鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置設(shè)計與試驗

侯加林，陳彥宇，李玉華,3，李天華,3，李廣華，郭洪恩

鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置設(shè)計與試驗

侯加林1,2，陳彥宇2，李玉華2,3，李天華2,3，李廣華4，郭洪恩1※

（1. 山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院，濟南 250100；2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，泰安 271018；3. 山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實驗室，泰安 271018；4. 山東華龍農(nóng)業(yè)裝備股份有限公司，青州 262500）

針對大蔥聯(lián)合收獲挖掘抖土疏整裝置可靠性差、作業(yè)阻力大、易壅土的難題，該研究設(shè)計研發(fā)了一種鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置，該裝置主要由挖掘鏟、抖土篩、疏土整地裝置組成。首先構(gòu)建了挖掘鏟、抖土篩、疏土整地裝置力學(xué)模型，理論闡述了其作業(yè)原理和設(shè)計思路。進一步對鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置與原有大蔥挖掘抖土疏整裝置進行離散元仿真和田間作業(yè)對比試驗。仿真試驗結(jié)果表明鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置作業(yè)時的土壤撓動效果和土壤顆粒流動情況均優(yōu)于原有大蔥挖掘抖土疏整裝置。田間試驗結(jié)果表明鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置收獲大蔥的含雜率為2.94%，平均損傷率為1.66%，壅土概率為10%；較原有大蔥挖掘抖土疏整裝置收獲大蔥的平均含雜率降低0.51個百分點，平均損傷率降低0.77個百分點，壅土概率降低40個百分點。該研究可為大蔥聯(lián)合收獲挖掘抖土疏整技術(shù)與裝備研究提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；模型；大蔥；挖掘；抖土；離散元；田間試驗

0 引 言

日本鋼蔥是國內(nèi)大蔥主要種植品種，收獲期地下平均生長長度約270 mm，最深處超過300 mm，達到一般深松作業(yè)深度[1-2]，增加了大蔥挖掘難度。目前，國內(nèi)大蔥收獲以人工挖掘為主，勞動強度大、作業(yè)效率低；分段收獲僅簡單挖掘大蔥，無法實現(xiàn)抖土、疏土整地作業(yè)；聯(lián)合收獲實現(xiàn)了大蔥挖掘、抖土、疏土整地作業(yè)，但行進阻力大，可靠性差，易斷鏟、斷篩、纏草、壅土[3]。

近幾年針對馬鈴薯[4-8]、甜菜[9-10]、甘薯[11-12]、胡蘿卜[13]等根莖類作物挖掘抖土技術(shù)與裝備研究較多，大蔥挖掘抖土部件研究相對較少。歐美種植的韭蔥生長深度淺，對挖掘抖土裝置要求較低。日本土質(zhì)疏松，多為翼鏟挖掘、鏈篩抖土，作業(yè)效果好，但作業(yè)速度慢，難以滿足國內(nèi)大蔥收獲要求[14]。王小雪[15]研制的弧形鏟鉸接偏斜柵條挖掘抖土裝置，實現(xiàn)了蔥土分離和有序鋪放，但該裝置僅適合分段收獲。劉敬偉[16]研制的雙行匯集挖掘抖土裝置，挖掘阻力大，匯集空間小，目前無法完成挖掘抖土作業(yè)，有待于進一步完善。山東華龍農(nóng)業(yè)裝備股份有限公司與青島農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制了組合挖掘裝置和鏈桿清送裝置[17]，該裝置空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作業(yè)阻力大，易壅土。侯加林等[18]研制的定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機的挖掘抖土疏整裝置，作業(yè)效果好，但土壤撓動效果差、連續(xù)作業(yè)易壅土、損傷大蔥。以上裝置均存在一定的不足，制約了大蔥產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

針對大蔥挖掘抖土疏整技術(shù)與裝備存在的問題，基于定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機，設(shè)計一種鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置，分析挖掘鏟、抖土篩、疏土整地裝置設(shè)計思路，構(gòu)建收獲期蔥壟離散元仿真模型，與原有大蔥挖掘抖土疏整裝置進行仿真和田間對比試驗，以確定設(shè)計結(jié)構(gòu)的可行性。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

日本鋼蔥收獲期植株的總長度約為900～1 200 mm，其中地下部分長度約為240～270 mm，蔥白直徑約為15～25 mm，蔥白長度約為170～270 mm，蔥壟壟頂寬度約為260～280 mm，壟低寬度約為380～400 mm，壟距約為900～950 mm。根據(jù)日本鋼蔥農(nóng)藝制度，研制的定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機[18]如圖1a所示，主要由鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置、柔性夾持輸送裝置和收集鋪放裝置等組成。鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置如圖1b所示，主要由機架、挖掘鏟、抖土篩、疏土整地裝置和液壓馬達等組成。

作業(yè)時，鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置通過液壓缸、連接螺栓掛接在收獲機前端。根據(jù)大蔥生長狀況，調(diào)整好裝置入土角度，挖掘鏟鏟面橫向破碎土壤，挖掘抬升大蔥，鏟壁縱向切開蔥壟，輔助挖掘大蔥；抖土篩抖動大蔥根部，完成大蔥清雜和土壤細碎作業(yè)；疏土整地裝置輔助疏導(dǎo)土壤、耕整蔥地，避免土壤堆積堵塞。挖掘鏟、抖土篩、疏土整地裝置三者相互配合，完成大蔥挖掘和去土清雜作業(yè)。

1.導(dǎo)向裝置 2.柔性夾持輸送裝置 3.操作臺 4.液壓缸 5.夾持角度調(diào)節(jié)裝置 6.扶持喂入裝置 7.鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置 8.連接螺栓 9.變速箱 10.柴油發(fā)動機 11.底盤 12.收集鋪放裝置

1.Guiding device 2.Flexible holding and conveying device 3.Operating floor 4.Hydraulic cylinder 5.Clamping angle adjusting device 6.Support feeding device 7.Shovel-screen combined green onion digging, shaking, soil tillage device 8.Connecting bolt 9.Gear box 10.Diesel engine 11.Chassis 12.Collecting and laying device

a. 整機結(jié)構(gòu)示意圖

a. Structure diagram of the whole machine

1.支撐架 2.軸承 3.抖土篩驅(qū)動裝置 4.抖土篩懸臂 5.抖土篩篩面 6.挖掘鏟 7.疏土整地裝置

1.Support frame 2.Bearing 3.Shaking screen driving device 4.Shaking screen cantilever 5.Shaking screen surface 6.Digging shovel 7.Soil tillage device

b. 鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置結(jié)構(gòu)示意圖

b. Structure diagram of shovel-screen combined green onion digging, shaking, soil tillage device

