木薯收獲機土薯抖動分離裝置性能仿真及試驗

楊 望，張栩梓，楊 堅※，鄭 賢，廖 麗（. 廣西大學機械工程學院，南寧 530004；. 廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，南寧 530007）

木薯收獲機土薯抖動分離裝置性能仿真及試驗

楊 望1，張栩梓1，楊 堅1※，鄭 賢1，廖 麗2
（1. 廣西大學機械工程學院，南寧 530004；2. 廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，南寧 530007）

為了考察木薯收獲機塊根拔起時彈簧式土薯抖動分離裝置的土薯分離機理和因素對分離性能的影響規(guī)律，優(yōu)化性能影響因素，進行彈簧式土薯抖動分離裝置動力學仿真試驗。采用光滑粒子流體動力學和有限元的耦合方法及二次回歸通用旋轉(zhuǎn)設計方法，構(gòu)建土壤-木薯-抖動分離裝置系統(tǒng)的動力學仿真模型和影響土薯分離性能的回歸數(shù)學模型，研究了木薯塊根拔起時土薯抖動的分離機理及各影響因素對土薯分離性能的影響規(guī)律，同時，采用MATLAB優(yōu)化工具箱中的fmincon函數(shù)，對性能影響因素進行了優(yōu)化。結(jié)果表明，因素的優(yōu)組合為：長孔長度2.68 cm、彈簧剛度20.04 kN/cm、彈簧預緊力335.2 N，相應的干凈度為0.778，碰撞力為320 N，試驗驗證的干凈度為0.698，與理論結(jié)果的相對誤差較小，約為10%，理論結(jié)果與驗證結(jié)果較一致，表明建立的回歸數(shù)學模型及優(yōu)化結(jié)果合理。研究結(jié)果可為土薯分離質(zhì)量高的挖拔式木薯收獲機彈簧式土薯抖動分離裝置的設計提供參考。

機械化；模型；優(yōu)化；木薯收獲機；土薯抖動分離裝置；仿真試驗

0 引 言

土薯分離是木薯塊根收獲過程的一個重要環(huán)節(jié)，挖掘松土-抖動分離型的木薯塊根收獲機采用振動篩分離裝置進行土薯分離，對砂質(zhì)土其土薯分離效果好，但對黏土的適應性差[1-6]。挖掘松土-夾持帶拔起分離型的木薯塊根收獲機采用挖掘鏟松土，夾持帶夾持拔起塊根，向后上方輸送、抖動進行土薯分離，塊根收獲損失受莖稈直徑大小不一的影響大[7-14]。挖拔型的木薯塊根收獲機采用挖掘鏟松土（土質(zhì)較松時，無需挖掘鏟松土），夾頭夾持拔起塊根，凸輪抖動機構(gòu)抖動夾頭進行土薯分離，拔起速度可控，功耗小，塊根收獲損失少，對土壤的適應性好，但機構(gòu)相對復雜[15-17]。

利用彈簧回彈作用進行土薯分離的裝置（下面簡稱土薯抖動分離裝置）是一種結(jié)構(gòu)簡單，無需動力驅(qū)動，適用于挖拔式木薯塊根收獲機的土薯分離裝置[18]，但目前其土薯分離機理及彈簧的剛度、預緊力和彈簧拉伸量對土薯分離性能的影響不詳，土薯分離性能影響因素的優(yōu)化研究成果匱乏，土薯分離質(zhì)量較差。

因此，本文采用光滑粒子流體動力學（smoothed particle hydrodynamics，SPH）和有限元（finite element method，F(xiàn)EM）的耦合方法和土壤分層建模技術(shù)，文獻[19]的土壤-木薯系統(tǒng)的建模方法，構(gòu)建土壤-木薯-抖動分離裝置系統(tǒng)的動力學仿真模型，研究土薯抖動分離裝置的土薯分離機理，找出影響土薯分離性能的主要因素。然后采用仿真試驗設計和回歸分析方法，構(gòu)建影響土薯分離性能的數(shù)學模型，研究各影響因素對土薯分離性能的影響規(guī)律，且結(jié)合土薯分離機理的分析，探索各影響因素對土薯分離性能的影響機理。同時，利用土薯分離性能的數(shù)學模型，采用優(yōu)化技術(shù)對性能影響因素進行優(yōu)化，以期為挖拔型的木薯塊根收獲機土薯抖動分離裝置的優(yōu)化設計提供參考。

