基于流体力学与离散元法的深松铲气动分析

2019-12-21 09:08王维新汤明军张思远

农机化研究 2019年1期

屈通，李霞，王维新，汤明军，张思远

(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000)

0 引言

耕地长期采用翻耕或旋耕方式整地，导致耕层变薄、土壤板结，形成一层又厚又硬的犁底层[1]。犁底层的存在降低了耕层容量，导致土壤结构变差，贮水能力减弱，农田肥力日趋衰竭；降低了土壤孔隙度，限制植株根系生长发育，作物抗逆性下降，影响作物产量[2-3]。深松技术改良土壤是一项长期而有效的方法。深松可以打破坚硬的犁底层，形成上虚下实、虚实相间的土壤结构，加深耕层，改善土壤结构，增强土壤蓄水保墒和抗旱防涝能力；在疏松土壤的同时提高了土壤通透性，改善了作物根系生长环境，增强了作物抗倒伏能力[4～6]。

深松技术在国内外已开始广泛应用，并且已在农业耕作领域发挥了巨大的作用。然而，深松过程中，阻力大、耗能多等问题极大地阻碍了深松技术的推广。在保证土壤良好耕作效果的前提下，如何减阻降耗成为深松机具发展亟待解决的关键问题[7]。传统的深松机按工作方式可以分为机械式和振动式深松机两大类，但普遍存在深松范围小、程度不均匀以及能耗大等问题[8-9]。

本文基于气压劈裂原理与技术提出一种深松方式—气动深松。所谓气动深松，是指通过对土壤深层注入高压空气打破犁底层，不翻动土壤，对不同深度、不同硬度的犁底层实施气动深松作业。气动深松减阻中高压气体可在深松铲表面形成一层空气膜，减少土壤作用在铲刀上的正压力，起到节能降耗的作用；同时高压空气注入处土壤与邻近土层之间存在压强差，造成邻近土壤坍塌和二次破碎；高压气体的注入也能提高土壤中空气的比例，增大土壤孔隙度，有利于作物生长，增加粮食产量。气压劈裂技术是采用高压气体使得岩土产生裂隙并扩展的一种技术，主要用于岩体爆破领域及增加土体渗透性方面。夏红兵等[10]利用气压劈裂技术对煤岩进行爆破。韩文君等[11]利用气压劈裂技术加固软土地基。左胜甲等[12]利用气压劈裂原理进行了气压深松土槽试验，验证了气压劈裂原理与技术可以用于深松，且深松效果较为显著，为后续气动深松的研究指明了新方向。因此，本文结合课题组的研究方向，主要研究了气动深松铲几个重要参数之间的相互关系，为以后气动深松的研究提供一定的依据。

1 气动深松铲的结构组成及工作原理

气动深松铲主要由铲柄、曲形钢管及铲尖等组成，如图1所示。铲尖通过沉头螺栓固定在铲柄底部，铲柄通过螺栓与机架固定。铲柄左侧焊接曲形钢管，并且在曲形钢管底部开有等间距的圆形小孔。

工作时，由拖拉机牵引整个深松机运动，使机架带动气动深松铲向前运动；同时，由拖拉机后输出轴带动气泵工作产生的高压气体通入到深松铲柄的曲形钢管中，在曲形钢管的底部圆孔开口处产生高压气体，利用高压气体的瞬间爆破力打破坚硬的犁底层，从而完成深松作业[13]。深松铲铲柄、铲尖和曲形钢管都是整个深松机在运动过程中的主要受力结构，因此选用65Mn钢，材料参数如表1所示。

1.铲柄 2.曲形钢管 3.铲尖图1 气动深松铲示意图Fig.1 The schematic diagram of pneumatic subsoiler表1 65Mn刚的主要材料参数Table 1 The main material parameters of 65 Mn steel

材料参数单位参数弹性模量N/m22.1×1011抗剪模量N/m27.9×1010泊松比0.3密度kg/m37850屈服强度MPa600

2 深松铲气动理论分析

2.1 深松铲曲形钢管气动计算

曲形钢管输送气体，气泵打出的压缩气体由曲形钢管前端至曲形钢管末端排出。设气泵在时间t内排出空气体积V，如图2所示。

图2 曲形钢管气动示意图Fig.2 The pneumatic schematic diagram of curved steel pipe

曲形钢管内的气体流速为

ν=V/(t×S)=V/(t×πR2)

式中S—曲形钢管内孔横截面积(m2)；

R—曲形钢管内孔直径(m)。

曲形钢管中管道流量Q=νt。

气体运输中会造成压力损失，压力损失分为两部分：沿程压力损失和局部压力损失。

从气泵出气口至曲形钢管底部出气孔，管道中总压力损失的公式为

Pw=ρgsLQ

式中ρ—气体密度(kg/m3)；

g—重力加速度(m/s2)；

s—管道比阻(s/m3)；

L—管道长度(m)；

Q—管道流量(m3/s)。

2.2 深松铲铲尖受力计算

铲尖在深松运动中类似一个楔角为α的正面楔子在牵引力的作用下切入到土壤中[14]。为减小铲尖的入土阻力以及起到良好的深松效果，对铲尖形状做适当简化。以铲尖为研究对象进行受力分析[15-16]，建立平面直角坐标系，如图3所示。不考虑铲尖的加速度，由水平方向受力平衡得

