張智泓，趙亮亮，賴慶輝，佟 金

基于DEM-MBD耦合的鏟板式滾動(dòng)觸土部件作業(yè)機(jī)理分析與試驗(yàn)

張智泓1，趙亮亮1，賴慶輝1※，佟 金2,3

（1. 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500；2. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022；3. 吉林大學(xué)仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

為探索土壤微形貌加工過程中從動(dòng)型鏟板式觸土部件與土壤的互作機(jī)理，該研究基于離散元法（Discrete Element Method, DEM）與多體動(dòng)力學(xué)（Multi-Body Dynamics, MBD）耦合算法建立鏟板式滾動(dòng)觸土部件與土壤互作的離散元模型。通過EDEM-RecurDyn聯(lián)合仿真探索滾動(dòng)部件作業(yè)機(jī)理，以機(jī)具作業(yè)速度（0.6、1.0和1.4 m/s）為影響因素，求解機(jī)具作業(yè)所需水平牽引力與土壤微坑容積，并通過開展臺架試驗(yàn)評價(jià)仿真模型準(zhǔn)確性。耦合仿真結(jié)果表明：隨機(jī)具作業(yè)速度的上升，向水平牽引力和向垂直力不斷變大；機(jī)具在不同速度作業(yè)下的土壤表面形成的微坑容積分別為3 310.91、3 325.96和3 384.47 mL；根據(jù)土壤壓縮力、顆粒流向及動(dòng)能變化，闡釋了鏟板式滾動(dòng)觸土部件作業(yè)過程中土壤微形貌的形成機(jī)理。將臺架試驗(yàn)與仿真求解結(jié)果進(jìn)行對比，方向水平牽引力相對誤差分別為5.02%、4.59%、4.11%，土壤表面微坑容積誤差分別為6.23%、7.09%、5.64%，各作業(yè)速度下仿真模型具有較好的準(zhǔn)確性。該研究所構(gòu)建的DEM-MBD耦合模型可為探明鏟板式滾動(dòng)觸土部件與土壤互作機(jī)理、機(jī)具幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化、以及作業(yè)參數(shù)選擇提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

土壤；離散元；多體動(dòng)力學(xué)；土壤微形貌；互作機(jī)理

0 引 言

水土流失和土壤侵蝕導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力下降和環(huán)境退化，是困擾全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的環(huán)境問題之一[1]。坡耕地屬于水土流失最為嚴(yán)重的地類，以云南為例，全省地貌以山地為主，坡耕地占全省耕地比例為69.79%，是國內(nèi)水土流失最為嚴(yán)重的省份之一。連年的水土流失和土壤侵蝕導(dǎo)致耕地日益貧瘠[2]，制約了糧食生產(chǎn)，防治水土流失和土壤侵蝕是全球農(nóng)業(yè)發(fā)展需要攻克的問題。

土壤表面微形貌加工在農(nóng)耕增收上成效顯著，Bryant等[3]在美國中南部地區(qū)，通過土壤微形貌加工觸土部件進(jìn)行整地，使得大豆增產(chǎn)28%。Zhao等[4-5]證明了人工掏挖方式具有防治水土流失的功能，Li等[6-10]證明了土壤表面微形貌加工部件對于水土保護(hù)上的成效。目前土壤表面微形貌加工觸土部件有槳葉式[11]、鎮(zhèn)壓式[12]、鏟板式滾動(dòng)觸土部件[13]。其中鏟板式滾動(dòng)觸土部件以其模仿人工掏挖加工土壤微形貌的過程，避免了機(jī)具壓實(shí)土壤、加工土壤微形貌容積大、增強(qiáng)攔蓄水能力、適用范圍廣，得到廣泛使用。

目前對土壤微形貌加工觸土部件多以有限元角度進(jìn)行分析，例如，佟金等[14-15]借助Abaqus軟件分析了鎮(zhèn)壓式滾動(dòng)觸土部件牽引力變化過程。雖然模擬了從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)特征，但有限元分析將土壤模擬為一個(gè)整體，不能有效分析土壤顆粒之間的碰撞運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及作業(yè)加工特征[16]。相比于有限元，離散元可解決不連續(xù)介質(zhì)問題，可模擬出土壤壓縮、分離和滑動(dòng)的土壤運(yùn)動(dòng)特性。Wang等[17]采用離散元方式測試了圓盤開溝器的牽引性能，模擬出輪-壤接觸特性和土壤擾動(dòng)變化。賈洪雷等[18]對清茬機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，將輪-壤接觸后轉(zhuǎn)動(dòng)認(rèn)為是一個(gè)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過程。袁軍等[19-22]通過離散元法（Discrete Element Method, DEM）和多體動(dòng)力學(xué)（Multi-Body Dynamics, MBD）軟件平臺聯(lián)合仿真模擬自激振動(dòng)深松機(jī)作業(yè)過程，為自激振動(dòng)深松機(jī)牽引阻力測量構(gòu)建預(yù)測模型。對于從動(dòng)輪與土壤接觸模型的構(gòu)建，DEM存在局限性，單一DEM模型無法反映滾動(dòng)觸土部件的從動(dòng)作業(yè)屬性。鏟板式滾動(dòng)觸土部件作為一種特殊的整地機(jī)械，多以田間試驗(yàn)對從動(dòng)輪進(jìn)行研究[23-24]，鏟板式滾動(dòng)觸土部件與土壤的互作機(jī)理尚不明確。

