曲柄摇杆-钉齿输送协同铺设草方格装置设计与试验

Design and test of crank‑rocker‑peg‑tooth conveyor synergistic grass‑square‑laying device

摘要

为解决现有以散长草为原材料的草方格沙障打散输送装置效果不佳、秸秆铺设不均匀等问题，结合稻草秸秆特性和多级摇杆打散机构的受力，确定结构参数；明晰影响打散铺设性能的因素为曲柄半径、曲柄转速和拨草间隙，并采用单因素试验确定取值范围；利用EDEM-RecurDyn耦合方法，以稻草铺设秸秆质量均匀度和沙障孔隙度为试验指标，曲柄转速、曲柄半径和拨草间隙为试验因素，进行响应面优化试验，探究秸秆微观运动和受力等变化规律。结果表明：最优参数组合为，曲柄转速200 r/min、曲柄半径44 mm、拨草间隙48.6 mm，秸秆质量均匀度88.8%，沙障孔隙度25%；田间试验秸秆质量均匀度平均值为86.96%、沙障孔隙度为26.05%，满足机械化铺设草方格要求。

Abstract

To solve the problem of the poor effect of the existing straw square lattice sand barrier dispersing and conveying device with loose long grass as the raw material and uneven straw laying， combined with the characteristics of straw and multi-stage crank dispersing mechanism force， the structural parameters are specified， the factors affecting the performance of dispersing and laying for the crank radius， crank rotation speed and grass clearance are clarified， and the ranges of values are determined by using a single-factor test. Using the EDEM-RecurDyn coupling method， the response surface optimization test is carried out by exploring the changing rules of straw micro-motion and force with straw laying quality uniformity and sand barrier porosity as test indexes， and crank speed， crank radius and grass clearance as test factors. The results show that the optimal parameter combination is as follows： the crank speed of 200 r/min， crank radius of 44 mm， toggle clearance of 48.6 mm， strw quality uniformity of 88.8%， sand barrier porosity of 25%， field test straw quality uniformity average value of 86.96%， sand barrier porosity of 26.05%. The combination meets the requirements of the mechanized paving of grass square grid.

Graphical abstract

关键词

草方格 / 铺设机构 / 柔性秸秆 / 响应面优化

Key words

grass square / laying mechanism / flexible straw / Response surface optimization

稻草秸秆是一种易获取且储量丰富的草方格沙障原材料，经压制成型后的沙障不仅经济适用且环保可持续。机械化铺设散长草秸秆作为防风固沙中的关键一环，能有效减轻劳作强度、提升作业效率。但目前草方格沙障铺设主要靠人工，劳动强度大且用工成本高，加之秸秆自身乱序性和不规则性，导致机械化沙障铺设普及面积小。现阶段草方格沙障铺设机械技术难点是长散稻草秸秆易粘结、根部和头部大小形状不一、沙漠地质结构复杂多变等，亟需深入研究稻草秸秆打散输送装置，为我国机械化铺设沙障提供更好技术支撑^［1-5］。舒庆等^［6］设计了防风固沙草方格铺设机器人，为我国机械化固沙机械的研发提供了理论基础，但预制草帘成本高、时间长。常桥墩^［7］设计了一种偏心拨齿抓草，链条输草设备，为机械化铺设长散稻草秸秆提供了新思路，但链条取草仍会堵草缠绕。郭壮等^［8］利用耦合仿真技术对固沙设备中杆式物料输送机构的运动特性进行研究分析，多连杆耦合仿真为新型固沙机械装置的研发提供了参考。长散稻草秸秆机械化铺设时，仍存在秸秆成堆堵塞、断裂以及铺设均匀度不佳^［9］。因长散稻草秸秆铺设互作复杂，单一软件难以精确表征各部件与秸秆之间的相互作用，故采用仿真软件耦合技术研究^［10］。已有研究主要集中在稻草秸秆的本征参数、减损收获和秸秆机理方面，而对以长散稻草秸秆作为原材料铺设草方格沙障的研究较少^［11-14］，现有打散输送装置仍存在打散效果不佳、秸秆铺设不均匀等问题。

