双垄种床耕作施肥作业过程仿真分析与试验

李文龙,戴 飞,赵武云,史瑞杰,宋学锋,马海军

(1.甘肃农业大学机电工程学院,甘肃 兰州 730070;2.甘肃洮河拖拉机制造有限公司,甘肃 定西 730500)

旱地全膜双垄沟播是中国西北区域旱作农业种植的一项创新技术,尤其对西北旱作玉米种植产业的影响较大,该技术要求通过旋耕耕整、起垄开沟、全膜覆盖和覆土镇压等操作来构建大小垄体、垄沟种床,促进水、肥的有效利用,提高作物的出苗率[1-3]。近年来,全膜双垄沟栽培技术在西北旱区、半干旱区应用面积迅速扩大,国内相关研究者与企业团队合作研制出多种全膜双垄沟覆膜、覆土与播种一体化作业机,如圆盘式全膜双垄沟铺膜机、双垄沟自动上土铺膜机、1MLQ-40/70型全膜双垄沟起垄铺膜喷药联合作业机和2N2XP型旋耕双幅覆膜联合作业机等[4]。

随着该技术的日益成熟、成型机具的大量推广与实践,全膜双垄沟机械化作业也暴露出不少问题,如种床构建质量差、地膜破损、施肥效果不佳影响后续作物出苗率、功耗大等[5]。与此同时,施肥与起垄作业状况也影响作物的出苗率,施肥过浅,起垄过后肥料裸露在垄沟表面或两侧,造成肥料的浪费;施肥过深,起垄后种子无法充分吸收养分导致作物出苗率低,工作效率低。“一膜两年用”方式能够确保施肥精准实施,满足作物在不同时期对土壤养分的不同吸收需求,从而减少肥料施用量与施肥环节,促进农业生产节本增效,但该模式下,当年的施肥状况对后续作物的膜下追肥量影响极大[6]。

离散元法通过固体颗粒建立参数化研究模型,并对颗粒体系力学行为进行模拟预测与分析,近年来广泛应用于农业耕作领域,国内外研究学者通过离散元法对农机具触土部件与土壤动态间的相互作用展开了大量研究,特别在农作物收获、土壤耕作等领域取得了丰富的成果[7]。如Zeng[8]、Lv[9]、张兆国[10]、戴飞[11-12]、顿国强[13]等学者采用离散元法分别对土壤-机具-秸秆残茬作业系统、撒肥机、仿生挖掘铲、种床覆土装置和肥料调配装置开展了仿真研究,证实了离散元法应用于土壤-机具相互作用方面的可行性以及农业机械作业过程的适用性。

因此,本研究借助离散元仿真分析法,开展全膜双垄沟机械化双垄耕作施肥作业过程的模拟研究,建立双垄耕作施肥仿真模型,以垄体成型效果、挖掘阻力、排肥均匀度变异系数为评价指标,通过单因素分析不同结构装置的作业性能并进行仿真优化,进一步以种床耕作合格率、施肥合格率为评价指标对优化获得的工作部件及其工作参数进行了种床构建作业过程仿真分析,以期为全膜双垄沟起垄覆膜播种联合作业机作业部件的优化设计和提高种床构建质量提供理论参考。

1 双垄耕作施肥装置结构与工作原理

1.1 整机结构与工作过程

全膜双垄沟起垄覆膜播种联合作业机主要由主机架、悬挂装置、旋耕刀组、排肥装置、喷药装置、起垄装置、覆膜装置、覆土装置、播种器和镇压装置等部分组成,可一次性完成旋耕、条施肥、起垄开沟、覆膜覆土、播种、镇压等工作[14]。双垄耕作施肥装置主要由旋耕刀组、施肥铲、排肥轴、排肥器、导肥管、起土铲等组成,其中施肥铲通过U型卡箍固定于机架前梁,起土铲通过横梁连接采用螺栓固定于机架后梁,联合机及双垄耕作施肥装置结构如图1(见269页)所示,主要技术参数列于表1。

