深松鏟減阻性及耕作阻力影響因素研究—基于LS-DYNA

周 健，紀(jì)冬冬，李立君

(中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耕作中松土的方式主要有翻耕和深松兩種。翻耕作業(yè)時(shí)會(huì)使土壤遭受耕作機(jī)具的擠壓以及車輪的碾壓，使其底部形成了堅(jiān)硬的犁底層[1-2]。由于犁底層的存在，將土壤分割為兩層，嚴(yán)重影響了農(nóng)作物根須的生長(zhǎng)與延伸，不利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用；同時(shí)，也影響了土壤中CO2、SO2、H2S、CH4等有害氣體的交換與排放，使固氮及硝化減少，阻礙了微生物的活動(dòng)，從而影響作物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致糧食產(chǎn)量下降[3]。由于翻耕作業(yè)對(duì)土壤的動(dòng)土量比較大，使大量土壤顆粒裸露在地表從而造成風(fēng)蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)形成沙塵暴。由于傳統(tǒng)翻耕作業(yè)存在著諸多弊端，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，因此保護(hù)性耕作被提出，而深松技術(shù)是保護(hù)性耕作的重要支撐，可有效保證土壤表層不受破壞，遏制水土流失及荒漠化現(xiàn)象的發(fā)生[4]。深松鏟作為深松機(jī)耕作的直接載體，其耕作阻力的大小直接決定了松土的效率及能耗，因此研究深松鏟的減阻性具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸開始研究耕作部件的減阻性能：Gill等[5]對(duì)比了直線型和彎曲型耕作部件的工作阻力，結(jié)果表明直線型耕作時(shí)所受阻力要低7%～20%；陳坤[6]等設(shè)計(jì)了一種新型圓弧型深松鏟，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明該深松鏟能有效改善松土效果、減少耕作阻力；王雪艷等[7]設(shè)計(jì)了一種自激振動(dòng)的深松機(jī)，并與普通的深松機(jī)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明自激振動(dòng)的深松機(jī)可減少12.79%的阻力；郭志軍等[8]通過(guò)研究分析家鼠前爪中指的挖掘特性，設(shè)計(jì)了彎曲型仿生深松鏟，結(jié)果顯示其具有較好的減阻效果；楊程光等[9]分析了深松耕作阻力的影響因素，結(jié)果表明選擇合適的鏟距可有效減小深松作用阻力。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，很少有研究者對(duì)不同觸土曲面深松鏟的減阻性能及土壤切削應(yīng)力的分布進(jìn)行研究，也很少涉及分析仿生變曲率的入土角對(duì)耕作阻力的影響。因此，本文通過(guò)對(duì)5種典型觸土曲面方程進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了5種不同結(jié)構(gòu)的深松鏟。同時(shí)，利用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)深松鏟切削土壤過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，得出不同結(jié)構(gòu)深松鏟在切削土壤過(guò)程中的阻力變化以及土壤應(yīng)力變化情況，對(duì)比分析得出減阻性能較好的深松鏟結(jié)構(gòu)；并對(duì)入土角、工作速度、工作深度等耕作阻力影響因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析上述因素對(duì)深松鏟松土阻力的影響，以期為降低作業(yè)功耗，減小深松耕作阻力提供一定的依據(jù)。

1 土壤模型

本文以農(nóng)業(yè)耕作的土壤作為研究對(duì)象，由于土壤的成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前還沒(méi)有一種理想的土壤模型來(lái)描述土壤遭受外力后的變化情況，根據(jù)土壤應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，土壤本構(gòu)關(guān)系模型可大致分為4類:土壤線彈性模型、土壤彈塑性模型、土壤非線彈性模型和土壤流變模型。深松鏟切削土壤屬于侵徹問(wèn)題，選擇合適的土壤本構(gòu)模型對(duì)仿真的可靠性至關(guān)重要。由于土壤不是理想的彈性或塑性材料，而是一種彈塑性材料，在受到外界載荷后，會(huì)使材料出現(xiàn)硬化和軟化現(xiàn)象，應(yīng)力與應(yīng)變具有明顯的非線性特征，因此本文將土壤視為彈塑性材料，該模型最能反映土壤遭受載荷后實(shí)際變形的情況[10-11]。

