周倫,李景彬,梁俊鵬,丁惠哲,丁龍朋,陳江春,李道林

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院/現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)室,新疆 石河子 832000)

新疆是中國(guó)最大的紅棗產(chǎn)區(qū)[1],但紅棗收獲機(jī)械化水平低一直制約著新疆紅棗的發(fā)展。目前,在針對(duì)紅棗收獲裝備的研究中,機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn),但作業(yè)壅土、紅棗易被土壤掩埋的問題使機(jī)具作業(yè)受土壤制約嚴(yán)重,解決此類問題的關(guān)鍵在于需明確機(jī)具觸土部件對(duì)土壤的互作擾動(dòng)規(guī)律。目前,大多數(shù)學(xué)者采用離散元法模擬仿真農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件對(duì)土壤的相互作用規(guī)律[2-5],而決定仿真試驗(yàn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素為物料間的接觸參數(shù),所以為保證虛擬仿真的準(zhǔn)確性,應(yīng)對(duì)土壤顆粒間、土壤與梳齒間的接觸參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,可為機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

近年來,利用離散元法對(duì)物料參數(shù)標(biāo)定的研究越來越多,Grima等[6]對(duì)干顆粒的滾動(dòng)摩擦系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定;張銳等[7]使用標(biāo)準(zhǔn)球和非標(biāo)準(zhǔn)球?qū)ι惩令w粒對(duì)沙土顆粒的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,并通過漏斗法和抽板法確定顆粒外觀形貌對(duì)顆粒間靜摩擦因數(shù)影響較大;王憲良等[8]通過高斯-牛頓迭代法對(duì)土壤間靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因素進(jìn)行標(biāo)定;溫翔宇[9]等對(duì)分體圓筒法、傾斜法、抽板法和斜面法4種顆粒特性進(jìn)行研究,利用EDEM軟件標(biāo)定出尿素顆粒、PVC材料的物理特性參數(shù)及接觸參數(shù)。另外,用離散元法對(duì)物料參數(shù)標(biāo)定時(shí),所用的試驗(yàn)方法也有較大區(qū)別,一些學(xué)者利用Central Composite Design進(jìn)行三因素五水平試驗(yàn)標(biāo)定所需參數(shù)取值,通?？芍苯拥玫侥繕?biāo)參數(shù)的具體取值,另一些學(xué)者從全局出發(fā),由預(yù)試驗(yàn)確定所需參數(shù)取值范圍,再通過Plackett-Burman試驗(yàn)和根據(jù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響顯著性篩選出對(duì)指標(biāo)影響顯著的因素,最后利用其他相關(guān)試驗(yàn)方法確定所選參數(shù)具體取值。Central Composite Design試驗(yàn)和Plackett-Burman試驗(yàn)都旨在得到清晰的數(shù)據(jù),以便通過數(shù)據(jù)分析得到設(shè)計(jì)結(jié)論,例如,劉凡一[10]等利用Plackett-Burman試驗(yàn)對(duì)小麥顆粒初始參數(shù)進(jìn)行了篩選,為后續(xù)小麥離散元參數(shù)標(biāo)定打下了基礎(chǔ);祝清震等[11]通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)確定了影響小麥籽粒橫向均勻度變異系數(shù)的主次因素,可為小麥寬苗帶撒播器彈籽板結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

