白芹螺旋壅土裝置參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

摘要：針對(duì)四壟三行白芹壅土專用機(jī)壅土裝置土壤分配不均勻的問題，基于離散元理論對(duì)四壟三行白芹壅土專用機(jī)壅土作業(yè)過程進(jìn)行分析和仿真計(jì)算。以螺旋送土裝置中螺旋體的轉(zhuǎn)速、螺距以及壅土成形模具入料口角度為試驗(yàn)因素，分析各因素對(duì)于土壤分配均勻性的影響效果；設(shè)計(jì)三因素三水平的組合試驗(yàn)，對(duì)建立模型的參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化求解，獲得土壤均勻分配的最優(yōu)參數(shù)組合：螺旋體轉(zhuǎn)速為180 r/min、螺旋體螺距為200 mm、壅土成形模具入料口角度為63°。將優(yōu)化后的螺旋送土裝置在壅土機(jī)上進(jìn)行田間試驗(yàn)。結(jié)果表明，四壟壅土均勻一致、成形符合壅土要求，提高壅土效率，滿足四壟三行白芹種植模式的壅土要求。

關(guān)鍵詞：白芹；螺旋壅土裝置；離散元；模擬仿真；最優(yōu)參數(shù)組合

中圖分類號(hào)：S224

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 12-0060-07收稿日期：2023年7月2日

修回日期：2023年8月24日

*基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程項(xiàng)目（NJ2016—03）

第一作者：袁浩，男，1975 年生，江蘇鎮(zhèn)江人，博士，副教授，碩導(dǎo)；研究方向?yàn)榉菢?biāo)自動(dòng)化、視覺及仿真。E-mail：285817681@qq.com

Parameter design and optimization of white celery screw congestion device

Yuan Hao¹， Li Zheng¹， Fu Tianhao¹， Zhao Guangcai¹， Yi Weiming²

（1. School of Mechanical Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China；2. Liyang Yi Jia Dian Yuan Ecological Agricultural Development Co.， Ltd.， Changzhou， 213331， China）

Abstract： In order to solve the problem of uneven soil distribution in the developed ridge-three row parsley machine， the working process of the machine was analyzed and simulated based on the discrete element theory. The influence of each factor on the uniformity of soil distribution was analyzed by taking the rotation speed， pitch of the helicoid in the helical soil feeding device and the angle of the feeding port of the soil forming die as experimental factors. A three-factor and three-level combination experiment was designed， and the parameter combination of the model was optimized and solved， and the optimal parameter combination of soil uniform distribution was obtained as follows： the spiral rotation speed was 180 r/min， the spiral pitch was 200 mm， and the feeding angle of the soil forming mold was 63°. Field experiments were carried out on the optimized screw soil feeding device on an earner. The results showed that the soil in four ridges was uniform and formed in accordance with the requirements of earthen cultivation， which improved the efficiency of earthen cultivation and met the requirements of three rows of parsley planting mode on four ridges.

Keywords：

white celery; screw congenstion device; discrete elements; simulation; optimal parameter combination

0 引言

白芹，水生宿根草本植物，屬水芹菜。溧陽白芹一般在每年8月下旬到9月中旬開始進(jìn)行排種，通常情況下白芹在排種苗后50～70天，苗高達(dá)40～50 cm，莖葉呈現(xiàn)翠綠色，生長旺盛時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行壅土作業(yè)^［1］。壅土作業(yè)時(shí)需要將濕度適中的泥土堆放在白芹兩側(cè)形成壅土^［2］，且后續(xù)在兩壅土間灌水、覆土加蓋，從而營造不見光、保溫保濕的小環(huán)境，形成白芹出芽、白化的生長環(huán)境。白芹壅土作業(yè)是整個(gè)白芹種植過程中最繁雜、勞動(dòng)量最大的環(huán)節(jié)，這使得其種植人工成本極高。

易衛(wèi)明、袁浩等^{［3， 4］}開發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)白芹壅土機(jī)，一次作業(yè)可對(duì)一行白芹進(jìn)行壅土，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化壅土，提高了壅土效率；但這種機(jī)械化的白芹種植模式與傳統(tǒng)白芹種植模式相比，土地利用率低，白芹產(chǎn)量低。為了進(jìn)一步提升白芹壅土作業(yè)效率，提高土地利用率，增加白芹產(chǎn)量，提出了一種四壟三行的白芹種植模式，研發(fā)了四壟三行白芹壅土專用機(jī)。

