懸掛式水田單側(cè)修筑埂機數(shù)值模擬分析與性能優(yōu)化

王金武 唐 漢 王金峰 黃會男 林南南 趙 藝,2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.哈爾濱動力科技貿(mào)易股份有限公司， 哈爾濱 150030)

懸掛式水田單側(cè)修筑埂機數(shù)值模擬分析與性能優(yōu)化

王金武1唐 漢1王金峰1黃會男1林南南1趙 藝1,2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.哈爾濱動力科技貿(mào)易股份有限公司， 哈爾濱 150030)

為提高水田機械田埂修筑質(zhì)量，探索各工作參數(shù)對懸掛式水田單側(cè)修筑埂機作業(yè)性能的影響，依據(jù)離散元法建立機械部件-土壤間作用模型，運用EDEM軟件對機具旋耕切削集土和鎮(zhèn)壓筑埂成型階段進行仿真分析，研究機具作業(yè)質(zhì)量和功耗的動態(tài)變化規(guī)律，分析影響筑埂性能的主要因素。結(jié)合正交試驗設(shè)計和數(shù)值模擬技術(shù)，以機具前進速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速和旋耕入土深度為試驗因素，田埂堅實度和作業(yè)功耗為試驗指標，采用多目標變量優(yōu)化方法建立因素與指標間數(shù)學(xué)模型，運用Design-Expert 6.0.10軟件進行數(shù)據(jù)處理優(yōu)化。結(jié)果表明，影響機具綜合作業(yè)性能的主次因素為機具前進速度、旋耕入土深度、旋耕工作轉(zhuǎn)速；當機具前進速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速和旋耕入土深度分別為0.3 m/s、470 r/min和200 mm時，機具作業(yè)性能較理想，田埂堅實度和作業(yè)功耗分別為1 890.0 kPa和30.07 kW，其功耗較優(yōu)化前降低9.93 kW。經(jīng)土槽臺架試驗驗證，臺架試驗結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果基本一致，田埂堅實度和作業(yè)功耗相對誤差分別為4.26%和5.11%，滿足水田修筑埂農(nóng)藝要求。

水田； 修筑埂機； 旋耕鎮(zhèn)壓； 數(shù)值分析； 性能優(yōu)化

引言

圖1 懸掛式水田單側(cè)修筑埂機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of hanging unilateral ridger for paddy field1.平行四臂仿形總成 2.主變速箱 3.副變速箱 4.旋耕筑埂深度調(diào)節(jié)裝置 5.鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成6.擋土罩殼 7.旋耕集土刀輥總成 8.筑埂變速箱 9.旋耕變速箱 10.偏牽引懸掛機架 I、II、III.切型彎刀、拋土彎刀和取土彎刀3種刀具排列位置

水田機械筑埂是通過農(nóng)業(yè)機具構(gòu)筑出滿足農(nóng)藝生產(chǎn)要求標準田埂的技術(shù)[1-2]，是實現(xiàn)水田蓄水淹灌和水稻種植生產(chǎn)的重要保證，可有效提高糧食作物產(chǎn)量，達到保護環(huán)境和節(jié)本增效的目的，對實現(xiàn)水稻全程機械化生產(chǎn)具有重要意義。從20世紀60年代，國內(nèi)外學(xué)者開始對機械筑埂技術(shù)進行研究[3-5]，其中日本對此項技術(shù)的研究較成熟，將多種技術(shù)相結(jié)合，研制出適于不同地域環(huán)境的田埂修筑機具，但價格昂貴，維修不便，且日本與中國水田土質(zhì)差異性較大，并不適合于在中國各地區(qū)大面積推廣使用。王金武等[6]研制的1DSZ-350型懸掛式水田單側(cè)修筑埂機是一種通過位置仿形調(diào)節(jié)、深度相對控制、單側(cè)旋耕集土及鎮(zhèn)壓筑埂成型等多環(huán)節(jié)共同作用進行田埂修筑的新型機具，可一次性完成集土、鎮(zhèn)壓和成型等多項作業(yè)，適用于舊埂修補及原地筑埂。但作業(yè)過程仍存在性能不穩(wěn)定、功率消耗大等問題，影響機具使用的可靠性和經(jīng)濟性。

土壤作為農(nóng)業(yè)機具的主要作用對象，是一種典型的離散物質(zhì)，其內(nèi)部特殊黏結(jié)、內(nèi)聚、摩擦及破碎特性十分復(fù)雜，無法完全通過理論研究分析各因素間作用關(guān)系[7]。近些年隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，離散元法(Discrete element method，DEM)及其仿真軟件EDEM在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用研究[8-12]，也為分析機具與土壤相互作用的微觀及宏觀變化規(guī)律，優(yōu)化相關(guān)部件作業(yè)性能提供了良好平臺與手段。將試驗設(shè)計方法與離散元數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，對修筑埂機性能參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)提高作業(yè)質(zhì)量和降低功耗的目的，對機具性能改進與生產(chǎn)推廣具有重要意義。

