基于EDEM的播种机镇压轮作业质量仿真试验研究

Simulation experimental research on the operation quality of the press wheel of the seeder based on EDEM

摘要

针对播种机开沟后地面拱起土壤易产生风沙扰动的问题，从播种机镇压轮的作业质量入手，研究其作业后对地面环境的恢复效果。以圆柱形光面镇压轮为研究对象分析其平衡状态下的力学性能，基于EDEM离散元软件对镇压过程进行仿真分析，利用Design-Expert软件对作业参数进行三因素三水平的正交试验设计，通过响应面法分析了参数的交互作用对地面平整度的影响，并对参数进行了优化。试验结果显示：镇压过程中，影响地面平整度的作业参数主次顺序为镇压轮作业速度、地面拱起土壤的堆积高度；为满足作业效率需求，当开沟后地面土壤堆积高度为43 mm时，镇压轮作业速度应达到1.32 m/s，此时最佳地面平整度为93%。对于更高的作业效率需求，应结合土壤拱起形态合理提高作业速度。

Abstract

Aiming at the problem that the ground arched soil is easy to produce wind and sand disturbance after the ditching of the seeder, the recovery effect of the ground environment after the operation is studied from the operation quality of the press wheel of the seeder. The mechanical properties of the cylindrical smooth pressing wheel under equilibrium state were analyzed. Based on EDEM discrete element software, the operation process of pressing wheel was simulated and analyzed. The orthogonal test design of the three-factor and three-level was carried out by using Design-Expert software. The influence of parameter interaction on ground flatness was analyzed by response surface method, and the parameters were optimized. The test results show that in the process of pressing wheel operation, the primary and secondary order of operation parameters affecting ground flatness is the operation speed of the pressing wheel and the accumulation height of the ground arched soil. To meet the demand of operating efficiency, when the height of ground soil accumulation after ditching is 43 mm, the operating speed of the press wheel should reach 1.32 m/s, and the best ground flatness is 93%. For higher operating efficiency requirements, the operating speed should be reasonably increased in combination with the soil arching morphology.

Graphical abstract

关键词

地面平整度 / 镇压轮 / 土壤形态 / 响应面法 / EDEM仿真

Key words

EDEM simulation / design of experiments / pressing wheel / response surface methodology / soil morphology

镇压是农田播种机作业时的重要环节之一，主要通过降低土壤孔隙度，减少水分蒸发来达到土壤保墒的目的，在镇压过程中也起到固定地面土壤形态，减少风沙扰动，提高作业质量，维持环保的作用，其作业质量直接影响种子周边的土壤环境^[1-2]。播种机的基本作业流程为：刀盘入土开沟、排种入沟、覆土镇压。其中，开沟刀盘的作业质量直接影响排种和镇压作业。目前根据播种机所用开沟器结构的不同，对应镇压轮类型主要有圆柱形镇压轮、凹面和凸面镇压轮、圆锥复合形镇压轮、宽形橡胶镇压轮等。在镇压轮的相关研究中，Altikat等^[3]对比分析了不同土壤压实度对作物生长特性的影响，设计了橡胶镇压轮装置，主要通过若干额外配置的铁板来改善作业性能。Johnston等^[4]对开沟器、镇压轮和耕作模式进行分析研究后，确定了镇压轮和开沟器的不同组合方式，以实现作物的最佳生长效果。耿元乐等^[5]设计了一种免耕播种机的镇压力精准调节装置，通过田间性能试验确定了满足农艺要求的最佳土壤参数和镇压轮作业参数。郭慧等^[6]利用有限元软件模拟分析了锥形镇压轮作业时对种沟土壤的镇压强度，为镇压轮设计提供了理论依据。李文春等^[7]设计了一种荒漠化土壤植树机，其覆土镇压装置通过V型覆土板和橡胶镇压轮配合来减小镇压轮作业时的滑移现象。在播种机镇压轮结构设计方面的大量研究成果中均侧重探究作物种子的覆盖效果，而播种机开沟后地面拱起土层受风沙干扰会降低农田环境质量，因此，通过镇压作业对地面土壤进行压实是恢复地面环境、减少扬尘现象的关键措施，但目前相关研究理论和成果较少。

