超寬窄行蕉園起壟機拋土機構(gòu)設(shè)計與試驗

高銳濤，高宇，孫志全，曹璨，李君

超寬窄行蕉園起壟機拋土機構(gòu)設(shè)計與試驗

高銳濤，高宇，孫志全，曹璨，李君*

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

在查閱大量國內(nèi)外有關(guān)起壟機構(gòu)的研究文獻基礎(chǔ)上，結(jié)合新型蕉園種植模式和農(nóng)藝要求，設(shè)計一種蕉園起壟機拋土機構(gòu)，實現(xiàn)蕉園起壟機械化作業(yè)。對拋土起壟機構(gòu)主要部件進行建模仿真，應(yīng)用EDEM對拋土起壟過程進行仿真，以導(dǎo)向罩角度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉片寬度及葉片偏角作為試驗因素，將拋撒距離和土壤集中率作為評價指標，進行單因素和正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗，探究因素對拋土起壟機構(gòu)作業(yè)性能的影響。最后利用Design-Expert數(shù)據(jù)處理軟件對仿真數(shù)據(jù)進行分析，得到作業(yè)最優(yōu)組合參數(shù)，并將最優(yōu)參數(shù)組合來制作樣機進行平臺試驗。通過仿真試驗與平臺試驗對比，得出最佳起壟組合參數(shù)：導(dǎo)向罩角度為30°，葉輪轉(zhuǎn)速為275 r/min，葉片寬度為82 mm、葉片偏角為–7.5°；罩角度為62°，葉輪轉(zhuǎn)速為314 r/min，葉片寬度為82 mm、葉片偏角為–7.5°，最終得到仿真結(jié)果中土壤集中度分別為73%和81%，拋撒距離為2 081.29 mm和979.2 mm，平臺試驗驗證結(jié)果在合理區(qū)間范圍內(nèi)。根據(jù)仿真與平臺試驗結(jié)果的對比，得到機構(gòu)拋土效果滿足蕉園的起壟要求的最佳參數(shù)組合，為“超寬窄行”蕉園起壟機械設(shè)計提供了參考依據(jù)。

拋土起壟機構(gòu)；離散元法；正交試驗；平臺試驗

香蕉屬亞熱帶地區(qū)的芭蕉科植物果實，富含蛋白質(zhì)、維生素A、膳食纖維等營養(yǎng)物質(zhì)，對保護胃黏膜、降血壓等有奇效，深受廣大消費者的喜愛。隨著農(nóng)業(yè)機械化的迅速發(fā)展，香蕉機械化種植水平越來越高，香蕉生產(chǎn)機械使用率總體呈上升趨勢[1]。作物壟作栽培[2]可增加田地作物種植表面積，改良土壤光溫日照，充分利用光能，為作物提供適宜的生長條件。離散元法[3]主要是模擬顆粒與部件互相作用關(guān)系方向的研究，適用于探究機械作業(yè)部件與土壤顆粒的相互作用機理。目前，基于離散元法已大量應(yīng)用在機械作業(yè)方面[4-5]，國內(nèi)外學(xué)者對機械機構(gòu)方面的研究使用離散元法。高建民等[6]通過仿真模型對不同工況下的斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土模擬仿真，驗證得到斜置潛土逆轉(zhuǎn)深旋是一種可應(yīng)用于田地深旋耕的方法。史宇亮等[7]運用EDEM進行仿真試驗，驗證甘薯起壟機上旋耕刀的拋土性能。Mamatov 等[8]設(shè)計新型施肥起壟機，其作業(yè)原理是在壟上播種作業(yè)時，使壟溝中土壤松動并同時完成施肥作業(yè)，充分體現(xiàn)施肥起壟聯(lián)合作業(yè)機械的先進之處。關(guān)于農(nóng)業(yè)機械部件的設(shè)計參數(shù)與作物產(chǎn)量之間的影響關(guān)聯(lián)，國外不少學(xué)者進行了研究。Marey[9]提出開溝機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)對甜菜產(chǎn)量和水利用效率的影響，經(jīng)試驗證明通過對開溝刀具的參數(shù)優(yōu)化后，甜菜的最大出苗率、糖分產(chǎn)量和水利用效率都大大提高。Hasimu等[10]提出三種不同開溝器（鋤頭形、翼形和勺形）的開溝機械在作業(yè)過程中拋出過多的泥土，從而導(dǎo)致種子上方土壤覆蓋的不同情況對比，得出鋤頭形開溝器的性能優(yōu)于翼形和勺形開溝器，作業(yè)效果更好，使更多種子被覆蓋。學(xué)者除了研究農(nóng)機設(shè)計參數(shù)對作物生長產(chǎn)生直接的影響效果，同時研究對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化達到更好的作業(yè)效果，并在設(shè)計試驗過程中發(fā)現(xiàn)新型作業(yè)方式。Solhjou 等[11-12]針對澳大利亞農(nóng)民在犁溝中播種和施肥時開溝器產(chǎn)生的土壤拋撒造成相鄰溝的土壤覆蓋深度增加的問題，提出結(jié)合不同形狀的開溝機構(gòu)進行作業(yè)，得到新型免耕播種方法，且更好地減少雜草種子和土壤水分流失，Kumar等[13]提出由拖拉機牽引的播種機進行播種和施肥時，機械上的開溝器系統(tǒng)用于將種子放置在床面的理想深度，該方法節(jié)省了作業(yè)工時和種植成本，極大限度地提高了田間作業(yè)能力和效率。本文基于離散元法對起壟機構(gòu)的研究，通過離散元仿真試驗驗證結(jié)構(gòu)的拋土性能，得到的機構(gòu)滿足蕉園“超寬窄行”種植模式拋土起壟要求。

