鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)仿真與試驗(yàn)

牛 叢 邢鈺婷 閆成功 譚好超 馬 帥 徐麗明

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

土壤表層含有較多石塊會(huì)加速土壤、水分流失，影響作物根系延伸，降低農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用壽命[1-2]。我國(guó)西北地區(qū)存在較多的含石耕地，研制一款撿拾和收集表層土壤中石塊的機(jī)械能夠有效地提高耕地的利用率[3-5]。

美國(guó)、加拿大和俄羅斯等國(guó)生產(chǎn)的土壤撿石機(jī)應(yīng)用較為廣泛，主要機(jī)型包括最早成熟的分離滾筒式撿石機(jī)、Rotoveyer型振動(dòng)篩式撿石機(jī)以及加拿大HIGHLINE公司生產(chǎn)的XL系列撥齒式撿石機(jī)等[6]。分離滾筒式撿石機(jī)挖掘深度可達(dá)305 mm，利用高速旋轉(zhuǎn)的滾筒篩攪動(dòng)石土混合物，細(xì)小的石塊和土壤透過(guò)篩孔落回地表，較大的石塊和其他農(nóng)田廢棄物被集中輸送出農(nóng)田，該機(jī)型具有作業(yè)效果好、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，功耗高，容易產(chǎn)生揚(yáng)塵污染環(huán)境。振動(dòng)篩式撿石機(jī)挖掘深度可達(dá)300 mm，依靠連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)篩網(wǎng)產(chǎn)生周期性振動(dòng)，振動(dòng)破碎大土塊并篩分還田，篩分效果較好，但石塊被向后推送過(guò)程中對(duì)機(jī)具的沖擊較大，且機(jī)具較為笨重，作業(yè)功耗高。撥齒式撿石機(jī)作業(yè)幅寬大于5 m，作業(yè)時(shí)利用撥石齒僅將較大的石塊向機(jī)具后方撥動(dòng)，能夠減少土壤的無(wú)效輸送，同時(shí)沿導(dǎo)向裝置向收集箱中推送石塊時(shí)能夠降低石塊的運(yùn)動(dòng)速度，減少石塊對(duì)收集箱的沖擊，有效降低了作業(yè)功耗和機(jī)具損耗，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積龐大，適合大面積地塊使用。綜上，國(guó)外的撿石機(jī)趨于大型化、自動(dòng)化，作業(yè)效率高，作業(yè)效果好，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且制造成本高。我國(guó)西北地區(qū)的含石耕地多呈現(xiàn)碎片化、地形復(fù)雜化的特點(diǎn)，國(guó)外大型撿石機(jī)械不能滿足我國(guó)耕地石塊撿拾需求[7]。在國(guó)外撿石機(jī)研究基礎(chǔ)上，適用于我國(guó)耕地的撿石機(jī)快速發(fā)展，主要包括鏈篩式、軸流滾筒篩式、輪齒式、鏈齒式以及鏈桿式撿石機(jī)[8-10]。軸流滾筒篩式、鏈篩式和輪齒式撿石機(jī)與國(guó)外主流機(jī)型作業(yè)原理類似，主要在小型、宜機(jī)化方面作出了發(fā)展，仍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題[11-13]。鏈齒式撿石機(jī)利用方形柵條齒挖掘、篩分石土混合物，采用帶撥石齒的鏈條撥動(dòng)石塊向后方輸送[12]，在土量較大時(shí)石土篩分效果較差。鏈桿式撿石機(jī)利用抖動(dòng)裝置激振連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的鏈桿輸送裝置，振動(dòng)篩分石土混合物，相比其他機(jī)型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作業(yè)效率高、對(duì)機(jī)具沖擊小的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿Υ?，但?dāng)工作參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)，篩分效果較差。鏈桿式撿石機(jī)的工作原理在馬鈴薯收獲領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，但在石塊撿拾領(lǐng)域應(yīng)用較少；已有研究主要依靠理論分析和田間試驗(yàn)對(duì)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化，研究手段匱乏，機(jī)具作業(yè)效果參差不齊，研究結(jié)果難以得到推廣應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模擬仿真技術(shù)與離散元法(Discrete element method，DEM)相互結(jié)合，為分析農(nóng)業(yè)機(jī)械與散粒物料的相互作用提供了新的技術(shù)手段[14-15]。

