深松參數對雙翼深松鏟耕作阻力影響的仿真分析

孫坤鵬　李吉成

摘要 利用離散元建立了雙翼深松鏟的深松仿真模型，分析了深松參數對雙翼深松鏟耕作阻力的影響。結果表明，雙翼深松鏟對土壤的作用主要表現在前進過程中對土壤的切削和抬升2個方面；雙翼深松鏟主要阻力來源于土壤對其前進的阻礙作用，豎直方向上土壤對深松鏟抬升作用的阻礙作用也是深松阻力的重要來源之一，雙翼深松鏟側方向上的受力非常小；在深松速度0.4～1.2 m/s與深松深度220～300 mm時，深松速度和深松深度對雙翼深松鏟前進方向的受力均有較大的影響，隨著深松深度和速度的不斷增加，前進方向的阻力不斷增大；深松深度對雙翼深松鏟豎直方向的受力有較大影響，豎直方向的受力隨著深松深度的增加而變大，而深松速度對雙翼深松鏟豎直方向的受力基本沒有影響。

關鍵詞 雙翼深松鏟；離散元；深松阻力

中圖分類號 S222.19 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2023）06-0204-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.048

The Effect of Subsoiling Parameters on Resistance of Wing Subsoiling Shovel by EDEM

SUN? Kun－peng， LI? Ji－cheng

（School of Intelligent Science and Engineering，Yunnan Technology and Business University，Kunming，Yunnan 650201）

Abstract The subsoiling simulation model of wing subsoiling shovel was established by using EDEM， and the influence of subsoiling parameters on the resistance of wing subsoiling shovel was analyzed.The analysis results were as follows： the effect of wing subsoiling shovel on soil was mainly manifested in two aspects： cutting and lifting of soil in the process of advance.The main resistance of the double subsoiling shovel came from the soil's obstruction to its advance， and the soil's obstruction to the lifting of the subsoiling shovel in the vertical direction was also one of the important sources of the subsoiling resistance.The force on the side of the double wing subsoiling shovel was very small.In the range of 0.4-1.2 m/s and 220-300 mm， the subsoiling speed and subsoiling depth had a great influence on the force in the forward direction of the wing subsoiling shovel.With the continuous increase of subsoiling depth and speed， the resistance in the forward direction increased.The subsoiling depth had a great influence on the vertical force of the wing subsoiling shovel.The vertical force increased with the increase of the subsoiling depth， while the subsoiling speed had no influence on the vertical force of the double wing subsoiling shovel.

Key words Wing subsoiling shovel;Discrete element;Subsoiling resistance

耕作是利用農業機具與土壤之間的相互作用改善土壤耕作層顆粒形狀、礦物質、有機質和孔隙率等基本特性的農業生產措施，長期進行翻耕和旋耕作業容易造成農田風蝕和水蝕的問題，也容易在耕作層底部形成堅硬的犁底層，對農作物根系的生長極為不利［1-3］，深松作為一種能破壞犁底層的保護性耕作技術被廣泛應用。

深松機是進行深松作業的主要工具，其核心部件是深松鏟尖和鏟柄，國內外學者圍繞著這2個核心部件與土壤之間的相互作用開展大量研究，雙翼深松鏟有更好的土壤擾動效果，而關于雙翼深松鏟阻力的研究較少。筆者采用離散元的方法，將土壤視為離散的具有黏彈性的有限個顆粒，考慮耕作層、犁底層和心土層不同的物理特性，對雙翼深松鏟的深松過程進行了仿真，探究深松速度和深松深度對雙翼深松鏟阻力的影響。

