土壤耕作部件减阻技术研究现状

刘进宝，李清超，郑 炫，王子龙

（1.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000；2.石河子大学机械电气工程学院）

0 引言

耕作的主要目的是通过深耕和翻扣土壤，疏松板结土壤层，改善土壤结构，为作物的生长创造适宜土壤环境。耕作部件的设计水平决定了其工作性能，直接影响作业质量和工作油耗。当前尚未建立成熟的土壤与耕作部件之间准确的理论联系，多是经验设计法或将耕作部件参数和耕地工艺过程联系起来的半经验半理论法[1]。本文从耕作部件理论研究，耕作部件与土壤相互作用研究，耕地机械仿生设计，与农艺融合设计方法等方面总结，为耕作部件的优化设计提供参考。

1 耕作部件与土壤相互作用研究

1.1 土壤耕作力学相关研究

在土壤宏观力学结构的尺度特征方面，相关研究通过粒间联结数，热扩散系数中间量进行实验获得了剪切强度与容重和含水率之间的关系模型，在干容重一定条件下，剪切强度随含水量呈负指数形式逐渐减小。含水率一定条件下，围压大时干容重对剪切强度影响不明显，围压小时干容重与剪切强度呈递增关系。有关研究表明剪切破坏是土壤在耕作时主要的破坏形式。剪切强度取决于粘结力和内摩擦力，此外，耕作部件表面和土壤还存在附着力和摩擦力。旱作耕田含水量为35%~60%，低于塑限，是适合耕作的。在土壤塑性研究方面，发现弯曲即峰值力较小且能量消耗较少，犁体曲面对土壤的破坏形式主要是剪切失效[2-4]。

当前对土壤耕作过程的研究涉及容重，含水率等参数与机械之间的摩擦力、黏附、耕作阻力等的关系。我国地域辽阔，土壤类型众多，土壤形态各异，对不同土壤颗粒、组成与犁体剪切的关系还需进一步研究。以土壤剪切强度为目标函数，建立土壤参数和犁体曲面参数的相匹配关系是未来研究方向之一。

1.2 土壤阻力分析方法

1.2.1 理论分析法

苏联学者高略契金院士提出了犁耕的牵引力公式，开启了学科方向研究，建立了犁的阻力经验公式，是最早的对于犁体阻力的研究。通过参数和经验公式，对犁体工作中的犁铧切土阻力、弯曲剪切力、正压摩擦力等进行综合，得到了犁体总阻力模型，为优化犁面提供了目标函数。OzoemenaA.Ani等[5]综述了土槽实验设施的土壤与机械的相互作用研究，并指出有限元和离散元的土槽实验设施一样被广泛应用于土壤与机械相互作用当中。Mehdi Hosseini等[6]比较了粒子群优化、遗传算法、多元回归的方法来估算土壤耕作阻力的准确性，通过真实测量的值发现粒子群优化要优于其余二者。Iman Ahmadi[7]利用经典力学得到了铧式犁的牵引力和功率的计算公式，只需将土壤参数、犁参数、工况参数输入模型即可得到结果，且具有合理的精度。Volodymyr Bulgakov等[8]在分析研究中采用了农业力学、高等数学和微分几何的方法，并在PC上进行编程和数值计算，提出了一种基于由层运动的极限轨迹曲率来确定耕作阻力的理论方法。

国内外的学者通过数学解析，经典力学等方法来建立土壤阻力的模型，探究犁体与土壤间的相互作用，取得了大量的成果。理论方法求耕作阻力耗时耗力，且实际工作情况多变，计算结果与实际有偏差。

近些年来，学者利用传感器直接对耕作部件上的受力进行测量研究，得到工作状态中的受力分布。Irshad AliMari等[9]在犁体曲面上选取了具有代表性的11个测试点，利用传感器技术实时显示耕作过程中的作用力，发现耕深对土壤力的影响，犁体上部大于犁体下部，而耕速对后部的影响大于犁体前部。翟力欣等[10]利用压力传感器阵列测试犁体表面所受土壤压力，发现最大点载荷产生于犁铧的铧面上，最小点载荷产生在犁铧与犁壁的过渡区域。张建国等[11]利用土槽试验台测得犁体的六分力，通过ANSYS静应力分析得到在不同耕速下犁体曲面应力分布，发现应力集中在犁柄和犁板的连接位置。

