基于EDEM的圓盤彈齒組合式水田平地機(jī)圓盤轉(zhuǎn)輥仿真與試驗(yàn)

賈樂心，江應(yīng)星，2＊，孫 佳，付大平，2，姜立民，王景立，2*

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130000；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130000；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130000）

【研究意義】水稻是我國重要的糧食作物，籽粒收獲后往往伴隨大量水稻秸稈待處理。秸稈還田有利于提升土壤肥力，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[1]。傳統(tǒng)水田平地機(jī)利用打漿刀對泥土與根茬的切削作用以達(dá)到秸稈呈碎段狀，泥土粘稠狀。但存在作業(yè)阻力大、秸稈壓埋率低、作業(yè)后大量秸稈漂浮于田面等缺陷[2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】離散元方法廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械工作部件的仿真設(shè)計(jì)中[3-4]，如排種器、旋耕刀等作業(yè)部件的作業(yè)狀態(tài)仿真模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)偏差較小，可作為田間試驗(yàn)前的理論數(shù)據(jù)參考[5]。王金龍[6]基于離散元法對還田刀輥總成進(jìn)行優(yōu)化與分析，通過對扭矩、土壤顆粒數(shù)目的田間試驗(yàn)與仿真分析進(jìn)行對比，驗(yàn)證了離散元仿真可靠性。張春嶺[7]建立土壤-機(jī)具-秸稈模型分別對土壤顆粒、秸稈各方向位移以及刀片受力進(jìn)行分析。鄔立巖等[8]通過構(gòu)建水田機(jī)械工作部件表面與水田泥土層相接觸的力學(xué)模型，對觸土部件結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行了減阻設(shè)計(jì)。【本研究切入點(diǎn)】針對水稻秸稈全量還田新農(nóng)藝措施下出現(xiàn)的水稻秸稈吸水后韌性與抗剪切強(qiáng)度急劇增加，造成刀輥纏草嚴(yán)重，甚至無法作業(yè)的問題，設(shè)計(jì)了一種基于水稻秸稈整株壓埋為特點(diǎn)的圓盤彈齒組合式水田平地機(jī)，用于完成田面灌水后水稻秸稈深埋與起漿作業(yè)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】設(shè)計(jì)了壓草圓盤滾筒與彈齒滾筒組合的水田平地機(jī)，解決傳統(tǒng)打漿刀輥纏草、作業(yè)阻力大等不適于水稻秸稈全量還田的新農(nóng)藝技術(shù)要求問題。田間試驗(yàn)表明，該機(jī)具作業(yè)后秸稈壓埋率、起漿濃度等指標(biāo)均滿足新農(nóng)藝要求。

1 圓盤彈齒式水田平地機(jī)壓埋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 圓盤彈齒組合式水田平地機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

秸稈還田作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)動力輸出軸轉(zhuǎn)動經(jīng)由萬向聯(lián)軸器將動力傳輸至機(jī)具動力輸入軸，動力輸入軸經(jīng)變速箱減速驅(qū)使主動軸轉(zhuǎn)動，主動軸兩端連接機(jī)具兩端齒輪傳動箱并將動力傳遞至圓盤轉(zhuǎn)輥與彈齒轉(zhuǎn)輥，圓盤轉(zhuǎn)輥上安裝數(shù)組壓草圓盤，彈簧輥筒上分布大量彈簧彈齒，壓草圓盤起秸稈壓埋作用，彈簧彈齒起二次壓埋與輔助起漿作用（圖1）。

圖1 圓盤彈齒組合式水田平地機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of paddy field grader with disc spring-tooth combination

1.2 非驅(qū)動式與驅(qū)動式圓盤受力對比

傳統(tǒng)非驅(qū)動式作業(yè)部件進(jìn)行作業(yè)時(shí)，在拖拉機(jī)牽引作用下，作業(yè)部件依靠自身切削土壤與秸稈所受的滾切阻力進(jìn)行轉(zhuǎn)動。因機(jī)具水平牽引力較大且扭矩不足，導(dǎo)致水稻秸稈壓埋效果不佳易出現(xiàn)壅土現(xiàn)象。驅(qū)動式壓草圓盤受轉(zhuǎn)輥驅(qū)動，壓草圓盤向下主動壓埋秸稈與泥土并提供旋轉(zhuǎn)扭矩。使秸稈與泥漿有向下轉(zhuǎn)動的趨勢，將原本擁堵于機(jī)具前進(jìn)方向的秸稈向土壤深處運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)水稻秸稈全量還田（圖2）。

圖2 非驅(qū)動式圓盤與驅(qū)動式圓盤受力分析Fig.2 Force Diagram of non-driving disc cutter and driving disc cutter

