基于流體力學與離散元法的深松鏟氣動分析

屈 通，李 霞，王維新，湯明軍，張思遠

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

耕地長期采用翻耕或旋耕方式整地，導致耕層變薄、土壤板結，形成一層又厚又硬的犁底層[1]。犁底層的存在降低了耕層容量，導致土壤結構變差，貯水能力減弱，農田肥力日趨衰竭；降低了土壤孔隙度，限制植株根系生長發育，作物抗逆性下降，影響作物產量[2-3]。深松技術改良土壤是一項長期而有效的方法。深松可以打破堅硬的犁底層，形成上虛下實、虛實相間的土壤結構，加深耕層，改善土壤結構，增強土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力；在疏松土壤的同時提高了土壤通透性，改善了作物根系生長環境，增強了作物抗倒伏能力[4～6]。

深松技術在國內外已開始廣泛應用，并且已在農業耕作領域發揮了巨大的作用。然而，深松過程中，阻力大、耗能多等問題極大地阻礙了深松技術的推廣。在保證土壤良好耕作效果的前提下，如何減阻降耗成為深松機具發展亟待解決的關鍵問題[7]。傳統的深松機按工作方式可以分為機械式和振動式深松機兩大類，但普遍存在深松范圍小、程度不均勻以及能耗大等問題[8-9]。

本文基于氣壓劈裂原理與技術提出一種深松方式—氣動深松。所謂氣動深松，是指通過對土壤深層注入高壓空氣打破犁底層，不翻動土壤，對不同深度、不同硬度的犁底層實施氣動深松作業。氣動深松減阻中高壓氣體可在深松鏟表面形成一層空氣膜，減少土壤作用在鏟刀上的正壓力，起到節能降耗的作用；同時高壓空氣注入處土壤與鄰近土層之間存在壓強差，造成鄰近土壤坍塌和二次破碎；高壓氣體的注入也能提高土壤中空氣的比例，增大土壤孔隙度，有利于作物生長，增加糧食產量。氣壓劈裂技術是采用高壓氣體使得巖土產生裂隙并擴展的一種技術，主要用于巖體爆破領域及增加土體滲透性方面。夏紅兵等[10]利用氣壓劈裂技術對煤巖進行爆破。韓文君等[11]利用氣壓劈裂技術加固軟土地基。左勝甲等[12]利用氣壓劈裂原理進行了氣壓深松土槽試驗，驗證了氣壓劈裂原理與技術可以用于深松，且深松效果較為顯著，為后續氣動深松的研究指明了新方向。因此，本文結合課題組的研究方向，主要研究了氣動深松鏟幾個重要參數之間的相互關系，為以后氣動深松的研究提供一定的依據。

1 氣動深松鏟的結構組成及工作原理

氣動深松鏟主要由鏟柄、曲形鋼管及鏟尖等組成，如圖1所示。鏟尖通過沉頭螺栓固定在鏟柄底部，鏟柄通過螺栓與機架固定。鏟柄左側焊接曲形鋼管，并且在曲形鋼管底部開有等間距的圓形小孔。

工作時，由拖拉機牽引整個深松機運動，使機架帶動氣動深松鏟向前運動；同時，由拖拉機后輸出軸帶動氣泵工作產生的高壓氣體通入到深松鏟柄的曲形鋼管中，在曲形鋼管的底部圓孔開口處產生高壓氣體，利用高壓氣體的瞬間爆破力打破堅硬的犁底層，從而完成深松作業[13]。深松鏟鏟柄、鏟尖和曲形鋼管都是整個深松機在運動過程中的主要受力結構，因此選用65Mn鋼，材料參數如表1所示。

1.鏟柄 2.曲形鋼管 3.鏟尖圖1 氣動深松鏟示意圖Fig.1 The schematic diagram of pneumatic subsoiler表1 65Mn剛的主要材料參數Table 1 The main material parameters of 65 Mn steel

材料參數單位參數彈性模量N/m22.1×1011抗剪模量N/m27.9×1010泊松比0.3密度kg/m37850屈服強度MPa600

2 深松鏟氣動理論分析

2.1 深松鏟曲形鋼管氣動計算

曲形鋼管輸送氣體，氣泵打出的壓縮氣體由曲形鋼管前端至曲形鋼管末端排出。設氣泵在時間t內排出空氣體積V，如圖2所示。

圖2 曲形鋼管氣動示意圖Fig.2 The pneumatic schematic diagram of curved steel pipe

曲形鋼管內的氣體流速為

ν=V/(t×S)=V/(t×πR2)

式中S—曲形鋼管內孔橫截面積(m2)；

R—曲形鋼管內孔直徑(m)。

曲形鋼管中管道流量Q=νt。

氣體運輸中會造成壓力損失，壓力損失分為兩部分：沿程壓力損失和局部壓力損失。

從氣泵出氣口至曲形鋼管底部出氣孔，管道中總壓力損失的公式為

Pw=ρgsLQ

式中ρ—氣體密度(kg/m3)；

g—重力加速度(m/s2)；

s—管道比阻(s/m3)；

L—管道長度(m)；

Q—管道流量(m3/s)。

2.2 深松鏟鏟尖受力計算

鏟尖在深松運動中類似一個楔角為α的正面楔子在牽引力的作用下切入到土壤中[14]。為減小鏟尖的入土阻力以及起到良好的深松效果，對鏟尖形狀做適當簡化。以鏟尖為研究對象進行受力分析[15-16]，建立平面直角坐標系，如圖3所示。不考慮鏟尖的加速度，由水平方向受力平衡得

