懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī)數(shù)值模擬分析與性能優(yōu)化

王金武 唐 漢 王金峰 黃會(huì)男 林南南 趙 藝,2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.哈爾濱動(dòng)力科技貿(mào)易股份有限公司， 哈爾濱 150030)

懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī)數(shù)值模擬分析與性能優(yōu)化

王金武1唐 漢1王金峰1黃會(huì)男1林南南1趙 藝1,2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.哈爾濱動(dòng)力科技貿(mào)易股份有限公司， 哈爾濱 150030)

為提高水田機(jī)械田埂修筑質(zhì)量，探索各工作參數(shù)對(duì)懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī)作業(yè)性能的影響，依據(jù)離散元法建立機(jī)械部件-土壤間作用模型，運(yùn)用EDEM軟件對(duì)機(jī)具旋耕切削集土和鎮(zhèn)壓筑埂成型階段進(jìn)行仿真分析，研究機(jī)具作業(yè)質(zhì)量和功耗的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，分析影響筑埂性能的主要因素。結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬技術(shù)，以機(jī)具前進(jìn)速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速和旋耕入土深度為試驗(yàn)因素，田埂堅(jiān)實(shí)度和作業(yè)功耗為試驗(yàn)指標(biāo)，采用多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化方法建立因素與指標(biāo)間數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理優(yōu)化。結(jié)果表明，影響機(jī)具綜合作業(yè)性能的主次因素為機(jī)具前進(jìn)速度、旋耕入土深度、旋耕工作轉(zhuǎn)速；當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速和旋耕入土深度分別為0.3 m/s、470 r/min和200 mm時(shí)，機(jī)具作業(yè)性能較理想，田埂堅(jiān)實(shí)度和作業(yè)功耗分別為1 890.0 kPa和30.07 kW，其功耗較優(yōu)化前降低9.93 kW。經(jīng)土槽臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果基本一致，田埂堅(jiān)實(shí)度和作業(yè)功耗相對(duì)誤差分別為4.26%和5.11%，滿足水田修筑埂農(nóng)藝要求。

水田； 修筑埂機(jī)； 旋耕鎮(zhèn)壓； 數(shù)值分析； 性能優(yōu)化

引言

圖1 懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of hanging unilateral ridger for paddy field1.平行四臂仿形總成 2.主變速箱 3.副變速箱 4.旋耕筑埂深度調(diào)節(jié)裝置 5.鎮(zhèn)壓筑埂圓盤(pán)總成6.擋土罩殼 7.旋耕集土刀輥總成 8.筑埂變速箱 9.旋耕變速箱 10.偏牽引懸掛機(jī)架 I、II、III.切型彎刀、拋土彎刀和取土彎刀3種刀具排列位置

水田機(jī)械筑埂是通過(guò)農(nóng)業(yè)機(jī)具構(gòu)筑出滿足農(nóng)藝生產(chǎn)要求標(biāo)準(zhǔn)田埂的技術(shù)[1-2]，是實(shí)現(xiàn)水田蓄水淹灌和水稻種植生產(chǎn)的重要保證，可有效提高糧食作物產(chǎn)量，達(dá)到保護(hù)環(huán)境和節(jié)本增效的目的，對(duì)實(shí)現(xiàn)水稻全程機(jī)械化生產(chǎn)具有重要意義。從20世紀(jì)60年代，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)機(jī)械筑埂技術(shù)進(jìn)行研究[3-5]，其中日本對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究較成熟，將多種技術(shù)相結(jié)合，研制出適于不同地域環(huán)境的田埂修筑機(jī)具，但價(jià)格昂貴，維修不便，且日本與中國(guó)水田土質(zhì)差異性較大，并不適合于在中國(guó)各地區(qū)大面積推廣使用。王金武等[6]研制的1DSZ-350型懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī)是一種通過(guò)位置仿形調(diào)節(jié)、深度相對(duì)控制、單側(cè)旋耕集土及鎮(zhèn)壓筑埂成型等多環(huán)節(jié)共同作用進(jìn)行田埂修筑的新型機(jī)具，可一次性完成集土、鎮(zhèn)壓和成型等多項(xiàng)作業(yè)，適用于舊埂修補(bǔ)及原地筑埂。但作業(yè)過(guò)程仍存在性能不穩(wěn)定、功率消耗大等問(wèn)題，影響機(jī)具使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

土壤作為農(nóng)業(yè)機(jī)具的主要作用對(duì)象，是一種典型的離散物質(zhì)，其內(nèi)部特殊黏結(jié)、內(nèi)聚、摩擦及破碎特性十分復(fù)雜，無(wú)法完全通過(guò)理論研究分析各因素間作用關(guān)系[7]。近些年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，離散元法(Discrete element method，DEM)及其仿真軟件EDEM在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用研究[8-12]，也為分析機(jī)具與土壤相互作用的微觀及宏觀變化規(guī)律，優(yōu)化相關(guān)部件作業(yè)性能提供了良好平臺(tái)與手段。將試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與離散元數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，對(duì)修筑埂機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)提高作業(yè)質(zhì)量和降低功耗的目的，對(duì)機(jī)具性能改進(jìn)與生產(chǎn)推廣具有重要意義。

