基于離散元法的覆土圓盤工作參數(shù)優(yōu)選與分析

田東洋，劉姣娣，焦灝博

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

覆土圓盤作為覆土機構(gòu)上的一部分廣泛應(yīng)用于鋪膜、播種機械上。例如，使用較為廣泛的滾輪式[1]、滾筒式[2]、旋耕式[3]、刮板升運帶式覆土機構(gòu)[4]，它們都需對土壤進行運輸以覆蓋種子、地膜或者移栽后的秧苗，且覆土圓盤在覆土機構(gòu)中起著重要作用，為輸送機構(gòu)提供足量的土壤。為減少能耗、合理調(diào)整覆土圓盤的供土量即對土壤的擾動量，有必要對覆土圓盤與土壤的交互作用過程進行研究。

建立精確的土壤與工具的交互模型是極其重要的，其不必進行昂貴的田間試驗且不受時令季節(jié)的限制[5]。由于土壤結(jié)構(gòu)的易變性和土壤所表現(xiàn)出來的非線性力學(xué)性能，使得土壤與耕具交互作用的分析變得復(fù)雜。離散元法相對于解析法[6]、經(jīng)驗法[7]、數(shù)值分析法[8]而言，在精確預(yù)測耕作阻力和土壤變形方面更具優(yōu)勢,也廣泛應(yīng)用于農(nóng)具設(shè)計等方面的研究。

為得到精確的仿真結(jié)果，選擇合適的土壤顆粒接觸模型和接觸參數(shù)非常重要[9]。試驗用土壤含沙量較大，含水率低。Ucgul et al. (2014)[9]研究也表明：Hertze-Mindlin接觸模型假定顆粒之間的接觸為非線性塑性變形，常用于耕作土壤中的研究。仿真中如實反映土壤顆粒的大小，則仿真量將會非常龐大，為了減少仿真量，Ucgul et al提供了一種用于確定離散元參數(shù)的方法，它允許使用較大的顆粒以代替實際的土壤顆粒但仍能夠提供較為精確的預(yù)測。本研究的目的是使用Hertze-Mindlin接觸模型和離散元參數(shù)確定的方法與半徑為5mm的沙子顆粒來研究覆土圓盤工作參數(shù)對耕作阻力和質(zhì)量流率的影響，得到一個理論上的預(yù)測模型，用以指導(dǎo)覆土圓盤在工作過程中的參數(shù)調(diào)整與覆土機構(gòu)的設(shè)計。

1 土壤-覆土圓盤交互模型的構(gòu)建

如圖1所示：覆土圓盤是精密播種機械的重要裝置之一，也用于鋪膜移栽機械上對移栽后的缽苗進行覆土與對地膜側(cè)邊進行覆土，最基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為覆土圓盤直徑R。覆土圓盤工作參數(shù)有：與水平地面的傾角β、與工作中前進方向的偏角α、深度h及前進速度ν。仿真模型中取一常用覆土圓盤直徑R=26cm，覆土圓盤三維模型用SolidWorks2014繪制，以.x.t格式保存，以便導(dǎo)入EDEM2017軟件中。其工作參數(shù)取β=0°，α按0°～50°選取，h取6c～10cm，ν取1～5km/h。

仿真中，覆土圓盤對所切削土壤土方大小有所要求，土方長、寬、高可依計算機計算能力適當(dāng)縮小尺寸，但不應(yīng)小于覆土圓盤工作參數(shù)調(diào)整范圍內(nèi)所涉及尺寸的大小。如本例當(dāng)中覆土圓盤寬度最大調(diào)整值在26cm左右，深度最大值達到10cm，工作中前進方向上的長度不應(yīng)小于覆土圓盤穩(wěn)定工作時的最低長度(可做模擬試驗測得)。為避免土方邊角對覆土圓盤與沙粒土壤交互作用的影響，取土方長、寬、高分別為100、30、20cm。實際操作中，土方尺寸與仿真所用土壤顆粒的數(shù)量往往不能直接確定下來，需先做幾次小型模擬試驗，依計算機性能與土壤物性參數(shù)而定，尤其依賴于計算機計算能力[10]。試驗最終確定土方尺寸長、寬、高分別為100、30、16cm，土方生成顆粒數(shù)量為73 598顆，用46.6s的時間生成(EDEM2017軟件中)，生成速率1 600顆/s。

