風沙土混拌刀具的改良設計與試驗

李明　董帥　龐永強　燕潔華　葉汪忠

摘要：為解決風沙土改良設備研制中存在的核心問題，探討混拌刀具與風沙土-改土材料間相互作用機理，以國標旋耕刀IT245為基礎，分析其作用原理，在此基礎上設計了專用于風沙土改良的混拌刀具，通過離散元仿真模擬及室內沙槽試驗，以改土材料體積比為評價指標對國標刀及專用刀具5層深度下的混拌效果進行分析。結果顯示，風沙土混拌刀具偏轉角度越大，改土材料體積比越大，當深度150—120 mm、偏轉角為60°時達到最大值（35.67%）；風沙土混拌刀具彎折角越大，改土材料體積比越大，當深度150—120 mm、彎折角為130°時達到最大值（36.02%）。風沙土混拌刀具與國標旋耕刀IT245混拌效果相比，深度越淺，改土材料體積比越大，混合效果越好，在深度90—60、60—30 mm時，偏轉角60°的風沙土混拌刀具作業后改土材料體積比分別比IT245增加了3.19%、5.11%。研究結果為風沙土混拌刀具及風沙土治理機械的設計與優化提供依據。

關鍵詞：風沙土；改土材料；離散元；混拌刀具；混拌效果

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0937

中圖分類號：S222.3 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）04008710

風沙土顆粒間缺乏有機膠體和無機膠體，具有結構松散、吸附能力弱、抗蝕性差、保水能力弱的特點，且對土壤風蝕的發生、發展有著重要影響[1]。風沙土治理措施主要包括生物治沙、工程治沙和化學治沙三類[2]，而風沙土改良是將風沙土與改土材料混合，通過控制風蝕、增加土壤養分、提高風沙土理化性質和改善風沙土土壤結構，為植被恢復提供基礎條件[3]。研究發現，秸稈、粉煤灰、生物炭、動物糞便等固體有機質可作為風沙土改良材料[2，4-7]。目前風沙土改良主要采取人工的方式將風沙土與改土材料混合，但人工成本高、效率低，難以大面積推廣，因此迫切需要發展機械化作業技術。基于此，本文嘗試開發風沙土改良的專用設備，其中如何高效地將風沙土與改土材料混拌均勻是設備開發中需解決的核心問題。

風沙土與改土材料都為顆粒狀固體，目前對顆粒材料的運動、受力、混合分析多采用離散元仿真試驗與室內試驗相結合的方式[8-11]。方會敏等[12]采用離散元法構建秸稈-土壤-旋耕刀相互作用的離散元模型，研究旋耕刀功耗及刀具作用下秸稈的位移。徐高明等[13] 利用Design-Expert 軟件，根據Box-Behnken 試驗原理研究了秸稈-土壤-旋耕機交互下的關鍵作業參數對秸稈位移和埋覆效果的影響，發現影響參數的主次順序為耕作深度、秸稈長度、刀軸轉速。楊玉婉等[14] 和張智泓等[15]設計仿生旋耕刀，通過土槽實驗及離散元仿真試驗研究刀具作業功耗。吳碩等[16]使用離散元法對番茄秸稈立式螺旋混合機理進行研究，對2種不同參數的顆粒材料進行混拌，研究影響混合均勻度的因素。還有學者對不同的混拌機械的混拌機理進行研究[17-20]。

旋耕刀常用于農耕土壤，刀具工作時具有碎土、翻土以及切土的作用[2122]。針對旋耕刀不適用于具有流動性的風沙土與改土材料混拌的問題，參照國標旋耕刀IT245的結構[23]，本研究設計一種專用于將風沙土與改土材料混拌均勻的刀具，通過混拌仿真試驗與室內沙槽試驗，探討混拌刀具-風沙土-改土材料相互作用機理，揭示混拌刀具結構與混合效果之間的關系，旨在為風沙土混拌設備及風沙土治理機械的設計與優化提供依據。

1 材料與方法

1.1 旋耕刀工作原理

旋耕刀由刀柄、側切面、側切刃、正切面、正切刃5部分組成，如圖1所示。旋耕刀安裝在刀軸的刀座上，刀軸帶動旋耕刀做圓周運動的同時跟隨旋耕機做直線運動，其運動軌跡為擺線[2324]，旋耕刀尖某一點的運動軌跡如圖2所示，運動軌跡方程如式（1）所示。

