白旭普 王振華 翟改霞 吳海華 周海燕 楊葆華

摘要：針對(duì)牧草免耕播種機(jī)進(jìn)行退化草原補(bǔ)播作業(yè)時(shí)存在土壤擾動(dòng)明顯、播種深度不均勻、種溝保墑能力差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款集切根、開(kāi)溝、回土功能于一體的多功能集成式開(kāi)溝裝置。該裝置采用平面圓盤破土切根，隨后采用倒“T”型開(kāi)溝器形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的種溝并清理種子周圍土壤內(nèi)的根莖，最后由回土機(jī)構(gòu)將開(kāi)溝過(guò)程中被擠壓至地表的土壤回填至種溝內(nèi)對(duì)種子進(jìn)行掩埋。采用離散元法輔助開(kāi)溝裝置設(shè)計(jì)，選用Hertz-Mindlin with JKR接觸模型創(chuàng)建土壤離散元模型。通過(guò)離散元仿真試驗(yàn)確定開(kāi)溝器連接柄與地面夾角為90°時(shí)作業(yè)效果最佳。通過(guò)分析回土機(jī)構(gòu)工作過(guò)程受力情況，確定仿形機(jī)構(gòu)彈簧勁度系數(shù)為0.6 N/mm，彈簧初始?jí)毫?0 N。開(kāi)展田間試驗(yàn)與離散元仿真試驗(yàn)檢驗(yàn)多功能集成式開(kāi)溝裝置作業(yè)效果，試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置最佳作業(yè)速度范圍為0.8～1.2 m/s；作業(yè)過(guò)程土壤擾動(dòng)較小，側(cè)壟寬不超過(guò)50 mm；開(kāi)溝深度穩(wěn)定可控，種溝深度波動(dòng)不超過(guò)5 mm；回土機(jī)構(gòu)作業(yè)效果良好，有助于改善種溝保墑能力。

關(guān)鍵詞：開(kāi)溝裝置；離散元法；草原補(bǔ)播；開(kāi)溝器；回土機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)： S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 06-0001-07

收稿日期：2022年9月8日

修回日期：2023年2月10日

*基金項(xiàng)目：國(guó)有資本經(jīng)營(yíng)預(yù)算項(xiàng)目（GZ202006）

第一作者：白旭普，男，1998年生，河北邯鄲人，碩士研究生；研究方向?yàn)檗r(nóng)牧業(yè)機(jī)械化工程。E-mail： xzcf201608@163.com

通訊作者：王振華，男，1975年生，內(nèi)蒙古通遼人，博士，研究員，碩導(dǎo)；研究方向?yàn)檗r(nóng)牧業(yè)機(jī)械。E-mail： wzhh2008@yeah.net

Design of multifunctional furrow opening device based on discrete element method

Bai Xupu¹， Wang Zhenhua²， Zhai Gaixia²， Wu Haihua¹， Zhou Haiyan³， Yang Baohua¹

（1. Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences Group Co.， Ltd.， Beijing， 100083， China;

2. Hohhot Branch of Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences Co.， Ltd.， Hohhot， 010010， China;

3. State Key Laboratory of Soil Plant Machinery System Technology， Beijing， 100083， China）

Abstract： In view of the problems such as obvious soil disturbance， undulation of seeding depth and poor moisture retention capacity of furrow when no-tillage seeder is applied to reseeding of degraded grassland， a multifunctional furrow opening device is designed， which integrates functions of cutting roots， opening furrows and returning soil. A flat disc is used to break the soil and cut the roots. Then an inverted T-furrow opener is applied to form a stable furrow and clean the roots around the seeds. In the final stage， the soil-returning mechanism is applied to bury the seeds with the soil that has been squeezed out of the ground during the furrow opening process. The discrete element method was used to assist the design of the multifunctional furrow opening device. Hertz-Mindlin with JKR contact model was applied to create a discrete element soil model. The results of discrete element method simulation showed that the best operation effect of inverted T-furrow opener was achieved when the connecting shank was vertical. Analyzing the force of the soil-returning mechanism， the stiffness coefficient of the spring was determined to be 0.6 N/mm， and the initial pressure of the spring was determined to be 60 N. Field experiment and discrete element simulation test were carried out to verify the operation effect of the multifunctional integrated trenching device. The test results show that the optimal operating speed range of the device is 0.8-1.2 m/s. The soil disturbance was small and the side ridge width was not more than 50 mm. The grooving depth is stable and controllable， and the fluctuation of the grooving depth does not exceed 5 mm. The operation effect of soil return mechanism is good， which is helpful to improve the soil moisture retention ability of planting ditch.

