何曉寧 張學(xué)軍 趙 壯 尚書旗 王東偉 袁小偉
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 烏魯木齊 830052; 2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 青島 266109)
油莎豆是原產(chǎn)于非洲及地中海沿岸國家的一種草本植物[1-2],是集油、糧、牧、飼、綠化觀賞于一體的新型經(jīng)濟(jì)作物,具有適應(yīng)性廣、含油量高、營養(yǎng)價值高等特性[3-4]。目前,我國大多數(shù)地區(qū)油莎豆收獲以正旋旋耕和挖掘鏟式作業(yè)方式為主,但是由于正旋挖掘方式存在埋果率高、壅土嚴(yán)重,挖掘鏟式存在挖掘阻力大、土壤破碎率低等問題[5-6],無法滿足油莎豆規(guī)?;斋@要求。國內(nèi)外學(xué)者近年來對旋耕機(jī)理進(jìn)行深入研究,ASAF等[7]研究了旋耕刀動力預(yù)測模型,推導(dǎo)了旋耕刀對土壤切削時的支反作用力和扭力方程,闡明了挖掘阻力產(chǎn)生的原理,ROSA等[8]利用有限元方法模擬出刀具耕作時的工作情況,在以不同耕速比為變量前提下,得出刀具不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對于性能指標(biāo)的影響,LEE等[9]基于旱地水稻直播機(jī)的旋耕部件,研究旋耕刀在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)下對旋耕作業(yè)扭矩、碎土率的影響。
文獻(xiàn)[10-11]基于深松部件、旋耕部件作業(yè)之間的交互作用,設(shè)計了一種用于深耕的反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī),相比于普通深松旋耕聯(lián)合整地機(jī),牽引阻力降低了16.21%,方會敏等[12]建立了秸稈-土-旋耕刀離散元模型,進(jìn)行EDEM仿真試驗和田間試驗對比,結(jié)果顯示秸稈位移隨著轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)增加的趨勢,秸稈的水平運(yùn)動位移總是大于同轉(zhuǎn)速下的側(cè)向位移,同時闡明了土壤的破碎機(jī)理,郭俊等[13]為研究正、反旋兩種旋耕方式在不同轉(zhuǎn)速下土壤和秸稈位移情況,運(yùn)用示蹤法原理,對鋁塊和秸稈進(jìn)行標(biāo)記,試驗結(jié)果表明反轉(zhuǎn)旋耕破碎率優(yōu)于正旋。其他相關(guān)研究主要針對土壤破碎性能設(shè)計一種旋耕裝置,未結(jié)合油莎豆種植模式和收獲模式,適應(yīng)性差,無法滿足油莎豆收獲基本要求。
本文基于離散元原理與旋耕刀-油莎豆團(tuán)聚體力學(xué)模型,以反旋作業(yè)方式進(jìn)行運(yùn)動學(xué)以及旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)分析,建立油莎豆團(tuán)聚體離散元模型,通過EDEM仿真試驗,分析反轉(zhuǎn)旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)對試驗指標(biāo)影響規(guī)律,結(jié)合試驗結(jié)果,設(shè)計一種高效破土旋耕刀,以期解決油莎豆聯(lián)合收獲過程中挖掘阻力大、土壤破碎率低、埋果率高等問題。
由于油莎豆植株成簇生長,收獲期時根系發(fā)達(dá)且含土量高[14],如圖1所示。本文針對油莎豆種植模式進(jìn)行試驗分析,發(fā)現(xiàn)河南民權(quán)地區(qū)油莎豆種植特點:行距15~20 cm,株距12~16 cm,生長深度為12~15 cm,為挖掘裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。