本文以課題組所設(shè)計的懸掛式水田單側(cè)修筑埂機為研究對象，根據(jù)東北地區(qū)水田土壤耕作狀態(tài)，依據(jù)離散元法建立機械部件-土壤間作用模型，運用EDEM軟件對旋耕切削集土和鎮(zhèn)壓筑埂成型階段進行數(shù)值模擬仿真分析，研究工況下機具作業(yè)性能和功耗的動態(tài)變化規(guī)律，分析各工作參數(shù)對筑埂作業(yè)性能影響，得到機具理想?yún)?shù)組合，通過臺架試驗驗證仿真結(jié)果的準確性，以期為農(nóng)機觸土部件與土壤相互作用機理、機具性能優(yōu)化提供一種切實可行的研究方法，同時對修筑埂機選擇節(jié)省功耗的工作參數(shù)組合具有實際指導(dǎo)意義。

1 修筑埂機結(jié)構(gòu)與工作原理

懸掛式水田單側(cè)修筑埂機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由偏牽引懸掛機架、平行四臂仿形總成、旋耕集土刀輥總成、鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成、擋土罩殼、旋耕筑埂深度調(diào)節(jié)裝置和多級傳動系統(tǒng)等部件組成。機具采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各部件以組裝形式連接，可通過仿形總成和深度調(diào)節(jié)裝置控制部件作業(yè)位置，適應(yīng)不同環(huán)境田埂修筑作業(yè)。其中旋耕切削集土和鎮(zhèn)壓筑埂成型是2個最重要的作業(yè)環(huán)節(jié)，直接影響機具作業(yè)質(zhì)量與動力消耗。旋耕集土刀輥總成主要通過3種類型刀具(取土彎刀、拋土彎刀和切型彎刀)綜合設(shè)計與排列，實現(xiàn)遠處取土拋土、近處推土切型的集土功用。鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成是由10片獨立彈性羽片(有效半徑為360 mm，折彎角度為150，最大回轉(zhuǎn)直徑為800 mm)在圓周上以階梯形式均勻疊加組合焊接而成，通過自身前進旋轉(zhuǎn)，以靜力壓實和振動壓實相結(jié)合的方式將田埂鎮(zhèn)壓成型，滿足水田田埂形態(tài)及堅實度要求，其具體工作原理見文獻[6]。

2 離散元模型建立與仿真過程分析

運用離散元仿真軟件EDEM建立機械部件-土壤間作用模型，以田埂堅實度和旋耕鎮(zhèn)壓總功耗為主要評價指標，在常規(guī)工況下對修筑埂機田間作業(yè)狀態(tài)進行模擬，分析影響機具作業(yè)性能的主要因素，為后續(xù)仿真優(yōu)化及臺架驗證試驗奠定基礎(chǔ)。

2.1 離散元模型建立

2.1.1 修筑埂機模型建立

為合理有效地進行仿真模擬與計算，對整機模型做簡化處理，隱藏去除其牽引機架及各級傳動箱體等部件。應(yīng)用三維制圖軟件Pro/E對機具進行實體建模(比例1∶1)，以.igs文件格式導(dǎo)入EDEM軟件中，如圖2所示。根據(jù)物理樣機試制特點，設(shè)置鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成、擋土罩殼及旋耕刀輥軸材料屬性為45號鋼，泊松比為0.31，剪切模量為7.0×1010Pa，密度為7 800 kg/m3；各類型刀具材料屬性為65Mn鋼，泊松比為0.35，剪切模量為7.8×1010Pa，密度為7 850 kg/m3。

圖2 修筑埂機幾何模型Fig.2 Geometric model of ridger for paddy field1.擋土罩殼 2.鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成 3.旋耕集土刀輥總成

