趙淑紅 王加一 楊 超 陳佳奇 楊悅乾

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

深松是保護(hù)性耕作的核心技術(shù)之一，能打破犁底層，提高水分利用率。但傳統(tǒng)的深松作業(yè)，殘留根土結(jié)合體較大，整地效果不佳；深松鏟打破犁底層，要求機組載重過大，存在耕作阻力較大、土壤擾動量較大等問題。鑒于此，學(xué)者對破茬、碎土作業(yè)進(jìn)行了深入研究[1-4]。

近年來，深松、破茬、碎土等耕整地的研究取得較大進(jìn)展。在深松鏟研究方面，主要以振動減阻和仿生減阻的方法來降低耕作阻力；在破茬研究中，以圓盤刀、缺口破茬刀的研究最為廣泛；碎土方法的研究主要以鎮(zhèn)壓碎土法來壓碎土塊。多部件聯(lián)合作業(yè)耕整地機械廣泛應(yīng)用，其中深松鏟前安裝被動破茬刀較多，其能增強整地效果，降低阻力及功耗，但深松、破茬部件獨立工作，未考慮部件間的互作效應(yīng)，對機組的載重需求有所增加[5-13]。

本文基于擬合曲線型深松鏟[14]、破茬部件的交互作用，以及擬合曲線型深松鏟作業(yè)后根土結(jié)合體較大和破茬、碎土作業(yè)中過大的載重問題，以提高作業(yè)質(zhì)量、降低機組功耗為目標(biāo)，設(shè)計一種配合擬合曲線型深松鏟作業(yè)的破茬碎土刀，為我國耕整地作業(yè)、低能耗農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計提供新思路。

1 破茬碎土刀總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

破茬碎土刀裝置主要由破茬碎土刀刀片、破茬碎土刀刃口(刃口包括刃形線和刃口曲線，刃口為作業(yè)時破茬刀刀片的尖端位置)、破茬碎土刀碎土桿等組成，如圖1所示，與擬合曲線型深松鏟[14](土壤的回流軌跡與鏟柄的形狀相同，具有土壤擾動量少、耕作阻力小的特點)配合使用，其能一次性完成深松、破茬、碎土耕整地作業(yè)。

圖1 破茬碎土刀示意圖Fig.1 Sketches of stubble cutter1.破茬碎土刀刀片 2.破茬碎土刀刃口 3.碎土桿 4.擬合曲線型深松鏟 5.鏟柄 6.刃形線 7.刃口曲線

1.2 工作原理

破茬碎土刀配合擬合曲線型深松鏟作業(yè)時，選擇破茬碎土刀與地面鉛垂安置，即破茬碎土刀傾角為0°，偏角為0°。對根土結(jié)合體作用時，深松鏟和破茬碎土刀對其產(chǎn)生互作效應(yīng)，深松鏟對根土結(jié)合體產(chǎn)生向前上方作用力，而破茬碎土刀對根土結(jié)合體產(chǎn)生法向砍切力和切向滑切力，滑切力的方向為后下方，與深松鏟對根土結(jié)合體力的方向相反，可增加滑切效果，降低切割阻力。在對土塊作用時，土塊在深松鏟和碎土桿的互作效應(yīng)下被壓碎，達(dá)到碎土的效果。

2 破茬碎土刀設(shè)計

2.1 田間試驗

為了對與深松鏟配合使用的破茬碎土刀設(shè)計提供參數(shù)依據(jù)，通過深松試驗進(jìn)行參數(shù)測試。在深松作業(yè)中，深松鏟對根茬的挑動主要源自于鏟尖自犁底層以下的作用，并且此時鏟柄與根茬存在一定距離[15]。本研究擬在此間距內(nèi)，鏟尖對根茬挑動時，設(shè)計破茬部件，與鏟尖的挑動形成互作效應(yīng)，增加對根茬的切向力作用，從而降低阻力。在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽農(nóng)場試驗基地進(jìn)行田間深松試驗，探究前期所設(shè)計擬合曲線型深松鏟[14](擬合曲線型深松鏟為前期研究成果，不具備深松鏟的通用性)對根茬挑動趨勢最大時，根茬的加速度方向及深松鏟與根茬的距離。

圖2 田間試驗Fig.2 Field test1.車載直流電源(12 V，300 W) 2.逆變器(12～220 V) 3.計算機 4.深松施肥機 5.約翰迪爾484型拖拉機 6.高速攝像儀(美國Vision Research公司，Nikon鏡頭，圖像處理程序為Phantom控制軟件)

2.1.1試驗條件與設(shè)備

田間深松試驗于2017年10月進(jìn)行。試驗地為玉米免耕地，耕作模式為壟作。試驗前測得：試驗地平均土壤容重為1.21 g/cm3；土壤平均含水率為(14±1)%。土壤硬度平均為：1 021 kPa(0～125 mm)、2 835.8 kPa(125～250 mm)、2 760 kPa(250～300 mm)，試驗地面積為4 000 m2。土壤測量工具有SC-900型土壤硬度儀、環(huán)刀組件(容積98.125 cm3)等，其它試驗器材如圖2所示。

