基于EDEM的輕型鑿式深松鏟土壤耕作載荷仿真分析

頓國強,陳海濤，李興東，紀文義，朱 海，宋文龍

(1.東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040；2.東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

0 引言

保護性耕作技術通過采用深松、少耕及免耕播種技術代替傳統的耕翻式整地技術，可有效提高土壤的蓄水保墑、抗旱、抗水蝕風蝕能力，以及土壤的有機質含量，培肥地力[1-2]。深松鏟作為保護性耕作機具深松機的關鍵部件，其性能優良與否直接影響土壤的深松效果。國內外學者通常采用仿生設計、有限元仿真及試驗研究等方法[3-8]，對深松鏟進行設計研究：如白景峰、李博及呂秀婷等設計了狗獾爪趾式仿生深松鏟，并進行了試驗研究；張強與賈洪雷等利用有限元法對仿生鉤形深松鏟耕作阻力進行分析研究及試驗驗證；王景立及劉選偉等利用ANSYS Workbench進行了弧形深松鏟模態分析研究；王宏立及張偉利用Pro/E和ANSYS對深松鏟進行有限元靜力學分析；齊關宇、劉林及趙艷忠等采用試驗的方法研究了入土深度及鏟形對深松鏟耕作阻力的影響；李博及劉凡一等雖利用離散元法進行了深松鏟耕作阻力的仿真分析研究，但并不深入。

本研究采用EDEM建立鑿式深松鏟的離散元仿真模型，并對其載荷進行空間分解，確定載荷的主要組成。同時，采用仿真試驗的方法分析作業參數對深松鏟耕作阻力及載荷波動狀況的影響。

1 深松鏟土壤深松仿真

1.1 顆粒接觸模型

為描述深松鏟土壤深松過程中土壤顆粒間及土壤顆粒與接觸部件間的瞬態力學行為，EDEM系統默認多種接觸力學模型[9-10]，以模擬不同的顆粒接觸力學特性。本研究采用EDEM2.4版本系統默認的Hertz-Mindlin (no slip)接觸力學模型[11-12]，此接觸模型的法向及切向力由Hertz接觸理論及Mindlin模型確定，且載荷包括由阻尼系數及恢復系數確定的阻尼分量，切向摩擦力庫侖摩擦定律確定。此模型具有較高的計算精度，顆粒單元(Hertz-Mindlin)接觸力學模型如圖1所示。

圖1 顆粒接觸力學模型Fig.1 Model of particle contact forces

(1)

(2)

顆粒接觸切向力及切向阻尼力由切向交疊量及切向剛度確定，其接觸法向力表達式為

F法=-2·δ法·S法

(3)

(4)

1.2 深松鏟土壤深松過程仿真

參考農業機械設計手冊[13]，按適用30cm深松鏟標準GB/T9788-1999，利用SolidWorks2009建立輕型鑿式深松鏟的三維實體模型(見圖2)，并將深松鏟模型另存為.igs格式文件。

圖2 深松鏟三維實體模型Fig.2 Deep shovel 3D model

利用EDEM 2.6建立鑿式深松鏟的離散元元仿真算例，選用Hertz-mindlin(no-slip)模型定義土壤顆粒之間、土壤顆粒與深松鏟及土槽之間的顆粒接觸力，查閱相關文獻[14-18]，確定模型仿真參數設置如表1所示。

表1 模型仿真參數設置Table 1 Parameters setting of model simulation

為真實模擬深松鏟的土壤深松過程，在保證運算結果正確的基礎上，盡量降低計算機的運算量，土壤顆粒采用球體建模，顆粒半徑5mm；軟件自動計算土壤顆粒的質量屬性[19]，并將上述建立的深松鏟實體模型導入EDEM仿真算例模型，設定深松鏟的作業速度為1m/s，方向為x軸負向，z軸負向為重力加速度方向。同時建立顆粒工廠及土槽實體模型，土壤顆粒數量40 000，生成速度z軸負向5m/s，生成速率100 000個/s，仿真步長5.831 9×10-5s，記錄數據時間間隔0.000 5s，則深松鏟的土壤深松離散元仿真模型如圖3所示。

