王 鋒，張鋒偉*，楊小平，戴 飛，宋學(xué)鋒，胡芳弟

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州730070；2.蘭州大學(xué)藥學(xué)院，蘭州730000）

黃芪可補(bǔ)中益氣，增強(qiáng)體質(zhì)，具有防病保健作用，隨藥理作用和藥用范圍研究深入，黃芪市場(chǎng)需求量日益增大，人工種植可緩解黃芪野生資源匱乏等問(wèn)題[1]。黃芪主要以人工或半機(jī)械化方式收獲[2]，因勞動(dòng)力短缺，且根莖類作物機(jī)械化收獲過(guò)程存在功耗大，效率低等問(wèn)題[3-4]。

魏宏安等針對(duì)挖掘鏟開(kāi)展研究，以入土、碎土角度設(shè)計(jì)分體式三階平面組合結(jié)構(gòu)挖掘鏟[5]，減少壅土角度設(shè)計(jì)三角平面鏟和土壤破碎鏟組合式挖掘鏟[6]，以減阻、減損角度設(shè)計(jì)偏置前寬后窄式挖掘鏟[7]，防止漏挖角度設(shè)計(jì)兩側(cè)向上折起式挖掘鏟[3]，以仿生減阻角度設(shè)計(jì)仿生挖掘鏟[4]。相比其他類型挖掘鏟，固定式三角平面鏟結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用更廣泛，常用于升運(yùn)鏈?zhǔn)绞斋@機(jī)，但三角平面鏟存在挖掘性能差且易損壞等問(wèn)題[8]。近年來(lái)，離散元法有效應(yīng)用于模擬土壤與機(jī)械作用系統(tǒng)[9-10]，相關(guān)學(xué)者應(yīng)用離散元法研究作業(yè)速度對(duì)牽引阻力的影響[11]，研究不同鏟型對(duì)阻力與顆粒流向的影響[12]，而關(guān)于三角平面鏟不同傾角作業(yè)對(duì)土壤擾動(dòng)，應(yīng)用離散元后處理模塊提取力作應(yīng)力應(yīng)變研究未見(jiàn)報(bào)道。

為此，根據(jù)挖掘鏟設(shè)計(jì)理論及離散元理論，本研究擬采用離散元法和有限元法，仿真分析傾角不同三角平面鏟挖掘過(guò)程，以三角平面鏟作用下土壤宏觀、微觀擾動(dòng)和土壤顆粒作用下三角平面鏟應(yīng)力應(yīng)變情況為指標(biāo)，選出適于作業(yè)的三角平面鏟傾角，并以所選傾角三角平面鏟開(kāi)展挖掘性能驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為黃芪等長(zhǎng)根莖類中藥材收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與三角平面鏟

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

黃芪收獲機(jī)主要由機(jī)架、挖掘裝置、振動(dòng)輸送裝置、兩級(jí)升運(yùn)鏈和碎土裝置組成（見(jiàn)圖1a），其中挖掘裝置由多組三角平面鏟和鏟柄組成。該收獲機(jī)由拖拉機(jī)后置懸掛并提供轉(zhuǎn)矩，作業(yè)時(shí)，三角平面鏟切入土壤，含有黃芪的土垡沿鏟面上滑至振動(dòng)輸送裝置，振動(dòng)破裂，完成初次分離。在兩級(jí)升運(yùn)鏈與碎土裝置作用下，較大塊狀黃芪與土壤復(fù)合物進(jìn)一步變小，最終完成分離。

1.2 三角平面鏟理論分析及建模

甘肅省隴西縣及其毗鄰地區(qū)為黃芪生產(chǎn)區(qū)，黃芪種植行距為400～500 mm，根長(zhǎng)為300～400 mm[13]，在挖掘鏟設(shè)計(jì)上，根據(jù)平均挖掘深度，鏟長(zhǎng)度為350 mm，根據(jù)行距及畦寬，單個(gè)三角平面鏟寬為100 mm，為研究三角平面鏟不同傾角挖掘特性，分析挖掘過(guò)程中復(fù)合物鏟面受力（見(jiàn)圖2）。

