基于離散元法的還田彎刀—秸稈—土壤互作模型仿真與試驗*

劉東旭，葛宜元，楊傳華，王俊發，陳超

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯，154007)

0 引言

三江平原地處東北平原黑土區，是我國核心商品糧基地，壓艙石地位不可動搖[1]。由于過度開墾及自然侵蝕，黑土層逐年變薄，黑土地保護面臨巨大考驗[2-3]。國家和黑龍江省均將黑土地保護工程作為十四五期間重點解決的問題[4-5]。作物秸稈直接還田是黑土修復和秸稈利用最簡單、最經濟的方式之一。而土壤的空間差異性和機具—土壤之間復雜的接觸關系，直接影響秸稈還田及黑土修復質量[6]。因此，明晰還田彎刀—秸稈—土壤的互作關系是高效還田的關鍵。國內外學者針對不同的土壤類型，對觸土部件—土壤的互作模型進行了相關研究。于建群等[7]利用離散元法建立土壤—開溝器相互作用模型，探究開溝器運動阻力情況。A A R L B等[8]利用粒子有限元法建立土壤—刀具相互作用模型，探究二者運動關系。佟金等[9]利用Abaqus軟件建立土壤—凸齒輪鎮壓器的三維模型，探究二者相互作用情況。郭志軍等[10]采用有限元法，建立土壤—曲面推土板相互作用模型。Tekeste等[11]構建了土壤—刀具相互作用的離散元模型。崔蘭超等采用二維離散元模型與ADAMS相結合的方法建立土壤—成穴器二者仿真模型，探究圓盤式成穴器輸出阻力的變化情況。王學振等[12]利用EDEM軟件建立土壤—深松鏟相互作用的離散元模型，揭示了深松鏟工作過程。秸稈還田作業時，與彎刀接觸的是秸稈—土壤的復雜混合物，彎刀受力情況大不相同，因此亟需建立彎刀—秸稈—土壤三者的接觸模型。本文采用仿真與試驗相結合的方法，建立還田彎刀—土壤—秸稈三者的仿真互作模型，對比分析有、無秸稈兩種狀態下，彎刀所受扭矩的變化，并進行試驗驗證，為彎刀優化及還田機理的進一步研究提供理論支持。

1 還田彎刀—秸稈—土壤仿真參數確定

1.1 耕作參數確定

為提高仿真結果的準確性，以耕深、刀軸轉速、單位秸稈還田量為試驗因素，以刀輥扭矩為試驗指標，進行設計三因素三水平旋轉正交試驗，通過分析優化確定最優耕作參數為耕深200 mm、刀軸轉速240 r/min、單位秸稈還田量3.5 kg/m2。采用GPS土壤水檢測儀、土壤堅實度測量儀測得土壤含水率為30%，堅實度為700 kPa。試驗臺總體結構如圖1所示。動力選用三相異步電動機(TX3-100L-6)和配套變頻器(臺達VFD-M)，并進行頻率與電機轉速關系的標定。

圖1 試驗臺總體結構Fig. 1 Soil tank test device1.軌道 2.刀具 3.步進電機 4.三相異步電動機 5.行走架 6.導線 7.電控箱

1.2 建模參數測定

仿真參數數值及具體來源[13-22]如表1所示。

表1 基本仿真參數Tab. 1 Simulation parameters of basic

本文仿真參數主要是接觸參數和材料參數。接觸參數包括土壤—土壤、土壤—彎刀、土壤—秸稈等的靜摩擦系數；材料參數包括秸稈、土壤、刀的密度與泊松比等[13-22]。水稻秸稈泊松比采用準靜態試驗測定，得到泊松比均值為μ=0.4。土壤—秸稈摩擦系數使用靜摩擦參數測試裝置進行測試，得出靜摩擦系數平均值為0.3，土壤—土壤摩擦系數f=0.50，土壤—秸稈摩擦系數f=0.40。選用三江平原典型黑土，使用直剪儀等設備測得土壤參數。參數具體測定方法本文不再贅述，將在其他文章中詳細闡述。

2 還田彎刀—秸稈—土壤仿真模型建立

2.1 仿真接觸模型選擇

本文采用EDEM2020軟件建立還田彎刀—秸稈—土壤三者接觸模型。為獲得較高的應力計算精度采用Hertz-Mindlin with Bonding模型[13]，該模型將土壤顆粒之間的內聚力簡化為bonding鍵，將顆粒模型當作硬球顆粒進行接觸求解，如式(1)所示。

