李艷潔 寇英濤 張恒宇 劉晉浩

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

在治理土地沙漠化引起的災(zāi)害性方面，已有許多治沙措施應(yīng)用于實(shí)踐中[1-6]，而在諸多工程治沙手段中，鋪設(shè)草方格沙障是一種綠色環(huán)保的常用手段[7-9]。目前鋪設(shè)草方格仍大范圍采用人工作業(yè)，相比人工作業(yè)，機(jī)械鋪設(shè)具有更高的效率。在機(jī)械化鋪設(shè)草方格裝備研究方面，由最初的 “草方格鋪設(shè)機(jī)器人”[10-13]，改進(jìn)為“多功能立體固沙車(chē)”進(jìn)行防風(fēng)固沙。該裝備能夠?qū)崿F(xiàn)草方格的橫、縱向一次性機(jī)械化成格鋪設(shè)，其中縱向插草部件是一個(gè)與固沙車(chē)作業(yè)機(jī)架相連的插草圓盤(pán)。該圓盤(pán)與固沙車(chē)等速前進(jìn)的同時(shí)，以一定的下壓力向前滾動(dòng)，將草稈壓入沙土內(nèi)約20 cm。在野外沙地插草作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，插草圓盤(pán)前進(jìn)速度和下壓力等作業(yè)參數(shù)與草方格鋪設(shè)質(zhì)量密切相關(guān)，因與沙土物性直接相關(guān)，缺少定量化設(shè)計(jì)依據(jù)，在作業(yè)過(guò)程中存在草稈插入深度不夠?qū)е虏莘礁駢勖档突虿宀輨?dòng)力過(guò)大導(dǎo)致能耗浪費(fèi)的情況。實(shí)際的插草圓盤(pán)在野外插草作業(yè)中，摸索插草圓盤(pán)的工作參數(shù)對(duì)草方格鋪設(shè)質(zhì)量的影響規(guī)律主要依靠大量的經(jīng)驗(yàn)性嘗試。目前對(duì)于草方格鋪設(shè)裝備插草質(zhì)量和部件與草稈相互作用以及運(yùn)動(dòng)特性的研究較少[14-15]，且以試驗(yàn)研究為主，試驗(yàn)中圓盤(pán)存在偏載現(xiàn)象導(dǎo)致系統(tǒng)誤差；理論分析未涉及到縱向插草圓盤(pán)、草稈與沙土三者間復(fù)雜的相互作用及對(duì)各自運(yùn)動(dòng)的影響。

本研究擬對(duì)插草圓盤(pán)滾動(dòng)前進(jìn)插草作業(yè)中草稈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，揭示草稈運(yùn)動(dòng)參數(shù)與圓盤(pán)前進(jìn)速度等參數(shù)間的定量關(guān)系，采用離散元法對(duì)插草圓盤(pán)的滾動(dòng)前進(jìn)插草進(jìn)行數(shù)值模擬，分析圓盤(pán)插草阻力的影響因素及影響規(guī)律，以期為插草圓盤(pán)工作參數(shù)的合理選擇提供理論依據(jù)。

1 豎直下壓過(guò)程的插草試驗(yàn)

為對(duì)草稈運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真，確保仿真所采用的草稈運(yùn)動(dòng)參數(shù)與實(shí)際相吻合，對(duì)草稈插入沙土的過(guò)程進(jìn)行了沙箱內(nèi)的豎直下壓式插草試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。插草圓盤(pán)在電機(jī)控制下可實(shí)現(xiàn)指定速度的上下勻速移動(dòng)，試驗(yàn)中全程拍攝草稈的運(yùn)動(dòng)和變形，為后續(xù)標(biāo)定草稈轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，草稈會(huì)被圓盤(pán)分成2段，彎折發(fā)生在草稈被壓入沙土過(guò)程中與圓盤(pán)接觸點(diǎn)處，且兩段草稈近乎保持直線形式繞著彎折點(diǎn)邊下移邊轉(zhuǎn)動(dòng)(圖2(a))，期間并未有明顯的彎曲變形。因此本研究將草稈簡(jiǎn)化為三段式的剛性圓柱體模型(圖2(b))，即：中間與圓盤(pán)厚度相等的一小段草稈隨圓盤(pán)下壓而隨動(dòng)向下平移，左右兩長(zhǎng)段草稈則邊下移邊繞著彎折點(diǎn)同步相向轉(zhuǎn)動(dòng)合攏。