2.1.2 土壤顆粒模型建立

土壤物理性質(zhì)與機械筑埂作業(yè)質(zhì)量有密切關(guān)系，其內(nèi)部顆粒間特殊黏結(jié)、破碎屬性及力學(xué)關(guān)系十分復(fù)雜。為真實還原水田黏性土壤狀態(tài)，保證模擬仿真可靠性，以東北地區(qū)耕作黑壤土(含水率為25%～30%)為研究對象，對其物理參數(shù)進行測定。由于機具主要對耕作層土壤進行旋耕鎮(zhèn)壓作業(yè)，因此忽略犁底層及心土層土壤物理狀態(tài)的差異。通過篩分法試驗，測得85%土壤顆粒尺寸介于0.5～5.0 mm，其余15%小于0.25 mm，因此設(shè)置虛擬顆粒模型粒徑尺寸在0.5～5.0 mm間，且其尺寸大小呈正態(tài)分布。根據(jù)文獻[13]將土壤顆粒簡化為球狀、桿狀、鱗片狀、圓盤狀、團粒狀、板片狀、棱塊狀、棱錐狀和棱柱狀9種形狀，并運用EDEM軟件多球面組合方式進行填充，其基本形態(tài)如圖3所示。

圖3 土壤顆粒離散元模型Fig.3 Discrete element simulation models of soil particles

通過環(huán)刀法試驗，測得土壤顆粒密度為2 400～2 800 kg/m3，平均容重為2 100～2 500 kg/m3。通過直接剪切試驗及虛擬堆積仿真標定方法，測得土壤顆粒內(nèi)摩擦因數(shù)為0.311～0.562，剪切模量為2.1×107～2.7×107Pa。根據(jù)文獻[14]設(shè)置土壤顆粒間內(nèi)聚力為1.25×105～1.85×105Pa，泊松比為0.23～0.44。

2.1.3 其他仿真參數(shù)設(shè)定

(1)

其中

Fcoh,ij=kcoh,ijAcoh,ij

式中Ii——土壤顆粒i轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2ni——土壤顆粒i接觸的顆?？倲?shù)，個vi——土壤顆粒i移動速度，m/sωi——土壤顆粒i轉(zhuǎn)動角速度，rad/sTτ,ij——土壤顆粒i所受切向力矩，N·mTr,ij——土壤顆粒i所受滾動力矩，N·mkcoh,ij——土壤顆粒黏附能量密度，N/m2Acoh,ij——土壤顆粒接觸面積，m2

土壤顆粒黏結(jié)力Fcoh,ij主要根據(jù)其內(nèi)部黏聚特性進行設(shè)定，將其內(nèi)部黏結(jié)、內(nèi)聚、摩擦及破碎等關(guān)系簡化為Hertz-Mindlin with bonding接觸模型和JKR接觸模型，以模擬土壤顆粒間、顆粒與邊界間相互作用。通過傾斜板試驗、休止角試驗及虛擬仿真標定等方法分別對45號鋼-土壤顆粒、65Mn鋼-土壤顆粒和土壤顆粒間的動摩擦因數(shù)進行測定，并根據(jù)文獻[15]得到45號鋼-土壤顆粒、65Mn鋼-土壤顆粒和土壤顆粒間的靜摩擦因數(shù)及恢復(fù)因數(shù)，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真材料接觸參數(shù)Tab.1 Material contact parameters of simulation

為模擬實際田間筑埂作業(yè)狀態(tài)，運用EDEM軟件建立虛擬土槽，設(shè)置土槽基本尺寸(長×寬×高)為8 000 mm×2 000 mm×800 mm，將其設(shè)定為虛擬顆粒工廠，以10 000個/s的速率生成初速度為0 m/s的土壤顆粒模型，總量為100 000個，生成顆?？倳r間為10 s，保證土槽內(nèi)存有充足顆粒進行仿真。在生成顆粒過程中，使其僅在重力作用下自由沉降，且整體生成后在顆粒群上方加載校準土壤密度所需的垂直載荷，進行土壤模型壓實，使仿真與實際土壤保持一致。

2.2 虛擬仿真過程與分析

2.2.1 虛擬筑埂仿真過程

在虛擬筑埂仿真過程中，設(shè)置修筑埂機位于土槽一側(cè)進行初始作業(yè)。根據(jù)機具實際作業(yè)狀態(tài)及水田修筑埂農(nóng)藝要求，以某一常規(guī)工況為例進行仿真，分析其筑埂質(zhì)量與功率消耗情況。設(shè)置機具前進速度為0.3 m/s，旋耕集土刀輥總成采用正轉(zhuǎn)形式進行切削土壤，其旋耕工作轉(zhuǎn)速為500 r/min(旋耕轉(zhuǎn)速與鎮(zhèn)壓轉(zhuǎn)速之比為3∶2)，旋耕入土深度為200 mm。

為保證仿真的連續(xù)性，設(shè)置其固定時間步長為5.76×10-5s(即Rayleigh時間步長的10%)，總時間為25 s，有效作業(yè)時間為13 s(0～10 s土壤顆粒生成，24～25 s機具運動至土槽終點)，網(wǎng)格單元尺寸為5 mm，為顆粒平均半徑的2倍，以便對后續(xù)數(shù)據(jù)精準處理。

