葡萄深施有機(jī)肥開溝裝置設(shè)計及仿真

馬 晨，蒙賀偉，坎 雜，戚江濤，王麗紅，孫興祚

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)機(jī)械重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引言

葡萄深施有機(jī)肥是提高葡萄產(chǎn)量、提升果品品質(zhì)的有效途徑，目前主要依靠人工，存在著勞動強(qiáng)度大、工作效率低等突出問題，已成為制約葡萄產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展的重要因素[1]。因此，亟需開展葡萄深施有機(jī)肥開溝機(jī)械的研究。

調(diào)研顯示，新疆葡萄種植行距普遍為2.5～4m。根據(jù)有機(jī)肥施加作業(yè)要求，其開溝寬度不得低于25cm，深度不得低于50cm[2-4]。常用的鏵式犁開溝、圓盤式開溝和鏈?zhǔn)介_溝等裝置中，圓盤式開溝以其牽引阻力小、工作效率高、開溝深度大、與施肥裝置易于配合及結(jié)構(gòu)尺寸小等優(yōu)點成為主流[5]。目前，針對圓盤式開溝作業(yè)技術(shù)開展研究的主要有：Guntert & Zimmerman公司生產(chǎn)的用于大型水建工程圓盤式開溝機(jī)[6]，最大開溝深度245cm,寬度185cm；美國US DTTCHER生產(chǎn)DERENAG-50-70-100/120圓盤式開溝機(jī)[7]，適用于多種地形，最大開溝深度為100cm。羅海峰[8]等根據(jù)現(xiàn)有小型東風(fēng)-12型手扶拖拉機(jī)進(jìn)行改裝，選用彎刀ⅡS245安裝在旋耕刀軸上，完成開溝、施肥與埋土等作業(yè)。馬占新[9]等人根據(jù)北方葡萄園的栽培要求，研制生產(chǎn)了以正轉(zhuǎn)旋耕方式工作、配套功率為36.8kW的1K-40型葡萄施肥開溝機(jī)。

在對開溝裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，相關(guān)研究人員利用仿真軟件對圓盤式開溝裝置進(jìn)行了運動仿真與優(yōu)化分析。張琦、王偉等[10]人利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對雙圓盤式自走型開溝施肥機(jī)刀盤上的旋耕彎刀切削土壤過程進(jìn)行了動態(tài)模擬仿真分析。毛艷輝、宋建農(nóng)[11]等人為了改善圓盤式開溝機(jī)的振動性能，利用MatLab軟件建立開溝機(jī)動力學(xué)振動模型進(jìn)行仿真分析?？到鳌⒗顦渚齕12]等人根據(jù)果園種植現(xiàn)狀來探究土壤物理性能和工作參數(shù)的變化對圓盤式開溝機(jī)的工作效率影響規(guī)律，利用ANSYS軟件中的LS-DYNA動力模塊探究開溝彎刀在切削土壤時的功率消耗變化規(guī)律。

本文在以上研究基礎(chǔ)上，基于新疆土壤特性與葡萄種植模式，結(jié)合現(xiàn)有直刀與彎刀結(jié)構(gòu)特點，對開溝裝置進(jìn)行了設(shè)計。在完成開溝裝置設(shè)計與土壤參數(shù)測定的基礎(chǔ)上，利用離散元仿真軟件建立了土壤顆粒模型、土壤—開溝裝置交互模型，仿真分析了前進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速及刀具組合對開溝作業(yè)功耗的影響，探究了開溝裝置各參數(shù)對作業(yè)功耗的影響，旨在為深施有機(jī)肥開溝裝置的設(shè)計提供參考。

1 開溝裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 開溝裝置

葡萄深施有機(jī)肥開溝裝置主要由刀盤、開溝刀、牽引架、橫梁、導(dǎo)流罩總成、刀盤驅(qū)動機(jī)構(gòu)、縱梁及清溝犁部分組成，如圖1所示。其中，刀具采用依次間隔螺旋排列形式。

