趙淑紅，劉宏俊，譚賀文，曹秀振，張先民，楊悅乾

仿旗魚頭部曲線型開溝器設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

趙淑紅，劉宏俊，譚賀文，曹秀振，張先民，楊悅乾※

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

為了減小播種開溝器的工作阻力，降低其對(duì)土壤的擾動(dòng)，根據(jù)旗魚頭部的流線型曲線，建立了擬合曲線的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了仿旗魚頭部曲線型開溝器。為獲得該開溝器工作時(shí)工作阻力及其對(duì)土壤擾動(dòng)情況，進(jìn)行離散元仿真和室內(nèi)土槽試驗(yàn)。在前進(jìn)速度為0.5 m/s時(shí)，分別以3種土壤含水率、3種開溝器開溝深度為因素進(jìn)行仿真及室內(nèi)試驗(yàn)。仿真結(jié)果：在含水率為12%±1%時(shí)，工作阻力、對(duì)土壤擾動(dòng)寬度和回土深度隨開溝深度的增加呈增加趨勢(shì)；在開溝深度為60 mm時(shí)，工作阻力隨含水率的增加而增加，但對(duì)土壤擾動(dòng)寬度、回土深度影響不明顯。工作阻力仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，兩者變化趨勢(shì)大致相同，相對(duì)誤差在5.04%～27.08%之間。土壤擾動(dòng)情況仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比：回土深度的仿真與試驗(yàn)結(jié)果接近，而土壤擾動(dòng)寬度的仿真與試驗(yàn)結(jié)果差別較大，可能是土壤顆粒粒徑較大引起的，但變化趨勢(shì)基本一致。由此說(shuō)明了采用離散元法模擬開溝器的工作阻力及其對(duì)土壤擾動(dòng)情況的可行性。該文可為開溝器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

離散單元法；仿生；設(shè)計(jì)；曲線型開溝器；仿真；試驗(yàn)

0 引 言

開溝器是播種機(jī)上用于開溝的關(guān)鍵部件[1-2]。一個(gè)具有較好結(jié)構(gòu)的播種開溝器，不僅能有效減少對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，避免造成較大的失墑，還能夠減少其受到的工作阻力[3-4]。中國(guó)的播種機(jī)上，開溝器多選用尖角式和圓盤式[5-7]。尖角式開溝器較多用于中小型播種機(jī)上，但有時(shí)其對(duì)土壤擾動(dòng)較大；而圓盤開溝器的土壤擾動(dòng)性較小，但需要的機(jī)具質(zhì)量較大，不適合中小型播種機(jī)[8-9]。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)開溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)使之更加符合農(nóng)藝要求，不僅能夠降低開溝器的工作阻力，還能夠提高其入土能力，減輕對(duì)土壤的擾動(dòng)。

目前對(duì)于播種開溝器的研究多集中于通過試驗(yàn)的方法來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)開溝器[10-13]；為研究開溝器的性能，首先必須探討開溝器工作時(shí)土壤運(yùn)動(dòng)規(guī)律和施加于土壤的作用力。離散元法(discrete element method，DEM)可用來(lái)模擬顆粒材料和研究材料間的微觀宏觀變形，允許顆粒材料間存在接觸的形成和破壞，也適合仿真土壤和剛性體間的相互作用。學(xué)者基于DEM對(duì)土壤與耕作機(jī)具間的作用過程進(jìn)行了廣泛研究[14-18]，這些研究都證實(shí)離散元仿真能夠模擬耕作過程。在離散元中可以追蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)土壤顆粒在耕作過程中的受力和擾動(dòng)情況進(jìn)行分析。在對(duì)開溝器與土壤相互作用的研究中，于建群等[19]通過對(duì)芯鏵式開溝器工作阻力的離散元仿真，但其建立的開溝器和土壤顆粒模型為二維模型過于簡(jiǎn)單；Chen等[20]通過建立針對(duì)3種不同土壤的三維離散元模型并模擬開溝器與土壤間的相互作用，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；Ucgul等[21-22]分別針對(duì)無(wú)粘性土壤、粘性土壤采用不同的離散元接觸模型并對(duì)開溝過程進(jìn)行離散元仿真，驗(yàn)證了離散元模型的可行性；姜珊珊[23]和潘世強(qiáng)[24]運(yùn)用三維離散元軟件EDEM（enhanced discrete element method）對(duì)芯鏵式開溝器的工作阻力進(jìn)行了仿真與分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，通過改進(jìn)修正離散元模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)了滑刀式開溝器。這些研究都證實(shí)離散元仿真能夠模擬開溝器與土壤相互作用，研究多集中于開溝器的工作阻力仿真上，而開溝器對(duì)土壤的擾動(dòng)情況的研究較少。因此，運(yùn)用離散元法對(duì)開溝器工作時(shí)受到的工作阻力及其對(duì)土壤擾動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析，為播種開溝器設(shè)計(jì)與改進(jìn)、提高效率、節(jié)省成本具有不可忽視的現(xiàn)實(shí)意義。

