葛宜元 矯洪成 劉東旭 梁秋艷 楊傳華

摘要：水稻秸稈與土壤翻埋過程是影響秸稈還田的重要因素。在前期建立的還田刀輥—土壤—水稻秸稈三者仿真互作模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在耕深為20cm、刀軸旋轉(zhuǎn)速度為240r/min、單位秸稈量為3.5kg/m2時(shí)，以秸稈翻埋率和還田深度為指標(biāo)，分別進(jìn)行仿真與室內(nèi)模擬試驗(yàn)，翻埋率分別為87.5%、86.7%，還田深度分別為19.16cm、18.68cm，模擬試驗(yàn)驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的有效性。仿真結(jié)果顯示所標(biāo)定顆粒152658與刀輥接觸時(shí)，開始向后下方位移，到達(dá)最低點(diǎn)后隨著刀輥的旋轉(zhuǎn)向后上方拋灑，此時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡近似拋物線，隨后在重力作用下回落到地表，與其他顆粒碰撞產(chǎn)生波動(dòng)，直至最終停下。通過隨機(jī)標(biāo)定顆粒研究土壤受力情況，結(jié)果表明：當(dāng)彎刀在開始接觸土壤顆粒時(shí)，顆粒X、Y、Z方向受力均直線上升，最大值分別為15.61N、37.2N、50.37N，直到該土壤顆粒團(tuán)被彎刀切碎后，力逐漸下降為0。同理標(biāo)定秸稈顆粒45681，分析其運(yùn)動(dòng)軌跡，仿真結(jié)果表明：起初土壤顆粒對(duì)秸稈速度產(chǎn)生促進(jìn)和抑制雙重作用，隨著土壤回落地表，秸稈在土層下主要受到土壤摩擦作用，直至秸稈速度降為0。仿真分析從微觀角度揭示彎刀對(duì)秸稈翻埋還田的工作機(jī)理，為部件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

關(guān)鍵詞：秸稈還田；土壤顆粒；秸稈顆粒；運(yùn)動(dòng)軌跡；翻埋運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：S222.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2023） 070229

07

Simulation and experiment of straw-soil particle overturning movement based on

discrete element method

Ge Yiyuan， Jiao Hongcheng， Liu Dongxu， Liang Qiuyan， Yang Chuanhua

（College of Mechanical Engineering， Jiamusi University， Jiamusi， 154007， China）

Abstract： The process of rice straw and soil burial is an important factor affecting the return of straw to the field. In this paper， based on the previously established simulation model of the interaction between the straw return knife roller， soil， and rice straw， the motion state of soil particles was further studied. When the tillage depth was 20cm， the rotation speed of the cutter shaft was 240r/min， and the unit straw amount was 3.5kg/m2， simulation and indoor experiments were carried out with the straw burial rate and returning depth as the test indicators. The results showed a burial rate of 87.5% and 86.7% and a returning depth of 19.16 cm and 18.68cm， respectively， which validated the simulation and met the requirements of national standards. The simulation results showed that when the calibrated particle 152658 was in contact with the knife roller， it initially moved backward and downward. After reaching the lowest point， it was thrown backward and upward due to the rotation of the knife roller. The movement trajectory was approximately parabolic. The particle then fell back to the ground under the influence of gravity. It collided with other particles and generated fluctuations until it finally came to rest. The soil stress was studied by randomly calibrating the particles. The results showed that when the knife blade first contacts the soil particles， the forces in the X， Y， and Z directions of the particles increased linearly， and the maximum values were 15.61N， 37.2N， and 50.37N， respectively. After the soil particle mass was chopped by the knife blade， the force gradually decreased to 0. Similarly， by calibrating straw particle 45681 and analyzing its movement trajectory， the simulation showed that soil particles initially exhibited a dual effect of promoting and inhibiting the straw velocity. As the soil returned to the surface， the straw was mainly affected by soil friction under the soil layer until the straw velocity dropped to 0. The simulation analysis revealed the working principle of the straw return knife blade for straw burial and returning to the field from a microscopic point of view and provided theoretical support for the optimal design of components.