为提高农田作业质量，本文以镇压作业后的地面平整度为研究目标，以圆柱形镇压轮为试验对象，利用离散元法模拟了镇压轮碾压时地面土壤的位移变化。通过试验设计法分析开沟后土壤拱起形态和镇压轮作业速度对地面平整度的影响，并对试验结果进行优化后确定镇压轮的最佳作业参数。

1 镇压轮结构机理

1.1 整体结构分析

镇压轮的主要功能就是覆土和镇压，在播种机整体结构中属于简易直观的作业部件。如图1所示，试验对象是由薄钢板卷制而成的光面圆柱形镇压轮，该结构是最传统的镇压结构型式，幅宽较大，能较好地满足作业地面的平整度需求，保证镇压过程中压力分布的均匀性。由于镇压轮与地面接触时起到一定的支撑作用，通常会加装限深装置辅助开沟器调节作业深度。此外，在压力弹簧的作用下也减小了镇压轮自身的振动。

1.2 镇压轮尺寸参数

镇压轮的主要尺寸参数为幅宽和直径，幅宽通常与开沟器的开沟参数有关。开沟器作业后地面土壤拱起截面形状如图2所示，其中，l₁是单侧土壤拱起宽度，l₂是沟槽的槽顶宽，l₃是沟槽的槽底宽，l₄是两侧拱起土壤间距，h₁是地面土壤拱起高度，h₂是沟槽深度。

为保证镇压轮作业后土壤对作物种子的覆盖率，其镇压宽度应至少大于沟槽宽度。若将开沟幅宽截面图视为二维沟型曲线，在考虑1/3回土范围的情况下，沟槽的实际宽度L可由图中坐标点A(x_a，y_a )，B(x_b，y_b )表示为^[8]

L=\sqrt[]{(x_b-x_a{)}^{\mathrm{2}}+(y_b-y_a{)}^{\mathrm{2}}}(1)

一般来说，镇压轮的镇压宽度仅大于沟槽宽度时难以满足地面平整度要求，根据农田作业需求，农机镇压轮宽度约为1 400~2 500 mm^[9-10]，具体结构参数应结合机型尺寸和开沟器作业范围进行合理设计。

对于镇压轮直径的选择，一般为了达到良好的镇压效果，直径不宜过小，否则易产生镇压强度不够甚至拖土的现象；直径过大时也会使滚动阻力和能耗增加。查询农机设计手册^[11]可知，镇压轮的直径应满足以下标准：

D\ge \frac{\mathrm{2}{M}_{\mathrm{R}}}{G\mu }(2)

式中：D为镇压轮直径，mm；M_R为轴套中的摩擦力矩，N·m；G为镇压轮重力及其附加结构载荷，N；μ为镇压轮与土壤间的摩擦系数。

由式(2)可知，镇压轮直径与其轴套中的摩擦力矩成正比，与摩擦系数和自身重力载荷成反比，相关研究结果表明，镇压轮直径的最佳设计范围是200~500 mm^[12]。为了保证镇压效果，在实际应用中应结合农业作业要求，在控制成本的同时尽可能地提高镇压力。

2 镇压过程的力学分析

镇压轮在作业过程中与地面的接触范围主要以弧面形式周期循环，选取接触弧面线的中点为所研究的平衡受力点，则镇压轮的受力情况如图3所示，其在前进牵引力F_P、地面法向支撑力F_N、地面摩擦力F_f以及镇压轮自身重力G的作用下保持平衡状态，此时镇压轮与地面的接触点Q的力平衡关系为

\left\{\begin{array}{l}{F}_{\mathrm{P}}+F_{\mathrm{x}\mathrm{1}}-F_{\mathrm{x}\mathrm{2}}=\mathrm{0}\\ F_{\mathrm{y}\mathrm{1}}+F_{\mathrm{y}\mathrm{2}}-G=\mathrm{0}\\ M_{\mathrm{K}}+M_{\mathrm{R}}-F_{\mathrm{P}}{H}_{\mathrm{Q}}+G{Z}_{\mathrm{G}}=\mathrm{0}\end{array}\right.(3)

