楊紅艷，楊　望，楊　堅(jiān)，路　宏

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004)

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寬型水田輪作業(yè)過程動(dòng)力學(xué)仿真

楊紅艷，楊望，楊堅(jiān)，路宏

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：寬型水田輪是前耕后驅(qū)微耕機(jī)的行走驅(qū)動(dòng)裝置，除具有驅(qū)動(dòng)性能之外，還具有碾壓碎土和攪動(dòng)混土的作用，其設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)作業(yè)質(zhì)量有大的影響。為此，以1WGQ4型微耕機(jī)為對(duì)象，采用有限元法和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(Smoothed particle hydrodynamics, SPH)相結(jié)合的方法，構(gòu)建土壤-寬輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)其作業(yè)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，在細(xì)微上研究其與土壤的作用機(jī)理。結(jié)果表明：隨著寬輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，輪葉與土壤的接觸應(yīng)力和輪葉水平推進(jìn)力均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，但接觸應(yīng)力比水平推進(jìn)力先達(dá)到最大值；滑轉(zhuǎn)率不同，輪葉出現(xiàn)水平推力為零的位置不同；輪葉折角對(duì)驅(qū)動(dòng)性能、碾壓碎土和攪動(dòng)混土作用有較大的影響。

關(guān)鍵詞：寬型水田輪；作業(yè)過程；動(dòng)力學(xué)仿真；機(jī)理

0引言

南方水田廣泛應(yīng)用微型水田耕整機(jī)械(簡稱微耕機(jī))進(jìn)行耕作，其水田驅(qū)動(dòng)輪(簡稱水田輪)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)微耕機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能影響較大。因此，國內(nèi)外學(xué)者通過物理試驗(yàn)和理論分析對(duì)水田輪的作業(yè)性能影響參數(shù)進(jìn)行了較多的研究，且取得了一定的成果[1-7]。

1WGQ4型微耕機(jī)是一種前耕后驅(qū)的新型微耕機(jī)，其水田輪為寬型水田輪(簡稱寬輪)，寬輪的寬度和旋耕刀具寬度相同；除具有驅(qū)動(dòng)性能之外，還具有碾壓碎土和攪動(dòng)混土作用，且其設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)作業(yè)質(zhì)量影響較大；同時(shí)，其設(shè)計(jì)方法和一般的微耕機(jī)水田輪有較大的差別。目前，前耕后驅(qū)微耕機(jī)寬輪的設(shè)計(jì)方法未見有報(bào)導(dǎo)，因此開展寬型水田輪設(shè)計(jì)方法研究具有重要意義。本文以1WGQ4型微耕機(jī)的寬輪為對(duì)象，采用有限元法和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(SPH)相結(jié)合的方法[8-9]，構(gòu)建土壤-寬輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)其作業(yè)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，在微觀上研究其與土壤的作用機(jī)理，為寬輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1結(jié)構(gòu)和工作原理

1WGQ4型微耕機(jī)主要由機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、減速箱、寬輪及旋耕刀具等組成，如圖1所示。

圖1　1WGQ4型微耕機(jī)

微耕機(jī)作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)減速箱和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳輸?shù)綄捿喓托毒撸趯捿喌尿?qū)動(dòng)作用下機(jī)組前進(jìn)，微耕機(jī)前面的旋耕刀旋轉(zhuǎn)切削土壤，且把切下的土塊拋向擋泥板進(jìn)行破碎。機(jī)組后面的寬輪除了具有驅(qū)動(dòng)微耕機(jī)前進(jìn)之外，還具有碾壓大塊土壤使其進(jìn)一步破碎和攪動(dòng)混土作用。

2動(dòng)力學(xué)仿真模型

2.1模型的建立

1WGQ4型微耕機(jī)寬輪由連接圓板、輻條、輪圈及輪葉組成，輪葉為近似長方體形，如圖2所示。

由于寬輪比土壤的剛度大得多，為了節(jié)省仿真計(jì)算時(shí)間，建模時(shí)將其整體建成剛體。同時(shí)，為了便于建模，將寬輪做以下簡化：

1)省去連接圓板和輻條，僅保留輪圈和輪葉；

2)輪葉簡化成長方體。

由于寬輪的對(duì)稱性，只建其1/2模型，簡化后寬輪的模型如圖3所示。模型尺寸根據(jù)樣機(jī)的實(shí)際尺寸確定：輪圈外直徑450mm、內(nèi)直徑420mm、厚5mm；輪葉長120mm、寬72mm、厚6mm；輪葉傾角γ為45°。