大自然已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十億年的進(jìn)化，他的鬼斧神工常常蘊(yùn)藏著精妙的設(shè)計(jì)思想，旗魚是短距離游泳速度最快的動(dòng)物，其頭部具有良好的流線型，在其高速前進(jìn)時(shí)，降低阻力。本文依據(jù)旗魚頭部的流線型曲線，建立擬合曲線的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)仿旗魚頭部曲線型開溝器，確定開溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用離散元法對(duì)開溝器工作時(shí)受到的工作阻力及土壤擾動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析，為播種開溝器的設(shè)計(jì)提供可行的研究方法，并進(jìn)行室內(nèi)土槽試驗(yàn)，進(jìn)一步確定開溝器設(shè)計(jì)的合理性，為開溝器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 仿旗魚頭部曲線型開溝器的設(shè)計(jì)

1.1 擬合曲線數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)文獻(xiàn)[25]獲取了旗魚的三維圖形，如圖1a所示，然后利用CATIA二維制圖獲取旗魚頭部輪廓曲線，并記錄了曲線相對(duì)x、y軸參考線位置坐標(biāo)，如圖1所示。根據(jù)相對(duì)位置坐標(biāo)點(diǎn)采用分段多項(xiàng)式曲線擬合原理[26]進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，對(duì)每相鄰的4個(gè)點(diǎn)依次擬合，分段后的輪廓曲線，如圖1b所示。

圖1 旗魚及其頭部擬合曲線Fig.1 Sailfish and fitting curve of its head

在選取分段點(diǎn)時(shí)，為保證分段后相鄰曲線邊界點(diǎn)連續(xù)，采用3或4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合一條二次曲線。由圖1b可知，首先對(duì)輪廓線分成了8段，一共24個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后再對(duì)各分段中的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到擬合曲線數(shù)學(xué)模型，如表1所示。

從分段曲線擬合方程中可以看出，決定系數(shù)R2都大于0.99，擬合程度較高，為開溝器的設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)學(xué)模型。

1.2 開溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

根據(jù)東北地區(qū)播種農(nóng)藝開溝要求，結(jié)合上述擬合曲線數(shù)學(xué)模型相關(guān)參數(shù)，確定開溝器結(jié)構(gòu)尺寸。開溝器由開溝器入土部分、鏟柄組成，如圖2a所示。開溝器入土部分結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2b、2c所示。根據(jù)擬合曲線數(shù)學(xué)方程將開溝器入土部分的入土曲線設(shè)計(jì)為擬合曲線型。根據(jù)農(nóng)藝要求及相關(guān)文獻(xiàn)[10-13]可知：1）入土角過大易造成干濕混合；過小，則強(qiáng)度不夠，壽命降低，一般取值范圍為20°～40°；2）入土隙角過小，入土性能變差；過大，土壤提前回落，使種子和肥料不能達(dá)到開溝的最大深度，入土隙角一般為5°～14°；3）當(dāng)橫向?qū)挾刃∮阽P柄的橫向?qū)挾葧r(shí)，能夠明顯的降低對(duì)土壤擾動(dòng)量；4）長(zhǎng)度不能過長(zhǎng)，否則不能保證整個(gè)開溝部分沉沒于土中，且對(duì)土壤擾動(dòng)量較大；另一方面開溝器太長(zhǎng)，易降低播種機(jī)通過性能。根據(jù)上述原則，確定入土角為30°，入土隙角為6°，入土部分長(zhǎng)度為175 mm，橫向?qū)挾葹?0 mm，上下寬度相同，材料為65 Mn。鏟柄采用30 mm×50 mm的45號(hào)鋼管，使開溝器鏟柄與導(dǎo)種管集于一身，其長(zhǎng)度為500 mm。

