基于離散元的稻板田旋耕功耗預(yù)測(cè)模型研究

祝英豪 夏俊芳 曾 榮 鄭 侃 杜 俊 劉政源

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

長江中下游多熟制稻作區(qū)主要實(shí)施稻油、稻麥水旱輪作種植模式。稻板田栽播冬油菜、冬小麥前的耕整不同于北方的以松代犁，水旱輪作制的土壤耕整不僅需要符合旱作物栽培根系生長環(huán)境要求，同時(shí)也應(yīng)避免犁底層過度破壞導(dǎo)致蓄水困難，影響下茬水稻種植。由于北方模式不適用，為解決南方稻板田土壤粘結(jié)嚴(yán)重、茬口農(nóng)時(shí)矛盾、前茬稻稈量大株高等耕作難點(diǎn)，以旋代犁的土壤旋耕秸稈旋埋技術(shù)及裝備為其提供了新的解決方案[1-2]。其核心部件旋埋刀輥通過在傳統(tǒng)旋耕刀輥內(nèi)加裝切幅較寬的螺旋橫刀，起到防纏繞、秸稈旋埋以及提升碎土率的作用，但由此導(dǎo)致的高功耗問題尤為突出。因此研究旋埋刀輥的減阻降耗對(duì)于稻板田耕整及后續(xù)油麥栽培具有重要應(yīng)用價(jià)值[3]。由于旋埋刀輥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各因素存在交互作用、優(yōu)化項(xiàng)目主次不明確、刀輥試制成本高，以及稻板田耕作時(shí)節(jié)限制等因素影響，僅通過田間試驗(yàn)途徑研究刀輥減阻降耗比較困難，所以研究初期亟需構(gòu)建稻板田旋耕功耗預(yù)測(cè)模型，以指導(dǎo)刀輥優(yōu)化設(shè)計(jì)。

離散元法(Discrete element method，DEM)是一種用于分析與求解復(fù)雜離散系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題的數(shù)值方法，廣泛應(yīng)用于散粒結(jié)構(gòu)的模擬研究[4-5]。土壤是農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中最常見的顆粒狀物料之一，普遍存在的各向異性、非均勻及不連續(xù)等特征使土壤耕作系統(tǒng)更加復(fù)雜[6]。離散元法能有效解決耕作部件與土壤相互作用的非線性問題，獲取田間試驗(yàn)無法測(cè)量的數(shù)據(jù)信息，對(duì)耕作部件的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)及參數(shù)優(yōu)化，是當(dāng)前農(nóng)機(jī)具研究的重要輔助手段。國內(nèi)外學(xué)者基于離散元耕作模型開展了大量研究，主要涉及耕后力學(xué)指標(biāo)評(píng)估和土壤形態(tài)及細(xì)觀位移分析，其中深松鏟與土壤的接觸模型相對(duì)成熟，土壤無滑移摩擦接觸模型[7]、延遲彈性接觸模型[8-9]和粘結(jié)接觸模型[10-12]應(yīng)用廣泛。為增加深松行為的模擬精度，根茬[13]以及土層差異情況[14-15]也被考慮在模型構(gòu)建中。深松為土壤小擾動(dòng)耕作行為，其耕作模型不適用于旋耕。而針對(duì)旋耕作業(yè)的離散元模型研究報(bào)道較少，根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]，目前模型應(yīng)用局限于單回轉(zhuǎn)面旋耕(1～3把旋耕刀)及土槽試驗(yàn)，無法推演旋耕刀輥的田間真實(shí)作業(yè)情況。

本文根據(jù)稻板田土壤性質(zhì)及旋埋刀輥旋耕作業(yè)特點(diǎn)，構(gòu)建刀輥-土壤相互作用模型，旨在預(yù)估旋埋刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗，為后續(xù)旋埋刀輥減阻降耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，同時(shí)獲取的功耗數(shù)據(jù)可為刀輥扭力分析提供參考。

