基于EDEM的自走式螺旋深耕機耕作仿真與試驗

張富貴,曾以明,吳雪梅,孫效荷,彭大超

(1.貴州大學 機械工程學院,貴陽 550025;2.現代制造技術教育部重點實驗室,貴陽 550025;3.貴州智慧山地農業發展研究院,貴陽 550025)

0 引言

由于貴州丘陵山區具有地塊小、坡度大及地塊分散等地勢特殊性,因此微耕機得到了大力的推廣。但微耕機耕深一般不超過16cm,運用其進行多年的淺層旋耕后,表層土壤下會出現硬底層,對旱地經濟作物的生長發育極為不利,嚴重影響到農產品的產量和品質[1]。土壤深耕是專門改善硬底層的一項技術,可以打破厚實的硬底層,為農作物的生長提供有利條件,且對治理土傳病害和土壤結構惡化有很好的效果[2]。目前,國內外農業生產中土壤深耕、翻耕使用的機具主要是鏵式犁、圓盤犁、深松犁等[3-8],用犁盤耕作能起到翻耕的功能,但是無法實現碎土功能。衛韋等設計的鏈式深耕機能實現深耕及碎土功能,但耕幅較小,效率低[9]。楊夫君設計了一種組合式強力深松碎土機,采用螺旋鉆削方式使螺旋鉆頭在土壤深層以螺旋運動向前切土,同時立式刀軸高速橫向旋轉碎土,其碎土能力強,但機組成本高,且轉移困難[10]。

針對以上問題及螺旋深耕的優點,設計了一款力深松碎土機,采用螺旋鉆削方式使螺旋鉆頭在土壤深層以螺旋運動向前切土,同時立式刀軸高速橫向旋轉碎土,碎土能力強,但機組成本高,且轉移困難[10]。

針對以上問題及螺旋深耕的優點,設計了一款自走式雙螺旋旋耕機,本文對螺旋深耕刀旋耕過程進行離散元仿真,探究其對螺旋深耕的影響,并進行田間試驗,以期為自走式螺旋深耕機的設計及改進提供參考。

1 仿真模型的建立

1.1 螺旋深耕機結構及原理

自走式雙螺旋深耕機結構如圖1所示。

1.主動輪 2.發動機 3.從動輪 4.液壓泵 5.液壓缸 6.液壓馬達7.齒輪箱 8.旋刀葉片 9.螺旋刀桿 10.液壓油箱 11.履帶行走裝置圖1 小型自走式螺旋深耕機總裝圖Fig.1 Small self - propelled spiral cultivator’s general assembly drawing

機具由8.88kW風冷柴油機及液壓系統提供動力,包括液壓控制系統、液壓升降系統、螺旋深耕裝置、履帶行走裝置等幾大部分。自走式雙螺旋旋耕機由發動機提供動力,經變速箱分兩路輸出:一路為機體行走提供動力,另一路經液壓系統為刀具提供旋耕動力。圖2為螺旋深耕刀模型。

圖2 螺旋深耕刀Fig.2 Spiral deep ploughing knife

自走式螺旋深耕機由型號10.3kW風冷柴油機提供動力,動力分兩路輸出:一路經過變速箱給行走輪提供動力,另一路通過皮帶輪經液壓泵為刀具提供旋轉動力。

1.2 理論模型的建立與選擇

為了在樣機加工前得到樣機最佳匹配動力、最佳耕作速度及耕作效率等,對樣機進行刀具旋耕過程的仿真,以減少盲目加工帶來成本。

1.2.1 顆粒位移理論

離散元法可用于工程力學、粉末加工、混合攪拌等工業工程,以及糧食等顆粒散體的倉儲、運輸等生產實踐領域,主要應用于離散體在復雜物理場作用下的動力學行為和多相混合介質力學特性的研究中,且可根據實際情況對每個顆粒設定其獨有的屬性及受力情況。此外,仿真顆粒并非都是球形、橢圓形,還有三維的球形和橢球型,其形狀雖采用多種形式,但基本原理都是根據牛頓的第二定律來得到顆粒的力-位移的關系。顆粒p的運動關系為

(1)

式中mp—顆粒p的質量(g);

∑F—顆粒p質心處所受到的合力 (N);

Ip—顆粒p的轉動慣量 (g·m2);

∑M—顆粒p質心處所受到的合外力矩(N)。

對式(1)利用中心差分法進行求解,并對式(1)進行積分,得到顆粒p的更新后速度為

(2)

式中T—時間步長;

S—對應時間 (s)。

對式(2)二次積分,可得到位速度移關系式為

(3)

