基于EDEM 的甘薯起壟整形機鎮(zhèn)壓整形裝置設(shè)計與試驗

摘 要： 針對現(xiàn)有甘薯起壟整形機作業(yè)形成的壟體緊實度不均勻、不可調(diào)等問題，依據(jù)甘薯農(nóng)藝種植要求，設(shè)計了一種甘薯起壟整形機鎮(zhèn)壓整形裝置。采用液壓驅(qū)動，可實現(xiàn)不同作業(yè)工況下的鎮(zhèn)壓整形作業(yè)時鎮(zhèn)壓整形輥的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。通過理論計算與分析，確定了鎮(zhèn)壓整形裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和液壓系統(tǒng)部件的選型。通過離散元仿真試驗，驗證了其工作性能，并確定了較優(yōu)作業(yè)轉(zhuǎn)速區(qū)間。該鎮(zhèn)壓整形裝置整形作業(yè)后可滿足甘薯后續(xù)的移栽作業(yè)，為甘薯的全程機械化作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：甘薯；起壟整形機；鎮(zhèn)壓整形；離散元法；液壓驅(qū)動

中圖分類號：S222 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0095-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411314

0 引言

甘薯壟作栽培是北方種植區(qū)的主要種植模式，對提高土壤的蓄水保墑能力，改善種植土壤結(jié)構(gòu)有較好的效果，可顯著提高甘薯產(chǎn)量。起壟是甘薯壟作栽培的重要環(huán)節(jié)，需要滿足后續(xù)甘薯移栽、種植等復(fù)雜農(nóng)藝要求。近年來，隨著甘薯生產(chǎn)機械化水平的不斷提高和甘薯產(chǎn)區(qū)的不斷擴大，甘薯起壟機及甘薯移栽機的技術(shù)不斷成熟，種類也日趨豐富。甘薯起壟機的關(guān)鍵部件為鎮(zhèn)壓整形裝置，其起壟效果直接影響后續(xù)的移栽作業(yè)及甘薯生產(chǎn)[1]。

王伯凱等[2] 研制了甘薯雙壟旋耕起壟覆膜機，整機由旋耕部件、起壟部件及被動式鎮(zhèn)壓整形輥組成，鎮(zhèn)壓仿形輥對初步形成的壟體進行壓實、壓緊，減少土塊間隙，有助于穩(wěn)定壟型，增強壟體儲水保墑能力，利于甘薯生長。但其鎮(zhèn)壓整形輥為放置型被動輥，放置于壟體上利用自身重力完成作業(yè)，無法對鎮(zhèn)壓整形輥轉(zhuǎn)速和壟體緊實度進行調(diào)節(jié)。陳新予等[3] 為了驗證甘薯起壟機上IT260 型旋耕刀的拋土性能，在EDEM離散元軟件中進行了仿真試驗，并將仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行對比。

本研究結(jié)合甘薯農(nóng)藝種植要求，設(shè)計了一種鎮(zhèn)壓整形裝置。采用液壓驅(qū)動設(shè)計，實現(xiàn)了壟體參數(shù)可調(diào)節(jié)。通過離散元仿真試驗，驗證了鎮(zhèn)壓整形裝置的作業(yè)效果，得到了鎮(zhèn)壓整形裝置的最優(yōu)工作參數(shù)。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

甘薯壟作種植模式便于灌溉、施肥等田間管理作業(yè)，可顯著提高甘薯生產(chǎn)質(zhì)量。山東省甘薯產(chǎn)區(qū)的甘薯種植模式為單壟單行，通過對產(chǎn)區(qū)的種植參數(shù)調(diào)研，具體參數(shù)如表1 所示。

依據(jù)產(chǎn)區(qū)的甘薯種植模式對甘薯起壟整形機進行了設(shè)計及規(guī)劃。整機主要由機架、三點式懸掛、變速箱、旋耕裝置及鎮(zhèn)壓整形輥等裝置組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

甘薯起壟整形機由輪式拖拉機牽引，采用三點式懸掛的連接方式。作業(yè)時，旋耕裝置完成碎土作業(yè)，開溝起壟裝置由機架帶動向前運動，切割土壤并將土壤抬升至地表，同時開出壟溝，翼板對壟溝側(cè)壁及上翻至地表的土壤進行擠壓形成初步壟體。機具后部的鎮(zhèn)壓整形輥對初步形成的壟體上部和側(cè)壁進行修整、壓實作業(yè)，整理出符合甘薯種植要求的壟型。

2 鎮(zhèn)壓整形裝置設(shè)計

鎮(zhèn)壓整形裝置主要由傳動軸、鎮(zhèn)壓整形輥及液壓驅(qū)動系統(tǒng)組成。作業(yè)時，鎮(zhèn)壓整形輥依靠拖拉機拖動起壟整形機前進及自身的轉(zhuǎn)動將壟體上部的土壤壓實，減少土壤中的水分流失及達到保溫保墑的作用，并通過兩端的成型盤整理出目標壟型。

2.1 鎮(zhèn)壓整形輥結(jié)構(gòu)

