田東洋，劉姣娣，焦灝博

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

覆土圓盤作為覆土機(jī)構(gòu)上的一部分廣泛應(yīng)用于鋪膜、播種機(jī)械上。例如，使用較為廣泛的滾輪式[1]、滾筒式[2]、旋耕式[3]、刮板升運(yùn)帶式覆土機(jī)構(gòu)[4]，它們都需對土壤進(jìn)行運(yùn)輸以覆蓋種子、地膜或者移栽后的秧苗，且覆土圓盤在覆土機(jī)構(gòu)中起著重要作用，為輸送機(jī)構(gòu)提供足量的土壤。為減少能耗、合理調(diào)整覆土圓盤的供土量即對土壤的擾動量，有必要對覆土圓盤與土壤的交互作用過程進(jìn)行研究。

建立精確的土壤與工具的交互模型是極其重要的，其不必進(jìn)行昂貴的田間試驗(yàn)且不受時(shí)令季節(jié)的限制[5]。由于土壤結(jié)構(gòu)的易變性和土壤所表現(xiàn)出來的非線性力學(xué)性能，使得土壤與耕具交互作用的分析變得復(fù)雜。離散元法相對于解析法[6]、經(jīng)驗(yàn)法[7]、數(shù)值分析法[8]而言，在精確預(yù)測耕作阻力和土壤變形方面更具優(yōu)勢,也廣泛應(yīng)用于農(nóng)具設(shè)計(jì)等方面的研究。

為得到精確的仿真結(jié)果，選擇合適的土壤顆粒接觸模型和接觸參數(shù)非常重要[9]。試驗(yàn)用土壤含沙量較大，含水率低。Ucgul et al. (2014)[9]研究也表明：Hertze-Mindlin接觸模型假定顆粒之間的接觸為非線性塑性變形，常用于耕作土壤中的研究。仿真中如實(shí)反映土壤顆粒的大小，則仿真量將會非常龐大，為了減少仿真量，Ucgul et al提供了一種用于確定離散元參數(shù)的方法，它允許使用較大的顆粒以代替實(shí)際的土壤顆粒但仍能夠提供較為精確的預(yù)測。本研究的目的是使用Hertze-Mindlin接觸模型和離散元參數(shù)確定的方法與半徑為5mm的沙子顆粒來研究覆土圓盤工作參數(shù)對耕作阻力和質(zhì)量流率的影響，得到一個(gè)理論上的預(yù)測模型，用以指導(dǎo)覆土圓盤在工作過程中的參數(shù)調(diào)整與覆土機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1 土壤-覆土圓盤交互模型的構(gòu)建

如圖1所示：覆土圓盤是精密播種機(jī)械的重要裝置之一，也用于鋪膜移栽機(jī)械上對移栽后的缽苗進(jìn)行覆土與對地膜側(cè)邊進(jìn)行覆土，最基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為覆土圓盤直徑R。覆土圓盤工作參數(shù)有：與水平地面的傾角β、與工作中前進(jìn)方向的偏角α、深度h及前進(jìn)速度ν。仿真模型中取一常用覆土圓盤直徑R=26cm，覆土圓盤三維模型用SolidWorks2014繪制，以.x.t格式保存，以便導(dǎo)入EDEM2017軟件中。其工作參數(shù)取β=0°，α按0°～50°選取，h取6c～10cm，ν取1～5km/h。

仿真中，覆土圓盤對所切削土壤土方大小有所要求，土方長、寬、高可依計(jì)算機(jī)計(jì)算能力適當(dāng)縮小尺寸，但不應(yīng)小于覆土圓盤工作參數(shù)調(diào)整范圍內(nèi)所涉及尺寸的大小。如本例當(dāng)中覆土圓盤寬度最大調(diào)整值在26cm左右，深度最大值達(dá)到10cm，工作中前進(jìn)方向上的長度不應(yīng)小于覆土圓盤穩(wěn)定工作時(shí)的最低長度(可做模擬試驗(yàn)測得)。為避免土方邊角對覆土圓盤與沙粒土壤交互作用的影響，取土方長、寬、高分別為100、30、20cm。實(shí)際操作中，土方尺寸與仿真所用土壤顆粒的數(shù)量往往不能直接確定下來，需先做幾次小型模擬試驗(yàn)，依計(jì)算機(jī)性能與土壤物性參數(shù)而定，尤其依賴于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力[10]。試驗(yàn)最終確定土方尺寸長、寬、高分別為100、30、16cm，土方生成顆粒數(shù)量為73 598顆，用46.6s的時(shí)間生成(EDEM2017軟件中)，生成速率1 600顆/s。