圖4a所示為三維空間XYZ內(nèi)修筑埂機虛擬仿真作業(yè)狀態(tài)，對擋土罩殼進行虛隱化處理，以便觀察分析土壤被切削、拋擲及鎮(zhèn)壓過程狀態(tài)變化。圖4b為XOZ平面內(nèi)旋耕切削集土作業(yè)狀態(tài)，當機具沿X軸正方向前進運動時，旋耕刀輥集土總成順時針正轉(zhuǎn)切削土壤，取土彎刀先與土壤顆粒發(fā)生接觸，以距刀軸中心先近后遠的順序依次入土完成取土作業(yè)。拋土彎刀對土垡進行二次旋切粉碎，同時切型彎刀將土壤顆粒旋切為階梯土層，土壤顆粒在兩種刀具的共同作用下被定向拋擲堆聚于后方及側(cè)后方，通過擋土罩殼撞擊及導(dǎo)向作用，將土壤顆粒聚攏至鎮(zhèn)壓區(qū)域，以便后續(xù)對田埂鎮(zhèn)壓修筑。圖4c為YOZ平面內(nèi)鎮(zhèn)壓筑埂成型作業(yè)狀態(tài)，鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成以較慢轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)前進運動，通過鎮(zhèn)壓圓盤自身重力及旋轉(zhuǎn)動力反復(fù)碾壓，對所聚攏土壤顆粒壓實成型，完成田埂修筑作業(yè)。上述兩階段虛擬仿真作業(yè)與實際機具工作狀態(tài)基本一致。

圖4 EDEM旋耕鎮(zhèn)壓仿真作業(yè)Fig.4 EDEM simulation processes of rotary tillage and compacting

2.2.2 虛擬仿真結(jié)果與分析

由于目前國內(nèi)外尚無評價機械田埂修筑作業(yè)質(zhì)量的統(tǒng)一標準，根據(jù)EDEM軟件模擬機具與土壤顆粒間作用特點，同時檢測機具作業(yè)功耗情況，查閱相關(guān)資料并結(jié)合實際水田修筑埂農(nóng)藝要求，選取田埂堅實度及旋耕鎮(zhèn)壓總功耗為虛擬仿真分析的評價指標。

2.2.2.1 田埂堅實度

田埂堅實度是評價田埂修筑作業(yè)質(zhì)量的重要指標，可直接反映出機具旋耕切削土壤并克服土壤顆粒內(nèi)部黏結(jié)與內(nèi)聚進行壓實的作業(yè)狀態(tài)。本研究主要運用EDEM軟件數(shù)據(jù)處理模塊(Analyst)，對虛擬作業(yè)所筑的土壤田埂進行力學(xué)分析，處理計算顆粒間接觸黏結(jié)等綜合作用。

由于EDEM軟件僅可對田埂整體鎮(zhèn)壓力(即顆粒內(nèi)部微觀接觸、黏結(jié)、內(nèi)聚及摩擦等作用沿田埂頂面法線方向的合力)進行測定研究，為直觀評價機具修筑田埂質(zhì)量，需將其轉(zhuǎn)化為土壤堅實度指標，因此本研究在仿真試驗前進行臺架標定試驗，建立人工測量堅實度與鎮(zhèn)壓力間模型[16]。以東北地區(qū)耕作黑壤土為標定供試土壤(含水率為(27.1±0.5)%，密度為2 530 kg/m3)，保證其與所建土壤顆粒模型物理性質(zhì)基本一致。如圖5a所示，采用WDW-5型微機電子式萬能試驗機(濟南試金集團)進行測試，其頂端配置拉壓傳感器(量程為0～200 N、測量精度為0.02 N)，以0.3 m/s速度均勻緩慢壓實土壤，分別控制其下降壓縮土壤位移為100、160、220、280、340 mm。利用配套計算機實時采集存儲所對應(yīng)的鎮(zhèn)壓力數(shù)值，通過SL-TYA型土壤堅實度測試儀(杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司)測定各狀態(tài)下的土壤堅實度。所得人工測量土壤堅實度S與均勻鎮(zhèn)壓力a間的數(shù)據(jù)擬合曲線如圖5b所示，具體標定關(guān)系為

S=1.197 3a-37.678

(2)

圖5 土壤堅實度標定試驗與擬合關(guān)系曲線Fig.5 Calibration experiment and fitting curve of soil firmness1.萬能試驗機 2.微型土槽 3.鎮(zhèn)壓裝置 4.拉壓傳感器 5.計算機

