葡萄深施有機肥開溝裝置設計及仿真

馬 晨，蒙賀偉，坎 雜，戚江濤，王麗紅，孫興祚

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.農業部西北農業機械重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引言

葡萄深施有機肥是提高葡萄產量、提升果品品質的有效途徑，目前主要依靠人工，存在著勞動強度大、工作效率低等突出問題，已成為制約葡萄產業健康快速發展的重要因素[1]。因此，亟需開展葡萄深施有機肥開溝機械的研究。

調研顯示，新疆葡萄種植行距普遍為2.5～4m。根據有機肥施加作業要求，其開溝寬度不得低于25cm，深度不得低于50cm[2-4]。常用的鏵式犁開溝、圓盤式開溝和鏈式開溝等裝置中，圓盤式開溝以其牽引阻力小、工作效率高、開溝深度大、與施肥裝置易于配合及結構尺寸小等優點成為主流[5]。目前，針對圓盤式開溝作業技術開展研究的主要有：Guntert & Zimmerman公司生產的用于大型水建工程圓盤式開溝機[6]，最大開溝深度245cm,寬度185cm；美國US DTTCHER生產DERENAG-50-70-100/120圓盤式開溝機[7]，適用于多種地形，最大開溝深度為100cm。羅海峰[8]等根據現有小型東風-12型手扶拖拉機進行改裝，選用彎刀ⅡS245安裝在旋耕刀軸上，完成開溝、施肥與埋土等作業。馬占新[9]等人根據北方葡萄園的栽培要求，研制生產了以正轉旋耕方式工作、配套功率為36.8kW的1K-40型葡萄施肥開溝機。

在對開溝裝置進行結構設計的基礎上，相關研究人員利用仿真軟件對圓盤式開溝裝置進行了運動仿真與優化分析。張琦、王偉等[10]人利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對雙圓盤式自走型開溝施肥機刀盤上的旋耕彎刀切削土壤過程進行了動態模擬仿真分析。毛艷輝、宋建農[11]等人為了改善圓盤式開溝機的振動性能，利用MatLab軟件建立開溝機動力學振動模型進行仿真分析。康建明、李樹君[12]等人根據果園種植現狀來探究土壤物理性能和工作參數的變化對圓盤式開溝機的工作效率影響規律，利用ANSYS軟件中的LS-DYNA動力模塊探究開溝彎刀在切削土壤時的功率消耗變化規律。

本文在以上研究基礎上，基于新疆土壤特性與葡萄種植模式，結合現有直刀與彎刀結構特點，對開溝裝置進行了設計。在完成開溝裝置設計與土壤參數測定的基礎上，利用離散元仿真軟件建立了土壤顆粒模型、土壤—開溝裝置交互模型，仿真分析了前進速度、刀盤轉速及刀具組合對開溝作業功耗的影響，探究了開溝裝置各參數對作業功耗的影響，旨在為深施有機肥開溝裝置的設計提供參考。

1 開溝裝置結構及工作原理

1.1 開溝裝置

葡萄深施有機肥開溝裝置主要由刀盤、開溝刀、牽引架、橫梁、導流罩總成、刀盤驅動機構、縱梁及清溝犁部分組成，如圖1所示。其中，刀具采用依次間隔螺旋排列形式。

1.刀盤 2.開溝刀 3.牽引架 4.橫梁 5.導流罩總成 6.刀盤驅動機構 7.縱梁 8.清溝犁

1.2 工作原理

裝置由拖拉機后輸出軸驅動。工作過程中，啟動牽引拖拉機，利用拖拉機液壓操作手柄將刀盤總成底部調整至距地面約10cm后，啟動刀盤驅動機構帶動刀盤轉動；當刀盤總成轉速達到額定值時，液壓系統控制開溝裝置作業直至達到所需開溝深度，此時開溝刀與土壤接觸進行開溝作業，開溝刀A、B(見圖2)依次循環逐段切削土壤，被切削的土壤拋撒至導流罩總成內側，并導流已開溝的內側；通過機架后方清溝犁對回流至溝內的土壤進行二次清理，完成開溝作業。

圖2 刀盤總成

2 開溝裝置參數設計

2.1 刀盤直徑的選擇

根據《農機設計手冊》[13]，設計刀盤直徑D1為

D1=(1.25～1.45)H

(1)