表1 擬合曲線數(shù)學(xué)模型Table1 Mathematical model of fitting curve

圖2 仿旗魚頭部曲線型開溝器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of opener based on bionic sailfish head curve

2 開溝器的離散元仿真

開溝器與土壤的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程，進(jìn)行離散元仿真可以從宏觀和細(xì)觀角度來(lái)研究開溝器與土壤的相互作用。

2.1 土壤離散元模型建立

本文選取含水率和開溝深度為試驗(yàn)因素，建立不同土壤狀態(tài)及部件工況條件下的離散元顆粒模型。其中土壤含水率因素水平選取與春季播種時(shí)期土壤含水率相近，同時(shí)在后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證階段將以此含水率的土壤為作業(yè)載體，控制土壤含水率分別為12%±1%、16%±1%、20%± 1%，測(cè)得土壤體積密度分別為1 280、1 300、1 330 kg/m3；通過土壤直接剪切試驗(yàn)測(cè)得土壤內(nèi)摩擦系數(shù)為0.536、0.414、0.329，如表2所示；內(nèi)聚力為60～80 kPa；選用Hertz-Mindlin with bonding模型作為土壤顆粒間接觸力學(xué)模型[27-28]，用于模擬土壤顆粒間的相互作用。

表2 標(biāo)定后土壤顆粒密度與顆粒內(nèi)摩擦系數(shù)Table2 Calibrated particle density and internal friction coefficient

2.1.1 參數(shù)校準(zhǔn)

真正土壤顆粒太小，因而不可能直接測(cè)量其參數(shù)。由于仿真軟件EDEM和仿真時(shí)間不可能模擬出真實(shí)的不同尺寸和形狀的土壤顆粒。因而需要對(duì)仿真顆粒的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，以便給出更接近實(shí)際的顆粒模型作為土壤模型。

1）顆粒結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過篩分法得出75%的土壤顆粒尺寸介于0.25～5 mm，其它25%小于等于0.25 mm。

通過查閱資料[29]可知，肥沃土壤的結(jié)構(gòu)形態(tài)由土壤粘結(jié)成粒狀和小團(tuán)塊狀，大體呈球形；文獻(xiàn)[20-22]將土壤顆粒都設(shè)置成10 mm以上的球形，本文為了將仿真時(shí)間控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，將土壤顆粒模型設(shè)置成粒徑2～5 mm之間的球形顆粒，在顆粒接觸模型中可以通過設(shè)置粘結(jié)接觸使所有顆粒粘 結(jié)在一起，從而生成其他形狀的顆粒集合體。

2）土壤顆粒密度

土壤顆粒密度也稱為土壤固相密度，與土壤體積密度不同。在離散元仿真分析時(shí)，需要調(diào)整土壤顆粒密度，保證仿真土壤體積密度與實(shí)際土壤體積密度相一致。

校準(zhǔn)方法：土壤顆粒生成后使其在重力作用下達(dá)到穩(wěn)定，然后在模型上方施加一定壓力使其壓實(shí)后，慢慢釋放壓力，使顆粒再次穩(wěn)定。測(cè)得此時(shí)土壤顆粒的總質(zhì)量，得到仿真土壤體積密度，并與實(shí)際土壤體積密度相比較，如果不一致，再次調(diào)整土壤顆粒密度，直到生成的仿真土壤體積密度與實(shí)際土壤體積密度相同。校準(zhǔn)后土壤顆粒密度見表2。