四壟三行白芹壅土專用機(jī)壅土裝置擁有兩個(gè)左右對(duì)稱的壅土成形模具，每個(gè)壅土成形模具后面有兩個(gè)出料口。白芹種植壅土過程中，需保證壅土高度為310 mm，以及壅土堅(jiān)實(shí)度不低于80 kPa，在實(shí)際作業(yè)時(shí)，土壤不易均勻地分配到兩個(gè)壅土成形模具出料口中，導(dǎo)致壅土堅(jiān)實(shí)度和尺寸達(dá)不到要求，影響了壅土質(zhì)量。

本文基于離散元理論對(duì)四壟三行白芹壅土專用機(jī)壅土作業(yè)過程進(jìn)行分析和仿真計(jì)算，分析壅土裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)土壤分配均勻性的影響，對(duì)壅土裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高壅土裝置中土壤分配均勻性，從而達(dá)到白芹種植壅土要求。

1 壅土裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

壅土裝置主要包括兩組對(duì)稱分布的螺旋取土裝置、螺旋送土裝置以及壅土成形模具等，如圖1所示。

四壟三行白芹壅土專用機(jī)工作時(shí)，第二柴油機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)鏈傳動(dòng)傳遞給壅土裝置，帶動(dòng)螺旋取土裝置上的螺旋體轉(zhuǎn)動(dòng)，土壤被螺旋體前端的刀片切削進(jìn)入螺旋取土裝置中，并在螺旋體轉(zhuǎn)動(dòng)下被輸送。當(dāng)土壤到達(dá)螺旋體的末端后，土壤受到擠壓進(jìn)入螺旋送土裝置中，螺旋送土裝置中的螺旋體不斷旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)土壤向前輸送。每個(gè)螺旋送土裝置連接有壅土成形模具，每個(gè)壅土成形模具擁有兩個(gè)出料口，土壤在螺旋送土裝置中螺旋體的轉(zhuǎn)動(dòng)以及土壤之間相互擠壓的作用下進(jìn)入壅土成形模具中，土壤經(jīng)過壅土成形模具擠壓成形后形成壅土，堆放在白芹兩側(cè)。土壤在壅土裝置中的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示。

2 壅土作業(yè)過程的離散元仿真

為解決壅土裝置土壤分配不均勻的問題，基于離散元仿真技術(shù)揭示土壤在螺旋送土裝置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探究影響土壤分配均勻性的因素。

2.1 接觸模型的確定

EDEM軟件中接觸模型的選擇對(duì)于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。該研究的土壤顆粒含水率較高，土壤接近于流變體性質(zhì)，其黏性和塑性性質(zhì)突出，土壤之間會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，土壤之間以及土壤和農(nóng)機(jī)具之間存在較大的粘附力^［5］。傳統(tǒng)的Hertz模型僅考慮到了顆粒之間的彈性變形，沒有考慮到顆粒之間因?yàn)榉兜氯A力作用而產(chǎn)生的黏結(jié)力^［6］，所以該模型不適用于模擬黏性顆粒。Hertz-Mindlin with JKR模型依據(jù)JKR理論而建立，其在Hertz理論的基礎(chǔ)上考慮了含有一定濕度的顆粒間的粘結(jié)力對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，該模型是一個(gè)凝聚力接觸模型，一般用于模擬顆粒之間因?yàn)樗帧㈧o電等原因產(chǎn)生黏結(jié)和團(tuán)聚的顆粒。設(shè)計(jì)中土壤顆粒之間的接觸模型采用EDEM軟件中的Hertz-Mindlin with JKR接觸模型，土壤—機(jī)械部件之間的接觸模型采用Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型。

2.2 仿真參數(shù)的確定

1） 材料參數(shù)的確定。仿真所需要的材料參數(shù)包括土壤顆粒的泊松比、密度、剪切模量以及機(jī)械部件的泊松比、密度、剪切模量等，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料^{［7， 8］}，選取土壤的泊松比為0.38，利用應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試三軸剪切試驗(yàn)儀測(cè)得土壤樣品的彈性模量為2.76×10⁶ Pa，通過計(jì)算得到土壤樣品的剪切模量為1×10⁶ Pa，機(jī)械部件的泊松比、密度、剪切模量通過查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)獲得^［9］。