式中H—開溝深度(m)。

根據葡萄深施有機肥開溝深度為0.55～0.6m，確定刀盤直徑為D1=1.33×0.55=0.73m，刀盤回轉直徑設計為1.2m。為減小刀盤質量，將開溝刀盤加工成圓環狀,內環直徑D2=0.45m。

2.2 刀具排列形式的設計

目前，現有彎刀和直角刀具結構僅適應作業深度小于25cm的溝渠，且開溝深度大于25cm存在功率消耗大、開溝深度不穩定等問題，不能滿足現代農業節能減阻及葡萄施肥農藝的要求。本文在現有彎刀結構的基礎上，基于新疆土壤特性與葡萄種植模式，對刀具厚度、折彎角度及彎曲半徑等進行設計。為降低開溝作業的功率消耗，提高開溝質量，設計了一種螺旋型非連續均布刀具。

現有圓盤式開溝裝置一般采用刀具均勻安裝方式，在此基礎上基于新疆土壤特性及葡萄施肥農藝要求采用分段切削式開溝機構。該部件由刀盤、開溝刀A、開溝刀B組成，如圖2所示。

開溝刀具A、B依次間隔螺旋排列(即A-B-A-B-…)。在切削土壤過程中，刀A、B依次對一定寬度的土壤進行切削加工，將這兩把刀置于同一水平面排列時，刀具排列示意圖如圖3所示。刀具依次完成a、b段的開溝切削寬度(兩段之和與開溝要求工作幅寬相等)，從而實現每把開溝刀具對土壤進行分段切削加工，以達到所需工作幅寬，通過合理布置開溝刀具，保證每把刀具均對土壤進行1次切削加工。

圖3 開溝刀同一水平排列示意圖

2.3 螺旋型非連續均布刀具結構參數的確定

開溝刀具主要由正切刃、側切刃及拋土板組成。基于葡萄深施有機肥農藝要求，通過分析確定開溝刀具回轉半徑R、彎折角α、正切面刃角i及彎曲半徑r等結構參數，如圖4所示。

1)回轉半徑R。刀具的回轉半徑主要根據農業生產要求的溝深進行確定，在開溝深度和前進速度一定的情況下，應盡量選擇較大的回轉半徑。本設計選擇R=600 mm。

2)彎折角α，即正切面與刀刃口至刀輥中心連線間的夾角。彎折角過小，會使得正切刃切土角過大，增加切土阻力和功耗；彎折角過大，會使得外磨刀擠壓未耕土壤，刀具受力相應增加，降低刀具使用壽命。本設計選擇α=40°～90°。

3)正切面刃角i。i越小，開溝刀具越鋒利，功率消耗越小；但若過小，則刀具使用壽命降低。根據農業機械設計手冊及開溝作業要求，本設計選擇i=15°。

4)彎曲半徑r。彎曲半徑太小，工作時彎折圓弧處容易粘土，會降低開溝刀具在彎曲處的強度，縮短使用壽命；但是彎曲半徑過大，會使作業后溝底的不平度增大，功率消耗也會增大。本設計選擇r=50mm。

5)切土角β。若切土角增大，則開溝阻力增大，碎土作用減小；但若切土角過小，則刀易纏繞根系，降低作業質量。本設計選擇β=130°～180°。

6)工作幅寬b。增大幅寬，可以減少刀輥上的刀具數量；但幅寬過大，則影響刀具的剛度個碎土質量。本設計選擇b=90～190mm。

圖4 開溝刀具結構簡圖

3 土壤-開溝裝置模型的構建

3.1 開溝裝置有限元模型

刀盤總成是深施有機肥開溝裝置的重要部件之一，由刀盤與開溝刀具組成。本文在仿真時對影響仿真效率的機架、導流罩、驅動機構等部件進行了簡化，忽略了螺栓、墊片及螺母等連接零件。開溝刀盤三維模型采用SolidWorks2016軟件繪制，并以.igs格式保存導入EDEM2017軟件中。結構參數選取如下：刀盤直徑D=1 200mm，彎折角α=40°～90°，切土角β=130°～180°，彎曲半徑r=50mm，正切面刃角i=15°，工作幅寬b=90～190mm。

