基于離散元法的寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)輸送機(jī)構(gòu)研究

吳 俊,鄭毅敏，王 鶴，慕 松，尚 欣

(寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021)

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基于離散元法的寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)輸送機(jī)構(gòu)研究

吳 俊,鄭毅敏，王 鶴，慕 松，尚 欣

(寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021)

針對(duì)現(xiàn)有收獲機(jī)在果實(shí)的運(yùn)送過程中存在的壅土、耗用勞動(dòng)力大等突出問題，以寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)收獲機(jī)的輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。使用離散元法建立土壤的運(yùn)動(dòng)模型，比較了輸送器在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)下果實(shí)與土壤的輸送情況，確定了收獲機(jī)合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高了寶塔菜收獲率，為收獲機(jī)輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究提供了理論依據(jù)。田間初步試驗(yàn)表明：果實(shí)和土壤能夠流暢輸送，證明了運(yùn)用離散元法分析收獲機(jī)輸送機(jī)構(gòu)的可行性。

寶塔菜；離散元法；輸送器；橫向輸送鏈板

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)寶塔菜收獲機(jī)的研究很少，沒有成熟的收獲機(jī)械。對(duì)寶塔菜果實(shí)的收獲主要依靠人工作業(yè)，滿足不了當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)寶塔菜的需求，對(duì)寶塔菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形成了制約。

寶塔菜基本采用分段式的收獲方式，在粘重土壤條件下采用聯(lián)合收獲[1]。寶塔菜根莖與土壤在輸送分離過程中形成的土球，增大了收獲難度，降低了收獲效率，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。分段收獲方式需要人工后續(xù)的拾撿，效率低于聯(lián)合式收獲，且寶塔菜果實(shí)表皮脆嫩，在輸送過程中容易受損，對(duì)儲(chǔ)存造成影響。為了輸送過程中避免果實(shí)受到損傷，符合食品的安全要求，現(xiàn)階段輸送鏈?zhǔn)綉?yīng)用最廣。該傳動(dòng)方式作業(yè)穩(wěn)定，工作效率較高，但其也存在相應(yīng)的技術(shù)問題(如鏈結(jié)間隙間容易纏繞雜草及需求動(dòng)力大)，從而導(dǎo)致故障率高、機(jī)械損傷大及作業(yè)效率低等問題[1]。

離散元法(Distinct Element Method，DEM)是由CUNDALL 提出的一種處理非連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方程，用時(shí)步迭代的方法求解各剛性元素的運(yùn)動(dòng)方程，繼而求得不連續(xù)的整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)。其允許單元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不一定要滿足位移連續(xù)和變形協(xié)調(diào)條件，適合求解非線性問題，且所需內(nèi)存空間小，計(jì)算速度快[2]。

針對(duì)以上系列問題，本文利用離散法研究草石蠶收獲機(jī)的輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，在滿足寶塔菜收獲農(nóng)藝條件的前提下，研究并確定收獲機(jī)輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，使其性能達(dá)到最佳。同時(shí)，進(jìn)行田間試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了草石蠶的運(yùn)輸，避免了壅土問題，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效率。

1 機(jī)具工作原理及輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)具工作原理

該機(jī)對(duì)土壤與果實(shí)的篩選分為4級(jí)。寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)主要由旋耕裝置、挖掘鏟、鏈桿式輸送器、橫向鏈桿輸送器、滾筒篩分離裝置、振動(dòng)篩分離裝置及塊莖集裝箱組成，如圖1所示。

1.滾筒篩 2.機(jī)架 3.挖掘鏟 4.旋耕裝置 5.一級(jí)輸送鏈

因考慮到耕作地形、動(dòng)力傳動(dòng)的方便性，故選用牽引式；采用傳動(dòng)軸連接，將其后置于拖拉機(jī)，采用液壓三點(diǎn)懸掛調(diào)節(jié)挖掘深度，保證挖掘要求；動(dòng)力輸入由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供。

拖拉機(jī)牽引機(jī)具前行，旋耕裝置轉(zhuǎn)動(dòng)作用于地面，打碎表面板結(jié)，并刮落一部分雜草避免后續(xù)的堵塞；寶塔菜果實(shí)與土壤隨挖掘鏟進(jìn)入一級(jí)鏈桿輸送裝置，再由二級(jí)橫向鏈板輸送至滾筒篩，經(jīng)滾筒篩實(shí)現(xiàn)初步的土壤與果實(shí)的分離；此時(shí)，少量的土壤與果實(shí)落入振動(dòng)篩選器，經(jīng)振動(dòng)篩選后最終進(jìn)入集裝箱[4]。

