泊松比為0.3、剪切模量為7.97×1011Pa，其他接觸參數如表4所示，設置破茬刀入土深度為80 mm，前進速度為4 km/h，旋轉速度為5 rad/s，施肥鏟入土深度為100 mm，仿真試驗過程如圖2所示。

以直面破茬刀-尖角鏟裝置為例，在破茬刀正前方豎直方向等距選取工作深度范圍內任意6個土壤顆粒，如圖3a所示，對顆粒軌跡進行逐一輸出，輸出后的土壤顆粒運動軌跡。由圖3可知，隨著破茬刀-施肥鏟裝置的前進，破茬刀首先接觸土壤顆粒，在破茬刀作用下土壤顆粒被下壓，產生沿前進方向斜向下的運動軌跡，如圖3b所示，破茬刀經過后，該土壤顆粒在施肥鏟的作用下被抬起，產生沿前進方向斜向上的運動軌跡，如圖3c所示，在施肥鏟的拖動下，該土壤顆粒隨施肥鏟前進，由于受到周圍土壤的阻力，該土壤顆粒運動速度逐漸減小，當施肥鏟剛通過土壤顆粒時，該土壤顆粒不再受施肥鏟作用，受周圍土壤顆粒的擠壓開始回落，如圖3d所示。隨著施肥鏟前進，土壤顆粒逐漸回落，直至穩定。在破茬刀-施肥鏟裝置的作用下，完整的土壤顆粒運動軌跡為下壓-抬起-開始回落-回落-回落穩定，如圖3e所示。

表4 離散元模型部分接觸參數

2.2 土壤顆粒運動規律分析

提取所選土壤顆粒從開始回落到回落穩定過程中任一時刻所受合外力的大小（間隔0.01 s），土壤顆粒編號依次為22427、19357、17339、15417、13020和11019，輸出最大合外力時刻下土壤顆粒的位置坐標和所受合外力的大小及方向，將每種破茬刀-施肥鏟裝置回落土壤所受最大合外力的位置和方向剔除不良數據后利用CAD中樣條曲線功能進行曲線擬合，以土壤模型幾何中心為坐標原點，各破茬刀-施肥鏟裝置各土壤顆粒最大合外力擬合曲線如圖4所示。

3 開溝器結構設計

3.1 入土部分曲線設計

將破茬刀-施肥鏟裝置作業后土壤顆粒回落過程最大合外力位置和方向的擬合曲線設計為開溝器入土部分曲線，能有效避免開溝器對回落土壤的碰撞，能有效保證土壤的有序回落，避免種肥同層，能提高開溝器播種深度均勻性、降低開溝器工作阻力。

按照東北地區壟作玉米免耕播種開溝農藝要求，玉米種溝深度為30～50 mm，免耕播種開溝器入土深度通常大于玉米種溝深度，本研究擬設置開溝器入土深度為60 mm。根據不同類型破茬刀-施肥鏟裝置影響土壤運動軌跡的情況可知，不同類型破茬刀對土壤運動軌跡影響較小，不同類型施肥鏟對土壤運動軌跡影響較大，同時為了充分體現不同類型破茬刀-施肥鏟裝置影響土壤運動規律的差異性，將同一類型施肥鏟和不同類型施肥鏟作業后能代表土壤回落過程最大合外力的位置和方向曲線進行擬合，因此將圖4a～4c中3條土壤顆粒擬合曲線在深度方向（縱坐標）截取60 mm后在OriginPro9.1中擬合成一條開溝器入土部分曲線Ⅰ，如圖5a所示，將圖4d～4f中3條土壤顆粒擬合曲線在深度方向（縱坐標）截取60 mm后在OriginPro9.1中擬合成一條開溝器入土部分曲線Ⅱ，如圖5b所示，將圖4a～4f中6條土壤顆粒擬合曲線在深度方向（縱坐標）截取60 mm后在OriginPro9.1擬合成一條開溝器入土部分曲線Ⅲ，如圖5c所示。

3.2 未入土部分斜刃設計

秸稈堵塞是免耕播種存在的主要問題，玉米秸稈還田后全覆蓋于地表，厚度可達120 mm，在開溝器工作過程中，地表播種帶覆蓋秸稈會大量掛集于開溝器前端，造成堵塞、破壞溝型[4]，因此開溝器應具有良好的防堵性能。玉米秸稈還田后秸稈不同的鋪放方式會影響開溝器的堵塞形式[22]，當秸稈順向（沿開溝器前進方向）鋪放時，隨著開溝器移動，秸稈會沿開溝器兩側向后分流，不易造成堵塞，當秸稈橫向（垂直開溝器前進方向）鋪放時，隨著開溝器移動，秸稈會被掛集到開溝器前端，且隨機組前進掛集秸稈會越來越多，直至達到堵塞狀態[15]。因此開溝器作業過程造成堵塞的主要原因為橫向鋪放秸稈。

