李明　董帥　龐永強(qiáng)　燕潔華　葉汪忠

摘要：為解決風(fēng)沙土改良設(shè)備研制中存在的核心問題，探討混拌刀具與風(fēng)沙土-改土材料間相互作用機(jī)理，以國(guó)標(biāo)旋耕刀IT245為基礎(chǔ)，分析其作用原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了專用于風(fēng)沙土改良的混拌刀具，通過離散元仿真模擬及室內(nèi)沙槽試驗(yàn)，以改土材料體積比為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)國(guó)標(biāo)刀及專用刀具5層深度下的混拌效果進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，風(fēng)沙土混拌刀具偏轉(zhuǎn)角度越大，改土材料體積比越大，當(dāng)深度150—120 mm、偏轉(zhuǎn)角為60°時(shí)達(dá)到最大值（35.67%）；風(fēng)沙土混拌刀具彎折角越大，改土材料體積比越大，當(dāng)深度150—120 mm、彎折角為130°時(shí)達(dá)到最大值（36.02%）。風(fēng)沙土混拌刀具與國(guó)標(biāo)旋耕刀IT245混拌效果相比，深度越淺，改土材料體積比越大，混合效果越好，在深度90—60、60—30 mm時(shí)，偏轉(zhuǎn)角60°的風(fēng)沙土混拌刀具作業(yè)后改土材料體積比分別比IT245增加了3.19%、5.11%。研究結(jié)果為風(fēng)沙土混拌刀具及風(fēng)沙土治理機(jī)械的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)沙土；改土材料；離散元；混拌刀具；混拌效果

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0937

中圖分類號(hào)：S222.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10080864（2024）04008710

風(fēng)沙土顆粒間缺乏有機(jī)膠體和無機(jī)膠體，具有結(jié)構(gòu)松散、吸附能力弱、抗蝕性差、保水能力弱的特點(diǎn)，且對(duì)土壤風(fēng)蝕的發(fā)生、發(fā)展有著重要影響[1]。風(fēng)沙土治理措施主要包括生物治沙、工程治沙和化學(xué)治沙三類[2]，而風(fēng)沙土改良是將風(fēng)沙土與改土材料混合，通過控制風(fēng)蝕、增加土壤養(yǎng)分、提高風(fēng)沙土理化性質(zhì)和改善風(fēng)沙土土壤結(jié)構(gòu)，為植被恢復(fù)提供基礎(chǔ)條件[3]。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈、粉煤灰、生物炭、動(dòng)物糞便等固體有機(jī)質(zhì)可作為風(fēng)沙土改良材料[2，4-7]。目前風(fēng)沙土改良主要采取人工的方式將風(fēng)沙土與改土材料混合，但人工成本高、效率低，難以大面積推廣，因此迫切需要發(fā)展機(jī)械化作業(yè)技術(shù)。基于此，本文嘗試開發(fā)風(fēng)沙土改良的專用設(shè)備，其中如何高效地將風(fēng)沙土與改土材料混拌均勻是設(shè)備開發(fā)中需解決的核心問題。

風(fēng)沙土與改土材料都為顆粒狀固體，目前對(duì)顆粒材料的運(yùn)動(dòng)、受力、混合分析多采用離散元仿真試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式[8-11]。方會(huì)敏等[12]采用離散元法構(gòu)建秸稈-土壤-旋耕刀相互作用的離散元模型，研究旋耕刀功耗及刀具作用下秸稈的位移。徐高明等[13] 利用Design-Expert 軟件，根據(jù)Box-Behnken 試驗(yàn)原理研究了秸稈-土壤-旋耕機(jī)交互下的關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)對(duì)秸稈位移和埋覆效果的影響，發(fā)現(xiàn)影響參數(shù)的主次順序?yàn)楦魃疃取⒔斩掗L(zhǎng)度、刀軸轉(zhuǎn)速。楊玉婉等[14] 和張智泓等[15]設(shè)計(jì)仿生旋耕刀，通過土槽實(shí)驗(yàn)及離散元仿真試驗(yàn)研究刀具作業(yè)功耗。吳碩等[16]使用離散元法對(duì)番茄秸稈立式螺旋混合機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)2種不同參數(shù)的顆粒材料進(jìn)行混拌，研究影響混合均勻度的因素。還有學(xué)者對(duì)不同的混拌機(jī)械的混拌機(jī)理進(jìn)行研究[17-20]。

