潘世強(qiáng)，操子夫，楊雨林,趙婉寧

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，長春　130118)

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基于離散元法的芯鏵式開溝器設(shè)計(jì)

潘世強(qiáng)，操子夫，楊雨林,趙婉寧

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，長春130118)

摘要：傳統(tǒng)式芯鏵式開溝器被廣泛地應(yīng)用于東北壟作地區(qū)，但其開溝寬度大、與土壤產(chǎn)生的阻力大限制其使用。為此，對(duì)芯鏵式開溝器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究，確定了開溝器寬度d、入土角α、斜面角β、作業(yè)速度v、含水率p為其性能的影響因素，用SolidWorks軟件建立了一系列不同參數(shù)的芯鏵式開溝器模型。通過對(duì)耕層土壤的物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)的研究，運(yùn)用EDEM對(duì)所設(shè)計(jì)的一系列芯鏵式開溝器進(jìn)行仿真分析，得到開溝阻力較小的開溝器，其參數(shù)為：入土角為50°、斜面角為55°、寬度為50mm。在室內(nèi)土槽中，進(jìn)行芯鏵式開溝器的性能測(cè)試。結(jié)果表明：仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的相關(guān)性，且規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了仿真模型參數(shù)選取的正確性。

關(guān)鍵詞：芯鏵式；開溝器；離散元法

0引言

芯鏵式開溝器結(jié)構(gòu)簡單、溝底平整、入土性能較好，且對(duì)播種前整地要求不高，被廣泛地應(yīng)用于東北壟作地區(qū)[1]。目前使用的芯鏵式開溝器大多開溝寬度大、保墑效果差、對(duì)土壤的側(cè)向推移較大，不適合高速播種。近年來，離散元法被逐漸地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，多用于仿真具有散粒體特性的物質(zhì)，如種子、化肥及土壤等[2]。

本文通過對(duì)吉林省中部地區(qū)土壤物理學(xué)參數(shù)的測(cè)定，建立了相應(yīng)的土壤顆粒離散元模型。采用均勻設(shè)計(jì)法，對(duì)芯鏵式開溝器進(jìn)行設(shè)計(jì);選用3個(gè)因素、8個(gè)水平作為試驗(yàn)方案，利用三維建模軟件建立了相應(yīng)的開溝器模型，并將該模型導(dǎo)入離散元軟件，對(duì)開溝器的工作過程進(jìn)行仿真，得到開溝的效果和開溝器所受的工作阻力；通過對(duì)各個(gè)影響因素的分析，最終得出了開溝器各參數(shù)的最優(yōu)組合。

為了驗(yàn)證其仿真的準(zhǔn)確性和可靠性，利用玻璃土槽進(jìn)行了開溝器的開溝試驗(yàn)，并采用高速攝像技術(shù)記錄了開溝器的工作過程，使用二維力傳感器及動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀對(duì)開溝的工作阻力進(jìn)行了測(cè)定。試驗(yàn)與離散元仿真結(jié)果對(duì)比表明：兩者具有較好的相關(guān)性，且規(guī)律一致。同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了一組適合吉林省中部地區(qū)土壤特性的新型芯鏵式開溝器的設(shè)計(jì)參數(shù)[3]。

1芯鏵式開溝器參數(shù)的確定

工作時(shí)，開溝器芯鏵入土，側(cè)板將土擋在兩側(cè)。本試驗(yàn)主要通過改變開溝器主要參數(shù)(如寬度d、入土角α、斜面角β)，分析開溝器的性能[4]?；谌S建模軟件設(shè)計(jì)的開溝器模型如圖1所示。

圖1　開溝器模型

本文選取了芯鏵式的3個(gè)主要因素為設(shè)計(jì)參數(shù)，每個(gè)因素選取8個(gè)水平，如表1所示。根據(jù)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)要求，得到16個(gè)不同形狀的開溝器模型，試驗(yàn)方案如表2所示[5]。

