基于EDEM的自走式螺旋深耕機(jī)耕作仿真與試驗

張富貴,曾以明,吳雪梅,孫效荷,彭大超

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,貴陽 550025;2.現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室,貴陽 550025;3.貴州智慧山地農(nóng)業(yè)發(fā)展研究院,貴陽 550025)

0 引言

由于貴州丘陵山區(qū)具有地塊小、坡度大及地塊分散等地勢特殊性,因此微耕機(jī)得到了大力的推廣。但微耕機(jī)耕深一般不超過16cm,運用其進(jìn)行多年的淺層旋耕后,表層土壤下會出現(xiàn)硬底層,對旱地經(jīng)濟(jì)作物的生長發(fā)育極為不利,嚴(yán)重影響到農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。土壤深耕是專門改善硬底層的一項技術(shù),可以打破厚實的硬底層,為農(nóng)作物的生長提供有利條件,且對治理土傳病害和土壤結(jié)構(gòu)惡化有很好的效果[2]。目前,國內(nèi)外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤深耕、翻耕使用的機(jī)具主要是鏵式犁、圓盤犁、深松犁等[3-8],用犁盤耕作能起到翻耕的功能,但是無法實現(xiàn)碎土功能。衛(wèi)韋等設(shè)計的鏈?zhǔn)缴罡麢C(jī)能實現(xiàn)深耕及碎土功能,但耕幅較小,效率低[9]。楊夫君設(shè)計了一種組合式強(qiáng)力深松碎土機(jī),采用螺旋鉆削方式使螺旋鉆頭在土壤深層以螺旋運動向前切土,同時立式刀軸高速橫向旋轉(zhuǎn)碎土,其碎土能力強(qiáng),但機(jī)組成本高,且轉(zhuǎn)移困難[10]。

針對以上問題及螺旋深耕的優(yōu)點,設(shè)計了一款力深松碎土機(jī),采用螺旋鉆削方式使螺旋鉆頭在土壤深層以螺旋運動向前切土,同時立式刀軸高速橫向旋轉(zhuǎn)碎土,碎土能力強(qiáng),但機(jī)組成本高,且轉(zhuǎn)移困難[10]。

針對以上問題及螺旋深耕的優(yōu)點,設(shè)計了一款自走式雙螺旋旋耕機(jī),本文對螺旋深耕刀旋耕過程進(jìn)行離散元仿真,探究其對螺旋深耕的影響,并進(jìn)行田間試驗,以期為自走式螺旋深耕機(jī)的設(shè)計及改進(jìn)提供參考。

1 仿真模型的建立

1.1 螺旋深耕機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

自走式雙螺旋深耕機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.主動輪 2.發(fā)動機(jī) 3.從動輪 4.液壓泵 5.液壓缸 6.液壓馬達(dá)7.齒輪箱 8.旋刀葉片 9.螺旋刀桿 10.液壓油箱 11.履帶行走裝置圖1 小型自走式螺旋深耕機(jī)總裝圖Fig.1 Small self - propelled spiral cultivator’s general assembly drawing

機(jī)具由8.88kW風(fēng)冷柴油機(jī)及液壓系統(tǒng)提供動力,包括液壓控制系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)、螺旋深耕裝置、履帶行走裝置等幾大部分。自走式雙螺旋旋耕機(jī)由發(fā)動機(jī)提供動力,經(jīng)變速箱分兩路輸出:一路為機(jī)體行走提供動力,另一路經(jīng)液壓系統(tǒng)為刀具提供旋耕動力。圖2為螺旋深耕刀模型。

圖2 螺旋深耕刀Fig.2 Spiral deep ploughing knife

自走式螺旋深耕機(jī)由型號10.3kW風(fēng)冷柴油機(jī)提供動力,動力分兩路輸出:一路經(jīng)過變速箱給行走輪提供動力,另一路通過皮帶輪經(jīng)液壓泵為刀具提供旋轉(zhuǎn)動力。