1 有限元建模

1.1 幾何模型

土薯抖動分離裝置由上套筒連接圓盤1、上套筒2、上彈簧掛軸3、彈簧4、下彈簧掛軸5、下套筒6、下套筒連接圓盤7和上套筒長孔8等組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。上、下套筒孔位安裝彈簧掛軸，彈簧安裝在上下彈簧掛軸間，下彈簧掛軸可在上套筒長孔中上下移動，上、下套筒連接圓盤分別與木薯收獲機的拔起機構(gòu)和夾頭連接。土薯抖動分離裝置建模時，為了減少仿真計算時間，采用一維彈簧單元COMBI 165代替復雜的三維彈簧，上套筒與上彈簧掛軸、下套筒與下彈簧掛軸分別建成一體，下套筒與木薯莖稈建成一體（作剛體處理），仿真試驗設計建模時，長孔長度（下彈簧掛軸在長孔中的最大移動量）根據(jù)試驗設計方案確定，其余的幾何尺寸按現(xiàn)有物理樣機的確定。

木薯塊根生于土中，大多呈單層圓盤狀分布，單個塊根近似呈長的圓錐形，如圖2所示。SPH法要求同一材料的所有SPH節(jié)點應具有相同的質(zhì)量，建模生成的粒子有規(guī)則和均勻分布，才能提高其計算精度，因此建模時，參考文獻[19]把單個塊根簡化成前部為一長方體，其余部分為一長的正四棱臺，而莖稈簡化成長方體，塊根呈對稱分布，如圖3所示，其中短塊根長l為220 mm，最大截面邊長l2為30 mm，最小截面的邊長為最大截面邊長l2的1/2，最大截面積的塊根段長度l1為55 mm，長塊根的尺寸按圖2所示的比例確定。塊根拔起時，塊根附近土壤產(chǎn)生大變形和破裂，其余區(qū)域的土壤產(chǎn)生小變形，因此，在大變形區(qū)域（內(nèi)層土壤）使用SPH，在小變形區(qū)域（外層土壤）使用FEM，同時為避免邊界處波的反射對求解域的影響，對外層土壤外邊界（有限域表面）施加無反射邊界來模擬地面。土壤分為四層建模，每層50 mm，木薯塊根置于第3層與第4層之間，土壤整體模型尺寸為800 mm×800 mm×250 mm，內(nèi)層土壤的尺寸為600 mm×600 mm×200 mm。由于實體模型在空間對稱，只建其1/4實體（其中，彈簧的剛度和預緊力取1/4建模）。

圖1 土薯抖動分離裝置的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of soil-cassava jitter separation device

圖2 木薯生長情況Fig.2 Growth situation of cassava

圖3 木薯建模簡圖Fig.3 Simplified model of cassava

1.2 材料模型

土壤模型：土壤的本構(gòu)關(guān)系對塊根拔起過程模擬計算結(jié)果的準確性影響較大[20-24]，因此，為了提高模擬計算精度，本文參照文獻[25-27]，選用MAT_FHWA_SOIL作為土壤材料模型，該模型考慮了含水率、應變軟化、應變率效應、孔隙比及孔隙水壓力等的影響，其服從修正的莫爾-庫侖屈服準則。

式中F為屈服面力，MPa；P為靜水壓力值，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(o)；J2為應力偏張量第二不變量；K(θ)為張量平面角的函數(shù)；A為D-P系數(shù)；c為黏聚力，MPa。

模型的土壤主要材料參數(shù)參考文獻[28]的方法，采用實測和反求技術(shù)獲得，每層土壤的主要建模材料參數(shù)如表1所示。試驗地為中國最大木薯種植基地廣西武鳴木薯種植基地，土壤為紅黏土。

