玉米壟作側深施肥開溝器的設計改進

摘要：在玉米免耕播種作業中，開溝器在秸稈殘茬覆蓋的地表作業時，會存在施肥播種單體偏擺甚至掉壟的問題?；趪鈮抛鱾壬钍┓书_溝器的研發經驗及玉米免耕播種作業的實際需求，從減少開溝阻力和增加作業穩定性兩方面來介紹開溝器的設計和研發現狀，以期為進一步提升開溝器的性能提供理論參考。

關鍵詞：開溝器；離散元法；阻力；穩定性；仿生

中圖分類號：S223.19 " " 文獻標識碼：A " "文章編號：1674-1161（2024）01-0065-02

近年來，東北黑土區水土流失嚴重，土壤肥力逐年降低。為有效提升東北地區的黑土地質量，推廣玉米免耕播種技術勢在必行。開溝器是玉米免耕播種機的重要部件，其性能直接影響著施肥和播種質量。然而，在東北地區實施玉米免耕播種作業時，播種開溝器與施肥部件不在一條直線上，側深施肥部件先入土后會使該側土壤疏松，常導致施肥播種單體偏擺甚至掉壟，加之秸稈殘茬分布不均，開溝阻力也較大。借鑒國外玉米壟作側深施肥機（以下簡稱”側深施肥機“）的研發經驗，并基于對開溝器工作原理的分析和研究，我國科研工作者不斷對開溝器進行改進與設計，以期進一步提升開溝播種的作業質量。

1 側深施肥機開溝器的性能要求及設計理論

國內播種時的施肥量較大，容易出現燒種的情況，因此播種機大多采用側深施肥裝置。當前，側深施肥的實現主要有兩種方式：一是采用有較大夾角的圓盤開溝器；二是施肥、播種開溝器側位配置。在免耕條件下采用側深施肥時，入土深，加之秸稈殘茬分布不均，極易出現掉壟現象，對此，亟須對播種及側深施肥部件進行優化和改進。

1.1 性能要求

東北地區開展玉米免耕播種時，多數年份因春季風大而造成表層土壤含水率低（一般在12%左右），所以開溝深度多為60 mm。在東北地區，玉米免耕播種作業對開溝器性能的要求為：1）開出的溝直線度好、溝穴整齊、深度一致，同時要盡量避免攪亂土層。多年的生產實踐表明，玉米底肥應施放于種子側4～8 cm、下5～6 cm處。2）由于開溝器需要在有秸稈殘茬覆蓋的地表上作業，因此需要具有良好的橫向穩定性和通過性，無偏擺和掉壟現象，且不易被地表的秸稈殘茬堵塞。3）東北地區的壟作側深施肥需要開溝器入土較深，加之地表覆蓋秸稈殘茬，因此開溝器應具有良好的入土能力，且耐磨損和不易變形。4）工作時的前進阻力小，作業功耗少。

1.2 設計理論基礎

為設計和改進開溝器的性能，使之更加符合農藝要求，諸多學者致力于模擬研究開溝器工作時的土壤運動規律和施加于土壤上的作用力。離散元法（Discrete Element Method，DEM）能夠模擬顆粒材料和研究材料間的微觀宏觀變形、仿真土壤和剛性體間的相互作用[1]，因此，諸多學者便利用離散元仿真來模擬開溝器和土壤之間的相互作用，再通過追蹤顆粒運動來分析土壤在耕作過程中的受力和擾動情況，以此來確定開溝器工作時的阻力，從而為開溝器的設計及改進提供理論基礎。開溝器的工作過程是工作部件與土壤間的相互運動，雖然過程十分復雜，但用離散元法來仿真土壤與開溝器之間的相互作用、分析土壤顆粒的流動過程，是比較接近實際情況的。

2 國外側深施肥機的研發現狀

近年來，國內外學者不斷開展側深施肥技術研究，并研制出一些具有側深施肥功能的玉米播種機型。由于國外對于保護性耕作的研究起步較早，經多年的不斷發展，已經形成相對成熟的理論基礎和健全的配套機具體系。當前，具有代表性的側深施肥機包括：美國John Deere公司的1895型免耕條播機、意大利馬斯奇奧公司的MT系列播種機和挪威Kverneland公司的2BQJ6重載型精量點播機。由于國外農業大多以平原大地塊作業模式為主，因此免耕播種機的工作幅寬大、作業性能好、自動化和智能化程度高，但機具質量偏大，對動力的要求也較高，同時工作部件的結構也較復雜。

3 我國側深施肥機開溝器的研發方向

近年來，針對側深施肥免耕播種作業穩定性和作業質量差的實際情況，科研工作者對于開溝器的設計和改進也主要集中在這兩方面，即減少開溝阻力和增加作業穩定性。

3.1 增加作業穩定性

高留茬秸稈覆蓋還田是東北地區的主流模式，但在玉米免耕播種過程中，兩行之間受到的阻力不平衡，機具會不可避免地產生微小偏轉，進而導致極易出現迂回現象，同時播種機由于兩側受力不均，土壤工作部件易偏向一側并滑下壟臺。

