基于離散元法的芯鏵式開溝器設計

潘世強，操子夫，楊雨林,趙婉寧

(吉林農業大學 工程技術學院，長春　130118)

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基于離散元法的芯鏵式開溝器設計

潘世強，操子夫，楊雨林,趙婉寧

(吉林農業大學 工程技術學院，長春130118)

摘要：傳統式芯鏵式開溝器被廣泛地應用于東北壟作地區，但其開溝寬度大、與土壤產生的阻力大限制其使用。為此，對芯鏵式開溝器的結構特點進行研究，確定了開溝器寬度d、入土角α、斜面角β、作業速度v、含水率p為其性能的影響因素，用SolidWorks軟件建立了一系列不同參數的芯鏵式開溝器模型。通過對耕層土壤的物理性質與力學性質的研究，運用EDEM對所設計的一系列芯鏵式開溝器進行仿真分析，得到開溝阻力較小的開溝器，其參數為：入土角為50°、斜面角為55°、寬度為50mm。在室內土槽中，進行芯鏵式開溝器的性能測試。結果表明：仿真與試驗數據具有一定的相關性，且規律基本一致，驗證了仿真模型參數選取的正確性。

關鍵詞：芯鏵式；開溝器；離散元法

0引言

芯鏵式開溝器結構簡單、溝底平整、入土性能較好，且對播種前整地要求不高，被廣泛地應用于東北壟作地區[1]。目前使用的芯鏵式開溝器大多開溝寬度大、保墑效果差、對土壤的側向推移較大，不適合高速播種。近年來，離散元法被逐漸地應用到農業生產中，多用于仿真具有散粒體特性的物質，如種子、化肥及土壤等[2]。

本文通過對吉林省中部地區土壤物理學參數的測定，建立了相應的土壤顆粒離散元模型。采用均勻設計法，對芯鏵式開溝器進行設計;選用3個因素、8個水平作為試驗方案，利用三維建模軟件建立了相應的開溝器模型，并將該模型導入離散元軟件，對開溝器的工作過程進行仿真，得到開溝的效果和開溝器所受的工作阻力；通過對各個影響因素的分析，最終得出了開溝器各參數的最優組合。

為了驗證其仿真的準確性和可靠性，利用玻璃土槽進行了開溝器的開溝試驗，并采用高速攝像技術記錄了開溝器的工作過程，使用二維力傳感器及動態應變儀對開溝的工作阻力進行了測定。試驗與離散元仿真結果對比表明：兩者具有較好的相關性，且規律一致。同時，優化設計得到了一組適合吉林省中部地區土壤特性的新型芯鏵式開溝器的設計參數[3]。

1芯鏵式開溝器參數的確定

工作時，開溝器芯鏵入土，側板將土擋在兩側。本試驗主要通過改變開溝器主要參數(如寬度d、入土角α、斜面角β)，分析開溝器的性能[4]。基于三維建模軟件設計的開溝器模型如圖1所示。

圖1　開溝器模型

本文選取了芯鏵式的3個主要因素為設計參數，每個因素選取8個水平，如表1所示。根據均勻設計試驗要求，得到16個不同形狀的開溝器模型，試驗方案如表2所示[5]。

表1　開溝器因素水平表

續表1

表2　開溝器因素設計表

2芯鏵式開溝器的離散元仿真分析

2.1　土壤仿真模型的建立

土壤是由氣體、液體和固體組成的復雜物質，且土壤中存在著化學鍵和毛細水，這使得土壤之間存在一定的粘聚力。在建立土壤顆粒模型時，一部分主要參數是依據測定吉林省中部地區土壤物理性質得到的，另一部分參數則是通過對比試驗與仿真結果后修正獲得的。顆粒接觸模型選擇了Hertz-Mindlin粘結接觸模型，該模型將兩個顆粒通過一定尺寸的“粘結鍵”粘結在一起，這種粘結可以承受一定的法向力和切向力，并當且僅當達到最大法向應力和切向應力時，兩顆粒間的粘結就被破壞，這種粘結模型與土壤的實際情況相符合[6-8]。

土壤顆粒是一種非常不規則的物質，本文通過二維影像儀對不同粒徑的土壤顆粒進行形狀觀察。為了更加真實地體現土壤顆粒的形狀，將土壤顆粒近似地模擬成單球形、雙球形和三球堆疊形，并分層生成土壤模型顆粒，如圖2所示。

圖2　土壤顆粒離散元模型

2.2　開溝器仿真模擬實驗

將不同參數的開溝器模型導入離散元仿真軟件，分別進行開溝器工作過程的仿真，得到開溝過程中的土壤運動狀態及開溝器的工作阻力，觀測土壤擾動情況。由于仿真的開溝器種類較多(見圖3)，僅提供兩組開溝仿真圖(a、c為4號開溝器的模擬狀態，b、d為9號開溝器的模擬狀態)。仿真實驗表明：開溝器的寬度越小，回土越明顯；寬度越大，回土不明顯，底層土壤基本裸露在外面。

(a)　　　　　　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　　　　 　 (d)