由力學(xué)分析建立力平衡方程：

式中，P為沿三角平面鏟移動(dòng)方向藥材與土壤混合物所需力（N）；R為挖掘鏟對(duì)土壤的支撐力（N）；G為藥材與土壤混合物的重力（N）；α為鏟傾角（°）；“μ=tgφ”為土壤對(duì)鏟的摩擦系數(shù)。

推導(dǎo)得出三角平面鏟傾角為：

由推導(dǎo)（4）可得出：挖掘過(guò)程中，鏟傾角越大，碎土效果越好，挖掘阻力越大。收獲機(jī)幅寬1 800 mm，挖掘裝置由18 片三角平面組成，考慮到仿真可行性及仿真時(shí)間，簡(jiǎn)化模型，選取挖掘裝置中間5片三角平面鏟，在SolidWorks 中完成模型（見(jiàn)圖1b），并以IGES格式保存。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與三角平面鏟Fig.1 Structure and triangular flat shovel

圖2 復(fù)合物在鏟面受力示意Fig.2 Stress of compound on shovel surface

2 離散元模型建立

2.1 土壤模型建立

參照相關(guān)研究，土壤顆粒結(jié)構(gòu)主要包括塊狀、核狀、片狀和柱狀[14-15]。在Solidworks 中建立塊狀、核狀、片狀和柱狀土壤結(jié)構(gòu)模型。用EDEM自帶球形顆粒填充（見(jiàn)圖3）?？紤]到顆粒對(duì)仿真效率的影響，在滿足仿真要求前提下將實(shí)際耕層土壤顆粒半徑擴(kuò)大10 倍建模，其中代表塊狀模型的單球形顆粒半徑為7 mm，其他結(jié)構(gòu)模型填充顆粒半徑均為5 mm。

2.2 仿真參數(shù)確定

準(zhǔn)確參數(shù)是保證仿真結(jié)果有效性前提。選取含水率為12.5%～15.9%西北壤土[2,16]，三角平面鏟材料為65 Mn，材料參數(shù)包括：土壤與65 Mn 密度、泊松比、剪切模量；接觸參數(shù)包括：土壤與土壤之間恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)以及土壤與65 Mn之間恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)選取仿真參數(shù)（見(jiàn)表1）[17-18]。

2.3 仿真模型建立

耕作層孔隙度大，土壤通常為塊狀、片狀、核狀和柱狀；犁底層土壤含水率大，土壤為片狀、大塊狀和層狀[15]。根據(jù)黃芪種植農(nóng)藝要求，種植前需深松400～500 mm[13]。建立土槽高度為450 mm，采用系統(tǒng)默認(rèn)Hertz-mindlin（no-slip）模型，以靜態(tài)方式生成顆粒（見(jiàn)圖4），設(shè)置土壤顆粒呈正態(tài)分布，分四層開(kāi)展時(shí)長(zhǎng)1.61 s土壤顆粒填充，再運(yùn)行0.2 s 沉降使其趨于穩(wěn)定。完成建模后，土槽中塊狀、片狀、核狀和柱狀顆粒模型比例分別為33.9%、19.4%、25.8%和20.9%。

圖3 土壤顆粒模型Fig.3 Soil particle model

表1 離散元仿真基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of discrete element simulation

圖4 仿真模型Fig.4 Simulation model

設(shè)置重力加速度方向?yàn)閅軸負(fù)方向，仿真時(shí)間設(shè)置為1.81 s，數(shù)據(jù)保存間隔為0.01 s，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為最小顆粒半徑3倍，建立土壤模型。

在土壤模型中，分別導(dǎo)入傾角為15°、20°、25°、30°和35°三角平面鏟模型，設(shè)置三角平面鏟初始位置參數(shù)：位于X軸負(fù)向土槽模型一側(cè)，沿幅寬方向居中，挖掘深度400 mm。設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)為：前進(jìn)速度0.83 m·s-1，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)間0 s，結(jié)束時(shí)間1.25 s。設(shè)置仿真參數(shù)：仿真時(shí)間步長(zhǎng)1.04×10-5s，Rayleigh時(shí)間步為10%，數(shù)據(jù)保存時(shí)間間隔0.01 s，網(wǎng)格單元尺寸為12.75 mm，相當(dāng)于平均半徑尺寸的3 倍，仿真時(shí)間1.21 s。完成EDEM 仿真模型建立，并作仿真試驗(yàn)。

