基于离散元法的覆土圆盘工作参数优选与分析

田东洋，刘姣娣，焦灏博

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引言

覆土圆盘作为覆土机构上的一部分广泛应用于铺膜、播种机械上。例如，使用较为广泛的滚轮式[1]、滚筒式[2]、旋耕式[3]、刮板升运带式覆土机构[4]，它们都需对土壤进行运输以覆盖种子、地膜或者移栽后的秧苗，且覆土圆盘在覆土机构中起着重要作用，为输送机构提供足量的土壤。为减少能耗、合理调整覆土圆盘的供土量即对土壤的扰动量，有必要对覆土圆盘与土壤的交互作用过程进行研究。

建立精确的土壤与工具的交互模型是极其重要的，其不必进行昂贵的田间试验且不受时令季节的限制[5]。由于土壤结构的易变性和土壤所表现出来的非线性力学性能，使得土壤与耕具交互作用的分析变得复杂。离散元法相对于解析法[6]、经验法[7]、数值分析法[8]而言，在精确预测耕作阻力和土壤变形方面更具优势,也广泛应用于农具设计等方面的研究。

为得到精确的仿真结果，选择合适的土壤颗粒接触模型和接触参数非常重要[9]。试验用土壤含沙量较大，含水率低。Ucgul et al. (2014)[9]研究也表明：Hertze-Mindlin接触模型假定颗粒之间的接触为非线性塑性变形，常用于耕作土壤中的研究。仿真中如实反映土壤颗粒的大小，则仿真量将会非常庞大，为了减少仿真量，Ucgul et al提供了一种用于确定离散元参数的方法，它允许使用较大的颗粒以代替实际的土壤颗粒但仍能够提供较为精确的预测。本研究的目的是使用Hertze-Mindlin接触模型和离散元参数确定的方法与半径为5mm的沙子颗粒来研究覆土圆盘工作参数对耕作阻力和质量流率的影响，得到一个理论上的预测模型，用以指导覆土圆盘在工作过程中的参数调整与覆土机构的设计。

1 土壤-覆土圆盘交互模型的构建

如图1所示：覆土圆盘是精密播种机械的重要装置之一，也用于铺膜移栽机械上对移栽后的钵苗进行覆土与对地膜侧边进行覆土，最基本结构参数为覆土圆盘直径R。覆土圆盘工作参数有：与水平地面的倾角β、与工作中前进方向的偏角α、深度h及前进速度ν。仿真模型中取一常用覆土圆盘直径R=26cm，覆土圆盘三维模型用SolidWorks2014绘制，以.x.t格式保存，以便导入EDEM2017软件中。其工作参数取β=0°，α按0°～50°选取，h取6c～10cm，ν取1～5km/h。

仿真中，覆土圆盘对所切削土壤土方大小有所要求，土方长、宽、高可依计算机计算能力适当缩小尺寸，但不应小于覆土圆盘工作参数调整范围内所涉及尺寸的大小。如本例当中覆土圆盘宽度最大调整值在26cm左右，深度最大值达到10cm，工作中前进方向上的长度不应小于覆土圆盘稳定工作时的最低长度(可做模拟试验测得)。为避免土方边角对覆土圆盘与沙粒土壤交互作用的影响，取土方长、宽、高分别为100、30、20cm。实际操作中，土方尺寸与仿真所用土壤颗粒的数量往往不能直接确定下来，需先做几次小型模拟试验，依计算机性能与土壤物性参数而定，尤其依赖于计算机计算能力[10]。试验最终确定土方尺寸长、宽、高分别为100、30、16cm，土方生成颗粒数量为73 598颗，用46.6s的时间生成(EDEM2017软件中)，生成速率1 600颗/s。

图1 模型参数示意图

覆土圆盘与土方的相对位置在SolidWorks2014中进行确定与调整，其依靠的是事先建立的土方盒子模型，长、宽、高为100.4cm、30.4、20.2cm，壁厚0.2cm。如图2所示：覆土圆盘与土方的相对起始位置，为探究覆土圆盘工作参数对土壤扰动量的影响与覆土圆盘的受力，在覆土圆盘工作参数范围内，调整其α角为20°、30°、40°、50°，h为6、8、10cm。仿真中，通过给定覆土圆盘的运动参数，覆土圆盘对土壤进行切削，EDEM2017软件记录覆土圆盘对土壤的扰动情况和覆土圆盘的受力情况。

图2 三维模型交互图

2 土壤颗粒模型构建与参数确定

2.1 试验用土壤粒径分布与颗粒建模

试验土壤取样来自于新疆石河子大学机械电气工程学院试验用地，从中国土壤数据库中查得石河子该区域主要有7种土壤，分别是盐漠钙土、轻碱漠钙土、粘裂土、黄漠沙土、定漠沙土、下潮灰粘土及粘底二潮黄土，在0～30cm的土壤层内土壤颗粒粒径在0.002～0.2mm之间的居多数，在土壤颗粒分级制度上属沙粒和粉粒。理想土壤是越细碎越好，即土壤可用沙子替代，粒子直径过小会极大增加计算机运算量，本仿真中取土壤颗粒为半径5mm的球体。

2.2 土壤参数与接触参数的确定

EDEM软件中参数有两类：一类是材料本身的参数，如密度、泊松比、剪切模量；另一类是接触参数，如碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数。对于沙粒土壤与材料为钢铁的覆土圆盘交互，本研究的参数选取与确定方法详见于Ucgul[11]等，表1中列出了从文献中获得和试验测得的参数。仿真中，用Hertz-Mindlin 接触模型(在力的计算方面精确且高效)来研究覆土圆盘偏角与深度对土壤扰动量与耕作阻力的影响。土壤密度选用理想密度2 600kg/m3。