2.1.2試驗方案

2.1.2.1裝置連接

電氣連接：在田間僅能提供車載直流電源條件下，為保證高速攝像儀正常完成定點拍攝工作，以及計算機工作電壓的穩(wěn)定性，選用12～220 V直流變交流逆變器，電氣連接流程如圖3所示。

圖3 電氣設(shè)備連接流程圖Fig.3 Flow chart of electrical equipment connection

機械連接：采用兩行深松施肥機，與拖拉機三點懸掛式連接，深松鏟入土深度250～300 mm，深松鏟與機架通過頂絲固定。

2.1.2.2方案設(shè)計

圖5 深松鏟正向作用根茬高速攝像圖Fig.5 High-speed camera graphs of forward effect of subsoiler on root stubble1.擬合曲線型深松鏟 2.側(cè)垂面坐標(biāo)紙 3.平面鏡中鉛垂面坐標(biāo)紙 4.平面鏡 5.根茬

為探究深松作業(yè)時根茬的動態(tài)變化，并從中確定根茬在未偏移狀態(tài)下，根茬加速度最大時，加速度的方向范圍和深松鏟與根茬的距離范圍，進(jìn)而為破茬碎土刀的設(shè)計提供依據(jù)。隨機選取單個根茬為研究對象，在側(cè)旁安置高速攝像儀，在側(cè)垂面安置坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，并用竹竿固定于地面，在鉛垂面安置坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，隨同機組前進(jìn)(有微小晃動，但對標(biāo)記根茬的偏移沒有影響)，高速攝像儀側(cè)向拍攝根茬及側(cè)垂坐標(biāo)紙，側(cè)垂坐標(biāo)紙左側(cè)安置與其夾角為45°的平面鏡，以體現(xiàn)相對于鉛垂坐標(biāo)紙根茬的偏移時刻，如圖4所示。

圖4 坐標(biāo)配置圖Fig.4 Coordinate configuration diagram1.擬合曲線型深松鏟 2.側(cè)垂面坐標(biāo)紙 3.鉛垂面坐標(biāo)紙4.平面鏡 5.根茬

機組以正常深松作業(yè)速度2～3 km/h通過，利用高速攝像儀拍攝深松鏟對根茬的作用過程，同時將攝像結(jié)果導(dǎo)入計算機中，利用Phantom控制軟件對攝像結(jié)果進(jìn)行修剪，并對根茬的運動狀態(tài)加以分析，輸出整個深松過程中，根茬位置、速度、加速度變化圖，進(jìn)而確定鏟尖對根茬挑動較大時，根茬的加速度方向及深松鏟與根茬的距離。因根茬的運動狀態(tài)與自身的形貌有關(guān)，田間根茬差異性較大，所以依次重復(fù)，選取各形貌根茬進(jìn)行15組試驗。

2.1.3試驗結(jié)果

深松鏟作用于根茬可以歸納為兩種情況：從根茬正向通過和從根茬側(cè)向通過。

2.1.3.1深松鏟從根茬正向通過

在試驗區(qū)進(jìn)行的15組試驗中，取機組前進(jìn)方向為x軸負(fù)向，豎直向上方向為y軸正向，順時針為正，在Phantom軟件中對深松鏟從根茬正向通過根茬的試驗結(jié)果進(jìn)行提取，其作業(yè)效果在xoy面內(nèi)的投影圖如圖5所示。對每一組深松鏟正向作用于根茬的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，根茬在xoy面內(nèi)的運動狀態(tài)投影如圖6所示。

圖6 深松鏟正向作用于根茬運動狀態(tài)變化趨勢分析Fig.6 Trend analyses of motion state of root stubble forward affected by subsoiler

圖6中，從根茬速度發(fā)生變化到平面鏡內(nèi)根茬發(fā)生側(cè)向偏移的過程中(圖中為0～0.16 s)，記錄加速度最大時對應(yīng)的時刻(圖6d為0.1 s)，并在軟件中測量深松鏟與根茬的距離，在圖6e中記錄此時刻加速度與x軸負(fù)向的夾角。對每一組深松鏟從正向通過根茬的試驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)：深松鏟在距離根茬320 mm以上時，根茬未發(fā)生運動，根茬未發(fā)生偏移的狀態(tài)下，深松鏟與根茬距離在260～290 mm范圍內(nèi)時，根茬加速度最大，根茬受到深松鏟對其力的作用最大，加速度方向與x軸負(fù)向夾角為24°～29°。