表1 土壤主要建模材料參數(shù)Table 1 Main modeling material parameters of soil

為了便于建模，把塊根和莖稈作為各向同性彈性材料建模。塊根材料參數(shù)：密度為1 036 kg/m3，彈性模量為7.23×106Pa，泊松比為0.3。莖稈材料參數(shù)：密度為836.8 kg/m3，彈性模量為35.36×106Pa，泊松比為0.3[29]。

抖動分離裝置材料參數(shù)：密度為7 800 kg/m3，彈性模量為2×1011Pa, 泊松比為0.27。

1.3 動力學仿真模型

動力學仿真模型的計算精度、求解時間與網(wǎng)格劃分疏密程度有關(guān)，網(wǎng)格尺寸小，仿真精度高，但求解所需時間長。本文綜合考慮取內(nèi)層土壤網(wǎng)格邊長為12 mm，外層土壤網(wǎng)格邊長為20 mm ；木薯莖稈和塊根連接處網(wǎng)格大小相同，邊長均為14 mm，剩余部分塊根網(wǎng)格大小為20 mm，網(wǎng)格劃分方法均為掃略式。下套筒、莖稈與塊根連接處網(wǎng)格尺寸為14 mm，上套筒網(wǎng)格尺寸為10 mm。由于實體模型取1/4進行離散，在定義對稱邊界條件時，約束對稱邊界網(wǎng)格節(jié)點的自由度，同時對處于對稱邊界面附近的粒子使用“虛粒子”方法處理，外層土壤外邊界（除地表面）施加約束。田間木薯塊根拔起過程的試驗結(jié)果表明，靠近莖稈處的塊根上表面和側(cè)面及莖稈表面始終與土壤緊密接合，形成一個土盤，因此，為了更好的模擬木薯塊根拔起過程，靠近莖稈處的長方體塊根上表面和側(cè)面與土壤之間定義為固連接觸，莖稈與土壤之間定義為固連接觸，塊根的其余表面與土壤間定義為點面接觸，上下套筒、下彈簧掛軸與上套筒長孔間接觸定義為自動點面接觸。通過定義彈簧初始位移，定義彈簧預緊力。機械的較優(yōu)拔起速度模型分為拋物線和正弦函數(shù)兩部分，而本文的土薯抖動分離裝置已起到抖動作用，因此，本文塊根拔起速度取較優(yōu)拔起速度模型的一部分，即省去正弦函數(shù)部分[30](v(t) = -0.056t2+0.521t+0.048)，拔起速度施加在上套筒上。建立的土壤-塊根-抖動分離裝置系統(tǒng)的動力學仿真模型如圖4所示。

圖4 土壤-塊根-抖動分離裝置系統(tǒng)動力學仿真模型Fig.4 Dynamics simulation model of soil-tuber-jitter separation device system

2 土薯抖動分離過程分析

圖5是彈簧拉力的變化曲線圖，圖6是上套筒長孔與下彈簧掛軸的接觸力圖，圖7是塊根拔起過程的動力學仿真截圖。塊根拔起動力學仿真分析時，取彈簧剛度為4.5 kN/m，彈簧預緊力為75 N，上套筒長孔長度為2 cm。

圖5 彈簧拉力變化Fig.5 Spring tension variation

圖6 上套筒長孔與下彈簧掛軸的接觸力變化曲線Fig.6 Variation curve of contact force between long hole of sleeve above and hanging scroll of spring below