Keywords： furrow opening device; discrete element method; prairie reseeding; furrow opener; soil-returning mechanism

0 引言

近年來(lái)，由于氣候變暖、病蟲(chóng)災(zāi)害、超載放牧等原因，草原退化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，改良退化草原已成為當(dāng)前一項(xiàng)亟待解決的任務(wù)^[1]。使用免耕播種機(jī)開(kāi)展補(bǔ)播作業(yè)是目前最常用的退化草原改良手段之一^[2]。播種機(jī)開(kāi)溝效果對(duì)種子成活率影響顯著。為改善開(kāi)溝效果，研究人員對(duì)開(kāi)溝部件進(jìn)行深入研究，發(fā)明鏟式^[3]、鑿式^[4]、芯鏵式^{[5， 6]}、滑刀式^[7]、彎柄式^[8]、雙圓盤式^[9]等多種開(kāi)溝器，并通過(guò)大量試驗(yàn)對(duì)各類開(kāi)溝器的作業(yè)特點(diǎn)和作業(yè)參數(shù)進(jìn)行分析^{[10， 11]}。虛擬仿真技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用使開(kāi)溝裝置整體結(jié)構(gòu)與局部曲線更加符合力學(xué)原理^[12]。近年來(lái)，研究人員將仿生學(xué)應(yīng)用于開(kāi)溝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，在減小開(kāi)溝阻力、增強(qiáng)入土能力等方面取得較大進(jìn)展^[13-16]。退化草地土壤表層較硬，土壤肥力下降，保墑能力差，且內(nèi)含大量雜亂分布的植物根莖?，F(xiàn)有開(kāi)溝裝置多針對(duì)農(nóng)田作業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，應(yīng)用于退化草原補(bǔ)播作業(yè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)土壤擾動(dòng)明顯、播種深度不均勻、種溝保墑能力差等問(wèn)題，不利于牧草種子發(fā)芽生長(zhǎng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用理論分析、離散元仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研發(fā)一款具備切根、開(kāi)溝、回土三項(xiàng)功能的多功能集成式開(kāi)溝裝置，以期改善草原補(bǔ)播作業(yè)效果，減小開(kāi)溝作業(yè)對(duì)草原土壤環(huán)境的破壞。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

草原免耕補(bǔ)播機(jī)多功能集成式開(kāi)溝裝置由切根圓盤、倒“T”型開(kāi)溝器、回土機(jī)構(gòu)、排種管及安裝架組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

切根圓盤置于開(kāi)溝裝置前端，對(duì)開(kāi)溝路徑上的植被及其根莖進(jìn)行縱向切除，同時(shí)在土壤中形成一道較窄的溝壑，可避免開(kāi)溝器纏草，減小開(kāi)溝器前進(jìn)阻力。倒“T”型開(kāi)溝器沿切根圓盤形成的溝壑進(jìn)行二次開(kāi)溝，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的種溝，有助于控制播種深度，降低晾籽率。切根圓盤與開(kāi)溝器之間距離極短，切根與開(kāi)溝銜接流暢，作業(yè)軌跡重合度高，有助于降低作業(yè)阻力^[17]。種子經(jīng)位于開(kāi)溝器后方的排種管排出落入種溝。回土機(jī)構(gòu)前進(jìn)過(guò)程中下壓被開(kāi)溝器抬升的土壤，同時(shí)將被開(kāi)溝器擠壓出地面的細(xì)碎土壤回填至種溝內(nèi)對(duì)種子進(jìn)行掩埋，以改善鎮(zhèn)壓效果，提高種溝保墑能力。

