基于離散元法的深松作業(yè)玉米秸稈運(yùn)動(dòng)規(guī)律

趙淑紅，高連龍，袁溢文，侯磊濤，張 鑫，楊?lèi)偳?/p>

基于離散元法的深松作業(yè)玉米秸稈運(yùn)動(dòng)規(guī)律

趙淑紅，高連龍，袁溢文，侯磊濤，張 鑫，楊?lèi)偳?/p>

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

東北壟作區(qū)玉米秸稈還田條件下，針對(duì)壟臺(tái)播種帶秸稈殘茬易導(dǎo)致深松鏟以及后續(xù)機(jī)具纏草堵塞和阻力增加等問(wèn)題，建立深松鏟-土壤-秸稈-根茬的離散元模型，分析仿真因素秸稈距壟臺(tái)中心距離、秸稈與機(jī)具前進(jìn)方向夾角、根茬狀態(tài)（根茬中間切割、根茬一側(cè)切割、根茬挑起和無(wú)根茬）和秸稈之間相互影響對(duì)深松作業(yè)過(guò)程中秸稈撥離壟臺(tái)的影響。進(jìn)一步探究深松鏟作用下壟上秸稈運(yùn)動(dòng)規(guī)律并分析其擾動(dòng)比阻（秸稈擾動(dòng)力矩與深松鏟阻力之比）。仿真結(jié)果表明：秸稈距壟臺(tái)中心距離對(duì)秸稈位移中的水平側(cè)向運(yùn)動(dòng)的影響最大；秸稈水平側(cè)向位移隨著秸稈與機(jī)具前進(jìn)方向夾角增大呈減小趨勢(shì)；根茬狀態(tài)影響秸稈位移的主次順序依次為：根茬挑起、根茬一側(cè)切割、無(wú)根茬、根茬中間切割；當(dāng)秸稈距壟臺(tái)中心距離為60 mm時(shí)，秸稈之間相互影響對(duì)秸稈位移中的前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)的影響最大；當(dāng)秸稈距壟臺(tái)中心距離大于60 mm，秸稈前進(jìn)方向位移呈增大趨勢(shì)。秸稈運(yùn)動(dòng)的力矩變化趨勢(shì)為平穩(wěn)變化，后產(chǎn)生峰值，最后又趨于平穩(wěn)；影響秸稈力矩的主次順序依次為：根茬狀態(tài)、秸稈之間相互影響、秸稈距壟臺(tái)中心距離、秸稈與機(jī)具前進(jìn)方向夾角。深松過(guò)程中，秸稈擾動(dòng)比阻在切割根茬一側(cè)時(shí)達(dá)到最大值0.152 mm。田間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真模型得到的秸稈總位移、水平側(cè)向、前進(jìn)方向和垂直方向位移與田間試驗(yàn)值的誤差分別為0.36%～9.67%、0.16%～12.31%、0.56%～10.11%和0.43%～4.63%，秸稈力矩的誤差為0.16%～11.06%。研究結(jié)果可為深松鏟設(shè)計(jì)以及優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

仿真；試驗(yàn)；離散元法；深松；秸稈運(yùn)動(dòng)；力矩

0 引 言

深松可以打破犁底層，改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤通透性，提高土壤蓄水能力和改善植物根系生長(zhǎng)環(huán)境[1-4]，從而提高作物的產(chǎn)量[5-7]。但玉米秸稈還田后，秸稈殘茬易導(dǎo)致深松鏟及后續(xù)機(jī)具纏草堵塞和阻力增加等問(wèn)題[8-9]，因此研究深松過(guò)程中秸稈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可有效降低深松鏟以及后續(xù)機(jī)具纏草堵塞，減少其引起的耕作阻力并為深松鏟設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

離散元法（Discrete Element Method）可用來(lái)模擬顆粒材料和研究材料間的變形，允許顆粒材料間存在接觸的形成和破壞，因此學(xué)者基于EDEM建立秸稈-根茬-土壤、根茬-土壤、秸稈-土壤離散元模型，采用剛性不可變形的幾何體、離散元顆粒粘結(jié)或顆粒堆積形成幾何體方法建立模型，并通過(guò)仿真與田間試驗(yàn)，對(duì)土壤與耕作機(jī)具間的作用過(guò)程進(jìn)行了廣泛研究[10-13]，結(jié)合理論研究?jī)?yōu)化深松鏟結(jié)構(gòu)。

