斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土仿真及試驗

高建民，劉興達，齊惠冬，I. A. Lakhiar

斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土仿真及試驗

高建民，劉興達，齊惠冬，I. A. Lakhiar

（江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，鎮(zhèn)江 212013）

斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕是一種新的旋耕方式，研究其拋土機理對于優(yōu)化設(shè)計斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕機有重要意義。該文在LS-DYNA平臺上建立了斜置逆轉(zhuǎn)旋耕拋土SPH（smoothed particle hydrodynamics，即光滑粒子流體動力學方法）仿真模型，通過該模型對不同工況下的斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土模擬仿真，得出了不同參數(shù)條件下斜置逆轉(zhuǎn)旋耕時不同層的后拋土率，將相同條件下仿真得到的不同層的后拋土率和室內(nèi)土槽試驗得到的不同層的后拋土率進行了對比分析，驗證結(jié)果表明，最大仿真誤差為12.50%，最小仿真誤差為0.20%，平均誤差為3.09%。應用校正的仿真模型，以斜置角、前進速度、潛土深度以及刀輥轉(zhuǎn)速作為試驗的4個因素，并對每個因素取3個水平，以后拋土率為試驗指標，進行了斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土虛擬正交試驗。采用極差分析法、方差分析法以及回歸分析法對試驗結(jié)果進行了分析，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，影響后拋土率的主次順序依次為潛土深度、斜置角、前進速度和刀輥轉(zhuǎn)速，后兩者對后拋土率影響不顯著，并且得出了潛土深度、斜置角與后拋土率的數(shù)學關(guān)系模型。根據(jù)虛擬試驗結(jié)果優(yōu)化了斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕機物理樣機并且進行了田間試驗，田間試驗結(jié)果表明，斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕成功解決了旋耕機支架和中央傳動箱體潛土的難題，并且用R175標準旋耕刀達到了20 cm的耕深，實現(xiàn)了短刀大深耕。

農(nóng)業(yè)機械；設(shè)計；試驗；逆轉(zhuǎn)旋耕；拋土；正交

0 引 言

深旋耕是目前耕作機械研究領(lǐng)域的一個熱點和難點問題。國內(nèi)外學者對深旋耕技術(shù)和理論進行了大量的探索。目前主要通過以下3種方式實現(xiàn)深旋耕：1）直接通過加大刀輥直徑來增大耕深[1]；2）雙軸分層旋耕，通過前后設(shè)置2排刀輥，使前面的刀輥進行初次旋耕，再通過后面的刀輥再次旋耕實現(xiàn)深耕[2-3]；3）潛土逆轉(zhuǎn)旋耕，即通過刀軸沉入地表以下實現(xiàn)深耕[4]。夏曉東等根據(jù)土壤力學理論以及相關(guān)旋耕機設(shè)計理論和經(jīng)驗，通過適當增大旋耕機刀輥直徑研發(fā)設(shè)計出中間傳動的大耕深臥式正轉(zhuǎn)旋耕機。雖然試驗證明該旋耕機的耕深能夠達到30 cm，但是存在機構(gòu)龐大、耕作負荷大以及機具可靠性不高等問題[1]。目前市場上的雙軸旋耕機后刀輥往往存在難以入土的問題，雖然朱松后續(xù)對雙軸旋耕機進行了一系列研究并進行了一系列改進優(yōu)化設(shè)計[3]，但依舊存在后刀軸的軸座與土壤發(fā)生干涉而使得后刀軸不能沉入地下的問題，而且結(jié)構(gòu)復雜笨重，耕深不穩(wěn)定。潛土逆轉(zhuǎn)旋耕是通過刀軸反轉(zhuǎn)并且潛于地表以下的一種耕耘方式，目前存在傳動箱和機架難以入土以及壅土等問題。

國內(nèi)劉孝民等較早對潛土逆轉(zhuǎn)旋耕的拋土過程進行了研究分析，對切削土壤的不同位置分別建立了潛土逆轉(zhuǎn)旋耕時旋耕刀切削未耕地時的拋土模型和旋耕刀切削近地表土壤時的拋土模型，并通過土槽試驗對拋土模型進行了驗證[4]。Gao等通過室內(nèi)土槽拋土試驗，探討不同耕深、前進速度以及刀軸轉(zhuǎn)速下的逆轉(zhuǎn)旋耕分層拋土機理[5]，但是到目前為止，壅土以及刀軸和變速箱難以潛土仍是潛土逆轉(zhuǎn)旋耕存在的最大問題[6-7]。

