基于DEM-MBD耦合預(yù)破土組合深松鏟仿真研究

孔羿勛 楊丹彤 王曦成 周士琳 張祺睿 鄧敏 劉園杰 鄭丁科

摘要?為了研究在振動深松條件下深松鏟預(yù)破土對深松碎土的作用效果，利用DEM-MBD耦合技術(shù)對振動深松時深松鏟和土壤顆粒之間的相互作用進(jìn)行模擬研究。在試驗臺模型及連接不改變的條件下，探討不同破土器半徑大小以及安裝位置與土壤顆粒的擾動情況，采用土壤擾動云圖和運(yùn)動副采集力來量化深松效果。仿真試驗結(jié)果表明，在振幅振頻條件相同、前進(jìn)速度0.4 m/s時，破土器圓內(nèi)弧半徑150 mm，安裝位置在3號組位的土壤擾動較好，深松效果較好;帶有圓弧形破土器的深松鏟對深松減阻具有顯著作用，可以減少耕作阻力。該研究對研制結(jié)構(gòu)簡單、深松減阻高效的深松機(jī)具設(shè)備提供了理論依據(jù)，也為不同土質(zhì)深松作業(yè)研究提供了一種有效的計算方法。

關(guān)鍵詞?土壤深松;振動深松鏟;預(yù)破土;仿真試驗

中圖分類號?S22?文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2021）09-0192-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.053

Abstract?In order to study the pre-ripper effect of subsoiler on subsoiling broken soil under the conditions of vibration subsoiling，the interaction between subsoiler and soil particles during vibration subsoiling was simulated by using DEM-MBD coupling technology.Under the condition that the model and connection of the test-bed were not changed，the disturbance of different radius of pre-ripper，installation position and soil particles was discussed.The effect of subsoiling was quantified by soil disturbance nephogram and collection force of moving pair.The simulation test results showed that，under the conditions of the same amplitude and frequency，forward speed 0.4 m/s ，the soil disturbance was better when the inner arc radius of pre-ripper was 150 mm and the installation position was in No.3，the monitoring force was small，and the subsoiling effect was good.The subsoiler with pre-ripper had a significant effect on subsoiling and reducing resistance，which could reduce tillage resistance.This study provided a theoretical basis for the development of subsoiling machines and equipment with simple structure and high drag reduction efficiency，and also provided an effective calculation method for the study of subsoiling operations with different soil properties.

Key words?Soil subsoiling;Vibrating subsoiler;Soil pre-ripping;Simulation test

利用深松技術(shù)可以打破因長時間耕作產(chǎn)生的土壤犁底層，提高土壤的蓄水保墑能力，進(jìn)一步提高農(nóng)作物抗倒伏能力和糧食產(chǎn)量[1-7]。但是，土壤深松過程中存在耕作阻力大、拖拉機(jī)油耗高、深松效率不高等問題[8-9]，這些問題制約著土壤深松技術(shù)的發(fā)展，使得土壤深松很難取得突破性成就[10-13]。筆者在現(xiàn)有深松鏟的基礎(chǔ)上加裝預(yù)破土器，實現(xiàn)鏟臂觸土前先對土壤進(jìn)行預(yù)切，從而有效減少深松阻力。

1?振動深松試驗臺仿真模型及預(yù)破土機(jī)理

1.1?振動深松試驗臺仿真模型

振動深松是指使用專用的土壤振動深松機(jī)具盡可能不破壞土壤表層土壤，對土壤深處進(jìn)行機(jī)械化深松作業(yè)。振動深松又分為自激振動和受迫振動，受迫振動可以很好地對土壤犁底層擾亂破碎[14]。圖1為試驗所用的可變頻變幅振動深松試驗臺結(jié)構(gòu)[15]，試驗臺由三點懸掛、機(jī)架、減速箱、雙聯(lián)齒輪泵、油箱組件、儲能器組件、伺服液壓油缸組件、鏟架、靜壓組件、主閥塊組成。試驗臺通過三點懸掛可以懸掛到土槽車或拖拉機(jī)上，可以實現(xiàn)變頻變幅的振動深松作業(yè)。據(jù)此對試驗臺進(jìn)行簡化，即深松仿真試驗臺模型（圖2）。

1.2?預(yù)破土機(jī)理

陳海云[13]設(shè)計了一種在五鏵犁機(jī)架前裝加破土器的挖木薯機(jī)，來提高挖薯效率。鄭侃等[14]設(shè)計了折線破土器深松鏟，有效降低了犁底層的容重和緊實度。預(yù)破土是指深松過程中在深松鏟鏟臂未接觸到土壤犁底層之前先由破土器作用在土層上，對土層進(jìn)行切削劃破，盡可能減少鏟臂直接與犁底層接觸，來降低深松過程中的耕作阻力，猶如斧頭劈柴時斧頭刃口將力施加在木塊上，產(chǎn)生力F，由于木塊兩側(cè)會擠壓預(yù)制斧頭切入，產(chǎn)生2個力F1和F2，其受力如圖3所示。通過受力分析得到：

