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基于EDEM的圓盤彈齒組合式水田平地機(jī)圓盤轉(zhuǎn)輥仿真與試驗(yàn)

2022-01-14 13:28:20賈樂(lè)心江應(yīng)星付大平姜立民王景立
關(guān)鍵詞:田間試驗(yàn)水田圓盤

賈樂(lè)心,江應(yīng)星,2*,孫 佳,付大平,2,姜立民,王景立,2*

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000;2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130000;3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

【研究意義】水稻是我國(guó)重要的糧食作物,籽粒收獲后往往伴隨大量水稻秸稈待處理。秸稈還田有利于提升土壤肥力,改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[1]。傳統(tǒng)水田平地機(jī)利用打漿刀對(duì)泥土與根茬的切削作用以達(dá)到秸稈呈碎段狀,泥土粘稠狀。但存在作業(yè)阻力大、秸稈壓埋率低、作業(yè)后大量秸稈漂浮于田面等缺陷[2]?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】離散元方法廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械工作部件的仿真設(shè)計(jì)中[3-4],如排種器、旋耕刀等作業(yè)部件的作業(yè)狀態(tài)仿真模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)偏差較小,可作為田間試驗(yàn)前的理論數(shù)據(jù)參考[5]。王金龍[6]基于離散元法對(duì)還田刀輥總成進(jìn)行優(yōu)化與分析,通過(guò)對(duì)扭矩、土壤顆粒數(shù)目的田間試驗(yàn)與仿真分析進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了離散元仿真可靠性。張春嶺[7]建立土壤-機(jī)具-秸稈模型分別對(duì)土壤顆粒、秸稈各方向位移以及刀片受力進(jìn)行分析。鄔立巖等[8]通過(guò)構(gòu)建水田機(jī)械工作部件表面與水田泥土層相接觸的力學(xué)模型,對(duì)觸土部件結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行了減阻設(shè)計(jì)?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】針對(duì)水稻秸稈全量還田新農(nóng)藝措施下出現(xiàn)的水稻秸稈吸水后韌性與抗剪切強(qiáng)度急劇增加,造成刀輥纏草嚴(yán)重,甚至無(wú)法作業(yè)的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于水稻秸稈整株壓埋為特點(diǎn)的圓盤彈齒組合式水田平地機(jī),用于完成田面灌水后水稻秸稈深埋與起漿作業(yè)?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】設(shè)計(jì)了壓草圓盤滾筒與彈齒滾筒組合的水田平地機(jī),解決傳統(tǒng)打漿刀輥纏草、作業(yè)阻力大等不適于水稻秸稈全量還田的新農(nóng)藝技術(shù)要求問(wèn)題。田間試驗(yàn)表明,該機(jī)具作業(yè)后秸稈壓埋率、起漿濃度等指標(biāo)均滿足新農(nóng)藝要求。

1 圓盤彈齒式水田平地機(jī)壓埋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 圓盤彈齒組合式水田平地機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

秸稈還田作業(yè)時(shí),拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)由萬(wàn)向聯(lián)軸器將動(dòng)力傳輸至機(jī)具動(dòng)力輸入軸,動(dòng)力輸入軸經(jīng)變速箱減速驅(qū)使主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),主動(dòng)軸兩端連接機(jī)具兩端齒輪傳動(dòng)箱并將動(dòng)力傳遞至圓盤轉(zhuǎn)輥與彈齒轉(zhuǎn)輥,圓盤轉(zhuǎn)輥上安裝數(shù)組壓草圓盤,彈簧輥筒上分布大量彈簧彈齒,壓草圓盤起秸稈壓埋作用,彈簧彈齒起二次壓埋與輔助起漿作用(圖1)。

圖1 圓盤彈齒組合式水田平地機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of paddy field grader with disc spring-tooth combination

1.2 非驅(qū)動(dòng)式與驅(qū)動(dòng)式圓盤受力對(duì)比

傳統(tǒng)非驅(qū)動(dòng)式作業(yè)部件進(jìn)行作業(yè)時(shí),在拖拉機(jī)牽引作用下,作業(yè)部件依靠自身切削土壤與秸稈所受的滾切阻力進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。因機(jī)具水平牽引力較大且扭矩不足,導(dǎo)致水稻秸稈壓埋效果不佳易出現(xiàn)壅土現(xiàn)象。驅(qū)動(dòng)式壓草圓盤受轉(zhuǎn)輥驅(qū)動(dòng),壓草圓盤向下主動(dòng)壓埋秸稈與泥土并提供旋轉(zhuǎn)扭矩。使秸稈與泥漿有向下轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì),將原本擁堵于機(jī)具前進(jìn)方向的秸稈向土壤深處運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)水稻秸稈全量還田(圖2)。

圖2 非驅(qū)動(dòng)式圓盤與驅(qū)動(dòng)式圓盤受力分析Fig.2 Force Diagram of non-driving disc cutter and driving disc cutter