在相同土壤條件下，鎮(zhèn)壓整形輥的直徑和寬度越大，其在壟體表面分布的壓力越均勻。但過大的鎮(zhèn)壓整形輥直徑及寬度會增大鎮(zhèn)壓整形輥尺寸，容易造成鎮(zhèn)壓整形輥的阻力增大，同時也會對驅(qū)動系統(tǒng)造成過大的壓力[4-5]。綜合考慮鎮(zhèn)壓整形作業(yè)效果，鎮(zhèn)壓整形輥直徑取180 mm。鎮(zhèn)壓整形輥體表面光滑，降低土壤在鎮(zhèn)壓整形輥上的黏附性。

鎮(zhèn)壓整形輥兩端的成型盤作用為修正出正梯形的目標壟型，其兩端傾角應(yīng)與壟體傾角角度相同，取傾角63°。如圖2 所示，在設(shè)計成型盤的外徑時應(yīng)考慮起壟作業(yè)中的浮土高度，在鎮(zhèn)壓過程中可實現(xiàn)3 面鎮(zhèn)壓。設(shè)計的鎮(zhèn)壓整形輥參數(shù)為直徑d=180 mm、成型盤外徑D=550 mm。

由圖3 可知，壟體側(cè)邊傾角大于土壤自然休止角，在開溝起壟裝置進行初步起壟后，上壟臺會有部分土壤回落至壟溝內(nèi)，導(dǎo)致土量不滿足壟體土量要求。因此，鎮(zhèn)壓整形輥與整形板的距離應(yīng)選取合適的值，根據(jù)整形板的長度設(shè)計l=30 mm。

2.2 液壓驅(qū)動裝置

鎮(zhèn)壓整形裝置由液壓系統(tǒng)驅(qū)動，如圖4 所示，液壓系統(tǒng)組成包括液壓泵、液壓馬達、節(jié)流閥、控制閥組和傳感器等裝置。通過拖拉機驅(qū)動液壓泵進行工作，控制閥組調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)整體流量，從而控制鎮(zhèn)壓整形輥的轉(zhuǎn)速。

為保證鎮(zhèn)壓整形裝置調(diào)速系統(tǒng)的正常工作，對液壓馬達、各功能閥進行選型設(shè)計。通過查閱試驗拖拉機詳細資料， 得到拖拉機自帶液壓泵型號為CBNG320型，工作流量20 L/min。在此基礎(chǔ)上，確定液壓馬達排量32 mL/r，扭矩理論值40 N·m，結(jié)合性能參數(shù)選型表，選擇BMM-32 型液壓馬達。

為避免鎮(zhèn)壓整形輥由機具牽引的拖動對壟面造成碾壓褶皺、壟面不平等缺陷，鎮(zhèn)壓整形輥的獨立轉(zhuǎn)動速度應(yīng)大于機具前行速度，即拖拉機前行速度。已知拖拉機在作業(yè)時最大前行速度約1 m/s，即鎮(zhèn)壓整形輥轉(zhuǎn)動時線速度≥1 m/s。求得鎮(zhèn)壓整形輥轉(zhuǎn)速≥90 r/min。鎮(zhèn)壓整形輥與液壓馬達為鏈傳動，試選傳動比13∶5，即液壓馬達轉(zhuǎn)速≥260 r/min，經(jīng)檢測系統(tǒng)測得此時液壓系統(tǒng)流量8.16 L/min。

3 樣機性能及試驗分析

3.1 試驗條件及方法

通過Solidworks 三維建模軟件建立甘薯起壟整形機鎮(zhèn)壓整形輥仿真模型，并將模型轉(zhuǎn)換為STEP 格式導(dǎo)入EDEM 軟件中。結(jié)合實際情況鎮(zhèn)壓整形裝置材料設(shè)置為Q235A 鋼板，為盡可能準確模擬田間作業(yè)時的機具與土壤相互作用情況，兩裝置材料的具體仿真參數(shù)如表3 所示。

為更好地探究土壤顆粒運動規(guī)律，設(shè)定土壤顆粒為規(guī)則及相同形狀，采用半徑6 mm 的球形顆粒組成單個土壤顆粒[6-8]。土壤顆粒間的運動模型選取JKR 模型，接觸參數(shù)通過查閱文獻[9] 選取。顆粒間的相互作用參數(shù)如表4 所示。

為滿足仿真要求，避免仿真土槽的邊界對仿真試驗產(chǎn)生影響，建立4 000 mm×2 500 mm×400 mm（長×寬×高）的仿真土槽，其中土槽內(nèi)的土壤高度300 mm。

鎮(zhèn)壓整形裝置的組成為鎮(zhèn)壓整形輥和液壓系統(tǒng)，為方便EDEM 軟件計算，簡化模型為鎮(zhèn)壓整形輥[10]。為節(jié)省計算時間，采用單壟仿真試驗方式，將單個開溝起壟裝置從中間分開，分別放置于兩側(cè)，使其恰好能形成單個壟體，仿真模型如圖5 所示。

