液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)

萬(wàn)國(guó)偉，舒彩霞，劉曉鵬，肖文立，張青松，廖慶喜

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖北 武漢 430070)

液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)

萬(wàn)國(guó)偉，舒彩霞，劉曉鵬，肖文立，張青松，廖慶喜

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖北 武漢 430070)

【目的】針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)土壤黏重板結(jié)、秸稈量大和土壤含水率波動(dòng)大的作業(yè)情況，設(shè)計(jì)一種液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙?！痉椒ā糠治龃_定圓盤(pán)耙結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)及液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，依據(jù)機(jī)組前進(jìn)速度確定圓盤(pán)耙組轉(zhuǎn)速；分析得出缺口圓盤(pán)耙片的運(yùn)動(dòng)軌跡及滿足功能要求的耙片臨界偏角；基于ANSYS/LS-DYNA對(duì)圓盤(pán)耙片切削土壤過(guò)程進(jìn)行有限元仿真分析?！窘Y(jié)果】圓盤(pán)耙組轉(zhuǎn)速為60～168 r·min–1，耙片臨界偏角為23°。仿真結(jié)果表明：圓盤(pán)耙片刃口切削土壤其耕作阻力呈周期性變化，隨切削土壤深度的增加耕作阻力逐漸變大，后趨于穩(wěn)定；對(duì)比被動(dòng)圓盤(pán)耙片與液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片作業(yè)效果，液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片拋翻土量大，耕深穩(wěn)定。田間試驗(yàn)表明：液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙耕深為85～120 mm，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)為9.6%?！窘Y(jié)論】液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙組作業(yè)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；圓盤(pán)耙；液壓驅(qū)動(dòng)；有限元仿真；缺口圓盤(pán)耙片

長(zhǎng)江中下游地區(qū)土壤黏重板結(jié)，水稻留茬普遍偏高，導(dǎo)致后續(xù)土壤耕整以及播種難度大[1-3]。土壤耕作機(jī)具按工作形式可分為主動(dòng)式與被動(dòng)式兩大類(lèi)[4-6]。長(zhǎng)江中下游地區(qū)主要以旋耕作業(yè)方式為主，具有較強(qiáng)的殘茬、雜草切碎及土壤破碎能力，但其作業(yè)功耗較大[7-8]。1975年美國(guó)鋼公司與英格索爾公司通過(guò)驅(qū)動(dòng)型圓盤(pán)耙試驗(yàn)得到的驅(qū)動(dòng)型圓盤(pán)耙生產(chǎn)率高、碎土性能好、植物殘茬混合更充分，當(dāng)偏角為20°，轉(zhuǎn)速為89 r·min–1時(shí)，牽引阻力降低46%。在作業(yè)速度較低情況下，總功率消耗比相同的非驅(qū)動(dòng)型總功率消耗小。被動(dòng)式圓盤(pán)耙受制于南方土地面積以及作業(yè)模式，作業(yè)速度低，同時(shí)地表秸稈量較大[9]，難以滿足小麥和油菜的種植要求，基于上述存在的問(wèn)題，液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙的設(shè)計(jì)被提出[10]。

本文針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)土壤黏重板結(jié)、秸稈量大和含水率波動(dòng)大的田間作業(yè)工況，設(shè)計(jì)一種液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙組，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定機(jī)具結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)，通過(guò)ANSYS/LS-DYNA建模仿真研究其切削土壤過(guò)程和耕作阻力，并比較被動(dòng)圓盤(pán)耙片與液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片的作業(yè)效果。

1 液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙

1.1 總體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包括三點(diǎn)懸掛架、主機(jī)架、動(dòng)力輸入軸、圓盤(pán)耙組和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。圓盤(pán)耙包括2組圓盤(pán)耙組，每個(gè)耙組包括5片直徑460 mm的缺口圓盤(pán)耙片，相鄰圓盤(pán)耙片間距200 mm，圓盤(pán)耙片為通軸安裝，圓盤(pán)耙組偏角23°，限深地輪安裝于機(jī)具后側(cè)，液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2 100 mm×2 060 mm×1 400 mm，作業(yè)深度為85～120 mm，作業(yè)幅寬為2 000 mm，圓盤(pán)耙組安裝形式為對(duì)置式，運(yùn)輸方式為懸掛式。