1 稻板田旋耕模型構(gòu)建

土壤接觸模型通過微觀層面描述土壤顆粒間的動(dòng)力學(xué)行為以表達(dá)宏觀土壤在載荷下復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變特性。農(nóng)具作用于土壤，土壤不斷形變直至破壞失效，同時(shí)土壤將產(chǎn)生的反作用力以耕作阻力的形式反饋給農(nóng)具。耕作過程由土壤和農(nóng)具共同參與，因此為確保仿真正確度，構(gòu)建離散元模型時(shí)在考慮土壤性質(zhì)的同時(shí)也需要關(guān)注農(nóng)具結(jié)構(gòu)及耕作方式的特殊性。

1.1 土壤顆粒接觸模型選取

長江中下游稻作區(qū)土壤普遍為粘性質(zhì)地，稻油、稻麥水旱輪作導(dǎo)致土壤常年干濕交替，對(duì)于粘土而言，土壤性質(zhì)受含水率影響較大。在工程應(yīng)用中，粘土因含水率表現(xiàn)出的軟硬稀稠程度通常由液塑限指標(biāo)衡量，該指標(biāo)將土壤分為固態(tài)、塑態(tài)和液態(tài)[18]。土壤的固塑液狀態(tài)關(guān)系到耕作時(shí)土壤破壞形式，固態(tài)土壤強(qiáng)度大，受載后易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)散破碎；塑態(tài)土壤可塑性強(qiáng)，能承受較大塑性形變而不離散；液態(tài)土壤呈泥漿狀，幾乎不具備抵抗外力和維持原有形狀的能力。在夏秋水稻收獲季節(jié)，由于氣候和地表裸露等因素，土壤含水率處于一年中最低水平，此時(shí)粘土濕脹干縮特性導(dǎo)致的田面土壤裂縫是稻板田最顯著的特征。根據(jù)2017年至2019年在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地中稻收獲后所得試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果顯示，稻板田耕層土壤含水率在20.38%～28.24%之間。為進(jìn)一步評(píng)估稻板田土壤破壞特征，使用五點(diǎn)法取田間土壤，利用LP-100D型數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀(上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，依據(jù)SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》要求，對(duì)土壤塑限進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖1所示，其中塑限均值為24.45%，液限均值為43.28%。

圖1 液塑限試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Result of liquid plastic limit test

由圖1可知，稻板田含水率區(qū)間(20.38%～28.24%)與塑限區(qū)間(21.34%～26.57%)十分接近，與液限區(qū)間(41.67%～45.28%)差距明顯，此時(shí)土壤僅可承受較小的形變并很快破碎，因此在進(jìn)行離散元建模時(shí)可將稻板田土壤作固態(tài)處理。

HertzMindlin with Bonding顆粒接觸模型[19]能夠同時(shí)反映土壤的不連續(xù)性與團(tuán)聚特點(diǎn)，有效解決農(nóng)具與土壤相互作用的非線性問題，該模型不僅繼承了HertzMindlin(no slip)的算法，而且通過在土壤顆粒間設(shè)置粘結(jié)鍵的方式，添加額外的力與力矩以約束顆粒運(yùn)動(dòng)，粘結(jié)鍵受載斷裂后，不能再次生成，符合稻板田土壤破碎后保持松散狀態(tài)的力學(xué)行為特征。該模型共有5個(gè)參數(shù)，其中法向、切向剛度以單位步長為間隔不斷迭代并更新粘結(jié)鍵所受的載荷(力與力矩)；法向、切向臨界應(yīng)力為判斷粘結(jié)鍵是否斷裂的閾值；粘結(jié)半徑為顆粒間產(chǎn)生粘結(jié)鍵所需要的最大間距。在離散元軟件中，稻板田土壤顆粒由粘結(jié)狀態(tài)到失效破壞的過程模型為：

粘結(jié)鍵受載迭代原理

(1)