3.2 土壤顆粒模型

試驗所用土壤取樣來自新疆石河子市五工村，使用SC900土壤堅實度儀測得土壤深度40cm處平均堅實度為2.16MPa,TDR300土壤水分儀測得土壤平均含水率為10.64%。針對此數據，查閱中國土壤數據庫得出所選土壤為灰漠黃土，0～50cm的土壤層質地為重壤、塊狀結構、堅實度較大。在此基礎上設立4個土壤顆粒模型：單球顆粒、雙球顆粒、三角球顆粒及水平三球顆粒。顆粒直徑過小會增加計算機運算量[14]，因此取土壤物理半徑為10mm。

為了準確模擬土壤顆粒在機械作用下的機械受力情況，根據試驗土壤類型選用Hysteretic Spring接觸模型。顆粒性質預定義為彈性變形，當超過某一個應力值時顆粒性質轉變為塑性變形。顆粒性質在未用力過度情況下達到大的重疊量，從而表達顆粒材料的壓縮性能。Hysteretic Spring 法向力計算是依據Walton-Braun理論，卸荷力在位移恢復到初始接觸點之前變為0。每個舊的接觸點準確位置不被“記住”，從而顆粒一旦分離就會變得像新的未變形球體。隨后的接觸將以斜率K1加載，顆粒分離前的任何重新加載都以斜率K2加載，沿此斜率直到達到原始加載斜線K1，如圖5所示。

圖5 Hysteretic Spring 接觸力模型力-位移關系原理圖

force displacement relationship

法向力FN的計算公式為

(4)

(5)

式中K1、K2—分別為加載和卸載剛度；

δn—法向重疊量；

δo—殘余重疊量。

3.3 土壤—刀盤模型

在建立土壤-刀盤模型時，考慮刀盤切削方式與邊界條件處理要求，土壤仿真模型設定為1 500mm×2 000mm×600mm的去蓋長方體，生成1.8×106個土壤顆粒來模擬開溝切削土壤環境，定義刀盤與試驗一致的前進速度、轉速。土壤-刀盤的交互作用模型如圖6所示。

圖6 土壤-刀盤相互作用模型

EDEM仿真參數分為材料參數與接觸參數。本仿真材料參數包括土壤、刀盤密度、泊松比、剪切模量；接觸參數包括土壤之間、土壤與刀盤之間的恢復系數、靜摩擦因數及滾動摩擦因數。本研究采用試驗測定與參考文獻[15-19]兩者結合的方式來確定仿真所需參數。試驗設置時間步長為1×10-6s，仿真主要參數取值如表1所示。

表1 仿真參數

4 切削土壤過程仿真與分析

4.1 試驗方案設定

為研究不同結構參數與工作參數對開溝刀盤功率消耗的變化規律，試驗分別選取前進速度(工作參數)、刀盤轉速(工作參數)和3組不同結構參數的刀具(結構參數)作為考察因素，選取功耗作為評價指標。功耗計算公式

(6)

式中P—切削過程中功率消耗(kW)；

T—動力輸出扭矩(N·m)；

n—刀盤轉速(r/min)。

采用響應曲面試驗方法設計試驗，分析針對刀具不同結構參數及前進速度與轉速對開溝工作功耗情況的影響。刀具結構參數如表2所示。

表2 刀具結構參數

根據葡萄地開溝施肥農藝要求與實際生產水平，采用響應曲面試驗方法，將3個因素分別取3個水平，進行仿真分析。因素水平表如表3所示。

表3 仿真因素水平表

4.2 切削仿真過程

結合切削仿真模型的坐標系，將刀盤的工作情況做以下說明：刀盤是以X負方向前進，逆時針切削土壤，如圖7所示。刀盤逆時針旋轉切削土槽，開溝刀正切刃與土壤接觸，開溝刀側切刃斜上方擠壓土壤，切土角進行破碎土壤，被切削土壤隨著開溝刀逆時針旋轉拋撒，并隨著拋土板向兩側拋出，如圖8所示。開溝刀為A、B兩種刀，依次間隔螺旋分段切削土壤，完成開溝農藝要求工作幅寬。由圖8可看出：被切削土壤充分破碎，并有沿開溝刀運動趨勢。這表明，在實際作業中開溝刀對土壤有拋撒作用。因受本試驗研究限制，簡化影響仿真效率的導流罩等部件，所以仿真時土壤回流較為嚴重。