劉俊安[14]利用離散元顆粒粘結(jié)形成玉米根系及根土復(fù)合體，建立根系-土壤模型，對(duì)仿真與田間深松試驗(yàn)的土壤擾動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化深松鏟關(guān)鍵參數(shù)。趙淑紅等[15]利用離散元顆粒堆積形成秸稈、顆粒粘結(jié)形成土壤，建立土壤-秸稈模型，基于不同分層深松鏟的仿真試驗(yàn)獲得底層土壤與表層秸稈側(cè)向擾動(dòng)規(guī)律。鄭侃等[16]利用離散元顆粒堆積形成適合華北平原的三層深松土壤模型，結(jié)合離散元驗(yàn)證設(shè)計(jì)的折線破土刃深松鏟能減少土層擾動(dòng)量和牽引阻力。Wang等[17]建立顆粒粘結(jié)的三層深松土壤模型和圓柱體形土壤模型，通過(guò)離散元試驗(yàn)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的振動(dòng)深松鏟的相互作用力和土壤擾動(dòng)。Niziolomski等[18]在土槽試驗(yàn)中分析窄鏟、翼鏟和彎腿窄鏟在不同耕深下的力學(xué)性能和土壤疏松質(zhì)量，得到其對(duì)緩解壓實(shí)效果的影響。從文獻(xiàn)報(bào)道看，在建立離散元模型時(shí)，難以模擬深松鏟作用后不同的玉米根茬狀態(tài)，并且未見(jiàn)有利用土壤-秸稈-根茬的綜合離散元模型對(duì)秸稈撥離現(xiàn)象和其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論分析。

因此，本研究旨在使用離散元建立不同深松試驗(yàn)狀態(tài)的土壤-秸稈-根茬模型，仿真模擬深松作業(yè)過(guò)程，對(duì)秸稈撥離壟臺(tái)的因素進(jìn)行分析，利用多個(gè)單因素試驗(yàn)對(duì)比分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，獲得較大的擾動(dòng)比阻，并通過(guò)田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為深松鏟設(shè)計(jì)以及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 離散元模型

1.1 基本假設(shè)

為了保證仿真的可行性和可重復(fù)性，對(duì)仿真過(guò)程作如下假設(shè)：

1）仿真中涉及的土壤簡(jiǎn)化為足夠多的球顆粒群，顆粒賦予物性并給予一定的質(zhì)量和速度等[10-11]。

2）土壤、根茬顆粒間力學(xué)模型為Hertz-Mindlin with Bonding 接觸模型[11-13]，Bonding模型能體現(xiàn)顆粒與顆粒之間的粘附力和彈塑性，并且Bonding模型顆粒粘結(jié)半徑可以反映土壤的含水率，能較好模擬物體的破碎與變形；深松鏟、秸稈的力學(xué)關(guān)系模型為Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型[19-20]，Hertz-Mindlin（no slip）模型為EDEM默認(rèn)接觸模型，能較好模擬物體的運(yùn)動(dòng)；根茬-土壤顆粒間內(nèi)聚力接觸模型為Hertz-Mindlin with JKR[21-22]，JKR模型可較好體現(xiàn)物體的表面能，能較好模擬根系表面與土壤的粘結(jié)。

3）深松是在深松鏟于壟臺(tái)中心對(duì)根茬和秸稈進(jìn)行作用且在不翻轉(zhuǎn)土壤、不打破原有土壤耕層結(jié)構(gòu)的前提下，利用深松鏟疏松種床，打破堅(jiān)硬的犁底層[9]。

仿真中秸稈的運(yùn)動(dòng)反映了深松鏟對(duì)秸稈的影響，分析深松作業(yè)過(guò)程中秸稈的擾動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)（秸稈在運(yùn)動(dòng)時(shí)為空間運(yùn)動(dòng)加自身旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)），獲得因素對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)的影響。

1.2 EDEM模型

1.2.1 土壤模型

基于東北壤土的物理特性，利用離散元軟件EDEM建立土壤模型。參考文獻(xiàn)[12,19,23-25]離散元仿真土壤所需參數(shù)，參數(shù)如表1所示。

表1 土壤模型參數(shù)

1.2.2 秸稈模型

深松作業(yè)時(shí)，深松鏟對(duì)秸稈作用大多為擾動(dòng)，較少對(duì)秸稈進(jìn)行切割破碎[12]。因此，為了模擬秸稈擾動(dòng)，建立多個(gè)直徑相同的球面，通過(guò)球面堆積的方式生成秸稈。秸稈模型為剛性體，可以較好的表達(dá)秸稈運(yùn)動(dòng)。