式中Fn、Ft——粘結(jié)鍵法向、切向受力，N

Tn、Tt——粘結(jié)鍵法向、切向扭矩，N·m

vn、vt——法向、切向速度，m/s

ωn、ωt——法向、切向角速度，rad/s

Sn、St——法向、切向剛度，N/m3

A——接觸面積，m2

J——慣性矩，m4

RB——粘結(jié)變徑，m

δt——單位時(shí)間步長，s

粘結(jié)鍵斷裂條件

(2)

式中σmax——法向臨界應(yīng)力，Pa

τmax——切向臨界應(yīng)力，Pa

1.2 旋耕模型參數(shù)類型及標(biāo)定方案

離散元仿真參數(shù)由本征參數(shù)(土壤顆粒與旋埋刀輥材料的密度、泊松比、剪切模量)、材料接觸參數(shù)(土壤顆粒間以及土壤顆粒與旋埋刀輥間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù))和接觸模型參數(shù)(HertzMindlin with Bonding顆粒接觸模型的5個(gè)參數(shù))組成，通過借鑒文獻(xiàn)成果、實(shí)際試驗(yàn)以及虛擬標(biāo)定的方法獲取。

本征參數(shù)僅與物料的材料屬性相關(guān)，而其他仿真參數(shù)受物料尺寸、結(jié)構(gòu)和接觸關(guān)系等因素影響。對(duì)于土壤而言，尺寸小而尺度范圍大，且外部輪廓多樣，粒徑配比[20]和剛性重疊球體簇[21-22]的方法雖可縮小土壤實(shí)物與模型的差距，但在離散元建模時(shí)仍不可避免忽略土壤大部分真實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)，采用放大尺寸的圓球模擬土壤逐漸成為業(yè)界普遍共識(shí)，與接觸相關(guān)的實(shí)測(cè)值對(duì)于簡化后的圓球狀土壤模型反而失去了適用性。參數(shù)虛擬標(biāo)定是將仿真試驗(yàn)和真實(shí)試驗(yàn)相結(jié)合，通過數(shù)學(xué)方法得到仿真參數(shù)與試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系，最終以仿真值逼近試驗(yàn)值的形式獲取與研究物料相匹配的參數(shù)。該方法完全適用于土壤這種復(fù)雜的研究對(duì)象，并已實(shí)現(xiàn)沙土[23]、沙壤土[24]、粘壤土[20,25]等多種土壤模型的構(gòu)建。但一種土壤模型往往側(cè)重于一種或一類土壤性質(zhì)的表達(dá)，并不能包含該類土壤的所有特性，其模型參數(shù)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用情況不同而有所改變，同時(shí)僅靠土壤模型無法描述土壤與應(yīng)用設(shè)備間的接觸情況，因此土壤模型區(qū)別于土壤應(yīng)用模型。通過文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有土壤模型的構(gòu)建均基于堆積角試驗(yàn)，堆積角往往是由松散顆粒物料在堆積過程中受重力影響形成。測(cè)量稻板田土壤堆積角的前提需對(duì)土壤進(jìn)行破碎，且破碎程度影響測(cè)量結(jié)果，獲取的接觸參數(shù)僅能表征土壤在某一破碎程度下的堆積特征。稻板田土壤被農(nóng)具擾動(dòng)前應(yīng)被視為土粒群相互粘結(jié)的緊實(shí)整體，耕后破碎情況復(fù)雜，顯然堆積角試驗(yàn)不適用于稻板田旋耕研究。

