車載便攜式農(nóng)家肥撿拾裝置設(shè)計與試驗研究

劉宏新，王 晨，王佳興，付露露

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

車載便攜式農(nóng)家肥撿拾裝置設(shè)計與試驗研究

劉宏新，王 晨，王佳興，付露露

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

針對農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖造成的環(huán)境污染問題，設(shè)計一種可快速拆裝車載式農(nóng)家肥撿拾裝置，對其核心部件集送攪龍作機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化。通過分析裝置使用環(huán)境特點及技術(shù)要求，綜合物料受力及運(yùn)動分析確定基礎(chǔ)參數(shù)及結(jié)構(gòu)，使用CATIA（Computer aided three-dimensional interactive application）作三維模型及數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建；以攪龍螺旋直徑、收集攪龍螺距以及攪龍主軸轉(zhuǎn)速為變量，輸送量與功耗為響應(yīng)指標(biāo)，作二次正交旋轉(zhuǎn)組合EDEM（Engineering discrete element method）虛擬仿真試驗。針對5 t·h-1設(shè)計指標(biāo)，理論分析與仿真獲得攪龍參數(shù)組合為：攪龍螺旋直徑200 mm、提升攪龍螺距160 mm、收集攪龍螺距120 mm、攪龍主軸轉(zhuǎn)速107 r·min-1，功耗1.118 kW。樣機(jī)試驗結(jié)果表明，分段式集送攪龍總體技術(shù)方案以及快速拆裝形式可滿足農(nóng)家肥撿拾需求，具有良好使用環(huán)境適應(yīng)性，研究為攪龍機(jī)構(gòu)拓展應(yīng)用提供借鑒與參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；畜禽養(yǎng)殖；農(nóng)家肥撿拾；車載式；快速拆裝；集送攪龍

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)追求高產(chǎn)、高效，經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使與短平快生產(chǎn)習(xí)慣使農(nóng)家肥使用與生物資源循環(huán)應(yīng)用進(jìn)展緩慢。農(nóng)民忽視或無法利用農(nóng)家肥不僅造成環(huán)境污染，同時大量使用化肥引發(fā)土壤板結(jié)等問題。農(nóng)家肥合理利用是綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)重要途徑與特征之一。

目前，農(nóng)家肥收集尚處于人工撿拾階段，效率較低，使用裝載機(jī)等工程類設(shè)備成本高，環(huán)境適應(yīng)性差。提供適用收集裝備是棄廢物肥源利用與工程應(yīng)用前提。

國內(nèi)學(xué)者研究撿拾裝置主要針對牧草、秸稈、花生等農(nóng)作物。王振華等研究方草捆壓捆機(jī)撿拾器[1]，王國權(quán)等研究秸稈撿拾打捆機(jī)均采用滑道滾筒彈齒方式作撿拾[2]；尚書旗等研究花生撿拾收獲機(jī)采用鏈?zhǔn)侥猃垙楜X方式作撿拾[3]；衣淑娟研究豆類撿拾脫粒機(jī)采用撥指式方式作撿拾[4]；石磊等研究油菜分段收獲機(jī)采用齒帶式方式作撿拾[5]。對于法國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家來說，畜禽養(yǎng)殖集約化規(guī)模化程度高，各項基礎(chǔ)設(shè)施與配套裝備完善，動物糞便處理采用發(fā)酵、分解提煉等方式處理后作為有機(jī)肥施入土壤，具有很高的使用價值[6]。而對于撿拾裝置研究也僅限于牧草、秸稈等[7-8]，大多采用彈齒滾筒式撿拾裝置，如NEW HOLLAND生產(chǎn)的撿拾裝置采用曲線結(jié)構(gòu)彈齒，可以撿拾秸稈較短作物[9]；CLAAS KGaA mbH為保證撿拾率，設(shè)計彈齒前端為鉤形撿拾裝置[10]。

綜上，現(xiàn)有裝置及相關(guān)研究均針對作物或秸桿撿拾，無法應(yīng)用于農(nóng)家肥。本研究以集送攪龍為核心撿拾部件，利用快速折裝機(jī)構(gòu)將其安裝于農(nóng)閑拖拉機(jī)或農(nóng)用車，構(gòu)成作業(yè)機(jī)組，專用于農(nóng)村道路及兩側(cè)邊溝散落農(nóng)家肥收集，充分利用現(xiàn)有動力資源并實現(xiàn)新作業(yè)功能。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計采用便攜車載式技術(shù)方案，裝置可掛接于各類農(nóng)用車箱一側(cè)，采用可快速拆裝設(shè)計。動力方面，對于拖拉機(jī)牽引掛車組直接利用拖拉機(jī)液壓輸出動力，對其他農(nóng)用汽車，在變速箱上增設(shè)分動器（一般貨車變速箱均設(shè)置動力取出檢視口，提供相應(yīng)取力裝置，易于實現(xiàn)）構(gòu)成液壓驅(qū)動源，驅(qū)動撿拾裝置工作。該撿拾裝置主要組成部分：撿拾及輸送分段式集送攪龍1、掛接拆裝架2以及收放機(jī)構(gòu)3，組成如圖1所示。