1 EDEM仿真試驗

在進行拋土起壟裝置設(shè)計時，首先通過離散元軟件對拋撒裝置模型參數(shù)進行設(shè)置，對拋土機構(gòu)土壤拋撒過程進行模擬，得到土壤在機構(gòu)作用下的運動規(guī)律及機構(gòu)的作業(yè)效果[14-15]。

通過EDEM可清晰觀察拋土機構(gòu)在拋土仿真過程中土壤顆粒在離開拋土板后的運動狀態(tài)[15-16]，同時驗證土壤拋撒距離及土壤集中率均滿足蕉園農(nóng)藝要求，為提高后期拋土裝置作業(yè)效率提供理論基礎(chǔ)。

1.1 機構(gòu)關(guān)鍵部件設(shè)計

對拋土機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用Solidworks對拋土機構(gòu)主要部件進行設(shè)計，同時結(jié)合農(nóng)藝要求優(yōu)化機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。拋土起壟關(guān)鍵機構(gòu)主要由拋土葉輪、導(dǎo)向罩裝置組成。

1.1.1 拋土葉輪設(shè)計與分析

葉輪葉片布置方式：在拋土作業(yè)的過程中，拋土葉輪在傳動軸傳輸?shù)膭恿ψ饔孟掳l(fā)生轉(zhuǎn)動，進入到葉輪的土壤顆粒在被葉輪葉片的作用下被拋出，為了便于進行土壤流向控制，故將圓盤與葉輪葉片呈90°直角分布，如圖1～2所示。參考拋土輪等拋撒類刀具設(shè)計要求及考慮到實際農(nóng)藝作業(yè)要求，設(shè)計圓盤直徑1為310 mm，底盤厚度2為4 mm，葉片高度3為100 mm、長度4為100 mm，寬度5為4 mm。

圖1 葉輪葉片布置圖

圖2 葉輪三視圖

葉輪葉片形狀設(shè)計與分析：考慮到土壤顆粒直徑較小，因此選擇葉片形狀為類矩形。為了驗證葉片分布角度對起壟效果的影響，本文設(shè)計葉片與葉輪傳動軸間存在–15°～15°的調(diào)節(jié)夾角，如圖3所示，結(jié)合仿真試驗效果，最終確定夾角度數(shù)。

