鄒亮亮 劉 功 苑 進 辛振波 牛子孺
(1.山東農業大學機械與電子工程學院,泰安 271018;2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室,泰安 271018;3.北京林業大學工學院,北京 100083)
深松作業是解決田間土壤壓實和提高水利用率的有效手段,能夠切實提高農作物產量[1-4],已成為保護性耕作的重要組成部分。但深松作業時深松鏟切削和擠壓土壤產生的高阻力需要大功率拖拉機牽引,導致深松作業效率低。另一方面,深松作業常在春季與秋季進行,此時我國華北、西北等地區往往存在干旱少雨的情況,使得待耕作土地含水量較低,土壤緊實度高,增加了深松作業阻力,加劇了機具磨損。因此,改進傳統深松鏟設計,實現深松作業減阻,對深松作業的節本增效具有重要意義。
目前深松機具的減阻方式主要有振動減阻和仿生減阻兩種方式。研究證明振動減阻方式,特別是在砂土和壤土等土壤類型中,作業減阻效果良好,但該方式存在深松速度慢、作業效率低等問題,且振動深松作業中深松鏟與拖拉機、駕駛人員之間的共振問題難以有效解決,導致駕駛人員舒適性很差[5]。仿生減阻方式,如仿生棕熊爪趾底盤[6]和仿生鯊魚皮盾鱗結構深松鏟[7-8],具有一定減阻效果[9]。
試驗研究表明:液體潤滑可以有效降低摩擦副的摩擦力,已廣泛應用于工業、交通等領域[10]。閆國琦等[11]將仿生減阻結構與液體潤滑減阻相結合,提出一種水田船仿生表面減阻結構,應用于水田機械的作業減阻。劉國敏[12]研究了蚯蚓體表的潤滑機理,依據其仿生結構,設計了仿生樣件,試驗證明仿生樣件在有潤滑和無潤滑條件下均有減阻效果,且最大減阻率達到79%。姚久元[13]將蚯蚓波紋潤滑體表結構應用于開溝器結構優化,降低了開溝器的土壤粘附力和開溝阻力。鑒于深松作業牽引阻力大,應用液體潤滑實現深松減阻具有重要意義。
針對深松作業阻力大、作業效率低、牽引能耗高等問題,本文將潤滑減阻方式應用在大耕深的深松作業中,提出一種曲面深松鏟的主動潤滑減阻設計方案。通過離散元法分析該曲面深松鏟深松作業中深松鏟與土壤顆粒間的交互作用特性,確定鏟體最大摩擦接觸面。在曲面深松鏟的主要摩擦面上設計加工表面織構和節流孔,表面織構借鑒蚯蚓體表的仿生結構,節流孔噴出潤滑介質,形成潤滑液和泥土混合的減阻層,達到減小作業阻力的目的。
針對黃淮海地區深松機產品開展市場調研,將市場占有率較高的曲面深松鏟作為研究對象。該種深松鏟可以對全耕層土壤進行疏松作業,在實現對深層土壤擾動的前提下不打亂土層的結構,同時對土壤的擾動效果較好,另外其側面的曲面形狀結構非常適合應用液體潤滑模式。曲面深松鏟如圖1所示,由鏟柄、鏟面、鏟尖和底座組成,其深松深度可達50 cm。

圖1 曲面深松鏟Fig.1 Curved subsoiler1.底座 2.鏟尖 3.鏟面 4.鏟柄
應用三維掃描法對曲面深松鏟完成結構建模,使用三維掃描儀(掃描精度0.05 mm)拍攝鏟面、鏟柄,經Geomagic studio軟件處理得到三維結構的點云文件,對點云文件去噪、統一、補洞、封裝等命令,得到深松鏟鏟面和鏟柄的精確模型,使用三維設計軟件繪制曲面深松鏟的鏟尖和底座,與鏟柄、鏟面裝配后,得到曲面深松鏟的工程模型,模型如圖2b所示。

