基于EDEM 的水田平地机打浆机构参数分析研究

江应星，赵子赋，王景立

（吉林农业大学 工程技术学院，吉林 长春 130118）

【研究意义】水稻种植一直在我国处于重要地位。随着国家大力推广“保护性耕作”的背景下，在水稻的种植中，水田的耕整地与秸秆翻埋的重要性逐渐凸显。吉林农业大学成功研制出一款水田秸秆翻埋平地机，用于解决水田泡田后泥土打浆与秸秆粉碎翻埋等问题。经过田间试验结果表明，该水田秸秆翻埋平地机的秸秆翻埋程度，田间平整度，水田平整效果皆满足农艺要求。随着科技的发展，离散元仿真实验法应用的范围越来越广，农业机械的试验也越来越离不开仿真。在耕整地、排种器部件等机件中的运用所获得的数据与实际实验中所获得的数据相差不大，数据的认可程度也在不断提高。【前人研究进展】周韦等[1-2]通过对散粒体与粘性土壤进行从而得到相关研究方法与参数标定，研究人员相继利用EDEM 软件对农机具工作部件开沟器[3]、排肥器[4]、水田平地机刀辊[5]等工作部件进行研究，在水田作业机具研究中，赵祚喜等[6-10]通过建立动力学模型与添加激光平地系统，让水田平地机的作业精度更精确方会敏等[11-13]通过利用EDEM 软件模拟并分析了旋耕刀对土壤颗粒的扰动情况离散元仿真可以在很好的模拟机具在耕地中的工作过程和土壤变化特征，且其试验结果与仿真结果的拟合程度较高。本文采用的EDEM 的Hertz-Mindlin with JKR 模型，利用其颗粒之间的内聚力来模拟水田条件下的泥土之间的粘滞力，精确描述在打浆机工作过程中的土壤运动状态。水稻种植需要在相对平整的泥土中插秧，在进行水田平整作业前需进行打浆作业。【本研究切入点】选用打浆机的类型决定打浆后水田的泥浆质量，不同的刀片偏转角度、刀轴转速、机具作业速度都会对作业质量产生影响，因此选择一种合理作业条件搭配对水田整地作业极为重要。由于水田土壤构成复杂多变，泥浆的流动性，粘滞性以及与工作部件接触相互产生的相互作用力难以确定。因此，构建一个尽可能完整、准确的水田离散元模型是一项较为复杂的过程，许多所用的参数测量也较困难。【拟解决的关键问题】本文在综合分析现有打浆刀与土壤之间的切削作用的基础下，建立了秸秆-水层-泥浆-土壤4层颗粒的水田模型与水田打浆刀的交互作用模型。通过分析不同刀面弧度的打浆刀片、刀轴转速、机具行走速度的工作效果进行探究最为合适的组合搭配以提高水田秸秆翻埋平地机的打浆效果。

1 离散元仿真

1.1 建立秸秆-水层-泥浆-土壤水田泥浆模型

图1 打浆刀在秸秆-水层-泥浆-土壤水田作业仿真模型Fig.1 Simulation model of beating knife in straw-water-mud-soil paddy field

水田的组成相比于旱田土壤更复杂，水田土壤由于含水率的差异在静置状态下产生分层现象，可直观观察出分为水、泥浆和土壤3层[14]土壤含水率差异与水稻秸秆的存在对试验造成一定的干扰。邬立岩等[15]通过建立两种半径不同的颗粒分别代表水和土壤，再利用虚拟标定法来确定二者的诸多参数。通过将秸秆颗粒、土壤颗粒、泥浆颗粒、水颗粒分别从下至上的倾来模拟静止水田的形成。水层可近似于水分子颗粒集合而成，半径与接触半径在满足仿真条件下应尽可能小，于是通过参考邬立岩等[15]所使用的标定参数即水颗粒使用半径为0.02 mm，颗粒作用半径为0.02 mm，泥浆具有流体特性，因此剪切模量可看作无限接近于0，因此取值1e+08 Pa。泥浆构成复杂，主要由土壤颗粒与水分子混合而成，但由于土壤之间的粘滞力相互作用，形成了泥浆层。通过查阅资料与选取试验地泥浆进行测定，泥浆密度为1 800 kg/m3，泊松比为0.5。泡田后的水层高度达到4～6 cm，泥浆深度8～12 cm，因此在仿真模型中，设置水颗粒层深度定为4 cm左右，泥浆层深度定位6 cm左右（图1）。