式中，x 為旋耕刀任一點的橫向位移，m；y 為旋耕刀任一點的縱向位移，m；vm為旋耕機前進速度，m·s-1；t 為旋耕刀旋轉到某一位置所用時間，s；R 為旋耕刀回轉半徑，m；ω 為旋耕刀角速度，rad·s-1。

旋耕刀任一點的運動速度方程如下。

式中，vx 和vy 分別為旋耕刀任一點的橫向速度，m·s-1；u 為旋耕刀旋轉線速度，m·s-1。

綜合式（1）（2），旋耕刀尖某點的絕對速度v計算公式如下。

1.2 風沙土混拌刀具設計

設計混拌刀具時簡化刃面曲線，增加刀具與改土材料的接觸面積，使更多的改土材料與刀具接觸。通過正切面直接作用風沙土壤來增大擾動面積，即改變刀具彎折線與豎直方向夾角（偏轉角α），使得正切面在入土時與土壤平面角度小于90°，鋪施在風沙土表面的改土材料受到刀具正切面的作用向下運動，進而更好地混拌到風沙土中。

彎折角β 大小會影響拋土高度及距離[25]，進而影響旋耕刀的作業質量。在設計風沙土混拌刀具時，彎折角的大小會影響改土材料的耕深及改土材料的混合均勻性，所以通過改變彎折角角度來設計混拌刀具。

以國標刀具IT245為基礎，風沙土混拌刀具的回轉半徑為245 mm，厚度為5 mm，正切面長度為50 mm，設計2組風沙土混拌刀具（圖3），第1組偏轉角α 分別為0°、15°、30°、45°、60°，彎折角β 為固定值90°；第2組彎折角β 分別為90°、100°、110°、120°、130°，偏轉角α為固定值0°。

1.3 離散元仿真試驗

1.3.1 試驗材料

風沙土樣本取自烏蘭布和沙漠，在100 m×100 m區域內隨機取樣，采集10個樣本，取樣面積為150 mm×150 mm，混拌刀具耕深150 mm，取樣深度為0—150 mm。通過烘干試驗測得風沙土含水率為0.32%，含水率低，風沙土顆粒之間無粘結力。篩分試驗測得風沙土粒徑及質量分數如表1所示。通過漏斗法測定風沙土堆積角為30.94°，測定風沙土堆積密度為1.44 g·cm-3。為了滿足重復試驗要求，改土材料選定為不溶于水的黑色橡膠顆粒，無黏性，其接觸參數與一般固體改土材料相似[28-30]。

1.3.2 接觸模型選擇

由于風沙土之間無粘結力，風沙土-風沙土、風沙土-混拌刀具、改土材料-混拌刀具都選用Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型。

1.3.3 仿真模型建立

按照實際的風沙土粒徑分布設置顆粒會導致仿真時間長、效率低等問題，因直徑0.075～0.500 mm 的風沙土顆粒占比大于95%，以此為基礎，將風沙土顆粒半徑放大10倍，設置風沙土顆粒平均半徑5 mm，隨機生成最大半徑為1.7倍平均半徑，最小半徑為0.3倍平均半徑，符合實際風沙土顆粒級配情況。風沙土的外形根據實際進行建模[25]，球型占總質量的50%，長條型占總質量的33%，棱型占總質量的17%，如圖4所示。通過風沙土堆積角仿真試驗標定風沙土之間及其與其他材料的接觸參數（表2）[27]，擬合邊緣曲線，得到風沙土堆積角為30.08°與實際風沙土堆積角誤差為2.78%。改土材料模型由半徑8 mm的標準球組成，隨機生成最大半徑為1.2倍平均半徑，最小半徑為0.8倍平均半徑。通過堆積角試驗標定改土材料間及其與其他材料接觸參數（表2）[28-30]。

沙槽尺寸為2 000 mm×600 mm×300 mm，沙槽和混拌設備都為鋼材，設定風沙土、改土材料、鋼材本征參數（表3），在沙槽底端投放風沙土顆粒7×105顆，鋪施厚度250 mm，在鋪施完成后的風沙土上方投放改土材料顆粒3 000顆，鋪施厚度為50 mm。