圖1 整機與裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structure diagram of the whole machine and device

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

2.1 挖掘鏟

挖掘鏟作為大蔥收獲作業(yè)核心部件，設(shè)計目的是以最少的泥土附著量和克服阻力做功破碎蔥壟、挖掘大蔥，并把挖起的大蔥順利送到抖土篩上。目前，大蔥挖掘鏟主要有3種結(jié)構(gòu)形式：三角鏟、弧形鏟、V型鏟。根據(jù)大蔥農(nóng)藝制度，參考《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》和國內(nèi)根莖類作物挖掘鏟設(shè)計原理[19]，大蔥挖掘鏟采用平面三角鏟設(shè)計原理。平面三角鏟相比于弧形鏟、V型鏟具有更佳的入土性能和斷草、斷根能力，能夠適應(yīng)較為復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境[20-21]。焊接在鏟面兩側(cè)的鏟壁縱向切割破碎蔥壟，降低挖掘阻力；鏟面后部焊接多條松土柵條，用以破碎土壤、抬升大蔥，利于大蔥抖土和夾持輸送作業(yè)。挖掘鏟結(jié)構(gòu)如圖2a、2b所示。為了研究挖掘鏟作業(yè)情況，對其進行受力分析，一般情況下，機具作業(yè)土壤為非粘性土壤，土壤附著力可忽略不計。土壤純切削阻力很小，只有遇到土壤中的堅硬物質(zhì)或刃口變鈍時，切削阻力才需考慮，如無上述情況，可忽略純切削阻力[22]。簡化后的受力分析如圖2c所示。

1.固定板 2.連接板 3.松土柵條 4.挖掘鏟鏟面 5.挖掘鏟鏟壁

1.Fixed plate 2.Connecting plate 3.Soil loosing bar 4.Digging shovel surface 5.Digging shovel wall

a. 挖掘鏟整體結(jié)構(gòu)示意圖

a. Structure diagram of the whole digging shovel

注：為挖掘鏟鏟寬，mm；L為挖掘鏟鏟長，mm；L為挖掘鏟柵條長度，mm；為挖掘鏟鏟刃斜角，(°)。

Note:is the width of the digging shovel, mm;Lis the length of the digging shovel, mm;Lis the length of the digging shovel bar, mm;is the inclined angle of the edge of digging shovel, (°).

b. 挖掘鏟鏟面結(jié)構(gòu)示意圖

b. Structure diagram of the digging shovel surface

注：、為以為原點的坐標(biāo)系橫、縱坐標(biāo)軸；v為挖掘鏟水平前進速度，m·s-1；P為挖掘鏟一側(cè)鏟壁壁刃水平牽引力，N；P為挖掘鏟鏟面水平牽引力，N；f為挖掘鏟一側(cè)鏟壁壁刃與土壤之間摩擦力（f=μN，μ為土壤與挖掘鏟一側(cè)鏟壁壁刃摩擦系數(shù)），N；f為挖掘鏟鏟面與土壤之間摩擦力（f=μN，μ為土壤與挖掘鏟鏟面摩擦系數(shù)），N；N為挖掘鏟一側(cè)鏟壁壁刃法向載荷，N；N為挖掘鏟鏟面法向載荷，N；G為挖掘鏟一側(cè)鏟壁壁刃重力，N；G為挖掘鏟鏟面重力，N；α為挖掘鏟水平傾角，(°)；β為挖掘鏟鏟壁壁刃與蔥壟縱切面夾角，(°)。

Note:andare the horizontal and vertical axes of the coordinate system withas the origin;vis the horizontal advance speed of the digging shovel, m·s-1;Pis the horizontal traction of the wall edge on the one side of the digging shovel wall, N;Pis the horizontal traction of the digging shovel surface, N;fis the friction between the wall edge on the one side of the digging shovel wall and the soil (f=μN,μis the coefficient of friction between the soil and the wall edge on the one side of the digging shovel wall), N;fis the friction between the digging shovel surface and the soil (f=μN,μis the coefficient of friction between the soil and the digging shovel surface), N;Nis the normal load of the wall edge on the one side of the digging shovel wall, N;Nis the normal load of the digging shovel surface, N;Gis the gravity of the wall edge on the one side of the digging shovel wall, N;Gis the gravity of the digging shovel surface, N;αis the horizontal inclination of the digging shovel, (°);βis the angle between the wall edge on the one side of the digging shovel wall and the longitudinal section of the green onion ridge, (°).

c. 挖掘鏟受力分析示意圖

c. Diagram of force analysis of the digging shovel

圖2 挖掘鏟及其受力分析示意圖

Fig.2 Diagram of the digging shovel and its force analysis

挖掘鏟入土作業(yè)時，鏟壁壁刃作用力關(guān)系方程為

鏟面存在作用力關(guān)系方程

（2）

挖掘鏟一側(cè)鏟壁壁刃質(zhì)量很小，重力可忽略不計。

式（1）簡化為

（3）

鏟壁縱向切割破碎蔥壟，壁刃與土壤接觸方式為線接觸。根據(jù)式（3），在牽引力一定時，增大鏟壁與蔥壟縱切面夾角，鏟壁壁刃受到法向載荷減小，降低斷鏟危險，鏟壁更易入土切割蔥壟，降低功耗。根據(jù)設(shè)計手冊和預(yù)試驗調(diào)試，初步確定挖掘鏟鏟壁與蔥壟縱切面夾角β為40°。

