甘蔗破垄机拨叶圆盘作业过程的动力学仿真

杨 望，张传利，杨 坚，梁兆新，莫建霖，曾伯胜，黄 民

(1.广西大学 机械工程学院，南宁 530004；2.广西蔗糖产业协同创新中心，南宁 530004；3.广西农业机械研究院，南宁 530001)

0 引言

甘蔗收获后蔗叶留在田面上，因此甘蔗破垄机作业时其拨叶圆盘先要对蔗叶进行切断、拨开，才能顺利进行破垄作业。但是，目前的甘蔗破垄机拨叶圆盘对蔗叶进行切断、拨开的作业性能差，蔗叶在破垄机前进方向堆积，严重阻碍破垄作业，且目前国内外对破垄机拨叶圆盘作业质量的影响研究匮乏[1-7]。因此，本文采用SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)和FEM(Finite Element Method)的耦合方法，通过建立拨叶圆盘-蔗叶-土壤系统动力学仿真模型，进行拨叶圆盘作业过程仿真分析，探讨拨叶圆盘的蔗叶切断机理，为拨叶圆盘的优化设计提供依据。

1 结构及工作原理

本文以广西农机研究院3ZPF-1×0.5型甘蔗破垄施肥盖膜机(见图1)的拨叶圆盘为研究对象，该破垄施肥盖膜机的拨叶机构主要由拨叶圆盘、调节固定板、连接轴座、轴承座和连接轴等组成，如图2所示。作业时，随着拖拉机前进，左、右内倾的拨叶圆盘向前滚动，将田面或垄作业行上的蔗叶切断并向外拨开[8]。

图1 甘蔗破垄盖膜机Fig.1 Sugarcane furrow cover film machine

1.拖拉机后左、右悬挂梁 2.连接套固定块 3.7字轴 4.丁字套管 5.连接杆竖管调节块 6.调节固定板 7.圆盘耙片 8.连接轴座 9.轴承座 10.连接轴

2 拨叶圆盘-蔗叶-土壤系统仿真模型建立

2.1 几何模型

由于拨叶机构主要的工作部件是拨叶圆盘，为便于建模，把拨叶机构简化为拨叶圆盘。圆盘的几何尺寸及与拖拉机前进方向的相对位置和物理样机的一致，直径为0.5m，刃角为32°，圆盘偏角20°(圆盘平面与拖拉机前进方向之间的夹角)。为了能较好地模拟田间的叶片状态，建模时把5片蔗叶层叠一起，蔗叶的几何尺寸通过实测获得，蔗叶长为1m，宽0.05m，叶片厚为0.000 18m。为了便于建模，对蔗叶的结构进行简化，叶肋建成半圆柱体，直径为0.004 9m，叶片和叶肋粘合为一体。土壤长为1m，宽为0.37m，厚度为0.05m。

为减少仿真计算时间，把蔗叶和土壤分成5个区域，即圆盘与蔗叶、土壤的作用部分(接触区)，其宽为0.3m，接触区两侧0.1m为过渡区，过渡区的外侧为剩余区，建模时取0.25m。土壤接触区为SPH粒子，土壤过渡区和剩余区域均为有限元[9]。建立的系统几何模型如图3所示。

图3 拨叶圆盘-蔗叶-土壤系统几何模型Fig.3 Leaf, disc and soil system geometrical model

2.2 材料模型

蔗叶的叶片和叶肋在力学和物理特性上有显著差异，且同一品种不同个体之间也存在差异性，其材料参数参照文献[10]的测量方法进行测量，结果如表1所示。仿真材料模型采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC。

表1 收获期的甘蔗叶材料参数Table 1 Material parameters of sugarcane leaves during harvest

圆盘作为刚体(MAT_RIGID)建模，其密度为7 800kg/m3，弹性模量为2.0×1011Pa，泊松比为0.27。土壤仿真材料模型采用MAT_FHWA_SOIL，其材料参数参考文献[11]的测量方法进测量，结果如表2所示。

表2 土壤材料参数Table 2 Soil material parameter

2.3 网格划分

网格划分采用六面体扫掠方法，圆盘的网格大小为0.007m，单元数量为5 160个；蔗叶接触区网格大小为0.005 7m，过渡区网格大小为0.008m，剩余区网格大小为0.01m，5片蔗叶的单元数量为10 890个；土壤接触区网格大小为0.005m，过渡区网格大小为0.007m，剩余区网格大小为0.01m，有限元土壤单元数量为68 820个，SPH土壤数量为26640个。

2.4 接触和施加载荷

在圆盘上加载前进速度和转速，前进速度为1.1m/s，转速为0.7r/s。土壤与圆盘和蔗叶之间定义为自动点面接触，土壤与蔗叶之间静摩擦因数取0.6，动摩擦因数取0.5。土壤与圆盘之间静摩擦因为0.32，动摩擦因数为0.22。圆盘与蔗叶之间定义为自动面对面接触，静摩擦因数为0.3，动摩擦因数为0.2。蔗叶之间定义为自动单面接触，静摩擦因数为0.6，动摩擦因数为0.5(摩擦因数通过试验获得)。建立的拨叶圆盘-蔗叶-土壤系统仿真模型如图4所示。

图4 拨叶圆盘-蔗叶-土壤系统仿真模型Fig.4 Simulation model of leaf disc, sugarcane leaf and soil system