本研究擬設(shè)計(jì)一種鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)，撿拾并收集土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)的石塊，采用離散元法和田間試驗(yàn)對(duì)機(jī)具工作參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化，以期為撿石機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供技術(shù)參考。

1 鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)主要包括機(jī)架、牽引架、入土挖掘部件、輸送分離裝置、集石卸石部件、傳動(dòng)部件和液壓元件(圖1(a))。牽引架鉸接于機(jī)架前端，連接機(jī)具與拖拉機(jī)。挖掘鏟安裝于機(jī)架前端下方，切入土壤并挖掘石土混合物。輸送分離裝置位于機(jī)架中部，前端緊鄰?fù)诰蜱P，將石土混合物向后輸送，同時(shí)采用振動(dòng)方式篩分土壤與石塊。收集箱鉸接于機(jī)架后端，前端緊鄰輸送分離裝置，用于收集石塊。傳動(dòng)部件包括萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸、變速箱、鏈傳動(dòng)組件Ⅰ和鏈傳動(dòng)組件Ⅱ等(圖1(b))，傳遞拖拉機(jī)輸出的動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)輸送分離裝置工作。液壓元件包括液壓缸和液壓閥組，液壓閥組控制不同的液壓缸伸縮，分別實(shí)現(xiàn)挖掘鏟入土深度調(diào)節(jié)、機(jī)架離地高度調(diào)節(jié)以及收集箱翻轉(zhuǎn)卸石。

1.2 工作原理

農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，包含道路行駛和田間作業(yè)2種狀態(tài)。處于道路行駛狀態(tài)時(shí)，液壓閥組控制機(jī)架支撐油缸和入土深度調(diào)節(jié)油缸伸長(zhǎng)，增大機(jī)架離地高度，便于機(jī)具自由行駛。處于田間作業(yè)狀態(tài)時(shí)，液壓閥組控制機(jī)架支撐油缸和入土深度調(diào)節(jié)油缸收縮，降低機(jī)架離地高度，使挖掘鏟以一定的角度入土，挖掘石土混合物，而后隨機(jī)具前進(jìn)向后方輸送。拖拉機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸傳遞至變速箱，經(jīng)變速箱減速后，利用鏈傳動(dòng)組件Ⅰ驅(qū)動(dòng)輸送分離篩傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸送分離篩傳動(dòng)軸的動(dòng)力利用鏈傳動(dòng)組件Ⅱ驅(qū)動(dòng)振動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使輸送分離篩產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和周期振動(dòng)。石土混合物隨輸送分離篩的運(yùn)動(dòng)向后方移動(dòng)，部分大土塊在篩面振動(dòng)作用下破碎，外形尺寸較小的石塊和土壤穿過(guò)篩面間隙落到地表，外形尺寸較大的石塊和土塊隨篩面運(yùn)動(dòng)至機(jī)架后端并落入收集箱內(nèi)。當(dāng)收集箱內(nèi)裝滿大石塊和土塊時(shí)，機(jī)組行進(jìn)至田間地頭，液壓閥組控制卸石油缸伸縮完成卸石工作。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合農(nóng)田石塊撿拾要求，本研究確定的農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of farmland stone picking and collecting machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 輸送分離裝置

輸送分離裝置是實(shí)現(xiàn)石土篩分與石塊輸送、收集的關(guān)鍵部件[16]，主要包括輸送分離篩、導(dǎo)向膠輪、支撐輪、三輪振動(dòng)裝置、振幅調(diào)節(jié)裝置、驅(qū)動(dòng)鏈輪、張緊輪等(圖2)。輸送分離裝置作業(yè)時(shí)，三輪振動(dòng)裝置激勵(lì)輸送分離篩周期振動(dòng)，石土混合物受迫振動(dòng)產(chǎn)生彈跳。部分大土塊與輸送分離篩碰撞發(fā)生破碎，尺寸較小的石塊和土壤穿過(guò)篩面縫隙落至地表，而尺寸較大的石塊和土塊隨輸送分離篩轉(zhuǎn)動(dòng)被輸送至收集箱中，最終完成石土篩分與石塊收集作業(yè)。

1.輸送分離篩；2.支撐輪；3.導(dǎo)向膠輪；4.張緊輪；5.三輪振動(dòng)裝置；6.振幅調(diào)節(jié)裝置；7.驅(qū)動(dòng)鏈輪1.Conveying-separating screen;2.Support wheel;3.Guiding rubber wheel;4.Tensioning wheel;5.Three-wheel vibration device;6.Amplitude adjustment device;7.Drive sprocket圖2 輸送分離裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of conveying-separating device

