頓國(guó)強(qiáng),陳海濤，李興東，紀(jì)文義，朱 海，宋文龍

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

保護(hù)性耕作技術(shù)通過(guò)采用深松、少耕及免耕播種技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的耕翻式整地技術(shù)，可有效提高土壤的蓄水保墑、抗旱、抗水蝕風(fēng)蝕能力，以及土壤的有機(jī)質(zhì)含量，培肥地力[1-2]。深松鏟作為保護(hù)性耕作機(jī)具深松機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)良與否直接影響土壤的深松效果。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常采用仿生設(shè)計(jì)、有限元仿真及試驗(yàn)研究等方法[3-8]，對(duì)深松鏟進(jìn)行設(shè)計(jì)研究：如白景峰、李博及呂秀婷等設(shè)計(jì)了狗獾爪趾式仿生深松鏟，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究；張強(qiáng)與賈洪雷等利用有限元法對(duì)仿生鉤形深松鏟耕作阻力進(jìn)行分析研究及試驗(yàn)驗(yàn)證；王景立及劉選偉等利用ANSYS Workbench進(jìn)行了弧形深松鏟模態(tài)分析研究；王宏立及張偉利用Pro/E和ANSYS對(duì)深松鏟進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析；齊關(guān)宇、劉林及趙艷忠等采用試驗(yàn)的方法研究了入土深度及鏟形對(duì)深松鏟耕作阻力的影響；李博及劉凡一等雖利用離散元法進(jìn)行了深松鏟耕作阻力的仿真分析研究，但并不深入。

本研究采用EDEM建立鑿式深松鏟的離散元仿真模型，并對(duì)其載荷進(jìn)行空間分解，確定載荷的主要組成。同時(shí)，采用仿真試驗(yàn)的方法分析作業(yè)參數(shù)對(duì)深松鏟耕作阻力及載荷波動(dòng)狀況的影響。

1 深松鏟土壤深松仿真

1.1 顆粒接觸模型

為描述深松鏟土壤深松過(guò)程中土壤顆粒間及土壤顆粒與接觸部件間的瞬態(tài)力學(xué)行為，EDEM系統(tǒng)默認(rèn)多種接觸力學(xué)模型[9-10]，以模擬不同的顆粒接觸力學(xué)特性。本研究采用EDEM2.4版本系統(tǒng)默認(rèn)的Hertz-Mindlin (no slip)接觸力學(xué)模型[11-12]，此接觸模型的法向及切向力由Hertz接觸理論及Mindlin模型確定，且載荷包括由阻尼系數(shù)及恢復(fù)系數(shù)確定的阻尼分量，切向摩擦力庫(kù)侖摩擦定律確定。此模型具有較高的計(jì)算精度，顆粒單元(Hertz-Mindlin)接觸力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 顆粒接觸力學(xué)模型Fig.1 Model of particle contact forces

(1)

(2)

顆粒接觸切向力及切向阻尼力由切向交疊量及切向剛度確定，其接觸法向力表達(dá)式為

F法=-2·δ法·S法

(3)

(4)

1.2 深松鏟土壤深松過(guò)程仿真

參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[13]，按適用30cm深松鏟標(biāo)準(zhǔn)GB/T9788-1999，利用SolidWorks2009建立輕型鑿式深松鏟的三維實(shí)體模型(見(jiàn)圖2)，并將深松鏟模型另存為.igs格式文件。

圖2 深松鏟三維實(shí)體模型Fig.2 Deep shovel 3D model

利用EDEM 2.6建立鑿式深松鏟的離散元元仿真算例，選用Hertz-mindlin(no-slip)模型定義土壤顆粒之間、土壤顆粒與深松鏟及土槽之間的顆粒接觸力，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[14-18]，確定模型仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模型仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters setting of model simulation

為真實(shí)模擬深松鏟的土壤深松過(guò)程，在保證運(yùn)算結(jié)果正確的基礎(chǔ)上，盡量降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量，土壤顆粒采用球體建模，顆粒半徑5mm；軟件自動(dòng)計(jì)算土壤顆粒的質(zhì)量屬性[19]，并將上述建立的深松鏟實(shí)體模型導(dǎo)入EDEM仿真算例模型，設(shè)定深松鏟的作業(yè)速度為1m/s，方向?yàn)閤軸負(fù)向，z軸負(fù)向?yàn)橹亓铀俣确较?。同時(shí)建立顆粒工廠(chǎng)及土槽實(shí)體模型，土壤顆粒數(shù)量40 000，生成速度z軸負(fù)向5m/s，生成速率100 000個(gè)/s，仿真步長(zhǎng)5.831 9×10-5s，記錄數(shù)據(jù)時(shí)間間隔0.000 5s，則深松鏟的土壤深松離散元仿真模型如圖3所示。