圓盤(pán)耙組采用液壓驅(qū)動(dòng)的缺口圓盤(pán)耙片，增強(qiáng)切割秸稈和切削土壤的能力。液壓馬達(dá)通過(guò)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙組旋轉(zhuǎn)，根據(jù)不同地表情況及作業(yè)要求，圓盤(pán)耙組作業(yè)轉(zhuǎn)速可在60～168 r·min–1范圍內(nèi)無(wú)極調(diào)速。限深地輪安裝于機(jī)具后側(cè)，保證耕深的穩(wěn)定性。

1.2 工作過(guò)程

液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙組通過(guò)三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)掛接，拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)地表情況及作業(yè)要求，通過(guò)節(jié)流閥調(diào)整液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整圓盤(pán)耙組轉(zhuǎn)速，通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)液壓及限深地輪，實(shí)現(xiàn)機(jī)具的作業(yè)深度調(diào)節(jié)。圓盤(pán)耙組依靠拖拉機(jī)液壓和自重等因素作業(yè)入土，機(jī)具工作時(shí)，圓盤(pán)耙組切割、翻埋秸稈和切削土壤，拖拉機(jī)停止時(shí)，切斷拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸，圓盤(pán)耙組停止旋轉(zhuǎn)。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Sketch diagram of the whole machine

2 液壓系統(tǒng)

2.1 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圓盤(pán)耙組采用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)原理如圖2所示，圓盤(pán)耙組液壓系統(tǒng)馬達(dá)型號(hào)為鎮(zhèn)江大力BMSY250，額定壓力為18 MPa，排量為347 mL·r–1，輸出功率為12.4 kW，轉(zhuǎn)速為40～216 r·min–1；液壓泵型號(hào)為CBN-F563-BF，額定壓力為23 MPa，排量為63 mL·r–1，輸出功率為15.0 kW，轉(zhuǎn)速范圍為500～1 500 r·min–1。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Schematic of the hydraulic system

國(guó)外聯(lián)合耕整作業(yè)前進(jìn)速度較快，圓盤(pán)耙片作業(yè)轉(zhuǎn)速高。受限于我國(guó)南方田塊面積小的分布現(xiàn)狀以及作物農(nóng)藝種植要求，國(guó)內(nèi)機(jī)具作業(yè)速度較低，參考國(guó)外機(jī)組作業(yè)速度對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行確定。

國(guó)外機(jī)組前進(jìn)速度為1.39、4.17 m·s–1時(shí)，對(duì)應(yīng)圓盤(pán)耙片刃口切線方向速度為1.33、3.98 m·s–1[11]。本研究設(shè)計(jì)圓盤(pán)耙所采用圓盤(pán)耙片直徑為460 mm，根據(jù)公式得出對(duì)應(yīng)的圓盤(pán)耙組角速度為5.77、17.30 rad·s–1，圓盤(pán)耙組轉(zhuǎn)速為55、165 r·min–1。

式中，v為機(jī)組前進(jìn)速度，m·s–1；R為圓盤(pán)耙片半徑，mm；ω為圓盤(pán)耙片旋轉(zhuǎn)角速度，rad·s–1；n為圓盤(pán)耙組轉(zhuǎn)速，r·min–1。

液壓馬達(dá)排量(Vm)計(jì)算分析如下：

式中，Tmax為圓盤(pán)耙片最大負(fù)載扭矩，N·m；ηmm為液壓馬達(dá)機(jī)械效率；ΔP為進(jìn)出口油壓差，MPa。

查閱相關(guān)資料[12]取液壓馬達(dá)的理論計(jì)算功率為8 kW，計(jì)算的最大扭矩Tmax為334 N·m，液壓馬達(dá)機(jī)械效率ηmm取值0.87，ΔP查閱相關(guān)馬達(dá)樣本取值為18 MPa，計(jì)算得出馬達(dá)排量Vm=241 mL·r–1，田間試驗(yàn)工況較為復(fù)雜，應(yīng)使液壓馬達(dá)排量有一定冗余，根據(jù)馬達(dá)樣本選取排量為243 mL·r–1鎮(zhèn)江大力BMSY250擺線液壓馬達(dá)。