取任一橫向鋪放秸稈為研究對象，置于笛卡爾坐標系的平面內，秸稈與開溝器斜刃相接觸，開溝器沿軸正向平行移動，假定斜刃對秸稈的切割過程為“原地切割”，即秸稈的位置固定不動，斜刃沿方向發生偏移，沿方向切割秸稈[23]，對斜刃切割秸稈受力分析和位移分析，分別如圖6所示。

根據圖6中秸稈受力分析可得秸稈的質點動力學微分方程為

式中為秸稈的質量，kg；為秸稈與開溝器斜刃滑動摩擦角，(°)。

根據圖6中秸稈位移分析可得：

式中為開溝器作業速度，m/s；為開溝器斜刃對秸稈的切割作用時間，s。

根據圖6中秸稈受力和位移分析可得到開溝器斜刃切割單個秸稈的功耗1為[23-24]

開溝器勻速前進，則e0，秸稈相對于開溝器斜刃加速移動主要發生在方向，則

假設秸稈均勻排列，則開溝器斜刃每次切割秸稈的總數量可表示為

式中為開溝器斜刃的高度，mm。

聯立求解式（1）～（5），開溝器斜刃切割秸稈的總功耗2為

由式（6）可知，開溝器斜刃切割秸稈的總功耗2和斜刃高度、開溝器作業速度、秸稈質量、秸稈直徑、秸稈的摩擦角、滑切角有關，開溝器作業速度設定為4 km/h，開溝器斜刃高度設定為140 mm，根據文獻[22]，秸稈與鋼的滑動摩擦角為27°，代入式（6）計算得到最小切割功耗下滑切角為32.24°，為便于加工取整數32°。

3.3 其他參數設計

開溝器入土隙角過小，則入土性能變差，入土隙角過大，則使土壤提前回落，本文入土隙角選取為6°[12]；當開溝器橫向寬度小于鏟柄橫向寬度時，能降低土壤擾動，本文開溝器橫向寬度選取為20 mm[10]；鏟柄采用30 mm× 50 mm的鋼管[11]，兼具輸種管的作用，長度為500 mm。

3.4 施肥鏟-分段式開溝器安裝距離的確定

為了最大限度內降低土壤擾動，需保證回落土壤在最大合外力的時刻恰好沿開溝曲線切線方向運動，這就要保證回落土壤在回落到最大合外力的時刻恰好落在開溝曲線上，因此施肥鏟-分段式開溝器安裝距離為定值可有效降低土壤擾動[16]，由于分段式開溝器勻速前進，以6種破茬刀-施肥鏟裝置22427號土壤顆粒為例，根據回落土壤從開始回落至最大合外力的時間1，即可求出開溝曲線頂點距施肥鏟的距離1，公式如式（7）所示，計算結果如表5所示。

式中1為開溝曲線頂點距施肥鏟的距離，mm，1為回落土壤從開始回落至最大合外力的時間，s。

表5 開溝曲線頂點距施肥鏟距離

該距離基于土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元模型，結合土壤回落最大合外力的時間計算求得，是考慮根系顆粒和秸稈顆粒影響下的最優土壤回落距離，能夠保證回落土壤顆粒恰好落在開溝曲線上，并沿曲線切線方向運動，避免了開溝器對回落土壤的碰撞，能有效降低土壤擾動。由于波紋破茬刀-尖角鏟裝置22427號土壤顆粒仿真過程中濺出，因此分段式開溝器Ⅰ入土部分曲線頂點距施肥鏟中心距離取直面破茬刀-尖角鏟裝置22427號顆粒和缺口破茬刀-尖角鏟裝置22427號顆粒最大合外力時刻距施肥鏟距離的平均值約為284 mm，結合開溝器結構尺寸，綜合計算得出分段式開溝器Ⅰ鏟柄中心距施肥鏟距離為396 mm，同理可求出分段式開溝器Ⅱ鏟柄中心距施肥鏟距離為360 mm，分段式開溝器Ⅲ鏟柄中心距施肥鏟距離為374 mm。

3.5 離散元仿真驗證試驗

為驗證設計思路的合理性，將3種開溝器與破茬刀、施肥鏟進行裝配。以直面破茬刀、尖角施肥鏟為例，組成破茬-深施肥-開溝幾何模型，進行離散元仿真試驗。開溝器入土深度為60 mm，前進速度為4 km/h，選取與2.1節相同的22427、19357、17339、15417土壤顆粒編號進行最大合外力方向對比，分析方法與2.2節相同，將輸出土壤顆粒在與方向的合外力進行矢量合成得到土壤顆粒每一時刻所受到的合外力，通過篩選比較得到土壤顆粒所受到的最大合外力，以最大合外力作用點為原點得出土壤顆粒所受最大合外力的方向，結果如表6所示。