選用何種方案標(biāo)定接觸參數(shù)，關(guān)系到模型的適用性。旋耕作業(yè)是由直線牽引運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成，刀輥刀具由入土至出土過程土壤相互接觸形式和作用形式十分復(fù)雜，大致分為入土、出土和回程3個(gè)過程，如圖2所示，刀具在入土區(qū)間與實(shí)土接觸，對(duì)土壤有剪切撕裂、擠壓和滑移摩擦作用；出土區(qū)間與松土接觸，對(duì)土壤提升拋撒并二次切削破碎土塊；回程區(qū)間刀具與拋起的土壤發(fā)生沖擊與碰撞。旋耕過程土壤力學(xué)行為的特殊性，也說明了接觸情況的復(fù)雜性，這也是深松作業(yè)離散元模型無法直接應(yīng)用于旋耕作業(yè)的原因，因此除旋耕試驗(yàn)本身，很難找出能直接表征旋耕過程中土壤破碎情況及土壤與刀輥接觸情況的替代方案。

圖2 旋耕作業(yè)過程示意圖Fig.2 Schematic of rotary tillage process

根據(jù)圖3可知，旋埋刀輥由6段組成，每段刀輥結(jié)構(gòu)一致，沿幅寬方向縮小刀輥尺度，以1∶6縮比試制刀輥，并安裝于旋耕測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，將平臺(tái)放置在稻板田土壤試驗(yàn)土槽上，其中土壤含水率23.37%，容重1 521 kg/m3。以前進(jìn)速度0.6 m/s、刀輥轉(zhuǎn)速280 r/min、耕深15 cm為工況，旋耕功耗為指標(biāo)進(jìn)行模型接觸參數(shù)標(biāo)定參照試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖4，每次試驗(yàn)后由測(cè)試平臺(tái)的鎮(zhèn)壓裝置將土面恢復(fù)至原有高度以確保土壤狀態(tài)的一致性，試驗(yàn)共重復(fù)3次，結(jié)果見表1。

圖3 旋埋刀輥結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure drawing of rotary burying blade roller

圖4 模型參數(shù)標(biāo)定參照試驗(yàn)Fig.4 Model parameter calibration reference test

1.3 模型參數(shù)標(biāo)定

1.3.1本征參數(shù)

本征參數(shù)為材料的固有特性，有相應(yīng)參考資料和較為成熟的測(cè)量方法，其中刀輥材料參考了文獻(xiàn)[26]；土壤泊松比和剪切模量由三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果(彈性模量5×106Pa，內(nèi)摩擦角23.8°)根據(jù)文獻(xiàn)[23，25]的方法近似換算測(cè)得；顆粒密度通過顆粒填充試驗(yàn)由土壤容重校正獲取，校正公式為

表1 旋耕功耗試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result of rotary tillage power consumption kW

(3)

式中ρ——顆粒密度，kg/m3

V——容器體積，m3

k——填充顆粒數(shù)量

r——顆粒半徑，取4×10-3m

ρ1——土壤容重，kg/m3

最終確定的稻板田土壤與刀輥材料的本征參數(shù)如表2所示。

表2 模型本征參數(shù)Tab.2 Basic properties of models

1.3.2接觸參數(shù)范圍

接觸參數(shù)中包含6個(gè)材料接觸參數(shù)和5個(gè)模型接觸參數(shù)。HertzMindlin with Bonding顆粒接觸模型在應(yīng)用時(shí)，常認(rèn)為粘結(jié)行為源于土粒間的液橋，所以可用粘結(jié)半徑衡量土壤含水率。所以假定土壤中的水分均勻分布，且包裹在土壤顆粒外圍形成均勻水膜，水膜厚度與顆粒半徑之和即為粘結(jié)半徑，計(jì)算公式為

(4)

式中ω——土壤含水率，%

ρ2——水密度，kg/m3

根據(jù)HertzMindlin with Bonding顆粒接觸模型應(yīng)用于土壤耕作方面的研究成果[14,26-31]，綜合分析后，確定其他接觸參數(shù)的取值范圍，如表3所示。