仿真試驗如圖6 所示。鎮(zhèn)壓整形輥放置于開溝起壟裝置后部，根據(jù)試驗需求調(diào)整兩裝置距離。

3.2 仿真試驗

影響鎮(zhèn)壓整形裝置作業(yè)過程及作業(yè)質(zhì)量的因素，主要有機具前行速度、鎮(zhèn)壓整形輥設(shè)計參數(shù)、鎮(zhèn)壓整形輥轉(zhuǎn)速，其中，鎮(zhèn)壓整形輥的設(shè)計參數(shù)已確定。因此，仿真試驗中選取鎮(zhèn)壓整形輥轉(zhuǎn)速為單因素試驗參數(shù)，通過單因素方差分析研究整形輥轉(zhuǎn)速對土壤緊實度的影響，如表5 所示。在實際田間作業(yè)時，甘薯起壟整形機的前進速度通常為0.6～1.0 m/s，為保證仿真試驗準確性，取鎮(zhèn)壓整形輥前行速度0.8 m/s[11]。

根據(jù)探針貫入法，在鎮(zhèn)壓整形作業(yè)完成后，將布置在壟面上方的圓錐形探針勻速壓入土壤200 mm，在EDEM 后處理模塊中讀取探針受力情況，并由式（1）計算土壤緊實度[12]。

P =4F／πC2 （1）

式中 C——圓錐形探針直徑，m

P——土壤緊實度，Pa

F——圓錐形探針平均受力，N

開始試驗時，鎮(zhèn)壓整形輥位于仿真土槽左側(cè)，在開溝起壟裝置之后，不與土壤顆粒接觸。通過EDEM軟件， 模擬田間試驗情況， 設(shè)置拖拉機前行速度0.5 m/s，鎮(zhèn)壓整形輥轉(zhuǎn)速80～120 r/min，開溝起壟裝置前行速度設(shè)置0.5 m/s，探針的貫入速度設(shè)置0.2 m/s；仿真試驗總時長10 s，其中：[0～3）s 為土壤顆粒生成時間、[3～8）s 為兩裝置工作時間，[8～9）s 為土壤顆粒穩(wěn)定時間，[9～10] s 為圓錐形探針貫入時間。每組鎮(zhèn)壓整形輥的轉(zhuǎn)速做3 次試驗，共15 組試驗。

3.3 鎮(zhèn)壓整形裝置工作參數(shù)優(yōu)化

仿真試驗方案和結(jié)果如表6 所示。

由表6 可知，土壤緊實度大小順序為120 r/mingt;110 r/mingt;100 r/mingt;90 r/mingt;80 r/min。土壤緊實度的大小隨鎮(zhèn)壓整形輥的轉(zhuǎn)速增大而增大，轉(zhuǎn)速80 r/min 時土壤緊實度的值最小，轉(zhuǎn)速120 r/min 時土壤緊實度的值最大。土壤緊實度在轉(zhuǎn)速增長時的增量基本相同。

利用Origin 軟件中的單因素方差分析對鎮(zhèn)壓整形輥在不同轉(zhuǎn)速下的土壤緊實度進行方差分析，選用Turkey 方法進行事后多重比較，并進行了方差齊性檢驗，研究鎮(zhèn)壓整形輥在不同轉(zhuǎn)速下的土壤緊實度差異性，結(jié)果如表7 所示。

5 種不同轉(zhuǎn)速下的鎮(zhèn)壓整形輥作業(yè)后對土壤緊實度的影響差異性如圖7 所示，5 種不同轉(zhuǎn)速下的土壤緊實度均存在顯著性差異，土壤緊實度隨轉(zhuǎn)速增大而增加。在實際的田間作業(yè)中，較小的土壤緊實度的壟體較為松散，在后續(xù)的插秧和田間管理時易造成壟體塌落，同時對保溫、保墑、保水等功能影響較大，但土壤間通氣狀況較好，植物光合作用產(chǎn)物運輸效率較高，適宜甘薯的生長；而較大土壤緊實度的壟體較為緊實，壟體不易坍塌，同時保溫、保墑、保水等功能較好，但不利于甘薯的生長[13-15]。綜上所述，壟體的土壤緊實度應(yīng)在一個合理范圍內(nèi)，即鎮(zhèn)壓整形輥的轉(zhuǎn)速應(yīng)在一個合理范圍內(nèi)。綜合考慮，鎮(zhèn)壓整形輥的轉(zhuǎn)速取100～110 r/min。

4 結(jié)束語

結(jié)合甘薯產(chǎn)區(qū)的甘薯種植模式及農(nóng)藝要求，針對目前甘薯起壟整形機壟體緊實度不均勻、不可調(diào)的問題，設(shè)計了一種甘薯起壟整形機鎮(zhèn)壓整形裝置。通過理論分析和離散元仿真相結(jié)合的方式對其進行研究，確定了鎮(zhèn)壓整形裝置的設(shè)計參數(shù)。開展了離散元單因素仿真試驗，得到了鎮(zhèn)壓整形裝置的較優(yōu)作業(yè)轉(zhuǎn)速區(qū)間。

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