規(guī)定仿真坐標(biāo)系中X軸正向?yàn)樗竭\(yùn)動(dòng)方向，Y軸負(fù)向?yàn)橥谏罘较颍ㄖ亓铀俣确较颍?，Z軸正向?yàn)榉鶎挿较颉?/p>

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真指標(biāo)

合理的挖掘鏟參數(shù)在提高挖掘性能和降低挖掘阻力等方面具有重要意義，合適的傾角對(duì)于提升挖掘效果，減小鏟的應(yīng)力應(yīng)變具有重要意義。本研究?jī)H改變?nèi)瞧矫骁P傾角，即分別以傾角15°、20°、25°、30°和35°開(kāi)展挖掘仿真試驗(yàn)，根據(jù)已有相關(guān)研究[4,6]，合理選取各因素水平，保證各組試驗(yàn)因素除傾角以外其余水平均相同。為確保仿真分析數(shù)據(jù)可靠，不同傾角三角平面鏟材料相同，不考慮溫度濕度對(duì)挖掘鏟的影響。

選取持續(xù)挖掘過(guò)程中，三角平面鏟對(duì)土壤宏觀、微觀擾動(dòng)和三角平面鏟應(yīng)力應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)，綜合比較擾動(dòng)及應(yīng)力應(yīng)變因素。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 土壤宏觀擾動(dòng)分析

通過(guò)可視化窗口，從宏觀角度分析擾動(dòng)情況。EDEM后處理模塊可對(duì)土壤模型著色，從上到下依次命名為土層1、土層2、土層3和土層4。在持續(xù)挖掘過(guò)程中截取鏟傾角為15°、20°、25°、30°和35°時(shí)，三角平面鏟挖掘圖像（見(jiàn)圖5）。其中0.37 s挖掘鏟進(jìn)入土壤，0.9 s挖掘鏟位于挖掘中段。

不同傾角的三角平面鏟縱向擾動(dòng)一致，土壤在挖深方向抬升距離隨傾角增大而增大（見(jiàn)圖6）。挖掘過(guò)程中，不同傾角三角平面鏟從土層1 至土層4，擾動(dòng)范圍依次減小。在鏟尖切削作用下土壤沿鏟面向挖掘反方向移動(dòng)，同一時(shí)刻，較大傾角挖掘鏟對(duì)土壤抬升距離較大，對(duì)縱向土壤擾動(dòng)較大，故而縱向挖掘效果較好。0.9 s 時(shí)，三角平面鏟處于挖掘中段，土壤顆粒在鏟面堆積移動(dòng)，此時(shí)對(duì)土壤擾動(dòng)最明顯。鏟傾角越大，各層土壤混合程度越明顯，挖掘效果越好（見(jiàn)圖5b～f）。

圖5 不同傾角三角平面鏟縱向土壤擾動(dòng)狀態(tài)Fig.5 Longitudinal soil disturbance state of triangular plane shovel with different dip angles

3.2.2 土壤顆粒微觀擾動(dòng)分析

采用顆粒最大移動(dòng)距離表征三角平面鏟作用下土壤顆粒微觀擾動(dòng)。通過(guò)EDEM后處理模塊，在土壤-機(jī)具模型土層3 隨機(jī)標(biāo)記4 種土壤顆粒，每種顆粒各選3組用于求平均坐標(biāo)值，應(yīng)用于各組仿真試驗(yàn)，即除三角平面鏟傾角不同外，其他因素均選取相同水平，分別提取不同時(shí)刻各傾角三角平面鏟作用前后每種土壤顆粒（共4 種）平均坐標(biāo)值，通過(guò)Origin軟件作出其中兩種土壤顆粒平均坐標(biāo)值隨時(shí)間變化圖線（見(jiàn)圖6）。