1.主机架;2.悬架装置;3.施肥箱;4.喷药装置;5.镇压装置;6.穴播器;7.地膜挂架;8.起垄装置;9.地轮;10.施肥铲;11.覆土装置;12.旋耕刀组;13.导肥管;14.排肥轴;15.排肥器;16.排肥器支架;17.起土铲调节装置;18.起土铲横梁架1. Main frame; 2. Suspension device; 3. Fertilizer box; 4. Spray device;5. Suppression device; 6. Burrowing device; 7. Mulch hanger;8. Ridge raising device; 9. Ground wheel; 10. Fertilizer spatula;11. Soil covering device; 12. Rotary tillage tool set; 13. Fertilizer guide tube;14. Fertilizer discharge shaft; 15. Fertilizer drainer; 16. Fertilizer drainer support; 17. Shovel adjusting device; 18. Shovel beam frame图1 整机及双垄耕作施肥装置结构图Fig.1 Structure diagram of whole machine and double ridge tillage fertilization device

表1 作业机主要技术参数Table 1 Operation machine main technical parameters

双垄耕作施肥作业过程中,传动装置驱动旋耕刀组转动,完成对种床的旋耕作业;拖拉机带动地轮与地表发生相对转动进而驱动排肥轴转动,同时施肥铲随机具前进主动深入旋耕后的地表土壤,形成稳定深度的肥沟,排肥轴带动排肥器将肥料颗粒排至出肥口,再通过施肥铲内导肥管投入肥沟内;起土铲随机具前进对施肥过后的肥沟上方土壤进行掘土开沟起垄,继而完成双垄耕作施肥作业。

1.2 双垄耕作施肥农艺要求

全膜双垄沟起垄覆膜播种联合作业机能够一次性完成施肥、喷药、起垄、覆膜、播种等工作,其作业方式是将一定量肥成条施放于垄沟土壤中,形成播种基肥,从而降低了施肥量,大大提高了肥料的利用率,但需准确地把握施肥深度与起垄高度,保障肥料与后期播种的农艺要求[15]。为分析双垄耕作施肥作业过程,本文通过模拟机械化构建种床,即一次性完成大垄垄体(垄宽700 mm、垄高100～150 mm)与小垄垄体(垄宽400 mm、垄高150～200 mm)相间的异型双垄体[4]构建,同时将肥料深施在小垄两侧垄沟内且肥料颗粒成条状分布,种苗与肥料颗粒在全膜双垄沟位置分布如图2(见269页)所示。肥料颗粒与种苗的位置关系由肥料颗粒与垄沟底部纵向距离h控制,根据全膜双垄沟施肥技术要求,h取70～90 mm。

1.小垄垄体;2. 垄沟地带;3.垄沟覆土带;4.大垄体面覆土带;5.大垄垄体;6.种苗;7.覆盖地膜;8.肥料颗粒h:施肥深度(mm);h1:小垄高度(mm);h2:大垄高度(mm);l1:小垄宽度(mm);l2:大垄宽度(mm)1. Small ridge body; 2. Ridge furrow zone; 3. Ridge furrow covering belt;4. Large ridge covering belt;5. Large ridge body; 6. Seedling;7. Mulching film;8. Fertilizer particles h: Fertilization depth (mm); h1: Ridge height (mm); h2: Large ridge height (mm); l1: Ridge width (mm); l2: Large ridge width (mm)图2 全膜双垄沟农艺技术要求及施肥工艺方案示意图Fig.2 Schematic diagram of agricultural technology requirements and fertilization process scheme of whole plastic-film double ridge furrow

2 关键部件理论分析与建模

2.1 旋耕刀组

旋耕刀组的排列方式是影响旋耕作业性能的重要因素之一,合理的刀具排列是对功率消耗、作业质量、切土阻力及机具平衡性等指标的重要保障[16]。因此该联合作业机旋耕刀以交错安装法排列,刀具采用双螺旋线排布,即刀轴左边起始以右旋排列10把刀具,刀轴右边起始以左旋排列10把刀具,以保障旋耕时旋耕刀组能够完全切削土壤并往中间推送土壤,同时保持刀轴旋耕时的稳定性。该旋耕刀组旋向为顺时针(正转),旋耕刀刀尖的运动轨迹为余摆线(旋耕速比λ>1),同一回转面上两把刀具的相位角为180°,相邻两把刀具安装的相位角为θ(θ=43°),相邻两把刀具的间距为S(S=79 mm),旋耕刀轴转速为200 r·min-1,旋耕刀组排列展开图如图3所示。

