楊 望，張傳利，楊 堅(jiān)，梁兆新，莫建霖，曾伯勝，黃 民

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004；3.廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，南寧 530001)

0 引言

甘蔗收獲后蔗葉留在田面上，因此甘蔗破壟機(jī)作業(yè)時(shí)其撥葉圓盤(pán)先要對(duì)蔗葉進(jìn)行切斷、撥開(kāi)，才能順利進(jìn)行破壟作業(yè)。但是，目前的甘蔗破壟機(jī)撥葉圓盤(pán)對(duì)蔗葉進(jìn)行切斷、撥開(kāi)的作業(yè)性能差，蔗葉在破壟機(jī)前進(jìn)方向堆積，嚴(yán)重阻礙破壟作業(yè)，且目前國(guó)內(nèi)外對(duì)破壟機(jī)撥葉圓盤(pán)作業(yè)質(zhì)量的影響研究匱乏[1-7]。因此，本文采用SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)和FEM(Finite Element Method)的耦合方法，通過(guò)建立撥葉圓盤(pán)-蔗葉-土壤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，進(jìn)行撥葉圓盤(pán)作業(yè)過(guò)程仿真分析，探討撥葉圓盤(pán)的蔗葉切斷機(jī)理，為撥葉圓盤(pán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

本文以廣西農(nóng)機(jī)研究院3ZPF-1×0.5型甘蔗破壟施肥蓋膜機(jī)(見(jiàn)圖1)的撥葉圓盤(pán)為研究對(duì)象，該破壟施肥蓋膜機(jī)的撥葉機(jī)構(gòu)主要由撥葉圓盤(pán)、調(diào)節(jié)固定板、連接軸座、軸承座和連接軸等組成，如圖2所示。作業(yè)時(shí)，隨著拖拉機(jī)前進(jìn)，左、右內(nèi)傾的撥葉圓盤(pán)向前滾動(dòng)，將田面或壟作業(yè)行上的蔗葉切斷并向外撥開(kāi)[8]。

圖1 甘蔗破壟蓋膜機(jī)Fig.1 Sugarcane furrow cover film machine

1.拖拉機(jī)后左、右懸掛梁 2.連接套固定塊 3.7字軸 4.丁字套管 5.連接桿豎管調(diào)節(jié)塊 6.調(diào)節(jié)固定板 7.圓盤(pán)耙片 8.連接軸座 9.軸承座 10.連接軸

2 撥葉圓盤(pán)-蔗葉-土壤系統(tǒng)仿真模型建立

2.1 幾何模型

由于撥葉機(jī)構(gòu)主要的工作部件是撥葉圓盤(pán)，為便于建模，把撥葉機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為撥葉圓盤(pán)。圓盤(pán)的幾何尺寸及與拖拉機(jī)前進(jìn)方向的相對(duì)位置和物理樣機(jī)的一致，直徑為0.5m，刃角為32°，圓盤(pán)偏角20°(圓盤(pán)平面與拖拉機(jī)前進(jìn)方向之間的夾角)。為了能較好地模擬田間的葉片狀態(tài)，建模時(shí)把5片蔗葉層疊一起，蔗葉的幾何尺寸通過(guò)實(shí)測(cè)獲得，蔗葉長(zhǎng)為1m，寬0.05m，葉片厚為0.000 18m。為了便于建模，對(duì)蔗葉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，葉肋建成半圓柱體，直徑為0.004 9m，葉片和葉肋粘合為一體。土壤長(zhǎng)為1m，寬為0.37m，厚度為0.05m。

為減少仿真計(jì)算時(shí)間，把蔗葉和土壤分成5個(gè)區(qū)域，即圓盤(pán)與蔗葉、土壤的作用部分(接觸區(qū))，其寬為0.3m，接觸區(qū)兩側(cè)0.1m為過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)的外側(cè)為剩余區(qū)，建模時(shí)取0.25m。土壤接觸區(qū)為SPH粒子，土壤過(guò)渡區(qū)和剩余區(qū)域均為有限元[9]。建立的系統(tǒng)幾何模型如圖3所示。

圖3 撥葉圓盤(pán)-蔗葉-土壤系統(tǒng)幾何模型Fig.3 Leaf, disc and soil system geometrical model

2.2 材料模型

蔗葉的葉片和葉肋在力學(xué)和物理特性上有顯著差異，且同一品種不同個(gè)體之間也存在差異性，其材料參數(shù)參照文獻(xiàn)[10]的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1所示。仿真材料模型采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC。

表1 收獲期的甘蔗葉材料參數(shù)Table 1 Material parameters of sugarcane leaves during harvest

圓盤(pán)作為剛體(MAT_RIGID)建模，其密度為7 800kg/m3，彈性模量為2.0×1011Pa，泊松比為0.27。土壤仿真材料模型采用MAT_FHWA_SOIL，其材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[11]的測(cè)量方法進(jìn)測(cè)量，結(jié)果如表2所示。

