反轉(zhuǎn)旋耕刀作業(yè)功耗仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

朱 浩,王東偉,何曉寧,尚書(shū)旗,趙 壯,譚 營(yíng),王海清

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109)

0 引言

油莎豆起源于非洲大陸及地中海沿岸地區(qū),是莎草科一年生塊莖類(lèi)植物,適合沙化、鹽堿等邊際土地種植,常用作榨取高端食用植物油的重要原料,是一種集糧、油、牧、飼于一體的新興綠色經(jīng)濟(jì)作物[1-3]。但是,由于油莎豆根系分蘗力強(qiáng),挖掘阻力極大;起挖后團(tuán)聚體含土量大,分離清選困難;油莎豆塊莖與根系連接脆弱,易脫落在田間,嚴(yán)重影響收獲效率。目前,我國(guó)缺少適宜的油莎豆機(jī)械化收獲裝備,嚴(yán)重制約了油莎豆產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展[3-6]。旋耕刀作為一種基于銑切原理加工的土壤耕作機(jī)械,是油莎豆收獲裝備的重要組成部分,其性能水平直接影響收獲裝備的作業(yè)質(zhì)量以及功率消耗。

為了提高旋耕機(jī)的工作效率,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)旋耕刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化及功率消耗進(jìn)行了大量研究。肖茂華等利用逆向工程技術(shù)對(duì)東方螻蛄前足爪趾輪廓曲線進(jìn)行擬合,設(shè)計(jì)了仿生旋耕刀,為減阻降耗提供了參考[7]。鄭侃等設(shè)計(jì)了一種用于深耕的反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī),通過(guò)離散元仿真與有限元仿真結(jié)合進(jìn)行整機(jī)參數(shù)優(yōu)化[8]。郭俊等在國(guó)標(biāo)旋耕刀基礎(chǔ)上將正、側(cè)切削刃上設(shè)計(jì)成鋸齒狀,通過(guò)仿真試驗(yàn)與田間試驗(yàn)證明仿生鋸齒刀耕作后的秸稈掩埋率、土壤破碎率、秸稈粉碎等方面都優(yōu)于國(guó)標(biāo)旋耕刀[9]。

首先,建立了反轉(zhuǎn)旋耕刀結(jié)構(gòu),并確定旋耕裝置的功率消耗組成;其次,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量沙壤土土壤顆粒特性參數(shù)以及油莎豆植株本征參數(shù),建立沙壤土土壤顆粒模型和油莎豆植株顆粒模型;再次,建立土壤-植株-旋耕刀相互作用仿真模型,進(jìn)行反轉(zhuǎn)旋耕刀功耗仿真試驗(yàn);最后,利用仿真數(shù)據(jù)分析各試驗(yàn)因素下旋耕刀作業(yè)過(guò)程中的功耗動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,以確定最優(yōu)作業(yè)參數(shù)。

1 反轉(zhuǎn)旋耕刀結(jié)構(gòu)

以牽引式反轉(zhuǎn)旋耕裝置為分析對(duì)象,研究其反轉(zhuǎn)旋耕刀在油莎豆收獲過(guò)程中切削土壤的功率消耗變化情況。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.旋耕刀軸 2.導(dǎo)流護(hù)罩 3.旋耕刀 4.升降裝置 5.限深滾筒 6.傳動(dòng)鏈條 7.側(cè)擋板 8.軸承座 9.變速箱圖1 反轉(zhuǎn)旋耕裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of anti-rotation planting device

田間作業(yè)時(shí),由拖拉機(jī)輸出軸將動(dòng)力傳遞給反轉(zhuǎn)旋耕裝置,帶動(dòng)旋耕刀軸旋轉(zhuǎn)切削土壤,并將豆土混合物沿導(dǎo)流護(hù)罩向后拋送,完成油莎豆的收獲挖掘作業(yè)[10]。

旋耕刀是反轉(zhuǎn)旋耕裝置中的主要工作部件,由側(cè)切面、過(guò)渡面及正切面組成,如圖2所示。側(cè)切面具有切開(kāi)土垡以及切斷或推開(kāi)草莖及殘茬的功能,正切面具有切削土壤及翻土、碎土、拋土等功能。