圖3 葉片偏角

葉片寬度設(shè)計在葉片總高度為100 mm不改變前提下，將中間主要拋土部分設(shè)計為25、50、75、100 mm，如圖4所示。

圖4 葉片寬度

根據(jù)拋土效果考慮，設(shè)計不同數(shù)量葉片為三葉片、四葉片、五葉片，探究葉片數(shù)對機構(gòu)拋土能力的影響，見圖5～7。

圖5 三葉片葉輪

圖6 四葉片葉輪

圖7 五葉片葉輪

1.1.2 導(dǎo)向罩設(shè)計與分析

如圖8所示，導(dǎo)向罩由圓柱形外罩和導(dǎo)向筒組成，導(dǎo)向筒與外罩相切排列。機構(gòu)在進行拋土作業(yè)時，保證罩內(nèi)壁與葉輪底盤最外邊不發(fā)生摩擦，設(shè)計導(dǎo)向罩圓柱形外罩直徑尺寸1為314 mm，比葉輪圓盤直徑多4 mm，外罩厚度2為2 mm，固定板直徑3為360 mm，固定板上出現(xiàn)的打孔為螺絲孔，作用是便于葉輪與固定板固定。拋土葉輪安裝于導(dǎo)向罩內(nèi)且同軸安裝，起壟機在蕉園進行作業(yè)時，旋耕碎土機構(gòu)將切碎的土壤拋入導(dǎo)向罩內(nèi)的拋土葉輪上。結(jié)合壟形要求，調(diào)節(jié)導(dǎo)向罩傾角范圍，設(shè)定以相切導(dǎo)向筒的面與水平夾角為傾角，傾角范圍0°～180°。由于土壤顆粒在罩內(nèi)發(fā)生碰撞，減小摩擦，導(dǎo)致顆粒動能減小，影響導(dǎo)向效果，經(jīng)過綜合考慮，設(shè)計導(dǎo)向筒長度4為145 mm，矩形寬口長5為132 mm，寬6為120 mm。

圖8 導(dǎo)向罩組成部分

1.2 建立土壤仿真模型

土壤物理性質(zhì)與機構(gòu)拋土效果有密切的聯(lián)系，為避免仿真結(jié)果與實際作業(yè)效果差距較大，試驗中使用EDEM軟件自帶的球形顆粒模擬土壤顆粒，本次仿真中選用三個物理半徑為2 mm球體組合的形式作為土壤顆粒模擬對象。由于實際情況與理論模擬存在的差異是無法避免的，在模擬南方地區(qū)土壤時，由顆粒通過內(nèi)聚力等黏結(jié)而成，表現(xiàn)出土壤顆粒間的相互作用[17-18]。選擇Hertz-Mindlin with bonding接觸模型作為土壤顆粒間接觸力學(xué)模型，設(shè)置45#鋼-土壤顆粒、土壤顆粒-土壤顆粒間的動摩擦系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)等參考模型，如表1～2所示[19]。

表1 土壤顆粒間接觸力學(xué)模型參數(shù)

Tab.1 Parameters of soil interparticle contact mechanics model

1.3 物料物理參數(shù)選擇

設(shè)置基本接觸參數(shù)包括土壤顆粒-土壤顆粒、土壤顆粒-拋土機構(gòu)的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和滾動摩擦系數(shù)等?；謴?fù)摩擦系數(shù)及靜摩擦系數(shù)可參考文獻，拋土機構(gòu)離散元仿真參數(shù)如表2所示。

表2 接觸模型參數(shù)