本文以課題組所設(shè)計(jì)的懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)東北地區(qū)水田土壤耕作狀態(tài)，依據(jù)離散元法建立機(jī)械部件-土壤間作用模型，運(yùn)用EDEM軟件對(duì)旋耕切削集土和鎮(zhèn)壓筑埂成型階段進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析，研究工況下機(jī)具作業(yè)性能和功耗的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，分析各工作參數(shù)對(duì)筑埂作業(yè)性能影響，得到機(jī)具理想?yún)?shù)組合，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，以期為農(nóng)機(jī)觸土部件與土壤相互作用機(jī)理、機(jī)具性能優(yōu)化提供一種切實(shí)可行的研究方法，同時(shí)對(duì)修筑埂機(jī)選擇節(jié)省功耗的工作參數(shù)組合具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 修筑埂機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由偏牽引懸掛機(jī)架、平行四臂仿形總成、旋耕集土刀輥總成、鎮(zhèn)壓筑埂圓盤(pán)總成、擋土罩殼、旋耕筑埂深度調(diào)節(jié)裝置和多級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)等部件組成。機(jī)具采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各部件以組裝形式連接，可通過(guò)仿形總成和深度調(diào)節(jié)裝置控制部件作業(yè)位置，適應(yīng)不同環(huán)境田埂修筑作業(yè)。其中旋耕切削集土和鎮(zhèn)壓筑埂成型是2個(gè)最重要的作業(yè)環(huán)節(jié)，直接影響機(jī)具作業(yè)質(zhì)量與動(dòng)力消耗。旋耕集土刀輥總成主要通過(guò)3種類型刀具(取土彎刀、拋土彎刀和切型彎刀)綜合設(shè)計(jì)與排列，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)處取土拋土、近處推土切型的集土功用。鎮(zhèn)壓筑埂圓盤(pán)總成是由10片獨(dú)立彈性羽片(有效半徑為360 mm，折彎角度為150，最大回轉(zhuǎn)直徑為800 mm)在圓周上以階梯形式均勻疊加組合焊接而成，通過(guò)自身前進(jìn)旋轉(zhuǎn)，以靜力壓實(shí)和振動(dòng)壓實(shí)相結(jié)合的方式將田埂鎮(zhèn)壓成型，滿足水田田埂形態(tài)及堅(jiān)實(shí)度要求，其具體工作原理見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

2 離散元模型建立與仿真過(guò)程分析

運(yùn)用離散元仿真軟件EDEM建立機(jī)械部件-土壤間作用模型，以田埂堅(jiān)實(shí)度和旋耕鎮(zhèn)壓總功耗為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，在常規(guī)工況下對(duì)修筑埂機(jī)田間作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行模擬，分析影響機(jī)具作業(yè)性能的主要因素，為后續(xù)仿真優(yōu)化及臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

2.1 離散元模型建立

2.1.1 修筑埂機(jī)模型建立

為合理有效地進(jìn)行仿真模擬與計(jì)算，對(duì)整機(jī)模型做簡(jiǎn)化處理，隱藏去除其牽引機(jī)架及各級(jí)傳動(dòng)箱體等部件。應(yīng)用三維制圖軟件Pro/E對(duì)機(jī)具進(jìn)行實(shí)體建模(比例1∶1)，以.igs文件格式導(dǎo)入EDEM軟件中，如圖2所示。根據(jù)物理樣機(jī)試制特點(diǎn)，設(shè)置鎮(zhèn)壓筑埂圓盤(pán)總成、擋土罩殼及旋耕刀輥軸材料屬性為45號(hào)鋼，泊松比為0.31，剪切模量為7.0×1010Pa，密度為7 800 kg/m3；各類型刀具材料屬性為65Mn鋼，泊松比為0.35，剪切模量為7.8×1010Pa，密度為7 850 kg/m3。

圖2 修筑埂機(jī)幾何模型Fig.2 Geometric model of ridger for paddy field1.擋土罩殼 2.鎮(zhèn)壓筑埂圓盤(pán)總成 3.旋耕集土刀輥總成

2.1.2 土壤顆粒模型建立

土壤物理性質(zhì)與機(jī)械筑埂作業(yè)質(zhì)量有密切關(guān)系，其內(nèi)部顆粒間特殊黏結(jié)、破碎屬性及力學(xué)關(guān)系十分復(fù)雜。為真實(shí)還原水田黏性土壤狀態(tài)，保證模擬仿真可靠性，以東北地區(qū)耕作黑壤土(含水率為25%～30%)為研究對(duì)象，對(duì)其物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。由于機(jī)具主要對(duì)耕作層土壤進(jìn)行旋耕鎮(zhèn)壓作業(yè)，因此忽略犁底層及心土層土壤物理狀態(tài)的差異。通過(guò)篩分法試驗(yàn)，測(cè)得85%土壤顆粒尺寸介于0.5～5.0 mm，其余15%小于0.25 mm，因此設(shè)置虛擬顆粒模型粒徑尺寸在0.5～5.0 mm間，且其尺寸大小呈正態(tài)分布。根據(jù)文獻(xiàn)[13]將土壤顆粒簡(jiǎn)化為球狀、桿狀、鱗片狀、圓盤(pán)狀、團(tuán)粒狀、板片狀、棱塊狀、棱錐狀和棱柱狀9種形狀，并運(yùn)用EDEM軟件多球面組合方式進(jìn)行填充，其基本形態(tài)如圖3所示。