3）土壤顆粒間動(dòng)靜摩擦系數(shù)

在離散元仿真分析時(shí)，需要調(diào)整土壤顆粒間動(dòng)靜摩擦系數(shù)，保證仿真土壤內(nèi)摩擦系數(shù)與實(shí)際內(nèi)摩擦系數(shù)相一致。

內(nèi)摩擦系數(shù)的大小是內(nèi)摩擦角的正切值，在對(duì)生成的土壤顆粒間添加粘結(jié)模型前，土壤顆粒的休止角近似等于其內(nèi)摩擦角。通過模擬未添加粘結(jié)鍵的土壤顆粒的堆積試驗(yàn)，對(duì)堆積后形成的傾角與測(cè)得的內(nèi)摩擦角進(jìn)行對(duì)比（即正切比例關(guān)系）。仿真時(shí)，顆粒接觸模型為Hertz-Mindlin模型，顆粒粒徑大小為2～5 mm，顆粒個(gè)數(shù)為2 000個(gè)，時(shí)間步長(zhǎng)為10-5s，顆粒生成在一個(gè)圓柱體內(nèi)，生成完畢后撤掉圓柱體，讓顆粒自然堆積，模擬結(jié)果，如圖3所示。

圖3 離散元模擬土壤顆粒不同含水率下的內(nèi)摩擦角Fig.3 Internal friction angle of soil particles with different moisture contents by discrete element simulation

采用校準(zhǔn)土壤顆粒密度相同的方法，含水率為12%±1%、16%±1%、20%±1%時(shí)，土壤顆粒間動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.25、0.22、0.20；土壤顆粒間靜摩擦系數(shù)分別為0.5、0.4、0.3；校準(zhǔn)后與實(shí)際內(nèi)摩擦系數(shù)相差無(wú)幾，其說(shuō)明參數(shù)校準(zhǔn)的合理性，見表2。

2.1.2 土壤模型生成

在仿真時(shí)，用不同含水率的土壤參數(shù)分別對(duì)土槽建模；并采用EDEM的顆粒工廠生成土壤顆粒集合體。土壤顆粒及開溝器材料參數(shù)，見表3所示，其中需要靠經(jīng)驗(yàn)取值的土壤參數(shù)參考文獻(xiàn)[24]。選取的顆粒粒徑大小為2～5 mm，顆粒數(shù)量為100 000個(gè)。在重力的作用下，顆粒生成完成后，再在顆粒上方加載校準(zhǔn)土壤密度時(shí)施加的垂直載荷，壓實(shí)土壤模型，最后得到尺寸為700 mm× 300 mm×130 mm土壤模型，如圖4所示。

表3 離散元法仿真的基本參數(shù)表Table3 Basic parameters of discrete element method simulation

圖4 土壤模型Fig.4 Soil model

2.2 開溝器的仿真分析及結(jié)果

仿真分析前，在EDEM軟件中的前處理器模塊依次進(jìn)行接觸力學(xué)模型、仿真參數(shù)、土壤的顆粒模型、開溝器邊界模型和顆粒工廠等的設(shè)置[30]。

結(jié)合東北地區(qū)實(shí)際田間播種土壤農(nóng)藝狀態(tài)，進(jìn)行了預(yù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各因素之間的交互作用影響不大，故本文主要進(jìn)行單因素試驗(yàn)，旨在找到試驗(yàn)因素（含水率與開溝深度）對(duì)開溝器工作性能的影響規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]確定試驗(yàn)因素：土壤含水率為12%±1%、16%±1%、20%±1%，播種深度為30、60、90 mm。而在多數(shù)年份中，由于春季風(fēng)大造成表層土壤含水率低，一般為12%±1%，且為了保證作物正常生長(zhǎng)，播種時(shí)開溝深度多為60 mm，故重點(diǎn)在12%±1%的土壤含水率、60mm的開溝深度條件下進(jìn)行試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)方案：1）按照土壤含水率為12%±1%、工作速度為0.5 m/s、開溝深度為30、60、90 mm進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)；2）按照開溝深度為60 mm、工作速度為0.5 m/s、土壤含水率為12%±1%、16%±1%、20%±1%進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)。按照仿真試驗(yàn)方案進(jìn)行了模擬，并在EDEM后處理工具模塊進(jìn)行仿真模擬的結(jié)果分析。測(cè)量溝形參數(shù)時(shí)，由于仿真的土壤模型顆粒比實(shí)際土壤顆粒要大，故選取溝形的關(guān)鍵參數(shù)：擾動(dòng)寬度l和回土深度h進(jìn)行測(cè)量，如圖5所示。自然回土后溝底基線與開夠深度基準(zhǔn)線的距離為回土深度h。

