三七收獲機組合式挖掘鏟減阻效果研究—基于EDEM

程一啟，張兆國，張 丹，崔振猛，楊海慧

(1.昆明理工大學 現代農業工程學院,昆明 650500；2.云南省高校中藥材機械化工程研究中心,昆明 650500)

0 引言

三七是藥食同源的名貴中藥材，是云南省獨具有特色的中藥材。云南中藥材資源豐富，約有6 000多個品種。近年來，三七產業蓬勃發展，在中藥材中逐步發展為領軍藥材，其加工產業和種植收入都占到全省40%左右的份額[1]。現代臨床醫學研究發現，三七對心腦血管系統疾病防治有很好的效果，具有強心健身、活血散瘀和強壯滋補等功效[2]。隨著國家實施西部大開發、云南建設綠色經濟強省戰略及國家中藥現代化建設項目實施，云南省三七產業得到快速發展，其種植面積和產量逐年增加。目前，三七的大部分采挖仍使用傳統的人工采挖方式，采挖效率低下，勞動強度很大，費時費力[3]。

挖掘鏟作為三七收獲機的關鍵部件，其形態結構、幾何參數將直接影響機械性能及收獲效果。挖掘作為收獲最重要的一步，必須滿足較高的收獲效率與較低的收獲阻力。因此，在不降低三七收獲率的前提下對三七收獲機組合式挖掘鏟減阻機理進行研究，對三七收獲機降低收收獲阻力、減少工作能耗具有重要的意義。

1 結構方案設計

1.1 三七種植模式

三七主要在土質疏松、排灌方便、保濕且8年內未種過三七的土壤中種植。三七保濕采用畦作，畦高100～160mm，總畦高1 200～1 700mm， 行距100mm，株距140～150mm。普通三七的生長深度150mm，最大生長深度200mm，如圖1所示。

圖1 三七種植模式示意圖

1.2 組合式挖掘鏟的設計

目前，挖掘鏟鏟形可以分為平面鏟和曲面鏟。其中，平面鏟包括三角鏟和條形鏟，曲面鏟包括凹面鏟和凸面鏟。目前，應用最廣為多面二階平面鏟，收獲效率較高，遺漏現象較少，入土比較容易。試驗表明：如果三七收獲機整個挖掘鏟直接采用二階平面且正對三七塊根的采挖方式[4]，則存在以下弊端(見圖2)：①容易漏挖一些不在標準位置生長的三七; ②二階平面鏟見鏟架的迎土面會與土壤產生較大的阻力。

為了克服這些弊端，可在兩個二階平面鏟間加入另外一種鏟。目前常用的做法是再加一個二階平面鏟，但新加的平面鏟幾乎很少收獲到三七，且會增加整機挖掘阻力。故本設計在二階平面鏟間加入一種土壤破碎鏟，成為一種組合式挖掘鏟。

組合式挖掘鏟由二階平面鏟、土壤破碎鏟及鏟架組成，如圖3所示。二階平面鏟與土壤破碎鏟交錯排列，組合式挖掘鏟工作時土壤破碎鏟先行破土，又能推開土壤，迫使不在標準位置生長的三七移動到二階平面鏟所在位置，以提高收獲率。

圖2 多個二階平面鏟試驗問題圖

1.鏟架 2.土壤破碎鏟 3.二階平面鏟

1.2.1 二階平面鏟參數設計

二階平面鏟作為組合挖掘鏟的主要工作部件，其主要參數包括鏟面傾角α1與α2、鏟體寬度b、鏟體長度L1與L2，如圖4所示。

圖4 三角平面鏟的特性圖

為使三七莖葉、雜草等雜物能沿鏟刃邊緣順利地滑移且達到易切斷、減小前進阻力的目的，需要滿足下式，即

P1≥μP2

(1)

由摩擦定理可知

(2)

(3)

其中，草及土壤的總阻力為F，鏟刃前進作用力為P0,莖稈和土壤對鏟刃的摩擦系數為μ。式(1)～式(3)中：φmax為莖葉、雜草和土壤對鋼的最大摩擦角，土壤對鋼的摩擦因數為0.577～0.721，莖葉對鋼的摩擦因數為0.95～0.98，故只要滿足莖葉對鋼的摩檫系數即可。計算得γ0<120°，可滿足要求。本設計采用γ0=90°。

Pcosα2-F-Gsinα2=0

(4)