顆粒主要受三角平面鏟剪切、擠壓以及顆粒之間相互作用的影響。鏟傾角不同，對(duì)土壤剪切、擠壓及土壤顆粒間相互作用的影響程度不同[14]。不同種類土壤顆粒，在三角平面鏟水平運(yùn)動(dòng)方向具有相同運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，當(dāng)三角平面鏟逐漸靠近標(biāo)記顆粒時(shí)，在其他顆粒推動(dòng)下，標(biāo)記顆粒平均坐標(biāo)值緩慢變化，當(dāng)標(biāo)記顆粒被挖掘時(shí)，顆粒沿鏟面向上移動(dòng)，平均坐標(biāo)值變化明顯。當(dāng)顆粒移出鏟面時(shí)，挖掘后顆粒在此模型中平均坐標(biāo)值再次趨于平穩(wěn)，或在較小范圍內(nèi)變動(dòng)（見(jiàn)圖6a、d）。鏟傾角為15°、20°、25°、30°和35°時(shí)，標(biāo)記顆粒1對(duì)應(yīng)X軸平均坐標(biāo)值變化量為55.7、77.6、102.3、121.1 和156.3 mm（見(jiàn)圖6a）；標(biāo)記顆粒2 對(duì)應(yīng)X軸平均坐標(biāo)值變化量為80.3、92.1、119.6、164.1 和180.1 mm（見(jiàn)圖6b）。鏟傾角越大，顆粒在水平運(yùn)動(dòng)方向平均坐標(biāo)值變化量越大。

不同類型顆粒，在挖深方向具有相同運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，挖掘鏟在挖掘過(guò)程中，從鏟尖到鏟柄末端在水平運(yùn)動(dòng)方向上對(duì)土壤顆粒有不同程度擠壓，越靠近鏟尖，擠壓越明顯，標(biāo)記顆粒被挖掘前，受到來(lái)自被擠壓顆粒的抬升力，平均坐標(biāo)值在挖深方向緩慢增加，被挖掘時(shí)，平均坐標(biāo)值變化明顯。在此之前，其他顆粒填充標(biāo)記顆粒下方位置，標(biāo)記顆粒平均坐標(biāo)值在挖深方向變化較?。ㄒ?jiàn)圖6b、e）。鏟傾角分別為15°、20°、25°、30°和35°時(shí)，標(biāo)記顆粒1 對(duì)應(yīng)Y軸平均坐標(biāo)值變化量分別為121.7、135.5、158.6、166.1和189.7 mm（見(jiàn)圖6b）；標(biāo)記顆粒2 對(duì)應(yīng)Y軸平均坐標(biāo)值變化量分別為119.1、137.3、154.6、166.1 和189.7 mm（見(jiàn)圖6e）；對(duì)于不同種類顆粒，鏟傾角越大，在挖深方向平均坐標(biāo)值變化量越大，挖深方向擾動(dòng)越大。

不同位置顆粒，在幅寬方向顆粒平均坐標(biāo)值變化趨勢(shì)不同。三角平面鏟在鏟柄上左右側(cè)按165°排列，顆粒越靠近挖掘鏟中間位置，平均坐標(biāo)值變化量越大（見(jiàn)圖6c、f）。由空間兩點(diǎn)間的距離公式求得最大移動(dòng)距離（見(jiàn)表2）。

圖6 標(biāo)記顆粒平均坐標(biāo)值隨時(shí)間變動(dòng)情況Fig.6 Variation of average coordinate values of labeled particles with time

表2 不同傾角三角平面鏟作用下標(biāo)記顆粒最大移動(dòng)距離Table 2 Maximum moving distance of marked particles under action of triangular plane shovel with differentinclination angles

計(jì)算出鏟傾角為15°、20°、25°、30°和35°時(shí)標(biāo)記顆粒1、2、3和4對(duì)應(yīng)最大移動(dòng)距離平均值為247.1、282.0、345.8、397.7 和453.4 mm（見(jiàn)表2），隨鏟傾角增加，土壤顆粒最大移動(dòng)距離增加。平均坐標(biāo)值變化量越大，土壤擾動(dòng)越顯著，說(shuō)明三角平面鏟挖掘效果越佳，反之越差。因此，三角平面鏟傾角越大，挖掘效果越佳。

