风沙土混拌刀具的改良设计与试验

李明　董帅　庞永强　燕洁华　叶汪忠

摘要：为解决风沙土改良设备研制中存在的核心问题，探讨混拌刀具与风沙土-改土材料间相互作用机理，以国标旋耕刀IT245为基础，分析其作用原理，在此基础上设计了专用于风沙土改良的混拌刀具，通过离散元仿真模拟及室内沙槽试验，以改土材料体积比为评价指标对国标刀及专用刀具5层深度下的混拌效果进行分析。结果显示，风沙土混拌刀具偏转角度越大，改土材料体积比越大，当深度150—120 mm、偏转角为60°时达到最大值（35.67%）；风沙土混拌刀具弯折角越大，改土材料体积比越大，当深度150—120 mm、弯折角为130°时达到最大值（36.02%）。风沙土混拌刀具与国标旋耕刀IT245混拌效果相比，深度越浅，改土材料体积比越大，混合效果越好，在深度90—60、60—30 mm时，偏转角60°的风沙土混拌刀具作业后改土材料体积比分别比IT245增加了3.19%、5.11%。研究结果为风沙土混拌刀具及风沙土治理机械的设计与优化提供依据。

关键词：风沙土；改土材料；离散元；混拌刀具；混拌效果

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0937

中图分类号：S222.3 文献标志码：A 文章编号：10080864（2024）04008710

风沙土颗粒间缺乏有机胶体和无机胶体，具有结构松散、吸附能力弱、抗蚀性差、保水能力弱的特点，且对土壤风蚀的发生、发展有着重要影响[1]。风沙土治理措施主要包括生物治沙、工程治沙和化学治沙三类[2]，而风沙土改良是将风沙土与改土材料混合，通过控制风蚀、增加土壤养分、提高风沙土理化性质和改善风沙土土壤结构，为植被恢复提供基础条件[3]。研究发现，秸秆、粉煤灰、生物炭、动物粪便等固体有机质可作为风沙土改良材料[2，4-7]。目前风沙土改良主要采取人工的方式将风沙土与改土材料混合，但人工成本高、效率低，难以大面积推广，因此迫切需要发展机械化作业技术。基于此，本文尝试开发风沙土改良的专用设备，其中如何高效地将风沙土与改土材料混拌均匀是设备开发中需解决的核心问题。

风沙土与改土材料都为颗粒状固体，目前对颗粒材料的运动、受力、混合分析多采用离散元仿真试验与室内试验相结合的方式[8-11]。方会敏等[12]采用离散元法构建秸秆-土壤-旋耕刀相互作用的离散元模型，研究旋耕刀功耗及刀具作用下秸秆的位移。徐高明等[13] 利用Design-Expert 软件，根据Box-Behnken 试验原理研究了秸秆-土壤-旋耕机交互下的关键作业参数对秸秆位移和埋覆效果的影响，发现影响参数的主次顺序为耕作深度、秸秆长度、刀轴转速。杨玉婉等[14] 和张智泓等[15]设计仿生旋耕刀，通过土槽实验及离散元仿真试验研究刀具作业功耗。吴硕等[16]使用离散元法对番茄秸秆立式螺旋混合机理进行研究，对2种不同参数的颗粒材料进行混拌，研究影响混合均匀度的因素。还有学者对不同的混拌机械的混拌机理进行研究[17-20]。

旋耕刀常用于农耕土壤，刀具工作时具有碎土、翻土以及切土的作用[2122]。针对旋耕刀不适用于具有流动性的风沙土与改土材料混拌的问题，参照国标旋耕刀IT245的结构[23]，本研究设计一种专用于将风沙土与改土材料混拌均匀的刀具，通过混拌仿真试验与室内沙槽试验，探讨混拌刀具-风沙土-改土材料相互作用机理，揭示混拌刀具结构与混合效果之间的关系，旨在为风沙土混拌设备及风沙土治理机械的设计与优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 旋耕刀工作原理

旋耕刀由刀柄、侧切面、侧切刃、正切面、正切刃5部分组成，如图1所示。旋耕刀安装在刀轴的刀座上，刀轴带动旋耕刀做圆周运动的同时跟随旋耕机做直线运动，其运动轨迹为摆线[2324]，旋耕刀尖某一点的运动轨迹如图2所示，运动轨迹方程如式（1）所示。