依據(jù)文獻(xiàn)[12]中秸稈模型參數(shù)，參數(shù)如表2所示。為使所選取的秸稈更具有代表性，對(duì)還田后秸稈進(jìn)行測(cè)量與統(tǒng)計(jì)，將占比最多的秸稈尺寸（長(zhǎng)度和直徑）作為仿真依據(jù)。設(shè)置玉米秸稈直徑為20 mm，長(zhǎng)度為75 mm，秸稈模型如圖2所示。

表2 秸稈模型參數(shù)

1.2.3 根茬模型

基于田間深松過(guò)程，根茬被深松鏟作用后分為三種狀態(tài)：中間切割、一側(cè)切割和挑起[9]，因此需建立兩種不同模式的根茬模型。參考文獻(xiàn)[28,29]中根茬各部位平均尺寸，用319個(gè)直徑不同的球面堆積成根系狀剛性體，模擬根茬挑起時(shí)的情況，如圖3a所示。使用三維建模軟件SolidWorks 2016建立根茬空心模型，保存格式為stp，導(dǎo)入EDEM軟件，模型內(nèi)部填充根茬顆粒，設(shè)置根茬顆粒半徑為1.5 mm，采用建立土壤模型相同的填充方法，對(duì)根茬進(jìn)行顆粒粘結(jié)填充，可以較好模擬根茬切割破碎情況，如圖3b所示。根茬模型參數(shù)參考文獻(xiàn)[12,19,23]，具體參數(shù)如表3所示。

表3 根茬模型參數(shù)

基于田間試驗(yàn)測(cè)量并且參考文獻(xiàn)[30]，確定玉米根茬幾何參數(shù)與模型，根茬根莖直徑1為30 mm；留茬高度1為130 mm；根茬根系地上高度2為40 mm；根茬根系地下高度3為120 mm；根茬根系直徑2為8 mm；根茬根系幅寬3為160 mm，如圖3c所示

1.2.4 整體模型

使用SolidWorks 2016建立深松鏟幾何模型，所用深松鏟為國(guó)標(biāo)JB/T 9788—1999圓弧深松鏟，如圖4所示。

深松鏟保存格式為step并導(dǎo)入EDEM模型中，材料為65Mn鋼，設(shè)置前進(jìn)速度為1.5 km/h，深松深度為300 mm。深松鏟仿真參數(shù)參考文獻(xiàn)[12,19]，參數(shù)如表4所示。

表4 深松鏟仿真參數(shù)

土槽生成時(shí)間為0～5 s，秸稈和根茬生成時(shí)間為5～5.7 s，深松鏟作業(yè)時(shí)間為5.7～6.5 s，瑞利時(shí)間步長(zhǎng)為5%，進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)。

依據(jù)所探索的秸稈運(yùn)動(dòng)情況，整體模型為深松鏟-土壤-秸稈或深松鏟-土壤-秸稈-根茬，如圖5所示。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 秸稈運(yùn)動(dòng)影響因素

深松作業(yè)時(shí)，土壤、秸稈、根茬和深松鏟對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，但深松鏟直接對(duì)秸稈作用的情況較少，大多為通過(guò)土壤影響秸稈運(yùn)動(dòng)，因此本文重點(diǎn)考慮土壤、秸稈與根茬對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律研究。

秸稈無(wú)序的鋪在田間，分析深松作業(yè)秸稈運(yùn)動(dòng)，可知距壟臺(tái)中心不同距離處土壤所受的作用不同，秸稈不同狀態(tài)以及數(shù)量所受到的作用不同，作業(yè)后根茬的不同形態(tài)所產(chǎn)生的作用不同，因此確定影響秸稈運(yùn)動(dòng)的因素為：秸稈距壟臺(tái)中心的距離、秸稈與機(jī)具前進(jìn)方向的夾角（簡(jiǎn)稱(chēng)：秸稈角度）、根茬狀態(tài)和秸稈之間相互影響（秸稈數(shù)量）。