2 離散元仿真

2.1 建立離散元模型

合適的顆粒模型可大大增加仿真效果真實(shí)性[9]。本研究所用的是Hertz-Mindlin with JKR 模型,該模型通過(guò)變化顆粒之間作用力來(lái)模擬各類物料,該模型提供吸引凝聚力,即便顆粒之間未直接接觸且適用于模擬濕顆粒,通過(guò)將顆粒之間的凝聚力模擬液體中的粘滯力[10]。該離散元模型通過(guò)將兩種顆粒層層鋪墊,用散粒體填充模擬流體(圖3)。

圖3 泥土-刀具-秸稈離散元模型Fig.3 Soil-tool-straw discrete element model

2.2 仿真參數(shù)

經(jīng)查閱相關(guān)資料,泥的密度為2 000 kg/m3,泊松比為0.5,泥漿材質(zhì)復(fù)雜特殊,類屬于流體,通過(guò)虛擬試驗(yàn)標(biāo)定法來(lái)確定其剪切模量為1×108Pa,其表面能為0.15 J/m2[11]泥土顆粒半徑選用5 mm。秸稈顆粒建模采用球型顆粒進(jìn)行拼接建模,并對(duì)模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化。秸稈的密度為241 kg/m3,剪切模量為1×106Pa[12](表1)。

表1 不同顆粒接觸參數(shù)Tab.1 Contact parameters of different particles

2.3 離散元模擬試驗(yàn)

本研究通過(guò)從離散顆粒添加作用力,模擬泥土之間存在的粘滯力大小。賦予圓盤轉(zhuǎn)輥相應(yīng)運(yùn)動(dòng)參數(shù),模擬刀具秸稈壓埋過(guò)程。正確、合理的仿真模擬模型一定程度上可為機(jī)具田間實(shí)驗(yàn)提供理論參考依據(jù)。

水田耕整地作業(yè)中,機(jī)具作業(yè)條件差異往往導(dǎo)致不同作業(yè)效果。選擇合適機(jī)具作業(yè)條件成為農(nóng)民關(guān)注的重點(diǎn),在滿足水稻種植農(nóng)藝要求前提下,適當(dāng)減小機(jī)具前進(jìn)阻力,可延長(zhǎng)機(jī)具使用壽命,減低機(jī)具功率消耗,一定程度上可減少農(nóng)戶使用成本。選用機(jī)具作業(yè)速度、壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度、轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素,將機(jī)具前進(jìn)阻力作為試驗(yàn)指標(biāo),在常規(guī)作業(yè)條件中,選取一組最優(yōu)作業(yè)條件。

通過(guò)建立三因素三水平BBD(Box-Behnken)試驗(yàn)方案[13-14],模擬各作業(yè)條件下機(jī)具作業(yè)狀態(tài)(表2)。由于顆粒數(shù)目與機(jī)具模型等諸多原因限制,圓盤轉(zhuǎn)輥長(zhǎng)度僅選取原長(zhǎng)1/3,長(zhǎng)度為1 m,仿真作業(yè)效果如圖4 所示。

圖4 不同試驗(yàn)條件下壓草圓盤作業(yè)狀態(tài)Fig.4 Simulation effect of disc cutter operation under different conditions

表2 試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Test factor level table

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)環(huán)境與設(shè)備

本次試驗(yàn)選擇于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)教學(xué)基地進(jìn)行,田塊經(jīng)灌水泡田24 h后,液面深度為70~80 mm,地表溫度為2.2 ℃的外部環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備選用久保田M954拖拉機(jī)、田間動(dòng)力遙測(cè)儀、秒表等試驗(yàn)設(shè)備。

3.2 試驗(yàn)方法

機(jī)具作業(yè)過(guò)程中,壓埋機(jī)構(gòu)對(duì)水稻秸稈進(jìn)行壓埋鎮(zhèn)壓作用,往往受到田間泥漿以及秸稈所帶來(lái)的前進(jìn)阻力。在滿足水田耕整地及秸稈還田的農(nóng)藝要求前提下,減小機(jī)器前進(jìn)阻力,在一定程度上可降低機(jī)具功率消耗。拖拉機(jī)經(jīng)田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)遙測(cè)儀連接試驗(yàn)機(jī)具,機(jī)具在作業(yè)過(guò)程中所受到的阻力大小被遙測(cè)記錄,用以評(píng)定機(jī)具前進(jìn)阻力效果。記錄單位工作時(shí)間內(nèi),該機(jī)具壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)中所出現(xiàn)的纏草次數(shù)作為機(jī)具纏草現(xiàn)象評(píng)價(jià)指標(biāo)(圖6)。

圖6 試驗(yàn)機(jī)具進(jìn)行田間試驗(yàn)Fig.6 Field Test of testing machine and tools

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,表中A、B、C分別為機(jī)具作業(yè)速度、壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度、圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速試驗(yàn)指標(biāo)。共需進(jìn)行17組正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),經(jīng)數(shù)據(jù)處理得出表3,二次回歸方程為:

表3 BBD正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 BBD orthogonal test data

y=-2 194.67+1 049×A+1 084.63×B-60.315×C-101×A×B-1.3×A×C+0.353 125×B×C+533.3×A2-17.731 3×B2+0.117 859×C2;