因此本文針對上述問題，構(gòu)建土壤微形貌加工作業(yè)中鏟板式滾動(dòng)觸土部件DEM-MBD耦合模型，結(jié)合動(dòng)輪在土壤中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性，解決DEM方法在從動(dòng)輪多體構(gòu)建模型上的不足，以期為從動(dòng)滾輪觸土部件提供一種驗(yàn)證方案模型，為鏟板式滾動(dòng)觸土部件牽引阻力分析、土壤微形貌容積變化及土壤擾動(dòng)情況提供方法參考，為該類型機(jī)具的優(yōu)化提供理論支撐。

1 鏟板式滾動(dòng)觸土部件作業(yè)原理

鏟板式滾動(dòng)觸土部件大田作業(yè)時(shí)，通過外部拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛調(diào)節(jié)機(jī)具作業(yè)高度至水平位置。滾動(dòng)觸土部件借助土壤阻力實(shí)現(xiàn)從動(dòng)翻轉(zhuǎn)過程，借助拖拉機(jī)動(dòng)力前進(jìn)，2個(gè)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)土壤微形貌加工。

如圖1所示，鏟板式滾動(dòng)觸土部件以平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程[25]，機(jī)具在運(yùn)動(dòng)過程中某點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線。以鏟板鏟尖任一點(diǎn)為例，點(diǎn)運(yùn)行一周得到其運(yùn)行軌跡，滾動(dòng)角從0到2π。鏟板對土壤具有沖擊、貫入、鏟挖的作用，一方面通過增加土壤孔隙空間來改善土壤蓄水能力，從而增加作物對于降水資源的轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到保土保濕的目的。另一方面借助加工出的土壤微形貌增加作業(yè)區(qū)域內(nèi)的地表粗糙度，減少土壤侵蝕和地表徑流現(xiàn)象，延緩水分滲入時(shí)間，從而起到防治水土流失的目的。

注：x為機(jī)具前進(jìn)方向；z為豎直方向；P為鏟尖上任一點(diǎn)；t為P的滾動(dòng)角，(°)；O￠為滾動(dòng)部件圓心；r為鏟尖到圓心O￠的距離，mm。

2 DEM-MBD耦合模型

2.1 土壤接觸模型選擇

Hertz-Mindlin with Bonding 顆粒接觸模型[26]可以模擬土壤的不連續(xù)性與團(tuán)聚問題，在農(nóng)機(jī)具與土壤非線性作用問題上，以土壤顆粒間的粘結(jié)鍵模擬土壤的板結(jié)效應(yīng)，粘結(jié)鍵在受到鏟板式滾動(dòng)觸土部件沖擊后發(fā)生斷裂，無法再次生成，符合土壤微形貌加工觸土部件作業(yè)后土壤變得松散的力學(xué)行為。

Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts（JKR）接觸模型是一種凝聚力接觸模型[27]，適用于模擬濕黏性顆粒和團(tuán)聚性土壤，符合鏟板式滾動(dòng)觸土部件作業(yè)過程受土壤濕粘特性的影響。

本文模型選擇上，在土壤-土壤間添加Bonding和JKR模型用于模擬西南地區(qū)土壤板結(jié)與土壤粘附特性，在土壤-機(jī)具間添加JKR模型，用于模擬土壤與機(jī)具間的粘附關(guān)系。

2.2 土槽模型建立

基于EDEM2020仿真軟件建立土槽，土槽生成過程分為2個(gè)部分，第1部分為土壤模型建立過程，第2部分為大土槽快速填充過程[28]。首先，設(shè)置顆粒半徑為2.5 mm[29]，建立一個(gè)100 mm× 100 mm× 100 mm只保留上下面的土槽。再建立一個(gè)實(shí)體底板，在Environment中設(shè)置和方向上的邊界條件，通過自然沉積讓土壤顆粒自由下落，生成顆粒為1×104個(gè)。在前處理Bulk Material下選擇Save Material Block將所設(shè)的土壤類型參數(shù)導(dǎo)入EDEM土壤數(shù)據(jù)庫中。在Bulk Materia選擇transfer material導(dǎo)出土壤數(shù)據(jù)庫中的土壤模型，建立2 000 mm × 400 mm × 400 mm的土槽，通過Add Block Factory選項(xiàng)創(chuàng)建顆粒工廠模型。仿真運(yùn)行時(shí)間設(shè)為1s，每隔0.01 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，通過自然沉積快速得到大土槽，土槽顆粒大小及參數(shù)均與上述小土槽顆粒一致?；氐角疤幚斫缑嬖赑hysics中設(shè)置Hertz-Mindlin with Bonding模型和Hertz-Mindlin with JKR模型參數(shù)，時(shí)長設(shè)為1.5 s，繼續(xù)運(yùn)行得到最終的大土槽，其中土壤模型參數(shù)如表1所示[30]。

