碎土機刀片碎土過程仿真與分析

摘要：良好的苗土是實現水稻高產的必備條件，為了改善苗土碎土質量，提高碎土機碎土效率，降低碎土機能耗和刀片的磨損，提出一種新的碎土機刀具部件模型，并利用離散元軟件EDEM對碎土機的碎土過程進行模擬，計算破碎過程中新舊刀片受到的阻力和能量的損耗。結果表明，新型刀片以25°的切削前角，5°的切削后角對土壤進行切削時，受到的法向力和總阻力都遠小于傳統刀片受到的力;破碎相同質量的土壤，其能量損耗遠低于傳統刀片的能量損耗;并且新型刀片對土壤施加垂直于前刀面的力，推動土塊沿此方向運動，實際破碎過程中將土壤擊飛并與筒壁碰撞破碎，提高了破碎率。研究結果可為碎土機、碎土篩土機的設計、計算、改進等提供指導。

關鍵詞：碎土機刀片;離散元素法;切削;功耗;EDEM軟件

中圖分類號： TH164;S222.5? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）14-0239-04

水稻育秧過程中，要實現高產，良好的苗土是必要保障。良好的苗土要求土顆粒粒徑為2～4 mm、含水量為20%左右，而自然土的顆粒粒徑難以達到要求，須要對苗土進行破碎處理[1-2]，國內的碎土機類型有ST-38型碎土機、ST-2000型碎土機等，并配套有篩土機如CT-2000篩土機等[3];或者集碎土、篩土為一體的整臺設備，如ST-08型碎土篩土機等。但很多碎土機、碎土篩土機都存在碎土率低、功耗大、污染嚴重、刀片磨損嚴重等現象，并伴隨一定的土塊回彈現象;現有的解決方案大多是對碎土腔進行結構、傾斜角度等改進，缺少對破碎過程的研究。

本研究建立2種碎土機刀具部件模型，并基于離散元軟件EDEM對碎土機的碎土過程進行模擬，分析了破碎過程中阻力、摩擦力對刀片的影響和土壤破碎過程中的運動軌跡，并提出了對碎土機、碎土篩土機刀片的改進方案，以期為碎土機、碎土篩土機的設計、計算、改進等提供幫助。

1 農用碎土機碎土原理

碎土機的碎土原理是驅動破碎腔或篩筒中的刀軸旋轉，刀軸帶動分布于刀軸徑向的刀片高速旋轉，對土壤進行劈裂、折斷和沖擊破碎;在破碎腔或篩筒中，高速運動的土壤和筒體間存在撞擊、摩擦等相互作用，也會對部分土壤進行破碎。

2 離散元模型

實際土壤成分，組成土壤的顆粒粒徑、形狀等極其復雜，要設置土壤顆粒的真實形態極為不易，為模擬實際土壤，本研究利用離散元軟件EDEM建立合適的土壤模型，為后續的切削仿真試驗做準備。

2.1 土壤模型

2.1.1 材料參數

常見的水稻田間土壤顆粒材料特性、顆粒與顆粒間的相互作用參數、顆粒與幾何體間的相互作用參數見表1、表2。

2.1.2 幾何模型

在仿真計算過程中，土壤顆粒會在刀片切削過程中飛出計算域，為防止顆粒飛出，本研究利用EDEM軟件前處理器中的幾何體模塊建立了盒子模型，盒子的具體尺寸為200 mm×140 mm×80 mm。本研究采用球型土壤顆粒模型，并將其進行黏結化，模仿塊狀土體。顆粒生成方式為動態生成，即1次生成104個顆粒，自然下落、堆積，靜置一段時間后形成土壤模型，模型中小顆粒半徑為2 mm，塊狀長方體形土壤長為100 mm，寬為120 mm，高為80 mm。

2.1.3 物理模型

水稻田間土壤具有輕質、黏度大、含水率高、易成塊的特點，且顆粒之間具有較大的凝聚力、附著力，因此常用黏結顆粒模型（bonded? particle model，簡稱BPM）模擬破碎過程中顆粒的運動過程[4-5]，這種模型定義的最大法向應力和切向應力為

2.2 刀片模型

2.2.1 傳統刀片模型

碎土機械一般通過刀片旋轉的方式對土壤進行破碎，刀片多為細長方體形，例如ST-2000型碎土機;或者為圓柱體形，例如BJCT-2200型碎土機。傳統類型刀片在主軸的旋轉帶動下，對進入破碎腔的土壤塊體進行劈裂、折斷和沖擊破碎。為分析刀片切削、破碎土壤過程，以細長方體形刀片為模型，具體尺寸為100 mm×10 mm×5 mm。

2.2.2 新型刀片模型

新型的刀片長度為 100 mm，其橫斷面為三角形結構（圖1）。α是刀片切削面a與切削速度平面c之間的夾角，為切削角，值的大小直接影響刀片對土壤的切削阻力，進而影響土壤的破碎效果。切削角的選擇要綜合考慮碎土機刀軸轉速、土壤類型、篩筒傾斜角等因素。實踐證明，轉速越高，切削角值越小，阻力越小。本研究中設計切削角為25°。ε是刀片后斜面b與切削速度平面c之間的夾角，為切削后角，切削后角是引起刀片后斜面對其切削速度方向平面土壤壓實的主要因素，本研究設計的切削后角為5°，設定刀體長度為100 mm。

