旋轉鍬式油茶墾復裝置的仿真分析與試驗

王保陽,康麗春,饒洪輝,李慶松,陳 佳,劉木華

(江西農業大學 工學院,南昌 330045)

0 引言

截至2020年底,全國共有453.33萬hm2油茶林,高產油茶林93.33多萬hm2,且多種植在緩坡地帶[1]。油茶是深耕性樹種,多種植于丘陵或山坡上,其林內易形成各種雜灌[2],油茶墾復對熟化和改良土壤、增加肥力、清除雜草和消滅病蟲害等都有重要作用[3]。研究表明,油茶墾復要求三年一深挖,深度20～30cm,呈覆瓦狀;夏季一年一淺鋤,深5～10cm[4]?，F有油茶成林存在長時間不墾復、行內雜灌根系密集、易和油茶樹爭水爭肥等問題,且土壤板結,不利于油茶樹往深處扎根。

目前,國內對油茶林墾復機的研究已有一定的成果。2013年,徐諧慶等[5]設計了一種中間傳動式油茶墾復機,選用直角旋耕刀,刀盤總成采用內裝法,并在中間箱體下安裝一個小犁體,以防止漏耕。2014年,徐諧慶等[6]設計仿真了標準園藝化油茶林圓盤犁墾復機,入土、翻土、覆土性能較好,不易纏草、容易克服林間碎石、壽命長、覆草性較好,墾復深度170～280mm,耕作幅寬750～1000mm。2017年,張峰超[7]申請了一項履帶式油茶墾復機專利,采用履帶行走裝置,解決了現有油茶墾復機爬坡能力及越障能力不足等問題,但機身較大,適應開闊地帶作業,不適合在生長茂盛的油茶林工作。2018年,曹有常等[8]根據旋耕機的原理設計了一款滾刀臥式油茶墾復機,履帶式底盤滿足爬坡越障,拖拉機牽引驅動,耕作幅寬1100～1200mm,耕深120～150mm。

目前油茶林墾復機械種類不多且耕深較淺,少數滿足耕深要求的又因機器過大難以在成林后的油茶林中行走和作業。為此,設計了一種在緩坡地作業的旋轉鍬式油茶墾復裝置,以期達到耕深180～220mm,實現“草根朝天”,滿足墾復技術要求。

1 整機結構和工作原理

1.1 整機結構

旋轉鍬式油茶墾復裝置主要由挖掘機底盤、液壓驅動系統、傳動減速系統、鍬式曲柄搖桿機構、牽引裝置、行走裝置與升降調節裝置等組成,如圖1所示。

1.牽引連板 2.牽引掛鉤 3.牽引架 4.挖掘機底盤 5.蓄電池 6.液壓泵站 7.實心橡膠輪 8.軸承座 9.六方輪軸 10.鍬 11.液壓馬達 12.剛性聯軸器 13.T型減速器 14.機架 15.短連板組件 16.長連板組件 17.升降調節裝置圖1 整機結構Fig.1 Whole machine structure

其中,液壓驅動系統由蓄電池、液壓泵站、電磁換向閥、節流閥、壓力表與液壓馬達組成;傳動減速系統由液壓馬達、聯軸器、T型錐齒輪減速器與六方傳動軸組成;鍬式曲柄搖桿機構由六方傳動軸、長連板組件、短連板組件與鍬組成;牽引裝置由牽引架、牽引連板與牽引掛鉤組成;行走裝置由實心橡膠輪與六方輪軸連接而成;升降調節裝置由導向輪、千斤頂與固定安裝板組成。

1.2 工作原理

工作原理如下:油茶墾復裝置啟動后行駛至待墾復的緩坡油茶林內,調節升降輪高度使鍬自然入土,操作電磁換向閥按鈕驅動液壓馬達,動力經錐齒輪減速器換向減速后傳遞給曲柄搖桿機構,鍬在曲柄搖桿機構驅動下往復運動;此時,操作油茶墾復裝置前進,實現墾復作業;待墾復作業完成后,調節升降輪高度使鍬升起,避免鍬與地面碰撞造成損壞。

