基于離散單元法的旋耕刀耕作仿真分析

賈雅麗

摘 要：為分析旋耕刀耕作過程中所受阻力及其變化規(guī)律，實現對旋耕刀的數字化與可視化研究。利用離散單元法，對旋耕刀作業(yè)過程進行了仿真分析，本研究可為有效揭示土壤耕作機理提供理論依據。

關鍵詞：離散單元法;旋耕刀;土壤切削;仿真分析

中圖分類號：S222.3 ? ? ? ?文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.08.006

0 引言

中國是一個農業(yè)大國，更是一個農機使用大國。2019年我國農作物耕種收綜合機械化率超過70%，農業(yè)生產正逐步實現機械化與現代化。耕整地機械在現代化農業(yè)機械中舉足輕重[1]，特別是近年來，隨著國家對農業(yè)的大量投入，農民生產觀念的更新，我國北方農業(yè)種植結構逐年優(yōu)化，產業(yè)化種植面積也不斷增加，這使得耕整地機械的應用更具前景。耕整地機械最重要的耕作部件是旋耕刀。工作時，旋耕刀與土壤發(fā)生接觸，進行周期性的旋轉切割，刀具對土壤進行垂直切入，破土、旋轉切削、碎土等過程[2]。顯然，要提高旋耕機的作業(yè)性能，需要對旋耕刀的結構和工作參數進行科學的分析[3，4]。

旋耕刀工作時進行比較復雜的機械運動，其中土壤切削是最具有代表性的土壤加工過程，因此對土壤切削的科學分析和模擬是降低農機具功率消耗的關鍵。目前，一般采用物理試驗法和模擬仿真法進行土壤切削的分析。近年來，不少研究者應用土壤切削離散元仿真及數值模擬技術，對旋耕刀切削土壤進行了有效分析，證實了模擬仿真試驗的可行性。本文利用離散單元法，對旋耕刀作業(yè)過程進行仿真，并分析了土壤對旋耕刀產生的阻力及其變化趨勢。研究可為有效揭示土壤耕作機理提供理論依據。

1 模型構建

1.1 土壤顆粒參數

土壤物理和力學性質影響著旋耕刀與土壤相互作用關系的力學模擬效果[5]，本文采用Hertz-Mindlin with JKR作為土壤基質間的接觸模型，參考相關文獻，準確模擬華北平原的土質特性。土壤模型參數如表所示[6，7]。

1.2 EDEM仿真模型

本文對國標（GB/T 5669-2008）規(guī)定的IT245型旋耕刀進行研究，使用3D掃描對已有國標旋耕刀進行曲面建模，并導出*.stl格式文件。

將旋耕刀*.stl格式文件導入到離散元軟件EDEM2018，材料設置為65 Mn;為表征土壤結塊及分層現象，土槽由3層不同顆粒堆積而成，從表層至底層分別為單球面顆粒、三球面顆粒與四球面顆粒，土槽尺寸長、寬、高分別設置為1000 mm×400 mm×300 mm，仿真模型如圖1所示。

2 工作阻力分析

設定旋耕刀旋轉速度為300 r·min-1，前進速度為0.8 m·s-1，仿真過程如圖2所示。進行多次仿真試驗取平均值，得到旋耕刀阻力變化曲線如圖3所示。

通過仿真分析可以看出，旋耕刀所受阻力最大值在400～500 N之間，最小值為0，平均值約為160 N。阻力曲線整體呈上下波動趨勢，與實際田間作業(yè)阻力變化趨勢大致相同。本研究表明離散元法在分析旋耕刀工作阻力方面的正確性，但土壤情況較為復雜，要準確描述土壤顆粒間的接觸關系，仍需進行大量試驗與驗證。后期將重點研究土壤基質物理特性，以進一步提高仿真精度，為機具能耗分析、刀片磨損失效等研究提供參考。

參考文獻：

[1] 韓宏宇，沈亮，彭君峰，等.耕整地機械的應用及發(fā)展研究[J].農機使用與維修，2016（1）：20-21.

[2] 何憲章.土壤機器系統(tǒng)力學的研究[J].農業(yè)工程，1980（3）：20-28.

[3] 賈洪雷，汲文峰，韓偉峰，等.旋耕-碎茬通用刀片結構參數優(yōu)化試驗[J].農業(yè)機械學報，2009，40（7）：45-50.

[4] 張居敏，周勇，夏俊芳，等.旋耕埋草機螺旋橫刀的數學建模與參數分析[J].農業(yè)工程學報，2013，29（1）：18-25.

[5] 王憲良，胡紅，王慶杰，等. 基于離散元的土壤模型參數標定方法[J].農業(yè)機械學報，2017，48（12）：78-85.

[6] 熊平原，楊洲，孫志全，等.基于離散元法的旋耕刀三向工作阻力仿真分析與試驗[J].農業(yè)工程學報，2018，34（18）：113-121.

[7] 郝建軍，龍思放，李浩，等.機收麻山藥離散元模型構建及其仿真參數標定[J].農業(yè)工程學報，2019，35（20）：34-42.