1.電機(jī);2.圓盤(pán)軸;3.插草圓盤(pán);4.草稈;5.沙箱1.Motor;2.Disk shaft;3.Inserting disk;4.Straws;5.Sandbox圖1 豎直下壓插草試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device for vertical inserting straw test

1、2、3分別為剛性草稈的第一段、第二段、第三段。1、2 and 3 are the first、second and third segments of the rigid straw.ω為草桿下壓過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s；vy為草桿下壓過(guò)程豎直方向的速度,mm/s。ω is the rotational angular velocity during the pressing of the straw,rad/s;vy is the vertical velocity during the pressing of the straw,mm/s.圖2 三段式剛性草稈模型Fig.2 Three-segment rigid model for a straw

1.1 草稈轉(zhuǎn)動(dòng)速度的標(biāo)定

兩側(cè)長(zhǎng)段草稈繞該端點(diǎn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速度由試驗(yàn)標(biāo)定。當(dāng)中間段草稈被壓至最深處時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)角度剛好為90°，即兩側(cè)草稈剛好處于直立狀態(tài)。本研究使用Adobe Premiere軟件對(duì)插草試驗(yàn)中草稈的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行分析，認(rèn)為草稈在下壓的過(guò)程中近似做勻減速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此利用此軟件的同步對(duì)比功能，將插草仿真與插草試驗(yàn)進(jìn)行同步比對(duì)，每隔0.5 s將仿真計(jì)算得到的草稈轉(zhuǎn)過(guò)角度與插草試驗(yàn)的草稈轉(zhuǎn)過(guò)角度對(duì)比，從而標(biāo)定草稈繞端點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的初始角速度與角加速度(圖3)。

1.2 沙土擾動(dòng)范圍測(cè)試

本研究利用插草試驗(yàn)研究沙土擾動(dòng)范圍，采用衡量指標(biāo)是相應(yīng)位置的土壓力。以圓刃插草盤(pán)為研究對(duì)象，工況參數(shù)及減小誤差的方法與簡(jiǎn)單下壓式固沙插草試驗(yàn)一致，沙土土床中傳感器的埋設(shè)位置見(jiàn)圖4。為探究不同位置處沙土受到插草盤(pán)的影響，選取插草盤(pán)一側(cè)同一高度水平面上的12個(gè)位置，測(cè)量鉛垂和水平方向的土壓力。本試驗(yàn)為單因素試驗(yàn)測(cè)定，主要探究插草盤(pán)下壓速度對(duì)沙土擾動(dòng)范圍的影響。

①沙箱；②插草圓盤(pán);編號(hào)1，2，…，12為傳感器。H、L 分別為相鄰傳感器在水平面內(nèi)前后、左右的間距,cm。圖5 同。① and ② are sandboxes and grass inserting discs;1-12 are sensors.H and L are the distances of adjacent sensors in two directions within a horizontal plane respectively,cm.The same in Fig.5．圖4 沙土擾動(dòng)范圍測(cè)試示意圖Fig.4 Schematic diagram of measurement of soil disturbance domain

測(cè)試結(jié)果(圖5)表明：豎直方向土壓力隨著插草圓盤(pán)橫向距離的增大而減小，且豎直方向土壓力在距離插草盤(pán)20 cm處為零。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：下壓草稈直接擠壓插草盤(pán)正下方位置處的沙土，而對(duì)較遠(yuǎn)位置處的沙土的擠壓作用較小。圖5(b)表明，隨著距離插草盤(pán)越來(lái)越遠(yuǎn)，水平方向土壓力會(huì)先減小后增大，且在沙槽壁面處土壓力較大。這是因?yàn)椋宀荼P(pán)正下方的沙土受草稈擠壓可向兩側(cè)移動(dòng)從而減小水平壓力，而壁面對(duì)沙土產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)限制，使得壁面位置的水平土壓力增大。圖5表明，相同位置的豎直、水平土壓力隨著插草速度的增大均有逐漸增大的趨勢(shì)，是因?yàn)楫?dāng)增大插草速度時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的沙土擠壓變形在變大，因此土壓力也會(huì)隨之增大。

