土壤耕作部件減阻技術(shù)研究現(xiàn)狀

劉進(jìn)寶，李清超，鄭 炫，王子龍

（1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

0 引言

耕作的主要目的是通過深耕和翻扣土壤，疏松板結(jié)土壤層，改善土壤結(jié)構(gòu)，為作物的生長創(chuàng)造適宜土壤環(huán)境。耕作部件的設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定了其工作性能，直接影響作業(yè)質(zhì)量和工作油耗。當(dāng)前尚未建立成熟的土壤與耕作部件之間準(zhǔn)確的理論聯(lián)系，多是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法或?qū)⒏鞑考?shù)和耕地工藝過程聯(lián)系起來的半經(jīng)驗(yàn)半理論法[1]。本文從耕作部件理論研究，耕作部件與土壤相互作用研究，耕地機(jī)械仿生設(shè)計(jì)，與農(nóng)藝融合設(shè)計(jì)方法等方面總結(jié)，為耕作部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 耕作部件與土壤相互作用研究

1.1 土壤耕作力學(xué)相關(guān)研究

在土壤宏觀力學(xué)結(jié)構(gòu)的尺度特征方面，相關(guān)研究通過粒間聯(lián)結(jié)數(shù)，熱擴(kuò)散系數(shù)中間量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得了剪切強(qiáng)度與容重和含水率之間的關(guān)系模型，在干容重一定條件下，剪切強(qiáng)度隨含水量呈負(fù)指數(shù)形式逐漸減小。含水率一定條件下，圍壓大時(shí)干容重對剪切強(qiáng)度影響不明顯，圍壓小時(shí)干容重與剪切強(qiáng)度呈遞增關(guān)系。有關(guān)研究表明剪切破壞是土壤在耕作時(shí)主要的破壞形式。剪切強(qiáng)度取決于粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力，此外，耕作部件表面和土壤還存在附著力和摩擦力。旱作耕田含水量為35%~60%，低于塑限，是適合耕作的。在土壤塑性研究方面，發(fā)現(xiàn)彎曲即峰值力較小且能量消耗較少，犁體曲面對土壤的破壞形式主要是剪切失效[2-4]。

當(dāng)前對土壤耕作過程的研究涉及容重，含水率等參數(shù)與機(jī)械之間的摩擦力、黏附、耕作阻力等的關(guān)系。我國地域遼闊，土壤類型眾多，土壤形態(tài)各異，對不同土壤顆粒、組成與犁體剪切的關(guān)系還需進(jìn)一步研究。以土壤剪切強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)，建立土壤參數(shù)和犁體曲面參數(shù)的相匹配關(guān)系是未來研究方向之一。

1.2 土壤阻力分析方法

1.2.1 理論分析法

蘇聯(lián)學(xué)者高略契金院士提出了犁耕的牽引力公式，開啟了學(xué)科方向研究，建立了犁的阻力經(jīng)驗(yàn)公式，是最早的對于犁體阻力的研究。通過參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式，對犁體工作中的犁鏵切土阻力、彎曲剪切力、正壓摩擦力等進(jìn)行綜合，得到了犁體總阻力模型，為優(yōu)化犁面提供了目標(biāo)函數(shù)。OzoemenaA.Ani等[5]綜述了土槽實(shí)驗(yàn)設(shè)施的土壤與機(jī)械的相互作用研究，并指出有限元和離散元的土槽實(shí)驗(yàn)設(shè)施一樣被廣泛應(yīng)用于土壤與機(jī)械相互作用當(dāng)中。Mehdi Hosseini等[6]比較了粒子群優(yōu)化、遺傳算法、多元回歸的方法來估算土壤耕作阻力的準(zhǔn)確性，通過真實(shí)測量的值發(fā)現(xiàn)粒子群優(yōu)化要優(yōu)于其余二者。Iman Ahmadi[7]利用經(jīng)典力學(xué)得到了鏵式犁的牽引力和功率的計(jì)算公式，只需將土壤參數(shù)、犁參數(shù)、工況參數(shù)輸入模型即可得到結(jié)果，且具有合理的精度。Volodymyr Bulgakov等[8]在分析研究中采用了農(nóng)業(yè)力學(xué)、高等數(shù)學(xué)和微分幾何的方法，并在PC上進(jìn)行編程和數(shù)值計(jì)算，提出了一種基于由層運(yùn)動(dòng)的極限軌跡曲率來確定耕作阻力的理論方法。