1.刀盤 2.開溝刀 3.牽引架 4.橫梁 5.導(dǎo)流罩總成 6.刀盤驅(qū)動機(jī)構(gòu) 7.縱梁 8.清溝犁

1.2 工作原理

裝置由拖拉機(jī)后輸出軸驅(qū)動。工作過程中，啟動牽引拖拉機(jī)，利用拖拉機(jī)液壓操作手柄將刀盤總成底部調(diào)整至距地面約10cm后，啟動刀盤驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動刀盤轉(zhuǎn)動；當(dāng)?shù)侗P總成轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值時，液壓系統(tǒng)控制開溝裝置作業(yè)直至達(dá)到所需開溝深度，此時開溝刀與土壤接觸進(jìn)行開溝作業(yè)，開溝刀A、B(見圖2)依次循環(huán)逐段切削土壤，被切削的土壤拋撒至導(dǎo)流罩總成內(nèi)側(cè)，并導(dǎo)流已開溝的內(nèi)側(cè)；通過機(jī)架后方清溝犁對回流至溝內(nèi)的土壤進(jìn)行二次清理，完成開溝作業(yè)。

圖2 刀盤總成

2 開溝裝置參數(shù)設(shè)計

2.1 刀盤直徑的選擇

根據(jù)《農(nóng)機(jī)設(shè)計手冊》[13]，設(shè)計刀盤直徑D1為

D1=(1.25～1.45)H

(1)

式中H—開溝深度(m)。

根據(jù)葡萄深施有機(jī)肥開溝深度為0.55～0.6m，確定刀盤直徑為D1=1.33×0.55=0.73m，刀盤回轉(zhuǎn)直徑設(shè)計為1.2m。為減小刀盤質(zhì)量，將開溝刀盤加工成圓環(huán)狀,內(nèi)環(huán)直徑D2=0.45m。

2.2 刀具排列形式的設(shè)計

目前，現(xiàn)有彎刀和直角刀具結(jié)構(gòu)僅適應(yīng)作業(yè)深度小于25cm的溝渠，且開溝深度大于25cm存在功率消耗大、開溝深度不穩(wěn)定等問題，不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)能減阻及葡萄施肥農(nóng)藝的要求。本文在現(xiàn)有彎刀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于新疆土壤特性與葡萄種植模式，對刀具厚度、折彎角度及彎曲半徑等進(jìn)行設(shè)計。為降低開溝作業(yè)的功率消耗，提高開溝質(zhì)量，設(shè)計了一種螺旋型非連續(xù)均布刀具。

現(xiàn)有圓盤式開溝裝置一般采用刀具均勻安裝方式，在此基礎(chǔ)上基于新疆土壤特性及葡萄施肥農(nóng)藝要求采用分段切削式開溝機(jī)構(gòu)。該部件由刀盤、開溝刀A、開溝刀B組成，如圖2所示。

開溝刀具A、B依次間隔螺旋排列(即A-B-A-B-…)。在切削土壤過程中，刀A、B依次對一定寬度的土壤進(jìn)行切削加工，將這兩把刀置于同一水平面排列時，刀具排列示意圖如圖3所示。刀具依次完成a、b段的開溝切削寬度(兩段之和與開溝要求工作幅寬相等)，從而實現(xiàn)每把開溝刀具對土壤進(jìn)行分段切削加工，以達(dá)到所需工作幅寬，通過合理布置開溝刀具，保證每把刀具均對土壤進(jìn)行1次切削加工。

圖3 開溝刀同一水平排列示意圖

2.3 螺旋型非連續(xù)均布刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

開溝刀具主要由正切刃、側(cè)切刃及拋土板組成?；谄咸焉钍┯袡C(jī)肥農(nóng)藝要求，通過分析確定開溝刀具回轉(zhuǎn)半徑R、彎折角α、正切面刃角i及彎曲半徑r等結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖4所示。

1)回轉(zhuǎn)半徑R。刀具的回轉(zhuǎn)半徑主要根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的溝深進(jìn)行確定，在開溝深度和前進(jìn)速度一定的情況下，應(yīng)盡量選擇較大的回轉(zhuǎn)半徑。本設(shè)計選擇R=600 mm。