2） 接觸參數(shù)的確定。仿真所需要的土壤顆粒與機(jī)械部件之間的接觸參數(shù)通過實(shí)際測(cè)量以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得^［10］。仿真所需要的參數(shù)如表1所示。

將仿真的規(guī)模、物料的堆積密度以及堆積角輸入到材料數(shù)據(jù)庫（GEMM）中，便能獲得物料之間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)以及JKR表面能的參考值范圍。為了更加真實(shí)地模擬白芹壅土的土壤環(huán)境，得到更加可靠的土壤顆粒間的接觸參數(shù)，通過EDEM軟件進(jìn)行土壤堆積角仿真試驗(yàn)^［11］，確定土壤顆粒間的接觸參數(shù)。

2.3 仿真模型的確定

進(jìn)行模擬仿真時(shí)將土壤顆粒簡化為球形顆粒，離散元仿真中顆粒尺寸增大會(huì)導(dǎo)致仿真運(yùn)行時(shí)間呈幾何級(jí)數(shù)增長^［12］，因此仿真時(shí)顆粒尺寸受到儲(chǔ)存空間以及計(jì)算時(shí)間的限制，其尺寸總是要比真實(shí)的土壤尺寸大。很多研究者采用8 mm或以上半徑的球體作為土壤顆粒模型，并且比較準(zhǔn)確地模擬了土壤與機(jī)械部件的相互作用過程，考慮到計(jì)算機(jī)性能以及仿真時(shí)間，確定土壤顆粒半徑為8 mm。此外，研究表明土壤顆粒的形狀主要有球狀、核狀、塊狀等^［13］，為了更好地模擬真實(shí)土壤條件，提高土壤模型的準(zhǔn)確性，依據(jù)EDEM軟件自帶的球形顆粒組合替代不同的土壤顆粒形狀，如圖2所示。

采用離散元EDEM軟件進(jìn)行壅土過程的仿真時(shí)，需要建立一個(gè)大小合適的虛擬土槽用來生成土壤顆粒^［14］，綜合考慮壅土機(jī)行進(jìn)速度、取土深度以及計(jì)算機(jī)性能，建立兩條長×寬×高為2 500 mm×500 mm×400 mm的虛擬土槽，如圖3所示。

利用SolidWorks對(duì)四壟三行白芹壅土專用機(jī)進(jìn)行三維建模，為了減少仿真時(shí)間，在保證仿真質(zhì)量的前提下，通過簡化機(jī)組結(jié)構(gòu)的方式建立白芹壅土作業(yè)仿真模型，將白芹壅土機(jī)進(jìn)行簡化，保留白芹壅土機(jī)壅土裝置部分，將簡化后的三維模型保存為stp格式并將其導(dǎo)入EDEM軟件中，如圖4所示。

2.4 土壤分配均勻性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為了更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)EDEM仿真試驗(yàn)中各因素對(duì)土壤分配均勻性的影響，在壅土成形模具4個(gè)出料口設(shè)置Grid Bin Group網(wǎng)格，用于統(tǒng)計(jì)通過每個(gè)網(wǎng)格的土壤顆粒質(zhì)量，如圖5所示。

以土壤分配均勻性變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，土壤分配均勻性變異系數(shù)越小，土壤分配均勻度越高，土壤分配越均勻，其計(jì)算如式（1）所示^［15］。

{CV=S/X-×100%

S=1/n-1∑10/i=1（X_i-X-）²

X-=1/n∑n/i=1X_i （1）

式中： CV ——土壤分配均勻性變異系數(shù)；

S ——標(biāo)準(zhǔn)差；

X- ——n列網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)到的土壤質(zhì)量的平均數(shù)；

X_i ——第i列網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)到的土壤質(zhì)量；

n ——收集網(wǎng)格的列數(shù)。

3 土壤分配均勻性單因素仿真試驗(yàn)

選擇螺旋送土裝置中螺旋體轉(zhuǎn)速、螺旋體螺距以及壅土成形模具入料口角度為試驗(yàn)因素，采用控制變量法，使用EDEM軟件仿真分析各個(gè)因素對(duì)土壤分配均勻性的影響。

