基于多體動力學的圓盤式開溝機虛擬仿真與功耗測試

康建明 李樹君 楊學軍,3 劉立晶 王長偉

(1.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083； 2.新疆農墾科學院機械裝備研究所， 石河子 832000；3.南方糧油作物協同創新中心， 長沙 410128； 4.現代農裝科技股份有限公司， 北京 100083)

基于多體動力學的圓盤式開溝機虛擬仿真與功耗測試

康建明1,2李樹君1楊學軍1,3劉立晶3,4王長偉4

(1.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083； 2.新疆農墾科學院機械裝備研究所， 石河子 832000；3.南方糧油作物協同創新中心， 長沙 410128； 4.現代農裝科技股份有限公司， 北京 100083)

目前圓盤式開溝機功率消耗主要通過理論計算或樣機試制后的田間試驗等方法得出，測試結果受環境、設備精度影響較大，為此提出了利用虛擬測試平臺評估圓盤式開溝機功率消耗的方法。首先建立圓盤式開溝機工作部件的ANSYS動力學模型，并進行邊界約束條件和載荷設置，分別模擬圓盤式開溝機在開溝深度400 mm、前進速度0.8 km/h、刀盤轉速180 r/min和開溝深度500 mm、前進速度1.5 km/h、刀盤轉速220 r/min 2種工況下的功率消耗，仿真結果為31.26 kW和32.67 kW；然后構建相同工況的田間功耗測試系統，測得的實際功耗為33.57 kW和35.41 kW，仿真值與實測值相對誤差分別為6.88%和7.73%，驗證了該種測試方法的準確性和可行性。最后分別選取3種開溝深度、2種前進速度和3種刀盤轉速因素組成18種開溝工況，對其進行仿真分析，結果表明：刀盤轉速在200 r/min時，無論前進速度高低，圓盤式開溝機均具有最低的功耗。

圓盤式開溝機； 虛擬測試； 多體動力學； 功耗

引言

開溝施肥是果園栽培生產管理中工作量最大的環節，目前主要靠人工完成，勞動強度大，作業效率低。開溝機是一種開挖溝渠的專用機械，按工作原理不同可分為：鏵式犁開溝機[1]、圓盤式開溝機[2]和鏈式開溝機[3]。圓盤式開溝機在工作過程中具有散土均勻、工作效率高等優點，在果園、葡萄園等農業生產領域得到了廣泛的應用。美國、日本的圓盤式開溝機已形成系列產品，最大功率達130 kW，可挖深1.8 m、寬2.0 m的溝渠[4]。國內對圓盤式開溝機械開展了相關研究，蘇子昊等[5]設計了開溝施肥機的定向施肥裝置；葉強等[6]設計了一種驅動型葡萄園小型開溝機；朱繼平等[7]對超大型圓盤開溝機工作時刀具的運動軌跡、速度特性進行了仿真分析；袁曉明等[8]對大耕深旋耕刀的制造工藝及耐磨性進行了研究；盧彩云等[9]運用ANSYS/LS_DYNA軟件對平面刀切削土壤過程進行有限元分析；齊龍等[10]對松土刀在不同轉速下的土壤切削過程進行了數值模擬，并對不同轉速下松土刀的阻力和功耗進行分析。但對開溝機械功率性能評估方面的研究鮮有報道，例如目前圓盤式開溝機的功率消耗主要是通過理論計算[11]、樣機試制后的田間試驗[12]等方式獲得。這些方法均受外界條件限制，測試結果受環境、設備精度的影響較大。

隨著計算機技術的發展以及土壤本構模型的日益完善，有限元方法成為分析農機具觸土部件和土壤相互作用規律的有效工具[13]。本文以課題組研制的圓盤式開溝機為研究對象，基于多體動力學理論，構建ANSYS軟件平臺下的圓盤式開溝機功耗測試仿真模型，并與田間試驗數據對比驗證，為農機產品在設計階段的性能評估提供一種新的方法。