旋耕刀常用于農(nóng)耕土壤，刀具工作時(shí)具有碎土、翻土以及切土的作用[2122]。針對(duì)旋耕刀不適用于具有流動(dòng)性的風(fēng)沙土與改土材料混拌的問題，參照國(guó)標(biāo)旋耕刀IT245的結(jié)構(gòu)[23]，本研究設(shè)計(jì)一種專用于將風(fēng)沙土與改土材料混拌均勻的刀具，通過混拌仿真試驗(yàn)與室內(nèi)沙槽試驗(yàn)，探討混拌刀具-風(fēng)沙土-改土材料相互作用機(jī)理，揭示混拌刀具結(jié)構(gòu)與混合效果之間的關(guān)系，旨在為風(fēng)沙土混拌設(shè)備及風(fēng)沙土治理機(jī)械的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 旋耕刀工作原理

旋耕刀由刀柄、側(cè)切面、側(cè)切刃、正切面、正切刃5部分組成，如圖1所示。旋耕刀安裝在刀軸的刀座上，刀軸帶動(dòng)旋耕刀做圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)跟隨旋耕機(jī)做直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線[2324]，旋耕刀尖某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示，運(yùn)動(dòng)軌跡方程如式（1）所示。

式中，x 為旋耕刀任一點(diǎn)的橫向位移，m；y 為旋耕刀任一點(diǎn)的縱向位移，m；vm為旋耕機(jī)前進(jìn)速度，m·s-1；t 為旋耕刀旋轉(zhuǎn)到某一位置所用時(shí)間，s；R 為旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑，m；ω 為旋耕刀角速度，rad·s-1。

旋耕刀任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度方程如下。

式中，vx 和vy 分別為旋耕刀任一點(diǎn)的橫向速度，m·s-1；u 為旋耕刀旋轉(zhuǎn)線速度，m·s-1。

綜合式（1）（2），旋耕刀尖某點(diǎn)的絕對(duì)速度v計(jì)算公式如下。

1.2 風(fēng)沙土混拌刀具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)混拌刀具時(shí)簡(jiǎn)化刃面曲線，增加刀具與改土材料的接觸面積，使更多的改土材料與刀具接觸。通過正切面直接作用風(fēng)沙土壤來增大擾動(dòng)面積，即改變刀具彎折線與豎直方向夾角（偏轉(zhuǎn)角α），使得正切面在入土?xí)r與土壤平面角度小于90°，鋪施在風(fēng)沙土表面的改土材料受到刀具正切面的作用向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而更好地混拌到風(fēng)沙土中。

彎折角β 大小會(huì)影響拋土高度及距離[25]，進(jìn)而影響旋耕刀的作業(yè)質(zhì)量。在設(shè)計(jì)風(fēng)沙土混拌刀具時(shí)，彎折角的大小會(huì)影響改土材料的耕深及改土材料的混合均勻性，所以通過改變彎折角角度來設(shè)計(jì)混拌刀具。

以國(guó)標(biāo)刀具IT245為基礎(chǔ)，風(fēng)沙土混拌刀具的回轉(zhuǎn)半徑為245 mm，厚度為5 mm，正切面長(zhǎng)度為50 mm，設(shè)計(jì)2組風(fēng)沙土混拌刀具（圖3），第1組偏轉(zhuǎn)角α 分別為0°、15°、30°、45°、60°，彎折角β 為固定值90°；第2組彎折角β 分別為90°、100°、110°、120°、130°，偏轉(zhuǎn)角α為固定值0°。