圖5 模擬的開溝溝形與形狀參數(shù)Fig.5 Ditching shape and shape parameters in simulation

1）開溝深度對(duì)工作阻力的影響

采用土壤含水率為12%±1%、工作速度為0.5 m/s、開溝深度為30、60、90 mm進(jìn)行仿真模擬，擬合曲線開溝器的工作阻力，如表4所示；仿旗魚頭部曲線型開溝器與土壤顆粒的接觸狀態(tài)，如圖6所示。由表4可知，開溝器的水平阻力在19.7～74.6 N，垂直阻力在9.37～26.9 N，工作阻力隨開溝深度增加而增加的趨勢(shì)；由圖6可知，土壤顆粒顏色由藍(lán)色至綠色至紅色依次加深，表示所受到的力依次增大，隨著開溝深度的增大，仿旗魚頭部曲線型開溝器入土部分上堆積的土壤顆粒逐漸變多，顆粒顏色變化加深，這說(shuō)明了仿旗魚頭部曲線型開溝器對(duì)土壤的擾動(dòng)在增大，其受到的工作阻力也在相應(yīng)變大。

表4 含水率和開溝深度對(duì)開溝器工作阻力的影響Table4 Effects of moisture content and ditching depth on working resistance of opener

圖6 含水率12%±1%時(shí)開溝器與土壤顆粒的接觸狀態(tài)Fig.6 Contact state between opener and soil particles of moisture content of 12%±1%

2）土壤含水率對(duì)工作阻力的影響

采用開溝深度為60 mm、工作速度為0.5 m/s、土壤含水率為12%±1%、16%±1%、20%±1%、進(jìn)行仿真模擬，擬合曲線開溝器的工作阻力，如表4所示；仿旗魚頭部曲線型開溝器與土壤顆粒的接觸狀態(tài)，如圖7所示。由表4可知，開溝器的水平阻力在41.9～65.43 N，垂直反力在17.9～26.4 N，開溝器工作阻力隨著含水率的增加而增加；由圖7可知，土壤顆粒顏色由藍(lán)色至綠色至紅色依次加深，表示所受到的力依次增大，隨著含水率的增加，土壤顆粒顏色在加深，隨著土壤模型中的粘結(jié)力增大，這也說(shuō)明了隨著含水率的增加，顆粒變化區(qū)域在加深，開溝器受到的工作阻力也在增加。

3）開溝深度對(duì)土壤擾動(dòng)情況的影響

采用土壤含水率為12%±1%、工作速度為0.5 m/s、開溝深度為30、60、90 mm進(jìn)行仿真模擬，土壤擾動(dòng)情況進(jìn)行分析。在仿旗魚頭部曲線型開溝器在3種開溝深度時(shí)，溝形的關(guān)鍵參數(shù)，如表5所示。

由表5可知，開溝器對(duì)土壤顆粒的擾動(dòng)寬度在140～200 mm之間，回土深度在19～80 mm之間，隨著開溝深度的增加，開溝器對(duì)土壤的擾動(dòng)寬度在增加，回土深度也在增加，說(shuō)明開溝器對(duì)土壤的擾動(dòng)在增大。