2.3 EDEM-RecurDyn從動(dòng)模型構(gòu)建

SolidWorks 2018中建立鏟板式滾動(dòng)觸土部件特征1∶1模型，如圖2所示，模型基本參數(shù)如表2所示。

圖2 鏟板式滾動(dòng)觸土部件的模型

表2 鏟板式滾動(dòng)觸土部件模型基本參數(shù) Table 2 Basic parameters of shovel-type rolling soil-engaging components

為使鏟板式滾動(dòng)觸土部件符合田間作業(yè)特征，采用EDEM-RecurDyn聯(lián)合仿真方法進(jìn)行模擬。將SolidWorks 2018簡化后的模型保存為step格式，導(dǎo)入RecurDyn中，對其進(jìn)行材料條件的設(shè)定和空間位置調(diào)節(jié)[31]，材料屬性設(shè)為“steel”，將空間位置設(shè)置好的鏟板式滾動(dòng)觸土部件模型保存為wall文件導(dǎo)入到EDEM中觀察其空間位置，在EDEM中，最下部鏟尖與土槽上表面距離0 mm，鏟板橫向距離土槽5mm。在RecurDyn數(shù)據(jù)庫窗口中選擇Joints，在鏟板式滾動(dòng)觸土部件和軸用（Body，Body，Point，Direction）選擇接觸點(diǎn)添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，再對軸與鏟板式滾動(dòng)觸土部件之間添加滾動(dòng)接觸[32]，使其在土壤作用下產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。在上述空間位置沿向向下調(diào)節(jié)280 mm，再對鏟板式滾動(dòng)觸土部件和軸用（Body，Body，Point，Direction）添加移動(dòng)副。添加驅(qū)動(dòng)時(shí)選擇“Velocity（time）”，并依照機(jī)具實(shí)際田間作業(yè)參數(shù)[12]，選取作業(yè)速度為0.6、1.0和1.4 m/s進(jìn)行仿真試驗(yàn)。在RecurDyn軟件中打開與EDEM耦合接口，對鏟板式滾動(dòng)觸土部件以wall文件導(dǎo)出，將wall文件導(dǎo)入到EDEM中，選用65Mn鋼對wall文件進(jìn)行材料屬性和接觸參數(shù)的添加，具體數(shù)值如表3所示。

進(jìn)入EDEM運(yùn)行界面，以機(jī)具運(yùn)行速度1.4 m/s模型為例，將時(shí)間步長設(shè)為0.01 s，總時(shí)長設(shè)為2 s，打開聯(lián)合仿真通道，在RecurDyn中設(shè)置運(yùn)動(dòng)時(shí)間為2 s，步長為200個(gè)時(shí)間間隔，設(shè)置完成后在RecurDyn中開始求解。

表3 土壤-材料參數(shù) Table 3 Soil-material parameters

2.4 仿真結(jié)果與分析

2.4.1 EDEM-RecurDyn鏟板式滾動(dòng)觸土部件受力分析

鏟板式滾動(dòng)觸土部件在作業(yè)過程中主要受到的前進(jìn)阻力分為3個(gè)部分：水平阻力、推土阻力以及土壤粘附阻力。農(nóng)機(jī)具水平阻力來源主要是行走機(jī)構(gòu)對土壤的壓實(shí)作用。水平受力分析如圖3a所示，機(jī)具水平阻力的計(jì)算公式如式[33]（1）～（6）。由于鏟板在翻轉(zhuǎn)平移過程中將前方土壤推擠在鏟板前方，造成“壅土”現(xiàn)象[15]，土壤堆積越多，造成機(jī)具所需牽引力越大，增加行進(jìn)阻力，此行進(jìn)阻力作用于鏟板上，有助于鏟板翻轉(zhuǎn)。圖3b為隆土阻力分析，計(jì)算關(guān)系如式（7）～（11）所示。

式中為鏟板式滾動(dòng)觸土部件作業(yè)過程垂直擠壓土壤所作的功，J；為鏟板式滾動(dòng)觸土部件滾動(dòng)距離，mm；為鏟板輪轍的實(shí)際長度，mm；為鏟板式滾動(dòng)觸土部件鏟板長度，mm；為鏟板壓實(shí)的寬度，mm；為當(dāng)量圓半徑，mm；0為鏟板入土角，()；為鏟板數(shù)量；為滑轉(zhuǎn)率；為沉陷系數(shù)；為沉陷指數(shù)；為鏟板寬度，mm；N、N為紅黏土承載能力的相關(guān)系數(shù)；為紅黏土內(nèi)摩擦角，()；為紅黏土土壤內(nèi)聚力，kPa；為紅黏土土壤密度，kg/m3。

