基于離散元法的寶塔菜聯(lián)合收獲機輸送機構(gòu)研究

吳 俊,鄭毅敏，王 鶴，慕 松，尚 欣

(寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院，銀川 750021)

?

基于離散元法的寶塔菜聯(lián)合收獲機輸送機構(gòu)研究

吳 俊,鄭毅敏，王 鶴，慕 松，尚 欣

(寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院，銀川 750021)

針對現(xiàn)有收獲機在果實的運送過程中存在的壅土、耗用勞動力大等突出問題，以寶塔菜聯(lián)合收獲機為研究對象，對收獲機的輸送機構(gòu)進行了研究設(shè)計。使用離散元法建立土壤的運動模型，比較了輸送器在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)下果實與土壤的輸送情況，確定了收獲機合理的設(shè)計參數(shù)，提高了寶塔菜收獲率，為收獲機輸送機構(gòu)的設(shè)計與研究提供了理論依據(jù)。田間初步試驗表明：果實和土壤能夠流暢輸送，證明了運用離散元法分析收獲機輸送機構(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，國內(nèi)對寶塔菜收獲機的研究很少，沒有成熟的收獲機械。對寶塔菜果實的收獲主要依靠人工作業(yè)，滿足不了當(dāng)前市場對寶塔菜的需求，對寶塔菜產(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，增加了勞動強度。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，且寶塔菜果實表皮脆嫩，在輸送過程中容易受損，對儲存造成影響。為了輸送過程中避免果實受到損傷，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力大)，從而導(dǎo)致故障率高、機械損傷大及作業(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，用時步迭代的方法求解各剛性元素的運動方程，繼而求得不連續(xù)的整體運動形態(tài)。其允許單元件的相對運動，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，計算速度快[2]。

針對以上系列問題，本文利用離散法研究草石蠶收獲機的輸運機構(gòu)，在滿足寶塔菜收獲農(nóng)藝條件的前提下，研究并確定收獲機輸送機構(gòu)設(shè)計的相關(guān)參數(shù)，使其性能達到最佳。同時，進行田間試驗，實現(xiàn)了草石蠶的運輸，避免了壅土問題，降低了勞動強度，提高了勞動效率。

1 機具工作原理及輸送系統(tǒng)設(shè)計

1.1 機具工作原理

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

1.滾筒篩 2.機架 3.挖掘鏟 4.旋耕裝置 5.一級輸送鏈

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

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

1.2 輸運系統(tǒng)設(shè)計

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

1.一級鏈桿輸送裝置 2.二級鏈桿橫向輸送裝置

2 EDEM離散元仿真實驗

2.1 實驗因數(shù)及水平

影響輸運機構(gòu)作業(yè)性能參數(shù)主要為結(jié)構(gòu)參數(shù)。進行仿真實驗時，以土壤的平均速度為實驗?zāi)繕?biāo)，選取一級輸送鏈板的線速度和傾角為實驗因素，開展模擬仿真實驗。為保證果實與土壤運輸?shù)牧鲿承裕斔推骶€速度應(yīng)大于或等于機具前行速度，選定奔野-25III擋(4.3km/h)，速度約為1.2m/s。故一級輸送器的線速度選取1.2、1.5、1.8m/s這3個水平，傾角選取20°、25°、30°這3個水平[6]，橫向輸送鏈板的線速度應(yīng)取2m/s。

每次仿真實驗開始前，在SolidWorks 軟件[5]中生成相應(yīng)的輸運機構(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，并對模型進行前處理[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，離散單元之間為點接觸，其接觸特性為軟接觸，即剛性離散單元在接觸點處允許有一定的重疊量，在所有時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算量, 在建模時近似為輸送帶模型，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，通過查閱文獻確定[10]，如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)

EDEM 軟件會自動計算雷利步長[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)格邊長設(shè)置為最小顆粒半徑的2倍，對一級輸送器和二級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，輸送器開始運行， EDEM軟件的后處理工具模塊可以對仿真的數(shù)據(jù)進行分析并且導(dǎo)出[12]。