4）含水率對(duì)土壤擾動(dòng)情況的影響

取開溝深度為60 mm、工作速度為0.5 m/s，仿旗魚頭部曲線型開溝器在不同的土壤含水率（12%±1%、16%±1%、20%±1%）時(shí)對(duì)土壤擾動(dòng)情況進(jìn)行分析。在3種土壤含水率下，溝形的關(guān)鍵參數(shù)，如表5所示。

圖7 開溝深度為60 mm時(shí)開溝器與土壤顆粒的接觸狀態(tài)Fig.7 Contact state between opener and soil particles of ditching depth of 60 mm

表5 含水率和開溝深度對(duì)溝形參數(shù)的影響Table5 Effects of moisture content and ditching depth on ditching shape parameters

隨著土壤含水率的增加，開溝器對(duì)土壤的擾動(dòng)寬度以及回土深度變化不明顯，雖然在仿真參數(shù)設(shè)置時(shí)，隨著含水率的增加，顆粒間粘結(jié)力在變大，但當(dāng)開溝器對(duì)土壤顆粒擾動(dòng)后，顆粒間的粘結(jié)力消失，顆粒間的相互作用受到自身摩擦系數(shù)的影響，由于隨著含水率的增加，顆粒間的內(nèi)摩擦系數(shù)減小，這也說(shuō)明了從溝形參數(shù)上不能準(zhǔn)確的分析含水率對(duì)土壤顆粒擾動(dòng)情況的影響。

3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

為了檢驗(yàn)離散元法仿真結(jié)果的可信性及開溝器設(shè)計(jì)的合理性，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)具土槽實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)方案：在土壤含水率為12%±1%，開溝深度為30、60、90 mm時(shí)，開溝器工作阻力及溝形參數(shù)的試驗(yàn)值與仿真值進(jìn)行對(duì)比；在開溝深度為60 mm、土壤含水率為12%± 1%、16%±1%、20%±1%時(shí)，開溝器工作阻力的試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；并與圓弧型開溝器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：土槽土壤為東北地區(qū)典型作業(yè)黑壤土；試驗(yàn)裝置[31]由試驗(yàn)臺(tái)車、開溝器連接測(cè)試系統(tǒng)、仿旗魚頭部曲線型開溝器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，如圖8所示；試驗(yàn)臺(tái)車動(dòng)力由變頻柜控制電動(dòng)機(jī)提供，主要儀器設(shè)備：變頻器（型號(hào)F1000-G055T3C，歐瑞傳動(dòng)電氣有限公司生產(chǎn)）、三相異步電動(dòng)機(jī)（型號(hào)Y2-10L2-4，永策機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)）。試驗(yàn)時(shí)將土槽分為啟動(dòng)區(qū)、測(cè)試區(qū)和停止區(qū)3部分，其中穩(wěn)定測(cè)試工作區(qū)3 m，前后啟動(dòng)和停止區(qū)各0.5 mm。

圖8 對(duì)比試驗(yàn)臺(tái)架Fig.8 Contrast experiment bench

3.1 工作阻力的對(duì)比

3種含水率、3種開溝深度下工作阻力的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比結(jié)果，如表6所示。

表6 不同含水率和開溝深度下工作阻力仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table6 Comparison of opener simulation and experimental results with different moisture content and ditching depth

由表6可知，工作阻力仿真與試驗(yàn)結(jié)果都隨著含水率及開溝深度的增加而增加，且變化趨勢(shì)大致相同。隨著含水率和開溝深度增加，相對(duì)誤差有減小的趨勢(shì)，相對(duì)誤差在5.04%～27.08%之間，由此證明離散元法對(duì)工作阻力仿真的可信性。

3.2 土壤擾動(dòng)情況的對(duì)比

對(duì)仿真與試驗(yàn)測(cè)得的溝形形狀參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)對(duì)比分析仿旗魚頭部曲線型開溝器對(duì)土壤的擾動(dòng)情況。在土壤含水率為12%±1%時(shí)，仿旗魚頭部曲線型開溝器在開溝深度為30、60、90 mm時(shí)的溝形參數(shù)進(jìn)行分析，如表7所示。

