賈雅麗

摘 要：為分析旋耕刀耕作過程中所受阻力及其變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋耕刀的數(shù)字化與可視化研究。利用離散單元法，對(duì)旋耕刀作業(yè)過程進(jìn)行了仿真分析，本研究可為有效揭示土壤耕作機(jī)理提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：離散單元法;旋耕刀;土壤切削;仿真分析

中圖分類號(hào)：S222.3 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.08.006

0 引言

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，更是一個(gè)農(nóng)機(jī)使用大國(guó)。2019年我國(guó)農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化率超過70%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與現(xiàn)代化。耕整地機(jī)械在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械中舉足輕重[1]，特別是近年來，隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)的大量投入，農(nóng)民生產(chǎn)觀念的更新，我國(guó)北方農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)逐年優(yōu)化，產(chǎn)業(yè)化種植面積也不斷增加，這使得耕整地機(jī)械的應(yīng)用更具前景。耕整地機(jī)械最重要的耕作部件是旋耕刀。工作時(shí)，旋耕刀與土壤發(fā)生接觸，進(jìn)行周期性的旋轉(zhuǎn)切割，刀具對(duì)土壤進(jìn)行垂直切入，破土、旋轉(zhuǎn)切削、碎土等過程[2]。顯然，要提高旋耕機(jī)的作業(yè)性能，需要對(duì)旋耕刀的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的分析[3，4]。

旋耕刀工作時(shí)進(jìn)行比較復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其中土壤切削是最具有代表性的土壤加工過程，因此對(duì)土壤切削的科學(xué)分析和模擬是降低農(nóng)機(jī)具功率消耗的關(guān)鍵。目前，一般采用物理試驗(yàn)法和模擬仿真法進(jìn)行土壤切削的分析。近年來，不少研究者應(yīng)用土壤切削離散元仿真及數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)旋耕刀切削土壤進(jìn)行了有效分析，證實(shí)了模擬仿真試驗(yàn)的可行性。本文利用離散單元法，對(duì)旋耕刀作業(yè)過程進(jìn)行仿真，并分析了土壤對(duì)旋耕刀產(chǎn)生的阻力及其變化趨勢(shì)。研究可為有效揭示土壤耕作機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 土壤顆粒參數(shù)

土壤物理和力學(xué)性質(zhì)影響著旋耕刀與土壤相互作用關(guān)系的力學(xué)模擬效果[5]，本文采用Hertz-Mindlin with JKR作為土壤基質(zhì)間的接觸模型，參考相關(guān)文獻(xiàn)，準(zhǔn)確模擬華北平原的土質(zhì)特性。土壤模型參數(shù)如表所示[6，7]。

1.2 EDEM仿真模型

本文對(duì)國(guó)標(biāo)（GB/T 5669-2008）規(guī)定的IT245型旋耕刀進(jìn)行研究，使用3D掃描對(duì)已有國(guó)標(biāo)旋耕刀進(jìn)行曲面建模，并導(dǎo)出*.stl格式文件。

將旋耕刀*.stl格式文件導(dǎo)入到離散元軟件EDEM2018，材料設(shè)置為65 Mn;為表征土壤結(jié)塊及分層現(xiàn)象，土槽由3層不同顆粒堆積而成，從表層至底層分別為單球面顆粒、三球面顆粒與四球面顆粒，土槽尺寸長(zhǎng)、寬、高分別設(shè)置為1000 mm×400 mm×300 mm，仿真模型如圖1所示。

2 工作阻力分析

設(shè)定旋耕刀旋轉(zhuǎn)速度為300 r·min-1，前進(jìn)速度為0.8 m·s-1，仿真過程如圖2所示。進(jìn)行多次仿真試驗(yàn)取平均值，得到旋耕刀阻力變化曲線如圖3所示。

通過仿真分析可以看出，旋耕刀所受阻力最大值在400～500 N之間，最小值為0，平均值約為160 N。阻力曲線整體呈上下波動(dòng)趨勢(shì)，與實(shí)際田間作業(yè)阻力變化趨勢(shì)大致相同。本研究表明離散元法在分析旋耕刀工作阻力方面的正確性，但土壤情況較為復(fù)雜，要準(zhǔn)確描述土壤顆粒間的接觸關(guān)系，仍需進(jìn)行大量試驗(yàn)與驗(yàn)證。后期將重點(diǎn)研究土壤基質(zhì)物理特性，以進(jìn)一步提高仿真精度，為機(jī)具能耗分析、刀片磨損失效等研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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