1999年，美國(guó)聯(lián)邦公路局開始研究土壤材料在有限元分析中的模型，并在2000年完成了土壤本構(gòu)模型的建立，2001年對(duì)土壤本構(gòu)模型進(jìn)行了初步的驗(yàn)證，2002年土壤本構(gòu)模型正式成為L(zhǎng)S-DYNA一種標(biāo)準(zhǔn)材料模型[12]。本文參考文獻(xiàn)[13]，選用LS-DYNA材料庫(kù)里面的MAT147 (MAT_FHWA_SOIL) 材料作為土壤仿真的本構(gòu)模型，該模型采用修正的Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，因?yàn)樵撉?zhǔn)則綜合考慮了材料塑性硬化、塑性軟化、應(yīng)變速率效應(yīng)和空隙水壓力效應(yīng)，使得仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況。屈服準(zhǔn)則的計(jì)算公式為[14]

其中，F(xiàn)為模型屈服表面力(N)；p為壓力(Pa)；β為內(nèi)摩擦角(°)；J2為應(yīng)力偏張量的第二不變量；K(θ)為張量平面角函數(shù)；c為粘聚力(N)；α為修正后屈服面和標(biāo)準(zhǔn) Mohr-Coulomb 曲面相似度。

結(jié)合本地土壤的實(shí)際情況，并參考Soil Material Model 147[15]，將仿真的土壤參數(shù)進(jìn)行設(shè)置為(見(jiàn)表1)，采用kg-m-s-N-Pa單位制。

表1 土壤材料參數(shù)

2 深松鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)5種典型準(zhǔn)線的方程，并結(jié)合深松鏟和深松鏟柄的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/9788-1999)，設(shè)計(jì)了5種不同結(jié)構(gòu)的深松鏟，利用SolidWorks三維軟件完成對(duì)深松鏟模型的繪制，如圖1所示。上述5種模型具有相同的入土角、縱深比，整個(gè)深松鏟高600mm、厚30mm。本深松鏟材料選用20Cr，淬火后再低溫回火，表面為高碳的回火馬氏體耐磨，心部為低碳的回火馬氏體耐沖擊。

(a) 直線型 (b) 圓弧線型 (c) 擺線型

(d) 拋物線型 (e) 仿生變曲率線型

3 LS-DYNA仿真深松鏟切削土壤

1) 網(wǎng)格劃分：主要分析深松鏟切削土壤阻力及土壤的應(yīng)力分布情況，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將深松鏟視為剛體，材料的本構(gòu)模型采用MAT_RIGID，設(shè)置材料的彈性模量為2.07×105MPa，密度為7 830kg/m3，泊松比為0.254。為了縮短仿真計(jì)算時(shí)間，將土壤大小設(shè)置為700mm×400mm×400mm。由于模型具有對(duì)稱性，因此選取模型的1/2作為分析研究對(duì)象，土壤材料模型選擇MAT_FHWA_SOIL。由于該材料在Workbench材料庫(kù)里面不能定義，需后續(xù)修改K文件來(lái)添加該材料模型[16]。因?yàn)樯钏社P和土壤模型結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，因此采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，采用掃掠方法對(duì)深松鏟進(jìn)行網(wǎng)格劃分，土壤采用映射方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)有限元模型劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)共為299 145，單元數(shù)為281 288。圖2為直線型深松鏟切削土壤的有限元模型。

2) 定義接觸：在深松鏟切削土壤之前，其與土壤之間不能相互接觸，同時(shí)兩者之間的距離不易過(guò)大[17]，為了盡量節(jié)約計(jì)算空余時(shí)間，將深松鏟與土壤的初始距離定義為10mm。由于在仿真過(guò)程中深松鏟會(huì)穿透土壤，因此定義兩者之間為面面接觸，添加關(guān)鍵字*ERODING_SURFACE_TO_ SURFACE，將深松鏟定義為接觸部件，土壤定義為目標(biāo)部件。

