起壟機(jī)起壟過程仿真及分析

楊 娜，安宗文

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

起壟機(jī)被廣泛應(yīng)用于蔬菜類、大豆類以及薯類等田間耕作后的起壟作業(yè)。起壟機(jī)起壟作業(yè)是整個薯類種植中最關(guān)鍵的一道工序[1-3]。目前，大多數(shù)地區(qū)還依靠人工起壟，不僅生產(chǎn)效率低，且還費(fèi)時費(fèi)力，尤其在播種期搶農(nóng)時[4]?，F(xiàn)有的起壟機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度不一致，機(jī)具不可靠和壟型變異率較高等問題[5]。近年來，薯類種植面積逐年擴(kuò)大，人工起壟方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足薯類種植發(fā)展要求，雖然科研和技術(shù)人員針對現(xiàn)有市場上各類起壟機(jī)的不足進(jìn)行了改進(jìn)，但依然出現(xiàn)機(jī)具不可靠等問題。國外如英國、美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家，薯類的種植面積很廣泛，而且是產(chǎn)業(yè)化、集群化種植模式發(fā)展。薯類種植起壟作業(yè)由實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)正向智能化、系統(tǒng)化收獲方式轉(zhuǎn)變[5]。

起壟機(jī)作業(yè)時既要構(gòu)建壟型，又要盡量降低功耗、防止擁土。其中減小阻力能有效提升作業(yè)效率。分析研究起壟機(jī)各組成部件在起壟過程中的作用，筆者應(yīng)用離散元法(Discrete distinct Element Method)模擬起壟過程[6]。離散元法已巖土工程領(lǐng)域發(fā)展，而農(nóng)業(yè)工程中更適用的顆粒離散元研究相對緩慢[7]。李艷潔等人對土壤試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)與離散元法模擬對比研究，驗(yàn)證離散單元法模擬土壤是可行性的[8]。于建群采用離散元法分析開溝器的工作過程以從細(xì)觀角度詳細(xì)分析不同條件下開溝器的工作過程及工作阻力[9]。李艷潔基于彈簧線性接觸模型的離散元法對圓錐貫入沙土的動態(tài)過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析了土壤顆粒位移和速度場的變化規(guī)律等[10]。而將離散單元法應(yīng)用于土壤起壟過程仿真尚無見報道。

在以上研究基礎(chǔ)上對所設(shè)計的起壟機(jī)進(jìn)行了基于離散單元法的土壤挖掘數(shù)值模擬，分析起壟機(jī)各個組成部件在起壟過程中的作用，研究起壟機(jī)作業(yè)阻力，以期為起壟機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論參考。

1 仿真模型建立

1.1 起壟機(jī)模型

如圖1所示，起壟機(jī)由起壟犁、機(jī)架、鎮(zhèn)壓板和鎮(zhèn)壓滾筒組成。機(jī)架主要用于安裝起壟各關(guān)鍵部件，起壟犁主要完成從兩側(cè)向中間翻滾土壤，并通過左右鎮(zhèn)壓板對翻后的土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓和定型，鎮(zhèn)壓板是通過拉簧的拉力來實(shí)現(xiàn)對土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓的，鎮(zhèn)壓滾筒利用自身重力來對起壟后的土壤向下壓實(shí)。

圖1 起壟機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)1.機(jī)架 2.起壟犁 3.壟側(cè)鎮(zhèn)壓板 4.鎮(zhèn)壓輥筒

1.2 土壤模型

1.2.1土壤模型參數(shù)確定

測定、計算、預(yù)測校核的土壤離散元法仿真模型所需參數(shù)如表1所示。

表1 離散元法仿真的參數(shù)

試驗(yàn)地土壤為沙壤土，既有散粒體物料特性又有一定的壓縮性。采用的土壤接觸模型為HSCM，并在其法向增加LCM。根據(jù)HSCM及LCM確定土壤基本物理參數(shù)、接觸力學(xué)參數(shù)和接觸模型參數(shù)?；疚锢韰?shù)包括顆粒粒徑分布、土粒密度、剪切模量、泊松比、容重。由于水的作用，土壤顆粒群內(nèi)形成的液橋使土壤顆粒之間產(chǎn)生內(nèi)聚力，通過土壤剪切試驗(yàn)獲取不同含水率土壤的抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角，LCM模型參數(shù)能量密度分別等于6種不同含水率條件下的土壤內(nèi)聚強(qiáng)度，HSCM模型參數(shù)屈服強(qiáng)度通過土壤貫入試驗(yàn)獲得，顆粒間的阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)采用EDEM軟件默認(rèn)值，分別為0.05、0.95[11-12]。接觸力學(xué)參數(shù)包括恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)。