圖2 三維掃描曲面深松鏟建立的工程模型Fig.2 Engineering models of 3D scaning curved subsoiler
為將主動潤滑減阻作業模式應用到曲面深松鏟上,本文使用離散元法分析曲面深松鏟深松作業過程中對土壤的擾動和作業阻力,獲得深松鏟的最大摩擦接觸面。為了確保仿真中土壤參數的準確性,標定土壤的物性參數使之與試驗地區的耕作土壤一致。
通過調整仿真中恢復系數、靜摩擦因數以及滾動摩擦因數,結合斜面試驗,標定EDEM仿真中土壤的含水率[14]。經過多次試驗,當仿真中土壤與深松鏟之間的恢復系數為0.3、靜摩擦因數為0.5、動摩擦因數為0.05時,與大田中含水率為15%的土壤對應。
選擇EDEM中的Hertz-Mindlin with bonding接觸模型作為土壤顆粒的粘結模型,顆粒之間存在法向與切向兩個方向的接觸力,粘結顆粒與壁面發生碰撞時,當法向和切向的應力達到一定程度時會導致顆粒之間的粘結力破裂,用以仿真深松鏟深松過程中的土壤擾動和土塊粉碎。
該過程首先生成土壤顆粒,并在其穩定后為土壤顆粒間添加Hertz-Mindlin with bonding接觸模型,結合對土壤各參數的標定并參考文獻[15-18]中的標定參數。測量土壤耕作層與犁底層的土壤緊實度,并在EDEM中標定土壤緊實度,通過調整EDEM中Hertz-Mindlin with bonding接觸模型的參數[19],獲得土壤堅實度較高的仿真參數。仿真參數設定值如表1所示。建立的土壤模型,法向剛度為2.43×106N/m,切向剛度為1.76×106N/m,法向臨界壓力為1.8×105Pa,切向臨界壓力為1.21×105Pa,粘結半徑為1.5 mm時,經緊實度仿真試驗[19]測得,與試驗區域的土壤緊實度一致。

表1 EDEM主要仿真參數Tab.1 Main parameters of EDEM simulation
將曲面深松鏟的模型導入EDEM中,將其放置于土壤模型的正前方并調整至與真實大田作業時相同的角度,設置曲面深松鏟的前進速度為2 m/s。
1.3.1土壤擾動仿真分析
圖3給出了曲面深松鏟深松作業中擾動土壤的速度分布圖,從圖中可以看到,在深松鏟的作用下,當土壤開始出現擾動時,深松鏟的鏟尖與鏟面先接觸土壤顆粒,深松鏟對土壤的擾動開始于鏟尖與鏟面的迎土面上,在鏟尖的上端、鏟面的下部,其緊鄰的土壤顆粒速度最大,說明鏟尖與鏟面向其所接觸的土壤顆粒傳遞了較多動能,周圍的土壤顆粒獲得動力勢能發生運動,而鏟柄在工作狀態中時,其前側的大部分被鏟面遮擋,鏟柄前側不直接與土壤顆粒接觸,因此鏟柄所受土壤顆粒的阻力遠小于鏟面所受土壤顆粒的阻力。

圖3 深松鏟擾動土壤速度仿真結果Fig.3 Simulation results of subsoiler soil disturbance velocity
由圖3a可知,鏟尖擾動土壤的位置處,沿鏟尖的上層分布較多紅色顆粒,說明這部分位置的土壤受到深松鏟擾動獲得較多動力勢能,因此鏟尖此位置所受阻力較大。由圖3b可知,鏟面附近紅色顆粒的土壤基本緊貼鏟面,鏟面迎土側所受阻力最大。
1.3.2深松阻力分析與主要摩擦面確定
在EDEM的后處理模塊中,通過對土壤進行分層可以獲得深松鏟不同位置的阻力情況。本文將深松鏟分為10層后導出每一層的阻力,由圖4可得,在鏟面下端處的土壤阻力較大,第1、2、3、4層阻力的和占總阻力的85%。

