分層深松鏟前后鏟距對土壤擾動行為影響的仿真與試驗

岳 斌,王學振,白 璐,朱瑞祥,黃玉祥

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院,陜西 楊凌 712100)

0 引言

作為蓄納降雨、打破犁底層等所采取的疏松土壤的一種措施,深松作業是保護性耕作的重要環節[1]。分層深松可以在增大土壤臨界深度的同時對深層土壤的側向運動產生較小的影響[2]。分層深松鏟的前后鏟距對深松鏟的耕作阻力和土壤擾動行為產生重要影響。

國內外學者圍繞分層深松鏟的前后鏟距對深松機的功耗和耕作阻力的影響開展了大量研究。Kasisira等通過研究前后鏟間距對分層深松機功耗的影響,對前后鏟距進行了優化[2]。王微采用正交試驗方法分析前后鏟距等對分層深松鏟的耕作阻力的影響[3]。趙艷忠等研究分層高度差和前后鏟距等對分層深松鏟牽引阻力的影響[4]。田艷博等設計的一種新型分層深松整地機,緩解了深松鏟的堵塞現象,提高了深松鏟的碎土效果[5]。現有研究側重分析分層深松鏟的前后鏟距對耕作阻力及功耗的影響,缺乏分層深松鏟的前后鏟距對土壤宏觀和微觀運動的影響的研究。

因此,本研究以分層深松鏟為對象,綜合利用離散元法和數字化土槽試驗,重點探究了不同前后鏟距下土壤擾動行為和耕作阻力的影響,以期為分層深松鏟的設計和優化提供一定依據。

1 室內土槽試驗

1.1 試驗材料

試驗在西北農林科技大學機械與電子工程學院室內數字化土槽中開展。試驗中所用土壤的土質為塿土[7]。試驗用到的深松鏟柄為圓弧形鏟柄,前鏟鏟尖采用箭型鏟尖,后鏟鏟尖采用鑿型鏟尖,如圖1所示。耕作層和犁底層的厚度分別約為170mm和130mm,為打破犁底層,分層深松鏟后鏟入土深度設置為300mm[6]。根據相關研究,設定分層高度為115mm,分層深層鏟的前后鏟距設置為250、300、350、400、450mm,共5個水平[9-10]。

圖1 分層深松鏟的結構圖Fig.1 Structure diagram of layered deep loose shovel

1.2 試驗過程

試驗前對選用的大田土壤參數進行了測定。耕作層和犁底層中土壤的含水率、緊實度和平均密度如表1所示。

表1 土壤物理參數的測定Table1 Determination of soil physical parameters

為保證土槽試驗的土壤條件接近大田土壤環境,在土槽試驗前對大田土壤參數進行測定,并根據表1數據將土槽土壤分層制備[11]。測定制備后土壤耕作層和犁底層的土壤平均密度、含水率和緊實度如表1所示。

土壤制備完成后分別對5個前后鏟距下的分層深松鏟進行土槽試驗。在實際作業過程中,深松設備的前進速度一般不會小于5km/h,因此設置土槽試驗中動力牽引設備的速度為3km/h[12]。考慮到土槽車運動過程中有一段加速和減速時間,因而將土槽內前后各3m區域設定為緩沖區,中間14m區域設定為測試區[13]。在試驗土槽車行駛過程中,為測量分層深松鏟受到的耕作阻力,將傳感器安裝在左右懸掛裝置和上拉桿上,并利用無線設備將耕作阻力信號實時發送至計算機。

耕作比阻(SDF)可以反映深松作業中拖拉機的能耗的狀況,是評價深松作業效果的重要指標之一[7],即

(1)

式中DF—耕作阻力(N);

A—深松作業后土壤橫截面擾動面積(mm2)。

在深松結束后,采用土壤宏觀擾動輪廓測量儀,獲取準確的深松后土壤擾動輪廓。沿土槽試驗車前進方向,在測試區域內每間隔3m測量一次,繪制過程重復3次,如圖2所示。

圖2 深松后土壤橫截面土壤輪廓的測定Fig.2 Determination of soil profile of soil cross section after deep pine

