微耕機(jī)水田旋耕刀片切土作業(yè)過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真

楊　望，路　宏，楊　堅(jiān)，楊紅艷

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004)

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微耕機(jī)水田旋耕刀片切土作業(yè)過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真

楊望，路宏，楊堅(jiān)，楊紅艷

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：針對(duì)微耕機(jī)旋耕作業(yè)部件與水田土壤間的作用機(jī)理研究匱乏，作業(yè)過(guò)程出現(xiàn)碎土性能差、效率低、和功耗大等問(wèn)題，以1WGQ4型微耕機(jī)為對(duì)象，采用有限元法(FEM)和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法 (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH) 的耦合方法，構(gòu)建土壤-旋耕作業(yè)部件系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，在細(xì)觀上對(duì)旋耕作業(yè)部件刀片與水田土壤間的作用過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)果表明：構(gòu)建的土壤-旋耕作業(yè)部件系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型精度高；水田旋耕刀片向后拋起的土壤少，與擋板碰撞破碎的土壤少，水田微耕機(jī)采用前耕后驅(qū)設(shè)計(jì)方案有利于提高其碎土性能。

關(guān)鍵詞：微耕機(jī)；水田；旋耕；動(dòng)力學(xué)仿真

0引言

南方丘陵地區(qū)廣泛應(yīng)用微耕機(jī)進(jìn)行旋耕作業(yè)，而微耕機(jī)旋耕作業(yè)部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)微耕機(jī)的作業(yè)性能有較大的影響。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用物理試驗(yàn)和理論分析方法，對(duì)其旋耕作業(yè)性能影響大的參數(shù)進(jìn)行了較多的研究，取得了較多的成果[1-6]；但由于水田土壤性質(zhì)復(fù)雜，致使旋耕作業(yè)部件與土壤間的作用機(jī)理變得復(fù)雜，采用一般的物理試驗(yàn)方法較難探明其復(fù)雜的相互作用機(jī)理。目前，水田作業(yè)時(shí)微耕機(jī)的旋耕作業(yè)部件與土壤間的作用機(jī)理不詳，導(dǎo)致微耕機(jī)在作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)碎土性能和平穩(wěn)性差、效率低、功耗大、纏草嚴(yán)重等問(wèn)題。因此，開(kāi)展水田作業(yè)的微耕機(jī)旋耕部件切土機(jī)理及旋耕部件參數(shù)對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響規(guī)律研究，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)提高微耕機(jī)的工作性能具有重要意義。本文以1WGQ4型微耕機(jī)的旋耕作業(yè)部件為對(duì)象，采用有限元法(FEM)和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法 (SPH)的耦合方法，構(gòu)建水田土壤-旋耕作業(yè)部件系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，在細(xì)觀上對(duì)旋耕作業(yè)部件刀片與水田土壤間的作用過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，為水田作業(yè)的微耕機(jī)旋耕作業(yè)部件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1結(jié)構(gòu)和工作原理

1WGQ4型微耕機(jī)是一種前耕后驅(qū)的微耕機(jī)，主要由機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、減速箱、寬型水田輪和旋耕作業(yè)部件等組成，如圖1所示。

圖1　1WGQ4型微耕機(jī)

1WGQ4型微耕機(jī)作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)減速箱和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳輸?shù)綄捫退镙喓托鳂I(yè)部件；前面的旋耕作業(yè)部件旋轉(zhuǎn)切削土壤，且把切下的土塊拋向擋泥板進(jìn)行破碎，而后面的寬型水田輪驅(qū)動(dòng)機(jī)組前進(jìn)；同時(shí)，寬型水田輪起到對(duì)旋耕作業(yè)部件切出的大塊土壤進(jìn)行碾壓破碎和攪動(dòng)混土作業(yè)。