為保證后續(xù)仿真試驗的精準(zhǔn)性和科學(xué)性,結(jié)合河南民權(quán)地區(qū)油莎豆種植土壤特點,通過五點取樣法進(jìn)行土壤性質(zhì)測定,得到其不同深度的土壤含水率、密度以及土壤堅實度,如表1所示。
表1 土壤物性參數(shù)Tab.1 Soil physical parameters
當(dāng)反轉(zhuǎn)旋耕刀切削土壤時,旋耕刀在任何時刻的絕對速度都是由機(jī)器前進(jìn)速度和刀軸轉(zhuǎn)速矢量合成,運(yùn)動軌跡模型如圖2所示,設(shè)A為旋耕刀刀尖,其坐標(biāo)為(X,Y),其運(yùn)動軌跡方程為
(1)
式中vm——前進(jìn)速度,m/s
R——刀軸回轉(zhuǎn)半徑,mm
α——彎折角,(°)
ω——刀軸角速度,rad/s
t——刀軸運(yùn)動時間,s
β——旋耕刀轉(zhuǎn)動角,(°)
λ——旋耕速比
對式(1)求導(dǎo)可得刀尖A(X,Y)處在x和y方向的分速度為
(2)
刀尖A處絕對速度為
(3)
聯(lián)立式(2)、(3)可得
(4)
其中
λ直接影響旋耕刀的運(yùn)動軌跡、切土節(jié)距以及機(jī)器功率損等工作性能。
切土節(jié)距計算式為
(5)
式中S——切土節(jié)距,mm
Z——刀軸上同一徑向旋耕刀數(shù)量
n——旋耕刀轉(zhuǎn)速,r/min
與正旋挖掘相比,機(jī)器以反旋的工作方式作業(yè)時,可以在低速下進(jìn)行挖掘作業(yè),保證機(jī)器在較低功耗下實現(xiàn)較高的土壤破碎率,提高機(jī)具的作業(yè)性能,同時土垡切削量小且穩(wěn)定,作業(yè)后土壤顆粒層次分布,通透性好,利于后續(xù)耕整地作業(yè)[15]。
在油莎豆反轉(zhuǎn)挖掘收獲過程中,旋耕刀正切刃和刀端彎曲部位首先開始切削土壤,然后正切刃由下至上切削土壤,正切面的主要功能為切土、碎土、拋土等,是反轉(zhuǎn)旋耕刀重要組成結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)對于挖掘性能有著重要影響,其中影響正切面的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有回轉(zhuǎn)半徑R、彎折角α以及單刀工作幅寬L[16],如圖3所示。本文結(jié)合油莎豆種植模式研究,將回轉(zhuǎn)半徑設(shè)為150 mm,通過改變彎折角α以及單刀工作幅寬L來改變正切面參數(shù),進(jìn)一步提高正切面的拋土性能,通過EDEM仿真探究其最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。
結(jié)合前面對于土壤的特性分析,本文以參數(shù)平均值建立土壤顆粒床模型,在確保試驗精度的前提下,將土壤顆粒進(jìn)行適當(dāng)放大,將土壤顆粒半徑設(shè)為5 mm,同時為了確保土壤環(huán)境的真實性,采用顆粒組合的方式將土壤顆粒模型設(shè)置為以下4種模型[17-19],即粒狀顆粒、團(tuán)粒狀顆粒、塊狀顆粒、桿狀顆粒,如圖4所示。
在實際油莎豆收獲過程中,油莎豆塊莖是挖掘過程中油莎豆團(tuán)聚體主要組成部分,很多學(xué)者在模擬試驗時,基本都忽略油莎豆塊莖的影響[20]。為精準(zhǔn)模擬在收獲過程中油莎豆塊莖與根系連接力破壞的影響規(guī)律,本文利用三維激光掃描技術(shù)確定油莎豆塊莖的形狀特征及三維尺寸,對油莎豆塊莖的形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描、曲面重構(gòu),得出塊莖的幾何體模型,利用EDEM軟件中的填充功能完成塊莖離散元模型的建立,對油莎豆塊莖三維尺寸進(jìn)行試驗分析,油莎豆塊莖長為12 mm,寬為10 mm,高為8 mm,如圖5所示。
