基于離散元法的筑埂機(jī)旋耕切削性能研究

劉明勇，劉亞?wèn)|，庫(kù)浩鋒，陳 龍，王 俊，謝柏林

(1. 湖北工業(yè)大學(xué) 農(nóng)機(jī)工程研究設(shè)計(jì)院，武漢 430068；2.湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院，武漢 430068)

0 引言

水田筑埂機(jī)是一種由拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)旋耕集土裝置組成和鎮(zhèn)壓成型裝置的耕耘機(jī)械，能一次完成筑埂成型，具有工作效率高組成、成本低、筑埂堅(jiān)實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水稻種植前的田埂修筑[1-7]。旋耕彎刀是筑埂機(jī)旋耕集土裝置的重要組成部分，旋耕彎刀切削土壤，使土壤顆粒充分破碎，為鎮(zhèn)壓成型裝置完成筑埂作業(yè)做好準(zhǔn)備。旋耕彎刀與土壤的相互作用直接影響著筑埂機(jī)的筑埂質(zhì)量、功率消耗和刀具磨損情況等，研究旋耕彎刀的旋耕切削性能，可為水田筑埂機(jī)械化發(fā)展提供參考。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋耕切削部件的力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究。Miyabe 等[8]將旋耕刀分為彎刀和直刀兩個(gè)部分，分別對(duì)彎刀和直刀部分進(jìn)行阻力分析。Asl等[9]建立了旋耕刀動(dòng)態(tài)和靜態(tài)切土阻力模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)與數(shù)值模擬方法對(duì)切土功耗進(jìn)行分析。丁為民等[10]推導(dǎo)出了旋耕彎刀正切刃動(dòng)態(tài)滑切角方程，并由此進(jìn)一步得到了正、側(cè)切刃滑切角與動(dòng)、靜態(tài)滑切角之間的內(nèi)在關(guān)系。林昌華等[11]采用SPH算法對(duì)旋耕彎刀的切土過(guò)程進(jìn)行仿真，對(duì)旋耕彎刀進(jìn)行優(yōu)化，有效減少了應(yīng)力集中，延長(zhǎng)了使用壽命?，F(xiàn)有的旋耕切削部件主要是基于旋耕機(jī)而進(jìn)行研究，對(duì)筑埂機(jī)上旋耕切削部件研究較少，僅有部分學(xué)者對(duì)筑埂機(jī)上旋耕切削部件進(jìn)行力學(xué)分析。

本文采用離散元法建立旋耕彎刀與土壤接觸的工作模型，分析旋耕彎刀在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)情況下的功耗問(wèn)題，探究旋耕彎刀碎土效果的影響規(guī)律，以期得到旋耕彎刀理想的參數(shù)組合，為降低筑埂機(jī)整機(jī)功耗提供參考。

1 試驗(yàn)因素分析

刀具工作扭矩是評(píng)價(jià)其旋耕作業(yè)性能的重要指標(biāo)，扭矩越大筑埂機(jī)功耗越高。旋耕彎刀結(jié)構(gòu)參數(shù)中，正切面端面刀高、側(cè)切刃包角、彎折角和工作幅寬是影響刀具旋耕切削性能的主要因素[12]。正切面端面刀高的改變可避免刀背對(duì)未耕土壤造成推擠；側(cè)切刃包角的改變會(huì)對(duì)側(cè)切刃的切土性能造成影響，從而影響整機(jī)功耗。在同一工作條件下，增大刀具幅寬，機(jī)具布置的刀片數(shù)量減少，單位幅寬扭矩降低，整機(jī)功耗隨之降低，而刀具彎折角的改變會(huì)影響其切土和拋土性能。對(duì)比不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的刀具扭矩時(shí)，選擇刀具單位幅寬扭矩作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，而對(duì)比同一刀具不同工作參數(shù)時(shí)選擇刀具所受扭矩為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

旋耕刀片按其結(jié)構(gòu)形式分為3種，即彎刀、直角刀和鑿形刀。本文以IT245標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀為研究對(duì)象，其實(shí)體圖及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中：O為刀輥回轉(zhuǎn)中心；R0為側(cè)切刃起始半徑；R為刀輥回轉(zhuǎn)半徑；θ為側(cè)切刃包角；h為正切面端面刀高；β為正切面彎折角；b為刀具工作幅寬。刀具尺寸的不同，其使用性能也不盡相同，在符合農(nóng)藝要求的前提下，刀具正切面端面刀高h(yuǎn)為40～60mm，側(cè)切刃包角θ為22°～32°，彎折角β為120°～140°，刀具的工作幅寬b為40～60mm。

