深松鏟不同翼鏟安裝高度時(shí)土壤擾動(dòng)行為仿真與試驗(yàn)

王學(xué)振 岳 斌 高喜杰 鄭智旗,2 朱瑞祥,2 黃玉祥,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心， 陜西楊凌 712100)

0 引言

深松可有效改善土壤結(jié)構(gòu)、降低犁底層土壤容重、提高土壤中營(yíng)養(yǎng)物的利用率和土壤的蓄水保墑能力，繼而促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量[1-6]。與立柱式深松鏟和全方位深松鏟相比，帶翼深松鏟不僅能夠?qū)ι顚油寥肋M(jìn)行較大范圍疏松，還能提高土壤的蓄水保墑能力[2,7]。翼鏟的安裝高度是帶翼深松鏟的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，其對(duì)土壤擾動(dòng)行為和深松效果產(chǎn)生重要影響[7]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞帶翼深松鏟對(duì)土壤擾動(dòng)行為的影響開展了大量研究。SPOOR等[8]發(fā)現(xiàn)增加翼鏟長(zhǎng)度可增大土壤擾動(dòng)量、降低深松比阻，改變翼鏟與鏟尖的前后距離對(duì)土壤擾動(dòng)量無明顯影響；李洪文等[9]的研究表明，當(dāng)翼鏟較低、翼鏟邊緣超出鏟尖和鏟柄擾動(dòng)范圍以外時(shí)，松土截面形狀發(fā)生改變，土壤側(cè)向擾動(dòng)范圍增加；高煥文等[10]發(fā)現(xiàn)當(dāng)翼鏟安裝在距離地表10 cm左右、鏟距為60 cm時(shí)，帶翼深松鏟可對(duì)表土全部松動(dòng)、底層土壤間隔疏松；GODWIN[11]研究表明，在翼形鏟前加若干個(gè)淺松鏟可顯著增加土壤擾動(dòng)面積；夏雷[12]基于離散元法和室內(nèi)土槽試驗(yàn)研究了翼鏟安裝位置(安裝高度、翼鏟入土角和翼鏟后傾角)和翼鏟長(zhǎng)度對(duì)壟高、壟寬和土壤宏觀擾動(dòng)輪廓的影響；HANG等[2]從理論上分析了翼鏟安裝高度、張角和后傾角等安裝參數(shù)對(duì)土壤擾動(dòng)效果和耕作阻力的影響，并以耕作比阻為指標(biāo)對(duì)翼鏟的安裝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。已有研究主要分析了翼鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝位置對(duì)直線型帶翼深松鏟耕后土壤宏觀擾動(dòng)的影響，并未結(jié)合翼鏟與犁底層及鏟柄的相對(duì)位置，研究翼鏟安裝高度對(duì)土壤微觀擾動(dòng)機(jī)理和耕作阻力的影響。

圓弧形鏟柄是目前深松鏟最常用的鏟柄型式之一。現(xiàn)有研究表明，圓弧形深松鏟加工方便、碎土功能更強(qiáng)，但受力更加復(fù)雜，且在小縱深比情況下，圓弧形等彎曲形深松鏟與直線型深松鏟相比具有較優(yōu)的耕作性能[13-15]。因此，本研究以圓弧形帶翼深松鏟為對(duì)象，考慮翼鏟與犁底層及鏟柄的相對(duì)位置，利用離散元法和數(shù)字化土槽試驗(yàn)，研究翼鏟安裝高度變化對(duì)深松土壤的擾動(dòng)行為和耕作阻力的影響，以期為具有彎曲形鏟柄的深松鏟翼鏟安裝高度的確定提供參考依據(jù)。

1 室內(nèi)土槽試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院室內(nèi)數(shù)字化土槽中開展，該土槽長(zhǎng)26 m、寬2.1 m、深0.7 m。試驗(yàn)用土質(zhì)為塿土，屬于黃土母質(zhì)上發(fā)育的農(nóng)業(yè)土壤[16-17]。陜西省楊凌地區(qū)農(nóng)田耕作層和犁底層厚度為250～350 mm[18]，耕作層厚度為130～180 mm[2]。本文取耕作層厚度為170 mm，犁底層厚度為130 mm。為徹底打破犁底層，耕深設(shè)置為300 mm。

帶翼深松鏟的結(jié)構(gòu)、尺寸如圖1所示。鏟尖和鏟柄分別為JB/T 9788—1999中規(guī)定的鑿形鏟尖和中型圓弧形鏟柄，翼鏟安裝在圓弧形鏟柄上，其水平方向的中心線與鑿形鏟尖底部距離為H(圖1)。

圖1 帶翼深松鏟結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of winged subsoiler

翼鏟安裝過高不但無法有效擴(kuò)大松土范圍，而且會(huì)使深松鏟對(duì)耕作層土壤過度擾動(dòng)、降低地表平整度[7]；反之，若翼鏟安裝位置過低，深松鏟在入土?xí)r翼鏟過早接觸到土壤，影響深松鏟的入土性能[2]。同時(shí)，適當(dāng)降低翼鏟安裝高度，使之位于犁底層，可以對(duì)犁底層土壤進(jìn)行較大范圍疏松，提高土壤的蓄水保墑能力，減少土壤水分的蒸發(fā)量[16]。為擴(kuò)大犁底層土壤擾動(dòng)范圍，結(jié)合鑿形鏟尖和中型圓弧形鏟柄的尺寸及安裝位置，確定翼鏟最大安裝高度為135 mm；同時(shí)，為避免鏟柄上用于固定鏟尖的螺栓對(duì)翼鏟安裝產(chǎn)生影響，將翼鏟的最低位置確定為55 mm，如圖2所示。因此，本研究確定的翼鏟安裝高度H分別為55、75、95、115、135 mm。