F=Nsinα+μNcosα+kb

式中F—铲尖所受的水平牵引力(N )；

N—铲尖斜面受到的法向载荷(N)；

μ—金属与土壤的摩擦因数；

α—深松铲入土角(°)；

k—单位幅宽土壤的纯切削阻力(N/m)；

b—铲尖面宽度(m)。

图3 铲尖受力示意图Fig.3 The schematic diagram of force applied on the point

由相关文献[17]可知：土壤的相对纯切削阻力很小，可忽略不计。根据牛顿第三定律可知，铲尖受到的水平深松阻力F1铲尖受到的水平牵引力F等大反向，故有

F1=Nsinα+μNcosα

依据文献[18]可进一步求得F1为

3 气动深松铲的气动力学仿真试验

3.1 试验材料

使用SolidWorks2016绘制气动深松铲三维结构模型，并保存成.x_t格式文件，再导入至Ansys17.0 Workbench中。在进行气动仿真时，单独导出曲形钢管模型，对曲形钢管进气口端压强与出气口数量及出气口端压强之间的关系进行深入分析。曲形钢管三维模型尺寸：曲形钢管内孔直径20mm，直段部分长500mm，折弯部分半径350mm，圆弧角54°，曲形钢管底部、上半圆周向上均布开直径4mm通孔。

3.2 试验方案与结果分析

选定曲形钢管进气口压强与开孔数作为试验因素，以单个出气口压强和单个出气口气体流速作为试验指标，进行试验分析。试验因素及水平如表2所示。

表2 因素水平表Table 2 Experimental factors and levels

试验方案与结果如表3所示。

在Minitab 16中，对表3结果进行回归分析可得单个出气口压强(P1)、单个出气口气体流速(ν)与进气口压强(P0)、开孔数(n)的一般线性回归模型为

P1=-0.696+0.222P0+0.128n

ν=1.89+0.169P0+0.143n

其残差图如图4、图5所示。观察残差图可知：单个出气口压强与进气口压强、开孔数之间的拟合模型精度低于单个出气口气体流速与进气口压强、开孔数的拟合模型精度，从侧面反映出压力在曲形刚管底部开口处的非线性变化较大，即压力在出口处的不稳定性较高。当进口压强为8MPa时，各个出气口数量的压力云图与气体流速图如图6所示。为便于处理，对出口处三维建模时，作伸长5mm。从图6中可以看出沿出口边缘至外侧，压力不断递减，而气体流速不断变大。对于破碎深土层的土壤，气体流速和压强越大越好，有利于破碎与之接触的土壤。在进气口压强恒定时，开口数量对单个出气口压强和气体流速影响并不是十分显著，而开孔位置对单个出气孔压强有些微影响。单个出气口压强和气体流速，总体与进气口压强呈正比关系。

表3 试验方案与试验结果Table 3 Design scheme and test results

(a) 正态概率图 (b) 与拟合值

(a) 正态概率图 (b)与拟合值

图6 压力云图与气体流速图Fig.6 Pressure cloud and gas flow chart

4 气动深松铲耕作试验

将气动深松铲三维结构模型保存成.x_t格式，导入至EDEM2017中，进行深松铲与土壤颗粒作用的仿真。离散元法仿真结果与实际结果接近的关键取决于离散元模型的建立与仿真参数的选取。本文采用建立的边界模型与土壤模型，对颗粒工厂进行设置。仿真参数如表4所示。

表4 离散元仿真参数Table 4 Simulation parameters of discrete element

所用土壤颗粒模型有3种，分别为直径4、8、10mm颗粒，以生成不同的土壤层；土方长×宽×高=1 000mm×200mm×500mm。现以深耕为500mm为例，对该气动深松铲进行仿真试验，观察深松铲的受力部位及受力变化。

气动深松铲受力部位如图7所示。通过气动深松铲受力图可知：在铲尖两侧边及前部为受力主要区域，铲柄内侧为受力区域，因此在与土壤的交互过程中，对于受力较大部位的部件应进行重点设计并进行优化。仿真结果表明：铲尖无明显变形，能承受较大作用力，该部件设计方案可行。

图7 气动深松铲受力图Fig.7 The schematic diagram of force applied on the pneumatic subsoiler

5 结论

1) 气动深松铲的进气口压强与出气口数量呈近似线性正相关关系；若进气口压强恒定，则出气口压强大小与开孔数量无明显线性关系；单个出气口压强和气体流速，总体与进气口压强呈正比关系。

2)用离散元法可以很好地对气动深松铲工作过程进行仿真，在铲尖两侧边及前部，为受力主要区域，铲柄内侧为受力区域。结果表明：铲尖部件设计方案可行。