旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置的仿真分析與試驗(yàn)

王保陽(yáng),康麗春,饒洪輝,李慶松,陳 佳,劉木華

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,南昌 330045)

0 引言

截至2020年底,全國(guó)共有453.33萬(wàn)hm2油茶林,高產(chǎn)油茶林93.33多萬(wàn)hm2,且多種植在緩坡地帶[1]。油茶是深耕性樹(shù)種,多種植于丘陵或山坡上,其林內(nèi)易形成各種雜灌[2],油茶墾復(fù)對(duì)熟化和改良土壤、增加肥力、清除雜草和消滅病蟲(chóng)害等都有重要作用[3]。研究表明,油茶墾復(fù)要求三年一深挖,深度20～30cm,呈覆瓦狀;夏季一年一淺鋤,深5～10cm[4]?，F(xiàn)有油茶成林存在長(zhǎng)時(shí)間不墾復(fù)、行內(nèi)雜灌根系密集、易和油茶樹(shù)爭(zhēng)水爭(zhēng)肥等問(wèn)題,且土壤板結(jié),不利于油茶樹(shù)往深處扎根。

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)油茶林墾復(fù)機(jī)的研究已有一定的成果。2013年,徐諧慶等[5]設(shè)計(jì)了一種中間傳動(dòng)式油茶墾復(fù)機(jī),選用直角旋耕刀,刀盤(pán)總成采用內(nèi)裝法,并在中間箱體下安裝一個(gè)小犁體,以防止漏耕。2014年,徐諧慶等[6]設(shè)計(jì)仿真了標(biāo)準(zhǔn)園藝化油茶林圓盤(pán)犁墾復(fù)機(jī),入土、翻土、覆土性能較好,不易纏草、容易克服林間碎石、壽命長(zhǎng)、覆草性較好,墾復(fù)深度170～280mm,耕作幅寬750～1000mm。2017年,張峰超[7]申請(qǐng)了一項(xiàng)履帶式油茶墾復(fù)機(jī)專(zhuān)利,采用履帶行走裝置,解決了現(xiàn)有油茶墾復(fù)機(jī)爬坡能力及越障能力不足等問(wèn)題,但機(jī)身較大,適應(yīng)開(kāi)闊地帶作業(yè),不適合在生長(zhǎng)茂盛的油茶林工作。2018年,曹有常等[8]根據(jù)旋耕機(jī)的原理設(shè)計(jì)了一款滾刀臥式油茶墾復(fù)機(jī),履帶式底盤(pán)滿(mǎn)足爬坡越障,拖拉機(jī)牽引驅(qū)動(dòng),耕作幅寬1100～1200mm,耕深120～150mm。

目前油茶林墾復(fù)機(jī)械種類(lèi)不多且耕深較淺,少數(shù)滿(mǎn)足耕深要求的又因機(jī)器過(guò)大難以在成林后的油茶林中行走和作業(yè)。為此,設(shè)計(jì)了一種在緩坡地作業(yè)的旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置,以期達(dá)到耕深180～220mm,實(shí)現(xiàn)“草根朝天”,滿(mǎn)足墾復(fù)技術(shù)要求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置主要由挖掘機(jī)底盤(pán)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)減速系統(tǒng)、鍬式曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、牽引裝置、行走裝置與升降調(diào)節(jié)裝置等組成,如圖1所示。

1.牽引連板 2.牽引掛鉤 3.牽引架 4.挖掘機(jī)底盤(pán) 5.蓄電池 6.液壓泵站 7.實(shí)心橡膠輪 8.軸承座 9.六方輪軸 10.鍬 11.液壓馬達(dá) 12.剛性聯(lián)軸器 13.T型減速器 14.機(jī)架 15.短連板組件 16.長(zhǎng)連板組件 17.升降調(diào)節(jié)裝置圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Whole machine structure