式中：F_P为前进牵引力，N；F_x1为地面摩擦力的水平分力，N；F_y1为地面摩擦力的垂直分力，N；F_x2为地面支撑力的水平分力，N；F_y2为地面支撑力的垂直分力，N；M_K为地面对轮的阻力矩，N·m；M_R为镇压轮转轴中的内摩擦力矩；H_Q为接触点Q与轮轴中心的垂直距离，mm；Z_G为接触点Q与轮轴中心的水平距离，mm。

镇压轮作业对象主要为开沟后地面的拱起土壤，其土质结构疏松，在镇压过程中对镇压轮的反向作用力间接表现为镇压轮的压入深度。根据开沟参数的不同，一般地面上疏松土壤拱起高度存在一定差异，但对镇压轮的压入深度影响不大，其作业过程中的实际压入深度可简化为^[13]

Z=\frac{\mathrm{6}G}{\mathrm{5}KB{D}^{\mathrm{1}/\mathrm{2}}}(4)

式中：Z为压入深度，mm；K为土壤特性系数；B为镇压轮幅宽，mm。

根据镇压轮的压入深度可进一步推算出镇压轮与地面的接触面积为

A=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\frac{\sqrt[]{Z^{\mathrm{2}}+\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}(\mathrm{2}\theta )}}{\mathrm{2}R}\right)\times \frac{\mathrm{\pi }R}{\mathrm{90}}\times B(5)

式中：A为镇压过程中的接触面积，mm²；θ为接触点Q与竖直方向夹角，(°)；R为镇压轮半径，mm。

据此可得镇压轮作业时对地面的压力为

P=\frac{G}{A}(6)

式中：P为镇压轮对地面的压力，kPa。

3 镇压过程仿真分析

为确定传统圆柱形镇压轮的镇压效果，利用EDEM软件模拟镇压轮碾压作业过程中离散化土壤的位移变化^[14]，以此分析地面拱起土壤的不同运动状态。

3.1 离散元模型建立

为缩短土壤颗粒的生成时间，仿真时选取1 300 mm×500 mm×200 mm土槽模型进行区域仿真试验。在前处理环境中设置三种土层颗粒模型，如图4所示，分别对应农田土壤的底层坚实层、中层疏松层和表层拱起层，土壤采用Hertz-Mindlin with JKR接触模型模拟农田土壤的可压缩黏度特性^[15-16]。模型的材料参数及其接触参数的设定如表1所示。

由于仿真时所需土壤颗粒数量多，计算量大，对计算机性能要求较高，为降低工作量，对模型进行简化处理，如图5所示，只截取沟槽单侧土壤拱起区域进行仿真，并选取镇压轮直径为220 mm，幅宽为300 mm。根据实际镇压作业流程，分别对三层土壤颗粒以及镇压轮的镇压过程进行先后时间的确定，并对镇压轮进行线性移动和转动的运动参数限制。虽然镇压过程以土壤保墒为主要作业目的，但过小的土壤孔隙会导致作物种子生长效率降低，因此在仿真模型中规定镇压轮与地面之间始终保持10 mm的固定间距。

3.2 仿真结果后处理

在仿真结果后处理中，为直观分析不同影响因素作用下的镇压效果，通过在仿真模型中划分单元检测区域观察镇压前后土壤颗粒变化，单元检测区域是由镇压轮压入深度和作业面积组成的正六面体区域，如图6所示。

由于地面土壤层的拱起状态不同，对应单元检测区域位置略有差异，但都处于镇压后的土壤颗粒稳定区。镇压轮作业时单元检测区域内的颗粒随着镇压轮的碾压被逐步推移，因此前侧土壤呈现局部堆积隆起状态，碾压前后的土壤颗粒位置变化如图7所示，根据开沟作业后两侧土壤堆积形态和作业速度的不同，碾压后前侧土壤隆起状态也不同。

镇压轮作业前后的碾压区土壤颗粒分布效果如图8所示。随着镇压轮的滚动前进，碾压区土壤颗粒被推挤至两侧以及轮前侧，碾压过后同一高度的颗粒检测区域内颗粒数量减少，地面区域平整化。