2動(dòng)力學(xué)仿真模型

2.1模型的建立

1WGQ4型微耕機(jī)旋耕作業(yè)部件由刀軸、刀座、刀片、支架和動(dòng)力傳動(dòng)裝置等組成，刀片在刀軸上按螺旋線方式排列，如圖2所示。

由于旋耕作業(yè)部件比土壤的剛度大得多，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，建模時(shí)把其建成剛體。為了便于建模，把旋耕作業(yè)部件簡(jiǎn)化為刀軸和刀片直接連接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸與物理樣機(jī)的相同，刀片的最大回轉(zhuǎn)半徑為150mm，刀軸長(zhǎng)為700mm(中部有100mm寬的支架)，切土深度85mm(由田間試驗(yàn)獲得)。同時(shí)，由于旋耕作業(yè)部件具有對(duì)稱(chēng)性，只建安裝刀片的刀軸1/2模型，軸長(zhǎng)為300mm。由于刀片作用范圍為水田耕作層土壤，為了節(jié)省仿真計(jì)算時(shí)間，建模時(shí)只建耕作層土壤，除作業(yè)面外土壤底部和四周采用全約束。土壤模型為長(zhǎng)方體，尺寸為800mm×600mm×180mm。

圖2　旋耕作業(yè)部件的結(jié)構(gòu)圖

2.2模型材料

旋耕作業(yè)部件選用SOLID164實(shí)體單元類(lèi)型建模，定義為剛性材料。材料參數(shù): 密度為7 800kg/m3，彈性模量為2×1011Pa, 泊松比為0.27。土壤材料采用MAT_FHWA_SOIL材料模型，其針對(duì)實(shí)體單元且考慮了含水率、應(yīng)變軟化、應(yīng)變率效應(yīng)、孔隙比及孔隙水壓力等的影響和單元?jiǎng)h除[7]。為了解決土壤產(chǎn)生大變形時(shí)引起網(wǎng)格畸變，造成數(shù)值模擬計(jì)算失效的問(wèn)題，耕作層土壤采用SPH方法進(jìn)行建模[8-9]。土壤參數(shù)由物理試驗(yàn)和利用反求技術(shù)獲得，建模水田土壤的具體參數(shù)如表1所示。

表1　土壤參數(shù)

2.3網(wǎng)格劃分和加載

網(wǎng)格劃分直接影響到模型的計(jì)算精度和運(yùn)算時(shí)間。網(wǎng)格劃分細(xì)，計(jì)算精度高，但運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)；而網(wǎng)格劃分過(guò)粗，則計(jì)算精度低，且易發(fā)生穿透。由于刀片曲面復(fù)雜，本文旋耕作業(yè)部件采用四面體的自由網(wǎng)格劃分，而土壤模型為長(zhǎng)方體，采用六面體的掃掠式劃分。旋耕作業(yè)部件的單元數(shù)為15 115，耕作層土壤的單元數(shù)為497 310。

根據(jù)旋耕作業(yè)部件的實(shí)際工作情況，設(shè)置刀軸轉(zhuǎn)速為15.7rad/s，前進(jìn)速度為0.4m/s。土壤和刀片間定義為點(diǎn)面自動(dòng)接觸，靜摩擦因數(shù)為0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.25。建立的土壤-旋耕作業(yè)部件系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖3所示, 其作業(yè)過(guò)程仿真圖如圖4所示。

圖3　土壤-旋耕作業(yè)部件系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型

圖4　旋耕作業(yè)部件作業(yè)過(guò)程仿真圖

3模型的驗(yàn)證

由于微耕機(jī)在水田作業(yè)時(shí)直接測(cè)定刀軸的扭矩較困難，本文采用由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的旋耕消耗功率[10]與仿真獲得的旋耕消耗功率比較驗(yàn)證模型的精度。旋耕消耗功率經(jīng)驗(yàn)公式為

N=0.1KλavmB

(1)

其中，N為旋耕作業(yè)部件切土、拋土消耗功率(kW)；a為切土深度(cm)；vm為機(jī)組前進(jìn)速度(m/s)；B為耕幅(m)；Kλ為旋耕比阻(N/cm2)。

旋耕比阻為

Kλ=KgK1K2K3K4

(2)

