張 超,黑曉濤,瞿兆杰,張道德,2

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 農(nóng)機(jī)工程研究設(shè)計(jì)院,武漢 430068;2.湖北省農(nóng)機(jī)裝備智能化工程技術(shù)研究中心,武漢 430068)

0 引言

在南方水田中,履帶式拖拉機(jī)、輪式拖拉機(jī)等傳統(tǒng)動力機(jī)械工作時會導(dǎo)致水田泥腳加深,耕作層破壞,形成較多暗溝,從而造成后續(xù)田間作業(yè)難以進(jìn)行[1]。船式拖拉機(jī)將“浮”和“滑”原理結(jié)合起來,有效地克服了上述問題,在深泥腳水田作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[2-5];但是,因葉輪行駛阻力較大、滑轉(zhuǎn)率較高,導(dǎo)致船式拖拉機(jī)目前實(shí)際作業(yè)時驅(qū)動效率較低[3]。

許多學(xué)者從優(yōu)化驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)角度出發(fā)對提高船式拖拉機(jī)直線作業(yè)性能展開研究。R.Beinstein[5]對拖拉機(jī)與土壤相互作業(yè)過程進(jìn)行研究,得到了拖拉機(jī)接地壓比與車輪下陷量之間的關(guān)系。王修斌分析了輪刺受力,對葉輪的滾動阻力和推進(jìn)力進(jìn)行了理論計(jì)算[5]。蔣崇賢通過理論分析和實(shí)驗(yàn)對比得到了葉輪作業(yè)時驅(qū)動力和驅(qū)動效率的計(jì)算公式,并首次提出以驅(qū)動效率作為評價葉輪工作特性的綜合指標(biāo)[6]。何家良設(shè)計(jì)了一種入土深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),改善了機(jī)耕船對不同泥角水田的適應(yīng)性問題[7]。韓數(shù)豐、李振鏞研究了葉輪入土深度、葉片寬度對葉輪推進(jìn)力的影響[8]。邵耀堅(jiān)對葉片寬度、驅(qū)動面傾角、非驅(qū)動面傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對驅(qū)動輪和整機(jī)的牽引性能的影響進(jìn)行了分析[9]。陸華忠、羅錫文通過自制土槽實(shí)驗(yàn)得到了葉輪所受推進(jìn)力、支撐力及其驅(qū)動效率隨葉輪轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律[10]。張超、江昱等通過光滑粒子流體動力學(xué)法設(shè)計(jì)并研究了單折面葉輪的直線驅(qū)動性能,相比直面葉輪,折面葉輪的直線驅(qū)動性得到較大幅度提升[11]。

綜上可知,目前船式拖拉機(jī)相關(guān)研究主要是從優(yōu)化船體和驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)出發(fā),來提高船式拖拉機(jī)直線驅(qū)動性能;然而,船式拖拉機(jī)工作參數(shù)也是影響船式拖拉機(jī)直線驅(qū)動性能的重要因素,目前鮮有學(xué)者研究。為此,以項(xiàng)目組研制的HH709S船式拖拉機(jī)驅(qū)動輪輪葉尺寸為參考依據(jù),設(shè)計(jì)并搭建土槽試驗(yàn),校核模型準(zhǔn)確性后,基于離散元法研究單輪葉與土壤的直線作業(yè)機(jī)理,以輪葉入土角度、入土深度,前進(jìn)速度為影響因素,以推進(jìn)力和扭矩為評價指標(biāo),從土壤堆積流動角度揭示工作參數(shù)對船式拖拉機(jī)驅(qū)動輪單輪葉直線驅(qū)動性能的影響機(jī)理,探究工作參數(shù)對直線驅(qū)動性能的影響規(guī)律,并采用多因素法獲取直線驅(qū)動性能較優(yōu)的船式拖拉機(jī)直線工作參數(shù),最后通過單輪葉損耗功率間接驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的可靠性。

1 驅(qū)動葉輪結(jié)構(gòu)及入土深度

1.1 驅(qū)動葉輪結(jié)構(gòu)

