基于离散元法的筑埂机旋耕切削性能研究

刘明勇，刘亚东，库浩锋，陈 龙，王 俊，谢柏林

(1. 湖北工业大学 农机工程研究设计院，武汉 430068；2.湖北省农业机械工程研究设计院，武汉 430068)

0 引言

水田筑埂机是一种由拖拉机驱动旋耕集土装置组成和镇压成型装置的耕耘机械，能一次完成筑埂成型，具有工作效率高组成、成本低、筑埂坚实等优点，被广泛应用于水稻种植前的田埂修筑[1-7]。旋耕弯刀是筑埂机旋耕集土装置的重要组成部分，旋耕弯刀切削土壤，使土壤颗粒充分破碎，为镇压成型装置完成筑埂作业做好准备。旋耕弯刀与土壤的相互作用直接影响着筑埂机的筑埂质量、功率消耗和刀具磨损情况等，研究旋耕弯刀的旋耕切削性能，可为水田筑埂机械化发展提供参考。

近年来，国内外学者对旋耕切削部件的力学特性进行了大量研究。Miyabe 等[8]将旋耕刀分为弯刀和直刀两个部分，分别对弯刀和直刀部分进行阻力分析。Asl等[9]建立了旋耕刀动态和静态切土阻力模型，运用计算机与数值模拟方法对切土功耗进行分析。丁为民等[10]推导出了旋耕弯刀正切刃动态滑切角方程，并由此进一步得到了正、侧切刃滑切角与动、静态滑切角之间的内在关系。林昌华等[11]采用SPH算法对旋耕弯刀的切土过程进行仿真，对旋耕弯刀进行优化，有效减少了应力集中，延长了使用寿命。现有的旋耕切削部件主要是基于旋耕机而进行研究，对筑埂机上旋耕切削部件研究较少，仅有部分学者对筑埂机上旋耕切削部件进行力学分析。

本文采用离散元法建立旋耕弯刀与土壤接触的工作模型，分析旋耕弯刀在不同结构参数和工作参数情况下的功耗问题，探究旋耕弯刀碎土效果的影响规律，以期得到旋耕弯刀理想的参数组合，为降低筑埂机整机功耗提供参考。

1 试验因素分析

刀具工作扭矩是评价其旋耕作业性能的重要指标，扭矩越大筑埂机功耗越高。旋耕弯刀结构参数中，正切面端面刀高、侧切刃包角、弯折角和工作幅宽是影响刀具旋耕切削性能的主要因素[12]。正切面端面刀高的改变可避免刀背对未耕土壤造成推挤；侧切刃包角的改变会对侧切刃的切土性能造成影响，从而影响整机功耗。在同一工作条件下，增大刀具幅宽，机具布置的刀片数量减少，单位幅宽扭矩降低，整机功耗随之降低，而刀具弯折角的改变会影响其切土和抛土性能。对比不同结构参数的刀具扭矩时，选择刀具单位幅宽扭矩作为评价指标，而对比同一刀具不同工作参数时选择刀具所受扭矩为评价指标。

旋耕刀片按其结构形式分为3种，即弯刀、直角刀和凿形刀。本文以IT245标准旋耕刀为研究对象，其实体图及结构简图如图1所示。其中：O为刀辊回转中心；R0为侧切刃起始半径；R为刀辊回转半径；θ为侧切刃包角；h为正切面端面刀高；β为正切面弯折角；b为刀具工作幅宽。刀具尺寸的不同，其使用性能也不尽相同，在符合农艺要求的前提下，刀具正切面端面刀高h为40～60mm，侧切刃包角θ为22°～32°，弯折角β为120°～140°，刀具的工作幅宽b为40～60mm。

图1 旋耕弯刀实体及结构简图

筑埂机工作时，旋耕弯刀切削土壤，机具在驱动力的作用下向前移动，刀片受到土壤的反作用力。旋耕弯刀的转速越快，机具的工作效率越高，但刀具磨损严重，机具功率消耗也越大；工作深度越深，旋耕弯刀与土壤的接触面积越大，切削阻力也相应增加；机具的前进速度越快，单位时间内刀片受到土壤的反作用力越大，机具的功率消耗也随之改变。因此，旋耕弯刀转速、工作深度和机具的前进速度可作为影响筑埂机功耗的重要试验参数。参考南方地区水田种植前的土壤特性和筑埂机的工作要求，选择旋耕切削的工作转速为300～500r/min，机具的前进速度为0.3～0.5m/s，工作深度为100～120mm[13]。