在此基礎(chǔ)上，運用C語言對力學(xué)函數(shù)進行編輯[17]，通過EDEM軟件后處理的應(yīng)用編程接口(Application programming interface，API)完成虛擬田埂整體鎮(zhèn)壓力的測量。如圖6所示，測定田埂鎮(zhèn)壓合力為1 237.3 N，代入標定模型關(guān)系式(2)中可得，此工況下所筑虛擬田埂堅實度為1 443.7 kPa，可滿足田埂修筑農(nóng)藝要求。

圖6 虛擬田埂鎮(zhèn)壓力測定Fig.6 Pressure measurement of virtual ridge

2.2.2.2 功率消耗

功率消耗(簡稱功耗)是衡量機具綜合性能的主要技術(shù)參數(shù)，直接體現(xiàn)整機作業(yè)性能。修筑埂機作業(yè)功耗主要來源于旋耕切削集土、鎮(zhèn)壓筑埂成型和中間各級傳動3個過程，本研究主要對虛擬仿真狀態(tài)下旋耕集土刀輥及鎮(zhèn)壓筑埂圓盤2個關(guān)鍵部件的作業(yè)功耗進行測定分析，將機具總功耗簡化為

∑P=Px+Pz+Pt

(3)

式中 Px——旋耕集土階段功耗，kWPz——鎮(zhèn)壓筑埂階段功耗，kWPt——各級傳動功耗，kW

在仿真過程中，Pt值較小可忽略不計。作業(yè)時旋耕集土刀輥及鎮(zhèn)壓筑埂圓盤皆隨機具前進運動，同時進行自身旋轉(zhuǎn)切削及鎮(zhèn)壓作業(yè)，其自身扭矩的變化可反映作業(yè)功耗的差異，因此將其轉(zhuǎn)化為對關(guān)鍵部件扭矩的測定，即

(4)

其中

n1∶n2=3∶2

將式(4)代入式(3)中，簡化整理可得

(5)

式中Tx——旋耕集土刀輥扭矩，N·mTz——鎮(zhèn)壓筑埂圓盤扭矩，N·mn1——旋耕集土刀輥工作轉(zhuǎn)速，設(shè)為500 r/min

n2——鎮(zhèn)壓筑埂圓盤工作轉(zhuǎn)速，r/min

通過EDEM軟件對2個關(guān)鍵部件作業(yè)扭矩進行測定，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件中進行整理，計算各時刻機具各階段功耗變化趨勢，如圖7所示。

圖7 各階段虛擬作業(yè)功耗變化曲線Fig.7 Variation curves of power consumption in simulation processes

由圖7可知，旋耕集土刀輥與土壤顆粒相互作用初期，其作業(yè)功耗隨時間增加而迅速增大。仿真作業(yè)10.0～13.2 s時，刀輥旋耕作業(yè)功耗迅速上升至12.15 kW，主要由于土壤整體受到擠壓變形至破碎需要消耗較大能量，刀具進行切削集土作業(yè)使土壤變形，因克服內(nèi)部黏結(jié)與內(nèi)聚作用，其變化速率較快。隨刀輥后續(xù)切削集土，其作業(yè)功耗變化趨于穩(wěn)定，當仿真運行至15.1 s時，作業(yè)功耗達到最大值13.21 kW，主要由于土壤顆粒在被破壞后相互間黏結(jié)作用減小，刀具切削力保持穩(wěn)定狀態(tài)，其作業(yè)功耗保持在12.64 kW左右。鎮(zhèn)壓筑埂圓盤作業(yè)功耗與刀輥作業(yè)功耗變化趨勢基本相同，但整體功耗略高于旋耕切削集土作業(yè)。仿真作業(yè)10.0～13.2 s時，其作業(yè)功耗隨時間增加而迅速增大至15.11 kW，隨圓盤后續(xù)壓實作業(yè)，其作業(yè)功耗變化也趨于穩(wěn)定，保持在16.29 kW左右，主要由于前期旋耕集土量不斷增加，依靠其自身旋轉(zhuǎn)碾壓作用克服土壤顆粒間內(nèi)聚力及摩擦力，使土壤顆粒重新緊密排列。當機具平穩(wěn)作業(yè)時，兩階段功耗之和穩(wěn)定在28.93 kW左右。

為檢驗采用離散元數(shù)值仿真進行機具功耗性能測定方法的準確性，參考農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[18]經(jīng)驗公式對旋耕切削集土過程進行分析，即

Px=1×10-5KλhvB

(6)

其中

Kλ=KgKsKhKcKf

式中h——旋耕入土深度，mmv——機具前進速度，m/sB——旋耕作業(yè)幅寬，mmKλ——旋耕比阻，N/cm2Kg——土壤堅實度系數(shù)Ks——耕深修正系數(shù)Kh——土壤含水率系數(shù)Kc——殘茬植被修正系數(shù)Kf——作業(yè)方式修正系數(shù)