3.2.3 靜應(yīng)力分析

三角平面鏟是黃芪收獲機(jī)關(guān)鍵部件，直接影響收獲機(jī)使用壽命和可靠性[19]。要求挖掘鏟有較好抗磨損和抗變形性能，因此有必要分析挖掘鏟靜力學(xué)。當(dāng)鏟傾角分別為15°、20°、25°、30°和35°時(shí)，以仿真過(guò)程中三角平面鏟所受最大壓力作用下鏟應(yīng)力、應(yīng)變情況為研究對(duì)象，通過(guò)EDEM 后處理模塊導(dǎo)出各傾角三角平面鏟作用時(shí)鏟面所受壓力值，在ANSYS workbench 中分析挖掘鏟靜力學(xué)。過(guò)程如下：將三角平面鏟三維模型改為有限元模型，并劃分為四面體網(wǎng)格。定義單元最小尺寸為5 mm，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為189 811，單元數(shù)為125 570。鏟材料為65 Mn，泊松比0.3，密度7 865 kg·m-3，彈性模量1.97×105MPa，屈服強(qiáng)度785 MPa。Skewness 檢查網(wǎng)格劃分質(zhì)量，網(wǎng)格劃分后Skew?ness 平均值為0.232 03，小于0.25，網(wǎng)格劃分質(zhì)量等級(jí)為very good，符合計(jì)算精度要求[20]。將離散元仿真過(guò)程鏟面所受最大壓力1.1 MPa 添加到三角平面鏟鏟面上，設(shè)置方向?yàn)閄軸負(fù)方向，鏟末端面添加固定約束，計(jì)算靜力學(xué)仿真。

鏟傾角分別為15°、20°、25°、30°和35°時(shí)，三角平面鏟變形依次為0.97、1.28、1.59、1.88 和2.15 mm；應(yīng)變依次為1.147×10-3、1.477×10-3、1.798×10-3、2.100×10-3和2.390×10-3mm·mm-1；應(yīng)力 依 次 為225.59、 290.50、 353.68、 413.11 和470.15 MPa（見(jiàn)表3）。隨傾角增大，三角平面鏟變形、應(yīng)變和應(yīng)力均增加。按照變形、應(yīng)變以及應(yīng)力從小到大對(duì)挖掘鏟排序?yàn)?5°、20°、25°、30°和35°。分析傾角為25°的三角平面鏟（見(jiàn)圖7）。最大應(yīng)力為353.68 MPa，位于三角平面鏟與鏟柄焊接位置（見(jiàn)圖7a）；最大應(yīng)變?yōu)?.798×10-3mm·mm-1，位于三角平面鏟與鏟柄焊接位置（見(jiàn)圖7b）；在挖掘過(guò)程中產(chǎn)生最大位移的位置集中在鏟尖，變形量為1.59 mm，越靠近三角平面鏟與鏟柄焊接處，變形量越小（見(jiàn)圖7c）。

表3 不同傾角三角平面鏟變形、應(yīng)力和應(yīng)變參數(shù)Table 3 Deformation,stress and strain parameters of triangular plane shovel with different inclination angles

選用安全系數(shù)為n=2，三角平面鏟許用應(yīng)力計(jì)算公式如下[21]：

式中，[σ]為材料拉伸許用應(yīng)力（MPa）；σb為材料屈服極限（MPa）；n為安全系數(shù)。求得[σ]=395.5 MPa，鏟傾角為25°時(shí)，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求，鏟傾角大于25°時(shí)，最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力。

3.3 鏟傾角選擇

鏟傾角從15°增加到35°，土壤顆粒宏觀擾動(dòng)效果越來(lái)越顯著，標(biāo)記顆粒最大移動(dòng)距離平均值由247.1 mm 增加到453.4 mm。隨傾角增加，三角平面鏟挖掘效果越佳，從挖掘效果考慮，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能選擇較大鏟傾角。

鏟傾角從15°增加到35°，三角平面鏟最大變形量由0.97 mm 增加到2.15 mm，應(yīng)變由1.147×10-3mm·mm-1增加到2.390×10-3mm·mm-1，最大應(yīng)力由225.59 MPa增加到470.15 MPa，本研究中鏟傾角超過(guò)25°時(shí)，最大應(yīng)力值超過(guò)安全系數(shù)為2 的許用應(yīng)力值。

圖7 傾角為25°三角平面鏟應(yīng)力、應(yīng)變與變形云圖Fig.7 Stress,strain and deformation nephogram of trigonometric plane shovel with inclination angle of 25°

考慮最大土壤移動(dòng)距離與應(yīng)力因素，傾角為25°時(shí)三角平面鏟的挖掘效果優(yōu)于傾角為15°、20°三角平面鏟，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，最大變形小于2 mm，應(yīng)變?yōu)?.798×10-3mm·mm-1，符合仿真要求。