3.1 螺旋體轉(zhuǎn)速對(duì)土壤分配均勻性的影響

在土壤輸送過程中，轉(zhuǎn)速的高低會(huì)改變輸送量的大小^［16］，當(dāng)螺旋體的轉(zhuǎn)速較大時(shí)，螺旋送土裝置輸送土壤的能力也比較好；但是當(dāng)螺旋體的轉(zhuǎn)速超過一定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，進(jìn)而導(dǎo)致土壤向螺旋送土裝置末端運(yùn)動(dòng)，土壤大量聚集在螺旋送土裝置末端，因此螺旋體的轉(zhuǎn)速需要一定的限制^［17］。為確定螺旋體轉(zhuǎn)速對(duì)壅土裝置土壤分配均勻性的影響，采用控制變量法，以五組不同的螺旋體轉(zhuǎn)速140 r/min、160 r/min、180 r/min、200 r/min、220 r/min分別對(duì)壅土機(jī)壅土作業(yè)過程進(jìn)行模擬仿真（螺旋體螺距為180 mm，壅土成形模具入料口角度為60°），并初步確定最佳的螺旋體轉(zhuǎn)速范圍。

仿真所需的時(shí)間步長選用Rayleigh時(shí)間步長，為減少仿真所需時(shí)間，綜合考慮計(jì)算機(jī)的性能，在保證仿真質(zhì)量的前提下，將時(shí)間步長設(shè)置為20%，將計(jì)算網(wǎng)格單元設(shè)置為最小顆粒半徑的3倍，數(shù)據(jù)保存的時(shí)間間隔設(shè)置為0.01 s，仿真時(shí)將簡化后的白芹壅土機(jī)所有零部件合成一個(gè)整體，將機(jī)具的行進(jìn)速度設(shè)置為0.1 m/s，仿真總時(shí)間設(shè)置為35 s。

整個(gè)仿真過程分為兩個(gè)階段：其中0～2 s用于土壤顆粒的生成，為了減少顆粒生成所需要的時(shí)間，顆粒在下落時(shí)給其添加一個(gè)2 m/s向下的初始速度；2～35 s白芹壅土機(jī)進(jìn)行壅土作業(yè)，將仿真所需的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完成后，對(duì)白芹壅土機(jī)壅土作業(yè)過程進(jìn)行仿真分析。整個(gè)仿真過程分為三部分，分別為螺旋取土部分、螺旋送土部分以及壅土成形部分。首先螺旋取土裝置進(jìn)行取土，土壤隨著螺旋體的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入螺旋送土裝置；其次土壤被螺旋送土裝置中的螺旋體不斷向前推送進(jìn)入壅土成形裝置；最后土壤經(jīng)壅土成形裝置擠壓成形后堆放在白芹兩側(cè)，如圖6所示。壅土作業(yè)仿真過程中壅土作業(yè)效果達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)刻為30 s。

在壅土成形模具4個(gè)土壤出料口設(shè)置Grid Bin Group網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)白芹壅土機(jī)穩(wěn)定作業(yè)時(shí)通過各個(gè)出料口網(wǎng)格的土壤顆粒質(zhì)量，計(jì)算得到不同螺旋體轉(zhuǎn)速下土壤分配均勻性變異系數(shù)CV，通過Origin軟件得到不同螺旋體轉(zhuǎn)速下土壤分配均勻性變異系數(shù)的折線圖，如圖7所示。在螺旋體螺距為180 mm、壅土成形模具入料口角度為60°時(shí)，隨著螺旋體轉(zhuǎn)速的增加，土壤分配均勻性變異系數(shù)逐漸減小，土壤分配均勻性逐漸提高；當(dāng)螺旋體轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)，土壤分配均勻性變異系數(shù)最小，土壤分配最均勻；但是當(dāng)螺旋體轉(zhuǎn)速超過180 r/min時(shí)，土壤分配均勻性變異系數(shù)逐漸增高，土壤分配均勻性也逐漸降低。由此可知，螺旋體轉(zhuǎn)速是影響壅土裝置土壤分配均勻性的主要因素。

3.2 螺旋體螺距對(duì)土壤分配均勻性的影響

螺距的大小決定著物料的滑移面，還決定著螺旋葉片的升角，此外還決定了物料移動(dòng)的軌跡，影響螺旋輸送裝置的輸送能力。如果改變螺距，物料顆粒的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)發(fā)生改變。