為解決上述問題，包文育等[2]通過增加機具圓錐臺型導向裝置，并從加大機器質量、轉動慣量、質心與虛牽引點的距離、減小總阻力及增加橫向阻力等方面來提高機器在運行過程中的橫向穩定性；趙艷忠等[3]設計了一種底肥側位深施、口肥垂直分施的免耕播種機側深分層施肥播種部件，通過試驗確定當圓盤直徑352 mm、圓盤夾角14°、圓盤傾角7.5°時，肥種溝開溝器的深度穩定性處于較佳狀態。

3.2 降低作業阻力

當前，對開溝器作業阻力的研究方向，主要是通過優化原有開溝器的相關參數來減小阻力。趙艷忠等[4]通過離散元土壤模型來分析導致施肥開溝器鏟尖土壤堆積的主要原因，認為關鍵因素是弧式施肥開溝器鏟尖曲線根部與鏟柄之間的夾角。

概括來說，開溝器的鏟型主要有4種，分別為弧式、單圓式、雙圓式和漸開式。王慶杰等[5]設計的楔刀型開溝器，對土壤的擾動量減少了15%～25%，且開溝阻力明顯降低。還有的研究通過用PVD涂層來降低摩擦阻力。

近年來，還有諸多學者根據觸土部件的運動規律和結構特點，運用單元仿生和多元耦合仿生技術來設計和改進開溝器，從而使多種仿生脫附減阻開溝機得到設計和發展。

趙淑紅等[6]參考旗魚頭部的流線型曲線建立了擬合曲線的數學模型，并根據東北地區田間播種時的土壤狀態和播種農藝要求，設計了一種仿旗魚頭部曲線型開溝器。之后運用離散元法對工作阻力和土壤擾動情況進行仿真分析時發現，隨著含水率和開溝深度的增加，工作阻力也隨之增加；隨著開溝深度的增加，土壤的擾動增大；土壤含水率對土壤的擾動寬度和回土深度無明顯影響。與圓弧型開溝器相比，仿旗魚頭部曲線型開溝器的工作阻力小、擾動寬度窄、回土深。

此外，賈洪雷等[7]以標準芯鏵式開溝器為基礎，在基于狗獾犬齒具有低阻貫穿特性的基礎上，利用仿生學曲線設計了一種滑動式開溝裝置。與標準芯鏵式開溝器相比，滑動式開溝裝置的相對阻力變小，因而具有一定的減阻效果。馬延武[8]對鴨嘴式開溝器進行了減阻設計，其通過單因試驗和二次正交回歸旋轉組合試驗，確定了阻力最小的參數組合為：入土角43°、入土隙角6°、鏟體長度145 mm、鏟體寬度21 mm。馬云海[9]依據土壤動物與生俱來的減黏脫土特性和超高分子量聚乙烯優異的減黏性能來改進原有的普通開溝器，從而使仿生開溝器的減黏降阻效果高于普通開溝器9%左右。

4 結語

高性能的播種開溝器能有效減少對土壤的擾動，且工作阻力較小。近年來，開溝器的設計和改進的主要方向是在穩定功耗及保證作業質量的前提下，對其結構參數進行優化，以此來提高入土能力、減輕對土壤的擾動和增加播種機的橫向穩定性。

參考文獻

[1] 張銳，李建橋，李因武，等.部件復雜表面影響土壤擾動行為的離散元宏細觀分析[J].吉林大學學報：工學版，2009，39（5）：1218-1223.

[2] 包文育，林靜，霍春明，等.2BG-2型免耕播種機橫向運動穩定性分析[J].沈陽農業大學學報，2009，40（3）：370-372.

[3] 趙艷忠，王勇，龔振平，等.免耕播種機側深分層施肥播種部件設計與試驗[J].農業機械學報，2021，52（8）：40-50.

[4] 趙艷忠，茍金保，王玉峰，等.免耕播種機漸開線側深施肥開溝器設計與試驗[J].東北農業大學學報，2022，53（12）：91-100.

[5] 王慶杰，姚宗路，高煥文，等.楔刀型免耕開溝器設計與試驗[J].機械工程學報，2008（9）：177-182.

[6] 趙淑紅，劉宏俊，譚賀文，等.仿旗魚頭部曲線型開溝器設計與性能試驗[J].農業工程學報，2017，33（5）：32-39.

[7] 賈洪雷，孟凡豪，劉立晶，等.芯鏵式開溝器仿生設計與試驗[J].農業機械學報，2020，51（4）：44-49.

[8] 馬延武.播種機開溝器參數優化與試驗研究[D].洛陽：河南科技大學，2018.

[9] 馬云海，馬圣勝，賈洪雷，等.仿生波紋形開溝器減黏降阻性能測試與分析[J].農業工程學報，2014，30（5）：36-41.

Improvement of the Design of Furrow Opener for Deep Fertilization on the Side of Corn Ridge Tillage

JIA Zhenzhen

（Liaoning Modern Agricultural Production Base Construction Engineering Center， Shenyang 110033， China）

Abstract： In the no-till sowing operation of corn， the problem of tilting and even ridge dropping of the fertilizing monomer will occur when the furrow opener works on the ground covered with stubble. Based on the research and development experience of the furrow opener in foreign countries and the actual demand of the no-tillage sowing operation， the design and development status of the furrow opener were introduced from the two aspects of reducing the resistance of furrow opening and increasing the stability of the operation， so as to provide theoretical reference for further improving the performance of the furrow opener.

Key words： "furrow opener; discrete element method; resistance; stability; bionic