王國林等從降低能耗和提高耕作質(zhì)量的角度，提出了斜置式旋耕的概念，即刀輥的旋轉(zhuǎn)面與牽引拖拉機行駛方向成一偏角，通過刀滾斜置和旋耕刀的巧妙排列，實現(xiàn)土壤的高速有序無側(cè)限撕裂破壞，達到節(jié)省耕作能耗的目的[8]?？琢畹碌柔槍π敝眯乇砬泻蹎栴}，采用Turbo C語言開發(fā)了相應的仿真程序，并采用該程序仿真得出了斜置角度、機具牽引速度、刀輥轉(zhuǎn)速以及旋耕刀的排列情況對地表切痕的影響[9-10]。高建民等對斜置旋耕刀的側(cè)切刃的動態(tài)滑切條件進行了推導，對側(cè)切刃動態(tài)滑切角給出了定義和計算表達式，并通過實例計算對比了國家標準下的旋耕刀在正置和斜置時的動態(tài)滑切角和靜態(tài)滑切角。此外，還將斜置旋耕刀的動態(tài)滑切角表達式與旋耕刀的側(cè)切刃曲線表達式統(tǒng)一于Riccati微分方程中[11]。丁為民等分別對正置和斜置時旋耕刀滑切角進行了研究分析，并通過旋耕刀滑切角的表達式得出正置旋耕是斜置旋耕的一個特例[12]。高建民運用Object ARX和MDT API在MDTS平臺上開發(fā)出了三維仿真模型，分別對單把刀、單列刀以及整個刀輥切土的過程進行了仿真，揭示了斜置旋耕降能節(jié)耗的根本原因是被耕土壤的側(cè)面約束被解除和土壤毀于拉[13]。2008年江蘇大學高建民和江蘇沃野機械制造有限公司合作研制成功斜置旋耕機并進行了田間試驗，證明了斜置旋耕理論的正確性，但旋耕深度只有12 cm左右，還是屬于淺旋耕。

考慮到斜置旋耕和潛土逆轉(zhuǎn)旋耕各自的特點，本文提出斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕模式，在該模式下不僅可以使土壤毀于拉伸破壞，又能減少正置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕壅土量，還可能破解旋耕機支架和中央傳動箱體難以潛土的難題，實現(xiàn)低能耗的短刀深旋耕。斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土性能直接決定斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕機的壅土量，進而影響耕作能耗，因此，本文以斜置潛土逆轉(zhuǎn)深旋耕拋土性能作為研究內(nèi)容，為設(shè)計斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕機提供參考。

1 斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕工作原理

如圖1b、1c所示，采用普通正置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕時有不少土壤會堵塞在機具的前面，造成壅土。相對而言，斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕時，刀輥在水平面內(nèi)斜置，旋耕刀回轉(zhuǎn)平面與機組前進方向成一偏角，機組前進速度可以分解為垂直軸向的速度V以及沿軸向的速度V，耕作時不僅可以使被切土壤側(cè)面減少約束，還能使旋耕刀對在耕土壤有一個側(cè)向力作用，如圖1d所示，進而使土壤被撕裂，使更多的土壤拉伸破壞，拋向已耕地，并減少機具前面的壅土量。因此，斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕相對具有更好的碎土和拋土性能。

如圖1e、1f所示，刀輥正置時，受底部土壤的約束，變速箱和兩端軸側(cè)支撐不能沉入地下，無法實現(xiàn)潛土耕作。和正置旋耕相比較，采用斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕的旋耕刀回轉(zhuǎn)平面與機組前進方向成一偏角，可將變速箱以及兩端軸側(cè)支撐部分前方的土壤耕翻，保證變速箱以及兩端軸側(cè)支撐部分可以沉入地下，實現(xiàn)潛土耕作。

1.地表 2.旋耕刀 3.刀軸 4.未耕地 5.已耕地 6.被切土粒 7.機架 8.變速箱 9.機架行走軌跡 10.旋耕刀切土軌跡 11.變速箱行走軌跡

1. Field surface 2. Rotary cutter 3. Knife shaft 4. Uncultivated soil 5. Cultivated soil 6. Cutted soil particles 7.Frame 8. Gearbox 9. Traveling track of rack 10. Cutting track of rotary cutter 11. Traveling track of gearbox

注為斜置角；為刀軸前進距離；為側(cè)向移動距離;為機具前速度；V為法向速度；V為軸向速度；為刀軸轉(zhuǎn)速；為側(cè)向力。

Note:is the oblique angle;is the advance distance of the knife shaft;is the lateral movement distance;is the forward speed of the machine;Vis the normal velocity; Vis the axial velocity;is the rotation speed of the knife shaft;is the lateral force.

