寬型水田輪作業過程動力學仿真

楊紅艷，楊　望，楊　堅，路　宏

(廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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寬型水田輪作業過程動力學仿真

楊紅艷，楊望，楊堅，路宏

(廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：寬型水田輪是前耕后驅微耕機的行走驅動裝置，除具有驅動性能之外，還具有碾壓碎土和攪動混土的作用，其設計參數對作業質量有大的影響。為此，以1WGQ4型微耕機為對象，采用有限元法和光滑粒子流體動力學方法(Smoothed particle hydrodynamics, SPH)相結合的方法，構建土壤-寬輪系統的動力學仿真模型，對其作業過程進行動力學仿真分析，在細微上研究其與土壤的作用機理。結果表明：隨著寬輪的轉動，輪葉與土壤的接觸應力和輪葉水平推進力均呈現先增大后減小的變化趨勢，但接觸應力比水平推進力先達到最大值；滑轉率不同，輪葉出現水平推力為零的位置不同；輪葉折角對驅動性能、碾壓碎土和攪動混土作用有較大的影響。

關鍵詞：寬型水田輪；作業過程；動力學仿真；機理

0引言

南方水田廣泛應用微型水田耕整機械(簡稱微耕機)進行耕作，其水田驅動輪(簡稱水田輪)的結構參數和運動參數對微耕機的驅動性能影響較大。因此，國內外學者通過物理試驗和理論分析對水田輪的作業性能影響參數進行了較多的研究，且取得了一定的成果[1-7]。

1WGQ4型微耕機是一種前耕后驅的新型微耕機，其水田輪為寬型水田輪(簡稱寬輪)，寬輪的寬度和旋耕刀具寬度相同；除具有驅動性能之外，還具有碾壓碎土和攪動混土作用，且其設計參數對作業質量影響較大；同時，其設計方法和一般的微耕機水田輪有較大的差別。目前，前耕后驅微耕機寬輪的設計方法未見有報導，因此開展寬型水田輪設計方法研究具有重要意義。本文以1WGQ4型微耕機的寬輪為對象，采用有限元法和光滑粒子流體動力學方法(SPH)相結合的方法[8-9]，構建土壤-寬輪系統的動力學仿真模型，對其作業過程進行動力學分析，在微觀上研究其與土壤的作用機理，為寬輪的優化設計提供依據。

1結構和工作原理

1WGQ4型微耕機主要由機架、發動機、減速箱、寬輪及旋耕刀具等組成，如圖1所示。

圖1　1WGQ4型微耕機

微耕機作業時，發動機輸出的動力經減速箱和傳動機構傳輸到寬輪和旋耕刀具，在寬輪的驅動作用下機組前進，微耕機前面的旋耕刀旋轉切削土壤，且把切下的土塊拋向擋泥板進行破碎。機組后面的寬輪除了具有驅動微耕機前進之外，還具有碾壓大塊土壤使其進一步破碎和攪動混土作用。

2動力學仿真模型

2.1模型的建立

1WGQ4型微耕機寬輪由連接圓板、輻條、輪圈及輪葉組成，輪葉為近似長方體形，如圖2所示。

由于寬輪比土壤的剛度大得多，為了節省仿真計算時間，建模時將其整體建成剛體。同時，為了便于建模，將寬輪做以下簡化：

1)省去連接圓板和輻條，僅保留輪圈和輪葉；

2)輪葉簡化成長方體。

由于寬輪的對稱性，只建其1/2模型，簡化后寬輪的模型如圖3所示。模型尺寸根據樣機的實際尺寸確定：輪圈外直徑450mm、內直徑420mm、厚5mm；輪葉長120mm、寬72mm、厚6mm；輪葉傾角γ為45°。

圖2　寬輪

圖3　寬輪模型

由于水田的耕作層土壤(泥腳層)和硬底層土壤的硬度及物理特性參數差別較大，因此建模時土壤分上下兩層建模，形狀為長方體：上層土壤為泥腳層，其尺寸(長×寬×高)為1 550mm×195mm×100mm；下層土壤為硬底層，其尺寸(長×寬×高)為1 550mm×195mm×40mm。土壤外圍設有剛性墻，約束土壤。建立的土壤-寬輪系統模型如圖4所示。

圖4　土壤-寬輪系統模型

2.2模型材料

寬輪選用SOLID164實體單元類型建模，定義為剛性材料，材料參數：密度為1.112×104kg/m3(因建模時省去了輻條和連接圓板，故適度增大材料密度，以保持其原有的質量)，泊松比為0.27，彈性模量為0.2×1012Pa。

土壤材料采用LS-DYNA971中MAT_FHWA_SOIL材料模型，其針對實體單元且考慮了含水率、應變軟化、應變率效應、孔隙比及孔隙水壓力等的影響和單元刪除[10]。為了解決土壤產生大變形時引起網格畸變，造成數值模擬計算失效的問題，土壤使用SPH單元進行建模。土壤的具體參數如表1所示。