圖3 土壤顆粒離散元模型Fig.3 Discrete element simulation models of soil particles

通過(guò)環(huán)刀法試驗(yàn)，測(cè)得土壤顆粒密度為2 400～2 800 kg/m3，平均容重為2 100～2 500 kg/m3。通過(guò)直接剪切試驗(yàn)及虛擬堆積仿真標(biāo)定方法，測(cè)得土壤顆粒內(nèi)摩擦因數(shù)為0.311～0.562，剪切模量為2.1×107～2.7×107Pa。根據(jù)文獻(xiàn)[14]設(shè)置土壤顆粒間內(nèi)聚力為1.25×105～1.85×105Pa，泊松比為0.23～0.44。

2.1.3 其他仿真參數(shù)設(shè)定

(1)

其中

Fcoh,ij=kcoh,ijAcoh,ij

式中Ii——土壤顆粒i轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2ni——土壤顆粒i接觸的顆粒總數(shù)，個(gè)vi——土壤顆粒i移動(dòng)速度，m/sωi——土壤顆粒i轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/sTτ,ij——土壤顆粒i所受切向力矩，N·mTr,ij——土壤顆粒i所受滾動(dòng)力矩，N·mkcoh,ij——土壤顆粒黏附能量密度，N/m2Acoh,ij——土壤顆粒接觸面積，m2

土壤顆粒黏結(jié)力Fcoh,ij主要根據(jù)其內(nèi)部黏聚特性進(jìn)行設(shè)定，將其內(nèi)部黏結(jié)、內(nèi)聚、摩擦及破碎等關(guān)系簡(jiǎn)化為Hertz-Mindlin with bonding接觸模型和JKR接觸模型，以模擬土壤顆粒間、顆粒與邊界間相互作用。通過(guò)傾斜板試驗(yàn)、休止角試驗(yàn)及虛擬仿真標(biāo)定等方法分別對(duì)45號(hào)鋼-土壤顆粒、65Mn鋼-土壤顆粒和土壤顆粒間的動(dòng)摩擦因數(shù)進(jìn)行測(cè)定，并根據(jù)文獻(xiàn)[15]得到45號(hào)鋼-土壤顆粒、65Mn鋼-土壤顆粒和土壤顆粒間的靜摩擦因數(shù)及恢復(fù)因數(shù)，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真材料接觸參數(shù)Tab.1 Material contact parameters of simulation

為模擬實(shí)際田間筑埂作業(yè)狀態(tài)，運(yùn)用EDEM軟件建立虛擬土槽，設(shè)置土槽基本尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為8 000 mm×2 000 mm×800 mm，將其設(shè)定為虛擬顆粒工廠，以10 000個(gè)/s的速率生成初速度為0 m/s的土壤顆粒模型，總量為100 000個(gè)，生成顆粒總時(shí)間為10 s，保證土槽內(nèi)存有充足顆粒進(jìn)行仿真。在生成顆粒過(guò)程中，使其僅在重力作用下自由沉降，且整體生成后在顆粒群上方加載校準(zhǔn)土壤密度所需的垂直載荷，進(jìn)行土壤模型壓實(shí)，使仿真與實(shí)際土壤保持一致。

2.2 虛擬仿真過(guò)程與分析

2.2.1 虛擬筑埂仿真過(guò)程

在虛擬筑埂仿真過(guò)程中，設(shè)置修筑埂機(jī)位于土槽一側(cè)進(jìn)行初始作業(yè)。根據(jù)機(jī)具實(shí)際作業(yè)狀態(tài)及水田修筑埂農(nóng)藝要求，以某一常規(guī)工況為例進(jìn)行仿真，分析其筑埂質(zhì)量與功率消耗情況。設(shè)置機(jī)具前進(jìn)速度為0.3 m/s，旋耕集土刀輥總成采用正轉(zhuǎn)形式進(jìn)行切削土壤，其旋耕工作轉(zhuǎn)速為500 r/min(旋耕轉(zhuǎn)速與鎮(zhèn)壓轉(zhuǎn)速之比為3∶2)，旋耕入土深度為200 mm。

為保證仿真的連續(xù)性，設(shè)置其固定時(shí)間步長(zhǎng)為5.76×10-5s(即Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的10%)，總時(shí)間為25 s，有效作業(yè)時(shí)間為13 s(0～10 s土壤顆粒生成，24～25 s機(jī)具運(yùn)動(dòng)至土槽終點(diǎn))，網(wǎng)格單元尺寸為5 mm，為顆粒平均半徑的2倍，以便對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)處理。

