高建民，劉興達(dá)，齊惠冬，I. A. Lakhiar

斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土仿真及試驗(yàn)

高建民，劉興達(dá)，齊惠冬，I. A. Lakhiar

（江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212013）

斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕是一種新的旋耕方式，研究其拋土機(jī)理對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕機(jī)有重要意義。該文在LS-DYNA平臺(tái)上建立了斜置逆轉(zhuǎn)旋耕拋土SPH（smoothed particle hydrodynamics，即光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法）仿真模型，通過(guò)該模型對(duì)不同工況下的斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土模擬仿真，得出了不同參數(shù)條件下斜置逆轉(zhuǎn)旋耕時(shí)不同層的后拋土率，將相同條件下仿真得到的不同層的后拋土率和室內(nèi)土槽試驗(yàn)得到的不同層的后拋土率進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證結(jié)果表明，最大仿真誤差為12.50%，最小仿真誤差為0.20%，平均誤差為3.09%。應(yīng)用校正的仿真模型，以斜置角、前進(jìn)速度、潛土深度以及刀輥轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)的4個(gè)因素，并對(duì)每個(gè)因素取3個(gè)水平，以后拋土率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行了斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土虛擬正交試驗(yàn)。采用極差分析法、方差分析法以及回歸分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，影響后拋土率的主次順序依次為潛土深度、斜置角、前進(jìn)速度和刀輥轉(zhuǎn)速，后兩者對(duì)后拋土率影響不顯著，并且得出了潛土深度、斜置角與后拋土率的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。根據(jù)虛擬試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化了斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕機(jī)物理樣機(jī)并且進(jìn)行了田間試驗(yàn)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕成功解決了旋耕機(jī)支架和中央傳動(dòng)箱體潛土的難題，并且用R175標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀達(dá)到了20 cm的耕深，實(shí)現(xiàn)了短刀大深耕。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；逆轉(zhuǎn)旋耕；拋土；正交

0 引 言

深旋耕是目前耕作機(jī)械研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深旋耕技術(shù)和理論進(jìn)行了大量的探索。目前主要通過(guò)以下3種方式實(shí)現(xiàn)深旋耕：1）直接通過(guò)加大刀輥直徑來(lái)增大耕深[1]；2）雙軸分層旋耕，通過(guò)前后設(shè)置2排刀輥，使前面的刀輥進(jìn)行初次旋耕，再通過(guò)后面的刀輥再次旋耕實(shí)現(xiàn)深耕[2-3]；3）潛土逆轉(zhuǎn)旋耕，即通過(guò)刀軸沉入地表以下實(shí)現(xiàn)深耕[4]。夏曉東等根據(jù)土壤力學(xué)理論以及相關(guān)旋耕機(jī)設(shè)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)適當(dāng)增大旋耕機(jī)刀輥直徑研發(fā)設(shè)計(jì)出中間傳動(dòng)的大耕深臥式正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)。雖然試驗(yàn)證明該旋耕機(jī)的耕深能夠達(dá)到30 cm，但是存在機(jī)構(gòu)龐大、耕作負(fù)荷大以及機(jī)具可靠性不高等問(wèn)題[1]。目前市場(chǎng)上的雙軸旋耕機(jī)后刀輥往往存在難以入土的問(wèn)題，雖然朱松后續(xù)對(duì)雙軸旋耕機(jī)進(jìn)行了一系列研究并進(jìn)行了一系列改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]，但依舊存在后刀軸的軸座與土壤發(fā)生干涉而使得后刀軸不能沉入地下的問(wèn)題，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重，耕深不穩(wěn)定。潛土逆轉(zhuǎn)旋耕是通過(guò)刀軸反轉(zhuǎn)并且潛于地表以下的一種耕耘方式，目前存在傳動(dòng)箱和機(jī)架難以入土以及壅土等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)劉孝民等較早對(duì)潛土逆轉(zhuǎn)旋耕的拋土過(guò)程進(jìn)行了研究分析，對(duì)切削土壤的不同位置分別建立了潛土逆轉(zhuǎn)旋耕時(shí)旋耕刀切削未耕地時(shí)的拋土模型和旋耕刀切削近地表土壤時(shí)的拋土模型，并通過(guò)土槽試驗(yàn)對(duì)拋土模型進(jìn)行了驗(yàn)證[4]。Gao等通過(guò)室內(nèi)土槽拋土試驗(yàn)，探討不同耕深、前進(jìn)速度以及刀軸轉(zhuǎn)速下的逆轉(zhuǎn)旋耕分層拋土機(jī)理[5]，但是到目前為止，壅土以及刀軸和變速箱難以潛土仍是潛土逆轉(zhuǎn)旋耕存在的最大問(wèn)題[6-7]。