离散元颗粒模型中，通过标定颗粒之间的内聚力可在一定程度上模拟粘性土壤颗粒之间所存在的粘滞力。因此在建立离散元颗粒模型前，对离散元颗粒之间的内聚力参数标定是极为重要的。通过参考文献[15]，可确定相关内聚力参数如表1所示。

表1 EDEM 中颗粒之间内聚力参数Tab.1 Cohesion parameters between particles in EDEM

1.2 接触模型选用

本研究施用的是EDEM 的Hertz-Mindlin with JKR 模型。该模型通过建立两颗粒之间的内聚力大小，来模拟泥浆分子之间的粘滞力，由于泥浆中含水量较高，粘滞力远小于普通土壤。颗粒之间通过水分子、毛细水、化学键等多种元素结合相互粘结，其液张力与湿润程度决定了将其分离难易。JKR 模型中的内聚力恰好可以对分子之间粘滞力进行替代，将模型中游离的颗粒连接起来。

1.3 水稻秸秆模型

水稻秸秆是一种易弯曲、可折断但具有一定韧性的复合材料，在水田耕整地作业中，大量水稻秸秆碎段对打浆机构切削土壤泥浆形成极大干扰，因此在进行机具仿真作业时，需要考虑切碎的水稻秸秆碎段对仿真的干扰作用。目前水稻秸秆颗粒在离散元仿真中普遍被认作为多颗粒组合而成的刚体颗粒，在建立水稻秸秆颗粒时，通过球面堆叠，调整颗粒之间的间距来构成秸秆颗粒模型。图2为建立的直径8 mm，3种不同尺寸长度的长中短型水稻秸秆碎段颗粒[15]。

图2 不同长度的水稻秸秆颗粒模型Fig.2 Grain model of rice straw with different length

1.4 仿真参数的选取与确定

因选择模拟的主要目标为水田土壤，构成极其复杂，因此只能从理想状态下进行分析与模拟。水的剪切模量为0，但在EDEM中无法取到，在此条件下利用虚拟试验标定法对水进行标定，最后以1e+08 Pa代入模拟试验中。泥浆主要由水与土壤颗粒混合而成，不确定性大，随环境变化幅度大，通过试验，在4块不同田块，分别取得了深度为6 cm的5组泥浆样品。经计算其密度为1 756 kg/m3，泊松比等因素则需要虚拟实验标定法以及参考文献获取。由于在仿真过程中，将颗粒尺寸的减小时，其仿真时间与对计算机的损耗呈几何指数增长。因此在此基础上通过测量以及计算，将土壤最小颗粒定为1 mm，泥浆颗粒定为0.5 mm，由于水分子无法测量，取其颗粒半径为0.2 mm仅用作参考。EDEM中试验所需的标定参数如表2。

表2 仿真参数值Tab.2 Simulation parameter values

1.5 秸秆-水层-泥浆-土壤模型的建立

本研究通过EDEM 软件中的Hertz-Mindlin with JKR 模型构建水田模型，利用solidwork 绘制多种不同因素不同水平的水田秸秆翻埋平地机的打浆机结构来模拟其水田打浆过程，通过其仿真效果，用于判断以及评定打浆机最优结构搭配，提高打浆效率。建立水田模型如图1，长为2 m，宽为0.5 m。soildwork软件绘制的4组打浆机刀组如图3。

图3 不同刀面弧度的打浆刀Fig.3 Beater with different curved angle surface

2 打浆机仿真模拟试验分析

2.1 打浆机作业仿真模拟

将不同种类的打浆机刀组、不同的机具前进速度、不同的刀辊旋转速度等参数导入离散元仿真软件中，分别进行打浆机刀组在水田的作业模拟试验，得到打浆机在打浆过程中水田土壤结构的运动状态与趋势，打浆机在前进过程中所受到的工作阻力与转动力矩以及混合后的泥浆度。

2.2 打浆机作业仿真分析

本次仿真试验采用的EDEM2.7 软件进行水田秸秆翻埋平地机打浆机的打浆刀作业过程的建模仿真，通过利用不同刀面弧度的打浆刀、前进速度和打浆机转速等多种变量因素，分析水田土壤成分与占比，以及刀具所受到的滑动总阻力大小，对水田秸秆翻埋平地机打浆机结构参数进行探究与优化（表3）。