圖1 旋耕刀切土運動示意圖

Fig.1 Diagram of rotary cultivator cutting soil movement

2 斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土仿真與驗證

2.1 仿真模型的建立與求解

為了揭示斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土規(guī)律，采用LS-DYNA軟件建立斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕的虛擬拋土仿真模型，為了使虛擬仿真中所采用的旋耕刀的外形輪廓與實際耕作中的旋耕刀一樣，本文旋耕刀模型是通過三維掃描技術(shù)反求重構(gòu)得到的國標R165旋耕刀單刀模型，并在單刀模型的基礎(chǔ)上通過三維建模軟件UG建模裝配得到簡化刀輥模型，為了確保刀輥能沿水平方向定向前進而不發(fā)生上下和左右跳動，在刀輥外設(shè)置一對導軌和套筒，將刀輥插入套筒內(nèi)側(cè)，套筒外側(cè)和導軌連接。為了保證刀輥有足夠的強度，刀輥材料設(shè)置為剛體*MAT_RIGID。最終建立的拋土仿真模型三維模型如圖2所示，其參數(shù)如表1所示。

1. 套筒2. 刀軸3. 旋耕刀4. 導軌

表1 拋土仿真三維模型參數(shù)

因ANSYS/LS-DYNA和三維建模軟件UG之間具有共用的x-t文件格式，所以本文先將通過UG中建立好的刀輥模型保存為共用x-t格式，再通過通用格式直接導入到ANSYS/LS-DYNA，采用Lagrangian單點積分算法和四面體單元類型，并選用智能網(wǎng)格對刀輥劃分網(wǎng)格，在ANSYS/LS-DYNA中設(shè)置SOILD164實體單元為刀輥單元類型。

相關(guān)學者用有限元法對土壤切削過程進行了模擬仿真[14-16]，由于其中牽涉到的土壤是多相、松散的，土壤在被旋耕刀作用時發(fā)生的形變是非線性的，用有限元法和邊界元法等連續(xù)體力學理論及其數(shù)值解法很難對其在旋耕刀高速作用下的破壞過程以及破壞后的運動狀態(tài)進行描述。近年來用于對土壤動力學研究的離散元法被有關(guān)學者引入[17]，該方法在研究顆粒運動、振動、破碎等離散度大、變形-流動顯著的問題時有一定的優(yōu)越性，但同時存在接觸模型的近似性、仿真結(jié)果不夠精確以及計算量大、計算時間費時等缺點，因此該種方法在理論和算法上還存在很大的局限性。

SPH（smoothed particle hydrodynamics，光滑粒子流體動力學）是一種無網(wǎng)格方法，這是一種純拉格朗日方法，本質(zhì)上不需要借助于網(wǎng)格，因而不存在網(wǎng)格畸變的問題，所以可以在拉格朗日格式下處理大變形問題。同時，SPH法允許存在材料界面，可以簡單而精確地實現(xiàn)復雜的本構(gòu)行為，也適用于材料在高加載速率下的斷裂等問題的研究[18-19]。高建民等2007年率先在國內(nèi)應用SPH開展了高速土壤切削的仿真研究[18]，隨后SPH逐漸成為國內(nèi)研究土壤切削仿真的主要研究方法之一[20-32]。

本文建立土壤的SPH模型，結(jié)合有限元法對旋耕刀切削土壤過程進行數(shù)值仿真研究。考慮到仿真是在LS-DYNA系統(tǒng)里進行，土壤模型采用修正的Mohr-Coulomb模型（MAT_FHWA_SOIL）。土壤參數(shù)的測定是在在江蘇大學農(nóng)機實驗室和土力學實驗室完成的，通過應變控制式直剪儀（ZJ型四連剪，最大垂直載荷為400 kPa，最大水平剪切力為1.2 kN，南京土壤儀器廠有限公司）和應變控制式靜力三軸儀（FSYL-30型，最大軸向載荷為30 kN，最大周圍壓力為2 MPa，江蘇永昌科教儀器制造有限公司），測定了土壤的內(nèi)摩擦角、土壤凝聚力剪切模量以及泊松比。土壤參數(shù)如表2所示。