2.1.1土壤含石情況

輸送分離裝置的設(shè)計(jì)需要考慮到農(nóng)田土壤的含石情況。與薯類作物收獲不同[17]，無(wú)需考慮石塊在輸送過(guò)程中的碰撞損傷，增大石土混合物在輸送分離篩上的“活躍”狀態(tài)，反而有利于石土篩分。

本研究以寧夏回族自治區(qū)銀川市美賀葡萄莊園為試驗(yàn)點(diǎn)，其土壤類型為沙壤土，石塊主要分布在土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)。采用五點(diǎn)取樣法，標(biāo)記5個(gè)(2×1) m2的樣點(diǎn)區(qū)域，采集樣點(diǎn)區(qū)域土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)的石塊，測(cè)量石塊直徑以及石塊質(zhì)量在石土混合物總質(zhì)量中所占的比例。樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)采集的石塊形狀各異，不具有規(guī)律性(圖3)。5個(gè)樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)石塊直徑范圍依次為：33～314、30～329、35～223、36～260以及37～284 mm，石塊質(zhì)量在石土混合物總質(zhì)量中所占的比例平均為20.8%。按照農(nóng)藝要求，直徑小于35 mm的石塊不屬于撿拾范圍，因此需撿拾的石塊直徑總體范圍為35～329 mm，大致分為35～70、70～140、140～210、210～280和280～330 mm共5個(gè)組別，每個(gè)組別選取直徑特征值為35、70、140、210和280 mm，以便為仿真中石塊建模提供依據(jù)。

石塊直徑由小到大依次為30、70、140、223、284和329 mm。The stone diameters were 30,70,140,223,284,and 329 mm from small to large.圖3 樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的石塊形狀及直徑Fig.3 Shapes and diameters of stones in the sample areas

2.1.2輸送分離篩

輸送分離篩由齒形橡膠輸送帶和鏈桿組成(圖4)，篩面長(zhǎng)度為2 000 mm，寬度為1 174 mm。結(jié)合農(nóng)田土壤含石情況和農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)相鄰鏈桿間距為45 mm，鏈桿直徑為11 mm，鏈桿間隙為34 mm。因此，直徑大于34 mm的石塊將被收集起來(lái)。

1.齒形橡膠輸送帶；2.鏈桿1.Toothed rubber conveyor belt;2.Chain rod圖4 輸送分離篩結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of conveying-separating screen

石塊在輸送分離篩上的受力情況見(jiàn)圖5。當(dāng)石塊隨輸送分離篩運(yùn)動(dòng)而被穩(wěn)定向后輸送時(shí)，在篩面法向和切向因石塊的不同運(yùn)動(dòng)形式而呈現(xiàn)不同的受力狀況，在篩面切向上滿足：

fs≥m0gsinθ

(1)

式中：fs為輸送分離篩的鏈桿對(duì)石塊的摩擦力，N；m0為石塊的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；θ為輸送分離篩的篩面傾角，(°)。

1.石塊；2.輸送分離篩1.Stone;2.Conveying-separating screenO為石塊質(zhì)心；x為水平方向；y為豎直方向。Fg為石塊沿輸送分離篩篩面法向的慣性力；Fn為輸送分離篩對(duì)石塊的支持力；fs為輸送分離篩的鏈桿對(duì)石塊的摩擦力；θ為篩面傾角；m0為石塊的質(zhì)量；g為重力加速度。O is the mass center of the stone,x is the horizontal direction;y is the vertical direction.Fg is the inertial force of the stone along the normal direction of the screen surface of the conveying-separating screen;Fn is the support force of the stone by the conveying-separating screen;fs is the friction force of the stone by the chain rod of the conveying-separating screen;θ is the inclination angle of the screen surface;m0 is the mass of the stone,kg;g is the acceleration of gravity.圖5 輸送分離篩上石塊的受力示意圖Fig.5 Force diagram of stone on the conveying-separating screen

輸送分離篩周期振動(dòng)是石塊在篩面上受迫振動(dòng)的前提，石塊的縱向彈跳是石土分散、分離的必要條件。當(dāng)石塊發(fā)生縱向彈跳時(shí)，其所受支持力Fn為0，因此在篩面法向滿足

Fg≥m0gcosθ

(2)

