2024年RecurDyn优秀案例竞赛作品分享：基于DEM-MBD耦合的全膜双垄沟滚轮穴施肥仿真试验

摘要：针对西北地区两种典型的滚轮式穴施肥器T1、T2，分别建立模型，采用DEM-MBD耦合技术，通过对其膜下施肥过程进行仿真，作业速度为1 m/s时，T1、T2模型穴施量分别为14.43 g、15.02 g， T1、T2模型地膜膜孔颗粒速度区间约为0.2~0.8 m/s、0.2~0.96 m/s，对土壤最大扰动速度分别为1.54 m/s、1.31 m/s。

关键词：全膜双垄沟播；滚轮式穴施肥器；DEM-MBD耦合技术

一、研究背景及目的

全膜双垄沟播种床地膜覆盖，制约了田间基肥的及时准确施加，作物生长阶段所需膜下施肥、追肥问题成为制约其推广应用的难点所在。因此，机械化膜下精准施肥是全膜双垄沟播技术发展急需攻克的难题，滚轮式结构简单、施肥量适用范围大、排施流动性好、得到泛应用。针对上述问题，本文构建两种全膜双垄沟滚轮穴施肥器DEM-MBD耦合模型，对滚轮穴施肥器作业属性、全膜双垄沟土壤扰动情况以及地膜形变情况分析，以期为全膜双垄沟膜下施肥机具研发提供理论依据与参考借鉴。

二、建模过程

2.1滚轮穴施肥器总体结构

目前西北地区主要应用的滚轮穴施肥装置总体结构如图1所示，主要分两种类型：T1、 T2模型。

1. 滚珠；2. 开启装置；3.定鸭嘴；4.拨杆；5.轴承部件；6.前端盖；7.前排肥盖；8.肥量调节按钮；9.后端盖；10.壳体；11.后排肥盖；12.储肥盒；13.动鸭嘴；14.扭转弹簧

(a) T1模型 T1 Model

1. 储肥壳；2. 齿轮组；3. 拨杆；4. 定鸭嘴；5. 辐条；6. 法兰盘；7. 拨杆；8. 前端盖；9. 滚珠；10. 后端盖；11. 支撑架；12. 连接板；13. 收缩齿；14. 拨盘；15. 肥箱；16. 动鸭嘴；17. 输肥管；18. 拨轮

(b) T2模型 T2 Model

(c) 爆炸视图 Exploded view

图1 滚轮穴施肥器结构示意图

2.2模型建立与运动副约束

使用RecurDyn建立滚轮穴施肥器动力学模型，各零件运动约束如表1所示，动力学模型如图2所示。

为建立与RecurDyn耦合仿真文件，通过离散元后处理模块，导出*.dem文件，利用EDEM 2020和RecurDyn V9R3耦合接口，对滚轮穴施肥器和全膜双垄沟种床互作过程进行联合仿真，如图4所示。

三、试验工况设计及试验结果

3.1 滚轮穴施肥器施肥作业效果分析

施肥量作为滚轮穴施肥器作业效果的一个重要指标，为研究滚轮穴施肥器作业过程中垄沟膜下施肥情况以及对垄沟土壤颗粒扰动情况，在EDEM后处理中，对施肥量进行检测统计如图5所示，改变种床土壤颗粒透明度，使得整个施肥过程可视化效果显著，如图6所示。

3.2 种床地膜形变分析

由图7（a）（c）可知，两种滚轮穴施肥器模型作用下地膜五穴的膜孔颗粒变化较为一致，其中T1模型速度区间约为0.20~0.80 m/s，部分地膜颗粒速度略微增大达到1.20 m/s，T2模型速度区间约为0.20~0.96 m/s，其余位置处地膜依附于种床土壤之上，趋于稳定，破膜孔尺寸在39.70~49.20 mm之间，地膜整体看来较为平稳，扰动幅度小。

由图7（b）（d）可知，T1、T2模型在0.3 s时间内完成一次扎穴施肥运动，地膜受成穴器作业影响，地膜开始破损，穴孔位置开始局部变形，其他位置处地膜较为稳定，其中T1模型变形位置处地膜颗粒速度在0.17~0.56 m/s内；T2模型成穴器结构偏大，变形位置处地膜颗粒速度在0.15~1.60 m/s内。

3.3 土壤运动状态分析

如图8所示，成穴器在完全进入土壤之前，其定嘴对土壤有较大的运动速度，靠近成穴器顶端部分的土壤颗粒运动速度最大，两种模型最大速度分别为1.54 m/s、1.31 m/s，1.6 s与3.7s时成穴器开始扎入最底位置，其周围土壤颗粒被挤出，向四周扩散状态，土壤运动速度逐渐变大，种床表层土壤运动速度明显，土壤扰动较大，1.7 s与3.8 s时成穴器动鸭嘴开始闭合，垄沟土壤颗粒运动方向最混乱，被抬起的部分土壤失去成穴器动嘴的作用，表现出回填趋势，1.8 s与3.9 s后成穴器离开土壤，土壤颗粒矢量方向朝着垄沟穴施位置运动，最大速度分别为0.68 m/s、0.81 m/s。

四、结论

（1）滚轮式穴施排肥器仿真结果表明，当作业速度为1m/s时，T1模型穴施量为14.43 g，T2模型穴施量为15.02 g，T2模型相较于T1模型施肥量均匀且稳定，施肥质量变化幅度小，施肥效果T2优于T1；

（2）滚轮式穴施排肥器T1、T2模型作用下地膜膜孔颗粒变化较为一致，其中T1模型速度区间约为0.2~0.8 m/s，部分地膜颗粒速度略微增大达到1.2 m/s，T2模型速度区间约为0.2~0.96 m/s，其余位置处地膜依附于种床土壤之上，趋于稳定，地膜整体看来较为平稳；

整体对比分析得出T2模型优于T1模型，可以解决全膜双垄沟膜下施肥问题。

作者：邓欢