由于本研究采用豎直下壓插草試驗(yàn)?zāi)康氖菢?biāo)定草稈轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，而非阻力的測(cè)試，因此沙箱側(cè)壁面的邊界效應(yīng)對(duì)草稈的運(yùn)動(dòng)影響甚微可暫不考慮。

Pv,Ps分別為豎直方向和水平方向的土壓力。Pv and Ps are vertical and horizontal earth pressures，respectively.圖5 插草速度 (v)對(duì)沙土擾動(dòng)范圍的影響Fig.5 Effect of inserting velocities to soil disturbance

2 草稈在下壓過(guò)程的運(yùn)動(dòng)分析

在插草圓盤(pán)將草稈壓入沙土過(guò)程，其所受的插草阻力會(huì)受到草稈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的顯著影響。本研究針對(duì)插草盤(pán)作業(yè)過(guò)程中草稈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了理論推導(dǎo)，為后續(xù)的數(shù)值仿真提供理論基礎(chǔ)。

假設(shè)一半徑為R的插草圓盤(pán)滾動(dòng)插草時(shí)前進(jìn)速度為v，入土深度為h，平鋪于地表且半徑均為r的草稈一旦開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，在彎折點(diǎn)處始終與圓盤(pán)邊緣接觸，直到被下壓至深度h(即圓盤(pán)外緣最低點(diǎn))運(yùn)動(dòng)停止，與圓盤(pán)脫離。圓盤(pán)連續(xù)滾動(dòng)插草過(guò)程中的一個(gè)阻力計(jì)算周期的運(yùn)動(dòng)時(shí)間ΔT為某根草稈從地表開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)直到被下壓到圓盤(pán)入土深度的時(shí)間段，則當(dāng)圓盤(pán)連續(xù)滾動(dòng)時(shí)，始終有固定根數(shù)的草稈與圓盤(pán)接觸，因此插草阻力應(yīng)該是保持恒定的。假設(shè)任一根草稈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律均相同，單根草稈在不同時(shí)刻與圓盤(pán)的位置關(guān)系見(jiàn)圖3，單根草稈下移運(yùn)動(dòng)時(shí)間ΔT由式(1)確定：

(1)

在插草作業(yè)過(guò)程中，圓盤(pán)會(huì)沿著前進(jìn)方向與草稈逐一接觸并將草稈逐根壓入土中(圖6(b))。且任一根草稈都有相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，只是運(yùn)動(dòng)的開(kāi)始時(shí)刻不同，即相鄰兩根草稈開(kāi)始運(yùn)動(dòng)存在時(shí)間差Δt：

(2)

N=ΔT/Δt

(3)

式中：Δl為相鄰兩根草稈橫截面圓心距。圓盤(pán)在ΔT時(shí)間內(nèi)所接觸的草稈數(shù)量可由式(3)確定，將式(1)、(2)代入式(3)得：

(4)

上述分析內(nèi)容僅為在彎折點(diǎn)一小段草稈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)于整根草稈的運(yùn)動(dòng)速度分2步討論：分別是中段豎直和兩側(cè)草稈的運(yùn)動(dòng)速度分析。任意時(shí)刻中段草稈的豎直方向平動(dòng)速度由式(5)確定：

vy=(Δy)′

(5)

(6)

式中：t為圓盤(pán)接觸第i根草稈的任意時(shí)刻，當(dāng)t=0時(shí)即為草稈在豎直方向運(yùn)動(dòng)的初速度，即

(7)

由式(7)可看出，每根草稈的下壓初速度與圓盤(pán)前進(jìn)速度v成正比例關(guān)系。

本研究在分析兩側(cè)草稈的速度時(shí)，將其平面運(yùn)動(dòng)分解為中間端點(diǎn)豎直方向的平動(dòng)與繞該端點(diǎn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，側(cè)段中間端點(diǎn)豎直方向平動(dòng)速度等于中間段草稈的速度，可由式(6)確定。

