基于離散元法的磚紅壤斜柄折翼式深松鏟設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張喜瑞 曾望強(qiáng) 劉俊孝 吳 鵬 董學(xué)虎 胡宏男

(1.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 海口 570228； 2.曼尼托巴大學(xué)生物系統(tǒng)工程系， 溫尼伯 R3T 2N2；3.海南省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定推廣站， ?？?570206； 4.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 廣州 510225)

0 引言

目前，香蕉種植多采用“兩年一種”模式，短周期的香蕉種植模式結(jié)合傳統(tǒng)的香蕉地翻耕、旋耕模式使得農(nóng)業(yè)機(jī)具的作業(yè)次數(shù)大幅增加[1-2]，導(dǎo)致香蕉田土壤耕作層不斷壓實(shí)并形成犁底層，進(jìn)而造成表層土壤孔隙度下降，雨水難以快速滲入土壤，形成的表面徑流帶走了大量的表層土壤和有機(jī)質(zhì)，嚴(yán)重影響香蕉樹的生長以及香蕉的產(chǎn)量和品質(zhì)[3-4]。香蕉地土壤多為磚紅壤土，該類型土壤礦物含量高、質(zhì)地黏重，疊加熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)雨水充足，導(dǎo)致土壤含水率大。運(yùn)用傳統(tǒng)機(jī)具對磚紅壤土進(jìn)行深松作業(yè)時(shí)，存在耕作阻力大、地表平整度差及動土量大等問題。同時(shí)，由于香蕉種植的區(qū)域性特點(diǎn)，缺乏香蕉地專用的深松機(jī)具，嚴(yán)重制約了深松技術(shù)在熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)的推廣應(yīng)用。

歐美等國家對深松鏟的研究相對完善，SHAHGOLI等[5-6]以單立柱鑿式深松鏟為試驗(yàn)對象，分別對振頻、振動角進(jìn)行單因素試驗(yàn)，得到最優(yōu)作業(yè)頻率和最優(yōu)振動角。MACHADO等[7]通過田間試驗(yàn)評估了不同的地區(qū)和不同作業(yè)深度下深松作業(yè)的能量消耗。王俊發(fā)等[8]采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，考察了深松鏟振頻、振幅、前進(jìn)速度與耕阻、振動的關(guān)系。劉俊安等[9]通過離散元分別對3種深松鏟進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鑿形鏟、箭形鏟和翼形鏟作業(yè)對土壤擾動面積依次增大。岳斌等[10]通過對分層深松鏟前后鏟距對土壤擾動行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)離散元軟件能夠較為準(zhǔn)確地模擬分層深松土壤的擾動過程。

目前，熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)的深松研究主要集中在甘蔗、香蕉等作物。韋麗嬌等[11-12]研制了1SG-230型甘蔗地深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)，通過在常規(guī)旋耕機(jī)前增加一組深松裝置，能夠同時(shí)完成深松和旋耕作業(yè)；嚴(yán)曉麗等[13]設(shè)計(jì)的熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)使用的鑿式深松鏟，可有效減少深松阻力；李柏林等[14]對甘蔗地鑿式深松犁的角度參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析了深松鏟的部分參數(shù)對耕作阻力的影響。然而，由于磚紅壤土的特殊物理特性[15]，針對其他土壤條件設(shè)計(jì)的深松機(jī)具適用性較差，可適應(yīng)香蕉地工況的高性能深松整地裝備較少，作業(yè)阻力仍有待降低。此外，由于香蕉根系分布范圍較大，相較于典型糧食作物需要更大的松土面積。