王國(guó)林等從降低能耗和提高耕作質(zhì)量的角度，提出了斜置式旋耕的概念，即刀輥的旋轉(zhuǎn)面與牽引拖拉機(jī)行駛方向成一偏角，通過(guò)刀滾斜置和旋耕刀的巧妙排列，實(shí)現(xiàn)土壤的高速有序無(wú)側(cè)限撕裂破壞，達(dá)到節(jié)省耕作能耗的目的[8]。孔令德等針對(duì)斜置旋耕地表切痕問(wèn)題，采用Turbo C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的仿真程序，并采用該程序仿真得出了斜置角度、機(jī)具牽引速度、刀輥轉(zhuǎn)速以及旋耕刀的排列情況對(duì)地表切痕的影響[9-10]。高建民等對(duì)斜置旋耕刀的側(cè)切刃的動(dòng)態(tài)滑切條件進(jìn)行了推導(dǎo)，對(duì)側(cè)切刃動(dòng)態(tài)滑切角給出了定義和計(jì)算表達(dá)式，并通過(guò)實(shí)例計(jì)算對(duì)比了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)下的旋耕刀在正置和斜置時(shí)的動(dòng)態(tài)滑切角和靜態(tài)滑切角。此外，還將斜置旋耕刀的動(dòng)態(tài)滑切角表達(dá)式與旋耕刀的側(cè)切刃曲線(xiàn)表達(dá)式統(tǒng)一于Riccati微分方程中[11]。丁為民等分別對(duì)正置和斜置時(shí)旋耕刀滑切角進(jìn)行了研究分析，并通過(guò)旋耕刀滑切角的表達(dá)式得出正置旋耕是斜置旋耕的一個(gè)特例[12]。高建民運(yùn)用Object ARX和MDT API在MDTS平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出了三維仿真模型，分別對(duì)單把刀、單列刀以及整個(gè)刀輥切土的過(guò)程進(jìn)行了仿真，揭示了斜置旋耕降能節(jié)耗的根本原因是被耕土壤的側(cè)面約束被解除和土壤毀于拉[13]。2008年江蘇大學(xué)高建民和江蘇沃野機(jī)械制造有限公司合作研制成功斜置旋耕機(jī)并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，證明了斜置旋耕理論的正確性，但旋耕深度只有12 cm左右，還是屬于淺旋耕。

考慮到斜置旋耕和潛土逆轉(zhuǎn)旋耕各自的特點(diǎn)，本文提出斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕模式，在該模式下不僅可以使土壤毀于拉伸破壞，又能減少正置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕壅土量，還可能破解旋耕機(jī)支架和中央傳動(dòng)箱體難以潛土的難題，實(shí)現(xiàn)低能耗的短刀深旋耕。斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土性能直接決定斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕機(jī)的壅土量，進(jìn)而影響耕作能耗，因此，本文以斜置潛土逆轉(zhuǎn)深旋耕拋土性能作為研究?jī)?nèi)容，為設(shè)計(jì)斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕機(jī)提供參考。

1 斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕工作原理

如圖1b、1c所示，采用普通正置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕時(shí)有不少土壤會(huì)堵塞在機(jī)具的前面，造成壅土。相對(duì)而言，斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕時(shí)，刀輥在水平面內(nèi)斜置，旋耕刀回轉(zhuǎn)平面與機(jī)組前進(jìn)方向成一偏角，機(jī)組前進(jìn)速度可以分解為垂直軸向的速度V以及沿軸向的速度V，耕作時(shí)不僅可以使被切土壤側(cè)面減少約束，還能使旋耕刀對(duì)在耕土壤有一個(gè)側(cè)向力作用，如圖1d所示，進(jìn)而使土壤被撕裂，使更多的土壤拉伸破壞，拋向已耕地，并減少機(jī)具前面的壅土量。因此，斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕相對(duì)具有更好的碎土和拋土性能。