圖7 刀盤切削工作圖

圖8 切削拋撒圖

4.3 仿真結果與分析

4.3.1 回歸分析

仿真分析方案及結果如表4所示。

表4 仿真方案及結果

Table 4 The results of simulation

試驗號試驗因素前進速度X1/m·h-1刀盤轉速X2/r·min-1刀盤組合X3試驗指標作業功耗Y/kW1800.00110.00B18.3921150.00110.00B23.323800.00130.00B26.0141500.00150.00B35.35800.00130.00A25.6261500.00130.00A41.637800.00130.00C40.0581500.00130.00C49.491150.00110.00A24.69101150.00150.00A33.17111150.00110.00C36.19121150.00150.00C28.29131150.00130.00B27.1141150.00130.00B31.46151150.00130.00B36.11161150.00130.00B30.56171150.00130.00B32.7

為了進一步判斷各因素水平對功耗影響顯著性，應用Design-expert軟件[20-21]對表4試驗數據進行擬合分析及方差分析，得到各試驗因素對開溝功耗影響的編碼參數回歸方程為

Y=31.59+6.81X1+0.66X2-3.60X3+

1.63X1X2+1.67X1X3+4.09X2X3+

1.13X12-7.51X22+6.48X32

(7)

性能指標的方差分析如表5所示。由表5可知：Model的P值為顯著，失擬項不顯著。這說明，各因素對開溝作業功耗的影響顯著，且建立的模型與實際符合。模型擬合度系數為R=0.971，說明回歸模型與仿真試驗結果擬合程度較好，可用于預測開溝過程中作業功耗的變化情況。由表5還可以看出：X1、X3、X2X3、X2X2項對開溝作業功耗影響顯著，X2、X1X2、X1X2、X3X2對開溝作業功耗影響不顯著。因此，根據各因素對開溝作業功耗的方差分析，將不顯著項剔除，則

Y=31.59+6.81X1-3.60X3+1.67X1X3+

(8)

表5 性能指標的方差分析

P≤0.01為極顯著，標記為**；0.010.05為不顯著，標記為—。

4.3.2 響應曲面分析

根據開溝作業功耗回歸方程作出響應曲面，如圖9所示。各因素中，刀盤轉速與前進速度對作業功耗的影響最大。當刀盤組合為C時，隨著刀盤轉速與前進速度的增加，開溝作業功耗逐漸增加；當刀盤轉速小于130r/min時，刀盤轉速對開溝作業功耗的影響較大；當刀盤轉速為130r/min、前進速度為1 150m/h時，刀盤轉速與前進速度對開溝作業功耗的影響最大；當刀盤轉速大于130r/min 、前進速度大于1 150m/h時，對開溝作業功耗的影響較小。由等高線圖可看出，刀盤轉速與前進速度之間存在非線性關系。當刀盤轉速110r/min

圖9 刀盤轉速與前進速度對開溝作業功耗影響

4.3.3 參數優化

為得到最佳的試驗因素水平，對試驗因素進行優化，建立前進速度、刀盤轉速、刀盤組合的參數優化數學模型。結合試驗因素邊界條件，對回歸模型進行分析，得到數學模型為

在農業機械作業最求低能耗高效率的要求下，利用Design-Expert軟件所提供的Optimization功能，以盡可能達到開溝機械作業指標的深度且開溝作業功耗較小為需求目標，獲得最佳影響因素參數組合：當前進速度為801m/h、刀盤轉速為111r/min、刀盤組合為C時，開溝作業功耗為17kW。

5 結論

1)根據新疆土壤特性及葡萄種植模式，設計了一種葡萄深施有機肥開溝裝置。該裝置能夠有效地完成葡萄深施有機肥開溝作業，實現了新疆葡萄開溝作業的機械化。

2)利用離散元仿真軟件建立了土壤-開溝裝置交互模型，通過仿真確立了開溝作業功耗與試驗因素間的數學模型，并分析了前進速度、刀盤轉速、刀盤組合對開溝作業功耗的影響規律。

3)仿真試驗優化表明：當前進速度為801m/h、刀盤轉速為111r/min、刀盤組合為C時，開溝作業功耗為17kW。