在镇压轮碾压过程中，周边土壤颗粒的速度随着碾压位置的推移而逐步变化，其中土壤颗粒在z轴方向的移动速度如图9(a)所示，在局部碾压范围内，镇压轮周边土壤颗粒不仅有前进方向的移动速度，同时会在碾压后方产生颗粒的挤压速度，这是碾压后土壤颗粒被压缩平整的主要原因；图9(b)为土壤颗粒沿y轴方向的移动速度分布，可以看到土壤颗粒在镇压轮前侧方产生较大的速度分布，这是碾压过程中前侧土壤隆起并逐渐向侧方挤出的主要原因。

在镇压轮碾压前后的局部范围内，土壤颗粒所受压缩力也在逐步变化中，为对比镇压轮碾压前后土壤颗粒的压缩力分布情况，将碾压区域按图10所示的对称位置进行划分。在镇压轮碾压作业后，两区域内的颗粒所受压缩力变化曲线如图11所示。由该曲线可知，4.83 s之前镇压轮的作业区域为前碾压区，在此期间随着镇压轮的位置变化，前碾压区土壤颗粒所受压缩力逐渐增加，并且在4.6~4.8 s的时间段内，由于前碾压区土壤颗粒的不断推移，后碾压区土壤颗粒受到影响后，其压缩力呈现微幅增加的趋势；在4.83 s之后，镇压轮位置变化至后碾压区，此时前碾压区颗粒逐渐趋于稳定，压缩力逐渐减小，后碾压区所受压缩力开始增加。

4 镇压效果试验

针对播种机开沟作业后地面土壤松散易产生扬沙的不良影响，镇压轮的碾压过程具有固定土壤形态，减少风沙扰动的作用。因此，为确定镇压轮的碾压作业效果，以其作业后的地面平整度为目标参数进行仿真试验设计。

4.1 试验方案设计

播种机作业时针对不同作物生长状况所需的开沟深度不同，导致地面两侧拱起土壤层的形态存在一定的差异性。对此，在镇压轮仿真试验过程中，通过控制土壤颗粒的生成数量模拟地面土壤的不同拱起形态。在试验时以拱起土壤的底层宽度、堆积高度以及镇压轮作业速度为试验变量，以作业后的地面平整度为试验指标进行试验方案设计。其中，试验指标计算公式为

F_{\mathrm{平整}\mathrm{度}}=\mathrm{1}-\frac{N_{\mathrm{0}}}{N}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}(7)

式中：F_平整度为镇压后的局部地面平整度；N₀为镇压后区域内土壤颗粒数量；N为镇压前区域内土壤颗粒数量。

由于地面的实际土壤拱起量与开沟作业参数有关，故堆积高度和底层宽度并无固定数值范围，在此参考作物起垄的相关参数对试验因素范围进行确定^[17-18]。具体设定为地面拱起土壤的底层宽度100~200 mm、地面土壤堆积高度30~50 mm，镇压轮的作业速度1~2 m/s^[19]。在此基础上，采用三因素三水平的正交试验设计方法进行仿真组合试验，该方法可以有效减少试验次数，并且对有无交互作用的试验因素具有同样的适用性，其试验因素及其水平如表2所示。

4.2 试验结果分析

为确定镇压轮对地面表层土壤的镇压效果，利用Design-Expert软件中的Box-Behnken方法对试验因素进行了三因素三水平的正交试验方案设计，并基于前述EDEM软件流程对17组正交组合方案分别进行了仿真试验，具体试验设计方案及其对应结果如表3所示。

由试验结果可知，不同组合的试验变量对地面平整度产生了不同结果。对此，基于以上试验数据进行方差分析后得出各试验变量对试验指标的影响显著性，方差分析结果如表4所示。

根据以上分析结果，镇压轮作业后地面平整度的回归模型达到显著水平(P<0.05)，说明模型与试验变量之间存在显著的函数关系。其中，移动速度对地面平整度具有极为显著的影响(P<0.01)，堆积高度对地面平整度影响显著(P<0.05)，底层宽度对地面平整度的影响不显著。通过F检验可知影响地面平整度的试验变量主次顺序为作业速度、地面土壤层的堆积高度。将试验变量中的不显著因素（底层宽度）去除后，得到地面平整度和与试验变量之间拟合的回归方程为