1.2 工作原理

農(nóng)家肥撿拾裝置在收集散落及堆積路邊或兩側(cè)邊溝內(nèi)肥料時，通過液壓缸驅(qū)動將圖1運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換為圖2所示工作狀態(tài)。車輛前進(jìn)過程中，收集攪龍11放置在堆積肥料路面或探入邊溝13內(nèi)，肥料由收集攪龍收集并輸送至提升攪龍6，再由提升攪龍輸送至車箱4，完成農(nóng)家肥撿拾過程。此時將傾斜液壓缸5、調(diào)整液壓缸10設(shè)置為浮動狀態(tài)，配合收集攪龍仿形滑靴12，遇到起伏時收集攪龍可繞兩段攪龍筒球鉸9擺動，同時提升攪龍通過與之連接滑道8沿著滑輪7上下滑動，成為具有聯(lián)動作用仿形機(jī)構(gòu)，適應(yīng)復(fù)雜地面狀況。

圖1 車載式農(nóng)家肥撿拾裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of in-vehicle collecting devicewith farmyard manure

圖2 車載式農(nóng)家肥撿拾裝置工作狀態(tài)Fig.2 Working condition of in-vehiclecollecting devicewith farmyard manure

2 關(guān)鍵部件

2.1 快速拆裝架

快速拆裝架用于固定撿拾裝置，操作簡便，可隨時改裝農(nóng)用車輛，并在工作過程中調(diào)節(jié)出料口位置?？焖俨鹧b架主要由兩個對置夾板1、2，擰緊螺栓3，支撐板4、5以及接觸輪6、7組成，如圖3所示。對置夾板通過上部螺栓改變夾持狀態(tài)，實現(xiàn)快速拆裝。接觸輪便于將拆裝架在車箱上移動，改變撿拾裝置及出料口位置。兩個支撐板焊接在夾板1一側(cè)，連接收放機(jī)構(gòu)。

2.2 收放機(jī)構(gòu)

收放機(jī)構(gòu)控制集送攪龍在運(yùn)輸狀態(tài)與工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，由滑道1、滑輪2、傾斜液壓缸3和擺動液壓缸5組成，如圖4所示。集送攪龍連接在位置4處。傾斜液壓缸將集送攪龍置于傾斜位置，再通過擺動液壓缸逆時針旋轉(zhuǎn)90°，使撿拾裝置由圖1所示運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換為圖2所示工作狀態(tài)。

圖3 快速拆裝架Fig.3 Celerity assembling and disassembling frame

圖4 收放機(jī)構(gòu)Fig.4 Frapping and releasing mechanism

2.3 集送攪龍

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

集送攪龍是農(nóng)家肥撿拾裝置核心工作部件，由收集攪龍與提升攪龍組成，如圖5所示。兩個攪龍軸6、10使用萬向節(jié)7連接，兩個攪龍筒采用球形鉸接。收集攪龍葉片1帶有破碎爪2，攪龍筒9為半開放狀態(tài)，下部裝有仿形滑靴8，作業(yè)時物料通過開放筒側(cè)喂入，未進(jìn)入物料切面封閉攪龍筒，如圖5b所示，形成完整功能結(jié)構(gòu)，保證集送攪龍輸送作用。提升攪龍葉片4在球形鉸接處為無軸式攪龍葉片，增加折邊結(jié)構(gòu)以利于物料過渡喂入。

2.3.2 基礎(chǔ)受力與運(yùn)動分析

螺旋輸送機(jī)在輸送物料過程中，物料受旋轉(zhuǎn)螺旋葉片作用，并非單純直線推進(jìn)運(yùn)動，而是一種空間運(yùn)動。當(dāng)螺旋面升角展開時，螺旋線用一條斜直線表示[11]，則旋轉(zhuǎn)螺旋面作用于半徑為r處物料顆粒受力及運(yùn)動如圖6所示。

圖5 集送攪龍F(tuán)ig.5 Collecting and transporting auger

圖6 顆粒在集送攪龍中受力及運(yùn)動Fig.6 Forceand motion of particle in screw blade of collecting and transporting auger