注:θ 为相位角;β为螺旋升角;S为旋耕刀间距。Note:θ is the phase angle; β is spiral rise angle; S is the distance between rotary tilling knives.图3 旋耕刀组排列展开图Fig.3 Arrangement and expansion diagram of rotary tillage tool group

2.2 起垄装置

联合作业机工作时,旋耕刀组对地表土壤进行旋耕耕整,起土铲配合施肥作业同时对排肥过后的肥沟上方土壤进行掘土开沟起垄,保障小垄两侧垄沟底部与肥料之间的距离,继而完成异型双垄体种床构建。

通过分析双垄耕作施肥作业过程可以得出,联合作业机前进速度、旋耕刀组的转速与旋耕深度、起土铲类型对小垄两侧垄沟内的施肥状况、机械化构建异型双垄垄体种床质量均具有一定影响。因此,本文选取弧形起土铲与双翼开沟铲两种类型进行仿真分析,研究其影响状况,铲体模型及其重要参数如图4所示。

图4 起土铲类型Fig.4 Shovel type

2.3 施肥装置

施肥装置主要包括肥料箱、外槽轮式排肥器、排肥轴、导肥管和施肥铲,肥料箱固定于排肥器支架上方,施肥铲通过U型卡箍固定于主机架前梁,施肥装置结构图如图5所示。

依据全膜双垄沟农艺栽培技术要求,肥料箱的容积为[17]:

(1)

式中,C为肥料箱总容积(L);B1为肥料箱作业幅宽,取400 mm;L1为满足肥料箱中肥料的施肥距离,取1 000 m;γ1为肥料颗粒密度,取1.86 kg·L-1[18];Qmax为单位面积最大施肥量,取378 kg·hm-2[5]。由式(1)计算可得C=8.94 L,参考该容积参数对施肥装置肥量进行仿真参数设置。

2.3.1 排肥器 排肥器作为施肥装置中的关键部件,其结构类型直接影响施肥作业效果,为研究联合作业机的合理性与小垄两侧垄沟内施肥质量状况,现选取直槽轮式和螺旋槽轮式两类排肥器结构进行研究分析。其中,两类排肥槽轮的有效长度L均为50 mm,外端半径R均为26.5 mm,周向均布7个圆弧槽口且半径r2均为8.6 mm,排肥主轴半径r1均为15 mm,单个凹槽在同一回转面上的跨度α均为0.89 rad,相邻凹槽之间的节距角β均为35°,而螺旋槽轮式的螺旋升角θ为50°。装置建模如图6所示。

注:O为槽轮轴心;O1为圆弧凹槽圆心;r1为排肥主轴半径(mm);r2为圆弧凹槽半径(mm);α为单个凹槽在同一回转面上的跨度(rad);β为相邻凹槽之间的节距角;L为槽轮作业的有效长度(mm);θ为螺旋升角。Note: O is the axle center of the groove wheel; O1 is the center of circular groove; r1 is the radius of the fertilizer discharge spindle (mm); r2 is the radius of the circular groove (mm); α is the span of a single groove on the same rotary plane (rad); β is the pitch angle between adjacent grooves; L is the effective length of the groove wheel operation (mm); θ is the angle of spiral rise.图6 排肥器类型Fig.6 Type of fertilizer drainer

2.3.2 施肥铲 施肥铲作为施肥装置的入土部件,实现了垄沟形成前对行开沟和垄沟内深施肥的作用。一般施肥铲由开沟器和施肥导管两部分构成,施肥导管焊接于开沟器后方,为研究施肥铲在作业时对机械化构建异形双垄体种床质量的影响和肥料在垄沟内的分布情况,选取普通施肥铲和开沟施肥铲进行仿真分析,装置建模如图7所示。

1.施肥铲导管外壁;2. 施肥铲翼;3.开沟器;4.导肥管1. Outer wall of fertilizer spatula catheter; 2. Fertilizer spatula wing;3. Trench opener; 4. Fertilizer guide tube图7 施肥铲类型Fig.7 Type of spatula