圖2　寬輪

圖3　寬輪模型

由于水田的耕作層土壤(泥腳層)和硬底層土壤的硬度及物理特性參數(shù)差別較大，因此建模時(shí)土壤分上下兩層建模，形狀為長方體：上層土壤為泥腳層，其尺寸(長×寬×高)為1 550mm×195mm×100mm；下層土壤為硬底層，其尺寸(長×寬×高)為1 550mm×195mm×40mm。土壤外圍設(shè)有剛性墻，約束土壤。建立的土壤-寬輪系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4　土壤-寬輪系統(tǒng)模型

2.2模型材料

寬輪選用SOLID164實(shí)體單元類型建模，定義為剛性材料，材料參數(shù)：密度為1.112×104kg/m3(因建模時(shí)省去了輻條和連接圓板，故適度增大材料密度，以保持其原有的質(zhì)量)，泊松比為0.27，彈性模量為0.2×1012Pa。

土壤材料采用LS-DYNA971中MAT_FHWA_SOIL材料模型，其針對(duì)實(shí)體單元且考慮了含水率、應(yīng)變軟化、應(yīng)變率效應(yīng)、孔隙比及孔隙水壓力等的影響和單元?jiǎng)h除[10]。為了解決土壤產(chǎn)生大變形時(shí)引起網(wǎng)格畸變，造成數(shù)值模擬計(jì)算失效的問題，土壤使用SPH單元進(jìn)行建模。土壤的具體參數(shù)如表1所示。

表1　土壤參數(shù)

2.3網(wǎng)格劃分和加載

仿真模型網(wǎng)格劃分直接影響到模型的計(jì)算精度和運(yùn)算時(shí)間。網(wǎng)格劃分細(xì)，計(jì)算精度高，但運(yùn)算時(shí)間長；網(wǎng)格劃分過粗，計(jì)算精度低，易發(fā)生穿透。故在劃分網(wǎng)格時(shí)，要合理匹配寬輪和土壤的網(wǎng)格尺寸，使其接觸良好，相互作用過程不產(chǎn)生穿透現(xiàn)象，保證模型運(yùn)算的精度。

Smart Size是ANSYS提供的一種強(qiáng)大的自動(dòng)劃分網(wǎng)格算法，有利于劃分網(wǎng)格時(shí)生成合理的網(wǎng)格單元[11]。因此，本文采用Smart Size算法對(duì)寬輪進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，寬輪的單元數(shù)為12 010。土壤模型為長方形，形狀規(guī)則，故土壤選擇映射式網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分：上層土壤的單元數(shù)為33 033，下層土壤的單元數(shù)為15 015。

1WGQ4型微耕機(jī)總質(zhì)量為157kg，寬輪的質(zhì)量為14kg。正常作業(yè)時(shí)，人通過扶手把施加在微耕機(jī)上的豎直向下的力約為210N，水平向后的力為140N。由于微耕機(jī)左右兩個(gè)寬輪受力基本一樣，且模型只建立了1/2寬輪，則1/2寬輪承受1/4的外力。因此，建模時(shí)，在寬輪的質(zhì)量中心豎直向下施加410N的力，向后施加35N的力水平力。

由于正常作業(yè)條件下寬輪的轉(zhuǎn)速為1.8rad/s，故建模時(shí)給寬輪施加1.8rad/s的轉(zhuǎn)速。土壤和寬輪之間定義為面面自動(dòng)接觸，靜摩擦因數(shù)為0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.25[12]。

土壤在ANSYS/LS-DYNA中建模后，生成K文件，導(dǎo)入Ls-Prepost中，將土壤的有限元網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為SPH粒子，SPH粒子的疏密程度取決于有限元網(wǎng)格劃分的大小。建立的土壤-寬輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖5所示。

