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    風(fēng)沙土混拌刀具的改良設(shè)計與試驗

    2024-06-28 21:30:07李明董帥龐永強(qiáng)燕潔華葉汪忠

    李明 董帥 龐永強(qiáng) 燕潔華 葉汪忠

    摘要:為解決風(fēng)沙土改良設(shè)備研制中存在的核心問題,探討混拌刀具與風(fēng)沙土-改土材料間相互作用機(jī)理,以國標(biāo)旋耕刀IT245為基礎(chǔ),分析其作用原理,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了專用于風(fēng)沙土改良的混拌刀具,通過離散元仿真模擬及室內(nèi)沙槽試驗,以改土材料體積比為評價指標(biāo)對國標(biāo)刀及專用刀具5層深度下的混拌效果進(jìn)行分析。結(jié)果顯示,風(fēng)沙土混拌刀具偏轉(zhuǎn)角度越大,改土材料體積比越大,當(dāng)深度150—120 mm、偏轉(zhuǎn)角為60°時達(dá)到最大值(35.67%);風(fēng)沙土混拌刀具彎折角越大,改土材料體積比越大,當(dāng)深度150—120 mm、彎折角為130°時達(dá)到最大值(36.02%)。風(fēng)沙土混拌刀具與國標(biāo)旋耕刀IT245混拌效果相比,深度越淺,改土材料體積比越大,混合效果越好,在深度90—60、60—30 mm時,偏轉(zhuǎn)角60°的風(fēng)沙土混拌刀具作業(yè)后改土材料體積比分別比IT245增加了3.19%、5.11%。研究結(jié)果為風(fēng)沙土混拌刀具及風(fēng)沙土治理機(jī)械的設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)。

    關(guān)鍵詞:風(fēng)沙土;改土材料;離散元;混拌刀具;混拌效果

    doi:10.13304/j.nykjdb.2022.0937

    中圖分類號:S222.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:10080864(2024)04008710

    風(fēng)沙土顆粒間缺乏有機(jī)膠體和無機(jī)膠體,具有結(jié)構(gòu)松散、吸附能力弱、抗蝕性差、保水能力弱的特點,且對土壤風(fēng)蝕的發(fā)生、發(fā)展有著重要影響[1]。風(fēng)沙土治理措施主要包括生物治沙、工程治沙和化學(xué)治沙三類[2],而風(fēng)沙土改良是將風(fēng)沙土與改土材料混合,通過控制風(fēng)蝕、增加土壤養(yǎng)分、提高風(fēng)沙土理化性質(zhì)和改善風(fēng)沙土土壤結(jié)構(gòu),為植被恢復(fù)提供基礎(chǔ)條件[3]。研究發(fā)現(xiàn),秸稈、粉煤灰、生物炭、動物糞便等固體有機(jī)質(zhì)可作為風(fēng)沙土改良材料[2,4-7]。目前風(fēng)沙土改良主要采取人工的方式將風(fēng)沙土與改土材料混合,但人工成本高、效率低,難以大面積推廣,因此迫切需要發(fā)展機(jī)械化作業(yè)技術(shù)。基于此,本文嘗試開發(fā)風(fēng)沙土改良的專用設(shè)備,其中如何高效地將風(fēng)沙土與改土材料混拌均勻是設(shè)備開發(fā)中需解決的核心問題。