2 離散元仿真

2.1 建立離散元模型

合適的顆粒模型可大大增加仿真效果真實(shí)性[9]。本研究所用的是Hertz-Mindlin with JKR 模型，該模型通過變化顆粒之間作用力來模擬各類物料，該模型提供吸引凝聚力，即便顆粒之間未直接接觸且適用于模擬濕顆粒，通過將顆粒之間的凝聚力模擬液體中的粘滯力[10]。該離散元模型通過將兩種顆粒層層鋪墊，用散粒體填充模擬流體（圖3）。

圖3 泥土-刀具-秸稈離散元模型Fig.3 Soil-tool-straw discrete element model

2.2 仿真參數(shù)

經(jīng)查閱相關(guān)資料，泥的密度為2 000 kg/m3，泊松比為0.5，泥漿材質(zhì)復(fù)雜特殊，類屬于流體，通過虛擬試驗(yàn)標(biāo)定法來確定其剪切模量為1×108Pa，其表面能為0.15 J/m2[11]泥土顆粒半徑選用5 mm。秸稈顆粒建模采用球型顆粒進(jìn)行拼接建模，并對模型進(jìn)行一定程度的簡化。秸稈的密度為241 kg/m3，剪切模量為1×106Pa[12]（表1）。

表1 不同顆粒接觸參數(shù)Tab.1 Contact parameters of different particles

2.3 離散元模擬試驗(yàn)

本研究通過從離散顆粒添加作用力，模擬泥土之間存在的粘滯力大小。賦予圓盤轉(zhuǎn)輥相應(yīng)運(yùn)動參數(shù)，模擬刀具秸稈壓埋過程。正確、合理的仿真模擬模型一定程度上可為機(jī)具田間實(shí)驗(yàn)提供理論參考依據(jù)。

水田耕整地作業(yè)中，機(jī)具作業(yè)條件差異往往導(dǎo)致不同作業(yè)效果。選擇合適機(jī)具作業(yè)條件成為農(nóng)民關(guān)注的重點(diǎn)，在滿足水稻種植農(nóng)藝要求前提下，適當(dāng)減小機(jī)具前進(jìn)阻力，可延長機(jī)具使用壽命，減低機(jī)具功率消耗，一定程度上可減少農(nóng)戶使用成本。選用機(jī)具作業(yè)速度、壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度、轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素，將機(jī)具前進(jìn)阻力作為試驗(yàn)指標(biāo)，在常規(guī)作業(yè)條件中，選取一組最優(yōu)作業(yè)條件。

通過建立三因素三水平BBD（Box-Behnken）試驗(yàn)方案[13-14]，模擬各作業(yè)條件下機(jī)具作業(yè)狀態(tài)（表2）。由于顆粒數(shù)目與機(jī)具模型等諸多原因限制，圓盤轉(zhuǎn)輥長度僅選取原長1/3，長度為1 m，仿真作業(yè)效果如圖4 所示。

圖4 不同試驗(yàn)條件下壓草圓盤作業(yè)狀態(tài)Fig.4 Simulation effect of disc cutter operation under different conditions

表2 試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Test factor level table

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)環(huán)境與設(shè)備

本次試驗(yàn)選擇于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)教學(xué)基地進(jìn)行，田塊經(jīng)灌水泡田24 h后，液面深度為70～80 mm，地表溫度為2.2 ℃的外部環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備選用久保田M954拖拉機(jī)、田間動力遙測儀、秒表等試驗(yàn)設(shè)備。

3.2 試驗(yàn)方法

機(jī)具作業(yè)過程中，壓埋機(jī)構(gòu)對水稻秸稈進(jìn)行壓埋鎮(zhèn)壓作用，往往受到田間泥漿以及秸稈所帶來的前進(jìn)阻力。在滿足水田耕整地及秸稈還田的農(nóng)藝要求前提下，減小機(jī)器前進(jìn)阻力，在一定程度上可降低機(jī)具功率消耗。拖拉機(jī)經(jīng)田間機(jī)械動力學(xué)遙測儀連接試驗(yàn)機(jī)具，機(jī)具在作業(yè)過程中所受到的阻力大小被遙測記錄，用以評定機(jī)具前進(jìn)阻力效果。記錄單位工作時(shí)間內(nèi)，該機(jī)具壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)中所出現(xiàn)的纏草次數(shù)作為機(jī)具纏草現(xiàn)象評價(jià)指標(biāo)（圖6）。

圖6 試驗(yàn)機(jī)具進(jìn)行田間試驗(yàn)Fig.6 Field Test of testing machine and tools

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，表中A、B、C分別為機(jī)具作業(yè)速度、壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度、圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速試驗(yàn)指標(biāo)。共需進(jìn)行17組正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得出表3，二次回歸方程為：

表3 BBD正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 BBD orthogonal test data

y=-2 194.67+1 049×A+1 084.63×B-60.315×C-101×A×B-1.3×A×C+0.353 125×B×C+533.3×A2-17.731 3×B2+0.117 859×C2；

阻力方差分析見表4。

表4 機(jī)具前進(jìn)阻力響方差分析Tab.4 Analysis of variance of resistance to work of machines and tools

