江應(yīng)星，趙子賦，王景立

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118）

【研究意義】水稻種植一直在我國處于重要地位。隨著國家大力推廣“保護(hù)性耕作”的背景下，在水稻的種植中，水田的耕整地與秸稈翻埋的重要性逐漸凸顯。吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)成功研制出一款水田秸稈翻埋平地機(jī)，用于解決水田泡田后泥土打漿與秸稈粉碎翻埋等問題。經(jīng)過田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該水田秸稈翻埋平地機(jī)的秸稈翻埋程度，田間平整度，水田平整效果皆滿足農(nóng)藝要求。隨著科技的發(fā)展，離散元仿真實(shí)驗(yàn)法應(yīng)用的范圍越來越廣，農(nóng)業(yè)機(jī)械的試驗(yàn)也越來越離不開仿真。在耕整地、排種器部件等機(jī)件中的運(yùn)用所獲得的數(shù)據(jù)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中所獲得的數(shù)據(jù)相差不大，數(shù)據(jù)的認(rèn)可程度也在不斷提高?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】周韋等[1-2]通過對散粒體與粘性土壤進(jìn)行從而得到相關(guān)研究方法與參數(shù)標(biāo)定，研究人員相繼利用EDEM 軟件對農(nóng)機(jī)具工作部件開溝器[3]、排肥器[4]、水田平地機(jī)刀輥[5]等工作部件進(jìn)行研究，在水田作業(yè)機(jī)具研究中，趙祚喜等[6-10]通過建立動(dòng)力學(xué)模型與添加激光平地系統(tǒng)，讓水田平地機(jī)的作業(yè)精度更精確方會(huì)敏等[11-13]通過利用EDEM 軟件模擬并分析了旋耕刀對土壤顆粒的擾動(dòng)情況離散元仿真可以在很好的模擬機(jī)具在耕地中的工作過程和土壤變化特征，且其試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的擬合程度較高。本文采用的EDEM 的Hertz-Mindlin with JKR 模型，利用其顆粒之間的內(nèi)聚力來模擬水田條件下的泥土之間的粘滯力，精確描述在打漿機(jī)工作過程中的土壤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。水稻種植需要在相對平整的泥土中插秧，在進(jìn)行水田平整作業(yè)前需進(jìn)行打漿作業(yè)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】選用打漿機(jī)的類型決定打漿后水田的泥漿質(zhì)量，不同的刀片偏轉(zhuǎn)角度、刀軸轉(zhuǎn)速、機(jī)具作業(yè)速度都會(huì)對作業(yè)質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此選擇一種合理作業(yè)條件搭配對水田整地作業(yè)極為重要。由于水田土壤構(gòu)成復(fù)雜多變，泥漿的流動(dòng)性，粘滯性以及與工作部件接觸相互產(chǎn)生的相互作用力難以確定。因此，構(gòu)建一個(gè)盡可能完整、準(zhǔn)確的水田離散元模型是一項(xiàng)較為復(fù)雜的過程，許多所用的參數(shù)測量也較困難。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文在綜合分析現(xiàn)有打漿刀與土壤之間的切削作用的基礎(chǔ)下，建立了秸稈-水層-泥漿-土壤4層顆粒的水田模型與水田打漿刀的交互作用模型。通過分析不同刀面弧度的打漿刀片、刀軸轉(zhuǎn)速、機(jī)具行走速度的工作效果進(jìn)行探究最為合適的組合搭配以提高水田秸稈翻埋平地機(jī)的打漿效果。

1 離散元仿真

1.1 建立秸稈-水層-泥漿-土壤水田泥漿模型

圖1 打漿刀在秸稈-水層-泥漿-土壤水田作業(yè)仿真模型Fig.1 Simulation model of beating knife in straw-water-mud-soil paddy field