由圖5、6、7可知，時間t小于0.34 s時，開始由于塊根拔起力小于彈簧預緊力，下彈簧掛軸與上套筒長孔上端緊貼，但隨著塊根拔起（上套筒向上運動），塊根拔起力逐漸增大，下彈簧掛軸與上套筒長孔上端的接觸力逐漸減小，當塊根拔起力大于彈簧預緊力時，下彈簧掛軸與上套筒長孔上端分離，下彈簧掛軸相對上套筒長孔向下移動，最后與上套筒長孔下端接觸，彈簧達到最大變形量，彈簧拉力達到最大值，且長孔長度越長，彈簧最大變形量越大。在這期間下彈簧掛軸與上套筒長孔上端的接觸力逐漸變?yōu)榱悖@時由于塊根的向上移動，土壤開始被向上抬起。時間t在0.34～0.96 s時，下彈簧掛軸與上套筒長孔下端接觸，彈簧拉力不變，而隨著塊根拔起，塊根拔起力增大，下彈簧掛軸與上套筒長孔下端的接觸力逐漸增大，t約為0.78 s時，接觸力達到負向最大值。由于靠近莖稈處的塊根截面尺寸大，塊根尾部截面尺寸小，塊根后部易產(chǎn)生變形，對土壤的作用相對弱，靠近莖稈處的塊根擠壓土壤作用較大，因此，在這期間隨著塊根向上拔起，塊根對土壤的擠壓作用不斷增大，土壤的剪切作用不斷增強，土壤出現(xiàn)的環(huán)形剪裂面不斷擴大，靠近莖稈處的塊根上方土壤在塊根后部土壤重力和拉應力作用下，產(chǎn)生彎折破裂，而彎折破裂的土壤產(chǎn)生向下掉落趨勢，使得靠近莖稈處塊根上方的土壤彎折破裂逐漸加大，與文獻[19]的研究結(jié)果一致。當t> 0.96 s時，根土混合物接近與土體分離，這時彈簧拉力已大于土體對根土混合物的束縛力和根土混合物重力之和，彈簧收縮，下彈簧掛軸與上套筒長孔下端分離，這時在彈簧收縮作用帶動下塊根對土壤產(chǎn)生抖動作用，土壤被抖松，接著當根土混合物與土體分離后，根土混合物向上運動，當t約1.3 s時，下彈簧掛軸與上套筒長孔上端產(chǎn)生碰撞力，根土混合物產(chǎn)生振動，根土混合物的土壤被進一步振松，回落，完成土薯分離，而塊根在自身彈性恢復力的作用下，逐漸恢復原狀。

圖7 塊根拔起過程仿真截圖Fig.7 Simulation screenshot of cassava tuber lifting process

3 影響因素試驗及分析

3.1 試驗方案及結(jié)果

試驗采用動力學仿真和二次回歸通用旋轉(zhuǎn)設計進行。本文根據(jù)土薯抖動分離裝置的結(jié)構(gòu)和彈簧的工作參數(shù)，選取長孔長度x1、彈簧剛度x2和彈簧預緊力x3為試驗因素，土薯分離干凈度y1、下彈簧掛軸與上套筒長孔的碰撞力y2作為試驗指標。干凈度

式中g(shù)1是有抖動分離裝置的塊根拔起后殘留在塊根上的土壤質(zhì)量，kg；g2是沒有抖動分離裝置的塊根拔起后殘留在塊根上的土壤質(zhì)量，kg。因素水平的最大和最小值據(jù)土薯抖動分離過程分析和前期初步仿真試驗確定。因素水平編碼表如表2所示，試驗方案及結(jié)果如表3所示。

表2 因素水平編碼Table 2 Coding of factor and levels

表3 試驗方案及結(jié)果Table 3 Scheme and results of experiment

3.2 影響因素分析

3.2.1 回歸分析

運用SPSS軟件對表3的試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得干凈度y1、碰撞力y2與長孔長度x1、彈簧剛度x2和彈簧預緊力x3關(guān)系的數(shù)學模型分別為

對數(shù)學模型式（3）、（4）和回歸系數(shù)進行顯著性檢驗，檢驗結(jié)果為：數(shù)學模型在0.002水平上顯著，其回歸系數(shù)也在0.028-0.001水平上顯著，表明兩回歸數(shù)學模型高度顯著，長孔長度x1、彈簧剛度x2和彈簧預緊力x3對干凈度y1、碰撞力y2的影響大。

3.2.2 單因素影響

應用MathCAD軟件對式（3）、（4）進行模擬計算，模擬計算時除考慮的因素外其余的因素取零水平值，得出各數(shù)學模型所對應的變化曲線，如圖8、9所示。其中，圖8是各影響因素與干凈度y1的關(guān)系曲線，圖9是各影響因素與碰撞力y2的關(guān)系曲線。

圖8 各影響因素與干凈度的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between cleaning degree and influencing factors

圖9 各影響因素與碰撞力的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between collision force and influencing factors

