基于离散元法的生姜根茎挖掘铲关键参数研究

摘要

【目的】研究不同类型挖掘铲及其前刃倾角角度对挖掘阻力的影响，分析生姜挖掘过程中的阻力变化，为生姜挖掘铲关键参数的选择提供参考。【方法】以云南省罗平县的生姜收获作业为研究对象，测定生姜与种植区土壤的基本物理参数，构建平面、V型、弧型3种结构挖掘铲的三维模型；通过对挖掘铲挖掘过程的分析，确定影响挖掘阻力和土壤破坏性的关键参数；采用EDEM离散元仿真方法，并利用Hertz-Mindlin with JKR模型建立生姜根茎-土壤离散元混合接触模型，以平均工作阻力和土壤破坏性为评价指标，对挖掘铲类型和前刃倾角进行虚拟仿真试验；再以平均工作阻力为评价指标，进行不同类型以及不同前刃倾角挖掘铲的田间对比试验，通过仿真试验和田间试验的平均工作阻力误差率验证仿真试验的可靠性。【结果】仿真分析表明，影响生姜收获机挖掘装置挖掘性能的主要结构参数为挖掘铲类型和前刃倾角，前刃倾角45°弧形铲、V型铲和平面铲的平均工作阻力分别为1 088.34,1 043.52和965.52 N,其对土壤的破坏性依次表现为平面铲>弧形铲>V型铲，由此确定挖掘铲的最佳类型为平面铲。对平面铲前刃倾角的进一步仿真优化试验表明，其最佳前刃倾角为40°,在此条件挖掘铲的平均工作阻力最小，为904.05 N。田间对比试验表明，前刃倾角45°弧形铲、V型铲及前刃倾角45°和40°平面铲的平均工作阻力分别为1 184.10,1 122.66,986.50和879.85 N,与仿真试验平均工作阻力的误差率分别为8.09%,7.05%,2.13%和2.75%。【结论】生姜根茎收获机挖掘装置宜选择前刃倾角为40°的平面铲，其可以满足生姜收获作业的工作要求和减阻需求。

关键词

生姜 / 根茎收获机械 / 挖掘铲 / 前刃倾角 / 挖掘阻力