由式(3)可得出顆粒新的位移結果,將位移結果代入力-位移的關系式中可得到仿真相關的作用力。將式(1)～式(3)進行循環計算可得到顆粒的運動模型。

1.2.2 EDEM接觸模型選擇

為描述螺旋刀具旋耕過程中土壤顆粒間及土壤顆粒與接觸部件間的瞬態力學行為,EDEM 系統默認多種接觸力學模型,以模擬不同的顆粒接觸力學特性[12-13]。根據螺旋刀具加工材質、作業模式和貴州山地的土壤屬性,選擇了Hertz-Mindin無滑動接觸模型和黏結接觸模型。Hertz-Mindin無滑動接觸模型為

(4)

式中ν1、ν2—兩顆粒的泊松比;

G1、G2—兩顆粒的剪切模量(Pa)。

(5)

式中β—相關系數;

St—切向剛度 (N/m)。

m—等效質量(g);

vt—切向相對速度(m/s)。

Tn=-μrFnRiωi

(6)

式中μr—滾動摩擦因數;

Fn—顆粒間法向力(N);

Ri—質心到質點的距離(mm);

ωi—接觸點位置單位加速度矢量。

黏結接觸模型為

(7)

式中Fn、Fs—兩顆粒所對應的粘結力(N);

Tn、Ts—扭矩 (N·m);

A—兩顆粒接觸區域面積(m2);

RB—顆粒粘結半徑(mm)。

2 螺旋刀具深耕過程仿真分析

2.1 參數設置

將螺旋深耕作業的刀具在田間試驗之前利用EDEM離散元分析軟件仿真其工作時的情況,在仿真軟件中設置好相關參數。設置參數主要針對土壤及深耕刀具,未旋耕過的土壤屬于離散介質材料,并沒有特定的規律,表現為各向異性等非線性物理性質。螺旋深耕刀屬介質材料結構體[14],有著特定的形態與運動規律。根據貴州土壤以黃壤為主,取土壤測其含水率及堅實度等,通過查閱國內外相關文獻,設置螺旋深耕刀具仿真參數,如表1所示。

表1 螺旋深耕刀具仿真參數設置Table 1 Simulation parameters of spiral deep-plowing tools

2.2 仿真結果及分析

2.2.1 螺旋深耕刀切削土壤過程分析

圖3為螺旋深耕刀仿真模型,圖4為10s深耕過程圖。分析整個深耕過程可知:轉速為180r/min時,螺旋深耕刀的受力波動最小,操作穩定性較強,效果較好。選轉速為180r/min轉數下的螺旋深耕刀仿真結果作分析,以此來研究螺旋深耕刀工作時切土、拋土及深耕的具體狀況。圖4(a)為螺旋深耕刀模型位置,(b)為顆粒工廠填滿所需顆粒后深耕刀開鉆尖始接觸部分土壤,(c)為螺旋深耕刀進入土壤30cm后停止向下,(d)為深耕刀開始深耕,(e)為深耕刀工作至土壤工廠的遠端。

圖3 螺旋深耕刀仿真模型Fig.3 Simulation model of spiral deep ploughing knife

螺旋深耕刀切削土壤后形成坑穴,從表面來看大部分深耕過的位置已被顆粒覆蓋。由圖4(b)可以大致看出土壤的局部拋撒情況。土壤顆粒流動方向如果與螺旋深耕刀旋轉相同,則旋轉后的土壤被刀具的旋片排出,且大部分土壤在被旋起后都落在原處。產生這種現象是因為本課題設定的土壤為貴州黏度較高土壤,當靠近螺旋深耕刀的土壤被旋出時也會因含水量高、自身質量大而做相對于刀具的自由落體運動,一部分則留在刀具上。針對土壤粘連刀具情況,對螺旋刀具改制為齒狀,其作用如下:一是便于切土;二是能夠在最大程度上破碎粘性土塊,使深耕后的土壤更松散。

2.2.2 不同轉速軸向受力分析

螺旋深耕刀轉速是影響深耕效果的重要工作參數,本次仿真設置60、120、180、240、300r/min等6種不同轉速,分析螺旋深耕刀軸向受力變化情況,以選出刀軸受力最穩定是的轉速。圖5為不同轉速下兩把螺旋深耕刀軸向受力曲線。由圖5可知:螺旋深耕刀轉速越高,受力越小;但在180r/min時,轉速增大對軸向合力影響較小。整個深耕過程中,轉速為180r/min時螺旋深耕刀的受力波動最小,操作穩定性較強,效果較好。

