碎土機(jī)刀片碎土過程仿真與分析

摘要：良好的苗土是實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)的必備條件，為了改善苗土碎土質(zhì)量，提高碎土機(jī)碎土效率，降低碎土機(jī)能耗和刀片的磨損，提出一種新的碎土機(jī)刀具部件模型，并利用離散元軟件EDEM對(duì)碎土機(jī)的碎土過程進(jìn)行模擬，計(jì)算破碎過程中新舊刀片受到的阻力和能量的損耗。結(jié)果表明，新型刀片以25°的切削前角，5°的切削后角對(duì)土壤進(jìn)行切削時(shí)，受到的法向力和總阻力都遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)刀片受到的力;破碎相同質(zhì)量的土壤，其能量損耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)刀片的能量損耗;并且新型刀片對(duì)土壤施加垂直于前刀面的力，推動(dòng)土塊沿此方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)際破碎過程中將土壤擊飛并與筒壁碰撞破碎，提高了破碎率。研究結(jié)果可為碎土機(jī)、碎土篩土機(jī)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、改進(jìn)等提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：碎土機(jī)刀片;離散元素法;切削;功耗;EDEM軟件

中圖分類號(hào)： TH164;S222.5? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）14-0239-04

水稻育秧過程中，要實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，良好的苗土是必要保障。良好的苗土要求土顆粒粒徑為2～4 mm、含水量為20%左右，而自然土的顆粒粒徑難以達(dá)到要求，須要對(duì)苗土進(jìn)行破碎處理[1-2]，國(guó)內(nèi)的碎土機(jī)類型有ST-38型碎土機(jī)、ST-2000型碎土機(jī)等，并配套有篩土機(jī)如CT-2000篩土機(jī)等[3];或者集碎土、篩土為一體的整臺(tái)設(shè)備，如ST-08型碎土篩土機(jī)等。但很多碎土機(jī)、碎土篩土機(jī)都存在碎土率低、功耗大、污染嚴(yán)重、刀片磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象，并伴隨一定的土塊回彈現(xiàn)象;現(xiàn)有的解決方案大多是對(duì)碎土腔進(jìn)行結(jié)構(gòu)、傾斜角度等改進(jìn)，缺少對(duì)破碎過程的研究。

本研究建立2種碎土機(jī)刀具部件模型，并基于離散元軟件EDEM對(duì)碎土機(jī)的碎土過程進(jìn)行模擬，分析了破碎過程中阻力、摩擦力對(duì)刀片的影響和土壤破碎過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，并提出了對(duì)碎土機(jī)、碎土篩土機(jī)刀片的改進(jìn)方案，以期為碎土機(jī)、碎土篩土機(jī)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、改進(jìn)等提供幫助。

1 農(nóng)用碎土機(jī)碎土原理

碎土機(jī)的碎土原理是驅(qū)動(dòng)破碎腔或篩筒中的刀軸旋轉(zhuǎn)，刀軸帶動(dòng)分布于刀軸徑向的刀片高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)土壤進(jìn)行劈裂、折斷和沖擊破碎;在破碎腔或篩筒中，高速運(yùn)動(dòng)的土壤和筒體間存在撞擊、摩擦等相互作用，也會(huì)對(duì)部分土壤進(jìn)行破碎。

2 離散元模型

實(shí)際土壤成分，組成土壤的顆粒粒徑、形狀等極其復(fù)雜，要設(shè)置土壤顆粒的真實(shí)形態(tài)極為不易，為模擬實(shí)際土壤，本研究利用離散元軟件EDEM建立合適的土壤模型，為后續(xù)的切削仿真試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

2.1 土壤模型

2.1.1 材料參數(shù)

常見的水稻田間土壤顆粒材料特性、顆粒與顆粒間的相互作用參數(shù)、顆粒與幾何體間的相互作用參數(shù)見表1、表2。

2.1.2 幾何模型

在仿真計(jì)算過程中，土壤顆粒會(huì)在刀片切削過程中飛出計(jì)算域，為防止顆粒飛出，本研究利用EDEM軟件前處理器中的幾何體模塊建立了盒子模型，盒子的具體尺寸為200 mm×140 mm×80 mm。本研究采用球型土壤顆粒模型，并將其進(jìn)行黏結(jié)化，模仿塊狀土體。顆粒生成方式為動(dòng)態(tài)生成，即1次生成104個(gè)顆粒，自然下落、堆積，靜置一段時(shí)間后形成土壤模型，模型中小顆粒半徑為2 mm，塊狀長(zhǎng)方體形土壤長(zhǎng)為100 mm，寬為120 mm，高為80 mm。