1.3 離散元仿真試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)材料

風(fēng)沙土樣本取自烏蘭布和沙漠，在100 m×100 m區(qū)域內(nèi)隨機(jī)取樣，采集10個(gè)樣本，取樣面積為150 mm×150 mm，混拌刀具耕深150 mm，取樣深度為0—150 mm。通過烘干試驗(yàn)測(cè)得風(fēng)沙土含水率為0.32%，含水率低，風(fēng)沙土顆粒之間無粘結(jié)力。篩分試驗(yàn)測(cè)得風(fēng)沙土粒徑及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。通過漏斗法測(cè)定風(fēng)沙土堆積角為30.94°，測(cè)定風(fēng)沙土堆積密度為1.44 g·cm-3。為了滿足重復(fù)試驗(yàn)要求，改土材料選定為不溶于水的黑色橡膠顆粒，無黏性，其接觸參數(shù)與一般固體改土材料相似[28-30]。

1.3.2 接觸模型選擇

由于風(fēng)沙土之間無粘結(jié)力，風(fēng)沙土-風(fēng)沙土、風(fēng)沙土-混拌刀具、改土材料-混拌刀具都選用Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型。

1.3.3 仿真模型建立

按照實(shí)際的風(fēng)沙土粒徑分布設(shè)置顆粒會(huì)導(dǎo)致仿真時(shí)間長(zhǎng)、效率低等問題，因直徑0.075～0.500 mm 的風(fēng)沙土顆粒占比大于95%，以此為基礎(chǔ)，將風(fēng)沙土顆粒半徑放大10倍，設(shè)置風(fēng)沙土顆粒平均半徑5 mm，隨機(jī)生成最大半徑為1.7倍平均半徑，最小半徑為0.3倍平均半徑，符合實(shí)際風(fēng)沙土顆粒級(jí)配情況。風(fēng)沙土的外形根據(jù)實(shí)際進(jìn)行建模[25]，球型占總質(zhì)量的50%，長(zhǎng)條型占總質(zhì)量的33%，棱型占總質(zhì)量的17%，如圖4所示。通過風(fēng)沙土堆積角仿真試驗(yàn)標(biāo)定風(fēng)沙土之間及其與其他材料的接觸參數(shù)（表2）[27]，擬合邊緣曲線，得到風(fēng)沙土堆積角為30.08°與實(shí)際風(fēng)沙土堆積角誤差為2.78%。改土材料模型由半徑8 mm的標(biāo)準(zhǔn)球組成，隨機(jī)生成最大半徑為1.2倍平均半徑，最小半徑為0.8倍平均半徑。通過堆積角試驗(yàn)標(biāo)定改土材料間及其與其他材料接觸參數(shù)（表2）[28-30]。

沙槽尺寸為2 000 mm×600 mm×300 mm，沙槽和混拌設(shè)備都為鋼材，設(shè)定風(fēng)沙土、改土材料、鋼材本征參數(shù)（表3），在沙槽底端投放風(fēng)沙土顆粒7×105顆，鋪施厚度250 mm，在鋪施完成后的風(fēng)沙土上方投放改土材料顆粒3 000顆，鋪施厚度為50 mm。

混拌設(shè)備模型如圖5所示，由3把風(fēng)沙土混拌刀具圓周排列組成刀輪，2把為左旋，1把為右旋，相鄰2組刀輪間隔90 mm，6組刀輪按照單螺旋排列的方式通過刀庫安裝在刀軸上，組成刀輥，在刀輥上方設(shè)有外罩組成混拌設(shè)備，混拌試驗(yàn)仿真模型如圖6所示。