圖5　土壤-寬輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型

3模型的驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)方法及設(shè)備

本文采用物理試驗(yàn)的方法對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)，測量空載條件下(微耕機(jī)的旋耕刀具離地不工作)1WGQ4型微耕機(jī)寬輪的下陷深度及滑轉(zhuǎn)率后，與相同條件下的仿真試驗(yàn)結(jié)果比較驗(yàn)證模型的精度。試驗(yàn)設(shè)備：1WGQ4型微耕機(jī)(水田刀配置，傳動(dòng)比為1檔38.5，2檔23，倒檔50)，紅外轉(zhuǎn)速儀，卷尺，標(biāo)桿。試驗(yàn)地:廣西大學(xué)農(nóng)場水稻田。

驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，選微耕機(jī)1檔速度行走，用直尺測量寬輪的下陷深度；采用紅外轉(zhuǎn)速儀測量與減速箱輸入軸相連的皮帶輪的轉(zhuǎn)速，后由減速箱傳動(dòng)比(一檔為38.5)計(jì)算出寬輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速。寬輪的滑轉(zhuǎn)率采用傳統(tǒng)方式測量，即微耕機(jī)行走一定距離L1時(shí)，數(shù)出寬輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)，后由寬輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)和半徑計(jì)算出理論上微耕機(jī)行走的距離L，則滑轉(zhuǎn)率為

(1)

物理試驗(yàn)重復(fù)6次。

3.2驗(yàn)證結(jié)果及分析

寬輪物理試驗(yàn)的平均下陷深度約為8cm，滑轉(zhuǎn)率的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖6是仿真試驗(yàn)時(shí)寬輪的下陷深度曲線。由圖6可知：寬輪運(yùn)行穩(wěn)定后，下陷深度在8cm附近波動(dòng)，即平均值約為8cm，和物理試驗(yàn)的結(jié)果一致。由表2可知：物理試驗(yàn)的平均滑轉(zhuǎn)率為3.18%，仿真試驗(yàn)的滑轉(zhuǎn)率為3.10%，平均滑轉(zhuǎn)率相對(duì)誤差為2.5%。這表明，建立的土壤-寬輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型精度高。

表2　 滑轉(zhuǎn)率試驗(yàn)結(jié)果

圖6　下陷深度曲線圖

4作業(yè)過程分析

4.1單輪葉

圖7是在寬輪和土壤作用過程中單一輪葉與土壤作用過程的動(dòng)力學(xué)仿真截圖(滑轉(zhuǎn)率3.10%)，圖8是單一輪葉的水平推力變化圖。由圖7可知：隨著輪葉平面向下移動(dòng)，輪葉對(duì)土壤的壓力不斷加強(qiáng)，輪葉與土壤的接觸應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)t=0.34s時(shí)，接觸應(yīng)力最大；當(dāng)t>0.34s時(shí)，雖然輪葉的前端還繼續(xù)下行，但輪葉的后端已開始上行，輪葉對(duì)土壤的壓力開始減小，輪葉與土壤的接觸應(yīng)力逐漸減??；當(dāng)t>0.76s時(shí)，輪葉雖然已不向下后方壓土，但輪葉開始前推土壤，故輪葉與土壤間還存在接觸應(yīng)力。由圖8可知：t在0～0.22s和0.76～0.94s區(qū)間時(shí)，輪葉水平推力為負(fù)值；t在0.22～0.76s區(qū)間時(shí)，為正值，且隨時(shí)間的增加呈先增大后減小的變化趨勢。其原因是：t在0～0.22s區(qū)間時(shí)，雖然輪葉平面向下移動(dòng)，輪葉對(duì)土壤的壓力不斷加強(qiáng)，輪葉與土壤的接觸應(yīng)力逐漸增大；但輪葉傾角較小，且輪葉水平方向的運(yùn)動(dòng)速度較大，輪葉厚度方向產(chǎn)生向前推土作用，故輪葉的水平推力為負(fù)值。當(dāng)t在0.76～0.94s區(qū)間時(shí)，輪葉葉面已向前運(yùn)動(dòng)，葉面對(duì)土壤產(chǎn)生向前的推壓作用，故輪葉的水平推力為負(fù)值；當(dāng)t在0.22～0.5s區(qū)間時(shí)，輪葉向下后方運(yùn)動(dòng)，向后對(duì)土壤的壓力不斷增大，且輪葉的傾角不斷增大，故輪葉的推力不斷增大，且為正值；當(dāng)t在0.5～0.76s區(qū)間時(shí)，開始雖然輪葉前端還繼續(xù)向下后方運(yùn)動(dòng)，輪葉傾角也在增大，但輪葉后端已上移較多，故輪葉對(duì)土壤的向后壓力逐漸減小，輪葉推力逐漸減小。同時(shí)，由圖7和圖8可知：土壤應(yīng)力(0.34s時(shí)最大)比輪葉水平推力(0.5s時(shí)最大)先達(dá)到最大值。當(dāng)t=0.76s時(shí)，即當(dāng)輪葉轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)再轉(zhuǎn)17.5°時(shí)，輪葉的水平推力為零，比文獻(xiàn)[10]研究結(jié)果的大4.5°。不同滑轉(zhuǎn)率條件下的仿真分析表明：滑轉(zhuǎn)率不同，出現(xiàn)水平推力為零的位置也不同，故出現(xiàn)與文獻(xiàn)研究結(jié)果不一致的情況。