驅(qū)動葉輪是船式拖拉機(jī)行走部件,主要由輪葉和輪轂組成。輪葉與土壤直接作用,提供驅(qū)動力。船式拖拉機(jī)田間作業(yè)時,輪葉受力可分為垂直于輪葉的法向力FN和沿輪葉切向方向的切向力FT,兩者的合力為F;F可分解為水平方向的推進(jìn)力FP和豎直方向的支撐力FL。當(dāng)驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)角為θ時,驅(qū)動葉輪結(jié)構(gòu)及輪葉的受力如圖1所示。

1.土壤表面 2.單輪葉 3.輪轂

1.2 入土深度

驅(qū)動葉輪的入土深度h是指輪葉運(yùn)動直垂直狀態(tài)時土壤表面到輪葉最下端之間的距離,如圖2所示。入土深度影響輪葉受力,具體如下:入土深度較大時,輪葉受土壤反力較大,驅(qū)動能力強(qiáng);但輪葉出土?xí)r挑土現(xiàn)象明顯,出土阻力也大,輪葉鏟泥和刮泥現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致驅(qū)動輪功率消耗較大,驅(qū)動效率低,工作性能差。入土深度較小時,輪葉與土壤間的作用力小,船體得不到足夠的驅(qū)動力,同樣也會導(dǎo)致驅(qū)動性能較差。在此,入土深度參考文獻(xiàn)[5]取h=220mm。為深入研究船式拖拉機(jī)與土壤作業(yè)機(jī)理,本文以單輪葉為例進(jìn)行研究。驅(qū)動葉輪三維圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動葉輪三維圖Fig.2 Three dimensional diagram of driving impeller

2 離散元仿真

離散元法(DEM)自問世以來,在研究非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題上體現(xiàn)出無可替代的作用[12-13]。在研究農(nóng)業(yè)機(jī)械與土壤相互作用時,有限元法難以準(zhǔn)確模擬出土壤與機(jī)具相互作用時土壤流動和破裂的動態(tài)過程,導(dǎo)致設(shè)計(jì)方法與實(shí)際結(jié)果相差較大;而離散元法能夠更好地展示田間作業(yè)時農(nóng)業(yè)機(jī)械受力和土壤的流動情況[14],故采用離散法對土壤進(jìn)行建模。

2.1 土壤模型及性能參數(shù)測試

南方水田土壤含水率高、黏性強(qiáng),為了更加準(zhǔn)確模擬該土壤的物理特性,土壤顆粒之間的接觸模型選擇JKP接觸模型。該模型能夠考慮顆粒之間粘黏作用及土壤與葉輪輪葉之間的粘附作用,顆粒間的法向接觸力FJKR能夠根據(jù)顆粒間的重疊量、表面粘性力及接觸參數(shù)采用式(1)～式(4)進(jìn)行計(jì)算。法向接觸力FJKR用來表示顆粒間的凝聚力[15-16],即

(1)

式中FJKR—法向彈性力(N);

E—等效彈性模量(Pa);

γ—表面能(J/m2);

R—等效接觸半徑(m);

α—切向重疊量(m)。

法向重疊量δ可由切向重疊量α換算得到,即

(2)

顆粒間最大間隙計(jì)算公式為

(3)

(4)

當(dāng)顆粒并非實(shí)際接觸且間隔時間小于δc時,凝聚力達(dá)到最大值。凝聚力Fpull-out計(jì)算公式為

(5)

為設(shè)置土壤—單輪葉離散元計(jì)算模型的計(jì)算參數(shù),對土壤相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測試。采用環(huán)刀法,經(jīng)過多次測試得到土壤的密度值為1904kg/m3。采用SL-TSD型土壤測試儀,經(jīng)過多次測量得到待測土壤含水率為28.58%。運(yùn)用ZJ型無極調(diào)速應(yīng)變控制式直剪儀多次測量并取其平均值,得到土壤內(nèi)摩擦角φ=9.11°,內(nèi)聚力c=12.9kPa。