圖2 帶翼深松鏟分段情況Fig.2 Subsection of winged subsoiler

現(xiàn)有研究側(cè)重分析深松后土壤的宏觀擾動(dòng)狀態(tài)及深松鏟整體的受力情況，尚未明晰不同翼鏟安裝參數(shù)下深松鏟不同部位的受力變化及其對(duì)相應(yīng)位置土壤的擾動(dòng)機(jī)理。為此，本研究將帶翼深松鏟劃分為直柄段、圓弧段和鏟尖段，同時(shí)，考慮鏟柄與犁底層的相對(duì)位置，利用深松時(shí)耕作層和犁底層交界面將圓弧段分為耕作層圓弧段和犁底層圓弧段(圖2)，旨在揭示翼鏟安裝高度變化對(duì)不同位置土壤擾動(dòng)行為和深松鏟不同部位受力的影響。根據(jù)深松鏟的高度(613 mm)、鏟尖在豎直方向的長(zhǎng)度(65 mm)、直柄段長(zhǎng)度(280 mm)、犁底層厚度(130 mm)，可以得到耕作層圓弧段和犁底層圓弧段在豎直方向的長(zhǎng)度分別為203 mm和65 mm(圖1、2)。

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前對(duì)選用的大田土壤參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。大田土壤中石粒、砂粒和粉黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.25%、82.29%和7.46%，耕作層(地表以下0～170 mm)和犁底層(地表以下170～300 mm)土壤含水率、土壤緊實(shí)度和土壤密度如表1所示。

表1 試驗(yàn)土壤條件Tab.1 Soil conditions of test

為保證土槽內(nèi)的土壤條件符合大田土壤環(huán)境，在土槽試驗(yàn)前，采用分層處理的方法根據(jù)大田土壤參數(shù)進(jìn)行土槽土壤制備[16]。首先取出土槽地表以下170 mm深度范圍內(nèi)的土壤，然后對(duì)剩余的土壤噴灑適量自來水，充分滲透后對(duì)表土進(jìn)行旋耕，接著利用輥?zhàn)雍驼駝?dòng)沖擊夯依次進(jìn)行壓實(shí)；隨后均勻回填取出的表土(約85 mm)，然后再次噴灑適量自來水，接著把剩余土壤均勻回填土槽，最后旋耕并壓實(shí)表土(圖3)；測(cè)得制備后土床耕作層(地表以下0～168 mm)和犁底層(地表以下168～300 mm)土壤含水率、土壤緊實(shí)度和土壤密度如表1所示。

圖3 土槽土壤制備過程Fig.3 Soil preparation process in soil bin

土槽土壤制備完成后依次對(duì)5個(gè)不同翼鏟安裝高度下的帶翼深松鏟進(jìn)行土槽深松試驗(yàn)。土槽試驗(yàn)中深松鏟動(dòng)力牽引裝置為電力變頻四輪驅(qū)動(dòng)土槽試驗(yàn)車(哈爾濱博納科技有限公司)[19]。為了保證試驗(yàn)條件的一致性，分別取土槽的前、后3 m為土槽車的加速區(qū)和減速區(qū)，土槽中間為試驗(yàn)測(cè)量區(qū)域。根據(jù)本地區(qū)實(shí)際深松作業(yè)速度，試驗(yàn)中耕作速度確定為0.83 m/s[20]。深松鏟和鏟架通過三點(diǎn)懸掛裝置與土槽車相連接，通過布置于左右懸掛裝置、上拉桿上的傳感器和無線設(shè)備將耕作過程中牽引阻力信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送至計(jì)算機(jī)。

為準(zhǔn)確獲得深松后土壤的擾動(dòng)輪廓，在深松結(jié)束后，利用土壤輪廓測(cè)量?jī)x和方格邊長(zhǎng)為1 mm的坐標(biāo)紙測(cè)量土壤的擾動(dòng)輪廓，測(cè)量過程重復(fù)3次，相鄰測(cè)量位置的間距為3 m，測(cè)量過程如圖4所示。

圖4 土壤擾動(dòng)輪廓測(cè)量Fig.4 Soil disturbance measurement

土壤膨松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)可以作為衡量深松土壤擾動(dòng)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[16, 21]，其計(jì)算式分別為

(1)

(2)

式中p——土壤膨松度，%

Aq、Ah——耕前、耕后地表至理論深松溝底的橫斷面面積，mm2

y——土壤擾動(dòng)系數(shù)，%

As——耕前地表至實(shí)際深松溝底的橫斷面面積，mm2

土壤縱向堆積角α(圖5)反映了深松后土壤的縱向堆積程度[16]，其定義公式為

(3)