液壓系統(tǒng)采用節(jié)流閥控制圓盤(pán)耙組轉(zhuǎn)速，節(jié)流閥選型為北京華德液壓公司生產(chǎn)的Z2FS10型疊加式節(jié)流閥，節(jié)流閥最大壓力31.5 MPa，允許通過(guò)的最大流量為160 L·min–1，滿足液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

對(duì)圓盤(pán)耙片運(yùn)動(dòng)分析可知，圓盤(pán)耙片刃口上某點(diǎn)絕對(duì)速度由機(jī)組前進(jìn)速度和圓盤(pán)耙片自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度組合而成。以圓盤(pán)耙片中心為原點(diǎn)，建立如圖3所示的空間坐標(biāo)系，與機(jī)組前進(jìn)方向一致為X軸正方向，Y軸正方向指向已耕地表，沿耕深垂直向下方向?yàn)閆軸正方向，設(shè)機(jī)組前進(jìn)速度為v，以時(shí)間t為參數(shù)分析得圓盤(pán)刃口上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中，α為圓盤(pán)耙片工作偏角，(°)；t為時(shí)間，s。

圖3 圓盤(pán)耙片運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 3 Motion trajectory of the disc harrow

對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)即可得出X、Y、Z 3個(gè)方向上的瞬時(shí)速度，如下所示：

工作偏角的取值直接影響圓盤(pán)耙片曲面與土壤的接觸面積，選擇合適的偏角有利于圓盤(pán)耙片入土，從而利于土垡上升，增強(qiáng)翻垡能力。臨界偏角(θ)是圓盤(pán)耙片工作偏角重要的參考指標(biāo)，工作偏角小于臨界偏角后圓盤(pán)耙片背部出現(xiàn)刮擦并擠壓未耕土壤的情況，導(dǎo)致圓盤(pán)耙組側(cè)向力和牽引力增大，增加功耗。臨界偏角如圖4所示，圓盤(pán)耙片所在球體的中心與圓盤(pán)耙片最大端面的垂直距離(k)的計(jì)算公式為：

式中，ρ為圓盤(pán)耙片曲率半徑，mm。

圖4中ρ1為圓盤(pán)耙片工作面與地表平面相交的圓弧的曲率半徑，ρ為圓盤(pán)耙片的曲率半徑，由圖4可知：

圖4 圓盤(pán)耙片臨界偏角Fig. 4 Critical angle of the disc harrow

圖5為圓盤(pán)耙片工作圖，圓盤(pán)耙片工作面與地表平面相交的圓弧對(duì)應(yīng)弦的一半(l)的計(jì)算公式為：

式中，a為圓盤(pán)耙片耕深，mm。

將式(6)和式(7)代入式(8)得圓盤(pán)耙片臨界偏角(θ)的表達(dá)式：

圖5 圓盤(pán)耙片工作圖Fig. 5 Working diagram of the disc harrow

圓盤(pán)耙片偏角(α)為臨界偏角與最小偏角(ε)之和。

圓盤(pán)耙片曲率半徑為標(biāo)準(zhǔn)值600 mm，圓盤(pán)耙片回轉(zhuǎn)半徑為230 mm，圓盤(pán)耙片最大耕深取值為150 mm。根據(jù)公式計(jì)算得出臨界偏角為21.3°。工作偏角增大，耕作阻力隨之增大[12]，圓盤(pán)耙片工作偏角取值23°，保證在設(shè)計(jì)幅寬內(nèi)無(wú)漏耕，同時(shí)有利于減小耕作阻力。

圓盤(pán)耙片刃口線速度與機(jī)組前速度的比值稱(chēng)為速比系數(shù)(λ)，其計(jì)算公式為：

為了使圓盤(pán)耙片正常工作，只有滿足λ＞1，此時(shí)圓盤(pán)耙片刃口運(yùn)動(dòng)軌跡在XOZ平面內(nèi)為1條余擺線，才能滿足圓盤(pán)耙片向后拋土的條件。