農(nóng)機(jī)具在與土壤接觸時(shí)，由于土壤本身的水分導(dǎo)致土壤顆粒間具備粘附特性，使得機(jī)具在前進(jìn)過程中阻力變大。F為土壤粘附阻力，該力為土壤粘附在鏟板式滾動(dòng)觸土部件上形成的粘著阻力，目前尚未有合適的數(shù)學(xué)模型表達(dá)其復(fù)雜的影響因素。結(jié)合以上分析得到機(jī)具總受力計(jì)算公式如式（12）。

鏟板式滾動(dòng)觸土部件在EDEM-RecurDyn聯(lián)合仿真過程中的運(yùn)動(dòng)結(jié)果如圖4所示，機(jī)具進(jìn)入土槽后，對土槽中土壤顆粒進(jìn)行擠壓、貫入、剪切，通過土壤阻力作用于鏟板，在重力和慣性作用下實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。作業(yè)過程中土壤顆粒間的Bonding鍵被打破，同時(shí)土壤顆粒間的JKR粘附鍵被重組，鏟板擠壓土壤，使得土槽上出現(xiàn)隆起，出現(xiàn)“壅土”現(xiàn)象。圖5為該機(jī)具模型在土壤中的受力分析，如圖5a所示，機(jī)具在與土壤接觸初始瞬間，沿水平向受到較大沖擊，初始牽引力較大，隨后機(jī)具進(jìn)入穩(wěn)定作業(yè)階段，受力呈現(xiàn)連續(xù)周期性波動(dòng)的變化趨勢，機(jī)具所需牽引力隨作業(yè)速度增加而增加。在穩(wěn)定作業(yè)階段，如圖5b所示，機(jī)具向受力隨鏟板反復(fù)觸土，同樣呈周期性變化。圖5c為機(jī)具在向受力，機(jī)具方向正負(fù)向受到的土壤沖擊力較小且近似相等，致使機(jī)具在方向受到的土壤作用合力趨近于零。圖5d為機(jī)具總體受力情況，作業(yè)速度越小機(jī)具受力波峰越靠后。造成該現(xiàn)象的原因是速度小使得機(jī)具受到的土壤作用力小，鏟板翻轉(zhuǎn)行為相對滯后。

注：Fa為水平阻力，N；R0為鏟尖到輪芯的距離，mm；C為一個(gè)土壤微形貌的距離，mm；P0為土壤應(yīng)力，Pa；Z0為壅土高度，mm；σ為壓應(yīng)力，Pa；Fb為隆土阻力，N；v為前進(jìn)速度，m×s-1；E為鏟挖距離，mm；Z為運(yùn)行最大深度，mm；θ為鏟板轉(zhuǎn)角，(°)；S為輪芯到壅土的距離，mm；D為鏟板滾動(dòng)觸土部件的直徑，mm；W為下陷量，mm。

圖4 土壤微形貌加工過程聯(lián)合仿真運(yùn)動(dòng)結(jié)果

2.4.2 土壤微坑容積變化

由于土壤微形貌關(guān)乎蓄水容積，是衡量鏟板式滾動(dòng)觸土部件作業(yè)效果的一個(gè)重要指標(biāo)。對DEM-MBD仿真結(jié)束后土槽的微坑位置進(jìn)行測量，通過EDEM后處理中的Grid Bin Group添加一個(gè)280 mm′200 mm′300 mm監(jiān)測框完全將微形貌變化框住[34]，用于監(jiān)測該區(qū)域的土壤顆粒體積變化情況，對所選區(qū)域內(nèi)土壤顆粒變化進(jìn)行評估。評估標(biāo)準(zhǔn)為機(jī)具作業(yè)過程經(jīng)過該區(qū)域，造成區(qū)域內(nèi)土壤顆粒移動(dòng)、擠壓和粘附在機(jī)具上，導(dǎo)致該區(qū)域土壤產(chǎn)生微坑。機(jī)具作業(yè)所造成的“壅土”，超出監(jiān)測區(qū)域，不記錄在該區(qū)域內(nèi)，當(dāng)區(qū)域容積發(fā)生變化時(shí)，通過對比容積變化前與容積變化后數(shù)值作差得到該區(qū)域變化容積。機(jī)具在未經(jīng)過該區(qū)域時(shí)，該區(qū)域初始容積為7 643.23 mL，機(jī)具經(jīng)過該區(qū)域時(shí)其土壤容積變化如表4所示。

圖5 鏟板式滾動(dòng)觸土部件的DEM-MBD仿真受力解析

表4 土壤微形貌模型容積變化量 Table 4 Volume change of soil micromorphology model

隨作業(yè)速度增加，機(jī)具對土壤的沖擊、貫入和鏟挖的作用力均增大，使微坑容積變化量增加。通過在鏟板式滾動(dòng)觸土部件經(jīng)過區(qū)域增加容積變化監(jiān)測區(qū)域，與上述機(jī)具受力分析相對應(yīng)，隨作業(yè)速度的上升，機(jī)具受到土壤的沖擊作用越大。故機(jī)具速度增加，導(dǎo)致土壤變化容積增加。上述結(jié)果表明提高作業(yè)速度有利于提升土壤表面微形貌加工作業(yè)質(zhì)量。

