耕作机械触土部件与土壤的相互作用及优化分析论文

2025-01-22 11:47:51 来源: 作者:liziwei
摘要:农业耕作机械在作业过程中,触土部件与土壤具有一系列的相互作用,研究土壤与触土部件间的作用关系,对降低耕作机械的能量消耗,减少牵引阻力,提高触土部件的工作性能具有重要意义。在分析土壤质地、土壤紧实度、土壤含水率对土层结构和触土部件影响的基础上,对触土部件的磨损、黏附这两种失效形式进行了阐述,并总结了对触土部件进行优化的已有研究成果,最后对触土部件未来的研究方向进行了展望。
摘要:农业耕作机械在作业过程中,触土部件与土壤具有一系列的相互作用,研究土壤与触土部件间的作用关系,对降低耕作机械的能量消耗,减少牵引阻力,提高触土部件的工作性能具有重要意义。在分析土壤质地、土壤紧实度、土壤含水率对土层结构和触土部件影响的基础上,对触土部件的磨损、黏附这两种失效形式进行了阐述,并总结了对触土部件进行优化的已有研究成果,最后对触土部件未来的研究方向进行了展望。
关键词:农业机械;触土部件;土壤紧实度;土壤含水率;磨损;黏附;展望
改革开放以来,我国向农业发达国家学习先进的农业科学技术,显著提高了我国的农业生产力。直至现代,我国农业机械化水平正在不断地提高,2022年全国农业机械化率提高到了72%,主要粮食作物的播种和收获基本实现了机械化。尽管我国的农业机械化水平进步较快,但仍然存在农机设备种类较少,质量参差不齐,自主创新能力较低,机械设备在实际作业中存在着能耗高,故障率高等问题。在农业生产中,耕作机械触土部件对土壤会有疏松、切削、破碎、压实、翻转等一系列的作用,土壤颗粒又会对触土部件产生磨损、黏附和弯曲变形等作用,两者间的相互作用需要克服阻力从而产生能源消耗和资源损耗。我国耕地总面积约有1.3亿公顷,土壤的比阻值以100kN/m2来计算,每一次翻耕则需要消耗能量2.6×1010kWh,据不完全统计,触土部件每年磨损钢材有2.3万吨,造成的损失高达3亿多元。因此,研究触土部件与土壤间的相互作用关系以提高效率、降低能耗和保证农机性能,对提高我国经济效益和资源利用率具有十分重要的意义。
1.影响触土部件工作性能的土壤因素
土壤耕作过程是一系列复杂的物理过程,土壤对触土部件的影响,究其本质是一种物理力学影响,其影响因素可分为土壤质地、土壤硬度和土壤湿度这三类。同时在耕作层,触土部件的机械力量也改变着土壤的温度、水分及颗粒的排列组合。一般认为机械对土壤的破坏作用为剪切失效,剪切的强度与土壤的内摩擦力和粘结力有关。土壤颗粒的排列、水分的多少及内部孔隙的大小决定了土壤的物理特性。随着土壤物理学的发展,学者们对土壤的研究也由静态转化为动态,并引入土壤动力参数,对土壤的定性描述变为定量计算,进而揭示土壤变化机理,合理调节土壤的物理状态。
1.1土壤质地
土壤质地对触土部件的影响是多方面的,如磨损率,黏附性和使用寿命等。目前对土壤有多种分类制,每种分类方法虽有差异,但都将质地归结为砂土、壤土、黏土三大类别。建国以来,我国在土壤的研究工作中,多采用卡庆斯基制,但在全国第二次土壤普查汇总中,采用了国际制土壤质地分类标准,如图1所示。
为对土壤质地快速区分,魏锦山等人通过土壤近红外光谱数据来训练模型,建立卷积神经网络和长短时记忆网络分类模型,提高了土壤质地分类的准确性和快速性。不同的土壤质地有不同的摩擦系数和压实特性,对触土部件所产生的作用不同,Scheffer在研究中发现沙土对触土部件造成的磨损要比其他类型土壤更加地光滑,在石质土壤中,磨痕则会加深,甚至会完全破坏材料表面,测试数据如图2。
1.2土壤紧实度与触土部件的相互作用