本研究拟根据人工铺设稻草秸秆动作，设计一种基于曲柄摇杆机构的拨齿式秸秆打散输送装置。采用EDEM-RecurDyn耦合仿真技术确定装置主要参数，实地验证装置作业效果，以期解决打散效果不佳和秸秆不均匀的问题，为草方格沙障铺设装置设计优化提供参考依据。

1　打散输送装置结构与工作原理

设计要求：在钉齿输送带与曲柄摇杆打散装置配合作业时，机器前进速度为1.38~8.30 m/s，可实现稻草秸秆的铺设打散，秸秆铺设厚度为20~30 mm，秸秆质量均匀度>75%，孔隙度为25%~50%，满足草方格沙障技术要求。

本研究设计的小型草方格沙障铺设机的打散输送装置主要由机架、喂入装置、储料箱、发动机、多级梳分拨草齿、钉齿输送带和压草碾轮等组成，总体结构示意见图1。

将成捆长散稻草秸秆放置在喂入装置初步处理，随后秸秆被传输到打散输送装置。发动机为多级摇杆打散机构提供动力，固定在摇杆上的拨草齿往复摆动和钉齿输送带协同作用，对秸秆摊薄和打散，稻草秸秆最终以20~30 mm的厚度均匀铺设在沙面。

2　关键部件设计与秸秆受力分析

2.1　拨草齿形

为防止勾草和破坏秸秆原有状态，拨草齿端部采用圆弧仿形设计，结构参数仿照手指端部的弧度^［15］，人手指长度平均值约为87 mm，宽度15~20 mm。拨草齿截面直径太大，功耗增加易损坏；截面直径太小，强度低易断裂变形。拨草齿端部结构参数见图2，拨草齿形端部结构参数设计应满足：

（1）

式中：L₁为拨草齿端部长度，mm；L₂为拨草齿宽度，mm；D为拨草齿截面直径，mm；θ₀ 为弧度所对圆心角，（°）。由式（1）得L₁=100 mm，L₂=20 mm，D=8 mm，θ₀=120°。

2.2　多级摇杆打散机构

本研究设计的多级摇杆打散机构功能是将成捆的长散稻草秸秆打散输送。主要由曲柄、连杆、摇杆、拨草杆和挡草板构成（图3）。拨草杆长度根据稻草秸秆捆直径设计确定，本研究测得稻草秸秆捆直径约300 mm，故摇杆长（L）为300 mm，横向分布7个齿，齿间距（D₁）为200 mm，各级拨草齿间距（D₂）为500 mm。为减少拨草齿往复运动引起的气流影响打散效果，挡草板上设通风孔径φ为40 mm，孔间距（D₃）为50 mm。

曲柄转动时，固定在各级摇杆上的梳分拨草齿往复摆动并配合钉齿输送带，对秸秆进行打散输送。该机构满足余弦定理：

\left\{\begin{array}{l}{\left(\mathrm{2}c\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\frac{\psi }{\mathrm{2}}\right)}^{\mathrm{2}}={\left(b+a\right)}^{\mathrm{2}}+{\left(b-a\right)}^{\mathrm{2}}-\\ \mathrm{2}\left(b+a\right)\left(b-a\right)\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \\ {\left(b-a\right)}^{\mathrm{2}}=c^{\mathrm{2}}+d^{\mathrm{2}}-\mathrm{2}cd\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\psi }_{\mathrm{0}}\\ {\left(b+a\right)}^{\mathrm{2}}=c^{\mathrm{2}}+d^{\mathrm{2}}-\mathrm{2}cd\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left({\psi }_{\mathrm{0}}+\psi \right)\\ {\left(d-a\right)}^{\mathrm{2}}=c^{\mathrm{2}}+b^{\mathrm{2}}-\mathrm{2}cb\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\gamma }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\end{array}\right.(2)

式中：a为曲柄长度，mm；b为连杆长度，mm；c为摇杆长度，mm；d为机架长度，mm；ψ为摆动角度，（°）；θ为极位夹角，（°）；γ_min为最小传动角，（°）。

本研究设计c=300 mm，ψ=30°，行程速比系数K=1.1，γ_min=40°，该取值下，由式（2）得：a=64 mm，b=640 mm，d=500 mm，初始摆角ψ₀=86°。