表1　土壤參數

2.3網格劃分和加載

仿真模型網格劃分直接影響到模型的計算精度和運算時間。網格劃分細，計算精度高，但運算時間長；網格劃分過粗，計算精度低，易發生穿透。故在劃分網格時，要合理匹配寬輪和土壤的網格尺寸，使其接觸良好，相互作用過程不產生穿透現象，保證模型運算的精度。

Smart Size是ANSYS提供的一種強大的自動劃分網格算法，有利于劃分網格時生成合理的網格單元[11]。因此，本文采用Smart Size算法對寬輪進行自由網格劃分，寬輪的單元數為12 010。土壤模型為長方形，形狀規則，故土壤選擇映射式網格劃分方式進行網格劃分：上層土壤的單元數為33 033，下層土壤的單元數為15 015。

1WGQ4型微耕機總質量為157kg，寬輪的質量為14kg。正常作業時，人通過扶手把施加在微耕機上的豎直向下的力約為210N，水平向后的力為140N。由于微耕機左右兩個寬輪受力基本一樣，且模型只建立了1/2寬輪，則1/2寬輪承受1/4的外力。因此，建模時，在寬輪的質量中心豎直向下施加410N的力，向后施加35N的力水平力。

由于正常作業條件下寬輪的轉速為1.8rad/s，故建模時給寬輪施加1.8rad/s的轉速。土壤和寬輪之間定義為面面自動接觸，靜摩擦因數為0.3，動摩擦因數為0.25[12]。

土壤在ANSYS/LS-DYNA中建模后，生成K文件，導入Ls-Prepost中，將土壤的有限元網格轉化為SPH粒子，SPH粒子的疏密程度取決于有限元網格劃分的大小。建立的土壤-寬輪系統動力學仿真模型如圖5所示。

圖5　土壤-寬輪系統動力學仿真模型

3模型的驗證

3.1試驗方法及設備

本文采用物理試驗的方法對模型精度進行驗證。試驗時，測量空載條件下(微耕機的旋耕刀具離地不工作)1WGQ4型微耕機寬輪的下陷深度及滑轉率后，與相同條件下的仿真試驗結果比較驗證模型的精度。試驗設備：1WGQ4型微耕機(水田刀配置，傳動比為1檔38.5，2檔23，倒檔50)，紅外轉速儀，卷尺，標桿。試驗地:廣西大學農場水稻田。

驗證試驗時，選微耕機1檔速度行走，用直尺測量寬輪的下陷深度；采用紅外轉速儀測量與減速箱輸入軸相連的皮帶輪的轉速，后由減速箱傳動比(一檔為38.5)計算出寬輪的實際轉速。寬輪的滑轉率采用傳統方式測量，即微耕機行走一定距離L1時，數出寬輪轉的圈數，后由寬輪轉的圈數和半徑計算出理論上微耕機行走的距離L，則滑轉率為

(1)

物理試驗重復6次。

3.2驗證結果及分析

寬輪物理試驗的平均下陷深度約為8cm，滑轉率的試驗結果如表2所示。

圖6是仿真試驗時寬輪的下陷深度曲線。由圖6可知：寬輪運行穩定后，下陷深度在8cm附近波動，即平均值約為8cm，和物理試驗的結果一致。由表2可知：物理試驗的平均滑轉率為3.18%，仿真試驗的滑轉率為3.10%，平均滑轉率相對誤差為2.5%。這表明，建立的土壤-寬輪系統動力學仿真模型精度高。

表2　 滑轉率試驗結果

圖6　下陷深度曲線圖

4作業過程分析

4.1單輪葉

圖7是在寬輪和土壤作用過程中單一輪葉與土壤作用過程的動力學仿真截圖(滑轉率3.10%)，圖8是單一輪葉的水平推力變化圖。由圖7可知：隨著輪葉平面向下移動，輪葉對土壤的壓力不斷加強，輪葉與土壤的接觸應力逐漸增大。當t=0.34s時，接觸應力最大；當t>0.34s時，雖然輪葉的前端還繼續下行，但輪葉的后端已開始上行，輪葉對土壤的壓力開始減小，輪葉與土壤的接觸應力逐漸減小；當t>0.76s時，輪葉雖然已不向下后方壓土，但輪葉開始前推土壤，故輪葉與土壤間還存在接觸應力。由圖8可知：t在0～0.22s和0.76～0.94s區間時，輪葉水平推力為負值；t在0.22～0.76s區間時，為正值，且隨時間的增加呈先增大后減小的變化趨勢。其原因是：t在0～0.22s區間時，雖然輪葉平面向下移動，輪葉對土壤的壓力不斷加強，輪葉與土壤的接觸應力逐漸增大；但輪葉傾角較小，且輪葉水平方向的運動速度較大，輪葉厚度方向產生向前推土作用，故輪葉的水平推力為負值。當t在0.76～0.94s區間時，輪葉葉面已向前運動，葉面對土壤產生向前的推壓作用，故輪葉的水平推力為負值；當t在0.22～0.5s區間時，輪葉向下后方運動，向后對土壤的壓力不斷增大，且輪葉的傾角不斷增大，故輪葉的推力不斷增大，且為正值；當t在0.5～0.76s區間時，開始雖然輪葉前端還繼續向下后方運動，輪葉傾角也在增大，但輪葉后端已上移較多，故輪葉對土壤的向后壓力逐漸減小，輪葉推力逐漸減小。同時，由圖7和圖8可知：土壤應力(0.34s時最大)比輪葉水平推力(0.5s時最大)先達到最大值。當t=0.76s時，即當輪葉轉到最低點再轉17.5°時，輪葉的水平推力為零，比文獻[10]研究結果的大4.5°。不同滑轉率條件下的仿真分析表明：滑轉率不同，出現水平推力為零的位置也不同，故出現與文獻研究結果不一致的情況。

