高銳濤，高宇，孫志全，曹璨，李君

超寬窄行蕉園起壟機(jī)拋土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

高銳濤，高宇，孫志全，曹璨，李君*

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

在查閱大量國(guó)內(nèi)外有關(guān)起壟機(jī)構(gòu)的研究文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合新型蕉園種植模式和農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種蕉園起壟機(jī)拋土機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)蕉園起壟機(jī)械化作業(yè)。對(duì)拋土起壟機(jī)構(gòu)主要部件進(jìn)行建模仿真，應(yīng)用EDEM對(duì)拋土起壟過(guò)程進(jìn)行仿真，以導(dǎo)向罩角度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉片寬度及葉片偏角作為試驗(yàn)因素，將拋撒距離和土壤集中率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素和正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)，探究因素對(duì)拋土起壟機(jī)構(gòu)作業(yè)性能的影響。最后利用Design-Expert數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到作業(yè)最優(yōu)組合參數(shù)，并將最優(yōu)參數(shù)組合來(lái)制作樣機(jī)進(jìn)行平臺(tái)試驗(yàn)。通過(guò)仿真試驗(yàn)與平臺(tái)試驗(yàn)對(duì)比，得出最佳起壟組合參數(shù)：導(dǎo)向罩角度為30°，葉輪轉(zhuǎn)速為275 r/min，葉片寬度為82 mm、葉片偏角為–7.5°；罩角度為62°，葉輪轉(zhuǎn)速為314 r/min，葉片寬度為82 mm、葉片偏角為–7.5°，最終得到仿真結(jié)果中土壤集中度分別為73%和81%，拋撒距離為2 081.29 mm和979.2 mm，平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果在合理區(qū)間范圍內(nèi)。根據(jù)仿真與平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，得到機(jī)構(gòu)拋土效果滿足蕉園的起壟要求的最佳參數(shù)組合，為“超寬窄行”蕉園起壟機(jī)械設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

拋土起壟機(jī)構(gòu)；離散元法；正交試驗(yàn)；平臺(tái)試驗(yàn)

香蕉屬亞熱帶地區(qū)的芭蕉科植物果實(shí)，富含蛋白質(zhì)、維生素A、膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)保護(hù)胃黏膜、降血壓等有奇效，深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的迅速發(fā)展，香蕉機(jī)械化種植水平越來(lái)越高，香蕉生產(chǎn)機(jī)械使用率總體呈上升趨勢(shì)[1]。作物壟作栽培[2]可增加田地作物種植表面積，改良土壤光溫日照，充分利用光能，為作物提供適宜的生長(zhǎng)條件。離散元法[3]主要是模擬顆粒與部件互相作用關(guān)系方向的研究，適用于探究機(jī)械作業(yè)部件與土壤顆粒的相互作用機(jī)理。目前，基于離散元法已大量應(yīng)用在機(jī)械作業(yè)方面[4-5]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)方面的研究使用離散元法。高建民等[6]通過(guò)仿真模型對(duì)不同工況下的斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土模擬仿真，驗(yàn)證得到斜置潛土逆轉(zhuǎn)深旋是一種可應(yīng)用于田地深旋耕的方法。史宇亮等[7]運(yùn)用EDEM進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證甘薯起壟機(jī)上旋耕刀的拋土性能。Mamatov 等[8]設(shè)計(jì)新型施肥起壟機(jī)，其作業(yè)原理是在壟上播種作業(yè)時(shí)，使壟溝中土壤松動(dòng)并同時(shí)完成施肥作業(yè)，充分體現(xiàn)施肥起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)械的先進(jìn)之處。關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)械部件的設(shè)計(jì)參數(shù)與作物產(chǎn)量之間的影響關(guān)聯(lián)，國(guó)外不少學(xué)者進(jìn)行了研究。Marey[9]提出開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)甜菜產(chǎn)量和水利用效率的影響，經(jīng)試驗(yàn)證明通過(guò)對(duì)開(kāi)溝刀具的參數(shù)優(yōu)化后，甜菜的最大出苗率、糖分產(chǎn)量和水利用效率都大大提高。Hasimu等[10]提出三種不同開(kāi)溝器（鋤頭形、翼形和勺形）的開(kāi)溝機(jī)械在作業(yè)過(guò)程中拋出過(guò)多的泥土，從而導(dǎo)致種子上方土壤覆蓋的不同情況對(duì)比，得出鋤頭形開(kāi)溝器的性能優(yōu)于翼形和勺形開(kāi)溝器，作業(yè)效果更好，使更多種子被覆蓋。學(xué)者除了研究農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生直接的影響效果，同時(shí)研究對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化達(dá)到更好的作業(yè)效果，并在設(shè)計(jì)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)新型作業(yè)方式。Solhjou 等[11-12]針對(duì)澳大利亞農(nóng)民在犁溝中播種和施肥時(shí)開(kāi)溝器產(chǎn)生的土壤拋撒造成相鄰溝的土壤覆蓋深度增加的問(wèn)題，提出結(jié)合不同形狀的開(kāi)溝機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)，得到新型免耕播種方法，且更好地減少雜草種子和土壤水分流失，Kumar等[13]提出由拖拉機(jī)牽引的播種機(jī)進(jìn)行播種和施肥時(shí)，機(jī)械上的開(kāi)溝器系統(tǒng)用于將種子放置在床面的理想深度，該方法節(jié)省了作業(yè)工時(shí)和種植成本，極大限度地提高了田間作業(yè)能力和效率。本文基于離散元法對(duì)起壟機(jī)構(gòu)的研究，通過(guò)離散元仿真試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的拋土性能，得到的機(jī)構(gòu)滿足蕉園“超寬窄行”種植模式拋土起壟要求。