混拌設備模型如圖5所示，由3把風沙土混拌刀具圓周排列組成刀輪，2把為左旋，1把為右旋，相鄰2組刀輪間隔90 mm，6組刀輪按照單螺旋排列的方式通過刀庫安裝在刀軸上，組成刀輥，在刀輥上方設有外罩組成混拌設備，混拌試驗仿真模型如圖6所示。

1.3.4 仿真試驗及混拌效果評價方法

由于混拌設備的前進速度小、刀軸轉速大，在同一區域的混拌時間增加，有利于風沙土與改土材料混合均勻，但混拌時間過長會產生偏析效應，導致改土材料體積比下降；反之同一區域的混拌時間縮短，混拌次數減少，導致風沙土與改土材料混合不充分，不均勻。混拌刀具的耕深決定擾動風沙土的深度，通過多次試驗選用混拌設備前進速度0.3 m·s-1、刀具轉速250 r·min-1、耕深150 mm進行混拌試驗。

對安裝IT245及2組風沙土混拌刀具的混拌設備進行仿真試驗，待風沙土與改土材料混拌后，建立5層統計網格，長度1 000 mm，寬度550 mm，每層高度30 mm，共150 mm。M1表示深度150—120 mm；M2 表示深度120—90 mm；M3 表示深度90—60 mm；M4表示深度60—30 mm；M5表示深度30—0 mm，對每層混合效果進行評價。

改土材料體積比是評價混拌刀具是否能實現工作要求的重要指標，按照式（4）計算統計網格內改土材料的體積與統計網格的體積之比，最佳改土材料體積比為50%。在計算網格內顆粒體積時將邊界上整個顆粒的體積都統計在內，導致改土材料體積比比實際試驗的數值偏大，所以對統計網格的體積進行修正（式5），將統計網格的邊長改土材料的直徑增加8 mm后，計算仿真試驗改土材料體積。通過對比風沙土混拌刀不同α 角、β 角在深度M1、M2、M3、M4、M5時改土材料體積比的變化，分析偏轉角和彎折角對混拌效果的影響。

式中，I 為仿真試驗改土材料體積比，%；Vi為改土材料體積，mm3；V 為統計網格修正體積，mm3。

V = （a + d）（b + d）（c + d） （5）

式中，a、b、c 分別為統計網格長、寬、高，mm；d為改土材料直徑，mm。

1.4 室內沙槽試驗

1.4.1 試驗設備

根據沙區土壤松散流動特性及試驗要求，開發室內風沙土混拌試驗臺。試驗臺由沙槽、混拌設備、行走裝置及可變速的動力裝置組成，結構如圖7所示。其中混拌裝置安裝國標旋耕刀IT245，旋耕刀輥共安裝6組刀輪，刀輪間軸向距離為90 mm，耕幅為550 mm，每組刀輪由3把旋耕刀按圓周均勻布置，左右彎刀交替布置，軸向相鄰兩彎刀周向夾角60°，刀輪直徑490 mm。動力裝置由7.5 kW電機通過皮帶傳動帶動旋耕機構轉動，通過變頻控制器控制電動機轉速，實現旋耕刀不同的旋轉速度。

1.4.2 室內試驗及混拌效果評價方法

在沙槽內的風沙土上方鋪施50 mm改土材料，與仿真試驗相同，混拌設備的前進速度0.3 m·s-1、旋耕刀轉速250 r·min-1、耕深150 mm。

在國標旋耕刀IT245作用下，風沙土與改土材料在沙槽內混拌，使用改土材料體積比對刀具混拌效果進行評價。混拌入風沙土中的改土材料體積無法測量，所以通過統計改土材料的質量計算體積。取樣方法為：①采用專用取樣工具對9 個樣點取樣，取樣工具內徑為45 mm，高為150 mm的帶刻度亞克力透明圓管，采用垂直入土方式插入至耕深位置，然后在取樣管中加入適量蒸餾水，使樣本潤濕凝固后取出；②將樣本等分為5層，每層高度30 mm，放入有編號的器皿內進行干燥，得到體積相同的45 個的沙土混合樣本；③利用篩網將沙土和改土材料進行分離，分別統計每層每個樣本內改土顆粒的質量，計算其樣本中改土顆粒的體積，按式（6）計算室內試驗改土材料體積比來評價混拌效果。