圖2 直線型深松鏟切削土壤的有限元模型

3) 初始條件：由于深松鏟水平切削土壤，因此將其速度設(shè)定為1.666 7m/s (6km/h)進(jìn)行仿真研究，土壤固定不動(dòng)。

4) 邊界條件：深松鏟沿X水平方向切削土壤，故該自由度不約束，其余自由度均完全約束。由于在實(shí)際工作過(guò)程中，土壤是無(wú)邊界的，為了防止深松鏟與邊界約束之間的土壤在切削過(guò)程中受到過(guò)分?jǐn)D壓而導(dǎo)致應(yīng)力陡增，對(duì)土壤上頂面及周邊施加無(wú)反射邊界條件，同時(shí)對(duì)土壤底部施加全約束以固定，對(duì)稱面在Z方向施加約束，深松鏟與土壤接觸的面不約束。

4 深松鏟切削土壤仿真結(jié)果分析

4.1 切削阻力分析

圖3為在切削速度為1.666 7m/s (6km/h)時(shí)直線型深松鏟受到的阻力。由圖3可知：深松鏟在整個(gè)仿真切削過(guò)程中阻力波動(dòng)較大，不利于結(jié)果分析，因此需對(duì)阻力圖進(jìn)行數(shù)字濾波，LS-DYNA的后處理軟件中自帶了4種濾波器，分別為SAE濾波、BW濾波、FIR100濾波和COS濾波[18]。本文選擇常用的COS濾波，采用2點(diǎn)均值作為最終數(shù)據(jù)，截止頻率設(shè)置為20Hz，得到濾波后的阻力如圖4所示。將濾波后的信號(hào)與原始信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)信號(hào)經(jīng)過(guò)COS濾波后能有效地消除信號(hào)中的噪聲，且信號(hào)能較好地保持原始信號(hào)的基本特征。在0.006s內(nèi)深松鏟的阻力為0N，因?yàn)榇诉^(guò)程深松鏟逐漸靠近土壤模型，未產(chǎn)生切削作用；在0.006～0.125s內(nèi)，深松鏟的阻力逐漸增大，此過(guò)程為深松鏟開始切削土壤到穩(wěn)定切削；在0.125～0.30s內(nèi)，深松鏟的阻力基本不變，一直處于穩(wěn)定切削過(guò)程，一半深松鏟所受阻力為702N。

為了對(duì)比分析5種不同結(jié)構(gòu)的深松鏟在切削土壤過(guò)程中的阻力變化情況，對(duì)上述5種深松鏟進(jìn)行了LS-DYNA仿真，其穩(wěn)定切削過(guò)程中的阻力對(duì)比如圖5所示。由圖5可知：圓弧型深松鏟的阻力最大，為825N，而阻力最小的為仿生變曲率型深松鏟，其阻力為601N，直線型、擺線型和拋物線型深松鏟的阻力分別為702、712、692N。因此，仿生變曲率型深松鏟在切削土壤過(guò)程中減阻性能最好。

圖3 直線深松鏟切削土壤時(shí)所受阻力

圖4 數(shù)字濾波后直線深松鏟切削土壤時(shí)所受阻

圖5 5種深松鏟受到的阻力

4.2 土壤等效應(yīng)力分析

為了分析深松鏟不同觸土曲面對(duì)土壤擾動(dòng)的影響，研究了在切削速度為 1.666 7m/s時(shí)，土壤在被穩(wěn)定切削過(guò)程中(第2s)的應(yīng)力分布情況。圖6為5種不同類型深松鏟切削土壤過(guò)程中的應(yīng)力分布。由圖6可知：深松鏟在切削土壤過(guò)程中，應(yīng)力分布主要出現(xiàn)在深松鏟的觸土曲面，直線型、圓弧型、擺線型、拋物線型和仿生變曲率型深松鏟的最大應(yīng)力分別為2.32、2.40、3.80、2.11、2.93MPa。直線型、圓弧型和拋物線型深松鏟的鏟尖均存在較大的應(yīng)力分布，而鏟尖相對(duì)而言較為脆弱，若長(zhǎng)時(shí)間處于高應(yīng)力下，容易導(dǎo)致其變形，從而使整個(gè)深松鏟報(bào)廢；擺線型深松鏟雖然鏟尖的應(yīng)力較小，但深松鏟的下端應(yīng)力較大；仿生變曲率型深松鏟的高應(yīng)力區(qū)主要集中在上部，下端應(yīng)力分布較小。

