甘蔗破壟機撥葉圓盤作業過程的動力學仿真

楊 望，張傳利，楊 堅，梁兆新，莫建霖，曾伯勝，黃 民

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004；2.廣西蔗糖產業協同創新中心，南寧 530004；3.廣西農業機械研究院，南寧 530001)

0 引言

甘蔗收獲后蔗葉留在田面上，因此甘蔗破壟機作業時其撥葉圓盤先要對蔗葉進行切斷、撥開，才能順利進行破壟作業。但是，目前的甘蔗破壟機撥葉圓盤對蔗葉進行切斷、撥開的作業性能差，蔗葉在破壟機前進方向堆積，嚴重阻礙破壟作業，且目前國內外對破壟機撥葉圓盤作業質量的影響研究匱乏[1-7]。因此，本文采用SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)和FEM(Finite Element Method)的耦合方法，通過建立撥葉圓盤-蔗葉-土壤系統動力學仿真模型，進行撥葉圓盤作業過程仿真分析，探討撥葉圓盤的蔗葉切斷機理，為撥葉圓盤的優化設計提供依據。

1 結構及工作原理

本文以廣西農機研究院3ZPF-1×0.5型甘蔗破壟施肥蓋膜機(見圖1)的撥葉圓盤為研究對象，該破壟施肥蓋膜機的撥葉機構主要由撥葉圓盤、調節固定板、連接軸座、軸承座和連接軸等組成，如圖2所示。作業時，隨著拖拉機前進，左、右內傾的撥葉圓盤向前滾動，將田面或壟作業行上的蔗葉切斷并向外撥開[8]。

圖1 甘蔗破壟蓋膜機Fig.1 Sugarcane furrow cover film machine

1.拖拉機后左、右懸掛梁 2.連接套固定塊 3.7字軸 4.丁字套管 5.連接桿豎管調節塊 6.調節固定板 7.圓盤耙片 8.連接軸座 9.軸承座 10.連接軸

2 撥葉圓盤-蔗葉-土壤系統仿真模型建立

2.1 幾何模型

由于撥葉機構主要的工作部件是撥葉圓盤，為便于建模，把撥葉機構簡化為撥葉圓盤。圓盤的幾何尺寸及與拖拉機前進方向的相對位置和物理樣機的一致，直徑為0.5m，刃角為32°，圓盤偏角20°(圓盤平面與拖拉機前進方向之間的夾角)。為了能較好地模擬田間的葉片狀態，建模時把5片蔗葉層疊一起，蔗葉的幾何尺寸通過實測獲得，蔗葉長為1m，寬0.05m，葉片厚為0.000 18m。為了便于建模，對蔗葉的結構進行簡化，葉肋建成半圓柱體，直徑為0.004 9m，葉片和葉肋粘合為一體。土壤長為1m，寬為0.37m，厚度為0.05m。

為減少仿真計算時間，把蔗葉和土壤分成5個區域，即圓盤與蔗葉、土壤的作用部分(接觸區)，其寬為0.3m，接觸區兩側0.1m為過渡區，過渡區的外側為剩余區，建模時取0.25m。土壤接觸區為SPH粒子，土壤過渡區和剩余區域均為有限元[9]。建立的系統幾何模型如圖3所示。

圖3 撥葉圓盤-蔗葉-土壤系統幾何模型Fig.3 Leaf, disc and soil system geometrical model

2.2 材料模型

蔗葉的葉片和葉肋在力學和物理特性上有顯著差異，且同一品種不同個體之間也存在差異性，其材料參數參照文獻[10]的測量方法進行測量，結果如表1所示。仿真材料模型采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC。

表1 收獲期的甘蔗葉材料參數Table 1 Material parameters of sugarcane leaves during harvest

圓盤作為剛體(MAT_RIGID)建模，其密度為7 800kg/m3，彈性模量為2.0×1011Pa，泊松比為0.27。土壤仿真材料模型采用MAT_FHWA_SOIL，其材料參數參考文獻[11]的測量方法進測量，結果如表2所示。

表2 土壤材料參數Table 2 Soil material parameter

2.3 網格劃分

網格劃分采用六面體掃掠方法，圓盤的網格大小為0.007m，單元數量為5 160個；蔗葉接觸區網格大小為0.005 7m，過渡區網格大小為0.008m，剩余區網格大小為0.01m，5片蔗葉的單元數量為10 890個；土壤接觸區網格大小為0.005m，過渡區網格大小為0.007m，剩余區網格大小為0.01m，有限元土壤單元數量為68 820個，SPH土壤數量為26640個。

2.4 接觸和施加載荷

在圓盤上加載前進速度和轉速，前進速度為1.1m/s，轉速為0.7r/s。土壤與圓盤和蔗葉之間定義為自動點面接觸，土壤與蔗葉之間靜摩擦因數取0.6，動摩擦因數取0.5。土壤與圓盤之間靜摩擦因為0.32，動摩擦因數為0.22。圓盤與蔗葉之間定義為自動面對面接觸，靜摩擦因數為0.3，動摩擦因數為0.2。蔗葉之間定義為自動單面接觸，靜摩擦因數為0.6，動摩擦因數為0.5(摩擦因數通過試驗獲得)。建立的撥葉圓盤-蔗葉-土壤系統仿真模型如圖4所示。

圖4 撥葉圓盤-蔗葉-土壤系統仿真模型Fig.4 Simulation model of leaf disc, sugarcane leaf and soil system