式中，x 为旋耕刀任一点的横向位移，m；y 为旋耕刀任一点的纵向位移，m；vm为旋耕机前进速度，m·s-1；t 为旋耕刀旋转到某一位置所用时间，s；R 为旋耕刀回转半径，m；ω 为旋耕刀角速度，rad·s-1。

旋耕刀任一点的运动速度方程如下。

式中，vx 和vy 分别为旋耕刀任一点的横向速度，m·s-1；u 为旋耕刀旋转线速度，m·s-1。

综合式（1）（2），旋耕刀尖某点的绝对速度v计算公式如下。

1.2 风沙土混拌刀具设计

设计混拌刀具时简化刃面曲线，增加刀具与改土材料的接触面积，使更多的改土材料与刀具接触。通过正切面直接作用风沙土壤来增大扰动面积，即改变刀具弯折线与竖直方向夹角（偏转角α），使得正切面在入土时与土壤平面角度小于90°，铺施在风沙土表面的改土材料受到刀具正切面的作用向下运动，进而更好地混拌到风沙土中。

弯折角β 大小会影响抛土高度及距离[25]，进而影响旋耕刀的作业质量。在设计风沙土混拌刀具时，弯折角的大小会影响改土材料的耕深及改土材料的混合均匀性，所以通过改变弯折角角度来设计混拌刀具。

以国标刀具IT245为基础，风沙土混拌刀具的回转半径为245 mm，厚度为5 mm，正切面长度为50 mm，设计2组风沙土混拌刀具（图3），第1组偏转角α 分别为0°、15°、30°、45°、60°，弯折角β 为固定值90°；第2组弯折角β 分别为90°、100°、110°、120°、130°，偏转角α为固定值0°。

1.3 离散元仿真试验

1.3.1 试验材料

风沙土样本取自乌兰布和沙漠，在100 m×100 m区域内随机取样，采集10个样本，取样面积为150 mm×150 mm，混拌刀具耕深150 mm，取样深度为0—150 mm。通过烘干试验测得风沙土含水率为0.32%，含水率低，风沙土颗粒之间无粘结力。筛分试验测得风沙土粒径及质量分数如表1所示。通过漏斗法测定风沙土堆积角为30.94°，测定风沙土堆积密度为1.44 g·cm-3。为了满足重复试验要求，改土材料选定为不溶于水的黑色橡胶颗粒，无黏性，其接触参数与一般固体改土材料相似[28-30]。

1.3.2 接触模型选择

由于风沙土之间无粘结力，风沙土-风沙土、风沙土-混拌刀具、改土材料-混拌刀具都选用Hertz-Mindlin（no slip）接触模型。

1.3.3 仿真模型建立

按照实际的风沙土粒径分布设置颗粒会导致仿真时间长、效率低等问题，因直径0.075～0.500 mm 的风沙土颗粒占比大于95%，以此为基础，将风沙土颗粒半径放大10倍，设置风沙土颗粒平均半径5 mm，随机生成最大半径为1.7倍平均半径，最小半径为0.3倍平均半径，符合实际风沙土颗粒级配情况。风沙土的外形根据实际进行建模[25]，球型占总质量的50%，长条型占总质量的33%，棱型占总质量的17%，如图4所示。通过风沙土堆积角仿真试验标定风沙土之间及其与其他材料的接触参数（表2）[27]，拟合边缘曲线，得到风沙土堆积角为30.08°与实际风沙土堆积角误差为2.78%。改土材料模型由半径8 mm的标准球组成，随机生成最大半径为1.2倍平均半径，最小半径为0.8倍平均半径。通过堆积角试验标定改土材料间及其与其他材料接触参数（表2）[28-30]。

沙槽尺寸为2 000 mm×600 mm×300 mm，沙槽和混拌设备都为钢材，设定风沙土、改土材料、钢材本征参数（表3），在沙槽底端投放风沙土颗粒7×105颗，铺施厚度250 mm，在铺施完成后的风沙土上方投放改土材料颗粒3 000颗，铺施厚度为50 mm。