表6 不同裝置類型的最大合外力方向

根據離散元仿真試驗結果可得，3種破茬-深施肥-開溝裝置與直面破茬刀-尖角施肥鏟裝置所選土壤顆粒最大合外力的方向均在同一象限，且角度相差不大，驗證了設計思路的合理性。3種分段式開溝器的結構僅在入土部分曲線有差別，且3種入土部分曲線（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）趨勢基本一致。為使分段式開溝器具有更廣泛的適用性，能適用多種類型破茬刀-施肥鏟裝置作業，能適用多種免耕播種機機型，因此選擇由入土部分曲線Ⅲ構成的分段式開溝器Ⅲ（6種類型破茬刀-施肥鏟裝置作業后的土壤顆粒回落過程最大合外力位置和方向的擬合曲線）作為本文最終設計的開溝器，對其進行加工，開溝器材料采用65Mn鋼，對未入土斜刃部位進行了淬火處理以提高其強度，開溝器實物圖如圖7所示。

4 田間試驗

對上述所設計的開溝器，取播深變異系數、工作阻力、土壤擾動面積為評價指標，對分段式開溝器、尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器進行田間作業性能對比試驗，分析其性能。

4.1 試驗條件

田間對比試驗于2020年10月在黑龍江省東北農業大學保護性耕作試驗基地展開。試驗區土壤容重（0～150 mm土層）1.62 g/cm3，土壤硬度（0～150 mm）1 623 kPa，平均留茬高度110 mm，秸稈覆蓋量1 000 g/m2，土壤含水率（0～150 mm）(20±1)%，秸稈含水率20.8%。

試驗所用設備有奔野-454拖拉機（寧波）、約翰迪爾-354拖拉機（寧波）、2BM-2深施肥免耕播種機、分段式開溝器、尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器、SC-900型土壤硬度儀、GPS-10A機動車多功能檢測裝置等。

4.2 試驗方案

試驗選取2BM-2深施肥免耕播種機進行免耕播種作業，破茬-深施肥過程配套與仿真過程相同的直面破茬刀、尖角施肥鏟，設置4種類型開溝器前進速度分別為2、4和6 km/h，開溝深度均為60 mm。設置每組試驗的行程為50 m，每組試驗重復5次。機器設備連接及試驗參數測量如圖8所示。

工作阻力的測量：利用奔野-454拖拉機牽引約翰迪爾-354拖拉機和2BM-2深施肥免耕播種機進行工作阻力測量，首先輸出空載（不配裝開溝器）的工作阻力；再分別輸出作業時（配裝各類型開溝器）的工作阻力；最后利用差值法計算出每種類型開溝器的工作阻力[25]。

土壤擾動面積的測量：以開溝器作業后擾動至種溝兩側的土壤橫截面積來表示土壤擾動面積的大小，將水平尺的中心氣泡處固定于溝型輪廓儀上，在坐標紙上勾勒出種溝形狀，根據坐標紙種溝形狀計算出土壤擾動面積[26]。土壤溝型輪廓圖如圖9所示。

播深變異系數計算方法：開溝器作業后，將種子上方的回流土壤扒出，測量其深度，不同類型開溝器每組試驗取25個點[26]，播深變異系數的計算公式為

4.3 試驗結果與分析

4種類型開溝器作業效果如圖10所示，記錄并計算試驗數據，4種類型開溝器的播深變異系數、土壤擾動面積在不同作業速度下的對比，如圖11所示，工作阻力試驗結果如表7所示。

由圖11可知，分段式開溝器、尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器的平均播深變異系數分別為6.81%、7.78%、8.67%、9.10%；平均土壤擾動面積分別為1 362、1 521、1 748、2 034 mm2；由表7可知，分段式開溝器、尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器的平均工作阻力分別為61.60、78.58、72.03、62.36 N。分段式開溝器比尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器的播深變異系數分別降低了14.24%、27.31%、33.63%；工作阻力分別降低了27.56%、16.93%、1.23%；土壤擾動面積分別降低了11.67%、28.34%、49.34%。

表7 開溝器工作阻力試驗結果

以上4種類型開溝器開出的種溝都較為平整，工作性能相對穩定，且作業時均未發生纏草、堵塞相關問題，均可適用于免耕播種下的開種溝作業。在4種開溝器作業效果的比較中，分段式開溝器設計土壤回落最大合外力的位置和方向曲線為開溝曲線，根據回落土壤規律確定了安裝距離，所以其播種深度均勻性好、工作阻力小、土壤擾動小。尖角式開溝器屬于銳角開溝器，結構簡單、橫向寬度小、回土性好，其工作阻力最大、土壤擾動較小，播種深度均勻性較好，但播種深度過深。滑刀式開溝器播深變異系數較大，工作時向下壓切土壤，對種溝側壁形成一定的擠壓作用，工作阻力較大，回土量比尖角式開溝器小，土壤擾動較大。雙圓盤式開溝器播深變異系數最大，其滾動作業，工作阻力較小，且與分段式開溝器工作阻力差別不大，但其回土量小，對土壤產生的擾動最大。結合各種開溝器指標的平均值可知，分段式開溝器可提高深施肥條件下播種深度均勻性、減小工作阻力、降低土壤擾動、滿足免耕播種作業要求。