1.正切刃 2.過(guò)渡刃 3.過(guò)渡面 4.側(cè)切刃 5.側(cè)切面 6.正切面圖2 旋耕刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 2 Structure diagram of rotary blade

旋耕裝置的功率消耗主要由旋耕刀片切削土壤、拋擲土垡、機(jī)組前進(jìn)、傳動(dòng)摩擦以及克服土壤沿水平方向作用于刀軸上的反力等功率消耗組成,即

N=Nq+Np+Nt+Nf+Nn

(1)

式中N—旋耕裝置的總功率消耗(kW);

Nq—切土功率消耗(kW);

Np—拋土功率消耗(kW);

Nt—旋耕裝置前進(jìn)功率消耗(kW);

Nf—傳動(dòng)及摩擦功率消耗(kW);

Nn—克服土壤水平反力功率消耗(kW)。

其中,切土功率消耗Nq與拋土功率消耗Np占旋耕裝置總功率消耗N的70%～80%,影響最為顯著。由于本文中旋耕裝置采用反轉(zhuǎn)旋耕,所以克服土壤水平反力功率消耗Nn取正號(hào)(正轉(zhuǎn)旋耕取負(fù)號(hào))。

2 仿真模型建立

應(yīng)用EDEM 2021軟件建立土壤及旋耕刀離散元模型進(jìn)行仿真試驗(yàn),分析耕作過(guò)程中的功率消耗情況。

2.1 土壤模型

本研究中,土壤通過(guò)五點(diǎn)取樣法在河南省商丘市民權(quán)縣油莎豆種植基地取樣,取樣時(shí)間為2020年11月中旬。通過(guò)RXH-14-B型熱風(fēng)循環(huán)烘箱、CMT4503微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、TJSD-750-II型土壤緊實(shí)度速測(cè)儀等測(cè)定土壤參數(shù),得到不同深度土壤含水率、密度以及土壤的堅(jiān)實(shí)度。

進(jìn)行EDEM仿真,通過(guò)球模擬土壤顆粒建立離散元模型。由于油莎豆種植基地的土壤類(lèi)型為沙壤土,顆粒直徑較小,仿真試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)土壤顆粒數(shù)量達(dá)到千萬(wàn)級(jí)甚至億級(jí),對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求極高且仿真時(shí)間較長(zhǎng)。目前,顆?？s放法是常用且較為可行的處理方式,在確保試驗(yàn)精度的前提下將原系統(tǒng)中的土壤顆粒進(jìn)行適當(dāng)放大,降低仿真模型中的離散單元數(shù)量,使得原離散元模型能在合理有效的時(shí)間內(nèi)完成模擬仿真[11-13]。本研究中,依據(jù)參考文獻(xiàn)以及油莎豆種植基地的土壤性質(zhì)參數(shù)將土壤顆粒放大6倍,半徑設(shè)為4mm。依據(jù)沙壤土土壤顆粒結(jié)構(gòu)[14]設(shè)置以下4種模型,即塊狀顆粒、柱狀顆粒、核狀顆粒、團(tuán)狀顆粒,如圖3所示。

圖3 土壤顆粒模型Fig.3 Soil particle model

2.2 油莎豆植株離散元模型

油莎豆植株分蘗力強(qiáng),且根系柔軟細(xì)長(zhǎng),為精準(zhǔn)建立油莎豆植株柔性離散元模型,采用Hertz Mindlin With Bonding(HWB)模型。此接觸模型可以很好地應(yīng)用于模擬油莎豆植株旋耕碎裂過(guò)程,在葉片顆粒以及根系顆粒之間形成約束,產(chǎn)生切向和法向的運(yùn)動(dòng)阻力,直至達(dá)到應(yīng)力極限時(shí)斷裂;約束被破壞后,作為單獨(dú)的硬球模型進(jìn)行接觸求解。顆粒在粘結(jié)生成時(shí)間tBOND粘結(jié)在一起,粘結(jié)前顆粒間相互作用通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)HertzMindlin接觸模型計(jì)算,粘結(jié)后作用在顆粒上的力和力矩被設(shè)置為0,并在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)按照式(2)進(jìn)行調(diào)整,即

(2)

式中vn—土壤顆粒法向速度(m/s);

vt—土壤顆粒切向速度(m/s);

ωn—土壤顆粒法向角速度(rad/s);