國內(nèi)外的學(xué)者通過數(shù)學(xué)解析，經(jīng)典力學(xué)等方法來建立土壤阻力的模型，探究犁體與土壤間的相互作用，取得了大量的成果。理論方法求耕作阻力耗時(shí)耗力，且實(shí)際工作情況多變，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有偏差。

近些年來，學(xué)者利用傳感器直接對耕作部件上的受力進(jìn)行測量研究，得到工作狀態(tài)中的受力分布。Irshad AliMari等[9]在犁體曲面上選取了具有代表性的11個(gè)測試點(diǎn)，利用傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)顯示耕作過程中的作用力，發(fā)現(xiàn)耕深對土壤力的影響，犁體上部大于犁體下部，而耕速對后部的影響大于犁體前部。翟力欣等[10]利用壓力傳感器陣列測試?yán)珞w表面所受土壤壓力，發(fā)現(xiàn)最大點(diǎn)載荷產(chǎn)生于犁鏵的鏵面上，最小點(diǎn)載荷產(chǎn)生在犁鏵與犁壁的過渡區(qū)域。張建國等[11]利用土槽試驗(yàn)臺測得犁體的六分力，通過ANSYS靜應(yīng)力分析得到在不同耕速下犁體曲面應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中在犁柄和犁板的連接位置。

根據(jù)犁體曲面各區(qū)域受力分布，研究人員可更直觀地探索土壤與犁體曲面的相互作用，可對犁體曲面進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過傳感器獲取曲面上相應(yīng)位置的受力后，如何更準(zhǔn)確的擬合出整個(gè)曲面的應(yīng)力分布，繼續(xù)更精確的分析土壤在犁體工作時(shí)的變化是未來的研究方向。

1.2.3 有限元法

在有限元分析方面，相關(guān)研究有考慮加載速率對耕作層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響，修正了廣泛應(yīng)用于有限元分析的Dunca-chang雙曲線模型（有限元）。在構(gòu)建土壤物理模型時(shí)，將土壤應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡化為理想彈塑性材料本構(gòu)關(guān)系，采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，利用I-DEAS軟件，得到耕作部件不同縱深比和土壤單元水平位移的仿真結(jié)果，給出了求解土壤機(jī)械系統(tǒng)中非線性和動(dòng)態(tài)問題的算法的詳細(xì)推導(dǎo)。用增量法和迭代法處理材料非線性，用Newmark法處理動(dòng)態(tài)響應(yīng)?；谠撍惴ň幹频挠?jì)算機(jī)程序在兩種應(yīng)變率下預(yù)測三軸儀上土樣應(yīng)力與位移關(guān)系的平均R2分別為0.76和0.87。A.Ibrahmi等[12]用有限元的方法模擬鏵式犁與土壤的相互作用，用Drucker-Prager彈性模型模擬土壤，得出水平力，垂直力，牽引力和耕深、耕速、切削角、提升角的相應(yīng)變化關(guān)系，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，測量結(jié)果和有限元結(jié)果最大誤差為33.8%。A.E.Farid Eltom等[13]利用有限元方法得到犁體在工作中的應(yīng)力分布，找到超出材料屈服強(qiáng)度的部分。

有限元法在犁體研究上的應(yīng)用多用于分析犁體的受力情況，優(yōu)化犁體結(jié)構(gòu)和參數(shù)，體現(xiàn)犁體對土壤作用的反應(yīng)，縮短設(shè)計(jì)和改進(jìn)周期，降低成本。土壤是由固、液、氣三相物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜的多相體系而非均勻連續(xù)的，有限元法不能很好地模擬土壤與犁體之間的相互作用，在探究犁體與土壤之間耦合作用方面存在缺陷。