本文在以上研究基礎(chǔ)上,利用Zeiss SIGMA 300場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡對(duì)沙土顆粒外貌進(jìn)行觀測(cè),并根據(jù)沙土外貌特征建立三維模型,為沙土顆粒在EDEM軟件中建模提供依據(jù);采用斜面法、斜面滾動(dòng)法測(cè)定沙土間、沙土與被測(cè)材料間的摩擦系數(shù),并通過相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)一步確定沙土間、沙土與被測(cè)材料間的接觸參數(shù)范圍;通過沙粒堆積試驗(yàn)、滑落試驗(yàn)和Central Composite Design試驗(yàn)對(duì)沙土間、沙土與鋼之間的接觸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化標(biāo)定,并進(jìn)行土壟堆積高度試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析,進(jìn)一步驗(yàn)證標(biāo)定后接觸參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)觸土部件為梳齒,根據(jù)本研究課題組前期試驗(yàn),梳齒的入土深度一般為0～40 mm,從梳齒的入土深度范圍可知,梳齒主要對(duì)棗園表層土壤產(chǎn)生擾動(dòng)。為探究梳齒作業(yè)對(duì)南疆棗園表層土壤(土壤類型為沙土)的擾動(dòng)規(guī)律,于紅棗收獲期在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十四師224團(tuán)矮化密植紅棗示范基地采集原狀土壤樣品。基于五點(diǎn)取樣法從機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)的作業(yè)路徑內(nèi)采取土壤,采樣深度為0～50 mm(梳齒入土深度理論為40 mm,但受地面平整度影響作業(yè)時(shí)會(huì)發(fā)生一定變化,綜合考慮作業(yè)條件確定取土深度為50 mm),最后將所取沙土進(jìn)行本征參數(shù)測(cè)量。具體試驗(yàn)方法為從作業(yè)路徑的中心線確定一個(gè)中心點(diǎn),以長(zhǎng)度80 cm作為對(duì)角線長(zhǎng)度(經(jīng)收獲期實(shí)際調(diào)研落地紅棗的集條寬度通常小于55 cm,因此計(jì)算取值對(duì)角線長(zhǎng)度為80 cm),利用中心點(diǎn)和對(duì)角線長(zhǎng)度確定剩余4個(gè)取樣點(diǎn)位置并按照預(yù)設(shè)深度沿切斷面由下向上取土。

在上述工作基礎(chǔ)上,利用PMS710土壤水分測(cè)定儀(精度0.1,響應(yīng)時(shí)間1 s)測(cè)定土壤的含水率,具體方法如下:將PMS710土壤水分測(cè)定儀依次插入5個(gè)取樣點(diǎn)位置,待數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后記錄相應(yīng)數(shù)據(jù),每個(gè)位置點(diǎn)測(cè)試3次結(jié)果取其平均值。經(jīng)計(jì)算所測(cè)沙土含水率為5.31%～6.23%,5個(gè)點(diǎn)位的平均含水率為5.79%。

為了確定沙土顆粒堆積密度,先任取試驗(yàn)區(qū)5點(diǎn)位置,并且將其表面雜質(zhì)(棗枝、棗葉等)清理干凈,再將環(huán)刀插入沙土直至沙土剛好沒過環(huán)刀端口,然后用電子秤(精度0.1 g,量程1 000 g)對(duì)所取沙土顆粒稱重,計(jì)算出其堆積密度為1 378.8～1 379.22 kg/m3,沙土顆粒平均堆積密度為1 379.07 kg/m3。

本文研究中機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)梳齒材料為45號(hào)鋼,因此后文中梳齒-沙土間的接觸參數(shù)簡(jiǎn)稱為鋼-沙土間的接觸參數(shù)。

2 沙土仿真參數(shù)研究

2.1 沙土顆粒粒徑分布及外貌觀測(cè)

將五點(diǎn)取樣法所取棗園沙土樣本300 g置于圓孔標(biāo)準(zhǔn)篩(篩孔直徑分別為1、0.5、0.25、0.05、0.01 mm)中進(jìn)行粒徑篩分,通過電子秤對(duì)不同粒徑的沙土稱重可知:粒徑為1～0.5 mm的占樣本總重的3.48%,0.50～0.25 mm的占樣本總重的1.33%,0.05～0.25 mm的占樣本總重的81.73%,0.05～0.01 mm的占樣本總重的2.47%,其余粒徑范圍占樣本總量的10.99%。

仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性受沙土模型影響,而沙土模型的建立由沙土外貌特征控制。為建立準(zhǔn)確的沙土顆粒模型,通過上述粒徑篩分試驗(yàn)可知,粒徑0.05～0.25 mm的樣本占總量的81.73%,所以將粒徑為0.05～0.25 mm的沙土作為外貌特征觀測(cè)樣本。

為精確觀測(cè)所選沙土樣本外貌特征,利用廣州市普川檢測(cè)公司的Zeiss SIGMA 300場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡對(duì)樣本進(jìn)行觀測(cè),其中對(duì)樣本的放大倍數(shù)分別為100倍(100 μm),500倍(20 μm),結(jié)果(圖1)顯示:沙土顆粒外貌形狀主要有圓餅狀、長(zhǎng)條形及三角狀3類(圖1中藍(lán)色框選為圓餅狀顆粒、黃色框選為長(zhǎng)條形顆粒、綠色框選為三角狀顆粒)。