本文針對海南香蕉地磚紅壤土特性，以降低作業(yè)阻力、增大松土面積和減少土壤擾動為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種香蕉地斜柄折翼式深松鏟。同時(shí)結(jié)合離散元仿真和田間試驗(yàn)研究[16]，分析深松鏟在強(qiáng)黏性土壤作業(yè)過程中的受力狀態(tài)，探索深松鏟深松效果和耕作阻力之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制，以期為熱帶地區(qū)深松耕作技術(shù)研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.1 斜柄折翼式深松鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于深松作業(yè)時(shí)，鏟柄直接與土壤接觸，并擠壓前方土壤使其從兩側(cè)滑出，因此鏟柄部分是前進(jìn)阻力的重要來源，將鏟柄形式設(shè)計(jì)為傾斜式，可以將向后阻礙機(jī)具前進(jìn)的力轉(zhuǎn)化為土壤向上運(yùn)動的力，使深松鏟能更好地掀動土壤并減少前進(jìn)阻力和改善深松鏟容易產(chǎn)生的斷裂、損壞等現(xiàn)象[17]。為提高犁耕比、增加土壤的擾動面積、改善深松鏟的土壤擾動系數(shù)和調(diào)節(jié)深松后土壤的減蒸保墑能力，通過在深松鏟底部增加兩個(gè)對稱的鏟翼，并將鏟翼向后彎折至地表平行以減少土壤阻力。斜柄折翼式深松鏟結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 斜柄折翼式深松鏟結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram structure and geometric parameters of inclined handle folding wing subsoiling shovel1.安裝孔 2.鏟柄 3.鏟刃 4.鏟翼 5.入土鏟尖

斜柄折翼式深松鏟整體結(jié)構(gòu)由安裝孔、鏟柄、鏟刃、鏟翼和入土鏟尖組成。斜柄折翼式深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)參照文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)，相關(guān)研究表明，深松鏟尖前伸長度S與理論深松深度H的比值S/H在0.64～1.04范圍時(shí)具有較明顯的減阻效果，當(dāng)S/H=0.8時(shí)減阻效果為最佳狀態(tài)[19]，即設(shè)計(jì)深松鏟尖前伸長度S為400 mm。為解決深松時(shí)香蕉根茬對作業(yè)效果的影響，斜柄折翼式深松鏟設(shè)計(jì)有深松鏟翼以增加松土面積，并保證刃口具有較好的滑切性能，鏟翼傾角γ取25°。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 斜柄折翼式深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of inclined handle folding wing subsoiling shovel

鏟柄和鏟翼材料均采用65Mn鋼，刃口及鏟尖進(jìn)行熱處理，增強(qiáng)耐磨性，深松鏟整體進(jìn)行耐腐蝕處理。

1.2 斜柄折翼式深松鏟受力分析

斜柄折翼式深松鏟在深松作業(yè)時(shí)，主要受到鏟柄部分和鏟尖部分的作用力[20]。

1.2.1斜柄折翼式深松鏟鏟柄部分受力分析

對斜柄折翼式深松鏟鏟柄部分進(jìn)行受力分析時(shí)，通過簡化受力模型，假設(shè)深松鏟鏟柄所受合力為F0，則合力可分解為工作面上若干個(gè)分力，受力示意圖如圖2所示，分力和合力關(guān)系為

圖2 斜柄折翼式深松鏟鏟柄受力分析Fig.2 Stress analysis on handle of inclined handle folding wing subsoiling shovel

F0=2(N1sin(α/2)+N1μcos(α/2)+N2μ)

(1)

式中N1——鏟刃上的法向力，N

N2——鏟柄側(cè)面法向力，N

μ——靜摩擦因數(shù)α——鏟刃夾角

根據(jù)已有研究結(jié)果[21]可知，N1、N2主要受到土壤比阻和比壓的影響，因此

(2)

式中K1——變形比阻，Pa

A1——鏟柄刃口面積，m2

K2——土壤比壓，Pa

A2——鏟柄側(cè)面面積，m2

由于深松鏟為對稱結(jié)構(gòu)，兩側(cè)受力可以抵消，將式(2)代入式(1)中可得出前后方向的總阻力F0為

F0=2K1A1(sin(α/2)+μcos(α/2))+2K2A2μ

(3)

由式(3)可知，總阻力F0與變形比阻K1、土壤比壓K2、鏟刃夾角α相關(guān)，由于磚紅壤土質(zhì)地黏重，密度較高，導(dǎo)致變形比阻K1、土壤比壓K2相較于其他類型土壤大，使得作業(yè)阻力上升，因此通過設(shè)計(jì)降低鏟刃夾角α以進(jìn)行減阻，但是夾角過小會導(dǎo)致深松鏟強(qiáng)度及松土面積降低，因此通過試驗(yàn)得出最佳鏟柄刃口夾角為48°。