1.2.4 離散元法

Cundall在1971年提出了離散元法，離散元是把顆粒群體簡化成顆粒集合，給予顆粒與顆粒之間力學(xué)模型和參數(shù)，來考慮顆粒與顆粒之間，顆粒與邊界之間的接觸作用和物理機(jī)械性質(zhì)，犁體和土壤之間的相互作用研究適合利用離散元分析。何永強(qiáng)等[14]在EDEM中認(rèn)為土壤顆粒有一定黏結(jié)作用，采用Hertz-Mindlin黏結(jié)接觸模型，規(guī)定法向和切向應(yīng)力臨界值，設(shè)置土壤和犁體間物理參數(shù)，仿真得到了犁體阻力的大小。張?jiān)５萚15]利用RecurDny中的MFBD技術(shù)構(gòu)建成穴鉆頭總成裝置剛—柔耦合動(dòng)力學(xué)模型，用EDEM構(gòu)建顆粒接觸模型，最后通過耦合得到柔性成穴鉆頭應(yīng)力分布云圖。頓國強(qiáng)等[16]在研究深松鏟土壤深松，土壤顆粒和觸土部件的瞬態(tài)力學(xué)行為上給出了顆粒單元Hertz-Mindlin接觸力學(xué)模型的構(gòu)建過程，得到了工作時(shí)土壤耕作阻力和各方向上的分量。Mustafa Ucgul等[17]用DEM有效地預(yù)測分析了鏵式犁的牽引力，還預(yù)測了土壤的流動(dòng)和運(yùn)動(dòng)模型，克服了分析模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木窒扌裕泊嬖谕寥李w粒尺寸與實(shí)際尺寸間的誤差。

離散元法是解決不連續(xù)問題的非常有效的方法，非常適合用于犁體—土壤耦合作用的研究，研究人員通過研究犁體在工作中土壤不連續(xù)散狀粒體的運(yùn)動(dòng)與受力來進(jìn)行對犁體的優(yōu)化，可有效提高犁體工作性能和工作效率。離散元法自身內(nèi)部計(jì)算方法仍需完善，且對土壤顆粒參數(shù)的標(biāo)定偏差會(huì)導(dǎo)致結(jié)果誤差較大。要將離散元法更好地應(yīng)用于犁體曲面與土壤的研究，就要著眼于更準(zhǔn)確地描述土壤真實(shí)情況，如散體顆粒各類模型的建立和顆粒間微觀接觸關(guān)系。離散元軟件和其他仿真軟件的耦合將充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，更好地解決犁體工作中土垡覆蓋，犁體受力、磨損等問題。

由表3可知，復(fù)合氟化物的加入對硅含量的影響較大，對鐵的含量影響不大，含量均在0.15%以下，反映了復(fù)合氟化物對鉬精礦中硅的化合狀態(tài)轉(zhuǎn)相效果突出，使得在復(fù)合氟化物存在下酸浸除硅效果非常理想，隨著復(fù)合氟化物加入量的增大，硅含量逐漸下降，當(dāng)加入量為14.0g時(shí)，產(chǎn)品中SiO2含量降低到了0.03%。繼續(xù)增大復(fù)合氟化物的用量，產(chǎn)品中硅含量下降趨勢不明顯，同時(shí)產(chǎn)品收率有下降趨勢，考慮產(chǎn)品綜合指標(biāo)和成本因素，確定為復(fù)合氟化物的最佳加入量14g。

2 仿生設(shè)計(jì)法

土壤中生物眾多，它們經(jīng)歷過億萬年的進(jìn)化發(fā)展，擁有挖掘阻力低、黏附效果好的生理結(jié)構(gòu)，為農(nóng)業(yè)耕整地機(jī)械提供了大量的仿生模板和設(shè)計(jì)方法。仿生對優(yōu)化耕整地機(jī)械具有重大意義，我國耕整地機(jī)械的仿生設(shè)計(jì)研究已經(jīng)取得了巨大成果，吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在這一領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。