式（2）簡化為

挖掘鏟水平傾角α越小，挖掘鏟入土性能越好，作業(yè)阻力越小，但挖掘深度不足，容易出現(xiàn)鏟斷大蔥和壅土現(xiàn)象；反之，挖掘鏟水平傾角α越大，挖掘深度越大，鏟斷大蔥可能性降低，但挖掘鏟入土性能變差，作業(yè)阻力變大，能耗變大。結(jié)合日本鋼蔥農(nóng)藝制度，初步確定挖掘鏟水平傾角α范圍為20°～40°。為了保證挖掘鏟低阻高效地挖起大蔥，避免壅土，挖掘鏟鏟寬應(yīng)不小于蔥壟壟頂寬度，結(jié)合蔥壟壟頂最大寬度和土壤回流情況，初步確定挖掘鏟鏟寬為320 mm。根據(jù)大蔥生長情況和蔥壟壟型，結(jié)合國內(nèi)已有收獲機挖掘鏟設(shè)計參數(shù)[23]，初步確定挖掘鏟鏟長L為220 mm，鏟刃斜角為50°，松土柵條長度L為300 mm。

2.2 抖土篩

目前，國內(nèi)參考馬鈴薯收獲、大豆清選振動輸送篩分原理[24-25]設(shè)計研發(fā)的大蔥鏈桿清送裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修調(diào)節(jié)和動力傳動難度大，土下作業(yè)功率消耗大，易壅土，推廣應(yīng)用難度大。針對以上問題，本文設(shè)計研發(fā)了一種偏置式抖土篩，主要由固定軸、懸臂、篩面、抖土柵條焊接而成，如圖3所示。

抖土柵條是抖土篩實現(xiàn)大蔥高效抖土、低阻拔取關(guān)鍵，如圖3所示，針對抖土柵條與附土蔥根之間相互作用建立空間坐標(biāo)系進行分析。為了更好地實現(xiàn)蔥土分離，提高大蔥抖土清雜效果，在軸方向應(yīng)滿足

在軸方向，設(shè)計雙抖土柵條，附土蔥根受到?jīng)_擊力為2T，碎土效果好，輸送穩(wěn)定性高。

為了實現(xiàn)大蔥有效拔取和穩(wěn)定輸送，在軸方向應(yīng)滿足

抖土篩在液壓馬達驅(qū)動下往復(fù)擺動，細碎土壤，一次可完成3株大蔥抖土作業(yè)。抖土篩的設(shè)計要綜合考量挖掘鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)和抖土篩作業(yè)參數(shù)，篩面過小則易漏蔥、傷蔥，抖土不凈；篩面過大，則徒增功耗。為了減小大蔥損傷，提高收獲效率，根據(jù)收獲期大蔥生長情況，結(jié)合挖掘鏟寬度320 mm和抖土篩擺動幅度60 mm，初步設(shè)計抖土篩面面積為0.075 m2，抖土柵條長度為500 mm，懸臂中心長度為850 mm、寬度為100 mm。

1.固定軸 2.抖土懸臂 3.抖土篩面 4.附土蔥根 5.抖土柵條

1.Fixed shaft 2.Shaking screen cantilever 3.Shaking screen surface 4.Green onion root with soil 5.Shaking screen bar注：、為以為原點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)軸；N為抖土柵條對附土蔥根支持力，N；G為附土蔥根重力，N；f為抖土柵條與附土蔥根之間摩擦力，N；T為抖土柵條右擺對附土蔥根的沖擊力，N；W為抖土懸臂寬度，mm；v為大蔥運動速度，m·s-1；F為夾持輸送裝置對大蔥的拔取力，N；為抖土柵條面與抖土篩面夾角，(°)。

Note:,andare the coordinate axis of the space coordinate system withas the origin;Nis the supporting force of the shaking screen bar to the green onion root with soil, N;Gis the gravity of the green onion root with soil, N;fis the friction force between the shaking screen bar and green onion root with soil, N;Tis the impact force of the shaking screen bar to the green onion root with soil, N;Wis the width of the shaking screen cantilever, mm;vis the speed of the green onion, m·s-1;Fis the pulling force of holding and conveying device to green onion, N;is the angle between the shaking screen bar surface and the shaking screen surface, (°).

圖3 抖土篩分析示意圖

Fig.3 Analysis diagram of the shaking screen

2.3 疏土整地裝置

疏土整地裝置輔助疏導(dǎo)土壤、耕整蔥地，為大蔥成堆鋪放準(zhǔn)備條件。根據(jù)土壤流動特性和田間試驗分析，設(shè)計了一種刮板式疏土整地裝置，如圖4所示。該裝置通過側(cè)向推土實現(xiàn)疏土整地作業(yè)，依靠整機行走提供作業(yè)動力，整體結(jié)構(gòu)簡單，耕整后的蔥地平整度較好，在一定程度上提高了作業(yè)效果。

大蔥假莖（蔥白）作為主要食用部分，在成堆鋪放過程中要保證大蔥假莖有平整的鋪放區(qū)域。試驗測試統(tǒng)計100組符合市場要求最大捆大蔥成堆鋪放情況，確定成堆鋪放大蔥假莖末端堆積寬度范圍為350～450 mm，進而設(shè)計疏土板上底長度500 mm，下底長度650 mm。根據(jù)成堆鋪放大蔥假莖末端堆積寬度，初步確定疏土板與機器前進方向夾角η取值范圍為44°～57°。疏土板前進角度可調(diào)，提高了機具適應(yīng)性。根據(jù)圖4理想狀態(tài)下疏土板受力分析。

在方向滿足

在方向滿足

（8）

整合式（7）～（8）得

（10）

式中G為常量，μ為0.6，則應(yīng)有

（11）

微分求得η最大值59°，同時確定了疏土板與機器前進方向的夾角η取值44°～57°可行。

1.支撐架 2.調(diào)節(jié)板 3.疏土板 4.連接銷

1.Support frame 2.Regulating plate 3.Soil thinning plate 4.Connecting pin

注：N為土壤對疏土板的壓力，N；f為土壤與疏土板之間摩擦力（f=μN，μ為土壤與疏土板摩擦系數(shù)，一般取0.6），N；G為疏土板重力，N；P為疏土板受到的推力，N；η為疏土板與機器前進方向夾角，(°)。

Note:Nis the pressure of the soil to the soil thinning plate, N;fis the friction between the soil and the soil thinning plate (f=μN,μis the friction coefficient between the soil and the soil thinning plate, generally choose 0.6), N;Gis the gravity of the soil thinning plate, N;Pis the thrust received by the soil thinning plate, N;ηis the angle between the soil thinning plate and the direction of the machine, (°).

