施肥開溝器的設計與作業過程離散元仿真

陳貝貝，王淑銘，李小海，郭書立，徐祥龍，劉巖

（1.154000 黑龍江省 佳木斯市 佳木斯大學 機械工程學院；2.154000 黑龍江省 佳木斯市 黑龍江省二道河農場）

0 引言

黑龍江省是我國最大的粳米生產基地[2]，以五常大米為代表的寒地粳米味道清香，口感綿軟，品質優良，具有很高的經濟價值[2]。2019 年黑龍江省水稻播種面積在372 萬hm2左右，總產量連續9年穩定在2 000 萬t 以上，2019 年水稻產量占全國的12.5%[3-4]。

目前，寒地大規模水稻在插秧種植前基肥的施肥方式主要是人工撒肥或撒肥器施肥[5]，隨攪漿整地，肥料被覆蓋在土下8～10 cm，這兩種施肥方式施肥料量較大且難以保證均勻性。攪漿整地效果不好會使肥料裸露在地表，造成磷肥富集誘發水綿滋生，也會加重農業對水環境的污染。側深施肥比人工或撒肥器施肥節省肥料[6]，只需在秧苗的一側施肥而不需全田施肥，可節省肥料30 kg/hm2。側深施肥后的顆粒肥料會被泥漿覆蓋在水稻秧苗一側，這樣更有利于秧苗吸收。

目前，國內外已有很多針對農田開溝技術的研究[7-10]，但大多是關于旱田大型開溝機的減阻性、開溝質量等方面的研究，所研究的開溝機具不適合寒地水稻田這種需要小型開溝器的場景，對土壤自動回填方面的研究也相對較少。尤曉東[11]通過土壤沿堆放斜面滑動受力分析等對開溝器土壤回填原理進行了分析。

本文針對側深施肥機上傳統施肥開溝器作業后泥漿自動回填效果差、溝槽中的顆粒肥料覆蓋率低裸露在外沒有被泥漿覆蓋、溶解后污染周圍水系環境的問題，在國內外開溝器深入研究的基礎上[12-13]，改進設計了一種作業時能增加泥漿回填量的施肥開溝器。

1 施肥開溝器分析與設計

1.1 整體結構

施肥開溝器是側深施肥機上的觸土部件，由滑刀、防堵塞裝置、連接板組成，結構如圖1 所示。其主要作用是在水稻插秧的同時將肥料施于秧苗側位土壤中。所開肥溝位于水稻秧苗一側3 cm，固態顆粒肥料經防堵塞裝置落入V 型肥溝底部，V 型肥溝利于泥漿回流下滑從而覆蓋住肥料，提高肥料利用率，減少肥料裸露溶解后對周圍水環境的污染。

圖1 開溝器三維模型Fig.1 Three dimensional model of ditcher

1.2 上寬度以及高度設計

施肥深度對水稻秧苗的成長有著重要的影響。所謂施肥深度，實際上是指肥料上方覆蓋泥土的厚度。設計開溝器結構尺寸前應充分考慮寒地水稻種植環境以及各種類型開溝器的特點，施肥開溝器設計為滑推式開溝器（鈍角開溝器）。根據黑龍江省建三江分局寒地水稻生產技術規程，水稻機械插秧深度應該在20 mm 內且不低于15 mm，以此作為施肥開溝器下寬度以及高度的設計依據，考慮到機械插秧秧苗間距問題以及指劃溝可以慢慢自動恢復寬度大小的影響，開溝器的下寬度設計為20 mm，上寬度設計為27.5 mm，高度設計為52 mm。

1.3 滑推曲線設計

滑推式開溝器作業時為垂直入土，然后向前運動利用滑推作用進行開溝，無論是在垂直入土過程中還是向前運動過程中，滑推式開溝器與土壤間的作用都是滑推作用，只是方向不同。垂直入土時滑推作用垂直向下，根據滑推原理只有當滑推曲線上的滑推角大于摩擦角時才能產生滑推作用，因為拋物線曲線上的滑推角有一定規律（滑推角度呈遞減或遞增趨勢），所以滑推曲線輪廓利用拋物線作為滑推曲線（取拋物線的某一段連續曲線作為滑推曲線輪廓，可以保證滑推角恒大于摩擦角）。

建立如圖2 所示坐標系，A、B 為拋物線上的兩點，過A、B 兩點做滑推曲線的切線，再過A、B 兩點作切線的垂直線，該垂直線與X 軸所形成的角即為滑推角。

圖2 滑推曲線及滑推角Fig.2 Sliding curve and angle

拋物線的方程為

根據式（1）解得的式（2）可知，滑推曲線形狀主要由A、B 兩點處的滑切角和高度H 決定，該拋物線從A 點到B 點滑推角沿拋物線遞增。根據文獻[13]，田間測量摩擦角為23 °，利用該拋物線作為滑推曲線時，滑推角需大于摩擦角。開溝器入土時與土壤接觸的方向為垂直向下的滑推作用，所以需要保證90 °-θB＞23 °，即滑推角需小于67 ° 。利用CAD 軟件標注拋物線各點處滑切角的大小，截取上滑推角26 °下滑推角66.5 °的曲線段作為開溝器的滑推曲線輪廓。