2.2.3 螺旋深耕刀扭矩與功率分析

圖6為不同轉速下螺旋深耕刀水平方向所受扭矩圖。螺旋深耕刀在低轉速下所受扭矩大于高轉速所受扭矩,因為螺旋深耕刀在同樣的軸向與水平方向進給速度下,低轉速工作的螺旋深耕刀每轉的土壤進給量大于高轉速下每轉進給量,所需的切削力也要大于高轉速下的,故低轉速下螺旋深耕刀工作時所需扭矩要高于高轉速情況。同時,低轉速下螺旋深耕刀每轉拋土量大于高轉速螺旋深耕刀,故低轉速下刀具受力增大,扭矩也隨之增大,但深耕速率太慢無法實現應有的功能。圖7為不同轉速下螺旋深耕刀豎直方向所受扭矩圖,豎直方向上刀具的扭矩為阻礙刀具入土及在水平方向的深耕。綜合樣機所預計的額定轉速、承受載荷及工作效率等多重因素及對圖6、圖7的分析,可得出以下結論:轉速為180r/min時,螺旋深耕刀水平所受扭矩相對較大,水平所受扭矩相對較小,更利于深耕,且能保證良好的深耕速率及深耕質量。

圖6 螺旋深耕刀水平方向所受扭矩圖Fig.6 Torque diagram of the horizontal direction of the spiral deep ploughing knife

圖7 螺旋深耕刀豎直方向所受扭矩圖Fig.7 Torque diagram of the vertical direction of the spiral deep ploughing knife

圖8為不同轉速下螺旋深耕刀消耗功率曲線圖。由圖8可以看出:隨著螺旋深耕刀轉速的增加,螺旋深耕刀消耗的功率呈現上升的態勢;隨著轉速的提升,單位時間的旋土量較大,刀功率消耗也大。但是,轉速高低并不能來評判深耕效率的高低,因為螺旋深耕機主要針對的地區為貴州,貴州的土壤粘性大,過大的轉速會使得土壤粘結在一起,轉速過大時扭矩的減小會影響深耕的質量,甚至損傷機器。由圖8可知:螺旋深耕刀從180r/min上升到240r/min時,消耗功率上升的速率明顯加快。這說明,當螺旋深耕刀轉速超過180r/min時,隨著轉速的增大功率消耗加快,且高速小扭矩的情況下并不適合深耕時使用。

圖8 不同轉速螺旋深耕刀消耗功率曲線圖Fig.8 Consumption curve of different speed spiral deep ploughing cutter

3 田間試驗

為測試自走式螺旋深耕機性能,在貴州大學農場進行耕深、耕寬及耕深穩定性試驗。選取平整無坡的場地作為第1代自走式螺旋深耕機樣機的性能測試試驗區,試驗實際情況如圖8、圖9所示。

圖10 行走耕作圖Fig.10 Farming process diagram

刀具達到完全入土時,試驗現象為刀具旋耕出類橢圓形坑,泥土隨刀具散落在坑周圍,散落寬度為5～10cm。旋耕機在行走耕作過程中,泥土隨刀具對轉往兩刀軸中心向后端散落,刀具左右兩端泥土的散落面積較小。刀具反轉時,刀具左右兩端泥土的散落面積較大,得出螺旋深耕機刀具反轉具有一定的平整土地功能。設計的拔齒結構能很好地實現碎土功能,碎土率在80%左右,效果較好。

規定測試長度為30m,每個行程除去開始與結束階段各5m的不穩定段,對中間20m作定點數據采集,每個行程取5個測量點。測定耕深、耕寬及試驗條件的相關指標(如土壤的含水率、堅實度等),并盡量避免埋頭石較多的區域。表2所示為耕深、耕寬及含水率等部分參數測量值。經過多次測量,計算平均值得出試驗結果,如表3所示。由表3可知:自走式螺旋深耕機耕作深度滿足農藝要求。

表2 螺旋深耕部分試驗數據Table 2 Partial test data of spiral deep tillage machine

表3 螺旋深耕機試驗結果Table 3 Test results of spiral deep tillage machine

4 結論

1)對設計的自走式螺旋深耕機的螺旋刀具耕作過程進行仿真,通過分析刀具的設計結構、材質及耕作的土壤情況,進行接觸模型的分析和選擇,并設置相關仿真參數。對螺旋深耕刀切削土壤過程中不同轉速軸向受力、螺旋深耕刀扭矩與功率等進行分析,結果表明:螺旋深耕刀轉速為180r/min、導程為350mm時,深耕效率較高,耕地效果好。

2)田間性能測試結果表明:深耕可以達到30cm的深度,耕深穩定性為93.5%,滿足農藝要求。

雖然耕深等一系列指標符合要求,但樣機存在自重過大、旋耕刀導桿在下降及回升過程中對主軸左右偏離等不足。后續將對機體從機構和材質上進行輕量化改進設計,使液壓系統由1個輸出改為兩個輸出,分別獨自控制液壓缸和液壓馬達提高刀具的下降和回升的穩定性。