2.1.3.2深松鏟從根茬側(cè)向通過

采用上述方法，對深松鏟從根茬側(cè)向通過根茬的試驗結(jié)果進(jìn)行提取，對每一組根茬被側(cè)向挑起的試驗結(jié)果進(jìn)行分析得到：深松鏟在距離根茬350 mm以上時，根茬未發(fā)生運動，深松鏟距離根茬240～270 mm時，根茬未發(fā)生偏移的狀態(tài)下，根茬加速度最大；根茬受到深松鏟對其力的作用最大，加速度方向與x軸負(fù)向夾角為10°～72°。

2.2 碎土刀關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.2.1破茬刀設(shè)計

對于深松作業(yè)存在的根土結(jié)合體較大問題，采用破茬刀對其切割。周桂霞等[16]的研究表明，滾動圓盤式破茬刀切割根土復(fù)合體效果最佳。因此本設(shè)計中，針對田間深松作業(yè)存在的根土結(jié)合體較大的問題，結(jié)合以上所分析數(shù)據(jù)(由于根茬有較大挑動趨勢時，力源自于犁底層以下鏟尖對根茬的前上方作用，且鏟柄與根茬距離較遠(yuǎn)，所設(shè)計的破茬部件僅對耕作層作業(yè)，設(shè)計原理采用加速度的矢量疊加，因此增加破茬部件對深松作業(yè)時鏟尖對根茬作用的效果影響較小，以上深松試驗數(shù)據(jù)可作為設(shè)計依據(jù))，設(shè)計滾動圓盤式破茬刀對根土結(jié)合體進(jìn)行切割。

2.2.1.1破茬刀半徑的初步確定

由于破茬刀與地面偏角為0°、傾角為0°時切割效果最佳[17]，因此破茬刀偏角設(shè)計為0°，傾角設(shè)計為0°，與地面垂直進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割作業(yè)。根據(jù)試驗現(xiàn)象綜合分析，根茬沿y軸方向向上運動5～23 mm，并由文獻(xiàn)[18]得玉米須根上的側(cè)根主要分布在15～86 mm，土層下主要有兩層主根，節(jié)高分布在9～33 mm范圍內(nèi)，因此設(shè)計破茬刀入土深度為80 mm，破茬刀與深松鏟位置配合如圖7所示，h為破茬刀入土深度，d為破茬刀與深松鏟的最小間隙，R為破茬刀的半徑，b為破茬刀入土部位弦長的一半。

圖7 破茬刀與深松鏟位置關(guān)系示意圖Fig.7 Position diagram of driving coulter and subsoiler

圖7中，滿足幾何關(guān)系

R2=b2+(R-h)2

(1)

對多組試驗現(xiàn)象綜合分析，根茬未發(fā)生偏移狀態(tài)下，深松鏟距離根茬240～290 mm范圍時，根茬加速度最大，根茬受到深松鏟對其力的作用最大。因此利用此時間段對根茬開始進(jìn)行切割，根茬所受作用力較大時，對其施加反向作用力可以增加切割效率，減小配重，從而減小拖拉機功耗[19]。為保證深松鏟與破茬刀不干涉，防止作業(yè)過程中發(fā)生堵塞現(xiàn)象，確定破茬刀與深松鏟的最小間隙為20 mm(d=20 mm)。因此在根茬未偏移且加速度最大時進(jìn)行切割，需滿足條件

R-b+20+2b≥290

(2)

聯(lián)立式(1)、(2)得到142.15 mm≤R≤557.85 mm。

由此初步確定破茬刀半徑在142.15～557.85 mm之間。

2.2.1.2破茬刀刃口設(shè)計

刃口包含刃形線、切削刃角、刃口曲線。為滿足破茬刀切割根土復(fù)合體及土壤要求，破茬刀厚度設(shè)計為4 mm。觸土部件切削刃角一般取值為30°～60°，其中壤土的最小切削刃角范圍為40°～45°[20-21]，破茬刀刃部多為楔形刃，楔形刃錐角設(shè)計較小時能夠有效降低切削阻力，但穩(wěn)定性較差，容易折刃[22]，由文獻(xiàn)[14]得，外凸形刃形線穩(wěn)定性較強，取刃口切削角為45°，刃高度為4 mm，如圖8所示。在計算機輔助軟件CAD中運用樣條曲線通過高度及角度條件確定出外凸曲線形狀，并將計算機識別點輸入Matlab軟件中進(jìn)行編程擬合，得到擬合曲線和擬合方程，擬合方程擬合度為0.999 9，擬合曲線如圖9所示。

圖8 破茬刀刃口剖視圖Fig.8 Schematic diagram of cutting edge of broken stubble

圖9 破茬刀刃形線擬合曲線Fig.9 Fitting curve of cutting edge curve

擬合曲線方程為

y=0.385 4x2-2.775x+0.013 14

(3)