2 试验方案的确定

筑埂机筑埂作业发生在水田灌溉之前，工作时将田块围成方格，水稻种植前用水浸没土壤，所筑田埂必须满足农艺要求[14]。为保证试验的准确性和可实行性，将结构参数和工作参数分为两组进行讨论。首先探讨结构参数中的试验因素对单位幅宽扭矩产生的影响，选出最优结构参数组合，再将其结合不同工作参数进行探讨，分析不同工作参数对刀具扭矩产生的影响，从而得到旋耕弯刀最优参数组合。从节能和保护性耕作要求考虑，工作深度在100～120mm之间，在允许范围内选择其优化值，优选试验值为100、110、120mm。优选筑埂机旋耕切削的工作转速试验值为300、400、500r/min，机具前进速度试验值为0.3、0.4、0.5m/s。试验用的刀具以IT245旋耕刀为基础进行改装，试验刀片除结构参数不同外其它特性均相同。以旋耕弯刀正切面端面刀高、侧切刃包角、正切刃弯折角和工作幅宽作为试验因素进行第1组正交试验。因为刀具幅宽不同，为了进行有效对比，以刀具单位幅宽扭矩作为评价指标。本研究采用正交试验[15]，选用L9(34)正交表，试验因素与水平如表1所示。刀具最优结构参数选出后，以工作参数为试验因素，刀具所受扭矩为评价指标，采用正交试验[15]，选用L9(34)正交表，试验因素与水平如表2所示。

表1 结构参数试验因素与水平

表2 工作参数试验因素与水平

3 离散元模型建立

3.1 土壤模型建立及参数的确定

土壤特性与筑埂机筑埂质量密切相关，土壤颗粒间存在特殊粘结、破碎特性及复杂的力学关系。为保证仿真试验的可靠性，本文主要参考南方地区水田黏性土壤特性(含水率15%～20%)。通过筛分法试验，土壤颗粒半径介于0.5～5mm之间。由于土壤颗粒结构复杂，根据其形状特性将土壤颗粒简化为球状、团状、杆状及块状等不同形状，如图2所示。

图2 土壤颗粒模型

本研究使用的颗粒接触模型为Hertz-Mindlin with Bonding 模型[16]，它通过“粘结键”将颗粒粘接在一起。这种粘结方式可以承受一定的法向和切向运动，当运动使其达到最大的法向和切向应力时，颗粒间的这种特殊粘结遭到破坏；此后，颗粒将视作一种刚性球体进行接触求解。颗粒在粘结形成之前，通过标准的Hertz-Mindlin 接触模型进行接触求解；粘结发生之后，颗粒间力与力矩的比值(F/T)将被设置为零，并在计算每个时间步长是对其比值进行更新。当法向和切向剪应力超过最大值时，粘结遭到破坏，则

(1)

由于土壤具有复杂的物理特性，选择好接触模型后，必须对土壤颗粒参数进行设置，本文主要以南方地区水田黏性土壤作为研究对象，通过参数标定、实验测试及大量经验公式得到如表3所示的土壤颗粒参数[17-19]。

表3 仿真试验参数

3.2 旋耕弯刀工作过程的仿真分析

利用SolidWorks软件对旋耕弯刀进行三维实体建模，将三维模型以.igs格式保存，导入到离散元软件EDEM中。根据筑埂机旋耕切削部件须达到的使用要求，选择刀片材料为65Mn,密度为7 850kg/m3，剪切模量为7.9×1010Pa，泊松比为0.3[13]。设置好仿真时步、时间和网格大小，旋耕弯刀的旋耕切削过程如图3所示。

图3 旋耕弯刀切削过程

图3(a)中，旋耕弯刀与土壤颗粒未接触，颗粒没有受到挤压。由图3(b)、(c)可知：随着旋耕弯刀的运动，刀片侧切刃开始接触土壤，由近及远对土壤进行切割；随着时间的推移，侧切刃对土壤切割作用不断增强并对土壤颗粒形成挤压，土壤颗粒向刃口两边移动。由图3(d)、(e)可知：随着旋耕弯刀的转动，刀片正切刃开始切割土壤；旋耕弯刀受到土壤的反作用力不断增强，土壤颗粒被旋耕弯刀挤压并向下和正切面内侧移动，土壤被正切刃逐渐切开。由图3(f)、(h)可知：旋耕弯刀正切面开始向后上方移动，土壤受到正切面的作用开始抬升；随着刀片的转动，被抬升的土壤在重力的作用下破碎降落，部分颗粒被抛到旋耕弯刀的后侧方。

图4为旋耕弯刀在一个工作周期内的受力变化图。由图4可知：旋耕弯刀从4.47s开始接触土壤一直到4.62s时，总阻力和水平方向阻力变化曲线相似，在这一过程中主要由旋耕弯刀侧切刃切割土壤；旋耕弯刀受到的总阻力和水平方向阻力在4.56s时同时达到最大值，最大值分别为441.75、399.9N；旋耕弯刀垂直方向阻力在4.64s时达到最大，最大值为286.8N；从4.64s开始一直到工作结束，总阻力与垂直方向阻力变化曲线相似，在这一过程中主要由旋耕弯刀正切面工作，切削和抬升土壤；侧向力方向与刀片受力方向相反，最大值为103.4N。旋耕弯刀受力变化与图3描述的旋耕刀切削过程基本一致。

