基于EDEM的秸稈—土壤顆粒翻埋運動仿真及試驗

葛宜元 矯洪成 劉東旭 梁秋艷 楊傳華

摘要：水稻秸稈與土壤翻埋過程是影響秸稈還田的重要因素。在前期建立的還田刀輥—土壤—水稻秸稈三者仿真互作模型的基礎上，進一步研究土壤顆粒的運動狀態。在耕深為20cm、刀軸旋轉速度為240r/min、單位秸稈量為3.5kg/m2時，以秸稈翻埋率和還田深度為指標，分別進行仿真與室內模擬試驗，翻埋率分別為87.5%、86.7%，還田深度分別為19.16cm、18.68cm，模擬試驗驗證仿真試驗的有效性。仿真結果顯示所標定顆粒152658與刀輥接觸時，開始向后下方位移，到達最低點后隨著刀輥的旋轉向后上方拋灑，此時運動軌跡近似拋物線，隨后在重力作用下回落到地表，與其他顆粒碰撞產生波動，直至最終停下。通過隨機標定顆粒研究土壤受力情況，結果表明：當彎刀在開始接觸土壤顆粒時，顆粒X、Y、Z方向受力均直線上升，最大值分別為15.61N、37.2N、50.37N，直到該土壤顆粒團被彎刀切碎后，力逐漸下降為0。同理標定秸稈顆粒45681，分析其運動軌跡，仿真結果表明：起初土壤顆粒對秸稈速度產生促進和抑制雙重作用，隨著土壤回落地表，秸稈在土層下主要受到土壤摩擦作用，直至秸稈速度降為0。仿真分析從微觀角度揭示彎刀對秸稈翻埋還田的工作機理，為部件優化設計提供理論支持。

關鍵詞：秸稈還田；土壤顆粒；秸稈顆粒；運動軌跡；翻埋運動

中圖分類號：S222.3

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 070229

07

Simulation and experiment of straw-soil particle overturning movement based on

discrete element method

Ge Yiyuan， Jiao Hongcheng， Liu Dongxu， Liang Qiuyan， Yang Chuanhua

（College of Mechanical Engineering， Jiamusi University， Jiamusi， 154007， China）

Abstract： The process of rice straw and soil burial is an important factor affecting the return of straw to the field. In this paper， based on the previously established simulation model of the interaction between the straw return knife roller， soil， and rice straw， the motion state of soil particles was further studied. When the tillage depth was 20cm， the rotation speed of the cutter shaft was 240r/min， and the unit straw amount was 3.5kg/m2， simulation and indoor experiments were carried out with the straw burial rate and returning depth as the test indicators. The results showed a burial rate of 87.5% and 86.7% and a returning depth of 19.16 cm and 18.68cm， respectively， which validated the simulation and met the requirements of national standards. The simulation results showed that when the calibrated particle 152658 was in contact with the knife roller， it initially moved backward and downward. After reaching the lowest point， it was thrown backward and upward due to the rotation of the knife roller. The movement trajectory was approximately parabolic. The particle then fell back to the ground under the influence of gravity. It collided with other particles and generated fluctuations until it finally came to rest. The soil stress was studied by randomly calibrating the particles. The results showed that when the knife blade first contacts the soil particles， the forces in the X， Y， and Z directions of the particles increased linearly， and the maximum values were 15.61N， 37.2N， and 50.37N， respectively. After the soil particle mass was chopped by the knife blade， the force gradually decreased to 0. Similarly， by calibrating straw particle 45681 and analyzing its movement trajectory， the simulation showed that soil particles initially exhibited a dual effect of promoting and inhibiting the straw velocity. As the soil returned to the surface， the straw was mainly affected by soil friction under the soil layer until the straw velocity dropped to 0. The simulation analysis revealed the working principle of the straw return knife blade for straw burial and returning to the field from a microscopic point of view and provided theoretical support for the optimal design of components.