如圖1e、1f所示，刀輥正置時(shí)，受底部土壤的約束，變速箱和兩端軸側(cè)支撐不能沉入地下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)潛土耕作。和正置旋耕相比較，采用斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕的旋耕刀回轉(zhuǎn)平面與機(jī)組前進(jìn)方向成一偏角，可將變速箱以及兩端軸側(cè)支撐部分前方的土壤耕翻，保證變速箱以及兩端軸側(cè)支撐部分可以沉入地下，實(shí)現(xiàn)潛土耕作。

1.地表 2.旋耕刀 3.刀軸 4.未耕地 5.已耕地 6.被切土粒 7.機(jī)架 8.變速箱 9.機(jī)架行走軌跡 10.旋耕刀切土軌跡 11.變速箱行走軌跡

1. Field surface 2. Rotary cutter 3. Knife shaft 4. Uncultivated soil 5. Cultivated soil 6. Cutted soil particles 7.Frame 8. Gearbox 9. Traveling track of rack 10. Cutting track of rotary cutter 11. Traveling track of gearbox

注為斜置角；為刀軸前進(jìn)距離；為側(cè)向移動(dòng)距離;為機(jī)具前速度；V為法向速度；V為軸向速度；為刀軸轉(zhuǎn)速；為側(cè)向力。

Note:is the oblique angle;is the advance distance of the knife shaft;is the lateral movement distance;is the forward speed of the machine;Vis the normal velocity; Vis the axial velocity;is the rotation speed of the knife shaft;is the lateral force.

圖1 旋耕刀切土運(yùn)動(dòng)示意圖

Fig.1 Diagram of rotary cultivator cutting soil movement

2 斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土仿真與驗(yàn)證

2.1 仿真模型的建立與求解

為了揭示斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土規(guī)律，采用LS-DYNA軟件建立斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕的虛擬拋土仿真模型，為了使虛擬仿真中所采用的旋耕刀的外形輪廓與實(shí)際耕作中的旋耕刀一樣，本文旋耕刀模型是通過(guò)三維掃描技術(shù)反求重構(gòu)得到的國(guó)標(biāo)R165旋耕刀單刀模型，并在單刀模型的基礎(chǔ)上通過(guò)三維建模軟件UG建模裝配得到簡(jiǎn)化刀輥模型，為了確保刀輥能沿水平方向定向前進(jìn)而不發(fā)生上下和左右跳動(dòng)，在刀輥外設(shè)置一對(duì)導(dǎo)軌和套筒，將刀輥插入套筒內(nèi)側(cè)，套筒外側(cè)和導(dǎo)軌連接。為了保證刀輥有足夠的強(qiáng)度，刀輥材料設(shè)置為剛體*MAT_RIGID。最終建立的拋土仿真模型三維模型如圖2所示，其參數(shù)如表1所示。

1. 套筒2. 刀軸3. 旋耕刀4. 導(dǎo)軌

表1 拋土仿真三維模型參數(shù)

因ANSYS/LS-DYNA和三維建模軟件UG之間具有共用的x-t文件格式，所以本文先將通過(guò)UG中建立好的刀輥模型保存為共用x-t格式，再通過(guò)通用格式直接導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA，采用Lagrangian單點(diǎn)積分算法和四面體單元類(lèi)型，并選用智能網(wǎng)格對(duì)刀輥劃分網(wǎng)格，在ANSYS/LS-DYNA中設(shè)置SOILD164實(shí)體單元為刀輥單元類(lèi)型。