水田的組成相比于旱田土壤更復(fù)雜，水田土壤由于含水率的差異在靜置狀態(tài)下產(chǎn)生分層現(xiàn)象，可直觀觀察出分為水、泥漿和土壤3層[14]土壤含水率差異與水稻秸稈的存在對試驗(yàn)造成一定的干擾。鄔立巖等[15]通過建立兩種半徑不同的顆粒分別代表水和土壤，再利用虛擬標(biāo)定法來確定二者的諸多參數(shù)。通過將秸稈顆粒、土壤顆粒、泥漿顆粒、水顆粒分別從下至上的傾來模擬靜止水田的形成。水層可近似于水分子顆粒集合而成，半徑與接觸半徑在滿足仿真條件下應(yīng)盡可能小，于是通過參考鄔立巖等[15]所使用的標(biāo)定參數(shù)即水顆粒使用半徑為0.02 mm，顆粒作用半徑為0.02 mm，泥漿具有流體特性，因此剪切模量可看作無限接近于0，因此取值1e+08 Pa。泥漿構(gòu)成復(fù)雜，主要由土壤顆粒與水分子混合而成，但由于土壤之間的粘滯力相互作用，形成了泥漿層。通過查閱資料與選取試驗(yàn)地泥漿進(jìn)行測定，泥漿密度為1 800 kg/m3，泊松比為0.5。泡田后的水層高度達(dá)到4～6 cm，泥漿深度8～12 cm，因此在仿真模型中，設(shè)置水顆粒層深度定為4 cm左右，泥漿層深度定位6 cm左右（圖1）。

離散元顆粒模型中，通過標(biāo)定顆粒之間的內(nèi)聚力可在一定程度上模擬粘性土壤顆粒之間所存在的粘滯力。因此在建立離散元顆粒模型前，對離散元顆粒之間的內(nèi)聚力參數(shù)標(biāo)定是極為重要的。通過參考文獻(xiàn)[15]，可確定相關(guān)內(nèi)聚力參數(shù)如表1所示。

表1 EDEM 中顆粒之間內(nèi)聚力參數(shù)Tab.1 Cohesion parameters between particles in EDEM

1.2 接觸模型選用

本研究施用的是EDEM 的Hertz-Mindlin with JKR 模型。該模型通過建立兩顆粒之間的內(nèi)聚力大小，來模擬泥漿分子之間的粘滯力，由于泥漿中含水量較高，粘滯力遠(yuǎn)小于普通土壤。顆粒之間通過水分子、毛細(xì)水、化學(xué)鍵等多種元素結(jié)合相互粘結(jié)，其液張力與濕潤程度決定了將其分離難易。JKR 模型中的內(nèi)聚力恰好可以對分子之間粘滯力進(jìn)行替代，將模型中游離的顆粒連接起來。

1.3 水稻秸稈模型

水稻秸稈是一種易彎曲、可折斷但具有一定韌性的復(fù)合材料，在水田耕整地作業(yè)中，大量水稻秸稈碎段對打漿機(jī)構(gòu)切削土壤泥漿形成極大干擾，因此在進(jìn)行機(jī)具仿真作業(yè)時(shí)，需要考慮切碎的水稻秸稈碎段對仿真的干擾作用。目前水稻秸稈顆粒在離散元仿真中普遍被認(rèn)作為多顆粒組合而成的剛體顆粒，在建立水稻秸稈顆粒時(shí)，通過球面堆疊，調(diào)整顆粒之間的間距來構(gòu)成秸稈顆粒模型。圖2為建立的直徑8 mm，3種不同尺寸長度的長中短型水稻秸稈碎段顆粒[15]。

圖2 不同長度的水稻秸稈顆粒模型Fig.2 Grain model of rice straw with different length

1.4 仿真參數(shù)的選取與確定

因選擇模擬的主要目標(biāo)為水田土壤，構(gòu)成極其復(fù)雜，因此只能從理想狀態(tài)下進(jìn)行分析與模擬。水的剪切模量為0，但在EDEM中無法取到，在此條件下利用虛擬試驗(yàn)標(biāo)定法對水進(jìn)行標(biāo)定，最后以1e+08 Pa代入模擬試驗(yàn)中。泥漿主要由水與土壤顆?；旌隙?，不確定性大，隨環(huán)境變化幅度大，通過試驗(yàn)，在4塊不同田塊，分別取得了深度為6 cm的5組泥漿樣品。經(jīng)計(jì)算其密度為1 756 kg/m3，泊松比等因素則需要虛擬實(shí)驗(yàn)標(biāo)定法以及參考文獻(xiàn)獲取。由于在仿真過程中，將顆粒尺寸的減小時(shí)，其仿真時(shí)間與對計(jì)算機(jī)的損耗呈幾何指數(shù)增長。因此在此基礎(chǔ)上通過測量以及計(jì)算，將土壤最小顆粒定為1 mm，泥漿顆粒定為0.5 mm，由于水分子無法測量，取其顆粒半徑為0.2 mm僅用作參考。EDEM中試驗(yàn)所需的標(biāo)定參數(shù)如表2。