圖1 旋耕彎刀實(shí)體及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

筑埂機(jī)工作時(shí)，旋耕彎刀切削土壤，機(jī)具在驅(qū)動(dòng)力的作用下向前移動(dòng)，刀片受到土壤的反作用力。旋耕彎刀的轉(zhuǎn)速越快，機(jī)具的工作效率越高，但刀具磨損嚴(yán)重，機(jī)具功率消耗也越大；工作深度越深，旋耕彎刀與土壤的接觸面積越大，切削阻力也相應(yīng)增加；機(jī)具的前進(jìn)速度越快，單位時(shí)間內(nèi)刀片受到土壤的反作用力越大，機(jī)具的功率消耗也隨之改變。因此，旋耕彎刀轉(zhuǎn)速、工作深度和機(jī)具的前進(jìn)速度可作為影響筑埂機(jī)功耗的重要試驗(yàn)參數(shù)。參考南方地區(qū)水田種植前的土壤特性和筑埂機(jī)的工作要求，選擇旋耕切削的工作轉(zhuǎn)速為300～500r/min，機(jī)具的前進(jìn)速度為0.3～0.5m/s，工作深度為100～120mm[13]。

2 試驗(yàn)方案的確定

筑埂機(jī)筑埂作業(yè)發(fā)生在水田灌溉之前，工作時(shí)將田塊圍成方格，水稻種植前用水浸沒(méi)土壤，所筑田埂必須滿(mǎn)足農(nóng)藝要求[14]。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可實(shí)行性，將結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)分為兩組進(jìn)行討論。首先探討結(jié)構(gòu)參數(shù)中的試驗(yàn)因素對(duì)單位幅寬扭矩產(chǎn)生的影響，選出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，再將其結(jié)合不同工作參數(shù)進(jìn)行探討，分析不同工作參數(shù)對(duì)刀具扭矩產(chǎn)生的影響，從而得到旋耕彎刀最優(yōu)參數(shù)組合。從節(jié)能和保護(hù)性耕作要求考慮，工作深度在100～120mm之間，在允許范圍內(nèi)選擇其優(yōu)化值，優(yōu)選試驗(yàn)值為100、110、120mm。優(yōu)選筑埂機(jī)旋耕切削的工作轉(zhuǎn)速試驗(yàn)值為300、400、500r/min，機(jī)具前進(jìn)速度試驗(yàn)值為0.3、0.4、0.5m/s。試驗(yàn)用的刀具以IT245旋耕刀為基礎(chǔ)進(jìn)行改裝，試驗(yàn)刀片除結(jié)構(gòu)參數(shù)不同外其它特性均相同。以旋耕彎刀正切面端面刀高、側(cè)切刃包角、正切刃彎折角和工作幅寬作為試驗(yàn)因素進(jìn)行第1組正交試驗(yàn)。因?yàn)榈毒叻鶎挷煌瑸榱诉M(jìn)行有效對(duì)比，以刀具單位幅寬扭矩作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究采用正交試驗(yàn)[15]，選用L9(34)正交表，試驗(yàn)因素與水平如表1所示。刀具最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)選出后，以工作參數(shù)為試驗(yàn)因素，刀具所受扭矩為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)[15]，選用L9(34)正交表，試驗(yàn)因素與水平如表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)因素與水平

表2 工作參數(shù)試驗(yàn)因素與水平

3 離散元模型建立

3.1 土壤模型建立及參數(shù)的確定

土壤特性與筑埂機(jī)筑埂質(zhì)量密切相關(guān)，土壤顆粒間存在特殊粘結(jié)、破碎特性及復(fù)雜的力學(xué)關(guān)系。為保證仿真試驗(yàn)的可靠性，本文主要參考南方地區(qū)水田黏性土壤特性(含水率15%～20%)。通過(guò)篩分法試驗(yàn)，土壤顆粒半徑介于0.5～5mm之間。由于土壤顆粒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)其形狀特性將土壤顆粒簡(jiǎn)化為球狀、團(tuán)狀、桿狀及塊狀等不同形狀，如圖2所示。

圖2 土壤顆粒模型

本研究使用的顆粒接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding 模型[16]，它通過(guò)“粘結(jié)鍵”將顆粒粘接在一起。這種粘結(jié)方式可以承受一定的法向和切向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)使其達(dá)到最大的法向和切向應(yīng)力時(shí)，顆粒間的這種特殊粘結(jié)遭到破壞；此后，顆粒將視作一種剛性球體進(jìn)行接觸求解。顆粒在粘結(jié)形成之前，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的Hertz-Mindlin 接觸模型進(jìn)行接觸求解；粘結(jié)發(fā)生之后，顆粒間力與力矩的比值(F/T)將被設(shè)置為零，并在計(jì)算每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)是對(duì)其比值進(jìn)行更新。當(dāng)法向和切向剪應(yīng)力超過(guò)最大值時(shí)，粘結(jié)遭到破壞，則

(1)