(a) 直線型 (b) 圓弧線型 (c) 擺線型

(d) 拋物線型 (e) 仿生變曲率型

5 不同工作參數(shù)對(duì)深松鏟耕作阻力的影響

5.1 入土角對(duì)耕作阻力的影響

入土角的大小對(duì)深松鏟阻力具有重要影響，選擇合適的入土角可以明顯改善深松鏟的受力情況。從現(xiàn)有研究和實(shí)際情況來(lái)看，入土角一般選擇20°～40°，入土角太大或太小不利于深松鏟的使用[19]，因此本文選擇20°、24°、28°、32°、36°作為入土角的5個(gè)試驗(yàn)水平。仿生變曲率深松鏟在5種不同入土角下受到的阻力如圖7所示，其工作深度為 280mm，速度為1.666 7m/s (6km/h)。由圖7可知：入土角為24°時(shí)，深松鏟切削土壤時(shí)所受阻力最小，為601N；入土角為20°時(shí)，深松鏟阻力為 630N；當(dāng)入土角大于24°時(shí)，深松鏟的阻力隨入土角的增大而增大。因此，當(dāng)入土角為24°時(shí)，深松鏟具有較好的減阻性能。

圖7 不同入土角對(duì)深松鏟阻力的影響

5.2 工作速度對(duì)耕作阻力的影響

為了研究在不同的工作速度下深松鏟受到土壤阻力情況，對(duì)工作速度進(jìn)行單因素試驗(yàn)仿真。根據(jù)深松鏟實(shí)際工作的要求[20]，將工作速度設(shè)置為4、5、6、7、8km/h等5個(gè)試驗(yàn)水平，其工作深度為280mm，入土角為24°。圖8為不同工作速度對(duì)深松鏟耕作阻力的影響。由圖8可知：深松鏟切削土壤時(shí)，其阻力隨工作速度的增加而增大，工作速度為4km/h時(shí)，其阻力最小，為530N；工作速度為8km/h時(shí)，其阻力最大，為689N。工作速度快，雖然能提高深松鏟的工作效率但同時(shí)也會(huì)使工作阻力增大，增加能耗，因此在實(shí)際工作工程中，應(yīng)根據(jù)具體的工作要求來(lái)選擇合適的工作速度。

圖8 不同工作速度對(duì)深松鏟阻力的影響

5.3 工作深度對(duì)耕作阻力的影響

為了進(jìn)一步研究不同工作深度對(duì)深松鏟切削阻力的影響，對(duì)工作深度進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)。根據(jù)深松鏟實(shí)際工況的要求，將工作深度設(shè)置為160、190、220、250、280mm等5個(gè)試驗(yàn)水平，工作速度為6km/h，入土角為24°。圖9為不同工作深度對(duì)深松鏟耕作阻力的影響。

圖9 不同工作深度對(duì)深松鏟阻力的影響

由圖9可知：深松鏟在切削土壤過(guò)程中，其阻力隨工作深度的增加而增大，在工作深度為160mm時(shí)，深松鏟阻力最小為380N；在工作深度為280mm時(shí)，深松鏟阻力最大，為601N。

6 結(jié)論

1)仿生變曲率深松鏟的減阻性能最好，其阻力最小(601 N)，圓弧型深松鏟的減阻性能最差，耕作阻力最大(825 N)。

2)深松鏟入土角為24°時(shí)，其耕作阻力最小(601N)，入土角為20°時(shí)，深松鏟阻力為 630N。當(dāng)入土角大于24°時(shí)，深松鏟的阻力隨入土角的增大而增大，因此當(dāng)入土角為24°時(shí)，深松鏟具有較好的減阻性能。

3)深松鏟的耕作阻力隨工作速度和工作深度的增加而增大，在速度為8km/h，工作深度為280mm時(shí)，其耕作阻力均最大。