2.4.3 土壤顆粒擾動(dòng)情況分析

通過EDEM后處理對作業(yè)過程中土壤顆粒所受壓縮力變化情況進(jìn)行分析，深度在280 mm，作業(yè)速度為0.6、1.0和1.4 m/s條件下，對機(jī)具位移在0、600、1 200和1 800 mm處的土壤顆粒壓縮力進(jìn)行對比，為了便于觀察對土槽模型進(jìn)行方向切面處理[34]，如圖6所示。3個(gè)作業(yè)速度下鏟板式滾動(dòng)觸土部件在相同位移條件下的運(yùn)動(dòng)過程類似，均為鏟板交替插入土壤，土壤壓縮力較大區(qū)域均在與土壤接觸的鏟板端。在1.4 m/s條件下，土壤壓縮力紅色區(qū)域廣，說明土壤受到更多的擠壓作用，從2.4.2節(jié)體積變化的角度上可以得到證明，作業(yè)速度越大土壤所受壓縮力越大，同時(shí)土壤體積變化也越大。由于作用力是相互的，1.4 m/s下鏟板式滾動(dòng)觸土部件受到的阻力也最大，這與2.4.1節(jié)鏟板式滾動(dòng)觸土部件受力分析的結(jié)果一致。

在作業(yè)過程中，鏟板式滾動(dòng)觸土部件會(huì)對土壤產(chǎn)生沖擊、貫入和鏟挖作用，影響土壤走向和形貌，因此本節(jié)借助EDEM后處理對仿真土壤顆粒進(jìn)行動(dòng)能和位移分析，來解釋機(jī)具作業(yè)不同階段下的土壤變形機(jī)理。為了便于觀察土壤顆粒流動(dòng)指向，將土壤顆粒形狀表示為箭頭形狀，箭頭方向表示顆粒運(yùn)動(dòng)方向，箭頭長度代表顆粒位移長度[35]。以速度為1.4 m/s條件下機(jī)具作業(yè)特征作為示例，為了便于觀察，依據(jù)模型求解結(jié)果中動(dòng)能的最大值和最小值，將土壤顆粒動(dòng)能變化范圍設(shè)為5×10-8～5×10-6J，如圖7所示。

圖6 不同速度和機(jī)具位移處的土壤壓縮力

圖7 不同作業(yè)階段的土壤顆粒運(yùn)動(dòng)趨勢和動(dòng)能分布

在沖擊階段（圖7a）：左側(cè)鏟板中間部分?jǐn)D壓下側(cè)土壤，受到擠壓的土壤顆粒沿著鏟板向左下側(cè)移動(dòng)，此處土壤顆粒獲得的動(dòng)能小，位移大。左側(cè)鏟板上部與土壤顆粒接觸區(qū)域，土壤顆粒在擠壓作用下，有向右上方運(yùn)動(dòng)的趨勢，顆粒獲得的動(dòng)能小，但顆粒擾動(dòng)較為明顯，位移量較大。右側(cè)鏟尖沖擊土壤顆粒床，破碎了該區(qū)域土壤顆粒間的Bonding鍵，此處顆粒在鏟尖的沖擊下獲得的動(dòng)能大，但顆粒在突然受到?jīng)_擊，由于慣性原因任保持原有靜止?fàn)顟B(tài)，使該區(qū)域顆粒集中，顆粒位移量小。

貫入階段（圖7b）為前一個(gè)鏟板完全貫入土壤，另一個(gè)鏟板初步貫入土壤。左側(cè)鏟板鏟尖處土壤顆粒隨著鏟板向上翻轉(zhuǎn)沿鏟尖向上運(yùn)動(dòng)，距離鏟尖較近的土壤顆粒獲得的動(dòng)能大，受擠壓的土壤顆粒位移量小，而距離鏟尖遠(yuǎn)的顆粒獲得的動(dòng)能小，相較于鏟尖處土壤顆粒，此處土壤顆粒獲得的位移量大。左側(cè)鏟板中部區(qū)域擠壓下側(cè)土壤顆粒，受到擠壓的顆粒向右上方運(yùn)動(dòng)，增加了土壤顆粒間空隙，該區(qū)域土壤顆粒動(dòng)能大，位移量小。左側(cè)鏟板上方輪緣處土壤顆粒受到鏟板和輪緣的擠壓，輪緣左側(cè)顆粒沿鏟板向右上方運(yùn)動(dòng)，輪緣右側(cè)顆粒隨機(jī)具向右運(yùn)動(dòng)，土壤顆粒獲得的動(dòng)能大而位移量小。右側(cè)鏟板初步貫入土壤，鏟板隨運(yùn)動(dòng)繼續(xù)向下貫入土壤，鏟板中間部位下方的土壤顆粒受到擠壓小，并沿鏟板運(yùn)動(dòng)方向向右下方運(yùn)動(dòng)，土壤顆粒獲得的動(dòng)能小，位移大。右側(cè)鏟尖處土壤顆粒擾動(dòng)較沖擊階段區(qū)域少，鏟尖切削此處土壤顆粒，使該區(qū)域顆粒沿鏟板上下分離形成兩個(gè)區(qū)域，鏟尖處顆粒呈現(xiàn)向下運(yùn)動(dòng)的趨勢，土壤顆粒動(dòng)能變化集中，位移量小。