根据犁体曲面各区域受力分布，研究人员可更直观地探索土壤与犁体曲面的相互作用，可对犁体曲面进行针对性的设计和优化。通过传感器获取曲面上相应位置的受力后，如何更准确的拟合出整个曲面的应力分布，继续更精确的分析土壤在犁体工作时的变化是未来的研究方向。

1.2.3 有限元法

在有限元分析方面，相关研究有考虑加载速率对耕作层应力应变关系的影响，修正了广泛应用于有限元分析的Dunca-chang双曲线模型（有限元）。在构建土壤物理模型时，将土壤应力应变关系简化为理想弹塑性材料本构关系，采用Von Mises屈服准则，利用I-DEAS软件，得到耕作部件不同纵深比和土壤单元水平位移的仿真结果，给出了求解土壤机械系统中非线性和动态问题的算法的详细推导。用增量法和迭代法处理材料非线性，用Newmark法处理动态响应。基于该算法编制的计算机程序在两种应变率下预测三轴仪上土样应力与位移关系的平均R2分别为0.76和0.87。A.Ibrahmi等[12]用有限元的方法模拟铧式犁与土壤的相互作用，用Drucker-Prager弹性模型模拟土壤，得出水平力，垂直力，牵引力和耕深、耕速、切削角、提升角的相应变化关系，并进行了试验验证，测量结果和有限元结果最大误差为33.8%。A.E.Farid Eltom等[13]利用有限元方法得到犁体在工作中的应力分布，找到超出材料屈服强度的部分。

有限元法在犁体研究上的应用多用于分析犁体的受力情况，优化犁体结构和参数，体现犁体对土壤作用的反应，缩短设计和改进周期，降低成本。土壤是由固、液、气三相物质构成的复杂的多相体系而非均匀连续的，有限元法不能很好地模拟土壤与犁体之间的相互作用，在探究犁体与土壤之间耦合作用方面存在缺陷。

1.2.4 离散元法

Cundall在1971年提出了离散元法，离散元是把颗粒群体简化成颗粒集合，给予颗粒与颗粒之间力学模型和参数，来考虑颗粒与颗粒之间，颗粒与边界之间的接触作用和物理机械性质，犁体和土壤之间的相互作用研究适合利用离散元分析。何永强等[14]在EDEM中认为土壤颗粒有一定黏结作用，采用Hertz-Mindlin黏结接触模型，规定法向和切向应力临界值，设置土壤和犁体间物理参数，仿真得到了犁体阻力的大小。张元常等[15]利用RecurDny中的MFBD技术构建成穴钻头总成装置刚—柔耦合动力学模型，用EDEM构建颗粒接触模型，最后通过耦合得到柔性成穴钻头应力分布云图。顿国强等[16]在研究深松铲土壤深松，土壤颗粒和触土部件的瞬态力学行为上给出了颗粒单元Hertz-Mindlin接触力学模型的构建过程，得到了工作时土壤耕作阻力和各方向上的分量。Mustafa Ucgul等[17]用DEM有效地预测分析了铧式犁的牵引力，还预测了土壤的流动和运动模型，克服了分析模型和经验模型的局限性，但也存在土壤颗粒尺寸与实际尺寸间的误差。

离散元法是解决不连续问题的非常有效的方法，非常适合用于犁体—土壤耦合作用的研究，研究人员通过研究犁体在工作中土壤不连续散状粒体的运动与受力来进行对犁体的优化，可有效提高犁体工作性能和工作效率。离散元法自身内部计算方法仍需完善，且对土壤颗粒参数的标定偏差会导致结果误差较大。要将离散元法更好地应用于犁体曲面与土壤的研究，就要着眼于更准确地描述土壤真实情况，如散体颗粒各类模型的建立和颗粒间微观接触关系。离散元软件和其他仿真软件的耦合将充分发挥各自的优势，更好地解决犁体工作中土垡覆盖，犁体受力、磨损等问题。