式中d——鏟柄直柄段刃口到鏟前擾動(dòng)土壤的最大距離，mm

h——鏟前土壤堆積高度，mm

根據(jù)式(3)分別計(jì)算5個(gè)不同翼鏟安裝高度(55、75、95、115、135 mm)下的土壤縱向堆積角。

圖5 土壤縱向堆積角示意圖Fig.5 Diagram showing accumulation angle of surface soil

深松后土壤的破碎程度是深松作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。參考GB/T 24675.2—2009，深松作業(yè)完成后，在土槽中間沿耕作方向每隔3 m取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)；對(duì)于任意選定的測(cè)量點(diǎn)，在0.5 m×0.5 m面積內(nèi)，將耕深范圍內(nèi)長(zhǎng)邊小于40 mm的土塊質(zhì)量與土壤總質(zhì)量之比作為碎土系數(shù)，將3個(gè)選定點(diǎn)的碎土系數(shù)平均值作為特定翼鏟安裝高度下的碎土系數(shù)。分別統(tǒng)計(jì)5個(gè)不同翼鏟安裝高度下的碎土系數(shù)。

2 EDEM仿真分析

2.1 深松鏟建模

為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用CATIA軟件對(duì)試驗(yàn)用深松鏟按1∶1的比例建立3D模型，并保存為.stp格式[3]。

2.2 土壤顆粒及土壤接觸模型

根據(jù)試驗(yàn)用農(nóng)田土壤類型，選擇EDEM 2.7中的Hertz-Mindlin with Bonding模型作為土壤顆粒間的接觸模型[3, 21]。該模型下土壤顆粒間具有粘結(jié)作用的圓柱形粘結(jié)鍵(圖6)，可代替土壤顆粒間的液橋，承受一定的力和力矩[3, 22]。顆粒形狀和尺寸常被視為離散元模型的重要參數(shù)[23-24]?，F(xiàn)有研究表明，具有粘結(jié)鍵的土壤顆粒以塊狀形式出現(xiàn)，可較好地模擬土壤團(tuán)聚體，在Hertz-Mindlin with Bonding模型下土壤顆粒單元的形狀對(duì)于土壤顆粒間的相互作用影響較小[22]，因此本文選用EDEM中的基本球形顆粒作為土壤顆粒單元。離散元仿真中顆粒尺寸減小會(huì)導(dǎo)致仿真運(yùn)行時(shí)間呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)[25]，諸多研究者采用8 mm或以上半徑的球體作為土壤顆粒模型，并較為準(zhǔn)確地模擬了耕作部件與土壤的相互作用過程[26-28]，本研究確定土壤顆粒單元的半徑為8 mm。

圖6 顆粒間圓柱形粘結(jié)鍵Fig.6 Cylindrical bonds between particles

2.3 土壤模型參數(shù)

在EDEM軟件中，模型參數(shù)主要包括材料參數(shù)和接觸參數(shù)。材料參數(shù)主要包括土壤和深松鏟(65Mn)的密度、泊松比和剪切模量，其中65Mn的密度和剪切模量及土壤的剪切模量參考文獻(xiàn)[16, 28]的數(shù)據(jù)，耕作層和犁底層土壤密度通過實(shí)際測(cè)量獲取，耕作層和犁底層土壤的泊松比計(jì)算式為[29]

(4)

其中

Ko=1-sinφ

(5)

式中Ko——土壤側(cè)壓力系數(shù)

μ——泊松比

φ——土壤內(nèi)摩擦角，耕作層和犁底層土壤內(nèi)摩擦角分別為19.80°和16.75°(通過直剪試驗(yàn)得到)

接觸參數(shù)主要包括材料間的恢復(fù)系數(shù)、摩擦因數(shù)。其中耕作層土壤與耕作層土壤、犁底層土壤與犁底層土壤、耕作層土壤與65Mn、犁底層土壤與65Mn間的動(dòng)摩擦因數(shù)分別利用休止角試驗(yàn)和斜板試驗(yàn)獲??；通過文獻(xiàn)[21,26,28]得到土壤間的恢復(fù)系數(shù)及土壤與65Mn間的恢復(fù)系數(shù)均為0.6，土壤間的靜摩擦因數(shù)為0.4，土壤與65Mn間的靜摩擦因數(shù)為0.5。

Hertz-Mindlin with Bonding模型中的微觀參數(shù)包括粘結(jié)鍵法向剛度、粘結(jié)鍵切向剛度、粘結(jié)鍵法向臨界應(yīng)力、粘結(jié)鍵切向臨界應(yīng)力和粘結(jié)鍵半徑。參照文獻(xiàn)[22,30]減少參數(shù)標(biāo)定個(gè)數(shù)的方法，使法向剛度等于切向剛度，法向臨界應(yīng)力等于切向臨界應(yīng)力。另外，有研究表明[28]，Hertz-Mindlin with Bonding模型下的顆粒運(yùn)動(dòng)行為對(duì)粘結(jié)剛度參數(shù)不敏感，取粘結(jié)剛度(法向和切向)為5×107N/m3。粘結(jié)鍵半徑反映了土壤含水率的高低，其大小根據(jù)含水率和土壤顆粒半徑確定[28,31]，粘結(jié)鍵法向、切向臨界應(yīng)力由單軸壓縮試驗(yàn)獲取。

離散元仿真模型的基本參數(shù)如表2所示。

表2 離散元模型基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of discrete element model