圖1 模型參數(shù)示意圖

覆土圓盤與土方的相對位置在SolidWorks2014中進行確定與調(diào)整，其依靠的是事先建立的土方盒子模型，長、寬、高為100.4cm、30.4、20.2cm，壁厚0.2cm。如圖2所示：覆土圓盤與土方的相對起始位置，為探究覆土圓盤工作參數(shù)對土壤擾動量的影響與覆土圓盤的受力，在覆土圓盤工作參數(shù)范圍內(nèi)，調(diào)整其α角為20°、30°、40°、50°，h為6、8、10cm。仿真中，通過給定覆土圓盤的運動參數(shù)，覆土圓盤對土壤進行切削，EDEM2017軟件記錄覆土圓盤對土壤的擾動情況和覆土圓盤的受力情況。

圖2 三維模型交互圖

2 土壤顆粒模型構(gòu)建與參數(shù)確定

2.1 試驗用土壤粒徑分布與顆粒建模

試驗土壤取樣來自于新疆石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院試驗用地，從中國土壤數(shù)據(jù)庫中查得石河子該區(qū)域主要有7種土壤，分別是鹽漠鈣土、輕堿漠鈣土、粘裂土、黃漠沙土、定漠沙土、下潮灰粘土及粘底二潮黃土，在0～30cm的土壤層內(nèi)土壤顆粒粒徑在0.002～0.2mm之間的居多數(shù)，在土壤顆粒分級制度上屬沙粒和粉粒。理想土壤是越細碎越好，即土壤可用沙子替代，粒子直徑過小會極大增加計算機運算量，本仿真中取土壤顆粒為半徑5mm的球體。

2.2 土壤參數(shù)與接觸參數(shù)的確定

EDEM軟件中參數(shù)有兩類：一類是材料本身的參數(shù)，如密度、泊松比、剪切模量；另一類是接觸參數(shù)，如碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動摩擦因數(shù)。對于沙粒土壤與材料為鋼鐵的覆土圓盤交互，本研究的參數(shù)選取與確定方法詳見于Ucgul[11]等，表1中列出了從文獻中獲得和試驗測得的參數(shù)。仿真中，用Hertz-Mindlin 接觸模型(在力的計算方面精確且高效)來研究覆土圓盤偏角與深度對土壤擾動量與耕作阻力的影響。土壤密度選用理想密度2 600kg/m3。

表1 仿真中所用離散元參數(shù)

3 覆土圓盤偏角、深度與速度對土壤擾動量與耕作阻力的影響

3.1 試驗方法

給定覆土圓盤速度1、3、5km/h，做全因子組合試驗，每組重復(fù)一次,試驗組數(shù)為72組，如表2所示。

表2 試驗方案與試驗結(jié)果

續(xù)表2

在生成土方后，通過在SolidWorks2014中改變覆土圓盤的工作參數(shù)即與土方的相對位置，再導(dǎo)入至EDEM2017中運行，實現(xiàn)不同的參數(shù)組合試驗。試驗結(jié)果為覆土圓盤在其運動方向上所受的阻力與覆土圓盤對土壤顆粒造成的質(zhì)量流率(通過EDEM2017中mass flow sensor測得)。其測量位置有兩個：一個是對整個土方測量；另一個是從土方上表面以上測量，該測量方式假定土壤流動的主要部分集中在土方上表面以上。

3.2 數(shù)據(jù)處理

覆土圓盤整個運行過程從46.6s開始至51.0s結(jié)束，在改變每組中覆土圓盤的參數(shù)后，每組試驗的起始運行時間之差不超過0.1s，運行過程中數(shù)據(jù)每隔0.1s記錄一次。每組最終試驗數(shù)據(jù)均以均值處理。由于速度的調(diào)整可以在EDEM2017中完成，實際的覆土圓盤位置即偏角和深度組合有12種，覆土圓盤運行起始點有12個，起始點時間之差由人為控制在0.1s之內(nèi)。起始位置確定，起始時間點確定，試驗可重復(fù)進行，試驗結(jié)果如表2所示。利用Minitab 16軟件對表中的數(shù)據(jù)進行處理。

3.3 工作參數(shù)對耕作阻力的影響

在Minitab 16中，通過統(tǒng)計分析得到力的主效應(yīng)圖和交互作用圖。圖3中顯示，差異性比較：深度主效應(yīng)>偏角主效應(yīng)>速度主效應(yīng)，即深度斜率的絕對值大于偏角斜率的絕對值大于速度斜率的絕對值。 由于