1.2 理論模型的建立與選擇

為了在樣機(jī)加工前得到樣機(jī)最佳匹配動力、最佳耕作速度及耕作效率等,對樣機(jī)進(jìn)行刀具旋耕過程的仿真,以減少盲目加工帶來成本。

1.2.1 顆粒位移理論

離散元法可用于工程力學(xué)、粉末加工、混合攪拌等工業(yè)工程,以及糧食等顆粒散體的倉儲、運輸?shù)壬a(chǎn)實踐領(lǐng)域,主要應(yīng)用于離散體在復(fù)雜物理場作用下的動力學(xué)行為和多相混合介質(zhì)力學(xué)特性的研究中,且可根據(jù)實際情況對每個顆粒設(shè)定其獨有的屬性及受力情況。此外,仿真顆粒并非都是球形、橢圓形,還有三維的球形和橢球型,其形狀雖采用多種形式,但基本原理都是根據(jù)牛頓的第二定律來得到顆粒的力-位移的關(guān)系。顆粒p的運動關(guān)系為

(1)

式中mp—顆粒p的質(zhì)量(g);

∑F—顆粒p質(zhì)心處所受到的合力 (N);

Ip—顆粒p的轉(zhuǎn)動慣量 (g·m2);

∑M—顆粒p質(zhì)心處所受到的合外力矩(N)。

對式(1)利用中心差分法進(jìn)行求解,并對式(1)進(jìn)行積分,得到顆粒p的更新后速度為

(2)

式中T—時間步長;

S—對應(yīng)時間 (s)。

對式(2)二次積分,可得到位速度移關(guān)系式為

(3)

由式(3)可得出顆粒新的位移結(jié)果,將位移結(jié)果代入力-位移的關(guān)系式中可得到仿真相關(guān)的作用力。將式(1)～式(3)進(jìn)行循環(huán)計算可得到顆粒的運動模型。

1.2.2 EDEM接觸模型選擇

為描述螺旋刀具旋耕過程中土壤顆粒間及土壤顆粒與接觸部件間的瞬態(tài)力學(xué)行為,EDEM 系統(tǒng)默認(rèn)多種接觸力學(xué)模型,以模擬不同的顆粒接觸力學(xué)特性[12-13]。根據(jù)螺旋刀具加工材質(zhì)、作業(yè)模式和貴州山地的土壤屬性,選擇了Hertz-Mindin無滑動接觸模型和黏結(jié)接觸模型。Hertz-Mindin無滑動接觸模型為

(4)

式中ν1、ν2—兩顆粒的泊松比;

G1、G2—兩顆粒的剪切模量(Pa)。

(5)

式中β—相關(guān)系數(shù);

St—切向剛度 (N/m)。

m—等效質(zhì)量(g);

vt—切向相對速度(m/s)。

Tn=-μrFnRiωi

(6)

式中μr—滾動摩擦因數(shù);

Fn—顆粒間法向力(N);

Ri—質(zhì)心到質(zhì)點的距離(mm);

ωi—接觸點位置單位加速度矢量。

黏結(jié)接觸模型為

(7)

式中Fn、Fs—兩顆粒所對應(yīng)的粘結(jié)力(N);

Tn、Ts—扭矩 (N·m);

A—兩顆粒接觸區(qū)域面積(m2);

RB—顆粒粘結(jié)半徑(mm)。

2 螺旋刀具深耕過程仿真分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

將螺旋深耕作業(yè)的刀具在田間試驗之前利用EDEM離散元分析軟件仿真其工作時的情況,在仿真軟件中設(shè)置好相關(guān)參數(shù)。設(shè)置參數(shù)主要針對土壤及深耕刀具,未旋耕過的土壤屬于離散介質(zhì)材料,并沒有特定的規(guī)律,表現(xiàn)為各向異性等非線性物理性質(zhì)。螺旋深耕刀屬介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)體[14],有著特定的形態(tài)與運動規(guī)律。根據(jù)貴州土壤以黃壤為主,取土壤測其含水率及堅實度等,通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),設(shè)置螺旋深耕刀具仿真參數(shù),如表1所示。

表1 螺旋深耕刀具仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Simulation parameters of spiral deep-plowing tools

2.2 仿真結(jié)果及分析

2.2.1 螺旋深耕刀切削土壤過程分析

圖3為螺旋深耕刀仿真模型,圖4為10s深耕過程圖。分析整個深耕過程可知:轉(zhuǎn)速為180r/min時,螺旋深耕刀的受力波動最小,操作穩(wěn)定性較強(qiáng),效果較好。選轉(zhuǎn)速為180r/min轉(zhuǎn)數(shù)下的螺旋深耕刀仿真結(jié)果作分析,以此來研究螺旋深耕刀工作時切土、拋土及深耕的具體狀況。圖4(a)為螺旋深耕刀模型位置,(b)為顆粒工廠填滿所需顆粒后深耕刀開鉆尖始接觸部分土壤,(c)為螺旋深耕刀進(jìn)入土壤30cm后停止向下,(d)為深耕刀開始深耕,(e)為深耕刀工作至土壤工廠的遠(yuǎn)端。