圖4 疏土整地裝置及其受力分析示意圖

Fig.4 Diagram of soil tillage device and its force analysis

3 仿真分析

大蔥是季節(jié)性作物，蔥壟形成需要經(jīng)過3～4次培土作業(yè)，田間驗證不確定性因素多、周期長、裝置研發(fā)效率低，為了高效快捷地驗證鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置作業(yè)性能可行性。參考已有研究[26-30]，利用SolidWorks軟件和EDEM軟件構(gòu)建挖掘鏟、抖土篩、疏土整地裝置仿真模型，在模型中建立尺寸（長×寬×高）為1 500 mm×1 000 mm×800 mm虛擬土槽，在土槽中建立高500 mm蔥壟模型，其中壟溝以上3層為大蔥主要生長層，每層100 mm；壟溝以下為犁底層200 mm。根據(jù)實地情況和已有土壤顆粒仿真研究[31-33]，選擇土壤顆粒間相互作用影響較小的Hertz-Mindlin with Bonding模型作為土壤顆粒間接觸模型。在外力作用下，該模型顆粒間粘結(jié)鍵發(fā)生斷裂或者粘結(jié)鍵生成之前，兩相互接觸顆粒按照標(biāo)準(zhǔn)的Hertz-Mindlin模型發(fā)生相互作用[34]。為了保證仿真模擬真實性和時效性，參考已有研究和試驗測試[35-36]，確定離散元Hertz-Mindlin with Bonding模型基本參數(shù)如表1所示。顆粒工廠動態(tài)生成土壤顆粒，顆粒沉降、堆積、粘結(jié)形成蔥壟，如圖5所示。

表1 Hertz-Mindlin with Bonding模型基本參數(shù)

3.1 挖掘鏟仿真試驗

根據(jù)構(gòu)建的仿真模型，對鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置與原有大蔥挖掘抖土疏整裝置的挖掘鏟分別進行離散元仿真對比試驗。新挖掘鏟相比于原挖掘鏟在鏟刃斜角、抖土柵條、鏟壁、鏟面等方面進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)原定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機最優(yōu)作業(yè)參數(shù)[18]，以0.70 m/s作為挖掘鏟行進速度，挖掘鏟鏟面水平傾角取20°、25°、30°、35°、40°，鏟尖入土位置根據(jù)大蔥生長情況確定為壟頂正中以下300 mm，對挖掘鏟進行單因素仿真試驗，研究挖掘鏟蔥壟土壤顆粒撓動和流動情況。選取耕作方向上同一時刻蔥壟模型中部縱剖面土壤顆粒撓動和流動情況進行研究，如圖6、圖7所示。

由圖6分析可知，對于挖掘鏟作業(yè)時和作業(yè)后的蔥壟土壤，原挖掘鏟以不同水平傾角作業(yè)的蔥壟各層土壤抬升效果差，破碎程度弱，未呈現(xiàn)較好的撓動破碎效果；新挖掘鏟在不同水平傾角的蔥壟各層土壤抬升效果好，破碎程度高，呈現(xiàn)較好的斷裂破碎效果。對于同一挖掘鏟，隨著挖掘鏟水平傾角增大，蔥壟土壤撓動程度和松散程度增強。新挖掘鏟在水平傾角25°時土壤撓動程度和松散程度明顯優(yōu)于原挖掘鏟在水平傾角40°時作業(yè)效果，低水平傾角下即可到達優(yōu)良的作業(yè)效果。

由圖7分析可知，對于挖掘鏟作業(yè)時的蔥壟土壤，原挖掘鏟以不同水平傾角作業(yè)的土壤顆粒流動速度慢、流動范圍小，易積聚，影響后續(xù)作業(yè)；新挖掘鏟在不同水平傾角土壤顆粒流動速度快、流動范圍大，降低了壅土概率，利于后續(xù)作業(yè)。對于同一挖掘鏟，隨著挖掘鏟水平傾角增加，蔥壟土壤抬升高度增加，土壤顆粒流動速度和流動范圍增大。新挖掘鏟在水平傾角25°時土壤流動效果明顯優(yōu)于原挖掘鏟在水平傾角40°土壤流動效果。

綜合圖6、圖7分析，新挖掘鏟土壤撓動程度、土壤松散程度和土壤顆粒流動效果明顯優(yōu)于原挖掘鏟，利于大蔥低阻低損挖掘，降低后續(xù)抖土、疏土整地作業(yè)阻力，提高作業(yè)性能。

3.2 抖土篩仿真試驗

根據(jù)構(gòu)建的仿真模型，對鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置與原有大蔥挖掘抖土疏整裝置的抖土篩分別進行離散元仿真對比試驗。新抖土篩相比于原抖土篩在篩面結(jié)構(gòu)、抖土柵條等方面進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)原定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機最優(yōu)作業(yè)參數(shù)[18]，以0.70 m/s作為抖土篩行進速度，以4.30 Hz作為抖土頻率，抖土篩篩面水平傾角取20°、25°、30°、35°、40°，抖土篩前部端面入土位置為壟頂以下300 mm，對挖掘鏟作業(yè)后的蔥壟土壤進行單因素仿真試驗，研究抖土篩蔥壟土壤顆粒撓動和流動情況。選取耕作方向上同一時刻蔥壟模型中部縱剖面土壤顆粒撓動和流動情況進行研究，如圖8、圖9所示。

由圖8分析可知，對于抖土篩作業(yè)時和作業(yè)后的蔥壟土壤，原抖土篩以不同水平傾角作業(yè)的蔥壟各層土壤撓動破碎效果差，大部分向后流動堆積，疏土整地裝置作業(yè)時易壅土，影響作業(yè)質(zhì)量；新抖土篩以不同水平傾角作業(yè)的蔥壟各層土壤基本被細化破碎，雙抖土柵條增強了抖土篩篩分破碎效果，蔥壟土壤大部分被細化破碎、分向兩側(cè)，降低了疏土整地裝置疏導(dǎo)土壤、耕整蔥地的作業(yè)阻力。對于同一抖土篩下，隨著抖土篩水平傾角增大，蔥壟土壤撓動程度和松散程度增強。新抖土篩在水平傾角25°時土壤撓動程度和松散程度明顯優(yōu)于原抖土篩在水平傾角40°時作業(yè)效果，低水平傾角下即可獲得優(yōu)良的作業(yè)質(zhì)量。