1 EDEM仿真試驗(yàn)

在進(jìn)行拋土起壟裝置設(shè)計(jì)時(shí)，首先通過(guò)離散元軟件對(duì)拋撒裝置模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)拋土機(jī)構(gòu)土壤拋撒過(guò)程進(jìn)行模擬，得到土壤在機(jī)構(gòu)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及機(jī)構(gòu)的作業(yè)效果[14-15]。

通過(guò)EDEM可清晰觀察拋土機(jī)構(gòu)在拋土仿真過(guò)程中土壤顆粒在離開(kāi)拋土板后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[15-16]，同時(shí)驗(yàn)證土壤拋撒距離及土壤集中率均滿足蕉園農(nóng)藝要求，為提高后期拋土裝置作業(yè)效率提供理論基礎(chǔ)。

1.1 機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

對(duì)拋土機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Solidworks對(duì)拋土機(jī)構(gòu)主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合農(nóng)藝要求優(yōu)化機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。拋土起壟關(guān)鍵機(jī)構(gòu)主要由拋土葉輪、導(dǎo)向罩裝置組成。

1.1.1 拋土葉輪設(shè)計(jì)與分析

葉輪葉片布置方式：在拋土作業(yè)的過(guò)程中，拋土葉輪在傳動(dòng)軸傳輸?shù)膭?dòng)力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入到葉輪的土壤顆粒在被葉輪葉片的作用下被拋出，為了便于進(jìn)行土壤流向控制，故將圓盤(pán)與葉輪葉片呈90°直角分布，如圖1～2所示。參考拋土輪等拋撒類(lèi)刀具設(shè)計(jì)要求及考慮到實(shí)際農(nóng)藝作業(yè)要求，設(shè)計(jì)圓盤(pán)直徑1為310 mm，底盤(pán)厚度2為4 mm，葉片高度3為100 mm、長(zhǎng)度4為100 mm，寬度5為4 mm。

圖1 葉輪葉片布置圖

圖2 葉輪三視圖

葉輪葉片形狀設(shè)計(jì)與分析：考慮到土壤顆粒直徑較小，因此選擇葉片形狀為類(lèi)矩形。為了驗(yàn)證葉片分布角度對(duì)起壟效果的影響，本文設(shè)計(jì)葉片與葉輪傳動(dòng)軸間存在–15°～15°的調(diào)節(jié)夾角，如圖3所示，結(jié)合仿真試驗(yàn)效果，最終確定夾角度數(shù)。

圖3 葉片偏角

葉片寬度設(shè)計(jì)在葉片總高度為100 mm不改變前提下，將中間主要拋土部分設(shè)計(jì)為25、50、75、100 mm，如圖4所示。

圖4 葉片寬度

根據(jù)拋土效果考慮，設(shè)計(jì)不同數(shù)量葉片為三葉片、四葉片、五葉片，探究葉片數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)拋土能力的影響，見(jiàn)圖5～7。