1 圓盤式開溝機動力學模型建立

1.1 開溝刀盤有限元模型

由于圓盤式開溝機模型較為復雜，考慮到建模及仿真運行耗時長等問題，以課題組研制的圓盤式開溝機為研究對象時，對其結構部件進行簡化：在開溝刀盤上直接加載經傳動比計算后的轉速和前進速度，簡化傳動總成和牽引裝置；忽略殼體等對功耗影響較小的部件；省去占次要地位的倒角、圓角和螺栓連接等特征，利用Solidworks軟件建立開溝刀盤實體模型，將模型導入ANSYS前處理界面中，對開溝刀盤采用拉格朗日算法進行網格劃分。其主要參數為：密度0.007 85 g/mm3，彈性模量2.06 MPa，泊松比0.26[14-15]。

1.2 土壤模型

針對華北地區黃壤土的特性，土壤材料采用LS-DYNA中的MAT147(MAT_FHWA_SOIL)土壤材料模型，輸入特定的參數，MAT_FHWA_SOIL采用修正的Mohr-Coulomb屈服準則[16]，其應力不變量等式表示為

(1)

其中

(2)

式中 f——壓力，Nφ——內摩擦角，(°)J2——偏應力的第2不變量θ——偏應力面中的極角，(°)K(θ)——應力羅德角函數A——屈服面準則與標準M-C屈服面之間的相似因數

c——黏聚力，MPa

黃壤土模型[17-18]的主要參數取值如表1所示，其余參數參考LS-DYNA971中MAT147默認值，采用g-mm-ms-N-MPa單位制。

表1 黃壤土材料參數
Tab.1 Parameters of yellow loam

參數 數值參數 數值土壤種類黃壤土剪切模量/MPa21土壤密度/(g·cm-3)2.59黏聚力/MPa0.02土粒密度/(g·cm-3)2.79內摩擦角/(°)32.5體積模量/MPa28含水率/%24.3

1.3 土壤-開溝刀盤模型

在建立土壤-開溝刀盤模型時，考慮開溝刀盤切削方式及邊界條件處理要求，土壤仿真模型設定為簡單的長方體，其尺寸為800 mm×500 mm×500 mm，土壤模型通過映射網格劃分成六面體網格，根據開溝深度要求，土壤模型高度大于500 mm。為限制土壤切削模擬的總網格數量，本文將土壤網格略微粗大化，但土壤網格尺寸小于刀片網格尺寸，避免模擬過程中出現穿刺現象。圖1為土壤和開溝刀盤在ANSYS軟件中的初始模型。

圖1 土壤-開溝刀盤初始模型Fig.1 Initial position model of soil-blade

1.4 邊界約束條件與施加載荷

為了盡可能模擬圓盤式開溝機的工作狀況，根據開溝刀盤轉速確定旋轉一周的時間步長，由于圓盤式開溝機開溝刀盤轉速一般在220 r/min以內，故設置0.27 s為分析步長。模型中的土壤底面完全固定，對側面采用對稱邊界條件定義，模擬土壤真實環境，保證側面側向不會有位移。模型中的開溝刀盤除前進方向和旋轉方向外都對其進行完全約束。以上所有運動均采用速度加載，對以上運動狀態加載預定義場，并設置光滑幅值曲線，對整個模型考慮重力作用，施加重力加速度-9 800 mm/s2，定義開溝刀盤與土壤表面的接觸屬性切向行為為罰函數，摩擦因數0.3，并采用有限滑移，法向為硬接觸。

圖2 開溝刀盤與土壤切削過程仿真結果Fig.2 Group pictures of cutting process

2 開溝過程與仿真結果分析

應用ANSYS/LS-DYNY軟件，采用時間分差法對時間進行動力學顯式積分，設置2種工作狀態。工況1：前進速度0.8 km/h，開溝深度400 mm，刀盤轉速180 r/min；工況2：前進速度1.5 km/h，開溝深度500 mm，刀盤轉速220 r/min。由于ANSYS/LS-DYNY軟件計算生成的數據并不能夠完全被LS-DYNA971軟件所接受，故需首先在ANSYS中生成相應的K文件，對K文件內容適當修改后再遞交給LS-DYNA971軟件求解，進而對開溝過程進行仿真研究。