混拌设备模型如图5所示，由3把风沙土混拌刀具圆周排列组成刀轮，2把为左旋，1把为右旋，相邻2组刀轮间隔90 mm，6组刀轮按照单螺旋排列的方式通过刀库安装在刀轴上，组成刀辊，在刀辊上方设有外罩组成混拌设备，混拌试验仿真模型如图6所示。

1.3.4 仿真试验及混拌效果评价方法

由于混拌设备的前进速度小、刀轴转速大，在同一区域的混拌时间增加，有利于风沙土与改土材料混合均匀，但混拌时间过长会产生偏析效应，导致改土材料体积比下降；反之同一区域的混拌时间缩短，混拌次数减少，导致风沙土与改土材料混合不充分，不均匀。混拌刀具的耕深决定扰动风沙土的深度，通过多次试验选用混拌设备前进速度0.3 m·s-1、刀具转速250 r·min-1、耕深150 mm进行混拌试验。

对安装IT245及2组风沙土混拌刀具的混拌设备进行仿真试验，待风沙土与改土材料混拌后，建立5层统计网格，长度1 000 mm，宽度550 mm，每层高度30 mm，共150 mm。M1表示深度150—120 mm；M2 表示深度120—90 mm；M3 表示深度90—60 mm；M4表示深度60—30 mm；M5表示深度30—0 mm，对每层混合效果进行评价。

改土材料体积比是评价混拌刀具是否能实现工作要求的重要指标，按照式（4）计算统计网格内改土材料的体积与统计网格的体积之比，最佳改土材料体积比为50%。在计算网格内颗粒体积时将边界上整个颗粒的体积都统计在内，导致改土材料体积比比实际试验的数值偏大，所以对统计网格的体积进行修正（式5），将统计网格的边长改土材料的直径增加8 mm后，计算仿真试验改土材料体积。通过对比风沙土混拌刀不同α 角、β 角在深度M1、M2、M3、M4、M5时改土材料体积比的变化，分析偏转角和弯折角对混拌效果的影响。

式中，I 为仿真试验改土材料体积比，%；Vi为改土材料体积，mm3；V 为统计网格修正体积，mm3。

V = （a + d）（b + d）（c + d） （5）

式中，a、b、c 分别为统计网格长、宽、高，mm；d为改土材料直径，mm。

1.4 室内沙槽试验

1.4.1 试验设备

根据沙区土壤松散流动特性及试验要求，开发室内风沙土混拌试验台。试验台由沙槽、混拌设备、行走装置及可变速的动力装置组成，结构如图7所示。其中混拌装置安装国标旋耕刀IT245，旋耕刀辊共安装6组刀轮，刀轮间轴向距离为90 mm，耕幅为550 mm，每组刀轮由3把旋耕刀按圆周均匀布置，左右弯刀交替布置，轴向相邻两弯刀周向夹角60°，刀轮直径490 mm。动力装置由7.5 kW电机通过皮带传动带动旋耕机构转动，通过变频控制器控制电动机转速，实现旋耕刀不同的旋转速度。

1.4.2 室内试验及混拌效果评价方法

在沙槽内的风沙土上方铺施50 mm改土材料，与仿真试验相同，混拌设备的前进速度0.3 m·s-1、旋耕刀转速250 r·min-1、耕深150 mm。

在国标旋耕刀IT245作用下，风沙土与改土材料在沙槽内混拌，使用改土材料体积比对刀具混拌效果进行评价。混拌入风沙土中的改土材料体积无法测量，所以通过统计改土材料的质量计算体积。取样方法为：①采用专用取样工具对9 个样点取样，取样工具内径为45 mm，高为150 mm的带刻度亚克力透明圆管，采用垂直入土方式插入至耕深位置，然后在取样管中加入适量蒸馏水，使样本润湿凝固后取出；②将样本等分为5层，每层高度30 mm，放入有编号的器皿内进行干燥，得到体积相同的45 个的沙土混合样本；③利用筛网将沙土和改土材料进行分离，分别统计每层每个样本内改土颗粒的质量，计算其样本中改土颗粒的体积，按式（6）计算室内试验改土材料体积比来评价混拌效果。