1.3.4 仿真試驗(yàn)及混拌效果評(píng)價(jià)方法

由于混拌設(shè)備的前進(jìn)速度小、刀軸轉(zhuǎn)速大，在同一區(qū)域的混拌時(shí)間增加，有利于風(fēng)沙土與改土材料混合均勻，但混拌時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生偏析效應(yīng)，導(dǎo)致改土材料體積比下降；反之同一區(qū)域的混拌時(shí)間縮短，混拌次數(shù)減少，導(dǎo)致風(fēng)沙土與改土材料混合不充分，不均勻。混拌刀具的耕深決定擾動(dòng)風(fēng)沙土的深度，通過多次試驗(yàn)選用混拌設(shè)備前進(jìn)速度0.3 m·s-1、刀具轉(zhuǎn)速250 r·min-1、耕深150 mm進(jìn)行混拌試驗(yàn)。

對(duì)安裝IT245及2組風(fēng)沙土混拌刀具的混拌設(shè)備進(jìn)行仿真試驗(yàn)，待風(fēng)沙土與改土材料混拌后，建立5層統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格，長(zhǎng)度1 000 mm，寬度550 mm，每層高度30 mm，共150 mm。M1表示深度150—120 mm；M2 表示深度120—90 mm；M3 表示深度90—60 mm；M4表示深度60—30 mm；M5表示深度30—0 mm，對(duì)每層混合效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

改土材料體積比是評(píng)價(jià)混拌刀具是否能實(shí)現(xiàn)工作要求的重要指標(biāo)，按照式（4）計(jì)算統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格內(nèi)改土材料的體積與統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格的體積之比，最佳改土材料體積比為50%。在計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)顆粒體積時(shí)將邊界上整個(gè)顆粒的體積都統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，導(dǎo)致改土材料體積比比實(shí)際試驗(yàn)的數(shù)值偏大，所以對(duì)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格的體積進(jìn)行修正（式5），將統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格的邊長(zhǎng)改土材料的直徑增加8 mm后，計(jì)算仿真試驗(yàn)改土材料體積。通過對(duì)比風(fēng)沙土混拌刀不同α 角、β 角在深度M1、M2、M3、M4、M5時(shí)改土材料體積比的變化，分析偏轉(zhuǎn)角和彎折角對(duì)混拌效果的影響。

式中，I 為仿真試驗(yàn)改土材料體積比，%；Vi為改土材料體積，mm3；V 為統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格修正體積，mm3。

V = （a + d）（b + d）（c + d） （5）

式中，a、b、c 分別為統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格長(zhǎng)、寬、高，mm；d為改土材料直徑，mm。

1.4 室內(nèi)沙槽試驗(yàn)

1.4.1 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)沙區(qū)土壤松散流動(dòng)特性及試驗(yàn)要求，開發(fā)室內(nèi)風(fēng)沙土混拌試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)由沙槽、混拌設(shè)備、行走裝置及可變速的動(dòng)力裝置組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。其中混拌裝置安裝國(guó)標(biāo)旋耕刀IT245，旋耕刀輥共安裝6組刀輪，刀輪間軸向距離為90 mm，耕幅為550 mm，每組刀輪由3把旋耕刀按圓周均勻布置，左右彎刀交替布置，軸向相鄰兩彎刀周向夾角60°，刀輪直徑490 mm。動(dòng)力裝置由7.5 kW電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)旋耕機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過變頻控制器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)旋耕刀不同的旋轉(zhuǎn)速度。

1.4.2 室內(nèi)試驗(yàn)及混拌效果評(píng)價(jià)方法

在沙槽內(nèi)的風(fēng)沙土上方鋪施50 mm改土材料，與仿真試驗(yàn)相同，混拌設(shè)備的前進(jìn)速度0.3 m·s-1、旋耕刀轉(zhuǎn)速250 r·min-1、耕深150 mm。