圖3 深松鏟離散元仿真模型Fig.3 Chisel-type deep shovel discrete element simulation model

如圖4所示，利用EDEM 2.6后處理模塊提取鑿式深松鏟的土壤深松過(guò)程的土壤絕對(duì)耕作阻力及其各軸方向分量數(shù)據(jù)。

圖4 深松鏟土壤耕作阻力Fig.4 Chisel-type deep shovel soil cutting force

由圖4可知：鑿式深松鏟的土壤耕作阻力隨著時(shí)間的推移，由0開(kāi)始逐漸增大。其中，絕對(duì)土壤耕作阻力與其x軸分量具有相同的變化趨勢(shì)，兩力值的變化范圍為150～375N之間；z軸分量為負(fù)值，即土壤對(duì)深松鏟的豎直方向阻力向下，深松鏟有自行入土的功能，且其力值在-240～-110N范圍內(nèi)變動(dòng)；y軸分量數(shù)據(jù)在±50N范圍內(nèi)波動(dòng)；且所有載荷數(shù)據(jù)在0.7s后趨于穩(wěn)定；由上述分析可知：深松鏟土壤耕作阻力主要由前進(jìn)分量及豎直分量決定。深松鏟的土壤耕作阻力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistic of loading data N

2 作業(yè)參數(shù)對(duì)耕作阻力的影響

2.1 入土深度的影響

圖5 深松鏟土壤耕作阻力曲線(xiàn)Fig.5 Deep shovel soil tillage resistance curve

圖6 載荷波動(dòng)系數(shù)曲線(xiàn)Fig.6 Load fluctuation coefficient curve

利用Origin 8.0對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，獲得土壤耕作阻力MF及其前進(jìn)分量XF、豎直分量ZF與

入土深度的擬合曲線(xiàn)方程及擬合相關(guān)系數(shù)分別為

(5)

各回歸方程的擬合系數(shù)RMF=RXF=RZF=0.999≈1，說(shuō)明回歸方程擬合可靠。由圖5可知：土壤耕作阻力MF及其前進(jìn)分量XF為正值、豎直分量ZF為負(fù)值。這是由于深松鏟為入土角為銳角，土壤對(duì)其有向下的作用；同時(shí)，土壤耕作阻力隨著入土深度的增大而增大，但由于不同深度的土壤具有不同的土壤容重及土壤堅(jiān)實(shí)度，造成耕作阻力與入土深度間并呈非線(xiàn)性關(guān)系。由圖6可知：土壤耕作阻波動(dòng)系數(shù)隨著入土深度的增大而減小，表明隨入土深度的加深，土壤耕作阻力的波動(dòng)狀況降低，尤其豎直分量波動(dòng)狀況降低更加明顯。

2.2 作業(yè)速度的影響

為了分析作業(yè)速度對(duì)鑿式深松鏟土壤耕作阻力的影響，分別設(shè)定作業(yè)速度0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m/s6個(gè)水平，其它參數(shù)設(shè)置不變；同樣，提取每種試驗(yàn)處理下的穩(wěn)定段絕對(duì)平均土壤耕作阻力MFa、前進(jìn)分量XFa及豎直分量ZFa與波動(dòng)系數(shù)λ。作業(yè)速度對(duì)土壤耕作阻力及載荷波動(dòng)系數(shù)的影響如圖7、圖8所示。

土壤耕作阻力MF及其前進(jìn)分量XF、豎直分量ZF與作業(yè)速度的擬合曲線(xiàn)方程及擬合相關(guān)系數(shù)分別為

(6)

各回歸方程的擬合系數(shù)分別為RMF=0.984、RXF=0.985、RZF=0.956，回歸方程擬合可靠。由圖7可知，絕對(duì)土壤耕作阻力MF及其前進(jìn)分量XF、豎直分量ZF隨著作業(yè)速度的增大而增大，這是由于當(dāng)速度增大時(shí)，單位時(shí)間耕作土壤量增大，鏟面接觸土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)速度增大，造成更多的能量消耗，進(jìn)而土壤耕作阻力增大。由圖8可知，土壤耕作阻波動(dòng)系數(shù)隨著作業(yè)速度的增大而整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但絕對(duì)土壤耕作阻力MF及前進(jìn)分量XF的載荷波動(dòng)在1.5～2m/s范圍發(fā)生一次減小，而豎直分量ZF的波動(dòng)減小則推遲發(fā)生在2～2.5m/s范圍內(nèi)。

圖7 深松鏟土壤耕作阻力曲線(xiàn)Fig.7 Deep shovel soil tillage resistance curve

圖8 載荷波動(dòng)系數(shù)曲線(xiàn)Fig.8 Load fluctuation coefficient curve

3 結(jié)論

應(yīng)用EDEM分析了輕型鑿式深松鏟土壤深松作業(yè)過(guò)程的耕作載荷組成及入土深度與作業(yè)速度對(duì)土壤耕作載荷的影響，結(jié)果表明：深松鏟土壤耕作阻力主要由前進(jìn)阻力及垂直阻力決定，土壤耕作阻力及其前進(jìn)、豎直分量隨著作業(yè)速度及入土深度的增大而增大，且土壤耕作阻力與兩作業(yè)參數(shù)間皆呈拋物線(xiàn)型二次函數(shù)關(guān)系；同時(shí)，土壤耕作阻力的波動(dòng)狀況隨入土深度的增大及作業(yè)速度的減小而減小。該研究可為深松鏟的設(shè)計(jì)研究提供一定的參考。

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