2.3　秸秆受力分析

秸秆滑移距离影响秸秆打散输送效果，为探究钉齿输送带倾角与稻草秸秆打散输送过程中秸秆滑移距离的关系，对输送带上的秸秆进行受力分析。以曲柄端点A为原点，摇杆初始位置AD的延长线为x轴，垂直摇杆初始位置AD线为y轴，建立坐标系xAy；以拨草齿5与秸秆接触点O为原点，平行输送带面为x₁轴，垂直输送带面为y₁轴，建立坐标系x₁Oy₁。秸秆受力分析见图4。

采用复数矢量法对稻草秸秆受力进行分析。求解如下：

各力对D点取矩，根据\sum M_D=\mathrm{0}，并应用欧拉公式e^iθ =cosθ+isinθ，得：

l_{\mathrm{3}}\cdot F_{\mathrm{R}\mathrm{23}}=l_{\mathrm{3}}{F}_{\mathrm{R}\mathrm{23}x}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{3}}-l_{\mathrm{3}}{F_{\mathrm{R}\mathrm{23}}}_y-M_{\mathrm{r}}+\mathrm{i}(l_{\mathrm{3}}{F}_{\mathrm{R}\mathrm{23}x}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{3}}-l_{\mathrm{3}}{F}_{\mathrm{R}\mathrm{23}y}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{3}})=\mathrm{0}（3）

式中：l₃为摇杆长度，mm；F_R23为连杆2作用于摇杆3上的总反力，N；F_R12x 和F_R12y 分别为总反力F_R12沿x和y坐标轴的分力，N；M_r为摇杆上的阻力矩，N∙m；θ₃为摇杆的方位角，（°）。由式（3）实部等于0，得：

l_{\mathrm{3}}{F}_{\mathrm{R}\mathrm{23}x}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{3}}-l_{\mathrm{3}}{F_{\mathrm{R}\mathrm{23}}}_y-M_{\mathrm{r}}=\mathrm{0}（4）

各力对B点取矩，根据\sum M_B=\mathrm{0}，可得：

l_{\mathrm{2}}\cdot (-F_{\mathrm{R}\mathrm{23}})=-l_{\mathrm{2}}{F}_{\mathrm{R}\mathrm{23}x}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{2}}-l_{\mathrm{2}}{F_{\mathrm{R}\mathrm{23}}}_y\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{2}}-\mathrm{i}(l_{\mathrm{2}}{F}_{\mathrm{R}\mathrm{23}y}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{2}}-l_{\mathrm{2}}{F}_{\mathrm{R}\mathrm{23}x}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{2}})=\mathrm{0}（5）

式中：l₂为连杆长度，mm；θ₂为连杆的方位角，（°）。由式（5）实部等于0，可得：

-l_{\mathrm{2}}{F}_{\mathrm{R}\mathrm{23}x}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{2}}-l_{\mathrm{2}}{F_{\mathrm{R}\mathrm{23}}}_y\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{2}}=\mathrm{0}（6）

式（4）和（6）联立求解得：

\left\{\begin{array}{l}{F}_{\mathrm{R}\mathrm{23}x}=\frac{{F_{\mathrm{R}\mathrm{23}}}_y\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{2}}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{2}}}\\ F_{\mathrm{R}\mathrm{23}y}=\frac{M_{\mathrm{r}}{l}_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{2}}+l_{\mathrm{3}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{2}}}{l_{\mathrm{2}}{l}_{\mathrm{3}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{3}}}\end{array}\right.（7）

对输送带上的稻草秸秆受力分析得：

a=\frac{F_{\mathrm{R}\mathrm{23}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{1}}+mg\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha -(\mu mg\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +F^{\text{'}})}{m}（8）

式中：F´为稻草秸秆之间的粘结力，N；a为秸秆运动加速度，m/s²；α为钉齿输送带相对地面倾角，（°）；β₁为F_R23与x₁轴的夹角，（°）；μ为秸秆与输送带之间的摩擦因数；m为秸秆累计质量，kg。

由速度位移公式得：

\left\{\begin{array}{l}v(t)={\int }_{\mathrm{0}}^{t}a(t)\mathrm{d}t\\ v^{\mathrm{2}}=\mathrm{2}as\end{array}\right.（9）