(1)

式中：Fn——顆粒間切向接觸力，N；

Ft——顆粒間法向接觸力，N；

R——顆粒間黏結半徑，m；

S——顆粒間接觸面積，S=πR2，m2；

Tn——顆粒所受到的法向力矩，N·m；

Tt——顆粒所受到的切向和法向力矩，N·m；

J——慣性力矩，J=πR2/2，m4。

2.2 土壤模型和水稻秸稈模型建立

在EDEM軟件中基本的顆粒模型為球形，本文選擇直徑6 mm的球形作為基本土壤顆粒。由于水稻秸稈不同位置直徑不同，導致秸稈建模存在困難。經過實際測定秸稈直徑，采用直徑分別為6 mm和8 mm的球形顆粒間隔排列填充建模，如圖2所示。

圖2 秸稈簡化模型Fig. 2 Model of simplified straw

2.3 彎刀和刀輥模型建立

采用SolidWorks2020軟件建立刀輥模型，如圖3所示。將模型格式存為.step并導入EDEM2020中進行分析。

(a) 單刀

(b) 刀輥圖3 彎刀模型Fig. 3 Machete model

2.4 相互作用模型建立

2.4.1 創建顆粒工廠

在EDEM2020中，仿真重力參數設定為-9.8 m/s2。將相關顆粒參數輸入到軟件中，在土槽中添加兩種顆粒工廠(New Factory1、New Factory2)分別產生土壤顆粒與秸稈顆粒。

2.4.2 彎刀運動定義

采用EDEM中的兩種運動方式，一種是直線運動表征機具前進速度，另一種是曲線運動表征刀具旋轉運動。彎刀運動由向前行進的直線運動(Liner Translation)和刀軸的旋轉運動(Liner Rotation)兩者合成。按表1參數數值設置刀軸轉速與前進速度。彎刀運動方向如圖4所示。彎刀運動時，秸土混合物會隨彎刀運動方向向四周飛濺，所以設定土槽外側立方體區域為仿真計算區域。

圖4 彎刀運動方向Fig. 4 Direction of the scimitar

2.4.3 仿真模型總成

在EDEM中將彎刀運動設定完成后，在建立好的顆粒工廠中開始生產土壤顆粒與秸稈顆粒并落入土槽當中，隨后將還田彎刀置于指定位置，即為彎刀—秸稈—土壤三者相互作用模型，同理建立刀輥—秸稈—土壤相互作用，二種相互作用模型如圖5所示。

圖5 相互作用模型

Fig. 5 Interaction model1.土壤顆粒 2.秸稈顆粒 3.彎刀(刀輥)

3 仿真試驗結果分析

3.1 單把彎刀仿真受力分析

依據所建立的接觸模型，對彎刀受力進行分析，彎刀所受水平力FX、縱向力FY、側向力FZ如圖6所示。V為刀輥前進方向，ω為彎刀旋轉方向。

圖6 彎刀所受力三相力示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the three phase force exerted on the scimitar

為了減少仿真試驗計算時間，本文將刀軸轉速擴大10倍，以此探究彎刀受力情況[23-25]。在有秸稈顆粒覆蓋條件下，分析彎刀從入土到出土所受到三相力變化如圖7所示。

圖7 還田彎刀受力變化Fig. 7 Force variation of returning scimitar

由圖7可知，隨著角度上升，耕深增大，彎刀在X、Y、Z三方向所受最大力的絕對值分別為73.1 N、139.2 N、97.2 N，隨著彎刀繼續旋轉逐漸離開土壤，其所受三相力逐漸減小到0。水平力在彎刀整個切土過程中始終處于X軸上方；側向力方向始終與水平力相反；縱向力方向先增大，隨著角度的變化，受力方向由正方向變為負方向。縱向力先于其他力達到最大值，而水平力與側向力最大值均產生于最大耕深處。彎刀合力從0逐漸增加直到165.2 N，隨后逐漸下降到0，且彎刀所受三向力皆不是平滑曲線，產生這種情況的原因是由于土壤和秸稈被彎刀擊碎后刀具所受的力短暫減小，隨著彎刀的旋轉刀具又重新接觸到被壓實的土壤時力土壤增大，所導致的微小波動。由分析可知刀具翻埋過程分為三個階段：第一階段彎刀切削土壤，此時彎刀受力逐漸增加；第二階段彎刀破碎土壤，此時彎刀受力達到峰值；第三階段刀具將土壤進行拋灑彎刀受力逐漸減少。因此，可以得出在旋耕過程中切削土壤和破碎土壤所受到的力要大于拋灑是所受到耕作阻力，此過程與實際情況相符。