由圖6a可得物料在收集攪龍螺旋葉片上力學(xué)方程：

式中，μ為物料與攪龍螺旋葉片摩擦系數(shù)；ω為物料在收集攪龍螺旋葉片上角速度（rad·s-1）；g為重力加速度（m ·s-2）。

將式（2）代入（1）得：

由圖6b獲得物料在收集攪龍螺旋葉片上運(yùn)動學(xué)方程：

其中：

式中，n為攪龍轉(zhuǎn)速（r·min-1）。

將式（5）代入式（4）可得：

物料沿收集攪龍軸向方向運(yùn)動速度為：

如圖6c所示，物料顆粒在提升攪龍螺旋葉片上力學(xué)方程：

同理，物料在提升攪龍螺旋葉片上運(yùn)動角速度：

式中ω'為顆粒在提升攪龍螺旋葉片上運(yùn)動角速度（rad·s-1）；

由圖6d同理可得，物料顆粒沿提升攪龍軸線方向運(yùn)動速度：

當(dāng)提升攪龍軸向輸送速度大于或等于水平收集攪龍軸向輸送速度（V1'≥V1）時，不存在堵料、推料等現(xiàn)象，即滿足公式（11）：

在收集攪龍與提升攪龍鉸接處，物料與攪龍螺旋葉片受力及運(yùn)動學(xué)分析如圖6所示，當(dāng)物料沿收集攪龍軸線運(yùn)送到兩段式攪龍連接球鉸處，提升攪龍段無軸式葉片則向上連續(xù)提升物料，滿足公式（11）時，可以保證物料連續(xù)傳遞與正常輸送。

2.3.3 狀態(tài)與結(jié)構(gòu)參數(shù)

攪龍輸送量基本函數(shù)關(guān)系如式（12）所示[12]。

式中：Q為輸送量（t·h-1）；D為攪龍螺旋直徑（m）；s為螺距（m）；n為攪龍主軸轉(zhuǎn)速（r·min-1）；φ為填充系數(shù)（物料堆集截面積和攪龍截面積比），與提升攪龍傾角有關(guān)；C為傾斜系數(shù)，與攪龍傾角有關(guān)；ρ為單位容積質(zhì)量（t·m-3）。

由式（1）可知，影響輸送量因素較多，且部分因素相互關(guān)聯(lián)。因此，為合理設(shè)計攪龍，本文分析集送攪龍應(yīng)用環(huán)境，確定初始設(shè)計參數(shù)及關(guān)聯(lián)參數(shù)取值。因兩段式集送攪龍作業(yè)能力取決于傾斜提升攪龍，參數(shù)計算均以提升攪龍為準(zhǔn)，水平布置收集攪龍參數(shù)配合性調(diào)整。

2.3.3.1 提升攪龍傾角

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[13]，農(nóng)村單車道寬度為3.5 m，農(nóng)用車輛常見車箱高度H為1.5 m，寬度B為1.8 m，撿拾裝置在工作過程中車與邊溝邊緣預(yù)留S=0.5 m安全距離，如圖7a所示，此時對應(yīng)提升攪龍傾角θ圓整為70°；當(dāng)車輛與一側(cè)邊溝距離增大時，同樣應(yīng)與另一側(cè)邊溝保持0.5 m安全距離，如圖7b所示，此時S'=1.2 m，對應(yīng)提升攪龍傾角θ'圓整為50°。因此，提升攪龍傾角范圍為50°～70°。

2.3.3.2 攪龍螺旋直徑

攪龍螺旋直徑根據(jù)式（13）作計算[12]。

式中：Q為輸送量（t·h-1），本文初始設(shè)計輸送量為5 t·h-1；K為物料特性系數(shù)，農(nóng)家肥屬于無磨琢性物料取K=0.0490[14]；ρ為單位容積質(zhì)量（t·m-3），ρ=0.80[15]。

圖7 車載式農(nóng)家肥撿拾裝置工作狀態(tài)Fig.7 Working condition schematic of in-vehicle collecting device with farmyard manure

提升攪龍傾斜角度越大，物料越難向上輸送，因此選取傾角為70°時，作攪龍參數(shù)設(shè)計。根據(jù)本機(jī)構(gòu)應(yīng)用特點與物料性質(zhì)，選取填充系數(shù)φ提升=0.32[16]，傾斜系數(shù)C提升=0.58[16]，經(jīng)式（13）計算獲得攪龍螺旋直徑D為200.04 mm，將其圓整為200 mm。

2.3.3.3 提升攪龍螺距

提升攪龍螺距根據(jù)式（14）作計算[14]。

式中：s提升為提升攪龍螺距（m）；ks為提升攪龍螺距與螺旋直徑比值，與物料性質(zhì)有關(guān)，通常取0.7～1.0，對于摩擦力系數(shù)較大物料，取值在0.7～0.8，對于流動相較好的易于流散物料，取最大值1，本文取ks=0.8。