2 土壤離散元仿真模型的創(chuàng)建

2.1 接觸模型的選取

本文在離散元分析軟件EDEM環(huán)境下創(chuàng)建虛擬土槽對(duì)開(kāi)溝裝置作業(yè)過(guò)程進(jìn)行仿真，以分析開(kāi)溝裝置作業(yè)特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。草原土壤土質(zhì)緊實(shí)，具有一定黏性，可表現(xiàn)出顯著的塑性行為。根據(jù)草原土壤特點(diǎn)，參考軟件內(nèi)置NonCompressible Sticky Material材料模型，本文土壤顆粒選用單圓球模型，并選用Hertz-Mindlin with JKR接觸模型創(chuàng)建土壤離散元模型。Hertz-Mindlin with JKR模型強(qiáng)調(diào)顆粒表面能的作用，可對(duì)顆粒黏連、團(tuán)聚情況進(jìn)行仿真，能夠真實(shí)反映退化草原土壤特點(diǎn)^[18]。

為減小土壤容器對(duì)仿真過(guò)程的影響，土壤容器材質(zhì)與土壤顆粒材質(zhì)保持一致，容器與土壤顆粒間接觸模型與土壤模型內(nèi)部顆粒間接觸模型保持一致。本文選用65Mn作為機(jī)具材料，并采用Hertz-Mindlin with JKR模型作為機(jī)具與土壤間接觸模型以反映土壤黏性對(duì)開(kāi)溝過(guò)程的影響。

2.2 土壤模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

結(jié)合文獻(xiàn)資料與土壤樣本試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)初步確定離散元仿真參數(shù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)土壤堆積角試驗(yàn)檢驗(yàn)土壤模型仿真程度并優(yōu)化模型參數(shù)，使土壤模型的力學(xué)特性更加接近真實(shí)土壤，以保證仿真結(jié)果的可靠性。

從田間采集0～100 mm深度范圍內(nèi)土壤樣本開(kāi)展研究。采樣地土壤較為緊實(shí)，土壤樣本中含有較小團(tuán)塊及少量細(xì)碎植物根莖。采用烘干法測(cè)定土壤含水率，共進(jìn)行10組試驗(yàn)。按照干基含水率公式計(jì)算土壤水分含量，測(cè)得土壤樣本含水率平均值為13.3%，平行測(cè)定結(jié)果相差不超過(guò)0.3%。開(kāi)展土壤堆積角試驗(yàn)，將土壤樣本存放于圓柱體容器內(nèi)，緩慢抬升容器使土壤由容器底部自然下落，待土壤堆積穩(wěn)定后測(cè)量土壤堆積角。共進(jìn)行平行試驗(yàn)10次，計(jì)算土壤樣本堆積角平均值為30.7°，標(biāo)準(zhǔn)差為3.1°。

通過(guò)查閱資料^[19-21]，結(jié)合土壤樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步確定仿真參數(shù)。參照土壤堆積角試驗(yàn)創(chuàng)建試驗(yàn)裝置模型并開(kāi)展仿真試驗(yàn)，如圖2（a）、圖2（b）所示。將土壤模型堆積角與現(xiàn)實(shí)土壤進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，記錄最佳參數(shù)組合。經(jīng)調(diào)整的土壤模型堆積角為28.3°，與現(xiàn)實(shí)土壤堆積角相差僅2.4°，如圖2（c）、圖2（d）所示。最終確定的各項(xiàng)仿真參數(shù)如表1所示。