圖4a所示為三維空間XYZ內(nèi)修筑埂機(jī)虛擬仿真作業(yè)狀態(tài)，對(duì)擋土罩殼進(jìn)行虛隱化處理，以便觀察分析土壤被切削、拋擲及鎮(zhèn)壓過(guò)程狀態(tài)變化。圖4b為XOZ平面內(nèi)旋耕切削集土作業(yè)狀態(tài)，當(dāng)機(jī)具沿X軸正方向前進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，旋耕刀輥集土總成順時(shí)針正轉(zhuǎn)切削土壤，取土彎刀先與土壤顆粒發(fā)生接觸，以距刀軸中心先近后遠(yuǎn)的順序依次入土完成取土作業(yè)。拋土彎刀對(duì)土垡進(jìn)行二次旋切粉碎，同時(shí)切型彎刀將土壤顆粒旋切為階梯土層，土壤顆粒在兩種刀具的共同作用下被定向拋擲堆聚于后方及側(cè)后方，通過(guò)擋土罩殼撞擊及導(dǎo)向作用，將土壤顆粒聚攏至鎮(zhèn)壓區(qū)域，以便后續(xù)對(duì)田埂鎮(zhèn)壓修筑。圖4c為YOZ平面內(nèi)鎮(zhèn)壓筑埂成型作業(yè)狀態(tài)，鎮(zhèn)壓筑埂圓盤(pán)總成以較慢轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)鎮(zhèn)壓圓盤(pán)自身重力及旋轉(zhuǎn)動(dòng)力反復(fù)碾壓，對(duì)所聚攏土壤顆粒壓實(shí)成型，完成田埂修筑作業(yè)。上述兩階段虛擬仿真作業(yè)與實(shí)際機(jī)具工作狀態(tài)基本一致。

圖4 EDEM旋耕鎮(zhèn)壓仿真作業(yè)Fig.4 EDEM simulation processes of rotary tillage and compacting

2.2.2 虛擬仿真結(jié)果與分析

由于目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)評(píng)價(jià)機(jī)械田埂修筑作業(yè)質(zhì)量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)EDEM軟件模擬機(jī)具與土壤顆粒間作用特點(diǎn)，同時(shí)檢測(cè)機(jī)具作業(yè)功耗情況，查閱相關(guān)資料并結(jié)合實(shí)際水田修筑埂農(nóng)藝要求，選取田埂堅(jiān)實(shí)度及旋耕鎮(zhèn)壓總功耗為虛擬仿真分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2.2.1 田埂堅(jiān)實(shí)度

田埂堅(jiān)實(shí)度是評(píng)價(jià)田埂修筑作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)，可直接反映出機(jī)具旋耕切削土壤并克服土壤顆粒內(nèi)部黏結(jié)與內(nèi)聚進(jìn)行壓實(shí)的作業(yè)狀態(tài)。本研究主要運(yùn)用EDEM軟件數(shù)據(jù)處理模塊(Analyst)，對(duì)虛擬作業(yè)所筑的土壤田埂進(jìn)行力學(xué)分析，處理計(jì)算顆粒間接觸黏結(jié)等綜合作用。

由于EDEM軟件僅可對(duì)田埂整體鎮(zhèn)壓力(即顆粒內(nèi)部微觀接觸、黏結(jié)、內(nèi)聚及摩擦等作用沿田埂頂面法線方向的合力)進(jìn)行測(cè)定研究，為直觀評(píng)價(jià)機(jī)具修筑田埂質(zhì)量，需將其轉(zhuǎn)化為土壤堅(jiān)實(shí)度指標(biāo)，因此本研究在仿真試驗(yàn)前進(jìn)行臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)，建立人工測(cè)量堅(jiān)實(shí)度與鎮(zhèn)壓力間模型[16]。以東北地區(qū)耕作黑壤土為標(biāo)定供試土壤(含水率為(27.1±0.5)%，密度為2 530 kg/m3)，保證其與所建土壤顆粒模型物理性質(zhì)基本一致。如圖5a所示，采用WDW-5型微機(jī)電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南試金集團(tuán))進(jìn)行測(cè)試，其頂端配置拉壓傳感器(量程為0～200 N、測(cè)量精度為0.02 N)，以0.3 m/s速度均勻緩慢壓實(shí)土壤，分別控制其下降壓縮土壤位移為100、160、220、280、340 mm。利用配套計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)所對(duì)應(yīng)的鎮(zhèn)壓力數(shù)值，通過(guò)SL-TYA型土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)試儀(杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司)測(cè)定各狀態(tài)下的土壤堅(jiān)實(shí)度。所得人工測(cè)量土壤堅(jiān)實(shí)度S與均勻鎮(zhèn)壓力a間的數(shù)據(jù)擬合曲線如圖5b所示，具體標(biāo)定關(guān)系為

S=1.197 3a-37.678

(2)