任露泉院士團(tuán)隊(duì)[18-20]對形體減阻類型和減阻機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)闡述。普通開溝器的表面設(shè)計(jì)制作超高分子量聚乙烯層，選用蚯蚓頭部收縮時(shí)表面形態(tài)作為仿生開溝器的表面形態(tài)，得到的仿生開溝器比普通的開溝器減粘降阻9%左右。設(shè)計(jì)了具有鼴鼠多趾結(jié)構(gòu)特征的仿生旋耕刀，與傳統(tǒng)型旋耕刀相比，整機(jī)功耗有大幅度減小，耕作質(zhì)量相差不大，且滿足國標(biāo)。將開溝刀刃設(shè)計(jì)成仿螳螂前足的曲線，仿生刃的砍切作用和仿生凹糟使其達(dá)到了降阻減耗的作用。通過對熊爪的模擬，設(shè)計(jì)了一種仿生開溝刀，功率和能耗都比傳統(tǒng)的開溝刀要小。對狗獾前爪趾結(jié)構(gòu)曲線進(jìn)行了提取和多項(xiàng)式擬合，將曲線應(yīng)用到深松鏟的設(shè)計(jì)中，得到基于多項(xiàng)式擬合的仿生深松鏟結(jié)構(gòu)，仿生深松鏟與國標(biāo)深松鏟相比平均減阻17.87%。研究了蜣螂的減粘脫附的機(jī)制，為工程仿生開辟了新的途徑。將鼴鼠前爪第三趾的整體三維表面結(jié)構(gòu)特征應(yīng)用到開溝刀的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出的仿生開溝刀的開溝功率比齒形開溝刀平均減少了10.398%。通過蚯蚓拉伸、靜止、收縮三種狀態(tài)下不同曲率半徑的變化得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)了鎮(zhèn)壓錕的防粘結(jié)構(gòu)，粘土量降低了37.62%。研究了仿生犁壁之所以能減粘降阻是因?yàn)榻缑娴拿?xì)水與表面凹凸不平的犁壁之間無法形成毛細(xì)負(fù)壓，所以減小了土壤與犁壁表面的法向粘附力。通過發(fā)現(xiàn)土壤生物表面光滑形態(tài)，設(shè)計(jì)了凹坑型非光滑表面，與光滑試樣相比，凹坑形成了空氣膜，阻止被測試樣與土壤界面系統(tǒng)之間水膜連續(xù)形成，降低了粘附力，減阻率為8.2%~24.65%。仿生犁的綜合經(jīng)濟(jì)效益是普通犁的1.62倍，幾何非光滑結(jié)構(gòu)單元的填充程度及單元幾何尺寸對減粘降阻的影響起到了決定性的作用。設(shè)計(jì)金屬型藥芯焊絲成分，在犁鏵上堆焊，使堆焊宏觀形貌和微觀組織呈現(xiàn)與蜣螂類似的宏觀結(jié)構(gòu)和體表微結(jié)構(gòu)，提高犁鏵耐磨性的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了減粘脫附，但還缺少相應(yīng)試驗(yàn)加以證明用灰色關(guān)聯(lián)度分析法建立仿生犁壁材料構(gòu)成元素和犁壁性能指標(biāo)如接觸角、硬度、耐蝕性和摩擦阻力降阻率等之間的灰色關(guān)系分析模型。

現(xiàn)階段學(xué)者對土壤生物的仿生主要體現(xiàn)在對其外表固定形態(tài)的模擬設(shè)計(jì)，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械精度、效率要求的提高，難以滿足更高要求，缺乏更深入的對其運(yùn)動(dòng)特性、處理土壤狀態(tài)、結(jié)構(gòu)材料、內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理的仿生研究。仿生的對象也不局限于土壤動(dòng)物，只要是能夠降低與環(huán)境介質(zhì)接觸阻力的生物結(jié)構(gòu)都可作為模仿的對象。

3 與農(nóng)藝融合的設(shè)計(jì)方法

我國地域遼闊，各地土壤類型各異，種植作物也不盡相同，針對不同土壤、不同作物、不同農(nóng)藝要求，我國學(xué)者對鏵式犁進(jìn)行了大量優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

為解決新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)棉田地力下降、土壤板結(jié)等問題[21-22]開發(fā)設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)雙向超深耕犁，采用層耕結(jié)構(gòu)技術(shù)，有效減小了耕作阻力；針對免耕導(dǎo)致的土壤板結(jié)變硬，為打破犁底層，創(chuàng)造適合作物生長發(fā)育的土體結(jié)構(gòu)研制了1LF-540型淺翻深松犁，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；為匹配大馬力拖拉機(jī)在新疆地區(qū)的推廣使用，提高犁耕生產(chǎn)率，研制了作業(yè)速度達(dá)到9.1km/h，耕深350mm，耕寬2700 mm的柵條式液壓翻轉(zhuǎn)調(diào)幅犁；為打破新疆兵團(tuán)大馬力拖拉機(jī)配套犁長期被國外壟斷的局面，研發(fā)了1LFT-555型液壓翻轉(zhuǎn)柵條犁；為解決油菜播種前旋耕部件作業(yè)耕深淺，秸稈埋伏率低的問題，結(jié)合油菜根系生長對直播農(nóng)藝的要求，賈洪雷等[23-25]通過模擬蚯蚓疏松土壤的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)了一種具有動(dòng)態(tài)松土開溝機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的仿生多功能開溝器，與傳統(tǒng)開溝裝置相比，該開溝器提高了土壤平均含水量和土壤平均溫度，使大豆出苗時(shí)間得到了提前。針對大豆種子結(jié)構(gòu)和種植模式設(shè)計(jì)了雙V型筑溝器，為了提高播種分布直線性及播深一致性，設(shè)計(jì)了仿形滑刀式開溝器；針對不同作物、種植模式和土壤條件設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)壓裝置可保證播種作業(yè)過程中的鎮(zhèn)壓效果；針對免耕條件下開溝作業(yè)易纏繞堵塞等問題設(shè)計(jì)的組合式開溝器，設(shè)計(jì)了一種缺口圓盤開溝器，保證了免耕播種等保護(hù)性耕作技術(shù)的發(fā)展和推廣；為使覆土器能夠較好地完成覆土作業(yè)，達(dá)到理想的覆土效果，同時(shí)盡量減少種子觸土后的位移，設(shè)計(jì)了一種雙圓盤式覆土器；根據(jù)土壤墑情和不同作物鎮(zhèn)壓力需求不同的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種隨時(shí)調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力的可變力苗帶鎮(zhèn)壓器等。