2.3 創(chuàng)建虛擬土槽

根據(jù)播種深度、種溝間距、機(jī)具尺寸確定土壤模型尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1200 mm×300 mm×120 mm。在軟件環(huán)境中創(chuàng)建1200 mm×300 mm×200 mm的無(wú)蓋幾何體作為土壤容器。在幾何體頂部創(chuàng)建1200mm×300mm矩形顆粒工廠生成土壤顆粒。顆粒生成完畢后，經(jīng)平整形成1200 mm×300 mm×120 mm土壤顆粒結(jié)合體。至此，虛擬土槽創(chuàng)建完成，如圖3所示。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 切根圓盤設(shè)計(jì)

常見(jiàn)切根圓盤有缺口圓盤、波紋圓盤、平面圓盤、凹面圓盤等。本文選用受力平穩(wěn)的平面圓盤開(kāi)展切根作業(yè)。切根圓盤如圖4所示，直徑300 mm，切根深度可達(dá)100 mm，圓盤兩面為光滑平面，最大程度降低工作阻力，減小土壤擾動(dòng)。圓盤邊緣采用內(nèi)凹形曲線設(shè)計(jì)，以保證刃口鋒利，增強(qiáng)破土能力和切割能力。

3.2 倒“T”型開(kāi)溝器設(shè)計(jì)

3.2.1 倒“T”型開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)及工作原理

倒“T”型開(kāi)溝器由連接柄、切根刀片及成型塊三部分組成，裝配后三者前端45°刃口重合，開(kāi)溝器整體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，形如倒立字母“T”，如圖5所示。開(kāi)溝深度可達(dá)100 mm。

連接柄擠壓前進(jìn)路徑上的土壤形成種溝。成型塊位于開(kāi)溝器底部，能夠?qū)⒎N溝側(cè)壁土壤向兩側(cè)擠壓，清除種子周圍的植物根莖，降低種子生存壓力。成型塊底部的條紋設(shè)計(jì)可以起到破碎土塊，壓實(shí)種溝的功能。切根刀片位于連接柄和成型塊之間，兩側(cè)刀刃部分超出成型塊邊緣，前進(jìn)過(guò)程中可以對(duì)成型塊擠壓的根莖進(jìn)行切除。成型塊對(duì)切根刀片具有固定支撐的作用，能夠增強(qiáng)刀片的抗彎折能力，延長(zhǎng)刀片使用壽命。

3.2.2 倒“T”型開(kāi)溝器連接柄傾角的選取

開(kāi)溝器連接柄與地面的夾角對(duì)開(kāi)溝作業(yè)效果具有顯著影響。為確定連接柄最佳安裝傾角，本文對(duì)不同傾角連接柄作業(yè)過(guò)程中的受力情況與土壤擾動(dòng)情況進(jìn)行離散元仿真。連接柄與開(kāi)溝器前進(jìn)方向的夾角包括銳角、直角、鈍角三種情況，與之對(duì)應(yīng)建立60°、90°、120°三種夾角的連接柄模型，如圖6所示。將模型導(dǎo)入離散元軟件，在虛擬土槽中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，開(kāi)溝深度為60 mm，前進(jìn)速度為1m/s，連接柄刀刃于Y-Z平面內(nèi)平移，前進(jìn)方向?yàn)閅軸正方向。定時(shí)采集連接柄模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程的受力情況，計(jì)算得到模型穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)過(guò)程受力平均值如表2所示。開(kāi)溝過(guò)程土壤擾動(dòng)情況如圖7所示。

仿真結(jié)果表明，連接柄與前進(jìn)方向夾角為120°時(shí)工作阻力最小，60°時(shí)工作阻力最大。120°夾角連接柄工作過(guò)程土壤擾動(dòng)最大，易造成明顯翻土。90°與60°夾角連接柄對(duì)土壤的抬升較小，可有效避免翻土。綜合對(duì)比三種連接柄受力情況與土壤擾動(dòng)情況，最終采用連接柄與開(kāi)溝器前進(jìn)方向夾角為90°的設(shè)計(jì)方案。