圖5 土壤堅(jiān)實(shí)度標(biāo)定試驗(yàn)與擬合關(guān)系曲線Fig.5 Calibration experiment and fitting curve of soil firmness1.萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 2.微型土槽 3.鎮(zhèn)壓裝置 4.拉壓傳感器 5.計(jì)算機(jī)

在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用C語(yǔ)言對(duì)力學(xué)函數(shù)進(jìn)行編輯[17]，通過(guò)EDEM軟件后處理的應(yīng)用編程接口(Application programming interface，API)完成虛擬田埂整體鎮(zhèn)壓力的測(cè)量。如圖6所示，測(cè)定田埂鎮(zhèn)壓合力為1 237.3 N，代入標(biāo)定模型關(guān)系式(2)中可得，此工況下所筑虛擬田埂堅(jiān)實(shí)度為1 443.7 kPa，可滿足田埂修筑農(nóng)藝要求。

圖6 虛擬田埂鎮(zhèn)壓力測(cè)定Fig.6 Pressure measurement of virtual ridge

2.2.2.2 功率消耗

功率消耗(簡(jiǎn)稱功耗)是衡量機(jī)具綜合性能的主要技術(shù)參數(shù)，直接體現(xiàn)整機(jī)作業(yè)性能。修筑埂機(jī)作業(yè)功耗主要來(lái)源于旋耕切削集土、鎮(zhèn)壓筑埂成型和中間各級(jí)傳動(dòng)3個(gè)過(guò)程，本研究主要對(duì)虛擬仿真狀態(tài)下旋耕集土刀輥及鎮(zhèn)壓筑埂圓盤(pán)2個(gè)關(guān)鍵部件的作業(yè)功耗進(jìn)行測(cè)定分析，將機(jī)具總功耗簡(jiǎn)化為

∑P=Px+Pz+Pt

(3)

式中 Px——旋耕集土階段功耗，kWPz——鎮(zhèn)壓筑埂階段功耗，kWPt——各級(jí)傳動(dòng)功耗，kW

在仿真過(guò)程中，Pt值較小可忽略不計(jì)。作業(yè)時(shí)旋耕集土刀輥及鎮(zhèn)壓筑埂圓盤(pán)皆隨機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行自身旋轉(zhuǎn)切削及鎮(zhèn)壓作業(yè)，其自身扭矩的變化可反映作業(yè)功耗的差異，因此將其轉(zhuǎn)化為對(duì)關(guān)鍵部件扭矩的測(cè)定，即

(4)

其中

n1∶n2=3∶2

將式(4)代入式(3)中，簡(jiǎn)化整理可得

(5)

式中Tx——旋耕集土刀輥扭矩，N·mTz——鎮(zhèn)壓筑埂圓盤(pán)扭矩，N·mn1——旋耕集土刀輥工作轉(zhuǎn)速，設(shè)為500 r/min

n2——鎮(zhèn)壓筑埂圓盤(pán)工作轉(zhuǎn)速，r/min

通過(guò)EDEM軟件對(duì)2個(gè)關(guān)鍵部件作業(yè)扭矩進(jìn)行測(cè)定，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件中進(jìn)行整理，計(jì)算各時(shí)刻機(jī)具各階段功耗變化趨勢(shì)，如圖7所示。

圖7 各階段虛擬作業(yè)功耗變化曲線Fig.7 Variation curves of power consumption in simulation processes

由圖7可知，旋耕集土刀輥與土壤顆粒相互作用初期，其作業(yè)功耗隨時(shí)間增加而迅速增大。仿真作業(yè)10.0～13.2 s時(shí)，刀輥旋耕作業(yè)功耗迅速上升至12.15 kW，主要由于土壤整體受到擠壓變形至破碎需要消耗較大能量，刀具進(jìn)行切削集土作業(yè)使土壤變形，因克服內(nèi)部黏結(jié)與內(nèi)聚作用，其變化速率較快。隨刀輥后續(xù)切削集土，其作業(yè)功耗變化趨于穩(wěn)定，當(dāng)仿真運(yùn)行至15.1 s時(shí)，作業(yè)功耗達(dá)到最大值13.21 kW，主要由于土壤顆粒在被破壞后相互間黏結(jié)作用減小，刀具切削力保持穩(wěn)定狀態(tài)，其作業(yè)功耗保持在12.64 kW左右。鎮(zhèn)壓筑埂圓盤(pán)作業(yè)功耗與刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗變化趨勢(shì)基本相同，但整體功耗略高于旋耕切削集土作業(yè)。仿真作業(yè)10.0～13.2 s時(shí)，其作業(yè)功耗隨時(shí)間增加而迅速增大至15.11 kW，隨圓盤(pán)后續(xù)壓實(shí)作業(yè)，其作業(yè)功耗變化也趨于穩(wěn)定，保持在16.29 kW左右，主要由于前期旋耕集土量不斷增加，依靠其自身旋轉(zhuǎn)碾壓作用克服土壤顆粒間內(nèi)聚力及摩擦力，使土壤顆粒重新緊密排列。當(dāng)機(jī)具平穩(wěn)作業(yè)時(shí)，兩階段功耗之和穩(wěn)定在28.93 kW左右。

