鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機仿真與試驗

牛 叢 邢鈺婷 閆成功 譚好超 馬 帥 徐麗明

(中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京 100083)

土壤表層含有較多石塊會加速土壤、水分流失，影響作物根系延伸，降低農(nóng)業(yè)機械的使用壽命[1-2]。我國西北地區(qū)存在較多的含石耕地，研制一款撿拾和收集表層土壤中石塊的機械能夠有效地提高耕地的利用率[3-5]。

美國、加拿大和俄羅斯等國生產(chǎn)的土壤撿石機應用較為廣泛，主要機型包括最早成熟的分離滾筒式撿石機、Rotoveyer型振動篩式撿石機以及加拿大HIGHLINE公司生產(chǎn)的XL系列撥齒式撿石機等[6]。分離滾筒式撿石機挖掘深度可達305 mm，利用高速旋轉(zhuǎn)的滾筒篩攪動石土混合物，細小的石塊和土壤透過篩孔落回地表，較大的石塊和其他農(nóng)田廢棄物被集中輸送出農(nóng)田，該機型具有作業(yè)效果好、效率高的優(yōu)點，但結構龐大且復雜，功耗高，容易產(chǎn)生揚塵污染環(huán)境。振動篩式撿石機挖掘深度可達300 mm，依靠連桿機構帶動篩網(wǎng)產(chǎn)生周期性振動，振動破碎大土塊并篩分還田，篩分效果較好，但石塊被向后推送過程中對機具的沖擊較大，且機具較為笨重，作業(yè)功耗高。撥齒式撿石機作業(yè)幅寬大于5 m，作業(yè)時利用撥石齒僅將較大的石塊向機具后方撥動，能夠減少土壤的無效輸送，同時沿導向裝置向收集箱中推送石塊時能夠降低石塊的運動速度，減少石塊對收集箱的沖擊，有效降低了作業(yè)功耗和機具損耗，但結構復雜且體積龐大，適合大面積地塊使用。綜上，國外的撿石機趨于大型化、自動化，作業(yè)效率高，作業(yè)效果好，但結構較為復雜且制造成本高。我國西北地區(qū)的含石耕地多呈現(xiàn)碎片化、地形復雜化的特點，國外大型撿石機械不能滿足我國耕地石塊撿拾需求[7]。在國外撿石機研究基礎上，適用于我國耕地的撿石機快速發(fā)展，主要包括鏈篩式、軸流滾筒篩式、輪齒式、鏈齒式以及鏈桿式撿石機[8-10]。軸流滾筒篩式、鏈篩式和輪齒式撿石機與國外主流機型作業(yè)原理類似，主要在小型、宜機化方面作出了發(fā)展，仍存在結構復雜的問題[11-13]。鏈齒式撿石機利用方形柵條齒挖掘、篩分石土混合物，采用帶撥石齒的鏈條撥動石塊向后方輸送[12]，在土量較大時石土篩分效果較差。鏈桿式撿石機利用抖動裝置激振連續(xù)轉(zhuǎn)動的鏈桿輸送裝置，振動篩分石土混合物，相比其他機型具有結構簡單、作業(yè)效率高、對機具沖擊小的優(yōu)點，發(fā)展?jié)摿Υ螅敼ぷ鲄?shù)設置不合理時，篩分效果較差。鏈桿式撿石機的工作原理在馬鈴薯收獲領域應用較為廣泛，但在石塊撿拾領域應用較少；已有研究主要依靠理論分析和田間試驗對作業(yè)參數(shù)進行分析優(yōu)化，研究手段匱乏，機具作業(yè)效果參差不齊，研究結果難以得到推廣應用。隨著計算機技術的發(fā)展，模擬仿真技術與離散元法(Discrete element method，DEM)相互結合，為分析農(nóng)業(yè)機械與散粒物料的相互作用提供了新的技術手段[14-15]。

本研究擬設計一種鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機，撿拾并收集土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)的石塊，采用離散元法和田間試驗對機具工作參數(shù)進行分析優(yōu)化，以期為撿石機的設計與優(yōu)化提供技術參考。

