基于离散元法的旋耕过程土壤运动行为分析

土壤与耕作部件间的相互作用规律是设计和选用土壤耕作部件的基础。研究土壤和耕作部件间的相互作用规律就是要研究耕作部件对土壤产生的作用和它们之间的作用力,首先必须探讨耕作部件工作时土壤运动规律和施加于土壤的作用力。为此本文建立基于离散元方法的旋耕工作模型;对比分析实验与仿真的土壤位移:在土槽实验中采用示踪块方法测量土壤位移,仿真中通过追踪表层土壤颗粒的运动获得仿真位移;利用实验和仿真数据对土壤位移和运动机理进行分析。结果表明:土壤水平和侧向位移都随着转速增加呈现增加的趋势;土壤的水平运动位移总是大于同转速下的侧向位移。浅层土壤颗粒的运动位移最大,中层土壤次之,深层土壤最小。较深位置的土壤,距离旋转中心越近的土壤颗粒水平位移和侧向位移越大。在旋耕刀切土范围内的土壤,有向相反方向运动趋势的浅、中、深层颗粒比例分别为26.2%、72.1%、48.4%。在水平力作用下,大部分土壤颗粒随着旋耕刀切土有向后运动的行为;土壤在开始时刻的侧向受力和侧向运动方向,由颗粒的侧向位置是否偏离侧切刃轴线决定,位于侧切刃轴线左侧的颗粒,则其侧向力向左,反之亦然;土壤在垂直方向先随着刀具入土向下运动,然后滑出刀刃边界被抛起。本文建立的仿真模型得到的土壤水平位移和侧向位移与相应实验值的误差为24.9%和15.3%。本文运用离散元法进行旋耕过程中土壤宏观和细观运动行为的分析,有助于理解旋耕刀与土壤的相互作用机理,为旋耕机械的设计与优化提供理论依据。

稻麦秸秆旋耕作业中受力与位移分析

常见稻麦秸秆在实际作业过程中与刀具作用发生2种变形：挤压秸秆发生弯曲变形和剪切秸秆发生剪切变形,根据2种变形设置弯曲试验和剪切试验,分别测试15～30 mm/min加载速率下弯曲强度和剪切强度。试验结果表明,小麦秸秆抗弯强度随着加载速率增加而减小;水稻秸秆抗弯强度随着转速增加,表现为先增加后减小。小麦秸秆剪切强度随着加载速率增加,表现为先增加后减小;水稻秸秆剪切强度随着加载速率增加而增加。其次在田间试验中,根据2种变形设置横纵向秸秆以及180～280 r/min的刀轴转速,并对其反旋作业。采用同位素示踪法,即根据标记秸秆前后坐标变化值来代替机具在幅宽范围内纵横向秸秆的位移变化,将得到的标记点坐标在三维坐标系中用Matlab绘制成曲线,该曲线形状与旋耕刀片在刀轴上排列相似。耕作后位移和坐标结果表明：水稻秸秆位移大于小麦秸秆位移,水稻秸秆标记点位移变化较小麦秸秆标记点位移变化均匀;2种秸秆排列方式对应2种分布情况：纵向标记秸秆坐标在X轴上以零点对称分布,横向标记秸秆坐标在X、Z轴上两侧对称分布。基于以上因素考虑,实际作业中,选择刀轴转速230 r/min以及改变秸秆在田间排列方式,以使秸秆还田效果达到更佳。