表1 仿真中所用离散元参数

3 覆土圆盘偏角、深度与速度对土壤扰动量与耕作阻力的影响

3.1 试验方法

给定覆土圆盘速度1、3、5km/h，做全因子组合试验，每组重复一次,试验组数为72组，如表2所示。

表2 试验方案与试验结果

续表2

在生成土方后，通过在SolidWorks2014中改变覆土圆盘的工作参数即与土方的相对位置，再导入至EDEM2017中运行，实现不同的参数组合试验。试验结果为覆土圆盘在其运动方向上所受的阻力与覆土圆盘对土壤颗粒造成的质量流率(通过EDEM2017中mass flow sensor测得)。其测量位置有两个：一个是对整个土方测量；另一个是从土方上表面以上测量，该测量方式假定土壤流动的主要部分集中在土方上表面以上。

3.2 数据处理

覆土圆盘整个运行过程从46.6s开始至51.0s结束，在改变每组中覆土圆盘的参数后，每组试验的起始运行时间之差不超过0.1s，运行过程中数据每隔0.1s记录一次。每组最终试验数据均以均值处理。由于速度的调整可以在EDEM2017中完成，实际的覆土圆盘位置即偏角和深度组合有12种，覆土圆盘运行起始点有12个，起始点时间之差由人为控制在0.1s之内。起始位置确定，起始时间点确定，试验可重复进行，试验结果如表2所示。利用Minitab 16软件对表中的数据进行处理。

3.3 工作参数对耕作阻力的影响

在Minitab 16中，通过统计分析得到力的主效应图和交互作用图。图3中显示，差异性比较：深度主效应>偏角主效应>速度主效应，即深度斜率的绝对值大于偏角斜率的绝对值大于速度斜率的绝对值。 由于

力为望小值(越小越好)，故深度为6cm、偏角为20°、速度为1km/h覆土圆盘所受阻力最小。图4显示，偏角、深度、速度相互作用存在。由速度与深度的交互作用可知：不论深度是在6、8cm或者10cm，速度1km/h下覆土圆盘所受阻力总是小于速度5km/h；但是，在1km/h速度下深度设定在6cm比深度设定在8cm所受阻力更小。

经过回归统计分析，得到力的广义回归模型为

F=47.24-1.94α-5.12h-20.09ν+

0.33αh+0.34αν+2.38hν

由图5力残差图中可以看出：该模型较能很好地反映偏角、深度、速度与覆土圆盘前进方向上所受阻力的关系。回归统计分析结果如表3所示。

图3 力主效应图

图4 力交互作用图

图5 力的残差图

来源自由度Seq SSAdj SSAdj MSFP回归695166.795166.715861.11394.040.0000000偏角127809.91196.51196.5105.160.0000000深度136245.4355.6355.631.250.0000005速度122732.92227.52227.5195.780.0000000偏角*深度12690.12690.12690.1236.440.0000000深度*速度12904.72904.72904.7255.290.0000000偏角*速度12783.62783.62783.6244.650.0000000误差65739.6739.611.4失拟29739.6739.625.5纯误差360.00.00.0合计7195906.2

3.4 工作参数对质量流率的影响

质量流率的主效应图和交互作用图如图6和图7所示。图6显示，差异性比较：速度主效应>偏角主效应>深度主效应。由于质量流率为望大值(越大越好)，故速度为5km/h、偏角为50°、深度为10cm覆土圆盘所扰动的土壤量最大。图7显示：速度与深度、速度与偏角的相互作用显著存在，不论深度是在6cm、8cm或者10cm，还是偏角在20°、30°、40°或者50°速度5km/h下的质量流率总是大于1km/h；但在速度5km/h下，深度设定在10cm比6cm有明显的质量流率变化，偏角设定在50°比20°有明显的质量流率变化。

图6 质量流率主效应图

在Minitab 16中，通过广义回归分析，得到质量流率的广义回归模型为

mq=5.41-0.14α-0.63h-1.54ν+

0.01αh+0.02αν+0.14hν

通过该模型残差图图8分析可知：该模型基本上能反映质量与偏角、深度、速度三者之间的关系。其回归统计分析结果如表4所示。

图7 质量流率交互作用图

图8 质量流率残差图

来源自由度Seq SSAdj SSAdj MSFP回归6123.978123.97820.6630168.8870.0000000偏角129.0535.8715.871347.9890.0000000

续表4

3.5 工作参数优选

农业耕作在追求低能耗高效的前景下，耕具用最少的能耗对土壤造成尽可能大的切削和扰动成为耕具设计和工作参数调整所追求的目标[14]。通过软件对测定数据分析可知：覆土圆盘偏角为40°、深度6cm、速度5km/h，覆土圆盘在前进方向所受阻力为58.84N，质量流率达到1.65kg/s。

4 结论

1) 通过仿真试验研究，确定了覆土圆盘在前进方向所受阻力、质量流率与工作参数之间的关系。在试验参数范围内，影响覆土圆盘耕作阻力的因素大小依次为深度、偏角、速度；影响质量流率的因素大小依次为速度、偏角、深度。

2) 覆土圆盘的工作参数显著影响覆土圆盘所受阻力、土壤质量流率，调整范围内存在最优值。在覆土圆盘偏角为40°、深度6cm、速度5km/h时，覆土圆盘在前进方向所受阻力为58.84N，质量流率达到1.65kg/s。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0016-EA