相關(guān)學(xué)者用有限元法對(duì)土壤切削過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真[14-16]，由于其中牽涉到的土壤是多相、松散的，土壤在被旋耕刀作用時(shí)發(fā)生的形變是非線(xiàn)性的，用有限元法和邊界元法等連續(xù)體力學(xué)理論及其數(shù)值解法很難對(duì)其在旋耕刀高速作用下的破壞過(guò)程以及破壞后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行描述。近年來(lái)用于對(duì)土壤動(dòng)力學(xué)研究的離散元法被有關(guān)學(xué)者引入[17]，該方法在研究顆粒運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、破碎等離散度大、變形-流動(dòng)顯著的問(wèn)題時(shí)有一定的優(yōu)越性，但同時(shí)存在接觸模型的近似性、仿真結(jié)果不夠精確以及計(jì)算量大、計(jì)算時(shí)間費(fèi)時(shí)等缺點(diǎn)，因此該種方法在理論和算法上還存在很大的局限性。

SPH（smoothed particle hydrodynamics，光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)）是一種無(wú)網(wǎng)格方法，這是一種純拉格朗日方法，本質(zhì)上不需要借助于網(wǎng)格，因而不存在網(wǎng)格畸變的問(wèn)題，所以可以在拉格朗日格式下處理大變形問(wèn)題。同時(shí)，SPH法允許存在材料界面，可以簡(jiǎn)單而精確地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的本構(gòu)行為，也適用于材料在高加載速率下的斷裂等問(wèn)題的研究[18-19]。高建民等2007年率先在國(guó)內(nèi)應(yīng)用SPH開(kāi)展了高速土壤切削的仿真研究[18]，隨后SPH逐漸成為國(guó)內(nèi)研究土壤切削仿真的主要研究方法之一[20-32]。

本文建立土壤的SPH模型，結(jié)合有限元法對(duì)旋耕刀切削土壤過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真研究?？紤]到仿真是在LS-DYNA系統(tǒng)里進(jìn)行，土壤模型采用修正的Mohr-Coulomb模型（MAT_FHWA_SOIL）。土壤參數(shù)的測(cè)定是在在江蘇大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室和土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成的，通過(guò)應(yīng)變控制式直剪儀（ZJ型四連剪，最大垂直載荷為400 kPa，最大水平剪切力為1.2 kN，南京土壤儀器廠(chǎng)有限公司）和應(yīng)變控制式靜力三軸儀（FSYL-30型，最大軸向載荷為30 kN，最大周?chē)鷫毫? MPa，江蘇永昌科教儀器制造有限公司），測(cè)定了土壤的內(nèi)摩擦角、土壤凝聚力剪切模量以及泊松比。土壤參數(shù)如表2所示。

表2 土壤模型主要參數(shù)

本文通過(guò)ANSYS將建立好的土壤三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并以k文件格式導(dǎo)入到前后處理軟件LS- PREPOST中，再采用LS-PREPOST軟件中的SPH粒子生成功能將網(wǎng)格劃分好的節(jié)點(diǎn)替換成SPH粒子，并對(duì)k文件中的程序設(shè)置進(jìn)行一定修改。定義單向接觸*ERODING_NODES_TO_SURFACE為刀輥和土壤的相互作用類(lèi)型，并且設(shè)置刀輥為主動(dòng)接觸，土壤為被動(dòng)接觸。邊界條件設(shè)為土壤底部和兩側(cè)固定。設(shè)置滑動(dòng)界面懲罰因子為0.15，動(dòng)摩擦因子為0.21及靜摩擦因子為0.23，仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)為1 s。本文建立的拋土仿真模型如圖3所示。

采用上述調(diào)好的仿真參數(shù)，分別在前進(jìn)速度為0.5 m/s時(shí)的不同斜置角、刀軸轉(zhuǎn)速以及潛土深度的情況下進(jìn)行虛擬仿真，并通過(guò)前后處理軟件LS_PREPOST對(duì)模擬情況進(jìn)行查看分析。通過(guò)對(duì)被切土粒進(jìn)行軌跡跟蹤，得到不同層土壤的后拋土率（向刀軸后面拋的粒子數(shù)占粒子總數(shù)的比），最終得到如表3所示的仿真結(jié)果。

