圓盤碎土過程分析及試驗

謝建華，張鳳賢，段威林

（新疆農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

1 引言

地膜覆蓋技術由于其良好的應用效果自20世紀80年代初被引入中國后，迅速在全國范圍內(nèi)得到廣泛應用[1]。隨著地膜用量的增加以及地膜回收不徹底，致使我國土地環(huán)境嚴重污染[2]。為了提高地膜的回收率，保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，我國研究者對殘膜回收機具進行了大量研究[3-4]。目前，我國殘膜回收機具種類按其工作原理分為彈齒式、氣吹式、伸縮桿齒式、振動鏈式等，殘膜回收機的種類雖然有很多，但殘膜回收機具對殘膜的回收效率不高。主要原因包括，作物覆膜時間長且使用的地膜厚度薄，易受外部因素影響而破碎[5]；邊膜覆土板結，邊膜和土壤粘連，導致邊膜難以回收[6]。為了解決邊膜回收問題，國內(nèi)研究者做了相關研究。文獻[7]通過對起膜鏟進行設計試驗，對起膜鏟起膜機理進行分析。文獻[8]研制了邊膜回收機，結合后續(xù)其他殘膜回收機具回收殘膜。文獻[9]對不同起膜裝置進行力學分析和進行田間工作性能對比試驗，對不同起膜裝置影響邊膜回收因素進行分析。文獻[10-11]建立了圓盤碎土力學模型，采用單一的土壤結構模型，通過ANSYS分析得到土壤經(jīng)圓盤破碎作用后的響應變云圖。在實際的圓盤碎土過程中，由于地膜的阻隔致使耕作土壤分為上下兩層，上層土壤受到侵蝕而形成板結，僅以單一土壤分析，不能很好反映實際圓盤碎土后土壤的變化。通過建立土壤的復合模型對圓盤碎土裝置以不同工作傾角破碎土壤性能進行仿真分析，為提高邊膜回收率提供理論支撐。

2 圓盤碎土裝置的結構及工作原理

圖1 圓盤碎土裝置結構圖Fig.1 The Structure of Disc Crushing Soil Device

圓盤碎土裝置主要由圓盤、套筒、固定板、U型卡、頂絲和角度調(diào)節(jié)軸等組成，如圖1所示。將套筒和圓盤碎土裝置的固定板焊接在一起，利用兩個U型卡固定在機架上。通過套筒上下兩個頂絲調(diào)節(jié)圓盤深度和角度。機具工作時，圓盤碎土裝置隨著拖拉機牽引機架運動，邊膜上的板結土壤通過圓盤剪切擠壓作用發(fā)生破碎和變形，同時深層土壤也被翻耕，邊膜隨之被起帶出。

3 圓盤碎土裝置受力分析

3.1 圓盤碎土受力模型

機具工作時，圓盤碎土裝置隨機具水平運動，同時圓盤繞安裝軸中心做旋轉運動。圓盤運動及受力情況[12]，如圖2所示。土壤對圓盤的作用力包括剪應力τ、正應力σ和圓盤刃部受力q[13]。

圖2 圓盤受力示意圖Fig.2 Force Diagram of Disc

圖中：v—機具前進速度；w—圓盤角速度；h-圓盤碎土深度；θ—圓盤傾角；q—圓盤刃部受力；σ—正應力；τ—剪應力；l—圓盤碎土寬度。

圓盤碎土裝置工作過程中，土壤對圓盤的作用力為[12]：

式中：N—圓盤碎土正壓力；T—圓盤與土壤相對運動產(chǎn)生的剪切力；Q—圓盤刃部擠入土壤時的入土阻力；S—圓盤與土壤接觸面積。

3.2 圓盤擾動區(qū)域分析

在圓盤碎土過程中，土壤存在很多斷裂且裂紋隨機不規(guī)則。由于土壤結構復雜，土壤的斷裂線從靠近圓盤表面的地方向外不規(guī)則的延伸，致使圓盤碎土過程擾動的土壤區(qū)域不穩(wěn)定，造成圓盤受力在一定的范圍呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動。為了描述圓盤碎土過程中土壤的變化，如圖3所示。把圓盤碎土過程中擾動的土壤區(qū)域近似看做一個三角形[12]，在圓盤運動過程中土壤擾動區(qū)域隨圓盤工作傾角的變化而變化[14]，當圓盤工作傾角為0°時，土壤的擾動區(qū)域為ΔA′BC′，斷裂角為β′。當圓盤工作傾角為θ時，土壤擾動區(qū)域為ABC，斷裂角為β。