2.4 EDEM耕作模型

為滿足深松作業(yè)要求，根據(jù)耕深和帶翼深松鏟寬度，在模型中建立尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 000 mm×1 200 mm×400 mm的虛擬土槽，其中地表以下0～170 mm為耕作層，地表以下170～300 mm為犁底層，地表以下300～400 mm為心土層；參數(shù)設(shè)定完成后，通過顆粒工廠動(dòng)態(tài)生成、堆積顆粒的方式生成土槽，顆粒生成完成后進(jìn)行沉降、粘結(jié)，然后將深松鏟3D模型導(dǎo)入EDEM軟件中(圖7)；最后深松鏟以0.83 m/s的耕速運(yùn)行，仿真過程共歷時(shí)6.0 s。

圖7 EDEM耕作模型Fig.7 Simulation model of EDEM

2.5 仿真分析

為了解翼鏟安裝高度對(duì)地表下不同位置土壤的擾動(dòng)狀態(tài)的影響，利用EDEM的Clipping模塊對(duì)土壤模型沿耕作方向和垂直耕作方向進(jìn)行剖視。

為進(jìn)一步明晰翼鏟安裝高度對(duì)不同位置土壤微觀運(yùn)動(dòng)的影響，根據(jù)深松鏟分段情況(圖2)，在深松鏟縱向中心位置(L1)和翼鏟邊緣位置(L2)選定代表性顆粒(圖8a)，分別距地表0、85、202.5、250 mm深度處(即地表、耕作層中間位置、犁底層圓弧段中間位置和鏟尖位置)，并分別標(biāo)記為L(zhǎng)11、L21、L31、L41、L12、L22、L32、L42(圖8b)，重點(diǎn)考察深松鏟縱向中心位置和翼鏟邊緣位置土壤顆粒在鏟柄、鏟尖和翼鏟作用下的擾動(dòng)情況。通過統(tǒng)計(jì)選定顆粒在耕作過程中的不同時(shí)刻坐標(biāo)，計(jì)算選定顆粒在耕作過程中的實(shí)時(shí)位移，進(jìn)而篩選出耕作過程中選定顆粒在x、y和z方向的最大位移。

圖8 選定顆粒位置Fig.8 Locations of selected particles

以土壤是否具有運(yùn)動(dòng)速度為條件，將繪制的土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)速度臨界曲線作為土壤擾動(dòng)的坑形輪廓，將土壤在地表的堆積輪廓作為土壤擾動(dòng)的壟形輪廓[16]。利用EDEM的Protractor功能量取不同翼鏟安裝高度下的土壤縱向堆積角。通過EDEM的Selection模塊獲取深松鏟不同部位(圖2)耕作阻力。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤擾動(dòng)狀態(tài)對(duì)比分析

為探究翼鏟安裝高度對(duì)不同位置土壤擾動(dòng)狀態(tài)的影響，對(duì)5.12 s時(shí)(深松鏟位于耕作行程中間)土壤模型進(jìn)行了縱向和側(cè)向剖視；剖視的0 mm處為深松鏟的縱向和側(cè)向中心，根據(jù)翼鏟長(zhǎng)度及深松鏟對(duì)土壤的縱向擾動(dòng)情況，選擇垂直耕作方向的剖面間距為90 mm，耕作方向的剖面間距為88 mm，不同翼鏟安裝高度下垂直耕作方向和耕作方向的剖面分別如圖9和圖10所示。

圖9 翼鏟安裝高度(H)對(duì)各層土壤側(cè)向擾動(dòng)狀態(tài)的影響Fig.9 Effect of mounting height of wing(H)on transverse disturbance quality of soil in different layers

圖10 翼鏟安裝高度對(duì)各層土壤縱向擾動(dòng)狀態(tài)的影響Fig.10 Effect of mounting height of wing on portrait disturbance quality of soil in different layers

由圖9可知，深松鏟在不同翼鏟安裝高度下的松土機(jī)理類似。首先，鏟尖、翼鏟和鏟柄圓弧段在牽引力的作用下對(duì)鏟尖段土壤(綠色顆粒)和圓弧段犁底層土壤(藍(lán)色顆粒)進(jìn)行剪切和擠壓，使其向上抬升并產(chǎn)生失效破碎，同時(shí)對(duì)耕作層土壤(白色顆粒)產(chǎn)生擾動(dòng)作用，使其在地表產(chǎn)生一定的土壟(圖9a)，接著地表土壟在鏟柄的直柄段的剪切作用下發(fā)生失效破碎(圖9b)，最后在自身重力作用下沿鏟柄直柄段刃口向后下方運(yùn)動(dòng)，回填至松后溝槽(圖9c)。

翼鏟安裝高度對(duì)耕作層土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍影響不明顯，對(duì)犁底層土壤(綠色和藍(lán)色顆粒)的側(cè)向擾動(dòng)范圍影響較大；隨著翼鏟安裝高度增加，圓弧段犁底層土壤在翼鏟安裝高度為135 mm時(shí)的側(cè)向擾動(dòng)范圍明顯小于其他翼鏟安裝高度；當(dāng)翼鏟安裝高度為55、75 mm時(shí)，鏟尖段土壤在鏟柄附近和距鏟柄較遠(yuǎn)位置均產(chǎn)生了擾動(dòng)；當(dāng)翼鏟安裝高度為95 mm或以上時(shí)，鏟尖段土壤僅在鏟柄附近小范圍內(nèi)產(chǎn)生擾動(dòng)，要使翼鏟擴(kuò)大對(duì)犁底層土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍，應(yīng)適當(dāng)降低翼鏟安裝高度、保證該深度土壤在翼鏟的擾動(dòng)范圍以內(nèi)。