由表3可知，复合氟化物的加入对硅含量的影响较大，对铁的含量影响不大，含量均在0.15%以下，反映了复合氟化物对钼精矿中硅的化合状态转相效果突出，使得在复合氟化物存在下酸浸除硅效果非常理想，随着复合氟化物加入量的增大，硅含量逐渐下降，当加入量为14.0g时，产品中SiO2含量降低到了0.03%。继续增大复合氟化物的用量，产品中硅含量下降趋势不明显，同时产品收率有下降趋势，考虑产品综合指标和成本因素，确定为复合氟化物的最佳加入量14g。

2 仿生设计法

土壤中生物众多，它们经历过亿万年的进化发展，拥有挖掘阻力低、黏附效果好的生理结构，为农业耕整地机械提供了大量的仿生模板和设计方法。仿生对优化耕整地机械具有重大意义，我国耕整地机械的仿生设计研究已经取得了巨大成果，吉林大学工程仿生教育部重点实验室在这一领域做出了巨大贡献。

任露泉院士团队[18-20]对形体减阻类型和减阻机理进行了总结阐述。普通开沟器的表面设计制作超高分子量聚乙烯层，选用蚯蚓头部收缩时表面形态作为仿生开沟器的表面形态，得到的仿生开沟器比普通的开沟器减粘降阻9%左右。设计了具有鼹鼠多趾结构特征的仿生旋耕刀，与传统型旋耕刀相比，整机功耗有大幅度减小，耕作质量相差不大，且满足国标。将开沟刀刃设计成仿螳螂前足的曲线，仿生刃的砍切作用和仿生凹糟使其达到了降阻减耗的作用。通过对熊爪的模拟，设计了一种仿生开沟刀，功率和能耗都比传统的开沟刀要小。对狗獾前爪趾结构曲线进行了提取和多项式拟合，将曲线应用到深松铲的设计中，得到基于多项式拟合的仿生深松铲结构，仿生深松铲与国标深松铲相比平均减阻17.87%。研究了蜣螂的减粘脱附的机制，为工程仿生开辟了新的途径。将鼹鼠前爪第三趾的整体三维表面结构特征应用到开沟刀的设计中，设计出的仿生开沟刀的开沟功率比齿形开沟刀平均减少了10.398%。通过蚯蚓拉伸、静止、收缩三种状态下不同曲率半径的变化得到启发，设计了镇压锟的防粘结构，粘土量降低了37.62%。研究了仿生犁壁之所以能减粘降阻是因为界面的毛细水与表面凹凸不平的犁壁之间无法形成毛细负压，所以减小了土壤与犁壁表面的法向粘附力。通过发现土壤生物表面光滑形态，设计了凹坑型非光滑表面，与光滑试样相比，凹坑形成了空气膜，阻止被测试样与土壤界面系统之间水膜连续形成，降低了粘附力，减阻率为8.2%~24.65%。仿生犁的综合经济效益是普通犁的1.62倍，几何非光滑结构单元的填充程度及单元几何尺寸对减粘降阻的影响起到了决定性的作用。设计金属型药芯焊丝成分，在犁铧上堆焊，使堆焊宏观形貌和微观组织呈现与蜣螂类似的宏观结构和体表微结构，提高犁铧耐磨性的同时又实现了减粘脱附，但还缺少相应试验加以证明用灰色关联度分析法建立仿生犁壁材料构成元素和犁壁性能指标如接触角、硬度、耐蚀性和摩擦阻力降阻率等之间的灰色关系分析模型。

现阶段学者对土壤生物的仿生主要体现在对其外表固定形态的模拟设计，随着农业机械精度、效率要求的提高，难以满足更高要求，缺乏更深入的对其运动特性、处理土壤状态、结构材料、内部反应机理的仿生研究。仿生的对象也不局限于土壤动物，只要是能够降低与环境介质接触阻力的生物结构都可作为模仿的对象。