圖4 深松鏟分層與阻力仿真結果Fig.4 Subsoiler layering and resistance simulation results
根據仿真中土壤擾動分析與阻力分析的結果,確定曲面鏟的前表面和鏟尖的上表面是主要摩擦面,是深松作業阻力的主要來源,所設計布置的表面織構以及用于潤滑流體的孔均應放置在主要摩擦表面上,以獲得更大的減阻效果。另一方面,運輸管道應放置在非直接接觸土壤的區域,即布置在鏟面和鏟柄的背土側,以防止運輸管道被土壤或石塊損壞。
深松阻力的主要來源是土壤切割力、摩擦力以及慣性力[20],由于土壤切割力和慣性力是深松鏟作用到土壤上、實現深松功能的不可或缺的作用力,而土壤與鏟面間的摩擦力是可以通過潤滑方式實現減阻的。
本文的主動潤滑減阻方式是通過在曲面深松鏟的主要摩擦面上設計潤滑面,再強制將潤滑介質通過輸送管路和節流孔輸送到切割土壤和曲面深松鏟的界面之間。一方面,在土壤和鏟面相對運動中,由于潤滑介質的介入,在深松鏟表面與土壤之間形成潤滑液和泥土混合的減阻層,比低含水率土壤與鏟面直接接觸形成更小摩擦因數的潤滑界面,從而部分降低土鏟間的摩擦阻力同時減少鏟面磨損。由于節流孔無法在鏟面上布置太多,因此曲面深松鏟的表面織構借鑒了蚯蚓體液分布構形與體表織構,即溝槽形式的鏟面構型用于儲存潤滑介質并及時補充在土鏟界面中的潤滑介質,使潤滑介質更易進入摩擦表面,也有利于保持潤滑界面的潤滑面積。另一方面,土壤與鏟面相對運動中,潤滑面的表面構型有利于降低土壤切割面在鏟面上的負壓吸附作用,同時表面織構能降低土壤切割面的連續性,減小接觸面積,從而降低深松鏟面的摩擦力,達到減阻效果。
2.2.1潤滑面選擇
通過上述分析可以得出,曲面深松鏟在作業過程中,鏟面的前表面和鏟尖的上表面是主要摩擦面,是深松鏟作業阻力的重要來源之一。為了減小深松作業阻力,選擇鏟面的前表面和鏟尖的上表面作為潤滑面設計表面構型和節流孔。
2.2.2潤滑面設計原理
蚯蚓是一種典型的土壤內運動動物,蚯蚓體表上有多個背孔,背孔能夠在蚯蚓前進過程中分泌體表粘液,體表粘液與波紋結構的體表構型可以降低蚯蚓在土壤中前行時的阻力[21-22]。蚯蚓頭部屬于波紋型非光滑結構,如圖5所示[21]。蚯蚓體表的體節與節間溝組成環節結構,形成一級宏觀波紋形非光滑結構,體表含有大量交錯細紋,形成二級微觀波紋形非光滑結構,蚯蚓的這種波紋形結構對保留體表粘液具有積極作用。

圖5 蚯蚓體表波紋形非光滑結構Fig.5 Corrugated non-smooth structure on earthworm surface
吳雪橋[23]以白頸參環毛蚓為研究對象,對蚯蚓三維激光掃描獲得其體表形貌和尺寸參數,根據體表的單元體節坐標數據,提取蚯蚓舒張態頭部波紋曲線,如圖6所示,擬合曲線公式為
y=0.151-0.149 8cos(1.298x)+0.083sin(1.298x)
(1)
式中x——單元體節沿x方向長度,mm
y——單元體節沿y方向高度,mm

圖6 蚯蚓舒張態頭部波紋曲線[23]Fig.6 Diastolic head ripple curve of earthworm
研究表明,波紋體表結構能夠降低蚯蚓與土壤的接觸面積,并在蚯蚓體表與土壤之間形成空隙,降低空氣負壓達到減阻效果。其中蚯蚓體表單元體節的寬深比為
(2)
本文提出主動液體潤滑減阻思路,并借鑒蚯蚓體液分布構形與體表織構,將蚯蚓舒張態頭部波紋曲線簡化,將波紋結構簡化為溝槽結構,溝槽的橫截面與蚯蚓波紋曲線一致,寬深比與蚯蚓波紋單元體節寬深比一致,將蚯蚓體表背孔簡化為節流孔,節流孔數量和位置布置保證潤滑介質能夠對鏟體最大面積地覆蓋。
2.2.3鏟面主動潤滑減阻結構設計
設計的具有蚯蚓體表波紋單元體節尺寸寬深比特征的主動潤滑減阻曲面深松鏟鏟面,如圖7所示。根據節流孔的加工條件確定第1條溝槽的位置,將第1條溝槽布置在鏟面迎土面前端,使節流孔在溝槽中均勻分布,保證潤滑介質對鏟面最大面積地覆蓋。為避免節流孔在深松過程中出現堵塞狀況,設計了節流孔方向沿鏟面法線方向和前進反方向具有一定傾斜角度,減少發生堵塞的可能性,結合曲面深松鏟的結構,選擇合適角度。通過離散元仿真分析,獲得主動潤滑減阻曲面深松鏟鏟面的設計參數見表2。