其中,液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池、液壓泵站、電磁換向閥、節(jié)流閥、壓力表與液壓馬達(dá)組成;傳動(dòng)減速系統(tǒng)由液壓馬達(dá)、聯(lián)軸器、T型錐齒輪減速器與六方傳動(dòng)軸組成;鍬式曲柄搖桿機(jī)構(gòu)由六方傳動(dòng)軸、長(zhǎng)連板組件、短連板組件與鍬組成;牽引裝置由牽引架、牽引連板與牽引掛鉤組成;行走裝置由實(shí)心橡膠輪與六方輪軸連接而成;升降調(diào)節(jié)裝置由導(dǎo)向輪、千斤頂與固定安裝板組成。

1.2 工作原理

工作原理如下:油茶墾復(fù)裝置啟動(dòng)后行駛至待墾復(fù)的緩坡油茶林內(nèi),調(diào)節(jié)升降輪高度使鍬自然入土,操作電磁換向閥按鈕驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá),動(dòng)力經(jīng)錐齒輪減速器換向減速后傳遞給曲柄搖桿機(jī)構(gòu),鍬在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng);此時(shí),操作油茶墾復(fù)裝置前進(jìn),實(shí)現(xiàn)墾復(fù)作業(yè);待墾復(fù)作業(yè)完成后,調(diào)節(jié)升降輪高度使鍬升起,避免鍬與地面碰撞造成損壞。

2 鍬式墾復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鍬式墾復(fù)機(jī)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置關(guān)鍵部分,模擬人工使用鐵鍬翻土的動(dòng)作,設(shè)計(jì)的控制鍬片翻土的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)如圖2所示。墾復(fù)機(jī)構(gòu)主要由六方傳動(dòng)軸、曲柄短連板組件、固定套筒、鍬和搖桿長(zhǎng)連板組件構(gòu)成。由于鍬片轉(zhuǎn)速低,垡片大,與土壤作用時(shí)作用力大,導(dǎo)致傳動(dòng)軸所受扭矩較大。因此,傳動(dòng)軸選用中間圓兩端六方型軸,且軸與減速器相連那一段采用花鍵聯(lián)接。綜合考慮,確定墾復(fù)機(jī)構(gòu)部件中曲柄短連板長(zhǎng)度為200mm,搖桿長(zhǎng)連板長(zhǎng)度為410mm,上下傳動(dòng)軸垂直高度差為350mm,鍬上固定上下連桿的套筒在鍬的軸向距離為340mm。

1.六方傳動(dòng)軸 2.曲柄短連板 3.固定套筒 4.鍬 5.搖桿長(zhǎng)連板 6.軸承座 7.機(jī)架圖2 墾復(fù)機(jī)構(gòu)部件Fig.2 Reclamation mechanism component

將圖2的墾復(fù)機(jī)構(gòu)近似簡(jiǎn)化為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)[9-11],如圖3所示。其中,短連板軸孔中心距LAB=175mm,長(zhǎng)連板軸孔中心距LCD=350mm,上下傳動(dòng)軸垂直高度差LAD=350mm,鍬上固定連板上下套筒間軸向距離LBC=425mm,下端套筒距鍬片端點(diǎn)距離LCF=280mm,機(jī)架距土壤水平面距離LDG=190mm。由于LAB+LCD≤LBC+LAD,最短桿AB與AD桿形成整轉(zhuǎn)副,最長(zhǎng)桿DC與AD桿形成擺動(dòng)副,且相鄰桿AD固定在機(jī)架上,滿(mǎn)足了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)形成條件。

圖3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)Fig.3 Crank and rocker mechanism

圖3中,θ為鍬片入土傾角;β為墾復(fù)最大耕深時(shí)鍬與土壤水平面夾角;L為墾復(fù)理論最大耕深。由圖3可知:當(dāng)AB短桿與BC連桿重合時(shí)為上極限點(diǎn),此時(shí)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)如圖中AB1C1D所示;當(dāng)BC連桿在AB短桿延長(zhǎng)線(xiàn)上時(shí)為下極限點(diǎn),如圖中AB2C2D所示。為克服機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置問(wèn)題,采用了4組鍬式曲柄搖桿機(jī)構(gòu)錯(cuò)位安裝的方式,使其順利越過(guò)死點(diǎn)位置,且sinβ=cos∠DAC,∠GAO=∠DAC,則