5 結 論

本文運用離散元數值仿真分析破茬-深施肥-開溝過程，以提高播種深度均勻性、減阻降擾為目標，通過提取土壤運動規律設計分段式開溝器。

通過建立的土壤-玉米根系-玉米秸稈離散元仿真模型，對不同類型破茬刀-施肥鏟裝置進行離散元仿真試驗。以回落土壤最大合外力的位置和方向為依據設計分段式開溝器入土部分曲線；運用滑切原理設計分段式開溝器未入土部分斜刃。

田間試驗結果表明，分段式開溝器比尖角式開溝器、滑刀式開溝器、雙圓盤式開溝器的播深變異系數分別降低了14.24%、27.31%、33.63%；工作阻力分別降低了27.56%、16.93%、1.23%；土壤擾動面積分別降低了11.67%、28.34%、49.34%。研究對開溝器的設計及其理論研究具有參考意義。

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Development of deep fertilizing no-tillage segmented maize sowing opener using discrete element method

Zhao Shuhong, Liu Hanpeng, Hou Leitao, Zhang Xin, Yuan Yiwen, Yang Yueqian※

(School of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Openers in no-tillage can confer a yield benefit via disruption of pathogenic hyphae, particularly when crop rotations lack species diversity in extremely cold climates, like in northeast China. However, it is still urgent to improve the uniformity of seedling depth, while alleviating large working resistance and soil disturbance on the deep fertilizing no-tillage planter after returning crop stalks to the field. In this study, a novel opener was designed for corn seeds in a segmented flow for deep fertilizing and no-tillage using a Discrete Element Method (DEM). Six types of stubble cutter-fertilization shovel devices were selected on the soil to explore the effect mechanism in the simulated analysis. First of all, a soil-corn stubble-corn straw DEM model was established to achieve the uniform seed-to-soil contact. Three kinds of stubble cutters (including plane, notched and corrugated stubble cutter) were then randomly combined with two kinds of fertilization shovels (including sharp and arc-type fertilization shovel) in the DEM simulation test. After that, a respective analysis was carried out for the motion trail of soil particles in the six types of stubble cutter–fertilization shovel devices after the operation. The location and direction of soil particles were finally extracted to obtain six fitted curves representing the maximum force in the falling process. As such, the curve of the opener was designed in the buried part. Specifically, the opener curve Ⅰ was set as the fitted falling curve of soil particles after the combination operation of three kinds of stubble cutters and sharp-cornered fertilization shovel devices. The opener curve Ⅱ was that of three kinds of stubble cutters and arc-type fertilization shovel devices. The opener curve III was that of six kinds of stubble cutters and fertilization shovel devices. At the same time, the inclined edge of the opener in the unburied part was also designed to improve the passing ability, particularly for the sliding frictional angle under the minimum power consumption when cutting straw. In addition, the buried clearance angle of the opener was set as 6° with the traverse width of 20 mm and inclined edge angle of 30°. Finally, the optimal spacing between the fertilization shovel and the opener was determined as 374 mm, according to the time and advanced speed for the soil particle falling back to the maximum force. Besides, a field test was performed on three kinds of segmented openers to verify the feasibility of the developed device. Curve III was finally chosen in the buried part for more extensive applicability of the segmented opener. The field comparison test indicated that the variable coefficient of seedling depth in the segmented opener dropped 14.24%, 27.31%, and 33.63%, respectively, while the working resistance dropped 27.56%, 16.93%, and 1.23%, respectively, as well as 11.67%, 28.34%, and 49.34% in the soil disturbance area, compared with the sharp-cornered, the sliding knife and double disk opener. Consequently, a high operation performance was achieved in the segmented opener, including high uniformity of seedling depth, small working resistance, and soil disturbance for deep fertilizing and no-tillage.

discrete element method; agricultural machinery; opener; no-till sowing; sowing depth uniformity; working resistance; soil disturbance

2020-12-20

2021-04-28

國家重點研發計劃（2020YFD1000903）；黑龍江省應用技術研究與開發計劃項目（GA19B101）

趙淑紅，博士，教授，博士生導師，研究方向為田間農業機械及力學特性。Email：shhzh091@sina.com

楊悅乾，研究員級工程師，研究方向為保護性農業裝備。Email：yangyueqian@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.001

S220.39; S223.2

A

1002-6819(2021)-13-0001-10