位置1，圓盤(pán)與草稈i剛接觸時(shí)的位置；位置2，圓盤(pán)與草稈i接觸的任意位置；位置3，圓盤(pán)將草稈i壓入至最深處，即等于圓盤(pán)入土深度h時(shí)的狀態(tài)；位置4，圓盤(pán)與第i+1根草稈剛接觸時(shí)的位置。y、x分別為第i根草稈在某時(shí)刻圓盤(pán)與草稈截面圓心間的豎直和水平距離，y0、x0分別為圓盤(pán)和草稈剛接觸時(shí)的圓盤(pán)與草稈圓心間的豎直和水平距離；Δl為相鄰草稈橫截面圓心距；v為插草圓盤(pán)前進(jìn)速度。Position 1,the position where the disc has just contacted the straw stalk i;Position 2,any position where the disc makes contact with the straw stalk i;Position 3,the disc presses the straw stalk i to the deepest point,which is equal to the depth of the disc into the soil at h;Position 4,the position of the disc when it just touchs the i+1th straw.y and x are the vertical and horizontal distances between the ith straw at the disc and the center of the straw cross section at a certain moment,and y0 and x0 are the vertical and horizontal distances;Δl is the center-to-center distance of the cross section of the adjacent straw;v is the forward speed of the inserted disc.圖6 插草圓盤(pán)與草稈位置關(guān)系Fig.6 The relationship between the inserting disk and the straw

3 數(shù)值模型

插草圓盤(pán)是草方格鋪設(shè)裝備關(guān)鍵的縱向插草部件，本研究采用離散元軟件EDEM對(duì)草稈-沙土進(jìn)行3D建模并分析阻力。計(jì)算顆粒的法向和切向接觸力分別采用Hertz和Mindlin-Deresiewicz理論[16]，顆粒接觸的法向力Fn和切向力Ft由式(8)確定：

(8)

(9)

由于仿真涉及顆粒規(guī)模較大，而顆粒數(shù)量對(duì)計(jì)算效率的影響十分顯著。為了在不影響計(jì)算真實(shí)性的前提下減小顆粒規(guī)模，本研究建立的長(zhǎng)方體形狀沙土床尺寸為500 mm×320 mm×300 mm，且將其壁面設(shè)置為循環(huán)邊界[17]以消除邊界效應(yīng)，在計(jì)算域通過(guò)落雨法生成沙土床，在生成的沙土床表面生成單層排列的草稈，相鄰草稈之間相互獨(dú)立且無(wú)間隙。草稈總長(zhǎng)400 mm，草稈總數(shù)量為32根。料床和草稈幾何模型見(jiàn)圖7。沙土、草稈和底板的相關(guān)物性參數(shù)見(jiàn)表1，其中物性參數(shù)取值來(lái)源于材料手冊(cè)[18]或相關(guān)文獻(xiàn)[19]。

表1 仿真模型物性參數(shù)Table 1 Physical parameters used in the simulations

本研究通過(guò)DEM模擬分析圓盤(pán)的前進(jìn)速度、草稈鋪設(shè)密度及圓盤(pán)厚度在插草圓盤(pán)作業(yè)過(guò)程中對(duì)圓盤(pán)豎直方向插草阻力的影響規(guī)律，式(1)、(2)、(4)和(7)可用來(lái)確定單根草稈運(yùn)動(dòng)時(shí)間、相鄰草稈運(yùn)動(dòng)的時(shí)間間隔、圓盤(pán)接觸的草稈數(shù)量和草稈運(yùn)動(dòng)的初速度，仿真工況參數(shù)取值見(jiàn)表2。仿真中插草圓盤(pán)半徑R和入土深度h分別為360 mm和200 mm。

表2 插草過(guò)程仿真工況參數(shù)Table 2 Parameters of simulation conditions of straw inserting

1.草稈；2.顆粒；3.剛性底板；4.循環(huán)邊界1.Straws;2.Particles;3.Rigid base;4.Periodic boundaryL、W和H分別為顆粒料床的長(zhǎng)、寬和高，mm。L,W and H are respectively the length,width and height of the granular bed,mm.圖7 料床和草稈幾何模型Fig.7 Granular bed and straw geometry model

在本研究的仿真中，由于存在軟件參數(shù)設(shè)置及仿真效率的問(wèn)題，需要對(duì)式(6)確定的2種插草圓盤(pán)前進(jìn)速度的草稈下壓速度進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見(jiàn)圖8；根據(jù)式v=v0-at可求得線性擬合點(diǎn)的取值，當(dāng)圓盤(pán)前進(jìn)速度為4.0、5.5、7.0、8.5和10.0 cm/s時(shí)，相應(yīng)的v0分別為5.868 7、8.074 9、10.277 5、12.487 1和14.697 3 cm/s；a分別為0.804 9、1.523 7、2.467 0、3.637 1和5.042 9 cm/s2。由圖8 可見(jiàn)，圓盤(pán)前進(jìn)速度越快，草稈向下壓入的平移速度曲線越陡，說(shuō)明草稈速度變化越劇烈。