(1)

由式(1)得出sinβ=0.857,則

(2)

由式(2)得OF2=250mm,墾復(fù)最大耕深L=215mm。

3 旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置仿真分析

3.1 基于EDEM的鍬-土壤離散元模型建立

將Creo5.0軟件中建立的旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置三維模型導(dǎo)入Adams中,如圖4所示。

圖4 墾復(fù)裝置三維簡(jiǎn)化模型Fig.4 3D simplified model of reclamation device

定義鍬式墾復(fù)裝置零部件材料屬性,如表1所示。

表1 材料屬性表

依據(jù)文獻(xiàn)[12-14]中離散元建模方法設(shè)置土壤顆粒本征參數(shù),土壤顆粒之間、鍬與土壤之間的接觸參數(shù),以及土壤顆粒接觸模型參數(shù),使用EDEM軟件建立土壤顆粒模型。其中,顆粒模型選擇Hertz-Mindlin with Bonding模型[15-16],土壤密度通過(guò)環(huán)刀法取土稱(chēng)量,剪切模量、泊松比據(jù)文獻(xiàn)[17-18]獲得。土壤顆粒材料參數(shù)如表2所示。

表2 土壤顆粒材料參數(shù)

設(shè)置土壤顆粒半徑為10mm,通過(guò)酒精燃燒法測(cè)量計(jì)算出土壤含水率,并根據(jù)已知參數(shù)計(jì)算得到相應(yīng)的土壤顆粒粘結(jié)半徑為12.04mm,建立的土壤顆粒模型如圖5所示。另外,使用摩擦因數(shù)儀MXD-02測(cè)量鍬與土壤之間的靜動(dòng)摩擦因數(shù),使用四聯(lián)剪直剪儀測(cè)量土壤顆粒間的粘結(jié)應(yīng)力,并通過(guò)土壤顆粒堆積角仿真試驗(yàn)標(biāo)定確定土壤顆粒間的靜動(dòng)摩擦因數(shù)。

圖5 仿真土壤顆粒模型Fig.5 Simulated soil particle model

土壤顆粒間的粘結(jié)剛度、應(yīng)力和半徑等參數(shù)參考文獻(xiàn)[17-19],土壤顆粒接觸模型參數(shù)如表3所示。

表3 仿真接觸參數(shù)

在EDEM軟件中建立土壤離散元模型,定義土壤在墾復(fù)裝置前進(jìn)方向上長(zhǎng)度2500mm,寬度1800mm,土層厚度300mm,融合墾復(fù)裝置三維模型,生成的鍬-土壤耕作離散元模型如圖6所示。

圖6 鍬-土壤離散元耕作模型Fig.6 The discrete element tillage model of spade and soil

3.2 鍬片端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)仿真分析

為避免旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置耕作時(shí)發(fā)生漏耕與重耕現(xiàn)象,需要確定鍬片轉(zhuǎn)速與及其相匹配的前進(jìn)速度。分別定義鍬片轉(zhuǎn)速為40、50、60、70、80r/min,調(diào)整墾復(fù)裝置前進(jìn)速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析,得到鍬片端點(diǎn)軌跡[20],如圖7所示。當(dāng)相鄰周期鍬片耕作軌跡相切時(shí),即為墾復(fù)裝置耕作時(shí)不漏耕、不重耕的臨界速度,如表4所示。

圖7 鍬片端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Movement track of the end point of spade

表4 鍬片轉(zhuǎn)速與其相匹配的前進(jìn)速度Table 4 The rotation speeds of spade with the forward speeds

為分析鍬片端點(diǎn)處于軌跡最低點(diǎn)時(shí)距離土壤水平面高度,對(duì)鍬片運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析,得到鍬片端點(diǎn)與土壤水平面垂直方向距離隨時(shí)間變化曲線(xiàn),如圖8所示。墾復(fù)最大耕深為193.7mm,鍬片入土傾角為70°。

圖8 鍬片端點(diǎn)離地高度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.8 Variation curve of the height from the end of the spade to the ground with time