式中，F(xiàn)為施加在斧頭上的載荷（N）;F1和F2為木塊兩側(cè)的受力（N）;θ為刃口角度。

刃口角度越小，斧頭劈開柴的能力越強(qiáng)，越省力。利用這一機(jī)理，筆者設(shè)計了一款合適的破土器，并確定其在深松鏟鏟臂上的最佳安裝位置，利用其預(yù)先切開堅硬的土層，減少鏟臂與土層之間的接觸阻力，在振動力的作用下鏟臂將破土器切開的土層縫隙進(jìn)一步擴(kuò)大，加大深松鏟對土壤的抬升擾動，完成振動深松作業(yè)。

2?預(yù)破土組合深松鏟的設(shè)計

2.1?破土器設(shè)計

由斧頭劈柴類比破土器深松預(yù)破土可知，刃口角越小，越有利于切開犁底層，但由于土壤內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，刃口角小雖然可以大大減小深松阻力，但會使破土器刃口耐磨性變差，容易卷刃，反而會增加耕作阻力。因此，筆者采用刃口角為60°，設(shè)計圓弧形深松預(yù)破土器，圓弧形結(jié)構(gòu)可以在外力作用下產(chǎn)生一定的彈性變形，有利于保護(hù)深松鏟臂。該破土器由開有刃口的圓弧形破土刀片和連接耳片焊接而成。在連接耳片上打一個直徑17.5 mm的通孔，可以通過螺栓與鏟臂相連。為了確定預(yù)破土器的圓弧形結(jié)構(gòu)，設(shè)計了3種不同弧形的預(yù)破土器，a型圓弧形破土器半徑內(nèi)弧為150 mm，b型圓弧形破土器半徑內(nèi)弧為200 mm，c型圓弧形破土器半徑內(nèi)弧為250 mm，如圖4所示。3種破土器均可由連接螺栓裝配到深松鏟鏟臂上。

2.2?預(yù)破土組合深松鏟的設(shè)計?深松鏟采用鑿形帶翼鏟柱式結(jié)構(gòu)，材料為65Mn彈簧鋼。鏟臂采用上直下曲的外形結(jié)構(gòu)，頂部開有直徑23 mm的通孔，用于與深松鏟螺栓組連接。鏟尖由鏟面和2個楔形墊塊焊接組成。鏟翼由鋼板焊接而成，側(cè)面開有刃口，便于劃切土壤，翼面下焊接有支撐塊，用于提高強(qiáng)度。然后，用螺栓與鏟臂相連，保證翼面與水平面的夾角為60°。分布于鏟臂兩側(cè)，兩翼側(cè)邊組成60°夾角。鏟臂內(nèi)側(cè)有直徑17.5 mm的6個通孔，組成3組不同高度的破土器安裝位置（1、2、3號）。圖5為新型設(shè)計的預(yù)破土組合深松鏟。

2.3?預(yù)破土組合深松鏟受力安全性分析

將建立好的預(yù)破土組合深松鏟幾何模型導(dǎo)入到ANSYS workbench 18.0中，設(shè)置深松鏟材料為65Mn彈簧鋼，并在MESHINNG模塊下對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)所測土壤堅實度，在深松鏟上施加載荷，結(jié)果另存為x-t文件，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析。65Mn彈簧鋼的材料性質(zhì)如下：剪切模量7.9×1010 MPa，泊松比0.3，密度7 865 kg/m3。根據(jù)測得的土壤堅實度，在鏟尖垂直于鏟尖面中心處施加20 MPa大小的力，在圓弧破土器半徑中點處添加一個水平方向10 MPa大小的力，然后定義各個零部件之間的約束，設(shè)置鏟的應(yīng)力、應(yīng)變和安全因子等求解項目，得到深松鏟的應(yīng)力云圖（圖6）。由圖6可知，深松鏟設(shè)計可滿足要求。

3?仿真模型的建立

3.1?土壤模型?根據(jù)《土工試驗規(guī)程》對試驗地塊土壤的基本物理參數(shù)進(jìn)行測量，得出試驗地塊土壤質(zhì)地為黏土。測得土壤耕作層、犁底層和心層的含水率分別為31.253%、40.370% 和63.626%，堅實度分別為3.594～8.316、8.316～18.500和23.983～34.960 MPa，堆積角分別為28.0°、27.5°和29.0°;查材料手冊得到土壤的泊松比分別為0.25、0.30和0.35;密度分別為1.15、1.55和1.81 g/cm3。然后，在EDEM2018中建立土壤顆粒床單元來模擬出試驗地塊的土壤，如圖7所示。