表3 因素水平表Tab.3 Factor level table

秸秆-水-泥浆-土壤水田模型按水田结构构成顺序利用颗粒的自由落体铺垫而成，但由于EDEM 软件后处理部分只提供某种颗粒的数量或质量基础指标，缺乏直接用于判定仿真效果的指标，因此建立一种适用于该水田模型用于判定打浆机构仿真作业过程中打浆效果指标是非常重要的。土壤颗粒、水稻秸秆碎段颗粒数量少，误差较大。泥浆颗粒位于模型中层，在进行水层颗粒的铺垫时，会有一定的泥浆颗粒受重力作用运动到最底层网格中增大误差。水颗粒作为模型中数量最大，占比最多的颗粒，主要分布于模型顶部，在打浆机构运动开始前，模型最底层网格中几乎没有水颗粒的存在。随着打浆机构中的打浆刀自上而下的切削作用下，顶部的水颗粒开始向下运动从而模拟打浆机构的田间作业过程。证明模型底部网格中存在的水颗粒占比越大，在仿真作业中，打浆机构的作业效果最佳。

图4 打浆刀的各工作状态Fig.4 Different working state of beating knives

仿真通过系统分析法总共获得的64组打浆机在各种因素水平条件下的工作效果指标数据。由于仿真的打浆机打浆刀种类以及实验数据众多，对打浆机构转速为110 r/min，机具作业速度为2 km/h的工作条件下的四种刀面弧度的打浆刀组仿真图与实验数据用作比较供参考。由于颗粒数目限制等诸多原因限制，因此打浆刀辊长度仅选取了原长度的1/5，长度为0.5 m。a、c、e、g 分别为刀面弧度为5°、10°、15°、20°的打浆刀在机具作业速度为2 km/h，打浆机构旋转速度为120 r/min 的条件下，0 s 时的打浆机工作状态。b、d、f、h 分别为刀面弧度角度为5°、10°、15°、20°的打浆刀在机具作业速度为2 km/h，打浆机构旋转速度为120 r/min的条件下，在0.02 s时的打浆机工作时的土壤状态（图4）。

由图4 可知：通过选用相同的打浆机构旋转速度与机具作业速度的工作条件下，刀面弧度为20°的打浆刀表面存在水稻秸秆碎段较少，只有少量秸秆碎段漂浮于表面。但刀面弧度增大也会存在一定缺陷，例如对打浆刀的抗应变强度要求更苛刻，刀具损耗也会随之增大。仅从图像观察存在一定局限性，无法定量对水田模型中颗粒进行分析，因此需要通过EDEM 后处理功能对试验数据进行分析，利用前进阻力大小评定打浆机参数组合不足以证明其打浆效果最佳，仅能证明其抗磨损能力强弱，还需要对打浆机构的打浆效果进行分析，对水颗粒占比指标进行分析（图5～6）。

图5 5°的打浆刀在不同前进速度下受到的前进总阻力与水颗粒占比Fig.5 The total resistance and the proportion of water particle of the 5°beating knife in different speeds

图6 15°的打浆刀在不同前进速度下受到的前进总阻力与水颗粒占比Fig.6 The total resistance and the proportion of water particle of the 15°beating knife in different speeds

在仿真开始前，水分子颗粒均处于仿真区域顶部，在打浆机构由上至下的切削作用下，水分子颗粒受到打浆刀作用，向下方运动。底层土壤颗粒从没有水分子颗粒到含有一定量的水分子颗粒的过程可看作打浆机打浆过程一部分的模拟。通过对颗粒的分析，可将仿真区域进行网格化，对仿真区域底部网格中的水分子颗粒占比作为判定EDEM 软件对打浆机仿真打浆效果的重要指标（图7）。打浆机的刀面旋转弧度越大，其泥土抛洒高度变低；抛洒的倾斜角也随之降低。随着打浆机行走速度v减小，其泥浆质量更优；刀具旋转n速度越大，泥浆质量随之提高。将仿真试验过后的模型进行网格化，由于仿真打浆过程是通过打浆机的作用将顶层的水层颗粒在一定旋转角度的切削力向下作用。因此可以对底层网格的水分子作为判定标准，对状态稳定的底层网格进行水分子颗粒占比的分析与对比（表4～5）。

图7 区域网格划分Fig.7 Area gridplot

表4 5°打浆刀仿真试验结果Tab.4 The result of simulation test of 5° beating knife

表5 15°打浆刀仿真试验结果Tab.5 The result of simulation test of 15° beatingknife

3 打浆机田间作业试验及试验方案

3.1 试验装置

试验装置主要由田间测量装备与数据处理设备组成，田间测量装备主要由田间机械动力学参数遥测仪（图8）、遥感无人机组成。数据处理设备由0.001 g 高精度电子秤、土壤坚实度仪组成，可测量拖拉机悬挂点所受到的总阻力、选取的土壤样品泥浆浓度等指标。