土壤膨松度和土壤擾動系數可以作為衡量深松土壤擾動效果的評價指標[6],計算公式為

(2)

(3)

式中p—土壤膨松度(%);

Aq、Ah—耕前、耕后地表至理論深松溝底的橫斷面面積(mm2);

λ—土壤擾動系數(%);

As—耕前地表至實際深松溝底的橫斷面面積(mm2)。

2 EDEM仿真分析

2.1 深松鏟建模

在SoildWorks軟件中,將分層深松鏟按1∶1大小尺寸建立模型,并保存為.igs格式[15]。

2.2 土壤顆粒及土壤接觸模型

選取土壤顆粒間的接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding (HMB)模型[16]。該模型中土壤顆粒間具有粘結作用,可以代替傳統土壤顆粒模型中的液橋。該粘結鍵如圖3所示,可承受一定的力,土壤顆粒單元采用基本球形。諸多學者的研究表明[13-15],采用8mm及其以上半徑的球體作為土壤顆粒模型可以較好地模擬土壤與深松鏟間的相互作用,故本試驗選取土壤顆粒單元的半徑為8mm。

圖3 顆粒粘結鍵Fig.3 Bonds between particles

2.3 土壤模型參數的標定

在離散元軟件中,模型參數包括接觸參數和材料參數。接觸參數主要包括材料間的摩擦因數和恢復系數,土壤間的恢復系數、土壤-65Mn間的恢復系數、土壤間的靜摩擦因數及土壤-65Mn間的靜摩擦因數,可根據文獻獲得[13]。材料參數主要包括深松鏟和土壤的密度、剪切模量和泊松比等,土壤和深松鏟的剪切模量參考文獻數據[6,15],土壤的平均密度測量獲取。耕作層和犁底層土壤的泊松比[6]為

(4)

式中μ—泊松比;

φ—土壤內摩擦角。

2.4 EDEM耕作模型

為更好地模擬土壤的真實狀態,先在離散元仿真軟件中建立長×寬×高為1000mm×1200mm×400mm的虛擬土槽,然后根據楊陵大田土壤的情況,將模擬土槽分成三層：耕作層(0～170mm)、犁底層(170～300mm)及心土層(300～400mm)。設定完參數后,采用顆粒工廠動態生成土槽,然后將深松鏟3D模型導入軟件中。

2.5 仿真分析

為分析分層深松的前后鏟距對各層土壤在不同方向上最大位移的影響,在土壤中心位置截面選取代表性顆粒,分別距地表0、85、230mm深度處標記為L1、L2和L3(見圖4),利用離散元后處理功能計算出耕作過程中標記顆粒在x、y和z方向的最大位移。以土壤是否具有運動速度為條件,將繪制的土壤顆粒的運動速度臨界曲線作為土壤擾動的坑形輪廓,將土壤在地表的堆積輪廓作為土壤擾動的壟形輪廓[18]。

圖4 選定顆粒位置Fig.4 Locations of selected particles

3 結果與討論

3.1 土壤擾動微觀過程分析

在仿真環境下選擇耕作方向上厚度為400mm的局部土體,前后鏟距為350mm時,分析分層深松鏟對土壤微觀作用過程。圖5為耕作層和犁底層土體內部粘結鍵斷裂總數隨時間的變化情況。圖6為不同時刻耕作方向和側向的截圖。