3.2?裝配模型圖?將預(yù)破土組合深松鏟和拖拉機(jī)的3D模型在SolidWorks中裝配好，并另存為x-t格式，以用于耦合仿真試驗，如圖8所示。

4?DEM-MBD耦合仿真試驗

4.1?試驗?zāi)康?該試驗?zāi)康氖菫榱嗽谔镩g試驗前先進(jìn)行仿真試驗，來降低田間試驗成本，提高研發(fā)效率，進(jìn)一步找出新設(shè)計深松鏟的最佳破土器半徑規(guī)格以及最適宜深松的安裝組合位置。

4.2?試驗方法?將3種類型的破土器分別安裝在深松鏟的1、2、3號安裝位置進(jìn)行振動深松仿真試驗，振動時深松鏟的激振油缸振幅為5 mm、振頻為10 Hz，拖拉機(jī)前進(jìn)速度為0.4 m/s。

在耕作過程中，土壤顆粒會對深松鏟進(jìn)行刃磨，且顆粒會黏接在深松鏟上，深松鏟受力不集中，顆粒組成的粒團(tuán)運(yùn)動軌跡比較復(fù)雜。因此，采用DEM-MBD耦合的方式，通過仿真試驗分析土壤粒團(tuán)顆粒與深松鏟的擾動情況及仿真過程中深松鏟安裝機(jī)架和油缸接頭處水平受力情況。

4.3?試驗過程?在Recurdyn中導(dǎo)入Solidworks，另存為x-t格式的仿真模型文件，設(shè)置重力方向為-z，將深松鏟進(jìn)場merge合并，定義好約束后，在簡化的振動油缸和油缸接管施加一個圓柱移動副，然后在振動深松試驗臺模型的套筒導(dǎo)管圓柱移動副上施加一個振動函數(shù)F：

式中，F(xiàn)為激勵，單位為mm;pi為圓周率，即π;time為時間，單位為s;A為振幅，單位為mm;B為振頻，單位為Hz。

然后，再在整個模型上施加一個0.4 m/s的前進(jìn)速度，將深松鏟用wall工具選取并生成wall1文件，將wall1文件輸出到仿真文件夾下。設(shè)置好Edem前處理后，在仿真面板內(nèi)設(shè)置瑞利時間步長為20%，設(shè)置Recurdyn仿真時間步為50 s，總仿真時間為2 500 s，點擊仿真，Recurdyn仿真開始后會自動開啟Edem窗口的仿真分析，待仿真結(jié)束進(jìn)行后處理，如圖9所示。

4.4?仿真結(jié)果與分析

4.4.1?土壤擾動情況。

通過EDEM2018的后處理模塊，開始觀察土壤顆粒在破土深松仿真過程中形成的擾動狀況，如圖10所示。從圖10可以看出，土壤顆粒在破土深松仿真過程中土壤擾動明顯，破土器有利于土壤的深松，振動條件下碎土效果較好，地表隆起明顯。

4.4.2?深松阻力。

在RecueDyn的仿真結(jié)果中，從油缸接頭處旋轉(zhuǎn)副上提取出每次仿真的水平力，結(jié)果如表1所示。振動條件下得到新鏟，裝有破土器且破土器半徑為1 500 mm，在3號組合位置時油缸采集力最小為3 346.714 N;該位置組合方式不振動條件下采集力也最小，為3 481.271 N;拆除破土器后振動條件下采集力為3 860.751 N;拆除破土器后不振動條件下采集力為 4 297.397 N;破土器半徑150 mm的3號位振動比無破土器振動最大減阻13.314%，比無破土器不振動最大減阻22.122%（表1）。

數(shù)據(jù)分析表明，振動條件下油缸接頭受到的力明顯比不振動深松的小，帶破土器深松鏟比無破土器深松鏟的阻力小。

5?結(jié)論

通過離散元分析軟件EDEM 2018，建立了土壤仿真模型，采用多體動力學(xué)分析軟件RecueDyn V9R1對SolidWorks建立的深松試驗臺模型進(jìn)行約束和運(yùn)動設(shè)置，然后進(jìn)行耦合仿真分析。結(jié)果表明，圓弧半徑為150 mm的破土器在振動條件下力最小，并且同一圓弧半徑相比較下安裝位置在3號組合位置時采集力最小。比較有無破土器的2種情況在相同振動條件下的深松鏟受力結(jié)果，發(fā)現(xiàn)帶破土器深松鏟比無破土器深松鏟的阻力小。

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