式中：t为冲击作用力时间，s；v为秸秆运动速度，m/s；s为秸秆滑移距离，由式（8）和（9）得：

s=\frac{m(({\int }_{\mathrm{0}}^{t}a{(t)\mathrm{d}t)-v)}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}(mg\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha -(\mu mg\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +F^{\text{'}}))}（10）

秸秆滑移距离（s）由冲击作用力时间（t）、秸秆喂入速度（v）、秸秆与输送带之间的摩擦因数（μ）、输送带相对地面倾角（α）和秸秆之间的粘结力（F´）决定。稻草秸秆滑移决定打散效果，本研究根据前期预试验选取α=15°，稻草秸秆打散输送效果满足要求。

3　EDEM-RecurDyn耦合仿真分析

3.1　仿真模型建立

在三维软件SOLIDWORKS中建立打散输送装置模型，完成建模与装配，保存为.step格式导入到RecurDyn中进行动力学仿真求解^［16］。在RecurDyn中添加约束和驱动。需添加的主要约束有：曲柄、摇杆和三级梳分拨草齿分别以Ground为参考系建立旋转副，连杆和各级梳分拨草齿之间添加旋转副，给曲柄以恒定旋转速度^［17］。打开EDEM和RecurDyn的耦合接口，利用External SPI功能模块下的EDEM接口模块将各部件以.wall文件形式导出，通过EDEM中Geometries模块下的Import Geometry from RecurDyn 功能将.wall文件导入EDEM中，导入生成柔性秸秆后的耦合仿真模型见图5。

在EDEM2022.1软件中建立稻草秸秆颗粒模型，在稻草秸秆内部添加Bonding V2键形成柔性颗粒。秸秆与各部件之间的接触模型均为Hertz-Mindlin （no slip），设置拨草齿、稻草秸秆和输草带的本征参数及接触参数见表1^［18-20］。

3.2　试验指标

本研究以秸秆质量均匀度和沙障孔隙度评价打散输送装置的工作性能。

1）秸秆不均匀度测定参照GB/T24675.6—2021《保护性耕作机械.秸秆粉碎还田机》^［21］，计算公式为：

F_{\mathrm{b}}=\frac{\mathrm{1}}{\overline{M}}\sqrt[]{\frac{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^{\mathrm{6}}{\left(M_{\mathrm{z}i}-\overline{M}\right)}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{5}}}\times \mathrm{100}（11）

式中：F_{\mathrm{b}}为秸秆覆盖不均匀度，%；\overline{M}为测定区域内各点秸秆平均质量，\overline{M}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{\mathrm{6}}}{M_{\mathrm{z}}}_i/\mathrm{6}；M_zi 为第i个区域的秸秆总质量，kg。本研究定义秸秆质量均匀度（U）为：

U=\mathrm{1}-F_{\mathrm{b}}（12）

2）沙障孔隙度指沙障空隙面积与沙障总面积的比值，是衡量沙障透风程度的指标^［22］。在仿真中利用EDEM后处理模块Setup Selections模块统计网格得到单位体积秸秆质量，沙障孔隙度（Φ）为：

\Phi =\frac{w}{\rho }\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（13）

式中：w为单位体积内稻草秸秆质量，kg；ρ为稻草秸秆密度，kg/m³。

3.3　单因素仿真试验

采用单因素仿真试验探究曲柄半径、曲柄转速和拨草间隙对秸秆质量均匀度和沙障孔隙度的影响规律。设置EDEM仿真时间步长为10%，RecurDyn时间步长为500步，仿真时间为5 s，每组试验3次，取平均值^［23-24］。

3.3.1　曲柄半径对秸秆质量均匀度和沙障孔隙度的影响

曲柄半径决定打散输送装置的摆动幅度和拨草力矩，影响打散输送性能。根据前期预试验，选取曲柄半径分别为24、44、64、84、104 mm，对秸秆质量均匀度和沙障孔隙度的影响见表2。可知，曲柄半径增大则摇杆摆动角度增大，秸秆之间的粘结被破坏，秸秆质量均匀度和沙障孔隙度随之上升。曲柄半径<44 mm，摆动角度过小，秸秆茎叶之间仍缠绕粘结，打散效果不佳；曲柄半径>84 mm，摆动幅度过大，各项性能指标均不满足技术要求。综上，选择曲柄半径为44~84 mm。