鏟挖階段（圖7c）左側(cè)鏟板向上翻起鏟挖土壤，中部鏟板完全貫入土壤，右側(cè)鏟板沖擊土槽。左側(cè)鏟板鏟尖處土壤顆粒被鏟挖出土壤，隨鏟挖動(dòng)作的延續(xù)土壤顆粒隨鏟尖向右上方翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，土壤顆粒位移量小，使該區(qū)域形成完整的土壤微形貌；中間鏟尖處土壤顆粒受到擠壓，顆粒向四周運(yùn)動(dòng)，主要向左上方進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，土壤顆粒位移量小；同時(shí)此鏟板中下部區(qū)域?qū)ο路酵寥肋M(jìn)行擠壓，在鏟板翻轉(zhuǎn)作用下使顆粒向左下方回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此處上部土壤顆粒獲得的動(dòng)能大，位移小，下部的土壤顆粒獲得的動(dòng)能小，且位移較大；此鏟板上部區(qū)域隨機(jī)具前移，擠壓前方土壤，使前方土壤與鏟板后部土壤分隔開，前方土壤顆粒受到擠壓獲得的動(dòng)能大，隨機(jī)具向右移動(dòng)位移小；右側(cè)鏟板沖擊土壤，受到?jīng)_擊的土壤顆粒向四周擴(kuò)散，主要以鏟尖指向方向和向左下方為主，土壤顆粒位移小。

沖擊階段機(jī)具破碎土壤，對土壤顆粒擾動(dòng)較為集中，分別集中在與土壤接觸的鏟板與鏟尖處。貫入階段在作業(yè)過程中起到切削土壤的作用，打破土壤間的連接鍵和粘附作用，使鏟板貫入土壤，分隔區(qū)域初步形成微形貌。鏟挖階段是作業(yè)過程的主要階段，也是加工出土壤微形貌的重要過程。隨著機(jī)具的前進(jìn)，第一個(gè)鏟板翻起，第二個(gè)鏟板完全貫入土壤，第三個(gè)鏟板初步貫入土壤，使得土槽內(nèi)的土壤顆粒受到擠壓和剪切，第一個(gè)鏟板翻起過程中鏟出土槽中的土壤顆粒，同時(shí)擠壓下方土壤使土壤間孔隙增大，完成土壤微形貌的加工。3個(gè)階段在機(jī)具前進(jìn)過程中連續(xù)對土壤顆粒進(jìn)行切削、貫入和擠壓，最終實(shí)現(xiàn)土壤表面微形貌加工。

3 臺架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)臺架

在昆明理工大學(xué)土壤-植物-機(jī)械系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)土壤選用紅黏土，由于紅黏土易板結(jié)且含水量大，試驗(yàn)前對作業(yè)區(qū)域進(jìn)行旋耕。耕作深度280 mm，作業(yè)距離為20 m，耕作速度定為0.6、1.0和1.4 m/s。測量280 mm深度處土壤含水率和土壤密度平均值，儀器包括：土壤堅(jiān)實(shí)度測定儀（F1ELDSCOUT SC900型，沃特蘭德科技有限公司，美國）、土壤濕度檢測儀（F1ELDSCOUT TDR350型）、紅外線測溫儀（福祿克572CF型，深圳賽澤爾電子有限公司，中國）。通過溫度測定儀測得地表溫度為19.5 ℃，其他所測物理參數(shù)如表5所示。

試驗(yàn)臺架以支撐架通過三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)相連，鏟板式滾動(dòng)觸土部件連接軸穿過軸承座與連接架相鉸接，連接架下方安裝4個(gè)滑塊與連接在支撐架上的滑道相互配合，拉力傳感器安裝在支持架與連接架水平方向間。當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)時(shí)，土壤阻力作用于鏟板式滾動(dòng)觸土部件上，拉力傳感器檢測作業(yè)過程中水平牽引力的變化情況。

表5 試驗(yàn)前試驗(yàn)場地土壤物理參數(shù) Table 5 Physical parameters of soil in test sites before test

以鏟板式滾動(dòng)觸土部件作業(yè)過程所需水平方向牽引力和土壤微形貌容積大小為試驗(yàn)指標(biāo)。所測牽引力變化衡量該機(jī)具所受水平阻力情況[36-37]，所測土壤微形貌容積大小變化衡量機(jī)具作業(yè)質(zhì)量[38]。