Keywords： straw returning; soil particles; straw particles; movement trajectory; burial movement

0 引言

三江平原地處東北黑土帶，由于多年來的耕作不當導致黑土層逐漸流失，對此國家和黑龍江省均將黑土地保護工程作為十四五期間重點解決的問題［12］。據統計，2022年黑龍江省糧食生產實現“十九連豐”，糧食總產量占全國的11.3%，增產的同時產生了數量龐大的秸稈。秸稈還田不僅能增加土壤有機質，還可以改善土壤的物理性狀，為黑土保護提供一種有效手段［38］。在還田作業時，由于土壤和秸稈的混合物受到還田刀具的不斷擾動，運動速度和軌跡會不斷變化。混合物的速度和軌跡會直接導致秸稈停滯位置的不同，進而影響翻埋質量。國內外學者對不同觸土部件作業下秸稈的運動狀態進行了相關研究。郭俊等［911］利用室內試驗與離散元仿真相結合的方法對秸稈運動情況進行分析，得出土壤位移距離與土壤顆粒深度成反比的結論。周華等［12］針對不同旋耕機作業下秸稈在土壤中的分布情況進行研究，結果表明深松+秸稈旋埋還田機作業后，秸稈分布最均勻。陳青青等［13］分別對正反旋作業后秸稈空間位置進行分析，結果表明正旋作業秸稈空間布局優于反旋。Mari等［14］對圓盤犁作業下秸稈翻埋情況進行分析，結果表明圓盤犁受力與深度成正相關。現有研究的重點集中在耕作過程中秸稈的狀態上，缺乏對土壤顆粒運動狀態的分析。而土壤顆粒的運動狀態是影響秸稈還田質量的重要因素。

本文采用EDEM軟件對秸稈和土壤進行顆?；治觯芯拷斩挿襁\動時土壤顆粒的受力、運動軌跡與速度，揭示秸稈翻埋機理，對刀具和機具外殼的設計優化提供理論支撐。

1 秸稈—土壤顆粒翻埋運動仿真

1.1 仿真參數確定

本文從微觀角度觀察顆粒運動情況，采用離散元法將微小的顆粒群視為一個獨立系統，系統中每個顆粒即是相互接觸又是彼此脫離相互運動的，它為微觀力學提供一種新的計算手段且具有可靠性［1516］。本文試驗裝置、耕作參數和仿真參數來源為課題組發表文獻［17］。機具前進速度為0.5m/s、旋耕速度為240r/min、耕深為200mm、單位秸稈數量為3.5kg/m2。

1.2 顆粒內部運動狀態分析

為了避免其他因素影響，更好觀察顆粒運動情況，采用單刀剖面圖觀察內部顆粒運動情況。在彎刀耕作初始，秸稈與土壤顆粒均保持靜止狀態，隨著彎刀正切刃將土壤切開，刀刃與土壤接觸面積逐漸增大，彎刀附近的土壤顆粒受到擠壓作用向后下方開始運動，將土壤逐漸撕裂開來，后隨著刀刃入土深度的增加，形成一定的溝壑，秸稈顆粒由于自身的重力以及彎刀的作用滑落到溝壑中，土壤擾動逐漸增大，最終將秸稈掩埋，達到秸稈翻埋的目的。圖1為彎刀入土過程。

1.3 土壤顆粒運動軌跡與速度分析

根據仿真參數建立刀輥—秸稈—土壤相互作用模型，將秸稈顆粒隱藏，得到土壤顆粒拋灑運動矢量圖，如圖2所示。由圖2可知土壤顆粒有向后上方拋灑趨勢，在實地作業中旋耕裝置外殼會與土壤顆粒進行接觸，產生一定磨粒磨損。

為了探究土壤顆粒的速度變化與運動軌跡，本文對土壤顆粒進行隨機標記，在EDEM后處理中，點擊Setup Selections對秸稈顆粒進行隨機挑選，如圖3中標記的黑色加粗顆粒，標記編號為152658。

由于土壤顆粒主要受到刀輥X、Y方向的力，因此簡化該顆?？臻g運動位置關系，利用origin中Levenberg-Marquardt迭代方法與高斯（Gauss）函數擬合成最佳曲線，如圖4所示。