為了分析螺旋送土裝置中不同螺旋體螺距對(duì)壅土裝置土壤分配均勻性的影響，分別設(shè)置螺旋體螺距為160 mm、180 mm、200 mm、220 mm、240 mm，對(duì)這五組不同的螺旋體螺距下壅土機(jī)壅土作業(yè)過程進(jìn)行模擬仿真（螺旋體轉(zhuǎn)速為180 r/min，壅城形模具入料口角度為60°）。仿真結(jié)果如圖8所示，在螺旋體轉(zhuǎn)速為180 r/min、

壅土成形模具入料口角度為60°時(shí)，隨著螺旋體螺距的增加，土壤分配均勻性變異系數(shù)緩慢減小，土壤分配均勻性逐漸提高；當(dāng)螺旋體螺距為200 mm時(shí)，土壤分配均勻性變異系數(shù)最低，土壤分配最均勻；自此以后，隨著螺旋體螺距的增大，土壤分配均勻性變異系數(shù)也逐漸增大，土壤分配均勻性逐漸降低。顯然，螺旋體螺距也是影響壅土裝置土壤分配均勻性的重要因素。

3.3 壅土成形模具入料口角度對(duì)土壤分配均勻性的影響

為了分析壅土成形模具入料口角度對(duì)土壤分配均勻性的影響，分別設(shè)置壅土成形模具入料口角度為55°、60°、65°、70°、75°，對(duì)這五組不同壅土成形模具入料口角度下壅土機(jī)壅土作業(yè)過程進(jìn)行模擬仿真（螺旋體轉(zhuǎn)速為180 r/min，螺旋體螺距為200 mm），壅土成形模具入料口位置如圖9所示。

仿真結(jié)果如圖10所示，在螺旋體轉(zhuǎn)速為180 r/min、螺旋體螺距為200 mm時(shí)，隨著壅土成形模具入料口角度的增加，土壤分配均勻性變異系數(shù)逐漸減小，土壤分配均勻性逐漸提高；當(dāng)壅土成形模具入料口角度達(dá)到65°時(shí)，土壤分配均勻性變異系數(shù)最小，土壤分配最均勻；隨著入料口角度的增大，土壤分配均勻性變異系數(shù)逐漸提高，土壤分配均勻性逐漸降低。由此可知，壅土成形模具入料口角度對(duì)壅土裝置土壤分配均勻性有重要影響。

4 土壤分配均勻性多因素正交試驗(yàn)

4.1 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

為進(jìn)一步探究螺旋送土裝置中螺旋體轉(zhuǎn)速、螺旋體螺距、壅土成形模具入料口角度這三個(gè)因素之間的相互作用對(duì)土壤分配均勻性的影響，設(shè)置三因素三水平的組合仿真試驗(yàn)，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析軟件得到使土壤均勻分配的最優(yōu)參數(shù)組合，仿真試驗(yàn)因素編碼如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

采用Design-Expert11.0軟件對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立土壤分配均勻性變異系數(shù)CV與螺旋體轉(zhuǎn)速A、螺旋體螺距B以及壅土成形模具入料口角度C之間的多元回歸模型，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表4所示。由表4可知，土壤分配均勻性變異系數(shù)回歸模型的P值小于0.000 1，這表明二次回歸模型高度顯著；模型的失擬項(xiàng)P值為0.229 8，其值大于0.05，說明模型的失擬項(xiàng)不顯著，仿真試驗(yàn)結(jié)果和回歸方程擬合度高；模型的決定性系數(shù)R²=0.998 3，說明回歸模型的擬合程度好，仿真試驗(yàn)誤差較小。因此能夠?qū)⒃撃Ｐ陀糜谠囼?yàn)預(yù)測(cè)。