圖3 實(shí)驗(yàn)測試裝置Fig. 3 Experimental test device

2.2 土壤—單輪葉仿真模型搭建及驗(yàn)證

葉輪的頂圓直徑為860mm,輪葉材料為45鋼,輪葉尺寸為240mm×180mm×6mm(寬×高×厚),驅(qū)動面傾角5°,非驅(qū)動面傾角4°,入土深度為220mm。土槽尺寸為1200mm×700mm×600mm(長×高×寬),選用直徑為8mm均勻球形顆粒模擬土壤,土壤顆粒材料屬性以及輪葉與土壤之間的接觸參數(shù)以前期土壤測試和相關(guān)文獻(xiàn)為參考依據(jù)得到具體數(shù)值,如表1所示[17-18]。單輪葉前進(jìn)速度為2m/s,旋轉(zhuǎn)速度為5.81rad/s,滑轉(zhuǎn)率為20%,仿真時間為0.4s,數(shù)據(jù)保存間隔為0.001s。土壤與單輪葉離散元模型如圖4所示。

表1 仿真設(shè)置參數(shù)

圖4 單輪葉與土壤作用離散元模型Fig.4 Discrete element model of interaction between single blade and soil

單輪葉與土壤直線作業(yè)過程中,扭矩隨輪葉所轉(zhuǎn)角度的變化曲線如圖5所示。由圖5可知:扭矩在1個周期內(nèi)呈現(xiàn)先升后降的趨勢。單輪葉入土后,隨著輪葉剪切和擠壓土壤增強(qiáng),單輪葉扭矩增大;隨著輪葉繼續(xù)運(yùn)動,推動土壤面積到達(dá)最大,扭矩逐漸降低。仿真結(jié)果中,單輪葉的扭矩從入土10.46N·m增大到222.084N·m,隨后逐漸降低。試驗(yàn)結(jié)果中,扭矩從35.22N·m增大到251.86N·m,隨后逐漸降低。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果扭矩的變化趨勢一致,且趨勢與文獻(xiàn)[19]的研究一致。試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上大于仿真結(jié)果的原因是由于仿真土壤與實(shí)際土壤的團(tuán)體結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致,由此證明了仿真模型的可靠性。

圖5 單輪葉扭矩隨轉(zhuǎn)過角度變化圖Fig.5 Variation of single blade torque with turning angle

2.3 單輪葉—土壤作業(yè)機(jī)理

單輪葉與土壤直線作業(yè)過程主要包括輪葉沿前進(jìn)方向的直線運(yùn)動和繞輪轂中心軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。從輪葉接觸土壤到完全脫離土壤,輪葉所處的區(qū)域位置可分為入土區(qū)和出土區(qū)。其中,入土區(qū)為輪葉尖端從與土壤表面接觸到運(yùn)動至最下位置的區(qū)段,出土區(qū)為輪葉尖端從最下位置運(yùn)動到離開土壤的區(qū)段。為體現(xiàn)單輪葉與土壤直線作業(yè)過程,截取了仿真時間t=0s、t=0.005s、t=0.1s、t=0.16s、t=0.23s、t=0.27s時輪葉與土壤作業(yè)速度云圖,具體如圖6所示。

圖6 單輪葉與土壤作用過程的動力學(xué)仿真截圖Fig. 6 Dynamic simulation screenshot of interaction process between single blade and soil