由圖9分析可知，對于抖土篩作業(yè)時的蔥壟土壤，原抖土篩以不同水平傾角作業(yè)的土壤顆粒流動速度慢、流動范圍小，土壤顆粒積聚，不利于后續(xù)作業(yè)；新抖土篩以不同水平傾角作業(yè)的土壤顆粒流動速度快、流動范圍大，土壤顆粒分散，利于后續(xù)作業(yè)。對于同一抖土篩，隨著抖土篩水平傾角增加，蔥壟土壤顆粒流動速度加快，蔥壟土壤抬升高度和篩分細碎程度增加，土壤顆粒更好地篩分到蔥壟兩側(cè)，抖土篩后部土壤顆粒積聚量逐漸減少。原抖土篩篩面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、柵條結(jié)構(gòu)單一，作業(yè)后各層土壤破碎效果差，大部分土壤顆粒積聚在抖土篩后部，增加了后續(xù)作業(yè)阻力；新抖土篩篩面結(jié)構(gòu)簡單、雙柵條抖土破壞了土壤顆粒間粘結(jié)作用，土壤顆粒流動效果明顯增強，抖土篩后部土壤積聚量少，降低了后續(xù)作業(yè)阻力。新抖土篩在水平傾角25°時土壤流動效果、篩后土壤積聚量明顯優(yōu)于原抖土篩在水平傾角40°土壤流動效果、篩后土壤積聚量。

綜合圖8、圖9分析，新抖土篩土壤撓動程度、土壤松散程度、篩后土壤積聚量和土壤顆粒流動效果明顯優(yōu)于原抖土篩，降低后續(xù)疏土整地作業(yè)阻力。

3.3 疏土整地裝置仿真試驗

根據(jù)構(gòu)建的仿真模型，對鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置與原有大蔥挖掘抖土疏整裝置的疏土整地裝置分別進行離散元仿真對比試驗。新疏土整地裝置相比于原疏土整地裝置去除了液壓絞龍等功耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置，新設(shè)計了疏土板、調(diào)節(jié)板等結(jié)構(gòu)簡單的裝置。根據(jù)原定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機最優(yōu)作業(yè)參數(shù)[18]，以0.70 m/s作為疏土整地裝置行進速度，保持疏土整地裝置水平運動。疏土板與機器前進方向夾角η取土壤與疏土板接觸面積最大角度44°，此時疏土板受到的阻力最大，疏土板上平面水平夾角取20°、25°、30°、35°、40°。通過預(yù)試驗設(shè)定絞龍輥不壅土的最佳轉(zhuǎn)速5 r/s，絞龍輥罩上平面水平夾角取20°、25°、30°、35°、40°。疏土整地裝置作業(yè)下邊線位置根據(jù)抖土篩作業(yè)后土壤回流情況確定為壟頂以下200 mm，對抖土篩作業(yè)后的蔥壟土壤進行單因素仿真試驗，研究疏土整地裝置蔥壟土壤顆粒撓動和流動情況。選取耕作方向上同一時刻蔥壟模型等軸側(cè)視圖土壤顆粒撓動和俯視圖土壤顆粒流動情況進行研究，如圖 10、圖11所示。

由圖10分析可知，對于疏土整地裝置以不同水平傾角作業(yè)后的蔥壟土壤，原疏土整地裝置絞龍輥處的蔥壟土壤撓動混合效果較好，但掛接絞龍輥和液壓馬達的連接架兩側(cè)蔥壟撓動混合效果較差，蔥壟土壤整體平整度較差，不利于大蔥成堆鋪放；新疏土整地裝置作業(yè)后蔥壟土壤分向兩側(cè)，蔥壟中部出現(xiàn)了平整度較好的土層，蔥壟土壤整體撓動混合效果較好，利于大蔥成堆鋪放。

由圖11分析可知，對于疏土整地裝置作業(yè)時的蔥壟土壤，原疏土整地裝置以不同水平傾角作業(yè)的土壤顆粒流動較為雜亂，絞龍輥處土壤顆粒向后疏導(dǎo)流動，掛接絞龍輥和液壓馬達的連接架兩側(cè)土壤顆粒堆積嚴重，增加功耗的同時土壤顆粒易堵塞軸承和液壓馬達，影響作業(yè)質(zhì)量。新疏土整地裝置以不同水平傾角作業(yè)的土壤顆粒流動較為規(guī)整，土壤顆粒向前堆積的同時沿著疏土板兩側(cè)向后疏導(dǎo)流動，土壤顆粒流動速度較快，且隨著蔥壟土壤破碎效果增強，疏土板土壤顆粒堆積量減少。

綜合圖10、圖11分析，新疏土整地裝置土壤撓動程度、土壤平整程度、土壤松散程度和土壤顆粒流動效果明顯優(yōu)于原疏土整地裝置，利于大蔥成堆鋪放。

本節(jié)利用SolidWorks軟件和EDEM軟件構(gòu)建了挖掘鏟、抖土篩、疏土整地裝置和收獲期蔥壟仿真模型，對鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置和原有大蔥挖掘抖土疏整裝置的挖掘鏟、抖土篩和疏土整地裝置分別進行了離散元仿真分析，確定了鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置土壤撓動效果和土壤顆粒流動情況均優(yōu)于原裝置，初步驗證了鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置作業(yè)性能可行性，節(jié)省了研發(fā)周期和成本。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

為了驗證鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置的可靠性，2019年8月在濰坊市法廷蔬菜種植試驗基地進行田間試驗，試驗基地土壤類型為沙壤土，土壤含水率24.78%，大蔥品種為日本鋼蔥，大蔥植株總長度約1 000～1 200 mm，蔥白直徑約15～22 mm，蔥白長度約200～280 mm，株距48 mm，壟高370 mm，壟距900 mm，壟頂寬度270 mm，壟底寬度380 mm，發(fā)動機配套動力42 kW。

試驗儀器與設(shè)備包括自走式大蔥聯(lián)合收獲機、鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置、原有挖掘抖土疏整裝置、電子秤、水分測定儀、卷尺、游標(biāo)卡尺、鋼尺、相機等，田間試驗如圖12所示。

4.2 評價指標(biāo)