表2 土壤模型主要參數(shù)

本文通過ANSYS將建立好的土壤三維模型進行網(wǎng)格劃分，并以k文件格式導入到前后處理軟件LS- PREPOST中，再采用LS-PREPOST軟件中的SPH粒子生成功能將網(wǎng)格劃分好的節(jié)點替換成SPH粒子，并對k文件中的程序設(shè)置進行一定修改。定義單向接觸*ERODING_NODES_TO_SURFACE為刀輥和土壤的相互作用類型，并且設(shè)置刀輥為主動接觸，土壤為被動接觸。邊界條件設(shè)為土壤底部和兩側(cè)固定。設(shè)置滑動界面懲罰因子為0.15，動摩擦因子為0.21及靜摩擦因子為0.23，仿真時長設(shè)為1 s。本文建立的拋土仿真模型如圖3所示。

采用上述調(diào)好的仿真參數(shù)，分別在前進速度為0.5 m/s時的不同斜置角、刀軸轉(zhuǎn)速以及潛土深度的情況下進行虛擬仿真，并通過前后處理軟件LS_PREPOST對模擬情況進行查看分析。通過對被切土粒進行軌跡跟蹤，得到不同層土壤的后拋土率（向刀軸后面拋的粒子數(shù)占粒子總數(shù)的比），最終得到如表3所示的仿真結(jié)果。

1.導軌 2.土壤 3.旋耕刀 4.套筒 5.刀軸

表3 斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕虛擬拋土仿真結(jié)果

上述對仿真結(jié)果的統(tǒng)計分析表明，刀軸的潛土深度為5 cm，刀軸的旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min時，斜置角分別為0°、10°、20°時的后拋土率分別為31.13%、38.77%和54.57%，可以得出：斜置角的增大對提高后拋土率有很大影響；斜置角為10°，刀軸的旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min時，刀軸潛土深度分別為0、5、10 cm時的后拋率分別為24.03%、38.77%和53.53%，可以看出：刀軸潛土深度對后拋土率有明顯的影響；斜置角為10°，刀軸潛土深度為5 cm時，刀軸轉(zhuǎn)速分別為200、300、400 r/min時的后拋土率分別為32.40%、38.77%和39.33%，所以刀軸轉(zhuǎn)速的增加對后拋土率影響不大。此外，各種工況下的仿真數(shù)據(jù)表明，相同條件下，上層的后拋土率均比中層和下層的后拋土率都高，中層的后拋土率又比下層的后拋土率高，即越靠近地表的土壤后拋率越大。

2.2 仿真模型校正

2.2.1 斜置旋耕試驗臺設(shè)計

為了驗證仿真模型，本文在室內(nèi)土槽進行了斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕的室內(nèi)拋土試驗。斜置旋耕試驗臺如圖4所示，主要由承載小車、旋耕機架、電機、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、刀輥等組成，其中承載小車上設(shè)有行走輪和與牽引臺車掛接的連接板，承載小車與安裝在上面的旋耕機架都是型號為50 mm′50 mm′4 mm的方鋼和厚16 mm的鋼板焊接而成。旋耕機架上裝有電機（Y100L-2，額定功率為3 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 880 r/min，上海韓奧電機有限公司）和配套使用的變頻器，電機的轉(zhuǎn)速大小由變頻器控制，并采用帶傳動的方式使刀輥運動，其中與電機輸出軸連接的帶輪所選用的是外徑為70 mm的B型2槽帶輪，與刀輥軸連接的帶輪所選用的是外徑為210 mm的B型2槽帶輪，即傳動比為3:1，刀輥轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍為100～466 r/min。為了使試驗結(jié)果能跟仿真結(jié)果進行對比驗證，刀輥參數(shù)與前文仿真的刀輥模型參數(shù)相同，并與安裝在旋耕機架的軸承座（UCP206，廣州磐固晟機械設(shè)備有限公司）連接。

