王紅松， 高愛民， 程志新， 劉風軍， 劉 龍， 任 偉， 王昌德

（1.甘肅農業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070； 2.酒泉市鑄隴機械制造有限責任公司，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

我國是糧食種植與加工大國，農作物秸稈資源極其豐富。據(jù)農業(yè)農村部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021 年全國農作物秸稈利用量6.47 億t，秸稈綜合利用率達88.1%，其中秸稈離田利用率達33.4%，直接還田仍是秸稈的主要處理方式[1-2]。為響應《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》號召，應減少秸稈露天焚燒和隨意堆棄，促進農作物秸稈的飼料化、燃料化和肥料化，從而推進生物質能源的利用和秸稈飼料工業(yè)的發(fā)展[3-4]。目前國內外秸稈收集機械與秸稈及根茬粉碎還田機較多，如1JH 系列秸稈粉碎還田機、FMH 系列根茬粉碎還田機和德國科羅尼Fortima 系列圓捆機等，但相關秸稈處理機械作業(yè)環(huán)境較為復雜，撿拾裝置的運動參數(shù)在田間試驗中不易準確控制[5-6]。

秸稈田間撿拾收集是其資源化利用的前端環(huán)節(jié)，國內外關于秸稈撿拾機械的運動學仿真，以及離散元仿真的研究對本研究有重要的借鑒意義。孫妮娜等[7]為解決秸稈粉碎還田不達標影響后續(xù)的整地質量并避免機具多次下地造成土壤過度壓實，綜合考慮秸稈粉碎與整地的配合，設計了一種秸稈粉碎還田與整地復式作業(yè)機，可一次整地達到播種狀態(tài)。陳桂斌等[8]設計了一種秸稈條帶撿拾粉碎深埋裝置，利用離散單元法對細碎秸稈進行撿拾過程的仿真，獲取集稈螺旋器在輸送秸稈時的最佳轉速范圍。王佳旭[9]對比3 種撿拾粉碎刀的撿拾效果，進行虛擬仿真試驗，得出V 型撿拾粉碎刀的仿真效果最好。方會敏等[10]建立秸稈-土壤-旋耕刀互作離散元仿真系統(tǒng)與室內土槽試驗進行誤差對比，利用擬合的誤差方程和仿真值估算秸稈的位移。董向前等[11]采用EDEM 與ADAMS 耦合仿真，分析振動深松土壤擾動過程，以此建立拖拉機-振動深松機-土壤系統(tǒng)仿真模型，定性分析了全方位深松鏟對土壤的擾動情況。

在分析秸稈撿拾及秸稈還田的相關研究后，發(fā)現(xiàn)撿拾過程中存在撿拾不凈、秸稈堵塞等問題，為解決這些問題，本研究以藜麥秸稈為例，結合甘肅省臨夏回族自治州東鄉(xiāng)縣的藜麥種植情況，綜合考慮秸稈回收機的大田作業(yè)和農藝要求，分析機具進行秸稈回收的作業(yè)過程。運用SolidWorks 軟件建立機具的三維模型，在ADAMS 軟件中進行運動學仿真分析，研究機具的合理性和撿拾刀輥轉速與運動軌跡的映射關系，最后運用EDEM 軟件建立機具-秸稈-土壤互作系統(tǒng)，驗證機具的撿拾效果，得到在甩刀阻力最小時機具前進速度與撿拾刀輥轉速的最佳組合。通過對關鍵部件進行運動學仿真，驗證機構的可行性和關鍵部件作業(yè)時的運動規(guī)律；通過離散元仿真分析，對機具在不同運動參數(shù)下的受阻情況和撿拾效果進行驗證和分析，以此得到機具關鍵參數(shù)的最優(yōu)組合。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

秸稈回收機主要針對田間散落秸稈的還田或收集，避免因秸稈堵塞導致的難耕和堆積現(xiàn)象，可一次性達到耕地的待耕狀態(tài)。如圖1 所示，秸稈回收機采用三點懸掛的方式與前置動力拖拉機掛接，主要功能部件包括撿拾裝置、對輥式粉碎裝置、氣吹式輸送裝置和機架等，其中撿拾裝置包括甩刀、套筒、刀座和刀輥，適用于段狀秸稈的初步粉碎和撿拾。如圖2 所示，甩刀為雙刀片、Y 型設計，中間由套筒隔開，機具工作時，甩刀高速旋轉不僅保證了秸稈的初步粉碎作業(yè)，對秸稈的撿拾也具有風送作用，增大撿拾量。對輥式粉碎裝置依靠兩個中速旋轉的破碎輥，其中輥齒帶有一定刃角，利用慣性動力學原理產生的高擠壓力，物料進入兩輥之間后被擠壓粉碎至理想粒度從間隙中落下，進入螺旋輸送裝置。輸送裝置包括螺旋輸送器、風機和風機殼，將粉碎后的秸稈輸送到一側，經(jīng)風機吹出。