圖1 沙土外貌特征示意圖

2.2 沙土與材料間的接觸參數(shù)測(cè)定

2.2.1 沙土與待測(cè)材料間的接觸參數(shù)測(cè)定方法

沙土與待測(cè)材料間的接觸參數(shù)包括恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)3類。由于棗園沙土顆粒粒徑主要集中在0.05～0.25 mm之間,傳統(tǒng)測(cè)定方法很難測(cè)量沙土與待測(cè)材料間的碰撞恢復(fù)系數(shù),所以本文主要參考相關(guān)文獻(xiàn)[7,12-14]確定沙土與待測(cè)材料間的碰撞恢復(fù)系數(shù)取值范圍。摩擦系數(shù)是機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù),本文通過預(yù)試驗(yàn)和參考相關(guān)文獻(xiàn)[7-8,12]的方式確定沙土與待測(cè)材料間的摩擦系數(shù)范圍。

2.2.2 沙土與待測(cè)材料間的靜摩擦系數(shù)測(cè)定

為測(cè)定沙土與待測(cè)材料間的靜摩擦系數(shù)范圍,利用斜面法對(duì)沙土與待測(cè)材料間的靜摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)定,試驗(yàn)材料包括鋼板、斜面儀、厚膠帶、透明塑料盒。試驗(yàn)前先將所取沙土裝填在透明塑料盒中,制成沙粒床,然后按試驗(yàn)順序?qū)⒋郎y(cè)鋼板、自制沙粒床分別平放在斜面儀上。為保證待測(cè)沙粒不產(chǎn)生滾動(dòng)[15]而精準(zhǔn)的測(cè)定靜摩擦系數(shù),將沙粒粘結(jié)在長(zhǎng)×寬為15×10 mm的長(zhǎng)方形厚膠帶上(圖2a)。試驗(yàn)時(shí)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)斜面儀轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,使斜面角度慢慢增大,直到粘結(jié)的沙粒具有沿待測(cè)材料表面向下滑動(dòng)的趨勢(shì)時(shí),測(cè)定此時(shí)斜面角度,對(duì)沙土-鋼之間的靜摩擦系數(shù)試驗(yàn)、沙土-沙土之間的靜摩擦系數(shù)試驗(yàn)設(shè)置10組,每組重復(fù)2次。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見圖2b。

圖2 沙土與接觸材料靜摩擦系數(shù)測(cè)定

2.2.3 沙土與待測(cè)材料間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定

為測(cè)定沙土與待測(cè)材料間的滾動(dòng)摩擦系數(shù),采用斜面滾動(dòng)法確定沙土與待測(cè)材料間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)范圍,斜面滾動(dòng)測(cè)定裝置示意圖如圖3a所示。在測(cè)定沙土-沙土間滾動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí),將沙土均勻的粘貼在透明膠帶上,將粘貼好的“沙帶”平鋪在試驗(yàn)裝置上并固定;同時(shí),為確保滾動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定時(shí)沙土處于滾動(dòng)狀態(tài)[16],將沙土顆粒粘結(jié)成球形度較好的形狀。試驗(yàn)開始時(shí)將沙粒從傾角為ɑ的斜面上無初速度釋放,初始沿斜面滾動(dòng)距離為S,后沿平面滾動(dòng)距離為L(zhǎng),假設(shè)沙粒在滾動(dòng)中只受滾動(dòng)摩擦力作用,則由能量守恒可得:

圖3 沙土與接觸材料靜摩擦系數(shù)測(cè)定

mgSsinα=mg(Scosα+L)μ1,

(1)

式(1)中μ1為滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

為保證沙粒沿斜面滾動(dòng)下滑過程中不會(huì)彈起,減少撞擊帶來的能量損失[15],經(jīng)預(yù)試驗(yàn)設(shè)置斜面傾角為18°,斜面滾動(dòng)距離S為30 mm,以初速度0將沙粒釋放,由式(1)計(jì)算得到沙土-沙土、沙土-鋼之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)(圖3b)。

3 仿真試驗(yàn)

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

沙土仿真參數(shù)包括泊松比、彈性模量、堆積密度、粒徑分布、含水率等本征參數(shù)和接觸參數(shù),其中密度、粒徑分布和含水率由試驗(yàn)測(cè)定,泊松比與剪切模量參考文獻(xiàn)[12-13],沙土和鋼本征參數(shù)如表1所示。