圖7 主動潤滑減阻曲面深松鏟鏟面設計結果Fig.7 Design drawings of active lubrication subsoiler surface1.鏟柄安裝孔 2.潤滑溝槽 3.潤滑節流孔 4.底座連接孔
2.2.4鏟尖主動潤滑減阻結構設計
鏟尖處于深松鏟最前端,作業過程中最先接觸土壤、擾動土壤,且鏟尖處的土壤堅實度較大,依據深松作業仿真分析,鏟尖深松作業中所受阻力較大。本文根據蚯蚓體表結構特征設計鏟尖,在鏟尖上設計潤滑溝槽與潤滑介質節流孔。

表2 鏟面結構參數Tab.2 Structural parameters of subsoiler surface
結合鏟尖的實際尺寸,將鏟面溝槽結構等比例縮放。加工鏟尖內腔,使內腔與節流孔相通,為節流孔提供潤滑介質。主動潤滑減阻曲面深松鏟鏟尖上表面與側表面的溝槽與節流孔設計見圖8,鏟尖的具體參數見表3。

圖8 主動潤滑減阻曲面深松鏟鏟尖設計結果Fig.8 Design drawing of subsoiler tip
2.3.1潤滑介質選用
當前國內因不合理使用土壤,造成土壤污染情況日益嚴重,使得土壤酸化、鹽漬化、鹽堿化等問題日益突出。另一方面,土壤調理劑主要功能包括改良土壤結構、降低土壤鹽堿危害、調節土壤酸堿度、改善土壤水分狀況。因此本文提出的深松過程結合深層土壤改良作業,潤滑介質可應用灌溉水或水溶性肥料、土壤消毒、殺菌等兼具土壤改良功效的土調劑水溶液,例如腐殖酸配施鈣鎂土壤調理劑能夠減輕鹽堿土中養分淋洗影響[24],具體施用量需要參考土壤調理農藝需求,因而深松與深層土壤改良復合作業將具有更好的土壤殺菌、消毒,甚至降低鹽堿化的有益效果。

表3 鏟尖結構參數Tab.3 Structural parameters of subsoiler tip mm
2.3.2潤滑管路結構設計
為了將潤滑介質通過管路輸送到鏟面和鏟尖的織構表面,在土壤與織構表面間形成潤滑界面,設計了一個具有多通結構的潤滑介質運輸管路。該運輸管路由1個主管道和4個分支管道組成,如圖9所示。部分潤滑介質通過4個分支孔到達鏟面上的4個節流孔中,其余潤滑介質到達管路底部,潤滑介質需要進入鏟尖內腔,因此在底座設計一個通孔,通孔連接潤滑管路的底端與鏟尖內腔,底座通孔位置如圖10所示,圖中標注處相通,通孔直徑8 mm。

圖9 潤滑管路設計結果Fig.9 Results of lubrication pipeline design

圖10 底座通孔設計結果Fig.10 Result of lubricating hole in base
2.3.3潤滑液流量計算
作業過程中水泵將潤滑介質輸送至節流孔,節流孔噴出的潤滑介質在鏟體表面形成潤滑界面,為了選擇適用的潤滑液水泵,需計算形成潤滑界面所需流量。
假定潤滑介質在鏟面和鏟尖表面形成潤滑界面需分布厚度為p的液膜,液膜在鏟面垂直地面方向上有效面積的高度為h1,液膜在鏟尖上的有效高度為h2,初設液膜的厚度p為1 mm,深松鏟以速度v勻速作業,深松作業單位時間內,鏟面與鏟尖所需流量W1、W2的計算式為
W1=h1pv
(3)
W2=h2pv
(4)
潤滑減阻系統所需流量為W=W1+W2,得到潤滑系統所需流量約為11.67 L/min。本文選擇24 V直流驅動的水泵(型號:ZQB-24),最大流量為5 m3/h,聯接PWM調速器可實現深松作業過程中潤滑介質的流量調節。
為了檢驗主動潤滑減阻深松鏟的減阻效果,對深松鏟的作業阻力進行試驗測量。分別在山東省濟寧市兗州區試驗田A(土壤質地為褐土地)和山東省濱州市無棣縣試驗田B(土壤質地為鹽堿地)開展深松樣機田間性能試驗,如圖11所示。