土壤紧实度大小体现出土壤抵抗外力压实和破碎的能力。近年来,随着农业机械的应用和集约化农业生产模式的发展,对土地的压实情况也越来越严重,使得土壤结构退化,耕作阻力增大,孔隙率下降,影响土壤的排水和透气性,进而影响作物产量。高爱民采用纽荷兰HW320自走式割草压扁机压地1-10次,测定不同深度土壤密度、土壤紧实度、土壤孔隙度等相关指标的变化,结果表明土壤紧实度随深度的增加而增大,土层越深,受到压实的影响越小。王恩姮使用美国MT865履带式拖拉机对不同前期含水量条件下的土壤进行压实实验,结合土壤三相的二维三系图进行对比,分析了机械压实特征,结果表明低含水量的土壤受到的机械压实的影响较小。
此外农业机械耕作、冻融作用、作物根系的生长及土壤生物等也会影响土壤的紧实度,进而影响土层结构的受力状态。赵振家等人采用离散元仿真方法,对车轮土壤压实过程进行了离散元仿真分析,结果表明随着压实次数的增加,土壤颗粒间的接触力增大,车轮前三次的通过对土壤硬度变化较大,超过三次后土壤硬度虽有增加,但是程度不明显。王家胜在超声波振动触土部件土槽试验系统中,研究超声波高频振动条件下触土部件工作阻力和碎土特性,在研究土壤紧实度与工作阻力特性中发现,无论有或无超声波振动激励,土壤紧实度越大,触土部件的工作阻力也越大。农田土壤具有一定程度的自我调节能力,如冬季的冻融作用可使紧实的土壤变得疏松,土壤的干湿效应可令土壤收缩又膨胀。
另外通过对触土部件的结构优化设计,能够避免土壤的有害压实,杭程光以深松铲为研究对象,研究不同入土角对土壤紧实度变化的影响,实验结果表明浅层土壤受入土角的影响较小,入土角为23°时对土壤紧实度变化的影响较大,此时的深松铲疏松效果最佳。土壤紧实度受众多因素的影响,合适的土壤紧实度可以保证水力传导力,提高土壤抗风蚀和水蚀的能力。任立东指出履带土壤接触面积显著大于轮胎土壤接触面积,能够有效降低土壤压实风险。掌握土壤紧实度的变化规律,采取相应的耕作方式并对耕作部件结构进行改进,耕作后得到需要的土壤紧实度,能够大幅降低耕作能耗,提高耕作质量。
1.3含水率对触土部件和土层结构的影响
土壤含水率是土壤物理性质的一个重要指标,对土壤的渗透、侵蚀、团聚体稳定性和抗剪强度等方面都有重要的影响,含水率的高低影响着土壤颗粒间的摩擦力和黏着力进而影响土壤各方面的性质。土壤的抗剪强度是由黏着强度和摩擦强度组成,它反映土壤抵抗外界力大小的能力,土壤的抗剪强度越高,施加的外力对土壤的影响就越小,为找到合适的土壤抗剪强度,既能够使土壤抵抗雨水冲刷,又能够使耕作机械以最小的能耗进行作业,我国的学者进行了深入的研究。水分是土壤产生黏附力的主要原因,干燥的土壤是没有黏着性的,只有水分达到一定的程度,土壤才会表现出黏附的性质,黏附对土壤的团聚体稳定性具有着重要影响。国外学者Yousef在研究中指出,摩擦强度的变化主要是由于摩擦系数与法向载荷的改变,而黏附力是引起法向载荷变化的主要原因。我国的学者马仁明等人以泥质页岩和第四纪红黏土发育的4个典型红壤为研究对象,探究前期含水率对南方红壤团聚体稳定性及溅蚀的影响。触土部件磨损程度与含水率也有一定的关系,Ferguson在研究中发现含水率为2%时的磨损率是含水率为18%时的4.25倍,进一步增加含水率有助于降低触土部件的磨损率。张炜等人以甘肃兰州地区黄棕壤土为磨料,对45号钢试样进行磨损试验,其结果表明随着含水率的增加磨损率呈陡降趋势,含水率的变化改变了土壤与金属材料表面的接触形式,水膜的润滑与降温作用提高了材料的耐磨性。学者们在含水率对土壤性质的影响方面进行了大量的研究,以确保农业机械能够在一个最佳的土壤含水率下进行耕作,因此对土壤含水率的控制及检测也是一个重要的研究课题。杨小平建立了一种基于机器学习算法树突神经网络的土壤含水率预测模型,该模型明显降低了预测误差,极大地提升了土壤含水率预测精度。王晓阳等人以克氏原螯虾和砂鱼蜥体表作为仿生原型对深松铲进行改良,设计了一种微刺—凸包几何结构表面的铲尖并进行实验,发现当含水率为18.11%时,该结构的降阻率达到了20%,为在低含水率耕作的农业装备提供一个减阻模型。