1 材料與方法

1.1 雙翼深松鏟模型 該研究的分析模型為JB/T 9788—2020《深松鏟和深松鏟柄》標準中規定的中型深松鏟柄和雙翼深松鏟尖組合構成的雙翼深松鏟（圖1）。其中，鏟柄高度H=600 mm，鏟柄工作刃高度h=320 mm，鏟柄上部橫截面長度S=60 mm，鏟柄上部橫截面寬度b=25 mm，鏟柄刃圓弧r=284 mm，鏟柄外圓弧半徑R=320 mm，鏟柄刃角β=60°；鏟柄高度H=600 mm，鏟寬度B=200 mm，鏟長度L=165 mm，鏟翼張角2γ=60°，鏟起土角α=19°30′。根據圖1的雙翼深松鏟結構，利用SolidWorks建立雙翼深松鏟的三維參數化模型并保存成*.IGS格式。

1.2 仿真模型

1.2.1 土壤顆粒模型。

土壤顆粒一般包含核狀、條狀、片狀和團聚體等結構形式［4］（圖2）。經過長期的耕作，農田形成了分層結構，從上到下分別為耕作層、犁底層和心土層。其中，耕作層和心土層土壤采用核狀、條狀、片狀和塊狀顆粒來模擬，犁底層土壤采用團聚體來模擬。

1.2.2 土壤顆粒接觸模型。

Hertz－Mindling with JKR在Hertz－Mindling（no slip）模型的基礎上考慮了顆粒間的凝聚力，該模型適用于模擬顆粒間因靜電、水分等原因發生明顯黏結的物料，因此選擇Hertz-Mindling with JKR作為耕作層和心土層的土壤顆粒接觸模型［5］。其中，耕作層土壤顆粒的表面能為5.6 J/m2，心土層土壤顆粒的表面能為6.2 J/m2。相比耕作層和心土層而言，犁底層要堅硬很多，犁底層顆粒間具有較強的液橋黏結力，因此選用Hertz-Mindling with Bond模型來模擬犁底層土壤顆粒之間的接觸，模型具體的參數［6］：法向剛度系數 2.4E+06 N/m3，切向剛度系數1.8E+06 N/m3，法向臨界應力235 000 Pa，切向臨界應力186 000 Pa，開始時間 1.35 s，黏結半徑7 mm。

1.2.3 EDEM分析模型。

為了滿足深松作業仿真分析要求，根據深松深度和雙翼深松鏟的寬度，在EDEM分析模型中建立了尺寸（長×寬×高）為1 400 mm×1 000 mm×500 mm的土槽。根據實際情況，在土槽中自下向上分別建立了140 mm厚的心土層、140 mm厚的犁底層和150 mm厚的耕作層，各土層的基本物理特性參數見表1［7-8］。

深松鏟的材料選用65Mn，材料的密度為7 820 kg/m3，彈性模量為2.11E-11 N/m2，泊松比為0.35［9］。深松鏟與耕作層、犁底層和心土層之間的彈性恢復系數均為0.6，靜摩擦系數分別為0.31、0.64和0.43，滾動摩擦系數分別為0.11、0.13 和0.07［10-11］。深松鏟耕作深度設置為300 mm，建立完成的EDEM分析模型見圖3。

在總仿真的0～1.4 s時間段內生成分析模型并使模型顆粒達到穩定狀態，在1.35 s時生成犁底層Hertz-Mindling with Bond模型的Bond鍵；在總仿真時間1.4 s時設置雙翼深松鏟開始進行深松作業，在總仿真時間第1.4 s記為深松作業的第0 s。深松速度分別設置為0.4、0.6、0.8、1.0和1.2 m/s，不同深松速度工況下，深松深度分別設置為200、220、240、260、280、300 mm，共進行25次仿真試驗分析。

2 結果與分析

2.1 雙翼深松鏟對土壤顆粒作用

深松過程是深松鏟與土壤顆粒相互作用的過程，深松鏟的受力主要來源于土壤對其作用力，選取深松深度為300 mm、深松速度為0.8 m/s的試驗來分析雙翼深松鏟在深松過程中土壤顆粒的狀態，進而闡述雙翼深松鏟與土壤顆粒的相互作用情況。