1.導(dǎo)軌 2.土壤 3.旋耕刀 4.套筒 5.刀軸

表3 斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕虛擬拋土仿真結(jié)果

上述對(duì)仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析表明，刀軸的潛土深度為5 cm，刀軸的旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min時(shí)，斜置角分別為0°、10°、20°時(shí)的后拋土率分別為31.13%、38.77%和54.57%，可以得出：斜置角的增大對(duì)提高后拋土率有很大影響；斜置角為10°，刀軸的旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min時(shí)，刀軸潛土深度分別為0、5、10 cm時(shí)的后拋率分別為24.03%、38.77%和53.53%，可以看出：刀軸潛土深度對(duì)后拋土率有明顯的影響；斜置角為10°，刀軸潛土深度為5 cm時(shí)，刀軸轉(zhuǎn)速分別為200、300、400 r/min時(shí)的后拋土率分別為32.40%、38.77%和39.33%，所以刀軸轉(zhuǎn)速的增加對(duì)后拋土率影響不大。此外，各種工況下的仿真數(shù)據(jù)表明，相同條件下，上層的后拋土率均比中層和下層的后拋土率都高，中層的后拋土率又比下層的后拋土率高，即越靠近地表的土壤后拋率越大。

2.2 仿真模型校正

2.2.1 斜置旋耕試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證仿真模型，本文在室內(nèi)土槽進(jìn)行了斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕的室內(nèi)拋土試驗(yàn)。斜置旋耕試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示，主要由承載小車(chē)、旋耕機(jī)架、電機(jī)、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、刀輥等組成，其中承載小車(chē)上設(shè)有行走輪和與牽引臺(tái)車(chē)掛接的連接板，承載小車(chē)與安裝在上面的旋耕機(jī)架都是型號(hào)為50 mm′50 mm′4 mm的方鋼和厚16 mm的鋼板焊接而成。旋耕機(jī)架上裝有電機(jī)（Y100L-2，額定功率為3 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 880 r/min，上海韓奧電機(jī)有限公司）和配套使用的變頻器，電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小由變頻器控制，并采用帶傳動(dòng)的方式使刀輥運(yùn)動(dòng)，其中與電機(jī)輸出軸連接的帶輪所選用的是外徑為70 mm的B型2槽帶輪，與刀輥軸連接的帶輪所選用的是外徑為210 mm的B型2槽帶輪，即傳動(dòng)比為3:1，刀輥轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍為100～466 r/min。為了使試驗(yàn)結(jié)果能跟仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，刀輥參數(shù)與前文仿真的刀輥模型參數(shù)相同，并與安裝在旋耕機(jī)架的軸承座（UCP206，廣州磐固晟機(jī)械設(shè)備有限公司）連接。

圖4 斜置旋耕試驗(yàn)臺(tái)

將旋耕機(jī)架與承載小車(chē)連接部位設(shè)計(jì)成如圖5所示，即承載小車(chē)安裝連接板上分別在圓周間隔15°對(duì)稱(chēng)開(kāi)有4個(gè)螺栓安裝孔，而對(duì)應(yīng)旋耕機(jī)架連接安裝板上分別在圓周間隔10°對(duì)稱(chēng)開(kāi)有4個(gè)螺栓安裝孔，因此安裝時(shí)，通過(guò)不同安裝孔的組合安裝，可以得到所需要的0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°的斜置角。

2.2.2 室內(nèi)拋土試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)在土壤的不同深度埋不同顏色的粉筆對(duì)不同層土粒進(jìn)行標(biāo)定，即在旋耕底部上方2～3 cm處（下層）掩埋藍(lán)色粉筆，在一半耕深處（中層）掩埋紅色粉筆，在地表以下2～3 cm處（上層）掩埋黃色粉筆。其中每層掩埋40個(gè)粉筆，每個(gè)粉筆長(zhǎng)2 cm左右。通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算旋耕后被拋向后方的粉筆數(shù)占總數(shù)的比得到不同工況下旋耕的后拋土率。土槽土壤的整理主要分為3步，首先，對(duì)30 cm深的土槽土壤進(jìn)行全面碎土；接著在不同深度掩埋相應(yīng)顏色的粉筆，灑適量的水并壓實(shí)；經(jīng)一段時(shí)間直到試驗(yàn)?zāi)嗤恋母蓾穸冗_(dá)到旋耕試驗(yàn)要求，物理樣機(jī)拋土試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖5 斜置角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