3.2.3 切根刀片設(shè)計(jì)

草原退化過(guò)程中草層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，優(yōu)質(zhì)牧草逐漸被雜草替代。根莖型及根莖疏叢型植物的增多使土壤中根莖數(shù)量大增，導(dǎo)致土壤更加緊實(shí)，進(jìn)一步加快草原退化進(jìn)程。

本文在開(kāi)溝器中加入切根刀片，開(kāi)溝同時(shí)對(duì)種溝兩側(cè)的根莖進(jìn)行橫切，以減小種子周圍雜草過(guò)度生長(zhǎng)對(duì)種子發(fā)芽產(chǎn)生的抑制作用。切根刀片結(jié)構(gòu)如圖8所示，切根刀片前端為45°尖角，邊緣不開(kāi)刃，裝配后與成型塊前端重合。刀身后半部分采用漸寬式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，邊緣開(kāi)刃，可對(duì)種溝兩側(cè)根莖進(jìn)行切除。刀刃與刀片前進(jìn)方向夾角僅8.5°，以降低刀片前進(jìn)阻力，增強(qiáng)刀片滑切效果，便于切割柔韌性較強(qiáng)的根莖。刀身最寬部分僅46 mm，將橫切范圍限定于種子周圍的小片區(qū)域，以避免大面積翻土。

3.3 回土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 回土機(jī)構(gòu)組成及工作原理

回土機(jī)構(gòu)由回土輥及仿形機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

回土輥整體呈沙漏型，圓輥邊緣分布凹槽以加強(qiáng)滾動(dòng)效果，如圖10所示?；赝凛仢L動(dòng)前進(jìn)過(guò)程中可以下壓開(kāi)溝作業(yè)抬升的土壤，并可以將種溝兩側(cè)被開(kāi)溝器擠壓出地面的土壤匯聚至種溝內(nèi)對(duì)種子進(jìn)行掩埋，進(jìn)而改善鎮(zhèn)壓效果，提高種溝保墑能力。

仿形機(jī)構(gòu)采用搖桿滑塊原理，由搖桿、連桿、滑塊、滑軌、彈簧等部件組成，仿形高度范圍達(dá)100 mm，可使回土機(jī)構(gòu)適應(yīng)不同播種深度，保持回土輥壓緊地面，避免地形變化與作業(yè)過(guò)程中的障礙物對(duì)機(jī)具造成損傷。

3.3.2 確定回土機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

為保證回土機(jī)構(gòu)作業(yè)效果，需要彈簧具有一定的初始?jí)毫Σ⑶疫_(dá)到一定勁度系數(shù)。通過(guò)離散元仿真試驗(yàn)?zāi)M回土輥工作過(guò)程，測(cè)得回土輥受土壤作用力的水平方向最大分量為10.5 N，豎直方向最大分量為31.1 N。為保證回土效果，將仿真數(shù)據(jù)擴(kuò)大50%作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，要求回土機(jī)構(gòu)正常工作狀態(tài)下，回土輥對(duì)土壤豎直壓力至少為46.65 N，水平推力至少為15.75 N，據(jù)此確定彈簧勁度系數(shù)與初始?jí)毫?，保證回土輥貼緊土壤并能夠推動(dòng)土壤運(yùn)動(dòng)?；赝翙C(jī)構(gòu)作業(yè)過(guò)程中仿形機(jī)構(gòu)的受力情況如圖11所示。