2)彎折角α，即正切面與刀刃口至刀輥中心連線間的夾角。彎折角過小，會使得正切刃切土角過大，增加切土阻力和功耗；彎折角過大，會使得外磨刀擠壓未耕土壤，刀具受力相應(yīng)增加，降低刀具使用壽命。本設(shè)計選擇α=40°～90°。

3)正切面刃角i。i越小，開溝刀具越鋒利，功率消耗越小；但若過小，則刀具使用壽命降低。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊及開溝作業(yè)要求，本設(shè)計選擇i=15°。

4)彎曲半徑r。彎曲半徑太小，工作時彎折圓弧處容易粘土，會降低開溝刀具在彎曲處的強(qiáng)度，縮短使用壽命；但是彎曲半徑過大，會使作業(yè)后溝底的不平度增大，功率消耗也會增大。本設(shè)計選擇r=50mm。

5)切土角β。若切土角增大，則開溝阻力增大，碎土作用減小；但若切土角過小，則刀易纏繞根系，降低作業(yè)質(zhì)量。本設(shè)計選擇β=130°～180°。

6)工作幅寬b。增大幅寬，可以減少刀輥上的刀具數(shù)量；但幅寬過大，則影響刀具的剛度個碎土質(zhì)量。本設(shè)計選擇b=90～190mm。

圖4 開溝刀具結(jié)構(gòu)簡圖

3 土壤-開溝裝置模型的構(gòu)建

3.1 開溝裝置有限元模型

刀盤總成是深施有機(jī)肥開溝裝置的重要部件之一，由刀盤與開溝刀具組成。本文在仿真時對影響仿真效率的機(jī)架、導(dǎo)流罩、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等部件進(jìn)行了簡化，忽略了螺栓、墊片及螺母等連接零件。開溝刀盤三維模型采用SolidWorks2016軟件繪制，并以.igs格式保存導(dǎo)入EDEM2017軟件中。結(jié)構(gòu)參數(shù)選取如下：刀盤直徑D=1 200mm，彎折角α=40°～90°，切土角β=130°～180°，彎曲半徑r=50mm，正切面刃角i=15°，工作幅寬b=90～190mm。

3.2 土壤顆粒模型

試驗所用土壤取樣來自新疆石河子市五工村，使用SC900土壤堅實度儀測得土壤深度40cm處平均堅實度為2.16MPa,TDR300土壤水分儀測得土壤平均含水率為10.64%。針對此數(shù)據(jù)，查閱中國土壤數(shù)據(jù)庫得出所選土壤為灰漠黃土，0～50cm的土壤層質(zhì)地為重壤、塊狀結(jié)構(gòu)、堅實度較大。在此基礎(chǔ)上設(shè)立4個土壤顆粒模型：單球顆粒、雙球顆粒、三角球顆粒及水平三球顆粒。顆粒直徑過小會增加計算機(jī)運算量[14]，因此取土壤物理半徑為10mm。

為了準(zhǔn)確模擬土壤顆粒在機(jī)械作用下的機(jī)械受力情況，根據(jù)試驗土壤類型選用Hysteretic Spring接觸模型。顆粒性質(zhì)預(yù)定義為彈性變形，當(dāng)超過某一個應(yīng)力值時顆粒性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?。顆粒性質(zhì)在未用力過度情況下達(dá)到大的重疊量，從而表達(dá)顆粒材料的壓縮性能。Hysteretic Spring 法向力計算是依據(jù)Walton-Braun理論，卸荷力在位移恢復(fù)到初始接觸點之前變?yōu)?。每個舊的接觸點準(zhǔn)確位置不被“記住”，從而顆粒一旦分離就會變得像新的未變形球體。隨后的接觸將以斜率K1加載，顆粒分離前的任何重新加載都以斜率K2加載，沿此斜率直到達(dá)到原始加載斜線K1，如圖5所示。

圖5 Hysteretic Spring 接觸力模型力-位移關(guān)系原理圖

force displacement relationship

法向力FN的計算公式為

(4)

(5)