3.3.2　曲柄转速对秸秆质量均匀度和沙障孔隙度的影响

根据前期预试验，选取曲柄转速分别为185、200、215、230、245 r/min，对秸秆质量均匀度和沙障孔隙度的影响见表3。当曲柄转速<200 r/min时，曲柄转速过慢，钉齿带强制从底层输送秸秆，上层秸秆未被打散，打散效果差；当转速>230 r/min，曲柄转速过高，钉齿输送带未输送秸秆，打散效果差。不同曲柄转速下拨草齿受力不同，影响打散输送效果。结合不同曲柄转速（n）下拨草齿受力随时间（t）的变化（图6）可知，当曲柄转速<200 r/min时，拨草齿打草瞬间受力峰值高且剧烈变化，稻草秸秆打散输送效果不佳；当曲柄转速为200~230 r/min时，拨草齿受力峰值较低且稳定，满足要求；当曲柄转速>230 r/min时，拨草齿受力时间极短，表明秸秆被瞬间打飞，各项性能指标均不满足要求。综上，选择曲柄转速为200~230 r/min。

3.3.3　拨草间隙对秸秆质量均匀度和沙障孔隙度的影响

根据前期预试验，选取拨草间隙分别为20、30、40、50、60 mm，拨草间隙对秸秆质量均匀度和沙障孔隙度的影响见表4。可知，拨草间隙>30 mm或<50 mm时，各项性能指标均不满足技术要求。不同拨草间隙下拨草齿和输送带受力不同，影响打散输送效果。结合不同拨草间隙下拨草齿受力和输送带沿y轴的受力（图7）可知，不同拨草间隙下，拨草齿受力峰值分别为12.5、47.7、67.8、28.5、16.4 N，输送带沿y方向受力平均值分别为-38.8、-23.8、-12.1、-18.2、-34.4 N，可知拨草间隙<30 mm，稻草秸秆堵塞，输送带受y方向接触力变大；拨草间隙>50 mm，拨草齿受力极小，导致秸秆摊薄效果不佳，各项性能均不满足技术要求。综上，选择拨草间隙为30~50 mm。

3.4　响应面优化试验

3.4.1　试验方案及结果分析

为进一步研究曲柄转速、曲柄半径和拨草间隙对打散输送装置性能的影响，基于前期预试验和单因素仿真试验确定的因素范围，采用Box-Behnken试验法进行分析。以曲柄转速（x₁）、曲柄半径（x₂）和拨草间隙（x₃）为自变量，以秸秆质量均匀度（Y₁）和沙障孔隙度（Y₂）为试验指标，打散输送装置性能的试验因素编码见表5，试验方案及结果见表6。

对试验结果进行方差分析，结果见表7。秸秆质量均匀度和沙障孔隙度与试验因素的回归模型均极显著（P<0.01）。秸秆质量均匀度和沙障孔隙度模型决定性系数分别为0.991 4和0.966 2，模型拟合程度较高，与实际值相差较小。去除不显著因素后，分别建立秸秆质量均匀度Y₁和沙障孔隙度Y₂对曲柄转速x₁、曲柄半径x₂和拨草间隙x₃的二次多项式回归方程，如下：

Y_{\mathrm{1}}=\mathrm{56.68}-\mathrm{1.50}{x}_{\mathrm{1}}-\mathrm{2.06}{x}_{\mathrm{2}}-\mathrm{1.75}{x}_{\mathrm{3}}-\mathrm{3.02}{x}_{\mathrm{2}}{x}_{\mathrm{3}}+\mathrm{13.31}{x}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}+\mathrm{9.32}{x}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}+\mathrm{6.88}{x}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}}（14）