圖3 深松鏟離散元仿真模型Fig.3 Chisel-type deep shovel discrete element simulation model

如圖4所示，利用EDEM 2.6后處理模塊提取鑿式深松鏟的土壤深松過程的土壤絕對耕作阻力及其各軸方向分量數據。

圖4 深松鏟土壤耕作阻力Fig.4 Chisel-type deep shovel soil cutting force

由圖4可知：鑿式深松鏟的土壤耕作阻力隨著時間的推移，由0開始逐漸增大。其中，絕對土壤耕作阻力與其x軸分量具有相同的變化趨勢，兩力值的變化范圍為150～375N之間；z軸分量為負值，即土壤對深松鏟的豎直方向阻力向下，深松鏟有自行入土的功能，且其力值在-240～-110N范圍內變動；y軸分量數據在±50N范圍內波動；且所有載荷數據在0.7s后趨于穩定；由上述分析可知：深松鏟土壤耕作阻力主要由前進分量及豎直分量決定。深松鏟的土壤耕作阻力統計數據如表2所示。

表2 載荷數據統計Table 2 Statistic of loading data N

2 作業參數對耕作阻力的影響

2.1 入土深度的影響

圖5 深松鏟土壤耕作阻力曲線Fig.5 Deep shovel soil tillage resistance curve

圖6 載荷波動系數曲線Fig.6 Load fluctuation coefficient curve

利用Origin 8.0對表3數據進行曲線擬合，獲得土壤耕作阻力MF及其前進分量XF、豎直分量ZF與

入土深度的擬合曲線方程及擬合相關系數分別為

(5)

各回歸方程的擬合系數RMF=RXF=RZF=0.999≈1，說明回歸方程擬合可靠。由圖5可知：土壤耕作阻力MF及其前進分量XF為正值、豎直分量ZF為負值。這是由于深松鏟為入土角為銳角，土壤對其有向下的作用；同時，土壤耕作阻力隨著入土深度的增大而增大，但由于不同深度的土壤具有不同的土壤容重及土壤堅實度，造成耕作阻力與入土深度間并呈非線性關系。由圖6可知：土壤耕作阻波動系數隨著入土深度的增大而減小，表明隨入土深度的加深，土壤耕作阻力的波動狀況降低，尤其豎直分量波動狀況降低更加明顯。

2.2 作業速度的影響

為了分析作業速度對鑿式深松鏟土壤耕作阻力的影響，分別設定作業速度0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m/s6個水平，其它參數設置不變；同樣，提取每種試驗處理下的穩定段絕對平均土壤耕作阻力MFa、前進分量XFa及豎直分量ZFa與波動系數λ。作業速度對土壤耕作阻力及載荷波動系數的影響如圖7、圖8所示。

土壤耕作阻力MF及其前進分量XF、豎直分量ZF與作業速度的擬合曲線方程及擬合相關系數分別為

(6)

各回歸方程的擬合系數分別為RMF=0.984、RXF=0.985、RZF=0.956，回歸方程擬合可靠。由圖7可知，絕對土壤耕作阻力MF及其前進分量XF、豎直分量ZF隨著作業速度的增大而增大，這是由于當速度增大時，單位時間耕作土壤量增大，鏟面接觸土壤顆粒的運動速度增大，造成更多的能量消耗，進而土壤耕作阻力增大。由圖8可知，土壤耕作阻波動系數隨著作業速度的增大而整體呈現增大趨勢，但絕對土壤耕作阻力MF及前進分量XF的載荷波動在1.5～2m/s范圍發生一次減小，而豎直分量ZF的波動減小則推遲發生在2～2.5m/s范圍內。

圖7 深松鏟土壤耕作阻力曲線Fig.7 Deep shovel soil tillage resistance curve

圖8 載荷波動系數曲線Fig.8 Load fluctuation coefficient curve

3 結論

應用EDEM分析了輕型鑿式深松鏟土壤深松作業過程的耕作載荷組成及入土深度與作業速度對土壤耕作載荷的影響，結果表明：深松鏟土壤耕作阻力主要由前進阻力及垂直阻力決定，土壤耕作阻力及其前進、豎直分量隨著作業速度及入土深度的增大而增大，且土壤耕作阻力與兩作業參數間皆呈拋物線型二次函數關系；同時，土壤耕作阻力的波動狀況隨入土深度的增大及作業速度的減小而減小。該研究可為深松鏟的設計研究提供一定的參考。

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