圖5 三葉片葉輪

圖6 四葉片葉輪

圖7 五葉片葉輪

1.1.2 導(dǎo)向罩設(shè)計(jì)與分析

如圖8所示，導(dǎo)向罩由圓柱形外罩和導(dǎo)向筒組成，導(dǎo)向筒與外罩相切排列。機(jī)構(gòu)在進(jìn)行拋土作業(yè)時(shí)，保證罩內(nèi)壁與葉輪底盤(pán)最外邊不發(fā)生摩擦，設(shè)計(jì)導(dǎo)向罩圓柱形外罩直徑尺寸1為314 mm，比葉輪圓盤(pán)直徑多4 mm，外罩厚度2為2 mm，固定板直徑3為360 mm，固定板上出現(xiàn)的打孔為螺絲孔，作用是便于葉輪與固定板固定。拋土葉輪安裝于導(dǎo)向罩內(nèi)且同軸安裝，起壟機(jī)在蕉園進(jìn)行作業(yè)時(shí)，旋耕碎土機(jī)構(gòu)將切碎的土壤拋入導(dǎo)向罩內(nèi)的拋土葉輪上。結(jié)合壟形要求，調(diào)節(jié)導(dǎo)向罩傾角范圍，設(shè)定以相切導(dǎo)向筒的面與水平夾角為傾角，傾角范圍0°～180°。由于土壤顆粒在罩內(nèi)發(fā)生碰撞，減小摩擦，導(dǎo)致顆粒動(dòng)能減小，影響導(dǎo)向效果，經(jīng)過(guò)綜合考慮，設(shè)計(jì)導(dǎo)向筒長(zhǎng)度4為145 mm，矩形寬口長(zhǎng)5為132 mm，寬6為120 mm。

圖8 導(dǎo)向罩組成部分

1.2 建立土壤仿真模型

土壤物理性質(zhì)與機(jī)構(gòu)拋土效果有密切的聯(lián)系，為避免仿真結(jié)果與實(shí)際作業(yè)效果差距較大，試驗(yàn)中使用EDEM軟件自帶的球形顆粒模擬土壤顆粒，本次仿真中選用三個(gè)物理半徑為2 mm球體組合的形式作為土壤顆粒模擬對(duì)象。由于實(shí)際情況與理論模擬存在的差異是無(wú)法避免的，在模擬南方地區(qū)土壤時(shí)，由顆粒通過(guò)內(nèi)聚力等黏結(jié)而成，表現(xiàn)出土壤顆粒間的相互作用[17-18]。選擇Hertz-Mindlin with bonding接觸模型作為土壤顆粒間接觸力學(xué)模型，設(shè)置45#鋼-土壤顆粒、土壤顆粒-土壤顆粒間的動(dòng)摩擦系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)等參考模型，如表1～2所示[19]。

表1 土壤顆粒間接觸力學(xué)模型參數(shù)

Tab.1 Parameters of soil interparticle contact mechanics model

1.3 物料物理參數(shù)選擇

設(shè)置基本接觸參數(shù)包括土壤顆粒-土壤顆粒、土壤顆粒-拋土機(jī)構(gòu)的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)等?；謴?fù)摩擦系數(shù)及靜摩擦系數(shù)可參考文獻(xiàn)，拋土機(jī)構(gòu)離散元仿真參數(shù)如表2所示。

表2 接觸模型參數(shù)

Tab.2 Parameters of contact model

1.4 仿真試驗(yàn)

使用EDEM創(chuàng)建機(jī)構(gòu)-土壤顆粒間作用模型，在常規(guī)工況條件下對(duì)拋土起壟機(jī)構(gòu)的拋土作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，對(duì)影響機(jī)構(gòu)作業(yè)效果的因素進(jìn)行分析，得出機(jī)構(gòu)合的適參數(shù)組合。首先對(duì)散狀物料土壤顆粒進(jìn)行仿真建模；其次創(chuàng)建幾何體，將拋土葉輪和導(dǎo)向罩組合起壟機(jī)構(gòu)模型放入新建的箱體中，在箱體中進(jìn)行仿真模擬；最后對(duì)整個(gè)仿真環(huán)境進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)實(shí)際作業(yè)效果，設(shè)置土壤顆粒進(jìn)入機(jī)構(gòu)拋土速度為0.8 m/s，進(jìn)入土壤顆?？傎|(zhì)量為18 kg，目標(biāo)質(zhì)量流量為3 kg/s，所以根據(jù)不同條件進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)置，每組仿真總時(shí)長(zhǎng)為6 s。