計算得提升攪龍螺距s提升=160 mm。

2.3.3.4 攪龍軸直徑

攪龍軸直徑根據(jù)式（15）作計算[12,16]。

為保證螺旋軸較好剛性，取系數(shù)為0.3，則d為60 mm。

2.3.3.5 攪龍主軸轉(zhuǎn)速

攪龍主軸轉(zhuǎn)速由公式（16）得：

計算轉(zhuǎn)速值為111.95 r·min-1。

2.3.3.6 收集攪龍螺距

水平收集與傾斜提升兩段攪龍狀態(tài)輸送能力存在差異，為避免攪龍連接處發(fā)生堵塞，設(shè)計時收集攪龍螺距應(yīng)小于提升攪龍螺距，如式（17）所示。

2.3.3.7 攪龍長度

運(yùn)輸時攪龍掛接在車廂上，工作時需根據(jù)溝渠深度，拖車高度調(diào)整攪龍位置達(dá)到收集目的?；谇笆霭惭b平臺及作業(yè)環(huán)境，本文將收集攪龍長度設(shè)計為0.5 m，提升攪龍長度為2.5 m。

3 離散元仿真試驗設(shè)計與分析

為探究分段式攪龍結(jié)構(gòu)可行性及參數(shù)計算準(zhǔn)確性，運(yùn)用離散元仿真軟件EDEM（Engineering Discrete Element Method）[17-19]模擬攪龍實際工作過程；應(yīng)用Design-Expert 8.0軟件設(shè)計仿真試驗。根據(jù)預(yù)仿真分析，選取收集攪龍螺距、攪龍螺旋直徑及攪龍主軸轉(zhuǎn)速為仿真試驗影響因素，以輸送量及功耗作為響應(yīng)指標(biāo)，設(shè)計二次正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗[26]。通過響應(yīng)曲面圖分析各因素對響應(yīng)指標(biāo)影響規(guī)律，建立目標(biāo)函數(shù)，獲得最佳參數(shù)。

3.1 模型建立

3.1.1 接觸模型

本文使用離散元仿真分析軟件EDEM對集送攪龍工作過程作仿真分析，考慮邊溝內(nèi)農(nóng)家肥混有污泥及作物秸稈等物質(zhì)，成分復(fù)雜且粘稠，使用Hertz-Mindlin with JKR模型，該模型是一個凝聚力接觸模型，常用于模擬黏土等具有粘結(jié)性含濕性物料。通過參數(shù)匹配方法確定表面粘附能（Surface Energy）。綜合考慮設(shè)置其全局變量[21-25]如表1所示。

表1 全局變量參數(shù)設(shè)置Table 1 Pre-treatment parameters setting

3.1.2 肥料顆粒模型建立

在仿真模型中，將顆粒簡化為軟球模型[26-27]，創(chuàng)建球形農(nóng)家肥顆粒體，參照土壤粒徑設(shè)置農(nóng)家肥顆粒體半徑為3 mm[28-29]，材料選取全局變量所設(shè)置農(nóng)家肥顆粒并自動獲取其余屬性。顆粒類型選擇隨機(jī)分布。

3.1.3 攪龍模型

在 CATIA（Computer Aided Three-dimensional Interactive Application）軟件中創(chuàng)建車載式農(nóng)家肥撿拾裝置三維模型，為便于分析計算，去除模型中與接觸無關(guān)結(jié)構(gòu)，將其存儲為.stp格式導(dǎo)入EDEM中。將收集攪龍螺旋組件和提升攪龍螺旋組件設(shè)置為轉(zhuǎn)動件，定義其材料和類型，分別設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸位置、方向和轉(zhuǎn)動初速度與開始時間，將溝渠設(shè)置為固定件。設(shè)定攪龍前進(jìn)速度為2.3 km·h-1[4,30]，開始前進(jìn)時間與攪龍轉(zhuǎn)動開始時間相同。

3.1.4 顆粒工廠創(chuàng)建

創(chuàng)建虛擬顆粒工廠，動態(tài)生成農(nóng)家肥顆粒，設(shè)定生成顆?？倲?shù)量2×106個，生成速率每秒5×105個，顆粒大小服從正態(tài)分布，使其均布在溝槽內(nèi)，尺寸為長×寬×高：6 m×0.5 m×0.1 m。

3.1.5 其他參數(shù)設(shè)定

在仿真過程中，設(shè)置固定時間步長為Reyleigh（瑞麗）時間步長15%[31]，數(shù)據(jù)保存間隔為0.02 s，網(wǎng)格設(shè)為最小顆粒尺寸2倍[32-33]。

3.1.6 后處理設(shè)置

在后處理Binning（方格設(shè)置）模塊中，攪龍出料口處建立一個Grid bin group（網(wǎng)格狀方格組），記錄并實時顯示進(jìn)入其間農(nóng)家肥質(zhì)量，為后續(xù)輸送量統(tǒng)計提供依據(jù)。后處理過程中截取圖像如圖8所示。

