曹中華，崔晉波，湛小梅，李亞麗，王圓明，余雪源，劉汶樹，宋樹民

(重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329)

0 引言

為避免土壤耕作過程中出現(xiàn)的地力下降問題，進(jìn)行土壤深松是迫切的需要[1]。土壤深松技術(shù)對于耕層植被和土粒的結(jié)構(gòu)基本不會(huì)有影響，有利于降低能耗及成本[2]。深松鏟是實(shí)現(xiàn)深松技術(shù)的核心部件，深松機(jī)在田間作業(yè)的主要能耗來自于深松鏟克服土壤阻力所做的功[3]。目前，深松作業(yè)面臨的主要問題是作業(yè)時(shí)的切削阻力較大，為達(dá)到理想的耕作效果，研究深松鏟耕作過程中的切削阻力問題刻不容緩。

本文以MASCHIO PINOCCHIO系列全方位深松機(jī)的核心部件深松鏟為研究對象，該深松鏟采用鑿型鏟加雙翼鏟結(jié)構(gòu)，最大耕深分別達(dá)到450、550、650mm；深松鏟通過鏟尖入土深松、鏟翼淺松側(cè)翻土壤、破土鏟對土壤進(jìn)行破碎。由于工作過程中，耕深較深，土壤切削阻力較大，能耗較大，所以為了降低能耗，進(jìn)行土壤切削阻力的研究必不可少。然而，目前主要是針對深松鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，建立深松鏟受力數(shù)學(xué)模型，對于研究深松鏟土壤切削過程的研究還比較少，不能準(zhǔn)確描述深松鏟工作過程中的受力狀態(tài)，更不能準(zhǔn)確地建立深松鏟土壤切削系統(tǒng)模型[4-8]。

傳統(tǒng)方法是通過田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論修正來進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)具的優(yōu)化研究，這種方法是直觀、可靠的[9-10]。

然而，田間試驗(yàn)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要收到人、物、時(shí)間、天氣等條件的制約，因此試驗(yàn)周期長，而且試驗(yàn)結(jié)果不能有效反應(yīng)機(jī)具—土壤相互作用的過程，具有一定的局限[11-14]。20世紀(jì)末以來，研究者逐漸將數(shù)值模擬方法引入到農(nóng)機(jī)具與土壤相互作用的研究中，可對農(nóng)機(jī)具和土壤相互作用過程進(jìn)行仿真，直觀反映土壤的運(yùn)動(dòng)軌跡和刀具的受力大小[15-17]。因此，本文基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)方法，對深松鏟土壤切削過程進(jìn)行仿真，分析深松鏟在切削土壤過程中的運(yùn)動(dòng)特征和力學(xué)行為，并基于耕整地移動(dòng)式田間動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行田間試驗(yàn)以驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，揭示深松鏟工作過程中切削阻力的變化規(guī)律，為未來進(jìn)行深松鏟的減阻耐磨特性研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，也為其他耕作部件土壤切削過程的研究提供理論基礎(chǔ)。深松鏟主要有機(jī)械式和振動(dòng)式兩種類型，本文研究機(jī)械式深松鏟。

1 深松鏟切土動(dòng)力學(xué)仿真流程

深松鏟土壤切削動(dòng)力學(xué)仿真流程如圖1所示。

2 深松鏟土壤切削過程仿真研究

本文以MASCHIO深松機(jī)的深松鏟為研究對象，為了使模擬更符合實(shí)際情況，運(yùn)用SPH法對深松鏟土壤切削過程進(jìn)行仿真分析。

2.1 SPH數(shù)值分析方法

SPH是一種基于插值理論的無網(wǎng)格的純拉格朗日方法，實(shí)質(zhì)是將連續(xù)體離散成相互作用的粒子，由各粒子分擔(dān)連續(xù)體的質(zhì)量、速度等物理量，求解時(shí)對各粒子分開求解進(jìn)而獲得整體信息。其計(jì)算不需要依賴網(wǎng)格，因此在解決大變形問題上具有獨(dú)到優(yōu)勢。深松鏟土壤切削過程是一個(gè)大變形過程，為了使仿真過程更接近實(shí)際情況，本文基于SPH法來仿真深松鏟土壤切削過程。

圖1 深松鏟切土動(dòng)力學(xué)仿真流程Fig.1 The flow chart of soil cutting process by subsoiler