Y_{\mathrm{2}}=\mathrm{28.57}+\mathrm{1.5}{x}_{\mathrm{1}}{x}_{\mathrm{2}}-\mathrm{2.58}{x}_{\mathrm{1}}{x}_{\mathrm{3}}-\mathrm{1.88}{x}_{\mathrm{2}}{x}_{\mathrm{3}}-\mathrm{3.7}{x}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}-\mathrm{4.17}{x}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}}（15）

各因素对秸秆质量均匀度影响的主次顺序为：拨草间隙（x₃）、曲柄半径（x₂）和曲柄转速（x₁）；交互因素x₂x₃影响极显著（P<0.01）。当曲柄转速为215 r/min，曲柄半径一定时，秸秆质量均匀度随拨草间隙的增大先减小后增大；拨草间隙一定时，秸秆质量均匀度随曲柄半径的增大先减小后增大（图8（a））。

各因素对沙障孔隙度影响的主次顺序为：曲柄转速（x₁）、拨草间隙（x₃）和曲柄半径（x₂）。交互因素x₁x₃和x₂x₃影响极显著（P<0.01）；交互因素x₁x₂ 影响显著（P<0.05）。当拨草间隙为40 mm时，曲柄转速一定时，沙障孔隙度随曲柄半径的增大而减小；曲柄半径一定时，沙障孔隙度随曲柄转速的增大先增大后减小（图8（b））。当曲柄半径为64 mm，曲柄转速一定时，沙障孔隙度随拨草间隙的增大先增大后减小；拨草间隙一定时，沙障孔隙度随曲柄转速的增大先增大后减小（图8（c））。当曲柄转速为215 r/min，曲柄半径一定时，沙障孔隙度随拨草间隙的增大先增大后减小；拨草间隙为低水平时，沙障孔隙度随曲柄半径的增大呈上升趋势，拨草间隙为高水平时，沙障孔隙度随曲柄半径的增大而减小（图8（d））。

3.4.2　试验结果目标优化

以秸秆质量均匀度（Y₁）和沙障孔隙度（Y₂）为最终优化目标，结合各试验因素取值范围，进行参数优化。设定目标函数及约束条件为：

（16）

应用Design-Expert软件优化模块，对约束条件优化求解得：曲柄转速为200 r/min、曲柄半径为44 mm、拨草间隙为48.6 mm，秸秆质量均匀度为88.8%，沙障孔隙度为25%，打散输送装置性能最优。

4　验证试验

曲柄摇杆-钉齿输送协同铺设草方格装置参数优化验证试验于2024年3月在甘肃省民勤治沙研究所后面的沙漠深处进行。为减小其他因素对试验结果的影响，保证试验结果数据的可靠性，选用含水率为10%~15%^［25］，长度1.0~1.2 m的长散稻草秸秆捆为试验材料。以秸秆质量均匀度和沙障孔隙度为评价指标，对优化后的最优参数进行取整，设定曲柄转速为200 r/min、曲柄半径44 mm、拨草间隙为49 mm进行试验。试验后的指标每项试验指标测量进行10组，求其平均值。测得秸秆质量均匀度为86.96%，沙障孔隙度为26.05%，与仿真理论值的相对误差分别为1.89%和4.03%，验证试验值与理论值差异较小。本研究所设计的打散输送装置及被打散后的稻草秸秆见图9。

5　结 论

本研究基于草方格铺设技术要求，设计了一种基于曲柄摇杆机构配合输送带的新型稻草秸秆三级打散输送装置。对装置的关键部件进行结构和参数设计，利用EDEM-RecurDyn联合仿真技术，对稻草秸秆打散输送过程进行了模拟研究。采用前期预试验和单因素试验，以曲柄转速、曲柄半径和拨草间隙为影响因素，以秸秆质量均匀度和沙障孔隙度为响应值，探究各因素对响应值的影响规律。采用Box-Behnken试验法设计了三因素三水平试验，得到了最优参数组合：曲柄转速200 r/min、曲柄半径44 mm、拨草间隙48.6 mm。采用验证试验验证仿真优化结果的准确性，结果表明：打散输送装置处于最佳工作参数时稻草秸秆质量均匀度为86.96%，沙障孔隙度26.05%，验证试验结果值与理论值差异较小，满足机械化铺设草方格沙障的技术要求。

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基金资助

甘肃省重大科技计划项目(21ZD4FA010)