3.2 试验方案

影响打浆机构工作时打浆效率的主要参数有打浆刀弧度、机器前进速度、打浆刀转速3 个因素。本研究中由于不同水平对试验结果影响较明显，因此选取4个水平。由于水田条件复杂，打浆机的前进速度、转速较难控制，在试验过程中易波动，因此，选取的水平数均使用十位数整数进行计算。本次试验在吉林省大安市海坨乡三业村进行试验（图9），选取了4块水稻田进行重复试验，试验前对田块进行48h的灌水泡田，泡田后的水层高度达到4～6 cm，泥浆深度8～12 cm 以达到成熟试验条件。水田秸秆翻埋平地机在作业后，对不同因素与水平条件下作业后的泥浆进行采集并标号。

图8 田间机械动力学参数遥测仪Fig.8 Telemetry for dynamic parameters of fieldmachinery

图9 田间试验Fig.9 Field test

起浆浓度为：

Qa第a个行程起浆溶度；Qiab第a个行程中第b个点的泥土质量；Qnab第a个行程中的第b个点泥浆质量。

表6 5°打浆刀田间试验结果Tab.6 Field test results of the 5° beating knife

通过烘干机将获取的泥浆进行烘干以及对田间机械动力学参数遥测仪所测量的总阻力大小与各组试验的泥浆度数据进行整理（表6～7）。

表7 15°打浆刀田间试验结果Tab.7 Field test results of the 15° beating knife

3.3 打浆机构前进总阻力的对比

在相同试验条件下的打浆机构在田间的试验结果与仿真试验结果进行对比，如图10 所示。对比结果表明，试验与仿真结果具有相关性，其总阻力变化规律相吻合。阻力数值产生差异的原因是由于水田泥浆构成复杂，水田中水稻秸秆对打浆机构缠绕阻碍作用，增大机具功率消耗以及仿真过程中对泥浆、水、土壤等颗粒的物理、流变特性参数的简化缺少更详细的描述所导致的。

图10 打浆机构前进总阻力田间试验结果Fig.10 Field Test results of total forward resistance of beating mechanism

3.4 打浆效果指标的对比

在仿真实验中，由于软件无法直接给出起浆浓度这一指标，因此通过将试验区域中的颗粒进行单元网格划分，由于初始设定最顶层为水颗粒层，在打浆机的作用下，水颗粒由顶层向底部运动。打浆效果好的试验组，其底层单元网格中的水颗粒数目多，其水颗粒质量占比大。在田间实验中，起浆浓度大小是判断打浆机打浆效果的重要指标，起浆浓度越大，其打浆效果越佳。因此两指标之间具有相关性，如图9 所示。仿真试验结果与田间试验结果的运动轨迹比较吻合，证明了本试验中选用的水田泥浆的水层-泥浆-土壤颗粒的离散元模型的仿真试验具有参考性。

图11 打浆机构起浆浓度试验结果Fig.11 Test Result of pulp-rising consistency of beating mechanism

4 结论

（1）本文使用的离散元方法分析水田秸秆翻埋平地机的打浆机部分在水田使用不同刀面弧度、前进速度、刀辊转速对打浆效果的影响。同时利用Hertz-Mindlin with JKR 模型建立了秸秆-水层-泥浆-土壤水田土壤模型对水田复杂环境进行了合理模拟。

（2）打浆刀前进总阻力的试验结果与仿真结果相对误差为11.46%，水颗粒占比指数与起浆浓度指标折线的起伏规律相匹配，证明了离散元仿真的有效性。

（3）通过仿真作业与田间试验的验证下，拥有刀面弧度为20°的打浆刀在打浆机构在旋转速度为140 r/min，机具作业速度为2 km/h 的工作条件下，机构的打浆效果最佳。拥有刀面弧度为20°的打浆刀在打浆机构在旋转速度为140 r/min，机具作业速度为5 km/h的工作条件下，机构所受到的前进总阻力为464.07 N，机具损耗程度最大。

（4）田间试验与仿真试验对比时，造成数据偏差的主要原因是水田打浆过程中秸秆本身特性难以利用软件做到还原，较多特性未进行参考。水稻秸秆本身也具有一定韧性，在打浆机构工作过程中会对秸秆产生切割作用，在一定程度上增加了机器工作时所受的前进阻力，对起浆浓度指标造成一定影响。