1.2 工作原理與結構參數(shù)

如圖1 所示，秸稈回收機與拖拉機配套作業(yè)，以萬向傳動軸連接拖拉機后橋的動力輸出軸與本機具的動力輸入軸。在拖拉機牽引機具前進的過程中，田間鋪放的秸稈直接被高速旋轉的撿拾甩刀卷起，經(jīng)初步粉碎后拋入機架內部的曲面滑道上，秸稈進而滑入粉碎裝置中進行精細粉碎后排出，秸稈粉料隨后進入氣吹式輸送裝置，經(jīng)過螺旋絞龍輸送至風機一側，在輸送過程中產生的塵土可直接從其后方蓋板的預留孔揚出即已完成初步除土，經(jīng)風機吹出風機殼時秸稈粉料完成二次除土，最終的秸稈粉料可直接拋撒還田或經(jīng)過風機殼導向進入隨行料斗中。至此，田間鋪放的秸稈已撿拾粉碎完成，其產品可直接拋撒還田作為肥料基，或將收集的秸稈粉料供給制粒機進行畜牧飼料或生物質燃料的生產。

結合大多數(shù)大田秸稈作物的種植方式，根據(jù)農業(yè)機械設計手冊相關機械的設計，并綜合考慮現(xiàn)有秸稈回收機與撿拾機構的主要參數(shù)，秸稈回收機主要結構參數(shù)如表1 所示[12]。

表1 秸稈回收機主要結構參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of straw recycling machine

2 整機運動學仿真

2.1 模型建立

為了驗證機具結構的合理性，在SolidWorks 中將建立的機具三維模型以x_t 格式導出，以便后續(xù)導入到ADAMS 軟件中進行運動仿真。為清晰地看到機具內部部件的運動情況，特將機具的防護罩、機架、蓋板等非運動零部件進行隱藏。由于整機裝配體零件過多，為方便進行仿真分析，在不影響試驗結果的情況下，對模型進行簡化，在ADAMS 軟件中對機具外部的非運動部件進行布爾操作，按接觸位置依次合并至機架上，原模型中所有的螺栓、墊片和軸鍵等刪除后通過施加約束代替其功能。

如圖3 所示，模型簡化完成后，對導入的三維模型進行前處理操作。對各零件進行重命名、定義材料屬性、設置重力及操作界面柵格，根據(jù)各零部件的運動行為添加約束。特別地對齒輪傳動添加耦合約束，鏈傳動無法使用導入的幾何模型，需要在ADAMS/Machinery-Chain 模塊中重新生成鏈輪和鏈條，進行鏈傳動的動態(tài)建模[13-14]。最后對機具進行驅動設置，在懸掛架上施加移動驅動，在花鍵傳動軸上施加旋轉驅動，動力依靠傳動路線傳遞到后方機構，仿真的前期設置至此完成。

圖3 ADAMS 模型Fig.3 ADAMS model

2.2 仿真結果分析

撿拾裝置是機具作業(yè)的主要功能部件，主要用于切斷、拾取直立的秸稈和散落在田間的秸稈，并將其輸送到粉碎機構。機具作業(yè)時，甩刀既有繞輥軸的旋轉運動，也有跟隨機具的前進運動，因此甩刀的絕對運動是刀輥旋轉和機具前進兩種運動的合成，其運動軌跡是擺線。為明確甩刀的運動軌跡，定義甩刀刀尖點為MARKER_i 點，作為運動軌跡觀察對象，甩刀的運動軌跡如圖4 所示。

圖4 甩刀運動軌跡與轉速關系Fig.4 Relationship between knife motion trajectory and rotation velocity