圖8 后處理過程圖像Fig.8 Screenshotsof post-processing

3.2 仿真試驗設(shè)計

3.2.1 二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計

由前文理論分析及單因素預(yù)試驗可知，攪龍螺旋直徑，攪龍主軸轉(zhuǎn)速，收集攪龍螺距對物料輸送有重要影響。結(jié)合理論分析與預(yù)試驗結(jié)果，設(shè)置各因素水平范圍：攪龍螺旋直徑175～225 mm，攪龍主軸轉(zhuǎn)速100～120 r·min-1，收集攪龍螺距60～180 mm。各因素水平編碼如表2所示。

表2 仿真試驗因素水平及編碼Table 2 Coded and levelsof simulation test factors

計算裝置所產(chǎn)生總功耗，作為參數(shù)組合選取輔助響應(yīng)指標(biāo)。響應(yīng)指標(biāo)設(shè)定為輸送量和功耗。分段式攪龍總功耗計算如公式（18）所示[12]。

式中，P總為分段式攪龍總功耗（kW）；P收集為收集攪龍功耗（kW）；P提升為提升攪龍功耗（kW）；L收集為收集攪龍輸送長度（0.5 m）；L提升為提升攪龍輸送水平投影長度（0.855 m）；H為提升高度（2.35 m）；Q為輸送量（t·h-1）；η止為考慮止推或徑向軸承阻力系數(shù)（0.87）；μ外物料與殼體間摩擦系數(shù)及與螺旋葉片表面摩擦系數(shù)平均值（0.6）；k0為考慮物料內(nèi)部顆粒摩擦及攪拌引起阻力系數(shù)（1.2）；ω為物料阻力系數(shù)（9）；k1為與填充系數(shù)有關(guān)系數(shù)（0.8）；η收集為收集攪龍螺旋效率；η提升為提升攪龍螺旋效率。其中，η收集，η提升計算如式（19）所示：

式中，α收集為收集攪龍螺旋葉片平均升角（°）；α提升為提升攪龍螺旋葉片平均升角（°）；

其中α收集，α提升計算如式（20）所示[12]：

式中，rd為攪龍軸半徑（m）；rD為攪龍螺旋半徑（m）；s收集為收集攪龍螺距（m）；s提升為提升攪龍螺距（m）。

仿真試驗結(jié)果如表3所示。

表3 仿真試驗結(jié)果Table3 Resultsof thesimulation experiments

3.2.2 仿真試驗結(jié)果分析與回歸數(shù)學(xué)模型建立

應(yīng)用Design-Expert 8.0軟件[34-37]對各因素作方差分析，如表4所示。

表4 方差分析Table4 Variance analysis

由表4可知，攪龍螺旋直徑，攪龍主軸轉(zhuǎn)速及收集攪龍螺距對輸送量影響均極顯著（P＜0.01）且三因素對輸送量影響依次為攪龍主軸轉(zhuǎn)速＞收集攪龍螺距＞攪龍螺旋直徑；收集攪龍螺距與攪龍主軸轉(zhuǎn)速交互項（BC），攪龍螺旋直徑與收集攪龍螺距交互項（AB）對輸送量影響作用顯著（0.01＜P＜0.05）；攪龍螺旋直徑與攪龍主軸轉(zhuǎn)速交互項（AC），攪龍螺旋直徑二次項A2，收集攪龍螺距二次項B2，攪龍主軸轉(zhuǎn)速二次項C2對輸送量影響不顯著（P＞0.1）；整體模型極顯著，失擬項不顯著，模型擬合良好。

剔除不顯著影響項，獲得對于輸送量回歸方程如式（21）所示。

攪龍螺旋直徑，攪龍主軸轉(zhuǎn)速及收集攪龍螺距對功耗影響均極顯著（P＜0.01）且三因素對功耗影響依次為攪龍主軸轉(zhuǎn)速＞收集攪龍螺距＞攪龍螺旋直徑；攪龍螺旋直徑與收集攪龍螺距交互項（AB），收集攪龍螺距與攪龍主軸轉(zhuǎn)速交互項（BC）對功耗影響較顯著（0.05＜P＜0.1），攪龍螺旋直徑與攪龍主軸轉(zhuǎn)速交互項（AC），攪龍螺旋直徑二次項A2，收集攪龍螺距二次項B2，攪龍主軸轉(zhuǎn)速二次項C2對功耗影響不顯著（P＞0.1）；整體模型極顯著，失擬項不顯著，模型擬合良好。

剔除不顯著影響項，獲得對于功耗回歸方程如式（22）所示。

3.2.3 響應(yīng)曲面分析

各因素對輸送量與功耗影響響應(yīng)曲面見圖9。

圖9 各因素對輸送量與功耗影響響應(yīng)曲面圖Fig.9 Responsesurface of every factor on conveying capacity and power consumption