2 仿真參數設置

利用離散元軟件EDEM2020 建立寒地水稻土壤模型[14-15]，將施肥開溝器三維模型以STL 格式導入離散元軟件EDEM2020 進行施肥開溝作業仿真，查看顆粒肥料覆蓋情況。

2.1 肥料顆粒參數設置

肥料的仿真參數設置參考文獻[16]：顆粒肥料密度1 571 kg/m3，等效直徑3.2 mm，球形率0.91，剪切模量設置為3×108Pa；顆粒肥料間恢復系數0.314，靜摩擦系數0.420，滾動摩擦系數0.130；顆粒肥料與防堵塞裝置間恢復系數0.446，靜摩擦系數0.136，滾動摩擦系數0.050；顆粒肥料與水稻土壤間的接觸參數的設定為軟件默認值。

2.2 運動速度及肥料生成速率設置

施肥開溝器離散元仿真作業速度以及肥料顆粒生成速率參照水稻側深施肥裝置技術參數[16]，施肥開溝器運動速度1 m/s，顆粒工廠生成顆粒肥料的速率設置為20 g/m。肥料顆粒設置使用EDEM自帶的單球面模型，直徑3 mm,每個顆粒肥料的質量為2.220 95×10-5kg，體積1.143 72×10-8m3，肥料生成速率設置為1 600 粒/m。

2.3 水稻土壤參數設置

水稻土壤樣本取自黑龍江建三江七星農場，取土時間2019 年5 月。水稻土壤的本征參數（水稻土壤粒徑組成、密度）為實際測得，接觸參數、接觸模型參數利用土壤堆積角虛擬標定方法測得，具體參數設置為：水稻土壤顆粒使用EDEM2020 自帶的單球面模型，半徑設置為4 mm；密度1 300 kg/m3；泊松比0.4；剪切模量10.5 MPa；水稻土壤顆粒間的恢復系數0.01；水稻土壤顆粒間的靜摩擦系數0.5；水稻土壤顆粒間的滾動摩擦系數0.42；JKR表面能0.35 J/m3；開溝器與水稻土壤離散元模型間的接觸參數使用軟件默認值。

3 仿真分析

顆粒肥料通過防堵塞裝置落入肥溝，肥料顆粒由顆粒工廠生成，顆粒工廠設置為virtual；同時，賦予顆粒工廠與施肥開溝器相同的運動速率與方向。作業過程如圖3 所示。梯形施肥溝兩斜邊的土壤顆粒有沿斜面下滑的趨勢，說明開溝器上寬下窄的結構更有利于作業后泥漿的回流。

圖3 離散元EDEM 開溝作業仿真過程Fig.3 Simulation process of EDEM trenching operation

3.1 試驗指標與方法

以施肥開溝器作業后肥溝內顆粒肥料的覆蓋情況（即肥料顆粒是否被水稻土壤顆粒覆蓋）為試驗指標，計算方法如式（3）所示：

式中：q——肥料覆蓋率，%；g ——測量長度范圍內未被覆蓋肥料的粒數，粒；G——測量長度范圍內總的施肥粒數，粒。

3.2 結果分析

肥料覆蓋效果如圖4 所示。仿真完成后可以在EDEM 分析樹（Analyst Tree）的圖表制作（Create Graph）中進行數據分析，查看不同時間段內肥料顆粒的生成數量，如圖5 所示。肥料顆粒渲染成淺藍色，未被覆蓋的肥料顆?？稍赯 軸視角方向上放大，直觀觀察統計。在仿真作業長度為0.5 m 時，經統計共有68 粒肥料裸露（包括未被完全覆蓋的），0～0.5 s 內共生成800 粒肥料，根據式（3）中的計算方法得出肥料的覆蓋率為91.5%。

圖4 離散元仿真肥料覆蓋情況Fig.4 Fertilizer coverage simulation by discrete element method

圖5 顆粒工廠肥料的生成數量Fig.5 Quantity of fertilizer produced in pellet plant

4 結論

設計了一種滑推式開溝器并利用三維建模軟件UG 9.0 進行了三維建模。利用離散元軟件EDEM2020 建立了寒地水稻土壤離散元模型，利用該模型進行了開溝施肥仿真，仿真試驗得出肥料覆蓋率為91.5%，為進一步提高滑推式開溝器作業后肥料覆蓋率的研究提供了參考。