依據(jù)秸稈自身直徑與根茬氣生根范圍[31]，確定秸稈距壟臺(tái)中心的距離（秸稈形心與深松鏟運(yùn)動(dòng)截面的垂直距離）?？紤]到秸稈近似圓柱體存在對(duì)稱(chēng)性，秸稈角度為0～180°，等角度選取秸稈角度值?；谔镩g深松時(shí)根茬被作用后的狀態(tài)以及與無(wú)根茬進(jìn)行對(duì)比，根茬狀態(tài)確定為：根茬中間切割、根茬一側(cè)切割、根茬挑起和無(wú)根茬。試驗(yàn)田壟臺(tái)上多點(diǎn)測(cè)量秸稈數(shù)量，取其平均值，確定因素為秸稈之間相互影響時(shí)秸稈的數(shù)量?；谏鲜龇治鲞M(jìn)行4個(gè)單因素試驗(yàn)，探究各個(gè)因素對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)的影響。試驗(yàn)方案如表5所示。

表5 試驗(yàn)因素及取值

依據(jù)單因素試驗(yàn)優(yōu)選法確定試驗(yàn)條件[32]。因素為秸稈距壟臺(tái)中心距離的試驗(yàn)條件：秸稈角度0°，無(wú)根茬，秸稈數(shù)量1根；因素為秸稈角度的試驗(yàn)條件：秸稈距壟臺(tái)中心的距離60 mm，無(wú)根茬，秸稈數(shù)量1根；因素為根茬狀態(tài)的試驗(yàn)條件：秸稈距壟臺(tái)中心的距離60 mm，秸稈角度0°，秸稈數(shù)量1根；因素為秸稈數(shù)量的試驗(yàn)條件：秸稈距壟臺(tái)中心的距離60 mm，秸稈角度0°，無(wú)根茬。試驗(yàn)重復(fù)3次，數(shù)據(jù)取其平均值。

多個(gè)單因素對(duì)比試驗(yàn)需控制變量，基于深松時(shí)深松鏟對(duì)土壤的作用[27]和地表根茬的影響，且其余因素試驗(yàn)要與存在根茬時(shí)進(jìn)行對(duì)比；采用梅花形布點(diǎn)法對(duì)試驗(yàn)田地表留茬寬度采樣，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定適合東北壟作的深松鏟對(duì)土壤的作用距離，綜合確定秸稈距壟臺(tái)中心初始距離為60 mm。深松鏟沿軸（壟臺(tái)中心）勻速前進(jìn)。試驗(yàn)因素示意圖如圖6所示

2.2 深松作用下秸稈運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

2.2.1 深松作用下秸稈位移分析

1）秸稈距壟臺(tái)中心的距離對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)的影響

秸稈距壟臺(tái)中心不同距離的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖7所示。

秸稈在水平側(cè)向和垂直方向位移隨距離的增加呈增加趨勢(shì)；秸稈在前進(jìn)方向位移隨距離的增加呈減小趨勢(shì)；秸稈距壟臺(tái)中心距離的變化對(duì)秸稈位移中的水平側(cè)向運(yùn)動(dòng)的影響最大。

秸稈距離壟臺(tái)中心越遠(yuǎn)，秸稈滾下壟臺(tái)所需距離越小，在壟臺(tái)側(cè)坡的影響下，水平側(cè)向和垂直方向位移增大。距離壟臺(tái)中心越遠(yuǎn)，土壤擾動(dòng)向外逐漸減小，前進(jìn)方向位移減小。

2）秸稈角度對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)的影響

不同秸稈角度的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖8所示。

秸稈的水平側(cè)向位移隨著秸稈角度的增加呈減小趨勢(shì)，減少32.08 mm；秸稈的垂直方向位移隨著秸稈角度的增加呈減小趨勢(shì)，減少4.69 mm；秸稈角度為0°時(shí)，水平側(cè)向和垂直方向位移最大。秸稈在前進(jìn)方向位移變化幅度為9.99 mm；秸稈角度為45°時(shí)，前進(jìn)方向位移最大。秸稈角度變化對(duì)秸稈位移中的水平側(cè)向運(yùn)動(dòng)的影響最大。由于秸稈角度不同，對(duì)秸稈的作用發(fā)生變化，引起秸稈位移變化。

3）根茬狀態(tài)對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)的影響

輸出深松鏟作用后根茬不同狀態(tài)的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)并與無(wú)根茬進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

根茬狀態(tài)影響秸稈位移（水平側(cè)向位移、前進(jìn)方向位移、垂直方向位移）的主次順序?yàn)楦缣羝稹⒏缫粋?cè)切割、無(wú)根茬、根茬中間切割。

