基于离散元法的深松铲结构与松土效果研究

深松铲作为保护性耕作工具之一，在实现农业可持续发展上起着重要作用。本文以后掠角为40°、50°、60°的弧形深松铲为研究对象，以分析深松铲结构与松土效果为目的，采用离散元法进行研究。研究的主要内容与结论如下： （1）目前通过离散元法研究深松铲主要停留在沙土上，与壤土相比，沙土粒径大、结构简单。本文在沙土的基础上研究了壤土，将田间试验壤土的耕层与犁底层分别进行了测试，包括密度、抗剪强度、摩擦系数等。 （2）模型的建立。边界模型通过Pro/e软件建立。土壤模型，目前通过离散元法研究深松铲时大多采用单一形状的颗粒随机分布生成颗粒工厂，与实际土壤颗粒差别较大，且没有考虑到土层的影响。因此，本文基于耕层与犁底层土壤的不同性能，分两层分别建立模型：耕层土壤用EDEM软件中的颗粒模板建立，采用球形颗粒组合的方式来近似地代表实际土壤颗粒的形状，并根据土壤质地分四层建立模型。犁底层土壤通过修改API函数进行替换的方法，将犁底层土壤的大颗粒用小颗粒替换，以便更加清楚地观察到深松过程中犁底层土壤的破碎情况，同时选用Hertz—Mindlin with bonding模型作为接触力学模型。 （3）深松铲的离散元仿真分析。目前通过离散元仿真来研究深松铲主要是分析深松铲的整体受力情况。本文不仅分析了深松铲工作过程的整体受力，还将深松铲进行分段，分别分析了深松铲不同部位的受力情况。此外，本文还分析了犁底层土壤颗粒的破碎情况及犁底层土壤颗粒与耕层土壤颗粒的接触情况，进而分析了深松铲的松土效果。得出的结论如下：①深松深度对深松铲阻力影响最大，其次是速度，再其次是后掠角大小；相同情况下，深松铲受到的水平阻力大于垂直阻力。②深松铲铲头与弧形铲柱部分受到的阻力较大。③后掠角为50°的弧形深松铲碎土效果最好，不翻转土层的性能最好。 （4）深松铲的田间试验。考虑到土槽试验环境与实际田间耕作环境差别较大，本文采用田间试验法进行研究，通过田间试验测试后掠角为40°、50°、60°弧形深松铲与直铲在壤土中的工作阻力及松土效果，并将田间试验结果与模拟结果进行对比，得出以下结论：①相同条件下，后掠角为50°的弧形深松铲比直铲受到的阻力小。证明相同条件下，后掠角弧形深松铲比直铲省力。②田间试验结果与仿真结果基本吻合，两者的水平阻力误差在8.05%～16.82%范围之内，垂直阻力误差在7.05%～16.4%范围之内，证明了选用的参数与建立的模型是可行的。③深松后土壤的膨松度得以提高，碎土效果明显。④根据离散元仿真与田间试验得出了后掠角为50°的弧形深松铲进一步优化的策略是优化铲头与弧形铲柱部分。