牽引力試驗(yàn)如圖8所示，儀器設(shè)備包括拉力傳感器（百森BSLS-2，石家莊百森儀器儀表科技有限公司，中國）、ART Technology 數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，通過拉力傳感器和ART Technology 數(shù)據(jù)采集卡記錄該機(jī)具作業(yè)過程中水平牽引力，計(jì)算機(jī)端借助LabVIEW軟件采集牽引力變化情況，每個(gè)速度下進(jìn)行3組試驗(yàn)。

1.三點(diǎn)懸掛 2.拉力傳感器 3.連接架 4.滑道 5.滑塊 6.鏟板 7.鏟板式滾動(dòng)觸土部件 8.軸承座 9.軸 10.支撐架

1.Three-point suspension 2.Tension sensor 3.Connecting frame 4.Sliding rail 5.Sliding block 6.Shovel plate 7. Shovel-type rolling soil-engaging component

8.Bearing seat 9.Shaft 10.Support frame

圖8 鏟板式滾動(dòng)觸土部件室內(nèi)土槽牽引力試驗(yàn)平臺

Fig.8 In-door soil bin traction test platform for shovel-type rolling soil-engaging components

采用2 000 mL的量筒和塑料薄膜對土壤微形貌容積進(jìn)行測量，先將塑料薄膜鋪設(shè)在單個(gè)微坑上方，量筒量一定量的取水，分次倒入塑料薄膜中，并記錄每次倒入水的容積，當(dāng)水面與原土壤平面齊平時(shí)停止倒水，最后將所測水容積匯總求和得到該土壤微形貌容積大小。每次試驗(yàn)后隨機(jī)選取3個(gè)土壤微形貌容積進(jìn)行測量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在1.4 m/s作業(yè)速度下機(jī)具所需牽引力仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖9a所示。觀察發(fā)現(xiàn)，在相同的時(shí)間內(nèi)，兩者的變化趨勢相似，仿真模型波峰與波峰之間數(shù)值差異小。而實(shí)地試驗(yàn)條件下，波峰與波峰之間數(shù)值差異大。3個(gè)速度下與仿真牽引力對比情況如圖9b所示。實(shí)地試驗(yàn)條件下，0.6 m/s的水平牽引力平均值為248.17 N，標(biāo)準(zhǔn)差為24.92 N；1.0 m/s的水平牽引力平均值為269.00 N，標(biāo)準(zhǔn)差為38.50 N；1.4 m/s的水平牽引力平均值為282.44 N，標(biāo)準(zhǔn)差為11.51 N。仿真模型下0.6 m/s的水平牽引力平均值為260.62 N，1.0 m/s的水平牽引力平均值為281.35 N，1.4 m/s的水平牽引力平均值為294.05 N。0.6 m/s條件下，仿真與實(shí)地試驗(yàn)水平牽引力的相對誤差為5.02%；1.0 m/s條件下，為4.59%；1.4 m/s條件下，為4.11%。

圖9 仿真與實(shí)地試驗(yàn)牽引力對比

土壤微形貌容積測量，數(shù)據(jù)如表6所示，微坑平均容積隨作業(yè)速度增加而增大，該規(guī)律與仿真結(jié)果一致。通過與仿真結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，由于田間實(shí)測存在土壤質(zhì)地分布不均現(xiàn)象，導(dǎo)致仿真求解與田間實(shí)測得到的微形貌容積存在一定的誤差，如圖10所示，各速度從小到大對應(yīng)誤差分別為6.23%、7.09%、5.64%。

表6 不同作業(yè)速度下土壤表面微形貌容積 Table 6 Soil surface micro surface volume under different operation speed

圖10 仿真與實(shí)測微形貌容積對比

4 結(jié) 論

1）本文用EDEM構(gòu)建具有板結(jié)效應(yīng)和粘附性的土壤顆粒，通過RecurDyn軟件對模型添加轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，構(gòu)建鏟板式滾動(dòng)觸土部件從動(dòng)翻轉(zhuǎn)作業(yè)模型，分析該模型受力情況，其方向水平牽引力和方向垂直力隨作業(yè)速度的上升受力逐漸增加。

2）在EDEM對仿真結(jié)果中某個(gè)區(qū)域土壤微形貌添加體積檢測器，得到該區(qū)域土壤體積變化情況，機(jī)具作業(yè)速度在0.6、1.0和1.4 m/s下該區(qū)域容積分別為3 310.91、3 325.96和3 384.47 mL。

3）對模型土壤壓縮力進(jìn)行探討，在相同位移條件下，隨速度的上升該機(jī)具對土壤擠壓作用增強(qiáng)，所加工出來的土壤微形貌容積也變大。同時(shí)進(jìn)行動(dòng)能分析，機(jī)具作業(yè)過程分為沖擊、貫入、鏟挖3個(gè)階段，分析3個(gè)階段下土壤顆粒運(yùn)動(dòng)方向和位移大小，解釋了機(jī)具加工出土壤微形貌的機(jī)理。