由圖10可知，隨著土壤與深松鏟側(cè)向間距的增加，深松鏟對(duì)土壤的豎直抬升程度和縱向擾動(dòng)范圍都逐漸減小。當(dāng)翼鏟安裝高度較大時(shí)，圓弧段犁底層土壤和鏟尖段土壤的減小程度更明顯，主要原因是隨著翼鏟安裝高度的增加，翼鏟對(duì)其下方的圓弧段犁底層土壤和鏟尖段土壤的剪切和擠壓程度逐漸減弱，對(duì)其上方的土壤以一定角度向翼鏟兩側(cè)上方延伸松動(dòng)，且延伸到地表位置的土壤擾動(dòng)寬度與鏟柄對(duì)地表土壤的擾動(dòng)寬度相近，致使圓弧段犁底層土壤和鏟尖段土壤被豎直抬升和縱向擾動(dòng)的程度對(duì)翼鏟安裝高度更敏感。當(dāng)翼鏟安裝高度大于75 mm時(shí)，距離深松鏟縱向中心較遠(yuǎn)位置(剖視距離為88 mm或以上)的鏟尖段土壤基本不產(chǎn)生擾動(dòng)(圖10b、10c)，這是由于翼鏟對(duì)鏟尖段土壤的作用力隨翼鏟安裝高度的增加而減小。

圖9和圖10的分析結(jié)果表明，對(duì)于圓弧形鏟柄，鏟翼安裝高度的變化會(huì)引起鏟翼與鏟尖距離的變化，造成翼鏟進(jìn)入土壤的時(shí)間和位置有所不同，進(jìn)而產(chǎn)生不同的土壤擾動(dòng)狀態(tài)。隨著翼鏟安裝高度增加，耕作層土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍無明顯差異，犁底層土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍整體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，因此適當(dāng)降低翼鏟安裝高度有利于增加深松鏟對(duì)犁底層土壤的擾動(dòng)范圍。

3.2 土壤微觀運(yùn)動(dòng)對(duì)比分析

現(xiàn)有基于離散元法的示蹤塊試驗(yàn)常根據(jù)耕后土壤位移來判斷土壤的實(shí)際擾動(dòng)效果和耕作能耗等。為進(jìn)一步定量分析翼鏟安裝高度對(duì)不同位置土壤擾動(dòng)的影響，本研究通過離散元分析軟件EDEM的后處理功能，得到深松鏟縱向中心位置和翼鏟邊緣位置選定的土壤顆粒在耕作過程中的側(cè)向(x)、耕作方向(y)和豎直方向(z)的不同時(shí)刻的位移，通過統(tǒng)計(jì)選定的不同位置顆粒在x、y、z方向的最大位移Xmax、Ymax和Zmax，以揭示翼鏟安裝高度變化對(duì)耕作過程中關(guān)鍵位置土壤在各方向?qū)嶋H臨界運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。

3.2.1翼鏟安裝高度對(duì)土壤側(cè)向(x)運(yùn)動(dòng)的影響

由圖11可知，隨著翼鏟安裝高度的增加，表層土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍呈現(xiàn)先減小再增大、后減小的趨勢(shì)，且翼鏟邊緣位置的表層土壤(L12)x負(fù)方向的最大位移在翼鏟安裝高度為95 mm時(shí)最小，為27.04 mm，其次為翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)，為29.65 mm。

在不同翼鏟安裝高度下，耕作層土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍均無明顯差異，這是由于深松鏟翼鏟邊緣位置的耕作層土壤(L22)在不同翼鏟安裝高度下均向x負(fù)方向移動(dòng)(Xmax<0)，且各側(cè)向最大位移無明顯差異；圓弧段犁底層土壤在翼鏟安裝高度為55、75、95、115 mm時(shí)的側(cè)向擾動(dòng)范圍均遠(yuǎn)大于翼鏟安裝高度為135 mm，這是由于深松鏟翼鏟邊緣位置的圓弧段犁底層土壤(L32)在翼鏟安裝高度為55、75、95、115 mm時(shí)都向x正方向移動(dòng)，且各側(cè)向最大位移無明顯差異，深松鏟翼鏟邊緣位置的圓弧段犁底層土壤(L32)在翼鏟安裝高度為135 mm時(shí)未產(chǎn)生側(cè)向位移。鏟尖段土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)側(cè)向擾動(dòng)范圍最大；這是由于深松鏟翼鏟邊緣位置的鏟尖段土壤(L42)在翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)向x負(fù)方向移動(dòng)，在翼鏟安裝高度為55 mm時(shí)向x正方向移動(dòng)，在翼鏟安裝高度大于75 mm時(shí)未產(chǎn)生側(cè)向擾動(dòng)。

以上分析表明，隨著翼鏟安裝高度的增加，耕作層土壤側(cè)向擾動(dòng)范圍變化不明顯，犁底層土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)犁底層土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍最大，有利于保護(hù)土壤墑情[16,32]。