Tab.2 Parameters of contact model

1.4 仿真試驗

使用EDEM創(chuàng)建機構(gòu)-土壤顆粒間作用模型，在常規(guī)工況條件下對拋土起壟機構(gòu)的拋土作業(yè)狀態(tài)進行仿真模擬，對影響機構(gòu)作業(yè)效果的因素進行分析，得出機構(gòu)合的適參數(shù)組合。首先對散狀物料土壤顆粒進行仿真建模；其次創(chuàng)建幾何體，將拋土葉輪和導(dǎo)向罩組合起壟機構(gòu)模型放入新建的箱體中，在箱體中進行仿真模擬；最后對整個仿真環(huán)境進行設(shè)定，根據(jù)實際作業(yè)效果，設(shè)置土壤顆粒進入機構(gòu)拋土速度為0.8 m/s，進入土壤顆粒總質(zhì)量為18 kg，目標質(zhì)量流量為3 kg/s，所以根據(jù)不同條件進行轉(zhuǎn)速設(shè)置，每組仿真總時長為6 s。

在三維空間內(nèi)拋土機構(gòu)作業(yè)狀態(tài)如圖9所示，仿真試驗開始，土壤顆粒從設(shè)置的虛擬板塊形成后進入起壟機構(gòu)，拋土葉輪與土壤顆粒在初速度的作用下發(fā)生相互碰撞，在轉(zhuǎn)動的葉輪葉片作用下，將土壤沿著導(dǎo)向罩方向拋出，完成起壟作業(yè)。以上描述仿真試驗過程與實際工作效果基本保持一致。

1.5 單因素仿真試驗分析

1.5.1 導(dǎo)向罩角度對起壟效果的影響

為探究不同導(dǎo)向罩角度對起壟效果的影響，獲取在仿真過程中不同導(dǎo)向罩傾斜角度條件（30°、45°、60°、120°、135°、150°等），下起壟作業(yè)后土壤顆粒集中率及峰值顆粒數(shù)，如圖10所示。

圖10 單因素導(dǎo)向罩角度土壤顆粒-拋撒距離關(guān)系圖

在葉輪轉(zhuǎn)速、葉片寬度、葉片偏角及葉片數(shù)相同條件下，當導(dǎo)向罩傾斜角度為30°、45°、60°、120°、135°、150°時，機構(gòu)拋土起壟最高點距離出土口分別是1 836.48 mm、1 837.93 mm、1 224.09 mm、1 620.23 mm、2 123.79 mm、1 869.18 mm，同時土壤聚集度分別為81.62%、79.35%、79.44%、69.82%、71.82%、66.83%。由分析可得，當拋土機構(gòu)與土壤相互作用時，綜合考慮拋撒距離及土壤集中率參數(shù)，在蕉園實地允許范圍內(nèi)拋撒距離，45°比30°多2 mm，可認為導(dǎo)向罩角度為45°起壟效果最好，30°次之，這兩個導(dǎo)向罩角度都可滿足蕉園起壟作業(yè)性能要求。由此說明，并不是導(dǎo)向罩角度越大，起壟機構(gòu)作業(yè)效果越好。

1.5.2 葉輪轉(zhuǎn)速對起壟效果的影響

為探究不同葉輪轉(zhuǎn)速對起壟效果的影響，獲取在仿真過程中不同葉輪轉(zhuǎn)速（220 r/min、245 r/min、270 r/min、295 r/min、320 r/min等）下，起壟作業(yè)后土壤顆粒聚集程度，如圖11所示。

在導(dǎo)向罩角度、葉片寬度、葉片偏角及葉片數(shù)相同條件下，當葉輪轉(zhuǎn)速為220 r/min、245 r/min、 270 r/min、295 r/min、320 r/min時機構(gòu)拋土起壟最高點距離出土口分別是856.13 mm、1 101.72 mm、1 499.14 mm、1 836.41 mm、2 069.06 mm，同時土壤聚集度分別為88.28%、84.15%、82.20%、79.22%、76.03%。由分析可得，當拋土機構(gòu)與土壤相互作用時，為了適應(yīng)華南地區(qū)的新模式種植要求，根據(jù)蕉園香蕉樹種植農(nóng)藝要求及田間測量，起壟拋撒距離在1 800 mm最為符合起壟要求，綜合考慮拋撒距離及土壤集中率參數(shù)，葉輪轉(zhuǎn)速為295 r/min起壟效果最好，270 r/min次之，這兩個葉輪轉(zhuǎn)速都可滿足蕉園起壟作業(yè)性能要求。由此說明，并不是葉輪轉(zhuǎn)速越大，起壟機構(gòu)作業(yè)效果越好。

