基于离散元法的宝塔菜联合收获机输送机构研究

吴 俊,郑毅敏，王 鹤，慕 松，尚 欣

(宁夏大学 机械工程学院，银川 750021)



基于离散元法的宝塔菜联合收获机输送机构研究

吴 俊,郑毅敏，王 鹤，慕 松，尚 欣

(宁夏大学 机械工程学院，银川 750021)

针对现有收获机在果实的运送过程中存在的壅土、耗用劳动力大等突出问题，以宝塔菜联合收获机为研究对象，对收获机的输送机构进行了研究设计。使用离散元法建立土壤的运动模型，比较了输送器在不同结构参数和工作参数下果实与土壤的输送情况，确定了收获机合理的设计参数，提高了宝塔菜收获率，为收获机输送机构的设计与研究提供了理论依据。田间初步试验表明：果实和土壤能够流畅输送，证明了运用离散元法分析收获机输送机构的可行性。

宝塔菜；离散元法；输送器；横向输送链板

0 引言

目前，国内对宝塔菜收获机的研究很少，没有成熟的收获机械。对宝塔菜果实的收获主要依靠人工作业，满足不了当前市场对宝塔菜的需求，对宝塔菜产业的发展形成了制约。

宝塔菜基本采用分段式的收获方式，在粘重土壤条件下采用联合收获[1]。宝塔菜根茎与土壤在输送分离过程中形成的土球，增大了收获难度，降低了收获效率，增加了劳动强度。分段收获方式需要人工后续的拾捡，效率低于联合式收获，且宝塔菜果实表皮脆嫩，在输送过程中容易受损，对储存造成影响。为了输送过程中避免果实受到损伤，符合食品的安全要求，现阶段输送链式应用最广。该传动方式作业稳定，工作效率较高，但其也存在相应的技术问题(如链结间隙间容易缠绕杂草及需求动力大)，从而导致故障率高、机械损伤大及作业效率低等问题[1]。

离散元法(Distinct Element Method，DEM)是由CUNDALL 提出的一种处理非连续介质问题的数值模拟方程，用时步迭代的方法求解各刚性元素的运动方程，继而求得不连续的整体运动形态。其允许单元件的相对运动，不一定要满足位移连续和变形协调条件，适合求解非线性问题，且所需内存空间小，计算速度快[2]。

针对以上系列问题，本文利用离散法研究草石蚕收获机的输运机构，在满足宝塔菜收获农艺条件的前提下，研究并确定收获机输送机构设计的相关参数，使其性能达到最佳。同时，进行田间试验，实现了草石蚕的运输，避免了壅土问题，降低了劳动强度，提高了劳动效率。

1 机具工作原理及输送系统设计

1.1 机具工作原理

该机对土壤与果实的筛选分为4级。宝塔菜联合收获机主要由旋耕装置、挖掘铲、链杆式输送器、横向链杆输送器、滚筒筛分离装置、振动筛分离装置及块茎集装箱组成，如图1所示。

1.滚筒筛 2.机架 3.挖掘铲 4.旋耕装置 5.一级输送链

因考虑到耕作地形、动力传动的方便性，故选用牵引式；采用传动轴连接，将其后置于拖拉机，采用液压三点悬挂调节挖掘深度，保证挖掘要求；动力输入由拖拉机动力输出轴提供。

拖拉机牵引机具前行，旋耕装置转动作用于地面，打碎表面板结，并刮落一部分杂草避免后续的堵塞；宝塔菜果实与土壤随挖掘铲进入一级链杆输送装置，再由二级横向链板输送至滚筒筛，经滚筒筛实现初步的土壤与果实的分离；此时，少量的土壤与果实落入振动筛选器，经振动筛选后最终进入集装箱[4]。

1.2 输运系统设计

链杆式输送装置由一级输送装置和二级横向输送装置组成，二者均采用链杆结构。由于链传动有无弹性滑动、结构紧凑及传动效率高等特点，适用于联合收获机，如图2所示。链板由直径为8mm的圆柱铁杆和链条组成，既可以输送果实和土壤，又可以筛选去部分土壤。宝塔菜果实呈现螺旋形，平均横截面积直径仅为8mm左右，为了降低果实的遗漏损失率，将链条节距设为8mm。根据宝塔菜实际种植情况，将一级输送装置中的宽幅依次设为264、314、264mm( 从左至右) ，其输送行程均为450mm; 二级输送装置中的宽幅为230mm，输送行程为1 150mm[4]。

1.一级链杆输送装置 2.二级链杆横向输送装置

2 EDEM离散元仿真实验

2.1 实验因数及水平

影响输运机构作业性能参数主要为结构参数。进行仿真实验时，以土壤的平均速度为实验目标，选取一级输送链板的线速度和倾角为实验因素，开展模拟仿真实验。为保证果实与土壤运输的流畅性，输送器线速度应大于或等于机具前行速度，选定奔野-25III挡(4.3km/h)，速度约为1.2m/s。故一级输送器的线速度选取1.2、1.5、1.8m/s这3个水平，倾角选取20°、25°、30°这3个水平[6]，横向输送链板的线速度应取2m/s。

每次仿真实验开始前，在SolidWorks 软件[5]中生成相应的输运机构三维模型，以IGES 格式的文件保存，然后将文件导入EDEM 软件中，并对模型进行前处理[6]。

2.2 离散元模型的建立

该模型假设为离散单元为刚性体，离散单元之间为点接触，其接触特性为软接触，即刚性离散单元在接触点处允许有一定的重叠量，在所有时间中任何离散单元所受合力可由与其接触的离散单元之间的相互作用确定[7]，如图3所示。土壤间存在粘结作用力，选用软球模型。由于连杆间距离较小，筛土能力较弱，为了便于模拟和减少计算量, 在建模时近似为输送带模型，材料属性仍然设置为钢件。