3.2.2翼鏟安裝高度對(duì)土壤耕作方向(y)運(yùn)動(dòng)的影響

由圖12可知，在不同翼鏟安裝高度下，深松鏟縱向中心位置的土壤(L11～L41)在耕作方向的最大位移(Ymax)明顯大于距離深松鏟較遠(yuǎn)位置土壤(L12～L42)，這主要是由于深松鏟縱向中心位置土壤受到深松鏟的直接作用。在深松鏟縱向中心位置，隨著翼鏟安裝高度增加，其表層土壤(L11)在耕作方向的最大位移無明顯變化，而耕作層土壤(L21)在耕作方向的最大位移呈現(xiàn)先減小再增大、后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)翼鏟安裝高度為135 mm時(shí)耕作層土壤在耕作方向的最大位移最小，為191.68 mm，其次為翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)，為209.93 mm；圓弧段犁底層土壤(L31)在耕作方向的最大位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且當(dāng)翼鏟安裝高度為95 mm時(shí)圓弧段犁底層土壤在耕作方向的最大位移最小，為93.43 mm，其次為翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)，為122.46 mm；鏟尖段土壤(L41)在耕作方向的最大位移呈現(xiàn)先增大再減小、后增大的趨勢(shì)，且當(dāng)翼鏟安裝高度為55 mm時(shí)鏟尖段土壤在耕作方向的最大位移最小，為128.62 mm，其次為翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)，為191.05 mm。

在深松鏟翼鏟邊緣位置，隨著翼鏟安裝高度增加，其表層土壤(L12)和耕作層土壤(L22)在不同翼鏟安裝高度下的耕作方向最大位移無明顯變化；圓弧段犁底層土壤的耕作方向最大位移在翼鏟安裝高度為95、115 mm時(shí)較大，分別為30.91、29.3 mm，其次為翼鏟安裝高度為55、75 mm時(shí)，分別為9.52、9.38 mm，當(dāng)翼鏟安裝高度為135 mm時(shí)圓弧段犁底層土壤在耕作方向未產(chǎn)生位移；鏟尖段土壤僅當(dāng)翼鏟安裝高度為55、75 mm時(shí)在耕作方向具有一定的位移。

上述分析表明，不同翼鏟安裝高度下深松鏟縱向中心位置的土壤在耕作方向的最大位移明顯大于距離深松鏟較遠(yuǎn)位置土壤。當(dāng)翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)，深松鏟縱向中心位置的各層土壤在耕作方向的最大位移相對(duì)較小，根據(jù)能量守恒原理，翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)由拖拉機(jī)牽引的深松鏟傳遞給土壤的動(dòng)能較少，有利于降低拖拉機(jī)耕作能耗[33-34]。

3.2.3翼鏟安裝高度對(duì)土壤豎直方向(z)運(yùn)動(dòng)的影響

由圖13可知，在深松鏟縱向中心位置，隨著翼鏟安裝高度增加，其表層土壤(L11)在豎直方向的最大位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)翼鏟安裝高度為55 mm時(shí)表層土壤在豎直方向的最大位移最小，為122.85 mm，其次為翼鏟安裝高度75 mm時(shí)，為135.64 mm；耕作層土壤(L21)在豎直方向最大位移呈現(xiàn)先減小再增大、后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)翼鏟安裝高度為135 mm時(shí)耕作層土壤在豎直方向最大位移最小，為133.70 mm，其次為翼鏟安裝高度75 mm時(shí)，為139.93 mm；圓弧段犁底層土壤(L31)在豎直方向的最大位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)圓弧段犁底層土壤(L31)在豎直方向的最大位移最大，為170.32 mm，當(dāng)翼鏟安裝高度135 mm時(shí)圓弧段犁底層土壤(L31)在豎直方向的最大位移最小，為121.34 mm；鏟尖段土壤(L41)豎直方向最大位移呈現(xiàn)雙駝峰變化趨勢(shì)，且當(dāng)翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)鏟尖段土壤在豎直方向最大位移最大，為160.06 mm，當(dāng)翼鏟安裝高度135 mm時(shí)鏟尖段土壤在豎直方向最大位移最小，為114.47 mm。在深松鏟翼鏟邊緣位置，各層土壤在豎直方向的位移均無明顯差異。

圖13 土壤豎直方向最大位移曲面圖Fig.13 Maximal vertical displacement of soil

在深松作業(yè)過程中，圓弧形深松鏟通過對(duì)土壤進(jìn)行抬升和剪切作用使之產(chǎn)生失效破碎。然而，深松時(shí)犁底層土壤被抬升較高，不利于降低耕作層和養(yǎng)分含量較低的犁底層的混合量、達(dá)到不亂土層的效果[26]。以上分析表明，當(dāng)翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)，深松鏟縱向中心位置犁底層土壤(圓弧段犁底層和鏟尖段土壤)在豎直方向最大位移相對(duì)較大，深松作業(yè)時(shí)耕層間混合程度較高，但是此時(shí)深松鏟縱向中心位置的表層土壤和耕作層土壤在豎直方向的最大位移相對(duì)較小，有利于減輕深松鏟耕作時(shí)鏟前土壤堆積。

對(duì)比不同位置土壤在各個(gè)方向的最大位移及其變化幅度可知，翼鏟安裝高度對(duì)土壤不同方向最大位移的影響程度由大到小依次為：側(cè)向、耕作方向、豎直方向；翼鏟安裝高度變化對(duì)不同深度土壤的豎直方向最大位移的影響程度相似，對(duì)側(cè)向和耕作方向最大位移的影響程度存在較大差異，對(duì)側(cè)向由大到小為：鏟尖段土壤、耕作層、圓弧段犁底層、表層，對(duì)耕作方向由大到小為：耕作層、鏟尖段土壤、圓弧段犁底層、表層。

3.3 土壤擾動(dòng)效果分析

3.3.1土壤膨松度和擾動(dòng)系數(shù)