2.2 建立仿真模型

2.2.1 土壤SPH模型

本文所選土壤為川渝地區(qū)較為普遍的紫色土壤，參照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究對其進(jìn)行參數(shù)測定[18-21]，測得土壤干密度為ρ=1 760kg/m3，內(nèi)聚力c=5.2e+4Pa，內(nèi)摩擦角φ=0.223rad相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 土壤參數(shù)Table1 Parameters of soil

續(xù)表1

在LS-Prepost中建立SPH土壤模型，土壤大小為700mm×450mm×500mm，各方向粒子層數(shù)為70、45、50，構(gòu)建完成后的土壤SPH模型如圖2所示。

圖2 土壤SPH模型Fig.2 The SPH model of soil

2.2.2 深松鏟有限元模型

深松鏟結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在ANSYS中建模困難，本文運(yùn)用三維掃描儀逆向進(jìn)行深松鏟點(diǎn)云構(gòu)建，然后在CATIA中進(jìn)行三維實(shí)體建模。運(yùn)用Hypermesh軟件進(jìn)行深松鏟網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸為5mm，共452 759個(gè)單元，深松鏟有限元模型如圖3所示。深松鏟的主要參數(shù)如表2所示。

圖3 深松鏟有限元模型Fig.3 Finite element model of subsoiler表2 深松鏟參數(shù)Table 2 Parameters of subsoiler

參數(shù)名稱單位取值深松鏟前進(jìn)速度m/s1深松鏟旋轉(zhuǎn)速度rad/s0

續(xù)表2

2.2.3 土壤—深松鏟有限元模型

在建立土壤—開溝刀具模型時(shí)，為有效避免切削土壤過程中土壤大變形問題造成的網(wǎng)格畸變和負(fù)體積，本文采用SPH法建立土壤模型，在LS-PREPOST中直接生成SPH粒子，建立700mm×450mm×500mm的SPH土壤模型。圖4為土壤—深松鏟的有限元模型。

圖4 土壤—深松鏟有限元模型Fig.4 The finite element model of soil-subsoiler

2.3 深松鏟切削土壤過程仿真與分析

運(yùn)用LS-Prepost軟件查看LS-DYNA971求解結(jié)束后生成的d3plot文件。本文通過LS-Prepost軟件可以直觀地看到深松鏟對土壤進(jìn)行深松的過程，同時(shí)可以看到深松鏟的運(yùn)動(dòng)情況，以及土壤的運(yùn)動(dòng)、破碎和變形情況，深松鏟和土壤的受力情況；而且，可以通過分析深松鏟切削土壤過程中的應(yīng)變和應(yīng)力云圖，了解土壤應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況，可以清晰地看到應(yīng)力集中的位置；通過提取切削力時(shí)程曲線分析深松鏟的切削阻力。

2.3.1 切削過程仿真

從圖4和圖5可以看出深松鏟土壤切削仿真過程的效果。圖4為深松鏟土壤切削有限元模型，也是初始狀態(tài)，深松鏟與土壤不接觸，SPH粒子不產(chǎn)生任何變化。圖5中，t=0.2s時(shí)刻，深松鏟開始切削土壤，鏟尖最先與土壤接觸，土壤發(fā)生破壞，深松鏟繼續(xù)切削土壤運(yùn)動(dòng)，鏟翼也對土壤進(jìn)行切削；t=0.4s時(shí)刻，深松鏟的鏟尖和鏟翼同時(shí)進(jìn)行土壤切削；t=0.6s時(shí)刻，整個(gè)深松鏟完全進(jìn)入土壤，此刻也基本處于切削穩(wěn)定狀態(tài)，深松鏟對土壤擾動(dòng)范圍也最大；t=0.8s時(shí)刻，深松鏟土壤切削過程在設(shè)置時(shí)間內(nèi)結(jié)束，深松鏟鏟尖切出土壤，深松鏟通過對土壤的抬升、扭曲和翻轉(zhuǎn)，土壤被切削部分的通透性加強(qiáng)，底層土壤的緊實(shí)度增加，該部分SPH粒子排列不均勻，與田間作業(yè)情況相吻合。

(a) t=0.2s (b) t=0.4s

(c) t=0.6s (d) t=0.8s圖5 深松鏟切削土壤過程Fig.5 The process of soil cutting by subsoiler

2.3.2 土壤的等效應(yīng)力、應(yīng)變情況分析

圖6和圖7反應(yīng)了深松鏟切削土壤過程土壤的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變效果。