t=0s時,單輪葉剛與土壤表面接觸,輪葉還未運(yùn)動;t=0.05s時,輪葉開始進(jìn)入入土區(qū),對土壤開始產(chǎn)生擠壓和剪切作用,土壤顆粒被輪葉推動向左邊運(yùn)動,輪葉受到水平向右的推進(jìn)力,右邊顆粒微微隆起;t=0.1s時,單輪葉推動土壤顆粒個數(shù)增加,土壤顆粒速度變大,單輪葉向左邊擠壓土壤現(xiàn)象更加明顯,此時輪葉水平朝右的推力極劇增加;t=0.16s時,單輪葉狀態(tài)接近垂直,輪葉入土深度到達(dá)最大,向左邊推動的土壤顆粒個數(shù)到達(dá)最大值,顆粒速度相較t=0.1s時降低,輪葉即將進(jìn)入出土區(qū),開始出土;t=0.23時,輪葉進(jìn)入出土區(qū),開始出土,輪葉左邊挑土,輪葉右邊推土,此時因克服挑土?xí)囊徊糠譄o用功率,推土導(dǎo)致土壤給輪葉推力方向變?yōu)樗较蜃?阻礙其出土;t=0.27s時,輪葉挑土顆粒個數(shù)到達(dá)最大值,輪葉向右推土現(xiàn)象更加明顯,土壤給其水平向左的推力更大,輪葉即將出土。綜上分析,為提高船式拖拉機(jī)驅(qū)動輪直線驅(qū)動性能,必須減小輪葉出土?xí)r克服挑土和推土的功率消耗,同時增加輪葉在入土區(qū)向左邊推動土壤顆粒個數(shù)的最大值,以此產(chǎn)生更大的驅(qū)動力。

對單輪葉與土壤相互作用進(jìn)行求解計(jì)算,得到輪葉支撐力和推進(jìn)力的具體數(shù)值,經(jīng)換算得到輪葉支撐力和推進(jìn)力隨著轉(zhuǎn)角的變化曲線,如圖7所示。

圖7 推進(jìn)力和支撐力隨轉(zhuǎn)角的變化曲線Fig.7 Variation curve of propulsive force and supporting force with rotation angle

由圖7可知:輪葉在轉(zhuǎn)角為31°時開始接觸土壤,由于輪葉與土壤水平面夾角較小,輪葉所受總力在豎直方向的分力較大,且隨著入土深度的不斷變大,支撐力快速增加,在58°轉(zhuǎn)角時到達(dá)最大值,輪葉狀態(tài)如圖6(c)所示。隨著輪葉繼續(xù)運(yùn)動,輪葉開始出土,支撐力開始降低,由于輪葉挑土,支撐力出現(xiàn)負(fù)值,在123°轉(zhuǎn)角時挑動土壤顆粒個數(shù)到達(dá)最大,支撐力負(fù)值達(dá)到峰值,此時輪葉的具體狀態(tài)如圖6(f)所示。直到輪葉完全出土,支撐力逐漸變?yōu)?。輪葉剛?cè)胪習(xí)r,由于有較大的前進(jìn)速度,輪葉會推動土壤向右運(yùn)動,土壤給其反方向的推力,輪葉推進(jìn)力為負(fù)值;隨著輪葉繼續(xù)入土,輪葉向左邊推動土壤面積逐漸增大,推進(jìn)力逐步增加,但相較支撐力增加速度較慢,在轉(zhuǎn)角為79°時推進(jìn)力到達(dá)最大值,輪葉的狀態(tài)如圖6(d)所示。在出土區(qū),由于輪葉向前推土,推進(jìn)力變?yōu)樨?fù)值,隨著推土現(xiàn)象愈發(fā)明顯,推進(jìn)力負(fù)值到達(dá)頂峰;隨后輪葉完全出土,推進(jìn)力數(shù)值接近零值。對單輪葉所受推進(jìn)力和扭矩進(jìn)行計(jì)算,得到推進(jìn)力為131.69N,扭矩為104.59N·m。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

以單輪葉的入土角度、入土深度、前進(jìn)速度為影響因素,探究工作參數(shù)對船式拖拉機(jī)直線驅(qū)動性能的影響規(guī)律,得到最佳的工作參數(shù),以此提高船式拖拉機(jī)的直線驅(qū)動性能。

3.1 評價指標(biāo)

1)推進(jìn)力Fp。輪葉與土壤相互作用過程中,土壤對輪葉的反力為推進(jìn)力,該力推動船式拖拉機(jī)向前行走或轉(zhuǎn)向,故其值越大,輪葉的驅(qū)動性能越好。