仿真獲得的16組開溝器所受阻力如表3所示。應用均勻設計中的直觀分析法可以得出：4號開溝器所受阻力較小，回土效果較好，溝底較為平整，為芯鏵式開溝器的設計提供了一種新的方法。

表3　開溝器工作阻力

3開溝器土槽試驗裝置及試驗方案

3.1　試驗裝置

試驗裝置由微型土槽與測試設備組成，如圖4所示。二維力傳感器和動態應變儀，可測量工作物件的水平力和垂直力[9-10]；高速攝像機可記錄工作部件及土壤顆粒的運動情況。

圖4　玻璃土槽試驗臺

3.2　試驗方案

本試驗選取的5個因素分別是開溝器的寬度、入土角、斜面角、速度和含水率。由于土壤的含水率較難控制，在試驗過程中會發生變化。因此， 本試驗設計中含水率的水平數為2，其余因素的水平數為8，選取混合均勻設計方法。因素水平表如表4所示。

表4　因素水平表

4試驗結果與分析

根據試驗方案，將不同參數的開溝器放置到土槽試驗臺中進行了試驗，并記錄了開溝器工作時的工作阻力與土壤及工作部件的運動情況。

4.1　開溝器工作阻力與能耗測定

通過二維力傳感器和動態應變儀記錄的開溝器工作過程中所受的阻力，如圖5所示。由于水平垂直阻力較小對試驗影響較小，忽略不計。

在開溝阻力相對穩定的區域選取了5個數，取平均值作為其試驗結果。同時，開溝器的能耗也是評定開溝器好壞的重要指標之一。

開溝器的能耗[11-12]為

η=S/D

式中S—開溝面積；

D—開溝寬度。

本文利用自制的溝形測繪器測溝形，采用表格法計算其面積(cm2)，開溝寬度可直接測得，所得實驗結果如表5所示。水平阻力和能耗對開溝器作業質量的影響較大，所以本試驗采用加權的方法分析試驗結果，開溝器水平阻力影響占結果的70%，能耗影響占結果30%。

圖5　開溝的阻力

表5　開溝測試結果表

經過加權分析可知：4號開溝器水平阻力和能耗相對較小，為最佳設計方案，同時驗證了仿真結果的準確性。

4.2　土壤顆粒運動情況測

由于土壤顏色較深，不便于觀察底層土壤的變化。因此，在表層土壤上平鋪了帶有顏色的化肥，以便高速攝像機記錄開溝過程[13-15]。如圖6所示：當開溝器較窄時，開溝器回土較為迅速，但容易造成溝底不平。

(a) 　　　　　　　　　 (b)

(c)　　　　　　　　　 (d)

當寬度、入土角和斜面角較大時，開溝時易造成起土過高，使表層土壤回落在種溝內，不利于開溝。如圖7所示：當開溝器較寬時，溝底較為平整，但回土性能較差。

(a) 　　　　　　　　　　(b)

(c)　　　　 　　　　　　(d)

試驗與仿真對比表明，兩者具有較好的相關性，阻力呈現的規律是一致的。產生的偏差的主要原因：一是土壤模型較為復雜，一些參數僅能憑經驗設置；二是由于使用大量化肥導致土槽中的土壤板結，與大田實際作業的土壤存在差距。

5結論

通過研究芯鏵式開溝器的寬度、入土角、斜面角等主要因素并采用均勻設計的試驗方法，設計出了一系列新型的開溝器。利用離散元法建立耕層土壤模型，模擬開溝器的工作過程，并借助于玻璃土槽試驗臺和高速攝像技術對離散元仿真模型進行了驗證。同時，通過對開溝器的仿真分析與臺架實驗，得到一組適合吉林省中部地區使用的芯鏵式開溝器設計方案。

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The Design of Furrow Opener Based on Discrete Element Method

Pan Shiqiang，Cao Zifu，Yang Yulin，Zhao Wanning

(Engineering and Technology College, Jilin Agricultural University, Changchun 130118,China)

Abstract：Traditional type furrow opener is widely used in the Northeast ridge area, but the width of the ditch, and soil resistance restrict the use it. In this paper, the structural characteristics of core ploughshare type furrow openers, determine the width of opener D, penetrating angle alpha, bevel angle beta, operating speed V, water rate P for the factors affecting the performance of, with the SolidWorks software established a series of different parameters of core ploughshare type furrow opener model. Through the study on soil physical properties and mechanical properties, using edem to simulation and analysis of the designed a series of core ploughshare type furrow opener and opener ditching resistance is relatively small, its argument is: penetrating angle of 50 degrees, slope angle of 55 degrees, width is 50mm. In the indoor soil tank, testing the performance of furrow opener. The results show that the simulation and test data have a certain correlation, and the law is basically consistent, and verify the correctness of the simulation model parameters.

Key words：furrow； opener discrete； element method

中圖分類號：S222.5+2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0023-05

作者簡介：潘世強(1975-)，男，吉林撫松人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)shiqiangpan@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51175219)

收稿日期：2015-09-01