3.2 刀輥—秸稈—土壤接觸模型扭矩分析

仿真模型數據保存間隔為0.01 s，分別進行無秸稈及秸稈量為3.5 kg/m2的仿真試驗，截取刀輥旋轉0～2 s內的數據，得出刀輥扭矩變化如圖8所示。由圖8可知有、無秸稈扭矩最大值分別為25.8 N·m、21.7 N·m，平均值分別為19.5 N·m、17.4 N·m，表明刀輥在有秸稈耕作時平均所消耗功率大于無秸稈消耗功率的12.1%。產生這種現象的原因是刀輥在作業時，彎刀與秸稈接觸，會對秸稈進行切割，此時未切碎的秸稈會纏繞彎刀上或跟隨彎刀共同運動，這直接導致彎刀下次入土時與土壤接觸面積增加，入土阻力增大，從而產生額外功率消耗。

圖8 有無秸稈仿真扭矩對比圖Fig. 8 Comparison diagram of simulation torque with and without straw

3.3 驗證試驗與分析

3.3.1 有無秸稈試驗值對比

將試驗數據導入origin2018中，得出有無秸稈兩種狀態時，彎刀扭矩隨時間變化的曲線如圖9所示。

圖9 有無秸稈試驗扭矩對比圖Fig. 9 Torque comparison diagram of straw or no straw test

由圖9可知，在刀輥未接觸土壤時，扭矩平均值為3.9 N·m，這是由刀輥自重以及試驗臺摩擦所產生，而在刀輥入土瞬間，扭矩驟然增大，有、無秸稈狀態扭矩最大值分別為32.3 N·m、26.7 N·m，平均值分別為23.7 N·m、21.3 N·m，有秸稈狀態平均扭矩要高于無秸稈狀態扭矩的11.3%左右。主要原因是由于秸稈與土壤顆粒間相互摩擦及吸附作用，會產生一種復雜的內聚力，增加了彎刀阻力，引起扭矩的增加。

3.3.2 仿真值與試驗值對比

以仿真相同參數進行有秸稈狀態土槽試驗，對比圖10中試驗值和仿真值可以看出，二者變化趨勢基本相同，隨著切削土垡厚度和土壤接觸面積的增加，刀軸扭矩逐漸增加；當刀軸運行平穩后，同時入土的彎刀面積基本恒定，此時彎刀扭矩變化不大。有秸稈仿真平均值19.5 N·m，有秸稈試驗平均值23.7 N·m，試驗值高于仿真值，且具有波動多、變化快的特征，這是由于試驗過程中土壤的復雜性及機具本身振動導致。二者變化趨勢相同也驗證了仿真模型的可靠性。

圖10 有秸稈仿真與試驗對比圖Fig. 10 Comparison between simulation and test with or without straw

4 結論

1) 實測三江地區寒地黑土土壤參數，構建機具—土壤—水稻秸稈三者相互作用仿真模型，揭示單把彎刀耕作中三相力變化趨勢，并探究在有無秸稈覆蓋的土壤中刀輥扭矩變化，在彎刀旋耕速度為240 r/min，耕深為200 mm，前進速度為0.5 m/s時，有、無秸稈刀輥扭矩平均值分別為19.5 N·m、17.4 N·m，仿真表明：刀輥在有秸稈耕作時平均所消耗功率大于無秸稈消耗功率的12.1%。

2) 依托于佳木斯大學實驗中心土槽試驗臺，對含有3.5 kg/m2秸稈進行試驗與仿真對比，有、無秸稈狀態扭矩最大值分別為32.3 N·m、26.7 N·m，平均值分別為23.7 N·m、21.3 N·m，有秸稈狀態平均扭矩要高于無秸稈狀態扭矩的11.3%左右，但數據變化趨勢基本相同，且試驗值具有波動多、變化快的特點，這是由土壤的復雜性、秸稈在彎刀上的附著狀態以及機具本身振動引起，二者變化趨勢相同也驗證了仿真模型的可靠性，后續試驗將針對不同黑土類型對彎刀扭矩的影響開展研究。