Keywords： straw returning; soil particles; straw particles; movement trajectory; burial movement

0 引言

三江平原地處東北黑土帶，由于多年來的耕作不當(dāng)導(dǎo)致黑土層逐漸流失，對(duì)此國家和黑龍江省均將黑土地保護(hù)工程作為十四五期間重點(diǎn)解決的問題［12］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年黑龍江省糧食生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)“十九連豐”，糧食總產(chǎn)量占全國的11.3%，增產(chǎn)的同時(shí)產(chǎn)生了數(shù)量龐大的秸稈。秸稈還田不僅能增加土壤有機(jī)質(zhì)，還可以改善土壤的物理性狀，為黑土保護(hù)提供一種有效手段［38］。在還田作業(yè)時(shí)，由于土壤和秸稈的混合物受到還田刀具的不斷擾動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度和軌跡會(huì)不斷變化。混合物的速度和軌跡會(huì)直接導(dǎo)致秸稈停滯位置的不同，進(jìn)而影響翻埋質(zhì)量。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同觸土部件作業(yè)下秸稈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了相關(guān)研究。郭俊等［911］利用室內(nèi)試驗(yàn)與離散元仿真相結(jié)合的方法對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，得出土壤位移距離與土壤顆粒深度成反比的結(jié)論。周華等［12］針對(duì)不同旋耕機(jī)作業(yè)下秸稈在土壤中的分布情況進(jìn)行研究，結(jié)果表明深松+秸稈旋埋還田機(jī)作業(yè)后，秸稈分布最均勻。陳青青等［13］分別對(duì)正反旋作業(yè)后秸稈空間位置進(jìn)行分析，結(jié)果表明正旋作業(yè)秸稈空間布局優(yōu)于反旋。Mari等［14］對(duì)圓盤犁作業(yè)下秸稈翻埋情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明圓盤犁受力與深度成正相關(guān)?，F(xiàn)有研究的重點(diǎn)集中在耕作過程中秸稈的狀態(tài)上，缺乏對(duì)土壤顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析。而土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是影響秸稈還田質(zhì)量的重要因素。

本文采用EDEM軟件對(duì)秸稈和土壤進(jìn)行顆粒化分析，研究秸稈翻埋運(yùn)動(dòng)時(shí)土壤顆粒的受力、運(yùn)動(dòng)軌跡與速度，揭示秸稈翻埋機(jī)理，對(duì)刀具和機(jī)具外殼的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論支撐。

1 秸稈—土壤顆粒翻埋運(yùn)動(dòng)仿真

1.1 仿真參數(shù)確定

本文從微觀角度觀察顆粒運(yùn)動(dòng)情況，采用離散元法將微小的顆粒群視為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，系統(tǒng)中每個(gè)顆粒即是相互接觸又是彼此脫離相互運(yùn)動(dòng)的，它為微觀力學(xué)提供一種新的計(jì)算手段且具有可靠性［1516］。本文試驗(yàn)裝置、耕作參數(shù)和仿真參數(shù)來源為課題組發(fā)表文獻(xiàn)［17］。機(jī)具前進(jìn)速度為0.5m/s、旋耕速度為240r/min、耕深為200mm、單位秸稈數(shù)量為3.5kg/m2。

1.2 顆粒內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

為了避免其他因素影響，更好觀察顆粒運(yùn)動(dòng)情況，采用單刀剖面圖觀察內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)情況。在彎刀耕作初始，秸稈與土壤顆粒均保持靜止?fàn)顟B(tài)，隨著彎刀正切刃將土壤切開，刀刃與土壤接觸面積逐漸增大，彎刀附近的土壤顆粒受到擠壓作用向后下方開始運(yùn)動(dòng)，將土壤逐漸撕裂開來，后隨著刀刃入土深度的增加，形成一定的溝壑，秸稈顆粒由于自身的重力以及彎刀的作用滑落到溝壑中，土壤擾動(dòng)逐漸增大，最終將秸稈掩埋，達(dá)到秸稈翻埋的目的。圖1為彎刀入土過程。