式中，I'為室內試驗改土材料體積比，%；ρ 為改土材料密度，g·mm-3；mj 為樣本內改土材料質量，g；V'為樣本體積，mm3。

2 結果與分析

2.1 國標旋耕刀仿真與室內試驗結果分析

在前進速度0.3 m·s-1、刀軸轉速250 r·min-1、耕深150 mm作業后，仿真試驗與室內沙槽試驗結果變化趨勢一致（圖8），改土材料體積比隨著耕深的增加而降低，深度M5的改土材料體積比最大，混合效果最好，仿真試驗為37.71%，室內試驗為38.82%；深度M1改土材料體積比最小，仿真試驗為6.92%，室內試驗為7.21%。室內與仿真試驗改土材料體積比的相對誤差在深度M3最大（10.27%），在深度M5最小（2.86%），平均誤差小于10%。表明風沙土-改土材料離散元仿真模型的準確性。

2.2 混拌過程分析

對彎折線存在偏轉角的風沙土混拌刀具混拌過程進行分析，混拌刀具入沙時鋪施于風沙土表面的改土材料受到混拌刀具正切面的作用力向下運動，隨著刀具旋轉，正切面在豎直方向投影面積逐漸減小，與混拌材料的接觸面積也逐漸減小，深度越深，混拌入風沙土中的改土材料越少，刀具旋轉到最低點后，下層的風沙土顆粒受到刀具向上的作用力向上運動。第一把刀具入沙后，第二把刀具出沙，第三把刀具將風沙土和改土材料拋向混拌設備外罩，在外罩的反作用力下，風沙土與改土材料進一步混拌，又受到下一把刀具向下的作用力，使混合料向下運動，3把刀具往復循環，將改土材料混拌入風沙土中，如圖9所示。從混拌過程的仿真結果可以看出，在風沙土混拌刀具的作用下表層的物料逐步被混拌到土壤底層，隨著混拌時間的增加，改土材料明顯均勻分布在風沙土中。表明混拌刀具可實現風沙土與改土材料的混拌。

2.3 風沙土混拌刀具混拌結果分析

以偏轉角α 和彎折角β 為試驗因素，以改土材料體積比作為評價指標分別對5個深度的混合效果進行單因素試驗，并與國標旋耕刀進行對比。

2.3.1 偏轉角對改土材料體積比的影響

如圖10 所示，5 種偏轉角的風沙土混拌刀具，在深度M5的改土材料體積比無明顯分布規律，偏轉角為60°時達到最大值（35.67%）；在深度M4、M3、M2處，隨著偏轉角的增加，改土材料體積比也越大，風沙土與改土材料混拌越均勻，在這3個深度下偏轉角為60°的改土材料體積比對比0°、15°、30°、45°平均增加了7.56%、4.15%、2.83%、1.37%；在深度M1處改土材料體積比隨著偏轉角的增加而減少，此深度下偏轉角為60°的改土材料體積比相較于0°、15°、30°、45°分別減少了4.83%、4.74%、4.18%、1.72%。

綜上分析可知，風沙土混拌刀具偏轉角越大，正切面與改土材料的接觸面積越大，可使更多的上層改土材料混拌到M4、M3、M2層，但從刀具入沙旋轉到最低點，正切面豎直方向的投影面積逐漸減小，刀具與改土材料接觸面積也逐漸減少，使得混合比由深度M4、M3、M2逐漸減少。混拌刀具半徑的限制和刀具與固沙材料接觸面積減小的原因是，其不能使更多的改土材料混拌到M1層，導致M1層改土材料體積比小于其他層；刀具旋轉到最低點后，此時混拌入M1層的改土材料又受到正切面向上的作用力向上運動，且偏轉角度越大，與刀具接觸的改土材料越多，混拌到M1層的改土材料又運動到M2層，導致M1層改土材料體積比隨著偏轉角的增大而減小。表明偏轉角越大，改土材料與混拌刀具的接觸面積越大，混拌效果越好。

2.3.2 彎折角對改土材料體積比的影響

不同彎折角對改土材料體積比的影響如圖11所示。5種彎折角的風沙土混拌刀具在深度M5、M4、M3、M2時隨著彎折角的增大，改土材料體積比由小到大的彎折角依次為90°、100°、110°、120°、130°，即彎折角越大改土材料體積比越大，此深度下彎折角為130°的改土材料體積比相較于90°、100°、110°、120°平均增加了7.90%、5.96%、3.75%、2.41%。彎折角130°的混拌刀具改土材料體積比都為各層最大，在深度M5 達到最大值，為36.02%；在深度M1改土材料體積比最小，彎折角大小對改土材料體積比影響不明顯。綜上，彎折角對混拌效果有影響，隨著彎折角的增大，各層土壤的改土材料混合比呈增大的趨勢，表層趨勢尤為明顯，隨著耕層的不斷加深，其影響效果逐漸降低，不能夠達到深層混拌的效果，表明增加彎折角的旋耕刀對表層物料向下作用力增加不明顯。