表1　開溝器因素水平表

續(xù)表1

表2　開溝器因素設(shè)計(jì)表

2芯鏵式開溝器的離散元仿真分析

2.1　土壤仿真模型的建立

土壤是由氣體、液體和固體組成的復(fù)雜物質(zhì)，且土壤中存在著化學(xué)鍵和毛細(xì)水，這使得土壤之間存在一定的粘聚力。在建立土壤顆粒模型時(shí)，一部分主要參數(shù)是依據(jù)測(cè)定吉林省中部地區(qū)土壤物理性質(zhì)得到的，另一部分參數(shù)則是通過對(duì)比試驗(yàn)與仿真結(jié)果后修正獲得的。顆粒接觸模型選擇了Hertz-Mindlin粘結(jié)接觸模型，該模型將兩個(gè)顆粒通過一定尺寸的“粘結(jié)鍵”粘結(jié)在一起，這種粘結(jié)可以承受一定的法向力和切向力，并當(dāng)且僅當(dāng)達(dá)到最大法向應(yīng)力和切向應(yīng)力時(shí)，兩顆粒間的粘結(jié)就被破壞，這種粘結(jié)模型與土壤的實(shí)際情況相符合[6-8]。

土壤顆粒是一種非常不規(guī)則的物質(zhì)，本文通過二維影像儀對(duì)不同粒徑的土壤顆粒進(jìn)行形狀觀察。為了更加真實(shí)地體現(xiàn)土壤顆粒的形狀，將土壤顆粒近似地模擬成單球形、雙球形和三球堆疊形，并分層生成土壤模型顆粒，如圖2所示。

圖2　土壤顆粒離散元模型

2.2　開溝器仿真模擬實(shí)驗(yàn)

將不同參數(shù)的開溝器模型導(dǎo)入離散元仿真軟件，分別進(jìn)行開溝器工作過程的仿真，得到開溝過程中的土壤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及開溝器的工作阻力，觀測(cè)土壤擾動(dòng)情況。由于仿真的開溝器種類較多(見圖3)，僅提供兩組開溝仿真圖(a、c為4號(hào)開溝器的模擬狀態(tài)，b、d為9號(hào)開溝器的模擬狀態(tài))。仿真實(shí)驗(yàn)表明：開溝器的寬度越小，回土越明顯；寬度越大，回土不明顯，底層土壤基本裸露在外面。

(a)　　　　　　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　　　　 　 (d)

仿真獲得的16組開溝器所受阻力如表3所示。應(yīng)用均勻設(shè)計(jì)中的直觀分析法可以得出：4號(hào)開溝器所受阻力較小，回土效果較好，溝底較為平整，為芯鏵式開溝器的設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。

表3　開溝器工作阻力

3開溝器土槽試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

3.1　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由微型土槽與測(cè)試設(shè)備組成，如圖4所示。二維力傳感器和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，可測(cè)量工作物件的水平力和垂直力[9-10]；高速攝像機(jī)可記錄工作部件及土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)情況。

圖4　玻璃土槽試驗(yàn)臺(tái)

3.2　試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)選取的5個(gè)因素分別是開溝器的寬度、入土角、斜面角、速度和含水率。由于土壤的含水率較難控制，在試驗(yàn)過程中會(huì)發(fā)生變化。因此， 本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中含水率的水平數(shù)為2，其余因素的水平數(shù)為8，選取混合均勻設(shè)計(jì)方法。因素水平表如表4所示。

表4　因素水平表

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)方案，將不同參數(shù)的開溝器放置到土槽試驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行了試驗(yàn)，并記錄了開溝器工作時(shí)的工作阻力與土壤及工作部件的運(yùn)動(dòng)情況。

4.1　開溝器工作阻力與能耗測(cè)定

通過二維力傳感器和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀記錄的開溝器工作過程中所受的阻力，如圖5所示。由于水平垂直阻力較小對(duì)試驗(yàn)影響較小，忽略不計(jì)。

在開溝阻力相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域選取了5個(gè)數(shù)，取平均值作為其試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，開溝器的能耗也是評(píng)定開溝器好壞的重要指標(biāo)之一。