式中K1、K2—分別為加載和卸載剛度；

δn—法向重疊量；

δo—殘余重疊量。

3.3 土壤—刀盤模型

在建立土壤-刀盤模型時，考慮刀盤切削方式與邊界條件處理要求，土壤仿真模型設(shè)定為1 500mm×2 000mm×600mm的去蓋長方體，生成1.8×106個土壤顆粒來模擬開溝切削土壤環(huán)境，定義刀盤與試驗一致的前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速。土壤-刀盤的交互作用模型如圖6所示。

圖6 土壤-刀盤相互作用模型

EDEM仿真參數(shù)分為材料參數(shù)與接觸參數(shù)。本仿真材料參數(shù)包括土壤、刀盤密度、泊松比、剪切模量；接觸參數(shù)包括土壤之間、土壤與刀盤之間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)及滾動摩擦因數(shù)。本研究采用試驗測定與參考文獻(xiàn)[15-19]兩者結(jié)合的方式來確定仿真所需參數(shù)。試驗設(shè)置時間步長為1×10-6s，仿真主要參數(shù)取值如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

4 切削土壤過程仿真與分析

4.1 試驗方案設(shè)定

為研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)對開溝刀盤功率消耗的變化規(guī)律，試驗分別選取前進(jìn)速度(工作參數(shù))、刀盤轉(zhuǎn)速(工作參數(shù))和3組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的刀具(結(jié)構(gòu)參數(shù))作為考察因素，選取功耗作為評價指標(biāo)。功耗計算公式

(6)

式中P—切削過程中功率消耗(kW)；

T—動力輸出扭矩(N·m)；

n—刀盤轉(zhuǎn)速(r/min)。

采用響應(yīng)曲面試驗方法設(shè)計試驗，分析針對刀具不同結(jié)構(gòu)參數(shù)及前進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速對開溝工作功耗情況的影響。刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)葡萄地開溝施肥農(nóng)藝要求與實際生產(chǎn)水平，采用響應(yīng)曲面試驗方法，將3個因素分別取3個水平，進(jìn)行仿真分析。因素水平表如表3所示。

表3 仿真因素水平表

4.2 切削仿真過程

結(jié)合切削仿真模型的坐標(biāo)系，將刀盤的工作情況做以下說明：刀盤是以X負(fù)方向前進(jìn)，逆時針切削土壤，如圖7所示。刀盤逆時針旋轉(zhuǎn)切削土槽，開溝刀正切刃與土壤接觸，開溝刀側(cè)切刃斜上方擠壓土壤，切土角進(jìn)行破碎土壤，被切削土壤隨著開溝刀逆時針旋轉(zhuǎn)拋撒，并隨著拋土板向兩側(cè)拋出，如圖8所示。開溝刀為A、B兩種刀，依次間隔螺旋分段切削土壤，完成開溝農(nóng)藝要求工作幅寬。由圖8可看出：被切削土壤充分破碎，并有沿開溝刀運動趨勢。這表明，在實際作業(yè)中開溝刀對土壤有拋撒作用。因受本試驗研究限制，簡化影響仿真效率的導(dǎo)流罩等部件，所以仿真時土壤回流較為嚴(yán)重。

圖7 刀盤切削工作圖

圖8 切削拋撒圖

4.3 仿真結(jié)果與分析

4.3.1 回歸分析

仿真分析方案及結(jié)果如表4所示。

表4 仿真方案及結(jié)果

Table 4 The results of simulation

試驗號試驗因素前進(jìn)速度X1/m·h-1刀盤轉(zhuǎn)速X2/r·min-1刀盤組合X3試驗指標(biāo)作業(yè)功耗Y/kW1800.00110.00B18.3921150.00110.00B23.323800.00130.00B26.0141500.00150.00B35.35800.00130.00A25.6261500.00130.00A41.637800.00130.00C40.0581500.00130.00C49.491150.00110.00A24.69101150.00150.00A33.17111150.00110.00C36.19121150.00150.00C28.29131150.00130.00B27.1141150.00130.00B31.46151150.00130.00B36.11161150.00130.00B30.56171150.00130.00B32.7