為精準(zhǔn)模擬油莎豆收獲機(jī)在工作過程中旋耕刀與油莎豆團(tuán)聚體的接觸規(guī)律,建立油莎豆根系離散元模型。由于油莎豆根系具有柔軟、細(xì)長以及方向不一致等特點[21],本文對油莎豆根系建模進(jìn)行簡化處理,建立根系主要須莖,通過試驗統(tǒng)計與分析,油莎豆根系長度范圍為90~120 mm,半徑為0.05~0.2 mm,結(jié)合對油莎豆根系長度的試驗分析,通過顆粒組合的形式將油莎豆根系長度設(shè)為120 mm,如圖6所示。
3.4.1接觸模型
為精準(zhǔn)模擬河南民權(quán)地區(qū)粘性土壤性質(zhì),土壤顆粒之間的接觸模型選擇Hertz-Mindlin with Bonding模型,如圖7所示,該模型可以通過結(jié)合力將相鄰2個土壤顆粒粘結(jié)在一起,結(jié)合力可以承受切向和法向位移[22-24]。在實際田間作業(yè)過程中,土壤與土壤之間存在粘附力,挖掘鏟與土壤存在受力關(guān)系,該模型可以模擬土壤顆粒之間的粘結(jié)作用和土壤顆粒破碎的現(xiàn)象。
土壤顆粒間Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型計算式為
(6)
其中
(7)
式中Fn——法向接觸力,N
Ft——切向接觸力,N
Tn——法向力矩,N·m
Tt——切向力矩,N·m
vn——法向速度,m/s
vt——切向速度,m/s
kn——法向剛度,N/m
kt——切向剛度,N/m
ωn——法向角速度,rad/s
ωt——切向角速度,rad/s
A——單位接觸面積,mm2
J——慣性矩,mm4
δt——時間步長,s
Ra——顆粒粘結(jié)半徑,mm
土壤顆粒間法向和切向應(yīng)力達(dá)到一定極值時粘結(jié)鍵將會斷裂,設(shè)斷裂時法向應(yīng)力和切向應(yīng)力分別為σmax、τmax,當(dāng)粘結(jié)鍵斷裂時,有
(8)
3.4.2離散元參數(shù)設(shè)定
為了確保仿真試驗的準(zhǔn)確性,本文通過參數(shù)試驗以及查閱文獻(xiàn)[25],確定仿真試驗所涉及的接觸參數(shù)和基本物理參數(shù),如表2所示。
為模擬油莎豆挖掘裝置實際作業(yè)狀態(tài),根據(jù)河南民權(quán)地區(qū)油莎豆種植模式,運(yùn)用EDEM建立長1 200 mm、高400 mm虛擬土槽,其中油莎豆株距120 mm,行距150 mm,如圖8所示。
在虛擬仿真試驗過程中,將旋耕刀前進(jìn)速度設(shè)置為0.5 m/s,刀軸轉(zhuǎn)速30 r/min,旋耕刀彎折角110°,旋耕刀工作幅寬30 mm;為保證仿真過程精確性和連續(xù)性,設(shè)置仿真步長為3.14×10-6[26-28],網(wǎng)格單元尺寸9 mm,為最小顆粒半徑的3倍,顆粒粘結(jié)半徑為5.5 mm,顆粒生成時間0.4 s,仿真時長2 s,通過仿真試驗可得到旋耕刀對土壤的破碎情況,從EDEM后處理工具中導(dǎo)出旋耕刀所受阻力以及土壤破碎率的實時數(shù)據(jù)。
表2 離散元參數(shù)Tab.2 Discrete element parameter values
工作阻力是衡量聯(lián)合收獲機(jī)綜合性能的主要技術(shù)參數(shù),在旋耕刀工作過程中,通過EDEM后處理分析不同時刻下挖掘鏟與油莎豆團(tuán)聚體破壞動態(tài)過程,如圖9、10所示。
油莎豆反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)過程中(圖9、10),旋耕刀正切刃和刀端彎曲部位首先開始切削底層土壤,土壤垂直于旋耕刀尖上向上方及兩側(cè)運(yùn)動,深層土壤被打破,隨著旋耕刀不斷對中部土層進(jìn)行剪切、撕裂、翻轉(zhuǎn)、拋擲等作用,土壤失效區(qū)域范圍變大,呈松散狀態(tài),油莎豆塊莖和油莎豆根系受到擾動,如圖10所示,土壤呈紅色狀態(tài),逐漸沿旋耕刀尖切線方向運(yùn)動,在旋耕刀往復(fù)作用下油莎豆團(tuán)聚體在被破壞的同時被拋起,完成反轉(zhuǎn)挖掘過程。