式中：Fg為石塊沿輸送分離篩篩面法向向上的慣性力，N。

當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)的頻率和振幅等特征參數(shù)確定時(shí)，石塊所受的慣性力Fg一定，輸送分離篩篩面傾角θ越大，則石塊彈跳越劇烈，越有利于石塊與土壤篩分。實(shí)際作業(yè)中，輸送分離篩前段石土混合物多，輸送過(guò)程中，較小尺寸土壤與石塊穿過(guò)鏈桿間隙落至地表，輸送分離篩后段石土混合物減少。因此，設(shè)計(jì)輸送分離篩前段篩面傾角為29°，與挖掘鏟的最大入土角保持一致，保證石土混合物能夠穩(wěn)定向后輸送而不產(chǎn)生壅積；設(shè)計(jì)輸送分離篩后段篩面傾角為24°，一方面降低石塊對(duì)輸送分離篩的沖擊，另一方面在有限高度范圍內(nèi)增大篩面長(zhǎng)度，增強(qiáng)石土篩分效果。

2.1.3三輪振動(dòng)裝置與振幅調(diào)節(jié)裝置

三輪振動(dòng)裝置是輸送分離篩振動(dòng)的激振源，主要由振動(dòng)膠輪和振動(dòng)軸組成(圖6(a))。振動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)振動(dòng)膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)，振動(dòng)膠輪間歇性抬升輸送分離篩，將連續(xù)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為一定頻率的振動(dòng)。振動(dòng)軸由輸送分離篩驅(qū)動(dòng)裝置利用鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，由式(3)可知，輸送分離篩振動(dòng)頻率由輸送分離篩線速度、三輪振動(dòng)裝置的直徑以及振動(dòng)膠輪個(gè)數(shù)共同決定。

(3)

式中：n為振動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，r/min；vs為輸送分離篩線速度，m/s；d為振動(dòng)裝置直徑，m；f為輸送分離篩振動(dòng)頻率，Hz；Z為振動(dòng)膠輪數(shù)量，個(gè)。

1.振動(dòng)軸；2.振動(dòng)膠輪；3.支撐膠輪；4.膠輪連接軸；5.調(diào)節(jié)板；6.調(diào)節(jié)手柄1.Vibrating shaft;2.Vibrating rubber wheel;3.Supporting rubber wheel;4.Connecting shaft;5.Adjustment plate;6.Adjustment handle圖6 三輪振動(dòng)裝置和振幅調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of three-wheel vibrating device and amplitude adjustment device

當(dāng)輸送分離篩線速度較小時(shí)，石土混合物被拋起的高度和距離均較小，不利于石土分離；當(dāng)輸送分離篩線速度較大時(shí)，石塊回落后對(duì)鏈桿的碰撞沖擊較大。輸送分離篩線速度對(duì)石塊的彈跳過(guò)程有影響，相比于馬鈴薯，石塊密度更大，彈跳過(guò)程需要更大的慣性力才能達(dá)到合適的石土分離效果。參考薯類作物收獲相關(guān)研究[18-19]，馬鈴薯收獲機(jī)升運(yùn)鏈的線速度一般為1.0～2.0 m/s，同時(shí)兼顧石塊的特殊性，確定輸送分離篩的線速度vs為1.4～2.2 m/s。振動(dòng)頻率過(guò)小，會(huì)造成石土分離效果不佳；振動(dòng)頻率過(guò)大，對(duì)石塊的沖擊損傷影響較小，但會(huì)對(duì)鏈桿造成一定的沖擊變形，也會(huì)影響輸送分離篩的輸送能力。馬鈴薯收獲機(jī)分離裝置振動(dòng)頻率一般為3～8 Hz，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)卦龃笳駝?dòng)頻率有利于改善石土分離效果，因此確定振動(dòng)頻率f為5～12 Hz。振動(dòng)膠輪的數(shù)量Z為3個(gè)，直徑為0.058 m，計(jì)算得到振動(dòng)軸轉(zhuǎn)速范圍為100～240 r/min。

振幅調(diào)節(jié)裝置由調(diào)節(jié)手柄、調(diào)節(jié)板、支承膠輪和膠輪連接軸等組成(圖6(b))。調(diào)節(jié)板為調(diào)節(jié)手柄提供8個(gè)調(diào)節(jié)位置，相鄰位置間隔10°，角度調(diào)節(jié)范圍為0～70°。調(diào)節(jié)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)膠輪連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，與膠輪連接軸固定的支撐膠輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中抬升輸送分離篩的高度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)幅度調(diào)節(jié)，振幅調(diào)節(jié)范圍為0～50 mm。