在三維空間內(nèi)拋土機(jī)構(gòu)作業(yè)狀態(tài)如圖9所示，仿真試驗(yàn)開(kāi)始，土壤顆粒從設(shè)置的虛擬板塊形成后進(jìn)入起壟機(jī)構(gòu)，拋土葉輪與土壤顆粒在初速度的作用下發(fā)生相互碰撞，在轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪葉片作用下，將土壤沿著導(dǎo)向罩方向拋出，完成起壟作業(yè)。以上描述仿真試驗(yàn)過(guò)程與實(shí)際工作效果基本保持一致。

1.5 單因素仿真試驗(yàn)分析

1.5.1 導(dǎo)向罩角度對(duì)起壟效果的影響

為探究不同導(dǎo)向罩角度對(duì)起壟效果的影響，獲取在仿真過(guò)程中不同導(dǎo)向罩傾斜角度條件（30°、45°、60°、120°、135°、150°等），下起壟作業(yè)后土壤顆粒集中率及峰值顆粒數(shù)，如圖10所示。

圖10 單因素導(dǎo)向罩角度土壤顆粒-拋撒距離關(guān)系圖

在葉輪轉(zhuǎn)速、葉片寬度、葉片偏角及葉片數(shù)相同條件下，當(dāng)導(dǎo)向罩傾斜角度為30°、45°、60°、120°、135°、150°時(shí)，機(jī)構(gòu)拋土起壟最高點(diǎn)距離出土口分別是1 836.48 mm、1 837.93 mm、1 224.09 mm、1 620.23 mm、2 123.79 mm、1 869.18 mm，同時(shí)土壤聚集度分別為81.62%、79.35%、79.44%、69.82%、71.82%、66.83%。由分析可得，當(dāng)拋土機(jī)構(gòu)與土壤相互作用時(shí)，綜合考慮拋撒距離及土壤集中率參數(shù)，在蕉園實(shí)地允許范圍內(nèi)拋撒距離，45°比30°多2 mm，可認(rèn)為導(dǎo)向罩角度為45°起壟效果最好，30°次之，這兩個(gè)導(dǎo)向罩角度都可滿足蕉園起壟作業(yè)性能要求。由此說(shuō)明，并不是導(dǎo)向罩角度越大，起壟機(jī)構(gòu)作業(yè)效果越好。

1.5.2 葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)起壟效果的影響

為探究不同葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)起壟效果的影響，獲取在仿真過(guò)程中不同葉輪轉(zhuǎn)速（220 r/min、245 r/min、270 r/min、295 r/min、320 r/min等）下，起壟作業(yè)后土壤顆粒聚集程度，如圖11所示。

在導(dǎo)向罩角度、葉片寬度、葉片偏角及葉片數(shù)相同條件下，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速為220 r/min、245 r/min、 270 r/min、295 r/min、320 r/min時(shí)機(jī)構(gòu)拋土起壟最高點(diǎn)距離出土口分別是856.13 mm、1 101.72 mm、1 499.14 mm、1 836.41 mm、2 069.06 mm，同時(shí)土壤聚集度分別為88.28%、84.15%、82.20%、79.22%、76.03%。由分析可得，當(dāng)拋土機(jī)構(gòu)與土壤相互作用時(shí)，為了適應(yīng)華南地區(qū)的新模式種植要求，根據(jù)蕉園香蕉樹(shù)種植農(nóng)藝要求及田間測(cè)量，起壟拋撒距離在1 800 mm最為符合起壟要求，綜合考慮拋撒距離及土壤集中率參數(shù)，葉輪轉(zhuǎn)速為295 r/min起壟效果最好，270 r/min次之，這兩個(gè)葉輪轉(zhuǎn)速都可滿足蕉園起壟作業(yè)性能要求。由此說(shuō)明，并不是葉輪轉(zhuǎn)速越大，起壟機(jī)構(gòu)作業(yè)效果越好。