图4 旋耕弯刀受力变化图

4 结果分析

第1组正交试验以刀具单位幅宽所受到的扭矩为试验指标，试验方案及结果如表4所示。由表4中极差(R)可知：试验因素影响旋耕弯刀单位幅宽扭矩的主次顺序为：弯折角C、幅宽D、正切面端面刀高A、侧切刃包角B。其中，弯折角、幅宽、正切面端面刀高对单位幅宽扭矩影响最为明显。试验结果表明，影响刀片单位幅宽扭矩的最优组合为A1B2C1D3。第2组正交试验以刀旋耕弯刀受到的扭矩为试验指标，试验方案及结果如表5所示。由表5中极差(R)可知：试验因素影响旋耕弯刀扭矩的主次顺序为：工作深度G、工作转速 E、前进速度F。试验结果表明：影响刀片扭矩的最优组合为E1F1G1。

表4 单刀结构参数正交试验方案及结果

表5 单刀工作参数正交试验方案及结果

Table 5 Orthogonal test scheme and result of single tool operation parameters

试验序号工作转速E/r·min-1前进速度F/m·s-1工作深度G/mm扭矩M/N·m111162.52212276.41313382.42421282.0752 23104.98623177.24731382.78832177.399332 91.27K173.7875.7972.38K288.1086.2678.62K383.8183.6490.06 R14.3210.4717.68主次顺序G>E>F优水平E1、F1、G1优组合E1F1G1

4.1 弯折角大小对土壤破碎情况的影响

在正交试验的最优工作参数下，即工作转速300r/min、前进速度0.3m/s、工作深度100mm，以及最优结构参数为正切面端面刀高40mm、侧切刃包角27°、幅宽60mm条件下，得到旋耕弯刀不同弯折角与刀片扭矩和破碎颗粒的关系，如图5所示。

图5 刀片扭矩和破碎颗粒数随弯折角大小的变化情况

由图5可以看出：随着弯折角的增大，土壤破碎颗粒呈现逐渐减小的趋势，而刀片所受扭矩逐渐则增大。刀片弯折角为120°时，土壤破碎颗粒最大，土壤破碎率比140°时提高了6%，刀片受到的扭矩最小，最小为62.52N·m。这是由于弯折角增大，导致刀片正切面与侧切面之间的切土体积增大，单位体积的切削颗粒数减小。此时，刀片在切削过程中易形成较大块的土壤，不利于刀片切削充分，且切削功耗升高。因此，刀片弯折角最优值为120°。

4.2 幅宽大小对土壤破碎情况的影响

在工作转速300r/min、前进速度0.3m/s，工作深度100mm、正切面端面刀高40mm、侧切刃包角27°及弯折角120°的条件下，得到如图6所示的不同幅宽与刀片扭矩和破碎颗粒的关系。

图6 刀片扭矩和破碎颗粒数随幅宽大小的变化情况

由图6可以看出：随着幅宽的增大，土壤破碎颗粒和刀片所受扭矩都呈现先增大后减小的趋势，两者都在50mm时达到最大。此时，土壤破碎颗粒最大，破碎效果最好；但刀片所受扭矩也最大，切削功耗最高。当幅宽为60mm时，刀片所受扭矩最小，最小值为62.52N·m，而破碎颗粒与幅宽为50mm时相差不大。从能耗的角度考虑，刀片幅宽最优值为60mm。

4.3 正切面端面刀高大小对土壤破碎情况的影响

在工作转速300r/min、前进速度0.3m/s、工作深度100mm、侧切刃包角27°，弯折角120°、幅宽60mm的条件下，得到如图7所示的不同正切面端面刀高与刀片扭矩和破碎颗粒的关系。

由图7可以看出：随着正切面端面刀高的增大，土壤破碎颗粒逐渐增大，刀片所受扭矩呈现先增大后减小的趋势，并在50mm时达到最大，此时刀片的切削功耗也最大；正切面端面刀高为40mm时，刀片所受扭矩最小，最小值为62.52N·m，但正切面端面刀高为60mm的土壤破碎率比40mm提高了7.3%，刀片所受扭矩为65.07N·m，而刀片所受扭矩与40mm时相差不大。因此，正切面端面刀高最优值为60mm。

图7 刀片扭矩和破碎颗粒数随正切面端面刀高大小的变化情况

5 结论

1)利用离散元方法对筑埂机旋耕切削性能进行研究，采用离散元法构建旋耕弯刀—土壤作用模型，同时对旋耕弯刀工作时复杂的受力情况进行分析。将IT245旋耕刀进行改装，分别以旋耕弯刀结构参数和工作参数为试验因素，单位幅宽扭矩和扭矩为试验指标，进行两组正交试验。

2)利用离散元EDEM软件进行正交试验，结果表明：第1组正交试验中，影响旋耕弯刀单位幅宽扭矩的主次顺序为弯折角C、幅宽D、正切面端面刀高A、侧切刃包角B；第2组正交试验中，影响旋耕弯刀扭矩的主次顺序为工作深度G、工作转速 E、前进速度F。通过极差分析，得到影响旋耕弯刀功耗的3种主要工作参数，并探究其对旋耕弯刀碎土效果的影响规律。综合分析得到旋耕弯刀最优参数组合为：正切面端面刀高60mm，侧切刃包角27°，弯折角120°，幅宽60mm，工作转速300r/min，前进速度0.3m/s，工作深度100mm。