由圖8可知,仿真墾復(fù)最大耕深比理論計(jì)算最大耕深小。原因是長(zhǎng)短連板組件與鍬連接在空間上有一定的錯(cuò)位,將墾復(fù)裝置構(gòu)近似簡(jiǎn)化為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)后所得的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)下極限位置在實(shí)際仿真過(guò)程中難以達(dá)到,故實(shí)際仿真最大耕深略小于理論計(jì)算最大耕深。

3.3 鍬與土壤相互作用的力學(xué)仿真

在EDEM中打開(kāi)鍬-土壤離散元模型,設(shè)置相應(yīng)的步長(zhǎng)與時(shí)間,通過(guò)Adams Co-simulation模塊導(dǎo)入Adams中建立耦合仿真模型,通過(guò)EDEM后處理模塊分析鍬與土壤相互作用效果。

導(dǎo)出鍬片受最大阻力時(shí)鍬片的受力結(jié)果文件,并將其導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行鍬片應(yīng)力應(yīng)變仿真分析,鍬與土壤相互作用的應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 不同匹配速度下鍬片應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of spade under different matching speeds

由圖9可知:鍬與土壤相互作用最大應(yīng)力發(fā)生在鍬柄與鍬片連接處,連接處為U型縫線(xiàn),在U字頂點(diǎn)處有應(yīng)力最大值;當(dāng)鍬片轉(zhuǎn)速分別為40、50、60、70、80r/min時(shí),對(duì)應(yīng)的鍬片應(yīng)力最大值分別為29.62、38.14、50.44、58.54、75.85MPa。對(duì)圖9中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其擬合方程為y=1.1x-17,如圖10所示。該擬合方程R2值為94.25%,說(shuō)明鍬片所受應(yīng)力與鍬片轉(zhuǎn)速呈較好的線(xiàn)性關(guān)系。由圖10可知:隨著鍬片轉(zhuǎn)速增大,鍬柄與鍬片連接處的應(yīng)力增大。

圖10 不同匹配速度下鍬片應(yīng)力擬合方程Fig.10 Stress fitting equation of spade under different matching speeds

將鍬與土壤相互作用時(shí)鍬片所受最大阻力導(dǎo)入ANSYS軟件中,對(duì)鍬片進(jìn)行應(yīng)變仿真分析,得到鍬與土壤相互作用的應(yīng)變?cè)茍D如圖11所示。

圖11 不同匹配速度下鍬片應(yīng)變?cè)茍DFig.11 Strain nephogram of spade under different matching speeds

由圖11可知:鍬與土壤相互作用最大應(yīng)變發(fā)生在鍬片端點(diǎn)處;當(dāng)鍬片轉(zhuǎn)速分別為40、50、60、70、80r/min時(shí),對(duì)應(yīng)的鍬片應(yīng)變最大值分別為0.846、0.936、1.184、1.381、1.811mm。對(duì)圖11中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其擬合方程為y=0.024x-0.19,如圖12所示。該擬合方程R2值為96.87%,說(shuō)明鍬片端點(diǎn)應(yīng)變與鍬片轉(zhuǎn)速呈較好的線(xiàn)性關(guān)系。由圖12可知:隨著鍬片轉(zhuǎn)速的增大,鍬片端點(diǎn)應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

圖12 不同匹配速度下鍬片應(yīng)變擬合方程Fig.12 Strain fitting equation of spade under different matching speeds

由仿真分析結(jié)果可知,鍬片所受應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力390MPa,應(yīng)變也比較小,滿(mǎn)足鍬片強(qiáng)度要求。

4 墾復(fù)試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證鍬-土壤相互作用力學(xué)仿真分析結(jié)果,2022年1月7日在松軟地進(jìn)行了墾復(fù)裝置耕作性能驗(yàn)證試驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上于2月26日在江西省林業(yè)科學(xué)院油茶種質(zhì)基地開(kāi)展油茶林地墾復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),油茶墾復(fù)裝置由NT10挖掘機(jī)底盤(pán)牽引驅(qū)動(dòng)前進(jìn),由電動(dòng)液壓泵驅(qū)動(dòng)墾復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行墾復(fù)作業(yè),測(cè)得其耕作幅寬為1100mm。