圖11 單因素葉輪轉(zhuǎn)速土壤顆粒-拋撒距離關(guān)系圖

1.5.3 葉片寬度對(duì)起壟效果的影響

為探究不同葉片寬度對(duì)起壟效果的影響，獲取在仿真過(guò)程中不同葉片寬度（50 mm、75 mm、100 mm、125 mm等），下起壟作業(yè)后土壤顆粒聚集程度，如圖12所示。

圖12 單因素葉片寬度土壤顆粒-拋撒距離關(guān)系圖

在導(dǎo)向罩角度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉片偏角及葉片數(shù)相同條件下，當(dāng)葉片寬度為25 mm、50 mm、75 mm、100 mm時(shí)，機(jī)構(gòu)拋土起壟最高點(diǎn)距離出土口分別是1 319.12 mm、1 439.07 mm、1 499.14 mm、1 439.01 mm，同時(shí)土壤聚集度分別為80.17%、81.48%、82.20%、81.47%。由分析可得，當(dāng)拋土機(jī)構(gòu)與土壤相互作用時(shí)，綜合考慮拋撒距離及土壤集中率參數(shù)，葉片寬度為75 mm起壟效果最好，該葉片寬度可滿足蕉園起壟作業(yè)性能要求。

1.5.4 葉片偏角對(duì)起壟效果的影響

為探究不同葉片偏角對(duì)起壟效果的影響，獲取在仿真過(guò)程中不同葉片偏角（–15°、–7.5°、0°、7.5°、15°等）下，起壟作業(yè)后土壤顆粒聚集程度，如圖13所示。

圖13 單因素葉片偏角土壤顆粒-拋撒距離關(guān)系圖

在導(dǎo)向罩角度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉片寬度及葉片數(shù)相同條件下，當(dāng)葉片偏角為–15°、–7.5°、0°、7.5°、15°時(shí)，機(jī)構(gòu)拋土起壟最高點(diǎn)距離出土口分別是1 440.32 mm、1 499.06 mm、1 837.93 mm、1 346.74 mm、1 469.14 mm，同時(shí)土壤聚集度分別為82.73%、83.78%、79.35%、79.40%、83.83%。由分析可得，當(dāng)拋土機(jī)構(gòu)與土壤相互作用時(shí)，綜合考慮拋撒距離及土壤集中率參數(shù)，葉片偏角為–7.5°起壟效果最好，0°次之，這兩個(gè)葉片偏角都可滿足蕉園起壟作業(yè)性能要求。

2 正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)分析

正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是一種將正交試驗(yàn)和回歸分析結(jié)合的方案設(shè)計(jì)方法，該方法既有正交試驗(yàn)析因點(diǎn)均勻分布的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具備回歸分析的預(yù)測(cè)功能，可以有效進(jìn)行誤差估計(jì)和擬合性測(cè)驗(yàn)，本試驗(yàn)可通過(guò)正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)對(duì)起壟機(jī)各因素組合影響效果進(jìn)行預(yù)測(cè)及誤差分析。

2.1 正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)結(jié)果

拋土起壟機(jī)構(gòu)正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)[20]結(jié)果如表3所示。利用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)T組試驗(yàn)，基于仿真模型對(duì)拋土起壟機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

利用Design-Expert軟件對(duì)表中的T組仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表4～5。由表4～5可知，拋撒距離和集中率的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜎Q定系數(shù)分別是2=0.954 7和2=0.778 0，說(shuō)明回歸方程擬合可靠性度高，試驗(yàn)?zāi)Ｐ途∮?.000 1，說(shuō)明模型顯著，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)較為合理有效。影響因素導(dǎo)向罩角度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉片寬度、葉片偏角對(duì)拋撒距離與集中率影響均顯著。

表3 T組拋土起壟機(jī)構(gòu)仿真試驗(yàn)安排及結(jié)果

Tab.3 Arrangement and results of orthogonal simulation tests on the soil throwing and monopoly mechanism of group T