將仿真邊界條件及相關(guān)修正系數(shù)代入式(6)中，可得旋耕切削集土作業(yè)功耗Px=13.80 kW，與仿真結(jié)果基本一致，證明運用數(shù)值模擬測定機具作業(yè)功耗的合理性與可行性。

3 EDEM虛擬仿真試驗與分析

3.1 虛擬仿真試驗設(shè)計

為研究各工況下修筑埂機作業(yè)質(zhì)量與功耗變化規(guī)律，分析影響筑埂作業(yè)性能的主要因素，得到理想作業(yè)參數(shù)組合，在前期虛擬模型建立及數(shù)值模擬分析基礎(chǔ)上，進行EDEM虛擬仿真正交試驗研究。

由實際機具筑埂作業(yè)狀態(tài)可知，田埂修筑作業(yè)質(zhì)量與機具前進速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速、旋耕入土深度及外界土壤狀態(tài)等因素有關(guān)。為提高虛擬試驗可控性及準確性，選取機具前進速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速及旋耕入土深度為試驗因素，以作業(yè)后所筑田埂堅實度和旋耕鎮(zhèn)壓總功耗為試驗指標。根據(jù)前期模擬分析、單因素預(yù)試驗及田間筑埂作業(yè)要求，配合各因素可控工況范圍，設(shè)定試驗因素水平如表2所示。

表2 試驗因素水平Tab.2 Levels of experimental factors

3.2 試驗結(jié)果分析與優(yōu)化

在此基礎(chǔ)上，采用三因素四水平正交試驗設(shè)計虛擬試驗方案，選取L16(45)正交表安排試驗[19-20]。虛擬試驗操作值與參數(shù)設(shè)計值無誤差，可根據(jù)數(shù)據(jù)進行結(jié)果分析，并對影響試驗指標的主要因素進行顯著性分析，尋求機具理想工作參數(shù)組合，具體試驗方案與結(jié)果如表3所示。A、B、C為因素水平值。

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Schemes and results of tests

在滿足實際田埂農(nóng)藝要求范圍內(nèi)，其修筑田埂堅實度越高，作業(yè)功耗越小，表明機具綜合作業(yè)性能越好。由表3極差分析可知，影響田埂堅實度指標的3個主次因素順序為：旋耕入土深度C、機具前進速度A、旋耕工作轉(zhuǎn)速B，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為A2B4C3；影響機具作業(yè)功耗的3個主次因素順序為：機具前進速度A、旋耕入土深度C、旋耕工作轉(zhuǎn)速B，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為A1B1C3。根據(jù)實際田間生產(chǎn)作業(yè)要求及機具自身特點，確定影響機具綜合作業(yè)性能的主次順序因素為：機具前進速度、旋耕入土深度、旋耕工作轉(zhuǎn)速。

為準確判斷各因素水平對作業(yè)質(zhì)量及功耗影響的顯著性，運用Design-Expert 6.0.10軟件對正交試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和P檢驗顯著性判斷，其顯著水平設(shè)定為0.01，方差分析計算結(jié)果如表4所示。由表4可知，方差分析結(jié)果與上述極差分析相符合，即旋耕入土深度對田埂堅實度影響極顯著(P<0.01)，機具前進速度和旋耕工作轉(zhuǎn)速對田埂堅實度影響較顯著(P<0.10)；機具前進速度和旋耕入土深度對作業(yè)功耗影響極顯著(P<0.01)，旋耕工作轉(zhuǎn)速對作業(yè)功耗影響顯著(P<0.05)。

表4 試驗方差分析Tab.4 Variance analysis of test results

注：*表示較顯著(P<0.10)；** 表示顯著(P<0.05)；*** 表示極顯著(P<0.01)。

為得到機具理想工作參數(shù)組合，對試驗因素進行優(yōu)化設(shè)計，遵循提高田埂堅實度、降低作業(yè)功耗的原則，采用多目標變量優(yōu)化方法[21]，結(jié)合試驗因素邊界條件，建立非線性規(guī)劃參數(shù)模型為

(7)

