微耕机水田旋耕刀片切土作业过程动力学仿真

杨　望，路　宏，杨　坚，杨红艳

(广西大学 机械工程学院，南宁　530004)



微耕机水田旋耕刀片切土作业过程动力学仿真

杨望，路宏，杨坚，杨红艳

(广西大学 机械工程学院，南宁530004)

摘要：针对微耕机旋耕作业部件与水田土壤间的作用机理研究匮乏，作业过程出现碎土性能差、效率低、和功耗大等问题，以1WGQ4型微耕机为对象，采用有限元法(FEM)和光滑粒子流体动力学方法 (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH) 的耦合方法，构建土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型，在细观上对旋耕作业部件刀片与水田土壤间的作用过程进行动力学分析。结果表明：构建的土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型精度高；水田旋耕刀片向后抛起的土壤少，与挡板碰撞破碎的土壤少，水田微耕机采用前耕后驱设计方案有利于提高其碎土性能。

关键词：微耕机；水田；旋耕；动力学仿真

0引言

南方丘陵地区广泛应用微耕机进行旋耕作业，而微耕机旋耕作业部件的结构参数和运动参数对微耕机的作业性能有较大的影响。因此，国内外学者采用物理试验和理论分析方法，对其旋耕作业性能影响大的参数进行了较多的研究，取得了较多的成果[1-6]；但由于水田土壤性质复杂，致使旋耕作业部件与土壤间的作用机理变得复杂，采用一般的物理试验方法较难探明其复杂的相互作用机理。目前，水田作业时微耕机的旋耕作业部件与土壤间的作用机理不详，导致微耕机在作业过程中出现碎土性能和平稳性差、效率低、功耗大、缠草严重等问题。因此，开展水田作业的微耕机旋耕部件切土机理及旋耕部件参数对作业质量的影响规律研究，优化其结构及运动参数，对提高微耕机的工作性能具有重要意义。本文以1WGQ4型微耕机的旋耕作业部件为对象，采用有限元法(FEM)和光滑粒子流体动力学方法 (SPH)的耦合方法，构建水田土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型，在细观上对旋耕作业部件刀片与水田土壤间的作用过程进行动力学分析，为水田作业的微耕机旋耕作业部件优化设计提供依据。

1结构和工作原理

1WGQ4型微耕机是一种前耕后驱的微耕机，主要由机架、发动机、减速箱、宽型水田轮和旋耕作业部件等组成，如图1所示。

图1　1WGQ4型微耕机

1WGQ4型微耕机作业时，发动机输出的动力经减速箱和传动机构传输到宽型水田轮和旋耕作业部件；前面的旋耕作业部件旋转切削土壤，且把切下的土块抛向挡泥板进行破碎，而后面的宽型水田轮驱动机组前进；同时，宽型水田轮起到对旋耕作业部件切出的大块土壤进行碾压破碎和搅动混土作业。

2动力学仿真模型

2.1模型的建立

1WGQ4型微耕机旋耕作业部件由刀轴、刀座、刀片、支架和动力传动装置等组成，刀片在刀轴上按螺旋线方式排列，如图2所示。

由于旋耕作业部件比土壤的刚度大得多，为了节省计算时间，建模时把其建成刚体。为了便于建模，把旋耕作业部件简化为刀轴和刀片直接连接结构，其结构尺寸与物理样机的相同，刀片的最大回转半径为150mm，刀轴长为700mm(中部有100mm宽的支架)，切土深度85mm(由田间试验获得)。同时，由于旋耕作业部件具有对称性，只建安装刀片的刀轴1/2模型，轴长为300mm。由于刀片作用范围为水田耕作层土壤，为了节省仿真计算时间，建模时只建耕作层土壤，除作业面外土壤底部和四周采用全约束。土壤模型为长方体，尺寸为800mm×600mm×180mm。

