楊 娜，安宗文

(蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

起壟機被廣泛應(yīng)用于蔬菜類、大豆類以及薯類等田間耕作后的起壟作業(yè)。起壟機起壟作業(yè)是整個薯類種植中最關(guān)鍵的一道工序[1-3]。目前，大多數(shù)地區(qū)還依靠人工起壟，不僅生產(chǎn)效率低，且還費時費力，尤其在播種期搶農(nóng)時[4]?，F(xiàn)有的起壟機經(jīng)常出現(xiàn)壟床寬度、壟溝寬度及壟高高度不一致，機具不可靠和壟型變異率較高等問題[5]。近年來，薯類種植面積逐年擴大，人工起壟方式已遠遠不能滿足薯類種植發(fā)展要求，雖然科研和技術(shù)人員針對現(xiàn)有市場上各類起壟機的不足進行了改進，但依然出現(xiàn)機具不可靠等問題。國外如英國、美國、德國、日本等發(fā)達國家，薯類的種植面積很廣泛，而且是產(chǎn)業(yè)化、集群化種植模式發(fā)展。薯類種植起壟作業(yè)由實現(xiàn)機械化生產(chǎn)正向智能化、系統(tǒng)化收獲方式轉(zhuǎn)變[5]。

起壟機作業(yè)時既要構(gòu)建壟型，又要盡量降低功耗、防止擁土。其中減小阻力能有效提升作業(yè)效率。分析研究起壟機各組成部件在起壟過程中的作用，筆者應(yīng)用離散元法(Discrete distinct Element Method)模擬起壟過程[6]。離散元法已巖土工程領(lǐng)域發(fā)展，而農(nóng)業(yè)工程中更適用的顆粒離散元研究相對緩慢[7]。李艷潔等人對土壤試樣進行了單軸壓縮試驗與離散元法模擬對比研究，驗證離散單元法模擬土壤是可行性的[8]。于建群采用離散元法分析開溝器的工作過程以從細觀角度詳細分析不同條件下開溝器的工作過程及工作阻力[9]。李艷潔基于彈簧線性接觸模型的離散元法對圓錐貫入沙土的動態(tài)過程進行三維數(shù)值模擬，分析了土壤顆粒位移和速度場的變化規(guī)律等[10]。而將離散單元法應(yīng)用于土壤起壟過程仿真尚無見報道。

在以上研究基礎(chǔ)上對所設(shè)計的起壟機進行了基于離散單元法的土壤挖掘數(shù)值模擬，分析起壟機各個組成部件在起壟過程中的作用，研究起壟機作業(yè)阻力，以期為起壟機結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論參考。

1 仿真模型建立

1.1 起壟機模型

如圖1所示，起壟機由起壟犁、機架、鎮(zhèn)壓板和鎮(zhèn)壓滾筒組成。機架主要用于安裝起壟各關(guān)鍵部件，起壟犁主要完成從兩側(cè)向中間翻滾土壤，并通過左右鎮(zhèn)壓板對翻后的土壤進行鎮(zhèn)壓和定型，鎮(zhèn)壓板是通過拉簧的拉力來實現(xiàn)對土壤進行鎮(zhèn)壓的，鎮(zhèn)壓滾筒利用自身重力來對起壟后的土壤向下壓實。

圖1 起壟機整機結(jié)構(gòu)1.機架 2.起壟犁 3.壟側(cè)鎮(zhèn)壓板 4.鎮(zhèn)壓輥筒

1.2 土壤模型

1.2.1土壤模型參數(shù)確定

測定、計算、預(yù)測校核的土壤離散元法仿真模型所需參數(shù)如表1所示。

表1 離散元法仿真的參數(shù)

試驗地土壤為沙壤土，既有散粒體物料特性又有一定的壓縮性。采用的土壤接觸模型為HSCM，并在其法向增加LCM。根據(jù)HSCM及LCM確定土壤基本物理參數(shù)、接觸力學參數(shù)和接觸模型參數(shù)?；疚锢韰?shù)包括顆粒粒徑分布、土粒密度、剪切模量、泊松比、容重。由于水的作用，土壤顆粒群內(nèi)形成的液橋使土壤顆粒之間產(chǎn)生內(nèi)聚力，通過土壤剪切試驗獲取不同含水率土壤的抗剪強度和內(nèi)摩擦角，LCM模型參數(shù)能量密度分別等于6種不同含水率條件下的土壤內(nèi)聚強度，HSCM模型參數(shù)屈服強度通過土壤貫入試驗獲得，顆粒間的阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)采用EDEM軟件默認值，分別為0.05、0.95[11-12]。接觸力學參數(shù)包括恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)。

