基于离散单元法的旋耕刀耕作仿真分析

    贾雅丽

    

    

    摘 要：为分析旋耕刀耕作过程中所受阻力及其变化规律，实现对旋耕刀的数字化与可视化研究。利用离散单元法，对旋耕刀作业过程进行了仿真分析，本研究可为有效揭示土壤耕作机理提供理论依据。

    关键词：离散单元法;旋耕刀;土壤切削;仿真分析

    中图分类号：S222.3 ? ? ? ?文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.08.006

    0 引言

    中国是一个农业大国，更是一个农机使用大国。2019年我国农作物耕种收综合机械化率超过70%，农业生产正逐步实现机械化与现代化。耕整地机械在现代化农业机械中举足轻重[1]，特别是近年来，随着国家对农业的大量投入，农民生产观念的更新，我国北方农业种植结构逐年优化，产业化种植面积也不断增加，这使得耕整地机械的应用更具前景。耕整地机械最重要的耕作部件是旋耕刀。工作时，旋耕刀与土壤发生接触，进行周期性的旋转切割，刀具对土壤进行垂直切入，破土、旋转切削、碎土等过程[2]。显然，要提高旋耕机的作业性能，需要对旋耕刀的结构和工作参数进行科学的分析[3，4]。

    旋耕刀工作时进行比较复杂的机械运动，其中土壤切削是最具有代表性的土壤加工过程，因此对土壤切削的科学分析和模拟是降低农机具功率消耗的关键。目前，一般采用物理试验法和模拟仿真法进行土壤切削的分析。近年来，不少研究者应用土壤切削离散元仿真及数值模拟技术，对旋耕刀切削土壤进行了有效分析，证实了模拟仿真试验的可行性。本文利用离散单元法，对旋耕刀作业过程进行仿真，并分析了土壤对旋耕刀产生的阻力及其变化趋势。研究可为有效揭示土壤耕作机理提供理论依据。

    1 模型构建

    1.1 土壤顆粒参数

    土壤物理和力学性质影响着旋耕刀与土壤相互作用关系的力学模拟效果[5]，本文采用Hertz-Mindlin with JKR作为土壤基质间的接触模型，参考相关文献，准确模拟华北平原的土质特性。土壤模型参数如表所示[6，7]。

    1.2 EDEM仿真模型

    本文对国标（GB/T 5669-2008）规定的IT245型旋耕刀进行研究，使用3D扫描对已有国标旋耕刀进行曲面建模，并导出*.stl格式文件。

    将旋耕刀*.stl格式文件导入到离散元软件EDEM2018，材料设置为65 Mn;为表征土壤结块及分层现象，土槽由3层不同颗粒堆积而成，从表层至底层分别为单球面颗粒、三球面颗粒与四球面颗粒，土槽尺寸长、宽、高分别设置为1000 mm×400 mm×300 mm，仿真模型如图1所示。

    2 工作阻力分析

    设定旋耕刀旋转速度为300 r·min-1，前进速度为0.8 m·s-1，仿真过程如图2所示。进行多次仿真试验取平均值，得到旋耕刀阻力变化曲线如图3所示。

    通过仿真分析可以看出，旋耕刀所受阻力最大值在400～500 N之间，最小值为0，平均值约为160 N。阻力曲线整体呈上下波动趋势，与实际田间作业阻力变化趋势大致相同。本研究表明离散元法在分析旋耕刀工作阻力方面的正确性，但土壤情况较为复杂，要准确描述土壤颗粒间的接触关系，仍需进行大量试验与验证。后期将重点研究土壤基质物理特性，以进一步提高仿真精度，为机具能耗分析、刀片磨损失效等研究提供参考。

    参考文献：

    [1] 韩宏宇，沈亮，彭君峰，等.耕整地机械的应用及发展研究[J].农机使用与维修，2016（1）：20-21.

    [2] 何宪章.土壤机器系统力学的研究[J].农业工程，1980（3）：20-28.

    [3] 贾洪雷，汲文峰，韩伟峰，等.旋耕-碎茬通用刀片结构参数优化试验[J].农业机械学报，2009，40（7）：45-50.

    [4] 张居敏，周勇，夏俊芳，等.旋耕埋草机螺旋横刀的数学建模与参数分析[J].农业工程学报，2013，29（1）：18-25.

    [5] 王宪良，胡红，王庆杰，等. 基于离散元的土壤模型参数标定方法[J].农业机械学报，2017，48（12）：78-85.

    [6] 熊平原，杨洲，孙志全，等.基于离散元法的旋耕刀三向工作阻力仿真分析与试验[J].农业工程学报，2018，34（18）：113-121.

    [7] 郝建军，龙思放，李浩，等.机收麻山药离散元模型构建及其仿真参数标定[J].农业工程学报，2019，35（20）：34-42.