在國(guó)標(biāo)旋耕刀IT245作用下，風(fēng)沙土與改土材料在沙槽內(nèi)混拌，使用改土材料體積比對(duì)刀具混拌效果進(jìn)行評(píng)價(jià)?；彀枞腼L(fēng)沙土中的改土材料體積無法測(cè)量，所以通過統(tǒng)計(jì)改土材料的質(zhì)量計(jì)算體積。取樣方法為：①采用專用取樣工具對(duì)9 個(gè)樣點(diǎn)取樣，取樣工具內(nèi)徑為45 mm，高為150 mm的帶刻度亞克力透明圓管，采用垂直入土方式插入至耕深位置，然后在取樣管中加入適量蒸餾水，使樣本潤(rùn)濕凝固后取出；②將樣本等分為5層，每層高度30 mm，放入有編號(hào)的器皿內(nèi)進(jìn)行干燥，得到體積相同的45 個(gè)的沙土混合樣本；③利用篩網(wǎng)將沙土和改土材料進(jìn)行分離，分別統(tǒng)計(jì)每層每個(gè)樣本內(nèi)改土顆粒的質(zhì)量，計(jì)算其樣本中改土顆粒的體積，按式（6）計(jì)算室內(nèi)試驗(yàn)改土材料體積比來評(píng)價(jià)混拌效果。

式中，I'為室內(nèi)試驗(yàn)改土材料體積比，%；ρ 為改土材料密度，g·mm-3；mj 為樣本內(nèi)改土材料質(zhì)量，g；V'為樣本體積，mm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 國(guó)標(biāo)旋耕刀仿真與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

在前進(jìn)速度0.3 m·s-1、刀軸轉(zhuǎn)速250 r·min-1、耕深150 mm作業(yè)后，仿真試驗(yàn)與室內(nèi)沙槽試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致（圖8），改土材料體積比隨著耕深的增加而降低，深度M5的改土材料體積比最大，混合效果最好，仿真試驗(yàn)為37.71%，室內(nèi)試驗(yàn)為38.82%；深度M1改土材料體積比最小，仿真試驗(yàn)為6.92%，室內(nèi)試驗(yàn)為7.21%。室內(nèi)與仿真試驗(yàn)改土材料體積比的相對(duì)誤差在深度M3最大（10.27%），在深度M5最?。?.86%），平均誤差小于10%。表明風(fēng)沙土-改土材料離散元仿真模型的準(zhǔn)確性。

2.2 混拌過程分析

對(duì)彎折線存在偏轉(zhuǎn)角的風(fēng)沙土混拌刀具混拌過程進(jìn)行分析，混拌刀具入沙時(shí)鋪施于風(fēng)沙土表面的改土材料受到混拌刀具正切面的作用力向下運(yùn)動(dòng)，隨著刀具旋轉(zhuǎn)，正切面在豎直方向投影面積逐漸減小，與混拌材料的接觸面積也逐漸減小，深度越深，混拌入風(fēng)沙土中的改土材料越少，刀具旋轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)后，下層的風(fēng)沙土顆粒受到刀具向上的作用力向上運(yùn)動(dòng)。第一把刀具入沙后，第二把刀具出沙，第三把刀具將風(fēng)沙土和改土材料拋向混拌設(shè)備外罩，在外罩的反作用力下，風(fēng)沙土與改土材料進(jìn)一步混拌，又受到下一把刀具向下的作用力，使混合料向下運(yùn)動(dòng)，3把刀具往復(fù)循環(huán)，將改土材料混拌入風(fēng)沙土中，如圖9所示。從混拌過程的仿真結(jié)果可以看出，在風(fēng)沙土混拌刀具的作用下表層的物料逐步被混拌到土壤底層，隨著混拌時(shí)間的增加，改土材料明顯均勻分布在風(fēng)沙土中。表明混拌刀具可實(shí)現(xiàn)風(fēng)沙土與改土材料的混拌。

2.3 風(fēng)沙土混拌刀具混拌結(jié)果分析

以偏轉(zhuǎn)角α 和彎折角β 為試驗(yàn)因素，以改土材料體積比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)分別對(duì)5個(gè)深度的混合效果進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并與國(guó)標(biāo)旋耕刀進(jìn)行對(duì)比。