其中，Kg為土壤堅(jiān)實(shí)度(N/cm2) ；K1為深耕修正系數(shù)；K2為土壤含水率修正系數(shù)；K3為秸稈殘茬植被修正系數(shù)；K4為作業(yè)方式修正系數(shù)。本文根據(jù)試驗(yàn)的水田土壤實(shí)際情況，取Kg=16，K1=0.65，K2=0.9，K3=0.5，K4=0.6。

當(dāng)切土深度a= 8.5cm、前進(jìn)速度vm=0.4m/s、耕幅B=0.7時(shí)，由式(1)、式(2)得旋耕消耗功率為0.67kW；而在相同條件下的仿真結(jié)果是：旋耕消耗功率為355W，其2倍值為 0.71kW。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值和仿真值的相對(duì)誤差約為5.6%，表明建立的土壤-旋耕作業(yè)部件系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型精度較高，可用于水田土壤切削過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真研究。

4刀片切割土壤過(guò)程分析

圖5是單刀片切土、拋土過(guò)程的仿真截圖。為了較好地描述刀片側(cè)刃和刀頭對(duì)土壤的切割作用過(guò)程，仿真截圖在寬度方向不同位置分別截取了不同厚度的土壤。

由圖5(a)、(b)、(c)可知：隨著刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)和刀軸的前移，刀片側(cè)刃開(kāi)始接觸土壤，在土壤的長(zhǎng)度方向?qū)ν寥肋M(jìn)行切割；且隨著刀片的下行，側(cè)刃對(duì)土壤的切割作用不斷加強(qiáng)，土壤受到的切割應(yīng)力不斷增大，側(cè)刃下方土壤顆粒被擠壓，向下和向側(cè)刃口的兩邊移動(dòng)，土壤被鋒利的側(cè)刃口逐漸切開(kāi)。由圖5(d)、(e)、(f)可知：當(dāng)?shù)镀额^接觸土壤下行時(shí)，在土壤的寬度方向?qū)ν寥肋M(jìn)行切割；且隨著刀頭的下行，刀頭刃口對(duì)土壤的切割作用不斷加強(qiáng)，土壤受到的切割應(yīng)力不斷增大，刀頭刃口的下、后方土壤顆粒被擠壓，向下和向刀頭刃口內(nèi)側(cè)移動(dòng)，土壤被鋒利的刀頭刃口逐漸切開(kāi)。由圖5(g)、(h)可知：當(dāng)?shù)镀额^向后上方運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀片刀頭向后上方逐漸切開(kāi)土壤，受刀頭作用被切開(kāi)的土壤先被抬升，后隨著刀片刀頭支持作用的減弱；且由于水田土壤強(qiáng)度小，刀片刀頭前方被切開(kāi)的土壤在自身重力的作用下折斷、回落，但被切割分離的土壤與刀頭運(yùn)動(dòng)軌跡間存在一定的空隙。由圖5(i)可知:由于水田土壤強(qiáng)度小，大部分被切開(kāi)的土壤已折斷、回落，且刀頭與土壤的摩擦系數(shù)小，因此只有最后接觸刀頭的小部分土壤向后上方被拋出，表明水田旋耕作業(yè)時(shí)被刀片切下的土塊與擋板碰撞的少，影響了其碎土性能。因此，對(duì)于水田旋耕作業(yè)的微耕機(jī)，應(yīng)采用前耕后驅(qū)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用寬型驅(qū)動(dòng)輪對(duì)切下的土塊進(jìn)行進(jìn)一步的碾壓和攪動(dòng)有利于達(dá)到旋耕作業(yè)的目的。