F=Nsinα+μNcosα+kb

式中F—鏟尖所受的水平牽引力(N )；

N—鏟尖斜面受到的法向載荷(N)；

μ—金屬與土壤的摩擦因數；

α—深松鏟入土角(°)；

k—單位幅寬土壤的純切削阻力(N/m)；

b—鏟尖面寬度(m)。

圖3 鏟尖受力示意圖Fig.3 The schematic diagram of force applied on the point

由相關文獻[17]可知：土壤的相對純切削阻力很小，可忽略不計。根據牛頓第三定律可知，鏟尖受到的水平深松阻力F1鏟尖受到的水平牽引力F等大反向，故有

F1=Nsinα+μNcosα

依據文獻[18]可進一步求得F1為

3 氣動深松鏟的氣動力學仿真試驗

3.1 試驗材料

使用SolidWorks2016繪制氣動深松鏟三維結構模型，并保存成.x_t格式文件，再導入至Ansys17.0 Workbench中。在進行氣動仿真時，單獨導出曲形鋼管模型，對曲形鋼管進氣口端壓強與出氣口數量及出氣口端壓強之間的關系進行深入分析。曲形鋼管三維模型尺寸：曲形鋼管內孔直徑20mm，直段部分長500mm，折彎部分半徑350mm，圓弧角54°，曲形鋼管底部、上半圓周向上均布開直徑4mm通孔。

3.2 試驗方案與結果分析

選定曲形鋼管進氣口壓強與開孔數作為試驗因素，以單個出氣口壓強和單個出氣口氣體流速作為試驗指標，進行試驗分析。試驗因素及水平如表2所示。

表2 因素水平表Table 2 Experimental factors and levels

試驗方案與結果如表3所示。

在Minitab 16中，對表3結果進行回歸分析可得單個出氣口壓強(P1)、單個出氣口氣體流速(ν)與進氣口壓強(P0)、開孔數(n)的一般線性回歸模型為

P1=-0.696+0.222P0+0.128n

ν=1.89+0.169P0+0.143n

其殘差圖如圖4、圖5所示。觀察殘差圖可知：單個出氣口壓強與進氣口壓強、開孔數之間的擬合模型精度低于單個出氣口氣體流速與進氣口壓強、開孔數的擬合模型精度，從側面反映出壓力在曲形剛管底部開口處的非線性變化較大，即壓力在出口處的不穩定性較高。當進口壓強為8MPa時，各個出氣口數量的壓力云圖與氣體流速圖如圖6所示。為便于處理，對出口處三維建模時，作伸長5mm。從圖6中可以看出沿出口邊緣至外側，壓力不斷遞減，而氣體流速不斷變大。對于破碎深土層的土壤，氣體流速和壓強越大越好，有利于破碎與之接觸的土壤。在進氣口壓強恒定時，開口數量對單個出氣口壓強和氣體流速影響并不是十分顯著，而開孔位置對單個出氣孔壓強有些微影響。單個出氣口壓強和氣體流速，總體與進氣口壓強呈正比關系。

表3 試驗方案與試驗結果Table 3 Design scheme and test results

(a) 正態概率圖 (b) 與擬合值

(c) 直方圖 (d) 與順序圖4 單個出氣口壓強殘差圖Fig.4 Pressure residualFigure of single outlet

(a) 正態概率圖 (b)與擬合值

(c) 直方圖 (d) 與順序圖5 單個出氣口氣體流速殘差圖Fig.5 Gas flow rate residualFigure of single outlet

圖6 壓力云圖與氣體流速圖Fig.6 Pressure cloud and gas flow chart

4 氣動深松鏟耕作試驗

將氣動深松鏟三維結構模型保存成.x_t格式，導入至EDEM2017中，進行深松鏟與土壤顆粒作用的仿真。離散元法仿真結果與實際結果接近的關鍵取決于離散元模型的建立與仿真參數的選取。本文采用建立的邊界模型與土壤模型，對顆粒工廠進行設置。仿真參數如表4所示。

表4 離散元仿真參數Table 4 Simulation parameters of discrete element

所用土壤顆粒模型有3種，分別為直徑4、8、10mm顆粒，以生成不同的土壤層；土方長×寬×高=1 000mm×200mm×500mm。現以深耕為500mm為例，對該氣動深松鏟進行仿真試驗，觀察深松鏟的受力部位及受力變化。

氣動深松鏟受力部位如圖7所示。通過氣動深松鏟受力圖可知：在鏟尖兩側邊及前部為受力主要區域，鏟柄內側為受力區域，因此在與土壤的交互過程中，對于受力較大部位的部件應進行重點設計并進行優化。仿真結果表明：鏟尖無明顯變形，能承受較大作用力，該部件設計方案可行。

圖7 氣動深松鏟受力圖Fig.7 The schematic diagram of force applied on the pneumatic subsoiler

5 結論

1) 氣動深松鏟的進氣口壓強與出氣口數量呈近似線性正相關關系；若進氣口壓強恒定，則出氣口壓強大小與開孔數量無明顯線性關系；單個出氣口壓強和氣體流速，總體與進氣口壓強呈正比關系。

2)用離散元法可以很好地對氣動深松鏟工作過程進行仿真，在鏟尖兩側邊及前部，為受力主要區域，鏟柄內側為受力區域。結果表明：鏟尖部件設計方案可行。