表2 土壤材料參數(shù)Table 2 Soil material parameter

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用六面體掃掠方法，圓盤(pán)的網(wǎng)格大小為0.007m，單元數(shù)量為5 160個(gè)；蔗葉接觸區(qū)網(wǎng)格大小為0.005 7m，過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格大小為0.008m，剩余區(qū)網(wǎng)格大小為0.01m，5片蔗葉的單元數(shù)量為10 890個(gè)；土壤接觸區(qū)網(wǎng)格大小為0.005m，過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格大小為0.007m，剩余區(qū)網(wǎng)格大小為0.01m，有限元土壤單元數(shù)量為68 820個(gè)，SPH土壤數(shù)量為26640個(gè)。

2.4 接觸和施加載荷

在圓盤(pán)上加載前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速，前進(jìn)速度為1.1m/s，轉(zhuǎn)速為0.7r/s。土壤與圓盤(pán)和蔗葉之間定義為自動(dòng)點(diǎn)面接觸，土壤與蔗葉之間靜摩擦因數(shù)取0.6，動(dòng)摩擦因數(shù)取0.5。土壤與圓盤(pán)之間靜摩擦因?yàn)?.32，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.22。圓盤(pán)與蔗葉之間定義為自動(dòng)面對(duì)面接觸，靜摩擦因數(shù)為0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2。蔗葉之間定義為自動(dòng)單面接觸，靜摩擦因數(shù)為0.6，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.5(摩擦因數(shù)通過(guò)試驗(yàn)獲得)。建立的撥葉圓盤(pán)-蔗葉-土壤系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4 撥葉圓盤(pán)-蔗葉-土壤系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of leaf disc, sugarcane leaf and soil system

3 仿真模型的驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證方法

本文采用田間試驗(yàn)的方法對(duì)建模方法合理性和仿真模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證。由于蔗葉的切斷力較小，且土壤性質(zhì)對(duì)切斷力影響大，因此模型驗(yàn)證時(shí)通過(guò)物理試驗(yàn)的圓盤(pán)切斷蔗葉、蔗葉變形和土壤破壞、撥開(kāi)的形狀與仿真試驗(yàn)的比對(duì)及物理試驗(yàn)的土壤的切割深度與仿真試驗(yàn)的比對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證。為了和建模的情況一致，田間試驗(yàn)時(shí)選取5片長(zhǎng)度約1m的甘蔗葉疊在一起，拖拉機(jī)前進(jìn)速度為1.1m/s。田間試驗(yàn)重復(fù)5次。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及地點(diǎn)

試驗(yàn)設(shè)備：甘蔗破壟蓋膜機(jī)、東方紅拖拉機(jī)-550、直尺、秒表、量角器和若干收獲期的蔗葉。試驗(yàn)地點(diǎn)和試驗(yàn)時(shí)間與建模材料參數(shù)測(cè)量的相同。試驗(yàn)地點(diǎn)為廣西南寧市武鳴區(qū)陸斡鎮(zhèn)龍口村，試驗(yàn)時(shí)間為2017年3月1日。

3.3 驗(yàn)證結(jié)果分析

物理試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)的結(jié)果如圖5所示。其中，5(a)是仿真試驗(yàn)的結(jié)果圖，圖5(b)為物理試驗(yàn)的結(jié)果圖。由圖5可知：仿真試驗(yàn)的圓盤(pán)切斷蔗葉、蔗葉變形及土壤破壞與撥開(kāi)形狀與物理試驗(yàn)的結(jié)果較一致，且物理試驗(yàn)平均切割土壤深度為4.5cm與仿真試驗(yàn)的一致。這表明，建模方法合理，建立的仿真模型精度較高，可用于撥葉圓盤(pán)作業(yè)過(guò)程仿真分析和撥葉圓盤(pán)的優(yōu)化仿真試驗(yàn)。

圖5 物理試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證對(duì)比圖Fig.5 Physical test and simulation verification comparison picture