為了降低作業(yè)時的切割阻力，對深松鏟、破茬刀共同作業(yè)時進(jìn)行運動學(xué)分析，依據(jù)文獻(xiàn)[23]，將根茬視為質(zhì)點，受力如圖10所示。FT為深松鏟通過土壤對根茬的作用力，F(xiàn)f為根茬沿x軸正向運動趨勢時所受摩擦力，F(xiàn)τ為根茬受破茬碎土刀刃口切向的摩擦力，F(xiàn)為作物生長作用力(即根茬和土壤之間的作用力)，mg為根茬受到的重力，F(xiàn)n為根茬受破茬碎土刀刃口法向的壓力，fn為根茬受刀片刀刃法向上的摩擦力，F(xiàn)N為根茬受破茬碎土刀刃的支持力，arn為根茬相對破茬碎土刀刃口的法向加速度，arτ為根茬相對破茬碎土刀刃口的切向加速度，aeτ為根茬的切向牽連加速度，aen為根茬的法向牽連加速度，ac為根茬的科氏加速度。

圖10 根茬質(zhì)點滑切原理圖Fig.10 Illustrative diagram of sliding cutting of particles

得到質(zhì)點在τ方向和n方向的運動方程為

FT-Fτ-Ffsinθ-mgcosθ-Fcosθ=
m(arτ-aeτcosγ+aensinγ)

(4)

(5)

式中θ——破茬碎土刀刃口滑切角，(°)

m——根茬質(zhì)點質(zhì)量，kg

φ——刃口切削刃角在水平方向的投影，(°)

γ——刃口曲線切向與破茬碎土刀半徑切向的夾角，(°)

根茬在被深松鏟和破茬碎土刀共同作用時，根茬質(zhì)點受到的切向摩擦力Fτ為

Fτ=Fntanφ

(6)

式中φ——根茬的摩擦角，(°)

將式(6)代入式(4)、(5)中得到

(7)

其中，根茬受刃口法向的壓力Fn由機具施加在破茬碎土刀的載荷Mg決定，為

Fn=Mgsinθ

(8)

式中M——機具施加在破茬碎土刀上的質(zhì)量，kg

將曲線刃口理想化為直線，則

(9)

式中α——刃口切削刃角，(°)

β——刃口切削刃角平面與切削刃角在水平面間的夾角，(°)

結(jié)合文獻(xiàn)[23]，若降低切割阻力，應(yīng)增加滑切作用，即產(chǎn)生arτ。由式(7)得，多個物理量對相對加速度arτ產(chǎn)生影響，其中φ(破茬碎土刀在切割根茬時，主要對粗根茬作用，根茬的摩擦角取粗根茬區(qū)的摩擦角，為17.3°[23])、α為常數(shù)；mg、F受自然狀態(tài)影響；ac、aeτ、aen、arn、Mg、FT受工作參數(shù)影響；fn與接觸面的粗糙程度和切開的根茬對刀片刀刃的壓力有關(guān)，F(xiàn)N與切開的根茬對刀片刀刃的壓力有關(guān)。

θ、β、φ、γ由破茬刀刃口曲線決定，因此刃口曲線形狀直接影響滑切作用，由滑切的探究過程及滑切原理[23-24]得，刃口曲線實質(zhì)上通過增加切向力而增強滑切作用，降低耕作阻力。因此對于刃口曲線設(shè)計，結(jié)合運動的相對性[19]，令深松鏟作用時根茬的分加速度方向與破茬刀對根茬滑切作用產(chǎn)生的加速度方向相反，增加破茬刀切向力效果。加速度矢量如圖11所示，將根茬視為質(zhì)點，破茬刀沿x軸負(fù)向運動，且逆時針旋轉(zhuǎn)，a為深松鏟作用時根茬的分加速度，aτ為破茬刀對根茬切向力作用的加速度，an為破茬刀對根茬砍切力作用下的加速度。深松作業(yè)效果體現(xiàn)在根茬的分加速度矢量a上，設(shè)計中添加破茬刀的作業(yè)效果aτ、an，為矢量疊加，對a不產(chǎn)生影響。

圖11 根茬加速度分析圖Fig.11 Acceleration analysis of root stubble

由前期田間試驗結(jié)果得，根茬未發(fā)生偏移狀態(tài)下，根茬加速度最大時，加速度方向與x軸負(fù)向夾角范圍為10°～72°(本設(shè)計中考慮為10°～70°)。

為了適用于大多數(shù)聯(lián)合作業(yè)機械，對圓盤刀所配用軸承進(jìn)行測繪，得到2BM-2、2BM-4型免耕播種機與圓盤刀配套的標(biāo)準(zhǔn)軸承套[25]半徑為55 mm，圓盤刀半徑為215 mm(這與龐秀巖等[26]設(shè)計的免耕播種機最大直徑相同，此半徑圓盤刀作業(yè)效果較優(yōu))，且考慮到破茬刀預(yù)留碎土桿位置。所以起始半徑Rmin設(shè)計為180 mm；中間半徑設(shè)計為與傳統(tǒng)圓盤刀相同的215 mm；在計算機輔助設(shè)計軟件AutoCAD中選擇樣條曲線繪制刃口曲線，在滿足與x軸負(fù)向夾角范圍為10°～70°變化時，要求最大半徑Rmax為235 mm，整周可以均勻分布5片，連接處倒圓過渡，線形如圖12所示。以圓心為坐標(biāo)原點，對其中任意一段曲線(5段曲線線型相同)中的所有計算機識別點進(jìn)行坐標(biāo)提取，并將坐標(biāo)點輸入Matlab軟件中進(jìn)行編程，得到刃口曲線的擬合曲線和擬合方程，擬合曲線如圖13所示，擬合方程為

y=1.445x5+1.752x4-7.353x3+
25.19x2+15.2x-230.2

(10)