1 鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機總體結構與工作原理

1.1 整機結構

本研究設計的鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機主要包括機架、牽引架、入土挖掘部件、輸送分離裝置、集石卸石部件、傳動部件和液壓元件(圖1(a))。牽引架鉸接于機架前端，連接機具與拖拉機。挖掘鏟安裝于機架前端下方，切入土壤并挖掘石土混合物。輸送分離裝置位于機架中部，前端緊鄰挖掘鏟，將石土混合物向后輸送，同時采用振動方式篩分土壤與石塊。收集箱鉸接于機架后端，前端緊鄰輸送分離裝置，用于收集石塊。傳動部件包括萬向節(jié)傳動軸、變速箱、鏈傳動組件Ⅰ和鏈傳動組件Ⅱ等(圖1(b))，傳遞拖拉機輸出的動力以驅(qū)動輸送分離裝置工作。液壓元件包括液壓缸和液壓閥組，液壓閥組控制不同的液壓缸伸縮，分別實現(xiàn)挖掘鏟入土深度調(diào)節(jié)、機架離地高度調(diào)節(jié)以及收集箱翻轉(zhuǎn)卸石。

1.2 工作原理

農(nóng)田石塊撿拾收集機由拖拉機牽引前進，包含道路行駛和田間作業(yè)2種狀態(tài)。處于道路行駛狀態(tài)時，液壓閥組控制機架支撐油缸和入土深度調(diào)節(jié)油缸伸長，增大機架離地高度，便于機具自由行駛。處于田間作業(yè)狀態(tài)時，液壓閥組控制機架支撐油缸和入土深度調(diào)節(jié)油缸收縮，降低機架離地高度，使挖掘鏟以一定的角度入土，挖掘石土混合物，而后隨機具前進向后方輸送。拖拉機輸出的動力經(jīng)萬向節(jié)傳動軸傳遞至變速箱，經(jīng)變速箱減速后，利用鏈傳動組件Ⅰ驅(qū)動輸送分離篩傳動軸轉(zhuǎn)動，輸送分離篩傳動軸的動力利用鏈傳動組件Ⅱ驅(qū)動振動軸轉(zhuǎn)動，進而使輸送分離篩產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)動和周期振動。石土混合物隨輸送分離篩的運動向后方移動，部分大土塊在篩面振動作用下破碎，外形尺寸較小的石塊和土壤穿過篩面間隙落到地表，外形尺寸較大的石塊和土塊隨篩面運動至機架后端并落入收集箱內(nèi)。當收集箱內(nèi)裝滿大石塊和土塊時，機組行進至田間地頭，液壓閥組控制卸石油缸伸縮完成卸石工作。

1.3 主要技術參數(shù)

結合農(nóng)田石塊撿拾要求，本研究確定的農(nóng)田石塊撿拾收集機的主要技術參數(shù)見表1。

表1 農(nóng)田石塊撿拾收集機主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of farmland stone picking and collecting machine

2 關鍵部件設計

2.1 輸送分離裝置

輸送分離裝置是實現(xiàn)石土篩分與石塊輸送、收集的關鍵部件[16]，主要包括輸送分離篩、導向膠輪、支撐輪、三輪振動裝置、振幅調(diào)節(jié)裝置、驅(qū)動鏈輪、張緊輪等(圖2)。輸送分離裝置作業(yè)時，三輪振動裝置激勵輸送分離篩周期振動，石土混合物受迫振動產(chǎn)生彈跳。部分大土塊與輸送分離篩碰撞發(fā)生破碎，尺寸較小的石塊和土壤穿過篩面縫隙落至地表，而尺寸較大的石塊和土塊隨輸送分離篩轉(zhuǎn)動被輸送至收集箱中，最終完成石土篩分與石塊收集作業(yè)。