圖11 單因素葉輪轉(zhuǎn)速土壤顆粒-拋撒距離關(guān)系圖

1.5.3 葉片寬度對起壟效果的影響

為探究不同葉片寬度對起壟效果的影響，獲取在仿真過程中不同葉片寬度（50 mm、75 mm、100 mm、125 mm等），下起壟作業(yè)后土壤顆粒聚集程度，如圖12所示。

圖12 單因素葉片寬度土壤顆粒-拋撒距離關(guān)系圖

在導(dǎo)向罩角度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉片偏角及葉片數(shù)相同條件下，當葉片寬度為25 mm、50 mm、75 mm、100 mm時，機構(gòu)拋土起壟最高點距離出土口分別是1 319.12 mm、1 439.07 mm、1 499.14 mm、1 439.01 mm，同時土壤聚集度分別為80.17%、81.48%、82.20%、81.47%。由分析可得，當拋土機構(gòu)與土壤相互作用時，綜合考慮拋撒距離及土壤集中率參數(shù)，葉片寬度為75 mm起壟效果最好，該葉片寬度可滿足蕉園起壟作業(yè)性能要求。

1.5.4 葉片偏角對起壟效果的影響

為探究不同葉片偏角對起壟效果的影響，獲取在仿真過程中不同葉片偏角（–15°、–7.5°、0°、7.5°、15°等）下，起壟作業(yè)后土壤顆粒聚集程度，如圖13所示。

圖13 單因素葉片偏角土壤顆粒-拋撒距離關(guān)系圖

在導(dǎo)向罩角度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉片寬度及葉片數(shù)相同條件下，當葉片偏角為–15°、–7.5°、0°、7.5°、15°時，機構(gòu)拋土起壟最高點距離出土口分別是1 440.32 mm、1 499.06 mm、1 837.93 mm、1 346.74 mm、1 469.14 mm，同時土壤聚集度分別為82.73%、83.78%、79.35%、79.40%、83.83%。由分析可得，當拋土機構(gòu)與土壤相互作用時，綜合考慮拋撒距離及土壤集中率參數(shù)，葉片偏角為–7.5°起壟效果最好，0°次之，這兩個葉片偏角都可滿足蕉園起壟作業(yè)性能要求。

2 正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗分析

正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計方法是一種將正交試驗和回歸分析結(jié)合的方案設(shè)計方法，該方法既有正交試驗析因點均勻分布的優(yōu)點，同時又具備回歸分析的預(yù)測功能，可以有效進行誤差估計和擬合性測驗，本試驗可通過正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗對起壟機各因素組合影響效果進行預(yù)測及誤差分析。

2.1 正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗結(jié)果

拋土起壟機構(gòu)正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗[20]結(jié)果如表3所示。利用Design-Expert軟件設(shè)計T組試驗，基于仿真模型對拋土起壟機構(gòu)進行仿真試驗。

2.2 試驗結(jié)果的方差分析

利用Design-Expert軟件對表中的T組仿真試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果見表4～5。由表4～5可知，拋撒距離和集中率的試驗?zāi)Ｐ蜎Q定系數(shù)分別是2=0.954 7和2=0.778 0，說明回歸方程擬合可靠性度高，試驗?zāi)Ｐ途∮?.000 1，說明模型顯著，設(shè)計的試驗較為合理有效。影響因素導(dǎo)向罩角度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉片寬度、葉片偏角對拋撒距離與集中率影響均顯著。

表3 T組拋土起壟機構(gòu)仿真試驗安排及結(jié)果

Tab.3 Arrangement and results of orthogonal simulation tests on the soil throwing and monopoly mechanism of group T

試驗因素交互作用對拋撒距離與集中率產(chǎn)生的影響，對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，得到拋撒距離（1）和集中率（2）的回歸方程，見式（1）。