1.3 土壤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與速度分析

根據(jù)仿真參數(shù)建立刀輥—秸稈—土壤相互作用模型，將秸稈顆粒隱藏，得到土壤顆粒拋灑運(yùn)動(dòng)矢量圖，如圖2所示。由圖2可知土壤顆粒有向后上方拋灑趨勢，在實(shí)地作業(yè)中旋耕裝置外殼會(huì)與土壤顆粒進(jìn)行接觸，產(chǎn)生一定磨粒磨損。

為了探究土壤顆粒的速度變化與運(yùn)動(dòng)軌跡，本文對(duì)土壤顆粒進(jìn)行隨機(jī)標(biāo)記，在EDEM后處理中，點(diǎn)擊Setup Selections對(duì)秸稈顆粒進(jìn)行隨機(jī)挑選，如圖3中標(biāo)記的黑色加粗顆粒，標(biāo)記編號(hào)為152658。

由于土壤顆粒主要受到刀輥X、Y方向的力，因此簡化該顆?？臻g運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系，利用origin中Levenberg-Marquardt迭代方法與高斯（Gauss）函數(shù)擬合成最佳曲線，如圖4所示。

土壤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和速度表達(dá)式如式（1）所示。

y=y0+AWπ/2e－2（x－xc）2W2

（1）

式中：

y——

土壤顆粒在y方向的位移，mm；

x——

土壤顆粒在x方向的位移，mm；

y0——土壤顆粒的修正系數(shù)；

xc——擬合函數(shù)中心；

A——擬合函數(shù)峰面積，mm2；

W——擬合函數(shù)峰寬，mm。

當(dāng)?shù)遁伵c土壤顆粒接觸時(shí)，顆粒開始向后下方位移，到達(dá)最低點(diǎn)后隨著刀輥的旋轉(zhuǎn)向后上方拋灑，此時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡近似拋物線，隨后在重力作用下回落到地表，與其他顆粒土壤產(chǎn)生碰撞產(chǎn)生波動(dòng)，直至最終停下。

在作業(yè)過程中土壤顆粒152658運(yùn)動(dòng)速度如圖5所示。標(biāo)記152658土壤顆粒運(yùn)動(dòng)速度變化成多峰狀，這是由于其他土壤顆粒和彎刀與其相互作用所產(chǎn)生的結(jié)果，在3.5s時(shí)土壤顆粒速度有向上急劇增加趨勢，在3.7s時(shí)土壤顆粒X方向急劇下降，同理土壤顆粒在其他時(shí)刻變化與之相似，但速度變化小。由此可知耕作過程中土壤顆粒所受到的力是由其他土壤顆粒、秸稈顆粒和彎刀多種因素組成，其速度大小也隨時(shí)間產(chǎn)生大小不同、趨勢相同的周期變化。

1.4 土壤顆粒團(tuán)受力分析

采用bonding鍵來表征土壤內(nèi)聚力。圖6為土壤顆粒O1，O2的連接狀態(tài)，中間由bonding鍵相連，土壤顆粒的實(shí)際接觸距離（r1+r2）大于理論接觸距離（R1+R2）。土槽內(nèi)顆?？倲?shù)為622 750個(gè)，產(chǎn)生bond鍵數(shù)目為1 735 940個(gè)，平均每個(gè)顆粒有2.79個(gè)鍵。

對(duì)土壤顆粒受力分析，采用彎刀破碎土壤團(tuán)所受到的力進(jìn)行表征。首先采用彎刀正前方的顆粒團(tuán)進(jìn)行標(biāo)定，圖7中標(biāo)記的土壤顆粒團(tuán)，連接土壤顆粒的為bonding鍵。

