开沟器作用下的土壤扰动如图 4 所示。从图 4 中 可以看出： 圆盘开沟器在切入土壤过程中，土壤扰动 小，土壤边界没有出现崩溃的地方。这说明，圆盘工作 参数及土壤模型选择正确。
图 5、图 6、图 7 分别为土壤在 X、Y、Z 方向的应力 云图。
图 6 土壤在开沟器作用下的应力—Y 方向 Fig． 6 soil stress under the corrugated disc opener—Y direction
1 开沟器结构及工作原理
水稻收获以前就要开始播种育苗，收获后再移栽到田
在未经翻耕且有作物残茬和秸秆覆盖的稻板田
间。据统计，长江流域冬油菜种植区 60% 以上面积需 上进行免耕移栽时，由于水稻秸秆根须茂盛、结块大、
要采用育苗移栽的种植方式。近年来，在不能采用直 不易破除，开 沟 器 入 土 困 难，很 难 开 出 理 想 的 沟 型。
从应力分布图可以看出： 波纹圆盘刀片在 3 个方 向上均未出 现 应 力 集 中 点。 这 表 明，刀 片 的 参 数 设 计 合理。同时，在波纹圆盘开沟器切削土壤的过程中 3 个方向应力最大值均出现在土壤模型中，X 方向最大 应力为 334． 8N，Y 方向最大应力为 467N，Z 方向的最 大应力为 454． 2N。
播种植的生育期不足的轮作区，出现大面积的冬季撂 圆盘开沟器由于具有省力、切割残茬能力强和破茬防
荒田（ 即 冬 闲 田） ，据 测 算 有 333． 3 万 ～ 4 466． 7 万 堵效果好等优点，在播种机和蔬菜移栽机中得到广泛
hm2 。因此，移栽装备的缺乏或性能低下成为制约油 应用。根据 田 间 试 验 可 知： 平 面 圆 盘 刀 虽 切 断 性 较
只需分析外圆周上的点在 BD 段的切茬速度。
当外圆周某点运动到任一点 P 时，设点 P 与 Q 的
垂直距离为 h，位置 P 的切茬速度为 v。
在直角三角形 OCP ，有
lPQ 2 = lCQ 2 + lOP 2 － loc 2
设 OP = Ｒ，则
lPQ = 槡2Ｒh 根据速度瞬心法得
式对于作物产量和品质的影响及其巨大的经济效益。 波纹圆盘刀作为开沟器的关键部件。采用大波纹设
目前，国内大部分针对移栽机的研究还受限于耕作地 计具有良好的增加阻力作用，使土壤与圆盘间的摩擦
土壤的前期处理，要求土壤细碎、秸秆残留少，导致人 力增大，滑移率明显降低，工作过程可靠，能形成疏松
力、物力成本增加，没有大规模推广。尤其对于水稻 并适合移栽的带状苗床。
一定时，切茬深度是破茬率的主要影响因素。即切茬
深度可作为切茬率的表征，此时切茬深度和牵引阻力
可作为被动式波纹圆盘刀的主要工作性能指标。配
重是切茬深度的主要影响因素，它是指试验过程中施
加在机架上的辅助重物质量，分配到圆盘刀的质量是
配重和机架质量之和。因此，机具前进速度和配重是
影响开沟器开沟性能的主要影响因素。
收获以后的黏重土壤，通过任何耕整地手段都无法达
波纹圆盘开沟器是针对稻板田油菜免耕移栽设
到土壤细碎、疏松、可流动的状态，所以这些移栽机均 计的。在设计过程中，考虑配套机具安装空间不足、
无法适用于黏重土壤条件下的油菜及其他作物的移 配重较轻 等 问 题，其 结 构 设 计 力 求 简 单 有 效。通 过
4 结论
1） 通过对比分析，在针对机具配重不足、开沟松 土压力大和开沟器易缠草情况下，波纹圆盘开沟器结 构简单、入土 能 力 强，锋 利 的 刃 口 能 有 效 切 割 秸 秆 残 茬，同时降低 土 壤 扰 动，开 出 的 沟 型 符 合 油 菜 移 栽 的 农艺要求。
－ mail） 362268885@ qq． com。 通讯作者： 吴崇友 （ 1959 － ） ，男，辽宁 岫 岩人，研 究 员，博 士生导 师，
博士，（ E － mail） cywu59@ sina． com。
PＲO / E 建立的开沟器装配示意图如图 1 所示，波纹圆 盘主要几何参数（ 圆盘刀波纹外径 D、圆盘刀波纹内 径 d、圆盘刀壁厚 t 和圆盘振幅 A） 如图 2 所示。
菜产业发展的主要瓶颈。
好，但开出的沟槽宽度太窄； 采用平面圆盘斜置又会
我国旱地移栽机械的 研 究 始 于 20 世 纪 50 年 代 出现构型 直 线 度 低 等 问 题，不 能 满 足 油 菜 移 栽 的 需
末，通过几十年的发展，人们逐渐认识到移栽种植方 要； 而缺口圆盘刀切断阻力大、功耗大。因此，采用大
3 有限元分析
图 2 波纹圆盘主要几何参数 Fig． 2 Geometric parameters of the corrugated disc opener
图 3 圆盘刀速度分析简图 Fig． 3 Velocity analysis chart of the corrugated disc opene
栽。然而，采用波纹圆盘结构设计的开沟器在稻板田
收稿日期： 2014 － 12 － 01 基金项目： 江苏省农机“三项 工 程”项 目（ NJ2011 － 44 ） ； 江苏省 农 机