圖6中，t=0.2s時(shí)刻深松鏟鏟尖進(jìn)入土壤對土壤進(jìn)行深松，此刻土壤受到最大等效應(yīng)力為1.361MPa；t=0.4s時(shí)刻深松鏟鏟尖和鏟翼同時(shí)對土壤進(jìn)行深松和淺松，此刻最大等效應(yīng)力為1.469MPa；t=0.6s時(shí)刻整個(gè)深松鏟都進(jìn)入土壤，對土壤進(jìn)行深松、淺松和破土，此刻最大等效應(yīng)力為3.184MPa；t=0.8s時(shí)刻深松鏟鏟尖切除土壤，切削過程結(jié)束，此刻土壤最大等效應(yīng)力為3.025MPa。

通過圖7得出：土壤所受的最大等效應(yīng)變和最大等效應(yīng)力分布基本一致，都分布在鏟尖、鏟翼和破土鏟與土壤接觸位置。深松鏟土壤切削整個(gè)過程，SPH土壤粒子的擾動(dòng)也在不斷變化，剛開始接觸時(shí)土壤粒子擾動(dòng)較小。隨著深松鏟的鏟尖、鏟翼和破土鏟逐漸進(jìn)入土壤， SPH土壤粒子的擾動(dòng)加大， 且內(nèi)側(cè)擾動(dòng)明顯大于外側(cè)，說明深松鏟內(nèi)側(cè)SPH土壤的應(yīng)力、應(yīng)變大于外側(cè)。

(a) t=0.2s

(b) t=0.4s

(c) t=0.6s

(d) t=0.8s圖6 土壤等效應(yīng)力分布圖Fig.6 Equivalent stress distribution map of soil

(a) t=0.2s

(b)t=0.4s

(c)t=0.6s

(d)t=0.8s圖7 土壤等效應(yīng)變分布圖Fig.7 Equivalent strain distribution map of soil

2.3.3 深松鏟切削阻力分析

深松鏟土壤切削過程中深松鏟受到土壤的反作用力即為切削阻力。深松鏟的切削阻力可以通過在LS-Prepost 中載入rcforc文件進(jìn)行查看。圖8(a)為x、y、z3個(gè)方向的切削阻力；圖8(b)為切削阻力合力Resultant Force的時(shí)程曲線。

(a) x、y、z方向切削阻力曲線

(b) 深松鏟切削阻力合力曲線圖8 深松鏟切削阻力時(shí)程曲線Fig.8 Curve of tillage resistance of subsoiler

由圖8(a)可以得出：深松鏟切削阻力由x、y、z3個(gè)方向的阻力合成，值為負(fù)說明所受力為阻力。A曲線的走勢說明了在深松鏟運(yùn)動(dòng)方向受到最大的切削阻力；B曲線的走勢說明了在深松鏟切削運(yùn)動(dòng)過程中，在豎直方向也會(huì)受到較大的切削阻力；C曲線的走勢說明在深松鏟切削土壤運(yùn)動(dòng)過程中在兩側(cè)會(huì)受到土壤的擠壓，產(chǎn)生較小的土壤擠壓力，該方向的力對切削阻力的影響不大。

由圖8(b)可知：初始時(shí)刻，深松鏟土壤未進(jìn)行接觸，切削阻力數(shù)值為0；緊接著，深松鏟鏟尖首先切入土壤，切削阻力增大，隨著深松鏟鏟翼和破土鏟逐漸切入，切削阻力逐漸增大；0.6s時(shí)刻，深松鏟全部切入土壤，切削阻力達(dá)到最大值；0.8s時(shí)刻深松鏟離開土壤，切削阻力逐漸降低。結(jié)合圖6和圖7土壤等效應(yīng)力和等效應(yīng)變變化情況，證明切削阻力和土壤等效應(yīng)力和等效應(yīng)變存在關(guān)聯(lián)性。

0.5s時(shí)刻深松鏟完全進(jìn)入土壤，0.8s時(shí)刻深松鏟開始切出土壤，提取圖8中0.5～0.8s切削阻力數(shù)據(jù)，在Excel中進(jìn)行計(jì)算，得出平均切削阻力為3.65kN。

3 田間試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所農(nóng)機(jī)中試基地進(jìn)行，以履帶式拖拉機(jī)作為牽引動(dòng)力。試驗(yàn)過程中，拖拉機(jī)前進(jìn)速度為3.6km/h，耕深標(biāo)定為450mm。深松鏟切削阻力測試系統(tǒng)采用耕整地移動(dòng)式田間動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)。耕作土壤為川渝地區(qū)較為普遍的紫色土壤，其物理特性參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)區(qū)土壤物理特性參數(shù)Table 3 Soil physical parameters in the test area

