基于離散元法的彈齒式秸稈清理裝置建模與仿真

摘要：針對現有免耕播種機秸稈清理裝置作業效果不佳的問題，設計一種彈齒式秸稈清理裝置。利用離散元法建立彈齒式秸稈清理裝置清秸作業仿真模型，進行仿真試驗，確定裝置的最佳參數組合，以期為秸稈清理裝置優化設計提供參考。

關鍵詞：免耕播種機； 離散元法； 秸稈清理裝置

中圖分類號：S220.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）04-0035-03

保護性耕作是一種現代農業方法，其核心在于利用農作物的殘余物如秸稈和根茬對耕地進行覆蓋，同時采用減少或免除翻耕的播種方式[1]。這種耕作方式要求在地表保留一定量的農作物殘余物，并在這些覆蓋物下進行播種，以達到保護土壤和提高農業生產效率的目的。離散元法是將研究對象視為由許多離散顆粒組成的集合體，通過計算這些顆粒之間的相互作用和運動規律來模擬整個系統的行為[2-3]。在秸稈覆蓋條件下，免耕播種機作業時存在秸稈清理效果不佳、易出現堵塞等問題。利用離散元法建立彈齒式秸稈清理裝置清秸作業仿真模型，并完成裝置的參數優化，以改善秸稈清理效果，保證播種質量。

1 裝置結構與工作原理

彈齒式秸稈清理裝置主要由清秸支架和彈齒清秸部件組成，其結構如圖1所示。

清秸支架連接在主機架上，2 個彈齒清秸部件對稱連接在清秸支架上，且位于主機架上安裝的破茬刀兩側；彈齒清秸部件與地面接觸，通過摩擦帶動其沿地面轉動以清理秸稈。該裝置彈齒清秸部件撥草、防纏能力強，防堵效果好，能夠實現播種時對苗帶區秸稈及雜草進行有效清理，解決了現有免耕播種機清秸裝置作業效果差的問題。

2 離散元仿真

2.1 離散元模型建立

首先建立土槽模型。為簡化仿真過程，土壤顆粒模型采用直徑8 mm的球體模型；粉碎秸稈顆粒采用8個半徑10 mm、球心距10 mm的球體組成的長線性模型。利用三維制圖軟件Solidworks 對彈齒清秸裝置進行建模。對模型進行簡化處理，去除無關部件，保留2 個彈齒清秸部件，再以.STEP 格式導入Geometry中，設置模型材質為45號鋼。參考相關文獻設置模型的各項參數（見表1）。

仿真模型各材料間的接觸參數見表2。建立的虛擬土槽模型如圖2所示。在虛擬仿真過程中，設置彈齒清秸裝置位于土槽一側進行初始作業。

2.2 離散元仿真試驗

為評價苗帶秸稈清理效果，以苗帶秸稈清理率為評價指標，以前進速度、彈齒圓周分布數量、彈齒直徑為試驗因素，在EDEM中進行二次回歸組合仿真試驗。根據理論分析與預試驗，確定前進速度取值范圍7～9 km/h，彈齒圓周分布數量范圍12～18個，彈齒直徑取值范圍4～8 mm。根據Design-Expert軟件中Box-Behnken 設計原理，確定試驗因素水平（見表3）。

利用EDEM 軟件后處理中的Setup Selections 功能，通過計算寬度為160 mm的長方形區域內清理前后秸稈數量的變化，得到相應的苗帶秸稈清理率。

2.3 仿真試驗結果與分析

利用Design-Expert軟件對試驗數據進行處理和分析。仿真試驗點方案與結果見表4。

利用Design-Expert軟件對表4中的試驗數據進行擬合與因素方差分析，以建立苗帶清秸率二次回歸模型。回歸模型的顯著性檢驗結果見表5。

由表5可見，X1、X2、X3、X22 的系數達到極顯著水平（Plt;0.01），其余項不顯著。回歸模型Plt;0.001，失擬項P=0.672 8，回歸模型極顯著且失擬項不顯著，回歸有效。根據二次回歸分析結果可知，彈齒數量對苗帶清秸率的影響最大，其次為裝置前進速度和彈齒直徑；當裝置前進速度和彈齒直徑固定時，苗帶清秸率隨彈齒數量的增加而增大，彈齒數量增加會增大秸稈被撥、拋的頻率，從而提高苗帶清秸率；當彈齒數量和彈齒直徑固定時，苗帶清秸率隨裝置前進速度的增大而增大；當彈齒數量和裝置前進速度固定時，苗帶清秸率隨彈齒直徑的增大而增大，這是因為彈齒直徑增大可以增加彈齒與秸稈之間的接觸面積。

為得到裝置的最優參數組合，進行多目標參數優化，再結合試驗約束條件，建立約束函數模型為：

利用Design-Expert軟件中的Optimization模塊對數學模型進行分析求解。根據實際情況，得到優化的3個參數分別為彈齒數量12個、彈齒直徑7.8 mm、裝置前進速度8.6 km/h，此時苗帶清秸率為87.9%。

3 結論

基于離散元法建立彈齒式秸稈清理裝置清秸作業仿真模型，通過仿真試驗優化確定裝置的最佳參數為彈齒數量12個、彈齒直徑7.8 mm、前進速度8.6km/h，此時經離散元仿真試驗驗證的苗帶清秸率為87.9%，可為秸稈清理裝置的優化研究提供數據支撐。

參考文獻

[1] 何進，李洪文，陳海濤，等.保護性耕作技術與機具研究進展[J].農業機械學報，2018，49（4）：1-19.

[2] 王奇，賈洪雷，朱龍圖，等.免耕播種機星齒凹面盤式清秸防堵裝置設計與試驗[J].農業機械學報，2019，50（2）：68-77.

[3] 于暢暢，王慶杰，李洪文，等.螺旋切分式種帶清理裝置設計與試驗[J].農業機械學報，2020，51（S2）：212-219.