表2 仿真參數(shù)值Tab.2 Simulation parameter values

1.5 秸稈-水層-泥漿-土壤模型的建立

本研究通過EDEM 軟件中的Hertz-Mindlin with JKR 模型構(gòu)建水田模型，利用solidwork 繪制多種不同因素不同水平的水田秸稈翻埋平地機(jī)的打漿機(jī)結(jié)構(gòu)來模擬其水田打漿過程，通過其仿真效果，用于判斷以及評定打漿機(jī)最優(yōu)結(jié)構(gòu)搭配，提高打漿效率。建立水田模型如圖1，長為2 m，寬為0.5 m。soildwork軟件繪制的4組打漿機(jī)刀組如圖3。

圖3 不同刀面弧度的打漿刀Fig.3 Beater with different curved angle surface

2 打漿機(jī)仿真模擬試驗(yàn)分析

2.1 打漿機(jī)作業(yè)仿真模擬

將不同種類的打漿機(jī)刀組、不同的機(jī)具前進(jìn)速度、不同的刀輥旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)導(dǎo)入離散元仿真軟件中，分別進(jìn)行打漿機(jī)刀組在水田的作業(yè)模擬試驗(yàn)，得到打漿機(jī)在打漿過程中水田土壤結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與趨勢，打漿機(jī)在前進(jìn)過程中所受到的工作阻力與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩以及混合后的泥漿度。

2.2 打漿機(jī)作業(yè)仿真分析

本次仿真試驗(yàn)采用的EDEM2.7 軟件進(jìn)行水田秸稈翻埋平地機(jī)打漿機(jī)的打漿刀作業(yè)過程的建模仿真，通過利用不同刀面弧度的打漿刀、前進(jìn)速度和打漿機(jī)轉(zhuǎn)速等多種變量因素，分析水田土壤成分與占比，以及刀具所受到的滑動(dòng)總阻力大小，對水田秸稈翻埋平地機(jī)打漿機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行探究與優(yōu)化（表3）。

表3 因素水平表Tab.3 Factor level table

秸稈-水-泥漿-土壤水田模型按水田結(jié)構(gòu)構(gòu)成順序利用顆粒的自由落體鋪墊而成，但由于EDEM 軟件后處理部分只提供某種顆粒的數(shù)量或質(zhì)量基礎(chǔ)指標(biāo)，缺乏直接用于判定仿真效果的指標(biāo)，因此建立一種適用于該水田模型用于判定打漿機(jī)構(gòu)仿真作業(yè)過程中打漿效果指標(biāo)是非常重要的。土壤顆粒、水稻秸稈碎段顆粒數(shù)量少，誤差較大。泥漿顆粒位于模型中層，在進(jìn)行水層顆粒的鋪墊時(shí)，會(huì)有一定的泥漿顆粒受重力作用運(yùn)動(dòng)到最底層網(wǎng)格中增大誤差。水顆粒作為模型中數(shù)量最大，占比最多的顆粒，主要分布于模型頂部，在打漿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)開始前，模型最底層網(wǎng)格中幾乎沒有水顆粒的存在。隨著打漿機(jī)構(gòu)中的打漿刀自上而下的切削作用下，頂部的水顆粒開始向下運(yùn)動(dòng)從而模擬打漿機(jī)構(gòu)的田間作業(yè)過程。證明模型底部網(wǎng)格中存在的水顆粒占比越大，在仿真作業(yè)中，打漿機(jī)構(gòu)的作業(yè)效果最佳。

圖4 打漿刀的各工作狀態(tài)Fig.4 Different working state of beating knives

仿真通過系統(tǒng)分析法總共獲得的64組打漿機(jī)在各種因素水平條件下的工作效果指標(biāo)數(shù)據(jù)。由于仿真的打漿機(jī)打漿刀種類以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)眾多，對打漿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為110 r/min，機(jī)具作業(yè)速度為2 km/h的工作條件下的四種刀面弧度的打漿刀組仿真圖與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用作比較供參考。由于顆粒數(shù)目限制等諸多原因限制，因此打漿刀輥長度僅選取了原長度的1/5，長度為0.5 m。a、c、e、g 分別為刀面弧度為5°、10°、15°、20°的打漿刀在機(jī)具作業(yè)速度為2 km/h，打漿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度為120 r/min 的條件下，0 s 時(shí)的打漿機(jī)工作狀態(tài)。b、d、f、h 分別為刀面弧度角度為5°、10°、15°、20°的打漿刀在機(jī)具作業(yè)速度為2 km/h，打漿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度為120 r/min的條件下，在0.02 s時(shí)的打漿機(jī)工作時(shí)的土壤狀態(tài)（圖4）。