為控制甩刀的運動軌跡，設機具前進速度為vm，撿拾刀輥圓周線速度為vb，則撿拾速度比λ為

式中n——刀輥轉速，r/min

R——MARKER_i 點轉動半徑，R=131.8 mm

ω——刀輥角速度

因為甩刀運動軌跡與撿拾速度比λ有關，所以通過控制撿拾速度比λ的大小，對甩刀運動軌跡進行仿真分析，得出撿拾速度比與運動軌跡之間的映射關系[15]。如圖4 所示，當λ＜1 時，vb＜vm，甩刀的運動不具有撿拾作用；當λ=1 時，vb=vm，此時刀輥轉速n0=72.45 r/min=434.72 deg/s，甩刀的運動為過渡狀態(tài)；當λ＞1 時，vb＞vm，甩刀的運動軌跡開始出現(xiàn)重合。由此推斷出，在相同的水平位移中，轉速越大，在同一距離內拋起的秸稈數(shù)量越多，而撿拾量并非跟隨轉速無限增加。在ADAMS 軟件中，旋轉驅動的單位為d×time，查閱軟件幫助文檔可知1 d×time=1 deg/s，故在圖5 中，將λ=1 時的轉速n0擴大10 倍，n1=10n0=4 347.2 deg/s，此時甩刀的軌跡自交叉點c，與n2、n3的自交叉點相比豎直方向位移最大，運動軌跡重合度最低，撿拾范圍最小，因此需增大轉速比較不同轉速的軌跡。刀輥轉速n3～n7依次增加360 deg/s，軌跡擺線撿拾范圍更大，重合度更高；當?shù)遁佫D速為n7=7 200 deg/s 時，機具前進過程中甩刀的軌跡撿拾范圍最大，拋起的秸稈數(shù)量較多。由此得出，當?shù)遁佫D速在n3～n7時，刀輥的最佳撿拾轉速在此范圍內，秸稈的撿拾效果較好。

圖5 7 組轉速與對應軌跡Fig.5 7 groups of rotational velocities and corresponding trajectories

3 撿拾過程仿真試驗

3.1 顆粒模型建立

由運動學仿真數(shù)據(jù)可知，當甩刀的圓周線速度大于機具前進速度時，甩刀的運動可用于物料撿拾，并且在一定速度比時撿拾效果最佳。為獲取撿拾刀輥轉速與機具前進速度的最佳組合，驗證該速度組合的撿拾效果，利用EDEM 軟件建立機具、秸稈和土壤的離散元互作模型。以田間鋪放的段狀藜麥秸稈為撿拾對象，建立段狀秸稈的離散元模型。如圖6 所示，參考藜麥秸稈物理性狀，在SolidWorks 中建立秸稈三維模型并導出IGS 格式，在EDEM 中進行秸稈顆粒填充，將秸稈視為剛性體小球組合成的梅花狀截面柱體，秸稈顆粒長度為120 mm，端面最大直徑為23 mm。

圖6 段狀秸稈仿真模型及實物Fig.6 Simulation model and real object of segmental straw

為了更好地模擬秸稈-土壤-機具間的相互作用關系，仿真真實的撿拾環(huán)境，依據(jù)田間土壤的分層特性，取土壤厚度為160 mm，屬于表土層，土壤性質相近[11]。在大多數(shù)土壤顆粒仿真中，尤其西北旱區(qū)土壤仿真中，土壤顆粒半徑取10 mm，含水率取10.5%[16-17]。如圖7 所示，在EDEM 軟件中，先設置小土槽生成土壤塊，隨后運用塊顆粒工廠（Block Factory），由提前建立的10 mm 顆粒土壤塊快速填充土槽模型，其中土槽模型長1 500 mm、寬750 mm、高250 mm，最后在土槽中的土壤顆粒表面生成秸稈顆粒，其中秸稈顆粒工廠設置顆粒數(shù)為1 600 個，生成后的秸稈顆粒堆積高度為30 mm。

圖7 秸稈-土壤仿真模型Fig.7 Straw and soil simulation model

離散元仿真模型參數(shù)數(shù)值及數(shù)據(jù)具體來源，如表2 所示。

表2 離散元仿真參數(shù)Tab.2 Discrete element simulation parameters

3.2 接觸模型設置

通過查閱資料，肥沃土壤的結構形態(tài)由土壤黏結成粒狀和小團塊狀，大體呈球形，但是在建立土槽的離散元仿真中，土壤顆粒的大小受到計算能力的限制，并不能與實際土壤顆粒相同[17]。除土壤顆粒間的接觸外，其余顆粒間和顆粒與幾何體之間，接觸模型均選用默認的Hertz-Minglin（no slip）無滑動接觸模型和Standard Rolling Friction 標準滾動摩擦模型。綜合考慮土壤顆粒之間復雜作用力對秸稈撿拾的影響，土壤顆粒間的黏結作用采用Hertz-Mindlin with Bonding 接觸模型，該模型將顆粒之間的內聚力簡化為Bonding 鍵，這種黏結鍵多用于模擬破碎、斷裂等過程，可以承受切向和法向的應力，在外力作用下顆粒間黏結力會產生斷裂、破碎現(xiàn)象，常用于進行土壤結構的建模仿真。

其中，Bonding 鍵的參數(shù)法向接觸剛度、切向接觸剛度、臨界法向應力和臨界切向應力均來自文獻[14]，而顆粒接觸半徑與土壤含水率和土壤顆粒半徑有關。

式中m1、m2——土壤顆粒和水的質量，kg

ρ1、ρ2——土壤和水的密度，kg/m3

V1、V2——土壤顆粒和水所占體積，m3

R1、R1′——土壤顆粒的半徑和接觸半徑，m

選取土壤顆粒半徑R1=10 mm，將表2 數(shù)據(jù)代入式（3），得到土壤顆粒接觸半徑R1′=10.92 mm，黏結參數(shù)如表3 所示[16-17]。