4 圓盤(pán)作業(yè)機(jī)理分析

4.1 圓盤(pán)作業(yè)過(guò)程

圖6是圓盤(pán)作業(yè)過(guò)程的仿真截圖。由圖6(a)、(b)可知：隨著圓盤(pán)一邊旋轉(zhuǎn)一邊向前移動(dòng)，田面上的蔗葉在圓盤(pán)向下壓力和向前推力的作用下，圓盤(pán)下方的蔗葉被逐漸壓向土中和推動(dòng)前移；同時(shí)，由于圓盤(pán)傾角的存在，圓盤(pán)凹面方向的蔗葉被向右推，蔗葉逐漸彎曲變形，拉應(yīng)力逐漸增大，這時(shí)圓盤(pán)、蔗葉下方的土壤被擠壓變形和剪裂，蔗葉間和蔗葉與土壤間的相互作用逐漸加強(qiáng)，摩擦力逐漸增大。由圖6(c)、(d)可知：隨著圓盤(pán)的進(jìn)一步前移，圓盤(pán)對(duì)蔗葉向下和右側(cè)的作用進(jìn)一步加強(qiáng)，蔗葉的彎曲變形增大，拉應(yīng)力增大，蔗葉間和蔗葉與土壤間的作用進(jìn)一步加強(qiáng)，摩擦力進(jìn)一步增大，部分葉片和葉肋被拉斷，且大部分蔗葉被圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)切割而斷裂。由圖6(d)、(e)可知:隨著圓盤(pán)的進(jìn)一步前移，右側(cè)斷裂蔗葉和土壤在圓盤(pán)傾角的作用下，被推向右側(cè)，完成圓盤(pán)作業(yè)過(guò)程。

圖6 圓盤(pán)作業(yè)過(guò)程仿真圖Fig.6 Simulation chart of disk operation process

4.2 葉片的斷裂過(guò)程

圖7為層疊的不同層的蔗葉斷裂過(guò)程仿真截圖。其中，圖7(a)為上層蔗葉的斷裂過(guò)程仿真截圖，圖7(b)為中層蔗葉的斷裂過(guò)程仿真截圖，圖7(c)為下層蔗葉的斷裂過(guò)程仿真截圖。由圖7(a)可知：t在0.018～0.037s之間時(shí)，隨著圓盤(pán)一邊旋轉(zhuǎn)一邊前移，圓盤(pán)對(duì)葉片邊緣向下、向前和向右推壓，上層蔗葉與下層蔗葉間的摩擦力逐漸增大，且蔗葉彎曲變形和拉應(yīng)力逐漸增大；而t在0.044～0.074s之間時(shí)，隨著圓盤(pán)進(jìn)一步前移，上層蔗葉與下層蔗葉間的摩擦力進(jìn)一步增大，圓盤(pán)對(duì)蔗葉的滑動(dòng)切割作用進(jìn)一步增強(qiáng)，且蔗葉彎曲變形和拉應(yīng)力增大，葉片和葉肋被逐漸剪裂。由圖7(b)可知：t在0.024～0.052s之間時(shí)，隨著圓盤(pán)一邊旋轉(zhuǎn)一邊前移，在圓盤(pán)和上層蔗葉的作用下，蔗葉彎曲變形和拉應(yīng)力逐漸增大，葉肋被拉裂；而t在0.065～0.082s之間時(shí)，隨著圓盤(pán)進(jìn)一步前移，葉片彎曲變形和拉應(yīng)力進(jìn)一步增大，且上層蔗葉斷裂后圓盤(pán)對(duì)葉片的滑動(dòng)切割作用增強(qiáng)，剪應(yīng)力增大，葉片逐漸斷裂。由圖7(c)可知：t在0.03～0.056s之間時(shí)，隨著圓盤(pán)一邊旋轉(zhuǎn)一邊前移，在圓盤(pán)和上層蔗葉的作用下，蔗葉彎曲變形和拉應(yīng)力逐漸增大，葉肋被拉裂； 而t在0.078～0.87s之間時(shí)，隨著圓盤(pán)進(jìn)一步前移，葉片彎曲變形和拉應(yīng)力進(jìn)一步增大，葉片被逐漸拉裂。上述分析表明：對(duì)于層疊受圓盤(pán)切割的蔗葉，不同層的蔗葉受圓盤(pán)作用的斷裂過(guò)程有所不同，上層蔗葉主要由于圓盤(pán)的滑切作用而斷裂，中層蔗葉由于彎折和圓盤(pán)的滑切作用而斷裂，下層蔗葉主要由于彎折作用而斷裂。

圖7 不同層的蔗葉斷裂過(guò)程仿真截圖Fig.7 Simulation of the Fracture Process of Sugarcane Leaves at Different Layers

5 結(jié)論

采用SPH和FEM的耦合方法建立的撥葉圓盤(pán)-蔗葉-土壤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型精度較高，可用于撥葉圓盤(pán)的作業(yè)過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析。蔗葉的斷裂是圓盤(pán)對(duì)蔗葉的下壓彎曲、側(cè)向推拉和滑動(dòng)切割的綜合結(jié)果。對(duì)于層疊受圓盤(pán)切割的蔗葉，不同層的蔗葉受圓盤(pán)作用的斷裂過(guò)程有所不同：上層蔗葉主要由于圓盤(pán)的滑切作用而斷裂，中層蔗葉由于彎折和圓盤(pán)的滑切作用而斷裂，下層蔗葉主要由于彎折作用而斷裂。