3.2.3.1 各因素對輸送量影響分析

當(dāng)攪龍主軸轉(zhuǎn)速為110 r·min-1時，收集攪龍螺距和攪龍螺旋直徑對輸送量影響如圖9a所示。當(dāng)攪龍螺旋直徑一定時，輸送量隨收集攪龍螺距增加而變大；當(dāng)收集攪龍螺距一定時，輸送量隨著攪龍螺旋直徑增大而增大；當(dāng)攪龍螺旋直徑增大時，輸送量隨收集攪龍螺距增大，增長趨勢變大；收集攪龍螺距對輸送量影響大于攪龍螺旋直徑對輸送量影響；當(dāng)收集攪龍螺距在90～150 mm，攪龍螺旋直徑在187.5～212.5 mm時，輸送量接近5 t· h-1。

當(dāng)收集攪龍螺距為120 mm時，攪龍主軸轉(zhuǎn)速與攪龍螺旋直徑對輸送量影響如圖9b所示。當(dāng)攪龍螺旋直徑一定時，輸送量隨著攪龍主軸轉(zhuǎn)速增大而增大；攪龍主軸轉(zhuǎn)速對輸送量影響大于攪龍螺旋直徑對輸送量影響；當(dāng)攪龍主軸轉(zhuǎn)速在105～115 r·min-1，螺旋直徑在187.5～212.5 mm時，輸送量接近5 t· h-1。

當(dāng)攪龍螺旋直徑為200 mm時，收集攪龍螺距與攪龍主軸轉(zhuǎn)速對輸送量影響如圖9c所示。攪龍主軸轉(zhuǎn)速對輸送量影響大于收集攪龍螺距對輸送量影響。

3.2.3.2 各因素對功耗影響分析

當(dāng)攪龍主軸轉(zhuǎn)速為110 r·min-1時，收集攪龍螺距和攪龍螺旋直徑對功耗影響如圖9d所示。當(dāng)收集攪龍螺距一定時，攪龍螺旋直徑越大，功耗越大；當(dāng)攪龍螺旋直徑一定時，收集攪龍螺距越大，功耗越大；當(dāng)攪龍直徑增加時，功耗隨著收集攪龍螺距增大，增長趨勢越來越明顯；當(dāng)收集攪龍螺距增加時，功耗隨著攪龍螺旋直徑增大，增長趨勢越來越大；收集攪龍螺距對功耗影響大于攪龍螺旋直徑對功耗影響。

當(dāng)收集攪龍螺距為120 mm時，攪龍主軸轉(zhuǎn)速和攪龍螺旋直徑對功耗影響如圖9e所示。當(dāng)攪龍螺旋直徑一定時，攪龍主軸轉(zhuǎn)速越大，功耗越大；攪龍主軸轉(zhuǎn)速對功耗影響大于攪龍螺旋直徑對功耗影響。

當(dāng)攪龍螺旋直徑為200 mm時，攪龍主軸轉(zhuǎn)速及收集攪龍螺距對功耗影響如圖9f所示。攪龍主軸轉(zhuǎn)速對功耗影響大于收集攪龍螺距對功耗影響。

3.2.4 參數(shù)優(yōu)化

定義輸送量為主要響應(yīng)指標(biāo)，功耗作為輔助響應(yīng)指標(biāo)。根據(jù)圖9響應(yīng)曲面分析，確定各參數(shù)最優(yōu)取值域，確定目標(biāo)函數(shù)，如式（23）所示。

選取輸送量與初始定義量5 t·h-1相等且此時功耗最小最優(yōu)參數(shù)組合，并滿足各邊界條件，最優(yōu)參數(shù)組合：攪龍螺旋直徑203.83 mm，收集攪龍螺距119.35 mm，攪龍主軸轉(zhuǎn)速107.22 r·min-1，此時可信度為1，功耗為1.147 kW。根據(jù)螺旋標(biāo)準(zhǔn)[11-12,14]及工藝要求，對各參數(shù)作圓整，攪龍螺旋直徑為200 mm，收集攪龍螺距為120 mm，攪龍主軸轉(zhuǎn)速為107 r·min-1，并以該組參數(shù)作仿真驗證計算輸送量為4.94 t·h-1，與設(shè)計值誤差為1.2%，滿足要求，計算功耗值為1.118 kW。

4 樣機(jī)試制與試驗

加工樣機(jī)并安裝，試驗樣機(jī)采用電動機(jī)為動力，變頻調(diào)速。樣機(jī)及部分試驗儀器參數(shù)如表5所示。樣機(jī)及試驗過程如圖10所示。