1.2.2斜柄折翼式深松鏟鏟尖部分受力分析

斜柄折翼式深松鏟鏟尖在作業(yè)過程中，主要受到深松鏟水平方向的牽引力，以及土壤對鏟尖部分的壓力，受力情況如圖3所示。

圖3 斜柄折翼式深松鏟鏟尖受力分析Fig.3 Stress analysis of blade tip of inclined handle folding wing subsoiling shovel

通過受力分析，鏟尖水平方向的受力平衡方程為

F1=N0sinδ+μN(yùn)0cosδ+kW

(4)

式中F1——鏟尖所受水平牽引力，N

N0——法向方向受到的正壓力，N

k——單位寬度上土壤的純切削阻力，N/mm

W——鏟刀面寬度，mm

δ——深松鏟尖傾角

土壤的純切削阻力很小，可忽略不計(jì)，則式(4)可改寫成

F1=N0sinδ+μN(yùn)0cosδ

(5)

由式(5)可知，δ對深松鏟所受阻力有顯著影響，主要影響深松鏟的入土性能和前進(jìn)阻力，隨著入土角的增大，入土能力越差，且阻力增加；入土角減小，疏松土壤效果較差。根據(jù)磚紅壤土的物理特性，并結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊深松鏟入土角的設(shè)計(jì)，確定深松鏟尖傾角δ為25°。

2 離散元三層深松土壤模型建立

2.1 磚紅壤土特性

磚紅壤土是我國熱帶地區(qū)雨林、季雨林中，生物物質(zhì)轉(zhuǎn)化迅速，鐵鋁氧化物高度富集的一類紅色土壤[22]。于海南省儋州市典型磚紅壤香蕉地取樣，使用土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分析儀測量得土壤顆粒組成如表2所示。

表2 磚紅壤土顆粒組成Tab.2 Composition of lateritic soil particle

由表2可知，磚紅壤土表層疏松，底層緊實(shí)，深松作業(yè)可有效改善土壤環(huán)境。根據(jù)測量結(jié)果，利用離散元軟件EDEM 2.6建立耕作層、犁底層、心土層3層深松土壤模型，并對深松鏟進(jìn)行虛擬仿真。為準(zhǔn)確反映深松鏟的作業(yè)性能，還需進(jìn)一步確定土壤-深松鏟離散元仿真參數(shù)[23]。

2.2 離散元土壤接觸模型參數(shù)確定

接觸模型是離散元法的重要基礎(chǔ)，其實(shí)質(zhì)是準(zhǔn)靜態(tài)下顆粒固體接觸力學(xué)彈塑性的分析結(jié)果[24-25]。仿真對象為磚紅壤土，具有散粒體物料特性，土壤有一定粘附性，而Hertz-Mindlin with JKR接觸模型是一種建立在Hertz理論上的粘結(jié)性顆粒接觸模型，且接觸模型中的法向彈性力可較好地表征顆粒間的粘彈性特征[26]，因此選用土壤與深松鏟間接觸模型為Hertz-Mindlin with JKR。通過實(shí)驗(yàn)室前期測量標(biāo)定試驗(yàn)及文獻(xiàn)[27-28]可知，磚紅壤土的仿真本征參數(shù)如表3所示。

表3 離散元模型基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of discrete element model

2.3 虛擬土槽仿真模型建立

運(yùn)用EDEM自帶顆粒單元建立球形結(jié)構(gòu)，設(shè)置土壤顆粒半徑為8 mm，并將SolidWorks軟件建立的斜柄折翼式深松鏟三維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入EDEM軟件。在所設(shè)定的仿真模型中生成土壤顆粒，固定時(shí)間步長為2.26×10-4s，Rayleigh時(shí)間步長為1.13×10-3s[29]。為分析深松鏟對不同深度土層土壤的運(yùn)動及擾動差異，設(shè)置為耕作層、犁底層、心土層3層土壤模型，為適應(yīng)磚紅壤土地區(qū)各土層實(shí)際情況，確定耕作層厚度為120 mm，犁底層厚度為150 mm，心土層厚度為230 mm。如圖4所示，為保證仿真準(zhǔn)確性，耕作層土壤顆粒采用隨機(jī)排列，結(jié)構(gòu)密實(shí)的犁底層土壤顆粒采用面心立方排列(孔隙率28.1%)，深層的心土層土壤顆粒采用體心立方排列(孔隙率33.8%)。