2.触土部件的失效形式及优化方法
土壤中由于有黏附力和摩擦力的存在,触土部件耕作时会有各种各样的失效形式,表1为三种比较常见的失效形式。触土部件的失效严重影响着农业耕作的质量与效率,同时也造成了巨大的能源消耗和资源的损耗。国内外学者通过离散元法,有限元分析法,设置实验等方法来分析,优化结构设计并选择合适的耐磨材料以降低触土部件的失效率。深入研究触土部件的失效形式,对降低耕作能耗,提高耕作质量和农具的使用寿命都具有重要的理论和应用价值。
2.1磨损的研究与改善
2.1.1磨损失效的类型及机理
在触土部件众多失效形式中,磨损是农机触土部件失效的主要形式,耕作机械的报废很大一部分原因是磨损失效。触土部件与土壤接触过程中产生的磨损有磨料磨损、黏着磨损、微动磨损、冲刷磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损等形式,其中磨料磨损与疲劳磨损是耕作过程中最主要的磨损形式。磨料磨损可分为两体磨损和三体磨损,两体磨损是指当部件与土壤表面或表面镶嵌的磨粒相互接触并发生滑动时,硬度较高的一方对硬度较低的一方产生的磨损。
三体磨损是指在部件和土壤之间存在自由磨粒,在触土部件表面滚动或滑动时产生的磨损。
疲劳磨损是指当触土部件表面与土壤之间相对滚动或滑动,在交变应力和接触载荷的作用下,接触区产生的疲劳应力超过了材料的疲劳强度,随后表面产生开裂和剥落。
2.1.2农机触土部件磨损产生的影响
不管是何种形式的磨损,都将导致农业机械耕作效率的下降和材料的损耗,磨损问题是一个世界性的难题。据有关资料,因磨损失效而浪费掉的材料和能源占百分之六十到百分之八十,磨损的钢材占到钢材总量的十分之一。前苏联每年因为磨损造成的经济损失达120-140亿卢布;因为零件磨损失效,美国每年也有高达1000亿美元的经济损失;在农业机械、矿山机械等行业中,因设备与矿石、沙土等物料的长期接触,中国每年有超过1000亿元人民币的经济损失,金属能源消耗达300万吨以上。此外,磨损将会严重降低触土部件的使用寿命,我国农业机械与国外相比,缺陷之一就是触土部件的耐磨性能差,使用寿命仅为国外同类产品的1/2到1/3。触土部件较短的使用寿命将会导致农业机械故障率的升高。据调查,因磨损而导致农业机械故障的情况占50%以上,这增加了维修和更换部件的时间,缩短了农业机械的作业时间并降低了耕作效率,间接增加了人工成本,严重影响了农业机械的耕作效率。
2.1.3提高触土部件耐磨性能的研究
为提高触土部件的耐磨性能,减少因磨损造成的损失,国内外学者进行了大量的研究,提出了多种方法,如表面喷涂耐磨材料、基于仿生原理进行结构设计和堆焊技术等,在上述方法的基础上,学者们进行了深入的研究并取得了可观的成果。材料表面喷涂的方法有很多种,包括热喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、电镀等方法,其中最常见的是通过热喷涂技术来改善材料表面的耐磨性,热喷涂工艺方法包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂等[29,30]。湖南大学的赵建杰采用美科LF-HVOF超音速火焰喷涂系统对旋耕刀表面喷涂厚约300μm的WC-Ni硬质涂层,并以65Mn弹簧钢作为对比材料,测试模拟土壤环境下旋耕刀具硬质涂层的磨料磨损性能,其结果表明WC-Ni涂层的磨损量相比于65Mn弹簧钢的磨损量减少了14倍以上。Kang等人通过爆炸喷涂的工艺制备了具有钴铬合金-21、WC-Co-Cr和Cr3C2-NiCr涂层的旋耕机刀片,3种涂层的涂层厚度在100-150μm之间,设置实验与未涂层的高强度钢进行对比,采用扫描电子显微镜和X射线衍射技术来观察磨损后的涂层表面情况,结果显示具有WC-Co-Cr涂层的刀片比钴铬合金-21和Cr3C2-NiCr涂层的具有更低的磨损量,并且具有WC-Co-Cr涂层的刀片断裂强度更高,结合强度更好,具有Cr3C2-NiCr涂层的刀片耐磨性能比钴铬合金-21的更好一些。Vidaković等人研究了分别经过淬火、堆焊、硼化的农机耕作部件在不同速度下的磨损情况,结果表明速度越大磨损量越大,且硼化过的材料耐磨性较好。