1.2 輸運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鏈桿式輸送裝置由一級(jí)輸送裝置和二級(jí)橫向輸送裝置組成，二者均采用鏈桿結(jié)構(gòu)。由于鏈傳動(dòng)有無(wú)彈性滑動(dòng)、結(jié)構(gòu)緊湊及傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，適用于聯(lián)合收獲機(jī)，如圖2所示。鏈板由直徑為8mm的圓柱鐵桿和鏈條組成，既可以輸送果實(shí)和土壤，又可以篩選去部分土壤。寶塔菜果實(shí)呈現(xiàn)螺旋形，平均橫截面積直徑僅為8mm左右，為了降低果實(shí)的遺漏損失率，將鏈條節(jié)距設(shè)為8mm。根據(jù)寶塔菜實(shí)際種植情況，將一級(jí)輸送裝置中的寬幅依次設(shè)為264、314、264mm( 從左至右) ，其輸送行程均為450mm; 二級(jí)輸送裝置中的寬幅為230mm，輸送行程為1 150mm[4]。

1.一級(jí)鏈桿輸送裝置 2.二級(jí)鏈桿橫向輸送裝置

2 EDEM離散元仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)因數(shù)及水平

影響輸運(yùn)機(jī)構(gòu)作業(yè)性能參數(shù)主要為結(jié)構(gòu)參數(shù)。進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，以土壤的平均速度為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，選取一級(jí)輸送鏈板的線速度和傾角為實(shí)驗(yàn)因素，開展模擬仿真實(shí)驗(yàn)。為保證果實(shí)與土壤運(yùn)輸?shù)牧鲿承?，輸送器線速度應(yīng)大于或等于機(jī)具前行速度，選定奔野-25III擋(4.3km/h)，速度約為1.2m/s。故一級(jí)輸送器的線速度選取1.2、1.5、1.8m/s這3個(gè)水平，傾角選取20°、25°、30°這3個(gè)水平[6]，橫向輸送鏈板的線速度應(yīng)取2m/s。

每次仿真實(shí)驗(yàn)開始前，在SolidWorks 軟件[5]中生成相應(yīng)的輸運(yùn)機(jī)構(gòu)三維模型，以IGES 格式的文件保存，然后將文件導(dǎo)入EDEM 軟件中，并對(duì)模型進(jìn)行前處理[6]。

2.2 離散元模型的建立

該模型假設(shè)為離散單元為剛性體，離散單元之間為點(diǎn)接觸，其接觸特性為軟接觸，即剛性離散單元在接觸點(diǎn)處允許有一定的重疊量，在所有時(shí)間中任何離散單元所受合力可由與其接觸的離散單元之間的相互作用確定[7]，如圖3所示。土壤間存在粘結(jié)作用力，選用軟球模型。由于連桿間距離較小，篩土能力較弱，為了便于模擬和減少計(jì)算量, 在建模時(shí)近似為輸送帶模型，材料屬性仍然設(shè)置為鋼件。

圖3 處于仿真區(qū)域的輸運(yùn)系統(tǒng)

建立土壤顆粒與輸送系統(tǒng)的接觸模型采用Hert-Mindlin模型，也被稱為彈性-阻尼-摩擦接觸力學(xué)模型[8]，其在物料的篩分、輸運(yùn)等方面被普遍應(yīng)用。在仿真過程中，模型的相關(guān)參數(shù)可以由楊氏彈性模量E和剪切模量G通過計(jì)算獲得[9]，研究中涉及到的離散元參數(shù)主要分為材料參數(shù)和接觸參數(shù)兩類，通過查閱文獻(xiàn)確定[10]，如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)

EDEM 軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算雷利步長(zhǎng)[11]，取1.4×10-4s，在輸送器前段放置顆粒工廠，設(shè)置每秒生成顆粒500，網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)置為最小顆粒半徑的2倍，對(duì)一級(jí)輸送器和二級(jí)橫向輸送器的線速度分別加以定義。仿真開始，顆粒工廠生成顆粒，輸送器開始運(yùn)行， EDEM軟件的后處理工具模塊可以對(duì)仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并且導(dǎo)出[12]。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為離散元仿真獲得的理想狀態(tài)下單個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化曲線。果實(shí)與土壤到輸送器后，土壤受到輸送器給的摩擦力將會(huì)先做短暫的加速運(yùn)動(dòng)，速度達(dá)到輸送器線速度繼而做勻速運(yùn)動(dòng)；土壤到達(dá)輸送頂端時(shí)將做拋物運(yùn)動(dòng)落入橫向輸運(yùn)板時(shí)，繼續(xù)做加速運(yùn)動(dòng)，直至與橫向輸送鏈板的線速度相等。實(shí)際情況是：隨著機(jī)具的前行，土壤持續(xù)堆積，體積增大，重力增加，土壤沿輸送器斜面的加速度變小，果實(shí)和土壤的平均速度未達(dá)到輸送器的線速度。