如圖4所示，縱坐標(biāo)Z值等于R-a，圓盤(pán)凸面與土壤接觸面積隨耕深增大而增加。在堅(jiān)實(shí)度較高的土壤中作業(yè)時(shí)，為了避免出現(xiàn)圓盤(pán)耙組推動(dòng)拖拉機(jī)前進(jìn)的功率循環(huán)現(xiàn)象，設(shè)定圓盤(pán)耙片達(dá)到最大耕深時(shí)，沿機(jī)組前進(jìn)方向的絕對(duì)速度分量vX為0，由式(4)中的第3小式得到式(13)，由式(5)中的第1小式得到式(14)。

根據(jù)式(13)和式(14)，得到速度系數(shù)(λ)的表達(dá)式：

式中，λ為最大速度系數(shù)。在最大耕深處amax，速度系數(shù)取得最大值 λmax。

若圓盤(pán)耙片刃口在溝底位置時(shí)沿機(jī)組前進(jìn)方向速度為0，指向已耕地的速度分量vY不為0，既有利于推擠和撕扯土壤，同時(shí)可避免圓盤(pán)變?yōu)楸粍?dòng)式，得出：

設(shè)最大耕深取值為150 mm，圓盤(pán)耙片半徑為230 mm，圓盤(pán)偏角取值為23°，求得λ的適宜值為：

單缺口圓盤(pán)耙片耕幅的確定，長(zhǎng)江中下游地區(qū)秸稈量大，既要考慮圓盤(pán)耙片順利的翻耕土壤，同時(shí)圓盤(pán)耙片之間不應(yīng)產(chǎn)生堵塞、纏繞以及溝底不平等，單圓盤(pán)耙片耕幅如圖6所示，耕幅(b)由公式(17)和公式(18)確定。

式中，L為耕深為120 mm時(shí)觸土圓盤(pán)耙片圓弧長(zhǎng)度；α為圓盤(pán)耙片工作偏角；圓盤(pán)耙片間距為200 mm，圓盤(pán)耙片偏角為23°，計(jì)算得單圓盤(pán)耙片耕幅為158 mm。

圖6 圓盤(pán)耙片耕幅Fig. 6 Tillage width of the disc harrow

圓盤(pán)耙片安裝間距為200 mm，圓盤(pán)耙組耕幅投影圖見(jiàn)圖7，中間區(qū)域?yàn)?35 mm，通過(guò)加裝松土鏟消除中間漏耕區(qū)域，保證幅寬在1 900 mm內(nèi)。

圖7 耕幅投影圖Fig. 7 Projection of the tillage width

3 圓盤(pán)耙片仿真試驗(yàn)

本文基于ANSYS/LS-DYNA對(duì)圓盤(pán)耙片切削土壤過(guò)程[13-15]進(jìn)行研究，采用LS-PREPOST專(zhuān)用后處理器軟件查看LS-DYNA運(yùn)算結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理分析。

3.1 土壤模型

土壤體積為260 mm×320 mm×400 mm，材料采用LS-DYNA中的MAT147(MAT_FHWA_SOIL)土壤材料模型，該模型采用修正的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[16-17]。

式中，F(xiàn)為模型屈服表面力，N；FP為壓力，N；Φ為內(nèi)摩擦角，(°)；j2為應(yīng)力偏張量第2不變量；k(θ)為應(yīng)力羅德角函數(shù)；c為黏聚力，N；α為修正后屈服面和標(biāo)準(zhǔn)Mohr-Coulomb屈服面之間貼近程度參數(shù)。當(dāng)β=0時(shí)，公式(19)恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

結(jié)合武漢地區(qū)水稻田(黃棕壤)的實(shí)際土壤特性，土壤模型的密度為2.15 g·mm–3，土粒相對(duì)密度為2.59，體積模量為34 MPa，剪切模量為20 MPa，內(nèi)聚力為0.021 MPa，內(nèi)摩擦角為0.436 rad，含水率(w)為19%，其余參考值采用MAT147材料的默認(rèn)值。

3.2 圓盤(pán)耙片模型

圓盤(pán)耙片不考慮其變形量，設(shè)置為剛體，采用MAT_RIGID材料，設(shè)置材料密度為7.8×10–3g·mm–3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比0.3。

3.3 仿真模型參數(shù)設(shè)定

土壤與圓盤(pán)耙片模型選用solid164單元，采用單點(diǎn)積分和Lagrangian算法[18-19]進(jìn)行求解，網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖8 仿真模型圖Fig. 8 Simulation model