擬合度為0.999 7。

圖12 破茬刀刃口曲線示意圖Fig.12 Curve diagrams of edge of driving coulter

圖13 破茬刀刃口曲線擬合結(jié)果Fig.13 Fitting curves of edge of driving coulter

2.2.2碎土桿設(shè)計

為避免深松與破茬形成的根土結(jié)合體與土塊較大，在破茬刀上設(shè)計碎土桿。依據(jù)播種幅寬為60 mm左右，設(shè)置碎土桿長為64 mm，半徑8 mm，均勻排布18根。為不對破茬刀切割根茬時入土深度造成影響，碎土桿分布在距離刃口曲線80 mm位置上。作業(yè)過程中碎土桿鎮(zhèn)壓地表土塊，土塊在深松鏟的挑動力和碎土桿的鎮(zhèn)壓力共同作用下起到一定的破碎作用。

在破茬刀上鉆孔處理，碎土桿與破茬刀穿插焊接連接，破茬刀材料選為65Mn鋼，刃部進(jìn)行熱處理，淬火區(qū)為整個刃口部位，硬度為HRC48～56，碎土桿材料為45鋼，硬度為HRC55，如圖14所示。

圖14 破茬碎土刀Fig.14 Stubble chopper

2.3 仿真驗證試驗

為驗證添加破茬碎土刀后與深松鏟形成互作效應(yīng)時，根茬所受深松鏟的分加速度與深松作業(yè)時根茬的加速度方向差異較小，并證明設(shè)計思路的合理性及設(shè)計的可行性，選擇在EDEM軟件中對深松鏟作用下破茬碎土刀正常作業(yè)時進(jìn)行仿真試驗，驗證根茬在深松鏟與破茬碎土刀互作效應(yīng)下受力情況。

2.3.1仿真模型的建立

選取擬合曲線型深松鏟和所設(shè)計破茬碎土刀進(jìn)行仿真試驗，為保證工作部件的作業(yè)范圍，設(shè)置長1 000 mm、寬400 mm、高500 mm的土壤仿真模型。并依據(jù)文獻(xiàn)[17]中根茬各部位平均尺寸，用524個半徑0.5～15 mm的球組合成條狀，構(gòu)成根茬主根和側(cè)根的基本形態(tài)，球與球之間的鑲嵌長度為直徑的1/4，材料依據(jù)纖維素數(shù)據(jù)，密度為438 kg/m3，得到根茬的質(zhì)量為329.58 g，因此在質(zhì)量上，所建立根茬模型與實際中根茬的質(zhì)量相差較小(試驗區(qū)10月秋收季節(jié)根茬質(zhì)量為300 g左右)，且根茬模型與實際中的根茬在形態(tài)上基本一致，模型設(shè)計較為合理。整個根茬視為單一顆粒(多個顆粒依據(jù)接觸模型團(tuán)聚為根茬模型，在仿真過程中可以破碎，但在接觸模型的微觀參數(shù)范圍內(nèi)與實際中的根茬整體性質(zhì)相差較大，無法得到較為合理的試驗結(jié)果。根茬單一顆粒仿真時雖然無法模擬出實際根茬的破碎，但添加根茬與土壤的接觸模型可以體現(xiàn)出根土結(jié)合體的性質(zhì)，仿真試驗指標(biāo)在趨勢上與實際一致)，剪切模量為4.14×109Pa，泊松比為0.33。

依據(jù)文獻(xiàn)[14]中擬合曲線型深松鏟和所設(shè)計破茬碎土刀的基本尺寸，建立深松鏟破茬碎土刀互作效應(yīng)模型，如圖15。保存為.stp格式導(dǎo)入EDEM軟件中。材料為65Mn鋼，密度為7 865 kg/m3，剪切模量為7.9×1010Pa，泊松比為0.3。