為了驗(yàn)證仿真模型是否可靠，本文將試驗(yàn)時(shí)拋起泥土的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和仿真時(shí)土粒的拋灑情況進(jìn)行分析對(duì)比。如圖6所示的是在刀軸斜置角為10°、潛土深度為5 cm、刀軸轉(zhuǎn)速為300 r/min情況下試驗(yàn)和仿真得到的拋土情況對(duì)比圖?？芍嗤闆r下的試驗(yàn)拋土趨勢(shì)與仿真拋土趨勢(shì)基本一致，進(jìn)而初步驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。

為了進(jìn)一步對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，本文將相同條件下仿真得到的不同層的后拋土率（如表3所示）和試驗(yàn)得到的不同層的后拋土率（如表4所示）進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果如圖7所示，試驗(yàn)所得出的上層、中層、下層以及平均后拋土率大致比仿真所得到的后拋土率高，最大仿真誤差為12.50%，最小仿真誤差為0.20%，平均誤差為3.09%，說(shuō)明仿真模型的精度可以滿(mǎn)足拋土虛擬試驗(yàn)的要求。

表4 拋土試驗(yàn)結(jié)果

注：刀軸斜置角為10°、潛土深度為5 cm、刀軸轉(zhuǎn)速為300 r·min-1。

圖7 仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

3 斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土的虛擬正交試驗(yàn)與田間試驗(yàn)

鑒于通過(guò)物理樣機(jī)試驗(yàn)研究斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土不僅要花費(fèi)較大的成本，而且試驗(yàn)周期也很長(zhǎng)。因此，本文首先采用校正的ANSYS/LS-DYNA旋耕拋土虛擬仿真模型進(jìn)行虛擬正交試驗(yàn)[33]。以斜置角、前進(jìn)速度、潛土深度以及刀輥轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)的4個(gè)因素，并對(duì)每個(gè)因素取3個(gè)水平，即斜置角的3個(gè)水平取0°、10°和20°；考慮到室內(nèi)土槽的長(zhǎng)度為15 m，從安全性角度和仿真數(shù)據(jù)的可驗(yàn)證性考慮，前進(jìn)速度的3個(gè)水平取0.4、0.6和0.8 m/s；潛土深度的3個(gè)水平取0、5和10 cm；刀輥轉(zhuǎn)速的3個(gè)水平分取200、300和400 r/min。試驗(yàn)因素水平表如表5所示。

表5 試驗(yàn)因素水平

3.1 試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用重復(fù)取樣的方法，每次試驗(yàn)取3次。根據(jù)等水平正交試驗(yàn)表具有的性質(zhì)，選用L9(34)正交表[34-35]。虛擬正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析如表6所示。

極差結(jié)果分析表明：影響后拋土率的因素從主到次的順序依次為：潛土深度、斜置角度、刀輥轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度。在所有9個(gè)試驗(yàn)組合中，最優(yōu)組合為3133，即當(dāng)斜置角為20°，刀輥回轉(zhuǎn)速度為400 r/min，潛土深度為10 cm以及前進(jìn)速度為0.4 m/s時(shí)，后拋土率最大，即拋土效果最好。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

雖然通過(guò)直觀(guān)分析可以直觀(guān)地得出各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)考察指標(biāo)影響的主次順序，但其不能得出各個(gè)因素對(duì)考察指標(biāo)的影響是否顯著。為了得到各個(gè)因素對(duì)考察指標(biāo)的影響程度，對(duì)試驗(yàn)所得到的結(jié)果進(jìn)行方差分析，方差分析結(jié)果如表7所示。

表6 虛擬正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

表7 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

由表7中的值可知：()=0.2，()=0.6都小于0.10(2,18)=2.62，所以因素（前進(jìn)速度）和（刀輥轉(zhuǎn)速）水平的改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)后拋土率沒(méi)有顯著影響，試驗(yàn)中的四個(gè)因素的主次地位依次為（潛土深度）、（斜置角）、（刀輥轉(zhuǎn)速）、（前進(jìn)速度）。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的直觀(guān)分析和方差分析雖然能夠相對(duì)確定較好的試驗(yàn)因素組合，但它確定的較好的因素組合方式只能局限在已經(jīng)確定好的因素水平上，卻得不到所取范圍內(nèi)的最好組合，而對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析擬合的回歸方程可以有效的對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化。因此，本文對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步采用回歸分析。