圖14 翼鏟安裝高度對(duì)深松擾動(dòng)輪廓的影響Fig.14 Effects of mounting heights of wing on soil disturbance profiles

深松后土壤擾動(dòng)的坑形和壟形截面輪廓如圖14所示。根據(jù)深松作業(yè)質(zhì)量評(píng)定指標(biāo)，深松作業(yè)后的土壤膨松度應(yīng)在10%～40%之間，土壤擾動(dòng)系數(shù)應(yīng)不小于50%[19]。由式(1)、(2)計(jì)算出土壤膨松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)的仿真值和試驗(yàn)值及其相對(duì)誤差，如表3所示。

表3 土壤膨松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Simulated and experimental soil looseness and disturbance coefficient %

由表3可知，隨著翼鏟安裝高度增加，土壤膨松度呈現(xiàn)先增大再減小、后增大的趨勢(shì)，在翼鏟安裝高度較大時(shí)(115、135 mm)土壤膨松度相對(duì)較小。土壤擾動(dòng)系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)土壤擾動(dòng)系數(shù)最大。另外，不同翼鏟安裝高度下土壤膨松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)的試驗(yàn)值和仿真值的平均誤差分別為11.69%和11.54%，表明仿真模型能夠準(zhǔn)確地反映深松過程中土壤的擾動(dòng)行為。

3.3.2耕作層和犁底層土壤擾動(dòng)分析

現(xiàn)有研究表明，減小耕作層、增大犁底層土壤的擾動(dòng)范圍，不僅能夠提高土壤的蓄水保墑能力，還能為密植作物提供良好種床[2, 21]。為此根據(jù)土壤擾動(dòng)輪廓(圖14)計(jì)算了不同翼鏟安裝高度下耕作層和犁底層土壤擾動(dòng)面積的試驗(yàn)值、仿真值及其相對(duì)誤差。由圖15可知，隨著翼鏟安裝高度增加，耕作層擾動(dòng)面積變化不大，犁底層擾動(dòng)面積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)取得最大值，這與3.2.1節(jié)的結(jié)果一致，也說明仿真模型中土壤在耕作過程中的側(cè)向最大位移有助于預(yù)測(cè)深松鏟對(duì)不同深度土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍。仿真環(huán)境下耕作層土壤及犁底層土壤擾動(dòng)面積的變化趨勢(shì)與土槽試驗(yàn)結(jié)果高度吻合，各翼鏟安裝高度下耕作層土壤和犁底層土壤的擾動(dòng)面積試驗(yàn)值和仿真值的平均誤差分別為5.51%和5.45%。

圖15 翼鏟安裝高度對(duì)不同耕層擾動(dòng)面積的影響Fig.15 Effects of mounting heights of wing on soil disturbance area of different layers

3.3.3土壤縱向堆積角

為反映深松后土壤地表的縱向堆積狀態(tài)，對(duì)試驗(yàn)和仿真的土壤縱向堆積角進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖16所示。

由圖16可知，不同翼鏟安裝高度下土壤縱向堆積角仿真值和試驗(yàn)值平均誤差為9.64%，即仿真結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映深松后地表土壤的擾動(dòng)狀態(tài)。

3.3.4土壤破碎程度對(duì)比分析

碎土系數(shù)、粘結(jié)鍵斷裂系數(shù)分別反映了耕后和深松鏟觸土過程中土壤的破碎程度[7,28,35]，采用碎土系數(shù)和斷裂系數(shù)作為土壤破裂程度的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。斷裂系數(shù)I的計(jì)算公式為[28]

(6)

式中I——斷裂系數(shù)，%

Nb——擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)土壤粘結(jié)鍵斷裂數(shù)

Ni——擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)土壤粘結(jié)鍵未斷裂數(shù)

不同翼鏟安裝高度下擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)土壤顆粒粘結(jié)鍵斷裂情況如表4所示。

表4 擾動(dòng)區(qū)域土壤粘結(jié)鍵斷裂情況Tab.4 Bond broken data in disturbed zone

圖17 土壤破碎程度定量對(duì)比Fig.17 Comparison of measured and simulated soil crushing degrees

由圖17可知，隨著翼鏟安裝高度增加，仿真下的斷裂系數(shù)和土槽實(shí)測(cè)碎土系數(shù)均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且斷裂系數(shù)和碎土系數(shù)均在翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)取得最大值，分別為75.72%和69.49%，表明翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)土壤的破碎程度最高。其主要原因在于，當(dāng)翼鏟安裝高度為75 mm或以上時(shí)，翼鏟對(duì)其邊緣以外土壤以一定傾角向兩側(cè)上方延伸松動(dòng)；當(dāng)翼鏟安裝高度降至55 mm時(shí)，翼鏟對(duì)其邊緣以外土壤主要產(chǎn)生側(cè)向擠壓，而不是有效松土。不同翼鏟安裝高度下斷裂系數(shù)和碎土系數(shù)的平均誤差為14.20%，說明仿真環(huán)境下土壤顆粒的粘結(jié)鍵斷裂系數(shù)可以從微觀角度反映土壤的破碎程度。