由土壤的速度云圖（圖10）可知：根茬中間切割（圖 10a），根茬及其下方的土壤作用較大，作用從根茬區(qū)域向外逐漸減小；根茬一側(cè)切割（圖10b），壟臺(tái)和根茬下方的土壤作用較大，并且作用向外逐漸減小，根茬左側(cè)作用大于右側(cè)；根茬被挑起（圖10c），作用主要集中于根茬下方及其兩側(cè)，土壤底部作用較??；無(wú)根茬（圖 10d），土壤底部作用較廣但作用較小，較大作用在土壤壟臺(tái)。

4）秸稈之間相互影響對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)的影響

對(duì)秸稈之間相互影響的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)同2.2.1節(jié)秸稈距壟臺(tái)中心距離數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表6所示。秸稈之間的相互影響，如圖11所示（靠近壟溝一側(cè)定義為外側(cè)，靠近壟臺(tái)中心為內(nèi)側(cè)）。

表6 不同秸稈數(shù)量時(shí)秸稈之間相互影響仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)

秸稈距壟臺(tái)中心的距離為60 mm時(shí)，秸稈水平側(cè)向（方向）和垂直方向（方向）位移呈減小趨勢(shì)，前進(jìn)方向（方向）位移呈增加趨勢(shì)；秸稈之間相互影響對(duì)秸稈位移中的前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)的影響最大。

秸稈距壟臺(tái)中心的距離大于60 mm時(shí)，僅有當(dāng)秸稈為最遠(yuǎn)桿時(shí)，其水平側(cè)向和垂直方向位移才會(huì)大于對(duì)比組（秸稈距壟臺(tái)中心不同距離見(jiàn)圖7）；秸稈前進(jìn)方向位移結(jié)果：距離為80 mm時(shí)，秸稈位移基本不變；距離為100 mm時(shí)，秸稈位移呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，增加了3.67 mm；距離為120 mm時(shí)，秸稈位移呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，增加了21.89 mm?？梢缘贸觯寒?dāng)秸稈距壟臺(tái)中心的距離大于60 mm，秸稈數(shù)量增加時(shí)，秸稈前進(jìn)方向位移呈增大趨勢(shì)。

秸稈受土壤作用向外運(yùn)動(dòng)，之后秸稈相互接觸運(yùn)動(dòng)；水平側(cè)向運(yùn)動(dòng)：運(yùn)動(dòng)被外側(cè)秸稈阻擋，水平側(cè)向和垂直方向位移減??；前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)：秸稈相互接觸，由于運(yùn)動(dòng)速度差，產(chǎn)生滑動(dòng)，前進(jìn)方向位移增加。

2.2.2 深松作用下秸稈力矩分析

深松時(shí)秸稈的旋轉(zhuǎn)變化，主要體現(xiàn)在秸稈所受力矩。對(duì)所有仿真試驗(yàn)中秸稈的力矩進(jìn)行輸出，如圖12所示。從圖中得出總體趨勢(shì)為：在土壤作用下較為平穩(wěn)后因受到土壤或秸稈或根茬的作用，產(chǎn)生峰值，后又趨于平穩(wěn)。

秸稈力矩與總位移（總位移為前進(jìn)方向、水平側(cè)向和垂直方向的矢量和）的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖13所示。

秸稈距壟臺(tái)中心距離變化時(shí)，秸稈的力矩和總位移呈現(xiàn)為增大趨勢(shì)，秸稈力矩與秸稈總位移呈正相關(guān)。

秸稈角度為45°時(shí)秸稈力矩最大，秸稈運(yùn)動(dòng)的總位移呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。秸稈角度變化時(shí)，秸稈力矩對(duì)秸稈總位移的影響較小。

根茬狀態(tài)影響秸稈力矩的主次順序?yàn)楦缣羝?、根茬一?cè)切割、根茬中間切割、無(wú)根茬，根茬對(duì)秸稈力矩有較大影響。根茬狀態(tài)對(duì)秸稈總位移的影響主次順序?yàn)楦缣羝稹⒏缫粋?cè)切割、無(wú)根茬、根茬中間切割。

秸稈之間相互影響對(duì)于秸稈力矩存在影響，因碰撞第一根秸稈（距壟臺(tái)中心距離60 mm的秸稈）力矩增大，且秸稈數(shù)量越多第一根秸稈的力矩越大，但此時(shí)秸稈力矩對(duì)第一根秸稈總位移的影響較小。其余秸稈的力矩在第一根秸稈的作用下呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，但力矩小于第一根秸稈，秸稈總位移亦呈遞增趨勢(shì)，此時(shí)秸稈力矩與秸稈總位移呈正相關(guān)。