3 仿真模型的验证

3.1 验证方法

本文采用田间试验的方法对建模方法合理性和仿真模型的精度进行验证。由于蔗叶的切断力较小，且土壤性质对切断力影响大，因此模型验证时通过物理试验的圆盘切断蔗叶、蔗叶变形和土壤破坏、拨开的形状与仿真试验的比对及物理试验的土壤的切割深度与仿真试验的比对进行验证。为了和建模的情况一致，田间试验时选取5片长度约1m的甘蔗叶叠在一起，拖拉机前进速度为1.1m/s。田间试验重复5次。

3.2 试验设备及地点

试验设备：甘蔗破垄盖膜机、东方红拖拉机-550、直尺、秒表、量角器和若干收获期的蔗叶。试验地点和试验时间与建模材料参数测量的相同。试验地点为广西南宁市武鸣区陆斡镇龙口村，试验时间为2017年3月1日。

3.3 验证结果分析

物理试验与仿真试验的结果如图5所示。其中，5(a)是仿真试验的结果图，图5(b)为物理试验的结果图。由图5可知：仿真试验的圆盘切断蔗叶、蔗叶变形及土壤破坏与拨开形状与物理试验的结果较一致，且物理试验平均切割土壤深度为4.5cm与仿真试验的一致。这表明，建模方法合理，建立的仿真模型精度较高，可用于拨叶圆盘作业过程仿真分析和拨叶圆盘的优化仿真试验。

图5 物理试验与仿真验证对比图Fig.5 Physical test and simulation verification comparison picture

4 圆盘作业机理分析

4.1 圆盘作业过程

图6是圆盘作业过程的仿真截图。由图6(a)、(b)可知：随着圆盘一边旋转一边向前移动，田面上的蔗叶在圆盘向下压力和向前推力的作用下，圆盘下方的蔗叶被逐渐压向土中和推动前移；同时，由于圆盘倾角的存在，圆盘凹面方向的蔗叶被向右推，蔗叶逐渐弯曲变形，拉应力逐渐增大，这时圆盘、蔗叶下方的土壤被挤压变形和剪裂，蔗叶间和蔗叶与土壤间的相互作用逐渐加强，摩擦力逐渐增大。由图6(c)、(d)可知：随着圆盘的进一步前移，圆盘对蔗叶向下和右侧的作用进一步加强，蔗叶的弯曲变形增大，拉应力增大，蔗叶间和蔗叶与土壤间的作用进一步加强，摩擦力进一步增大，部分叶片和叶肋被拉断，且大部分蔗叶被圆盘旋转滑动切割而断裂。由图6(d)、(e)可知:随着圆盘的进一步前移，右侧断裂蔗叶和土壤在圆盘倾角的作用下，被推向右侧，完成圆盘作业过程。

图6 圆盘作业过程仿真图Fig.6 Simulation chart of disk operation process

4.2 叶片的断裂过程

图7为层叠的不同层的蔗叶断裂过程仿真截图。其中，图7(a)为上层蔗叶的断裂过程仿真截图，图7(b)为中层蔗叶的断裂过程仿真截图，图7(c)为下层蔗叶的断裂过程仿真截图。由图7(a)可知：t在0.018～0.037s之间时，随着圆盘一边旋转一边前移，圆盘对叶片边缘向下、向前和向右推压，上层蔗叶与下层蔗叶间的摩擦力逐渐增大，且蔗叶弯曲变形和拉应力逐渐增大；而t在0.044～0.074s之间时，随着圆盘进一步前移，上层蔗叶与下层蔗叶间的摩擦力进一步增大，圆盘对蔗叶的滑动切割作用进一步增强，且蔗叶弯曲变形和拉应力增大，叶片和叶肋被逐渐剪裂。由图7(b)可知：t在0.024～0.052s之间时，随着圆盘一边旋转一边前移，在圆盘和上层蔗叶的作用下，蔗叶弯曲变形和拉应力逐渐增大，叶肋被拉裂；而t在0.065～0.082s之间时，随着圆盘进一步前移，叶片弯曲变形和拉应力进一步增大，且上层蔗叶断裂后圆盘对叶片的滑动切割作用增强，剪应力增大，叶片逐渐断裂。由图7(c)可知：t在0.03～0.056s之间时，随着圆盘一边旋转一边前移，在圆盘和上层蔗叶的作用下，蔗叶弯曲变形和拉应力逐渐增大，叶肋被拉裂； 而t在0.078～0.87s之间时，随着圆盘进一步前移，叶片弯曲变形和拉应力进一步增大，叶片被逐渐拉裂。上述分析表明：对于层叠受圆盘切割的蔗叶，不同层的蔗叶受圆盘作用的断裂过程有所不同，上层蔗叶主要由于圆盘的滑切作用而断裂，中层蔗叶由于弯折和圆盘的滑切作用而断裂，下层蔗叶主要由于弯折作用而断裂。

图7 不同层的蔗叶断裂过程仿真截图Fig.7 Simulation of the Fracture Process of Sugarcane Leaves at Different Layers

5 结论

采用SPH和FEM的耦合方法建立的拨叶圆盘-蔗叶-土壤系统动力学仿真模型精度较高，可用于拨叶圆盘的作业过程动力学分析。蔗叶的断裂是圆盘对蔗叶的下压弯曲、侧向推拉和滑动切割的综合结果。对于层叠受圆盘切割的蔗叶，不同层的蔗叶受圆盘作用的断裂过程有所不同：上层蔗叶主要由于圆盘的滑切作用而断裂，中层蔗叶由于弯折和圆盘的滑切作用而断裂，下层蔗叶主要由于弯折作用而断裂。