圖3 圓盤擾動土壤區(qū)域變化Fig.3 Changes of Disc Disturbing Soil Area

圖中：θ—圓盤傾斜角度；β、β′—土壤斷裂角

圓盤碎土過程中，圓盤的受力主要與土壤的擾動的范圍有關。由被擾動的土壤面積S（ψ）可以求出土壤對圓盤的受力。被擾動的土壤面積

式中：S—三角區(qū)ABC面積；C1—擾動系數(shù)；ψ—隨機變量，在（-1，1）之間取值。

沿圓盤碎土寬度對被擾動土壤面積S（ψ）積分得到被擾動土壤體積 V（ψ）及質(zhì)量M（ψ）。

式中：ρ—土壤密度；l—土壤三角區(qū)寬度或者圓盤破土寬度。

圓盤碎土裝置在碎土過程中，使土壤產(chǎn)生側向移動的主要原因是圓盤所受正應力N可分為兩部分：克服被擾動土壤與未擾動土壤之間的界面阻力的正壓力分量F1和使土壤側向移動的正壓力分量F2。未擾動土壤與被擾動土壤之間的界面阻力與土壤團粒之間的粘結力、內(nèi)摩擦角及被擾動土壤質(zhì)量有關，界面阻力的正壓力分量F1為[15]：

式中：Φ1—內(nèi)摩擦角。

碎土過程中，圓盤擾動土壤發(fā)生側向移動過程可看成圓盤與土壤之間的完全非彈性碰撞，土壤被擾動的沖量為：

式中：M（ψ）—被擾動土壤質(zhì)量；v—圓盤前進速度；t—碰撞時間；

F2—土壤側向移動的力。

由庫倫定理得土壤和圓盤之間的剪力T為：

式中：C—土壤團粒間的粘著力；Φ2—土壤與圓盤的摩擦角。

由于力的作用方向不同，故引入單位方向向量i→，j→，k→，則土壤對圓盤的作用力F為：

4 圓盤碎土過程仿真分析

圖4 土壤復合模型Fig.4 Composite Model of Soil

對圓盤碎土過程進行仿真，不僅要觀察土壤的應力變化，了解土壤在圓盤不同傾角下的載荷變化，還要觀察圓盤不同傾角下復合土壤的變形情況。建立雙層土壤復合模型，具體結構如圖4所示。Z方向為土壤深度，X為土壤擾動方向，Y方向為機具行進方向。運用ANSYS Workbench對圓盤碎土過程進行非線性結構動力學仿真分析，觀察圓盤碎土過程中土壤的擾動情況。

4.1 參數(shù)設置

在ANSYSWorkbench軟件中構建土壤復合模型與圓盤碎土裝置相互作用的接觸模型。圓盤直徑240mm，材料65Mn鋼，密度7800kg/m3，彈性模量 2．06e5MPa，泊松比 0．3。以平作種植模式為例，雙層土壤復合模型大小為：上層板結土壤模型（250×150×15）mm，深層土壤模型（250×150×85）mm。土壤參數(shù)，如表1所示。土壤單元類型選取solid164實體單元。

表1 土壤參數(shù)Tab.1 Soil Parameters

影響圓盤碎土裝置性能的重要因素為圓盤工作傾角[17]，當圓盤傾角＜10°時，碎土擾動效果不明顯，當圓盤傾角＞40°時，壅土現(xiàn)象嚴重，為了保證仿真及試驗測量方便，選取圓盤工作傾角θ分別為 10°、20°、30°、40°進行碎土性能仿真模擬分析[13]。由于地膜單側邊膜被土壤掩埋于地表以下（50～70）mm左右，故選取圓盤碎土深度為60mm。殘膜回收機實際作業(yè)速度（-0．85）m/s（前進方向為Y方向），計算圓盤角速度為7．08rad/s。板結土壤和深層土壤選用Bonded接觸方式，土壤復合模型四周施加約束。

4.2 仿真結果分析

使用ANSYS Worbench對圓盤工作傾角θ分別為10°、20°、30°、40°工況時的碎土情況進行仿真。得到不同工況下土壤模型橫向（X方向）變形，如圖5所示。

圓盤碎土裝置碎土過程中主要觀察土壤的橫向擾動（X方向）和應力的變化，其中橫向擾動變形越大，越有利于將邊膜翻耕到地表。當圓盤工作傾角為10°、20°、30°時，隨著圓盤工作傾角的增大，如圖5（a）、圖5（b）所示。土壤的橫向擾動也增大，變形越明顯，當工作傾角為30°時達到最大值，同時上層板結土壤的變形量大于深層土壤的變形量。當圓盤工作傾角為40°時，土壤的橫向擾動和變形減小，發(fā)生壅土現(xiàn)象。