自然界中一些生物体经过长期的进化演变,形成了具有特殊耐磨性的生物结构,如蜣螂、穿山甲、家鼠、克氏原螯虾等,根据这些生物结构来对触土部件进行结构优化,以求提高触土部件的耐磨性能,图6是根据熊指爪结构设计的深松铲。
张智泓等人研究设计了仿生布利冈结构试样,并对比光滑件、单层棱纹件试样进行了磨损实验,其结果表明了布利冈结构件的磨损量最小,且标准差最小,耐磨性能较稳定。
张金波等人根据栉孔扇贝表面的棱纹形结构应用到深松铲表面结构设计中,采用65Mn和T10两种材料制备了肋条间距不同的三种试件,并与平板结构进行了对比试验,实验结果表明具有肋条的材料试件比普通平板型试件磨损量有所减少。刘敬等人以鲨鱼盾鳞表面非光滑结构(图7)为模型,通过激光熔覆的方式制备了以45钢为基体的起伏型和平板型仿生试样,设计了磨损实验并分析了两种试样的磨损机理。
郑龙等人受自然界生物表面纹理的启发,通过激光热处理制备了六边形纹理与硬度梯度相耦合(HT-L)、具有六边形纹理但无硬度梯度(HT-H)、激光热处理的光滑表面(Ss-L)的三种试样,为零件表面处理提供了一个新的方法。堆焊是通过不同的焊接工艺将合金均匀地沉积在基体表面以提高部件的硬度和耐磨性能的一种方法。翟鹏飞等人以60Si2Mn为基底对耕作部件堆焊合金铸铁,用金相显微镜观察堆焊层的结合状况和组织结构,用磨粒磨损试验机测试堆焊层的耐磨性。结果表明堆焊层具有良好的耐磨性,并且堆焊成本低,堆焊质量高,可用于农机触土部件的耐磨表面强化处理。Horvat采用焊条电弧焊和高频感应焊两种焊接工艺组合对基体为EN10027钢和基体为EN50Mn7钢的犁铧进行堆焊,并与普通犁铧进行对比,结果表明经过堆焊的犁铧有更低的燃油消耗和更高的工作效率,重量损失较轻,且整体生产成本较低,可用来作为提高触土部件耐磨性的解决方案。
2.2触土部件减粘脱附研究
2.2.1触土部件黏附产生的原因及影响
土壤黏附要受多方面因素的影响,土壤因素有土壤颗粒的占比情况、土壤孔隙度、土壤含水率、土壤磁性、土壤的酸碱度、土壤的容重及土壤表面形态;非土壤因素如材料表面的特性、耕作时的温度、部件的外形结构、部件施加的正压力和耕作的速度等。学者们从不同的角度提出了不同的土壤黏附理论,如水膜张力理论,分子电荷理论、五层界面模型和毛细管理论。粘粒占比大的土壤要比砂粒和壤土颗粒占比大的土壤黏附力更大;随着土壤含水量的增加,土壤间的黏附力也随之增大,当含水率达到了土壤的液限之后,此时土壤的黏附力开始下降,因此黏附力与土壤含水率呈二次抛物线的关系趋势;材料的表面特性对黏附也具有一定的影响,研究表明,表面自由能高,亲水性好的材料则粘附性强,反之粘附性则弱;研究者们也从仿生设计,优化部件的结构及几何形状来降低土壤的粘附。土壤的黏附力的大小主要取决于接触界面的水膜张力,且黏附力的大小近似等于界面的水膜面积与内部张力的乘积,因此土壤的含水率对黏附的影响很大。土壤与触土部件的表面产生的黏附力具有方向性,一般习惯分为法向黏附力和切向黏附力,法向黏附力与土壤的内聚力共同作用产生土壤的法向黏附,切向黏附力则与摩擦力共同作用产生切向黏附。
黏附性强的土壤不仅增加了作物种植时的难度,也给农民在收获作物时因清理作物上黏附的泥土带来了麻烦。更重要的是黏附增加了耕作机器作业时的阻力、能耗、耕作的质量和农业机械的故障率,缩短了农机的使用寿命。由于黏附在触土部件上的土壤改变了原本的机械结构,使得耕作时阻力加大,据有关数据统计,严重的土壤黏附使得耕作作业的牵引阻力增大了30%,从而造成不必要能源消耗。对黏附的触土部件的清理不仅耗费时间,影响耕作的效率,并且清理后的部件由于有土壤溶液及有机质的附着,加快了触土部件表面的腐蚀情况,进而增加表面的磨损。