為探究影響挖掘作業(yè)質(zhì)量的主要因素取值范圍,以彎折角α以及單刀工作幅寬L為試驗因素進(jìn)行單因素試驗,以工作阻力和刀軸扭矩為試驗指標(biāo),由上述旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)分析可知,油莎豆反轉(zhuǎn)作業(yè)質(zhì)量與彎折角α以及單刀工作幅寬L因素密切相關(guān),根據(jù)河南油莎豆種植農(nóng)藝要求,選取彎折角為90°~170°,工作幅寬為25~65 mm研究其對工作阻力和刀軸扭矩的影響規(guī)律,為后續(xù)多因素試驗提供理論基礎(chǔ)。
4.2.1單因素試驗
根據(jù)EDEM仿真數(shù)據(jù),導(dǎo)出工作阻力和刀軸扭矩在不同仿真時間段的變化規(guī)律,如圖11、12所示。在旋耕刀工作過程中,當(dāng)旋耕刀未接觸土壤時工作阻力和刀軸扭矩為0,隨著刀軸的轉(zhuǎn)動,旋耕刀開始切削土壤,所受工作阻力和刀軸扭矩開始逐漸增大,隨著切削運(yùn)動的進(jìn)行,旋耕刀切削土壤的體積不斷增加,當(dāng)旋耕刀開始接觸油莎豆團(tuán)聚體,對油莎豆團(tuán)聚體進(jìn)行破壞,旋耕刀所受阻力瞬間增大,在旋耕刀與油莎豆團(tuán)聚體破壞過程中耕深達(dá)到最大值時,所受阻力達(dá)到最大值;當(dāng)旋耕刀越過最大耕深時,切土體積逐漸減少,所受阻力相應(yīng)減少;由于旋耕刀在切削土壤時每轉(zhuǎn)過一定的角度都有相同的4把旋耕刀進(jìn)入土壤,因此刀軸在工作時受到的總阻力呈現(xiàn)周期性變化。
4.2.2彎折角α對試驗指標(biāo)的影響
固定旋耕刀前進(jìn)速度0.5 m/s,刀軸轉(zhuǎn)速30 r/min,旋耕刀工作幅寬30 mm,彎折角α分別取90°、110°、130°、150°和170°,進(jìn)行5組仿真試驗,以工作阻力和刀軸扭矩作為試驗指標(biāo),觀察旋耕刀所受三向阻力最大值的變化規(guī)律,如圖13、14所示。在彎折角90°~150°范圍內(nèi),彎折角的變化對于工作阻力影響較為顯著,旋耕刀所受三向阻力逐漸增加,在150°~170°之間,彎折角的變化對于工作阻力影響較低,旋耕刀所受三向阻力變化較為平穩(wěn);當(dāng)彎折角在90°~170°范圍內(nèi),對于x方向刀軸扭矩先增加至51 N,然后逐漸降低趨于平穩(wěn),當(dāng)彎折角在90°~150°范圍內(nèi),對于y、z方向刀軸扭矩變化影響顯著,在150°~170°區(qū)間范圍內(nèi)其刀軸扭矩變化趨于平穩(wěn)。
4.2.3工作幅寬L對工作阻力的影響
固定旋耕刀前進(jìn)速度0.5 m/s,刀軸轉(zhuǎn)速30 r/min,彎折角90°,旋耕刀工作幅寬L分別取25、35、45、55、65 mm,進(jìn)行5組仿真試驗,旋耕刀所受三向阻力最大值隨轉(zhuǎn)速的變化情況如圖15、16所示。當(dāng)工作幅寬在25~55 mm區(qū)間范圍內(nèi),x、z方向工作阻力逐漸增加,工作幅寬的變化對于x方向工作阻力影響較為顯著,在55~65 mm之間,x方向工作阻力變化較為平穩(wěn);工作幅寬在25~55 mm區(qū)間范圍內(nèi),對于y方向工作阻力變化影響顯著,在55~65 mm范圍其工作阻力有略微下降趨勢,但阻力波動范圍較小;當(dāng)工作幅寬在25~55 mm區(qū)間范圍內(nèi),對于x方向刀軸扭矩變化影響顯著,但工作幅寬在55~65 mm內(nèi)其刀軸扭矩略微下降,當(dāng)工作幅寬在25~55 mm區(qū)間范圍內(nèi),y、z方向刀軸扭矩逐漸增加,在55~65 mm之間,刀軸扭矩變化較為平穩(wěn)。