3 仿真試驗結(jié)果分析

圖4為離散元仿真獲得的理想狀態(tài)下單個顆粒運動速度隨時間變化曲線。果實與土壤到輸送器后，土壤受到輸送器給的摩擦力將會先做短暫的加速運動，速度達到輸送器線速度繼而做勻速運動；土壤到達輸送頂端時將做拋物運動落入橫向輸運板時，繼續(xù)做加速運動，直至與橫向輸送鏈板的線速度相等。實際情況是：隨著機具的前行，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，果實和土壤的平均速度未達到輸送器的線速度。

圖4 理想狀態(tài)下土壤輸送速度

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

當(dāng)一級輸送器的傾角為30°時，果實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，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輸運影響較大。

圖5 土壤和果實在輸送過程中速度隨時間的變化曲線

當(dāng)輸送器在20°和25°的傾角下，物料都能流暢的輸運。當(dāng)輸送器線速度為1.2m/s時，土壤在20°傾角條件下的速度優(yōu)于25°傾角時的速度；當(dāng)輸送器線速度為1.5m/s時，土壤在20°條件下傾角的速度先優(yōu)于25°傾角時速度，后與其接近。因為20°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，會造成能量損失，速度過大也可能造成果實的破損，輸運效率降低，故傾角為25°優(yōu)于20°。圖6所示為一級輸送器1.5m/s時不同傾角下土壤的能量曲線。

為了提高輸送器的輸運效率，應(yīng)選擇最佳的線速度，減少果實的損傷。由參考文獻[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的土壤和果實，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為機具前進速度)。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 土壤能量隨時間變化曲線

通過EDEM 離散元仿真研究得出：當(dāng)一級輸送器傾角在30°時會出現(xiàn)壅土現(xiàn)象，在20°和25°傾角時輸送流暢，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時寶塔菜果實和土壤運輸最為流暢。

圖7 土壤仿真區(qū)域圖

4 試驗

研發(fā)團隊委托寧夏銀川凱盛機械制造有限公司制做該收獲機的試驗樣機，在寧夏銀川市賀蘭縣寶塔菜種植基地進行了田間試驗。

試驗開始時對收獲機進行檢查，避免出現(xiàn)人為故障。利用拖拉機液壓系統(tǒng)，調(diào)整收獲機高度來控制挖掘深度。控制拖拉機前進速度，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)，記錄下每次試驗的工作情況。

試驗結(jié)果:當(dāng)一級輸送器的傾角設(shè)置為30°時，土壤和果實能運輸一段時間，之后出現(xiàn)壅土現(xiàn)象;當(dāng)一級輸送器傾角設(shè)為20°和25°時，土壤和果實在輸送機構(gòu)上輸運流暢，遺漏不明顯，不存在果實磨損情況，與仿真結(jié)果大致吻合。田間試驗如圖8所示。

圖8 田間試驗

5 結(jié)論

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

2)通過結(jié)合具體實例， 利用計算機輔助軟件，基于離散單元法對土壤與寶塔菜果實的輸送做了預(yù)測和分析。通過實地試驗，結(jié)果表明：離散元方法在研究收獲機運輸機構(gòu)方面是可行的。通過離散元的方法仿真土壤運輸狀態(tài)，能夠減少生產(chǎn)成本，為機構(gòu)設(shè)計提供理論依據(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的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015(6):17-24.

[2] 劉凱欣,高凌天.離散元法研究的評述[J].力學(xué)進展,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)合收獲機設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2017，39(4):149-153.

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

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

[6] 鄧佳玉,胡軍,李慶達,等.基于EDEM離散元法的深松鏟仿真與試驗研究[J].中國農(nóng)機化,2016(4):14-18.

[7] 陳進,周韓,趙湛,等.基于EDEM的振動種盤中水稻種群運動規(guī)律研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011(10):79-83，100.

[8] 李恒,李騰飛,高揚,等.基于離散元法的多層刮板式清糞機仿真優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,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)計與仿真試驗[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的振動篩分?jǐn)?shù)值模擬與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011(5):117-121.

[12] 王國強,郝萬軍,王繼新.離散單元法及其在EDEM上的實踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2010.

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

[14] 呂金慶,李世柱,李國民,等.馬鈴薯挖掘機升運器的設(shè)計研究[J]. 農(nóng)機化研究,2004(4):108-109，111.

[15] 王冰,胡良龍,胡志超,等.鏈桿式升運器薯土分離損傷機理研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,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)科技支撐計劃項目(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