FN-Gcosα2-Psinα2=0

(5)

F=μFN

(6)

(7)

其中，P為掘起物的移動力；α2為第2階鏟面傾角；G為掘起物的重力；F為土壤與鏟的摩擦力；FN為挖掘鏟對掘起物的支反力；μ為土壤對挖掘鏟的摩擦因數。一階鏟面傾角α1必須小于二階鏟面傾角α2，為保證有較好的碎土能力及挖掘阻力不能過大，兩個鏟面的傾角值不宜過大或過小。故取15°≤α1≤20°，18°≤α2≤25°，且α1<α2[5]。

為能將三七完全挖出，同時不損壞三七，且可使掘起物順利輸送到后續裝置上，避免土壤堆積，挖掘深度取150～200mm，h1取總高度h的1/5～1/4，即可滿足要求。又根據式(8)并參考其他根莖類的挖掘鏟，取總長L約為400mm。

(6)

本設計中采用二階平面鏟正對三七塊根的采挖方式，即平面鏟的行進方向與三七塊根的生長方向平行[5]。寬度要能將1株最大尺寸的三七完整的挖出，因此取鏟寬b=90mm。

1.2.2 土壤破碎鏟參數設計

土壤破碎鏟有著降低挖掘阻力、輔助二階平面鏟三七塊根的功能，如圖5所示。土壤破碎鏟為三棱楔[6]，其主要參數有入土隙角β0、入土角β、鏟胸升角β1、翻土角β2、鏟翼寬c。

入土隙角β0為土壤破碎鏟底面與地面之間的夾角，有利于土壤破碎鏟入土。入土隙角在5°～15°范圍內可滿足工作要求。

入土角為破碎鏟工作面與地面之間的夾角。本文入土角的設計與圓弧刃口型開溝器刃口相似，為圓弧設計。為方便確定入土角與鏟胸升角參數的最小值，取入土隙角β0=5°，其關系與范圍為25°≤β≤β1≤65°，如圖6所示。

圖5 土壤破碎鏟的結構簡圖

圖6 入土角與鏟胸升角的示意圖

假設O為坐標原點，A點的縱坐標為入土角變化為鏟胸升角的臨界高度值，其大小約為三七主根系在土壤中所占高度，取值50mm；A點橫坐標取值不能使β1大于65°，擬取值60mm。故弧線上兩點坐標為O(0，0)，A(60,50)。因此，假設OA圓弧線的方程為

(7)

其中，a、b為圓心O′的橫縱坐標；R為圓半徑(mm)。將O、A兩點坐標帶入上式，取初始入土角β=25°,則

y′(0)=tanβ=tan25°

(8)

在OA圓弧又有以下關系式，即

(9)

由式(9)可得β1=55°，滿足要求。最小入土角β與最小鏟胸升角β1分別為25°和55°。

本設計是通過土壤破碎鏟向兩側推三七與土壤混合物的功能將三七推至二階平面鏟挖掘范圍,故翻土角應取較大值。為避免土層混亂，β2不會超過42°。為增加推土效果，則要大于這個值，β2取值約為50°。

土壤破碎鏟位于二階平面鏟之間，鏟翼寬應不大于二階平面鏟間的間隙，故取鏟翼寬c=58mm。

2 組合式挖掘鏟離散元仿真分析

2.1 邊界模型的建立與參數選取

采用EDEM離散元仿真軟件對組合式挖掘鏟與土壤的接觸作用力進行分析。由于組合式挖掘鏟整體過大，對計算機配置要求過高，易導致仿真時間過長，故只選用其中關鍵部分進行仿真。本文采用Pro/E軟件對組合式挖掘鏟及與其對比仿真試驗的挖掘鏟進行三維建模，并以stp格式導出EDEM軟件，如圖7所示。

圖7 仿真區域中兩種挖掘鏟三維模型

土壤是由氣體、液體和固體組成的復雜物質，三七多種植于土質疏松的沙壤土中，本文選用經典的Herte-Mindin模型作為離散元法仿真時的土壤顆粒模型，仿真試驗中組合式挖掘鏟的材料采用65Mn。通過土壤物理性能參數和力學參數的測定[7]，根據仿真中土壤顆粒分布情況、計算機的性能及土槽尺寸，采用如表1中的仿真參數。