圖5 分層深松鏟運動過程中粘結鍵斷裂情況Fig.5 Fracture of bond in the process of layered subsoiler

圖6 分層深松鏟的運動過程Fig.6 Motion process of stratified subsoiling shovel

由圖6(a)可知：在4.2s時刻,分層深松鏟的前鏟即將進入土體,此時在牽引力的作用下鏟尖通過擠壓土體進入土層,此時粘結鍵斷裂數開始逐步增加,土壤開始破碎。由圖6(b)可知：在4.5s時,前鏟的曲柄刃段作用于土體,此時曲柄段的弧形結構使作用區域的土體內部粘結鍵逐漸斷裂,逐步形成深松擾動邊界,擾動區域內的土壤在前鏟作用下被抬升,達到松土的效果;接著前鏟的直鏟柄段作用于土體,后鏟鏟尖開始進入土層,此時隨著深松鏟的前進,直柄端將前一階段抬升的土體進行破碎剪切,在深松鏟兩側土壟,粘結鍵斷裂數繼續增加,達到松土的效果。由圖6(c)可知：在5s時刻,前鏟曲柄段和直柄段對土壤的抬升、剪切作用,土體內部發生了完全破碎;同時,后鏟曲柄段開始對前鏟破碎的土體抬升、剪切,形成有“階梯”狀溝槽。由圖6(d)可知：在5.3s時刻,前鏟完全離開土體,土體會形成溝槽,溝槽兩側的土壤會有一部分回落,但在后鏟的二次抬升、剪切下,深松鏟兩側的土壟會增高;在5.6s時刻,后鏟離開土體,此時形成分層深松后的溝槽,土壤粘結鍵斷裂總數趨于一個穩定值,說明分層深松鏟對這一局部區域土體的擾動完成。

3.2 土壤微觀運動對比分析

為進一步定量分析前后鏟距對不同位置土壤擾動的影響,采用EDEM軟件的后處理功能,獲取標定土壤顆粒在耕作過程中的側向(x)、耕作方向(y)和豎直方向(z)上的最大位移,以期獲得前后鏟距的變化對分層深松鏟耕作過程中各層土壤在各方向實際臨界運動狀態的影響。

3.2.1 前后鏟距對土壤側向(x)運動的影響

由圖7可知：當分層深松鏟的前后鏟距變大時,表層土壤(L1)側向擾動的范圍呈現先增大后減小的趨勢,且表層土壤在側向的最大位移在前后鏟距為250mm時最小,為11.30mm,其次為前后鏟距300mm時,為15.89mm;在不同前后鏟距下,耕作層土壤(L2)的側向擾動范圍均無明顯差異;在犁底層中土壤(L3)的側向擾動范圍呈現先增大后減小趨勢,且當前后鏟距為350mm時,分層深松鏟對犁底層土壤的側向擾動范圍最大[10]。

圖7 土壤顆粒側向最大位移Fig.7 Lateral maximum displacement of soil particles

3.2.2 前后鏟距對土壤耕作方向(y)運動的影響

由圖8可知：隨著前后鏟距的增大,表層土壤(L1)在耕作方向的最大位移相差較小;耕作層土壤(L2)在耕作方向的最大位移先減小后增大,當前鏟鏟距為350mm時耕作層土壤在耕作方向位移最小,為210.39mm,其次為前后鏟距400mm時,為349.28mm;犁底層土壤(L3)在耕作方向的最大位移表現為先減小后增大,且前后鏟距為350mm時犁底層中土壤在耕作方向的最大位移最小,為132.53mm,其次為前后鏟距400mm時,為135.11mm。綜上可知：當前后鏟距為350mm時,各層土壤在耕作方向的最大位移相對較小,根據能量守恒原理,前后鏟距為350mm時由拖拉機的動力系統傳遞給土壤的動能較少,有利于降低拖拉機的功耗[9]。

圖8 土壤顆粒耕作方向最大位移Fig.8 Maximum displacement of soil particles in the direction of cultivation