該試驗(yàn)臺(tái)由輕型履帶式拖拉機(jī)、田間作業(yè)機(jī)具測試系統(tǒng)及相應(yīng)測試傳感器組成，主要適用于南方丘陵山區(qū)較平坦、開闊地塊，可用于旋耕機(jī)、深松機(jī)等農(nóng)機(jī)具在不同土壤工況(不同堅(jiān)實(shí)度、不同含水率)下的田間作業(yè)性能試驗(yàn)，可直接測試深松鏟工作過程中x、y、z3個(gè)方向的切削阻力。該系統(tǒng)由服務(wù)器端平臺(tái)和遠(yuǎn)端平臺(tái)兩大部分組成。其中，遠(yuǎn)端平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理、試驗(yàn)參數(shù)配置、試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)于上傳及采集模塊故障檢測等多種功能。服務(wù)器端平臺(tái)由計(jì)算機(jī)及相應(yīng)測試應(yīng)用軟件組成，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看遠(yuǎn)端平臺(tái)測試試驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)、試驗(yàn)結(jié)束后的數(shù)據(jù)文件遠(yuǎn)程存儲(chǔ)等功能。

試驗(yàn)之前應(yīng)進(jìn)行傳感器檢查、參數(shù)設(shè)置、速度標(biāo)定、耕深標(biāo)定和模塊檢測等事項(xiàng)。田間試驗(yàn)過程如圖9所示。

圖9 田間試驗(yàn)過程Fig.9 Field test process

其他試驗(yàn)儀器包括TJSD-750堅(jiān)實(shí)度儀、TZS-I水分儀、環(huán)刀。

該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集并處理農(nóng)機(jī)具在田間作業(yè)時(shí)的工作性能參數(shù)和拖拉機(jī)常規(guī)性能參數(shù)，可用于研究分析農(nóng)機(jī)具在不同作業(yè)工況下的作業(yè)性能情況及其與拖拉機(jī)能耗之間的關(guān)系，為農(nóng)機(jī)具的研發(fā)、改進(jìn)提供可靠的科研數(shù)據(jù)支撐。

3.2試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析

本文通過耕整地移動(dòng)式田間動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行深松鏟切削土壤田間試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中深松鏟耕作深度為450mm，土壤堅(jiān)實(shí)度為1 021kPa，土壤含水率為21%，土壤容積密度為1 760kg/m3。同時(shí)，運(yùn)用遠(yuǎn)端田間作業(yè)機(jī)具測試系統(tǒng)采集耕作過程中深松鏟切削阻力數(shù)據(jù)，提取20組數(shù)據(jù)(見表4)，求取切削阻力平均值為3.542kN，與仿真結(jié)果相比誤差為2.9%，驗(yàn)證了基于SPH法進(jìn)行深松鏟切削土壤過程的仿真是可行的。

表4 深松鏟切削土壤試驗(yàn)前進(jìn)速度-切削阻力表Table 4 Forward speed - cutting resistanceTable of soil cutting process by subsoiler

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

1)基于SPH算法研究了深松鏟土壤切削過程仿真，建立了深松鏟-土壤有限元模型，直觀展示了深松鏟土壤切削過程，與實(shí)際情況基本吻合。

2)深松鏟土壤切削仿真表明：不同時(shí)刻、不同方向等效應(yīng)力變化規(guī)律不同。切削過程中，最大等效應(yīng)力為3.184MPa，土壤所受的最大等效應(yīng)變和最大等效應(yīng)力分布基本一致，都分布在鏟尖、鏟翼和破土鏟與土壤接觸位置。

3)在耕深為450mm、深松鏟前進(jìn)速度為3.6km/h、土壤堅(jiān)實(shí)度為1 021kPa、土壤含水率為21%情況下，進(jìn)行深松鏟土壤切削仿真，在深松鏟完全進(jìn)入土壤時(shí)求解土壤切削阻力平均值為3.65kN。

4)基于耕整地移動(dòng)式田間動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行田間試驗(yàn)，測試深松鏟切削阻力值。在耕作穩(wěn)定后提取20組數(shù)據(jù)進(jìn)行切削阻力平均值求解為3.542kN，與仿真結(jié)果對比誤差為3.05%，驗(yàn)證了基于SPH法進(jìn)行深松鏟切削土壤過程的仿真是可行的。

4.2 展望

1)通過對深松鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的研究，結(jié)合數(shù)值模擬方法和田間試驗(yàn)，進(jìn)行深松鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到進(jìn)一步減阻降耗的目的。

2)基于流固耦合理論，采用數(shù)值模擬方法的耦合來進(jìn)行深松鏟切削土壤過程的仿真分析。