4 田間試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件

黃芪收獲機(jī)三角平面鏟不同傾角挖掘仿真驗(yàn)證試驗(yàn)于2019 年9 月中旬在定西市渭源縣黃芪種植地塊開(kāi)展。試驗(yàn)場(chǎng)地面積0.70 hm2，較為平坦；土壤為壤土，土壤含水率12.5%～15.9%[2,16]，容重1.05～1.16 g·cm-3，堅(jiān)實(shí)度小于2.9×105 Pa，土壤較為干燥，此時(shí)根系易與土壤分離[19]。測(cè)得黃芪平均種植密度為200 mm×200 mm，符合黃芪種植農(nóng)藝技術(shù)相關(guān)要求，使用選擇傾角為25°三角平面鏟黃芪收獲機(jī)挖掘作業(yè)，對(duì)傾角為25°三角平面鏟挖掘性能作驗(yàn)證試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證傾角為25°三角平面鏟作業(yè)性能，查閱相關(guān)資料及黃芪種植農(nóng)藝要求[22]。以機(jī)具前進(jìn)速度為0.83 km·h-1，挖掘深度為400 mm，鏟傾角為25°開(kāi)展試驗(yàn)，根據(jù)NY/T3481-2019《根莖類中藥材收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》要求[23]，以黃芪挖凈率和損傷率為試驗(yàn)指標(biāo)。每次田間試驗(yàn)選擇的每組參數(shù)在有效理論分析范圍內(nèi)取值，開(kāi)展10 m 收獲試驗(yàn)，重復(fù)3次，計(jì)算測(cè)量平均值。黃芪挖凈率計(jì)算公式為[24]：

式中，T為收凈率（%）；W1為挖掘出的黃芪根莖總質(zhì)量（kg）；W2為殘留在土壤中黃芪根莖總質(zhì)量（kg）。

黃芪損傷率計(jì)算公式為

式中，W3為收獲損傷黃芪根莖總質(zhì)量（kg）。

具體田間試驗(yàn)見(jiàn)圖8。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以傾角為25°三角平面鏟開(kāi)展田間驗(yàn)證試驗(yàn)，黃芪挖凈率為96.72%～98.05%，平均挖凈率為97.54%，黃芪損傷率為1.6%～1.9%，平均損傷率為1.77%（見(jiàn)表4）。根據(jù)NY/T3481-2019《根莖類中藥材收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，挖凈率不小于95%，損傷率不大于5%，試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 田間試驗(yàn)過(guò)程Fig.8 Field test process

表4 三角平面鏟傾角為25°作業(yè)時(shí)黃芪挖凈率、損傷率Table 4 Net income ratio and damage rate of Astragalus membranaceus when the angle of triangle plane shovel is 25°

5 結(jié) 論

①為提高黃芪機(jī)械化收獲效率，運(yùn)用離散元方法，通過(guò)數(shù)值模擬研究土壤宏觀和微觀擾動(dòng)、三角平面鏟應(yīng)力應(yīng)變。②仿真結(jié)果顯示，鏟傾角為25°時(shí)，土壤宏觀和微觀擾動(dòng)、鏟應(yīng)力應(yīng)變綜合結(jié)果最優(yōu)，所標(biāo)記4 種土壤顆粒最大移動(dòng)距離平均值為345.8 mm，三角平面鏟最大變形為1.59 mm，最大應(yīng)力為353.68 MPa，應(yīng)變?yōu)?.798×10-3mm·mm-1。③選擇綜合結(jié)果最優(yōu)的25°三角平面鏟開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)黃芪收獲機(jī)前進(jìn)速度為0.83 m·s-1時(shí)，黃芪平均挖凈率為97.54%，平均損傷率為1.77%，滿足NY/T3481-2019《根莖類中藥材收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》要求。

實(shí)際土壤環(huán)境復(fù)雜，受試驗(yàn)條件等限制，所涉及仿真試驗(yàn)無(wú)法完全等同于實(shí)際作業(yè)過(guò)程，但仿真結(jié)果為挖掘鏟設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，并為黃芪等長(zhǎng)根莖類中藥材收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供參考，后續(xù)將進(jìn)一步探究不同因素水平對(duì)功耗等的影響。