由圖8a、9a可知，隨長孔長度x1的增大，干凈度y1、下彈簧掛軸與上套筒長孔的碰撞力y2呈凹面向下的拋物線變化。其原因是，長孔長度大，彈簧最大拉伸量大，彈簧拉力大，根土混合物與土體分離前彈簧對土壤起抖動作用的時間早，根土混合物與土體分離時的含土量少、土松，且與土體分離后的根土混合物在彈簧作用下的回彈間隔大，下彈簧掛軸與上套筒長孔的碰撞力大，根土混合物的振動量大，土薯分離效果好，干凈度大，但當長孔長度大到一定值后，隨長孔長度增大，雖然彈簧最大拉伸量增大，彈簧拉力增大，根土混合物與土體分離前彈簧對土壤起抖動作用的時間變早，根土混合物與土體分離時的含土量減少、土變松，但這時根土混合物在彈簧作用下的回彈間隔減小，下彈簧掛軸與上套筒長孔的碰撞力減小，根土混合體的振動量減小，綜合結(jié)果干凈度減小，故隨長孔長度的增大，干凈度、碰撞力呈凹面向下的拋物線變化。

由圖8b、9b可知，干凈度y1隨彈簧剛度x2的增大而增大，碰撞力y2隨彈簧剛度x2的增大而減小。其原因是，彈簧剛度大，彈簧拉力大，根土混合物與土體分離前彈簧對土壤起抖動作用的時間早，根土混合物與土體分離時的含土量少、土松，這時雖然根土混合物在彈簧作用下的回彈間隔減小，下彈簧掛軸與上套筒長孔的碰撞力減小，但綜合結(jié)果干凈度增大，故干凈度隨彈簧剛度的增大而增大，碰撞力隨彈簧剛度的增大而減小。

由圖8c、9c可知，隨彈簧預緊力x3的增大，干凈度y1呈凹面向下的拋物線增大，碰撞力y2呈線性增大。其原因是，隨著彈簧預緊量增大，根土混合物與土體分離前彈簧對土壤起抖動作用的時間變早，根土混合物與土體分離時的含土量減少、土變松，且雖然這時根土混合物在彈簧作用下的回彈間隔減小，但彈簧預緊量大，回彈力大，綜合結(jié)果碰撞力增大，根土混合物的振動量增大，干凈度增大，故隨彈簧預緊力的增大，干凈度呈凹面向下的拋物線增大，碰撞力呈線性增大。

3.2.3 因素交互影響

應用MathCAD軟件對式（4）進行模擬計算，模擬計算時長孔長度取零水平值，得出彈簧剛度x2和預緊力x3的交互作用與碰撞力y2的關(guān)系圖，如圖10所示。

圖10 彈簧剛度和預緊力的交互作用與碰撞力的關(guān)系圖Fig.10 Relationship of interaction of spring stiffness and pre-tightening force and impact force

由圖10可知，碰撞力隨x3的增大而增大，隨著x2的增大而變小。小的x3與小的x2組合時，碰撞力較大，小的x2與大的x3組合時，碰撞力最大，大的x2與小的x3組合時，碰撞力最小。

4 試驗因素優(yōu)化及驗證

本文采用MATLAB優(yōu)化工具箱中的fmincon函數(shù)和式（3）對干凈度影響因素長孔長度x1、彈簧剛度x2、彈簧預緊力x3進行優(yōu)化。由于碰撞力過大，影響到木薯收獲機拔起速度控制的精度和降低上套筒長孔的壽命，因此，本文在進行因素優(yōu)化時，選取60～80 N的碰撞力作為約束條件。因素的取值范圍按試驗方案的選取。優(yōu)化結(jié)果的因素優(yōu)組合為：x1=2.68 cm、x2=5.01 kN/cm、x3= 83.80 N，相應的干凈度0.778，碰撞力80 N。相應完整模型的因素優(yōu)化結(jié)果為：長孔長度2.68 cm、彈簧剛度20.04 kN/cm、預緊力335.2 N，相應的干凈度為0.778，碰撞力為320 N。

本文采用仿真試驗與物理試驗相結(jié)合的方法對優(yōu)化結(jié)果進行驗證。因素優(yōu)組合為x1=2.68 cm、x2=5.01 kN/cm、x3=83.8 N條件下的仿真試驗結(jié)果為：干凈度為0.786，碰撞力為82.4 N。與優(yōu)化結(jié)果的相對誤差小于5%，其結(jié)果在95%預測區(qū)間(y1-2σ, y1+2σ)內(nèi)。