根據(jù)F值可知，各個(gè)因素間的交互作用對(duì)壅土裝置中土壤分配均勻性影響的主次順序?yàn)锳、C、B、AC、A²、B²、BC、AB、C²，其中，螺旋體轉(zhuǎn)速A、壅土成形模具入料口角度C、螺旋體螺距B、螺旋體轉(zhuǎn)速與壅土成形模具入料口角度的交互項(xiàng)AC以及螺旋體轉(zhuǎn)速的二次項(xiàng)A²對(duì)土壤分配均勻性變異系數(shù)的影響顯著（Plt;0.01）；螺旋體螺距的二次項(xiàng)B²以及螺旋體螺距與壅土成形模具入料口角度的交互項(xiàng)BC對(duì)土壤分配均勻性變異系數(shù)的影響較顯著（0.01≤P≤0.05）；螺旋體轉(zhuǎn)速與螺旋體螺距的交互項(xiàng)AB與壅土成形模具入料口角度的二次項(xiàng)C²對(duì)土壤分配均勻性變異系數(shù)的影響不顯著（P≥0.05）。由F檢驗(yàn)可得，各因素對(duì)土壤分配均勻性影響的順序?yàn)槁菪w轉(zhuǎn)速gt;壅土成形模具入料口角度gt;螺旋體螺距。

采用Design-Expert11.0軟件得到土壤分配均勻性變異系數(shù)CV與螺旋體轉(zhuǎn)速A、螺旋體螺距B及壅土成形模具入料口角度C之間的回歸方程如式（2）所示。

CV=27.16+15.32A－4.13B－10.13C－0.09AB－3.15AC+1.02BC+2.31A²－1.04B²－0.041C² （2）

4.2 參數(shù)組合優(yōu)化

土壤分配均勻性變異系數(shù)CV越小，土壤分配均勻性越好，為了能夠得到使土壤分配均勻性變異系數(shù)最小的各因素最優(yōu)參數(shù)組合，使用Design-Expert11.0軟件中的Optimization功能對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解，以土壤分配均勻性變異系數(shù)CV為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件如式（3）所示。

{minCV180 r/min≤A≤220 r/min160 mm≤B≤200 mm55°≤C≤65° （3）

通過求解得到當(dāng)螺旋送土裝置中螺旋體轉(zhuǎn)速為180.24 r/min、螺旋體螺距為199.84 mm、壅土成形模具入料口角度為63.03°時(shí)，土壤分配均勻性變異系數(shù)最小為5.589%，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，得到最優(yōu)參數(shù)組合，即螺旋體轉(zhuǎn)速為180 r/min，螺旋體螺距為200 mm，壅土成形模具入料口角度為63°，此時(shí)壅土裝置土壤分配均勻性最好。

5 樣機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證壅土裝置在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)下，土壤能否均勻、連續(xù)地從螺旋送土裝置分配到壅土成形模具的兩個(gè)出料口中，制造了四壟三行白芹壅土專用機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)。在壅土機(jī)穩(wěn)定工作后，使用取土刀取四壟同一水平位置寬度為50 mm的壅土，然后使用電子天平對(duì)所取壅土進(jìn)行稱重，分別進(jìn)行5次取土，計(jì)算得到土壤分配均勻性變異系數(shù)。不同壟上同一水平位置壅土質(zhì)量如表5所示。

由表5可知，四壟三行白芹壅土專用機(jī)壅土裝置在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)下的土壤分配均勻性變異系數(shù)與仿真結(jié)果相近，因此當(dāng)螺旋送土裝置中螺旋體轉(zhuǎn)速為180 r/min、螺旋體螺距為200 mm、壅土成形模具入料口角度為63°時(shí)，土壤分配均勻性變異系數(shù)最小，土壤分配最均勻。

6 結(jié)論

1） 針對(duì)壅土作業(yè)時(shí)壅土裝置中土壤分配不均勻問題，基于離散元理論對(duì)壅土作業(yè)過程進(jìn)行模擬仿真；以螺旋送土裝置中螺旋體的轉(zhuǎn)速、螺距以及壅土成形模具入料口角度為試驗(yàn)因素，分析各因素對(duì)于土壤分配到兩個(gè)土壤成形模具出料口均勻性的影響效果。

2） 設(shè)計(jì)三因素三水平的組合試驗(yàn)，利用Design-Expert軟件對(duì)建立的模型的參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化求解，得到使土壤均勻分配的最優(yōu)組合參數(shù)：螺旋體轉(zhuǎn)速為180 r/min、螺旋體螺距為200 mm、壅土成形模具入料口角度為63°；并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證壅土裝置在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)下，壅土機(jī)作業(yè)完成后，四壟壅土均勻一致、成形符合壅土要求，滿足四壟三行高產(chǎn)種植模式的壅土要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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