影響秸稈力矩的主次順序?yàn)楦鐮顟B(tài)、秸稈數(shù)量、秸稈距壟臺(tái)中心距離、秸稈與機(jī)具前進(jìn)方向夾角。

以深松時(shí)常見(jiàn)挑起根茬為例，分析秸稈力矩（如圖 14），將仿真數(shù)據(jù)輸入Matlab軟件（秸稈總位移變化：力矩對(duì)應(yīng)時(shí)間段的位移差），進(jìn)行中心化與比例化處理且以殘差平方最小為目標(biāo)進(jìn)行擬合，方程取95%的置信區(qū)間，可得秸稈力矩與總位移變化的擬合曲線，如圖15所示。

秸稈力矩(N·mm)與秸稈總位移變化b(mm)的擬合方程：

2.2.3 擾動(dòng)比阻分析

提取各仿真試驗(yàn)中深松鏟平均阻力，如表7所示?？芍跊](méi)有根茬情況下，深松鏟阻力基本一致。

表7 各仿真試驗(yàn)中深松鏟的阻力

基于減少深松鏟纏草堵塞和其引起的深松阻力，主要考慮秸稈力矩?cái)_動(dòng)較大的秸稈位移。將秸稈擾動(dòng)力矩與深松鏟阻力之比定義為秸稈擾動(dòng)比阻。比較仿真試驗(yàn)中秸稈擾動(dòng)比阻，探究影響擾動(dòng)比阻的主要因素，得到最大擾動(dòng)比阻，使秸稈擾動(dòng)力矩較大的同時(shí)，并保證深松鏟前進(jìn)阻力較小。

當(dāng)秸稈距壟臺(tái)中心距離為60、80、100、120 mm時(shí)，秸稈的擾動(dòng)比阻分別為0.094、0.096、0.107、0.117 mm；當(dāng)距離為120 mm時(shí)擾動(dòng)比阻最大。當(dāng)秸稈角度為0、45、90、135°時(shí)，秸稈的擾動(dòng)比阻分別為0.094、0.106、0.108、0.1 mm；秸稈角度為90°時(shí)擾動(dòng)比阻最大。根茬狀態(tài)為根茬中間切割、根茬一側(cè)切割、根茬挑起、無(wú)根茬，秸稈的擾動(dòng)比阻分別為0.126、0.152、0.104、0.094 mm；

根茬狀態(tài)影響秸稈擾動(dòng)比阻的主次順序?yàn)楦缫粋?cè)切割、根茬中間切割、根茬挑起、無(wú)根茬。當(dāng)秸稈數(shù)量為2根時(shí)，秸稈的擾動(dòng)比阻分別為0.108、0.104 mm；當(dāng)秸稈數(shù)量為3根時(shí)，秸稈的擾動(dòng)比阻分別為0.135、0.104、0.12 mm；當(dāng)秸稈數(shù)量為4根時(shí)，秸稈的擾動(dòng)比阻分別為0.146、0.103、0.118、0.127 mm；當(dāng)秸稈數(shù)量為4根時(shí)，距離為60 mm的秸稈擾動(dòng)比阻最大。

深松時(shí)，秸稈最大擾動(dòng)比阻為根茬一側(cè)切割時(shí)，可基于此時(shí)的土壤、秸稈和根茬狀態(tài)進(jìn)行深松鏟設(shè)計(jì)以及優(yōu)化，達(dá)到秸稈擾動(dòng)較大，深松阻力較小。

3 田間深松試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的可靠性，于2021年4月8日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)保護(hù)性耕作試驗(yàn)基地進(jìn)行基于高速攝像的田間深松試驗(yàn)。試驗(yàn)地為東北黑壤土，為壟作玉米收獲后秸稈還田地，有秸稈和殘茬覆蓋（圖16a），對(duì)壟臺(tái)進(jìn)行清理，并放置帶有標(biāo)記的秸稈，使田間試驗(yàn)條件盡量達(dá)到仿真試驗(yàn)條件（圖16b）。平均留茬高度110 mm，土壤平均含水率（19±1）%，平均土壤容重1.5 g/cm3，土壤硬度分別為：1 526 kPa（0～125 mm）、3 649 kPa（125～250 mm）、2 433 kPa（250～300 mm）。