試驗(yàn)因素交互作用對(duì)拋撒距離與集中率產(chǎn)生的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，得到拋撒距離（1）和集中率（2）的回歸方程，見(jiàn)式（1）。

回歸方程、回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)及擬合度檢驗(yàn)如表4～5所示，可知一次項(xiàng)、和二次項(xiàng)2對(duì)拋撒距離的比重1的影響達(dá)到極顯著水平（＜0.01），二次項(xiàng)2、2對(duì)拋撒距離的比重1的影響達(dá)到顯著水平（＜0.05），其余項(xiàng)為不顯著；一次項(xiàng)、對(duì)集中率的比重2的影響達(dá)到極顯著水平（＜0.01），其余項(xiàng)為不顯著。缺乏擬合為0.170 8，意味著缺乏擬合相對(duì)于純誤差不顯著。

由表4～5可知，拋撒距離的比重1的模型與集中率的比重2的模型均小于0.001，即均小于0.01，模型極顯著；失擬項(xiàng)分別為0.991 2和0.716 1，均大于0.05，失擬項(xiàng)均不顯著；模型決定系數(shù)2與2Adj差異均小于0.02，合理一致，表示拋撒距離和集中率兩個(gè)模型擬合良好，可用該回歸模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

表4 拋撒距離（1）方差分析結(jié)果

Tab.4 Analysis of variance (ANOVA) results for throwing distance (F1)

注：*表示差異顯著，＜0.05；**表示差異極顯著，＜0.01。

表5 集中率（2）方差分析結(jié)果

Tab.5 Concentration rate (F2) ANOVA results

注：*表示差異顯著，＜0.05；**表示差異極顯著，＜0.01。

在正交試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析，使用響應(yīng)曲面法尋找各試驗(yàn)指標(biāo)與影響因子間的定量規(guī)律，找出各影響因素水平的最佳組合：導(dǎo)向罩角度取為40°、葉輪轉(zhuǎn)速取為320 r/min、葉片寬度取為80 mm、葉片偏角取為0.84°，此時(shí)拋撒距離為2 262 mm，集中率為75.3%。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析

通過(guò)Design-Expert軟件對(duì)T組的響應(yīng)面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并得到響應(yīng)面圖形[21]，分析結(jié)果如圖14～15所示，反映葉片偏角、導(dǎo)向罩角度、轉(zhuǎn)速和葉片寬度的交互作用對(duì)拋撒距離及集中率的影響。

圖14 A與D、B與C交互作用對(duì)拋撒距離的影響

圖15 B與D、C與D交互作用對(duì)拋撒距離的影響

響應(yīng)面[22]顯示相對(duì)平緩，說(shuō)明響應(yīng)值可容忍處理?xiàng)l件的影響，且等高線顯示橢圓形表示組合的兩個(gè)因素相互作用極顯著；若等高線顯示圓形，則表示組合的兩個(gè)因素相互作用不明顯。

圖16～22為各因素交互作用對(duì)拋撒距離的比重的影響。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速取295 r/min、葉片寬度取75 mm時(shí)，隨著葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；當(dāng)導(dǎo)向罩角度取45°、葉片寬度取75 mm時(shí)，隨著葉片偏角和葉輪轉(zhuǎn)速的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；當(dāng)導(dǎo)向罩角度取45°、葉輪轉(zhuǎn)速取295 r/min時(shí)，隨著葉片偏角和葉片寬度的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；當(dāng)葉片偏角為0°、葉片寬度取值為75 mm時(shí)，隨著導(dǎo)向罩角度和葉輪轉(zhuǎn)速的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；當(dāng)葉片偏角為0°、葉輪轉(zhuǎn)速取值為295 r/min時(shí)，隨著導(dǎo)向罩角度和葉片寬度的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；當(dāng)葉片偏角為0°、導(dǎo)向罩角度取值為45°時(shí)，隨著葉輪轉(zhuǎn)速和葉片寬度的增加，拋撒距離的比重都呈現(xiàn)一直增加的趨勢(shì)。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速取值為295 r/min、葉片寬度取值為75 mm時(shí)，隨著葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的增加，集中率的比重都呈現(xiàn)一直減小的趨勢(shì)。在對(duì)拋撒距離比重的影響中，交互作用極顯著的組合有葉片偏角和葉輪轉(zhuǎn)速、葉片偏角和葉片寬度、導(dǎo)向罩角度和葉輪轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向罩角度和葉片寬度、葉輪轉(zhuǎn)速和葉片寬度，而葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的交互作用的影響不顯著。同時(shí)在對(duì)集中率比重的影響中，葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的交互作用的影響不顯著。