3 基于离散元法的双垄耕作施肥装置仿真分析

为深入解析全膜双垄沟起垄覆膜播种联合作业机中不同类型施肥起垄装置的动态工作特性,基于离散元法对双垄耕作施肥作业过程进行数值模拟,首先通过单因素分析不同类型的起土铲、排肥器以及施肥铲的作业性能并进行仿真优化,再对优化获得的工作部件及其工作参数进行种床构建作业过程仿真分析。

3.1 仿真模型建立

肥料颗粒属于类球形颗粒,球形度在90%以上,提高模型仿真效率,种床土壤颗粒和肥料颗粒均采用球体颗粒建模,以史丹利复合肥作为肥料参考(干燥无结块颗粒),其土壤模型单球颗粒半径设定为5 mm,肥料模型单球颗粒半径设定为1.65 mm。旋耕刀组、起土铲以及施肥铲均为钢材料,排肥槽轮材料为PLA塑料,则土壤颗粒与土壤颗粒、肥料颗粒与肥料颗粒、土壤颗粒与肥料颗粒、肥料颗粒与排肥器、土壤颗粒与旋耕刀组、起土铲以及施肥铲均采用Hertz-Mindlin(no-slip)模型,试验仿真相关参数见表2[19-22]。

表2 离散元仿真参数Table 2 Discrete element simulation parameters

根据全膜双垄沟农艺栽培技术要求,在EDEM中建立适用于双垄耕作施肥作业的土槽模型,设置其尺寸为长×宽×高=2 700 mm×1 200 mm×400 mm,并将上述模型以IGES格式模型导入EDEM软件中分别进行仿真试验。

3.2 双垄耕作施肥装置单因素仿真试验

3.2.1 起垄作业效果仿真分析 根据双垄耕作施肥作业过程,以垄体成型效果和挖掘阻力为评价指标进行单因素仿真。考虑到仿真时间与可行性,采用以弧形起土铲、双翼开沟铲分别配合旋耕刀组的组合形式。运动参数均为:前进速度0.50 m·s-1,旋耕刀组转速200 r·min-1,仿真时间步长2.08×10-5s,仿真时间共6.2 s,起土铲作业过程及仿真完成效果如图8所示。

1.挡土罩;2.旋耕刀轴;3.旋耕刀具;4.双翼开沟铲;5.弧形起土铲;θ1:小垄垄体倾斜角1.Retaining hood; 2.Rotary tillage tool shaft; 3.Rotary tillage tool; 4.Double wing ditching shovel; 5. Arc shovel; θ1 : Slope angle of the ridge body图8 不同铲体仿真模型Fig.8 Simulation models of different shovel bodies

在各仿真参数相同的情况下,对比两类铲体类型的垄体成型效果(图8c、d),双翼开沟铲小垄垄体倾斜角介于38～ 42°、垄沟底部凹陷明显,弧形起土铲小垄体垄体倾斜角介于25～30°,垄沟底部凹陷较浅,双翼开沟铲明显比弧形起土铲作业效果更佳,有利于水肥在垄沟底部地带汇集及地膜的铺展。说明铲体类型对形成异型双垄体种床结构参数影响较大。

如图9所示,0～1 s为铲体接触到土槽的空载运动,1 s之后铲体与土槽接触,双翼铲挖掘阻力介于180～250 N,弧形铲挖掘阻力100～150 N,双翼铲受到的挖掘阻力比弧形铲受到的挖掘阻力大72%左右,这是由结构差异造成的,因为双翼开沟铲的双翼板结构增大了土壤的流动性,同时其双翼特殊的开口角度确保了起垄开沟的质量要求。

图9 不同铲体挖掘阻力变化Fig.9 Excavation resistance changes with different shovel bodies

3.2.2 排肥器作业效果仿真分析 将上述排肥器模型以IGES格式导入EDEM软件,仿真设置总时间为5.5 s,仿真时间步长1.93×10-5s。其中前1 s生成肥料颗粒,生成总量为40 000个,后4.4 s为排肥轮与肥料颗粒的运动时间。为观察肥料颗粒在地面的分布情况,在导肥管正下方建立一长方体用于模拟地面,尺寸为长×宽×高=2 100 mm×1 000 mm×200 mm。研究发现,外槽轮式排肥器的转速在20～60 r·min-1时拥有较好的排肥性能[23],因此在研究中槽轮转速均取40 r·min-1;为保持联合机作业速率的一致性,与起土铲作业前进速度取值相同,排肥器的前进速度均为0.5 m·s-1,其仿真试验作业过程如图10所示。