2.1.3 物理模型

水稻田間土壤具有輕質(zhì)、黏度大、含水率高、易成塊的特點(diǎn)，且顆粒之間具有較大的凝聚力、附著力，因此常用黏結(jié)顆粒模型（bonded? particle model，簡(jiǎn)稱BPM）模擬破碎過程中顆粒的運(yùn)動(dòng)過程[4-5]，這種模型定義的最大法向應(yīng)力和切向應(yīng)力為

2.2 刀片模型

2.2.1 傳統(tǒng)刀片模型

碎土機(jī)械一般通過刀片旋轉(zhuǎn)的方式對(duì)土壤進(jìn)行破碎，刀片多為細(xì)長(zhǎng)方體形，例如ST-2000型碎土機(jī);或者為圓柱體形，例如BJCT-2200型碎土機(jī)。傳統(tǒng)類型刀片在主軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，對(duì)進(jìn)入破碎腔的土壤塊體進(jìn)行劈裂、折斷和沖擊破碎。為分析刀片切削、破碎土壤過程，以細(xì)長(zhǎng)方體形刀片為模型，具體尺寸為100 mm×10 mm×5 mm。

2.2.2 新型刀片模型

新型的刀片長(zhǎng)度為 100 mm，其橫斷面為三角形結(jié)構(gòu)（圖1）。α是刀片切削面a與切削速度平面c之間的夾角，為切削角，值的大小直接影響刀片對(duì)土壤的切削阻力，進(jìn)而影響土壤的破碎效果。切削角的選擇要綜合考慮碎土機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速、土壤類型、篩筒傾斜角等因素。實(shí)踐證明，轉(zhuǎn)速越高，切削角值越小，阻力越小。本研究中設(shè)計(jì)切削角為25°。ε是刀片后斜面b與切削速度平面c之間的夾角，為切削后角，切削后角是引起刀片后斜面對(duì)其切削速度方向平面土壤壓實(shí)的主要因素，本研究設(shè)計(jì)的切削后角為5°，設(shè)定刀體長(zhǎng)度為100 mm。

3 碎土過程仿真計(jì)算

為便于觀察刀片切削土壤的微觀過程、土壤與2種刀片的相互作用，本研究假定2種刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡均為直線，且以較小的速度（0.8 m/s）沿土壤長(zhǎng)度方向勻速切削土壤，其速度沿y軸方向?yàn)樨?fù)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間從0 s到0.1 s。在生產(chǎn)實(shí)踐中，碎土機(jī)的刀片切削速度很快，其刀片的運(yùn)動(dòng)速度與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

式中：ω為角速度;n為轉(zhuǎn)速;R為半徑;v為運(yùn)動(dòng)速度。為了模擬碎土機(jī)破碎率的變化情況，以碎土機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速為準(zhǔn)設(shè)置刀片運(yùn)動(dòng)速度，常用的碎土機(jī)主軸轉(zhuǎn)速約為 1 200 r/min，半徑R=100 mm，由公式（2）可得刀片的運(yùn)動(dòng)速度為6.28 m/s，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.015 s。刀片的切削過程見圖2，圖2中展示了時(shí)間為0.01 s時(shí)，被切削土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)速度。

由圖2-a可知，在切削和破碎過程中，傳統(tǒng)刀片周圍的顆粒產(chǎn)生速度較大，土塊有被“壓扁”的趨勢(shì)。由圖2-b可知，新型刀片周圍的顆粒速度較小，土塊在被切削的過程中產(chǎn)生了橫向位移。