仿形機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸滿足

l₃·sinβ=l₂·sinα+h（1）

式中： l₂——連桿搖桿鉸接處與搖桿轉(zhuǎn)軸間距離，mm；

l₃——連桿長(zhǎng)度，mm；

h——搖桿轉(zhuǎn)軸與滑塊初始位置豎直距離，mm；

α——搖桿與水平面夾角，（°）；

β——連桿與水平面夾角，（°）。

由力的傳遞過(guò)程可得

F₂=F·cosβ=（F₃+F₀）·cosβ（2）

式中： F₂——連桿對(duì)搖桿作用力，N；

F₃——搖桿擺動(dòng)導(dǎo)致的彈簧對(duì)滑塊壓力增長(zhǎng)量，N；

F₀——彈簧對(duì)滑塊的初始?jí)毫?，N；

F——彈簧壓力，N。

由胡克定律可得

F₃=k·d=k·（l₂·cosα+l₃·cosβ－l₀）（3）

式中： l₀——搖桿轉(zhuǎn)軸與滑塊初始位置水平距離，mm；

k——彈簧勁度系數(shù)，N/mm；

d——滑塊位移，mm。

為維持搖桿穩(wěn)定，需要搖桿所受轉(zhuǎn)矩平衡

F₂·l₂·sin（α+β）=F₁·l₁·sin[180°－（α+γ）]（4）

式中： l₁——搖桿長(zhǎng)度，mm；

γ——回土輥對(duì)搖桿作用力與水平面夾角，（°）；

F₁——回土輥對(duì)搖桿作用力，N。

正常作業(yè)狀態(tài)下，搖桿與水平面夾角處于30°～90°。仿形機(jī)構(gòu)各部件的受力情況隨搖桿角度變化而發(fā)生非線性變化。利用Matlab對(duì)搖桿處于不同位置時(shí)回土作業(yè)所需彈簧壓力及理論彈簧勁度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。不同搖桿傾角下回土作業(yè)所需彈簧壓力如圖12所示，彈簧壓力最小為49.41 N，最大可達(dá)120.44 N，對(duì)彈簧壓力需求最小的位置為搖桿豎直狀態(tài)，此時(shí)滑塊位移為零，因此彈簧至少需要49.41 N的初始?jí)毫?。在為彈簧施?0 N初始?jí)毫Φ那闆r下計(jì)算搖桿處于不同傾角時(shí)回土作業(yè)對(duì)彈簧勁度系數(shù)的理論需求值，避免出現(xiàn)彈簧勁度系數(shù)需求值無(wú)限大的計(jì)算結(jié)果。不同搖桿傾角下回土作業(yè)對(duì)彈簧勁度系數(shù)的理論需求值如圖13所示，對(duì)彈簧勁度系數(shù)要求最高的位置為搖桿接近豎直狀態(tài)時(shí)，理論彈簧勁度系數(shù)需求值為0.52 N/mm。由于彈簧初始?jí)毫?0 N足以滿足搖桿與水平面夾角接近90°時(shí)回土作業(yè)對(duì)彈簧壓力的需求，因此曲線末尾部分出現(xiàn)理論彈簧勁度系數(shù)驟降的情況。

基于理論計(jì)算結(jié)果，最終確定彈簧勁度系數(shù)為0.6 N/mm，彈簧初始?jí)毫?0 N，彈簧初始?jí)嚎s量為100 mm，以保證搖桿處于正常工作范圍內(nèi)任何位置時(shí)，回土輥都能對(duì)土壤產(chǎn)生足夠的壓力與推動(dòng)力。

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 離散元仿真試驗(yàn)

將多功能集成式開(kāi)溝裝置裝配模型導(dǎo)入離散元仿真軟件，設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度為1 m/s，開(kāi)溝深度為60 mm。在排種管內(nèi)添加顆粒工廠生成初始下落速度為1 m/s的顆粒，模擬氣力式排種過(guò)程。觀察開(kāi)溝裝置的開(kāi)溝效果、埋種效果以及土壤擾動(dòng)情況。開(kāi)溝裝置作業(yè)過(guò)程如圖14所示，作業(yè)效果如圖15所示。

仿真結(jié)果表明，該開(kāi)溝裝置能夠形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的種溝，有助于控制播種深度。播種連續(xù)性良好，晾籽率低?；赝列Ч@著，土壤擾動(dòng)較小。裝置整體作業(yè)效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