表1 離散元法仿真分析時的參數

2.2 工作阻力分析

仿真中采用1m×0.5m×0.5m的土槽，在EDEM前處理器模塊依次設置全局模型參數，定義基本顆粒、幾何結構及求解域，創建顆粒工廠等。仿真實驗為單因素試驗，需要對組合式挖掘鏟以及對比挖掘出不同運動情況進行設置。仿真并分析工作速度分別為0.5、0.7、0.9m/s，挖掘深度為140、170、220mm。組合式挖掘鏟與對比挖掘鏟的仿真工作過程如圖8所示。

圖8 組合式挖掘鏟與對比挖掘鏟EDEM離散元仿真分析

仿真開始時形成土壤顆粒，待顆粒沉淀穩定后組合式挖掘鏟開始運動。組合式挖掘鏟的挖掘阻力在工作過程中不斷發生變化，趨于恒速穩定狀態時段平均值為組合式挖掘鏟的挖掘鏟阻力。通過EDEM后處理工具模塊對組合式挖掘鏟與對比挖掘鏟的仿真模擬結果進行分析與導出[8]，仿真得到水平阻力和垂直阻力的變化，如圖9所示。

圖9 不同工作速度時組合式挖掘鏟與對比挖掘鏟工作阻力變化曲線

由圖9可以看出：組合式挖掘鏟在挖掘深度與速度相同的情況下，水平阻力和垂直阻力比值大小約5:2。對比挖掘鏟在挖掘深度一定、速度較低的情況下，水平阻力略大于垂直阻力；隨著速度的加大，水平阻力與垂直阻力的差值變大，但水平阻力與垂直阻力比值大小最大不多于5:4。

當挖掘深度相同時，速度越大，組合式挖掘鏟與對比挖掘鏟受到的水平阻力和垂直阻力越大。當挖掘深度和速度相同時，組合式挖掘鏟水平阻力都略小于對比式挖掘鏟，其垂直阻力卻大大小于對比挖掘鏟。

對比挖掘鏟的工作阻力大特別是垂直阻力過大，主要原因是對比挖掘鏟工作時挖起過多的土壤[見圖9(b)][9]。對比挖掘鏟鏟面比組合式挖掘鏟掘起更多的土壤，對鏟面產生載荷和摩擦力，使工作阻力增加；組合式挖掘鏟減少挖掘土壤量，可達到減輕壅土長度及降低工作阻力的作用。

2.3 土壤顆粒運動軌跡分析

為了分析三七的行走軌跡，對組合式挖掘鏟周圍土壤顆粒的運動軌跡進行仿真，如圖10所示。

圖10 土壤顆粒運動軌跡圖

為了縮短計算機運算時間，只對組合式挖掘鏟開始運動時通過兩個土壤破碎鏟鏟尖位置的土槽一垂直正方形切面上的土壤顆粒進行仿真。正方形長要大于土壤顆粒堆起的高度，寬不小于兩個破碎鏟鏟尖的距離，故取a=400mm、b=150mm。土壤顆粒軌跡不同顏色表示不同的速度，位于組合式挖掘鏟下方的土壤顆粒只有輕微擾動，正對二階平面鏟的土壤顆粒速度較快，與二階平面鏟和土壤破碎鏟的兩側鏟翼直接接觸的土壤顆粒速度最快。組合式挖掘鏟在前進時，兩個土壤破碎鏟與二階平面鏟間形成的通道迫使其中的大部分土壤向通道運動(即向二階平面鏟移動)，佐證了土壤中的三七也會向二階平面鏟移動，使組合式挖掘鏟可以收獲不在標準位置生長的三七。

3 結論

1)為降低三七收獲挖掘鏟的工作阻力，設計了一種新型組合式挖掘鏟，由二階平面鏟和土壤破碎鏟交錯排列組成。土壤破碎鏟先進行土壤破碎，然后由二階平面鏟進行收獲。

2)通過理論分析比較1個土壤破碎鏟與1個二階平面鏟的工作阻力，分析得出組合式挖掘鏟有一定的減阻效果。

3)采用EDEM離散元軟件比較分析了組合式挖掘鏟與傳統挖掘鏟在不同工作速度和挖掘深度時的水平阻力和垂直阻力，結果表明：組合式挖掘鏟在工作速度為0.5、0.7、0.9m/s，挖掘深度分別為100、150、200mm時阻力均小于傳統的挖掘鏟，且組合式挖掘鏟垂直阻力小于傳統挖掘鏟。