4 結(jié)果與分析

4.1 刀片切削過程分析

在碎土機(jī)刀片切削過程中，刀片受到土壤顆粒對(duì)刀片產(chǎn)生的法向接觸力、切向接觸力、摩擦力等力的共同作用，這些力會(huì)對(duì)刀片產(chǎn)生磨損，且受力越大，刀片磨損量越大，磨損速度越快。

2種刀片在切削土壤過程中，刀片受到的土壤顆粒法向接觸力以及總阻力的變化曲線見圖3。2種刀片在切削過程中，接觸土壤顆粒所受到的法向接觸力及總阻力的變化規(guī)律相近，均先急劇增大，后不穩(wěn)定減小。這是因?yàn)榍邢魍寥赖倪^程中，刀片快速擠壓土壤，土壤發(fā)生了從彈性抵抗到塑性破壞的劇烈變化，改變了刀片的受力環(huán)境。

新型刀片的切削角在很大程度上減小了作用在刀片上的法向力，所以刀片上受到的法向力和總阻力都比傳統(tǒng)刀片上受到的力要小很多。從圖3可以看出，相比于傳統(tǒng)刀片，新型刀片的接觸力變化趨勢(shì)較為平緩。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)刀片矩形面垂直于切削方向，受到土壤顆粒擠壓、撞擊等的法向力比新型刀片大，刀體垂直于切削方向的面受力很大，而兩側(cè)面受到的切向力較小。由圖4可知，新型刀片由于切削刃方向與切削方向?yàn)殇J角，減小了受到的土壤法向阻力，刀體受到的阻力主要為切向力，圖4中展示了時(shí)間為0.02 s時(shí)，傳統(tǒng)刀片和新型刀片的受力分布。

4.2 刀片破碎過程分析

2種刀片以相同的運(yùn)動(dòng)速度（6.28 m/s）切削土壤，其對(duì)土壤模型的破碎效果參數(shù)見表4，單位時(shí)間段內(nèi)，傳統(tǒng)刀片破壞的黏結(jié)鍵比新型刀片多，這是由于傳統(tǒng)刀片對(duì)土壤施加的力主要為法向力，由于寬度較新型刀片切削面a的投影長(zhǎng)度大，所以切削過程中可以破壞更多的黏結(jié)鍵。

新型刀片消耗的能量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)刀片，這是由于傳統(tǒng)刀片在切削過程中，由于對(duì)土壤施加的法向力很大，傳統(tǒng)刀片在切削相同距離時(shí)做的功較新型刀片大，其切削土壤造成的能量損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于新型刀片所造成的能量損耗。

2種刀片的能耗與黏結(jié)鍵破壞個(gè)數(shù)的比值如下：

能量損耗均值=能量損耗黏結(jié)鍵破壞個(gè)數(shù)。

每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，新型刀片的切削功耗均小于傳統(tǒng)刀片的切削功耗，所以在切削時(shí)采用新型刀片不但可以減小刀片的磨損，還可以大大降低能量損耗，降低成本，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

5 結(jié)論

2種刀片在切削過程中，其受到的法向接觸力及總阻力的變化規(guī)律均為先急劇增大后不穩(wěn)定減小，但新型刀片受到的法向接觸力，總阻力值較小，因此其磨損量更小，使用壽命更長(zhǎng)，進(jìn)而可有效減少材料的浪費(fèi)和更換刀片造成的工時(shí)延長(zhǎng)，降低了成本。

新型刀片在切削過程中，同時(shí)可以對(duì)土壤施加垂直于新型刀片切削面的力，使土壤向此方向運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)增大土壤的運(yùn)動(dòng)速度，將其擊飛并與筒壁碰撞破碎，增強(qiáng)破碎率。

新型刀片由于切削面的投影長(zhǎng)度小于傳統(tǒng)刀片的迎向土壤的寬度，盡管相同切削條件下，破壞的黏結(jié)鍵個(gè)數(shù)小于傳統(tǒng)刀片，但在相同的切削過程中，刀片損耗的能量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)刀片。

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收稿日期：2019-07-30

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳自然科學(xué)基金（編號(hào)：18JK1134）。

作者簡(jiǎn)介：彭麗霞（1978—），女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，碩士，副教授，主要從事機(jī)械工程、智能機(jī)器人方面的研究。E-mail：1127198936@qq.com。