在EDEM模型中提取深松作業過程中第0.2、0.4、1.0和1.6 s時刻的土壤縱向剖視圖（圖4）。當雙翼深松鏟尖完全進入土壤中（0.2 s），犁底層的土壤顆粒被雙翼深松鏟尖抬升了一定高度，但由于耕作層土壤較軟，其表面沒有發生變形。當鏟柄切削刃完全進入土壤中（0.4 s），犁底層和耕作層位于雙翼深松鏟尖上方的土壤顆粒均被雙翼深松鏟尖抬升了一定高度，由于雙翼深松鏟尖的寬度遠大于鏟柄的寬度，失去雙翼深松鏟尖的支撐之后，先前被抬起的部分土壤回落；心土層上表面土壤受到雙翼深松鏟尖剪切、擠壓作用與犁底層底部土壤發生了一定混合。當雙翼深松鏟進入穩定深松狀態（1.0～1.6 s），在雙翼深松鏟的剪切和擠壓作用下，犁底層和耕作層的土壤不斷被抬升，再加之土壤顆粒的相互作用，土壤不斷被破碎；隨著雙翼深松鏟不斷前進，各層土壤被擠壓抬起和剪切后，由于失去了深松鏟的支撐作用重新落下，耕作層底部和犁底層上部的土壤顆粒發生了一定的混合，犁底層底部和心土層上部的土壤顆粒發生了一定的混合，混合現象主要出現在深松鏟柄的后側。總體來看，雙翼深松鏟對土壤的作用主要表現在前進過程中對土壤的切削和抬升2個方面，因此土壤對雙翼深松鏟的作用力主要在前進方向和豎直方向上。

2.2 雙翼深松鏟在不同方向上的受力分析

在不同方向上，土壤對雙翼深松鏟的作用力不同，選取深松深度為300 mm、深松速度為0.8 m/s工況下深松過程為分析對象，分別提取雙翼深松鏟在前進方向受力、豎直方向受力、側方向受力以及三者合力的大小（圖5）。

從圖5可以看出，深松過程中雙翼深松鏟在不同方向上的受力有較大差異。其中，雙翼深松鏟主要阻力來源于土壤對其前進的阻礙作用，豎直方向上土壤對深松鏟抬升作用的阻礙作用也是深松阻力的重要來源之一，雙翼深松鏟側方向上的受力非常小。在穩定工況下，前進方向受力、豎直方向受力、側方向受力及三者合力的大小分別為1 657.4、866.2、67.9、1 872.8 N。

2.3 耕作深度對深松阻力的影響

深松過程中，雙翼深松鏟受到的作用力主要為前進方向的阻力和豎直方向的阻力，選取深松速度為0.8 m/s，深松深度分別為220、240、260、280和300 mm的試驗來分析深松深度對深松前進方向阻力和豎直方向阻力的影響（圖6）。

從圖6可以看出，深松深度對豎直方向阻力大小的影響大于前進方向阻力大小的影響。顆粒之間有一定的相互黏結和彈性作用，因此深松過程中雙翼深松的受力大小是上下浮動的，總體來看，隨著深松深度的不斷增加，前進方向的阻力不斷增大；雙翼深松鏟需要抬升的土壤量增加，豎直方向的阻力不斷增大。深松深度為220、240、260、280和300 mm時，穩定工況下前進方向阻力大小分別為1 358.7、1 544.1、1 657.2、1 694.1和1 717.3 N，豎直方向阻力大小分別為202.5、331.4、570.1、778.2和866.2 N。

2.4 深松速度對深松阻力的影響

深松速度是影響深松阻力的重要因素之一，選取深松深度為300 mm，深松速度分別為0.4、0.6、0.8、1.0和1.2 m/s的試驗來分析深松深度對深松前進方向阻力和豎直方向阻力的影響（圖7）。

從圖7可以看出，隨著深松速度的不斷增加，前進方向阻力的大小不斷增加，而豎直方向的阻力基本保持不變；深松速度為0.4、0.6、0.8、1.0和1.2 m/s時，穩定工況下前進方向阻力大小分別為1 548.7、1 561.6、1 687.4、1 731.1和1 846.1 N；豎直方向的阻力大小依次為790.3、810.5、866.2、863.6和866.9 N。

