基于流體力學(xué)與離散元法的深松鏟氣動分析

屈 通，李 霞，王維新，湯明軍，張思遠(yuǎn)

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

0 引言

耕地長期采用翻耕或旋耕方式整地，導(dǎo)致耕層變薄、土壤板結(jié)，形成一層又厚又硬的犁底層[1]。犁底層的存在降低了耕層容量，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，貯水能力減弱，農(nóng)田肥力日趨衰竭；降低了土壤孔隙度，限制植株根系生長發(fā)育，作物抗逆性下降，影響作物產(chǎn)量[2-3]。深松技術(shù)改良土壤是一項(xiàng)長期而有效的方法。深松可以打破堅(jiān)硬的犁底層，形成上虛下實(shí)、虛實(shí)相間的土壤結(jié)構(gòu)，加深耕層，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力；在疏松土壤的同時(shí)提高了土壤通透性，改善了作物根系生長環(huán)境，增強(qiáng)了作物抗倒伏能力[4～6]。

深松技術(shù)在國內(nèi)外已開始廣泛應(yīng)用，并且已在農(nóng)業(yè)耕作領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。然而，深松過程中，阻力大、耗能多等問題極大地阻礙了深松技術(shù)的推廣。在保證土壤良好耕作效果的前提下，如何減阻降耗成為深松機(jī)具發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題[7]。傳統(tǒng)的深松機(jī)按工作方式可以分為機(jī)械式和振動式深松機(jī)兩大類，但普遍存在深松范圍小、程度不均勻以及能耗大等問題[8-9]。

本文基于氣壓劈裂原理與技術(shù)提出一種深松方式—?dú)鈩由钏?。所謂氣動深松，是指通過對土壤深層注入高壓空氣打破犁底層，不翻動土壤，對不同深度、不同硬度的犁底層實(shí)施氣動深松作業(yè)。氣動深松減阻中高壓氣體可在深松鏟表面形成一層空氣膜，減少土壤作用在鏟刀上的正壓力，起到節(jié)能降耗的作用；同時(shí)高壓空氣注入處土壤與鄰近土層之間存在壓強(qiáng)差，造成鄰近土壤坍塌和二次破碎；高壓氣體的注入也能提高土壤中空氣的比例，增大土壤孔隙度，有利于作物生長，增加糧食產(chǎn)量。氣壓劈裂技術(shù)是采用高壓氣體使得巖土產(chǎn)生裂隙并擴(kuò)展的一種技術(shù)，主要用于巖體爆破領(lǐng)域及增加土體滲透性方面。夏紅兵等[10]利用氣壓劈裂技術(shù)對煤巖進(jìn)行爆破。韓文君等[11]利用氣壓劈裂技術(shù)加固軟土地基。左勝甲等[12]利用氣壓劈裂原理進(jìn)行了氣壓深松土槽試驗(yàn)，驗(yàn)證了氣壓劈裂原理與技術(shù)可以用于深松，且深松效果較為顯著，為后續(xù)氣動深松的研究指明了新方向。因此，本文結(jié)合課題組的研究方向，主要研究了氣動深松鏟幾個(gè)重要參數(shù)之間的相互關(guān)系，為以后氣動深松的研究提供一定的依據(jù)。

1 氣動深松鏟的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

氣動深松鏟主要由鏟柄、曲形鋼管及鏟尖等組成，如圖1所示。鏟尖通過沉頭螺栓固定在鏟柄底部，鏟柄通過螺栓與機(jī)架固定。鏟柄左側(cè)焊接曲形鋼管，并且在曲形鋼管底部開有等間距的圓形小孔。

工作時(shí)，由拖拉機(jī)牽引整個(gè)深松機(jī)運(yùn)動，使機(jī)架帶動氣動深松鏟向前運(yùn)動；同時(shí)，由拖拉機(jī)后輸出軸帶動氣泵工作產(chǎn)生的高壓氣體通入到深松鏟柄的曲形鋼管中，在曲形鋼管的底部圓孔開口處產(chǎn)生高壓氣體，利用高壓氣體的瞬間爆破力打破堅(jiān)硬的犁底層，從而完成深松作業(yè)[13]。深松鏟鏟柄、鏟尖和曲形鋼管都是整個(gè)深松機(jī)在運(yùn)動過程中的主要受力結(jié)構(gòu)，因此選用65Mn鋼，材料參數(shù)如表1所示。