图3 处于仿真区域的输运系统

建立土壤颗粒与输送系统的接触模型采用Hert-Mindlin模型，也被称为弹性-阻尼-摩擦接触力学模型[8]，其在物料的筛分、输运等方面被普遍应用。在仿真过程中，模型的相关参数可以由杨氏弹性模量E和剪切模量G通过计算获得[9]，研究中涉及到的离散元参数主要分为材料参数和接触参数两类，通过查阅文献确定[10]，如表1所示。

表1 主要仿真参数

EDEM 软件会自动计算雷利步长[11]，取1.4×10-4s，在输送器前段放置颗粒工厂，设置每秒生成颗粒500，网格边长设置为最小颗粒半径的2倍，对一级输送器和二级横向输送器的线速度分别加以定义。仿真开始，颗粒工厂生成颗粒，输送器开始运行， EDEM软件的后处理工具模块可以对仿真的数据进行分析并且导出[12]。

3 仿真试验结果分析

图4为离散元仿真获得的理想状态下单个颗粒运动速度随时间变化曲线。果实与土壤到输送器后，土壤受到输送器给的摩擦力将会先做短暂的加速运动，速度达到输送器线速度继而做匀速运动；土壤到达输送顶端时将做抛物运动落入横向输运板时，继续做加速运动，直至与横向输送链板的线速度相等。实际情况是：随着机具的前行，土壤持续堆积，体积增大，重力增加，土壤沿输送器斜面的加速度变小，果实和土壤的平均速度未达到输送器的线速度。

图4 理想状态下土壤输送速度

由图5可知：在输送器宽幅和机具前行速度一样的条件下，果实与土壤的平均输送速度与一级输送器的倾角成正相关，由此可推断输送器的线速度对土壤与果实的输运影响较小。

当一级输送器的倾角为30°时，果实与土壤的速度先增大后减少，随后出现壅土现象[13]。其原因如下：输送器倾角过大，提供的摩擦力不足以克服土壤重力沿斜面向下的分力；土壤在输送器上上升缓慢，其迎土面与土壤存在正面压力，两侧挡板内侧面因摩擦与粘黏作用，同样不利于土壤流动，造成阻力增大；部分土壤堆积向下滑落，产生回流现象，与后进入输送器的土壤形成挤压粘结，最终形成壅土现象。由此可推断出输送器的倾角对输运影响较大。

图5 土壤和果实在输送过程中速度随时间的变化曲线

当输送器在20°和25°的倾角下，物料都能流畅的输运。当输送器线速度为1.2m/s时，土壤在20°倾角条件下的速度优于25°倾角时的速度；当输送器线速度为1.5m/s时，土壤在20°条件下倾角的速度先优于25°倾角时速度，后与其接近。因为20°倾角输送器提供的摩擦力更大，使得加速度大。但是，速度过快产生额外热能，会造成能量损失，速度过大也可能造成果实的破损，输运效率降低，故倾角为25°优于20°。图6所示为一级输送器1.5m/s时不同倾角下土壤的能量曲线。

为了提高输送器的输运效率，应选择最佳的线速度，减少果实的损伤。由参考文献[14]可知，其最佳速度为1.15～2.5m/s。为了尽快地输送挖掘起来的土壤和果实，减少挖掘铲壅土现象的发生，输送器的线速度V应满足V≥Vm/cosa(Vm为机具前进速度)。在满足上述条件下，V值应该尽可能地小，以便减少链杆与链轮之间的磨损，提高输送器的使用寿命[15]。

图6 土壤能量随时间变化曲线

通过EDEM 离散元仿真研究得出：当一级输送器倾角在30°时会出现壅土现象，在20°和25°倾角时输送流畅，如图7所示。在这两组参数中，可得出当输送器倾角为25°、线速度为1.5m/s时宝塔菜果实和土壤运输最为流畅。

图7 土壤仿真区域图

4 试验

研发团队委托宁夏银川凯盛机械制造有限公司制做该收获机的试验样机，在宁夏银川市贺兰县宝塔菜种植基地进行了田间试验。

试验开始时对收获机进行检查，避免出现人为故障。利用拖拉机液压系统，调整收获机高度来控制挖掘深度。控制拖拉机前进速度，稳定在1.2m/s,并改变输送器的结构参数及工作参数，记录下每次试验的工作情况。

试验结果:当一级输送器的倾角设置为30°时，土壤和果实能运输一段时间，之后出现壅土现象;当一级输送器倾角设为20°和25°时，土壤和果实在输送机构上输运流畅，遗漏不明显，不存在果实磨损情况，与仿真结果大致吻合。田间试验如图8所示。

图8 田间试验

5 结论

1)输送机构中部件结构和参数的合理设计，能够保证宝塔菜果实输送的流畅，减少遗漏和损失。

2)通过结合具体实例， 利用计算机辅助软件，基于离散单元法对土壤与宝塔菜果实的输送做了预测和分析。通过实地试验，结果表明：离散元方法在研究收获机运输机构方面是可行的。通过离散元的方法仿真土壤运输状态，能够减少生产成本，为机构设计提供理论依据，从而更好地服务于农业生产。

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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

宁夏回族自治区科技支撑计划项目(413-0224)

吴 俊(1979-),男，福建南平人，硕士研究生，(E-mail) 346480231@qq.com。

郑毅敏(1964-)，男，浙江黄岩人，教授，硕士生导师, (E-mail)XJKZym@nxu.edu.cn。

S225.92

A

1003-188X(2017)10-0149-04