定義接觸面積，圓盤(pán)耙片與土壤模型初始不接觸，計(jì)算過(guò)程中圓盤(pán)耙片逐步切割土壤，定義接觸類(lèi)型為表面–表面接觸(*ERODING_SURFACE _TO _ SURFACE)，圓盤(pán)耙片定義為Contact表面，土壤定義為T(mén)arget表面。

定義圓盤(pán)耙片初速度以及施加約束。設(shè)定圓盤(pán)耙片沿X軸方向平動(dòng)速度為0.908 m·s–1，沿Y軸方向平動(dòng)速度為0.348 m·s–1。設(shè)定被動(dòng)圓盤(pán)耙片繞Y軸方向旋轉(zhuǎn)速度為3.95 rad·s–1，液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片繞Y軸方向旋轉(zhuǎn)速度為16.80 rad·s–1。土壤模型底部實(shí)行全約束，為了真實(shí)反應(yīng)土壤相互之間的作用，視土壤模型為無(wú)限大，在土壤模型四周施加無(wú)反射邊界條件約束。

3.4 切削過(guò)程仿真

在ANSYS/LS-DYNA軟件前處理結(jié)束后，生成K文件，在遞交求解器之前對(duì)K文件進(jìn)行修改。圖9為液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片切削土壤過(guò)程的仿真結(jié)果，顯示了各個(gè)階段土壤的變化過(guò)程。圓盤(pán)耙片刃口依次切削土壤，對(duì)土壤進(jìn)行擠壓、拋翻，隨著切削過(guò)程的進(jìn)行，耕作阻力逐漸變大，當(dāng)圓盤(pán)耙片完全進(jìn)入土壤后，耕作阻力趨于穩(wěn)定。

由圖10可以看出，對(duì)比液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片與被動(dòng)圓盤(pán)耙片切削土壤的作業(yè)過(guò)程，液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片拋翻土量大、耕深更深、翻耕更徹底，對(duì)土壤有更好的拋翻作用，更有利于后續(xù)田間作業(yè)。

圖9 圓盤(pán)耙片切削過(guò)程Fig. 9 Cutting process of the disc harrow

圖10 圓盤(pán)耙片切土量Fig. 10 Amount of soil cut by the disc harrow

圖11為圓盤(pán)耙片溝底，液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片耕深穩(wěn)定，對(duì)未耕土壤撕扯作用??；對(duì)圓盤(pán)耙片X、Y方向的阻力進(jìn)行分析(圖12)，開(kāi)始時(shí)，圓盤(pán)耙片刃口周期性切削土壤，耕作阻力周期性變化，160 ms時(shí)，由于液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片對(duì)土壤拋翻更大，液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片耕作阻力逐步大于被動(dòng)圓盤(pán)耙片，300 ms時(shí)，當(dāng)圓盤(pán)耙片完全進(jìn)入土壤后，液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片與被動(dòng)圓盤(pán)耙片耕作阻力基本一致，液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片耕作阻力更加穩(wěn)定，被動(dòng)圓盤(pán)耙片耕作阻力波動(dòng)大。

圖11 圓盤(pán)耙片溝底Fig. 11 Ditch bottom of the disc harrow

圖12 耕作阻力變化曲線Fig. 12 Changing curve of tillage resistence

3.5 土槽試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備包括土槽試驗(yàn)車(chē)、土槽、土壤堅(jiān)實(shí)度儀和圓盤(pán)耙片試驗(yàn)裝置。對(duì)土槽土壤進(jìn)行旋耕–平土–鎮(zhèn)壓的整理，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圓盤(pán)耙片試驗(yàn)裝置安裝于試驗(yàn)車(chē)前懸掛上，入土深度由前懸掛液壓升降控制，設(shè)定圓盤(pán)耙片工作偏角為23°，土槽土壤平均含水率(w)為19%，土壤質(zhì)地為砂壤型，平均堅(jiān)實(shí)度為616 kPa。測(cè)試系統(tǒng)包括合肥旭寧科技有限公司生產(chǎn)的六維力傳感器、計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集盒等，測(cè)試前傳感器預(yù)先通電15 min保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)可在計(jì)算機(jī)端實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。