2.3.3 風沙土混拌刀具與國標旋耕刀混拌效果對比分析

設計的2 類混拌刀具與國標旋耕刀的混拌效果類似，深度越淺改土材料體積比越大，混合效果越好，在深度M5時改土材料體積比最大，由M5 到M1 遞減，在深度M1 時改土材料體積比最小。

分別選取混拌效果好的60°偏轉角、130°彎折角的風沙土混拌刀具，對比分析風沙土專用刀具與國際旋耕刀混拌效果，結果如圖12所示。可以看出，風沙土混拌刀具與國際旋耕刀對改土材料的混拌效果類似，深度越淺改土材料體積比越大，混合效果越好，在深度M5 時改土材料體積比最大，由M5到M1遞減，在深度M1時改土材料體積比最小。其中，偏轉角60°的風沙土混拌刀具在深度M2、M3 時的改土材料體積比大于國標旋耕刀IT245，分別增加了5.11%，3.19%，在深度M1、M4、M5時國標旋耕刀的改土材料體積比大于風沙土混拌刀具，說明相較于國標刀，風沙土混拌刀具增加了偏轉角，使刀具正切面接觸面積增大，更好地使改土材料翻覆到深層，減少改土材料在表層的堆積。在深度M2、M3、M4、M5和彎折角130°時的風沙土混拌刀具改土材料體積比與國標旋耕刀IT245接近，國標旋耕刀的彎折角為120°，表明改變折彎角對改土材料的混拌效果影響不明顯。

3 討論

在以往的研究中，旋耕刀的作業對象為農耕土壤，土壤在旋耕刀正切刃、側切刃、刀背的綜合切削作用下破碎，淺層及中層土壤被旋耕刀旋轉拋出，深層土壤受到淺層、中層土壤擠壓以及重力作用被松散破碎，實現旋耕刀松土、碎土、拋土的切削過程，彎折角的大小影響旋耕刀作業質量及拋土高度[2122]。風沙土混拌刀具與旋耕刀工作環境不同，其作用對象為改土材料和風沙土，風沙土顆粒間無黏性、結構松散、具有流動性，使用混拌刀具進行作業時無需正切刃與側切刃破碎土壤，本文在設計混拌刀具時增加刀具正切面與改土材料的接觸面積，改變彎折角角度使風沙土與改土材料混拌均勻。研制專用于風沙土與改土材料混拌的刀具有利于改善風沙土理化性質，提高土壤生產力、防止土壤退化、使改良后的風沙土適宜植被的生長。

本研究以國標旋耕刀IT245為基礎，設計了5種不同偏轉角度、5種不同彎折角度的2組專用于混拌風沙土與改土材料的混拌刀具。通過室內沙槽試驗和離散元仿真模擬，對比國標旋耕刀與風沙土混拌刀具的混拌效果，研究偏轉角及彎折角對混拌效果的影響。結果表明，增大偏轉角可以增大刀具與土壤的作用面，而使表層的改土材料更容易翻覆到土壤深層，偏轉角越大，改土材料與混拌刀具的接觸面積越大，混拌效果越好。增大彎折角對土壤表層的混合效果有影響，但對深層影響不明顯。與旋耕刀混拌效果類似，由于混拌刀具半徑及接觸面積的限制，隨著深度的增加，混拌的效果越差。

本研究僅考慮了混拌刀具偏轉角和彎折角單因素對混合效果的影響，沒有考慮交互作用，即在5種彎折角度下，改變5種偏轉角，分析偏轉角，彎折角交互作用下對混拌效果的影響，也可對功耗、扭矩等因素綜合考慮，進一步優化混拌刀具的外形結構，提高混拌刀具的混拌效果，減少功耗。

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（責任編輯：溫小杰）

基金項目：國家重點研發計劃項目（2018YFC0507102）；內蒙古自治區高等學校科學研究項目（NJZY22520）；內蒙古自治區高等學校科學研究項目（NJZY21485）。