式中，I'为室内试验改土材料体积比，%；ρ 为改土材料密度，g·mm-3；mj 为样本内改土材料质量，g；V'为样本体积，mm3。

2 结果与分析

2.1 国标旋耕刀仿真与室内试验结果分析

在前进速度0.3 m·s-1、刀轴转速250 r·min-1、耕深150 mm作业后，仿真试验与室内沙槽试验结果变化趋势一致（图8），改土材料体积比随着耕深的增加而降低，深度M5的改土材料体积比最大，混合效果最好，仿真试验为37.71%，室内试验为38.82%；深度M1改土材料体积比最小，仿真试验为6.92%，室内试验为7.21%。室内与仿真试验改土材料体积比的相对误差在深度M3最大（10.27%），在深度M5最小（2.86%），平均误差小于10%。表明风沙土-改土材料离散元仿真模型的准确性。

2.2 混拌过程分析

对弯折线存在偏转角的风沙土混拌刀具混拌过程进行分析，混拌刀具入沙时铺施于风沙土表面的改土材料受到混拌刀具正切面的作用力向下运动，随着刀具旋转，正切面在竖直方向投影面积逐渐减小，与混拌材料的接触面积也逐渐减小，深度越深，混拌入风沙土中的改土材料越少，刀具旋转到最低点后，下层的风沙土颗粒受到刀具向上的作用力向上运动。第一把刀具入沙后，第二把刀具出沙，第三把刀具将风沙土和改土材料抛向混拌设备外罩，在外罩的反作用力下，风沙土与改土材料进一步混拌，又受到下一把刀具向下的作用力，使混合料向下运动，3把刀具往复循环，将改土材料混拌入风沙土中，如图9所示。从混拌过程的仿真结果可以看出，在风沙土混拌刀具的作用下表层的物料逐步被混拌到土壤底层，随着混拌时间的增加，改土材料明显均匀分布在风沙土中。表明混拌刀具可实现风沙土与改土材料的混拌。

2.3 风沙土混拌刀具混拌结果分析

以偏转角α 和弯折角β 为试验因素，以改土材料体积比作为评价指标分别对5个深度的混合效果进行单因素试验，并与国标旋耕刀进行对比。

2.3.1 偏转角对改土材料体积比的影响

如图10 所示，5 种偏转角的风沙土混拌刀具，在深度M5的改土材料体积比无明显分布规律，偏转角为60°时达到最大值（35.67%）；在深度M4、M3、M2处，随着偏转角的增加，改土材料体积比也越大，风沙土与改土材料混拌越均匀，在这3个深度下偏转角为60°的改土材料体积比对比0°、15°、30°、45°平均增加了7.56%、4.15%、2.83%、1.37%；在深度M1处改土材料体积比随着偏转角的增加而减少，此深度下偏转角为60°的改土材料体积比相较于0°、15°、30°、45°分别减少了4.83%、4.74%、4.18%、1.72%。

综上分析可知，风沙土混拌刀具偏转角越大，正切面与改土材料的接触面积越大，可使更多的上层改土材料混拌到M4、M3、M2层，但从刀具入沙旋转到最低点，正切面竖直方向的投影面积逐渐减小，刀具与改土材料接触面积也逐渐减少，使得混合比由深度M4、M3、M2逐渐减少。混拌刀具半径的限制和刀具与固沙材料接触面积减小的原因是，其不能使更多的改土材料混拌到M1层，导致M1层改土材料体积比小于其他层；刀具旋转到最低点后，此时混拌入M1层的改土材料又受到正切面向上的作用力向上运动，且偏转角度越大，与刀具接触的改土材料越多，混拌到M1层的改土材料又运动到M2层，导致M1层改土材料体积比随着偏转角的增大而减小。表明偏转角越大，改土材料与混拌刀具的接触面积越大，混拌效果越好。

2.3.2 弯折角对改土材料体积比的影响

不同弯折角对改土材料体积比的影响如图11所示。5种弯折角的风沙土混拌刀具在深度M5、M4、M3、M2时随着弯折角的增大，改土材料体积比由小到大的弯折角依次为90°、100°、110°、120°、130°，即弯折角越大改土材料体积比越大，此深度下弯折角为130°的改土材料体积比相较于90°、100°、110°、120°平均增加了7.90%、5.96%、3.75%、2.41%。弯折角130°的混拌刀具改土材料体积比都为各层最大，在深度M5 达到最大值，为36.02%；在深度M1改土材料体积比最小，弯折角大小对改土材料体积比影响不明显。综上，弯折角对混拌效果有影响，随着弯折角的增大，各层土壤的改土材料混合比呈增大的趋势，表层趋势尤为明显，随着耕层的不断加深，其影响效果逐渐降低，不能够达到深层混拌的效果，表明增加弯折角的旋耕刀对表层物料向下作用力增加不明显。