阻力方差分析見(jiàn)表4。

表4 機(jī)具前進(jìn)阻力響方差分析Tab.4 Analysis of variance of resistance to work of machines and tools

由表4 方差分析結(jié)果可知,機(jī)具作業(yè)阻力受機(jī)具作業(yè)速度(A)、壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度(B)兩因素影響極顯著,各因素對(duì)機(jī)具前進(jìn)阻力影響力由大到小分別為機(jī)具前進(jìn)阻力>壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度>圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速。因此建立試驗(yàn)因素與機(jī)具前進(jìn)阻力響應(yīng)面,分析其因素兩兩之間的交互作用對(duì)機(jī)具前進(jìn)阻力影響,得出圖7。

圖7 各試驗(yàn)因素交互作用響應(yīng)面Fig.7 Response Surface for interaction of various test factors

傳統(tǒng)水田打漿刀進(jìn)行水田耕整地作業(yè)過(guò)程,因刀身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因存在多處刀刃滑切角,水稻秸稈懸掛其中隨刀體高速轉(zhuǎn)動(dòng)后,緊密依附于刀刃刀輥上清理困難[15](圖8)。

本次試驗(yàn)纏草率通過(guò)對(duì)作業(yè)幅寬為2.8 m 的水田旋耕部件完成20 m 長(zhǎng)度田塊的耕整地與秸稈還田作業(yè)。作業(yè)后記錄旋耕部件纏草掛草質(zhì)量。經(jīng)清理工作后,對(duì)秸稈稻草質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)秸稈稻草質(zhì)量大于10 kg 時(shí),該作業(yè)過(guò)程視為纏草嚴(yán)重,并進(jìn)行記錄。

壓草圓盤完成水田耕整地作業(yè)后,僅轉(zhuǎn)輥處懸掛些許秸稈且易清理,二者作業(yè)過(guò)程纏草效果對(duì)比如表5所示。

表5 兩刀具纏草率對(duì)比Tab.5 Comparison of twining rate between two cutting tools

由上述數(shù)據(jù)分析得,機(jī)具作業(yè)速度對(duì)機(jī)具前進(jìn)阻力大小的影響程度比壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度更顯著,圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速影響程度居最末。隨著試驗(yàn)水平參數(shù)逐步提高,機(jī)具前進(jìn)阻力也隨之增加,因此在滿足農(nóng)藝要求下,經(jīng)綜合分析得最佳機(jī)具作業(yè)條件A1B2C3,即機(jī)具作業(yè)速度為2 km/h,壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度為20 cm,圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)既滿足農(nóng)藝要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)具前進(jìn)阻力最小。壓草圓盤相比于傳統(tǒng)打漿刀纏草率降低了79.5%,顯著提高了機(jī)具作業(yè)效率[15]。

3.4 離散元仿真與田間試驗(yàn)結(jié)果擬合度分析

通過(guò)構(gòu)建離散元田間模型,導(dǎo)入刀具模型并賦予相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)從而在一定程度上模擬刀具田間作業(yè)過(guò)程。EDEM 軟件后處理部分,可直接得出仿真過(guò)程中水平方向上刀具所受合力,可近似看做機(jī)具前進(jìn)阻力。田間試驗(yàn)中,田間機(jī)械動(dòng)力參數(shù)遙測(cè)儀通過(guò)連接于上下懸掛點(diǎn)的力學(xué)傳感器,獲取水平方向三點(diǎn)合力,可近似看作機(jī)具前進(jìn)阻力。將離散元仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)與田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比對(duì),得出機(jī)具前進(jìn)阻力隨時(shí)間變化圖(圖9)。經(jīng)計(jì)算分析得,離散元仿真試驗(yàn)結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差率為29.69%,驗(yàn)證了離散元仿真試驗(yàn)在一定程度上上可實(shí)現(xiàn)田間試驗(yàn)的模擬仿真作業(yè)。

圖9 仿真試驗(yàn)與田間試驗(yàn)阻力對(duì)比Fig.9 Comparison of resistance between simulation test and field test

4 結(jié)論

(1)本文使用離散元軟件給予圓盤彈齒組合式水田平地機(jī)壓埋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù),模擬機(jī)構(gòu)水田秸稈壓埋作業(yè)過(guò)程。

(2)選取機(jī)具作業(yè)速度、壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度、圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素。經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證,機(jī)具作業(yè)速度對(duì)機(jī)具前進(jìn)阻力的影響程度比壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度更顯著,圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)具前進(jìn)阻力的影響程度居最末,綜合分析得,最優(yōu)作業(yè)條件參數(shù)組合為機(jī)具作業(yè)速度2 km/h,壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度22 cm,圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速300 r/min。壓草圓盤轉(zhuǎn)輥纏草率降低了79.5%。

(3)機(jī)具前進(jìn)阻力田間試驗(yàn)結(jié)果與離散元仿真相對(duì)誤差率為29.69%,驗(yàn)證了離散元仿真試驗(yàn)一定程度上可為田間試驗(yàn)提供理論參考。

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