力為望小值(越小越好)，故深度為6cm、偏角為20°、速度為1km/h覆土圓盤所受阻力最小。圖4顯示，偏角、深度、速度相互作用存在。由速度與深度的交互作用可知：不論深度是在6、8cm或者10cm，速度1km/h下覆土圓盤所受阻力總是小于速度5km/h；但是，在1km/h速度下深度設(shè)定在6cm比深度設(shè)定在8cm所受阻力更小。

經(jīng)過回歸統(tǒng)計分析，得到力的廣義回歸模型為

F=47.24-1.94α-5.12h-20.09ν+

0.33αh+0.34αν+2.38hν

由圖5力殘差圖中可以看出：該模型較能很好地反映偏角、深度、速度與覆土圓盤前進方向上所受阻力的關(guān)系?；貧w統(tǒng)計分析結(jié)果如表3所示。

圖3 力主效應(yīng)圖

圖4 力交互作用圖

圖5 力的殘差圖

來源自由度Seq SSAdj SSAdj MSFP回歸695166.795166.715861.11394.040.0000000偏角127809.91196.51196.5105.160.0000000深度136245.4355.6355.631.250.0000005速度122732.92227.52227.5195.780.0000000偏角*深度12690.12690.12690.1236.440.0000000深度*速度12904.72904.72904.7255.290.0000000偏角*速度12783.62783.62783.6244.650.0000000誤差65739.6739.611.4失擬29739.6739.625.5純誤差360.00.00.0合計7195906.2

3.4 工作參數(shù)對質(zhì)量流率的影響

質(zhì)量流率的主效應(yīng)圖和交互作用圖如圖6和圖7所示。圖6顯示，差異性比較：速度主效應(yīng)>偏角主效應(yīng)>深度主效應(yīng)。由于質(zhì)量流率為望大值(越大越好)，故速度為5km/h、偏角為50°、深度為10cm覆土圓盤所擾動的土壤量最大。圖7顯示：速度與深度、速度與偏角的相互作用顯著存在，不論深度是在6cm、8cm或者10cm，還是偏角在20°、30°、40°或者50°速度5km/h下的質(zhì)量流率總是大于1km/h；但在速度5km/h下，深度設(shè)定在10cm比6cm有明顯的質(zhì)量流率變化，偏角設(shè)定在50°比20°有明顯的質(zhì)量流率變化。

圖6 質(zhì)量流率主效應(yīng)圖

在Minitab 16中，通過廣義回歸分析，得到質(zhì)量流率的廣義回歸模型為

mq=5.41-0.14α-0.63h-1.54ν+

0.01αh+0.02αν+0.14hν

通過該模型殘差圖圖8分析可知：該模型基本上能反映質(zhì)量與偏角、深度、速度三者之間的關(guān)系。其回歸統(tǒng)計分析結(jié)果如表4所示。

圖7 質(zhì)量流率交互作用圖

圖8 質(zhì)量流率殘差圖

來源自由度Seq SSAdj SSAdj MSFP回歸6123.978123.97820.6630168.8870.0000000偏角129.0535.8715.871347.9890.0000000

續(xù)表4

3.5 工作參數(shù)優(yōu)選

農(nóng)業(yè)耕作在追求低能耗高效的前景下，耕具用最少的能耗對土壤造成盡可能大的切削和擾動成為耕具設(shè)計和工作參數(shù)調(diào)整所追求的目標[14]。通過軟件對測定數(shù)據(jù)分析可知：覆土圓盤偏角為40°、深度6cm、速度5km/h，覆土圓盤在前進方向所受阻力為58.84N，質(zhì)量流率達到1.65kg/s。

4 結(jié)論

1) 通過仿真試驗研究，確定了覆土圓盤在前進方向所受阻力、質(zhì)量流率與工作參數(shù)之間的關(guān)系。在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，影響覆土圓盤耕作阻力的因素大小依次為深度、偏角、速度；影響質(zhì)量流率的因素大小依次為速度、偏角、深度。

2) 覆土圓盤的工作參數(shù)顯著影響覆土圓盤所受阻力、土壤質(zhì)量流率，調(diào)整范圍內(nèi)存在最優(yōu)值。在覆土圓盤偏角為40°、深度6cm、速度5km/h時，覆土圓盤在前進方向所受阻力為58.84N，質(zhì)量流率達到1.65kg/s。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0016-EA