圖7　單一輪葉與土壤作用過程的動(dòng)力學(xué)仿真截圖

圖8　單一輪葉的水平推力變化圖

4.2寬輪

寬輪除具有驅(qū)動(dòng)微耕機(jī)前進(jìn)的作用之外，還具有碾壓碎土和攪動(dòng)混土作用。因此，為了在寬輪作業(yè)過程的動(dòng)力學(xué)仿真圖中便于觀察寬輪的破碎土壤和攪動(dòng)混土作用效果，把耕作層土壤分為兩層(土壤材料參數(shù)不變)建模，使其產(chǎn)生不同顏色層(兩層土壤粒子相互混合多，表示攪動(dòng)混土能力強(qiáng))。圖9是寬輪對(duì)土壤的碾壓過程仿真截圖。其中，圖9(a)是輪葉為直板型寬輪對(duì)土壤碾壓過程的仿真截圖，圖9(b)是輪葉為折角型寬輪對(duì)土壤碾壓過程的仿真截圖。

圖9　寬輪碾壓痕跡

由圖9(a)、(b)可知：輪葉帶折角的寬輪比輪葉為直板型的土壤碾壓破碎作用強(qiáng)，且耕作層的兩層土壤相互混合的粒子數(shù)也比直板型的多，表明其攪動(dòng)混土作用也強(qiáng)。兩種寬輪動(dòng)力學(xué)仿真表明：直板型輪葉寬輪的平均滑轉(zhuǎn)率為3.28%，牽引功率為650.239W，而折角型輪葉寬輪的平均滑轉(zhuǎn)率為5.97%，牽引功率為632.148W；直板型的打滑率小，牽引效率高，驅(qū)動(dòng)性能好，表明折角因素對(duì)寬輪的驅(qū)動(dòng)性能、碾壓碎土和攪動(dòng)混土作用影響較大。因此，為了使寬輪具有良好的驅(qū)動(dòng)性能，且具有較強(qiáng)的碾壓碎土和攪動(dòng)混土作用，其輪葉折角的角度應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5結(jié)論

1)采用有限元法和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法 (SPH) 相結(jié)合的方法構(gòu)建的土壤-寬輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型精度高，可用于寬輪作業(yè)過程分析。

2)隨著寬輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，輪葉與土壤的接觸應(yīng)力和輪葉水平推進(jìn)力均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，但接觸應(yīng)力比水平推進(jìn)力先達(dá)到最大值；且滑轉(zhuǎn)率不同，輪葉出現(xiàn)水平推力為零的位置不同；輪葉轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)、再轉(zhuǎn)17.5°角時(shí)，輪葉的水平推力為零，且滑轉(zhuǎn)率不同時(shí)，出現(xiàn)輪葉水平推力為零的位置也不同。

3)輪葉折角因素對(duì)寬輪的驅(qū)動(dòng)性能、碾壓碎土和攪動(dòng)混土作用影響較大，為使寬輪具有良好的驅(qū)動(dòng)性能，且具有較強(qiáng)的碾壓破土和攪動(dòng)混土作用，輪葉折角的角度應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Arthur L. Fajardo, Delfin C. Suministrado, Engelbert K. Peralta, et al. Force and puddling characteristics of the tilling wheel of float-assisted tillers at different lug angle and shaft speed[J]. Soil and Tillage Research,2014,140:118-125.