由圖 13可知，耕作阻力隨著作業(yè)深度增加而增加，測(cè)得作業(yè)深度為10 cm時(shí)，被動(dòng)圓盤(pán)耙片前進(jìn)方向平均耕作阻力為303.4 N，仿真測(cè)得被動(dòng)圓盤(pán)耙片完全進(jìn)入土壤后，耕作阻力為266.0 N，土槽試驗(yàn)與仿真模擬耕作阻力誤差為37.4 N，仿真模擬中的有關(guān)參數(shù)與復(fù)雜多變的田間工況有一定的差異，土壤模型仍待進(jìn)一步研究，但誤差在合理范圍之內(nèi)，表明建立的仿真模型較為準(zhǔn)確。

圖13 耕深與耕作阻力曲線Fig. 13 Correlation between tillage resuistance and tillage depth

4 田間試驗(yàn)

4.1 材料

液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙田間試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)地前茬作物為油菜。采用五點(diǎn)取樣法測(cè)得土壤含水率(w)為19%，土壤質(zhì)地為黏重型，平均堅(jiān)實(shí)度為864 kPa，試驗(yàn)用拖拉機(jī)為東方紅LX-954拖拉機(jī)，機(jī)組前進(jìn)速度為3.5 km·h–1。

4.2 功率測(cè)試

北京中航科儀測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CKY-810型扭矩傳感器，轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍0～4 000 r·min–1，精度為±1%，扭矩測(cè)量范圍0～1 000 N·m，精度為±1%，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器及PC主機(jī)，PC主機(jī)可通過(guò)無(wú)線傳輸器實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)采集器采集的扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

試驗(yàn)前，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)將扭矩傳感器連接于拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸與圓盤(pán)耙輸入軸之間，扭矩傳感器通過(guò)專(zhuān)用數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集器連接，將無(wú)線傳輸器通過(guò)USB接口與軟件主機(jī)PC連接，測(cè)試軟件顯示連接成功，開(kāi)始測(cè)量。

4.3 作業(yè)質(zhì)量測(cè)試方法

田間試驗(yàn)用耕深尺測(cè)定，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，每隔1 m測(cè)定1個(gè)點(diǎn)，每個(gè)行程測(cè)試8個(gè)點(diǎn)。先測(cè)出耕前該點(diǎn)距離水平線的高度，耕作后再測(cè)出該點(diǎn)耕作層最深處與該水平線的距離，采取耕前耕后插值法即可得出耕深。

5 結(jié)果與分析

5.1 節(jié)流閥開(kāi)度與轉(zhuǎn)速測(cè)試

空載條件下，對(duì)節(jié)流閥開(kāi)度與轉(zhuǎn)速關(guān)系進(jìn)行測(cè)定，節(jié)流閥選取為北京華德液壓公司生產(chǎn)的Z2FS10型疊加式節(jié)流閥，試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)，將液壓泵轉(zhuǎn)速調(diào)至1 000 r·min–1。節(jié)流閥開(kāi)度由小到大，調(diào)節(jié)螺栓每次逆時(shí)針調(diào)節(jié)36°，圓盤(pán)耙組馬達(dá)轉(zhuǎn)速與節(jié)流閥開(kāi)度關(guān)系曲線如圖14所示。

由圖14可知，液壓泵轉(zhuǎn)速一定，圓盤(pán)耙組轉(zhuǎn)速隨節(jié)流閥開(kāi)度增加而加快，圓盤(pán)耙組起始轉(zhuǎn)速60 r·min–1，最高轉(zhuǎn)速168 r·min–1，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 圓盤(pán)耙組轉(zhuǎn)速與節(jié)流閥開(kāi)度關(guān)系曲線Fig. 14 Correlation between rotary speed of the disc harrow and open degree of the throttle valve