3.2.3 前后鏟距對土壤豎直方向(z)運動的影響

由圖9可知：隨著前鏟鏟距的增大,其表層土壤(L1)在豎直方向的最大位移減小后增大,且當前后鏟距為400mm時表層土壤在豎直方向的最大位移最小,為137.69mm;耕作層土壤(L2)在豎直方向的最大位移呈現先增大后減小、再增大的趨勢,且當前鏟鏟距為400mm時耕作層土壤在耕作方向的最大位移最小,為132.81mm;犁底層土壤(L3)在耕作方向的最大位移先增大后減小,且前后鏟距為350mm時犁底層中土壤在耕作方向的最大位移最大,為170.32mm。綜上可知：當前后鏟距為350mm時,犁底層土壤在豎直方向相對最大位移最大,表層土壤和耕作層土壤在豎直方向的最大位移相對較小,有利于緩解深松鏟作業時的土壤堆積程度[21]。

圖9 土壤顆粒豎直方向最大位移Fig.9 Maximum displacement of the soil particles in the vertical direction

3.3 土壤擾動效果分析

3.3.1 土壤膨松度和擾動系數

深松作業后,由式(2)、式(3)計算可得土壤膨松度及土壤擾動系數,試驗結果如表3所示。

表3 土壤膨松度和土壤擾動系數仿真值與試驗結果Table 3 Simulated and experimental soil looseness and disturbance coefficient %

由表3可知：前后鏟距對土壤膨松度具有較為顯著的影響,在前后鏟距為250mm土壤膨松度相對較小(<10%),說明前后鏟距為250mm時,后鏟對土壤擾動受到前鏟的抑制作用,深松作業質量較差。當前后鏟距為350mm時,土壤的擾動系數相對較大。此外,5個不同前后鏟距作業后土壤膨松度和擾動系數的試驗值、仿真值的平均誤差分別為12.41%和13.61%,表明建立的仿真模型具有較好的準確性。

3.3.2 分層深松鏟的前后鏟距對耕作阻力的影響

由圖10可知：不同前后鏟距下耕作阻力在3～5kN之間變化,當前后鏟距為250mm時耕作阻力最大;不同前后鏟距下耕作阻力的仿真值與試驗值的平均誤差為13.84%。

圖10 分層深松鏟的前后鏟距對耕作阻力的影響Fig.10 Effect of spacing between front and rear subsoilers on draft force

3.3.3 分層深松鏟的前后鏟距對耕作比阻的影響

深松作業后,由式(1)計算出深松耕作比阻的仿真值和試驗值及其相對誤差,如圖11所示。

圖11 前后鏟距對深松耕作比阻的影響Fig.11 Effect of front and rear cutting distance on specific resistance of subsoiler

由圖11可知：前后鏟距增加對分層深松鏟的耕作比阻產生重要影響,且當前后鏟距為350mm時,深松鏟的耕作比阻相對較小;5個前后鏟距下分層深松鏟耕作比阻的仿真值與試驗值的平均誤差為3.34%。

4 結論

1)分層深松鏟不同前后鏟距時不同層土壤顆粒的運動位移具有一定差異,進而使土壤擾動效果發生改變。試驗結果表明：分層深松鏟的前后鏟距通過影響表層、耕作層和犁底層土壤在耕作方向、側向和豎直方向的位移,使分層深松鏟鏟前堆積程度、側向擾動范圍、不同土層間的混合程度等產生差異。

2)離散元法可以較準確地模擬分層深松過程。前后鏟距對土壤膨松度和土壤擾動系數均具有顯著影響,當前后鏟距為350mm時,土壤蓬松度和擾動系數相對較大;不同前后鏟距下深松作業后土壤膨松度和擾動系數的試驗和仿真結果的平均誤差分別為12.41%和13.61%。

3)分層深松鏟的前后鏟距對耕作阻力和耕作比阻具有重要影響。不同前后鏟距下耕作阻力在3～5kN之間變化,當前后鏟距為250mm時耕作阻力最大;當前后鏟距為350mm時,分層深松鏟的耕作比阻相對較小。5個不同前后鏟距下耕作阻力和比阻的試驗和仿真值的平均誤差分別為13.84%和3.34%。