開溝器的能耗[11-12]為

η=S/D

式中S—開溝面積；

D—開溝寬度。

本文利用自制的溝形測(cè)繪器測(cè)溝形，采用表格法計(jì)算其面積(cm2)，開溝寬度可直接測(cè)得，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。水平阻力和能耗對(duì)開溝器作業(yè)質(zhì)量的影響較大，所以本試驗(yàn)采用加權(quán)的方法分析試驗(yàn)結(jié)果，開溝器水平阻力影響占結(jié)果的70%，能耗影響占結(jié)果30%。

圖5　開溝的阻力

表5　開溝測(cè)試結(jié)果表

經(jīng)過加權(quán)分析可知：4號(hào)開溝器水平阻力和能耗相對(duì)較小，為最佳設(shè)計(jì)方案，同時(shí)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.2　土壤顆粒運(yùn)動(dòng)情況測(cè)

由于土壤顏色較深，不便于觀察底層土壤的變化。因此，在表層土壤上平鋪了帶有顏色的化肥，以便高速攝像機(jī)記錄開溝過程[13-15]。如圖6所示：當(dāng)開溝器較窄時(shí)，開溝器回土較為迅速，但容易造成溝底不平。

(a) 　　　　　　　　　 (b)

(c)　　　　　　　　　 (d)

當(dāng)寬度、入土角和斜面角較大時(shí)，開溝時(shí)易造成起土過高，使表層土壤回落在種溝內(nèi)，不利于開溝。如圖7所示：當(dāng)開溝器較寬時(shí)，溝底較為平整，但回土性能較差。

(a) 　　　　　　　　　　(b)

(c)　　　　 　　　　　　(d)

試驗(yàn)與仿真對(duì)比表明，兩者具有較好的相關(guān)性，阻力呈現(xiàn)的規(guī)律是一致的。產(chǎn)生的偏差的主要原因：一是土壤模型較為復(fù)雜，一些參數(shù)僅能憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)置；二是由于使用大量化肥導(dǎo)致土槽中的土壤板結(jié)，與大田實(shí)際作業(yè)的土壤存在差距。

5結(jié)論

通過研究芯鏵式開溝器的寬度、入土角、斜面角等主要因素并采用均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)出了一系列新型的開溝器。利用離散元法建立耕層土壤模型，模擬開溝器的工作過程，并借助于玻璃土槽試驗(yàn)臺(tái)和高速攝像技術(shù)對(duì)離散元仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，通過對(duì)開溝器的仿真分析與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，得到一組適合吉林省中部地區(qū)使用的芯鏵式開溝器設(shè)計(jì)方案。

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The Design of Furrow Opener Based on Discrete Element Method

Pan Shiqiang，Cao Zifu，Yang Yulin，Zhao Wanning

(Engineering and Technology College, Jilin Agricultural University, Changchun 130118,China)

Abstract：Traditional type furrow opener is widely used in the Northeast ridge area, but the width of the ditch, and soil resistance restrict the use it. In this paper, the structural characteristics of core ploughshare type furrow openers, determine the width of opener D, penetrating angle alpha, bevel angle beta, operating speed V, water rate P for the factors affecting the performance of, with the SolidWorks software established a series of different parameters of core ploughshare type furrow opener model. Through the study on soil physical properties and mechanical properties, using edem to simulation and analysis of the designed a series of core ploughshare type furrow opener and opener ditching resistance is relatively small, its argument is: penetrating angle of 50 degrees, slope angle of 55 degrees, width is 50mm. In the indoor soil tank, testing the performance of furrow opener. The results show that the simulation and test data have a certain correlation, and the law is basically consistent, and verify the correctness of the simulation model parameters.

Key words：furrow； opener discrete； element method

中圖分類號(hào)：S222.5+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0023-05

作者簡介：潘世強(qiáng)(1975-)，男，吉林撫松人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)shiqiangpan@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175219)

收稿日期：2015-09-01