表5 樣機(jī)及試驗儀器參數(shù)Table5 Parametersof prototypeand experiment instruments

圖10 樣機(jī)及試驗Fig.10 Prototype and testing

根據(jù)設(shè)計背景及設(shè)計目標(biāo)，試驗為針對環(huán)境自然路面，砂土成分，略有起伏及坑洼。物料為自然堆放并發(fā)酵農(nóng)家肥，含水率為43%，單位容積質(zhì)量為0.8 t·m-3，按設(shè)計工況調(diào)整作業(yè)參數(shù)（車輛前進(jìn)速度2.3 km·h-1，攪龍主軸轉(zhuǎn)速107 r·min-1），重點觀察裝置工作過程及適用性，測量收集與輸送量。樣機(jī)試驗表明，技術(shù)方案可行，實現(xiàn)設(shè)計功能。輸送量五次試驗均值為4.65 t·h-1。試驗輸送量誤差由實際路面存在起伏與物料堆積狀態(tài)等，以及理論計算與虛擬仿真差異形成，通過轉(zhuǎn)速適當(dāng)上調(diào)可達(dá)到設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

a.由收集攪龍與提升攪龍組成串聯(lián)式集送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，滿足收集并輸送聯(lián)合作業(yè)要求；快速拆裝安裝形式適合農(nóng)村配套動力特點，低成本、操作便捷；收放機(jī)構(gòu)及串聯(lián)攪龍球形鉸接提供復(fù)合仿形功能，保證裝置對工作環(huán)境具有良好適應(yīng)性。

b.回歸方程分析表明，在仿真試驗參數(shù)取值域內(nèi)，影響裝置輸送量及功耗主次順序為攪龍主軸轉(zhuǎn)速，收集攪龍螺距、攪龍螺旋直徑。

c.對于5 t·h-1設(shè)計目標(biāo)，優(yōu)化后集送攪龍結(jié)構(gòu)及作業(yè)參數(shù)為：攪龍螺旋直徑200 mm，提升攪龍螺距160 mm，收集攪龍螺距120 mm，攪龍主軸轉(zhuǎn)速為100～120 r· min-1。

[1] 王振華,王德成,劉貴林,等.方草捆壓捆機(jī)撿拾器參數(shù)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2010,41(增)：107-109.

[2] 王國權(quán),余群,卜云龍,等.秸稈撿拾打捆機(jī)設(shè)計及撿拾器的動力學(xué)仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2001,32(5)：59-61.

[3] 王東偉,尚書旗,韓 坤.4HJL-2型花生撿拾摘果聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(11)：27-36.

[4] 衣淑娟.豆類自走式撿拾脫粒機(jī)的設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2005(2)：9-10.

[5] 石磊,吳崇友,梁蘇寧,等.油菜分段收獲齒帶式撿拾器的設(shè)計與試驗[J].中國農(nóng)機(jī)化,2011(4)：75-78,82.

[6]Loyon L.Overview of manure treatment in France[J].Waste Management,2017,61：516-520.

[7]Cuplin C.Farm machinery(11th edition)[M].London：Crosby Lockwood Staples,1986.

[8]Phipps L J.Mechanics in agriculture(Third edition)[M].Danville：The Interstate Printers and Publishing,1983.

[9] 朱鳳芹.紐荷蘭牧草與青貯機(jī)械[J].養(yǎng)殖技術(shù)顧問,2006(4)：52-53.

[10] 袁天佐,陳清,李志國.國外兩種牧草機(jī)械簡介[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2004(4)：65.

[11] 洪志育,林良明.連續(xù)運(yùn)輸機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1982.

[12] 王鷹.連續(xù)輸送機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：中國鐵道出版社,2001.

[13] 中建標(biāo)公路委員會,公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2014)[S].北京：人民交通出版社,2014.

[14] 蔣瓊珠.連續(xù)運(yùn)輸機(jī)[M].北京：人民交通出版社,1986.

[15] 施繼紅.農(nóng)家肥撒施機(jī)工作部件的試驗研究[D].長春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),2002.

[16] 賈朝斌.螺旋輸送機(jī)參數(shù)設(shè)計及其優(yōu)化方法研究[D].太原：太原理工大學(xué),2015.

[17] 馬征,李耀明,徐立章.農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域顆粒運(yùn)動研究綜述[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2013,44(2)：22-29.

[18] 王福林,尚家杰,劉宏新,等.EDEM顆粒體仿真技術(shù)在排種機(jī)構(gòu)研究上的應(yīng)用[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,44(2)：110-114.

[19] 王希英,王金武,唐漢,等.勺式精量玉米排種器取種凹勺改進(jìn)設(shè)計與試驗[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,46(12)：79-85.

[20] 袁志發(fā),周靜芋.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析[M].北京：高等教育出版社,2000.

[21] Liedekerke P V,Tijskens E,Ramon H.Discrete element simulations of the influence of fertilizer physical properties on the spread pattern from spinning disc spreaders[J].Biosystems Engineering,2009,102(4)：392-405.