4）通過臺架試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，3個(gè)作業(yè)速度下的水平牽引力誤差分別為5.02%、4.59%、4.11%，土壤微形貌容積仿真與實(shí)地試驗(yàn)誤差為6.23%、7.09%、5.64%。本文DEM-MBD模型可用于預(yù)測鏟板式滾動(dòng)觸土部件作業(yè)指標(biāo)。

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Operation mechanism analysis and experiments of shovel-type rolling soil-engaging components based on DEM-MBD coupling

Zhang Zhihong1, Zhao Liangliang1, Lai Qinghui1※, Tong Jin2,3

(1.,650500,; 2.,,130022,; 3.,,,130022,)

Numerous geometrically ordered micro-basins can be formed in the soil surface layer during tillage operation. Micro-topography preparation aims to collect and hold water in place during rainfall, thus allowing it to infiltrate into the soil. Consequently, the surface runoff can be reduced to mitigate the erosion of the high water infiltration rate. Among them, the shovel-type rolling component has been typical soil-engaging equipment used for micro-topography preparation. This equipment is assembled with a series of peripheral shovel blades that circumscribe the rolling wheel. There are some arrays of consolidated discrete and small micro-basins, when hauling and rolling across the soil surface. Accordingly, the farming land can be restructured to prepare the desired form for the soil surface area in contact with water. The water-holding capacity of the prepared micro-basin can often be used to evaluate the performance of micro-topography preparation under shovel-type rolling components, together with the forward resistance against the soil. This is because the shape and capacity of micro-basins can be required for superior performance during run-off collecting, particularly for the applicability, workability, and effectiveness of soil imprinting. In addition, there is the inevitable reduction of the tillage resistance in the hilly sloping farmland of southwest China, due to the limited traction power of tractors. It is a high demand to design the effective shovel-type rolling component. Fortunately, the computational simulation can be expected to serve as an effective approach in this case. The purpose of this study was to conduct a systematic investigation to explore the interaction mechanism between the shovel-type rolling component and soil for the micro-topography preparation. Taking the shovel-type rolling component as an object of research, a discrete element model was proposed to investigate the interaction between the rolling component and soil using coupled Discrete Element and Multibody (DEM-MBD). Firstly, the classical mechanics’ derivation and computer simulation were integrated to establish the theoretical interaction model between the soil and rolling components. Then, the model was improved after the experimental measurement. Secondly, the optimal theoretical model was selected to guide the design practice. Thirdly, the working mechanism of the rolling component was further optimized using the coupled EDEM-RecurDyn software simulation. Specifically, the horizontal resistance and volume of the micro-basins were then determined, where the operating speeds of the rolling component (0.6, 1.0, and 1.4 m/s) were the experimental factors. Finally, the accuracy of the simulation model was verified by the field experiments. The simulation results showed that there was an increase in the horizontal resistance in the-axis direction, and the vertical force in the-axis direction with the increase in the operating speed. The volumes of micro-basin that formed on the soil surface were 3 310.91, 3 325.96, and 3 384.47 mL, respectively, after the operation of the rolling component at the speeds of 0.6, 1.0, and 1.4 m/s, respectively. The formation mechanism of soil micromorphology during the operation was clarified via the soil compression force, particle flow direction, and kinetic energy. A comparison was also made between the bench test and the simulated one. Specifically, the relative errors between computational and measured horizontal resistance were 5.02%, 4.59%, and 4.11%, respectively. The relative errors in water-holding capacity of micro-basin were 6.23%, 7.09%, and 5.64%, respectively. It infers the higher reliability of the improved EDM-MBD coupled model than before. Consequently, the DEM-MBD coupling model can provide theoretical and technological references to explore the interaction between the shovel-type rolling component and soil, in order to optimize the geometric structure of the shovel blade of this component for the ideal operating parameters.

soils; discrete element method; multibody dynamics; soil micromorphology; interaction mechanism

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.002

S225.7+1

A

1002-6819(2022)-15-0010-11

張智泓，趙亮亮，賴慶輝，等. 基于DEM-MBD耦合的鏟板式滾動(dòng)觸土部件作業(yè)機(jī)理分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(15)：10-20.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.002 http://www.tcsae.org

Zhang Zhihong, Zhao Liangliang, Lai Qinghui, et al.Operation mechanism analysis and experiments of shovel-type rolling soil-engaging components based on DEM-MBD coupling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(15): 10-20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.002 http://www.tcsae.org

2022-05-30

2022-07-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52065031, 51605210）

張智泓，博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械仿生學(xué)理論與技術(shù)。Email：zhihong.zhang@kust.edu.cn

賴慶輝，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與計(jì)算機(jī)測控。Email：laiqinghui007@163.com

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級會(huì)員：張智泓（E041201239S）