ωt—土壤顆粒切向角速度(rad/s);

Tn—土壤顆粒法向力矩(N·m);

Tt—土壤顆粒切向力矩(N·m);

Sn—土壤顆粒法向剛度(N/m);

St—土壤顆粒切向剛度(N/m);

RB—土壤顆粒間粘結(jié)半徑(m);

δt—時(shí)間步長(zhǎng)(s);

A—土壤顆粒間接觸區(qū)域面積(m2);

J—土壤顆粒慣性矩(m4)。

當(dāng)法向和切向剪切應(yīng)力超過(guò)某個(gè)預(yù)定義的值時(shí),粘結(jié)破裂,臨界條件為

(3)

式中σmax—顆粒間粘結(jié)帶最大法向應(yīng)力(Pa);

τmax—顆粒間粘結(jié)帶最大切向應(yīng)力(Pa);

Fn—土壤顆粒間法向粘結(jié)力(N);

Ft—土壤顆粒間切向粘結(jié)力(N)。

經(jīng)查閱文獻(xiàn)[1,2,4,15]以及對(duì)在河南省商丘市民權(quán)縣油莎豆種植基地采集的油莎豆植株樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,可以得出:油莎豆植株葉片平均長(zhǎng)度為82mm,平均寬度為50mm,平均厚度為1.5mm;油莎豆植株根系平均長(zhǎng)度為135mm,平均直徑為0.28mm。隨機(jī)選取10株油莎豆樣本,使用RXH-14-B型熱風(fēng)循環(huán)烘箱烘干并冷卻至室溫,再按照濕基表示法計(jì)算得出油莎豆植株葉片含水率為35.2%,油莎豆植株根系含水率為76.60%。

(4)

式中Mw—濕基含水率(%);

mw—物料中所含水分的質(zhì)量(g);

ms—物料中所含干物質(zhì)的質(zhì)量(g)。

采用顆?？s放法,建立油莎豆葉片顆粒模型和根系模型,如圖5所示。新建Meta-Particle,添加71個(gè)葉片顆粒和401個(gè)根系顆粒,分別設(shè)置x、y、z三軸坐標(biāo),建立油莎豆植株離散元模型,如圖4所示[16-19]。

2.3 仿真旋耕刀離散元模型

在SolidWorks 2020中建立反轉(zhuǎn)旋耕裝置三維模型,另存為STL格式并導(dǎo)入EDEM 2021,構(gòu)建土壤-植株-旋耕刀相互作用仿真離散元模型,如圖5所示。其中,旋耕刀型號(hào)為IT245,選擇刀片材料為65Mn,密度為7850kg/m3,剪切模量為7.9×1010Pa,泊松比為0.3。為反轉(zhuǎn)旋耕刀軸模型添加Linear Translation Kinematic和Linear Rotation Kinematic,從0.1s開(kāi)始;為導(dǎo)流罩模型添加Linear Translation Kinematic,從0.1s開(kāi)始。

圖4 油莎豆植株模型Fig.4 Model of plant parameters of Cyperus esculentus

1.旋耕刀 2.導(dǎo)輥 3.導(dǎo)流罩 4.土槽模型 5.油莎豆植株模型 6.土壤模型圖5 土壤-植株-旋耕刀相互作用仿真模型Fig.5 Soil-plant-rotary blade interaction simulation model

2.4 接觸參數(shù)設(shè)置

離散元仿真參數(shù)由本征參數(shù)(土壤顆粒、油莎豆植株顆粒與反轉(zhuǎn)旋耕刀材料的密度、泊松比、剪切模量),材料接觸參數(shù)(土壤顆粒間、油莎豆植株顆粒間、土壤顆粒與油莎豆植株顆粒間、土壤顆粒與反轉(zhuǎn)旋耕刀間、油莎豆植株顆粒與反轉(zhuǎn)旋耕刀間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù))和接觸模型參數(shù)(HertzMindlin with Bonding顆粒接觸模型的5個(gè)參數(shù))組成,通過(guò)借鑒文獻(xiàn)成果、實(shí)際試驗(yàn)以及虛擬標(biāo)定的方法獲取,如表1所示。