2.1 開溝機理分析

開溝刀盤以工況1設置參數從左向右逆時針切削土壤，如圖2所示(由于2種工況下的開溝機理相同，故本節以工況1為例進行闡述)。隨著開溝刀盤轉動，開溝刀頂端首先與土壤發生接觸(圖2a)，開溝刀的內側面開始向斜上方擠壓土壤(圖2b和圖2c)，受到擠壓的土壤發生變形，當變形量足夠大時，土壤被撕裂，在開溝刀的切削下，土壤在沿開溝刀前進方向最先被切割開來(圖2d)；隨后，土壤在受到開溝刀內側面擠壓和刃口切削的雙重作用下迅速破壞(圖2e和圖2f)，并被拋至溝外。從圖2e可以看出，被開溝刀切下的土壤有沿向上運動的趨勢，證明了開溝刀在實際作業中對土壤有縱向推送作用。當切削仿真運行至32.4 ms 時，相鄰的開溝刀開始入土，受土壤模型限制，開溝刀并沒有掃過整個切削區間，但仍然可以看出前1把開溝刀的尾端未越過土壤正上方時，后1把開溝刀已經與土壤接觸，表明相鄰開溝刀有重疊切土時段，切削過程較平穩。

2.2 開溝過程功耗分析

利用LS-DYNA971軟件可視化后處理模塊，對開溝過程功率消耗進行分析，如圖3所示。在開溝刀與土壤相互作用初期，工況1和工況2的功率消耗都隨時間不斷增加而迅速增大，這主要是因為土壤受擠壓變形至破碎需要消耗大量能量；另一方面，開溝深度越大，土壤的堅實度越大，刀片的切削力使土壤的變形也就越來越大，總功耗變化速率較快，工況1在0～15.44 ms過程中，開溝功耗從0迅速上升至33.68 kW，當仿真運行至23.16 ms時，開溝功耗達到最大值35.26 kW，隨著開溝過程的進行，功耗變化趨于穩定值31.26 kW；工況2在0～15.44 ms過程中，開溝功耗從0上升至36.68 kW，當仿真運行至23.16 ms時，開溝功耗達到最大值37.26 kW，隨著開溝的進行，功耗變化趨于穩定值32.67 kW，這是由于土壤顆粒在被破壞后相互之間的結合力減小，切削力維持在一個穩定的狀態，開溝功耗最終維持在一個穩定值附近。

圖3 開溝過程作業功耗曲線Fig.3 Power consumption curves of ditch process

2.3 田間試驗測試及仿真結果對比

2.3.1 試驗設備與條件

圖4 測試裝置圖Fig.4 Pictures of test device

為驗證仿真模型的準確性，開發了圓盤式開溝機田間功耗測試系統，測試裝置原理圖如圖4所示。試驗設備包括：東方紅504型拖拉機，圓盤式開溝機、12 V直流電源、AKC-205B型扭矩傳感器(精度±0.1%，量程0～1 500 N·m)以及數據采集卡(分辨率12 Bit，采集頻率0～100 kHz)、數據處理終端等。試驗地點為：北京市通州區澳香園農業科技園，土壤平均堅實度調整為0.29 MPa，土壤含水率為16.2%。

2.3.2 試驗因素與性能指標

試驗時選用工況1和工況2設定的工作參數值，根據理論力學原理可知，開溝刀盤扭矩的變化即可反映功率消耗的差異，開溝過程的功率消耗[19]為

(3)

式中 P——開溝過程的功率消耗，kWn——開溝刀盤轉速，r/minM——開溝刀盤扭矩，N·m

因此，在開溝過程中只要測得動力輸出軸上的轉矩和轉速，乘以傳遞效率，即可計算出開溝過程中的功率消耗。試驗借助于扭矩、轉速測量儀和傳感器組成的測試系統來測量作業過程中的扭矩和轉速，實時記錄功耗數據。