2)扭矩T。由實(shí)際工況可知,葉輪輪葉推進(jìn)力Fp不可能無限增大,則引入輪葉轉(zhuǎn)向力矩T綜合評定輪葉的直線驅(qū)動性能:在Fp一定的前提下,T越大,船式拖拉機(jī)在轉(zhuǎn)向過程中的功率損耗就越大[20];在滿足船式拖拉機(jī)驅(qū)動葉輪直線驅(qū)動能力前提下,降低輪葉的扭矩能夠有效降低輪葉作業(yè)過程中的功率損耗,從而提高船式拖拉機(jī)的直線驅(qū)動性能。其中,T數(shù)值可直接從軟件中提取。

3.2 單因素仿真試驗(yàn)

根據(jù)前期項(xiàng)目組自主研制的HH709S船式拖拉機(jī)工作參數(shù)的具體范圍[11,21-22],展開單因素仿真試驗(yàn),以探究入土角度、入土深度和前進(jìn)速度對直線驅(qū)動性能的影響規(guī)律,尋找最佳的選取范圍。

圖8分別截取了單輪葉在不同入土角度、入土深度、前進(jìn)速度下轉(zhuǎn)過角度為123°時的作業(yè)速度云圖。從宏觀角度分析單輪葉堆土和壓土現(xiàn)象,結(jié)合推進(jìn)力和扭矩的變化規(guī)律,進(jìn)而得到單輪葉直線驅(qū)動性能的優(yōu)劣,如圖9～圖11所示。

圖8 輪葉不同工作參數(shù)下速度云圖Fig.8 Cloud chart of speed under different working parameters of impeller

圖8(a)為當(dāng)輪葉入土深度180mm、前進(jìn)速度2m/s時不同入土角度輪葉的作業(yè)狀態(tài)圖。由圖8(a)可以看出:單輪葉與土壤直線作業(yè)時,由于輪葉對土壤的擠壓和推動作用,輪葉左右兩邊會產(chǎn)生一定大小的土堆,左邊土堆是由于輪葉從入土到出土整個過程中向左后方推動土壤以及出土?xí)r輪葉挑動土壤產(chǎn)生,且輪葉出土?xí)r速度較大,被挑動的土壤顆粒速度大。其中,左邊土堆一部分土壤顆粒在輪葉入土區(qū)已基本形成,土壤顆粒速度基本穩(wěn)定且數(shù)值較小,這部分土壤顆粒給輪葉的反力與輪葉前進(jìn)速度方向一致,水平朝右,推進(jìn)力為正值;輪葉右邊土堆是由于輪葉出土?xí)r前進(jìn)速度較大,擠壓土壤形成,這部分顆粒給輪葉的反力與輪葉前進(jìn)速度方向相反,水平朝左,阻礙輪葉出土,推進(jìn)力為負(fù)值。當(dāng)輪葉入土角度從0°增加到40°時,左邊土堆高度從136mm降低到130mm,最后變?yōu)?16mm,出土?xí)r挑動土壤顆粒個數(shù)分別為1222、765、618個,右邊土堆高度分別為78、48、56mm。由此表明:隨著輪葉入土角度的增加,輪葉水平朝右的推進(jìn)力越來越大,輪葉出土?xí)r水平朝左的推進(jìn)力先降低后增加,輪葉挑土現(xiàn)象越來越弱。

輪葉入土深度從140mm增加到220mm時,左邊土堆高度先從117mm升高到130mm再降低到128mm,挑土土壤顆粒個數(shù)分別為257、765、886個,右邊土堆高度分別為43、48、87mm。由此表明,隨著輪葉入土深度的增加,輪葉水平朝右的推進(jìn)力先增加后降低,輪葉出土?xí)r水平朝左的推進(jìn)力逐漸增加,輪葉挑土現(xiàn)象越來越明顯。