表7 土壤含水率為12%±1%時(shí)的溝形參數(shù)Table7 Ditching shape parameters of moisture content of 12%±1%

由表7可知，隨著開溝深度增加，開溝器對(duì)土壤的擾動(dòng)寬度及回土深度也增加?；赝辽疃确抡娼Y(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果幾乎相同，之間差值在-2.5～0.7 mm，但擾動(dòng)寬度仿真結(jié)果要比試驗(yàn)結(jié)果小106.7～140.0 mm，這可能與仿真顆粒粒徑較大有關(guān)，但變化趨勢(shì)基本一致，由此確定離散元法對(duì)土壤擾動(dòng)情況仿真的可行性。

3.3 對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證擬合曲線性開溝器工作性能，同時(shí)保證試驗(yàn)的可比性，本研究選擇圓弧型開溝器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇土壤含水率為12%±1%，開溝深度為60 mm，工作速度為0.5 m/s。

由表8可知，仿旗魚頭部曲線型開溝器工作阻力比圓弧型開溝器??；仿旗魚頭部曲線型開溝器的擾動(dòng)寬度小且回土深度深，這說(shuō)明仿旗魚頭部曲線型開溝器工作性能較比圓弧型開溝器要好。由上述可知，仿旗魚頭部曲線型開溝器有一定的優(yōu)越性，可以降低工作阻力與土壤擾動(dòng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

表8 開溝器類型工作性能對(duì)比Table8 Working performance comparison of openers

4 討 論

1）本文運(yùn)用離散元數(shù)值仿真分析仿旗魚頭部曲線型開溝器工作過程，以工作阻力和土壤擾動(dòng)為目標(biāo)，通過開溝器工作阻力數(shù)據(jù)、開溝器與土壤模型接觸狀態(tài)、溝形形狀參數(shù)的分析，定性并定量的分析開溝器在不同含水率土壤模型和不同開溝深度工況下的作業(yè)狀態(tài)，并對(duì)比研究此類型開溝器特點(diǎn)[19,23-24]，為開溝器優(yōu)化改進(jìn)及效率提高提供參考。

2）由仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，仿真結(jié)果均小于試驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[19,24]在采用離散元研究開溝器作業(yè)性能時(shí)中也發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果小，可能原因是在離散元仿真時(shí)，仿真模型的土壤顆粒形狀和數(shù)目與實(shí)際情況存在一定差距，但仿真與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，這表明離散元仿真分析驗(yàn)證開溝器工作性能的可行性。

3）在仿真分析含水率對(duì)土壤擾動(dòng)情況時(shí)，含水率對(duì)土壤擾動(dòng)情況影響不顯著，這與實(shí)際情況不吻合，該結(jié)果表明本研究所選用土壤-機(jī)械間接觸力學(xué)模型在模擬不同含水率對(duì)土壤擾動(dòng)情況時(shí)存在一定的局限性。在后續(xù)研究中將運(yùn)用C語(yǔ)言對(duì)彈性函數(shù)進(jìn)行編譯，通過EDEM軟件的應(yīng)用編程接口（API，application programming interface）進(jìn)行軟件二次開發(fā)，使其更精準(zhǔn)地進(jìn)行離散元仿真模型，以期使能保證在含水率不同對(duì)土壤的擾動(dòng)能與實(shí)際情況吻合，同時(shí)還將研究開溝器在有無(wú)秸稈覆土壤環(huán)境下的離散元模型，研究秸稈對(duì)土壤擾動(dòng)的影響。

5 結(jié) 論

1）本研究依據(jù)旗魚頭部的流線型曲線，采用最小二乘法分段曲線擬合原理，建立了擬合曲線數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了仿旗魚頭部曲線型開溝器，其能提高機(jī)具通過性，減小工作阻力，降低土壤擾動(dòng)，同時(shí)具有良好的回土性能。

2）由仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，開溝器工作阻力仿真與試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)大致相同，工作阻力都隨開溝深度的增加而增加，隨土壤含水率的增大而增大，其中仿真均比試驗(yàn)值小，相對(duì)誤差在5.04%～27.08%之間。