目前，中國還沒有針對大蔥收獲裝備制定詳細的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)中國農(nóng)業(yè)機械學(xué)會發(fā)布的《自走式大蔥收獲機》標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)農(nóng)業(yè)機械試驗方法，以收獲大蔥含雜率、損傷率以及蔥壟壅土概率作為評價指標(biāo)，根據(jù)原定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機最優(yōu)作業(yè)參數(shù)[18]，以整機前進速度0.70 m/s、抖土頻率4.30 Hz、挖掘鏟水平傾角35.00°、每堆大蔥鋪放質(zhì)量5.00 kg，分別對新裝置和原裝置進行田間性能對比試驗。試驗前，選擇平整度好、無雜草的蔥地，進行田間預(yù)試驗，調(diào)整好各試驗參數(shù)。試驗時，調(diào)整好各試驗參數(shù)并嚴格保持，盡量避免人為因素影響，同時保證機器平穩(wěn)運行。機器每次行走距離為80 m（準(zhǔn)備區(qū)15 m，測試區(qū)50 m，調(diào)整區(qū)15 m），每組試驗10次，對測試區(qū)內(nèi)收獲大蔥含雜率、損傷率、蔥壟是否壅土以及蔥壟壅土概率進行統(tǒng)計分析。

1）大蔥雜質(zhì)是指大蔥收獲后含有的泥土、死皮及石粒等，將測試區(qū)內(nèi)收獲的大蔥收集，測得大蔥總質(zhì)量為（kg），去除雜質(zhì)測得干凈的大蔥質(zhì)量為W（kg），大蔥含雜率T（%）計算公式為

2）大蔥損傷是指大蔥收獲作業(yè)過程中，蔥根鏟斷、蔥葉破損、蔥白揉搓等損傷，將測試區(qū)內(nèi)損傷大蔥收集，測得損傷大蔥總質(zhì)量為W（kg），大蔥損傷率T（%）計算公式為

3）大蔥收獲機壅土是指大蔥收獲機作業(yè)過程中由于挖掘鏟、抖土篩、疏土整地裝置作業(yè)性能導(dǎo)致的土壤聚集，造成蔥土壅堵作業(yè)裝置、大蔥嚴重損傷，妨礙收獲機正常行進作業(yè)的現(xiàn)象。為了初步確定挖掘抖土疏整裝置作業(yè)性能，作業(yè)過程中嚴格控制其他變量因素，分別進行田間性能試驗，記錄試驗總次數(shù)n（次），試驗過程蔥壟壅土次數(shù)n（次），蔥壟壅土概率（%）計算公式為

4.3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)制定的試驗方法及標(biāo)準(zhǔn)，測定原有挖掘抖土疏整裝置和鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置作業(yè)后大蔥含雜率、損傷率、蔥壟壅土情況如表2所示。

田間性能對比試驗結(jié)果表明，在相同土壤條件和作業(yè)參數(shù)下，鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置空間結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、各部件工作性能良好，收獲作業(yè)時土壤撓動效果好、流動速度快，試驗壅土概率約10%，不易壅土。試驗收獲大蔥的最小含雜率為2.61%，最大含雜率為3.47%，平均含雜率約2.94%；試驗收獲大蔥的最小損傷率1.41%，最大損傷率1.82%，平均損傷率約1.66%。原有挖掘抖土疏整裝置空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大、易壅土，壅土概率約50%。試驗收獲大蔥的最小含雜率3.19%，最大含雜率3.75%，平均含雜率約3.45%；試驗收獲大蔥最小損傷率1.89%，最大損傷率2.84%，平均損傷率約2.43%，均高于鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置收獲大蔥的含雜率和損傷率。鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置較原有大蔥挖掘抖土疏整裝置收獲大蔥的平均含雜率降低0.51個百分點，平均損傷率降低0.77個百分點，壅土概率降低40個百分點，在一定程度上提高了收獲機作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率。

綜上所述，鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置空間結(jié)構(gòu)合理、不易壅土，收獲大蔥的含雜率和損傷率低，作業(yè)效果好，各項指標(biāo)均滿足大蔥收獲要求。原有挖掘抖土疏整裝置空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易壅土，收獲大蔥的含雜率和損傷率高，作業(yè)質(zhì)量相對較低，不利于提高效益。

裝置是否壅土對聯(lián)合收獲機作業(yè)性能影響較大。裝置若壅土，不僅增加功耗，而且會擠壓損傷大蔥，無法保證收獲質(zhì)量。鏟篩組合式挖掘抖土疏整裝置作業(yè)可靠性好，收獲大蔥含雜率和損傷率低，在一定程度上提高了大蔥聯(lián)合收獲機作業(yè)性能和機具適應(yīng)性，為大蔥聯(lián)合收獲機挖掘抖土疏整裝置進一步提升優(yōu)化提供了參考。

表2 主要性能指標(biāo)

5 結(jié) 論

1）針對大蔥聯(lián)合收獲挖掘抖土疏整裝置可靠性差、作業(yè)阻力大的難題，基于定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機，設(shè)計研發(fā)了一種鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置。

2）構(gòu)建了收獲期蔥壟仿真模型，設(shè)置了仿真基本參數(shù)，為需培土作業(yè)農(nóng)作物仿真壟型構(gòu)建和參數(shù)設(shè)置提供了參考依據(jù)。對新裝置和原裝置的挖掘鏟、抖土篩和疏土整地裝置分別進行了仿真分析，確定了新裝置土壤撓動效果和土壤顆粒流動情況均優(yōu)于原裝置，初步驗證了鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置作業(yè)性能可行性，節(jié)省了研發(fā)周期和成本。

3）以原裝置最優(yōu)作業(yè)參數(shù)，對新裝置和原裝置進行了田間對比試驗。試驗結(jié)果表明，原裝置收獲大蔥含雜率約3.45%，損傷率約2.43%，蔥壟壅土概率約50%，易出現(xiàn)壅土現(xiàn)象；新裝置收獲大蔥平均含雜率2.94%，平均損傷率1.66%，蔥壟壅土概率約10%，壅土現(xiàn)象明顯減少。新裝置較原裝置收獲大蔥的含雜率降低0.51個百分點，損傷率降低0.77個百分點，壅土概率降低40個百分點，在一定程度上了彌補了原有裝置的不足，進一步提高了大蔥聯(lián)合收獲機作業(yè)性能。

[1] 彭帥，楊勇，陳龍，等. 大蔥種植與機械化收獲分析[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報，2017，38(9)：30-35.