圖15 仿真模型Fig.15 Simulation models

由文獻(xiàn)[27]得，若深松鏟及破茬碎土刀速度較大，易增加滑移率，對切割根茬產(chǎn)生不利影響，因此深松鏟和破茬碎土刀都設(shè)置為0.56 m/s的平動速度。依據(jù)文獻(xiàn)[28-29]，鎮(zhèn)壓輪、圓盤刀等被動轉(zhuǎn)動部件速度較小時，滑移率較低，可以忽略不計，在計算機仿真模擬中可以設(shè)置轉(zhuǎn)速，利用主動旋轉(zhuǎn)來代替被動旋轉(zhuǎn)，反映試驗現(xiàn)象趨勢。設(shè)置破茬碎土刀的起始轉(zhuǎn)速為3.09 rad/s，加速度為-3.73 rad/s2時，運動0.2 s，加速度為0.76 rad/s2時，運動0.29 s(破茬碎土刀刃口曲線長度之和為1 369.65 mm，忽略滑移率)，周期性轉(zhuǎn)動，以此來反映被動旋轉(zhuǎn)。

2.3.2土壤接觸模型的建立

接觸模型是離散元法的重要基礎(chǔ)，其實質(zhì)是準(zhǔn)靜態(tài)下顆粒固體的接觸力學(xué)彈塑性分析結(jié)果[14]。接觸模型的分析計算直接決定了顆粒所受的力和力矩的大小，進(jìn)而決定了試驗時顆粒運動的軌跡，對不同的仿真對象，需建立不同的接觸類型，以提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

試驗地區(qū)為東北壤土，具有粒度均勻、透氣性好、透水性好、強烈脹縮和擾動特性的特點，土壤有一定粘附力和彈塑性[30]。因此土壤顆粒與深松鏟，土壤與破茬碎土刀之間設(shè)定為Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型，土壤顆粒與土壤顆粒之間除設(shè)置Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型外，考慮到壤土之間內(nèi)聚特性較強，土壤間相互粘結(jié)，因此添加Hertz-Mindlin with bonding接觸模型，微觀參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[14]。土壤與根茬屬于因水分發(fā)生明顯黏結(jié)和團(tuán)聚的物料，EDEM軟件中建立根茬單一顆粒與土壤顆粒的堆聚黏結(jié)模型能體現(xiàn)出根土結(jié)合體的性質(zhì)，因此在土壤與根茬之間添加Hertz-Mindlin with JKR接觸模型，表面能設(shè)置為10 J/m2[31]。參數(shù)如表1所示，土壤顆粒半徑設(shè)置為4 mm。

表1 離散元法仿真微觀參數(shù)Tab.1 Microscopic parameters of DEM simulation

2.3.3仿真

在所設(shè)定的土壤仿真模型中生成土壤顆粒，固定時間步長為8.2×10-5s，Rayleigth時間步長為5.47×10-4s?？偼寥李w粒生成時間為8 s，根茬生成時間為5～8 s，根茬生成總數(shù)為3個，土壤顆粒自然沉降1 s，深松鏟入土深度為300 mm，破茬碎土刀入土深度為80 mm，運動時間為2 s。

2.3.4結(jié)果與分析

因離散元軟件中無法真實模擬出單一顆粒根茬在被切割過程中的開裂、破碎，所以仿真過程中僅對根茬整體、根茬與土壤、根茬與破茬碎土刀受力分析，仿真過程如圖16所示。

圖16 破茬碎土刀切割根茬仿真圖Fig.16 Simulation diagram of cutting stubble with stubble chopper

隨機選取一根茬進(jìn)行分析，根茬在被切割過程中深松鏟作用力、土壤粘結(jié)力等主要通過土壤與根茬接觸作用對根茬施加力，因此土壤與根茬之間的接觸力就體現(xiàn)出切割過程中除破茬碎土刀外其它所有物體對根茬的作用力，計算出接觸力與x軸正向(水平面)夾角變化，同時得到破茬碎土刀對根茬的切向力與x軸正向夾角，如圖17所示。

圖17 根茬受力方向變化曲線Fig.17 Changing curves of force direction of root stubble

如圖17所示，根茬在被切割過程中，所受破茬碎土刀的切向力與x軸夾角主要集中在-170°～-110°，根茬受土壤作用力與x軸夾角主要集中在10°～70°。因此仿真驗證試驗表明，所設(shè)計破茬碎土刀與深松鏟互作效應(yīng)下根茬所受深松鏟作用力與破茬碎土刀切向作用力方向相反，可以增加切向力作用效果，降低破茬碎土刀所受阻力。同時也驗證了深松鏟作業(yè)與深松鏟、破茬碎土刀互作效應(yīng)相比，破茬碎土刀對根茬所受鏟尖作用的加速度影響較小，安裝破茬碎土刀后，深松鏟對根茬的加速度變化依然在設(shè)計范圍內(nèi)，深松作業(yè)可以為破茬碎土刀的設(shè)計提供依據(jù)。

在深松鏟通過土壤顆粒對根茬產(chǎn)生作用力的同時，破茬刀對根茬產(chǎn)生切向力作用，因此破茬刀所設(shè)計半徑范圍以及破茬刀與深松鏟最小間隙的選取合理，能使兩者產(chǎn)生互作效應(yīng)。