3）由對(duì)比試驗(yàn)可知，仿旗魚頭部曲線型開溝器可降低工作阻力，并能夠有效的減小土壤擾動(dòng)，進(jìn)一步說(shuō)明開溝器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。

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Design and performance experiment of opener based on bionic sailfish head curve

Zhao Shuhong, Liu Hongjun, Tan Hewen, Cao Xiuzhen, Zhang Xianmin, Yang Yueqian※
(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

In order to reduce working resistance of seeding opener and soil disturbance, the opener based on bionic sailfish head curve was designed. The two-dimensional (2D) drafting software of CATIA (computer aided three-dimensional interactive application) is used for getting the sailfish head profile curve. The head profile curve segments of sailfish is obtained based on the relative positional coordinates of points. Using the agronomic requirements and the parameters of the head profile curve segments of sailfish determine the structural parameters of opener. The main structure parameters of the opener are penetration angle of 30° and penetration clearance angle of 6°. Due to the interaction of the soil and the opener during movement is a complex process, the discrete element simulation from microscopic point of view is performed to study the interaction between the opener and the soil. The discrete element model of soil is established. In order to ensure the accuracy of test data, the related parameters are calibrated. Soil resistance is influenced by working depth and soil moisture content. At the same time, the relationship between working depth and soil disturbance is obtained. The software of EDEM (enhanced discrete element method) is used for the simulation analysis of working resistance and soil disturbance of the opener. Soil moisture content is 12%±1%, 16%±1%, and 20%±1%, working depth is 30, 60, and 90 mm, respectively, and forward speed of the opener is 0.5 m/s. Under these working conditions, the working resistance of the opener and its disturbance to soil are studied. Simulation results show that the working resistance of the opener increases with the increasing of soil moisture content, and also increases with the increasing of ditching depth, the horizontal resistance is between 19.70 and 74.60 N, the vertical resistance is between 9.37 and 26.90 N, the width of the disturbance in the opener is between 140 and 200 mm, and the soil returning depth is between 19 and 80 mm. In order to prove the credibility of the simulation results of the EDEM and the rationality of the opener, the experiments are carried out in the agricultural soil test laboratory of the northeast agricultural university. Simulation of work resistance and test results showed that the trend of change in work resistance was roughly the same, the relative error were between 5.04% and 27.08%. Compared with the experimental results, the simulation results were almost the same as the experimental results, and the difference of the ditching depth was between -2.5 and 0.67 mm, but the simulation results of the disturbance width were between 106.7 and 140 mm, smaller than the experimental results, which may be related to the larger particle size of the simulated particles. The trend was basically the same. The opener based on bionic sailfish head curve and the arc-type opener were selected for contrast experiment. The results showed that the performance of the opener based on bionic sailfish head curve was better than the arc-type opener. The research shows the feasibility of using the discrete element method to simulate opener’s working resistance and soil disturbance, and provides a convenient method for the opener design.

discrete element method; bionic; design; curve opener; simulation; experiment

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.005

S225+2

A

1002-6819(2017)-05-0032-08

趙淑紅，劉宏俊，譚賀文，曹秀振，張先民，楊悅乾. 仿旗魚頭部曲線型開溝器設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(5)：32－39.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.005 http://www.tcsae.org

Zhao Shuhong, Liu Hongjun, Tan Hewen, Cao Xiuzhen, Zhang Xianmin, Yang Yueqian. Design and performance experiment of opener based on bionic sailfish head curve[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 32－39. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.005 http://www.tcsae.org

2016-05-29

2016-12-05

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD11B01）；黑龍江省重大科技招標(biāo)項(xiàng)目（GA14B101）；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)博士啟動(dòng)基金（2010RCB45）

趙淑紅，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事田間農(nóng)業(yè)機(jī)械及力學(xué)特性的研究。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。Email：shhzh091@sina.com※通信作者：楊悅乾，研究員級(jí)工程師，主要從事保護(hù)性農(nóng)業(yè)裝備研究。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。Email：yangyueqian@126.com