[2]Wawan Hermawan, Minoru Yamazaki, Akira Oida. Theoretical analysis of soil reaction on a lug of the movable lug cage wheel[J]. Journal of Terramechanics, 2000, 37(2) : 65-86.

[3]C Watyotha, D Gee-Clough, V.M Salokhe. Effect of circumferential angle, lug spacing and slip on lug wheel forces[J].Journal of Terramechanics, 2001,38(1) :1-14.

[4]C Watyotha, V.M Salokhe. Development of a data acquisition system for measuring the characteristics of real time forces by cage wheels[J].Journal of Terramechanics, 2001,38(4):201-210.

[5]Yongzhi Zhang, Chuncheng Zuo, Yang Wang, et al. Study of a bionic paddy impeller inspired by buffalo hoof[J].Journal of Bionic Engineering, 2008,5(S1):79-86.

[6]C Watyotha, V.M Salokhe. Pull, lift and side force characteristics of cage wheels with opposing circumferential lugs[J].Soil and Tillage Research, 2001,60(3-4):123-134.

[7]陸華忠，羅錫文.水田驅(qū)動(dòng)葉輪輪葉下土壤流動(dòng)特性與動(dòng)力性能研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010，41(7):50-53.

[8]張永智,左春檉,孫少明,等.水田驅(qū)動(dòng)葉輪仿生葉片機(jī)理數(shù)值模擬分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(11):176-179,202.

[9]邵耀堅(jiān),周大軍,羅錫文.沿前刺孔行駛的水田葉輪動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1995，11(1)：58-64.

[10]邵耀堅(jiān),羅錫文.水田耕整機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1992,8(2):80-87.

[11]鐘江，蔣建東， 姜濤，等.基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)仿真的板結(jié)土壤深旋耕技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010,46(19):63-69.

[12]楊望, 楊堅(jiān), 賈豐云,等.種植于紅粘土的木薯塊根挖掘作業(yè)數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013,49(9)：135-143.

[13]LEWIS B A.Manual for LS-DYNA soil material model147[R].Department of Transportation: Federal Highway Administration,2004:10-13.

[14]胡國良，任繼文，龍銘.ANSYS13.0有限元分析實(shí)用基礎(chǔ)教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012：108-110.

[15]中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988:171-192.

Abstract ID:1003-188X(2016)04-0029-EA

Dynamic Simulation of Working Process of Wide Type Paddy Wheel

Yang Hongyan, Yang Wang, Yang Jian, Lu Hong

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：Wide type paddy-field wheel is a driving device for walking of the micro-tillage machine which is tilling at first and then driving. Except driving performance, the wheel can roll broken soil and stir mixed soil. Its design parameters has great influence on operation quality. “1WGQ4” micro-tillage machine was used as the study object. Dynamic simulation model of soil -wide wheel system was established by using the finite element method and the smooth particle hydrodynamics method. Working process of the wheel was analyzed. And mechanism of interaction between the wheel and soil was studied at meso level. The results show that with rotation of the wheel, contact stress of the soil and lug of the wheel and horizontal propelling force of the lug increase first and then decrease. But the stress reached the maximum first. With the variation of slip rate, the location where the force is zero is different. Bending angle of the wheel has great influence on driving performance, rolling broken soil and stirring mixed soil.

Key words：wide type paddy wheel; working process; dynamic simulation; mechanism

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0029-05

中圖分類號(hào)：S222.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：楊紅艷(1989-)，女，安徽亳州人，碩士研究生,(E-mail) zuihongyan1020@163.com。通訊作者：楊望(1984-)，男，廣西合浦人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)yanghope@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51365005) ； 玉林市科技項(xiàng)目(玉市?？飘a(chǎn)201306802)

收稿日期：2015-03-21