圖16 葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的交互作用對(duì)拋撒距離的比重影響

圖17 葉片偏角和葉輪轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)拋撒距離的比重影響

圖18 葉片偏角和葉片寬度的交互作用對(duì)拋撒距離的比重影響

圖19 導(dǎo)向罩角度和葉輪轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)拋撒距離的比重影響

綜上所述，在對(duì)拋撒距離和集中度的影響中，葉片偏角和葉輪轉(zhuǎn)速、葉片偏角和葉片寬度、導(dǎo)向罩角度和葉輪轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向罩角度和葉片寬度、葉輪轉(zhuǎn)速和葉片寬度組合的交互作用極顯著，葉片偏角和導(dǎo)向罩角度的交互作用并不顯著；葉片偏角、導(dǎo)向罩角度、轉(zhuǎn)速和葉片寬度對(duì)拋撒距離及集中度的影響主次順序?yàn)椋簩?dǎo)向罩角度＞轉(zhuǎn)速＞葉片偏角＞葉片寬度。

圖20 導(dǎo)向罩角度和葉片寬度的交互作用對(duì)拋撒距離的比重影響

圖21 葉輪轉(zhuǎn)速和葉片寬度的交互作用對(duì)拋撒距離的比重影響

圖22 交互因素影響土壤集中率比重響應(yīng)分析

3 拋土機(jī)構(gòu)平臺(tái)試驗(yàn)

為驗(yàn)證拋土起壟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性，進(jìn)行機(jī)構(gòu)平臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 平臺(tái)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1.1 準(zhǔn)備試驗(yàn)

3.1.1.1 試驗(yàn)環(huán)境及試驗(yàn)前土壤準(zhǔn)備

為保持試驗(yàn)時(shí)土壤物理性質(zhì)一致，同時(shí)保證土壤物理特性不影響送土量、拋土量等條件，在進(jìn)行平臺(tái)試驗(yàn)前由人工對(duì)空土地的土壤進(jìn)行提前疏松，如圖23所示，本平臺(tái)試驗(yàn)為拋土機(jī)構(gòu)的平臺(tái)試驗(yàn)，所以旋耕碎土送土部分由人工代替，人工將提前疏松好的土壤送入已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)中，運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將送入的土壤拋出。將組裝好的拋土起壟機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移到無(wú)作物種植的空土地上進(jìn)行平臺(tái)試驗(yàn)，目的是避免在試驗(yàn)過(guò)程中造成作物損傷。

3.1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

整個(gè)搭建試驗(yàn)平臺(tái)主要設(shè)備有：自制臺(tái)架、自主設(shè)計(jì)完成拋土葉輪、試制完成導(dǎo)向罩、電動(dòng)機(jī)、變頻器操作面板、手持轉(zhuǎn)速計(jì)、電子秤等。

3.1.1.3 主要作業(yè)參數(shù)

根據(jù)仿真試驗(yàn)進(jìn)行分析，得到成壟一次達(dá)到最佳起壟參數(shù)組合包括：導(dǎo)向罩角度取為30°和62°、葉輪轉(zhuǎn)速取為275 r/min和314 r/min、葉片寬度取為82 mm、葉片偏角取為–7.5°。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)時(shí)，提前調(diào)節(jié)好葉輪轉(zhuǎn)速及導(dǎo)向罩角度，試驗(yàn)場(chǎng)景見(jiàn)圖24。接通電源，等待葉輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，由人工將提前處理好的土壤送入進(jìn)土口，完成進(jìn)給土壤，土壤在轉(zhuǎn)動(dòng)的拋土葉輪作用下經(jīng)導(dǎo)向罩拋撒出去，重復(fù)以上工作一分鐘，完成一次拋土作業(yè)，觀察土壤拋撒成壟形效果，以上為第一次試驗(yàn)，之后每組試驗(yàn)時(shí)間相同，記錄成壟參數(shù)，最后與仿真效果進(jìn)行對(duì)比。為了保證每組試驗(yàn)結(jié)果受環(huán)境等因素影響可能性降到最低，在進(jìn)行多次試驗(yàn)時(shí)，每組試驗(yàn)輸入的試驗(yàn)參數(shù)及操作均為一致。完成測(cè)試后將電源切斷，測(cè)試工作結(jié)束。