1.輸送分離篩；2.支撐輪；3.導向膠輪；4.張緊輪；5.三輪振動裝置；6.振幅調(diào)節(jié)裝置；7.驅(qū)動鏈輪1.Conveying-separating screen;2.Support wheel;3.Guiding rubber wheel;4.Tensioning wheel;5.Three-wheel vibration device;6.Amplitude adjustment device;7.Drive sprocket圖2 輸送分離裝置結構Fig.2 Structure of conveying-separating device

2.1.1土壤含石情況

輸送分離裝置的設計需要考慮到農(nóng)田土壤的含石情況。與薯類作物收獲不同[17]，無需考慮石塊在輸送過程中的碰撞損傷，增大石土混合物在輸送分離篩上的“活躍”狀態(tài)，反而有利于石土篩分。

本研究以寧夏回族自治區(qū)銀川市美賀葡萄莊園為試驗點，其土壤類型為沙壤土，石塊主要分布在土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)。采用五點取樣法，標記5個(2×1) m2的樣點區(qū)域，采集樣點區(qū)域土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)的石塊，測量石塊直徑以及石塊質(zhì)量在石土混合物總質(zhì)量中所占的比例。樣點區(qū)域內(nèi)采集的石塊形狀各異，不具有規(guī)律性(圖3)。5個樣點區(qū)域內(nèi)石塊直徑范圍依次為：33～314、30～329、35～223、36～260以及37～284 mm，石塊質(zhì)量在石土混合物總質(zhì)量中所占的比例平均為20.8%。按照農(nóng)藝要求，直徑小于35 mm的石塊不屬于撿拾范圍，因此需撿拾的石塊直徑總體范圍為35～329 mm，大致分為35～70、70～140、140～210、210～280和280～330 mm共5個組別，每個組別選取直徑特征值為35、70、140、210和280 mm，以便為仿真中石塊建模提供依據(jù)。

石塊直徑由小到大依次為30、70、140、223、284和329 mm。The stone diameters were 30,70,140,223,284,and 329 mm from small to large.圖3 樣點區(qū)域內(nèi)的石塊形狀及直徑Fig.3 Shapes and diameters of stones in the sample areas

2.1.2輸送分離篩

輸送分離篩由齒形橡膠輸送帶和鏈桿組成(圖4)，篩面長度為2 000 mm，寬度為1 174 mm。結合農(nóng)田土壤含石情況和農(nóng)藝要求，設計相鄰鏈桿間距為45 mm，鏈桿直徑為11 mm，鏈桿間隙為34 mm。因此，直徑大于34 mm的石塊將被收集起來。

1.齒形橡膠輸送帶；2.鏈桿1.Toothed rubber conveyor belt;2.Chain rod圖4 輸送分離篩結構Fig.4 Structure of conveying-separating screen

石塊在輸送分離篩上的受力情況見圖5。當石塊隨輸送分離篩運動而被穩(wěn)定向后輸送時，在篩面法向和切向因石塊的不同運動形式而呈現(xiàn)不同的受力狀況，在篩面切向上滿足：

fs≥m0gsinθ

(1)

式中：fs為輸送分離篩的鏈桿對石塊的摩擦力，N；m0為石塊的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；θ為輸送分離篩的篩面傾角，(°)。

1.石塊；2.輸送分離篩1.Stone;2.Conveying-separating screenO為石塊質(zhì)心；x為水平方向；y為豎直方向。Fg為石塊沿輸送分離篩篩面法向的慣性力；Fn為輸送分離篩對石塊的支持力；fs為輸送分離篩的鏈桿對石塊的摩擦力；θ為篩面傾角；m0為石塊的質(zhì)量；g為重力加速度。O is the mass center of the stone,x is the horizontal direction;y is the vertical direction.Fg is the inertial force of the stone along the normal direction of the screen surface of the conveying-separating screen;Fn is the support force of the stone by the conveying-separating screen;fs is the friction force of the stone by the chain rod of the conveying-separating screen;θ is the inclination angle of the screen surface;m0 is the mass of the stone,kg;g is the acceleration of gravity.圖5 輸送分離篩上石塊的受力示意圖Fig.5 Force diagram of stone on the conveying-separating screen