1.2.2土壤仿真模型建立

將Solidworks中創(chuàng)建起壟機模型導(dǎo)入EDEM中。在EDEM中建立土槽模型，尺寸為4 000 mm×1 200 mm×600 mm。顆粒數(shù)越多會成倍增加仿真時間，顆粒數(shù)較少會影響仿真結(jié)果準確性，綜合考慮選擇土粒徑半徑為20 mm。土顆粒模型由土槽上面的虛擬面生成，顆粒填充滿土槽為止，根據(jù)土槽體積、土壤的孔隙率及單個土壤顆粒體積，選擇生成45 600個土壤顆粒。重力加速度設(shè)為沿y軸負方向為9.81 m/s2，生成的起壟仿真模型如圖2所示。

圖2 起壟仿真模型1.起壟機模型 2.土槽模型

2 起壟仿真過程及結(jié)果分析

借助離散單元法EDEM軟件對起壟土壤過程進行仿真研究。觀察起壟機不同部件(起壟犁、起壟犁后板、壟側(cè)鎮(zhèn)壓板和鎮(zhèn)壓輥筒)在起壟過程中發(fā)揮的作用，為保證起壟機作業(yè)過程的效率和穩(wěn)定性，需分析起壟過程受到的各種阻力。

2.1 仿真過程

總仿真時間為27.5 s，9.5 s的用于生成土顆粒，剩余時間用于起壟作業(yè)。在實際的起壟工作過程中，起壟犁將前方的平面細碎土壤鏟起，土壤沿鏟面向上提升，起壟犁內(nèi)壁為犁曲面，土壤上升過程被折彎、翻轉(zhuǎn)、最后落地；位于其后的兩側(cè)鎮(zhèn)壓板將起壟型沿兩側(cè)與水平面以一定夾角刮平的粗壟，位于鎮(zhèn)壓板后方的鎮(zhèn)壓輥筒在上面壓平壟型，如圖3所示。

2.2 土壤受力分析

起壟犁起壟過程中受到土壤對其阻力，分為水平方向阻力、垂直方向阻力和左右阻力，水平方向阻力影響作業(yè)機的工作效率和能量消耗，垂直方向阻力對作業(yè)機的入土深度和機具上下平衡有著重要作用，左右阻力影響作業(yè)機前進方向水平方向平衡，起壟機起壟過程受到的阻力如圖4所示。圖5為仿真壟體形狀和尺寸圖。

圖3 起壟仿真過程1.起壟犁鏟起、向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)、細碎土壤過程 2.起壟犁后板將壟型壓成長方體，使其形成基壟 3.壟側(cè)鎮(zhèn)壓板側(cè)面刮平 4.鎮(zhèn)壓輥筒將壟頂壓平，使其滿足壟體形狀和尺寸要求

圖4 起壟機起壟過程受到的阻力

圖5 仿真壟體形狀和尺寸

由圖5(a)可以看出，起壟機的各個部件逐漸入土，水平方向阻力呈上升趨勢，時間23.5～27.5 s期間水平阻力基本保持平衡，為5 500 N左右；隨著起壟機的各個部件入土，垂直方向阻力呈上升趨勢，時間17.5～27.5 s期間垂直阻力基本保持平衡，為1 300 N左右，該力可以與拖拉機重力之間保持穩(wěn)定；而起壟機前進方向左右平衡阻力在0～27.5 s期間在y=0軸上下波動，說明起壟機可以在作業(yè)過程中保持水平穩(wěn)定。

2.3 壟體成型

膜上播種壟體農(nóng)藝要求的形狀、尺寸與仿真得到的壟體的形狀、尺寸基本一致，仿真得到的壟體的上邊長435 mm，下邊長624 mm，高219 mm，均處于農(nóng)藝要求范圍內(nèi)，且壟體截面形狀相同。

3 結(jié) 論

基于EDEM軟件對起壟機各個部件在起壟過程中發(fā)揮的作用及起壟阻力進行研究。仿真結(jié)果表明：起壟機水平阻力保持在5 500 N左右；垂直阻力基本保持在1 300 N左右。壟體形狀為梯形，壟體的上邊長435 mm，下邊長624 mm，高219 mm。起壟機試驗結(jié)果為壟面上底邊寬度的平均值為628 mm；壟面下底邊寬度的平均值為429 mm；壟高平均值為223 mm。