采用數(shù)據(jù)處理軟件Design Expert對(duì)表4所示的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析。因?yàn)榍拔姆讲罘治霰砻?，試?yàn)因素中的前進(jìn)速度和刀輥轉(zhuǎn)速對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)（后拋土率）沒(méi)有顯著性影響，所以回歸分析時(shí)只考慮對(duì)試驗(yàn)考察指標(biāo)有顯著影響的因素（斜置角1，潛土深度2）。因此，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，建立以土壤后拋率為響應(yīng)值的多元回歸方程，土壤后拋率符合二元一次模型。

=0.132 61+0.002 91+0.045 32（1）

由擬合方程（1）計(jì)算出的的預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值的關(guān)系如圖8所示，其中相關(guān)系數(shù)2=0.989，表明后拋土率與斜置角和潛土深度的關(guān)系可以用方程（1）表示。

圖8 后拋土率試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的關(guān)系

從圖8可以看出，采用該預(yù)測(cè)模型所得出的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值非常接近，表明該模型適合試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)之間相關(guān)性的描述。因此，所得出的模型可以反映參數(shù)之間的真實(shí)關(guān)系，并且可以采用該模型對(duì)后拋土率進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

采用數(shù)據(jù)處理軟件Design Expert繪制出試驗(yàn)因素（斜置角和潛土深度）和試驗(yàn)指標(biāo)（后拋土率）的響應(yīng)圖如圖9所示。

圖9 后拋土率與斜置角和潛土深度響應(yīng)圖

根據(jù)圖9可以得出，后拋土率隨潛土深度和斜置角度的變大而增大，并且后拋土率隨斜置角的增大趨勢(shì)相對(duì)比隨潛土深度的增大趨勢(shì)小。此外，同時(shí)增加潛土深度和斜置角度可以有效提高后拋土率。

3.4 田間試驗(yàn)

根據(jù)拋土虛擬試驗(yàn)結(jié)論，設(shè)計(jì)制造了斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕機(jī)樣機(jī)，其耕寬是3.15 m，斜置角度為17°，采用的旋耕刀為R175標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀，田間試驗(yàn)于2017年4月15日在江蘇省鹽城市樹(shù)東農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，如圖10所示。試驗(yàn)時(shí)以東方紅LX1204輪式拖拉機(jī)為牽引拖拉機(jī)。本文參考GB/T5668-2008旋耕機(jī)試驗(yàn)方法，測(cè)得旋耕機(jī)有效耕深為20 cm，旋耕機(jī)支架和中央傳動(dòng)箱成功潛入地下，實(shí)現(xiàn)了短刀大耕深。

圖10 田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié) 論

1）運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件，結(jié)合SPH算法，建立了斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕仿真虛擬樣機(jī)仿真模型，并且通過(guò)室內(nèi)土槽試驗(yàn)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證的結(jié)果表明最大仿真誤差為12.50%，最小仿真誤差為0.20%，平均誤差為3.09%。

2）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的極差分析的結(jié)果表明：當(dāng)斜置角為20°，刀輥回轉(zhuǎn)速度為400 r/min，潛土深度為10 cm以及前進(jìn)速度為0.4 m/s時(shí)，后拋土率最大，即拋土效果最好。影響后拋土率的因素從主到次的順序依次為：潛土深度、斜置角度、刀輥轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度。潛土深度和斜置角對(duì)后拋土率影響顯著，而前進(jìn)快慢和刀輥回轉(zhuǎn)速度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響不顯著。

3）加工制造出了斜置潛土逆轉(zhuǎn)深旋耕機(jī)的物理樣機(jī)，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕解決了旋耕機(jī)支架和中央傳動(dòng)箱體潛土的難題，并且用R175標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀達(dá)到了20 cm的耕深，實(shí)現(xiàn)了短刀大耕深，表明斜置潛土逆轉(zhuǎn)深旋是一種有前途的深旋耕方法。