Peng Shuai, Yang Yong, Chen Long, et al. Analysis on planting and mechanized harvesting of welsh onion[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(9): 30-35. (in Chinese with English abstract)

[2] 陳彥宇，李天華，牛子孺，等. 基于ANSYS的大蔥培土機有限元分析與試驗[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報，2019，40(8)：32-36.

Chen Yanyu, Li Tianhua, Niu Ziru, et al. Finite element analysis and experiment of green Chinese onion hilling machine based on ANSYS [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2019, 40(8): 32-36. (in Chinese with English abstract)

[3] 王方艷. 大蔥生產(chǎn)技術(shù)及收獲裝備[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2017，7(5)：1-4.

Wang Fangyan. Production technology and harvesting equipment of green Chinese onion[J]. Agricultural Engineering, 2017, 7(5): 1-4. (in Chinese with English abstract)

[4] 魏忠彩，李洪文，孫傳祝，等. 基于多段分離工藝的馬鈴薯聯(lián)合收獲機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2019，50(1)：129-140,112.

Wei Zhongcai, Li Hongwen, Sun Chuanzhu, et al. Design and experiment of potato combined harvester based on multi-stage separation technology[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(1): 129-140,112. (in Chinese with English abstract)

[5] 魏忠彩，李洪文，蘇國粱，等. 緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(8)：1-11.

Wei Zhongcai, Li Hongwen, Su Guoliang, et al. Development of potato harvester with buffer type potato-impurity separation sieve[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 1-11. (in Chinese with English abstract)

[6] 呂金慶，王鵬榕，劉志峰，等. 馬鈴薯收獲機薯秧分離裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2019，50(6)：100-109.

Lü Jinqing, Wang Pengrong, Liu Zhifeng, et al. Design and experiment of potato harvester potato stem separation equipment[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(6): 100-109. (in Chinese with English abstract)

[7] 楊小平，魏宏安，趙武云，等. 4U1600型集堆式馬鈴薯挖掘機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2020，51(6)：83-92.

Yang Xiaoping, Wei Hongan, Zhao Wuyun, et al. Design and experiment of 4U 1600 set of pile type potato digger[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(6): 83-92. (in Chinese with English abstract)

[8] 張兆國，王海翼，李彥彬，等. 多級分離緩沖馬鈴薯收獲機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2021，52(2)：96-109.

Zhang Zhaoguo, Wang Haiyi, Li Yanbin, et al. Design and experiment of multi-stage separation buffer potato harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(2): 96-109. (in Chinese with English abstract)

[9] 王申瑩，胡志超，Chen Charles，等. 牽引式甜菜聯(lián)合收獲機自動對行系統(tǒng)設(shè)計與臺架試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2020，51(4)：103-112,163.

Wang Shenying, Hu Zhichao, Chen Charles, et al. Bench test and analysis on performance of autofollow row for traction sugar beet combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(4): 103-112,163. (in Chinese with English abstract)

[10] 王申瑩，胡志超，陳有慶，等. 土下作物自動對行挖掘收獲試驗臺研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(5)：29-37.

Wang Shenying, Hu Zhichao, Chen Youqing, et al. Development of the test bench for automatic alignment digging harvest of subterranean crops[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 29-37. (in Chinese with English abstract)

[11] 穆桂脂，辛青青，玄冠濤，等. 甘薯秧蔓回收機仿壟切割粉碎拋送裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2019，50(12)：53-62.

Mu Guizhi, Xin Qingqing, Xuan Guantao, et al. Design and experiment of knife roller and throwing device for sweet potato vine recycling machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(12): 53-62. (in Chinese with English abstract)

[12] 陳小冬，胡志超，王冰，等. 單壟單行甘薯聯(lián)合收獲機薯秧分離機構(gòu)設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(14)：12-21.

Chen Xiaodong, Hu Zhichao, Wang Bing, et al. Design and parameter optimization of sweet-potato-stalk separator for single row sweet potato combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 12-21. (in Chinese with English abstract)

[13] 王金武，李響，高鵬翔，等. 胡蘿卜聯(lián)合收獲機高效減阻松土鏟設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2020，51(6)：93-103.

Wang Jinwu, Li Xiang, Gao Pengxiang, et al. Design and experiment of high efficiency drag reducing shovel for carrot combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(6): 93-103. (in Chinese with English abstract)

[14] Fujii Y, Ohnishi M, Tsuga K. Farmers' satisfaction and preference assessment of a Welsh onion harvester[J]. Engineering in Agriculture Environment and Food, 2014, 7(2): 70-77.

[15] 王小雪. 4DC-1振動式大蔥收獲機的研制與試驗[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

Wang Xiaoxue. Design and Experiment of 4DC-1 Vibrating Green Chinese Onion[D]. Tai’an: Shandong Agricultural University, 2020. (in Chinese with English abstract)

[16] 劉敬偉. 雙行大蔥聯(lián)合收獲機的設(shè)計與研究[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

Liu Jingwei. Design and Research of the Double-row Self-propelled Green Chinese Onion[D]. Tai’an: Shandong Agricultural University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[17] 王方艷，孫光全，尚書旗. 4CL-1 型自走式大蔥聯(lián)合收獲機的研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(24)：39-47.

Wang Fangyan, Sun Guangquan, Shang Shuqi. Study on 4CL-1 self-propelled combine harvester for green onion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 39-47. (in Chinese with English abstract)

[18] 侯加林，陳彥宇，李玉華，等. 定量鋪放自走式大蔥聯(lián)合收獲機研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(7)：22-33.

Hou Jialin, Chen Yanyu, Li Yuhua, et al. Development of quantitatively-laying and self-propelled green onion combine harvesters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(7): 22-33. (in Chinese with English abstract)

[19] 中國農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院. 農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[20] 王超. 大蔥收獲機挖掘裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 青島：青島理工大學(xué)，2019.

Wang Chao. Research on Key Technology of Digging Device of Leek Harvester[D]. Qingdao: Qingdao University of Technology, 2019. (in Chinese with English abstract)

[21] 樊昱. 基于離散元法的馬鈴薯挖掘機理研究及仿生鏟設(shè)計[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

Fan Yu. Research on Potato Digging Mechanism Based on Discrete Element Method and Design of Bionic Shovel[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2020. (in Chinese with English abstract)

[22] 吉爾，范德伯奇. 耕作和牽引土壤動力學(xué)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1983.