    風(fēng)沙土與改土材料都為顆粒狀固體,目前對顆粒材料的運動、受力、混合分析多采用離散元仿真試驗與室內(nèi)試驗相結(jié)合的方式[8-11]。方會敏等[12]采用離散元法構(gòu)建秸稈-土壤-旋耕刀相互作用的離散元模型,研究旋耕刀功耗及刀具作用下秸稈的位移。徐高明等[13] 利用Design-Expert 軟件,根據(jù)Box-Behnken 試驗原理研究了秸稈-土壤-旋耕機(jī)交互下的關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)對秸稈位移和埋覆效果的影響,發(fā)現(xiàn)影響參數(shù)的主次順序為耕作深度、秸稈長度、刀軸轉(zhuǎn)速。楊玉婉等[14] 和張智泓等[15]設(shè)計仿生旋耕刀,通過土槽實驗及離散元仿真試驗研究刀具作業(yè)功耗。吳碩等[16]使用離散元法對番茄秸稈立式螺旋混合機(jī)理進(jìn)行研究,對2種不同參數(shù)的顆粒材料進(jìn)行混拌,研究影響混合均勻度的因素。還有學(xué)者對不同的混拌機(jī)械的混拌機(jī)理進(jìn)行研究[17-20]。

    旋耕刀常用于農(nóng)耕土壤,刀具工作時具有碎土、翻土以及切土的作用[2122]。針對旋耕刀不適用于具有流動性的風(fēng)沙土與改土材料混拌的問題,參照國標(biāo)旋耕刀IT245的結(jié)構(gòu)[23],本研究設(shè)計一種專用于將風(fēng)沙土與改土材料混拌均勻的刀具,通過混拌仿真試驗與室內(nèi)沙槽試驗,探討混拌刀具-風(fēng)沙土-改土材料相互作用機(jī)理,揭示混拌刀具結(jié)構(gòu)與混合效果之間的關(guān)系,旨在為風(fēng)沙土混拌設(shè)備及風(fēng)沙土治理機(jī)械的設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 旋耕刀工作原理

    旋耕刀由刀柄、側(cè)切面、側(cè)切刃、正切面、正切刃5部分組成,如圖1所示。旋耕刀安裝在刀軸的刀座上,刀軸帶動旋耕刀做圓周運動的同時跟隨旋耕機(jī)做直線運動,其運動軌跡為擺線[2324],旋耕刀尖某一點的運動軌跡如圖2所示,運動軌跡方程如式(1)所示。

    式中,x 為旋耕刀任一點的橫向位移,m;y 為旋耕刀任一點的縱向位移,m;vm為旋耕機(jī)前進(jìn)速度,m·s-1;t 為旋耕刀旋轉(zhuǎn)到某一位置所用時間,s;R 為旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑,m;ω 為旋耕刀角速度,rad·s-1。

    旋耕刀任一點的運動速度方程如下。

    式中,vx 和vy 分別為旋耕刀任一點的橫向速度,m·s-1;u 為旋耕刀旋轉(zhuǎn)線速度,m·s-1。

    綜合式(1)(2),旋耕刀尖某點的絕對速度v計算公式如下。

    1.2 風(fēng)沙土混拌刀具設(shè)計

    設(shè)計混拌刀具時簡化刃面曲線,增加刀具與改土材料的接觸面積,使更多的改土材料與刀具接觸。通過正切面直接作用風(fēng)沙土壤來增大擾動面積,即改變刀具彎折線與豎直方向夾角(偏轉(zhuǎn)角α),使得正切面在入土?xí)r與土壤平面角度小于90°,鋪施在風(fēng)沙土表面的改土材料受到刀具正切面的作用向下運動,進(jìn)而更好地混拌到風(fēng)沙土中。

    彎折角β 大小會影響拋土高度及距離[25],進(jìn)而影響旋耕刀的作業(yè)質(zhì)量。在設(shè)計風(fēng)沙土混拌刀具時,彎折角的大小會影響改土材料的耕深及改土材料的混合均勻性,所以通過改變彎折角角度來設(shè)計混拌刀具。

    以國標(biāo)刀具IT245為基礎(chǔ),風(fēng)沙土混拌刀具的回轉(zhuǎn)半徑為245 mm,厚度為5 mm,正切面長度為50 mm,設(shè)計2組風(fēng)沙土混拌刀具(圖3),第1組偏轉(zhuǎn)角α 分別為0°、15°、30°、45°、60°,彎折角β 為固定值90°;第2組彎折角β 分別為90°、100°、110°、120°、130°,偏轉(zhuǎn)角α為固定值0°。