3 仿真模型的驗證

3.1 驗證方法

本文采用田間試驗的方法對建模方法合理性和仿真模型的精度進行驗證。由于蔗葉的切斷力較小，且土壤性質對切斷力影響大，因此模型驗證時通過物理試驗的圓盤切斷蔗葉、蔗葉變形和土壤破壞、撥開的形狀與仿真試驗的比對及物理試驗的土壤的切割深度與仿真試驗的比對進行驗證。為了和建模的情況一致，田間試驗時選取5片長度約1m的甘蔗葉疊在一起，拖拉機前進速度為1.1m/s。田間試驗重復5次。

3.2 試驗設備及地點

試驗設備：甘蔗破壟蓋膜機、東方紅拖拉機-550、直尺、秒表、量角器和若干收獲期的蔗葉。試驗地點和試驗時間與建模材料參數測量的相同。試驗地點為廣西南寧市武鳴區陸斡鎮龍口村，試驗時間為2017年3月1日。

3.3 驗證結果分析

物理試驗與仿真試驗的結果如圖5所示。其中，5(a)是仿真試驗的結果圖，圖5(b)為物理試驗的結果圖。由圖5可知：仿真試驗的圓盤切斷蔗葉、蔗葉變形及土壤破壞與撥開形狀與物理試驗的結果較一致，且物理試驗平均切割土壤深度為4.5cm與仿真試驗的一致。這表明，建模方法合理，建立的仿真模型精度較高，可用于撥葉圓盤作業過程仿真分析和撥葉圓盤的優化仿真試驗。

圖5 物理試驗與仿真驗證對比圖Fig.5 Physical test and simulation verification comparison picture

4 圓盤作業機理分析

4.1 圓盤作業過程

圖6是圓盤作業過程的仿真截圖。由圖6(a)、(b)可知：隨著圓盤一邊旋轉一邊向前移動，田面上的蔗葉在圓盤向下壓力和向前推力的作用下，圓盤下方的蔗葉被逐漸壓向土中和推動前移；同時，由于圓盤傾角的存在，圓盤凹面方向的蔗葉被向右推，蔗葉逐漸彎曲變形，拉應力逐漸增大，這時圓盤、蔗葉下方的土壤被擠壓變形和剪裂，蔗葉間和蔗葉與土壤間的相互作用逐漸加強，摩擦力逐漸增大。由圖6(c)、(d)可知：隨著圓盤的進一步前移，圓盤對蔗葉向下和右側的作用進一步加強，蔗葉的彎曲變形增大，拉應力增大，蔗葉間和蔗葉與土壤間的作用進一步加強，摩擦力進一步增大，部分葉片和葉肋被拉斷，且大部分蔗葉被圓盤旋轉滑動切割而斷裂。由圖6(d)、(e)可知:隨著圓盤的進一步前移，右側斷裂蔗葉和土壤在圓盤傾角的作用下，被推向右側，完成圓盤作業過程。

圖6 圓盤作業過程仿真圖Fig.6 Simulation chart of disk operation process

4.2 葉片的斷裂過程

圖7為層疊的不同層的蔗葉斷裂過程仿真截圖。其中，圖7(a)為上層蔗葉的斷裂過程仿真截圖，圖7(b)為中層蔗葉的斷裂過程仿真截圖，圖7(c)為下層蔗葉的斷裂過程仿真截圖。由圖7(a)可知：t在0.018～0.037s之間時，隨著圓盤一邊旋轉一邊前移，圓盤對葉片邊緣向下、向前和向右推壓，上層蔗葉與下層蔗葉間的摩擦力逐漸增大，且蔗葉彎曲變形和拉應力逐漸增大；而t在0.044～0.074s之間時，隨著圓盤進一步前移，上層蔗葉與下層蔗葉間的摩擦力進一步增大，圓盤對蔗葉的滑動切割作用進一步增強，且蔗葉彎曲變形和拉應力增大，葉片和葉肋被逐漸剪裂。由圖7(b)可知：t在0.024～0.052s之間時，隨著圓盤一邊旋轉一邊前移，在圓盤和上層蔗葉的作用下，蔗葉彎曲變形和拉應力逐漸增大，葉肋被拉裂；而t在0.065～0.082s之間時，隨著圓盤進一步前移，葉片彎曲變形和拉應力進一步增大，且上層蔗葉斷裂后圓盤對葉片的滑動切割作用增強，剪應力增大，葉片逐漸斷裂。由圖7(c)可知：t在0.03～0.056s之間時，隨著圓盤一邊旋轉一邊前移，在圓盤和上層蔗葉的作用下，蔗葉彎曲變形和拉應力逐漸增大，葉肋被拉裂； 而t在0.078～0.87s之間時，隨著圓盤進一步前移，葉片彎曲變形和拉應力進一步增大，葉片被逐漸拉裂。上述分析表明：對于層疊受圓盤切割的蔗葉，不同層的蔗葉受圓盤作用的斷裂過程有所不同，上層蔗葉主要由于圓盤的滑切作用而斷裂，中層蔗葉由于彎折和圓盤的滑切作用而斷裂，下層蔗葉主要由于彎折作用而斷裂。

圖7 不同層的蔗葉斷裂過程仿真截圖Fig.7 Simulation of the Fracture Process of Sugarcane Leaves at Different Layers

5 結論

采用SPH和FEM的耦合方法建立的撥葉圓盤-蔗葉-土壤系統動力學仿真模型精度較高，可用于撥葉圓盤的作業過程動力學分析。蔗葉的斷裂是圓盤對蔗葉的下壓彎曲、側向推拉和滑動切割的綜合結果。對于層疊受圓盤切割的蔗葉，不同層的蔗葉受圓盤作用的斷裂過程有所不同：上層蔗葉主要由于圓盤的滑切作用而斷裂，中層蔗葉由于彎折和圓盤的滑切作用而斷裂，下層蔗葉主要由于彎折作用而斷裂。