2.2 挖掘鏟

挖掘鏟是直接觸土部件，負(fù)責(zé)完整挖掘土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)的石土混合物并向后輸送，作業(yè)時(shí)應(yīng)盡可能減小入土阻力和前進(jìn)阻力，降低功耗，同時(shí)應(yīng)保持良好的刃口耐磨性。挖掘鏟材質(zhì)為65Mn，結(jié)構(gòu)為帶斜刃的平面三角鏟[20]，兼顧作業(yè)幅寬和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將挖掘鏟改進(jìn)為平面雙鏟結(jié)構(gòu)(圖7)。

為了滿足作業(yè)幅寬要求，設(shè)計(jì)雙鏟總寬度L1為1 186 mm，則單鏟寬度為593 mm。其他影響挖掘鏟作業(yè)性能的參數(shù)包括入土角α、刃口角β以及鏟刃斜角γ。

入土角α大小影響挖掘鏟鏟面上石土混合物的運(yùn)動(dòng)速度以及前進(jìn)阻力。入土角相對(duì)較大時(shí)，入土相對(duì)容易，鏟面上石土混合物運(yùn)動(dòng)速度較慢，前進(jìn)阻力較大。入土角相對(duì)較小時(shí)，入土相對(duì)困難，鏟面上石土混合物運(yùn)動(dòng)速度較快，前進(jìn)阻力較小。挖掘鏟的挖掘深度h最大值為350 mm，兼顧入土和前進(jìn)阻力，設(shè)計(jì)挖掘鏟的最大入土角為29°。挖掘鏟采用下開(kāi)刃形式，為了降低切土阻力[21]，將刃口角β設(shè)計(jì)為20°。

依據(jù)挖掘鏟的最大挖掘深度和最大入土角計(jì)算鏟長(zhǎng)L2，計(jì)算公式為：

(4)

鏟長(zhǎng)L2計(jì)算結(jié)果為722 mm，鏟長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)容易導(dǎo)致石土混合物在挖掘鏟后端壅積，因此適當(dāng)縮短挖掘鏟長(zhǎng)度，有利于保證石土混合物穩(wěn)定、快速地向后輸送并進(jìn)入輸送分離篩。同時(shí)，考慮挖掘鏟的位置結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)鏟長(zhǎng)為520 mm。

鏟刃斜角γ影響挖掘鏟對(duì)土壤滑切作用的整體阻力以及石土混合物在鏟面上的運(yùn)動(dòng)。鏟刃斜角設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：

γ<90°-φ

(5)

式中：φ為石土混合物對(duì)挖掘鏟的摩擦角，(°)。理論上，鏟刃斜角越小，切土能力越強(qiáng)，但挖掘鏟鏟尖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐磨性會(huì)降低。石土混合物中的石塊對(duì)錳鋼的磨損較大，因此鏟刃斜角不能過(guò)小。參考文獻(xiàn)[22]，沙性土壤對(duì)鋼的摩擦角約為20°，綜合考慮挖掘鏟的強(qiáng)度、耐磨性和切土能力，設(shè)計(jì)鏟刃斜角為70°。

L1為雙鏟總寬度；L2為鏟長(zhǎng)；α為挖掘鏟入土角；β為鏟刃刃口角；γ為挖掘鏟鏟刃斜角。L1 is the total width of the double shovel;L2 is the shovel length,mm;α is the digging shovel entry angle;β is the shovel blade edge angle;γ is the blade bevel angle of the digging shovel.圖7 挖掘鏟結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of digging shovel

3 輸送分離篩離散元仿真與工作參數(shù)優(yōu)化

采用離散元法[23]，利用EDEM軟件建立輸送分離篩與石土混合物的互作模型，模擬輸送分離篩振動(dòng)篩分石土混合物、輸送并收集石塊的過(guò)程。基于輸送分離篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)分析其不同工作參數(shù)(線速度、振幅和振動(dòng)頻率)對(duì)作業(yè)效果的影響，進(jìn)而對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 建立仿真模型

仿真模型包括石土混合物模型和輸送分離篩幾何體模型兩部分。石土混合物的散粒度高，選擇Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型作為顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型。由于土壤與石塊尺寸、形狀差異大，分別選擇EDEM軟件中自帶的單球體顆粒和四球體顆粒作為土壤和石塊顆粒結(jié)構(gòu)。

