基于離散元法的犁鏟磨損特性研究

張闖闖，馬 臻，王俊發(fā)，邱新偉，劉佳成

（佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

0 引言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，機械部件在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用[1,2]，在機械耕地作業(yè)中，鏵式犁仍被普遍使用[3]，作為耕地作業(yè)機械的重要部件之一，犁鏟的磨損失效是鏵式犁零件破壞的主要形式和造成經(jīng)濟損失的主要原因。

田間土壤的理化性質(zhì)復(fù)雜多變，影響犁鏟磨損的因素眾多[4]，犁鏟磨損的主要形式有土壤間硬質(zhì)顆粒對犁鏟的磨粒磨損、犁鏟工作時的疲勞磨損和潮濕土壤對犁鏟的腐蝕磨損等，其中最主要的磨損形式是磨粒磨損[5-7]。為探討土壤的理化性質(zhì)和鏵式犁工作條件對犁鏟磨損的影響，本文建立EDEM離散元鏵式犁—土壤顆粒模擬仿真模型，對影響犁鏟磨損的幾個重要因素進行分析。

1 EDEM模擬磨損分析

鑒于土壤的非連續(xù)特性，很適合使用離散單元法（Discrete Element Method 簡稱DEM）進行模擬。因此，選用EDEM 軟件進行模擬仿真[8]。對于EDEM 仿真模型，其物理宏觀力學(xué)特性與顆粒微觀參數(shù)之間有著復(fù)雜的不確定性[9]，所以需要確定顆粒模型的參數(shù)，在實際工程中參數(shù)的標定可以通過三軸壓縮試驗和堆積角試驗完成。EDEM 軟件將每個離散體作為單獨的個體進行建模分析，EDEM 軟件內(nèi)置多種模型，由于土壤顆粒間及孔隙中的水分因表面張力形成一定的黏結(jié)力[10]，因此采用Hertzmindlin with JKR 接觸模型[11-14]，這種模型能夠在無滑移接觸的基礎(chǔ)上考慮材料的內(nèi)聚力，同時運用EDEM 內(nèi)置的Relative Wear 模型和Hertz-Mindlin with Archard Wear 模型對鏵式犁作業(yè)過程進行磨損仿真分析[15]。Relative Wear 模型可以對沖擊磨損和磨粒磨損進行識別，計算其累積接觸能量，顯示幾何體最易發(fā)生磨損的位置；Hertz-Mindlin with Archard Wear 模型基于J.F.Archard 磨損理論可對幾何體磨損區(qū)域給出一個磨損值[13,16]。

其中，Archard 計算公式為

式中 Δh為材料磨損量，m；K為常量；p為單元法向壓力，Pa；H為材料硬度，Pa；Δs為滑動距離，m。

2 離散元模型模擬仿真

本文研究對象為犁鏟，首先用三維繪圖軟件Creo Parametric 建立簡化鏵式犁模型，該模型由犁鏟和犁壁組成，如圖1 所示，其中犁鏟正視圖與左視圖如圖2 所示。因犁鏟的磨損研究涉及到犁鏟的表面形貌，而EDEM 自帶的網(wǎng)格劃分粗糙，所以在導(dǎo)入EDEM 前在ANSYS 軟件中對鏵式犁三維模型進行網(wǎng)格細化。細化后的鏵式犁、犁鏟網(wǎng)格模型如圖3 所示。

圖2 三維犁鏟模型正視圖與左視圖

圖3 犁鏟網(wǎng)格劃分

由于影響因素眾多，實際生產(chǎn)中，土壤復(fù)雜多變，建立完整的土壤模型十分困難，所以在EDEM中僅建立簡化的土壤顆粒模型。將劃分好網(wǎng)格的鏵式犁模型導(dǎo)入EDEM 中，完成鏵式犁工作的工程土壤顆粒模型，根據(jù)表1、表2 設(shè)定顆粒模型及其它相關(guān)參數(shù)，耕深設(shè)定為25 cm，鏵式犁在EDEM 建立的土壤顆粒模型中以2 m/s 的速度勻速前進，實現(xiàn)鏵式犁的磨損仿真，如圖4 所示。

表1 材料本征參數(shù)

表2 接觸屬性參數(shù)

圖4 鏵式犁—土壤模擬仿真過程

3 仿真結(jié)果與分析

當EDEM 仿真模擬10 s 后，進行犁鏟磨損模型分析。犁鏟的累積接觸能量可以體現(xiàn)出犁鏟的磨損分布，如圖5 所示，由圖可知，鏟尖的累計接觸能量最多，說明犁鏟的鏟尖是最易磨損的位置，模擬仿真結(jié)果顯示鏟尖磨損最為嚴重，與實際磨損分布規(guī)律相吻合。