輸送分離篩周期振動是石塊在篩面上受迫振動的前提，石塊的縱向彈跳是石土分散、分離的必要條件。當石塊發(fā)生縱向彈跳時，其所受支持力Fn為0，因此在篩面法向滿足

Fg≥m0gcosθ

(2)

式中：Fg為石塊沿輸送分離篩篩面法向向上的慣性力，N。

當振動系統(tǒng)的頻率和振幅等特征參數(shù)確定時，石塊所受的慣性力Fg一定，輸送分離篩篩面傾角θ越大，則石塊彈跳越劇烈，越有利于石塊與土壤篩分。實際作業(yè)中，輸送分離篩前段石土混合物多，輸送過程中，較小尺寸土壤與石塊穿過鏈桿間隙落至地表，輸送分離篩后段石土混合物減少。因此，設計輸送分離篩前段篩面傾角為29°，與挖掘鏟的最大入土角保持一致，保證石土混合物能夠穩(wěn)定向后輸送而不產(chǎn)生壅積；設計輸送分離篩后段篩面傾角為24°，一方面降低石塊對輸送分離篩的沖擊，另一方面在有限高度范圍內(nèi)增大篩面長度，增強石土篩分效果。

2.1.3三輪振動裝置與振幅調(diào)節(jié)裝置

三輪振動裝置是輸送分離篩振動的激振源，主要由振動膠輪和振動軸組成(圖6(a))。振動軸轉(zhuǎn)動帶動振動膠輪轉(zhuǎn)動，振動膠輪間歇性抬升輸送分離篩，將連續(xù)的圓周運動轉(zhuǎn)化為一定頻率的振動。振動軸由輸送分離篩驅(qū)動裝置利用鏈傳動驅(qū)動，由式(3)可知，輸送分離篩振動頻率由輸送分離篩線速度、三輪振動裝置的直徑以及振動膠輪個數(shù)共同決定。

(3)

式中：n為振動軸轉(zhuǎn)速，r/min；vs為輸送分離篩線速度，m/s；d為振動裝置直徑，m；f為輸送分離篩振動頻率，Hz；Z為振動膠輪數(shù)量，個。

1.振動軸；2.振動膠輪；3.支撐膠輪；4.膠輪連接軸；5.調(diào)節(jié)板；6.調(diào)節(jié)手柄1.Vibrating shaft;2.Vibrating rubber wheel;3.Supporting rubber wheel;4.Connecting shaft;5.Adjustment plate;6.Adjustment handle圖6 三輪振動裝置和振幅調(diào)節(jié)裝置結構Fig.6 Structure of three-wheel vibrating device and amplitude adjustment device

當輸送分離篩線速度較小時，石土混合物被拋起的高度和距離均較小，不利于石土分離；當輸送分離篩線速度較大時，石塊回落后對鏈桿的碰撞沖擊較大。輸送分離篩線速度對石塊的彈跳過程有影響，相比于馬鈴薯，石塊密度更大，彈跳過程需要更大的慣性力才能達到合適的石土分離效果。參考薯類作物收獲相關研究[18-19]，馬鈴薯收獲機升運鏈的線速度一般為1.0～2.0 m/s，同時兼顧石塊的特殊性，確定輸送分離篩的線速度vs為1.4～2.2 m/s。振動頻率過小，會造成石土分離效果不佳；振動頻率過大，對石塊的沖擊損傷影響較小，但會對鏈桿造成一定的沖擊變形，也會影響輸送分離篩的輸送能力。馬鈴薯收獲機分離裝置振動頻率一般為3～8 Hz，在此基礎上適當?shù)卦龃笳駝宇l率有利于改善石土分離效果，因此確定振動頻率f為5～12 Hz。振動膠輪的數(shù)量Z為3個，直徑為0.058 m，計算得到振動軸轉(zhuǎn)速范圍為100～240 r/min。