由于木薯塊根的生長情況存在差異，難于在塊根生長情況完全一致的條件下，進行有、無土薯抖動分離裝置的田間木薯塊根拔起試驗，因此，進行物理試驗驗證優(yōu)化結(jié)果時，在有、無土薯抖動分離裝置條件下，分別拔起10棵木薯，測出每棵木薯塊根上土壤的殘留量，后分別取2種條件下塊根上土壤的殘留量平均值，按式（2）計算干凈度，把由田間試驗結(jié)果計算得到的干凈度和優(yōu)化結(jié)果的干凈度比較，驗證優(yōu)化結(jié)果的合理性。

試驗采用由廣西大學研制的拔起速度可控的木薯塊根收獲機進行。該機由懸掛裝置、松土鏟、夾持裝置、土薯抖動分離裝置、提升機構(gòu)（包括滑動導軌、齒輪齒條傳動系統(tǒng)和液壓馬達）和電液控制系統(tǒng)組成，由拖拉機懸掛牽引作業(yè)，且提供液壓馬達所需的高壓油。驗證試驗時，為了和仿真試驗的條件一致，不使用松土鏟松土（拆去松土鏟），進行木薯塊根拔起。進行無土薯抖動分離裝置的塊根拔起試驗時，采用適當措施使其彈簧作用失效。拖拉機前進速度為0.2 m/s。土薯抖動分離裝置的長孔長度為2.68 cm、彈簧剛度為20.04 kN/cm、彈簧預緊力為335.2 N（因素的優(yōu)組合），試驗地為廣西大學木薯種植試驗地，土壤為紅黏土。土壤含水率為21.21%，木薯品種為華南205。試驗時間為2016年12月26日。試驗的現(xiàn)場圖11所示。

圖11 木薯塊根試驗的現(xiàn)場Fig.11 Cassava tuber testing field

表4是田間木薯塊根拔起試驗的結(jié)果。對表4塊根質(zhì)量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，其方差為0.498，變異系數(shù)為13%，表明試驗樣本木薯的選擇合理。而由表4可知，有分離裝置的平均根土混合物的質(zhì)量為5.835 kg，平均殘留在塊根上的土壤質(zhì)量為0.794 kg，而無分離裝置的平均根土混合物的質(zhì)量為7.998 kg，平均殘留在塊根上的土壤質(zhì)量為2.627 kg，平均干凈度為0.698。物理試驗的干凈度與優(yōu)化結(jié)果的相對誤差較小，約為10%，表明優(yōu)化結(jié)果合理。

表4 物理試驗結(jié)果Table 4 Physical experimental results

5 結(jié) 論

1）彈簧收縮，帶動塊根對土壤產(chǎn)生抖動及下彈簧掛軸與上套筒長孔上端產(chǎn)生接觸碰撞，使根土混合物產(chǎn)生振動是實現(xiàn)土薯分離的原因。

2）干凈度和碰撞力隨長孔長度的增大，呈凹面向下的拋物線變化；干凈度隨彈簧剛度的增大而增大，碰撞力隨彈簧剛度的增大而減??；干凈度和碰撞力隨彈簧預緊量的增大而增大。

3）因素的優(yōu)組合為長孔長度2.68 cm、彈簧剛度20.04 kN/cm、預緊力335.2 N，相應的干凈度為0.778，碰撞力為320 N。試驗驗證的干凈度為0.698，與理論結(jié)果的相對誤差較小，約為10%，因素的優(yōu)化結(jié)果合理，可作為土薯抖動分離裝置的設計提供參考。

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Simulation and test on performance of soil-cassava jitter separation device of cassava harvester

Yang Wang1, Zhang Xuzi1, Yang Jian1※, Zheng Xian1, Liao Li2
(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. Department of Electro-machinery Engineering, Guangxi Agricultural Vocational College, Nanning 530007,China )