由圖(9)可知:當(dāng)輪葉入土角度為20°時,推進(jìn)力為197.69N,扭矩為95.74N·m;入土角度為40°時,推進(jìn)力為146.1N,扭矩為90.28N·m;入土角度為0°時,推進(jìn)力為176.09N,扭矩為89.04N·m。這是因?yàn)槿胪两嵌?0°相較0°與土壤作業(yè)時輪葉左邊產(chǎn)生土堆高度相差不大,推進(jìn)力正值相差不大;但入土角度為20°時右邊土堆高度更小,土壤阻礙作用小,推進(jìn)力負(fù)值較小,推進(jìn)力整體值最大;入土角度為40°時,由于左邊土堆高度下降幅度較大,推進(jìn)力正值降低大,土壤阻礙作用較大,整體推進(jìn)力最低。故輪葉入土角度的選取應(yīng)在20°附近進(jìn)行選擇,以保證輪葉推進(jìn)力較大時,扭矩增幅不明顯。

圖9 推進(jìn)力和扭矩隨不同入土角度的變化規(guī)律Fig.9 Variation law of propulsive force and torque with different penetration angles

圖10 推進(jìn)力和扭矩隨入土深度變化規(guī)律Fig.10 Variation law of propulsive force and torque with soil depth

圖11 推進(jìn)力和扭矩隨前進(jìn)速度變化規(guī)律Fig.11 Variation law of propulsive force and torque with forward speed

由圖(10)可知:當(dāng)輪葉入土深度為180mm時,推進(jìn)力為197.69N,扭矩為95.74N·m;入土深度為220mm時,推進(jìn)力為151.37N,扭矩為112.29N·m;入土角度為140mm時,推進(jìn)力為166.39N,扭矩為74.25N·m。這是因?yàn)槿胪辽疃?80mm相較140mm時與土壤作業(yè)時輪葉產(chǎn)生右邊土堆高度相差不大,輪葉出土?xí)r,土壤阻礙作用相當(dāng);但入土深度180mm時輪葉左邊產(chǎn)生土堆高度較140mm時高13mm,推進(jìn)力正值漲幅較大,導(dǎo)致輪葉入土深度為180mm時整個過程推進(jìn)力較大。入土深度為220mm時,雖然左邊土堆高度與180mm差距不大,推進(jìn)力正值差別不大,但右邊土堆高39mm,輪葉出土?xí)r土壤阻礙作用最大,推進(jìn)力負(fù)值最大,導(dǎo)致整個過程推進(jìn)力最低,扭矩大。因此,輪葉入土深度既不能選擇太小導(dǎo)致推進(jìn)力過小、驅(qū)動能力不夠,也不能選取太大導(dǎo)致輪葉出土?xí)r土壤對輪葉的阻礙作用過大、扭矩大、推進(jìn)力小,直線驅(qū)動性能差。綜合以上分析,入土深度應(yīng)在180mm附近選擇,既能保證推進(jìn)力較大,且扭矩增加幅度不大,驅(qū)動性能高。

圖8(c)為輪葉入土角度為20°、入土深度為180mm時輪葉不同前進(jìn)速度的作業(yè)狀態(tài)圖。由圖8(c)可知:當(dāng)輪葉前進(jìn)速度從1.6m/s增加到2.4m/s時,左邊土堆高度從132mm增加到626mm,挑土土壤顆粒數(shù)分別為543個、765個、626個,右邊土堆高度分別為69mm、48mm、58mm。這表明,隨著輪葉前進(jìn)速度的增加,輪葉水平朝右的推進(jìn)力越來越大,水平朝左的推進(jìn)力先降低后增加,輪葉挑土現(xiàn)象越來越明顯。