振幅調(diào)節(jié)裝置由調(diào)節(jié)手柄、調(diào)節(jié)板、支承膠輪和膠輪連接軸等組成(圖6(b))。調(diào)節(jié)板為調(diào)節(jié)手柄提供8個調(diào)節(jié)位置，相鄰位置間隔10°，角度調(diào)節(jié)范圍為0～70°。調(diào)節(jié)手柄轉(zhuǎn)動帶動膠輪連接軸轉(zhuǎn)動，與膠輪連接軸固定的支撐膠輪在旋轉(zhuǎn)過程中抬升輸送分離篩的高度，進而實現(xiàn)振動幅度調(diào)節(jié)，振幅調(diào)節(jié)范圍為0～50 mm。

2.2 挖掘鏟

挖掘鏟是直接觸土部件，負責完整挖掘土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)的石土混合物并向后輸送，作業(yè)時應盡可能減小入土阻力和前進阻力，降低功耗，同時應保持良好的刃口耐磨性。挖掘鏟材質(zhì)為65Mn，結構為帶斜刃的平面三角鏟[20]，兼顧作業(yè)幅寬和結構強度，將挖掘鏟改進為平面雙鏟結構(圖7)。

為了滿足作業(yè)幅寬要求，設計雙鏟總寬度L1為1 186 mm，則單鏟寬度為593 mm。其他影響挖掘鏟作業(yè)性能的參數(shù)包括入土角α、刃口角β以及鏟刃斜角γ。

入土角α大小影響挖掘鏟鏟面上石土混合物的運動速度以及前進阻力。入土角相對較大時，入土相對容易，鏟面上石土混合物運動速度較慢，前進阻力較大。入土角相對較小時，入土相對困難，鏟面上石土混合物運動速度較快，前進阻力較小。挖掘鏟的挖掘深度h最大值為350 mm，兼顧入土和前進阻力，設計挖掘鏟的最大入土角為29°。挖掘鏟采用下開刃形式，為了降低切土阻力[21]，將刃口角β設計為20°。

依據(jù)挖掘鏟的最大挖掘深度和最大入土角計算鏟長L2，計算公式為：

(4)

鏟長L2計算結果為722 mm，鏟長過長容易導致石土混合物在挖掘鏟后端壅積，因此適當縮短挖掘鏟長度，有利于保證石土混合物穩(wěn)定、快速地向后輸送并進入輸送分離篩。同時，考慮挖掘鏟的位置結構，設計鏟長為520 mm。

鏟刃斜角γ影響挖掘鏟對土壤滑切作用的整體阻力以及石土混合物在鏟面上的運動。鏟刃斜角設計應滿足：

γ<90°-φ

(5)

式中：φ為石土混合物對挖掘鏟的摩擦角，(°)。理論上，鏟刃斜角越小，切土能力越強，但挖掘鏟鏟尖的結構強度和耐磨性會降低。石土混合物中的石塊對錳鋼的磨損較大，因此鏟刃斜角不能過小。參考文獻[22]，沙性土壤對鋼的摩擦角約為20°，綜合考慮挖掘鏟的強度、耐磨性和切土能力，設計鏟刃斜角為70°。

L1為雙鏟總寬度；L2為鏟長；α為挖掘鏟入土角；β為鏟刃刃口角；γ為挖掘鏟鏟刃斜角。L1 is the total width of the double shovel;L2 is the shovel length,mm;α is the digging shovel entry angle;β is the shovel blade edge angle;γ is the blade bevel angle of the digging shovel.圖7 挖掘鏟結構Fig.7 Structure of digging shovel

3 輸送分離篩離散元仿真與工作參數(shù)優(yōu)化

采用離散元法[23]，利用EDEM軟件建立輸送分離篩與石土混合物的互作模型，模擬輸送分離篩振動篩分石土混合物、輸送并收集石塊的過程。基于輸送分離篩的結構設計，設計仿真試驗分析其不同工作參數(shù)(線速度、振幅和振動頻率)對作業(yè)效果的影響，進而對工作參數(shù)進行優(yōu)化。

3.1 建立仿真模型

仿真模型包括石土混合物模型和輸送分離篩幾何體模型兩部分。石土混合物的散粒度高，選擇Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型作為顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型。由于土壤與石塊尺寸、形狀差異大，分別選擇EDEM軟件中自帶的單球體顆粒和四球體顆粒作為土壤和石塊顆粒結構。