表1 沙土和鋼本征參數(shù)取值

為更好的確定所選接觸參數(shù)取值范圍,保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性,本文通過上述預(yù)試驗(yàn)及參考文獻(xiàn)[14]確定沙土-沙土、沙土-鋼之間仿真接觸參數(shù)取值范圍,結(jié)果見表2。

表2 沙土-沙土、沙土-鋼之間仿真參數(shù)取值

3.2 仿真試驗(yàn)方法

由于本文主要針對(duì)沙土與待測(cè)材料間的接觸參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,所以對(duì)沙土-沙土間接觸參數(shù)基于EDEM的方法進(jìn)行沙土休止角試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)接觸參數(shù)標(biāo)定[14]。仿真試驗(yàn)結(jié)果主要受模型接觸參數(shù)影響,受模型尺寸影響較小。為保證試驗(yàn)效果,以2.1節(jié)中沙土顆粒外貌特征和沙土粒徑為依據(jù),對(duì)仿真沙土顆粒模型半徑放大,在SolidWorks軟件中繪制好沙土顆粒模型并導(dǎo)入EDEM軟件,利用顆粒填充功能建立沙土顆粒模型(圖4),其中,圓餅狀沙土顆粒模型由6個(gè)半徑為0.55 mm的球體填充,長(zhǎng)條形沙土顆粒模型由26個(gè)半徑為0.52 mm的球體和8個(gè)半徑0.40 mm的球體填充而成,三角狀沙土顆粒模型由4個(gè)0.50 mm的球體填充而成。

圖4 沙土顆粒模型建立

在漏斗上方(圖5)建立顆粒工廠,生成沙土顆粒質(zhì)量共計(jì)300 g。由于沙土樣本顆粒粒徑較小,對(duì)于確定不同顆粒形狀在樣本中的占比較難實(shí)現(xiàn),所以根據(jù)觀測(cè)結(jié)果將圓餅狀、長(zhǎng)條形、三角狀按照1∶1∶1的比例生成顆粒模型;由于沙土間、沙土-鋼之間的粘連性較小,所以選擇沙土-沙土、沙土-鋼之間的接觸模型為Hertz-Mindlin(No slip)接觸模型。試驗(yàn)時(shí),沙土顆粒從漏斗上方下落直至在距離漏斗底口下方150 mm的平板上穩(wěn)定后,對(duì)沙土堆進(jìn)行休止角度測(cè)量;沙土-鋼之間的接觸參數(shù)利用EDEM軟件通過沙土-鋼之間的滑動(dòng)摩擦角試驗(yàn)標(biāo)定;斜板模型以角速度0.05 rad/s繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)沙粒剛開始產(chǎn)生滾動(dòng)時(shí)停止仿真,此時(shí)將屏幕截圖導(dǎo)入CAD軟件中,對(duì)斜板模型角度進(jìn)行測(cè)量并記錄。

圖5 仿真試驗(yàn)裝置示意圖

對(duì)沙土休止角試驗(yàn)選取沙土-沙土恢復(fù)系數(shù)X1、沙土-沙土靜摩擦系數(shù)X2、沙土-沙土滾動(dòng)摩擦系數(shù)X3為試驗(yàn)因素,沙土休止角Y1為試驗(yàn)指標(biāo);對(duì)沙土滑動(dòng)摩擦角Y2試驗(yàn)選取沙土-鋼恢復(fù)系數(shù)X4、沙土-鋼靜摩擦系數(shù)X5、沙土-鋼滾動(dòng)摩擦系數(shù)X6為試驗(yàn)因素,沙土滑動(dòng)摩擦角Y2為試驗(yàn)指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)接觸參數(shù)的全標(biāo)定,依據(jù)Design-Expert 11.0軟件中的Central Composite Design進(jìn)行三因素五水平試驗(yàn),該方案包括23個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),14個(gè)分析因子和9個(gè)零點(diǎn)估計(jì)誤差,仿真試驗(yàn)水平編碼表見表3、表4。

表3 沙土休止角試驗(yàn)水平編碼值

表4 沙土滑動(dòng)摩擦角水平編碼值

3.3 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照所設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn),將試驗(yàn)結(jié)果輸入Design-Expert 11.0軟件中進(jìn)行多元回歸擬合,其試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 沙土休止角試驗(yàn)方案和結(jié)果

表6 沙土休止角回歸模型的方差分析

根據(jù)上述回歸方差分析結(jié)果,對(duì)試驗(yàn)值進(jìn)行擬合分析,其各因素對(duì)響應(yīng)值的數(shù)學(xué)回歸模型為:

Y1=31.76+0.910 8X1-1.44X2+3.44X3-1.32X2X3+0.82X12+2.31X22。

(2)

不同因素對(duì)沙土休止角Y1影響的顯著性分析結(jié)果(表6)表明:沙土-沙土靜摩擦系數(shù)X2、沙土-沙土滾動(dòng)摩擦系數(shù)X3、回歸項(xiàng)X22、交互項(xiàng)X2X3對(duì)沙土休止角Y1影響極顯著,沙土-沙土恢復(fù)系數(shù)X1、回歸項(xiàng)X12對(duì)沙土休止角Y1影響顯著。分析以上結(jié)果可知:不同因素對(duì)沙土休止角Y1影響的顯著性由大到小為X3>X2>X1。

表7 沙土滑動(dòng)摩擦角試驗(yàn)方案和結(jié)果

表8 沙土滑動(dòng)摩擦角回歸模型的方差分析

根據(jù)上述回歸方差分析結(jié)果,對(duì)試驗(yàn)值進(jìn)行擬合分析,其各因素對(duì)響應(yīng)值的數(shù)學(xué)回歸模型為

Y2=9.45-0.183 9X4+0.225 4X5+3.63X6-0.225X4X5+0.212 5X4X6-0.347 5X5X6-0.644 5X62。

(3)

不同因素對(duì)沙土滑動(dòng)摩擦角Y2影響的顯著性分析結(jié)果(表8)表明:沙土-鋼靜摩擦系數(shù)X5、沙土-鋼滾動(dòng)摩擦系數(shù)X6、回歸項(xiàng)X62、交互項(xiàng)X4X5、X5X6對(duì)滑動(dòng)摩擦角Y2影響極顯著,沙土-鋼恢復(fù)系數(shù)X4、交互項(xiàng)X4X6對(duì)沙土滑動(dòng)摩擦角Y2影響顯著。分析以上結(jié)果可知:不同因素對(duì)沙土滑動(dòng)摩擦角Y2影響的顯著性由大到小為X6>X5>X4。

4 參數(shù)標(biāo)定的確定及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 最優(yōu)接觸參數(shù)確定

為確定沙土最優(yōu)接觸參數(shù),需對(duì)實(shí)際沙土休止角和滑動(dòng)摩擦角進(jìn)行測(cè)定。針對(duì)沙土實(shí)際休止角本文采用注入法進(jìn)行測(cè)定,試驗(yàn)儀器包括:漏斗、漏斗支架、底盤、ACS-30D電子秤。試驗(yàn)時(shí),將漏斗底孔距底板距離調(diào)整為150 mm。稱取300 g沙土倒入漏斗中,使其自然下落至底盤直至形成的沙堆穩(wěn)定(圖6)。對(duì)沙堆前后左右4個(gè)方向進(jìn)行拍照,并將照片導(dǎo)入CAD中確定4個(gè)方向的休止角度,取其平均值。試驗(yàn)共進(jìn)行10次,得平均休止角為34.53°。沙土滑動(dòng)摩擦角測(cè)定利用上文1.2.3中的方法,進(jìn)行10次試驗(yàn),取平均值為8.10°。

圖6 沙土實(shí)際休止角測(cè)定試驗(yàn)

利用Design-expert軟件中Optimization選項(xiàng),將沙土實(shí)際休止角與實(shí)際滑動(dòng)摩擦角代入可以得到100組最優(yōu)解,如沙土間接觸參數(shù)組合有0.314、0.615、0.219,0.215、0.610、0.218,0.265、0.665、0.264,0.229、0.609、0.217等;沙土與鋼之間接觸參數(shù)組合有0.303、0.424、0.116,0.288、0.316、0.124,0.372、0.328、0.125,0.398、0.321、0.126等;再通過仿真試驗(yàn)選擇最接近實(shí)際物理試驗(yàn)的參數(shù)值,由此選取機(jī)械式落地紅棗撿拾裝置仿真試驗(yàn)中接觸參數(shù),結(jié)果見表9。

表9 沙土-沙土、沙土-鋼之間接觸參數(shù)

4.2 物理試驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證接觸參數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性,將標(biāo)定后的接觸參數(shù)通過EDEM軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn),對(duì)比休止角試驗(yàn)值與滑動(dòng)摩擦角試驗(yàn)值與實(shí)際物理值,結(jié)果如表10所示。