表1 EDEM仿真接觸參數(shù)表

續(xù)表1

3 旋耕作業(yè)過(guò)程仿真與結(jié)果分析

3.1 旋耕作業(yè)過(guò)程仿真

在土壤-植株-旋耕刀相互作用仿真模型中,設(shè)置1個(gè)長(zhǎng)×寬×高為1000mm×550mm×360mm的土槽模型,依照油莎豆種植模式中株距與行距,在土槽模型中建立8個(gè)長(zhǎng)×寬×高為280mm×200mm×200mm植株生成工廠,株距與行距分別設(shè)置為200mm與300mm。整個(gè)旋耕過(guò)程分為3個(gè)部分:0～0.05s生成油莎豆植株模型,如圖6(a)所示;0.05～0.10s通過(guò)顆粒工廠靜態(tài)生成土壤顆粒模型,瞬間填充滿整個(gè)土槽模型空間,并受重力作用下落,如圖6(b)所示;0.10～2.2s反轉(zhuǎn)旋耕刀進(jìn)行仿真旋耕作業(yè),如圖6(c)、(d)所示。設(shè)置固定時(shí)間步長(zhǎng)為5.76×10-3s,即Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的10%,單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為顆粒平均半徑的3倍,總仿真時(shí)長(zhǎng)15s,每0.01s保存1次仿真數(shù)據(jù)[20]。

3.2 旋耕過(guò)程功耗分析

在旋耕挖掘切削土壤過(guò)程中,反轉(zhuǎn)旋耕刀軸扭矩的變化即可反應(yīng)功率消耗的差異,旋耕過(guò)程的功率消耗計(jì)算公式為

(5)

式中N—旋耕裝置的總功率消耗(kW);

n—旋耕刀軸轉(zhuǎn)速(r/min);

M—旋耕刀軸扭矩(N·m)。

在仿真旋耕過(guò)程中,實(shí)時(shí)記錄旋耕刀軸的扭矩和轉(zhuǎn)速,從而計(jì)算旋耕刀軸在挖掘過(guò)程中的功率消耗,得出的曲線如圖7所示。在旋耕挖掘仿真試驗(yàn)過(guò)程中,0～0.1s生成油莎豆植株模型并生成土壤顆粒模型,旋耕刀未與土壤發(fā)生相互作用,旋耕刀輥所受扭矩為0,即旋耕刀功耗為0;0.1～2.2s旋耕刀開(kāi)始反向旋轉(zhuǎn)切削土壤,并向后拋送,且在最初接觸土壤的一瞬間旋耕刀受力陡增,導(dǎo)致旋耕刀刀輥扭矩陡增,即造成旋耕刀功率消耗迅速增加;當(dāng)旋耕刀入土后,所受阻力將相對(duì)減少,且整體反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)過(guò)程中作業(yè)功率消耗呈周期性變化。

圖6 仿真試驗(yàn)過(guò)程Fig.6 Simulation test process

圖7 旋耕刀功耗曲線圖Fig.7 Power consumption curve of rotary tiller

3.3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探明不同作業(yè)參數(shù)下反轉(zhuǎn)旋耕刀功率消耗的變化規(guī)律,選取刀輥轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、作業(yè)深度作為試驗(yàn)因素,設(shè)定3個(gè)水平,以旋耕刀功率消耗作為試驗(yàn)指標(biāo),采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),分析不同工況及作業(yè)參數(shù)對(duì)功率消耗的影響。因素水平如表2所示。

3.4 仿真結(jié)果分析

利用EDEM軟件按試驗(yàn)方案進(jìn)行離散元仿真并輸出仿真結(jié)果,如表3所示。

表3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

為進(jìn)一步判斷各因素水平對(duì)反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)功率消耗影響的顯著性,將表2數(shù)據(jù)導(dǎo)入Design Expert 10.0.1進(jìn)行方差分析,功率消耗方差分析計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 功率消耗方差分析