2.4 單因素試驗

為了深入研究深松鏟、破茬碎土刀產(chǎn)生交互作用的間距，同時為機構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)，選擇深松鏟與破茬碎土刀最小間隙為因素，根茬壓縮力變化率(減小量與原值的比值)為指標(biāo)，進(jìn)行單因素仿真試驗。在滿足深松鏟與破茬碎土刀不發(fā)生干涉現(xiàn)象時，最小間隙水平設(shè)置為20 mm，并由前期高速攝像結(jié)果得到深松鏟距離根茬350 mm以上時，深松鏟未對根茬作用，因此最大間隙水平確定為350 mm。依據(jù)文獻(xiàn)[32]，土壤、根土結(jié)合體固結(jié)越嚴(yán)重，壓縮量越大，壓縮力越大，因此根茬壓縮力可以在一定程度上間接反映土壤固結(jié)情況。試驗結(jié)果如圖18所示。

圖18 壓縮力變化率變化曲線Fig.18 Changing curve of compressive force

由圖18得，深松鏟與破茬碎土刀最小間隙為20～290 mm，壓縮力變化率較大，此間隙內(nèi)產(chǎn)生互作效應(yīng)較強，最小間隙為290～320 mm時，互作效應(yīng)變?nèi)?，最小間隙為320～350 mm時互作效應(yīng)最弱，最小間隙為350 mm時，幾乎無互作效應(yīng)；且互作效應(yīng)最明顯時，最小間隙為20 mm。此試驗中根茬未發(fā)生偏移，深松鏟通過土壤對根茬的作用力最大時，測得深松鏟與根茬的距離為285 mm，在田間試驗總結(jié)的240～290 mm范圍內(nèi)。因此破茬碎土刀的設(shè)計及與深松鏟的配合較為合理。

3 田間試驗

3.1 性能試驗

田間性能試驗是在春季播種前對免耕播種地區(qū)進(jìn)行深松、破茬、碎土作業(yè)。

3.1.1試驗條件與目的

2018年4月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽農(nóng)場試驗基地進(jìn)行，試驗地為玉米壟作免耕地，試驗地面積為4 000 m2，田間土壤平均含水率為(20±1)%，土壤容重為1.21 g/cm3。由于根土結(jié)合體是根茬和土壤結(jié)合在一起的大土塊，直接測量根茬和土壤的破碎即可體現(xiàn)裝置對根土結(jié)合體的作業(yè)效果，因此選擇破茬比率(破茬碎土刀切斷根茬數(shù)量占破茬碎土刀通過根茬數(shù)量的比率，田間試驗統(tǒng)計時實質(zhì)上是對根土結(jié)合體的切割)、碎土率(沿耕作方向在已耕地上測定0.25 m2面積內(nèi)，全耕層上最長邊小于40 mm的土塊質(zhì)量與總質(zhì)量的百分比為碎土率[33])為作業(yè)效果指標(biāo)、耗油量為作業(yè)性能指標(biāo)，對所設(shè)計破茬碎土刀配合深松鏟進(jìn)行田間性能試驗，如圖19所示。

圖19 田間性能試驗Fig.19 Performance test in field1.破茬碎土刀 2.擬合曲線型深松鏟 3.折線式深松鏟 4.載重箱 5.約翰迪爾354型拖拉機 6.GPS-10A型機動車多功能檢測儀 7.油耗儀 8.約翰迪爾484型拖拉機

樣地土壤硬度平均為1 426 kPa(0～125 mm)、3 347 kPa(125～250 mm)、2 536 kPa(250～300 mm)。試驗所用設(shè)備有約翰迪爾354型及484型拖拉機、深松施肥機(僅深松部件工作)、擬合曲線型深松鏟、折線式深松鏟、破茬碎土刀、GPS-10A型機動車多功能檢測儀、油耗儀等。

3.1.2試驗方案

安裝時，保證深松鏟(S)與破茬碎土刀(SC)在互作效應(yīng)距離內(nèi)，調(diào)節(jié)S與限深輪高度差為300 mm，SC與限深輪高度差為80 mm，拖拉機以正常田間作業(yè)2 km/h的速度進(jìn)行深松、破茬、碎土作業(yè)，機組配重為80 kg。對所作業(yè)范圍隨機選取5樣點區(qū)域，每樣點區(qū)域長20 m，采用前拖拉機牽引、后拖拉機懸掛的方式進(jìn)行耗油量的測量，由于機組為兩行壟臺作業(yè)，因此選取折線式深松鏟作為平衡深松部件，油耗儀安裝在油箱與噴油泵之間，并與GPS-10A型機動車多功能檢測儀連接，記錄此狀態(tài)下機組的耗油量。對區(qū)域內(nèi)裝置通過根茬總數(shù)及所切根茬數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，計算破茬數(shù)占總數(shù)比率，并測量計算作業(yè)區(qū)域碎土率(測量碎土率時采用土壤取樣器取樣并運用篩選法測定)[32]。