表3 土壤顆粒黏結參數(shù)Tab.3 Soil particle bonding parameters

3.3 離散元仿真

顆粒模型創(chuàng)建完成后，建立秸稈-土壤-機具的離散元仿真系統(tǒng)。首先在EDEM 軟件中建立土槽模型，并在土槽的基礎上建立散落秸稈與土壤的仿真模型，隨后導出秸稈-土壤仿真模型，導出選項設置為保持原有屬性，仿真時間從0 s 開始。如圖8 所示，在秸稈-土壤仿真模型中分別導入IGS 格式的撿拾刀輥和整機機架模型，兩者分別設置合并零件，將刀輥設置為跟隨機架的從屬關系，設置兩部件的位置參數(shù)，使兩者裝配合適并位于土槽X軸正方向。

圖8 秸稈-土壤-機具仿真模型Fig.8 Simulation model of straw-soil-tools

在最終的撿拾過程仿真中，設置刀輥轉速為變量，以刀輥前進阻力為響應，比較得出5 組離散元仿真中前進阻力最小、撿拾效果較好的一組，即為刀輥的最佳轉速?；诤喕瘷C具和研究撿拾過程的主要目的，機具中的粉碎裝置與輸送裝置均已去除。由于機具不斷撿拾秸稈，導致大量秸稈堆積在機架內，使撿拾全過程無法完成，因此在后續(xù)仿真中打開輸送裝置后方的蓋板，使撿拾的秸稈充滿機架后從后方排出，完成全部秸稈的撿拾。

在最佳參數(shù)組合下進行機具的秸稈撿拾虛擬試驗，其撿拾效果如圖9 所示，為進一步量化秸稈撿拾效果，在機具經(jīng)過的區(qū)域選取合適的地塊計算機具的秸稈撿拾率α。

圖9 秸稈撿拾效果Fig.9 Straw picking effect drawing

式中M0——0 s 時取樣區(qū)域散落秸稈的質量

M1——秸稈撿拾結束后取樣區(qū)域散落秸稈的質量

通過分析秸稈撿拾過程中甩刀、秸稈和土壤的運動行為，評估撿拾全過程的仿真質量，其中撿拾全過程用時1.4 s。如圖10 所示，撿拾刀輥從0.1 s 開始接觸秸稈與土壤顆粒，同時前進阻力不再為0，直到1.15 s時機具走完秸稈的鋪放范圍，因此在后期的數(shù)據(jù)分析中，數(shù)據(jù)均取0.10～1.15 s。

圖10 0.10 與1.15 s 時刻機具工作狀態(tài)Fig.10 Working state of machine at 0.10 and 1.15 s

3.4 仿真數(shù)據(jù)處理及選優(yōu)

通過ADAMS 運動學仿真驗證整機的功能性及可行性，以甩刀刀尖MARKER_i 點為觀察對象，在刀輥轉速取不同值時，對其運動軌跡進行對比分析，從而確定刀輥轉速的最佳范圍，從中選取5 組撿拾速度組合運用EDEM 軟件進行撿拾過程仿真。如圖11 所示，通過分析5 組撿拾過程仿真中撿拾刀輥的受力情況，取0.10～1.15 s 內撿拾刀輥X方向的受力并計算該時間段內的平均受力，即為機具的前進阻力。當轉速為6 840 deg/s=1 140 r/min 時，刀輥所受阻力最小，為340.67 N。因此，最佳撿拾速度組合為前進速度1 m/s，刀輥轉速1 140 r/min，此時撿拾速度比λ=15.73，秸稈撿拾率α=92.14%。

圖11 前進阻力隨刀輥轉速變化Fig.11 Forward resistance changes with cutter velocity

4 結束語

（1）秸稈回收機前進速度預設為1 m/s，在ADAMS軟件中進行相同前進速度和不同刀輥轉速的運動仿真，得到甩刀刀尖MARKER_i 點的運動軌跡，對比發(fā)現(xiàn)，當撿拾速度比λ＞1 時，甩刀具有撿拾作用，刀輥轉速在n3～n7時，甩刀的撿拾范圍較大，秸稈撿拾量相應較多，撿拾效果較好。

（2）離散元撿拾過程仿真表明，在5 組撿拾仿真中，轉速為1 140 r/min 時刀輥所受阻力最小，即為刀輥的最佳轉速。

（3）ADAMS 與離散元仿真結果表明，秸稈回收機最佳速度組合為機具前進速度1 m/s，刀輥轉速1 140 r/min，撿拾速度比λ=15.73，秸稈撿拾率α=92.14%。最佳速度組合可為后期機具制造完成后進行田間試驗的速度設置提供參考。