圖5　單刀片切、拋土壤過(guò)程仿真截圖

圖6是刀片切割土壤的阻力變化曲線圖。由圖5(a)～(e)和圖6可知：在刀片入土切割0.025～0.08s期間，隨時(shí)間的增加，土壤切割阻力快速增大，且在時(shí)間t=0.08s時(shí)切割阻力達(dá)到最大值。其原因是：在這段時(shí)間刀片向下后方切土，被切土壤受下方土壤的約束強(qiáng)，故土壤切割阻力快速增大。由圖5(f)～(i)和圖6可知：在刀片切土0.08～0.16s期間，隨時(shí)間增加，土壤切割阻力先平緩減小，后快速減小，且拋土的阻力小。其原因是：在0.08～0.14s間，刀片雖然已向后上方切土，被切土壤的上方土壤不受約束，這時(shí)上方土壤還較厚，故隨時(shí)間增加，土壤切割阻力平緩減??；但在0.14～0.16s間，由于已被切開(kāi)的土壤相繼產(chǎn)生了折斷、回落，且被切土壤上方的土壤厚度已較小，故隨時(shí)間增加，土壤切割阻力快速減小，而拋土的阻力小是因?yàn)榈镀蚝笊戏綊伷鸬耐寥郎佟?/p>

圖6　刀片切割阻力變化曲線

5結(jié)論

1)采用有限元法(FEM)和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法 (SPH) 的耦合方法構(gòu)建的土壤-旋耕作業(yè)部件系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型精度高，可用于旋耕作業(yè)過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真分析。

2)水田旋耕作業(yè)時(shí)刀片向后拋起的土壤少，被刀片切下的土塊與擋板碰撞少，影響了其碎土性能。

因此，水田微耕機(jī)采用前耕后驅(qū)的設(shè)計(jì)方案，利用寬型驅(qū)動(dòng)輪對(duì)被切下的土塊進(jìn)行進(jìn)一步碾壓和攪動(dòng)，有利于提高旋耕作業(yè)的碎土性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jafar Habibi Asl, Surendra Singh. Optimization and evaluation of rotary tiller blades: Computer solution of mathematical relations[J].Soil & Tillage Research, 2009, 106: 1-7.

[2]Niyamapa Tanya, Chertkiattipol Sirisak.Development of blades for rotary tiller for use in Thai soils[J].Journal of Food Agriculture& Environment ,2010, 8(3-4): 1336-1344.

[3]K.S. Lee, S.H. Park, W.Y. Park, et al. Strip tillage characteristics of rotary tiller blades for use in a dryland direct rice seeder[J]. Soil & Tillage Research , 2003 , 71 :25-32.

[4]丁為民,徐志剛,汪小函.斜置旋耕刀滑切角及其方程[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,18(3):49-53.

[5]高建民,桑正中.斜置旋耕刀側(cè)切刃曲線的理論研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2001,32(2):24-26.

[6]汲文峰,賈洪雷,佟金,等. 通用刀片功率消耗影響因素分析與田間試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,41(2):35-41.

[7]Lewis B A.Manual for LS-DYNA soil material model 147[R].Department of Transportation: Federal Highway Administration,2004:10-13.

[8]楊望，楊堅(jiān)，賈豐云，等. 種植于紅粘土的木薯塊根挖掘作業(yè)數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(9)：135-143.

[9]楊望，蔡敢為，楊堅(jiān). 土壤直剪試驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(7)：96-101.

[10]中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院. 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(上)[K].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社, 2007.

Dynamic Simulation of Rotary Tillage Blade’s Cutting Process on Paddy Field

Yang Wang, Lu Hong, Yang Jian, Yang Hongyan

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：Interaction mechanism of rotary tiller’s rotary operation components and soil is unknown on paddy field. In the operation process, poor pulverizing ability and stability, low efficiency, and large power consumption occurs. “1WGQ4” micro-tillage machine was used as the study object. Dynamics simulation model of soil - rotary tillage operation components system was established. The coupling method of finite element method (FEM) and smooth particle hydrodynamics method (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH) was used in the model. The dynamic analysis of interaction process of rotary tillage blade and soil was studied in meso-level. The results show that the dynamics simulation model has high precision. The soil was less thrown up backward by rotary blade, which decreases the impact pulverizing effect of the soil and flapper. Using tilling at first and then driving, the pulverizing effect of paddy-field rotary tiller can be increased.

Key words：rotary tiller; paddy field; rotary tillage blade; dynamics simulation

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0074-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S222.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：楊望(1984-)，男，廣西合浦人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)yanghope@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51365005) ； 玉林市科技項(xiàng)目(玉市校科產(chǎn)201306802)

收稿日期：2015-05-06