3.1.3試驗結(jié)果

試驗效果如圖20所示，依據(jù)文獻(xiàn)[33-35]測量方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8401.2—2007作為評定指標(biāo)[36]，所設(shè)計的破茬碎土刀及配套深松鏟作業(yè)質(zhì)量如表2所示。

圖20 作業(yè)效果Fig.20 Operation effect

性能參數(shù)S-SC互作效應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)破茬比率/%86.52≥78(平面圓盤刀)碎土率/%74.23≥70耗油量/(mL·(100m)-1)120174.9(現(xiàn)有深松鏟)

樣機試驗結(jié)果與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對比表明：S-SC互作效應(yīng)滿足評定指標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的深松破茬碎土整地作業(yè)。

3.2 對比試驗

根據(jù)傳統(tǒng)深松破茬部件田間作業(yè)時載重及作業(yè)速度變化范圍，選取S與SC互作效應(yīng)狀態(tài)以及S與SC、圓盤刀(CD)、缺口破茬刀(SCB)分別分離作用狀態(tài)在載質(zhì)量為80、100、120 kg，速度為1、2、3 km/h條件進(jìn)行田間對比試驗，每組試驗壟長為100 m，試驗指標(biāo)為油箱耗油量及破茬比率，試驗結(jié)果如圖21所示。

圖21 耗油量與破茬比率對比Fig.21 Comparison diagrams of fuel consumption and stubble rate

由圖21得，所有工況下，S-SC互作效應(yīng)、S-SC、CD、SCB分離作用平均破茬比率為92.63%、89.47%、77.59%、85.09%，每作業(yè)100 m平均耗油量為140.89、143.44、129.44、137.45 mL，S-SC互作效應(yīng)比S-SC、CD、SCB分離作用平均破茬比率增加了3.53%、19.38%、8.86%；S-SC互作效應(yīng)比S-SC分離作用平均耗油量減小了1.78%，S-SC互作效應(yīng)比S-CD、SCB分離作用平均耗油量增加了8.85%、2.5%。不同工況條件下，S-SC互作效應(yīng)比S-CD分離作用平均載質(zhì)量降低20 kg時，破茬比率提高13.8%，耗油量減小7%，平均載質(zhì)量降低40 kg時，破茬比率提高5.82%，耗油量減小21.82%；比S-SCB分離裝置平均載質(zhì)量降低20 kg時，破茬比率提高4.5%，耗油量減小了12.79%。因此S-SC互作效應(yīng)裝置破茬比率最大，降低裝置載質(zhì)量的同時能夠提高破茬比率。

4 結(jié)論

(1)對深松鏟田間深松作業(yè)高速攝像分析得到，深松鏟在距離根茬240～290 mm時，根茬未偏移情況下加速度最大，此時加速度與水平面夾角為10°～72°。

(2)建立深松鏟與破茬刀幾何模型，確定破茬碎土刀的半徑范圍為180～235 mm；通過對作業(yè)時的運動學(xué)分析，得到刃口曲線形狀決定滑切效果，并結(jié)合破茬刀切割根茬模型的加速度分析，得到破茬碎土刀刃口曲線切割根茬時與水平方向夾角為10°～70°。

(3)對S-SC互作效應(yīng)進(jìn)行仿真驗證試驗，得到根茬所受破茬碎土刀的切向力與水平方向夾角為-170°～-110°，根茬受土壤作用力與水平方向夾角為10°～70°，且在深松鏟通過土壤對根茬產(chǎn)生力的作用時，破茬碎土刀能對根茬產(chǎn)生切向力；并進(jìn)行單因素仿真試驗，結(jié)果表明互作效應(yīng)最強時，深松鏟與根茬距離為285 mm，在設(shè)計的參數(shù)范圍內(nèi)，為機構(gòu)的設(shè)計提供了依據(jù)。

(4)對所設(shè)計S-SC互作效應(yīng)進(jìn)行田間試驗。性能試驗表明，S-SC互作效應(yīng)破茬比率、碎土率與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比分別增加了10.92%、6.04%，耗油量降低了31.39%；對比試驗表明，S-SC互作效應(yīng)比S-SC、CD、SCB分離作用平均破茬比率分別增加了3.53%、19.38%、8.86%。S-SC互作效應(yīng)比S-CD分離作用平均載質(zhì)量降低20 kg時，破茬比率提高13.8%，耗油量減小7%，平均載質(zhì)量降低40 kg時，破茬比率提高5.82%，耗油量減小21.82%；比S-SCB分離作用平均載質(zhì)量降低20 kg時，破茬比率提高4.5%，耗油量減小12.79%。破茬碎土刀與深松鏟互作效應(yīng)工作時，增加碎土效果的前提下作業(yè)效果較優(yōu)，降低裝置載質(zhì)量的同時能夠提高破茬比率。