圖1 模型參數(shù)示意圖

覆土圓盤與土方的相對位置在SolidWorks2014中進(jìn)行確定與調(diào)整，其依靠的是事先建立的土方盒子模型，長、寬、高為100.4cm、30.4、20.2cm，壁厚0.2cm。如圖2所示：覆土圓盤與土方的相對起始位置，為探究覆土圓盤工作參數(shù)對土壤擾動量的影響與覆土圓盤的受力，在覆土圓盤工作參數(shù)范圍內(nèi)，調(diào)整其α角為20°、30°、40°、50°，h為6、8、10cm。仿真中，通過給定覆土圓盤的運(yùn)動參數(shù)，覆土圓盤對土壤進(jìn)行切削，EDEM2017軟件記錄覆土圓盤對土壤的擾動情況和覆土圓盤的受力情況。

圖2 三維模型交互圖

2 土壤顆粒模型構(gòu)建與參數(shù)確定

2.1 試驗(yàn)用土壤粒徑分布與顆粒建模

試驗(yàn)土壤取樣來自于新疆石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院試驗(yàn)用地，從中國土壤數(shù)據(jù)庫中查得石河子該區(qū)域主要有7種土壤，分別是鹽漠鈣土、輕堿漠鈣土、粘裂土、黃漠沙土、定漠沙土、下潮灰粘土及粘底二潮黃土，在0～30cm的土壤層內(nèi)土壤顆粒粒徑在0.002～0.2mm之間的居多數(shù)，在土壤顆粒分級制度上屬沙粒和粉粒。理想土壤是越細(xì)碎越好，即土壤可用沙子替代，粒子直徑過小會極大增加計(jì)算機(jī)運(yùn)算量，本仿真中取土壤顆粒為半徑5mm的球體。

2.2 土壤參數(shù)與接觸參數(shù)的確定

EDEM軟件中參數(shù)有兩類：一類是材料本身的參數(shù)，如密度、泊松比、剪切模量；另一類是接觸參數(shù)，如碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動摩擦因數(shù)。對于沙粒土壤與材料為鋼鐵的覆土圓盤交互，本研究的參數(shù)選取與確定方法詳見于Ucgul[11]等，表1中列出了從文獻(xiàn)中獲得和試驗(yàn)測得的參數(shù)。仿真中，用Hertz-Mindlin 接觸模型(在力的計(jì)算方面精確且高效)來研究覆土圓盤偏角與深度對土壤擾動量與耕作阻力的影響。土壤密度選用理想密度2 600kg/m3。

表1 仿真中所用離散元參數(shù)

3 覆土圓盤偏角、深度與速度對土壤擾動量與耕作阻力的影響

3.1 試驗(yàn)方法

給定覆土圓盤速度1、3、5km/h，做全因子組合試驗(yàn)，每組重復(fù)一次,試驗(yàn)組數(shù)為72組，如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

在生成土方后，通過在SolidWorks2014中改變覆土圓盤的工作參數(shù)即與土方的相對位置，再導(dǎo)入至EDEM2017中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同的參數(shù)組合試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為覆土圓盤在其運(yùn)動方向上所受的阻力與覆土圓盤對土壤顆粒造成的質(zhì)量流率(通過EDEM2017中mass flow sensor測得)。其測量位置有兩個(gè)：一個(gè)是對整個(gè)土方測量；另一個(gè)是從土方上表面以上測量，該測量方式假定土壤流動的主要部分集中在土方上表面以上。

3.2 數(shù)據(jù)處理

覆土圓盤整個(gè)運(yùn)行過程從46.6s開始至51.0s結(jié)束，在改變每組中覆土圓盤的參數(shù)后，每組試驗(yàn)的起始運(yùn)行時(shí)間之差不超過0.1s，運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)每隔0.1s記錄一次。每組最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以均值處理。由于速度的調(diào)整可以在EDEM2017中完成，實(shí)際的覆土圓盤位置即偏角和深度組合有12種，覆土圓盤運(yùn)行起始點(diǎn)有12個(gè)，起始點(diǎn)時(shí)間之差由人為控制在0.1s之內(nèi)。起始位置確定，起始時(shí)間點(diǎn)確定，試驗(yàn)可重復(fù)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。利用Minitab 16軟件對表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.3 工作參數(shù)對耕作阻力的影響

在Minitab 16中，通過統(tǒng)計(jì)分析得到力的主效應(yīng)圖和交互作用圖。圖3中顯示，差異性比較：深度主效應(yīng)>偏角主效應(yīng)>速度主效應(yīng)，即深度斜率的絕對值大于偏角斜率的絕對值大于速度斜率的絕對值。 由于