離散元模型參數(shù)包括材料本征參數(shù)(泊松比、密度、剪切模量)和材料間接觸參數(shù)(恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù))，參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。其中，密度、靜摩擦因數(shù)以及動(dòng)摩擦因數(shù)利用試驗(yàn)測(cè)得，部分土壤本征參數(shù)參考本團(tuán)隊(duì)前期關(guān)于沙壤土仿真模型參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果以及相關(guān)研究領(lǐng)域的研究成果，少量無(wú)法直接試驗(yàn)測(cè)得以及無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)參考的參數(shù)采用EDEM軟件默認(rèn)設(shè)置和材料數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)。

表2 離散元仿真模型參數(shù)Table 2 Discrete element simulation model parameters

在SolidWorks軟件中建立簡(jiǎn)化的輸送分離篩三維模型并導(dǎo)入到EDEM軟件中，添加Box模型替代收集箱，Box尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 160 mm×660 mm×600 mm，設(shè)置其位于輸送分離篩后端。

在輸送分離篩前端正上方建立2個(gè)顆粒工廠，按照不同的大小、比例同時(shí)分別生成土壤顆粒和石塊顆粒，模擬挖掘鏟挖掘并連續(xù)推送到輸送分離篩前端的石土混合物，生成速度以前進(jìn)速度為3 km/h的喂入量為準(zhǔn)。設(shè)置3種土壤顆粒直徑，分別為2、10和30 mm，其生成比例分別為50%、30%和20%，生成速度為70 kg/s。設(shè)置5種石塊顆粒直徑，分別為35、70、140、210和280 mm，其生成比例分別為5%、10%、45%、30%和10%，生成速度為18 kg/s。設(shè)置輸送分離篩工作參數(shù)(線速度、振頻、振幅)，模擬石土篩分以及收集石塊的過(guò)程，建立的EDEM仿真模型見(jiàn)圖8。

1.土壤顆粒；2.塊顆粒；3.輸送分離篩；4.收集箱1.Soil particle;2.Stone particle;3.Conveying-separating screen;4.Collecting box圖8 EDEM仿真模型Fig.8 Simulation model of EDEM

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

篩分裝置通常以實(shí)際篩除物料質(zhì)量與供應(yīng)物料總質(zhì)量之比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[24]，但在農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，供應(yīng)石土混合物的總質(zhì)量難以測(cè)量。EDEM軟件可以創(chuàng)建與收集箱體積和位置相同的Grid Bin Group檢測(cè)收集箱內(nèi)的顆粒質(zhì)量。為了使仿真試驗(yàn)與田間試驗(yàn)具有相同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，本研究將篩分效果與撿拾效果相結(jié)合，將收集箱中土壤顆粒的質(zhì)量與收集箱中土壤顆粒和石塊顆粒總質(zhì)量的比值定義為含土率(E)，作為輸送分離篩作業(yè)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，含土率越小，收集箱中土壤越少，輸送分離篩作業(yè)效果越好。含土率E的計(jì)算方法為：

(6)

式中：m1為收集箱中土壤顆粒的質(zhì)量，kg；m2為收集箱中土壤顆粒和石塊顆粒總質(zhì)量，kg。

3.3 仿真試驗(yàn)方法

采用響應(yīng)面法(Response surface methodology，RSM)設(shè)計(jì)Box-Behnken仿真試驗(yàn)[25]對(duì)輸送分離篩的工作參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化?？紤]輸送分離篩作業(yè)效果和效率，線速度A、振幅B和振頻C分別選取3個(gè)水平(表3)，試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平Table 3 Factors and levels of Box-Behnken experiment

3.4 仿真結(jié)果分析

E=8.59+1.39A-2.96B-0.6C-
0.79AB+1.3A2+2.87B2

(7)

表4 Box-Behnken試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 4 Scheme and results of Box-Behnken experiment

表5 Box-Behnken試驗(yàn)二次回歸模型方差分析Table 5 ANOVA of quadratic regression model of Box-Behnken experiment