圖4 仿真幾何模型Fig.4 Simulation geometry model

3 離散元仿真

3.1 深松鏟工作仿真分析

為探究斜柄折翼式深松鏟的合理作業(yè)速度，分析深松鏟在不同作業(yè)速度下的作業(yè)效果。深松仿真時(shí)間為3.0～8.0 s，深松深度為350 mm，選取作業(yè)速度1.80 km/h (3.0～4.0 s)、2.52 km/h (4.0～5.0 s)、3.24 km/h(5.0～6.0 s)、3.96 km/h (6.0～7.0 s)、4.68 km/h (7.0～8.0 s)。通過分析深松鏟對土壤顆?；旌锨闆r、土層擾動效果和耕作阻力，以選取最佳作業(yè)速度。

由圖5a可知，深松鏟對土壤土層間的顆?；旌狭侩S作業(yè)速度的增加而逐漸增多。當(dāng)作業(yè)速度為1.80 km/h時(shí)，各層土壤顆粒間無明顯混合；在深松鏟作業(yè)速度為2.52 km/h時(shí)，耕作層與犁底層之間的土壤顆粒開始出現(xiàn)混合現(xiàn)象；在深松鏟作業(yè)速度為3.24 km/h時(shí)，土壤顆粒混合現(xiàn)象大量出現(xiàn)；深松鏟作業(yè)速度為3.96～4.68 km/h時(shí)，各土層出現(xiàn)的顆?；旌狭炕静蛔?。

圖5 不同速度下深松效果仿真結(jié)果Fig.5 Simuation results of subsoiling effect at different speeds

由圖5a可知，當(dāng)深松鏟作業(yè)速度達(dá)3.24 km/h之后，不同土層的土壤顆粒混合量迅速增加，這是因?yàn)橥寥涝诟咚僮矒粝滦纬筛嗟乃缮㈩w粒，并通過深松鏟快速掠過后形成的溝壑進(jìn)入其他土層。當(dāng)深松鏟速度在3.24～3.96 km/h之間時(shí)，深松鏟在保證工作效率的前提下，土壤混合量達(dá)到最佳效果。

由圖5b可知，深松鏟對土層擾動程度隨作業(yè)速度的增加而逐漸增大。深松鏟兩側(cè)的土壤在鏟尖、鏟翼、鏟柄、鏟刃剪切和擠壓作用下，沿深松鏟前進(jìn)方向向兩側(cè)抬升，擴(kuò)大了土層的擾動范圍。當(dāng)作業(yè)速度為1.80 km/h時(shí)，深松鏟對土層無明顯擾動現(xiàn)象；作業(yè)速度為2.52 km/h時(shí)，土層出現(xiàn)明顯擾動；當(dāng)作業(yè)速度大于3.24 km/h，深松鏟對犁底層和耕作層的擾動逐漸增強(qiáng)，并逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這主要是由于土層自身具有一定穩(wěn)定性，當(dāng)作業(yè)速度達(dá)到一定值時(shí)，深松鏟對土層的沖擊力影響土層的穩(wěn)定性，造成深松鏟作業(yè)面積內(nèi)的土層破壞。因此，當(dāng)犁底層完全被打破后，作業(yè)速度的增加不再造成土層上移現(xiàn)象。即深松鏟速度大于3.24 km/h時(shí)，土壤犁底層被完全打破，在深松效率較高的前提下，對土層擾動較少。

基于不同作業(yè)速度進(jìn)行仿真分析，探究深松鏟在相同深松深度下的耕作阻力。由圖6可知，在作業(yè)速度為1.80 km/h時(shí)，其耕作阻力均值為1 901.1 N；在作業(yè)速度為2.52 km/h時(shí)，其耕作阻力均值為2 186.7 N；在作業(yè)速度為3.24 km/h時(shí)，其耕作阻力均值為2 331.2 N；在作業(yè)速度為3.96 km/h時(shí)，其耕作阻力均值為2 512.1 N；在作業(yè)速度為4.68 km/h時(shí)，其耕作阻力均值為2 645.7 N。仿真結(jié)果表明，隨作業(yè)速度的增加，耕作阻力也隨之增加，這主要是因?yàn)樽鳂I(yè)速度越大，土壤對鏟柄和鏟尖的壓力就越大，從而造成了耕作阻力的變化。