“三新工程”项目（ NJ2012 － 10） 作者简介： 吴 俊（ 1988 － ） ，男，安徽安庆人，助理研究员，硕士，（ E
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农机化研究
第 12 期
图 9 土壤在开沟器作用下的位移—Y 方向 Fig． 9 Soil displacement under the corrugated disc opener—Y direction
图 10 土壤在开沟器作用下的位移—Z 方向 Fig． 10 Soil displacement under the corrugated disc opener—Z direction
开 展 了 基 于 ANSYS / LS － DYNA 的 开 沟 器 切 削 土 壤 的 数 值 模 拟 ，得 出 了 开 沟 模 型 三 向 应 力 和 应 变 云 图 ，并 计 算 出
开 沟 器 在 一 定 土 壤 条 件 下 开 沟 沟 深 为 70 ～ 80 mm 、沟 宽 为 62 mm ，与 实 际 相 符 。
长江流域是世界最大的冬油菜区，也是我国最集 通过波纹盘的峰面能挤出一条宽 50 ～ 80mm 的深沟，
中的油菜产区，种植面积和占全国的 85% 左右。长江 保证油菜苗入土。
流域冬油菜大部分采用稻 － 油或稻 － 稻 － 油轮作的 种植模式。由 于 茬 口 紧 张，为 了 保 证 油 菜 生 长 期，在
图 4 开沟器作用下的土壤扰动 Fig． 4 Soil agitating distribution under the corrugated disc opener
图 7 土壤在开沟器作用下的应力—Z 方向 Fig． 7 Soil stress under the corrugated disc opener—Z direction
2 开沟器力学性能分析
破茬率和牵引阻力是影响被动式开沟器作业性 能的主要指标，影响破茬率的主要因素是切茬速度和
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开沟深度。试验表明： 切茬速度越快，破茬率越高； 开 沟越深，破 茬 率 越 高，牵 引 阻 力 也 越 大。 开 沟 器 在 切 削土壤过程中，圆盘刀同时具有土壤摩擦力作用的旋 转运动 ω 和机具牵引力形成的水平运动 v，所以采用 速度瞬心法进行圆盘刀开沟速度分析，如图 3 所示。
由于 ANSYS 软件本身的建模能力有限，且 PＲO / E 软件和 ANSYS 具有很好的兼容性，因此本文通过在 PＲO / E 中建立波纹圆盘刀的三维实体模型，并将文件 保存为 IGES 格式，最后从 ANSYS 软件中调用这个文 件。 3． 2 前处理
开沟 器 的 有 限 元 模 型 在 ANSYS 前 处 理 器 中 建 立，开沟器的几何结构按照实物进行 1： 1 建模，土壤 模型的几何结构设置为 1． 00m × 0． 60m × 0． 30m 的实 体。由于开沟 器 是 对 称 体，土 壤 可 以 认 为 是 无 限 域，
等 问 题 ，设 计 了 波 纹 圆 盘 开 沟 器 。开 沟 器 采 用 波 纹 圆 盘 设 计 ，通 过 螺 栓 调 节 开 沟 深 度 ，有 效 解 决 了 入 土 难 问 题 。
运 用 Pro / E 构 建 了 波 纹 圆 盘 开 沟 器 的 三 维 模 型 ，通 过 力 学 性 能 分 析 了 影 响 开 沟 器 开 沟 性 能 的 主 要 因 素 。 同 时 ，
图 1 波纹圆盘开沟器装配示意图 Fig． 1 Assembly diagram of the corrugated disc opener
图 3 中，点 O 为速度瞬心，该点是圆盘刀最底部
与土壤的接触点； 点 B、Q 分别为根茬 － 土壤复合体的
顶部和底部； 切茬的主要部位是外圆周 BD 段。因此，
开沟过程属于非 线 性 结 构 冲 击 力 学 问 题 ，由 于 土 壤材料是非线性的，波纹圆盘刀与土壤的接触也是非 线性的。因 此，本 文 采 用 非 线 性 动 力 分 析 软 件 ANSYS / LS － DYNA 来模拟波纹圆盘刀开沟的过程，分析 切削土壤过程中圆盘刀的受力和土壤变形情况。 3． 1 有限元模型的导入
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为减小计算工作量，建模时可以把整个模型简化为三 维平面对称问题。因此，软件所建模型仅为实际模型 的半边，并在对称平面上施加径向位移约束。开沟器 和土壤模型单元类型定义为 LS － DYNA Explicit 三维 实体单元 SOLID 164，算法选用拉格朗日单点积分。 3． 3 结果分析
槡 v = ωlPQ = ω 槡2Ｒh = V
2h Ｒ
其中，ω 为圆盘刀旋转速度，V 为机具前进速度。