回歸方程、回歸系數(shù)的顯著性檢驗及擬合度檢驗如表4～5所示，可知一次項、和二次項2對拋撒距離的比重1的影響達到極顯著水平（＜0.01），二次項2、2對拋撒距離的比重1的影響達到顯著水平（＜0.05），其余項為不顯著；一次項、對集中率的比重2的影響達到極顯著水平（＜0.01），其余項為不顯著。缺乏擬合為0.170 8，意味著缺乏擬合相對于純誤差不顯著。

由表4～5可知，拋撒距離的比重1的模型與集中率的比重2的模型均小于0.001，即均小于0.01，模型極顯著；失擬項分別為0.991 2和0.716 1，均大于0.05，失擬項均不顯著；模型決定系數(shù)2與2Adj差異均小于0.02，合理一致，表示拋撒距離和集中率兩個模型擬合良好，可用該回歸模型對數(shù)據(jù)進行分析和預(yù)測。

表4 拋撒距離（1）方差分析結(jié)果

Tab.4 Analysis of variance (ANOVA) results for throwing distance (F1)

注：*表示差異顯著，＜0.05；**表示差異極顯著，＜0.01。

表5 集中率（2）方差分析結(jié)果

Tab.5 Concentration rate (F2) ANOVA results

注：*表示差異顯著，＜0.05；**表示差異極顯著，＜0.01。

在正交試驗基礎(chǔ)上，通過Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行系統(tǒng)分析，使用響應(yīng)曲面法尋找各試驗指標與影響因子間的定量規(guī)律，找出各影響因素水平的最佳組合：導(dǎo)向罩角度取為40°、葉輪轉(zhuǎn)速取為320 r/min、葉片寬度取為80 mm、葉片偏角取為0.84°，此時拋撒距離為2 262 mm，集中率為75.3%。

2.3 試驗結(jié)果的回歸分析

通過Design-Expert軟件對T組的響應(yīng)面數(shù)據(jù)進行處理并得到響應(yīng)面圖形[21]，分析結(jié)果如圖14～15所示，反映葉片偏角、導(dǎo)向罩角度、轉(zhuǎn)速和葉片寬度的交互作用對拋撒距離及集中率的影響。

圖14 A與D、B與C交互作用對拋撒距離的影響

圖15 B與D、C與D交互作用對拋撒距離的影響

響應(yīng)面[22]顯示相對平緩，說明響應(yīng)值可容忍處理條件的影響，且等高線顯示橢圓形表示組合的兩個因素相互作用極顯著；若等高線顯示圓形，則表示組合的兩個因素相互作用不明顯。

圖16～22為各因素交互作用對拋撒距離的比重的影響。當葉輪轉(zhuǎn)速取295 r/min、葉片寬度取75 mm時，隨著葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當導(dǎo)向罩角度取45°、葉片寬度取75 mm時，隨著葉片偏角和葉輪轉(zhuǎn)速的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當導(dǎo)向罩角度取45°、葉輪轉(zhuǎn)速取295 r/min時，隨著葉片偏角和葉片寬度的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當葉片偏角為0°、葉片寬度取值為75 mm時，隨著導(dǎo)向罩角度和葉輪轉(zhuǎn)速的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當葉片偏角為0°、葉輪轉(zhuǎn)速取值為295 r/min時，隨著導(dǎo)向罩角度和葉片寬度的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當葉片偏角為0°、導(dǎo)向罩角度取值為45°時，隨著葉輪轉(zhuǎn)速和葉片寬度的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)一直增加的趨勢。當葉輪轉(zhuǎn)速取值為295 r/min、葉片寬度取值為75 mm時，隨著葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的增加，集中率的比重都呈現(xiàn)一直減小的趨勢。在對拋撒距離比重的影響中，交互作用極顯著的組合有葉片偏角和葉輪轉(zhuǎn)速、葉片偏角和葉片寬度、導(dǎo)向罩角度和葉輪轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向罩角度和葉片寬度、葉輪轉(zhuǎn)速和葉片寬度，而葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的交互作用的影響不顯著。同時在對集中率比重的影響中，葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的交互作用的影響不顯著。