4.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證樣機(jī)耕作性能,在土壤狀況較好、植被覆蓋率低的松軟地開(kāi)展墾復(fù)試驗(yàn)。選擇鍬片入土傾角為70°,分析不同鍬片轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置耕作作業(yè)情況,因素水平如表5所示。

表5 試驗(yàn)因素水平表

4.2 試驗(yàn)及其結(jié)果分析

松軟地驗(yàn)證試驗(yàn)選取試驗(yàn)田地長(zhǎng)度10m,寬度5m。墾復(fù)耕作過(guò)程分為啟動(dòng)加速、勻速作業(yè)及減速停止3部分。由于墾復(fù)作業(yè)的前進(jìn)速度比較慢,加速和減速區(qū)域比較短,故選取中間5m穩(wěn)定耕作區(qū)測(cè)量耕深,并計(jì)算耕深穩(wěn)定性系數(shù)。采用五點(diǎn)法,在5m穩(wěn)定耕作區(qū)內(nèi)每間隔1m在其對(duì)角線(xiàn)上選取一點(diǎn)測(cè)量,取5次測(cè)量耕深平均值,并計(jì)算其耕深穩(wěn)定性系數(shù)。

分別在20、30、40r/min及其匹配前進(jìn)速度下,進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置耕作性能驗(yàn)證試驗(yàn),如圖13所示。以耕作耕深和耕深穩(wěn)定性系數(shù)為墾復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)測(cè)量耕深數(shù)據(jù)計(jì)算處理,結(jié)果如表6所示。

圖13 松軟地墾復(fù)試驗(yàn)Fig.13 Soft soil reclamation experiment

表6 松軟地試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Experimental results of soft ground

參照松軟地墾復(fù)裝置試驗(yàn)方法在油茶林地開(kāi)展旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置墾復(fù)試驗(yàn),結(jié)果如表7所示。由于油茶林地含水率低,土質(zhì)較硬,耕深雖然未能達(dá)到理論設(shè)計(jì)要求,但基本能實(shí)現(xiàn)“草根朝天”的墾復(fù)效果,如圖14所示。

由于墾復(fù)裝置跳動(dòng)幅度較大,導(dǎo)致實(shí)際墾復(fù)耕深小于仿真理論值。在同一片土壤、鍬片入土傾角為70°的情況下,隨著鍬片轉(zhuǎn)速及其匹配的墾復(fù)裝置前進(jìn)速度的增大,墾復(fù)試驗(yàn)耕作平均耕深更趨近于仿真理論值,其耕深穩(wěn)定性也越來(lái)越好。對(duì)比表6和表7可知:當(dāng)鍬片轉(zhuǎn)速及其相匹配的墾復(fù)裝置前進(jìn)速度相同時(shí),松軟地墾復(fù)耕深大于油茶林地,且耕深穩(wěn)定性效果更好。

表7 油茶林地墾復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

圖14 油茶林地墾復(fù)試驗(yàn)Fig.14 Reclamation experiment of Camellia forest

5 結(jié)論

1)為滿(mǎn)足油茶林墾復(fù)要求,設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置。

2)仿真分析了旋轉(zhuǎn)鍬式油茶墾復(fù)裝置鍬片端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡,結(jié)果表明:當(dāng)鍬片轉(zhuǎn)速為40、50、60、70、80r/min時(shí),墾復(fù)裝置不漏耕、不重耕的理論前進(jìn)速度為0.12、0.15、0.18、0.21、0.24m/s。

3)鍬與土壤相互作用的力學(xué)仿真分析表明:在40、50、60、70、80r/min及其相匹配的墾復(fù)裝置前進(jìn)速度下,鍬片所受最大應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力,強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4)油茶林地墾復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明:鍬片入土傾角確定為70°時(shí),在鍬片轉(zhuǎn)速為20～40r/min及其相匹配的墾復(fù)裝置前進(jìn)速度下,墾復(fù)裝置耕作作業(yè)正常,其耕深平均值為159～166mm,耕深穩(wěn)定性系數(shù)為92.72%～94.82%。