2.2.2减粘脱附的研究现状
针对农业耕作中的黏附现象,国内外学者经过大量的研究与实验,取得了很大的进展,常用的方法有加热脱附、机械脱附、表面改性、表面改形、仿生减粘脱附。吉林大学的程超等人提出了利用界面加热来实现金属抖动板减粘脱附,通过加载加热实验,得到了镀锌板和不锈钢板两种金属抖动板脱附模型。加热脱附最开始是由培根提出,但是由于没有经济的热源,燃料消耗高,没有得到实际的应用。机械脱附中有刮削脱附和振动脱附两种方法。康迪鑫等人设计机械减粘降阻的xx装置时,在装置中设置了防黏土装置,避免了壅土现象的产生,保证xx碎土辊的正常工作。刘宏俊在xx装置减粘降阻的研究中,在实验中设置了刮削板来进行脱土,并通过试验进一步确定最优的刮削角。刘国阳等人设计了一种振动横挡阻隔式旋耕防粘结刀辊,通过离散元仿真和Matlab分析来确定激振装置的结构参数,并在最优参数组合条件下对激振装置进行优化设计。表面改性则是通过对表面材料进行工艺处理或熔覆等方式来提高材料表面的减粘脱附能力。王立新等人利用激光熔覆技术,在不锈钢推土板表面制备了蜣螂表面结构,增强了推土板表面的憎水性,降低了土壤与推土板间的黏附力。Soni等人用超高分子量聚乙烯为材料制作推土板,试验后发现该推土板可使土壤黏附减少10%到60%,且土壤含水率越高,减粘脱附效果越好。表面改形是结合仿真技术,通过模仿土壤动物某些部位的几何结构或研究土壤动物脱土原理来对触土部件加以优化以达到脱附减粘的目的。刘艳丰等人在研究中发现蜣螂表面具有奇特的非光滑结构如图8所示,且雄性的非光滑性要更明显些,这种凸包型非光滑表面能够降低土壤的黏附性。
3.未来展望
我国农业耕作机械触土部件的理论与技术研究经过多年的发展,与国外发达国家先进的农业机械的差距不断缩小,充分显现了我国发展农业机械的巨大潜力和空间。
随着我国农业向着现代化的方向发展,对农业机械的设计也有了更高的要求。目前对不同地区不同类型的土壤物理特性以及与触土部件作用关系的理论研究还比较少,在仿真中,假设土壤条件与实际土壤条件的误差还较大,在数值分析中,触土部件的数学模型及几何形状仍不够精确等。触土部件耐磨减阻、减粘脱附的优化设计仍有较大的发展空间。
3.1加强学科交叉融合,发挥学科交叉优势
触土部件及土壤间的作用关系,涉及多个领域研究,比如在耐磨减阻方面、对耐磨合金的研究将涉及材料的冶炼、加工及处理工艺;在结构设计优化方面,对仿生技术的研究将会涉及土壤动物的有关知识;振动技术在耕作部件上的应用,也需要振动基础理论加以支撑。
3.2根据区域特色优化触土部件
触土部件的设计和优化需要考虑具体的地理、土壤和气候条件,以确保其性能和耐用性。为了适应我国多地区多作物的农业生产国情,需要针对各地区情况优化土壤的耕作部件,例如在含水率较大的土壤中耕作时,设计的触土部件要考虑到对土壤的碾压次数要小,选用黏着性低的材料且宽深比要大一些;对于轻质砂土,耕作部件则要考虑到喷涂耐磨材料,刀片的进给速度要快一些,以提高碎土率。不同地区的土壤性质差异较大,对不同性质的土壤分别进行研究,为触土部件的个性优化提供理论基础。
3.3利用计算机辅助,提高优化设计效率
通过离散元法来模拟土壤颗粒间的微观运动机理,通过实地试验获取所需要的参数,来设置土壤的形状和接触力学模型,使土壤的物理特性更接近于实际土壤,并将离散元法与其他方法耦合,更好地反映土壤与触土部件间的力学关系,使得仿真结果更加贴近实际情况。
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