試驗時，在2種工況下每隔2m取1個測試點，共取10個，測試數據如表2所示。經計算工況1的平均功率消耗為33.57kW，仿真結果(31.26kW)與其相比，誤差為6.88%，工況2的平均功率消耗為35.41kW，仿真結果(32.67kW)與其相比，誤差為7.73%，驗證了該種測試方法的準確性和可行性。

表2 不同測試點功率消耗
Tab.2 Power consumption values at different time

序號工況1工況2扭矩/(N·m)功耗/kW扭矩/(N·m)功耗/kW11659.031.271531.535.2821832.534.541500.734.5731868.635.221617.037.2541682.431.711537.135.4152041.038.471507.634.7361860.735.071581.436.4371672.331.521450.333.4181707.932.191584.936.5191818.734.281574.936.28101665.431.391486.334.24均值1780.933.571537.235.41

3 影響因素仿真分析

為進一步研究圓盤式開溝機前進速度、開溝深度和刀盤轉速對功率消耗的影響，根據果園開溝施肥深度在300～500 mm的農藝要求，確定仿真試驗時開溝深度為300、400、500 mm；前進速度小于1.0 km/h生產率達不到設計要求，大于1.5 km/h時開溝深度不穩定，結合拖拉機擋位，確定前進速度為1.0 km/h和1.5 km/h；根據文獻[20]及前期預試驗，確定刀盤轉速為180、200、220 r/min,設計了3種因素下的18種工況分析，仿真試驗安排及結果如表3所示。

由表3可知，在開溝深度一定時，刀盤轉速越大，功率消耗越大，轉速變化與功率消耗存在著遞增的線性關系，其中開溝深度300 mm并在高速前進下，刀盤轉速為200 r/min時，功率消耗最低。在開溝深度為300 mm和400 mm時，前進速度越高，功率消耗越大，但在開溝較深的500 mm工況下，1.5 km/h的前進速度使得功率消耗在200 r/min工況下發生突降。在300 mm和500 mm開溝深度下，200 r/min的刀盤轉速在2種前進速度中功率消耗最低，當開溝深度為500 mm時，功率消耗最小出現在刀盤轉速為200 r/min、前進速度1.5 km/h的情況下，值得注意的是，雖然在1.0 km/h、200 r/min的工況下，功率消耗發生了激增，但在200 r/min工況下仍然具有低功耗的特性，此時圓盤式開溝機仍可以高速前進。因此，無論開溝深淺，刀盤轉速200 r/min為圓盤式開溝機高速或低速前進下的最優轉速。

表3 各因素時的功率消耗
Tab.3 Power consumption of various factors

開溝深度/mm前進速度/(km·h-1)刀盤轉速/(r·min-1)功耗/kW18033.51.020033.230022037.518034.21.520033.822036.418035.01.020034.840022027.618036.41.520036.622039.318037.61.020041.850022038.518037.21.520036.922039.4

4 開溝刀盤最優轉速試驗

4.1 試驗方案及結果

為驗證上述結論，本次試驗將目前圓盤式開溝機大多采用的刀盤轉速220 r/min[21]與本研究結果200 r/min進行功耗對比試驗，試驗方案及結果如表4所示。

4.2 結果分析

由表4可知，作業功耗的試驗值略高于理論值，這是由于土壤含水率、作業過程中不可避免的摩擦及磨損而導致額外功率消耗，開溝深度500 mm時，功率消耗最高可降低8.5 kW；開溝深度400 mm時，功率消耗最高可降低9.6 kW；開溝深度300 mm時，功率消耗最高可降低4.6 kW。由此可見，開溝深度越大，刀盤轉速在200 r/min時的功率消耗減小越明顯。

表4 不同轉速下功耗對比試驗結果
Tab.4 Power consumption contrast test result at different rotary speeds

開溝深度/mm前進速度/(km·h-1)刀盤轉速/(r·min-1)功耗/kW1.020035.630022039.41.520036.422041.01.020036.940022044.61.520037.222046.81.020043.250022051.41.520044.522053.0