基于Design-Expert 6.0.10軟件中的多目標參數(shù)優(yōu)化(Optimization)模塊對數(shù)學(xué)模型進行分析求解，可得多組優(yōu)化參數(shù)組合。根據(jù)修筑埂機實際作業(yè)狀態(tài)可知，其機具前進速度直接影響筑埂作業(yè)效率，旋耕工作轉(zhuǎn)速影響切削碎土效果，旋耕入土深度影響筑埂集土量，多個因素共同影響機具整體作業(yè)質(zhì)量及穩(wěn)定性。綜合分析從優(yōu)化結(jié)果中選取一組合理參數(shù)組合A2B1C3，即當機具前進速度為0.3 m/s，旋耕工作轉(zhuǎn)速為470 r/min，旋耕入土深度為200 mm時，機具綜合作業(yè)性能較理想，其田埂堅實度為1 908.6 kPa，作業(yè)功耗為31.93 kW。根據(jù)所優(yōu)化的結(jié)果進行虛擬仿真驗證，其所筑田埂堅實度為1 890.0 kPa，作業(yè)功耗為30.07 kW，與優(yōu)化結(jié)果基本一致，旋耕鎮(zhèn)壓環(huán)節(jié)功耗較優(yōu)化前降低9.93 kW。

4 臺架試驗

為驗證基于EDEM軟件懸掛式水田單側(cè)修筑埂機數(shù)值模擬仿真優(yōu)化的準確性，在工況下進行臺架驗證試驗。試驗地點為黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院土槽實驗室，試驗設(shè)備包括懸掛式水田單側(cè)修筑埂機、TCC-III型計算機監(jiān)控輔助測試試驗臺車(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院)、INV1861A型便攜式應(yīng)變調(diào)理儀(東方振動噪聲研究所)、INVEST3018-24型信號采集儀及配套DASP-10信號處理軟件(東方振動噪聲研究所)、JN338型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀及配套扭矩傳感器(長沙湘儀動力測試儀器有限公司)、過孔集流環(huán)(深圳市森瑞普電子有限公司)、SL-TYA型土壤堅實度測試儀(杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司)、數(shù)據(jù)處理計算機、鐵鍬和鋼板尺等，如圖8a所示。土槽臺架內(nèi)供試土壤為東北地區(qū)耕作黑壤土，對土壤進行耕整處理，檢測土壤絕對含水率為(28.2±0.5)%，土壤密度為2 610 kg/m3，土壤堅實度為130～200 kPa，符合田埂修筑作業(yè)實際狀態(tài)。

圖8 臺架試驗Fig.8 Bench test for ridging performance1.控制臺車面板 2.計算機監(jiān)控輔助測試試驗臺車 3.懸掛式水田單側(cè)修筑埂機 4.土槽臺架 5.數(shù)據(jù)處理終端 6.應(yīng)變調(diào)理儀 7.采集儀連接線 8.過孔集流環(huán)

通過土壤堅實度測試儀對所筑田埂堅實度進行測量，通過土槽試驗臺車動力輸出軸軸端的傳感系統(tǒng)對整機功耗進行測定。結(jié)合整機結(jié)構(gòu)特點，分別對旋耕切削集土和鎮(zhèn)壓筑埂成型階段功耗進行測量，采用應(yīng)力檢測的扭矩測量技術(shù)[22]，試制旋耕刀輥彈性敏感軸和鎮(zhèn)壓圓盤彈性敏感軸，通過法蘭盤將其與作業(yè)部件旋轉(zhuǎn)軸連接，在軸體上搭建全橋式應(yīng)變傳感器(由4組BX120-0.5AA型應(yīng)變片組成，電阻(120.0±0.1)Ω，靈敏系數(shù)(2.08±0.1)%)，同時外接集流環(huán)與信號采集儀及應(yīng)變調(diào)理儀連接，進行除噪、應(yīng)變信號放大，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)壓/頻轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為與扭矩應(yīng)變成正比的頻率信號，實現(xiàn)對扭矩數(shù)據(jù)的輸出與處理，如圖8b、8c所示。試驗前需對靜止狀態(tài)下貼有應(yīng)變片的刀輥及圓盤進行標定，以減小試驗測定過程中的系統(tǒng)誤差。

在臺架試驗過程中，將作業(yè)區(qū)域劃分為啟動調(diào)整區(qū)、有效試驗區(qū)及停止緩沖區(qū)，測試總距離為70 m，前后啟動調(diào)整區(qū)和停止區(qū)分別為5 m。在機具前進速度為0.3 m/s、旋耕工作轉(zhuǎn)速為470 r/min和旋耕入土深度為200 mm工況下進行田埂修筑作業(yè)。對田埂堅實度、各作業(yè)階段功耗及總功耗進行測量，重復(fù)5次試驗取平均值，相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。