由圖4 可知：通過選用相同的打漿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度與機(jī)具作業(yè)速度的工作條件下，刀面弧度為20°的打漿刀表面存在水稻秸稈碎段較少，只有少量秸稈碎段漂浮于表面。但刀面弧度增大也會(huì)存在一定缺陷，例如對打漿刀的抗應(yīng)變強(qiáng)度要求更苛刻，刀具損耗也會(huì)隨之增大。僅從圖像觀察存在一定局限性，無法定量對水田模型中顆粒進(jìn)行分析，因此需要通過EDEM 后處理功能對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用前進(jìn)阻力大小評定打漿機(jī)參數(shù)組合不足以證明其打漿效果最佳，僅能證明其抗磨損能力強(qiáng)弱，還需要對打漿機(jī)構(gòu)的打漿效果進(jìn)行分析，對水顆粒占比指標(biāo)進(jìn)行分析（圖5～6）。

圖5 5°的打漿刀在不同前進(jìn)速度下受到的前進(jìn)總阻力與水顆粒占比Fig.5 The total resistance and the proportion of water particle of the 5°beating knife in different speeds

圖6 15°的打漿刀在不同前進(jìn)速度下受到的前進(jìn)總阻力與水顆粒占比Fig.6 The total resistance and the proportion of water particle of the 15°beating knife in different speeds

在仿真開始前，水分子顆粒均處于仿真區(qū)域頂部，在打漿機(jī)構(gòu)由上至下的切削作用下，水分子顆粒受到打漿刀作用，向下方運(yùn)動(dòng)。底層土壤顆粒從沒有水分子顆粒到含有一定量的水分子顆粒的過程可看作打漿機(jī)打漿過程一部分的模擬。通過對顆粒的分析，可將仿真區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，對仿真區(qū)域底部網(wǎng)格中的水分子顆粒占比作為判定EDEM 軟件對打漿機(jī)仿真打漿效果的重要指標(biāo)（圖7）。打漿機(jī)的刀面旋轉(zhuǎn)弧度越大，其泥土拋灑高度變低；拋灑的傾斜角也隨之降低。隨著打漿機(jī)行走速度v減小，其泥漿質(zhì)量更優(yōu)；刀具旋轉(zhuǎn)n速度越大，泥漿質(zhì)量隨之提高。將仿真試驗(yàn)過后的模型進(jìn)行網(wǎng)格化，由于仿真打漿過程是通過打漿機(jī)的作用將頂層的水層顆粒在一定旋轉(zhuǎn)角度的切削力向下作用。因此可以對底層網(wǎng)格的水分子作為判定標(biāo)準(zhǔn)，對狀態(tài)穩(wěn)定的底層網(wǎng)格進(jìn)行水分子顆粒占比的分析與對比（表4～5）。

圖7 區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.7 Area gridplot

表4 5°打漿刀仿真試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The result of simulation test of 5° beating knife

表5 15°打漿刀仿真試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 The result of simulation test of 15° beatingknife

3 打漿機(jī)田間作業(yè)試驗(yàn)及試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由田間測量裝備與數(shù)據(jù)處理設(shè)備組成，田間測量裝備主要由田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測儀（圖8）、遙感無人機(jī)組成。數(shù)據(jù)處理設(shè)備由0.001 g 高精度電子秤、土壤堅(jiān)實(shí)度儀組成，可測量拖拉機(jī)懸掛點(diǎn)所受到的總阻力、選取的土壤樣品泥漿濃度等指標(biāo)。

3.2 試驗(yàn)方案

影響打漿機(jī)構(gòu)工作時(shí)打漿效率的主要參數(shù)有打漿刀弧度、機(jī)器前進(jìn)速度、打漿刀轉(zhuǎn)速3 個(gè)因素。本研究中由于不同水平對試驗(yàn)結(jié)果影響較明顯，因此選取4個(gè)水平。由于水田條件復(fù)雜，打漿機(jī)的前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速較難控制，在試驗(yàn)過程中易波動(dòng)，因此，選取的水平數(shù)均使用十位數(shù)整數(shù)進(jìn)行計(jì)算。本次試驗(yàn)在吉林省大安市海坨鄉(xiāng)三業(yè)村進(jìn)行試驗(yàn)（圖9），選取了4塊水稻田進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)前對田塊進(jìn)行48h的灌水泡田，泡田后的水層高度達(dá)到4～6 cm，泥漿深度8～12 cm 以達(dá)到成熟試驗(yàn)條件。水田秸稈翻埋平地機(jī)在作業(yè)后，對不同因素與水平條件下作業(yè)后的泥漿進(jìn)行采集并標(biāo)號(hào)。