離散元模型參數(shù)包括材料本征參數(shù)(泊松比、密度、剪切模量)和材料間接觸參數(shù)(恢復系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動摩擦因數(shù))，參數(shù)設置見表2。其中，密度、靜摩擦因數(shù)以及動摩擦因數(shù)利用試驗測得，部分土壤本征參數(shù)參考本團隊前期關于沙壤土仿真模型參數(shù)的標定結果以及相關研究領域的研究成果，少量無法直接試驗測得以及無相關文獻參考的參數(shù)采用EDEM軟件默認設置和材料數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

表2 離散元仿真模型參數(shù)Table 2 Discrete element simulation model parameters

在SolidWorks軟件中建立簡化的輸送分離篩三維模型并導入到EDEM軟件中，添加Box模型替代收集箱，Box尺寸(長×寬×高)為1 160 mm×660 mm×600 mm，設置其位于輸送分離篩后端。

在輸送分離篩前端正上方建立2個顆粒工廠，按照不同的大小、比例同時分別生成土壤顆粒和石塊顆粒，模擬挖掘鏟挖掘并連續(xù)推送到輸送分離篩前端的石土混合物，生成速度以前進速度為3 km/h的喂入量為準。設置3種土壤顆粒直徑，分別為2、10和30 mm，其生成比例分別為50%、30%和20%，生成速度為70 kg/s。設置5種石塊顆粒直徑，分別為35、70、140、210和280 mm，其生成比例分別為5%、10%、45%、30%和10%，生成速度為18 kg/s。設置輸送分離篩工作參數(shù)(線速度、振頻、振幅)，模擬石土篩分以及收集石塊的過程，建立的EDEM仿真模型見圖8。

1.土壤顆粒；2.塊顆粒；3.輸送分離篩；4.收集箱1.Soil particle;2.Stone particle;3.Conveying-separating screen;4.Collecting box圖8 EDEM仿真模型Fig.8 Simulation model of EDEM

3.2 評價指標

篩分裝置通常以實際篩除物料質(zhì)量與供應物料總質(zhì)量之比作為評價指標[24]，但在農(nóng)田石塊撿拾收集機實際作業(yè)過程中，供應石土混合物的總質(zhì)量難以測量。EDEM軟件可以創(chuàng)建與收集箱體積和位置相同的Grid Bin Group檢測收集箱內(nèi)的顆粒質(zhì)量。為了使仿真試驗與田間試驗具有相同的評價指標，本研究將篩分效果與撿拾效果相結合，將收集箱中土壤顆粒的質(zhì)量與收集箱中土壤顆粒和石塊顆粒總質(zhì)量的比值定義為含土率(E)，作為輸送分離篩作業(yè)性能的評價指標，含土率越小，收集箱中土壤越少，輸送分離篩作業(yè)效果越好。含土率E的計算方法為：

(6)

式中：m1為收集箱中土壤顆粒的質(zhì)量，kg；m2為收集箱中土壤顆粒和石塊顆粒總質(zhì)量，kg。

3.3 仿真試驗方法

采用響應面法(Response surface methodology，RSM)設計Box-Behnken仿真試驗[25]對輸送分離篩的工作參數(shù)進行分析與優(yōu)化。考慮輸送分離篩作業(yè)效果和效率，線速度A、振幅B和振頻C分別選取3個水平(表3)，試驗方案與結果見表4。

表3 Box-Behnken試驗因素與水平Table 3 Factors and levels of Box-Behnken experiment

3.4 仿真結果分析

E=8.59+1.39A-2.96B-0.6C-
0.79AB+1.3A2+2.87B2

(7)

表4 Box-Behnken試驗方案與結果Table 4 Scheme and results of Box-Behnken experiment

表5 Box-Behnken試驗二次回歸模型方差分析Table 5 ANOVA of quadratic regression model of Box-Behnken experiment