根據(jù)以上分析,為得到最佳旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù),選取彎折角110°~150°,工作幅寬35~55 mm為試驗因素取值范圍。
在前期油莎豆團(tuán)聚體離散元模型建立及旋耕刀動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,為得到理想的旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,進(jìn)行EDEM正交旋轉(zhuǎn)虛擬仿真試驗研究,結(jié)合前期理論分析和單因素試驗結(jié)果,設(shè)定試驗因素編碼如表3所示。
表3 試驗因素編碼Tab.3 Test factors coding
以彎折角α、工作幅寬L為試驗因素,采用二因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計進(jìn)行旋耕刀虛擬仿真試驗,根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析,并對影響指標(biāo)的主要因素進(jìn)行顯著性分析,試驗結(jié)果如表4所示,表中A、B為編碼值。
表4 仿真試驗結(jié)果Tab.4 Simulation test results
對表4數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合,得到工作阻力和刀軸扭矩對編碼自變量的二次多元回歸方程
y1=703.22+103.48A+33.72B+5.42AB+
222.50A2+47.92B2
(9)
y2=31.06+2.09A+3.19B+0.15AB-
1.37A2+1.96B2
(10)
同時經(jīng)過Design-Expert軟件處理后得到關(guān)于工作阻力和刀軸扭矩的方差分析結(jié)果如表5、6所示。
表5 工作阻力方差分析Tab.5 Working resistance analysis of variance
表6 刀軸扭矩方差分析Tab.6 Analysis of variance of cutter shaft torque
由表5可知,模擬的一次項彎折角A對工作阻力的影響顯著,二次項A2對工作阻力影響極其顯著。從單因素水平分析,各項因素對工作阻力的影響由大到小為彎折角A、工作幅寬B。響應(yīng)面分析如圖17所示。
由表6可知,模擬的一次項工作幅寬B對刀軸扭矩的影響極其顯著,一次項彎折角A和二次項B2對刀軸扭矩影響顯著。從單因素水平分析,各項因素對工作阻力的影響由大到小為工作幅寬B、彎折角A,響應(yīng)面分析如圖18所示。
為得到試驗因素最佳旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,對試驗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型,結(jié)合試驗因素的邊界條件,以降低工作阻力和刀軸扭矩為目標(biāo),對旋耕刀工作阻力和刀軸扭矩進(jìn)行回歸分析,建立非線性規(guī)劃參數(shù)模型為
(11)
利用Design-Expert對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析求解,彎折角130°、工作幅寬45 mm為最優(yōu)參數(shù)組合,此時工作阻力為703.22 N,刀軸扭矩32.06 N·m,將最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行EDEM虛擬仿真試驗驗證,其工作阻力為928.63 N,刀軸扭矩34.56 N·m,與優(yōu)化結(jié)果基本一致。在相同參數(shù)設(shè)置下與目前正旋旋耕挖掘裝置進(jìn)行試驗對比,結(jié)果表明,正旋挖掘裝置工作阻力為1 015.52 N,刀軸扭矩為36.72 N·m,工作阻力降低了8.6%,刀軸扭矩降低了5.9%,驗證了反旋式旋耕刀片具有一定的降阻作用。