根據(jù)功率消耗方差分析,可得以編碼因子表示二次多元回歸方程公式為:N=33.64+1.73A+10.13B+5.13C+0.564B-0.37AC+1.45BC+1.73A2+1.02B2+3.22C2。方差分析整體模型P<0.001,表明影響極顯著;決定系數(shù)R2=0.9632,表明該回歸方程模型適用于96.32%的試驗(yàn)數(shù)據(jù);B、C的P<0.001,表明機(jī)器前進(jìn)速度、旋耕刀作業(yè)深度對(duì)功率消耗的影響極顯著;C2的P<0.01,表明旋耕刀作業(yè)深度交互項(xiàng)對(duì)功率消耗的影響較顯著。通過(guò)比較F值,可得各試驗(yàn)因子對(duì)功率消耗的影響程度由高到低為前進(jìn)速度B、作業(yè)深度C、刀輥轉(zhuǎn)速A。在Design Expert 10.0.1軟件后處理界面繪制作業(yè)深度、前進(jìn)速度和刀軸轉(zhuǎn)速三種因素交互效應(yīng)響應(yīng)曲面圖,如圖8所示。

圖8 各影響因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的響應(yīng)曲面變化關(guān)系Fig.8 Response surface change relationship of various influencing factors to test indicators

3.5 模型建立與優(yōu)化設(shè)計(jì)

為得到反轉(zhuǎn)旋耕最佳作業(yè)參數(shù)組合,對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行模型建立與優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型,結(jié)合各試驗(yàn)因素的邊界條件,以獲取最低功率消耗為目標(biāo),得到其非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型為應(yīng)用Design Expert 10.0.1軟件中Numerical模塊進(jìn)行分析求解,可得最佳作業(yè)參數(shù)組合為刀軸轉(zhuǎn)速233r/min、前進(jìn)速度0.65m/s、工作深度138mm,此時(shí)功率消耗為30.49kW。

(6)

4 田間試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)反轉(zhuǎn)旋耕挖掘裝置的田間作業(yè)效果,2021年10月25日在山東省青島市膠州市青島農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地以及2021年11月19日在河南省商丘市民權(quán)縣油莎豆種植基地進(jìn)行反轉(zhuǎn)旋耕挖掘田間試驗(yàn)。

試驗(yàn)測(cè)區(qū)長(zhǎng)度為30m,兩端設(shè)置10m穩(wěn)定區(qū),寬度為16m。田間試驗(yàn)時(shí),測(cè)試往返兩個(gè)行程,功耗由APN-207型動(dòng)態(tài)扭矩傳感器(扭矩量程為0.05～200N·m,轉(zhuǎn)速量程為4000r/min)測(cè)量。田間試驗(yàn)地點(diǎn)作業(yè)環(huán)境及工況條件如表5所示,田間試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)過(guò)程如圖9所示,功耗對(duì)比結(jié)果如表6所示。

圖9 田間試驗(yàn)效果Fig.9 Effect of field test

表5 田間試驗(yàn)地點(diǎn)作業(yè)環(huán)境及工況條件Table 5 Working environment and working conditions of field test place

表6 優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比

由表6可知:實(shí)際田間作業(yè)時(shí),理論值和試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差平均值為4.22%,功率消耗略大于理論值。分析其原因,可能由于作業(yè)過(guò)程中的摩擦阻力導(dǎo)致的額外功率消耗。試驗(yàn)結(jié)果表明:反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)功率消耗關(guān)于刀軸轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、工作深度的數(shù)學(xué)模型符合實(shí)際,具有較高的適用性。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了反轉(zhuǎn)旋耕挖掘裝置結(jié)構(gòu)以及主要工作部件旋耕刀的結(jié)構(gòu)參數(shù),并確定了旋耕裝置的作業(yè)功率消耗主要組成。

2)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量沙壤土顆粒特性參數(shù)以及油莎豆植株本征參數(shù),建立沙壤土顆粒模型和油莎豆植株顆粒模型,最終建立土壤-植株-旋耕刀相互作用離散元仿真模型,并進(jìn)行反轉(zhuǎn)旋耕刀功耗仿真試驗(yàn)。

3)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)各試驗(yàn)因素下旋耕刀作業(yè)過(guò)程中功耗變化仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,確定最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為刀軸轉(zhuǎn)速233r/min,前進(jìn)速度0.65m/s,工作深度138mm,此時(shí)功率消耗為30.49kW。

4)進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)比理論值和試驗(yàn)值,確定相對(duì)誤差為平均值為4.22%,具有較高的適用性。本研究中,旋耕刀功率消耗仿真分析結(jié)果和最優(yōu)作業(yè)參數(shù)可為旋耕挖掘、減阻降耗提供參考。