由表4 方差分析結(jié)果可知，機(jī)具作業(yè)阻力受機(jī)具作業(yè)速度（A）、壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度（B）兩因素影響極顯著，各因素對機(jī)具前進(jìn)阻力影響力由大到小分別為機(jī)具前進(jìn)阻力＞壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度＞圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速。因此建立試驗(yàn)因素與機(jī)具前進(jìn)阻力響應(yīng)面，分析其因素兩兩之間的交互作用對機(jī)具前進(jìn)阻力影響，得出圖7。

圖7 各試驗(yàn)因素交互作用響應(yīng)面Fig.7 Response Surface for interaction of various test factors

傳統(tǒng)水田打漿刀進(jìn)行水田耕整地作業(yè)過程，因刀身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因存在多處刀刃滑切角，水稻秸稈懸掛其中隨刀體高速轉(zhuǎn)動后，緊密依附于刀刃刀輥上清理困難[15]（圖8）。

本次試驗(yàn)纏草率通過對作業(yè)幅寬為2.8 m 的水田旋耕部件完成20 m 長度田塊的耕整地與秸稈還田作業(yè)。作業(yè)后記錄旋耕部件纏草掛草質(zhì)量。經(jīng)清理工作后，對秸稈稻草質(zhì)量進(jìn)行測量，當(dāng)秸稈稻草質(zhì)量大于10 kg 時(shí)，該作業(yè)過程視為纏草嚴(yán)重，并進(jìn)行記錄。

壓草圓盤完成水田耕整地作業(yè)后，僅轉(zhuǎn)輥處懸掛些許秸稈且易清理，二者作業(yè)過程纏草效果對比如表5所示。

表5 兩刀具纏草率對比Tab.5 Comparison of twining rate between two cutting tools

由上述數(shù)據(jù)分析得，機(jī)具作業(yè)速度對機(jī)具前進(jìn)阻力大小的影響程度比壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度更顯著，圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速影響程度居最末。隨著試驗(yàn)水平參數(shù)逐步提高，機(jī)具前進(jìn)阻力也隨之增加，因此在滿足農(nóng)藝要求下，經(jīng)綜合分析得最佳機(jī)具作業(yè)條件A1B2C3，即機(jī)具作業(yè)速度為2 km/h，壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度為20 cm，圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)既滿足農(nóng)藝要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)具前進(jìn)阻力最小。壓草圓盤相比于傳統(tǒng)打漿刀纏草率降低了79.5%，顯著提高了機(jī)具作業(yè)效率[15]。

3.4 離散元仿真與田間試驗(yàn)結(jié)果擬合度分析

通過構(gòu)建離散元田間模型，導(dǎo)入刀具模型并賦予相關(guān)運(yùn)動參數(shù)從而在一定程度上模擬刀具田間作業(yè)過程。EDEM 軟件后處理部分，可直接得出仿真過程中水平方向上刀具所受合力，可近似看做機(jī)具前進(jìn)阻力。田間試驗(yàn)中，田間機(jī)械動力參數(shù)遙測儀通過連接于上下懸掛點(diǎn)的力學(xué)傳感器，獲取水平方向三點(diǎn)合力，可近似看作機(jī)具前進(jìn)阻力。將離散元仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)與田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比對，得出機(jī)具前進(jìn)阻力隨時(shí)間變化圖（圖9）。經(jīng)計(jì)算分析得，離散元仿真試驗(yàn)結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果相對偏差率為29.69%，驗(yàn)證了離散元仿真試驗(yàn)在一定程度上上可實(shí)現(xiàn)田間試驗(yàn)的模擬仿真作業(yè)。

圖9 仿真試驗(yàn)與田間試驗(yàn)阻力對比Fig.9 Comparison of resistance between simulation test and field test

4 結(jié)論

（1）本文使用離散元軟件給予圓盤彈齒組合式水田平地機(jī)壓埋機(jī)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)，模擬機(jī)構(gòu)水田秸稈壓埋作業(yè)過程。

（2）選取機(jī)具作業(yè)速度、壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度、圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素。經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)具作業(yè)速度對機(jī)具前進(jìn)阻力的影響程度比壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度更顯著，圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速對機(jī)具前進(jìn)阻力的影響程度居最末，綜合分析得，最優(yōu)作業(yè)條件參數(shù)組合為機(jī)具作業(yè)速度2 km/h，壓埋機(jī)構(gòu)作業(yè)深度22 cm，圓盤轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速300 r/min。壓草圓盤轉(zhuǎn)輥纏草率降低了79.5%。

（3）機(jī)具前進(jìn)阻力田間試驗(yàn)結(jié)果與離散元仿真相對誤差率為29.69%，驗(yàn)證了離散元仿真試驗(yàn)一定程度上可為田間試驗(yàn)提供理論參考。