4存在的不足

由于土壤成分復(fù)雜、內(nèi)部成分和結(jié)構(gòu)不均勻、不同成分與部件接觸特性存在顯著差異，不同水分溫度條件對土壤特性影響顯著等問題，同時(shí)在不同地區(qū)、不同種植作物和農(nóng)藝要求等條件下，使得土壤物理幾何特性及力學(xué)特性復(fù)雜多變，尤其對土壤粘附變化的影響更為明顯。目前對不同地區(qū)不同類型的土壤物理特性以及粘附機(jī)理的研究理論還比較少，觸土部件結(jié)構(gòu)表面的粘附現(xiàn)象還未有效解決，還未形成系統(tǒng)的基于農(nóng)藝要求的高速低阻耕作技術(shù)體系。

5展望

目前仿生學(xué)在減粘降阻優(yōu)化上發(fā)揮了重大作用。各種結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的應(yīng)用使優(yōu)化有了數(shù)據(jù)作支撐，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了方向，且降低了成本，提高了效率。隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展以及土壤情況的惡化和農(nóng)藝要求的提高，耕作部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)面臨更大的挑戰(zhàn)，因此對耕作部件優(yōu)化設(shè)計(jì)提出以下展望：

（1）針對我國不同區(qū)域土壤狀態(tài)和耕作要求的差異，對耕作部件進(jìn)行優(yōu)化與設(shè)計(jì)。例如，開發(fā)設(shè)計(jì)適用于黏重土壤的耕作部件時(shí)，寬深比大一些，保證翻土覆蓋效果，減小耕作阻力；針對輕質(zhì)砂土?xí)r，耕作部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化要以高速高效率、高碎土率為方向；耕翻之前，田間一般留有作物前茬，根據(jù)不同前茬種類，適當(dāng)調(diào)節(jié)耕作部件曲面參數(shù)以保證秸稈覆蓋質(zhì)量。

（2）耕作部件曲面種類繁多，數(shù)學(xué)模型的計(jì)算也十分繁瑣，回歸分析方法具有通用性，將耕作部件曲面上各點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)看成自變量，Z坐標(biāo)看成因變量，用回歸分析方法獲得耕作部件曲面的數(shù)學(xué)模型通用性表達(dá)。

（3）逆向工程技術(shù)在耕作部件上的研究應(yīng)著重于采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理和三維模型的重建，包括數(shù)據(jù)平滑、降噪、精簡等，多種三維設(shè)計(jì)軟件的模型重建精度應(yīng)相互對比。對用逆向工程技術(shù)生成的曲線曲面加以數(shù)學(xué)方法的歸納，總結(jié)規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）耕作部件曲面仿生的對象不止于土壤動(dòng)物，自然界一切有利于減黏降阻的生物結(jié)構(gòu)都可以作為仿生對象加以研究。對耕作部件曲面的仿生學(xué)研究不僅要對其外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生，還要對生物仿生部位的運(yùn)動(dòng)特性及內(nèi)部機(jī)理進(jìn)行仿生研究。

（5）計(jì)算機(jī)仿真提高了耕作部件曲面的優(yōu)化設(shè)計(jì)效率，規(guī)范實(shí)地試驗(yàn)取得的土壤與耕作部件曲面參數(shù)，精確計(jì)算仿真中設(shè)定的各類參數(shù)，使仿真結(jié)果更加貼近真實(shí)情況。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，要開發(fā)各大仿真軟件間的耦合作用，充分發(fā)揮各個(gè)仿真軟件的優(yōu)勢，如EDEM-Adams的耦合，可以解決復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問題，EDEM-ANSYS Workbench的耦合可以更好反應(yīng)耕作部件的力學(xué)情況。