    1.3 離散元仿真試驗

    1.3.1 試驗材料

    風(fēng)沙土樣本取自烏蘭布和沙漠,在100 m×100 m區(qū)域內(nèi)隨機(jī)取樣,采集10個樣本,取樣面積為150 mm×150 mm,混拌刀具耕深150 mm,取樣深度為0—150 mm。通過烘干試驗測得風(fēng)沙土含水率為0.32%,含水率低,風(fēng)沙土顆粒之間無粘結(jié)力。篩分試驗測得風(fēng)沙土粒徑及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。通過漏斗法測定風(fēng)沙土堆積角為30.94°,測定風(fēng)沙土堆積密度為1.44 g·cm-3。為了滿足重復(fù)試驗要求,改土材料選定為不溶于水的黑色橡膠顆粒,無黏性,其接觸參數(shù)與一般固體改土材料相似[28-30]。

    1.3.2 接觸模型選擇

    由于風(fēng)沙土之間無粘結(jié)力,風(fēng)沙土-風(fēng)沙土、風(fēng)沙土-混拌刀具、改土材料-混拌刀具都選用Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型。

    1.3.3 仿真模型建立

    按照實際的風(fēng)沙土粒徑分布設(shè)置顆粒會導(dǎo)致仿真時間長、效率低等問題,因直徑0.075~0.500 mm 的風(fēng)沙土顆粒占比大于95%,以此為基礎(chǔ),將風(fēng)沙土顆粒半徑放大10倍,設(shè)置風(fēng)沙土顆粒平均半徑5 mm,隨機(jī)生成最大半徑為1.7倍平均半徑,最小半徑為0.3倍平均半徑,符合實際風(fēng)沙土顆粒級配情況。風(fēng)沙土的外形根據(jù)實際進(jìn)行建模[25],球型占總質(zhì)量的50%,長條型占總質(zhì)量的33%,棱型占總質(zhì)量的17%,如圖4所示。通過風(fēng)沙土堆積角仿真試驗標(biāo)定風(fēng)沙土之間及其與其他材料的接觸參數(shù)(表2)[27],擬合邊緣曲線,得到風(fēng)沙土堆積角為30.08°與實際風(fēng)沙土堆積角誤差為2.78%。改土材料模型由半徑8 mm的標(biāo)準(zhǔn)球組成,隨機(jī)生成最大半徑為1.2倍平均半徑,最小半徑為0.8倍平均半徑。通過堆積角試驗標(biāo)定改土材料間及其與其他材料接觸參數(shù)(表2)[28-30]。

    沙槽尺寸為2 000 mm×600 mm×300 mm,沙槽和混拌設(shè)備都為鋼材,設(shè)定風(fēng)沙土、改土材料、鋼材本征參數(shù)(表3),在沙槽底端投放風(fēng)沙土顆粒7×105顆,鋪施厚度250 mm,在鋪施完成后的風(fēng)沙土上方投放改土材料顆粒3 000顆,鋪施厚度為50 mm。

    混拌設(shè)備模型如圖5所示,由3把風(fēng)沙土混拌刀具圓周排列組成刀輪,2把為左旋,1把為右旋,相鄰2組刀輪間隔90 mm,6組刀輪按照單螺旋排列的方式通過刀庫安裝在刀軸上,組成刀輥,在刀輥上方設(shè)有外罩組成混拌設(shè)備,混拌試驗仿真模型如圖6所示。