1.2.2土壤仿真模型建立

將Solidworks中創(chuàng)建起壟機(jī)模型導(dǎo)入EDEM中。在EDEM中建立土槽模型，尺寸為4 000 mm×1 200 mm×600 mm。顆粒數(shù)越多會成倍增加仿真時間，顆粒數(shù)較少會影響仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，綜合考慮選擇土粒徑半徑為20 mm。土顆粒模型由土槽上面的虛擬面生成，顆粒填充滿土槽為止，根據(jù)土槽體積、土壤的孔隙率及單個土壤顆粒體積，選擇生成45 600個土壤顆粒。重力加速度設(shè)為沿y軸負(fù)方向?yàn)?.81 m/s2，生成的起壟仿真模型如圖2所示。

圖2 起壟仿真模型1.起壟機(jī)模型 2.土槽模型

2 起壟仿真過程及結(jié)果分析

借助離散單元法EDEM軟件對起壟土壤過程進(jìn)行仿真研究。觀察起壟機(jī)不同部件(起壟犁、起壟犁后板、壟側(cè)鎮(zhèn)壓板和鎮(zhèn)壓輥筒)在起壟過程中發(fā)揮的作用，為保證起壟機(jī)作業(yè)過程的效率和穩(wěn)定性，需分析起壟過程受到的各種阻力。

2.1 仿真過程

總仿真時間為27.5 s，9.5 s的用于生成土顆粒，剩余時間用于起壟作業(yè)。在實(shí)際的起壟工作過程中，起壟犁將前方的平面細(xì)碎土壤鏟起，土壤沿鏟面向上提升，起壟犁內(nèi)壁為犁曲面，土壤上升過程被折彎、翻轉(zhuǎn)、最后落地；位于其后的兩側(cè)鎮(zhèn)壓板將起壟型沿兩側(cè)與水平面以一定夾角刮平的粗壟，位于鎮(zhèn)壓板后方的鎮(zhèn)壓輥筒在上面壓平壟型，如圖3所示。

2.2 土壤受力分析

起壟犁起壟過程中受到土壤對其阻力，分為水平方向阻力、垂直方向阻力和左右阻力，水平方向阻力影響作業(yè)機(jī)的工作效率和能量消耗，垂直方向阻力對作業(yè)機(jī)的入土深度和機(jī)具上下平衡有著重要作用，左右阻力影響作業(yè)機(jī)前進(jìn)方向水平方向平衡，起壟機(jī)起壟過程受到的阻力如圖4所示。圖5為仿真壟體形狀和尺寸圖。

圖3 起壟仿真過程1.起壟犁鏟起、向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)、細(xì)碎土壤過程 2.起壟犁后板將壟型壓成長方體，使其形成基壟 3.壟側(cè)鎮(zhèn)壓板側(cè)面刮平 4.鎮(zhèn)壓輥筒將壟頂壓平，使其滿足壟體形狀和尺寸要求

圖4 起壟機(jī)起壟過程受到的阻力

圖5 仿真壟體形狀和尺寸

由圖5(a)可以看出，起壟機(jī)的各個部件逐漸入土，水平方向阻力呈上升趨勢，時間23.5～27.5 s期間水平阻力基本保持平衡，為5 500 N左右；隨著起壟機(jī)的各個部件入土，垂直方向阻力呈上升趨勢，時間17.5～27.5 s期間垂直阻力基本保持平衡，為1 300 N左右，該力可以與拖拉機(jī)重力之間保持穩(wěn)定；而起壟機(jī)前進(jìn)方向左右平衡阻力在0～27.5 s期間在y=0軸上下波動，說明起壟機(jī)可以在作業(yè)過程中保持水平穩(wěn)定。

2.3 壟體成型

膜上播種壟體農(nóng)藝要求的形狀、尺寸與仿真得到的壟體的形狀、尺寸基本一致，仿真得到的壟體的上邊長435 mm，下邊長624 mm，高219 mm，均處于農(nóng)藝要求范圍內(nèi)，且壟體截面形狀相同。

3 結(jié) 論

基于EDEM軟件對起壟機(jī)各個部件在起壟過程中發(fā)揮的作用及起壟阻力進(jìn)行研究。仿真結(jié)果表明：起壟機(jī)水平阻力保持在5 500 N左右；垂直阻力基本保持在1 300 N左右。壟體形狀為梯形，壟體的上邊長435 mm，下邊長624 mm，高219 mm。起壟機(jī)試驗(yàn)結(jié)果為壟面上底邊寬度的平均值為628 mm；壟面下底邊寬度的平均值為429 mm；壟高平均值為223 mm。