圖11 田間試驗Fig.11 Field trial

圖12 不同深度土壤緊實度變化曲線Fig.12 Changing curves of soil compaction at different depths
使用土壤緊實度儀測量兩處試驗田土壤0~40 cm深的緊實度,結果如圖12所示。采用環刀法對兩處試驗田土壤進行取樣,測得試驗田A、B土壤含水率分別為22.7%和10.8%,含鹽率分別為0.12 g/kg和0.31 g/kg。可以看出兩處試驗田土壤含水率均較低,土壤緊實度較高,屬于干旱少雨地區典型的土壤耕作類型。
選擇電阻式全橋連接應變片阻力測量方法,將應變片分別固定在普通深松鏟和潤滑深松鏟的鏟柄前面的非入土區,如圖13所示,實現深松作業阻力測量。

圖13 深松阻力測量應變片安裝Fig.13 Strain gauge installation
試驗動力采用雷沃M1254-G型拖拉機,使用三點懸掛安裝方式掛接拖拉機與機架,使用限深輪控制深松鏟作業深度為45~50 cm。將水箱和水泵固定于機架上,連接水泵和潤滑管路,使用PWM調節水泵的供電電壓,實現不同潤滑介質的流量調節。
3.2.1試驗結果單因素分析
在試驗田A中,選擇潤滑流量4、8、12 L/min,作業速度3、7、10 km/h。阻力曲線如圖14所示。在更高土壤緊實度的試驗田B中,控制作業速度為2 km/h左右,潤滑液流量為12 L/min,阻力曲線如圖15所示。

圖14 試驗田A阻力曲線Fig.14 Resistance curves of test field A

圖15 試驗田B阻力曲線Fig.15 Resistance curves of test field B
根據兩處試驗田試驗的阻力曲線,計算得到主動潤滑減阻曲面深松鏟的減阻率z為
(5)
式中Ft——普通曲面深松鏟作業過程中平均阻力,N
Fl——主動潤滑減阻曲面深松鏟作業過程中平均阻力,N
對比傳統曲面深松鏟,計算不同工況(速度和流量不同)下主動潤滑減阻深松鏟的減阻率。在試驗田A中,當速度為3 km/h、流量為12 L/min時具有最佳的減阻效果,減阻率達到13.48%,如表4所示。在試驗田B中,當流量為12 L/min時減阻率范圍為14.17%~19.87%,在流量為12 L/min、速度為1.87 km/h狀態下具有最為明顯的減阻效果,減阻率達到19.87%。