由表5可知，在相同工況下實際田埂修筑作業(yè)質(zhì)量略低于仿真試驗優(yōu)化結(jié)果，所筑田埂質(zhì)量良好，堅實光滑，外形平整一致，其田埂堅實度相對誤差為4.26%，作業(yè)功耗相對誤差為5.11%。產(chǎn)生誤差的原因可能是由于土壤外界條件狀態(tài)變化造成機具非規(guī)則振動，導(dǎo)致切削鎮(zhèn)壓作業(yè)產(chǎn)生額外摩擦、碰撞及磨損功耗，影響機具作業(yè)穩(wěn)定性，但誤差在可接受范圍內(nèi)。在所優(yōu)化工作參數(shù)下進行穩(wěn)定作業(yè)，較優(yōu)化前功耗平均降低18.36%(原常規(guī)田間作業(yè)所需配套動力45 kW)，滿足水田修筑埂農(nóng)藝要求。

表5 臺架試驗結(jié)果Tab.5 Bench test results

5 結(jié)論

(1)以懸掛式水田單側(cè)修筑埂機為研究對象，依據(jù)離散元法建立了機械部件-土壤間作用模型，運用EDEM軟件對旋耕切削集土和鎮(zhèn)壓筑埂成型階段進行了數(shù)值模擬仿真分析，研究了機具作業(yè)質(zhì)量和功耗的動態(tài)變化規(guī)律。

(2)以機具前進速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速和旋耕入土深度為試驗因素，田埂堅實度和作業(yè)功耗為試驗指標，采用虛擬正交試驗方法建立了因素與指標間數(shù)學(xué)模型，運用Design-Expert 6.0.10軟件對試驗結(jié)果進行處理。由極差分析和方差分析可得，影響機具綜合作業(yè)性能的主次因素順序為：機具前進速度、旋耕入土深度、旋耕工作轉(zhuǎn)速。采用多目標變量優(yōu)化方法建立了優(yōu)化模型，結(jié)果表明，當機具前進速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速和旋耕入土深度分別為0.3 m/s、470 r/min和200 mm時，機具作業(yè)性能較理想，田埂堅實度和作業(yè)功耗分別為1 890.0 kPa和30.07 kW，其功耗較優(yōu)化前降低9.93 kW。

(3)土槽臺架驗證試驗結(jié)果表明，臺架試驗結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果基本一致，田埂堅實度和作業(yè)功耗的相對誤差分別為4.26%和5.11%，可滿足水田修筑埂農(nóng)藝要求。

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Numerical Analysis and Performance Optimization Experiment on Hanging Unilateral Ridger for Paddy Field

WANG Jinwu1TANG Han1WANG Jinfeng1HUANG Huinan1LIN Nannan1ZHAO Yi1,2

(1.CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China2.HarbinPowerTechnologyTradeIncorporation,Harbin150030,China)

Paddy field mechanization ridging is constructed by agricultural machinery to meet the production requirements of rice irrigation and ridge technology. It can improve the yield of grain crops and reduce the waste of water resources, which is conducive to the construction of standardized farmland in China. In order to improve the quality of paddy field mechanization ridging and investigate the working parameters of performance of hanging unilateral ridger, the interaction model of machinery and soil was established by using distinct element method. The EDEM software was employed to simulate the processes of rotary tillage collecting soil and compacting ridging. And then the dynamic behaviors of performance and power consumption of ridger were researched under the working conditions. The principal factors which affected the quality of machine operation were analyzed. Orthogonal simulation experiment was carried out with forward speed, rotational speed, tillage depth as experimental factors and ridge density and power consumption as assessment consumption. Based on experimental data, a mathematical model was built by using the Design-Expert 6.0.10 software, and the experimental factors were optimized, the best combination was achieved. By using range analysis method and variance analysis method to determine the importance index, the primary and secondary indexes were as follows: forward speed, tillage depth and rotational speed. And the experiment results showed that forward speed was 0.3 m/s, rotational speed was 470 r/min, tillage depth was 200 mm, and the maximum ridge density was 1 890.0 kPa, the minimum power consumption was 30.07 kW, and the improved power consumption exceeded the original one by 9.93 kW. Finally, the bench test was conducted to verify the accuracy of simulation results and optional parameters, which showed that the relative error of ridge density was 4.26% and the relative error of power consumption was 5.11%, indicating that the simulated values were basically coincided with testing values, which proved that the modeling and simulating methods adopted met the content requirement.

paddy field； ridger； rotary tillage compacting； numerical analysis； performance optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.007

2016-12-16

2017-01-10

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0701105、2017YFD0300909-04)

王金武(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事田間機械及機械可靠性研究，E-mail： jinwuw@163.com

王金峰(1981—)，男，副教授，博士，主要從事田間作業(yè)機械研究，E-mail： jinfeng_w@126.com

S225+3

A

1000-1298(2017)08-0072-09