In order to obtain the soil-cassava separating mechanism and the effect laws of different factors on soil-cassava separating performance of spring type soil-cassava jitter separation device when the cassava tubers were lifted by cassava harvester, as well as the optimal values of factors, dynamics simulation model of soil-cassava jitter separation device system and regression mathematical model of separating performance of the device were established by using coupling method of FEM (finite element method) and SPH (smoothed particle hydrodynamics) and quadratic regression general rotation design method. The soil-cassava separating performance of spring type soil-cassava jitter separation device was studied. The effects of the length of long hole, spring stiffness and spring pre-tightening force on the soil-cassava separating cleanliness and the collision force between hanging scroll of spring below and long hole of sleeve above were discovered, respectively. Then, the influence factors of soil-cassava separating performance were optimized by using the fmincon function in the optimization toolbox of MATLAB software. Thus, the optimal combination of factors was obtained and the optimization result was verified by cassava tuber lifting experiment in the field. When the separation device was used in the field experiment, the average quality of the tuber-soil mixture was 5.835 kg, and the average quality of the residual soil on the tubers was 0.794 kg. When the separation device was not used in the field experiment, the average quality of the tuber-soil mixture was 7.998 kg, and the average quality of the residual soil on the tubers was 2.627 kg. The average clean degree in field experiment was 0.698. The results show that the regression mathematical models of soil-cassava separation performance are significant at 0.002 level. The regression coefficients are significant at the level from 0.001 to 0.028. The regression mathematical models are highly significant, which can be used in the study of soil-cassava separation performance of spring type soil-cassava jitter separation device. When the separation of the soil and the tuber-soil mixture nearly occurs, the spring tensile force is greater than the sum of the force binding tubers with soil and the gravity of the tuber-soil mixture, and the spring is contracted. The hanging scroll of spring below and the lower end of the long hole of sleeve above are separated. The cassava tubers are driven by the contraction of the spring, which results in dithering of soil and softening of the tuber-soil mixture. After the separation of the soil and the tuber-soil mixture, the spring rebounds under the function of the spring restoring force, and the contact collision occurs between the hanging scroll of the spring below and the top of the long hole of sleeve above, which results in the vibration of the tuber-soil mixture. The soils of the tuber-soil mixture become looser. Finally, the soils fall to ground, and the soil and the tubers are separated. With the increasing of the length of the long hole, cleaning degree and collision force are changing along a parabola pattern with a downward opening. With the increasing of spring stiffness, cleaning degree increases. With the increasing of spring stiffness, collision force decreases. With the increasing of spring pre-tightening force, cleaning degree and collision force increase. The optimal combination of factors is as follows: The length of the long hole is 2.68 cm, the spring stiffness is 20.04 kN/cm and the spring pre-tightening force is 335.2 N. And the corresponding cleaning degree and the collision force are 0.778 and 320 N, respectively. The relative error of cleanliness is about 10% compared with the results of field experiment. Optimization result of the factors is reasonable, which can be the design basis of the spring type soil-cassava jitter separation device.

mechanization; models; optimization; cassava harvester; soil-cassava jitter separation device; simulation test

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.003

S225.7+1

A

1002-6819(2017)-16-0018-08

楊 望，張栩梓，楊 堅，鄭 賢，廖 麗. 木薯收獲機土薯抖動分離裝置性能仿真及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(16)：18-25.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.003 http://www.tcsae.org

Yang Wang, Zhang Xuzi, Yang Jian, Zheng Xian, Liao Li. Simulation and test on performance of soil-cassava jitter separation device of cassava harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 18-25. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.003 http://www.tcsae.org

2017-03-14

2017-06-27

國家自然科學基金項目（51365005）；國家自然科學基金項目（51065003）；廣西高校現(xiàn)代設計與先進制造重點實驗室主任課題（GXXD16ZD-02）

楊 望，男，廣西合浦人，副教授，博士，主要從事木薯和甘蔗機械設計基礎理論研究。南寧 廣西大學機械工程學院，530004。

Email：yanghope@163.com

※通信作者：楊 堅，男，廣西合浦人，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械設計及性能優(yōu)化研究。南寧 廣西大學機械工程學院，530004。

Email：yangokok@gxu.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學會高級會員：楊 望（E041200798S）