起垄机起垄过程仿真及分析

杨 娜，安宗文

(兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

起垄机被广泛应用于蔬菜类、大豆类以及薯类等田间耕作后的起垄作业。起垄机起垄作业是整个薯类种植中最关键的一道工序[1-3]。目前，大多数地区还依靠人工起垄，不仅生产效率低，且还费时费力，尤其在播种期抢农时[4]。现有的起垄机经常出现垄床宽度、垄沟宽度及垄高高度不一致，机具不可靠和垄型变异率较高等问题[5]。近年来，薯类种植面积逐年扩大，人工起垄方式已远远不能满足薯类种植发展要求，虽然科研和技术人员针对现有市场上各类起垄机的不足进行了改进，但依然出现机具不可靠等问题。国外如英国、美国、德国、日本等发达国家，薯类的种植面积很广泛，而且是产业化、集群化种植模式发展。薯类种植起垄作业由实现机械化生产正向智能化、系统化收获方式转变[5]。

起垄机作业时既要构建垄型，又要尽量降低功耗、防止拥土。其中减小阻力能有效提升作业效率。分析研究起垄机各组成部件在起垄过程中的作用，笔者应用离散元法(Discrete distinct Element Method)模拟起垄过程[6]。离散元法已岩土工程领域发展，而农业工程中更适用的颗粒离散元研究相对缓慢[7]。李艳洁等人对土壤试样进行了单轴压缩试验与离散元法模拟对比研究，验证离散单元法模拟土壤是可行性的[8]。于建群采用离散元法分析开沟器的工作过程以从细观角度详细分析不同条件下开沟器的工作过程及工作阻力[9]。李艳洁基于弹簧线性接触模型的离散元法对圆锥贯入沙土的动态过程进行三维数值模拟，分析了土壤颗粒位移和速度场的变化规律等[10]。而将离散单元法应用于土壤起垄过程仿真尚无见报道。

在以上研究基础上对所设计的起垄机进行了基于离散单元法的土壤挖掘数值模拟，分析起垄机各个组成部件在起垄过程中的作用，研究起垄机作业阻力，以期为起垄机结构优化提供理论参考。

1 仿真模型建立

1.1 起垄机模型

如图1所示，起垄机由起垄犁、机架、镇压板和镇压滚筒组成。机架主要用于安装起垄各关键部件，起垄犁主要完成从两侧向中间翻滚土壤，并通过左右镇压板对翻后的土壤进行镇压和定型，镇压板是通过拉簧的拉力来实现对土壤进行镇压的，镇压滚筒利用自身重力来对起垄后的土壤向下压实。

图1 起垄机整机结构1.机架 2.起垄犁 3.垄侧镇压板 4.镇压辊筒

1.2 土壤模型

1.2.1土壤模型参数确定

测定、计算、预测校核的土壤离散元法仿真模型所需参数如表1所示。

表1 离散元法仿真的参数

试验地土壤为沙壤土，既有散粒体物料特性又有一定的压缩性。采用的土壤接触模型为HSCM，并在其法向增加LCM。根据HSCM及LCM确定土壤基本物理参数、接触力学参数和接触模型参数。基本物理参数包括颗粒粒径分布、土粒密度、剪切模量、泊松比、容重。由于水的作用，土壤颗粒群内形成的液桥使土壤颗粒之间产生内聚力，通过土壤剪切试验获取不同含水率土壤的抗剪强度和内摩擦角，LCM模型参数能量密度分别等于6种不同含水率条件下的土壤内聚强度，HSCM模型参数屈服强度通过土壤贯入试验获得，颗粒间的阻尼系数和刚度系数采用EDEM软件默认值，分别为0.05、0.95[11-12]。接触力学参数包括恢复系数、静摩擦系数和动摩擦系数。

1.2.2土壤仿真模型建立

将Solidworks中创建起垄机模型导入EDEM中。在EDEM中建立土槽模型，尺寸为4 000 mm×1 200 mm×600 mm。颗粒数越多会成倍增加仿真时间，颗粒数较少会影响仿真结果准确性，综合考虑选择土粒径半径为20 mm。土颗粒模型由土槽上面的虚拟面生成，颗粒填充满土槽为止，根据土槽体积、土壤的孔隙率及单个土壤颗粒体积，选择生成45 600个土壤颗粒。重力加速度设为沿y轴负方向为9.81 m/s2，生成的起垄仿真模型如图2所示。

图2 起垄仿真模型1.起垄机模型 2.土槽模型

2 起垄仿真过程及结果分析

借助离散单元法EDEM软件对起垄土壤过程进行仿真研究。观察起垄机不同部件(起垄犁、起垄犁后板、垄侧镇压板和镇压辊筒)在起垄过程中发挥的作用，为保证起垄机作业过程的效率和稳定性，需分析起垄过程受到的各种阻力。

2.1 仿真过程

总仿真时间为27.5 s，9.5 s的用于生成土颗粒，剩余时间用于起垄作业。在实际的起垄工作过程中，起垄犁将前方的平面细碎土壤铲起，土壤沿铲面向上提升，起垄犁内壁为犁曲面，土壤上升过程被折弯、翻转、最后落地；位于其后的两侧镇压板将起垄型沿两侧与水平面以一定夹角刮平的粗垄，位于镇压板后方的镇压辊筒在上面压平垄型，如图3所示。

2.2 土壤受力分析

起垄犁起垄过程中受到土壤对其阻力，分为水平方向阻力、垂直方向阻力和左右阻力，水平方向阻力影响作业机的工作效率和能量消耗，垂直方向阻力对作业机的入土深度和机具上下平衡有着重要作用，左右阻力影响作业机前进方向水平方向平衡，起垄机起垄过程受到的阻力如图4所示。图5为仿真垄体形状和尺寸图。

图3 起垄仿真过程1.起垄犁铲起、向内侧翻转、细碎土壤过程 2.起垄犁后板将垄型压成长方体，使其形成基垄 3.垄侧镇压板侧面刮平 4.镇压辊筒将垄顶压平，使其满足垄体形状和尺寸要求

图4 起垄机起垄过程受到的阻力

图5 仿真垄体形状和尺寸

由图5(a)可以看出，起垄机的各个部件逐渐入土，水平方向阻力呈上升趋势，时间23.5～27.5 s期间水平阻力基本保持平衡，为5 500 N左右；随着起垄机的各个部件入土，垂直方向阻力呈上升趋势，时间17.5～27.5 s期间垂直阻力基本保持平衡，为1 300 N左右，该力可以与拖拉机重力之间保持稳定；而起垄机前进方向左右平衡阻力在0～27.5 s期间在y=0轴上下波动，说明起垄机可以在作业过程中保持水平稳定。

2.3 垄体成型

膜上播种垄体农艺要求的形状、尺寸与仿真得到的垄体的形状、尺寸基本一致，仿真得到的垄体的上边长435 mm，下边长624 mm，高219 mm，均处于农艺要求范围内，且垄体截面形状相同。

3 结 论

基于EDEM软件对起垄机各个部件在起垄过程中发挥的作用及起垄阻力进行研究。仿真结果表明：起垄机水平阻力保持在5 500 N左右；垂直阻力基本保持在1 300 N左右。垄体形状为梯形，垄体的上边长435 mm，下边长624 mm，高219 mm。起垄机试验结果为垄面上底边宽度的平均值为628 mm；垄面下底边宽度的平均值为429 mm；垄高平均值为223 mm。