采用降維方法對試驗結果進行單因素分析，根據(jù)回歸方程(7)，將其他因素固定在零水平，線速度A、振幅B、振頻C對含土率E的單因素影響見圖9。線速度對含土率的影響為正效應，隨線速度增大，含土率增大，這是由于線速度增大，單位時間內(nèi)鏈桿帶動石土混合物沿篩面的移動距離增大，土壤難以及時從鏈桿間隙落至地表，增大了土壤質(zhì)量占收集箱內(nèi)石土混合物總質(zhì)量的比例，增大了含土率。振幅和振頻對含土率的影響為負效應，隨振幅和振頻增大，含土率減小，這是由于振幅和振頻增大，增大了輸送分離篩的振動強度，增強了對石土混合物的振動篩分作用，穿過鏈桿間隙的土壤顆粒增多，進入收集箱的土壤顆粒減少，降低了土壤質(zhì)量占收集箱內(nèi)石土混合物總質(zhì)量的比例，降低了含土率。曲線斜率越高，表明該因素的變化對指標的擾動越大。當振幅小于30 mm，振頻小于9 Hz時，振幅對含土率的擾動程度明顯大于振頻，隨振頻增大含土率基本無變化；當振幅大于30 mm，振頻大于9 Hz時，振幅對含土率的擾動程度急劇減小，而振頻對含土率的擾動程度基本恒定。當線速度小于1.8 m/s時，線速度對含土率的擾動程度較小，含土率變化平緩；當線速度大于1.8 m/s時，線速度對含土率的擾動程度增大，隨線速度增大含土率增幅變大。因此，選擇較小的線速度和較大的振幅與振頻有利于降低含土率，改善輸送分離篩的作業(yè)效果。

圖9 線速度、振幅和振頻對含土率的單因素影響Fig.9 Single factor effects of linear speed,amplitude, and vibrating frequency on soil content ratio

對試驗結果進行響應面分析，輸送分離篩線速度A、振幅B對含土率的交互影響見圖10。隨線速度增大和振幅減小，含土率增大，這與單因素分析結果基本一致。當振幅大于27 mm時，線速度對含土率的影響較小，含土率較小且變化平緩。當振幅小于27 mm時，線速度對含土率的影響較大，含土率隨線速度增大而增大，變化速率較大。任意線速度水平下，振幅大于27 mm時含土率變化較小。線速度大于1.8 m/s且振幅小于27 mm時，含土率較大且變化速率較大。因此選擇較小的線速度和較大的振幅有利于降低含土率，改善輸送分離篩作業(yè)效果。

圖10 線速度與振幅對含土率的交互影響Fig.10 Interactive effect of linear speed and amplitude on soil content ratio

3.5 參數(shù)優(yōu)化

為獲取輸送分離篩最優(yōu)工作參數(shù)組合，利用Design Expert 8.0.6軟件對二次回歸模型進行目標優(yōu)化求解。各參數(shù)取值范圍見表3，以含土率最低(E>0)為目標，求解得到多組優(yōu)化方案，以上述優(yōu)化方案再次進行仿真試驗并對比含土率結果，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合為線速度1.6 m/s、振幅35.5 mm、振頻10.67 Hz，該條件下的收集箱內(nèi)石土混合物的含土率為7.17%。

4 田間試驗

為檢驗鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機的田間作業(yè)性能并驗證仿真試驗優(yōu)化結果的準確性，加工樣機并在寧夏回族自治區(qū)銀川市美賀葡萄莊園進行田間試驗。

4.1 試驗方法

將農(nóng)田石塊撿拾收集機與東方紅LX1000拖拉機連接，調(diào)整挖掘鏟的入土角為29°，入土深度為350 mm，依照仿真試驗優(yōu)化結果調(diào)整輸送分離篩線速度、振幅和振頻。作業(yè)時，拖拉機以3 km/h的速度進行石土篩分與石塊收集作業(yè)(圖11)。每次試驗距離為8 m，試驗結束后觀察機具損耗情況，測量機具實際作業(yè)幅寬和作業(yè)深度；對收集箱中的石塊和土壤進行稱重測量并計算含土率(式(6))；采集土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)的漏撿石塊并稱重，計算漏撿率。重復3次試驗，將3次試驗的含土率結果和漏撿率結果分別求平均值。漏撿率G的計算公式為:

(8)

式中：m1為收集箱中土壤的質(zhì)量，kg；m2為收集箱中石土混合物的總質(zhì)量，kg；m3為土壤表層0～350 mm深度范圍內(nèi)漏撿石塊的質(zhì)量，kg。

1.試驗樣機；2.拖拉機；3.石塊；4.收集箱1.Experimental prototype;2.Tractor;3.Stone;4.Collecting box圖11 農(nóng)田石塊撿拾收集機作業(yè)過程Fig.11 Operating process of farmland stone picking and collecting machine

4.2 試驗結果及分析

試驗后，機具前端的挖掘鏟未出現(xiàn)變形、磨損等情況，輸送分離篩的鏈桿未出現(xiàn)彎曲變形等情況，收集箱表面未出現(xiàn)變形、磨損等情況，機具狀況較好。機具入土幅寬為1 400 mm，實際作業(yè)幅寬為1 200 mm，作業(yè)深度為350 mm，均符合規(guī)定的設計標準。收集箱中石塊最小直徑為33 mm，最大直徑為276 mm，機具撿拾能力符合設計標準。作業(yè)幅寬范圍內(nèi)土壤細碎，地表平整且無石塊分布，平均石塊漏撿率為4.86%，漏撿率較低，符合T/NJ 1180—2019《農(nóng)田石頭撿拾機》[26]對漏撿率的要求。

在仿真優(yōu)化的工作參數(shù)條件下，收集箱內(nèi)石土混合物的平均含土率為10.73%，大于仿真試驗結果。產(chǎn)生這種差異的原因是：仿真試驗中未考慮輸送分離篩的振動作用對土塊的破碎效果，生成的土壤顆粒尺寸均小于輸送分離篩的鏈桿間隙，部分土壤顆粒在輸送分離篩的振動輸送作用下并未穿過鏈桿間隙落至地表，而是隨輸送分離篩進入收集箱，造成了收集箱中含有土壤顆粒。然而，田間試驗的土壤環(huán)境中存在少量尺寸大于輸送分離篩鏈桿間隙的土塊，在輸送分離篩振動輸送過程中，僅部分土塊受迫振動發(fā)生破碎，未破碎的土塊進入收集箱，增大了收集箱中土壤質(zhì)量占石土混合物總質(zhì)量的比例，這就造成了田間試驗時收集箱內(nèi)石土混合物的含土率大于仿真試驗結果。

總體而言，仿真試驗與田間試驗結果差異較小，表明所建立的仿真模型具有較好的精度和準確性，對輸送分離篩的優(yōu)化結果是準確可靠的，作業(yè)效果滿足要求。

5 結 論

本研究設計了一種鏟篩式農(nóng)田石塊撿拾收集機，能夠撿拾和收集農(nóng)田表層土壤0～350 mm深度范圍內(nèi)直徑大于34 mm的石塊，應用EDEM軟件設計Box-Behnken仿真試驗研究輸送分離篩的線速度、振幅和振頻對石土篩分、輸送過程的影響，對輸送分離篩的工作參數(shù)進行優(yōu)化并進行田間試驗驗證，主要結論如下：

1)輸送分離篩的振幅、線速度和振頻對收集箱內(nèi)石土混合物的含土率均影響顯著，線速度和振幅對含土率具有顯著的交互影響作用，三者對含土率的影響依次減弱。最優(yōu)工作參數(shù)組合為線速度1.6 m/s、振幅35.5 mm、振頻10.67 Hz，該條件下仿真試驗的含土率為7.17%。

2)最優(yōu)參數(shù)組合下田間試驗時收集箱內(nèi)石土混合物的含土率為10.73%，與同條件下仿真試驗結果差異較小，說明仿真優(yōu)化的工作參數(shù)準確、可靠。田間試驗的石塊漏撿率為4.86%，符合相關標準的規(guī)定。