表3 待標(biāo)定接觸參數(shù)取值范圍Tab.3 Range of contact parameters to be calibrated

1.3.3接觸參數(shù)標(biāo)定方法及結(jié)果

通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)方法令仿真值逼近測(cè)試值最終確定接觸參數(shù)是離散元參數(shù)標(biāo)定的主要途徑。最陡爬坡標(biāo)定方法[20,32]準(zhǔn)確高效，在離散元參數(shù)標(biāo)定的研究中得到廣泛應(yīng)用。該方法首先通過Plackett-Burman試驗(yàn)提取顯著因素，然后以參照試驗(yàn)結(jié)果為目標(biāo)值，將各顯著因素以等步長增加的方式創(chuàng)建各步階參數(shù)水平并開展仿真試驗(yàn)，通過相對(duì)誤差變化趨勢(shì)，進(jìn)一步縮小參數(shù)范圍，最后建立多因素回歸模型并求解，完成參數(shù)標(biāo)定。但最陡爬坡標(biāo)定方法仍存在以下問題：Plackett-Burman試驗(yàn)對(duì)于因素顯著性的判別存在爭議[33]，現(xiàn)有文獻(xiàn)也僅在定性的尺度上確定因素是否顯著；當(dāng)顯著因素較多時(shí)，試驗(yàn)次數(shù)會(huì)成倍增加，導(dǎo)致回歸模型的獲取變得異常困難。

在對(duì)稻板田土壤與旋埋刀輥接觸模型參數(shù)標(biāo)定時(shí)，為避免上述問題，需對(duì)最陡爬坡試驗(yàn)方法進(jìn)行優(yōu)化。首先保留該方法中最核心的等步長爬坡思想，由于各因素以等步長增加方式進(jìn)行仿真試驗(yàn)，步階次序一旦確定，就間接確定該步階次序下各因素取值，因此建立步階次序與仿真指標(biāo)間的函數(shù)關(guān)系，可達(dá)成指標(biāo)值與各因素參數(shù)值的關(guān)聯(lián)，起到類似回歸模型的作用。

爬坡試驗(yàn)的起點(diǎn)參數(shù)組為A1(待標(biāo)定接觸參數(shù)的下限值)，終點(diǎn)參數(shù)組為Am(待標(biāo)定接觸參數(shù)的上限值)，則各步階參數(shù)組可表示為

(5)

式(5)中m為爬坡的步階總數(shù)(即標(biāo)定試驗(yàn)總次數(shù))，n為待標(biāo)定參數(shù)總數(shù)量(n=10)，步長A為

(6)

步階次序x的取值范圍為1≤x≤m，對(duì)應(yīng)各接觸參數(shù)組的取值為

Ax=(x-1)A+A1

(7)

所以功耗P=f(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10)可由式(7)轉(zhuǎn)換為P=f(x)。

當(dāng)m越大，各組標(biāo)定試驗(yàn)的接觸參數(shù)取值越接近，旋耕功耗隨參數(shù)組的變化更加準(zhǔn)確，但需要仿真的次數(shù)會(huì)增加，綜合標(biāo)定準(zhǔn)確度與工作量，令m=9，建立旋埋刀輥與稻板田土壤顆粒在各步階接觸參數(shù)下的旋耕仿真模型，如圖5所示，模型中土槽尺寸(長×寬×高)為1 200 mm×500 mm×300 mm，共計(jì)容納441 185個(gè)土壤顆粒，刀輥工況與稻板田參照試驗(yàn)一致，刀輥轉(zhuǎn)速280 r/min(0～1.1 s)，垂直入土速度1.50 m/s(0～0.1 s，耕深15 cm)，前進(jìn)速度0.60 m/s(0.1～1.1 s)，數(shù)據(jù)以0.001 25 s為間隔保存，即刀輥旋轉(zhuǎn)一周存儲(chǔ)171個(gè)數(shù)據(jù)，刀輥平穩(wěn)作業(yè)區(qū)間(0.1～1.1 s)旋轉(zhuǎn)4.67圈，共計(jì)儲(chǔ)存800個(gè)數(shù)據(jù)，從中選取刀輥運(yùn)動(dòng)的4個(gè)周期求功耗均值，功耗仿真結(jié)果如表4所示。