圖5 犁鏟累積接觸能量

通過犁鏟的累積接觸力曲線圖分析犁鏟的磨損機理，如圖6 所示。由圖可知，犁鏟上的法向累積接觸力和切向累計接觸力隨著時間的增加而增加，其中切向累積接觸力遠大于法向累積接觸力，說明犁鏟在工作過程中受到的滑移摩擦力更大。

圖6 犁鏟累積接觸力與時間關(guān)系

4 犁鏟磨損規(guī)律分析

4.1 土壤密度、磨損常數(shù)對犁鏟磨損的影響

土壤的物理性質(zhì)極為復(fù)雜，不同土壤在密度、成分、含水量等方面有很大的差異，犁鏟硬度也不盡相同。這些因素對犁鏟的磨損都有一定的影響，基于離散元法，應(yīng)用EDEM 軟件控制變量可獲取犁鏟的磨損規(guī)律。

在研究各因素對犁鏟的影響時，土壤參數(shù)選取如表3 所示，其余參數(shù)設(shè)置不變。在一定參數(shù)范圍內(nèi)，不同土壤密度、磨損常數(shù)下的平均磨損深度如圖7、圖8 所示，由圖可知，土壤密度對犁鏟磨損的影響較小，而磨損常數(shù)的影響較大，隨著土壤密度和磨損常數(shù)的增大，犁鏟磨損量隨之增大。其中磨損常數(shù)與犁鏟硬度成反比，即硬度越大，磨損量越小，基于J.F.Archard 磨損理論，可知磨損常數(shù)W為[16,17]

式中 W為磨損常數(shù)；K為無量綱常數(shù)；H為材料表面硬度，HB。

表3 土壤特性參數(shù)表

圖7 平均磨損量隨土壤密度變化規(guī)律

圖8 平均磨損量隨磨損常數(shù)變化規(guī)律

4.2 鏵式犁作業(yè)速度對犁鏟磨損的影響

在實際田間作業(yè)時，土壤環(huán)境和設(shè)備作業(yè)條件都十分復(fù)雜，針對不同的土壤條件和作業(yè)需求，鏵式犁的作業(yè)速度有一定的變化，保證犁鏟處于土壤顆粒模型環(huán)境中的前提下，按照表4 進行磨損仿真，研究速度對犁鏟磨損的影響。

在選取不同水平的速度進行磨損仿真時，為保證犁鏟行程相等，仿真時間設(shè)定也應(yīng)隨之改變。仿真后不同速度下的平均磨損深度如圖9 和圖10 所示。由圖可知，鏵式犁工作速度對犁鏟磨損影響較大；在相同的磨損行程下，速度越大，磨損量越大；當顆粒質(zhì)量相同時，速度越大，硬質(zhì)顆粒對工作時的犁鏟沖擊作用力越大，增加了犁鏟的載荷，導(dǎo)致磨損加劇。

表4 作業(yè)速度參數(shù)

圖9 不同速度下的平均磨損量

圖10 平均磨損量隨速度的變化

5 結(jié)語

本文利用離散元法模擬了犁鏟的工作過程，對其磨損規(guī)律進行了研究，結(jié)論如下。

1）基于離散元法使用EDEM 軟件建立鏵式犁-土壤顆粒仿真模型，分析犁鏟所受到的累積接觸能量的位置，其結(jié)果與實際位置相近，可知EDEM 的模擬仿真數(shù)據(jù)所得結(jié)論有一定的意義，分析犁鏟所受的累積接觸力可知，犁鏟磨粒磨損主要受切向累積接觸力影響。

2）選取不同的土壤密度和磨損常數(shù)進行定量分析，可知犁鏟的磨損速度受土壤密度和犁鏟的影響，其中土壤密度對犁鏟磨損影響較小，而犁鏟硬度對犁鏟磨損速率影響較大。在一定范圍內(nèi)，土壤密度越大，犁鏟磨損量越大，犁鏟硬度越高，相同條件下磨損量越小。

3）選取不同的工作速度對鏵式犁進行仿真分析，由結(jié)果可知，在一定范圍內(nèi)鏵式犁前進速度越大，犁鏟的磨損越嚴重，鏵式犁的工作速度對犁鏟的磨損影響較大。