    1.3.4 仿真試驗及混拌效果評價方法

    由于混拌設(shè)備的前進(jìn)速度小、刀軸轉(zhuǎn)速大,在同一區(qū)域的混拌時間增加,有利于風(fēng)沙土與改土材料混合均勻,但混拌時間過長會產(chǎn)生偏析效應(yīng),導(dǎo)致改土材料體積比下降;反之同一區(qū)域的混拌時間縮短,混拌次數(shù)減少,導(dǎo)致風(fēng)沙土與改土材料混合不充分,不均勻。混拌刀具的耕深決定擾動風(fēng)沙土的深度,通過多次試驗選用混拌設(shè)備前進(jìn)速度0.3 m·s-1、刀具轉(zhuǎn)速250 r·min-1、耕深150 mm進(jìn)行混拌試驗。

    對安裝IT245及2組風(fēng)沙土混拌刀具的混拌設(shè)備進(jìn)行仿真試驗,待風(fēng)沙土與改土材料混拌后,建立5層統(tǒng)計網(wǎng)格,長度1 000 mm,寬度550 mm,每層高度30 mm,共150 mm。M1表示深度150—120 mm;M2 表示深度120—90 mm;M3 表示深度90—60 mm;M4表示深度60—30 mm;M5表示深度30—0 mm,對每層混合效果進(jìn)行評價。

    改土材料體積比是評價混拌刀具是否能實現(xiàn)工作要求的重要指標(biāo),按照式(4)計算統(tǒng)計網(wǎng)格內(nèi)改土材料的體積與統(tǒng)計網(wǎng)格的體積之比,最佳改土材料體積比為50%。在計算網(wǎng)格內(nèi)顆粒體積時將邊界上整個顆粒的體積都統(tǒng)計在內(nèi),導(dǎo)致改土材料體積比比實際試驗的數(shù)值偏大,所以對統(tǒng)計網(wǎng)格的體積進(jìn)行修正(式5),將統(tǒng)計網(wǎng)格的邊長改土材料的直徑增加8 mm后,計算仿真試驗改土材料體積。通過對比風(fēng)沙土混拌刀不同α 角、β 角在深度M1、M2、M3、M4、M5時改土材料體積比的變化,分析偏轉(zhuǎn)角和彎折角對混拌效果的影響。

    式中,I 為仿真試驗改土材料體積比,%;Vi為改土材料體積,mm3;V 為統(tǒng)計網(wǎng)格修正體積,mm3。

    V = (a + d)(b + d)(c + d) (5)

    式中,a、b、c 分別為統(tǒng)計網(wǎng)格長、寬、高,mm;d為改土材料直徑,mm。

    1.4 室內(nèi)沙槽試驗

    1.4.1 試驗設(shè)備

    根據(jù)沙區(qū)土壤松散流動特性及試驗要求,開發(fā)室內(nèi)風(fēng)沙土混拌試驗臺。試驗臺由沙槽、混拌設(shè)備、行走裝置及可變速的動力裝置組成,結(jié)構(gòu)如圖7所示。其中混拌裝置安裝國標(biāo)旋耕刀IT245,旋耕刀輥共安裝6組刀輪,刀輪間軸向距離為90 mm,耕幅為550 mm,每組刀輪由3把旋耕刀按圓周均勻布置,左右彎刀交替布置,軸向相鄰兩彎刀周向夾角60°,刀輪直徑490 mm。動力裝置由7.5 kW電機(jī)通過皮帶傳動帶動旋耕機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動,通過變頻控制器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)旋耕刀不同的旋轉(zhuǎn)速度。

    1.4.2 室內(nèi)試驗及混拌效果評價方法

    在沙槽內(nèi)的風(fēng)沙土上方鋪施50 mm改土材料,與仿真試驗相同,混拌設(shè)備的前進(jìn)速度0.3 m·s-1、旋耕刀轉(zhuǎn)速250 r·min-1、耕深150 mm。