由圖(11)可知:當(dāng)輪葉前進(jìn)速度為2m/s時,推進(jìn)力為197.69N,扭矩為95.74N·m;當(dāng)前進(jìn)速度為2.4m/s時,推進(jìn)力為181.54N,扭矩為102.92N·m;當(dāng)前進(jìn)速度為1.6m/s時,推進(jìn)力為189.45N,扭矩為91.89N·m。這是因?yàn)榍斑M(jìn)速度2m/s相較1.6m/s輪葉左邊土堆高度相隔2mm,差別不大,推進(jìn)力正值大小相當(dāng),但2m/s時右邊土堆高度小很多,土壤阻礙作用小,推進(jìn)力負(fù)值小,導(dǎo)致2m/s相較1.6m/s輪葉整體推進(jìn)力大、扭矩大。當(dāng)前進(jìn)速度為2.4m/s時,輪葉左邊土堆高度降低較大,推進(jìn)力正值大幅度降低,輪葉右邊土堆增加,土壤阻礙作用增加,推進(jìn)力負(fù)值增加,導(dǎo)致推進(jìn)力降低幅度大較大。綜合以上分析,推進(jìn)力與前進(jìn)速度并不是正比關(guān)系,隨著前進(jìn)速度的加大,推進(jìn)力增加較小幅度后反而會下降,這與土壤的機(jī)械強(qiáng)度以及輪葉與土壤作用時間有關(guān)。故前進(jìn)速度的選取應(yīng)保證輪葉滿足一定驅(qū)動能力的推進(jìn)力下,盡可能降低扭矩,在速度1.6m/s和2m/s之間選取較佳。

3.3 多因素仿真試驗(yàn)

在保輪葉獲取較大推進(jìn)力同時減弱扭矩,展開多因素正交試驗(yàn)分析[23,24,25],以此求解單輪葉最佳的工作參數(shù)組合。根據(jù)編碼后的試驗(yàn)方案分別建模并仿真,試驗(yàn)因素編碼表如表2所示,試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

續(xù)表3

根據(jù)表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過Design-expert8.0.5軟件得到推進(jìn)力和扭矩二次多項(xiàng)式回歸模型,即

FP=181.65-17.71A-20.72B+6.9C- 2.58AB+1.9AC-3.12BC-20.18A2-

36.96B2+2.97C2

(6)

T=90.9-2.86A+17.1B+6.27C+0.54AB+

0.43AC+2BC-4.81A2-3.54B2

(7)

分別對輪葉推進(jìn)力和扭矩二次多項(xiàng)式模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表4和表5所示。

表4 推進(jìn)力二次多項(xiàng)式模型的方差分析

表5 扭矩二次多項(xiàng)式模型的方差分析

由表4和表5可以看出:推進(jìn)力和扭矩回歸模型的P值均小0.01,回歸模型高度顯著,擬合程度高。由入土深度、入土角度、前進(jìn)速度的P值可以判斷3個試驗(yàn)因素對單輪葉推進(jìn)力和扭矩均產(chǎn)生較明顯影響。試驗(yàn)因素對推進(jìn)力的影響從大到小依次為入土深度、入土角度、前進(jìn)速度,對扭矩的影響從大到小依次為入土深度、前進(jìn)速度、入土角度。

利用Design-Expert軟件繪制各因素交互影響的3D響應(yīng)曲面圖。入土深度和入土角度的響應(yīng)曲面如圖12所示。入土角度從0°變化到40°時,推進(jìn)力和扭矩均先增加后降低;入土深度從140mm變化到220mm時,推進(jìn)力先增加后降低,扭矩一直增加;前進(jìn)速度從1.6m/s變化到2.4m/s時,扭矩一直增加,這與4.2節(jié)中單因素研究結(jié)果一致。

3.4 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

對正交試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化分析,在保證輪葉受推進(jìn)力Fp較大的前提下,選取較小的扭矩,采用多目標(biāo)變量優(yōu)化方法[26]建立數(shù)學(xué)模型。采用響應(yīng)面分析法對式(8)進(jìn)行優(yōu)化分析[27],計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)輪葉入土角度為11°、入土深度為147mm、前進(jìn)速度為1.6m/s時,單輪葉推進(jìn)力最大為170.93N,扭矩相對最小為70.89N.m,單輪葉的直線驅(qū)動性能最佳。為驗(yàn)證正交仿真求解結(jié)果的準(zhǔn)確性,在最優(yōu)工作參數(shù)組合條件下進(jìn)行對比試驗(yàn),求得輪葉推進(jìn)力為172.51N、扭矩為69.82N.m。推進(jìn)力相對誤差為0.92%,扭矩相對誤差為1.5%,由此驗(yàn)證了求解結(jié)果的可靠性,相對優(yōu)化前單輪葉推進(jìn)力提升了40.82N、扭矩降低了34.77N·m,直線驅(qū)動性能得到明顯提升。