圖16 葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的交互作用對拋撒距離的比重影響

圖17 葉片偏角和葉輪轉(zhuǎn)速的交互作用對拋撒距離的比重影響

圖18 葉片偏角和葉片寬度的交互作用對拋撒距離的比重影響

圖19 導(dǎo)向罩角度和葉輪轉(zhuǎn)速的交互作用對拋撒距離的比重影響

綜上所述，在對拋撒距離和集中度的影響中，葉片偏角和葉輪轉(zhuǎn)速、葉片偏角和葉片寬度、導(dǎo)向罩角度和葉輪轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向罩角度和葉片寬度、葉輪轉(zhuǎn)速和葉片寬度組合的交互作用極顯著，葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的交互作用并不顯著；葉片偏角、導(dǎo)向罩角度、轉(zhuǎn)速和葉片寬度對拋撒距離及集中度的影響主次順序為：導(dǎo)向罩角度＞轉(zhuǎn)速＞葉片偏角＞葉片寬度。

圖20 導(dǎo)向罩角度和葉片寬度的交互作用對拋撒距離的比重影響

圖21 葉輪轉(zhuǎn)速和葉片寬度的交互作用對拋撒距離的比重影響

圖22 交互因素影響土壤集中率比重響應(yīng)分析

3 拋土機構(gòu)平臺試驗

為驗證拋土起壟機構(gòu)設(shè)計方案的合理性，進行機構(gòu)平臺驗證試驗，對機構(gòu)的性能進行驗證。

3.1 平臺試驗方案設(shè)計

3.1.1 準備試驗

3.1.1.1 試驗環(huán)境及試驗前土壤準備

為保持試驗時土壤物理性質(zhì)一致，同時保證土壤物理特性不影響送土量、拋土量等條件，在進行平臺試驗前由人工對空土地的土壤進行提前疏松，如圖23所示，本平臺試驗為拋土機構(gòu)的平臺試驗，所以旋耕碎土送土部分由人工代替，人工將提前疏松好的土壤送入已經(jīng)開始運轉(zhuǎn)的機構(gòu)中，運轉(zhuǎn)機構(gòu)將送入的土壤拋出。將組裝好的拋土起壟機構(gòu)轉(zhuǎn)移到無作物種植的空土地上進行平臺試驗，目的是避免在試驗過程中造成作物損傷。

3.1.1.2 試驗設(shè)備

整個搭建試驗平臺主要設(shè)備有：自制臺架、自主設(shè)計完成拋土葉輪、試制完成導(dǎo)向罩、電動機、變頻器操作面板、手持轉(zhuǎn)速計、電子秤等。

3.1.1.3 主要作業(yè)參數(shù)

根據(jù)仿真試驗進行分析，得到成壟一次達到最佳起壟參數(shù)組合包括：導(dǎo)向罩角度取為30°和62°、葉輪轉(zhuǎn)速取為275 r/min和314 r/min、葉片寬度取為82 mm、葉片偏角取為–7.5°。

3.2 試驗過程

試驗時，提前調(diào)節(jié)好葉輪轉(zhuǎn)速及導(dǎo)向罩角度，試驗場景見圖24。接通電源，等待葉輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，由人工將提前處理好的土壤送入進土口，完成進給土壤，土壤在轉(zhuǎn)動的拋土葉輪作用下經(jīng)導(dǎo)向罩拋撒出去，重復(fù)以上工作一分鐘，完成一次拋土作業(yè)，觀察土壤拋撒成壟形效果，以上為第一次試驗，之后每組試驗時間相同，記錄成壟參數(shù)，最后與仿真效果進行對比。為了保證每組試驗結(jié)果受環(huán)境等因素影響可能性降到最低，在進行多次試驗時，每組試驗輸入的試驗參數(shù)及操作均為一致。完成測試后將電源切斷，測試工作結(jié)束。