图2　旋耕作业部件的结构图

2.2模型材料

旋耕作业部件选用SOLID164实体单元类型建模，定义为刚性材料。材料参数: 密度为7 800kg/m3，弹性模量为2×1011Pa, 泊松比为0.27。土壤材料采用MAT_FHWA_SOIL材料模型，其针对实体单元且考虑了含水率、应变软化、应变率效应、孔隙比及孔隙水压力等的影响和单元删除[7]。为了解决土壤产生大变形时引起网格畸变，造成数值模拟计算失效的问题，耕作层土壤采用SPH方法进行建模[8-9]。土壤参数由物理试验和利用反求技术获得，建模水田土壤的具体参数如表1所示。

表1　土壤参数

2.3网格划分和加载

网格划分直接影响到模型的计算精度和运算时间。网格划分细，计算精度高，但运算时间长；而网格划分过粗，则计算精度低，且易发生穿透。由于刀片曲面复杂，本文旋耕作业部件采用四面体的自由网格划分，而土壤模型为长方体，采用六面体的扫掠式划分。旋耕作业部件的单元数为15 115，耕作层土壤的单元数为497 310。

根据旋耕作业部件的实际工作情况，设置刀轴转速为15.7rad/s，前进速度为0.4m/s。土壤和刀片间定义为点面自动接触，静摩擦因数为0.3，动摩擦因数为0.25。建立的土壤-旋耕作业部件系统动力学仿真模型如图3所示, 其作业过程仿真图如图4所示。

图3　土壤-旋耕作业部件系统动力学仿真模型

图4　旋耕作业部件作业过程仿真图

3模型的验证

由于微耕机在水田作业时直接测定刀轴的扭矩较困难，本文采用由经验公式计算得到的旋耕消耗功率[10]与仿真获得的旋耕消耗功率比较验证模型的精度。旋耕消耗功率经验公式为

N=0.1KλavmB

(1)

其中，N为旋耕作业部件切土、抛土消耗功率(kW)；a为切土深度(cm)；vm为机组前进速度(m/s)；B为耕幅(m)；Kλ为旋耕比阻(N/cm2)。

旋耕比阻为

Kλ=KgK1K2K3K4

(2)

其中，Kg为土壤坚实度(N/cm2) ；K1为深耕修正系数；K2为土壤含水率修正系数；K3为秸秆残茬植被修正系数；K4为作业方式修正系数。本文根据试验的水田土壤实际情况，取Kg=16，K1=0.65，K2=0.9，K3=0.5，K4=0.6。

当切土深度a= 8.5cm、前进速度vm=0.4m/s、耕幅B=0.7时，由式(1)、式(2)得旋耕消耗功率为0.67kW；而在相同条件下的仿真结果是：旋耕消耗功率为355W，其2倍值为 0.71kW。经验公式计算值和仿真值的相对误差约为5.6%，表明建立的土壤-旋耕作业部件系统动力学仿真模型精度较高，可用于水田土壤切削过程的动力学仿真研究。

4刀片切割土壤过程分析

图5是单刀片切土、抛土过程的仿真截图。为了较好地描述刀片侧刃和刀头对土壤的切割作用过程，仿真截图在宽度方向不同位置分别截取了不同厚度的土壤。

由图5(a)、(b)、(c)可知：随着刀片的转动和刀轴的前移，刀片侧刃开始接触土壤，在土壤的长度方向对土壤进行切割；且随着刀片的下行，侧刃对土壤的切割作用不断加强，土壤受到的切割应力不断增大，侧刃下方土壤颗粒被挤压，向下和向侧刃口的两边移动，土壤被锋利的侧刃口逐渐切开。由图5(d)、(e)、(f)可知：当刀片刀头接触土壤下行时，在土壤的宽度方向对土壤进行切割；且随着刀头的下行，刀头刃口对土壤的切割作用不断加强，土壤受到的切割应力不断增大，刀头刃口的下、后方土壤颗粒被挤压，向下和向刀头刃口内侧移动，土壤被锋利的刀头刃口逐渐切开。由图5(g)、(h)可知：当刀片刀头向后上方运动时，刀片刀头向后上方逐渐切开土壤，受刀头作用被切开的土壤先被抬升，后随着刀片刀头支持作用的减弱；且由于水田土壤强度小，刀片刀头前方被切开的土壤在自身重力的作用下折断、回落，但被切割分离的土壤与刀头运动轨迹间存在一定的空隙。由图5(i)可知:由于水田土壤强度小，大部分被切开的土壤已折断、回落，且刀头与土壤的摩擦系数小，因此只有最后接触刀头的小部分土壤向后上方被抛出，表明水田旋耕作业时被刀片切下的土块与挡板碰撞的少，影响了其碎土性能。因此，对于水田旋耕作业的微耕机，应采用前耕后驱的方案进行设计，利用宽型驱动轮对切下的土块进行进一步的碾压和搅动有利于达到旋耕作业的目的。