為檢驗(yàn)采用離散元數(shù)值仿真進(jìn)行機(jī)具功耗性能測(cè)定方法的準(zhǔn)確性，參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[18]經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)旋耕切削集土過(guò)程進(jìn)行分析，即

Px=1×10-5KλhvB

(6)

其中

Kλ=KgKsKhKcKf

式中h——旋耕入土深度，mmv——機(jī)具前進(jìn)速度，m/sB——旋耕作業(yè)幅寬，mmKλ——旋耕比阻，N/cm2Kg——土壤堅(jiān)實(shí)度系數(shù)Ks——耕深修正系數(shù)Kh——土壤含水率系數(shù)Kc——?dú)埐缰脖恍拚禂?shù)Kf——作業(yè)方式修正系數(shù)

將仿真邊界條件及相關(guān)修正系數(shù)代入式(6)中，可得旋耕切削集土作業(yè)功耗Px=13.80 kW，與仿真結(jié)果基本一致，證明運(yùn)用數(shù)值模擬測(cè)定機(jī)具作業(yè)功耗的合理性與可行性。

3 EDEM虛擬仿真試驗(yàn)與分析

3.1 虛擬仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究各工況下修筑埂機(jī)作業(yè)質(zhì)量與功耗變化規(guī)律，分析影響筑埂作業(yè)性能的主要因素，得到理想作業(yè)參數(shù)組合，在前期虛擬模型建立及數(shù)值模擬分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行EDEM虛擬仿真正交試驗(yàn)研究。

由實(shí)際機(jī)具筑埂作業(yè)狀態(tài)可知，田埂修筑作業(yè)質(zhì)量與機(jī)具前進(jìn)速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速、旋耕入土深度及外界土壤狀態(tài)等因素有關(guān)。為提高虛擬試驗(yàn)可控性及準(zhǔn)確性，選取機(jī)具前進(jìn)速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速及旋耕入土深度為試驗(yàn)因素，以作業(yè)后所筑田埂堅(jiān)實(shí)度和旋耕鎮(zhèn)壓總功耗為試驗(yàn)指標(biāo)。根據(jù)前期模擬分析、單因素預(yù)試驗(yàn)及田間筑埂作業(yè)要求，配合各因素可控工況范圍，設(shè)定試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Levels of experimental factors

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與優(yōu)化

在此基礎(chǔ)上，采用三因素四水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)虛擬試驗(yàn)方案，選取L16(45)正交表安排試驗(yàn)[19-20]。虛擬試驗(yàn)操作值與參數(shù)設(shè)計(jì)值無(wú)誤差，可根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析，并對(duì)影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素進(jìn)行顯著性分析，尋求機(jī)具理想工作參數(shù)組合，具體試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。A、B、C為因素水平值。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Schemes and results of tests

在滿足實(shí)際田埂農(nóng)藝要求范圍內(nèi)，其修筑田埂堅(jiān)實(shí)度越高，作業(yè)功耗越小，表明機(jī)具綜合作業(yè)性能越好。由表3極差分析可知，影響田埂堅(jiān)實(shí)度指標(biāo)的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋盒胪辽疃菴、機(jī)具前進(jìn)速度A、旋耕工作轉(zhuǎn)速B，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為A2B4C3；影響機(jī)具作業(yè)功耗的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋簷C(jī)具前進(jìn)速度A、旋耕入土深度C、旋耕工作轉(zhuǎn)速B，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為A1B1C3。根據(jù)實(shí)際田間生產(chǎn)作業(yè)要求及機(jī)具自身特點(diǎn)，確定影響機(jī)具綜合作業(yè)性能的主次順序因素為：機(jī)具前進(jìn)速度、旋耕入土深度、旋耕工作轉(zhuǎn)速。

為準(zhǔn)確判斷各因素水平對(duì)作業(yè)質(zhì)量及功耗影響的顯著性，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和P檢驗(yàn)顯著性判斷，其顯著水平設(shè)定為0.01，方差分析計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知，方差分析結(jié)果與上述極差分析相符合，即旋耕入土深度對(duì)田埂堅(jiān)實(shí)度影響極顯著(P<0.01)，機(jī)具前進(jìn)速度和旋耕工作轉(zhuǎn)速對(duì)田埂堅(jiān)實(shí)度影響較顯著(P<0.10)；機(jī)具前進(jìn)速度和旋耕入土深度對(duì)作業(yè)功耗影響極顯著(P<0.01)，旋耕工作轉(zhuǎn)速對(duì)作業(yè)功耗影響顯著(P<0.05)。

表4 試驗(yàn)方差分析Tab.4 Variance analysis of test results

注：*表示較顯著(P<0.10)；** 表示顯著(P<0.05)；*** 表示極顯著(P<0.01)。

為得到機(jī)具理想工作參數(shù)組合，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，遵循提高田埂堅(jiān)實(shí)度、降低作業(yè)功耗的原則，采用多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化方法[21]，結(jié)合試驗(yàn)因素邊界條件，建立非線性規(guī)劃參數(shù)模型為