1.肥料箱;2.槽轮排肥器;3.排肥轴;4.导肥管;5.地面;6.肥料颗粒1.Fertilizer box; 2.Trough wheel fertilizer drainer;3.Fertilizer discharge shaft; 4.Fertilizer guide pipe; 5.Ground; 6.Fertilizer particle图10 排肥器仿真试验过程Fig.10 Simulation test process of fertilizer drainer

依照外槽轮排种器试验规定,本文以排肥均匀度变异系数作为排肥性能的评价指标[24]。仿真结束后,进入后处理界面,取单行施肥过后模拟地面中间1 000 mm区域作为参数取样区,并将其均匀分为5组网格单元,各组网格单元尺寸为长×宽×高=200 mm×200 mm×50 mm,而后统计并分析每个网格单元内肥料颗粒质量,如图11所示。

注:1～5为数据采集取样区域编号。Note: 1 to 5 are the numbers of the sampling areas for data collection.图11 数据采集取样区域Fig.11 Data acquisition sampling area

排肥均匀度变异系数计算公式:

(2)

(3)

(4)

分别完成对直槽轮式与螺旋槽轮式排肥器各网格单元取样区域的质量测量,得出试验数据(见表3),而以变异系数σ作为排肥器排肥稳定性和均匀性的评价参量,σ值越小表明其对应排肥器性能就越好。通过式(2)～(4)计算可知,直槽轮排肥器相比螺旋槽轮排肥器的排肥均匀度变异系数低4.69%,直槽轮稳定性系数高达97.05%,说明在相同参数条件下,直槽轮排肥效果更好。

表3 仿真试验数据结果Table 3 Results of simulation test

3.2.3 施肥铲作业效果仿真分析 施肥铲不仅控制施肥的量,还需对作物根系的不同部位进行对点的施肥,合理的施肥铲装置是肥料均匀排出土壤内部和促使作物有效吸收水、肥的重要保障。考虑到仿真运行与效率,采用以普通施肥铲、开沟施肥铲分别配合旋耕刀组的组合形式进行仿真模拟。运动参数均为:前进速度0.5 m·s-1,旋耕刀组转速200 r·min-1,仿真时间步长2.08×10-5s,仿真时间共6.2 s,施肥铲仿真作业如图12所示。

图12 不同类型施肥铲仿真作业模型Fig.12 Different types of fertilizer shovel simulation operation model

如图13普通施肥铲、开沟施肥铲的挖掘阻力变化曲线可以看出,在施肥作业过程设定工作参数一致的情况下,普通施肥铲施肥阻力介于300～400 N,开沟施肥铲施肥阻力介于200～300 N,前者较后者高约40%。普通铲结构呈圆筒状,有利于促进土壤流动,不易造成土壤扰动,其工作时土壤回流量大,更易形成垄体,提升起垄开沟质量;而开沟施肥铲不利于形成垄体,无法保障后续起垄质量。

图13 不同类型施肥铲施肥阻力变化Fig.13 Fertilization resistance changes with different types of spatula

3.3 双垄耕作施肥作业过程仿真试验

通过上述单因素仿真模拟优化结果,以双翼开沟铲、普通施肥铲以及直槽轮式排肥器配合旋耕刀组的组合模式进行联合仿真模拟作业,设置运动参数为:联合机前进速度0.5 m·s-1,旋耕刀组转速200 r·min-1,直槽轮式排肥器转速40 r·min-1,仿真时间共6 s。依照全膜双垄沟农艺技术要求,符合该标准可确定为合格的异型双垄体种床耕作,以种床耕作完全合格为指标,同时依据NY/T 1229-2006《旋耕施肥播种联合作业机作业质量》[24]要求,以施肥合格率为指标,评价该结构装置组合仿真试验。