圖8 田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測儀Fig.8 Telemetry for dynamic parameters of fieldmachinery

圖9 田間試驗(yàn)Fig.9 Field test

起漿濃度為：

Qa第a個(gè)行程起漿溶度；Qiab第a個(gè)行程中第b個(gè)點(diǎn)的泥土質(zhì)量；Qnab第a個(gè)行程中的第b個(gè)點(diǎn)泥漿質(zhì)量。

表6 5°打漿刀田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Field test results of the 5° beating knife

通過烘干機(jī)將獲取的泥漿進(jìn)行烘干以及對田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測儀所測量的總阻力大小與各組試驗(yàn)的泥漿度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理（表6～7）。

表7 15°打漿刀田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Field test results of the 15° beating knife

3.3 打漿機(jī)構(gòu)前進(jìn)總阻力的對比

在相同試驗(yàn)條件下的打漿機(jī)構(gòu)在田間的試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10 所示。對比結(jié)果表明，試驗(yàn)與仿真結(jié)果具有相關(guān)性，其總阻力變化規(guī)律相吻合。阻力數(shù)值產(chǎn)生差異的原因是由于水田泥漿構(gòu)成復(fù)雜，水田中水稻秸稈對打漿機(jī)構(gòu)纏繞阻礙作用，增大機(jī)具功率消耗以及仿真過程中對泥漿、水、土壤等顆粒的物理、流變特性參數(shù)的簡化缺少更詳細(xì)的描述所導(dǎo)致的。

圖10 打漿機(jī)構(gòu)前進(jìn)總阻力田間試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Field Test results of total forward resistance of beating mechanism

3.4 打漿效果指標(biāo)的對比

在仿真實(shí)驗(yàn)中，由于軟件無法直接給出起漿濃度這一指標(biāo)，因此通過將試驗(yàn)區(qū)域中的顆粒進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，由于初始設(shè)定最頂層為水顆粒層，在打漿機(jī)的作用下，水顆粒由頂層向底部運(yùn)動(dòng)。打漿效果好的試驗(yàn)組，其底層單元網(wǎng)格中的水顆粒數(shù)目多，其水顆粒質(zhì)量占比大。在田間實(shí)驗(yàn)中，起漿濃度大小是判斷打漿機(jī)打漿效果的重要指標(biāo)，起漿濃度越大，其打漿效果越佳。因此兩指標(biāo)之間具有相關(guān)性，如圖9 所示。仿真試驗(yàn)結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果的運(yùn)動(dòng)軌跡比較吻合，證明了本試驗(yàn)中選用的水田泥漿的水層-泥漿-土壤顆粒的離散元模型的仿真試驗(yàn)具有參考性。

圖11 打漿機(jī)構(gòu)起漿濃度試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Test Result of pulp-rising consistency of beating mechanism

4 結(jié)論

（1）本文使用的離散元方法分析水田秸稈翻埋平地機(jī)的打漿機(jī)部分在水田使用不同刀面弧度、前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速對打漿效果的影響。同時(shí)利用Hertz-Mindlin with JKR 模型建立了秸稈-水層-泥漿-土壤水田土壤模型對水田復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行了合理模擬。

（2）打漿刀前進(jìn)總阻力的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相對誤差為11.46%，水顆粒占比指數(shù)與起漿濃度指標(biāo)折線的起伏規(guī)律相匹配，證明了離散元仿真的有效性。

（3）通過仿真作業(yè)與田間試驗(yàn)的驗(yàn)證下，擁有刀面弧度為20°的打漿刀在打漿機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)速度為140 r/min，機(jī)具作業(yè)速度為2 km/h 的工作條件下，機(jī)構(gòu)的打漿效果最佳。擁有刀面弧度為20°的打漿刀在打漿機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)速度為140 r/min，機(jī)具作業(yè)速度為5 km/h的工作條件下，機(jī)構(gòu)所受到的前進(jìn)總阻力為464.07 N，機(jī)具損耗程度最大。

（4）田間試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)對比時(shí)，造成數(shù)據(jù)偏差的主要原因是水田打漿過程中秸稈本身特性難以利用軟件做到還原，較多特性未進(jìn)行參考。水稻秸稈本身也具有一定韌性，在打漿機(jī)構(gòu)工作過程中會(huì)對秸稈產(chǎn)生切割作用，在一定程度上增加了機(jī)器工作時(shí)所受的前進(jìn)阻力，對起漿濃度指標(biāo)造成一定影響。