2.3.1 偏轉(zhuǎn)角對(duì)改土材料體積比的影響

如圖10 所示，5 種偏轉(zhuǎn)角的風(fēng)沙土混拌刀具，在深度M5的改土材料體積比無明顯分布規(guī)律，偏轉(zhuǎn)角為60°時(shí)達(dá)到最大值（35.67%）；在深度M4、M3、M2處，隨著偏轉(zhuǎn)角的增加，改土材料體積比也越大，風(fēng)沙土與改土材料混拌越均勻，在這3個(gè)深度下偏轉(zhuǎn)角為60°的改土材料體積比對(duì)比0°、15°、30°、45°平均增加了7.56%、4.15%、2.83%、1.37%；在深度M1處改土材料體積比隨著偏轉(zhuǎn)角的增加而減少，此深度下偏轉(zhuǎn)角為60°的改土材料體積比相較于0°、15°、30°、45°分別減少了4.83%、4.74%、4.18%、1.72%。

綜上分析可知，風(fēng)沙土混拌刀具偏轉(zhuǎn)角越大，正切面與改土材料的接觸面積越大，可使更多的上層改土材料混拌到M4、M3、M2層，但從刀具入沙旋轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)，正切面豎直方向的投影面積逐漸減小，刀具與改土材料接觸面積也逐漸減少，使得混合比由深度M4、M3、M2逐漸減少?；彀璧毒甙霃降南拗坪偷毒吲c固沙材料接觸面積減小的原因是，其不能使更多的改土材料混拌到M1層，導(dǎo)致M1層改土材料體積比小于其他層；刀具旋轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)后，此時(shí)混拌入M1層的改土材料又受到正切面向上的作用力向上運(yùn)動(dòng)，且偏轉(zhuǎn)角度越大，與刀具接觸的改土材料越多，混拌到M1層的改土材料又運(yùn)動(dòng)到M2層，導(dǎo)致M1層改土材料體積比隨著偏轉(zhuǎn)角的增大而減小。表明偏轉(zhuǎn)角越大，改土材料與混拌刀具的接觸面積越大，混拌效果越好。

2.3.2 彎折角對(duì)改土材料體積比的影響

不同彎折角對(duì)改土材料體積比的影響如圖11所示。5種彎折角的風(fēng)沙土混拌刀具在深度M5、M4、M3、M2時(shí)隨著彎折角的增大，改土材料體積比由小到大的彎折角依次為90°、100°、110°、120°、130°，即彎折角越大改土材料體積比越大，此深度下彎折角為130°的改土材料體積比相較于90°、100°、110°、120°平均增加了7.90%、5.96%、3.75%、2.41%。彎折角130°的混拌刀具改土材料體積比都為各層最大，在深度M5 達(dá)到最大值，為36.02%；在深度M1改土材料體積比最小，彎折角大小對(duì)改土材料體積比影響不明顯。綜上，彎折角對(duì)混拌效果有影響，隨著彎折角的增大，各層土壤的改土材料混合比呈增大的趨勢(shì)，表層趨勢(shì)尤為明顯，隨著耕層的不斷加深，其影響效果逐漸降低，不能夠達(dá)到深層混拌的效果，表明增加彎折角的旋耕刀對(duì)表層物料向下作用力增加不明顯。

2.3.3 風(fēng)沙土混拌刀具與國(guó)標(biāo)旋耕刀混拌效果對(duì)比分析

設(shè)計(jì)的2 類混拌刀具與國(guó)標(biāo)旋耕刀的混拌效果類似，深度越淺改土材料體積比越大，混合效果越好，在深度M5時(shí)改土材料體積比最大，由M5 到M1 遞減，在深度M1 時(shí)改土材料體積比最小。