2 鍬式墾復機構設計

鍬式墾復機構是旋轉鍬式油茶墾復裝置關鍵部分,模擬人工使用鐵鍬翻土的動作,設計的控制鍬片翻土的曲柄搖桿機構如圖2所示。墾復機構主要由六方傳動軸、曲柄短連板組件、固定套筒、鍬和搖桿長連板組件構成。由于鍬片轉速低,垡片大,與土壤作用時作用力大,導致傳動軸所受扭矩較大。因此,傳動軸選用中間圓兩端六方型軸,且軸與減速器相連那一段采用花鍵聯接。綜合考慮,確定墾復機構部件中曲柄短連板長度為200mm,搖桿長連板長度為410mm,上下傳動軸垂直高度差為350mm,鍬上固定上下連桿的套筒在鍬的軸向距離為340mm。

1.六方傳動軸 2.曲柄短連板 3.固定套筒 4.鍬 5.搖桿長連板 6.軸承座 7.機架圖2 墾復機構部件Fig.2 Reclamation mechanism component

將圖2的墾復機構近似簡化為曲柄搖桿機構[9-11],如圖3所示。其中,短連板軸孔中心距LAB=175mm,長連板軸孔中心距LCD=350mm,上下傳動軸垂直高度差LAD=350mm,鍬上固定連板上下套筒間軸向距離LBC=425mm,下端套筒距鍬片端點距離LCF=280mm,機架距土壤水平面距離LDG=190mm。由于LAB+LCD≤LBC+LAD,最短桿AB與AD桿形成整轉副,最長桿DC與AD桿形成擺動副,且相鄰桿AD固定在機架上,滿足了曲柄搖桿機構形成條件。

圖3 曲柄搖桿機構Fig.3 Crank and rocker mechanism

圖3中,θ為鍬片入土傾角;β為墾復最大耕深時鍬與土壤水平面夾角;L為墾復理論最大耕深。由圖3可知:當AB短桿與BC連桿重合時為上極限點,此時曲柄搖桿機構如圖中AB1C1D所示;當BC連桿在AB短桿延長線上時為下極限點,如圖中AB2C2D所示。為克服機構死點位置問題,采用了4組鍬式曲柄搖桿機構錯位安裝的方式,使其順利越過死點位置,且sinβ=cos∠DAC,∠GAO=∠DAC,則

(1)

由式(1)得出sinβ=0.857,則

(2)

由式(2)得OF2=250mm,墾復最大耕深L=215mm。

3 旋轉鍬式油茶墾復裝置仿真分析

3.1 基于EDEM的鍬-土壤離散元模型建立

將Creo5.0軟件中建立的旋轉鍬式油茶墾復裝置三維模型導入Adams中,如圖4所示。

圖4 墾復裝置三維簡化模型Fig.4 3D simplified model of reclamation device

定義鍬式墾復裝置零部件材料屬性,如表1所示。

表1 材料屬性表

依據文獻[12-14]中離散元建模方法設置土壤顆粒本征參數,土壤顆粒之間、鍬與土壤之間的接觸參數,以及土壤顆粒接觸模型參數,使用EDEM軟件建立土壤顆粒模型。其中,顆粒模型選擇Hertz-Mindlin with Bonding模型[15-16],土壤密度通過環刀法取土稱量,剪切模量、泊松比據文獻[17-18]獲得。土壤顆粒材料參數如表2所示。

表2 土壤顆粒材料參數

設置土壤顆粒半徑為10mm,通過酒精燃燒法測量計算出土壤含水率,并根據已知參數計算得到相應的土壤顆粒粘結半徑為12.04mm,建立的土壤顆粒模型如圖5所示。另外,使用摩擦因數儀MXD-02測量鍬與土壤之間的靜動摩擦因數,使用四聯剪直剪儀測量土壤顆粒間的粘結應力,并通過土壤顆粒堆積角仿真試驗標定確定土壤顆粒間的靜動摩擦因數。