[22] Lv H,Yu J,Fu H.Simulation of the operation of a fertilizer spreader based on anouter groove wheel using a discrete element method [J].Mathematical& Computer Modelling,2013,58(3-4)：836-845.

[23] Shimizu Y,Cundall P A.Three-dimensional DEM simulations of bulk handling by screw conveyors[J].Journal of engineering mechanics,2001,127(9)：864-872.

[24] 王金武,王奇,唐 漢,等.水稻秸稈深埋整稈還田裝置設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2015,46(9)：112-117.

[25] 于群,錢立彬,于文靜,等.開溝器工作阻力的離散元法仿真分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報.2009,40(6)：53-57.

[26] 羅勇,龔曉南,吳瑞潛.顆粒流模擬和流體與顆粒相互作用分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版,2007,41(11)：1932-1936.

[27] 孫其誠,王光謙.顆粒物質(zhì)力學(xué)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[28] 黃玉祥,杭程光,苑夢嬋,等.深松土壤擾動行為的離散元仿真與試驗[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2016,47(7)：80-88.

[29] 邵明安,王全九,黃明斌.土壤物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2006.

[30] 許濤,沈永哲,高連興,等.基于兩段收獲的彈齒式花生撿拾機(jī)構(gòu)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2016,47(3)：90-97.

[32] Hou Q F,Dong K J,Yu A B.DEM study of the flow of cohesive particles in a screw feeder[J].Powder Technology,2014,256(2)：529-539.

[33] Kretz D,Callau-Monje S,Hitschler M,et al.Discrete element method(DEM)simulation and validation of a screw feeder system[J].Powder Technology,2016,287：131-138.

[34]陳海濤,董冰哲,柴譽(yù)鐸,等.秸稈纖維制取機(jī)配套強(qiáng)制喂料裝置的優(yōu)化設(shè)計及試驗[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,48(7)：83-90.

[35] 陳海濤,苗乃彪,董冰哲,等.D200型秸稈纖維制取機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,46(7)：90-94.

[36] 張微微,張永根,劉震,等.響應(yīng)面法優(yōu)化馬鈴薯渣固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)奶牛飼料工藝條件研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,44(12)：113-118.

[37] 郭麗峰,劉宏新,賈儒,等.基于仿真與試驗的可變型孔立式復(fù)合大豆種盤參數(shù)優(yōu)化[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,47(3)：64-71.

Design and experiment study on portable in-vehicle device of farmyard manure collecting/

LIU Hongxin,WANG Chen,WANG Jiaxing,FU Lulu
(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin,150030,China)

An in-vehicle collecting device which could be assembled and disassembled quickly was designed to solve the problem that the dung which was produced by livestock and poultry breeding was piled up on the road and ditches for a long time,which brought out a number of serious environmental pollution problems.Mechanism analysis and parameter optimization with its key part collecting and transporting auger were made.According to analyse of using environment features and the requirements of technology,basic parameters and structure could be confirmed by comprehensive material stress and motion analysis,threedimensional model and digital prototyping could be made by using CATIA(Computer Aided Threedimensional Interactive Application)software.The pitch of collecting auger,screw diameter of auger androtational speed of auger were chosen as simulation experiment factors,conveying capacity and power consumption were chosen as response indexes,a quadratic orthogonal rotation EDEM(Engineering Discrete Element Method)virtual simulation experiment was designed.The theoretical analysis and simulation results showed that for 5 t·h-1design index,the parameters of auger were as the followings：screw diameter of auger was 200 mm,the pitch of lifting auger was 160 mm,the pitch of collecting auger was 120 mm,rotational speed of auger main shaft was 107 r·min-1,and power consumption was 1.118 kW.The results of the prototype test showed that the overall technical scheme and the celerity assembly and disassembly form could meet the demand of manure,which also had good adaptability to the environment.The research provides an effective reference for the application and research.

agricultural machinery;livestock and poultry breeding;collecting of farmyard manure;invehicle;celerity disassembling and assembling;collecting and transporting auger

S224.2

A

1005-9369（2017）09-0059-13

時間 2017-10-20 12：50：39 [URL]http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20171020.1250.002.

劉宏新,王晨,王佳興,等.車載便攜式農(nóng)家肥撿拾裝置設(shè)計與試驗研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,48(9)：59-71.

Liu Hongxin,Wang Chen,Wang Jiaxing,et al.Design and experiment study on portable in-vehicle device of farmyard manure collecting[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(9)：59-71.(in Chinese with English abstract)

2017-09-12

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201303011）

劉宏新（1971-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)與裝備、數(shù)字化設(shè)計與數(shù)字資源管理、車輛工程。E-mail：Lcc98@neau.edu.cn