圖6 耕作阻力對比Fig.6 Comparison of tillage resistance

由圖5、6可知，作業(yè)速度的變化會導(dǎo)致深松效果的差異。在保證較高工作效率的前提下，作業(yè)速度在3.24～3.96 km/h之間，不同土層間的土壤顆?；旌狭枯^小，土層擾動效果明顯，深松鏟耕作阻力為深松鏟最佳作業(yè)速度區(qū)間。同時(shí)，通過仿真分析可知，作業(yè)速度越大，耕作阻力越大。

3.2 深松鏟對比仿真

3.2.1耕作阻力對比

深松鏟工作目的主要為打破犁底層的板結(jié)土塊，結(jié)合實(shí)際工作情況，模擬深松鏟的工作過程。通過第3.1節(jié)可知深松鏟最佳作業(yè)速度范圍為3.24～3.96 km/h，故選擇該范圍內(nèi)的中間值3.6 km/h進(jìn)行對比仿真，在作業(yè)深度為350 mm時(shí)，斜柄折翼式深松鏟和直柄鑿式深松鏟耕作阻力分別為2 450.9、2 847.2 N。綜上分析，相對于直柄鑿式深松鏟，斜柄折翼式深松鏟的耕作阻力可降低16.2%，具有明顯的減阻效果。

3.2.2深松效果對比

深松鏟的松土效果可表現(xiàn)為松土面積、土層擾動量、地表平整度和溝槽寬度。深松鏟在工作過程中，應(yīng)在達(dá)到最大松土面積的前提下，降低深松鏟對耕作層、犁底層、心土層土壤的混合量，達(dá)到不亂土層的效果，減少養(yǎng)分含量較低的心土層土壤的上移量。同時(shí)，溝槽寬度和地表平整度越小，更利于土壤保水保墑。

(1)松土面積

斜柄折翼式深松鏟工作時(shí)，鏟尖切割土壤，將土壤向前方與上方擠壓。隨著深松鏟的前進(jìn)，傾斜的鏟柄不斷抬升土壤，土壤承受拉伸應(yīng)力而被破壞。因此，與直柄鑿式深松鏟相比，斜柄折翼式深松鏟不僅鏟尖對土壤有擠壓和碎土作用，而且傾斜的鏟柄抬升土壤時(shí)對土壤有拉伸作用，促進(jìn)了土壤的破碎，進(jìn)而擴(kuò)大了上層土壤的松土面積[30]。此外，深松鏟兩側(cè)的折翼并不直接作用于堅(jiān)硬的犁底層，而是作用于相對緊實(shí)的心土層，可以降低作業(yè)阻力，而通過攪動心土層，可以對犁底層進(jìn)行縱向的擠壓作用，配合深松鏟的橫向擠壓，可有效地打破犁底層并增加深松裝置深層的松土面積。為進(jìn)一步分析2種深松鏟的松土面積，通過虛擬仿真分析，可以根據(jù)觀察深松鏟在作業(yè)過程中土壤顆粒的受力情況，仿形繪制土壤的擾動輪廓，記錄關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并輸入Excel中，即可得到兩種深松鏟作業(yè)時(shí)的松土效果圖，如圖7所示松土面積A可表示為

圖7 深松鏟松土效果對比Fig.7 Comparison of effect of subsoiling and loosening soil

(6)

式中f(x)——左側(cè)曲線近似函數(shù)

g(x)——右側(cè)曲線近似函數(shù)

a、b——f(x)函數(shù)的起點(diǎn)和終點(diǎn)的參數(shù)

c、d——g(x)函數(shù)的起點(diǎn)和終點(diǎn)的參數(shù)

L——深松鏟寬度，mm

由圖7可知，在相同作業(yè)深度條件下，直柄鑿式深松鏟最大松土寬度W1小于斜柄折翼式深松鏟松土寬度W2，通過計(jì)算可以得知斜柄折翼式深松鏟的松土面積大于直柄鑿式深松鏟的松土面積，從而表明斜柄折翼式深松鏟的松土量更大，更有利于磚紅壤地區(qū)土壤深松。