圖5 仿真土壤顆粒模型Fig.5 Simulated soil particle model

土壤顆粒間的粘結剛度、應力和半徑等參數參考文獻[17-19],土壤顆粒接觸模型參數如表3所示。

表3 仿真接觸參數

在EDEM軟件中建立土壤離散元模型,定義土壤在墾復裝置前進方向上長度2500mm,寬度1800mm,土層厚度300mm,融合墾復裝置三維模型,生成的鍬-土壤耕作離散元模型如圖6所示。

圖6 鍬-土壤離散元耕作模型Fig.6 The discrete element tillage model of spade and soil

3.2 鍬片端點的運動仿真分析

為避免旋轉鍬式油茶墾復裝置耕作時發生漏耕與重耕現象,需要確定鍬片轉速與及其相匹配的前進速度。分別定義鍬片轉速為40、50、60、70、80r/min,調整墾復裝置前進速度進行運動學仿真分析,得到鍬片端點軌跡[20],如圖7所示。當相鄰周期鍬片耕作軌跡相切時,即為墾復裝置耕作時不漏耕、不重耕的臨界速度,如表4所示。

圖7 鍬片端點運動軌跡Fig.7 Movement track of the end point of spade

表4 鍬片轉速與其相匹配的前進速度Table 4 The rotation speeds of spade with the forward speeds

為分析鍬片端點處于軌跡最低點時距離土壤水平面高度,對鍬片運動進行仿真分析,得到鍬片端點與土壤水平面垂直方向距離隨時間變化曲線,如圖8所示。墾復最大耕深為193.7mm,鍬片入土傾角為70°。

圖8 鍬片端點離地高度隨時間變化曲線Fig.8 Variation curve of the height from the end of the spade to the ground with time

由圖8可知,仿真墾復最大耕深比理論計算最大耕深小。原因是長短連板組件與鍬連接在空間上有一定的錯位,將墾復裝置構近似簡化為曲柄搖桿機構后所得的曲柄搖桿機構下極限位置在實際仿真過程中難以達到,故實際仿真最大耕深略小于理論計算最大耕深。

3.3 鍬與土壤相互作用的力學仿真

在EDEM中打開鍬-土壤離散元模型,設置相應的步長與時間,通過Adams Co-simulation模塊導入Adams中建立耦合仿真模型,通過EDEM后處理模塊分析鍬與土壤相互作用效果。

導出鍬片受最大阻力時鍬片的受力結果文件,并將其導入ANSYS軟件中進行鍬片應力應變仿真分析,鍬與土壤相互作用的應力云圖如圖9所示。

圖9 不同匹配速度下鍬片應力云圖Fig.9 Stress nephogram of spade under different matching speeds

由圖9可知:鍬與土壤相互作用最大應力發生在鍬柄與鍬片連接處,連接處為U型縫線,在U字頂點處有應力最大值;當鍬片轉速分別為40、50、60、70、80r/min時,對應的鍬片應力最大值分別為29.62、38.14、50.44、58.54、75.85MPa。對圖9中數據進行分析,其擬合方程為y=1.1x-17,如圖10所示。該擬合方程R2值為94.25%,說明鍬片所受應力與鍬片轉速呈較好的線性關系。由圖10可知:隨著鍬片轉速增大,鍬柄與鍬片連接處的應力增大。

圖10 不同匹配速度下鍬片應力擬合方程Fig.10 Stress fitting equation of spade under different matching speeds

將鍬與土壤相互作用時鍬片所受最大阻力導入ANSYS軟件中,對鍬片進行應變仿真分析,得到鍬與土壤相互作用的應變云圖如圖11所示。

圖11 不同匹配速度下鍬片應變云圖Fig.11 Strain nephogram of spade under different matching speeds

由圖11可知:鍬與土壤相互作用最大應變發生在鍬片端點處;當鍬片轉速分別為40、50、60、70、80r/min時,對應的鍬片應變最大值分別為0.846、0.936、1.184、1.381、1.811mm。對圖11中數據進行分析,其擬合方程為y=0.024x-0.19,如圖12所示。該擬合方程R2值為96.87%,說明鍬片端點應變與鍬片轉速呈較好的線性關系。由圖12可知:隨著鍬片轉速的增大,鍬片端點應變增大。