1.鏟柄 2.曲形鋼管 3.鏟尖圖1 氣動深松鏟示意圖Fig.1 The schematic diagram of pneumatic subsoiler表1 65Mn剛的主要材料參數(shù)Table 1 The main material parameters of 65 Mn steel

材料參數(shù)單位參數(shù)彈性模量N/m22.1×1011抗剪模量N/m27.9×1010泊松比0.3密度kg/m37850屈服強(qiáng)度MPa600

2 深松鏟氣動理論分析

2.1 深松鏟曲形鋼管氣動計(jì)算

曲形鋼管輸送氣體，氣泵打出的壓縮氣體由曲形鋼管前端至曲形鋼管末端排出。設(shè)氣泵在時(shí)間t內(nèi)排出空氣體積V，如圖2所示。

圖2 曲形鋼管氣動示意圖Fig.2 The pneumatic schematic diagram of curved steel pipe

曲形鋼管內(nèi)的氣體流速為

ν=V/(t×S)=V/(t×πR2)

式中S—曲形鋼管內(nèi)孔橫截面積(m2)；

R—曲形鋼管內(nèi)孔直徑(m)。

曲形鋼管中管道流量Q=νt。

氣體運(yùn)輸中會造成壓力損失，壓力損失分為兩部分：沿程壓力損失和局部壓力損失。

從氣泵出氣口至曲形鋼管底部出氣孔，管道中總壓力損失的公式為

Pw=ρgsLQ

式中ρ—?dú)怏w密度(kg/m3)；

g—重力加速度(m/s2)；

s—管道比阻(s/m3)；

L—管道長度(m)；

Q—管道流量(m3/s)。

2.2 深松鏟鏟尖受力計(jì)算

鏟尖在深松運(yùn)動中類似一個(gè)楔角為α的正面楔子在牽引力的作用下切入到土壤中[14]。為減小鏟尖的入土阻力以及起到良好的深松效果，對鏟尖形狀做適當(dāng)簡化。以鏟尖為研究對象進(jìn)行受力分析[15-16]，建立平面直角坐標(biāo)系，如圖3所示。不考慮鏟尖的加速度，由水平方向受力平衡得

F=Nsinα+μN(yùn)cosα+kb

式中F—鏟尖所受的水平牽引力(N )；

N—鏟尖斜面受到的法向載荷(N)；

μ—金屬與土壤的摩擦因數(shù)；

α—深松鏟入土角(°)；

k—單位幅寬土壤的純切削阻力(N/m)；

b—鏟尖面寬度(m)。

圖3 鏟尖受力示意圖Fig.3 The schematic diagram of force applied on the point

由相關(guān)文獻(xiàn)[17]可知：土壤的相對純切削阻力很小，可忽略不計(jì)。根據(jù)牛頓第三定律可知，鏟尖受到的水平深松阻力F1鏟尖受到的水平牽引力F等大反向，故有

F1=Nsinα+μN(yùn)cosα

依據(jù)文獻(xiàn)[18]可進(jìn)一步求得F1為

3 氣動深松鏟的氣動力學(xué)仿真試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

使用SolidWorks2016繪制氣動深松鏟三維結(jié)構(gòu)模型，并保存成.x_t格式文件，再導(dǎo)入至Ansys17.0 Workbench中。在進(jìn)行氣動仿真時(shí)，單獨(dú)導(dǎo)出曲形鋼管模型，對曲形鋼管進(jìn)氣口端壓強(qiáng)與出氣口數(shù)量及出氣口端壓強(qiáng)之間的關(guān)系進(jìn)行深入分析。曲形鋼管三維模型尺寸：曲形鋼管內(nèi)孔直徑20mm，直段部分長500mm，折彎部分半徑350mm，圓弧角54°，曲形鋼管底部、上半圓周向上均布開直徑4mm通孔。

3.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

選定曲形鋼管進(jìn)氣口壓強(qiáng)與開孔數(shù)作為試驗(yàn)因素，以單個(gè)出氣口壓強(qiáng)和單個(gè)出氣口氣體流速作為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)因素及水平如表2所示。

表2 因素水平表Table 2 Experimental factors and levels

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

在Minitab 16中，對表3結(jié)果進(jìn)行回歸分析可得單個(gè)出氣口壓強(qiáng)(P1)、單個(gè)出氣口氣體流速(ν)與進(jìn)氣口壓強(qiáng)(P0)、開孔數(shù)(n)的一般線性回歸模型為