1-拋土前土壤放置區(qū)域；2-拋土機(jī)構(gòu)；3-稱(chēng)重臺(tái)；4-起壟區(qū)域。

3.3 拋土起壟機(jī)構(gòu)仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

進(jìn)一步進(jìn)行拋土起壟機(jī)構(gòu)的起壟平臺(tái)試驗(yàn)，效果見(jiàn)圖25，根據(jù)仿真分析試驗(yàn)條件，按照仿真試驗(yàn)得出的最優(yōu)組合進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，連接電源重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，結(jié)果對(duì)比如表6。

圖25 平臺(tái)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)拋土效果

表6 仿真結(jié)果與平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Tab.6 Comparison of simulation results with platform test results

4 結(jié)論

對(duì)規(guī)定距離的香蕉樹(shù)起壟作業(yè)進(jìn)行研究，在滿足土壤拋撒距離、起壟高度等農(nóng)藝要求情況下，將理論和試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到最優(yōu)試驗(yàn)結(jié)果：導(dǎo)向罩角度取為30°，葉輪轉(zhuǎn)速取為275 r/min，葉片寬度取為82 mm、葉片偏角取為–7.5°；罩角度取為62°，葉輪轉(zhuǎn)速取為314 r/min，葉片寬度取為82 mm、葉片偏角取為–7.5°，最終得到仿真結(jié)果中土壤集中度為73%和81%，拋撒距離為2 081.2 mm和979.2 mm，該兩組參數(shù)作業(yè)結(jié)果都滿足蕉園起壟的農(nóng)藝要求。本次研究從根本上驗(yàn)證了拋土機(jī)構(gòu)起壟作業(yè)的真實(shí)性和實(shí)用性，為起壟部件的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

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Design and Testing of a Monopoly Machine Throwing Mechanism for Banana Plantation with Super Wide and Narrow Row Spacing

GAO Ruitao, GAO Yu, SUN Zhiquan, CAO Can, LI Jun*

(South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

The work aims to design abanana plantation monopoly machine throwing mechanismon the basis of a large number of domestic and foreign research literature on the monopoly mechanism, combined with the new banana planting pattern and agronomic requirements, to achieve the purpose of banana plantation monopoly mechanization operation. The main working parts of the soil throwing mechanism were modeled and simulated, and the process of soil particles being thrown under the thrust of the mechanism was studied by computer simulation using EDEM. The angle of the guide hood, impeller speed, blade width and blade deflection angle were used as test factors, and the throwing distance and soil concentration rate were used as evaluation indexes to conduct single-factor and orthogonal tests to investigate the effect of the factors on the operating performance of the soil throwing and monopoly mechanism. Finally, the simulation data were analyzed using the Design-Expert data processing software to obtain the optimal combination of parameters for operation, and the optimal combination of parameters was used to produce a prototype for platform tests. The best combination of parameters for starting the monopoly was obtained by comparing the simulation test with the platform test: the angle of the guide hood was taken as 30°, the impeller speed was taken as 275 r/min, the blade width was taken as 82 mm and the blade deflection angle was taken as –7.5°; while the angle of the hood was taken as 62°, the impeller speed was taken as 314 r/min, the blade width was taken as 82 mm and the blade deflection angle was taken as –7.5°. The soil concentration was 73% and 81% respectively, and the throwing distance was 2 081.29 mm and 979.2 mm. The platform test verified that the results were within a reasonable range. Based on the comparison of simulation and platform test results, the best combination of parameters is finally obtained for the mechanism to throw the soil to meet the requirements of the banana plantation. It provides a basic reference basis for the design of "super wide and narrow row spacing" plantain plantation monopoly machinery.

throwing and monopoly mechanism; discrete element method; orthogonal test; platform test

TB472

A

1001-3563(2024)02-0273-13

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.02.029

2023-08-12

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFD2001602）；國(guó)家自然科學(xué)基金（32071913）