調(diào)整開(kāi)溝裝置前進(jìn)速度重復(fù)開(kāi)溝過(guò)程離散元仿真試驗(yàn)，探究機(jī)具速度對(duì)開(kāi)溝效果的影響。裝置速度變化范圍為0.6～1.4 m/s，每組試驗(yàn)速度相差0.1 m/s。采集開(kāi)溝過(guò)程中機(jī)具前進(jìn)方向所受阻力，計(jì)算阻力平均值如表3所示。結(jié)果表明開(kāi)溝裝置前進(jìn)速度越快，所受阻力越大。機(jī)具速度過(guò)快難以保證播種均勻性和連續(xù)性。綜合考慮工作阻力、作業(yè)效果，作業(yè)效率等因素，開(kāi)溝裝置最佳作業(yè)速度范圍為0.8～1.2 m/s。

4.2 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)于呼和浩特市樊家窯試驗(yàn)站開(kāi)展，將多功能集成式開(kāi)溝裝置樣機(jī)安裝于試驗(yàn)播種機(jī)上，播種機(jī)前進(jìn)速度控制在3.6 km/h左右。分別進(jìn)行兩組試驗(yàn)，第一組試驗(yàn)回土機(jī)構(gòu)固定，不接觸地面，以觀察開(kāi)溝效果；開(kāi)溝作業(yè)完成后，隨機(jī)選擇20個(gè)取樣點(diǎn)測(cè)量種溝深度和側(cè)壟寬，分析種溝深度均勻性和機(jī)具作業(yè)過(guò)程土壤擾動(dòng)。第二組試驗(yàn)回土機(jī)構(gòu)接觸地面，以觀察回土效果。田間試驗(yàn)場(chǎng)景如圖16所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。計(jì)算種溝深度平均值為59.8 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.36 mm，溝深波動(dòng)不超過(guò)5 mm。試驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的多功能集成式開(kāi)溝裝置能夠形成深度均勻的種溝。種溝側(cè)壟寬可控制于50 mm以內(nèi)，證明該裝置開(kāi)溝過(guò)程土壤擾動(dòng)較小，不易造成明顯翻土。觀察開(kāi)溝裝置作業(yè)效果，結(jié)果表明倒“T”型開(kāi)溝器能夠精準(zhǔn)切除種子周圍土壤內(nèi)植物根莖，同時(shí)可有效避免對(duì)土壤環(huán)境造成大面積破壞；回土機(jī)構(gòu)回土效果顯著，能夠起到填埋種溝的作用，有助于提高種溝保墑能力。

5 結(jié)論

1） 針對(duì)退化草原土壤環(huán)境，設(shè)計(jì)一款多功能集成式開(kāi)溝裝置，關(guān)鍵作業(yè)部件包括切根圓盤、倒“T”型開(kāi)溝器和回土機(jī)構(gòu)。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，可一次性完成切根、開(kāi)溝、回土作業(yè)。

2） 創(chuàng)建土壤離散元模型，通過(guò)離散元仿真輔助開(kāi)溝裝置設(shè)計(jì)。綜合運(yùn)用理論分析、離散元仿真與Matlab編程計(jì)算等方法，確定開(kāi)溝器連接柄與地面夾角為90°，確定回土機(jī)構(gòu)彈簧勁度系數(shù)為0.6 N/mm，彈簧初始?jí)毫?0 N。

3） 田間試驗(yàn)和離散元仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置最佳作業(yè)速度范圍為0.8～1.2 m/s；切根圓盤與倒“T”型開(kāi)溝器的組合能夠形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、深度均勻的種溝，溝深波動(dòng)不超過(guò)5 mm；開(kāi)溝過(guò)程對(duì)周邊土壤擾動(dòng)較小，側(cè)壟寬不超過(guò)50 mm；回土機(jī)構(gòu)回土效果顯著，有助于提高種溝保墑能力。試驗(yàn)證明該多功能集成式開(kāi)溝裝置整體作業(yè)效果良好，有助于改善草原補(bǔ)播作業(yè)效果，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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