旋耕刀挖掘阻力和刀軸扭矩并不是衡量作業(yè)效果主要標(biāo)準(zhǔn),由于油莎豆目前無相關(guān)收獲作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),本文參考NY/T 502—2016中的收獲標(biāo)準(zhǔn)以及GB/T 5668—2017中的土壤破碎率計算方法,將埋果率和土壤破碎率作為田間試驗的指標(biāo),目的是檢驗優(yōu)化設(shè)計的旋耕刀作業(yè)性能,結(jié)合理論分析與仿真模擬結(jié)果進(jìn)行田間驗證,試驗地點選擇河南省民權(quán)縣油莎豆種植基地,該地區(qū)油莎豆種植模式為平作,行距為140 mm,株距為120 mm,油莎豆生長深度160 mm左右,如圖19所示。
試驗劃為5個區(qū)域,每個試驗區(qū)域長50 m,將新型旋耕刀和IT245旋耕刀分別安裝在油莎豆聯(lián)合收獲機(jī)上,進(jìn)行油莎豆收獲性能對比分析。機(jī)器作業(yè)速度設(shè)置為0.5 m/s,將埋果率和土壤破碎率作為試驗指標(biāo),進(jìn)行試驗分析,如圖20所示。
試驗結(jié)果如表7所示。
表7 田間性能試驗對比Tab.7 Field performance test comparison %
由表7可知,新型旋耕刀作業(yè)時埋果率最高值為1.23%,最低值為0.85%,平均值為1.07%,土壤破碎率最高值為94.61%,最低值為92.67%,平均值為93.48%,標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀埋果率最高為2.85%,最低為1.75%,平均值為2.27%,土壤破碎率最高為92.87%,最低為91.54%,平均值為92.18%,與標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀相比,新型旋耕刀油莎豆塊莖埋果率減低了1.20個百分點,土壤破碎率提高了1.3個百分點,參考NY/T 502—2016的規(guī)定,進(jìn)一步提高了油莎豆的收獲效率。
(1)通過對旋耕刀進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析和結(jié)構(gòu)分析,結(jié)合虛擬仿真試驗,得到旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)彎折角取值范圍為110°~150°,工作幅寬取值范圍為35~55 mm。
(2)建立了旋耕刀-土壤-油莎豆團(tuán)聚體離散元模型,進(jìn)行了油莎豆虛擬仿真挖掘試驗,從微觀角度分析了土壤破碎的動態(tài)過程和油莎豆團(tuán)聚體的速度關(guān)系,根據(jù)Design-Expert試驗分析,確定了旋耕刀的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù):彎折角130°,工作幅寬45 mm,在相同參數(shù)設(shè)置下與正旋旋耕方式進(jìn)行對比試驗,工作阻力降低了8.6%,刀軸扭矩降低了5.9%,證明反旋挖掘具有降阻作用。
(3)為驗證反旋刀片設(shè)計的合理性,以埋果率和土壤破碎率進(jìn)行油莎豆收獲性能試驗,同時與標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀進(jìn)行試驗對比,結(jié)果表明:反旋作業(yè)方式埋果率1.07%,土壤破碎率93.48%,與標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀相比,新型旋耕刀油莎豆塊莖埋果率減低了1.2個百分點,土壤破碎率提高了1.3個百分點。