利用EDEM軟件自身的處理功能對(duì)顆粒團(tuán)體進(jìn)行力學(xué)分析，將分析后的結(jié)果導(dǎo)入Origin當(dāng)中，受力破碎過程在X、Y、Z受力分別如圖8（a）、圖8（b）、圖8（c）所示。當(dāng)彎刀在0.8s時(shí)開始接觸土壤顆粒團(tuán)，顆粒團(tuán)X、Y、Z方向受力均迅速上升，最大值分別為15.61N、37.2N、50.37N，直到土壤顆粒團(tuán)被彎刀切碎后力逐漸下降，結(jié)合土壤軌跡分析可知，此時(shí)破碎后的土壤向后上方拋灑并與其他土壤顆粒產(chǎn)生接觸碰撞，導(dǎo)致土壤顆粒團(tuán)在被破碎后產(chǎn)生振蕩波形。

1.5 秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與速度分析

為方便觀察土壤與秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，同理隨機(jī)挑選編號(hào)為45681的秸稈顆粒。為探究顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡方程，采用origin中Levenberg-Marquardt迭代方法與貝塔函數(shù)（Beta）擬合成最佳曲線，如圖9所示，秸稈顆粒有向后下方運(yùn)動(dòng)近似反比例函數(shù)曲線，并由于下層土壤阻力將會(huì)有逐漸停止趨勢。

通過數(shù)據(jù)擬合，秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和速度表達(dá)式如式（2）所示。

y=

y0+A1+W2+W3－2W2－1X－XCW1W2－1·

1－W2+W3－2W3－1X－XCW1W3－1

（2）

式中：

W1、W2、W3——

擬合函數(shù)的第一個(gè)、第二個(gè)、第三個(gè)峰寬，mm。

秸稈顆粒45681運(yùn)動(dòng)速度變化如圖10所示。

彎刀與秸稈接觸瞬間，秸稈速度成直線快速上升，隨著彎刀的離開，秸稈速度開始下降，而后小波動(dòng)的產(chǎn)生，是由于土壤顆粒產(chǎn)生碰撞所致。秸稈在與刀輥相互作用下，秸稈速度迅速攀升，隨著與刀輥分開，秸稈顆粒與土壤顆粒相互作用，土壤顆粒對(duì)秸稈速度產(chǎn)生促進(jìn)和抑制雙重作用，隨著土壤回落地表，此時(shí)秸稈在土層下主要受到土壤摩擦作用，速度產(chǎn)生斷崖式下降，直至為0，達(dá)到掩埋秸稈的目的。分析土壤顆粒和秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡可知，在刀輥耕作過程中，土壤將會(huì)向后上方拋出掩埋之前所耕作過的區(qū)域，而秸稈會(huì)被刀輥向下壓，這種現(xiàn)象很好地解釋了彎刀對(duì)秸稈還田掩埋的工作原理。

2 作業(yè)質(zhì)量分析

2.1 仿真作業(yè)質(zhì)量

選取秸稈翻埋率與還田深度為性能指標(biāo)。仿真作業(yè)秸稈翻埋情況如圖11所示，可以觀察到耕作后的區(qū)域1秸稈量為4個(gè)，而未進(jìn)行耕作區(qū)域2秸稈數(shù)目為32個(gè)。

根據(jù)式（3），可得本次仿真秸稈翻埋率為87.5%，國家標(biāo)準(zhǔn)為翻埋率達(dá)到85%以上，表明彎刀翻埋效果良好。

秸稈翻埋率=N－nN×100%

（3）

式中：

N——耕作前秸稈量；

n——耕作后秸稈量。

將仿真作業(yè)后的土壤與秸稈顆粒，采用后處理工具（Tools）當(dāng)中的Ruler進(jìn)行秸稈深度測量。圖12為隨機(jī)選取的三個(gè)秸稈顆粒進(jìn)行翻埋深度測量，分別為186.56mm、194.12mm、189.79mm。對(duì)三個(gè)秸稈顆粒取平均值得出秸稈平均還田深度為190.16mm，表明還田效果良好，符合秸稈翻埋標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 試驗(yàn)作業(yè)質(zhì)量