表4 仿真標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Result of simulation calibration test

圖5 離散元標(biāo)定試驗(yàn)仿真模型Fig.5 Discrete element calibration test simulation model

隨著步階次序增加，刀輥功耗單調(diào)遞增，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行擬合，如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果擬合曲線Fig.6 Fitting curve of simulation result

擬合方程為

P=0.754 2x+2.156 7

(8)

其中決定系數(shù)R2為0.998 7，說明擬合方程對(duì)仿真試驗(yàn)值的擬合程度較好。

將稻板田參照試驗(yàn)結(jié)果(表1)代入式(8)，求得步階次序x=4.26，根據(jù)式(7)，最終獲得稻板田土壤與旋埋刀輥相互作用對(duì)應(yīng)的接觸參數(shù)組A4.26，如表5所示。

表5 接觸參數(shù)標(biāo)定結(jié)果Tab.5 Calibration results of contact parameters

將標(biāo)定后的接觸參數(shù)組A4.26輸入EDEM軟件中，進(jìn)行仿真模型驗(yàn)證，得到旋耕功耗為5.269 kW，仿真預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差為1.84%，差異較小，表明在等步長爬坡試驗(yàn)中利用步階次序建立模型的方法可行，因此接觸參數(shù)組A4.26能夠反映旋埋刀輥與稻板田土壤在功耗指標(biāo)下的離散元旋耕接觸情況。

2 功耗預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

2.1 模型適用性分析

為檢驗(yàn)該離散元模型的適用性，增加通用刀輥(圖7)，利用旋耕平臺(tái)分別以3種工況開展稻板田土槽試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)，并計(jì)算仿真值相對(duì)于實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差并取絕對(duì)值，結(jié)果如表6所示。

圖7 刀輥實(shí)物圖Fig.7 Physical map of blade roller

表6 誤差對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.6 Error comparision test design and result

根據(jù)表6可知，預(yù)測(cè)誤差均值為6.65%，范圍在3.63%～9.48%之間；旋埋刀輥與通用刀輥的平均誤差分別為5.28%和8.02%；工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的誤差均值分別為7.43%、5.10%、7.42%。旋埋刀輥的功耗預(yù)測(cè)誤差小于通用刀輥，說明用旋埋刀輥標(biāo)定的離散元參數(shù)用于其他刀輥仿真研究時(shí)，可能會(huì)造成額外的誤差，可能與模型中不同接觸參數(shù)對(duì)刀輥結(jié)構(gòu)變化引起功耗指標(biāo)變化的敏感程度不同有關(guān)，原結(jié)構(gòu)的標(biāo)定結(jié)果可能忽略了對(duì)現(xiàn)結(jié)構(gòu)較敏感的參數(shù)，造成了誤差。以這種觀點(diǎn)研究不同工況下的旋耕功耗時(shí)，發(fā)現(xiàn)工況Ⅱ的誤差較小，相對(duì)于工況Ⅰ、Ⅲ，工況Ⅱ與標(biāo)定工況差距較小，由此推斷這種額外誤差也有可能存在作業(yè)工況中。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表7所示，在α=0.05水平下刀輥類型和作業(yè)工況對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不顯著，說明從統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)可認(rèn)為，該離散元模型在應(yīng)用過程中誤差并非來自刀輥類型和作業(yè)工況。

表7 方差分析Tab.7 Variance analysis

綜上，功耗預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差均在合理范圍，說明稻板田旋耕功耗預(yù)測(cè)模型基本滿足應(yīng)用需求，但對(duì)于一些結(jié)構(gòu)或作業(yè)方式與旋耕作業(yè)差距較大的耕作部件(如犁、深松鏟等)，該模型的適用性難以保證。

2.2 原尺度旋埋刀輥功耗預(yù)測(cè)