圖 5 不同工作角度圓盤碎土情況（θ=10°、20°、30°、40°）Fig．5 Different Working Angle of the Disk Broken Soil Conditions（θ=10°、20°、30°、40°）

隨著圓盤工作傾角的增大板結土壤和深層土壤的應力增大，如圖6所示。深層土壤的應力增長速率大于板結土壤的應力增長速率。當工作傾角為30°時上下層土壤受力達到最大時，深層土壤的應力值大于板結土壤，此時圓盤對土壤的翻耕效果達到最佳。當工作傾角為40°時，壅土現(xiàn)象出現(xiàn)，變形應力減小，圓盤碎土擾動作用失效。

圖6 土壤擾動應力變化情況Fig．6 Stress Changes in Different Soil Disturbance

5 田間試驗及結果

為了分析圓盤工作傾角對土壤實際擾動情況和驗證理論及仿真分析的正確性進行田間試驗。試驗使用路陽紅404拖拉機為配套動力，選用平均堅實度為840Pa自然板結的地膜覆蓋（4～5）個月田地為試驗地，將圓盤碎土裝置裝配在軋輥式殘膜回收機具上進行試驗。田間對比試驗選取圓盤傾角為 10°、20°、30°、40°為實際工作角度，圓盤工作深度為60mm，機具作業(yè)速度為0．85m/s。

圓盤碎土裝置的主要性能評價指標為土壤擾動及碎土情況。在圓盤以不同工作角度隨機具工作之前隨機選3個取土位置點，在不同位置點處分別取上下兩層一定體積的土壤為碎土前待測定土壤。在圓盤以不同工作角度隨機具工作之后在3個取土位置點附近（錯開之前的取土位置）取等體積的上下兩層破碎土壤為碎土后待測定土壤并利用鋼卷尺測量圓盤碎土寬度。利用鼓風式烘干箱將待測定土壤烘干，使用FA2014N電子天平稱重。取各同種工作角度下上下層平均土壤質(zhì)量根據(jù)式（12）計算圓盤碎土率。

式中：η—碎土率：ml—碎土前位置點土壤平均質(zhì)量；ms—碎土后位置點土壤平均質(zhì)量。

田間試驗圓盤實際碎土擾動情況，如圖7所示。通過稱重測量計算，圓盤碎土裝置工作后的碎土寬度（土壤的X方向）和圓盤碎土裝置的土壤破碎率具體情況，如表2、表3所示。

表2 土壤橫向擾動寬度Tab.2 Lateral Disturbance Width of the Soil

表3 土壤的破碎率Tab.3 The Broken Rate of the Soil

圖 7 不同工作傾角圓盤碎土擾動情況（θ=10°、20°、30°、40°）Fig.7 Soild Crushing in Different Working Angle（θ=10°、20°、30°、40°）

對試驗結果分析，由表2和表3可知，在保持機具作業(yè)速度和圓盤半徑不變的情況下，圓盤的碎土寬度（土壤的X方向）隨著圓盤工作傾角的增大而增大，板結土壤擾動大于深層土壤；圓盤工作傾角越大碎土效果更明顯；當工作傾角為30°時效果最佳。由圖7可以看出，當工作傾角為40°時，圓盤橫向推土，壅土現(xiàn)象出現(xiàn)；在同一圓盤工作傾角下，圓盤橫向擾動成倒三角形，上層板結土壤大于深層土壤的橫向擾動。土壤擾動越大，碎土效果越明顯，對邊膜翻耕越明顯，越有利于機具對邊膜的撿拾。

6 結論

通過對圓盤碎土裝置動力學特性及土壤擾動作用分析，建立圓盤碎土的復合力學模型，進行有限元仿真和田間試驗得到如下結論：（1）圓盤碎土過程中，圓盤主要受力由使土壤產(chǎn)生側向移動的圓盤碎土正壓N和圓盤與土壤之間產(chǎn)生的切向力T組成；圓盤碎土裝置工作過程中，土壤的密度及土壤團粒之間粘結力對圓盤的受力和土壤的擾動有顯著影響。（2）對圓盤碎土裝置以不同工作傾角對土壤的擾動情況進行仿真分析，得出當工作傾角為30°時，橫向擾動最大；對于同一工作角度下土壤的變形分析，上層板結土壤的變形量大于深層土壤的變形量。（3）通過田間對比試驗得出，當圓盤碎土裝置工作傾角為10°、20°、30°時，圓盤碎土效果隨工作傾角的增大而增大，工作傾角為30°時，效果最佳；對圓盤碎土裝置同一工作角度下的土壤擾動（土壤的x方向）分析，土壤擾動隨土壤深度的增加而減小。