圖4 斜置旋耕試驗臺

將旋耕機架與承載小車連接部位設(shè)計成如圖5所示，即承載小車安裝連接板上分別在圓周間隔15°對稱開有4個螺栓安裝孔，而對應旋耕機架連接安裝板上分別在圓周間隔10°對稱開有4個螺栓安裝孔，因此安裝時，通過不同安裝孔的組合安裝，可以得到所需要的0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°的斜置角。

2.2.2 室內(nèi)拋土試驗

試驗時在土壤的不同深度埋不同顏色的粉筆對不同層土粒進行標定，即在旋耕底部上方2～3 cm處（下層）掩埋藍色粉筆，在一半耕深處（中層）掩埋紅色粉筆，在地表以下2～3 cm處（上層）掩埋黃色粉筆。其中每層掩埋40個粉筆，每個粉筆長2 cm左右。通過統(tǒng)計計算旋耕后被拋向后方的粉筆數(shù)占總數(shù)的比得到不同工況下旋耕的后拋土率。土槽土壤的整理主要分為3步，首先，對30 cm深的土槽土壤進行全面碎土；接著在不同深度掩埋相應顏色的粉筆，灑適量的水并壓實；經(jīng)一段時間直到試驗泥土的干濕度達到旋耕試驗要求，物理樣機拋土試驗結(jié)果如表4所示。

圖5 斜置角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

為了驗證仿真模型是否可靠，本文將試驗時拋起泥土的運動趨勢和仿真時土粒的拋灑情況進行分析對比。如圖6所示的是在刀軸斜置角為10°、潛土深度為5 cm、刀軸轉(zhuǎn)速為300 r/min情況下試驗和仿真得到的拋土情況對比圖。可知相同情況下的試驗拋土趨勢與仿真拋土趨勢基本一致，進而初步驗證了仿真模型的可靠性。

為了進一步對仿真模型進行驗證，本文將相同條件下仿真得到的不同層的后拋土率（如表3所示）和試驗得到的不同層的后拋土率（如表4所示）進行對比分析。分析結(jié)果如圖7所示，試驗所得出的上層、中層、下層以及平均后拋土率大致比仿真所得到的后拋土率高，最大仿真誤差為12.50%，最小仿真誤差為0.20%，平均誤差為3.09%，說明仿真模型的精度可以滿足拋土虛擬試驗的要求。

表4 拋土試驗結(jié)果

注：刀軸斜置角為10°、潛土深度為5 cm、刀軸轉(zhuǎn)速為300 r·min-1。

圖7 仿真與試驗對比結(jié)果

3 斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土的虛擬正交試驗與田間試驗

鑒于通過物理樣機試驗研究斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土不僅要花費較大的成本，而且試驗周期也很長。因此，本文首先采用校正的ANSYS/LS-DYNA旋耕拋土虛擬仿真模型進行虛擬正交試驗[33]。以斜置角、前進速度、潛土深度以及刀輥轉(zhuǎn)速作為試驗的4個因素，并對每個因素取3個水平，即斜置角的3個水平取0°、10°和20°；考慮到室內(nèi)土槽的長度為15 m，從安全性角度和仿真數(shù)據(jù)的可驗證性考慮，前進速度的3個水平取0.4、0.6和0.8 m/s；潛土深度的3個水平取0、5和10 cm；刀輥轉(zhuǎn)速的3個水平分取200、300和400 r/min。試驗因素水平表如表5所示。

表5 試驗因素水平

3.1 試驗結(jié)果與極差分析

為了數(shù)據(jù)的準確性，采用重復取樣的方法，每次試驗取3次。根據(jù)等水平正交試驗表具有的性質(zhì)，選用L9(34)正交表[34-35]。虛擬正交試驗結(jié)果及極差分析如表6所示。

極差結(jié)果分析表明：影響后拋土率的因素從主到次的順序依次為：潛土深度、斜置角度、刀輥轉(zhuǎn)速、前進速度。在所有9個試驗組合中，最優(yōu)組合為3133，即當斜置角為20°，刀輥回轉(zhuǎn)速度為400 r/min，潛土深度為10 cm以及前進速度為0.4 m/s時，后拋土率最大，即拋土效果最好。

3.2 試驗結(jié)果的方差分析

雖然通過直觀分析可以直觀地得出各個因素對試驗考察指標影響的主次順序，但其不能得出各個因素對考察指標的影響是否顯著。為了得到各個因素對考察指標的影響程度，對試驗所得到的結(jié)果進行方差分析，方差分析結(jié)果如表7所示。