3 与农艺融合的设计方法

我国地域辽阔，各地土壤类型各异，种植作物也不尽相同，针对不同土壤、不同作物、不同农艺要求，我国学者对铧式犁进行了大量优化设计研究。

为解决新疆生产建设兵团棉田地力下降、土壤板结等问题[21-22]开发设计了翻转双向超深耕犁，采用层耕结构技术，有效减小了耕作阻力；针对免耕导致的土壤板结变硬，为打破犁底层，创造适合作物生长发育的土体结构研制了1LF-540型浅翻深松犁，并进行了实验研究；为匹配大马力拖拉机在新疆地区的推广使用，提高犁耕生产率，研制了作业速度达到9.1km/h，耕深350mm，耕宽2700 mm的栅条式液压翻转调幅犁；为打破新疆兵团大马力拖拉机配套犁长期被国外垄断的局面，研发了1LFT-555型液压翻转栅条犁；为解决油菜播种前旋耕部件作业耕深浅，秸秆埋伏率低的问题，结合油菜根系生长对直播农艺的要求，贾洪雷等[23-25]通过模拟蚯蚓疏松土壤的结构和运动方式设计了一种具有动态松土开沟机构和镇压力调节机构的仿生多功能开沟器，与传统开沟装置相比，该开沟器提高了土壤平均含水量和土壤平均温度，使大豆出苗时间得到了提前。针对大豆种子结构和种植模式设计了双V型筑沟器，为了提高播种分布直线性及播深一致性，设计了仿形滑刀式开沟器；针对不同作物、种植模式和土壤条件设计的镇压装置可保证播种作业过程中的镇压效果；针对免耕条件下开沟作业易缠绕堵塞等问题设计的组合式开沟器，设计了一种缺口圆盘开沟器，保证了免耕播种等保护性耕作技术的发展和推广；为使覆土器能够较好地完成覆土作业，达到理想的覆土效果，同时尽量减少种子触土后的位移，设计了一种双圆盘式覆土器；根据土壤墒情和不同作物镇压力需求不同的农艺要求，设计了一种随时调节镇压力的可变力苗带镇压器等。

4存在的不足

由于土壤成分复杂、内部成分和结构不均匀、不同成分与部件接触特性存在显著差异，不同水分温度条件对土壤特性影响显著等问题，同时在不同地区、不同种植作物和农艺要求等条件下，使得土壤物理几何特性及力学特性复杂多变，尤其对土壤粘附变化的影响更为明显。目前对不同地区不同类型的土壤物理特性以及粘附机理的研究理论还比较少，触土部件结构表面的粘附现象还未有效解决，还未形成系统的基于农艺要求的高速低阻耕作技术体系。

5展望

目前仿生学在减粘降阻优化上发挥了重大作用。各种结构计算软件的应用使优化有了数据作支撑，为优化设计提供了方向，且降低了成本，提高了效率。随着我国农业现代化的发展以及土壤情况的恶化和农艺要求的提高，耕作部件的优化设计面临更大的挑战，因此对耕作部件优化设计提出以下展望：

（1）针对我国不同区域土壤状态和耕作要求的差异，对耕作部件进行优化与设计。例如，开发设计适用于黏重土壤的耕作部件时，宽深比大一些，保证翻土覆盖效果，减小耕作阻力；针对轻质砂土时，耕作部件的设计优化要以高速高效率、高碎土率为方向；耕翻之前，田间一般留有作物前茬，根据不同前茬种类，适当调节耕作部件曲面参数以保证秸秆覆盖质量。

（2）耕作部件曲面种类繁多，数学模型的计算也十分繁琐，回归分析方法具有通用性，将耕作部件曲面上各点的X和Y坐标看成自变量，Z坐标看成因变量，用回归分析方法获得耕作部件曲面的数学模型通用性表达。

（3）逆向工程技术在耕作部件上的研究应着重于采集的点云数据的处理和三维模型的重建，包括数据平滑、降噪、精简等，多种三维设计软件的模型重建精度应相互对比。对用逆向工程技术生成的曲线曲面加以数学方法的归纳，总结规律优化设计。

（4）耕作部件曲面仿生的对象不止于土壤动物，自然界一切有利于减黏降阻的生物结构都可以作为仿生对象加以研究。对耕作部件曲面的仿生学研究不仅要对其外部结构进行仿生，还要对生物仿生部位的运动特性及内部机理进行仿生研究。

（5）计算机仿真提高了耕作部件曲面的优化设计效率，规范实地试验取得的土壤与耕作部件曲面参数，精确计算仿真中设定的各类参数，使仿真结果更加贴近真实情况。在现有基础上，要开发各大仿真软件间的耦合作用，充分发挥各个仿真软件的优势，如EDEM-Adams的耦合，可以解决复杂的动力学问题，EDEM-ANSYS Workbench的耦合可以更好反应耕作部件的力学情况。