圖3 螺旋深耕刀仿真模型Fig.3 Simulation model of spiral deep ploughing knife

螺旋深耕刀切削土壤后形成坑穴,從表面來看大部分深耕過的位置已被顆粒覆蓋。由圖4(b)可以大致看出土壤的局部拋撒情況。土壤顆粒流動方向如果與螺旋深耕刀旋轉(zhuǎn)相同,則旋轉(zhuǎn)后的土壤被刀具的旋片排出,且大部分土壤在被旋起后都落在原處。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因為本課題設(shè)定的土壤為貴州黏度較高土壤,當(dāng)靠近螺旋深耕刀的土壤被旋出時也會因含水量高、自身質(zhì)量大而做相對于刀具的自由落體運動,一部分則留在刀具上。針對土壤粘連刀具情況,對螺旋刀具改制為齒狀,其作用如下:一是便于切土;二是能夠在最大程度上破碎粘性土塊,使深耕后的土壤更松散。

2.2.2 不同轉(zhuǎn)速軸向受力分析

螺旋深耕刀轉(zhuǎn)速是影響深耕效果的重要工作參數(shù),本次仿真設(shè)置60、120、180、240、300r/min等6種不同轉(zhuǎn)速,分析螺旋深耕刀軸向受力變化情況,以選出刀軸受力最穩(wěn)定是的轉(zhuǎn)速。圖5為不同轉(zhuǎn)速下兩把螺旋深耕刀軸向受力曲線。由圖5可知:螺旋深耕刀轉(zhuǎn)速越高,受力越小;但在180r/min時,轉(zhuǎn)速增大對軸向合力影響較小。整個深耕過程中,轉(zhuǎn)速為180r/min時螺旋深耕刀的受力波動最小,操作穩(wěn)定性較強(qiáng),效果較好。

2.2.3 螺旋深耕刀扭矩與功率分析

圖6為不同轉(zhuǎn)速下螺旋深耕刀水平方向所受扭矩圖。螺旋深耕刀在低轉(zhuǎn)速下所受扭矩大于高轉(zhuǎn)速所受扭矩,因為螺旋深耕刀在同樣的軸向與水平方向進(jìn)給速度下,低轉(zhuǎn)速工作的螺旋深耕刀每轉(zhuǎn)的土壤進(jìn)給量大于高轉(zhuǎn)速下每轉(zhuǎn)進(jìn)給量,所需的切削力也要大于高轉(zhuǎn)速下的,故低轉(zhuǎn)速下螺旋深耕刀工作時所需扭矩要高于高轉(zhuǎn)速情況。同時,低轉(zhuǎn)速下螺旋深耕刀每轉(zhuǎn)拋土量大于高轉(zhuǎn)速螺旋深耕刀,故低轉(zhuǎn)速下刀具受力增大,扭矩也隨之增大,但深耕速率太慢無法實現(xiàn)應(yīng)有的功能。圖7為不同轉(zhuǎn)速下螺旋深耕刀豎直方向所受扭矩圖,豎直方向上刀具的扭矩為阻礙刀具入土及在水平方向的深耕。綜合樣機(jī)所預(yù)計的額定轉(zhuǎn)速、承受載荷及工作效率等多重因素及對圖6、圖7的分析,可得出以下結(jié)論:轉(zhuǎn)速為180r/min時,螺旋深耕刀水平所受扭矩相對較大,水平所受扭矩相對較小,更利于深耕,且能保證良好的深耕速率及深耕質(zhì)量。

圖6 螺旋深耕刀水平方向所受扭矩圖Fig.6 Torque diagram of the horizontal direction of the spiral deep ploughing knife

圖7 螺旋深耕刀豎直方向所受扭矩圖Fig.7 Torque diagram of the vertical direction of the spiral deep ploughing knife