土壤顆粒運動軌跡和速度表達式如式（1）所示。

y=y0+AWπ/2e－2（x－xc）2W2

（1）

式中：

y——

土壤顆粒在y方向的位移，mm；

x——

土壤顆粒在x方向的位移，mm；

y0——土壤顆粒的修正系數；

xc——擬合函數中心；

A——擬合函數峰面積，mm2；

W——擬合函數峰寬，mm。

當刀輥與土壤顆粒接觸時，顆粒開始向后下方位移，到達最低點后隨著刀輥的旋轉向后上方拋灑，此時運動軌跡近似拋物線，隨后在重力作用下回落到地表，與其他顆粒土壤產生碰撞產生波動，直至最終停下。

在作業過程中土壤顆粒152658運動速度如圖5所示。標記152658土壤顆粒運動速度變化成多峰狀，這是由于其他土壤顆粒和彎刀與其相互作用所產生的結果，在3.5s時土壤顆粒速度有向上急劇增加趨勢，在3.7s時土壤顆粒X方向急劇下降，同理土壤顆粒在其他時刻變化與之相似，但速度變化小。由此可知耕作過程中土壤顆粒所受到的力是由其他土壤顆粒、秸稈顆粒和彎刀多種因素組成，其速度大小也隨時間產生大小不同、趨勢相同的周期變化。

1.4 土壤顆粒團受力分析

采用bonding鍵來表征土壤內聚力。圖6為土壤顆粒O1，O2的連接狀態，中間由bonding鍵相連，土壤顆粒的實際接觸距離（r1+r2）大于理論接觸距離（R1+R2）。土槽內顆?？倲禐?22 750個，產生bond鍵數目為1 735 940個，平均每個顆粒有2.79個鍵。

對土壤顆粒受力分析，采用彎刀破碎土壤團所受到的力進行表征。首先采用彎刀正前方的顆粒團進行標定，圖7中標記的土壤顆粒團，連接土壤顆粒的為bonding鍵。

利用EDEM軟件自身的處理功能對顆粒團體進行力學分析，將分析后的結果導入Origin當中，受力破碎過程在X、Y、Z受力分別如圖8（a）、圖8（b）、圖8（c）所示。當彎刀在0.8s時開始接觸土壤顆粒團，顆粒團X、Y、Z方向受力均迅速上升，最大值分別為15.61N、37.2N、50.37N，直到土壤顆粒團被彎刀切碎后力逐漸下降，結合土壤軌跡分析可知，此時破碎后的土壤向后上方拋灑并與其他土壤顆粒產生接觸碰撞，導致土壤顆粒團在被破碎后產生振蕩波形。

1.5 秸稈顆粒運動軌跡與速度分析

為方便觀察土壤與秸稈顆粒運動軌跡，同理隨機挑選編號為45681的秸稈顆粒。為探究顆粒運動軌跡方程，采用origin中Levenberg-Marquardt迭代方法與貝塔函數（Beta）擬合成最佳曲線，如圖9所示，秸稈顆粒有向后下方運動近似反比例函數曲線，并由于下層土壤阻力將會有逐漸停止趨勢。

通過數據擬合，秸稈顆粒運動軌跡和速度表達式如式（2）所示。

y=

y0+A1+W2+W3－2W2－1X－XCW1W2－1·

1－W2+W3－2W3－1X－XCW1W3－1

（2）

式中：

W1、W2、W3——

擬合函數的第一個、第二個、第三個峰寬，mm。

秸稈顆粒45681運動速度變化如圖10所示。

彎刀與秸稈接觸瞬間，秸稈速度成直線快速上升，隨著彎刀的離開，秸稈速度開始下降，而后小波動的產生，是由于土壤顆粒產生碰撞所致。秸稈在與刀輥相互作用下，秸稈速度迅速攀升，隨著與刀輥分開，秸稈顆粒與土壤顆粒相互作用，土壤顆粒對秸稈速度產生促進和抑制雙重作用，隨著土壤回落地表，此時秸稈在土層下主要受到土壤摩擦作用，速度產生斷崖式下降，直至為0，達到掩埋秸稈的目的。分析土壤顆粒和秸稈顆粒運動軌跡可知，在刀輥耕作過程中，土壤將會向后上方拋出掩埋之前所耕作過的區域，而秸稈會被刀輥向下壓，這種現象很好地解釋了彎刀對秸稈還田掩埋的工作原理。