圖12 不同匹配速度下鍬片應變擬合方程Fig.12 Strain fitting equation of spade under different matching speeds

由仿真分析結果可知,鍬片所受應力小于材料的屈服應力390MPa,應變也比較小,滿足鍬片強度要求。

4 墾復試驗與結果分析

為了驗證鍬-土壤相互作用力學仿真分析結果,2022年1月7日在松軟地進行了墾復裝置耕作性能驗證試驗,并在此基礎上于2月26日在江西省林業科學院油茶種質基地開展油茶林地墾復試驗。試驗時,油茶墾復裝置由NT10挖掘機底盤牽引驅動前進,由電動液壓泵驅動墾復機構進行墾復作業,測得其耕作幅寬為1100mm。

4.1 試驗方案

為驗證樣機耕作性能,在土壤狀況較好、植被覆蓋率低的松軟地開展墾復試驗。選擇鍬片入土傾角為70°,分析不同鍬片轉速下旋轉鍬式油茶墾復裝置耕作作業情況,因素水平如表5所示。

表5 試驗因素水平表

4.2 試驗及其結果分析

松軟地驗證試驗選取試驗田地長度10m,寬度5m。墾復耕作過程分為啟動加速、勻速作業及減速停止3部分。由于墾復作業的前進速度比較慢,加速和減速區域比較短,故選取中間5m穩定耕作區測量耕深,并計算耕深穩定性系數。采用五點法,在5m穩定耕作區內每間隔1m在其對角線上選取一點測量,取5次測量耕深平均值,并計算其耕深穩定性系數。

分別在20、30、40r/min及其匹配前進速度下,進行旋轉鍬式油茶墾復裝置耕作性能驗證試驗,如圖13所示。以耕作耕深和耕深穩定性系數為墾復評價指標,對測量耕深數據計算處理,結果如表6所示。

圖13 松軟地墾復試驗Fig.13 Soft soil reclamation experiment

表6 松軟地試驗結果Table 6 Experimental results of soft ground

參照松軟地墾復裝置試驗方法在油茶林地開展旋轉鍬式油茶墾復裝置墾復試驗,結果如表7所示。由于油茶林地含水率低,土質較硬,耕深雖然未能達到理論設計要求,但基本能實現“草根朝天”的墾復效果,如圖14所示。

由于墾復裝置跳動幅度較大,導致實際墾復耕深小于仿真理論值。在同一片土壤、鍬片入土傾角為70°的情況下,隨著鍬片轉速及其匹配的墾復裝置前進速度的增大,墾復試驗耕作平均耕深更趨近于仿真理論值,其耕深穩定性也越來越好。對比表6和表7可知:當鍬片轉速及其相匹配的墾復裝置前進速度相同時,松軟地墾復耕深大于油茶林地,且耕深穩定性效果更好。

表7 油茶林地墾復試驗結果

圖14 油茶林地墾復試驗Fig.14 Reclamation experiment of Camellia forest

5 結論

1)為滿足油茶林墾復要求,設計了一種旋轉鍬式油茶墾復裝置。

2)仿真分析了旋轉鍬式油茶墾復裝置鍬片端點運動軌跡,結果表明:當鍬片轉速為40、50、60、70、80r/min時,墾復裝置不漏耕、不重耕的理論前進速度為0.12、0.15、0.18、0.21、0.24m/s。

3)鍬與土壤相互作用的力學仿真分析表明:在40、50、60、70、80r/min及其相匹配的墾復裝置前進速度下,鍬片所受最大應力小于材料屈服應力,強度滿足要求。

4)油茶林地墾復試驗結果表明:鍬片入土傾角確定為70°時,在鍬片轉速為20～40r/min及其相匹配的墾復裝置前進速度下,墾復裝置耕作作業正常,其耕深平均值為159～166mm,耕深穩定性系數為92.72%～94.82%。