為了進(jìn)一步判斷各因素水平對功耗影響顯著性，應(yīng)用Design-expert軟件[20-21]對表4試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析及方差分析，得到各試驗因素對開溝功耗影響的編碼參數(shù)回歸方程為

Y=31.59+6.81X1+0.66X2-3.60X3+

1.63X1X2+1.67X1X3+4.09X2X3+

1.13X12-7.51X22+6.48X32

(7)

性能指標(biāo)的方差分析如表5所示。由表5可知：Model的P值為顯著，失擬項不顯著。這說明，各因素對開溝作業(yè)功耗的影響顯著，且建立的模型與實際符合。模型擬合度系數(shù)為R=0.971，說明回歸模型與仿真試驗結(jié)果擬合程度較好，可用于預(yù)測開溝過程中作業(yè)功耗的變化情況。由表5還可以看出：X1、X3、X2X3、X2X2項對開溝作業(yè)功耗影響顯著，X2、X1X2、X1X2、X3X2對開溝作業(yè)功耗影響不顯著。因此，根據(jù)各因素對開溝作業(yè)功耗的方差分析，將不顯著項剔除，則

Y=31.59+6.81X1-3.60X3+1.67X1X3+

(8)

表5 性能指標(biāo)的方差分析

P≤0.01為極顯著，標(biāo)記為**；0.010.05為不顯著，標(biāo)記為—。

4.3.2 響應(yīng)曲面分析

根據(jù)開溝作業(yè)功耗回歸方程作出響應(yīng)曲面，如圖9所示。各因素中，刀盤轉(zhuǎn)速與前進(jìn)速度對作業(yè)功耗的影響最大。當(dāng)?shù)侗P組合為C時，隨著刀盤轉(zhuǎn)速與前進(jìn)速度的增加，開溝作業(yè)功耗逐漸增加；當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速小于130r/min時，刀盤轉(zhuǎn)速對開溝作業(yè)功耗的影響較大；當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速為130r/min、前進(jìn)速度為1 150m/h時，刀盤轉(zhuǎn)速與前進(jìn)速度對開溝作業(yè)功耗的影響最大；當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速大于130r/min 、前進(jìn)速度大于1 150m/h時，對開溝作業(yè)功耗的影響較小。由等高線圖可看出，刀盤轉(zhuǎn)速與前進(jìn)速度之間存在非線性關(guān)系。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速110r/min

圖9 刀盤轉(zhuǎn)速與前進(jìn)速度對開溝作業(yè)功耗影響

4.3.3 參數(shù)優(yōu)化

為得到最佳的試驗因素水平，對試驗因素進(jìn)行優(yōu)化，建立前進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤組合的參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。結(jié)合試驗因素邊界條件，對回歸模型進(jìn)行分析，得到數(shù)學(xué)模型為

在農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)最求低能耗高效率的要求下，利用Design-Expert軟件所提供的Optimization功能，以盡可能達(dá)到開溝機(jī)械作業(yè)指標(biāo)的深度且開溝作業(yè)功耗較小為需求目標(biāo)，獲得最佳影響因素參數(shù)組合：當(dāng)前進(jìn)速度為801m/h、刀盤轉(zhuǎn)速為111r/min、刀盤組合為C時，開溝作業(yè)功耗為17kW。

5 結(jié)論

1)根據(jù)新疆土壤特性及葡萄種植模式，設(shè)計了一種葡萄深施有機(jī)肥開溝裝置。該裝置能夠有效地完成葡萄深施有機(jī)肥開溝作業(yè)，實現(xiàn)了新疆葡萄開溝作業(yè)的機(jī)械化。

2)利用離散元仿真軟件建立了土壤-開溝裝置交互模型，通過仿真確立了開溝作業(yè)功耗與試驗因素間的數(shù)學(xué)模型，并分析了前進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤組合對開溝作業(yè)功耗的影響規(guī)律。

3)仿真試驗優(yōu)化表明：當(dāng)前進(jìn)速度為801m/h、刀盤轉(zhuǎn)速為111r/min、刀盤組合為C時，開溝作業(yè)功耗為17kW。