2 作業質量分析

2.1 仿真作業質量

選取秸稈翻埋率與還田深度為性能指標。仿真作業秸稈翻埋情況如圖11所示，可以觀察到耕作后的區域1秸稈量為4個，而未進行耕作區域2秸稈數目為32個。

根據式（3），可得本次仿真秸稈翻埋率為87.5%，國家標準為翻埋率達到85%以上，表明彎刀翻埋效果良好。

秸稈翻埋率=N－nN×100%

（3）

式中：

N——耕作前秸稈量；

n——耕作后秸稈量。

將仿真作業后的土壤與秸稈顆粒，采用后處理工具（Tools）當中的Ruler進行秸稈深度測量。圖12為隨機選取的三個秸稈顆粒進行翻埋深度測量，分別為186.56mm、194.12mm、189.79mm。對三個秸稈顆粒取平均值得出秸稈平均還田深度為190.16mm，表明還田效果良好，符合秸稈翻埋標準。

2.2 試驗作業質量

為驗證上述仿真的真實性，本文依據仿真參數進行室內土槽試驗，通過不同土層中秸稈含量對仿真進行驗證。試驗在佳木斯大學機械工程實驗中心進行，試驗裝置為課題組自行研制，與課題組發表的文獻［17］中的實驗裝置相同。秸稈翻埋深度采用鋼尺進行測量，將作業后試驗臺彎刀中央的旋耕土層撥開，測量彎刀兩側秸稈與地表土壤之間垂直距離，為了減少試驗誤差，每隔0.4m采集一組數據，并記錄平均值。數據如圖13所示。

由圖13計算出平均翻埋深度為18.68cm，與仿真結果雖有差距，但大體趨勢一致，進一步驗證了仿真結果的有效性，產生誤差原因主要是行走裝置作業過程中振動所致。

秸稈翻埋率數據采樣方式與翻埋深度相同，每隔0.4m的位置用0.1m×0.1m的框選取微型區域，如圖14（a）所示。將耕作區域的土層分為兩層，第一層為地表層，將未被埋到土中秸稈取出用水清洗備用；第二層為翻埋區，將區域內秸稈翻出清洗備用；如圖14（b）所示。

經測定，可得第一層秸稈量平均值為4.1g，第二層秸稈量平均值為26.8g，即秸稈翻埋率為86.7%。

綜上所述，采用最優耕作參數作業后，秸稈翻埋深度、翻埋率等作業質量指標均要高于國家標準（85%），符合還田要求。

3 結論

1）? 本文基于建三江地區寒地黑土土壤實測參數，建立離散元仿真模型。從微觀方面入手，揭示微觀粒子運動軌跡與土壤受力變化特性，并以秸稈翻埋率與還田深度為指標，分別進行仿真與室內試驗，翻埋率分別為87.5%、86.7%，還田深度分別為19.16cm、18.68cm，驗證了仿真有效性的同時，符合國家標準要求的85%以上。

2）? 土壤顆粒運動軌跡表明：刀輥對土壤顆粒具有向后上方拋灑的趨近于拋物線的趨勢。土壤顆粒速度曲線表明：顆粒在與刀輥接觸時，速度變化陡然增加，此時土壤與秸稈受到的擾動較大，加速度也隨之增大，隨后成振蕩狀直至為0。土壤團的受力表明：在土壤與刀輥接觸瞬間，受力迅速增加，隨著土壤團的破碎，土壤顆粒主要受到其他顆粒碰撞與自身重力作用，受力逐漸下降，回落地表掩埋秸稈。秸稈顆粒運動軌跡表明：秸稈顆粒由于自身的重力以及彎刀的作用，滑落到彎刀產生的溝壑當中。

3）? 通過離散元仿真，從微觀角度觀察水稻秸稈和土壤顆粒，在還田彎刀作用下的運動軌跡及速度情況，揭示了秸稈翻埋原理，并采用曲線擬合方式將秸稈顆粒和土壤顆粒運動軌跡參數化，為還田彎刀減阻及外殼結構優化提供了一定的理論基礎。

參 考 文 獻

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