5 結論

(1)通過理論分析，建立圓盤式開溝機動力學虛擬功耗測試平臺，在開溝深度為400 mm、前進速度為0.8 km/h、刀盤轉速為180 r/min工況下，功耗仿真值為31.26 kW；在開溝深度為500 mm、前進速度為1.5 km/h、刀盤轉速為220 r/min工況下，功耗仿真值為32.67 kW，田間功耗仿真值與實測值誤差分別為6.88%和7.73%，驗證了圓盤式開溝機虛擬功耗測試平臺的準確性。

(2)開展了圓盤式開溝機開溝深度、前進速度以及刀盤轉速3因素下的18種工況仿真分析，由仿真結果得知：開溝深度一定時，圓盤式開溝機功率消耗分別與前進速度、刀盤轉速呈線性遞增關系；在開土深度和前進速度一定時，可以認為200 r/min在3種轉速中功率消耗最低。

(3)在不同開溝深度和不同前進速度下，對功耗最低的刀盤轉速200 r/min和目前普遍采用的220 r/min進行開溝功耗對比試驗，結果表明，在開溝深度500、400、300 mm時，刀盤轉速200 r/min比220 r/min節省功耗8.5、9.6、4.6 kW，開溝深度越大，刀盤轉速在200 r/min時的功率消耗減小程度越明顯。

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Virtual Simulation and Power Test of Disc Type Ditcher Based on Multi-body Dynamics

KANG Jianming1,2LI Shujun1YANG Xuejun1,3LIU Lijing3,4WANG Changwei4

(1.ChineseAcademyofAgriculturalMechanizationSciences,Beijing100083,China2.MechanicalEquipmentResearchInstitute，XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationScience，Shihezi832000，China3.CollaborativeInnovationCenterforSouthernGrainandOilCrop,Changsha410128,China
4.ModernAgriculturalEquipmentCo.,Ltd.,Beijing100083,China)

Aiming at the problem of that the power consumption of disc type ditcher is difficult to test, a virtual test platform evaluation disc type ditcher set power consumption method was proposed. Firstly, the dynamics model of disc type ditcher was established. In order to shorten the operation time, the secondary characteristics such as chamfer, fillet and connection were omitted. The boundary conditions and loads were set up. The virtual simulation of power consumption in disc type ditcher was carried out with trenching depths of 400 mm and 500 mm, forward speeds of 0.8 km/h and 1.5 km/h, rotation speeds of 180 r/min and 220 r/min, respectively. The power curve of ditch process showed that at the beginning of soil cutting, power consumption was increased quickly, the reason for which was a great deal of power consumption was needed during the process of soil deformation and broken. After that the power consumption was tended to be stable, for the reason of which was the binding force was tended to be less after the soil particle was destroyed. Then the field power test system was built and the relative errors were 6.88% and 7.73%, respectively, compared with simulation results. The accuracy and feasibility of the proposed method were verified. Finally, totally 18 conditions (three trenching depths, two forward speeds, and three rotating speeds) were selected to carry out the simulation. The results showed that with a certain trenching depth, the disc type ditcher had an increasing linear relationship with forward speed and rotation speed. With a certain ditching depth and forward speed, the lowest power consumption was appeared at rotation speed of 200 r/min. Moreover, with a large trenching depth and forward speed, the effect of rotation speed on power consumption was obvious. When the rotary speed was 200 r/min，both low and high speeds, disc type ditcher had the lowest power consumption value. According to comparison at rotary speed of 219 r/min in different ditching depths and forward speeds, the power consumption at rotary speed of 200 r/min was decreased by 8.5 kW, 9.6 kW and 4.6 kW, the results provided a theoretical basis for power consumption measurement of rotary ditcher.

disc type ditcher； virtual test； multi-body dynamics； power consumption

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.008

2016-05-19

2016-06-21

國家國際科技合作專項(2013DFA71130)和北京市科技計劃項目(D151100003715003)

康建明(1984—)，男，博士生，新疆農墾科學院助理研究員，主要從事農業機械裝備及關鍵技術研究，E-mail： kjm531@sina.com

劉立晶(1976—)，女，研究員，博士生導師，主要從事農業機械裝備及關鍵技術研究，E-mail： xylijj@sina.com

S222.3

A

1000-1298(2017)01-0057-07