5.2 功率測(cè)試結(jié)果

通過(guò)扭矩傳感器測(cè)得田間試驗(yàn)的功率(圖15)。

圖15 田間試驗(yàn)功率曲線圖Fig. 15 Power curve of field experiment

實(shí)際有效功率按照式(20)進(jìn)行計(jì)算，得到圓盤(pán)耙組有效功率為13.6 kW，后期可改為機(jī)械傳動(dòng)，提高傳動(dòng)效率。查閱相關(guān)資料[20]可知，旋耕系統(tǒng)占油菜直播機(jī)整個(gè)耕整作業(yè)功耗的72.5%～82.2%，其中旋耕功耗約為31.83 kW。田間試驗(yàn)表明，液壓驅(qū)動(dòng)的圓盤(pán)耙組有效功率(P)與旋耕功耗相比功耗較低。

式中，P1為田間功率，kW；η1為液壓泵效率，取值0.7；η2為液壓馬達(dá)效率，取值0.83。

5.3 作業(yè)質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙田間試驗(yàn)時(shí)碎土率較高，通過(guò)性好。試驗(yàn)測(cè)得耕深為85～120 mm，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)為9.6%。田間試驗(yàn)表明，液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙作業(yè)效果滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙組旋轉(zhuǎn)，液壓驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，對(duì)不同轉(zhuǎn)速下作業(yè)效果進(jìn)行研究；理論分析圓盤(pán)耙片的作業(yè)過(guò)程，確定機(jī)具的基本參數(shù)；理論分析圓盤(pán)耙片的工作偏角，既要考慮到土壤黏重板結(jié)，秸稈量大的實(shí)際工況，同時(shí)也應(yīng)盡量減小耕作阻力。提高機(jī)具可靠性以及液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙對(duì)不同作業(yè)工況、不同類(lèi)型土壤的適應(yīng)性，有待進(jìn)一步研究。

6 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙，可根據(jù)不同作業(yè)工況實(shí)現(xiàn)60～168 r·min–1的無(wú)極調(diào)速，提高了圓盤(pán)耙的切茬、碎土能力；分析得出缺口圓盤(pán)耙的運(yùn)動(dòng)軌跡及滿足功能要求的耙片臨界偏角，確定了圓盤(pán)耙片的排列方式；同時(shí)通過(guò)加裝地輪等措施，保證了耕深的穩(wěn)定性。

基于ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)圓盤(pán)耙片切削土壤過(guò)程進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明圓盤(pán)耙片切削土壤時(shí)，耕作阻力呈現(xiàn)周期性變化，圓盤(pán)耙片逐步切削土壤，隨土壤深度的增加耕作阻力逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，被動(dòng)圓盤(pán)耙片耕作阻力波動(dòng)大，液壓驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)耙片具有更好的切土翻垡能力，對(duì)溝壁撕扯作用小，耕深穩(wěn)定。

田間試驗(yàn)表明，液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙耕深為85～120 mm，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)為9.6%，作業(yè)功耗小于傳統(tǒng)旋耕機(jī)作業(yè)功耗，液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙作業(yè)效果滿足設(shè)計(jì)要求。

[1]章秀福, 王丹英, 符冠富, 等. 南方稻田保護(hù)性耕作的研究進(jìn)展與研究對(duì)策[J]. 土壤通報(bào), 2006, 37(2): 346-351.

[2]谷子寒, 王元元, 帥澤宇, 等. 土壤耕作方式對(duì)水稻產(chǎn)量形成特性的影響初探[J]. 作物研究, 2017(2): 103-109.

[3]賈洪雷, 陳忠亮, 劉昭辰, 等. 耕整聯(lián)合作業(yè)工藝及配套機(jī)具的研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2001, 32(5): 40-43.

[4]朱瑞祥, 李成鑫, 程陽(yáng), 等. 被動(dòng)式圓盤(pán)刀作業(yè)性能優(yōu)化試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014, 30(18): 47-54.

[5]王金武, 張成亮, 許春林, 等. 聯(lián)合整地機(jī)平整部件參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013, 44(2): 34-37.

[6]曹肆林, 王序儉, 王敏, 等. 1LZ系列聯(lián)合整地機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 21(5): 202-206.

[7]周勇, 余水生, 夏俊芳. 水田高茬秸稈還田耕整機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2012, 43(8): 46-49.

[8]張欣悅, 李連豪, 汪春, 等. 1GSZ-350型滅茬旋耕聯(lián)合整地機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25 (5): 73-77.