(7)

基于Design-Expert 6.0.10軟件中的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化(Optimization)模塊對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析求解，可得多組優(yōu)化參數(shù)組合。根據(jù)修筑埂機(jī)實(shí)際作業(yè)狀態(tài)可知，其機(jī)具前進(jìn)速度直接影響筑埂作業(yè)效率，旋耕工作轉(zhuǎn)速影響切削碎土效果，旋耕入土深度影響筑埂集土量，多個(gè)因素共同影響機(jī)具整體作業(yè)質(zhì)量及穩(wěn)定性。綜合分析從優(yōu)化結(jié)果中選取一組合理參數(shù)組合A2B1C3，即當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為0.3 m/s，旋耕工作轉(zhuǎn)速為470 r/min，旋耕入土深度為200 mm時(shí)，機(jī)具綜合作業(yè)性能較理想，其田埂堅(jiān)實(shí)度為1 908.6 kPa，作業(yè)功耗為31.93 kW。根據(jù)所優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證，其所筑田埂堅(jiān)實(shí)度為1 890.0 kPa，作業(yè)功耗為30.07 kW，與優(yōu)化結(jié)果基本一致，旋耕鎮(zhèn)壓環(huán)節(jié)功耗較優(yōu)化前降低9.93 kW。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

為驗(yàn)證基于EDEM軟件懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī)數(shù)值模擬仿真優(yōu)化的準(zhǔn)確性，在工況下進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院土槽實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)設(shè)備包括懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī)、TCC-III型計(jì)算機(jī)監(jiān)控輔助測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)車(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院)、INV1861A型便攜式應(yīng)變調(diào)理儀(東方振動(dòng)噪聲研究所)、INVEST3018-24型信號(hào)采集儀及配套DASP-10信號(hào)處理軟件(東方振動(dòng)噪聲研究所)、JN338型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x及配套扭矩傳感器(長(zhǎng)沙湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司)、過(guò)孔集流環(huán)(深圳市森瑞普電子有限公司)、SL-TYA型土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)試儀(杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、鐵鍬和鋼板尺等，如圖8a所示。土槽臺(tái)架內(nèi)供試土壤為東北地區(qū)耕作黑壤土，對(duì)土壤進(jìn)行耕整處理，檢測(cè)土壤絕對(duì)含水率為(28.2±0.5)%，土壤密度為2 610 kg/m3，土壤堅(jiān)實(shí)度為130～200 kPa，符合田埂修筑作業(yè)實(shí)際狀態(tài)。

圖8 臺(tái)架試驗(yàn)Fig.8 Bench test for ridging performance1.控制臺(tái)車面板 2.計(jì)算機(jī)監(jiān)控輔助測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)車 3.懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī) 4.土槽臺(tái)架 5.數(shù)據(jù)處理終端 6.應(yīng)變調(diào)理儀 7.采集儀連接線 8.過(guò)孔集流環(huán)

通過(guò)土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)試儀對(duì)所筑田埂堅(jiān)實(shí)度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)土槽試驗(yàn)臺(tái)車動(dòng)力輸出軸軸端的傳感系統(tǒng)對(duì)整機(jī)功耗進(jìn)行測(cè)定。結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別對(duì)旋耕切削集土和鎮(zhèn)壓筑埂成型階段功耗進(jìn)行測(cè)量，采用應(yīng)力檢測(cè)的扭矩測(cè)量技術(shù)[22]，試制旋耕刀輥彈性敏感軸和鎮(zhèn)壓圓盤(pán)彈性敏感軸，通過(guò)法蘭盤(pán)將其與作業(yè)部件旋轉(zhuǎn)軸連接，在軸體上搭建全橋式應(yīng)變傳感器(由4組BX120-0.5AA型應(yīng)變片組成，電阻(120.0±0.1)Ω，靈敏系數(shù)(2.08±0.1)%)，同時(shí)外接集流環(huán)與信號(hào)采集儀及應(yīng)變調(diào)理儀連接，進(jìn)行除噪、應(yīng)變信號(hào)放大，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)壓/頻轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為與扭矩應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩?cái)?shù)據(jù)的輸出與處理，如圖8b、8c所示。試驗(yàn)前需對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下貼有應(yīng)變片的刀輥及圓盤(pán)進(jìn)行標(biāo)定，以減小試驗(yàn)測(cè)定過(guò)程中的系統(tǒng)誤差。

在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，將作業(yè)區(qū)域劃分為啟動(dòng)調(diào)整區(qū)、有效試驗(yàn)區(qū)及停止緩沖區(qū)，測(cè)試總距離為70 m，前后啟動(dòng)調(diào)整區(qū)和停止區(qū)分別為5 m。在機(jī)具前進(jìn)速度為0.3 m/s、旋耕工作轉(zhuǎn)速為470 r/min和旋耕入土深度為200 mm工況下進(jìn)行田埂修筑作業(yè)。對(duì)田埂堅(jiān)實(shí)度、各作業(yè)階段功耗及總功耗進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)5次試驗(yàn)取平均值，相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。