Y=\mathrm{92.55}-\mathrm{0.39}{B}^{\mathrm{2}}+\mathrm{0.95}{C}^{\mathrm{2}}-\mathrm{0.09}BC-\mathrm{0.91}B-\mathrm{1.2}C(8)

4.3 响应面分析与优化

根据试验数据生成地面拱起土壤底层宽度、堆积高度以及镇压轮作业速度之间的交互作用对地面平整度的响应曲面，如图12所示。其中，由图12(a)可知，在土壤的堆积高度和底层宽度的交互作用下，地面平整度的变化并不显著，该交互作用对镇压轮作业效果的影响较小；图12(b)显示，地面平整度在底层宽度的影响下无明显变化，但随着镇压轮作业速度的增加而显著降低，说明该交互作用对地面平整度产生了一定影响；图12(c)显示，地面平整度受土壤堆积高度和镇压轮作业速度交互作用的影响较大，与二者间均存在明显的负相关关系，其中镇压轮作业速度对地面平整度的影响更显著。

由上分析可知，合理选择土壤堆积高度和镇压轮作业速度是提高作业地面平整度的关键，而地面平整度反映了地面土壤的紧实程度，通常较好的平整度能够有效降低扬沙扬尘产生的概率。在实际作业中，土壤堆积高度主要由播种机开沟深度及其相关作业参数决定，应根据实际产生的土壤堆积高度进行合理分析；由于镇压轮作业速度与地面平整度呈负相关，在实际镇压过程中，应结合播种机的作业效率以及镇压轮幅宽确定最佳镇压速度。通常播种机作业效率为每小时6 666.7~20 000.1 m²，当所选镇压轮幅宽为1 400 mm时，为达到播种机的最小作业效率，其作业速度应至少达到1.32 m/s，在此选择地面土壤的堆积高度趋于50 mm时进行优化设计，其优化模型为式(9)，对应优化结果如图13所示。

\left\{\begin{array}{l}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}Y(A,B,C)\\ \mathrm{s}.\mathrm{t}.\left\{\begin{array}{l}\mathrm{100}\le A\le \mathrm{200}\\ B=\mathrm{50}\\ C\ge \mathrm{1.32}\end{array}\right.\end{array}\right.(9)

由以上优化结果可知，当开沟作业后地面土壤底层宽度为145 mm、堆积高度为43 mm、选择镇压轮作业速度为1.32 m/s时，能够满足农田播种每小时10亩的作业效率，此时作业后最高地面平整度可达93%。当需要满足更大的作业效率时，应在综合考虑地面拱起土壤的底层宽度和堆积高度的同时，合理增加作业速度。

5 结论

为确定播种机镇压轮作业后农田地面环境的恢复性能，对其碾压过程中的接触点平衡位置进行了受力分析，利用EDEM软件仿真模拟了镇压轮的碾压作业过程；借助Design-Expert软件开展了三因素三水平的正交试验设计，并对试验结果进行方差分析后确定了不同作业参数对地面平整度的显著性影响程度，最后通过响应面法对作业参数进行了优化设计。主要结论如下：

1) 镇压轮作业过程中，周边土壤颗粒在产生前进速度的同时也存在反向的挤压速度，前进速度使镇压轮碾压前侧土壤呈现隆起状态，而挤压速度是使碾压后侧土壤呈现紧实和平整的主要原因。

2) 镇压轮作业过程中，作业速度对地面平整度有着极为显著的影响；在地面土壤的拱起形态中，土壤堆积高度是影响地面平整度的重要因素，土壤底层宽度对地面平整度并无显著影响。

3) 为满足常规的农田作业效率需求，镇压轮作业速度应至少达到1.32 m/s，对应地面平整度可达93.03%，当所需作业效率较高时，应在综合考虑地面土壤的不同拱起形态后，合理提高镇压轮的作业速度。

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基金资助

内蒙古自治区科技重大专项项目(2020ZD0002)

内蒙古工业大学科学研究项目(BS2021032)

内蒙古工业大学科学研究项目(ZZ202103)