力為望小值(越小越好)，故深度為6cm、偏角為20°、速度為1km/h覆土圓盤所受阻力最小。圖4顯示，偏角、深度、速度相互作用存在。由速度與深度的交互作用可知：不論深度是在6、8cm或者10cm，速度1km/h下覆土圓盤所受阻力總是小于速度5km/h；但是，在1km/h速度下深度設(shè)定在6cm比深度設(shè)定在8cm所受阻力更小。

經(jīng)過回歸統(tǒng)計(jì)分析，得到力的廣義回歸模型為

F=47.24-1.94α-5.12h-20.09ν+

0.33αh+0.34αν+2.38hν

由圖5力殘差圖中可以看出：該模型較能很好地反映偏角、深度、速度與覆土圓盤前進(jìn)方向上所受阻力的關(guān)系?；貧w統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表3所示。

圖3 力主效應(yīng)圖

圖4 力交互作用圖

圖5 力的殘差圖

來源自由度Seq SSAdj SSAdj MSFP回歸695166.795166.715861.11394.040.0000000偏角127809.91196.51196.5105.160.0000000深度136245.4355.6355.631.250.0000005速度122732.92227.52227.5195.780.0000000偏角*深度12690.12690.12690.1236.440.0000000深度*速度12904.72904.72904.7255.290.0000000偏角*速度12783.62783.62783.6244.650.0000000誤差65739.6739.611.4失擬29739.6739.625.5純誤差360.00.00.0合計(jì)7195906.2

3.4 工作參數(shù)對質(zhì)量流率的影響

質(zhì)量流率的主效應(yīng)圖和交互作用圖如圖6和圖7所示。圖6顯示，差異性比較：速度主效應(yīng)>偏角主效應(yīng)>深度主效應(yīng)。由于質(zhì)量流率為望大值(越大越好)，故速度為5km/h、偏角為50°、深度為10cm覆土圓盤所擾動的土壤量最大。圖7顯示：速度與深度、速度與偏角的相互作用顯著存在，不論深度是在6cm、8cm或者10cm，還是偏角在20°、30°、40°或者50°速度5km/h下的質(zhì)量流率總是大于1km/h；但在速度5km/h下，深度設(shè)定在10cm比6cm有明顯的質(zhì)量流率變化，偏角設(shè)定在50°比20°有明顯的質(zhì)量流率變化。

圖6 質(zhì)量流率主效應(yīng)圖

在Minitab 16中，通過廣義回歸分析，得到質(zhì)量流率的廣義回歸模型為

mq=5.41-0.14α-0.63h-1.54ν+

0.01αh+0.02αν+0.14hν

通過該模型殘差圖圖8分析可知：該模型基本上能反映質(zhì)量與偏角、深度、速度三者之間的關(guān)系。其回歸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表4所示。

圖7 質(zhì)量流率交互作用圖

圖8 質(zhì)量流率殘差圖

來源自由度Seq SSAdj SSAdj MSFP回歸6123.978123.97820.6630168.8870.0000000偏角129.0535.8715.871347.9890.0000000

續(xù)表4

3.5 工作參數(shù)優(yōu)選

農(nóng)業(yè)耕作在追求低能耗高效的前景下，耕具用最少的能耗對土壤造成盡可能大的切削和擾動成為耕具設(shè)計(jì)和工作參數(shù)調(diào)整所追求的目標(biāo)[14]。通過軟件對測定數(shù)據(jù)分析可知：覆土圓盤偏角為40°、深度6cm、速度5km/h，覆土圓盤在前進(jìn)方向所受阻力為58.84N，質(zhì)量流率達(dá)到1.65kg/s。

4 結(jié)論

1) 通過仿真試驗(yàn)研究，確定了覆土圓盤在前進(jìn)方向所受阻力、質(zhì)量流率與工作參數(shù)之間的關(guān)系。在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，影響覆土圓盤耕作阻力的因素大小依次為深度、偏角、速度；影響質(zhì)量流率的因素大小依次為速度、偏角、深度。

2) 覆土圓盤的工作參數(shù)顯著影響覆土圓盤所受阻力、土壤質(zhì)量流率，調(diào)整范圍內(nèi)存在最優(yōu)值。在覆土圓盤偏角為40°、深度6cm、速度5km/h時(shí)，覆土圓盤在前進(jìn)方向所受阻力為58.84N，質(zhì)量流率達(dá)到1.65kg/s。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0016-EA