仿真模型如图14所示,待仿真模拟结束后随机对起垄种床不同位置截面求解,并对施肥合格率和种床耕作合格率进行测定。

1.土槽;2. 挡土罩;3.直槽轮式排肥器;4.肥料箱;5.肥料颗粒;6.排肥轴;7.导肥管;8.双翼开沟铲;9.普通施肥铲;10.旋耕刀具;11.旋耕刀轴1. Soil tank;2. Retaining cover;3. Straight groove wheel type fertilizer drainer;4. Fertilizer box;5. Fertilizer particles;6. Fertilizer discharge shaft;7. Fertilizer guide tube;8. Double wing trench shovel;9. Common fertilizer shovel;10. Rotary tillage tool;11. Rotary tillage tool shaft图14 双垄耕作施肥作业仿真模型Fig.14 Simulation model of double ridge tillage and fertilization operation

种床耕作合格率(Y,%)测定计算公式为:

(5)

式中,N1为种床耕作合格测试点数;N为总试验测试点数。

施肥合格率(H,%)测定计算公式为:

(6)

式中,H1为施肥深度合格测试点数;H0为总试验测试点数。

如图15所示为仿真完成模拟后施肥起垄开沟装置在不同视角下耕作作业过程以及肥料在垄沟内的分布状况,小垄高度h1=152～157 mm,大垄高度h2=140～145 mm,施肥深度h=73～86 mm(图15d),此时种床耕作合格率为95.40%,施肥深度合格率为93.40%。

注:红色是肥料,蓝色是土壤。Note: Red represents fertilizer, blue represents soil.图15 联合作业仿真模拟效果Fig.15 Joint operation simulation effect

4 田间试验

为进一步验证全膜双垄沟起垄覆膜播种联合作业机在最优结构装置下的双垄耕作施肥作业性能,2019年6月在甘肃省定西市临洮县洮河拖拉机制造有限公司试验田进行了田间试验(图16)。试验地土壤为黄绵土,含水率为16.86%,土壤容重1 300 kg·m-3,坚实度<0.20 MPa,田面较平整、疏松且前茬作物较少。根据NY/T 1229-2006《旋耕施肥播种联合作业机作业质量》[24]和DB62/T 1935-2010《全膜双垄沟铺膜机操作规程及作业质量验收》[25]标准规定方法开展试验,在联合机作业完成后随机选取15 m测定,将该区域平均分为5个测定小区,以测定小区的平均值作为实际测试结果,得到施肥合格率为90.30%,种床耕作合格率为93.60%。

图16 田间试验Fig.16 Field test

对比仿真模拟与该样机实际作业过程发现,两者作业成型效果无太大差异,说明建立的离散元仿真模型与运动参数相对合理,以离散元法仿真模拟研究旋耕刀组、施肥装置以及起垄开沟装置的配置组合方式模型来实现施肥起垄作业过程完全可行。通过田间试验发现,该样机在坚实度较大、根茬较多的土壤以及高低不平的地表作业时,容易产生旋耕刀组切削不平衡、普通施肥铲与双翼开沟铲作业阻力不平稳等问题,导致排肥均匀性差,同时对起垄开沟作业质量产生影响。本研究主要侧重于起垄施肥装置的结构参数分析及其作业性能研究,后续将进一步开展该装置运动参数的优化选取工作。

5 结 论

1)结合双垄耕作施肥装置的结构组成以及工作原理对影响施肥、起垄开沟作业性能的关键因素进行了分析与确定。应用离散元法分别对施肥作业过程与起垄开沟作业过程进行数值模拟,通过对比两种类型起土铲、施肥铲的作业成型效果与挖掘阻力变化特性以及两种类型排肥器的排肥变异系数值与稳定性,得出双翼开沟铲、普通施肥铲以及直槽轮式排肥器对全膜双垄沟机械化双垄耕作施肥作业性能可起到提高作用。

2)将优化得到的双翼开沟铲、普通施肥铲以及直槽轮式排肥器进行组合数值模拟,以种床耕作合格率和施肥合格率为指标,在联合机前进速度0.5 m·s-1、旋耕刀组转速200 r·min-1、排肥器转速40 r·min-1的参数条件下,其种床耕作合格率均值为95.40%,施肥合格率为93.40%。

3)田间试验结果表明:施肥合格率均值为90.30%,与仿真结果相差3.10%;种床耕作合格率均值为93.60%,与仿真结果相差1.80%。对比仿真模拟与实际作业工况发现两者结果相差不大,验证了仿真试验和结构模型的正确性,说明基于离散元法开展双垄耕作施肥作业过程分析是合理的。