[23] 彭帥. 雙行自走式大蔥聯(lián)合收獲機的設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 青島：青島理工大學(xué)，2018.

Peng Shuai. Design and Research on Key Technology of Double-row Self-propelled Welsh Onion Combine Harvester[D]. Qingdao: Qingdao University of Technology. 2018. (in Chinese with English abstract)

[24] 魏忠彩，蘇國粱，李學(xué)強，等. 基于離散元的馬鈴薯收獲機波浪形篩面參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2020，51(10)：109-122.

Wei Zhongcai, Su Guoliang, Li Xueqiang, et al. Parameter optimization and test of potato harvester wavy sieve based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(10): 109-122. (in Chinese with English abstract)

[25] 劉鵬，金誠謙，寧新杰，等. 大豆機收清選篩田間性能試驗與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(9)：36-43.

Liu Peng, Jin Chengqian, Ning Xinjie, et al. Field performance test and analysis of the cleaning sieve of soybean harvesters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 36-43. (in Chinese with English abstract)

[26] Wang Y, Zhang Y, Yang Y, et al. Discrete element modelling of citrus fruit stalks and its verification[J]. Biosystems Engineering, 2020, 200: 400-414.

[27] Makange N R, Ji C, Torotwa I. Prediction of cutting forces and soil behavior with discrete element simulation[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2020, 179：105848

[28] Wang Y, Zhang D, Yang L, et al. Modeling the interaction of soil and a vibrating subsoiler using the discrete element method[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2020, 174：105518

[29] 劉曉鵬，張青松，劉立超，等. 基于微分幾何與EDEM的船型開畦溝裝置觸土曲面優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2019，50(8)：59-69.

Liu Xiaopeng, Zhang Qingsong, Liu Lichao, et al. Surface optimization of ship type ditching system based on differential geometry and EDEM simulation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(8): 59-69. (in Chinese with English abstract)

[30] Li J, Liu X, Zou L, et al. Analysis of the interaction between end-effectors, soil and asparagus during a harvesting process based on discrete element method[J]. Biosystems Engineering, 2020, 196: 127-144.

[31] Hang C, Gao X, Yuan M, et al. Discrete element simulations and experiments of soil disturbance as affected by the tine spacing of subsoiler. Biosystems Engineering, 2018, 168: 73-82.

[32] Horabik J, Wi?cek J, Parafiniuk P, et al. Calibration of discrete-element-method model parameters of bulk wheat for storage. Biosystems Engineering, 2020, 200: 298-314.

[33] 謝方平，吳正陽，王修善，等. 基于無側(cè)限抗壓強度試驗的土壤離散元參數(shù)標(biāo)定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(13)：39-47.

Xie Fangping, Wu Zhengyang, Wang Xiushan, et al. Calibration of discrete element parameters of soils based on unconfined compressive strength test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 39-47. (in Chinese with English abstract)

[34] Wang Q, Mao H, Li Q. Modelling and simulation of the grain threshing process based on the discrete element method[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2020, 178(3): 105790

[35] 李金光. 基于離散元法的菠菜收獲機根切鏟優(yōu)化設(shè)計與試驗[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

Li Jinguang. Optimization Design and Test of Spinach Harvester’s Root-cutting Shovel Based on Discrete Element Method[D]. Tai’an: Shandong Agricultural University, 2020. (in Chinese with English abstract)

[36] Hang C, Huang Y, Zhu R. Analysis of the movement behaviour of soil between subsoilers based on the discrete element method[J]. Journal of Terramechanics, 2017, 74: 35-43.

Design and experiment of shovel-screen combined green onion digging, shaking, and soil tillage device

Hou Jialin1,2, Chen Yanyu2, Li Yuhua2,3, Li Tianhua2,3, Li Guanghua4, Guo Hong’en1※

(1.,250100,;2.,,271018,; 3.,271018,; 4..,.,262500,)

Green onion has widely been one of the most important cash crops in recent years. Its planting area is ever-increasing year by year. However, the mechanized harvest level is less than 20% in China, which seriously restricts the green onion industry. In this research, a combined shovel-screen device was designed for green onion digging, shaking, and soil tillage, in order to significantly improve the reliability and working efficiency during harvesting. Three parts were mainly composed of the digging shovel, the shaking screen, and the soil tillage mechanism. A mechanical model was also constructed to theoretically clarify the working principle and design idea. Then, the discrete element simulation was conducted for the green onion ridge in the harvest period. A field test was also carried out to verify the performance of the developed device and the original one. The simulation results showed that the soil disturbance and the flow condition of soil particles were better in the combined shovel-screen device than before. The field test results showed that the average impurity and damage rates of green onion were 2.94%, and 1.66%, respectively, while the soil accumulation was less than 10%. Furthermore, the green onion ridge soil was almost free from accumulation and blocking, when the combined shovel-screen device was digging, shaking, and soil tillage in the test. Correspondingly, there were decreases of 0.51 percentage points, 0.77 percentage points, and 40 percentage points in the average impurity and damage rates of green onion, as well as the soil accumulation in the test, respectively, compared with the original. The finding can also provide a strong reference for the research on the technology and equipment of digging, shaking, and soil tillage during harvesting, further promoting the rapid development of the onion industry.

agricultural machinery; model; green onion; digging; shaking; EDEM; field experiment

侯加林，陳彥宇，李玉華，等. 鏟篩組合式大蔥挖掘抖土疏整裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(18)：29-39.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.004 http://www.tcsae.org

Hou Jialin, Chen Yanyu, Li Yuhua, et al. Design and experiment of shovel-screen combined green onion digging, shaking, and soil tillage device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(18): 29-39. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.004 http://www.tcsae.org

2021-06-15

2021-09-08

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助（CARS-24-D-01）；山東省重點研發(fā)計劃（重大科技創(chuàng)新工程）項目（2019JZZY010733）；山東省農(nóng)機裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目（2018YF001）；山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蔬菜產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團隊項目（SDAIT-05-11）

侯加林，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為智能農(nóng)機裝備。Email：jlhou@sdau.edu.cn。

郭洪恩，博士，研究員，研究方向為智能農(nóng)機裝備。Email：guohongen163@163.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.004

S225.92

A

1002-6819(2021)-18-0029-11