1-拋土前土壤放置區(qū)域；2-拋土機構(gòu)；3-稱重臺；4-起壟區(qū)域。

3.3 拋土起壟機構(gòu)仿真驗證試驗

進一步進行拋土起壟機構(gòu)的起壟平臺試驗，效果見圖25，根據(jù)仿真分析試驗條件，按照仿真試驗得出的最優(yōu)組合進行參數(shù)設(shè)置，連接電源重復(fù)上述試驗步驟，結(jié)果對比如表6。

圖25 平臺試驗現(xiàn)場拋土效果

表6 仿真結(jié)果與平臺試驗結(jié)果對比

Tab.6 Comparison of simulation results with platform test results

4 結(jié)論

對規(guī)定距離的香蕉樹起壟作業(yè)進行研究，在滿足土壤拋撒距離、起壟高度等農(nóng)藝要求情況下，將理論和試驗相結(jié)合，對樣機試驗結(jié)果進行對比，得到最優(yōu)試驗結(jié)果：導(dǎo)向罩角度取為30°，葉輪轉(zhuǎn)速取為275 r/min，葉片寬度取為82 mm、葉片偏角取為–7.5°；罩角度取為62°，葉輪轉(zhuǎn)速取為314 r/min，葉片寬度取為82 mm、葉片偏角取為–7.5°，最終得到仿真結(jié)果中土壤集中度為73%和81%，拋撒距離為2 081.2 mm和979.2 mm，該兩組參數(shù)作業(yè)結(jié)果都滿足蕉園起壟的農(nóng)藝要求。本次研究從根本上驗證了拋土機構(gòu)起壟作業(yè)的真實性和實用性，為起壟部件的設(shè)計與改進提供了理論依據(jù)。

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Design and Testing of a Monopoly Machine Throwing Mechanism for Banana Plantation with Super Wide and Narrow Row Spacing

GAO Ruitao, GAO Yu, SUN Zhiquan, CAO Can, LI Jun*

(South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

The work aims to design abanana plantation monopoly machine throwing mechanismon the basis of a large number of domestic and foreign research literature on the monopoly mechanism, combined with the new banana planting pattern and agronomic requirements, to achieve the purpose of banana plantation monopoly mechanization operation. The main working parts of the soil throwing mechanism were modeled and simulated, and the process of soil particles being thrown under the thrust of the mechanism was studied by computer simulation using EDEM. The angle of the guide hood, impeller speed, blade width and blade deflection angle were used as test factors, and the throwing distance and soil concentration rate were used as evaluation indexes to conduct single-factor and orthogonal tests to investigate the effect of the factors on the operating performance of the soil throwing and monopoly mechanism. Finally, the simulation data were analyzed using the Design-Expert data processing software to obtain the optimal combination of parameters for operation, and the optimal combination of parameters was used to produce a prototype for platform tests. The best combination of parameters for starting the monopoly was obtained by comparing the simulation test with the platform test: the angle of the guide hood was taken as 30°, the impeller speed was taken as 275 r/min, the blade width was taken as 82 mm and the blade deflection angle was taken as –7.5°; while the angle of the hood was taken as 62°, the impeller speed was taken as 314 r/min, the blade width was taken as 82 mm and the blade deflection angle was taken as –7.5°. The soil concentration was 73% and 81% respectively, and the throwing distance was 2 081.29 mm and 979.2 mm. The platform test verified that the results were within a reasonable range. Based on the comparison of simulation and platform test results, the best combination of parameters is finally obtained for the mechanism to throw the soil to meet the requirements of the banana plantation. It provides a basic reference basis for the design of "super wide and narrow row spacing" plantain plantation monopoly machinery.

throwing and monopoly mechanism; discrete element method; orthogonal test; platform test

TB472

A

1001-3563(2024)02-0273-13

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.02.029

2023-08-12

國家重點研發(fā)計劃（2022YFD2001602）；國家自然科學(xué)基金（32071913）