圖8 草稈中段下壓速度曲線及線性擬合結(jié)果Fig.8 Velocity curves and their linear fitting results of the central segment of straws

4 模擬結(jié)果及討論

由草稈運(yùn)動(dòng)理論分析可知，在1個(gè)周期內(nèi)，與圓盤(pán)接觸的所有草稈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可由圓盤(pán)插草過(guò)程的仿真計(jì)算得到(圖9和圖10)，可見(jiàn)，隨著插草圓盤(pán)與草稈逐漸接觸，草稈中段在豎直方向做平移運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)草稈繞著與中間段的接觸點(diǎn)做相對(duì)合攏的轉(zhuǎn)動(dòng)；而且，草稈的運(yùn)動(dòng)在與插草圓盤(pán)剛接觸時(shí)的變化比較明顯，草稈入土越深，中段在豎直方向的位移以及兩側(cè)草稈轉(zhuǎn)動(dòng)的角度越小。

圖9 草稈在不同時(shí)刻(t)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.9 Straw movement at different times

圖10 圓盤(pán)水平前進(jìn)后草稈的狀態(tài)Fig.10 The state of the straw after the disk is advanced horizontally

插草圓盤(pán)的插草阻力是由圓盤(pán)與所有接觸草稈的法向力在豎直方向的力投影后求和所得，即：

(10)

式中：F為插草圓盤(pán)豎直方向阻力；Fni為每根草稈給圓盤(pán)的法向壓力；N為插草圓盤(pán)在穩(wěn)定插草過(guò)程中所接觸的草稈數(shù)量；θi為每根草稈給圓盤(pán)的法向壓力與豎直方向的夾角。由式(10)可見(jiàn)，插草阻力與圓盤(pán)在插草過(guò)程中所接觸的草稈數(shù)量有關(guān)。大圓盤(pán)接觸的草稈根數(shù)多于小圓盤(pán)，因此在其他條件相同的情況下，大圓盤(pán)滾動(dòng)插草的鉛垂阻力要大于小圓盤(pán)。但插草阻力受圓盤(pán)直徑變化的敏感度有限。

4.1 前進(jìn)速度對(duì)插草阻力的影響

通過(guò)對(duì)比插草圓盤(pán)滾動(dòng)前進(jìn)時(shí)不同前進(jìn)速度對(duì)圓盤(pán)豎直方向插草阻力的影響關(guān)系(圖11)發(fā)現(xiàn)：根據(jù)阻力變化特性，可將阻力變化分為2個(gè)階段：線性增大階段和穩(wěn)定波動(dòng)階段。在線性增大階段，圓盤(pán)前進(jìn)速度越大，阻力增大得越快；但是當(dāng)增大到某一最大值后，在最大阻力值附近波動(dòng)而不再繼續(xù)增大。此處所指的穩(wěn)態(tài)為圓盤(pán)在連續(xù)滾動(dòng)前進(jìn)過(guò)程中連續(xù)插草時(shí)的狀態(tài)，即與圓盤(pán)接觸的草稈數(shù)量達(dá)到穩(wěn)定值。初步分析阻力隨圓盤(pán)前進(jìn)速度變化而產(chǎn)生的這種現(xiàn)象的原因：隨著圓盤(pán)不斷的下壓，與圓盤(pán)接觸并被下壓入土的草稈數(shù)量逐漸增多，因此圓盤(pán)豎直方向所受的插草阻力也逐漸增大。但是當(dāng)與圓盤(pán)接觸的草稈數(shù)量達(dá)到最大值后，則不再增加，此時(shí)圓盤(pán)所受的插草阻力也隨即進(jìn)入穩(wěn)定的階段。從圖11中穩(wěn)定波動(dòng)階段的阻力對(duì)比可知，在此范圍內(nèi)的前進(jìn)速度對(duì)其豎直方向的插草阻力幾乎沒(méi)有影響，阻力最大值(即穩(wěn)態(tài)值)分別為228.4、231.2、228.7、230.1、231.1 N。初步分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：其一，對(duì)一根草稈受力狀態(tài)進(jìn)行分析，在插草圓盤(pán)對(duì)草稈進(jìn)行下壓時(shí)，插草阻力隨草稈下壓深度增大而增大，而草稈最終下壓的深度是相同的，因此每根草稈所受到的沙土阻力近乎是一樣的，豎直方向的插草阻力在圓盤(pán)連續(xù)向前滾動(dòng)插草時(shí)也只與插草深度和接觸草稈數(shù)量直接相關(guān)；其二，由于本研究所關(guān)注的插草阻力是圓盤(pán)接觸的草稈在豎直方向所受壓力的合力，因此豎直方向的插草阻力幾乎不受插草圓盤(pán)前進(jìn)速度的影響。其中插草圓盤(pán)所接觸的草稈數(shù)量也不會(huì)隨著鋪設(shè)速度的改變而變化。文獻(xiàn)[14]通過(guò)試驗(yàn)探究了2.8～11.2 cm/s的插草圓盤(pán)前進(jìn)速度對(duì)豎直方向插草阻力的影響，與本研究結(jié)論一致。