試驗(yàn)所用設(shè)備有奔野-454拖拉機(jī)（寧波）、機(jī)架、國(guó)標(biāo)JB/T 9788—1999圓弧深松鏟、平面鏡、直流電源、逆變器（12 V轉(zhuǎn)換220 V，直流轉(zhuǎn)換交流）、插排、計(jì)算機(jī)、高速攝像機(jī)（Vision Research公司生產(chǎn)的phantom V5.1）等。

3.2 試驗(yàn)方法

裝置連接：直流電源連接逆變器，使直流12 V電流轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚贁z像可用的220 V交流電，逆變器連接高速攝像機(jī)，高速攝像機(jī)連接計(jì)算機(jī)。拖拉機(jī)采用三點(diǎn)懸掛連接機(jī)架，深松鏟與機(jī)架通過(guò)頂絲固定，如圖17所示。

1.逆變器 2.插排 3.直流電源 4.計(jì)算機(jī) 5.高速攝像機(jī) 6.平面鏡 7.機(jī)架 8.深松鏟 9.奔野454拖拉機(jī)

試驗(yàn)重復(fù)3次，共隨機(jī)選取試驗(yàn)地內(nèi)9處根茬和39個(gè)無(wú)根茬處，按試驗(yàn)方案放置帶標(biāo)記的秸稈，擺設(shè)并調(diào)整高速攝像機(jī)，使計(jì)算機(jī)PCC 2.8軟件所呈現(xiàn)圖像清晰，拖拉機(jī)以慢2檔位低油門(mén)（1.5 m/s）前進(jìn)，深松鏟入土深度為300 mm，對(duì)深松過(guò)程秸稈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行拍攝，記錄并保存。高速攝像機(jī)直接記錄秸稈前進(jìn)方向和垂直方向運(yùn)動(dòng)；平面鏡與地表呈45°夾角，間接記錄秸稈水平側(cè)向運(yùn)動(dòng)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

采用上述方法在PCC 2.8軟件中對(duì)所拍攝的視頻進(jìn)行分析，高速攝像部分試驗(yàn)圖片，如圖18所示。

從試驗(yàn)田中選取多根秸稈，進(jìn)行直徑和質(zhì)量測(cè)量，取其平均值：秸稈直徑20.25 mm，秸稈質(zhì)量4.79 g。

對(duì)攝像結(jié)果中的秸稈位移和加速度變化進(jìn)行提取，并計(jì)算力矩。

田間試驗(yàn)值同2.2.1～2.2.4節(jié)中仿真所得理論值對(duì)比，結(jié)果如圖19所示（定義仿真與田間試驗(yàn)值的絕對(duì)差值與仿真值之比為田間試驗(yàn)相對(duì)誤差）。

秸稈的總位移誤差在0.36%～9.67%內(nèi)；秸稈的水平側(cè)向位移誤差在0.16%～12.31%內(nèi)；秸稈的前進(jìn)方向位移誤差在0.56%～10.11%內(nèi)；秸稈的垂直方向位移誤差在0.43%～4.63%內(nèi)；秸稈的力矩誤差在0.16%～11.06%內(nèi)，相差較小，且田間試驗(yàn)值與仿真值變化趨勢(shì)相同。故田間試驗(yàn)驗(yàn)證離散元仿真的合理性和離散元模擬秸稈田間運(yùn)動(dòng)的可行性。

4 結(jié) 論

1）本文在東北壟作區(qū)玉米秸稈還田條件下，使用離散元仿真和田間試驗(yàn)，探究秸稈在不同狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，基于大的擾動(dòng)比阻，為深松鏟設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2）深松鏟秸稈位移分析：秸稈距壟臺(tái)中心距離對(duì)秸稈位移中水平側(cè)向運(yùn)動(dòng)的影響最大；秸稈水平側(cè)向位移隨著秸稈角度增大呈減小趨勢(shì)；根茬狀態(tài)影響秸稈位移的主次順序?yàn)楦缣羝?、根茬一?cè)切割、無(wú)根茬、根茬中間切割；秸稈距壟臺(tái)中心距離為60 mm時(shí)，秸稈之間相互影響對(duì)秸稈位移中前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)的影響最大；距離大于60 mm，秸稈數(shù)量增加時(shí)，秸稈前進(jìn)方向位移呈增大趨勢(shì)。深松鏟秸稈力矩分析：秸稈在不同狀態(tài)下的秸稈力矩變化趨勢(shì)為平穩(wěn)變化，后產(chǎn)生峰值，最后又趨于平穩(wěn)；影響秸稈力矩的主次順序?yàn)楦鐮顟B(tài)、秸稈之間相互影響、秸稈距壟臺(tái)中心距離、秸稈與機(jī)具前進(jìn)方向夾角。深松時(shí)，秸稈最大擾動(dòng)比阻為根茬一側(cè)切割0.152 mm。