采用降維方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素分析，根據(jù)回歸方程(7)，將其他因素固定在零水平，線速度A、振幅B、振頻C對(duì)含土率E的單因素影響見(jiàn)圖9。線速度對(duì)含土率的影響為正效應(yīng)，隨線速度增大，含土率增大，這是由于線速度增大，單位時(shí)間內(nèi)鏈桿帶動(dòng)石土混合物沿篩面的移動(dòng)距離增大，土壤難以及時(shí)從鏈桿間隙落至地表，增大了土壤質(zhì)量占收集箱內(nèi)石土混合物總質(zhì)量的比例，增大了含土率。振幅和振頻對(duì)含土率的影響為負(fù)效應(yīng)，隨振幅和振頻增大，含土率減小，這是由于振幅和振頻增大，增大了輸送分離篩的振動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)了對(duì)石土混合物的振動(dòng)篩分作用，穿過(guò)鏈桿間隙的土壤顆粒增多，進(jìn)入收集箱的土壤顆粒減少，降低了土壤質(zhì)量占收集箱內(nèi)石土混合物總質(zhì)量的比例，降低了含土率。曲線斜率越高，表明該因素的變化對(duì)指標(biāo)的擾動(dòng)越大。當(dāng)振幅小于30 mm，振頻小于9 Hz時(shí)，振幅對(duì)含土率的擾動(dòng)程度明顯大于振頻，隨振頻增大含土率基本無(wú)變化；當(dāng)振幅大于30 mm，振頻大于9 Hz時(shí)，振幅對(duì)含土率的擾動(dòng)程度急劇減小，而振頻對(duì)含土率的擾動(dòng)程度基本恒定。當(dāng)線速度小于1.8 m/s時(shí)，線速度對(duì)含土率的擾動(dòng)程度較小，含土率變化平緩；當(dāng)線速度大于1.8 m/s時(shí)，線速度對(duì)含土率的擾動(dòng)程度增大，隨線速度增大含土率增幅變大。因此，選擇較小的線速度和較大的振幅與振頻有利于降低含土率，改善輸送分離篩的作業(yè)效果。

圖9 線速度、振幅和振頻對(duì)含土率的單因素影響Fig.9 Single factor effects of linear speed,amplitude, and vibrating frequency on soil content ratio

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，輸送分離篩線速度A、振幅B對(duì)含土率的交互影響見(jiàn)圖10。隨線速度增大和振幅減小，含土率增大，這與單因素分析結(jié)果基本一致。當(dāng)振幅大于27 mm時(shí)，線速度對(duì)含土率的影響較小，含土率較小且變化平緩。當(dāng)振幅小于27 mm時(shí)，線速度對(duì)含土率的影響較大，含土率隨線速度增大而增大，變化速率較大。任意線速度水平下，振幅大于27 mm時(shí)含土率變化較小。線速度大于1.8 m/s且振幅小于27 mm時(shí)，含土率較大且變化速率較大。因此選擇較小的線速度和較大的振幅有利于降低含土率，改善輸送分離篩作業(yè)效果。

圖10 線速度與振幅對(duì)含土率的交互影響Fig.10 Interactive effect of linear speed and amplitude on soil content ratio

3.5 參數(shù)優(yōu)化

為獲取輸送分離篩最優(yōu)工作參數(shù)組合，利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)二次回歸模型進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化求解。各參數(shù)取值范圍見(jiàn)表3，以含土率最低(E>0)為目標(biāo)，求解得到多組優(yōu)化方案，以上述優(yōu)化方案再次進(jìn)行仿真試驗(yàn)并對(duì)比含土率結(jié)果，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合為線速度1.6 m/s、振幅35.5 mm、振頻10.67 Hz，該條件下的收集箱內(nèi)石土混合物的含土率為7.17%。

4 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)的田間作業(yè)性能并驗(yàn)證仿真試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，加工樣機(jī)并在寧夏回族自治區(qū)銀川市美賀葡萄莊園進(jìn)行田間試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)方法

將農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)與東方紅LX1000拖拉機(jī)連接，調(diào)整挖掘鏟的入土角為29°，入土深度為350 mm，依照仿真試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整輸送分離篩線速度、振幅和振頻。作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)以3 km/h的速度進(jìn)行石土篩分與石塊收集作業(yè)(圖11)。每次試驗(yàn)距離為8 m，試驗(yàn)結(jié)束后觀察機(jī)具損耗情況，測(cè)量機(jī)具實(shí)際作業(yè)幅寬和作業(yè)深度；對(duì)收集箱中的石塊和土壤進(jìn)行稱重測(cè)量并計(jì)算含土率(式(6))；采集土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)的漏撿石塊并稱重，計(jì)算漏撿率。重復(fù)3次試驗(yàn)，將3次試驗(yàn)的含土率結(jié)果和漏撿率結(jié)果分別求平均值。漏撿率G的計(jì)算公式為:

(8)

式中：m1為收集箱中土壤的質(zhì)量，kg；m2為收集箱中石土混合物的總質(zhì)量，kg；m3為土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)漏撿石塊的質(zhì)量，kg。

1.試驗(yàn)樣機(jī)；2.拖拉機(jī)；3.石塊；4.收集箱1.Experimental prototype;2.Tractor;3.Stone;4.Collecting box圖11 農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)作業(yè)過(guò)程Fig.11 Operating process of farmland stone picking and collecting machine

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)后，機(jī)具前端的挖掘鏟未出現(xiàn)變形、磨損等情況，輸送分離篩的鏈桿未出現(xiàn)彎曲變形等情況，收集箱表面未出現(xiàn)變形、磨損等情況，機(jī)具狀況較好。機(jī)具入土幅寬為1 400 mm，實(shí)際作業(yè)幅寬為1 200 mm，作業(yè)深度為350 mm，均符合規(guī)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。收集箱中石塊最小直徑為33 mm，最大直徑為276 mm，機(jī)具撿拾能力符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。作業(yè)幅寬范圍內(nèi)土壤細(xì)碎，地表平整且無(wú)石塊分布，平均石塊漏撿率為4.86%，漏撿率較低，符合T/NJ 1180—2019《農(nóng)田石頭撿拾機(jī)》[26]對(duì)漏撿率的要求。

在仿真優(yōu)化的工作參數(shù)條件下，收集箱內(nèi)石土混合物的平均含土率為10.73%，大于仿真試驗(yàn)結(jié)果。產(chǎn)生這種差異的原因是：仿真試驗(yàn)中未考慮輸送分離篩的振動(dòng)作用對(duì)土塊的破碎效果，生成的土壤顆粒尺寸均小于輸送分離篩的鏈桿間隙，部分土壤顆粒在輸送分離篩的振動(dòng)輸送作用下并未穿過(guò)鏈桿間隙落至地表，而是隨輸送分離篩進(jìn)入收集箱，造成了收集箱中含有土壤顆粒。然而，田間試驗(yàn)的土壤環(huán)境中存在少量尺寸大于輸送分離篩鏈桿間隙的土塊，在輸送分離篩振動(dòng)輸送過(guò)程中，僅部分土塊受迫振動(dòng)發(fā)生破碎，未破碎的土塊進(jìn)入收集箱，增大了收集箱中土壤質(zhì)量占石土混合物總質(zhì)量的比例，這就造成了田間試驗(yàn)時(shí)收集箱內(nèi)石土混合物的含土率大于仿真試驗(yàn)結(jié)果。

總體而言，仿真試驗(yàn)與田間試驗(yàn)結(jié)果差異較小，表明所建立的仿真模型具有較好的精度和準(zhǔn)確性，對(duì)輸送分離篩的優(yōu)化結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的，作業(yè)效果滿足要求。

5 結(jié) 論

本研究設(shè)計(jì)了一種鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機(jī)，能夠撿拾和收集農(nóng)田表層土壤0～350 mm深度范圍內(nèi)直徑大于34 mm的石塊，應(yīng)用EDEM軟件設(shè)計(jì)Box-Behnken仿真試驗(yàn)研究輸送分離篩的線速度、振幅和振頻對(duì)石土篩分、輸送過(guò)程的影響，對(duì)輸送分離篩的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

1)輸送分離篩的振幅、線速度和振頻對(duì)收集箱內(nèi)石土混合物的含土率均影響顯著，線速度和振幅對(duì)含土率具有顯著的交互影響作用，三者對(duì)含土率的影響依次減弱。最優(yōu)工作參數(shù)組合為線速度1.6 m/s、振幅35.5 mm、振頻10.67 Hz，該條件下仿真試驗(yàn)的含土率為7.17%。

2)最優(yōu)參數(shù)組合下田間試驗(yàn)時(shí)收集箱內(nèi)石土混合物的含土率為10.73%，與同條件下仿真試驗(yàn)結(jié)果差異較小，說(shuō)明仿真優(yōu)化的工作參數(shù)準(zhǔn)確、可靠。田間試驗(yàn)的石塊漏撿率為4.86%，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。