2.5 耕作速度和深度對深松阻力的影響

為了進一步研究深松速度和深度對深松阻力的影響，分別提取深松速度和深度分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m/s和220、240、260、280、300 mm 試驗下雙翼深松鏟在前進方向和豎直方向的受力。

從圖8可以看出，在深松速度0.4～1.2 m/s與深松深度220～300 mm時，深松速度和深松深度對雙翼深松鏟前進方向的受力均有較大的影響，深松深度的影響程度大于深松速度的影響程度；在上述范圍內，深松深度對雙翼深松鏟豎直方向的受力有較大影響，而深松速度對雙翼深松鏟豎直方向的受力基本沒有影響。

3 結論

（1）雙翼深松鏟對土壤的作用主要表現在前進過程中對土壤的切削和抬升2個方面，土壤對雙翼深松鏟的作用力主要在前進方向和豎直方向上。

（2）雙翼深松鏟主要阻力來源于土壤對其前進的阻礙作用，豎直方向上土壤對深松鏟抬升作用的阻礙作用也是深松阻力的重要來源之一，雙翼深松鏟側方向上的受力非常小。

（3）在深松速度0.4～1.2 m/s與深松深度220～300 mm，深松速度和深松深度對雙翼深松鏟前進方向的受力均有較大的影響，隨著深松深度和速度的不斷增加，前進方向的阻力不斷增大；深松深度對雙翼深松鏟豎直方向的受力有較大影響，豎直方向的受力隨著深松深度的增加而變大，而深松速度對雙翼深松鏟豎直方向的受力基本沒有影響。

參考文獻

［1］ 陳崗，董繼翠，李文標，等.翻耕和松耕深度對紫色土中田煙和地煙主要農藝性狀和產質量的影響［J］.安徽農業科學，2022，50（13）：32-37.

［2］ 孔羿勛，楊丹彤，王曦成，等.基于DEM-MBD耦合預破土組合深松鏟仿真研究［J］.安徽農業科學，2021，49（9）：192-195.

［3］ 李博.基于離散元法的深松鏟減阻及耕作效果研究［D］.楊凌：西北農林科技大學，2016.

［4］ 頓國強，陳海濤，李興東，等.基于EDEM的輕型鑿式深松鏟土壤耕作載荷仿真分析［J］.農機化研究，2018，40（3）：8-12.

［5］ 杭程光.基于離散元方法的深松土壤擾動行為研究［D］.楊凌：西北農林科技大學，2017.

［6］ 鄭侃，何進，李洪文，等.基于離散元深松土壤模型的折線破土刃深松鏟研究［J］.農業機械學報，2016，47（9）：62-72.

［7］ 袁軍.基于DEM-MBD耦合的自激振動深松機作業過程仿真分析與試驗研究［D］.長春：吉林大學，2022.

［8］ 張喜瑞，曾望強，劉俊孝，等.基于離散元法的磚紅壤斜柄折翼式深松鏟設計與試驗［J］.農業機械學報，2022，53（3）：40-49.

［9］ 張智泓，甘帥匯，左國標，等.以砂魚蜥頭部為原型的仿生深松鏟尖設計與離散元仿真［J］.農業機械學報，2021，52（9）：33-42.

［10］ 蔣嘯虎.基于土壤動力學的減阻深松鏟及耕深檢測裝置設計與研究［D］.長春：吉林大學，2021.

［11］ 王學振.土壤-帶翼深松鏟互作關系及其效應研究［D］.楊凌：西北農林科技大學，2021.

基金項目 云南省重大科技計劃專項（2018ZC001-303）；云南省教育廳科學研究基金項目（2022J1241）。

作者簡介 孫坤鵬（1981—），男，安徽淮北人，講師，從事機械研究和教學工作。

收稿日期 2022-08-10