表10 試驗(yàn)結(jié)果比對(duì) 單位:°

由表10可知,利用標(biāo)定后的接觸參數(shù)進(jìn)行仿真,其結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果誤差均不超過5%。再比對(duì)EDEM軟件中沙土仿真形狀與物理堆積形狀,仿真結(jié)果(圖7)中的沙土堆積形狀也與物理試驗(yàn)相似。

圖7 仿真與物理試驗(yàn)效果對(duì)比

4.3 田間試驗(yàn)對(duì)照

為進(jìn)一步驗(yàn)證沙土參數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性,根據(jù)機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)田間作業(yè)特性,設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)并與田間試驗(yàn)相對(duì)比。具體操作為機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)作業(yè)時(shí)通過梳齒鏟入土壤,隨著機(jī)器的前進(jìn),作業(yè)路徑上的沙土被鏟起。不斷堆積的沙土從撿拾裝置兩側(cè)產(chǎn)生回落以至于作業(yè)路徑兩側(cè)沙土堆積成壟?；诖?設(shè)計(jì)了一種田間土壟堆積高度試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證標(biāo)定接觸參數(shù)的可靠性。田間試驗(yàn)地點(diǎn)位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十四師224團(tuán)昆侖山棗業(yè)股份有限公司主干型紅棗示范基地。試驗(yàn)設(shè)備包括機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)、直尺、卷尺等。土壤堅(jiān)實(shí)度為42.56 kPa,機(jī)具前進(jìn)速度為0.3 m/s,梳齒入土深度為10、20、30 mm。

為節(jié)省計(jì)算時(shí)間,在保證試驗(yàn)效果的前提下,顆粒工廠動(dòng)態(tài)生成沙土顆粒、顆粒沉降堆積成顆粒床。顆粒床仿真區(qū)域設(shè)置為長(zhǎng)2 000 mm、寬600 mm、高100 mm。試驗(yàn)時(shí),調(diào)節(jié)梳齒的不同入土深度,利用EDEM軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)(圖8a),并對(duì)比分析仿真與田間試驗(yàn)(圖8b)結(jié)果。

圖8 仿真試驗(yàn)與田間試驗(yàn)對(duì)比

在所設(shè)計(jì)的仿真試驗(yàn)中,仿真模型參數(shù)設(shè)置為上述已知參數(shù)和標(biāo)定參數(shù)。田間驗(yàn)證試驗(yàn)在與仿真試驗(yàn)相同的條件下進(jìn)行,每組試驗(yàn)重復(fù)3次,結(jié)果取其平均值。由仿真試驗(yàn)與田間試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比(表11)可知,土壟堆積高度誤差不超過15%。這是由于田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,棗樹行間地面有一定起伏并且機(jī)具前進(jìn)過程存在一定偏差,所以試驗(yàn)誤差相對(duì)較大,但是在可接受范圍內(nèi)。

表11 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

5 結(jié)論

(1)本文研究進(jìn)行了休止角試驗(yàn)和滑動(dòng)摩擦角試驗(yàn),其中,以沙土-沙土恢復(fù)系數(shù)、沙土-沙土靜摩擦系數(shù)、沙土-沙土滾動(dòng)摩擦系數(shù)為因素,以沙土休止角為指標(biāo),并以沙土-鋼恢復(fù)系數(shù)、沙土-鋼靜摩擦系數(shù)、沙土-鋼滾動(dòng)摩擦系數(shù)為因素,以沙土滑動(dòng)摩擦角為指標(biāo),然后選用Central Composite Design試驗(yàn),利用Design-Expert 11.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到的最優(yōu)參數(shù)組合分別為:恢復(fù)系數(shù)0.215、靜摩擦系數(shù)0.611、滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.217;恢復(fù)系數(shù)0.375、靜摩擦系數(shù)0.328、滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.125。

(2)為驗(yàn)證參數(shù)標(biāo)定的可靠性,利用機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)開展田間土壟堆積高度試驗(yàn),其仿真試驗(yàn)與田間試驗(yàn)誤差最大不超過15%,驗(yàn)證了采用土壟堆積高度試驗(yàn)方法確定其接觸參數(shù)準(zhǔn)確性工作的可行性。本研究結(jié)果可為后續(xù)機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)仿真試驗(yàn)提供參數(shù)依據(jù)。