    在國標(biāo)旋耕刀IT245作用下,風(fēng)沙土與改土材料在沙槽內(nèi)混拌,使用改土材料體積比對刀具混拌效果進(jìn)行評價?;彀枞腼L(fēng)沙土中的改土材料體積無法測量,所以通過統(tǒng)計改土材料的質(zhì)量計算體積。取樣方法為:①采用專用取樣工具對9 個樣點取樣,取樣工具內(nèi)徑為45 mm,高為150 mm的帶刻度亞克力透明圓管,采用垂直入土方式插入至耕深位置,然后在取樣管中加入適量蒸餾水,使樣本潤濕凝固后取出;②將樣本等分為5層,每層高度30 mm,放入有編號的器皿內(nèi)進(jìn)行干燥,得到體積相同的45 個的沙土混合樣本;③利用篩網(wǎng)將沙土和改土材料進(jìn)行分離,分別統(tǒng)計每層每個樣本內(nèi)改土顆粒的質(zhì)量,計算其樣本中改土顆粒的體積,按式(6)計算室內(nèi)試驗改土材料體積比來評價混拌效果。

    式中,I'為室內(nèi)試驗改土材料體積比,%;ρ 為改土材料密度,g·mm-3;mj 為樣本內(nèi)改土材料質(zhì)量,g;V'為樣本體積,mm3。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 國標(biāo)旋耕刀仿真與室內(nèi)試驗結(jié)果分析

    在前進(jìn)速度0.3 m·s-1、刀軸轉(zhuǎn)速250 r·min-1、耕深150 mm作業(yè)后,仿真試驗與室內(nèi)沙槽試驗結(jié)果變化趨勢一致(圖8),改土材料體積比隨著耕深的增加而降低,深度M5的改土材料體積比最大,混合效果最好,仿真試驗為37.71%,室內(nèi)試驗為38.82%;深度M1改土材料體積比最小,仿真試驗為6.92%,室內(nèi)試驗為7.21%。室內(nèi)與仿真試驗改土材料體積比的相對誤差在深度M3最大(10.27%),在深度M5最?。?.86%),平均誤差小于10%。表明風(fēng)沙土-改土材料離散元仿真模型的準(zhǔn)確性。

    2.2 混拌過程分析

    對彎折線存在偏轉(zhuǎn)角的風(fēng)沙土混拌刀具混拌過程進(jìn)行分析,混拌刀具入沙時鋪施于風(fēng)沙土表面的改土材料受到混拌刀具正切面的作用力向下運動,隨著刀具旋轉(zhuǎn),正切面在豎直方向投影面積逐漸減小,與混拌材料的接觸面積也逐漸減小,深度越深,混拌入風(fēng)沙土中的改土材料越少,刀具旋轉(zhuǎn)到最低點后,下層的風(fēng)沙土顆粒受到刀具向上的作用力向上運動。第一把刀具入沙后,第二把刀具出沙,第三把刀具將風(fēng)沙土和改土材料拋向混拌設(shè)備外罩,在外罩的反作用力下,風(fēng)沙土與改土材料進(jìn)一步混拌,又受到下一把刀具向下的作用力,使混合料向下運動,3把刀具往復(fù)循環(huán),將改土材料混拌入風(fēng)沙土中,如圖9所示。從混拌過程的仿真結(jié)果可以看出,在風(fēng)沙土混拌刀具的作用下表層的物料逐步被混拌到土壤底層,隨著混拌時間的增加,改土材料明顯均勻分布在風(fēng)沙土中。表明混拌刀具可實現(xiàn)風(fēng)沙土與改土材料的混拌。

    2.3 風(fēng)沙土混拌刀具混拌結(jié)果分析

    以偏轉(zhuǎn)角α 和彎折角β 為試驗因素,以改土材料體積比作為評價指標(biāo)分別對5個深度的混合效果進(jìn)行單因素試驗,并與國標(biāo)旋耕刀進(jìn)行對比。