P1=-0.696+0.222P0+0.128n

ν=1.89+0.169P0+0.143n

其殘差圖如圖4、圖5所示。觀察殘差圖可知：單個(gè)出氣口壓強(qiáng)與進(jìn)氣口壓強(qiáng)、開孔數(shù)之間的擬合模型精度低于單個(gè)出氣口氣體流速與進(jìn)氣口壓強(qiáng)、開孔數(shù)的擬合模型精度，從側(cè)面反映出壓力在曲形剛管底部開口處的非線性變化較大，即壓力在出口處的不穩(wěn)定性較高。當(dāng)進(jìn)口壓強(qiáng)為8MPa時(shí)，各個(gè)出氣口數(shù)量的壓力云圖與氣體流速圖如圖6所示。為便于處理，對出口處三維建模時(shí)，作伸長5mm。從圖6中可以看出沿出口邊緣至外側(cè)，壓力不斷遞減，而氣體流速不斷變大。對于破碎深土層的土壤，氣體流速和壓強(qiáng)越大越好，有利于破碎與之接觸的土壤。在進(jìn)氣口壓強(qiáng)恒定時(shí)，開口數(shù)量對單個(gè)出氣口壓強(qiáng)和氣體流速影響并不是十分顯著，而開孔位置對單個(gè)出氣孔壓強(qiáng)有些微影響。單個(gè)出氣口壓強(qiáng)和氣體流速，總體與進(jìn)氣口壓強(qiáng)呈正比關(guān)系。

表3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Design scheme and test results

(a) 正態(tài)概率圖 (b) 與擬合值

(c) 直方圖 (d) 與順序圖4 單個(gè)出氣口壓強(qiáng)殘差圖Fig.4 Pressure residualFigure of single outlet

(a) 正態(tài)概率圖 (b)與擬合值

(c) 直方圖 (d) 與順序圖5 單個(gè)出氣口氣體流速殘差圖Fig.5 Gas flow rate residualFigure of single outlet

圖6 壓力云圖與氣體流速圖Fig.6 Pressure cloud and gas flow chart

4 氣動深松鏟耕作試驗(yàn)

將氣動深松鏟三維結(jié)構(gòu)模型保存成.x_t格式，導(dǎo)入至EDEM2017中，進(jìn)行深松鏟與土壤顆粒作用的仿真。離散元法仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果接近的關(guān)鍵取決于離散元模型的建立與仿真參數(shù)的選取。本文采用建立的邊界模型與土壤模型，對顆粒工廠進(jìn)行設(shè)置。仿真參數(shù)如表4所示。

表4 離散元仿真參數(shù)Table 4 Simulation parameters of discrete element

所用土壤顆粒模型有3種，分別為直徑4、8、10mm顆粒，以生成不同的土壤層；土方長×寬×高=1 000mm×200mm×500mm?，F(xiàn)以深耕為500mm為例，對該氣動深松鏟進(jìn)行仿真試驗(yàn)，觀察深松鏟的受力部位及受力變化。

氣動深松鏟受力部位如圖7所示。通過氣動深松鏟受力圖可知：在鏟尖兩側(cè)邊及前部為受力主要區(qū)域，鏟柄內(nèi)側(cè)為受力區(qū)域，因此在與土壤的交互過程中，對于受力較大部位的部件應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明：鏟尖無明顯變形，能承受較大作用力，該部件設(shè)計(jì)方案可行。

圖7 氣動深松鏟受力圖Fig.7 The schematic diagram of force applied on the pneumatic subsoiler

5 結(jié)論

1) 氣動深松鏟的進(jìn)氣口壓強(qiáng)與出氣口數(shù)量呈近似線性正相關(guān)關(guān)系；若進(jìn)氣口壓強(qiáng)恒定，則出氣口壓強(qiáng)大小與開孔數(shù)量無明顯線性關(guān)系；單個(gè)出氣口壓強(qiáng)和氣體流速，總體與進(jìn)氣口壓強(qiáng)呈正比關(guān)系。

2)用離散元法可以很好地對氣動深松鏟工作過程進(jìn)行仿真，在鏟尖兩側(cè)邊及前部，為受力主要區(qū)域，鏟柄內(nèi)側(cè)為受力區(qū)域。結(jié)果表明：鏟尖部件設(shè)計(jì)方案可行。