為驗(yàn)證上述仿真的真實(shí)性，本文依據(jù)仿真參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)土槽試驗(yàn)，通過不同土層中秸稈含量對(duì)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)在佳木斯大學(xué)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行，試驗(yàn)裝置為課題組自行研制，與課題組發(fā)表的文獻(xiàn)［17］中的實(shí)驗(yàn)裝置相同。秸稈翻埋深度采用鋼尺進(jìn)行測量，將作業(yè)后試驗(yàn)臺(tái)彎刀中央的旋耕土層撥開，測量彎刀兩側(cè)秸稈與地表土壤之間垂直距離，為了減少試驗(yàn)誤差，每隔0.4m采集一組數(shù)據(jù)，并記錄平均值。數(shù)據(jù)如圖13所示。

由圖13計(jì)算出平均翻埋深度為18.68cm，與仿真結(jié)果雖有差距，但大體趨勢一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性，產(chǎn)生誤差原因主要是行走裝置作業(yè)過程中振動(dòng)所致。

秸稈翻埋率數(shù)據(jù)采樣方式與翻埋深度相同，每隔0.4m的位置用0.1m×0.1m的框選取微型區(qū)域，如圖14（a）所示。將耕作區(qū)域的土層分為兩層，第一層為地表層，將未被埋到土中秸稈取出用水清洗備用；第二層為翻埋區(qū)，將區(qū)域內(nèi)秸稈翻出清洗備用；如圖14（b）所示。

經(jīng)測定，可得第一層秸稈量平均值為4.1g，第二層秸稈量平均值為26.8g，即秸稈翻埋率為86.7%。

綜上所述，采用最優(yōu)耕作參數(shù)作業(yè)后，秸稈翻埋深度、翻埋率等作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)均要高于國家標(biāo)準(zhǔn)（85%），符合還田要求。

3 結(jié)論

1）? 本文基于建三江地區(qū)寒地黑土土壤實(shí)測參數(shù)，建立離散元仿真模型。從微觀方面入手，揭示微觀粒子運(yùn)動(dòng)軌跡與土壤受力變化特性，并以秸稈翻埋率與還田深度為指標(biāo)，分別進(jìn)行仿真與室內(nèi)試驗(yàn)，翻埋率分別為87.5%、86.7%，還田深度分別為19.16cm、18.68cm，驗(yàn)證了仿真有效性的同時(shí)，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的85%以上。

2）? 土壤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡表明：刀輥對(duì)土壤顆粒具有向后上方拋灑的趨近于拋物線的趨勢。土壤顆粒速度曲線表明：顆粒在與刀輥接觸時(shí)，速度變化陡然增加，此時(shí)土壤與秸稈受到的擾動(dòng)較大，加速度也隨之增大，隨后成振蕩狀直至為0。土壤團(tuán)的受力表明：在土壤與刀輥接觸瞬間，受力迅速增加，隨著土壤團(tuán)的破碎，土壤顆粒主要受到其他顆粒碰撞與自身重力作用，受力逐漸下降，回落地表掩埋秸稈。秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡表明：秸稈顆粒由于自身的重力以及彎刀的作用，滑落到彎刀產(chǎn)生的溝壑當(dāng)中。

3）? 通過離散元仿真，從微觀角度觀察水稻秸稈和土壤顆粒，在還田彎刀作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度情況，揭示了秸稈翻埋原理，并采用曲線擬合方式將秸稈顆粒和土壤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)化，為還田彎刀減阻及外殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的理論基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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