(8)

4 試驗(yàn)結(jié)果對比

土槽實(shí)驗(yàn)平臺主要由盛土土槽、機(jī)架、滑輪導(dǎo)軌、驅(qū)動裝置、傳感器、傳動裝置、數(shù)據(jù)采集器、擋板等部件組成。盛土土槽具體參數(shù)為2m×1.4m×1m(長×寬×高)。卷揚(yáng)機(jī)提供水平牽引力拉動機(jī)架,使單輪葉做勻速直線運(yùn)動。交流伺服電機(jī)輸出動力,經(jīng)減速器、扭矩傳感器、傳動軸使單輪葉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。試驗(yàn)前先連接所有工作部件。扭矩動態(tài)測控儀用24V電源供電,將扭矩動態(tài)測控儀用通信電纜與扭矩傳感器連接,用485USB線將扭矩動態(tài)測控儀與筆記本電腦的采集軟件相連接。輪葉裝配在傳動軸的套筒上,利用螺栓固定輪葉,具體如圖13所示。

圖13 土槽實(shí)驗(yàn)裝置Fig.13 Soil tank experimental device

為驗(yàn)證仿真所求工作參數(shù)的可靠性,通過數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時采集單輪葉與土壤直線作業(yè)過程中損耗功率間接來反映單輪葉直線驅(qū)動性能的優(yōu)劣,將優(yōu)化前后的損耗功率繪制成數(shù)據(jù)曲線,進(jìn)行對比,從而確定優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性,如圖14所示。

圖14 優(yōu)化結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證圖Fig.14 Test verification diagram of optimization results

由圖14可以看出:隨著輪葉與土壤直線作業(yè),損耗功率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢變化,單輪葉工作參數(shù)為11°-147mm-1.6m/s(優(yōu)化后)相較0°-220mm-2m/s(優(yōu)化前)損耗功率數(shù)值明顯降低。這表明,單輪葉工作參數(shù)為11°-147mm-1.6m/s時,單輪葉直線驅(qū)動性能優(yōu)于優(yōu)化前,間接證明了優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時再次驗(yàn)證了本文所建立的土壤—單輪葉離散元模型的可靠性。

5 結(jié)論

1)構(gòu)建了單輪葉—土壤離散元仿真模型和土槽試驗(yàn)平臺,校核了仿真模型的準(zhǔn)確性,分析了單輪葉與土壤直線作業(yè)機(jī)理,提出了評價單輪葉直線驅(qū)動性能的評價指標(biāo)。

2)利用多因素法求解單輪葉直線作業(yè)的最佳工作參數(shù)為入土角度11°、入土深度147mm、前進(jìn)速度1.6m/s,在此條件下單輪葉推進(jìn)力明顯提高,扭矩明顯降低,單輪葉直線驅(qū)動性能最佳。

3)在最優(yōu)工作參數(shù)組合下,單輪葉推進(jìn)力為172.51N、扭矩為69.82N·m,優(yōu)化前單輪葉推進(jìn)力為131.69N、扭矩為104.59N.m,優(yōu)化后推進(jìn)力大幅度提高,扭矩降低明顯,單輪葉直線驅(qū)動性能得到提升。

4)通過土槽試驗(yàn)對比了優(yōu)化前后兩種工作參數(shù)下單輪葉損耗功率的具體情況,得到單輪葉在優(yōu)化后工作參數(shù)下的損耗功率小。由此間接驗(yàn)證了仿真求解結(jié)果的準(zhǔn)確性,為船式拖拉機(jī)工作參數(shù)的選取提供了理論指導(dǎo)。