(2)土壤擾動效果

土壤擾動效果是評價(jià)深松作業(yè)的重要指標(biāo)[31]。圖8a為兩種深松鏟作業(yè)時(shí)土壤顆粒的受力情況，其中紅色顆粒代表土壤顆粒受力較大，藍(lán)色顆粒代表受力較小，綠色顆粒表明受力大小介于兩者之間。由圖可知，相比直柄鑿式深松鏟，斜柄折翼式深松鏟對各土壤層的土壤顆粒沖擊較小，對土層破壞小。斜柄折翼式深松鏟對耕作層和心土層土壤顆粒的沖擊大于犁底層(圖8a中土壤中部的犁底層顆粒紅色部分較少)，即說明斜柄折翼式深松鏟對犁底層土壤起到了滑切作用，既可促進(jìn)土壤中的雨水下滲，又可降低深松鏟對土層破壞。同時(shí)，由圖8b可知，斜柄折翼式深松鏟相對于直柄鑿式深松鏟，能有效降低對各土壤層的土壤混合量，達(dá)到不亂土層的效果，減少了養(yǎng)分含量較低的心土層上移，從而起到較好的深松效果。

圖8 兩種深松鏟仿真效果Fig.8 Simulation results of two kinds of subsoiling shovel1.斜柄折翼式深松鏟 2.直柄鑿式深松鏟 3.耕作層 4.犁底層 5.心土層

(3)地表平整度和溝槽寬度

為測定深松鏟對地表平整度與溝槽寬度的影響，利用離散元軟件中的Clipping模塊對仿真土槽進(jìn)行區(qū)域劃分。提取該區(qū)域穩(wěn)定后的坐標(biāo)值，進(jìn)行土壤輪廓標(biāo)定，繪制出深松前后的地表線，并在深松后的地表線上過最高點(diǎn)作水平線為基準(zhǔn)線。如圖9所示，在整個(gè)深松鏟深松寬度LY以d0(30 mm)等分標(biāo)記測點(diǎn)，在兩種深松鏟作業(yè)前后測定土壤輪廓曲線至水平基準(zhǔn)線的垂直距離[32-33]。以標(biāo)準(zhǔn)差表示地表平整度，計(jì)算式為

圖9 深松作業(yè)橫截面示意圖Fig.9 Sketch map of cross section of subsoiling operation

(7)

式中ai——第i次測量的深松前后地表至水平基準(zhǔn)線的垂直距離

aij——第i次測量中第j個(gè)等分點(diǎn)的深松前后地表至水平基準(zhǔn)線的垂直距離

ni——第i次測量中的測試點(diǎn)數(shù)

選取深松深度為350 mm，作業(yè)速度為3.6 km/h的作業(yè)條件進(jìn)行深松平整度和溝槽寬度分析。深松鏟深松后溝槽呈V形，分別取兩側(cè)最高點(diǎn)。上述試驗(yàn)分別測量5次求平均值。仿真結(jié)果表明，斜柄折翼式深松鏟和直柄鑿式深松鏟的地表平整度分別為16.01、20.17 mm，斜柄折翼式深松鏟地表平整度提高了25.9%，更利于香蕉地磚紅壤地區(qū)的深松整地；相比直柄鑿式深松鏟溝槽寬度均值LZ(214.5 mm)，斜柄折翼式深松鏟作業(yè)形成溝槽寬度均值LX(157.4 mm)降低了36.3%，有助于土壤保墑。

4 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)斜柄折翼式深松鏟實(shí)際作業(yè)效果，并驗(yàn)證深松鏟的仿真分析結(jié)果，對深松鏟進(jìn)行田間試驗(yàn)，獲取實(shí)際深松鏟牽引阻力和深松效果。

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)裝置包括：斜柄折翼式深松鏟、直柄鑿式深松鏟、深松機(jī)架、拖拉機(jī)2臺、Sense-RS型輪廓掃描儀、數(shù)顯式推拉力計(jì)、米尺、便攜式計(jì)算機(jī)1臺。試驗(yàn)在海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)機(jī)試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)田為磚紅壤土。試驗(yàn)田長200 m，寬150 mm，土壤含水率為25.3%。