3.4 翼鏟安裝高度對(duì)耕作阻力的影響

由圖18可知，不同翼鏟安裝高度下水平耕作阻力在2 012.60～3 079.61 N之間變化。隨著翼鏟安裝高度增加，深松鏟的水平耕作阻力逐漸減小，當(dāng)翼鏟安裝高度從55 mm增至75 mm時(shí)，水平耕作阻力急劇減小。5個(gè)不同翼鏟安裝高度的深松鏟水平耕作阻力的仿真值與試驗(yàn)值的平均誤差為3.87%。

由圖19可知，不同翼鏟安裝高度下深松鏟不同部位受到的水平耕作阻力有較大差異。深松鏟直柄段受到的水平耕作阻力較小，且隨翼鏟安裝高度增加變化不大。鏟尖段所受水平耕作阻力隨翼鏟安裝高度增加而減小，其在不同翼鏟安裝高度下均占深松鏟水平耕作阻力的40%以上，因此有必要對(duì)深松鏟的鏟尖進(jìn)行強(qiáng)度校核。深松鏟圓弧段(耕作層圓弧段和犁底層圓弧段)所受水平耕作阻力隨翼鏟安裝高度增加先增大后減小，且在翼鏟安裝高度為95 mm時(shí)取最大值。不同翼鏟安裝高度下鏟尖段和犁底層圓弧段受到的水平耕作阻力占深松鏟的90%以上；同時(shí)，隨著翼鏟安裝高度增加，鏟尖段和犁底層圓弧段受到的水平耕作阻力逐漸減小，一方面，由于翼鏟安裝高度越大，耕作過程中翼鏟切削和抬升的犁底層土量越少，則受到的水平耕作阻力越小；另一方面，由于翼鏟安裝在鏟尖和鏟柄之后，翼鏟安裝高度越大，在鏟尖松動(dòng)范圍內(nèi)需要翼鏟進(jìn)行二次疏松的土壤越多，松土范圍擴(kuò)大得越小[7]，從而受到的水平耕作阻力越小。因此，優(yōu)化鏟尖、鏟柄和翼鏟的幾何結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)翼鏟與鏟柄及鏟尖安裝位置的適應(yīng)性研究是圓弧形帶翼深松鏟減阻降耗的關(guān)鍵。

圖18 翼鏟安裝高度對(duì)水平耕作阻力的影響Fig.18 Effect of mounting heights of wing on resistance

圖19 翼鏟安裝高度對(duì)深松鏟各段水平阻力的影響Fig.19 Effect of mounting heights of wing on resistance of different sections of subsoiler

4 結(jié)論

(1)翼鏟安裝高度的變化對(duì)耕作層土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍影響不明顯。隨著翼鏟安裝高度的增加，犁底層土壤的擾動(dòng)面積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)，犁底層土壤的擾動(dòng)面積最大。適當(dāng)降低翼鏟安裝高度有利于增大犁底層土壤的擾動(dòng)面積，從而提高土壤的蓄水保墑能力。

(2)翼鏟安裝高度變化直接影響耕作時(shí)不同深度土壤在不同方向的位移，進(jìn)而影響不同深度土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍、實(shí)際豎直抬升程度和深松鏟用于擾動(dòng)土壤的實(shí)際功耗。翼鏟安裝高度對(duì)土壤在不同方向最大位移的影響程度由大到小依次為：側(cè)向、耕作方向、豎直方向，對(duì)不同深度土壤豎直方向最大位移的影響程度相似，對(duì)側(cè)向和耕作方向最大位移的影響程度存在較大差異，對(duì)側(cè)向的影響由大到小依次為：鏟尖段土壤、耕作層、圓弧段犁底層、表層，對(duì)耕作方向的影響由大到小依次為：耕作層、鏟尖段土壤、圓弧段犁底層、表層。

(3)離散元仿真能夠準(zhǔn)確模擬深松土壤的擾動(dòng)過程。仿真與試驗(yàn)獲取的土壤擾動(dòng)截面輪廓形狀基本吻合。隨著翼鏟安裝高度的增加，土壤膨松度呈現(xiàn)先增大再減小、后增大的趨勢(shì)，土壤擾動(dòng)系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；土壤斷裂系數(shù)和碎土系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且均在翼鏟安裝高度為75 mm時(shí)最大，分別為75.72%和69.49%。5個(gè)不同翼鏟安裝高度下土壤膨松度、土壤擾動(dòng)系數(shù)、土壤縱向堆積角、碎土系數(shù)的仿真值和試驗(yàn)值的平均誤差分別為11.69%、11.54%、9.64%、14.20%。

(4)翼鏟安裝高度對(duì)水平耕作阻力具有重要影響。隨著翼鏟安裝高度增加，水平耕作阻力逐漸減小，翼鏟安裝高度從55 mm增加到75 mm時(shí)水平耕作阻力急劇減?。徊煌礴P安裝高度下深松鏟鏟尖和犁底層圓弧段所受水平耕作阻力為深松鏟水平耕作阻力的主要來源(90%以上)，其隨翼鏟安裝高度增大而減小；優(yōu)化鏟尖、鏟柄和翼鏟的幾何結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)翼鏟與鏟柄及鏟尖安裝位置的適應(yīng)性研究，是圓弧形帶翼深松鏟減阻降耗的關(guān)鍵。

在本試驗(yàn)條件下，綜合考慮翼鏟深松土壤的側(cè)向擾動(dòng)范圍、土壤膨松度、土壤擾動(dòng)系數(shù)、土壤縱向堆積角、土壤破碎程度和耕作阻力等，建議圓弧形深松鏟翼鏟安裝高度為75 mm。