    2.3.1 偏轉(zhuǎn)角對改土材料體積比的影響

    如圖10 所示,5 種偏轉(zhuǎn)角的風(fēng)沙土混拌刀具,在深度M5的改土材料體積比無明顯分布規(guī)律,偏轉(zhuǎn)角為60°時達(dá)到最大值(35.67%);在深度M4、M3、M2處,隨著偏轉(zhuǎn)角的增加,改土材料體積比也越大,風(fēng)沙土與改土材料混拌越均勻,在這3個深度下偏轉(zhuǎn)角為60°的改土材料體積比對比0°、15°、30°、45°平均增加了7.56%、4.15%、2.83%、1.37%;在深度M1處改土材料體積比隨著偏轉(zhuǎn)角的增加而減少,此深度下偏轉(zhuǎn)角為60°的改土材料體積比相較于0°、15°、30°、45°分別減少了4.83%、4.74%、4.18%、1.72%。

    綜上分析可知,風(fēng)沙土混拌刀具偏轉(zhuǎn)角越大,正切面與改土材料的接觸面積越大,可使更多的上層改土材料混拌到M4、M3、M2層,但從刀具入沙旋轉(zhuǎn)到最低點,正切面豎直方向的投影面積逐漸減小,刀具與改土材料接觸面積也逐漸減少,使得混合比由深度M4、M3、M2逐漸減少?;彀璧毒甙霃降南拗坪偷毒吲c固沙材料接觸面積減小的原因是,其不能使更多的改土材料混拌到M1層,導(dǎo)致M1層改土材料體積比小于其他層;刀具旋轉(zhuǎn)到最低點后,此時混拌入M1層的改土材料又受到正切面向上的作用力向上運動,且偏轉(zhuǎn)角度越大,與刀具接觸的改土材料越多,混拌到M1層的改土材料又運動到M2層,導(dǎo)致M1層改土材料體積比隨著偏轉(zhuǎn)角的增大而減小。表明偏轉(zhuǎn)角越大,改土材料與混拌刀具的接觸面積越大,混拌效果越好。

    2.3.2 彎折角對改土材料體積比的影響

    不同彎折角對改土材料體積比的影響如圖11所示。5種彎折角的風(fēng)沙土混拌刀具在深度M5、M4、M3、M2時隨著彎折角的增大,改土材料體積比由小到大的彎折角依次為90°、100°、110°、120°、130°,即彎折角越大改土材料體積比越大,此深度下彎折角為130°的改土材料體積比相較于90°、100°、110°、120°平均增加了7.90%、5.96%、3.75%、2.41%。彎折角130°的混拌刀具改土材料體積比都為各層最大,在深度M5 達(dá)到最大值,為36.02%;在深度M1改土材料體積比最小,彎折角大小對改土材料體積比影響不明顯。綜上,彎折角對混拌效果有影響,隨著彎折角的增大,各層土壤的改土材料混合比呈增大的趨勢,表層趨勢尤為明顯,隨著耕層的不斷加深,其影響效果逐漸降低,不能夠達(dá)到深層混拌的效果,表明增加彎折角的旋耕刀對表層物料向下作用力增加不明顯。

    2.3.3 風(fēng)沙土混拌刀具與國標(biāo)旋耕刀混拌效果對比分析

    設(shè)計的2 類混拌刀具與國標(biāo)旋耕刀的混拌效果類似,深度越淺改土材料體積比越大,混合效果越好,在深度M5時改土材料體積比最大,由M5 到M1 遞減,在深度M1 時改土材料體積比最小。