3）對(duì)離散元仿真試驗(yàn)以及對(duì)應(yīng)的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，秸稈的總位移、水平側(cè)向、前進(jìn)方向和垂直方向位移誤差分別為0.36%～9.67%、0.16%～12.31%、0.56%～10.11%和0.43%～4.63%，秸稈力矩的誤差為0.16%～11.06%，相差較小且試驗(yàn)值與仿真值變化趨勢(shì)相同，故田間試驗(yàn)驗(yàn)證離散元仿真的可行性和合理性。

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Maize straw motion law in subsoiling operation using discrete element method

Zhao Shuhong, Gao Lianlong, Yuan Yiwen, Hou Leitao, Zhang Xin, Yang Yueqian※

(,,150030,)

Sowing stubbles with straw in ridges have seriously caused the entanglement, blockage, and resistance to the subsoiler and subsequent machine tool when returning corn straws to the field in the northeast areas of China. The purpose of this study was to establish a discrete element model of subsoiler-soil-straw-stubble for the motion behavior of straw during subsoiling operation, thereby exploring the movement and mechanical characteristics of straw under different conditions. The soil bin was also built as a common ridge in Northeast China. Among them, the straw was assumed as a rigid body, whereas, the breakable adhesive stubble was an unbreakable rigid body. The simulation and test data were then selected to investigate the motion mechanism of straws. Specifically, the tracking movement of straw was obtained as the simulation data. A high-speed camera was also utilized to record the movement data of straw in the field test. As such, the large variation in the movement of straw was better simulated during subsoiling operation, particularly in the complex field environment. Four influencing factors were achieved to represent the straw plucking away from the ridge in the operation of subsoiling, including the distance between the straw and the center of the ridge, the angle between straw and machine, the state of stubble (cutting in the middle of stubble, cutting on one side of stubble, picking up of stubble and no stubble), and the interaction between straws. Correspondingly, the displacement and torque of straws on ridges were obtained to determine the disturbance-specific resistance (the ratio of straw disturbance moment to subsoiler resistance) under the action of the subsoiler. The simulation results show that the distance between the straw and the center of the ridge presented the greatest influence on the horizontal and lateral movement of straws, where the horizontal-lateral displacement of straw decreased with the increase of the angle between the straw and machine. More importantly, there was the largest displacement in the forward direction of straw, when the angle of straw was 45°. The primary and secondary order of stubble state affecting straw displacement was as follows: stubble pick up, stubble side cutting, no stubble, stubble middle cutting. Especially, there was the greatest influence of the interaction between the straws on the forward direction of straws, when the distance between the straw and the center of the ridge was 60 mm. Once more than 60 mm, the displacement tended to increase in the forward direction of straws. In addition, the torque of straws was calculated to explore the rotation of straw in simulation tests. It was found that the overall trend was as follows: the peak value was generated after the stable operation, and then tended to be stable. Anyway, there was a great influence of stubble on the torque of straw. The errors of the total displacement, horizontal-lateral displacement and forward displacement obtained by the simulation model with the test values were 0.36% -9.67%, 0.16% -12.31%, and 0.56% -10.11%, respectively. The error of straw torque was also 0.16% to 11.06%. The error between the test and simulation value was within the allowable range, indicating a similar changing trend. Consequently, the test verified the rationality and feasibility of discrete element simulation. The finding can greatly contribute to understanding the mechanism of straw during subsoiling, particularly to the reasonable design of subsoil machinery in modern agriculture.

simulation; test; discrete element method; subsoiling; straw movement; torque

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Zhao Shuhong, Gao Lianlong, Yuan Yiwen, et al. Maize straw motion law in subsoiling operation using discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(20): 53-62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.006 http://www.tcsae.org

2021-08-05

2021-09-26

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFD1000903）；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（GA19B101）

趙淑紅，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘镩g農(nóng)業(yè)機(jī)械及力學(xué)特性的研究。Email：shhzh091@sina.com

楊?lèi)偳?，研究員級(jí)工程師，研究方向?yàn)楸Ｗo(hù)性農(nóng)業(yè)裝備研究。Email：yangyueqian@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.0006

S222.1

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1002-6819(2021)-20-0053-10