图5　单刀片切、抛土壤过程仿真截图

图6是刀片切割土壤的阻力变化曲线图。由图5(a)～(e)和图6可知：在刀片入土切割0.025～0.08s期间，随时间的增加，土壤切割阻力快速增大，且在时间t=0.08s时切割阻力达到最大值。其原因是：在这段时间刀片向下后方切土，被切土壤受下方土壤的约束强，故土壤切割阻力快速增大。由图5(f)～(i)和图6可知：在刀片切土0.08～0.16s期间，随时间增加，土壤切割阻力先平缓减小，后快速减小，且抛土的阻力小。其原因是：在0.08～0.14s间，刀片虽然已向后上方切土，被切土壤的上方土壤不受约束，这时上方土壤还较厚，故随时间增加，土壤切割阻力平缓减小；但在0.14～0.16s间，由于已被切开的土壤相继产生了折断、回落，且被切土壤上方的土壤厚度已较小，故随时间增加，土壤切割阻力快速减小，而抛土的阻力小是因为刀片向后上方抛起的土壤少。

图6　刀片切割阻力变化曲线

5结论

1)采用有限元法(FEM)和光滑粒子流体动力学方法 (SPH) 的耦合方法构建的土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型精度高，可用于旋耕作业过程动力学仿真分析。

2)水田旋耕作业时刀片向后抛起的土壤少，被刀片切下的土块与挡板碰撞少，影响了其碎土性能。

因此，水田微耕机采用前耕后驱的设计方案，利用宽型驱动轮对被切下的土块进行进一步碾压和搅动，有利于提高旋耕作业的碎土性能。

参考文献：

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[9]杨望，蔡敢为，杨坚. 土壤直剪试验的动力学仿真[J].农业机械学报，2011，42(7)：96-101.

[10]中国农业机械化科学研究院. 农业机械设计手册(上)[K].北京：中国农业科学技术出版社, 2007.

Dynamic Simulation of Rotary Tillage Blade’s Cutting Process on Paddy Field

Yang Wang, Lu Hong, Yang Jian, Yang Hongyan

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：Interaction mechanism of rotary tiller’s rotary operation components and soil is unknown on paddy field. In the operation process, poor pulverizing ability and stability, low efficiency, and large power consumption occurs. “1WGQ4” micro-tillage machine was used as the study object. Dynamics simulation model of soil - rotary tillage operation components system was established. The coupling method of finite element method (FEM) and smooth particle hydrodynamics method (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH) was used in the model. The dynamic analysis of interaction process of rotary tillage blade and soil was studied in meso-level. The results show that the dynamics simulation model has high precision. The soil was less thrown up backward by rotary blade, which decreases the impact pulverizing effect of the soil and flapper. Using tilling at first and then driving, the pulverizing effect of paddy-field rotary tiller can be increased.

Key words：rotary tiller; paddy field; rotary tillage blade; dynamics simulation

文章编号：1003-188X(2016)06-0074-04

中图分类号：S222.3

文献标识码：A

作者简介：杨望(1984-)，男，广西合浦人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)yanghope@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51365005) ； 玉林市科技项目(玉市校科产201306802)

收稿日期：2015-05-06