分別選取混拌效果好的60°偏轉(zhuǎn)角、130°彎折角的風(fēng)沙土混拌刀具，對(duì)比分析風(fēng)沙土專用刀具與國(guó)際旋耕刀混拌效果，結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯觯L(fēng)沙土混拌刀具與國(guó)際旋耕刀對(duì)改土材料的混拌效果類似，深度越淺改土材料體積比越大，混合效果越好，在深度M5 時(shí)改土材料體積比最大，由M5到M1遞減，在深度M1時(shí)改土材料體積比最小。其中，偏轉(zhuǎn)角60°的風(fēng)沙土混拌刀具在深度M2、M3 時(shí)的改土材料體積比大于國(guó)標(biāo)旋耕刀IT245，分別增加了5.11%，3.19%，在深度M1、M4、M5時(shí)國(guó)標(biāo)旋耕刀的改土材料體積比大于風(fēng)沙土混拌刀具，說明相較于國(guó)標(biāo)刀，風(fēng)沙土混拌刀具增加了偏轉(zhuǎn)角，使刀具正切面接觸面積增大，更好地使改土材料翻覆到深層，減少改土材料在表層的堆積。在深度M2、M3、M4、M5和彎折角130°時(shí)的風(fēng)沙土混拌刀具改土材料體積比與國(guó)標(biāo)旋耕刀IT245接近，國(guó)標(biāo)旋耕刀的彎折角為120°，表明改變折彎角對(duì)改土材料的混拌效果影響不明顯。

3 討論

在以往的研究中，旋耕刀的作業(yè)對(duì)象為農(nóng)耕土壤，土壤在旋耕刀正切刃、側(cè)切刃、刀背的綜合切削作用下破碎，淺層及中層土壤被旋耕刀旋轉(zhuǎn)拋出，深層土壤受到淺層、中層土壤擠壓以及重力作用被松散破碎，實(shí)現(xiàn)旋耕刀松土、碎土、拋土的切削過程，彎折角的大小影響旋耕刀作業(yè)質(zhì)量及拋土高度[2122]。風(fēng)沙土混拌刀具與旋耕刀工作環(huán)境不同，其作用對(duì)象為改土材料和風(fēng)沙土，風(fēng)沙土顆粒間無黏性、結(jié)構(gòu)松散、具有流動(dòng)性，使用混拌刀具進(jìn)行作業(yè)時(shí)無需正切刃與側(cè)切刃破碎土壤，本文在設(shè)計(jì)混拌刀具時(shí)增加刀具正切面與改土材料的接觸面積，改變彎折角角度使風(fēng)沙土與改土材料混拌均勻。研制專用于風(fēng)沙土與改土材料混拌的刀具有利于改善風(fēng)沙土理化性質(zhì)，提高土壤生產(chǎn)力、防止土壤退化、使改良后的風(fēng)沙土適宜植被的生長(zhǎng)。

本研究以國(guó)標(biāo)旋耕刀IT245為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了5種不同偏轉(zhuǎn)角度、5種不同彎折角度的2組專用于混拌風(fēng)沙土與改土材料的混拌刀具。通過室內(nèi)沙槽試驗(yàn)和離散元仿真模擬，對(duì)比國(guó)標(biāo)旋耕刀與風(fēng)沙土混拌刀具的混拌效果，研究偏轉(zhuǎn)角及彎折角對(duì)混拌效果的影響。結(jié)果表明，增大偏轉(zhuǎn)角可以增大刀具與土壤的作用面，而使表層的改土材料更容易翻覆到土壤深層，偏轉(zhuǎn)角越大，改土材料與混拌刀具的接觸面積越大，混拌效果越好。增大彎折角對(duì)土壤表層的混合效果有影響，但對(duì)深層影響不明顯。與旋耕刀混拌效果類似，由于混拌刀具半徑及接觸面積的限制，隨著深度的增加，混拌的效果越差。

本研究?jī)H考慮了混拌刀具偏轉(zhuǎn)角和彎折角單因素對(duì)混合效果的影響，沒有考慮交互作用，即在5種彎折角度下，改變5種偏轉(zhuǎn)角，分析偏轉(zhuǎn)角，彎折角交互作用下對(duì)混拌效果的影響，也可對(duì)功耗、扭矩等因素綜合考慮，進(jìn)一步優(yōu)化混拌刀具的外形結(jié)構(gòu)，提高混拌刀具的混拌效果，減少功耗。

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（責(zé)任編輯：溫小杰）

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