表6 虛擬正交試驗結(jié)果及極差分析

表7 試驗結(jié)果方差分析

由表7中的值可知：()=0.2，()=0.6都小于0.10(2,18)=2.62，所以因素（前進速度）和（刀輥轉(zhuǎn)速）水平的改變對試驗指標后拋土率沒有顯著影響，試驗中的四個因素的主次地位依次為（潛土深度）、（斜置角）、（刀輥轉(zhuǎn)速）、（前進速度）。

3.3 試驗結(jié)果的回歸分析

對試驗數(shù)據(jù)的直觀分析和方差分析雖然能夠相對確定較好的試驗因素組合，但它確定的較好的因素組合方式只能局限在已經(jīng)確定好的因素水平上，卻得不到所取范圍內(nèi)的最好組合，而對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析擬合的回歸方程可以有效的對試驗結(jié)果進行預測和優(yōu)化。因此，本文對試驗結(jié)果進一步采用回歸分析。

采用數(shù)據(jù)處理軟件Design Expert對表4所示的試驗結(jié)果進行回歸分析。因為前文方差分析表明，試驗因素中的前進速度和刀輥轉(zhuǎn)速對試驗指標（后拋土率）沒有顯著性影響，所以回歸分析時只考慮對試驗考察指標有顯著影響的因素（斜置角1，潛土深度2）。因此，對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，建立以土壤后拋率為響應值的多元回歸方程，土壤后拋率符合二元一次模型。

=0.132 61+0.002 91+0.045 32（1）

由擬合方程（1）計算出的的預測值和試驗值的關(guān)系如圖8所示，其中相關(guān)系數(shù)2=0.989，表明后拋土率與斜置角和潛土深度的關(guān)系可以用方程（1）表示。

圖8 后拋土率試驗值和預測值的關(guān)系

從圖8可以看出，采用該預測模型所得出的預測值與試驗值非常接近，表明該模型適合試驗因素與試驗指標之間相關(guān)性的描述。因此，所得出的模型可以反映參數(shù)之間的真實關(guān)系，并且可以采用該模型對后拋土率進行預測和分析。

采用數(shù)據(jù)處理軟件Design Expert繪制出試驗因素（斜置角和潛土深度）和試驗指標（后拋土率）的響應圖如圖9所示。

圖9 后拋土率與斜置角和潛土深度響應圖

根據(jù)圖9可以得出，后拋土率隨潛土深度和斜置角度的變大而增大，并且后拋土率隨斜置角的增大趨勢相對比隨潛土深度的增大趨勢小。此外，同時增加潛土深度和斜置角度可以有效提高后拋土率。

3.4 田間試驗

根據(jù)拋土虛擬試驗結(jié)論，設(shè)計制造了斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕機樣機，其耕寬是3.15 m，斜置角度為17°，采用的旋耕刀為R175標準旋耕刀，田間試驗于2017年4月15日在江蘇省鹽城市樹東農(nóng)場進行，如圖10所示。試驗時以東方紅LX1204輪式拖拉機為牽引拖拉機。本文參考GB/T5668-2008旋耕機試驗方法，測得旋耕機有效耕深為20 cm，旋耕機支架和中央傳動箱成功潛入地下，實現(xiàn)了短刀大耕深。

圖10 田間試驗現(xiàn)場

4 結(jié) 論

1）運用ANSYS/LS-DYNA軟件，結(jié)合SPH算法，建立了斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕仿真虛擬樣機仿真模型，并且通過室內(nèi)土槽試驗對該模型進行了驗證，驗證的結(jié)果表明最大仿真誤差為12.50%，最小仿真誤差為0.20%，平均誤差為3.09%。

2）正交試驗設(shè)計的極差分析的結(jié)果表明：當斜置角為20°，刀輥回轉(zhuǎn)速度為400 r/min，潛土深度為10 cm以及前進速度為0.4 m/s時，后拋土率最大，即拋土效果最好。影響后拋土率的因素從主到次的順序依次為：潛土深度、斜置角度、刀輥轉(zhuǎn)速、前進速度。潛土深度和斜置角對后拋土率影響顯著，而前進快慢和刀輥回轉(zhuǎn)速度對試驗指標的影響不顯著。