表4 不同工況下的減阻率Tab.4 Drag reduction rate under different conditions
分析兩處試驗田試驗結果發現:在不同速度、流量、土壤含水率條件下,主動潤滑減阻深松鏟的減阻率有較大的差異,為了分析試驗條件對減阻率的影響,對多個試驗因素進行單因素分析。
對速度因素進行分析發現:主動潤滑深松鏟的減阻率受到作業速度的影響。在相同流量下,機具作業速度越快,減阻率越低。其原因在于:深松鏟在高速作業狀態下,單位時間內覆蓋在深松鏟鏟體上的潤滑液膜較少,導致減阻率較低;而低速的作業狀態中,單位時間內有更多的潤滑液膜覆蓋在深松鏟的鏟體上,因而具有更好減阻率。
對流量因素的分析發現:由相同速度下不同流量的減阻率結果可知,減阻率是隨著流量的增加而增加的,但是在速度為10 km/h的試驗中,流量為8 L/min的減阻率比流量4 L/min的試驗減阻率低。分析原因在于:該組試驗中有較快的試驗速度,從鏟體上節流孔中噴出的潤滑介質并沒有來得及在鏟體的潤滑面上覆蓋,鏟體就與部分潤滑介質分離了,因此該組試驗減阻效果沒有達到應有的程度。但從整體上來看,減阻率是隨流量的增加而增加的。
對比兩處試驗田的耕作土壤條件可以看出,試驗田B相比試驗田A具有更低含水率和更高的土壤緊實度,在相同流量和相近作業速度條件下,試驗田B的減阻率更高,減阻效果更好,說明這種主動潤滑的減阻作業模式受到耕作土壤自身含水率的影響。分析其原因在于:試驗田A在試驗前進行了灌溉,土壤含水率較高,土壤自身較為濕粘,深松鏟與濕粘土壤間容易形成負壓吸附狀態,土壤對鏟體的粘附作用增強;當潤滑介質從深松鏟鏟體噴出時,雖然潤滑介質在鏟體與土壤之間形成一層隔離液膜,形成的潤滑減阻效果被濕粘土壤的黏附作用部分抵消。
綜上分析表明:單位時間內潤滑液膜在深松鏟鏟體的覆蓋面積越大,減阻效果越好,即減阻率與潤滑介質流量成正比,與作業速度成反比。并且土壤原有含水率越低,土壤緊實度越大,潤滑減阻效果越顯著。由此說明這種主動潤滑減阻的作業模式不但適用于褐土地,而且在鹽堿地上也適用,驗證了主動潤滑減阻作業模式的合理性和可行性。
3.2.2回歸模型與顯著性檢驗
應用響應面分析法分析主動潤滑減阻試驗結果,獲得減阻率與速度因素、流量因素的關系。使用Design-Expert軟件進行回歸擬合分析,建立速度、流量與減阻率的回歸模型,選擇速度和流量作為試驗因素,采用中心組合設計,選擇減阻率為響應值,速度分別為3、7、10 km/h,流量分別為4、8、12 L/min。回歸模型為
z=8.42-0.62v+0.68W
(6)
由表5可知,響應面模型P值、速度因素P值與流量因素P值均小于0.01,說明該回歸模型極顯著,回歸方程擬合度高,速度和流量兩個因素對模型影響也極顯著。其決定系數R2=0.80,表明模型可以解釋80%以上的評價指標;信噪比(精密度)為10.95,代表在規定條件下所得獨立試驗結果間的符合程度,其值大于4,表明模型較優。在減阻率的響應面模型中,流量的F值比速度的F值大,流量對減阻率的貢獻度高于作業速度,意味著本模型中流量因素對減阻率的影響大于速度因素對減阻率的影響。由圖16可知,隨著作業速度的增大,減阻率降低;隨著潤滑介質流量的增大,減阻率增大。

表5 方差分析Tab.5 Variance analysis

圖16 作業速度與潤滑介質流量對減阻率影響的響應面Fig.16 Response surface of operating speed,lubricating flow rate and drag reduction rate
(1)為減小耕作土壤深松作業條件下的作業阻力,提高作業效率,借鑒了蚯蚓體表結構減阻與主動潤滑減阻思路,設計了主動潤滑減阻深松鏟,并結合土調劑水溶液等作為潤滑介質,實現了深松和土壤改良的復合作業。
(2)建立了基于Hertz-Mindlin with bonding接觸模型的深松作業模型,并通過EDEM仿真分析得到曲面深松鏟的主要摩擦面,在主要摩擦面上設計表面構型與節流孔,設計了潤滑液輸送系統方案。
(3)潤滑減阻深松試驗結果表明:在褐土地試驗條件下,當行走速度3 km/h、潤滑液流量12 L/min時,減阻率可達13.48%;在鹽堿地試驗條件下,當行走速度1.87 km/h、潤滑液流量12 L/min時,減阻率可達19.87%,并且減阻率與潤滑介質流量成正比,與作業速度成反比。
(4)試驗結果表明針對低含水率、高緊實度耕作土壤的主動潤滑減阻深松鏟其減阻效果良好,但其減阻率會受到土壤物性參數影響,如土壤含水率、土壤緊實度等,例如在干旱少雨的黃淮海地區主動潤滑減阻作業模式具有可行性。