于2019年10月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地開展試驗(yàn)。所選試驗(yàn)田內(nèi)留有中稻秸稈，含水率為22.16%，容重為1.52×103kg/m3。刀輥安裝在幅寬2.3 m的側(cè)邊傳動(dòng)旋耕機(jī)機(jī)架內(nèi)，由東方紅LX954型輪式拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)油門與擋位改變作業(yè)工況，功耗由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器(北京中航科儀測(cè)控技術(shù)有限公司，轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍0～4 000 r/min，扭矩測(cè)量范圍0～3 000 N·m) 測(cè)量，每種工況功耗重復(fù)3次，同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)工況和表2、5的仿真參數(shù)建立稻板田旋耕功耗預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行仿真。田間試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)過程如圖8所示，功耗對(duì)比結(jié)果見表8。

圖8 旋埋刀輥功耗預(yù)測(cè)模型檢驗(yàn)Fig.8 Power consumption prediction test of rotary buried blade roller

表8 功耗預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.8 Power consumption prediction results

由表8可知，田間試驗(yàn)功耗預(yù)測(cè)誤差范圍在2.50%～12.81%之間，均值為7.28%，刀輥結(jié)構(gòu)在縮放過程誤差變化較小，說明離散元接觸參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)方案可行。根據(jù)每種工況的3次試驗(yàn)可知，極差分別為2.632、4.386、6.176 kW，與對(duì)應(yīng)工況功耗均值的百分比依次為8.22%、11.59%、14.21%。田塊區(qū)域土壤不均勻、機(jī)具操控不穩(wěn)定等不可控因素的干擾使實(shí)測(cè)重復(fù)誤差較大，當(dāng)?shù)遁亙?yōu)化前后功耗變化小于重復(fù)誤差時(shí)，單純通過少量重復(fù)的田間試驗(yàn)很難驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，該稻板田旋耕功耗預(yù)測(cè)模型精度符合應(yīng)用要求，能在一定誤差范圍內(nèi)獲取刀輥功耗，當(dāng)模型輸入?yún)?shù)變化，輸出功耗隨之響應(yīng)，可為后續(xù)旋耕刀具減阻降耗的優(yōu)化研究提供支持。

3 結(jié)論

(1)栽播冬油菜、冬小麥前稻板田土壤的含水率通常與其塑限接近，此時(shí)土壤不能承受較大的塑性形變，符合HertzMindlin with Bonding顆粒接觸模型的模擬要求。

(2)土壤耕作由農(nóng)具和土壤共同參與，參數(shù)標(biāo)定時(shí)需同時(shí)考慮土壤與農(nóng)具的接觸特征。鑒于旋耕作業(yè)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)的特殊性，結(jié)合旋埋刀輥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沿幅寬方向以1∶6 縮比試制刀輥，進(jìn)行標(biāo)定參照試驗(yàn)；稻板田土壤與旋埋刀輥旋耕接觸參數(shù)的虛擬標(biāo)定采用等步長爬坡試驗(yàn)，通過步階次序建立了接觸參數(shù)與功耗指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系；結(jié)合標(biāo)定參考試驗(yàn)功耗值，最終確定了稻板田旋耕功耗預(yù)測(cè)模型的接觸參數(shù)取值，完成了模型的構(gòu)建。

(3)為驗(yàn)證該模型的適用性，在不同工況下對(duì)通用刀輥和旋埋刀輥的旋耕功耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)誤差范圍為3.63%～9.48%，均值為6.65%，方差分析顯示，稻板田旋耕功耗預(yù)測(cè)模型適用于不同旋耕刀輥及工況下的功耗預(yù)測(cè)。原尺度刀輥田間試驗(yàn)功耗預(yù)測(cè)誤差范圍為2.50%～12.81%，均值為7.28%，刀輥結(jié)構(gòu)在縮放過程誤差變化較小，說明模型能準(zhǔn)確反映旋埋刀輥在稻板田作業(yè)的功耗情況。