3 碎土過程仿真計算

為便于觀察刀片切削土壤的微觀過程、土壤與2種刀片的相互作用，本研究假定2種刀片的運動軌跡均為直線，且以較小的速度（0.8 m/s）沿土壤長度方向勻速切削土壤，其速度沿y軸方向為負，運動時間從0 s到0.1 s。在生產實踐中，碎土機的刀片切削速度很快，其刀片的運動速度與主軸轉速的關系為

式中：ω為角速度;n為轉速;R為半徑;v為運動速度。為了模擬碎土機破碎率的變化情況，以碎土機的主軸轉速為準設置刀片運動速度，常用的碎土機主軸轉速約為 1 200 r/min，半徑R=100 mm，由公式（2）可得刀片的運動速度為6.28 m/s，運動時間為0.015 s。刀片的切削過程見圖2，圖2中展示了時間為0.01 s時，被切削土壤顆粒的運動速度。

由圖2-a可知，在切削和破碎過程中，傳統刀片周圍的顆粒產生速度較大，土塊有被“壓扁”的趨勢。由圖2-b可知，新型刀片周圍的顆粒速度較小，土塊在被切削的過程中產生了橫向位移。

4 結果與分析

4.1 刀片切削過程分析

在碎土機刀片切削過程中，刀片受到土壤顆粒對刀片產生的法向接觸力、切向接觸力、摩擦力等力的共同作用，這些力會對刀片產生磨損，且受力越大，刀片磨損量越大，磨損速度越快。

2種刀片在切削土壤過程中，刀片受到的土壤顆粒法向接觸力以及總阻力的變化曲線見圖3。2種刀片在切削過程中，接觸土壤顆粒所受到的法向接觸力及總阻力的變化規律相近，均先急劇增大，后不穩定減小。這是因為切削土壤的過程中，刀片快速擠壓土壤，土壤發生了從彈性抵抗到塑性破壞的劇烈變化，改變了刀片的受力環境。

新型刀片的切削角在很大程度上減小了作用在刀片上的法向力，所以刀片上受到的法向力和總阻力都比傳統刀片上受到的力要小很多。從圖3可以看出，相比于傳統刀片，新型刀片的接觸力變化趨勢較為平緩。這主要是因為傳統刀片矩形面垂直于切削方向，受到土壤顆粒擠壓、撞擊等的法向力比新型刀片大，刀體垂直于切削方向的面受力很大，而兩側面受到的切向力較小。由圖4可知，新型刀片由于切削刃方向與切削方向為銳角，減小了受到的土壤法向阻力，刀體受到的阻力主要為切向力，圖4中展示了時間為0.02 s時，傳統刀片和新型刀片的受力分布。

4.2 刀片破碎過程分析

2種刀片以相同的運動速度（6.28 m/s）切削土壤，其對土壤模型的破碎效果參數見表4，單位時間段內，傳統刀片破壞的黏結鍵比新型刀片多，這是由于傳統刀片對土壤施加的力主要為法向力，由于寬度較新型刀片切削面a的投影長度大，所以切削過程中可以破壞更多的黏結鍵。

新型刀片消耗的能量遠低于傳統刀片，這是由于傳統刀片在切削過程中，由于對土壤施加的法向力很大，傳統刀片在切削相同距離時做的功較新型刀片大，其切削土壤造成的能量損耗遠遠大于新型刀片所造成的能量損耗。

2種刀片的能耗與黏結鍵破壞個數的比值如下：

能量損耗均值=能量損耗黏結鍵破壞個數。

每個時間段內，新型刀片的切削功耗均小于傳統刀片的切削功耗，所以在切削時采用新型刀片不但可以減小刀片的磨損，還可以大大降低能量損耗，降低成本，達到節能減排的目的。

5 結論

2種刀片在切削過程中，其受到的法向接觸力及總阻力的變化規律均為先急劇增大后不穩定減小，但新型刀片受到的法向接觸力，總阻力值較小，因此其磨損量更小，使用壽命更長，進而可有效減少材料的浪費和更換刀片造成的工時延長，降低了成本。

新型刀片在切削過程中，同時可以對土壤施加垂直于新型刀片切削面的力，使土壤向此方向運動，在實際生產中會增大土壤的運動速度，將其擊飛并與筒壁碰撞破碎，增強破碎率。

新型刀片由于切削面的投影長度小于傳統刀片的迎向土壤的寬度，盡管相同切削條件下，破壞的黏結鍵個數小于傳統刀片，但在相同的切削過程中，刀片損耗的能量遠低于傳統刀片。

參考文獻：

[1]馮 帆. 小型碎土機的設計[J]. 農業科技與裝備，2014（11）：21-22.

[2]余進海，孔曉玲，黃書曄，等. 基于Solid Works的水稻盤育秧用土處理機的虛擬設計[J]. 包裝與食品機械，2006，24（2）：31-34.

[3]Potyondy D O，Cundall P A. A bonded-particle model for rock[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2004，41（8）：1329-1364.

[4]王憲良，胡 紅，王慶杰，等. 基于離散元的土壤模型參數標定方法[J]. 農業機械學報，2017，48（12）：78-85.

[5]Ucgul M，Fielke J M，Saunders C. Three-dimensional discrete element modelling of tillage：determination of a suitable contact model and parameters for a cohesionless soil[J]. Biosystems Engineering，2014，121（2）：105-117.

收稿日期：2019-07-30

基金項目：陜西省教育廳自然科學基金（編號：18JK1134）。

作者簡介：彭麗霞（1978—），女，內蒙古巴彥淖爾人，碩士，副教授，主要從事機械工程、智能機器人方面的研究。E-mail：1127198936@qq.com。