3）加工制造出了斜置潛土逆轉(zhuǎn)深旋耕機的物理樣機，并進行了田間試驗。田間試驗結(jié)果表明，斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕解決了旋耕機支架和中央傳動箱體潛土的難題，并且用R175標準旋耕刀達到了20 cm的耕深，實現(xiàn)了短刀大耕深，表明斜置潛土逆轉(zhuǎn)深旋是一種有前途的深旋耕方法。

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Simulation and experiment of soil casting during oblique submerged reversely rotary tillage

Gao Jianmin, Liu Xingda, Qi Huidong, I. A. Lakhiar

(212013,)

Deep rotary tillage is a hot and difficult problem in the research field of tillage machinery. Scholars at home and abroad have made a lot of explorations on deep rotary tillage technology and theory. At present, deep rotary tillage is mainly realized through the following three methods: 1) plowing depth was increased by directly increasing the diameter of the knife roller; 2)Two-axis stratified rotary tillage. Two rows of knife rollers are set in front and back for the first rotary tillage of the former one, and then the latter one for further rotary tillage; 3) subsoil reverse rotary tillage, that is, deep tillage is achieved by sinking the knife shaft below the surface. These three methods can achieve the goal of deep rotation tillage, but they all have their own disadvantages. Considering the characteristics of oblique rotary tilling and reverse tilling, the principle of oblique submerged reverse rotary tillage is put forward in this paper, which can not only destroy the soil by “pull” but also reduce the heaping soil as well as make the central transmission box easy to sink subsoil, and realize low energy consumption deep tilling with short knife. The back-up amount of tilting rotary tilter directly depends on the performance of tilting rotary tilter. Oblique submerged reverse rotary tillage is put forward in this paper. It is important to study the mechanism of throwing soil to optimize the design of this machine. Oblique submerged reverse rotary tillage is a new type of rotary tillage. It is important to study the mechanism of throwing soil to optimize the design of inclined subterranean reversal rotary tiller. In this paper, a simulation model of SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) is established on the LS-DYNA platform. The model is used to reverse the rotary tillage in different working conditions. The simulation results show that the post-soil rate of different layers in the reverse rotation of different parameters under different parameters is obtained. The post-soil rate of different layers obtained under the same conditions and the post-casting of different layers obtained by the indoor soil trough test are obtained. The soil rate was compared and analyzed. The verification results show that the maximum simulation error is 12.50%, the minimum simulation error is 0.20%, and the average error is 3.09%. Applying the corrected simulation model, the oblique angle, the forward speed, the depth of the submerged soil and the speed of the cutter roll were taken as the four factors of the test, and three levels were taken for each factor. Afterwards, the throwing rate was measured and the tilt was set. The virtual orthogonal experiment of reversing the rotary tillage and throwing soil was conducted. The test results were analyzed by the range analysis method, the variance analysis method and the regression analysis method. The data analysis results show that the primary and secondary order of the impact rate after the impact is the subsoil depth and the oblique angle, the forward speed and the knife roll speed. The influence on the post-lost rate is not significant, and the mathematical relationship model of the subsoil depth, the oblique angle and the post-lost rate is obtained. According to the results of virtual experiment, the physical prototype of the inclined submersible soil reverse rotation tillage machine was optimized and the field experiment was carried out. The field test results showed that the reverse rotation of the inclined subterranean soil successfully solved the problem of the rotary tiller bracket and the central transmission box. And with the R175 standard rotary cultivator, the tilling depth of 20 cm was achieved, and deep tilling using short knife was realized in this paper.

agricultural machinery; design; experiments; oblique reversely rotary tillage; throwing soil; orthogonal

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.006

S225. 71

A

1002-6819(2019)-13-0054-10

2018-08-26

2019-06-21

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新基金（CX(18)3048）；國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0700101）；國家自然科學基金（No.51275214）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目（蘇財教（2011）8號）

高建民，研究員，博士，主要從事耕作機械和霧化耕作研究，2010-2011年由教育部公派赴美國農(nóng)業(yè)部研究院農(nóng)業(yè)工程應用技術(shù)國家實驗室研修（USDA/ARS）。Email：1000001903@ujs.edu.cn

高建民，劉興達，齊惠冬，I.A. Lakhiar.斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土仿真及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(13)：54－63. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.006 http://www.tcsae.org

Gao Jianmin, Liu Xingda, Qi Huidong, I. A. Lakhiar. Simulation and experiment of soil casting during oblique submerged reversely rotary tillage [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 54－63. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.006 http://www.tcsae.org