[9]趙長(zhǎng)海, 趙蛾, 朱雅林, 等. 稻田土壤的特點(diǎn)及耕整[J]. 天津農(nóng)林科技, 2012(3): 32-35.

[10]張勝雄，方文熙. 驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)犁在南方水田的適應(yīng)性[J]. 糧油加工與食品機(jī)械, 1993(1): 24-27.

[11]鄭侃, 何進(jìn), 王慶杰, 等. 聯(lián)合整地作業(yè)機(jī)具的研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2016(1): 257-263.

[12]張孝安. 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社, 2007.

[13]劉輝 基.于LS-DYNA的旱地旋耕刀工作機(jī)理研究[D].重慶: 西南大學(xué), 2012.

[14]夏俊芳, 賀小偉, 余水生, 等. 基于 ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀輥土壤切削有限元模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(10): 34-41.

[15]張建, 王穎, 王淑紅, 等. 基于 LS-DYNA 的油菜單圓盤(pán)開(kāi)溝器切削莖稈土壤動(dòng)態(tài)仿真[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)), 2015, 30(6): 941-945.

[16]ABO-ELNOR M, HAMILTON R, BOYLE J T. 3D Dynamic analysis of soil-tool interaction using the finite element method[J]. J Terramechanics, 2003, 40(1): 51-62.

[17]齊龍, 梁仲維, 馬旭, 等. 耙壓式除草輪與水田土壤作用的流固耦合仿真分析及驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(5): 29-37.

[18]ABDUL M M, MIKLóS N. Tillage tool design by the finite element method: Part 1: Finite element modelling of soil plastic behaviour[J]. J Agr Eng Res, 1999, 72(1): 37-51.

[19]ABDUL M M, MIKLóS N, HELMUT S, et al. Tillage tool design by the finite element method: Part 2: Experimental validation of the finite element results with soil bin test[J]. J Agr Eng Res, 1999, 72(1): 53-58.

[20]張青松, 肖文立, 廖慶喜, 等. 油菜直播機(jī)深淺旋組合式種床整備裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 35(4): 121-128.

【責(zé)任編輯 霍 歡】

Design and simulation of hydraulic driven disc harrow

WAN Guowei, SHU Caixia, LIU Xiaopeng, XIAO Wenli, ZHANG Qingsong, LIAO Qingxi
(College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

【Objective】To design a hydraulic driven disc harrow, and to use it under the working conditions of the middle-lower Yangtze plain with sticky and sealing soil, large amount of rice straws and fluctuating soil moisture content.【Method】The structure and operation parameters of the disc harrow were analyzed and the hydraulic driven system was designed. The rotary speed ranges of the hydraulic motor were determined according to the forward speed of the system. The motion trajectory of the notched disc was analyzed and the critical angle of the disc was determined. The process that the disc cutting the soil was analyzed using the finite element simulation method based on ANSYS/LS-DYNA.【Result】The rotary speed of hydraulic motor ranged from 60 to 168 r·min–1. The critical angle of the disc was 23°. The simulation results showed that the resistance of soil cutting by the disc changed periodically, increased gradually as soil depth increased and then became stable. Compared with a negative disc, the hydraulic driven notched disc could rotate more soil and its tillage depth was more stable. Field experiment showed that the tillage depth for the hydraulic driven notched disc was 85–120 mm and the coefficient of variation for stability in tillage depth was 9.6%.【Conclusion】The hydraulic driven disc harrow meets the design requirements.

agricultural machinery; disc harrow; hydraulic drive; finite element method; notched disc

S222.2

A

1001-411X(2017)05-0117-08

萬(wàn)國(guó)偉, 舒彩霞, 劉曉鵬, 等. 液壓驅(qū)動(dòng)式圓盤(pán)耙設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 38(5): 117-124.

2016-12-29 優(yōu)先出版時(shí)間：2017-07-14

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20170714.0859.040.html

萬(wàn)國(guó)偉(1991—)，男，碩士研究生，E-mail: wanfei0512@126.com； 通信作者： 舒彩霞(1969—)，女，副教授，博士，E-mail: shucaixia@mail.hzau.edu.cn

國(guó)家油菜產(chǎn)業(yè)體系專(zhuān)項(xiàng)(CARS-13)；湖北省技術(shù)創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)(2016ABA094)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(20150311806)