圖7　單一輪葉與土壤作用過程的動力學仿真截圖

圖8　單一輪葉的水平推力變化圖

4.2寬輪

寬輪除具有驅動微耕機前進的作用之外，還具有碾壓碎土和攪動混土作用。因此，為了在寬輪作業過程的動力學仿真圖中便于觀察寬輪的破碎土壤和攪動混土作用效果，把耕作層土壤分為兩層(土壤材料參數不變)建模，使其產生不同顏色層(兩層土壤粒子相互混合多，表示攪動混土能力強)。圖9是寬輪對土壤的碾壓過程仿真截圖。其中，圖9(a)是輪葉為直板型寬輪對土壤碾壓過程的仿真截圖，圖9(b)是輪葉為折角型寬輪對土壤碾壓過程的仿真截圖。

圖9　寬輪碾壓痕跡

由圖9(a)、(b)可知：輪葉帶折角的寬輪比輪葉為直板型的土壤碾壓破碎作用強，且耕作層的兩層土壤相互混合的粒子數也比直板型的多，表明其攪動混土作用也強。兩種寬輪動力學仿真表明：直板型輪葉寬輪的平均滑轉率為3.28%，牽引功率為650.239W，而折角型輪葉寬輪的平均滑轉率為5.97%，牽引功率為632.148W；直板型的打滑率小，牽引效率高，驅動性能好，表明折角因素對寬輪的驅動性能、碾壓碎土和攪動混土作用影響較大。因此，為了使寬輪具有良好的驅動性能，且具有較強的碾壓碎土和攪動混土作用，其輪葉折角的角度應進行優化設計。

5結論

1)采用有限元法和光滑粒子流體動力學方法 (SPH) 相結合的方法構建的土壤-寬輪系統的動力學仿真模型精度高，可用于寬輪作業過程分析。

2)隨著寬輪的轉動，輪葉與土壤的接觸應力和輪葉水平推進力均呈現先增大后減小的變化趨勢，但接觸應力比水平推進力先達到最大值；且滑轉率不同，輪葉出現水平推力為零的位置不同；輪葉轉到最低點、再轉17.5°角時，輪葉的水平推力為零，且滑轉率不同時，出現輪葉水平推力為零的位置也不同。

3)輪葉折角因素對寬輪的驅動性能、碾壓碎土和攪動混土作用影響較大，為使寬輪具有良好的驅動性能，且具有較強的碾壓破土和攪動混土作用，輪葉折角的角度應進行優化設計。

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Abstract ID:1003-188X(2016)04-0029-EA

Dynamic Simulation of Working Process of Wide Type Paddy Wheel

Yang Hongyan, Yang Wang, Yang Jian, Lu Hong

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：Wide type paddy-field wheel is a driving device for walking of the micro-tillage machine which is tilling at first and then driving. Except driving performance, the wheel can roll broken soil and stir mixed soil. Its design parameters has great influence on operation quality. “1WGQ4” micro-tillage machine was used as the study object. Dynamic simulation model of soil -wide wheel system was established by using the finite element method and the smooth particle hydrodynamics method. Working process of the wheel was analyzed. And mechanism of interaction between the wheel and soil was studied at meso level. The results show that with rotation of the wheel, contact stress of the soil and lug of the wheel and horizontal propelling force of the lug increase first and then decrease. But the stress reached the maximum first. With the variation of slip rate, the location where the force is zero is different. Bending angle of the wheel has great influence on driving performance, rolling broken soil and stirring mixed soil.

Key words：wide type paddy wheel; working process; dynamic simulation; mechanism

文章編號：1003-188X(2016)04-0029-05

中圖分類號：S222.3

文獻標識碼：A

作者簡介：楊紅艷(1989-)，女，安徽亳州人，碩士研究生,(E-mail) zuihongyan1020@163.com。通訊作者：楊望(1984-)，男，廣西合浦人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)yanghope@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51365005) ； 玉林市科技項目(玉市校科產201306802)

收稿日期：2015-03-21