芯铧式开沟器结构优化及试验研究

在施肥播种开沟作业中减少土壤扰动、避免干湿土混杂,可以有效减少土壤水分无效蒸发,保证种子萌发。开沟器是播种施肥机械的关键工作部件,在中高速作业条件下其结构设计对土壤的上下翻动和侧向推动会产生重要的影响。本文对传统芯铧式开沟器进行改进设计,借助离散元仿真和土槽试验,结合示踪法研究开沟作业后的土壤微观运动变化,确定了最优结构参数,并进行了对比试验。主要研究内容及结论如下:（1）芯铧式开沟器型面结构改进。基于开沟过程土壤运动分析和国内外开沟器深入研究的基础上,改进设计芯铧曲面,变凹面为凸面,减少开沟对土壤的侧向抛土;结合播种农艺需求和芯铧式开沟器设计要求确定芯铧式开沟器基本结构参数及范围。（2）关中平原土壤离散元仿真模型建立。关中平原土壤颗粒结构主要为粒块状结构,选用西北农林科技大学机电学院试验田土壤。采用课题组测定试验耕层土壤物性参数,参考相关文献资料确定土壤颗粒结构及土壤模型参数建立离散元土壤仿真模型。（3）离散元仿真分析。选取开沟器幅宽、斜切角、入土角、脊线曲率半径、作业速度为试验因素,设计两组四因素三水平的正交试验。试验结果表明开沟器幅宽对试验指标影响显著,幅宽越大,开沟宽度越大、土壤扰动率越大、侧向抛土距离越大,回填率越低。根据仿真试验结果确定最优芯铧式开沟器参数组合为幅宽B 60mm、斜切角γ60°、入土角α25°、脊线曲率半径R 300mm。设置表层、浅层、中层、深层土壤,观察土壤的微观运动,最优参数组合相近参数开沟器在8km/h作业下回填土层混合扰动小。（4）土槽验证试验。选取开沟器斜切角、入土角、脊线曲率半径、作业速度为试验因素,设计两组三因素三水平的正交试验。试验结果表明作业速度对试验指标土壤扰动率、沟回填率、侧向抛土距离影响明显,变化分别为-4.6%15.4%、26.7%8.1%、12.8%44.2%。根据试验结果确定最优设计参数组合斜切角γ60°、入土角α25°、脊线曲率半径R 300mm,土壤微观运动分析芯铧式开沟器最优参数与土槽试验结果一致。仿真试验与土槽试验指标开沟宽度在5km/h和8km/h的差异分别为-22.5%-2.8%、-14.3%5.6%;试验指标侧向抛土距离在5km/h和8km/h的差异分别为5.7%30.2%、-11.1%5.7%。仿真试验和土槽试验指标误差较小,表明仿真模型可靠。（5）改进芯铧式开沟器与传统开沟器对比试验。结果表明:在5km/h和8km/h作业速度条件下,改进的芯铧式开沟器较传统开沟器土壤扰动率分别降低6%和16.2%、沟回填率分别增加17.1%和15.9%,尤其在高速条件下土壤扰动和作业质量明显改善。