由于土壤具有復(fù)雜的物理特性，選擇好接觸模型后，必須對(duì)土壤顆粒參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，本文主要以南方地區(qū)水田黏性土壤作為研究對(duì)象，通過(guò)參數(shù)標(biāo)定、實(shí)驗(yàn)測(cè)試及大量經(jīng)驗(yàn)公式得到如表3所示的土壤顆粒參數(shù)[17-19]。

表3 仿真試驗(yàn)參數(shù)

3.2 旋耕彎刀工作過(guò)程的仿真分析

利用SolidWorks軟件對(duì)旋耕彎刀進(jìn)行三維實(shí)體建模，將三維模型以.igs格式保存，導(dǎo)入到離散元軟件EDEM中。根據(jù)筑埂機(jī)旋耕切削部件須達(dá)到的使用要求，選擇刀片材料為65Mn,密度為7 850kg/m3，剪切模量為7.9×1010Pa，泊松比為0.3[13]。設(shè)置好仿真時(shí)步、時(shí)間和網(wǎng)格大小，旋耕彎刀的旋耕切削過(guò)程如圖3所示。

圖3 旋耕彎刀切削過(guò)程

圖3(a)中，旋耕彎刀與土壤顆粒未接觸，顆粒沒(méi)有受到擠壓。由圖3(b)、(c)可知：隨著旋耕彎刀的運(yùn)動(dòng)，刀片側(cè)切刃開(kāi)始接觸土壤，由近及遠(yuǎn)對(duì)土壤進(jìn)行切割；隨著時(shí)間的推移，側(cè)切刃對(duì)土壤切割作用不斷增強(qiáng)并對(duì)土壤顆粒形成擠壓，土壤顆粒向刃口兩邊移動(dòng)。由圖3(d)、(e)可知：隨著旋耕彎刀的轉(zhuǎn)動(dòng)，刀片正切刃開(kāi)始切割土壤；旋耕彎刀受到土壤的反作用力不斷增強(qiáng)，土壤顆粒被旋耕彎刀擠壓并向下和正切面內(nèi)側(cè)移動(dòng)，土壤被正切刃逐漸切開(kāi)。由圖3(f)、(h)可知：旋耕彎刀正切面開(kāi)始向后上方移動(dòng)，土壤受到正切面的作用開(kāi)始抬升；隨著刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)，被抬升的土壤在重力的作用下破碎降落，部分顆粒被拋到旋耕彎刀的后側(cè)方。

圖4為旋耕彎刀在一個(gè)工作周期內(nèi)的受力變化圖。由圖4可知：旋耕彎刀從4.47s開(kāi)始接觸土壤一直到4.62s時(shí)，總阻力和水平方向阻力變化曲線(xiàn)相似，在這一過(guò)程中主要由旋耕彎刀側(cè)切刃切割土壤；旋耕彎刀受到的總阻力和水平方向阻力在4.56s時(shí)同時(shí)達(dá)到最大值，最大值分別為441.75、399.9N；旋耕彎刀垂直方向阻力在4.64s時(shí)達(dá)到最大，最大值為286.8N；從4.64s開(kāi)始一直到工作結(jié)束，總阻力與垂直方向阻力變化曲線(xiàn)相似，在這一過(guò)程中主要由旋耕彎刀正切面工作，切削和抬升土壤；側(cè)向力方向與刀片受力方向相反，最大值為103.4N。旋耕彎刀受力變化與圖3描述的旋耕刀切削過(guò)程基本一致。

圖4 旋耕彎刀受力變化圖

4 結(jié)果分析

第1組正交試驗(yàn)以刀具單位幅寬所受到的扭矩為試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。由表4中極差(R)可知：試驗(yàn)因素影響旋耕彎刀單位幅寬扭矩的主次順序?yàn)椋簭澱劢荂、幅寬D、正切面端面刀高A、側(cè)切刃包角B。其中，彎折角、幅寬、正切面端面刀高對(duì)單位幅寬扭矩影響最為明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，影響刀片單位幅寬扭矩的最優(yōu)組合為A1B2C1D3。第2組正交試驗(yàn)以刀旋耕彎刀受到的扭矩為試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表5所示。由表5中極差(R)可知：試驗(yàn)因素影響旋耕彎刀扭矩的主次順序?yàn)椋汗ぷ魃疃菺、工作轉(zhuǎn)速 E、前進(jìn)速度F。試驗(yàn)結(jié)果表明：影響刀片扭矩的最優(yōu)組合為E1F1G1。

表4 單刀結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

表5 單刀工作參數(shù)正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

Table 5 Orthogonal test scheme and result of single tool operation parameters

試驗(yàn)序號(hào)工作轉(zhuǎn)速E/r·min-1前進(jìn)速度F/m·s-1工作深度G/mm扭矩M/N·m111162.52212276.41313382.42421282.0752 23104.98623177.24731382.78832177.399332 91.27K173.7875.7972.38K288.1086.2678.62K383.8183.6490.06 R14.3210.4717.68主次順序G>E>F優(yōu)水平E1、F1、G1優(yōu)組合E1F1G1