圖8為不同轉(zhuǎn)速下螺旋深耕刀消耗功率曲線圖。由圖8可以看出:隨著螺旋深耕刀轉(zhuǎn)速的增加,螺旋深耕刀消耗的功率呈現(xiàn)上升的態(tài)勢;隨著轉(zhuǎn)速的提升,單位時間的旋土量較大,刀功率消耗也大。但是,轉(zhuǎn)速高低并不能來評判深耕效率的高低,因為螺旋深耕機(jī)主要針對的地區(qū)為貴州,貴州的土壤粘性大,過大的轉(zhuǎn)速會使得土壤粘結(jié)在一起,轉(zhuǎn)速過大時扭矩的減小會影響深耕的質(zhì)量,甚至損傷機(jī)器。由圖8可知:螺旋深耕刀從180r/min上升到240r/min時,消耗功率上升的速率明顯加快。這說明,當(dāng)螺旋深耕刀轉(zhuǎn)速超過180r/min時,隨著轉(zhuǎn)速的增大功率消耗加快,且高速小扭矩的情況下并不適合深耕時使用。

圖8 不同轉(zhuǎn)速螺旋深耕刀消耗功率曲線圖Fig.8 Consumption curve of different speed spiral deep ploughing cutter

3 田間試驗

為測試自走式螺旋深耕機(jī)性能,在貴州大學(xué)農(nóng)場進(jìn)行耕深、耕寬及耕深穩(wěn)定性試驗。選取平整無坡的場地作為第1代自走式螺旋深耕機(jī)樣機(jī)的性能測試試驗區(qū),試驗實際情況如圖8、圖9所示。

圖10 行走耕作圖Fig.10 Farming process diagram

刀具達(dá)到完全入土?xí)r,試驗現(xiàn)象為刀具旋耕出類橢圓形坑,泥土隨刀具散落在坑周圍,散落寬度為5～10cm。旋耕機(jī)在行走耕作過程中,泥土隨刀具對轉(zhuǎn)往兩刀軸中心向后端散落,刀具左右兩端泥土的散落面積較小。刀具反轉(zhuǎn)時,刀具左右兩端泥土的散落面積較大,得出螺旋深耕機(jī)刀具反轉(zhuǎn)具有一定的平整土地功能。設(shè)計的拔齒結(jié)構(gòu)能很好地實現(xiàn)碎土功能,碎土率在80%左右,效果較好。

規(guī)定測試長度為30m,每個行程除去開始與結(jié)束階段各5m的不穩(wěn)定段,對中間20m作定點數(shù)據(jù)采集,每個行程取5個測量點。測定耕深、耕寬及試驗條件的相關(guān)指標(biāo)(如土壤的含水率、堅實度等),并盡量避免埋頭石較多的區(qū)域。表2所示為耕深、耕寬及含水率等部分參數(shù)測量值。經(jīng)過多次測量,計算平均值得出試驗結(jié)果,如表3所示。由表3可知:自走式螺旋深耕機(jī)耕作深度滿足農(nóng)藝要求。

表2 螺旋深耕部分試驗數(shù)據(jù)Table 2 Partial test data of spiral deep tillage machine

表3 螺旋深耕機(jī)試驗結(jié)果Table 3 Test results of spiral deep tillage machine

4 結(jié)論

1)對設(shè)計的自走式螺旋深耕機(jī)的螺旋刀具耕作過程進(jìn)行仿真,通過分析刀具的設(shè)計結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及耕作的土壤情況,進(jìn)行接觸模型的分析和選擇,并設(shè)置相關(guān)仿真參數(shù)。對螺旋深耕刀切削土壤過程中不同轉(zhuǎn)速軸向受力、螺旋深耕刀扭矩與功率等進(jìn)行分析,結(jié)果表明:螺旋深耕刀轉(zhuǎn)速為180r/min、導(dǎo)程為350mm時,深耕效率較高,耕地效果好。

2)田間性能測試結(jié)果表明:深耕可以達(dá)到30cm的深度,耕深穩(wěn)定性為93.5%,滿足農(nóng)藝要求。

雖然耕深等一系列指標(biāo)符合要求,但樣機(jī)存在自重過大、旋耕刀導(dǎo)桿在下降及回升過程中對主軸左右偏離等不足。后續(xù)將對機(jī)體從機(jī)構(gòu)和材質(zhì)上進(jìn)行輕量化改進(jìn)設(shè)計,使液壓系統(tǒng)由1個輸出改為兩個輸出,分別獨自控制液壓缸和液壓馬達(dá)提高刀具的下降和回升的穩(wěn)定性。