    分別選取混拌效果好的60°偏轉(zhuǎn)角、130°彎折角的風(fēng)沙土混拌刀具,對比分析風(fēng)沙土專用刀具與國際旋耕刀混拌效果,結(jié)果如圖12所示。可以看出,風(fēng)沙土混拌刀具與國際旋耕刀對改土材料的混拌效果類似,深度越淺改土材料體積比越大,混合效果越好,在深度M5 時改土材料體積比最大,由M5到M1遞減,在深度M1時改土材料體積比最小。其中,偏轉(zhuǎn)角60°的風(fēng)沙土混拌刀具在深度M2、M3 時的改土材料體積比大于國標(biāo)旋耕刀IT245,分別增加了5.11%,3.19%,在深度M1、M4、M5時國標(biāo)旋耕刀的改土材料體積比大于風(fēng)沙土混拌刀具,說明相較于國標(biāo)刀,風(fēng)沙土混拌刀具增加了偏轉(zhuǎn)角,使刀具正切面接觸面積增大,更好地使改土材料翻覆到深層,減少改土材料在表層的堆積。在深度M2、M3、M4、M5和彎折角130°時的風(fēng)沙土混拌刀具改土材料體積比與國標(biāo)旋耕刀IT245接近,國標(biāo)旋耕刀的彎折角為120°,表明改變折彎角對改土材料的混拌效果影響不明顯。

    3 討論

    在以往的研究中,旋耕刀的作業(yè)對象為農(nóng)耕土壤,土壤在旋耕刀正切刃、側(cè)切刃、刀背的綜合切削作用下破碎,淺層及中層土壤被旋耕刀旋轉(zhuǎn)拋出,深層土壤受到淺層、中層土壤擠壓以及重力作用被松散破碎,實現(xiàn)旋耕刀松土、碎土、拋土的切削過程,彎折角的大小影響旋耕刀作業(yè)質(zhì)量及拋土高度[2122]。風(fēng)沙土混拌刀具與旋耕刀工作環(huán)境不同,其作用對象為改土材料和風(fēng)沙土,風(fēng)沙土顆粒間無黏性、結(jié)構(gòu)松散、具有流動性,使用混拌刀具進(jìn)行作業(yè)時無需正切刃與側(cè)切刃破碎土壤,本文在設(shè)計混拌刀具時增加刀具正切面與改土材料的接觸面積,改變彎折角角度使風(fēng)沙土與改土材料混拌均勻。研制專用于風(fēng)沙土與改土材料混拌的刀具有利于改善風(fēng)沙土理化性質(zhì),提高土壤生產(chǎn)力、防止土壤退化、使改良后的風(fēng)沙土適宜植被的生長。

    本研究以國標(biāo)旋耕刀IT245為基礎(chǔ),設(shè)計了5種不同偏轉(zhuǎn)角度、5種不同彎折角度的2組專用于混拌風(fēng)沙土與改土材料的混拌刀具。通過室內(nèi)沙槽試驗和離散元仿真模擬,對比國標(biāo)旋耕刀與風(fēng)沙土混拌刀具的混拌效果,研究偏轉(zhuǎn)角及彎折角對混拌效果的影響。結(jié)果表明,增大偏轉(zhuǎn)角可以增大刀具與土壤的作用面,而使表層的改土材料更容易翻覆到土壤深層,偏轉(zhuǎn)角越大,改土材料與混拌刀具的接觸面積越大,混拌效果越好。增大彎折角對土壤表層的混合效果有影響,但對深層影響不明顯。與旋耕刀混拌效果類似,由于混拌刀具半徑及接觸面積的限制,隨著深度的增加,混拌的效果越差。

    本研究僅考慮了混拌刀具偏轉(zhuǎn)角和彎折角單因素對混合效果的影響,沒有考慮交互作用,即在5種彎折角度下,改變5種偏轉(zhuǎn)角,分析偏轉(zhuǎn)角,彎折角交互作用下對混拌效果的影響,也可對功耗、扭矩等因素綜合考慮,進(jìn)一步優(yōu)化混拌刀具的外形結(jié)構(gòu),提高混拌刀具的混拌效果,減少功耗。

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    (責(zé)任編輯:溫小杰)

    基金項目:國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFC0507102);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)??茖W(xué)研究項目(NJZY22520);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)??茖W(xué)研究項目(NJZY21485)。

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