圖11 不同速度(v)在豎直方向上的圓盤(pán)插草阻力的對(duì)比Fig.11 Comparison of disc insertion resistance at different speeds in the vertical direction

4.2 草稈鋪設(shè)密度的影響

本研究中定義的草稈鋪設(shè)密度為單位距離上鋪設(shè)草稈的根數(shù)，主要對(duì)比分析了2種不同鋪設(shè)密度的插草阻力。研究發(fā)現(xiàn)草稈鋪設(shè)密度越大，插草阻力也就越大。當(dāng)鋪設(shè)密度分別為為100根/m和50根/m 時(shí)，其穩(wěn)態(tài)插草阻力分別約為228.4和159.6 N(圖12)。初步分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)?，?dāng)鋪設(shè)草稈密度較大時(shí)，圓盤(pán)與草稈所接觸的折彎點(diǎn)處會(huì)隨著草稈的剛度增大而轉(zhuǎn)動(dòng)減緩，因此在插入相同深度時(shí)草稈的法向擠壓力受到兩側(cè)沙土的作用時(shí)會(huì)增大，這種法向擠壓力在豎直方向的分力也因草稈與水平夾角變小而更大，草稈受到增大的沙土阻力會(huì)傳遞給圓盤(pán)，即圓盤(pán)所接觸草稈在豎直方向土壓力的合力為插草阻力，因此，圓盤(pán)插草阻力隨著草稈鋪設(shè)密度的增大而增大。

圖12 2種草稈鋪設(shè)密度下刀盤(pán)豎直方向的插草阻力Fig.12 Comparison of straw inserting resistance between different straw laying densities

5 結(jié) 論

本研究采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法分析了立體固沙車(chē)縱向插草圓盤(pán)插草過(guò)程中草稈和圓盤(pán)的運(yùn)動(dòng)與插草阻力間的關(guān)系，為草方格鋪設(shè)機(jī)械化過(guò)程中部件的工作參數(shù)選取提供了一定的理論依據(jù)。初步得到如下結(jié)論：

1)草稈可用三段式剛體來(lái)簡(jiǎn)化，且每根草稈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，為兩長(zhǎng)段部分繞中間段做勻減速定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合平面運(yùn)動(dòng)與中間部分在豎直方向做勻減速平移；

2) 當(dāng)圓盤(pán)的前進(jìn)速度位于4～10 cm/s區(qū)間時(shí)，前進(jìn)速度對(duì)豎直方向的插草阻力影響較小，為了解決實(shí)際插草過(guò)程中草稈插入深度不夠的情況，前進(jìn)速度與圓盤(pán)水平方向阻力的定量關(guān)系需后續(xù)繼續(xù)深入研究，以選擇提高草方格鋪設(shè)效率最合適的前進(jìn)速度；

3)隨著草稈鋪設(shè)密度的增多，圓盤(pán)在豎直方向上的插草阻力增大，因此在滿足固沙效果的條件下鋪設(shè)草方格的草稈厚度不宜過(guò)厚。