由表5可知，在相同工況下實(shí)際田埂修筑作業(yè)質(zhì)量略低于仿真試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，所筑田埂質(zhì)量良好，堅(jiān)實(shí)光滑，外形平整一致，其田埂堅(jiān)實(shí)度相對(duì)誤差為4.26%，作業(yè)功耗相對(duì)誤差為5.11%。產(chǎn)生誤差的原因可能是由于土壤外界條件狀態(tài)變化造成機(jī)具非規(guī)則振動(dòng)，導(dǎo)致切削鎮(zhèn)壓作業(yè)產(chǎn)生額外摩擦、碰撞及磨損功耗，影響機(jī)具作業(yè)穩(wěn)定性，但誤差在可接受范圍內(nèi)。在所優(yōu)化工作參數(shù)下進(jìn)行穩(wěn)定作業(yè)，較優(yōu)化前功耗平均降低18.36%(原常規(guī)田間作業(yè)所需配套動(dòng)力45 kW)，滿足水田修筑埂農(nóng)藝要求。

表5 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Bench test results

5 結(jié)論

(1)以懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī)為研究對(duì)象，依據(jù)離散元法建立了機(jī)械部件-土壤間作用模型，運(yùn)用EDEM軟件對(duì)旋耕切削集土和鎮(zhèn)壓筑埂成型階段進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真分析，研究了機(jī)具作業(yè)質(zhì)量和功耗的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

(2)以機(jī)具前進(jìn)速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速和旋耕入土深度為試驗(yàn)因素，田埂堅(jiān)實(shí)度和作業(yè)功耗為試驗(yàn)指標(biāo)，采用虛擬正交試驗(yàn)方法建立了因素與指標(biāo)間數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。由極差分析和方差分析可得，影響機(jī)具綜合作業(yè)性能的主次因素順序?yàn)椋簷C(jī)具前進(jìn)速度、旋耕入土深度、旋耕工作轉(zhuǎn)速。采用多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化方法建立了優(yōu)化模型，結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速和旋耕入土深度分別為0.3 m/s、470 r/min和200 mm時(shí)，機(jī)具作業(yè)性能較理想，田埂堅(jiān)實(shí)度和作業(yè)功耗分別為1 890.0 kPa和30.07 kW，其功耗較優(yōu)化前降低9.93 kW。

(3)土槽臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果基本一致，田埂堅(jiān)實(shí)度和作業(yè)功耗的相對(duì)誤差分別為4.26%和5.11%，可滿足水田修筑埂農(nóng)藝要求。

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Numerical Analysis and Performance Optimization Experiment on Hanging Unilateral Ridger for Paddy Field

WANG Jinwu1TANG Han1WANG Jinfeng1HUANG Huinan1LIN Nannan1ZHAO Yi1,2

(1.CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China2.HarbinPowerTechnologyTradeIncorporation,Harbin150030,China)

Paddy field mechanization ridging is constructed by agricultural machinery to meet the production requirements of rice irrigation and ridge technology. It can improve the yield of grain crops and reduce the waste of water resources, which is conducive to the construction of standardized farmland in China. In order to improve the quality of paddy field mechanization ridging and investigate the working parameters of performance of hanging unilateral ridger, the interaction model of machinery and soil was established by using distinct element method. The EDEM software was employed to simulate the processes of rotary tillage collecting soil and compacting ridging. And then the dynamic behaviors of performance and power consumption of ridger were researched under the working conditions. The principal factors which affected the quality of machine operation were analyzed. Orthogonal simulation experiment was carried out with forward speed, rotational speed, tillage depth as experimental factors and ridge density and power consumption as assessment consumption. Based on experimental data, a mathematical model was built by using the Design-Expert 6.0.10 software, and the experimental factors were optimized, the best combination was achieved. By using range analysis method and variance analysis method to determine the importance index, the primary and secondary indexes were as follows: forward speed, tillage depth and rotational speed. And the experiment results showed that forward speed was 0.3 m/s, rotational speed was 470 r/min, tillage depth was 200 mm, and the maximum ridge density was 1 890.0 kPa, the minimum power consumption was 30.07 kW, and the improved power consumption exceeded the original one by 9.93 kW. Finally, the bench test was conducted to verify the accuracy of simulation results and optional parameters, which showed that the relative error of ridge density was 4.26% and the relative error of power consumption was 5.11%, indicating that the simulated values were basically coincided with testing values, which proved that the modeling and simulating methods adopted met the content requirement.

paddy field； ridger； rotary tillage compacting； numerical analysis； performance optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.007

2016-12-16

2017-01-10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0701105、2017YFD0300909-04)

王金武(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事田間機(jī)械及機(jī)械可靠性研究，E-mail： jinwuw@163.com

王金峰(1981—)，男，副教授，博士，主要從事田間作業(yè)機(jī)械研究，E-mail： jinfeng_w@126.com

S225+3

A

1000-1298(2017)08-0072-09