4.1 彎折角大小對(duì)土壤破碎情況的影響

在正交試驗(yàn)的最優(yōu)工作參數(shù)下，即工作轉(zhuǎn)速300r/min、前進(jìn)速度0.3m/s、工作深度100mm，以及最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為正切面端面刀高40mm、側(cè)切刃包角27°、幅寬60mm條件下，得到旋耕彎刀不同彎折角與刀片扭矩和破碎顆粒的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 刀片扭矩和破碎顆粒數(shù)隨彎折角大小的變化情況

由圖5可以看出：隨著彎折角的增大，土壤破碎顆粒呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，而刀片所受扭矩逐漸則增大。刀片彎折角為120°時(shí)，土壤破碎顆粒最大，土壤破碎率比140°時(shí)提高了6%，刀片受到的扭矩最小，最小為62.52N·m。這是由于彎折角增大，導(dǎo)致刀片正切面與側(cè)切面之間的切土體積增大，單位體積的切削顆粒數(shù)減小。此時(shí)，刀片在切削過(guò)程中易形成較大塊的土壤，不利于刀片切削充分，且切削功耗升高。因此，刀片彎折角最優(yōu)值為120°。

4.2 幅寬大小對(duì)土壤破碎情況的影響

在工作轉(zhuǎn)速300r/min、前進(jìn)速度0.3m/s，工作深度100mm、正切面端面刀高40mm、側(cè)切刃包角27°及彎折角120°的條件下，得到如圖6所示的不同幅寬與刀片扭矩和破碎顆粒的關(guān)系。

圖6 刀片扭矩和破碎顆粒數(shù)隨幅寬大小的變化情況

由圖6可以看出：隨著幅寬的增大，土壤破碎顆粒和刀片所受扭矩都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，兩者都在50mm時(shí)達(dá)到最大。此時(shí)，土壤破碎顆粒最大，破碎效果最好；但刀片所受扭矩也最大，切削功耗最高。當(dāng)幅寬為60mm時(shí)，刀片所受扭矩最小，最小值為62.52N·m，而破碎顆粒與幅寬為50mm時(shí)相差不大。從能耗的角度考慮，刀片幅寬最優(yōu)值為60mm。

4.3 正切面端面刀高大小對(duì)土壤破碎情況的影響

在工作轉(zhuǎn)速300r/min、前進(jìn)速度0.3m/s、工作深度100mm、側(cè)切刃包角27°，彎折角120°、幅寬60mm的條件下，得到如圖7所示的不同正切面端面刀高與刀片扭矩和破碎顆粒的關(guān)系。

由圖7可以看出：隨著正切面端面刀高的增大，土壤破碎顆粒逐漸增大，刀片所受扭矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在50mm時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)刀片的切削功耗也最大；正切面端面刀高為40mm時(shí)，刀片所受扭矩最小，最小值為62.52N·m，但正切面端面刀高為60mm的土壤破碎率比40mm提高了7.3%，刀片所受扭矩為65.07N·m，而刀片所受扭矩與40mm時(shí)相差不大。因此，正切面端面刀高最優(yōu)值為60mm。

圖7 刀片扭矩和破碎顆粒數(shù)隨正切面端面刀高大小的變化情況

5 結(jié)論

1)利用離散元方法對(duì)筑埂機(jī)旋耕切削性能進(jìn)行研究，采用離散元法構(gòu)建旋耕彎刀—土壤作用模型，同時(shí)對(duì)旋耕彎刀工作時(shí)復(fù)雜的受力情況進(jìn)行分析。將IT245旋耕刀進(jìn)行改裝，分別以旋耕彎刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)為試驗(yàn)因素，單位幅寬扭矩和扭矩為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行兩組正交試驗(yàn)。

2)利用離散元EDEM軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果表明：第1組正交試驗(yàn)中，影響旋耕彎刀單位幅寬扭矩的主次順序?yàn)閺澱劢荂、幅寬D、正切面端面刀高A、側(cè)切刃包角B；第2組正交試驗(yàn)中，影響旋耕彎刀扭矩的主次順序?yàn)楣ぷ魃疃菺、工作轉(zhuǎn)速 E、前進(jìn)速度F。通過(guò)極差分析，得到影響旋耕彎刀功耗的3種主要工作參數(shù)，并探究其對(duì)旋耕彎刀碎土效果的影響規(guī)律。綜合分析得到旋耕彎刀最優(yōu)參數(shù)組合為：正切面端面刀高60mm，側(cè)切刃包角27°，彎折角120°，幅寬60mm，工作轉(zhuǎn)速300r/min，前進(jìn)速度0.3m/s，工作深度100mm。