圖4 理想狀態(tài)下土壤輸送速度

由圖5可知：在輸送器寬幅和機(jī)具前行速度一樣的條件下，果實(shí)與土壤的平均輸送速度與一級(jí)輸送器的傾角成正相關(guān)，由此可推斷輸送器的線速度對(duì)土壤與果實(shí)的輸運(yùn)影響較小。

當(dāng)一級(jí)輸送器的傾角為30°時(shí)，果實(shí)與土壤的速度先增大后減少，隨后出現(xiàn)壅土現(xiàn)象[13]。其原因如下：輸送器傾角過大，提供的摩擦力不足以克服土壤重力沿斜面向下的分力；土壤在輸送器上上升緩慢，其迎土面與土壤存在正面壓力，兩側(cè)擋板內(nèi)側(cè)面因摩擦與粘黏作用，同樣不利于土壤流動(dòng)，造成阻力增大；部分土壤堆積向下滑落，產(chǎn)生回流現(xiàn)象，與后進(jìn)入輸送器的土壤形成擠壓粘結(jié)，最終形成壅土現(xiàn)象。由此可推斷出輸送器的傾角對(duì)輸運(yùn)影響較大。

圖5 土壤和果實(shí)在輸送過程中速度隨時(shí)間的變化曲線

當(dāng)輸送器在20°和25°的傾角下，物料都能流暢的輸運(yùn)。當(dāng)輸送器線速度為1.2m/s時(shí)，土壤在20°傾角條件下的速度優(yōu)于25°傾角時(shí)的速度；當(dāng)輸送器線速度為1.5m/s時(shí)，土壤在20°條件下傾角的速度先優(yōu)于25°傾角時(shí)速度，后與其接近。因?yàn)?0°傾角輸送器提供的摩擦力更大，使得加速度大。但是，速度過快產(chǎn)生額外熱能，會(huì)造成能量損失，速度過大也可能造成果實(shí)的破損，輸運(yùn)效率降低，故傾角為25°優(yōu)于20°。圖6所示為一級(jí)輸送器1.5m/s時(shí)不同傾角下土壤的能量曲線。

為了提高輸送器的輸運(yùn)效率，應(yīng)選擇最佳的線速度，減少果實(shí)的損傷。由參考文獻(xiàn)[14]可知，其最佳速度為1.15～2.5m/s。為了盡快地輸送挖掘起來(lái)的土壤和果實(shí)，減少挖掘鏟壅土現(xiàn)象的發(fā)生，輸送器的線速度V應(yīng)滿足V≥Vm/cosa(Vm為機(jī)具前進(jìn)速度)。在滿足上述條件下，V值應(yīng)該盡可能地小，以便減少鏈桿與鏈輪之間的磨損，提高輸送器的使用壽命[15]。

圖6 土壤能量隨時(shí)間變化曲線

通過EDEM 離散元仿真研究得出：當(dāng)一級(jí)輸送器傾角在30°時(shí)會(huì)出現(xiàn)壅土現(xiàn)象，在20°和25°傾角時(shí)輸送流暢，如圖7所示。在這兩組參數(shù)中，可得出當(dāng)輸送器傾角為25°、線速度為1.5m/s時(shí)寶塔菜果實(shí)和土壤運(yùn)輸最為流暢。

圖7 土壤仿真區(qū)域圖

4 試驗(yàn)

研發(fā)團(tuán)隊(duì)委托寧夏銀川凱盛機(jī)械制造有限公司制做該收獲機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)，在寧夏銀川市賀蘭縣寶塔菜種植基地進(jìn)行了田間試驗(yàn)。

試驗(yàn)開始時(shí)對(duì)收獲機(jī)進(jìn)行檢查，避免出現(xiàn)人為故障。利用拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)，調(diào)整收獲機(jī)高度來(lái)控制挖掘深度?？刂仆侠瓩C(jī)前進(jìn)速度，穩(wěn)定在1.2m/s,并改變輸送器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)，記錄下每次試驗(yàn)的工作情況。