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Simulation and experiment of soil casting during oblique submerged reversely rotary tillage

Gao Jianmin, Liu Xingda, Qi Huidong, I. A. Lakhiar

(212013,)

Deep rotary tillage is a hot and difficult problem in the research field of tillage machinery. Scholars at home and abroad have made a lot of explorations on deep rotary tillage technology and theory. At present, deep rotary tillage is mainly realized through the following three methods: 1) plowing depth was increased by directly increasing the diameter of the knife roller; 2)Two-axis stratified rotary tillage. Two rows of knife rollers are set in front and back for the first rotary tillage of the former one, and then the latter one for further rotary tillage; 3) subsoil reverse rotary tillage, that is, deep tillage is achieved by sinking the knife shaft below the surface. These three methods can achieve the goal of deep rotation tillage, but they all have their own disadvantages. Considering the characteristics of oblique rotary tilling and reverse tilling, the principle of oblique submerged reverse rotary tillage is put forward in this paper, which can not only destroy the soil by “pull” but also reduce the heaping soil as well as make the central transmission box easy to sink subsoil, and realize low energy consumption deep tilling with short knife. The back-up amount of tilting rotary tilter directly depends on the performance of tilting rotary tilter. Oblique submerged reverse rotary tillage is put forward in this paper. It is important to study the mechanism of throwing soil to optimize the design of this machine. Oblique submerged reverse rotary tillage is a new type of rotary tillage. It is important to study the mechanism of throwing soil to optimize the design of inclined subterranean reversal rotary tiller. In this paper, a simulation model of SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) is established on the LS-DYNA platform. The model is used to reverse the rotary tillage in different working conditions. The simulation results show that the post-soil rate of different layers in the reverse rotation of different parameters under different parameters is obtained. The post-soil rate of different layers obtained under the same conditions and the post-casting of different layers obtained by the indoor soil trough test are obtained. The soil rate was compared and analyzed. The verification results show that the maximum simulation error is 12.50%, the minimum simulation error is 0.20%, and the average error is 3.09%. Applying the corrected simulation model, the oblique angle, the forward speed, the depth of the submerged soil and the speed of the cutter roll were taken as the four factors of the test, and three levels were taken for each factor. Afterwards, the throwing rate was measured and the tilt was set. The virtual orthogonal experiment of reversing the rotary tillage and throwing soil was conducted. The test results were analyzed by the range analysis method, the variance analysis method and the regression analysis method. The data analysis results show that the primary and secondary order of the impact rate after the impact is the subsoil depth and the oblique angle, the forward speed and the knife roll speed. The influence on the post-lost rate is not significant, and the mathematical relationship model of the subsoil depth, the oblique angle and the post-lost rate is obtained. According to the results of virtual experiment, the physical prototype of the inclined submersible soil reverse rotation tillage machine was optimized and the field experiment was carried out. The field test results showed that the reverse rotation of the inclined subterranean soil successfully solved the problem of the rotary tiller bracket and the central transmission box. And with the R175 standard rotary cultivator, the tilling depth of 20 cm was achieved, and deep tilling using short knife was realized in this paper.

agricultural machinery; design; experiments; oblique reversely rotary tillage; throwing soil; orthogonal

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.006

S225. 71

A

1002-6819(2019)-13-0054-10

2018-08-26

2019-06-21

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新基金（CX(18)3048）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0700101）；國(guó)家自然科學(xué)基金（No.51275214）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（蘇財(cái)教（2011）8號(hào)）

高建民，研究員，博士，主要從事耕作機(jī)械和霧化耕作研究，2010-2011年由教育部公派赴美國(guó)農(nóng)業(yè)部研究院農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研修（USDA/ARS）。Email：1000001903@ujs.edu.cn

高建民，劉興達(dá)，齊惠冬，I.A. Lakhiar.斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土仿真及試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(13)：54－63. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.006 http://www.tcsae.org

Gao Jianmin, Liu Xingda, Qi Huidong, I. A. Lakhiar. Simulation and experiment of soil casting during oblique submerged reversely rotary tillage [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 54－63. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.006 http://www.tcsae.org