2.3.3 风沙土混拌刀具与国标旋耕刀混拌效果对比分析

设计的2 类混拌刀具与国标旋耕刀的混拌效果类似，深度越浅改土材料体积比越大，混合效果越好，在深度M5时改土材料体积比最大，由M5 到M1 递减，在深度M1 时改土材料体积比最小。

分别选取混拌效果好的60°偏转角、130°弯折角的风沙土混拌刀具，对比分析风沙土专用刀具与国际旋耕刀混拌效果，结果如图12所示。可以看出，风沙土混拌刀具与国际旋耕刀对改土材料的混拌效果类似，深度越浅改土材料体积比越大，混合效果越好，在深度M5 时改土材料体积比最大，由M5到M1递减，在深度M1时改土材料体积比最小。其中，偏转角60°的风沙土混拌刀具在深度M2、M3 时的改土材料体积比大于国标旋耕刀IT245，分别增加了5.11%，3.19%，在深度M1、M4、M5时国标旋耕刀的改土材料体积比大于风沙土混拌刀具，说明相较于国标刀，风沙土混拌刀具增加了偏转角，使刀具正切面接触面积增大，更好地使改土材料翻覆到深层，减少改土材料在表层的堆积。在深度M2、M3、M4、M5和弯折角130°时的风沙土混拌刀具改土材料体积比与国标旋耕刀IT245接近，国标旋耕刀的弯折角为120°，表明改变折弯角对改土材料的混拌效果影响不明显。

3 讨论

在以往的研究中，旋耕刀的作业对象为农耕土壤，土壤在旋耕刀正切刃、侧切刃、刀背的综合切削作用下破碎，浅层及中层土壤被旋耕刀旋转抛出，深层土壤受到浅层、中层土壤挤压以及重力作用被松散破碎，实现旋耕刀松土、碎土、抛土的切削过程，弯折角的大小影响旋耕刀作业质量及抛土高度[2122]。风沙土混拌刀具与旋耕刀工作环境不同，其作用对象为改土材料和风沙土，风沙土颗粒间无黏性、结构松散、具有流动性，使用混拌刀具进行作业时无需正切刃与侧切刃破碎土壤，本文在设计混拌刀具时增加刀具正切面与改土材料的接触面积，改变弯折角角度使风沙土与改土材料混拌均匀。研制专用于风沙土与改土材料混拌的刀具有利于改善风沙土理化性质，提高土壤生产力、防止土壤退化、使改良后的风沙土适宜植被的生长。

本研究以国标旋耕刀IT245为基础，设计了5种不同偏转角度、5种不同弯折角度的2组专用于混拌风沙土与改土材料的混拌刀具。通过室内沙槽试验和离散元仿真模拟，对比国标旋耕刀与风沙土混拌刀具的混拌效果，研究偏转角及弯折角对混拌效果的影响。结果表明，增大偏转角可以增大刀具与土壤的作用面，而使表层的改土材料更容易翻覆到土壤深层，偏转角越大，改土材料与混拌刀具的接触面积越大，混拌效果越好。增大弯折角对土壤表层的混合效果有影响，但对深层影响不明显。与旋耕刀混拌效果类似，由于混拌刀具半径及接触面积的限制，随着深度的增加，混拌的效果越差。

本研究仅考虑了混拌刀具偏转角和弯折角单因素对混合效果的影响，没有考虑交互作用，即在5种弯折角度下，改变5种偏转角，分析偏转角，弯折角交互作用下对混拌效果的影响，也可对功耗、扭矩等因素综合考虑，进一步优化混拌刀具的外形结构，提高混拌刀具的混拌效果，减少功耗。

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（责任编辑：温小杰）

基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC0507102）；内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZY22520）；内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZY21485）。