試驗(yàn)結(jié)果:當(dāng)一級(jí)輸送器的傾角設(shè)置為30°時(shí)，土壤和果實(shí)能運(yùn)輸一段時(shí)間，之后出現(xiàn)壅土現(xiàn)象;當(dāng)一級(jí)輸送器傾角設(shè)為20°和25°時(shí)，土壤和果實(shí)在輸送機(jī)構(gòu)上輸運(yùn)流暢，遺漏不明顯，不存在果實(shí)磨損情況，與仿真結(jié)果大致吻合。田間試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 田間試驗(yàn)

5 結(jié)論

1)輸送機(jī)構(gòu)中部件結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，能夠保證寶塔菜果實(shí)輸送的流暢，減少遺漏和損失。

2)通過結(jié)合具體實(shí)例， 利用計(jì)算機(jī)輔助軟件，基于離散單元法對(duì)土壤與寶塔菜果實(shí)的輸送做了預(yù)測(cè)和分析。通過實(shí)地試驗(yàn)，結(jié)果表明：離散元方法在研究收獲機(jī)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)方面是可行的。通過離散元的方法仿真土壤運(yùn)輸狀態(tài)，能夠減少生產(chǎn)成本，為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，從而更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

[1] 呂金慶,田忠恩,楊穎,等.4U2A型雙行馬鈴薯挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015(6):17-24.

[2] 劉凱欣,高凌天.離散元法研究的評(píng)述[J].力學(xué)進(jìn)展,2003(4):483-490.

[3] 李金川,鄭毅敏,胡欖慶,等.基于TRIZ的旋轉(zhuǎn)分離式寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017，39(4):149-153.

[4] 李紫輝,尚琴琴,楊穎,等.馬鈴薯挖掘機(jī)橫向輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(10):74-78.

[5] 岳高峰,陽(yáng)緒英,刁飛. 基于SolidWorks軟件的微耕機(jī)模塊化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(2):80-82.

[6] 鄧佳玉,胡軍,李慶達(dá),等.基于EDEM離散元法的深松鏟仿真與試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2016(4):14-18.

[7] 陳進(jìn),周韓,趙湛,等.基于EDEM的振動(dòng)種盤中水稻種群運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011(10):79-83，100.

[8] 李恒,李騰飛,高揚(yáng),等.基于離散元法的多層刮板式清糞機(jī)仿真優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013(S1):131-137.

[9] 樸順男,張青松,劉宏博,等.基于EDEM的雙翼式深松鏟設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(16):182-186.

[10] Ucgul M,John M F,Chris S.Three dimensional discrete element modeling of tillage:determination of a suitable contact model and parameters for a cohesionless soil[J]. Biosystems Engineering，2014，121:105-117．[11] 李洪昌,李耀明,唐忠,等.基于EDEM的振動(dòng)篩分?jǐn)?shù)值模擬與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011(5):117-121.

[12] 王國(guó)強(qiáng),郝萬(wàn)軍,王繼新.離散單元法及其在EDEM上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[13] 劉寶,張東興,李晶. 馬鈴薯收獲機(jī)主要問題機(jī)理分析及其對(duì)策[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(1):14-16，28.

[14] 呂金慶,李世柱,李國(guó)民,等.馬鈴薯挖掘機(jī)升運(yùn)器的設(shè)計(jì)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2004(4):108-109，111.

[15] 王冰,胡良龍,胡志超,等.鏈桿式升運(yùn)器薯土分離損傷機(jī)理研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014(2):174-180.

Abstract： Problems that obstruction and consumption of labor of harvesting machine in the process of fruit transport is obvious. With the combine harvest machine of artichoke as example, researching and designing of conveying mechanism of harvester, and describing the transport system. Using the discrete element method to establish the motion model of the soil, comparing the conveyor in different angle and the operation situation of the soil under different linear velocity, determine harvesting machine reasonable structure and operation parameters, for the study of the harvester is the design of transmission mechanism and provide theoretical research.

ID:1003-188X(2017)10-0149-EA

Design of Combine Harvest Machine Conveyor Device of Artichoke on Discrete Element Method

Wu Jun, Zheng Yimin， Wang He， Mu Song，Shang Xin

(School of Mechanical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

artichoke; discrete element method; conveyor device; side discharge bar-chain

2016-10-11

寧夏回族自治區(qū)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(413-0224)

吳 俊(1979-),男，福建南平人，碩士研究生，(E-mail) 346480231@qq.com。

鄭毅敏(1964-)，男，浙江黃巖人，教授，碩士生導(dǎo)師, (E-mail)XJKZym@nxu.edu.cn。

S225.92

A

1003-188X(2017)10-0149-04