4.2 試驗(yàn)方法

將兩個(gè)深松鏟分別安裝于深松機(jī)架上進(jìn)行試驗(yàn)，拖拉機(jī)與拖拉機(jī)懸掛裝置間安裝拉力傳感器，用于測量作業(yè)過程中的深松阻力，首先測量拖拉機(jī)空載時(shí)的耕作阻力，再測量安裝深松機(jī)的深松阻力，則兩者之差即為深松作業(yè)時(shí)的耕作阻力，耕作阻力直接通過數(shù)據(jù)線傳輸至計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)區(qū)域按照要求劃分，每個(gè)區(qū)域長70 m，寬20 m。試驗(yàn)開始前，在深松鏟所在處挖一定深度土坑，將深松鏟下降至深度為350 mm，將機(jī)架調(diào)整到水平位置并開啟數(shù)據(jù)采集裝置，根據(jù)試驗(yàn)條件保持作業(yè)速度恒定(圖10)。同時(shí)，運(yùn)用Sense-RS型三維輪廓掃描儀掃描深松前后地表輪廓和溝槽輪廓，得到地表平整度與溝槽寬度(圖11)。

圖10 耕作阻力測試系統(tǒng)Fig.10 Testing system of tillage resistance

圖11 土壤輪廓掃描Fig.11 Soil profile scanning

為對應(yīng)離散元仿真結(jié)果，試驗(yàn)時(shí)機(jī)具作業(yè)速度選擇3.6 km/h。每次試驗(yàn)機(jī)車組在給定區(qū)域內(nèi)行走平穩(wěn)后的20 m長度內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，每組試驗(yàn)重復(fù)5次求取平均值。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10295—2014，以耕作阻力、地表平整度和溝槽寬度為分析指標(biāo)，斜柄折翼式深松鏟性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在深松深度為350 mm的條件下，斜柄折翼式深松鏟和直柄鑿式深松鏟的實(shí)際耕作阻力(2 441.6、2 837.3 N)相對于離散元仿真結(jié)果(2 450.9、2 847.2 N)的誤差為0.38%和0.37%；實(shí)際地表平整度(15.85、19.78 mm)相對于離散元仿真結(jié)果(16.01、20.17 mm)的誤差為1.01%和1.97%；實(shí)際深松溝槽寬度(155.7、212.3 mm)相對于離散元仿真結(jié)果(157.4、214.5 mm)的誤差為1.09%和1.04%。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，離散元仿真得出的分析結(jié)果有效。相對于磚紅壤地區(qū)常用的直柄鑿式深松鏟，斜柄折翼式深松鏟作業(yè)時(shí)，耕作阻力較小，土層擾動量少，深松面積大，適用于香蕉地磚紅壤地區(qū)的土壤深松。

表4 深松鏟實(shí)際松土效果Tab.4 Effect of subsoiling shovel

5 結(jié)論

(1)基于海南香蕉種植地區(qū)磚紅壤土土層深厚、質(zhì)地黏重、含水率高的土壤特性，設(shè)計(jì)斜柄折翼式深松鏟，可有效減少深松作業(yè)阻力，增大松土面積，提高地表平整度并降低溝槽寬度。

(2)基于磚紅壤土特殊物理性質(zhì)差異，運(yùn)用離散元軟件EDEM 2.6建立耕作層、犁底層、心土層3層土壤模型，進(jìn)行深松虛擬仿真試驗(yàn)；基于不同的作業(yè)速度，探究斜柄折翼式深松鏟在同一深松深度下的土壤顆粒混合情況、土層擾動效果和耕作阻力，獲取最佳作業(yè)速度在3.24～3.96 km/h之間；通過對比仿真研究結(jié)果顯示，相比于直柄鑿式深松鏟，斜柄折翼式深松鏟的工作阻力可降低16.2%，地表平整度提高了25.9%，深松后溝槽寬度減小了36.3%。

(3)通過對比分析虛擬仿真與田間試驗(yàn)，斜柄折翼式深松鏟和直柄鑿式深松鏟的耕作阻力、地表平整度、深松溝槽寬度的實(shí)測值與仿真值之間的誤差分別為0.38%、1.01%、1.09%和0.37%、1.97%、1.04%，實(shí)際測量值與仿真分析結(jié)果的誤差在0.37%～1.97%之間，表明土壤模型的力學(xué)特性基本符合海南地區(qū)磚紅壤土特性；與直柄鑿式深松鏟對比，斜柄折翼式深松鏟的松土面積明顯增加，土層擾動明顯降低，提高了地表平整度并減小溝槽寬度。

(4)試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)深松鏟有助于打破犁底層，降低土壤緊實(shí)度，且在作業(yè)過程中對土層擾動較小，對地表輪廓破壞較小。