夏春龍，陶桂香，衣淑娟，毛欣

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

板藍(lán)根是我國常見的中藥材，其根在中藥上稱板藍(lán)根,葉稱大青葉。由于它顯著的藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，黑龍江省許多地區(qū)將其作為大批量人工栽培的經(jīng)濟(jì)作物[1]。但由于板藍(lán)根根系發(fā)達(dá)，收獲時(shí)必須將土壤和根莖一起鏟起，收獲難度大。目前，國外根莖類挖掘裝置主要針對花生、馬鈴薯、胡蘿卜等農(nóng)作物，沒有針對板藍(lán)根的挖掘裝置，挖掘深度較淺，不適合板藍(lán)根的收獲[2]。目前,國內(nèi)板藍(lán)根挖掘裝置主要有兩類：一是通用性根莖類藥材挖掘裝置；二是改裝薯類挖掘裝置而來的板藍(lán)根挖掘裝置，但這兩類挖掘裝置對板藍(lán)根的收獲都存在適應(yīng)性差、作業(yè)阻力大、根莖損失率高等問題。王薇[3]研制的板藍(lán)根收獲機(jī)松土鏟，由兩把立刀片和一把鏟片組成，工作時(shí)負(fù)荷均勻的作用在鏟體上，可較好地保持有效的挖掘深度。但鏟片為三角形，根莖損失率較大。丁建民[4]研制的快速根莖類藥材收獲機(jī)，將挖掘鏟設(shè)計(jì)成分段式平鏟，同時(shí)優(yōu)化了挖掘鏟入土傾角，提高了挖掘鏟的適用性。但分段式挖掘鏟之間有間隙，會(huì)導(dǎo)致板藍(lán)根根莖漏挖或卡住根莖，不適合板藍(lán)根的收獲。鞏自衛(wèi)[5]研制了一種長根莖類中藥材收獲機(jī)挖掘鏟，該挖掘鏟在鏟刃與柵條之間添加了旋轉(zhuǎn)環(huán)，旋轉(zhuǎn)環(huán)可有效減少鏟面壅土現(xiàn)象的產(chǎn)生。但鏟刃對土壤的滑切作用較小，阻力較大。針對上述問題，本研究針對單壟雙行種植模式的板藍(lán)根設(shè)計(jì)的一種板藍(lán)根挖掘裝置，通過對挖掘過程的力學(xué)分析和單因素仿真試驗(yàn)，確定影響作業(yè)阻力的主要因素和參數(shù)范圍，運(yùn)用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)確定挖掘鏟的最佳參數(shù)組合，降低挖掘裝置的作業(yè)阻力。將鏟尖設(shè)計(jì)成鋸齒形，并通過單壟雙行板藍(lán)根根莖在土壤中的輪廓尺寸設(shè)計(jì)挖掘裝置的挖掘深度和工作幅寬，進(jìn)而降低根莖損失率。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

挖掘裝置的結(jié)構(gòu)如圖1，主要由三點(diǎn)懸掛、立刀、挖掘鏟組成，用于單壟板藍(lán)根收獲。挖掘鏟置于裝置的最前端，挖掘鏟、立刀、三點(diǎn)懸掛之間為剛性鏈接，在工作過程中，挖掘裝置懸掛于拖拉機(jī)后方，由拖拉機(jī)牽引向前運(yùn)動(dòng)，挖掘鏟主要用于挖掘土壤和松碎土壤。立刀主要用于切割挖掘裝置兩側(cè)的土壤和雜草，減少工作過程中挖掘裝置兩側(cè)的阻力。

圖1 板藍(lán)根挖掘裝置Figure 1 Digging device for isatidis root

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 挖掘鏟設(shè)計(jì)

2.1.1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 挖掘鏟由V形輸送柵條和鋸齒形鏟尖組成（圖2），鋸齒形鏟尖的主要作用是利用鋸齒形鏟尖滑切作用較大的特點(diǎn)，將土壤切開，盡可能地減少鏟尖的作業(yè)阻力。輸送柵條將立刀和鋸齒形鏟尖切下的板藍(lán)根和土壤混合物向后輸送到清選篩上，并起到一定的破碎土壤的作用，在板藍(lán)根和土壤混合物輸送的過程中，輸送柵條可以分散土壤的擠壓力，并將破碎的土壤從柵條的間隙中及時(shí)的漏下去，以減少由土壤重力對挖掘裝置產(chǎn)生的阻力。（1）鋸齒形鏟尖。板藍(lán)根挖掘裝置鏟尖一般由單個(gè)鈍角三角形（圖3a）或單個(gè)銳角三角形（圖3b）構(gòu)成[6-8]，三角形鏟尖作業(yè)后留下一個(gè)V形土槽（圖3c），V形土槽兩側(cè)的板藍(lán)根根莖在較淺的位置被挖斷，導(dǎo)致根莖損失率較大。為了減小挖掘裝置兩側(cè)根莖損失率，將鏟尖設(shè)計(jì)成由多個(gè)銳角三角形組成的鋸齒形鏟尖（圖3d），這種鏟尖作業(yè)后可留下一個(gè)矩形土槽（圖3e），降低土槽兩側(cè)的根莖損失率。（2）V形輸送柵條。V形輸送柵條主要作用是將鏟尖和立刀切下的土壤和板藍(lán)根混合物向后輸送到清選篩上，在此過程中柵條的阻力主要來自土壤的重力和摩擦力，板藍(lán)根主要種植在沙土中，土壤黏附力忽略不計(jì)。由于板藍(lán)根挖掘裝置的工作深度較大，柵條需要克服的土壤和板藍(lán)根混合物重力和摩擦力也很大，所以柵條需要有較大的強(qiáng)度。為保證柵條的強(qiáng)度，將柵條設(shè)計(jì)成90°V形，V形柵條可以增加?xùn)艞l的強(qiáng)度，分散土壤對柵條的阻力。進(jìn)而減少挖掘裝置的作業(yè)阻力。

圖2 挖掘鏟Figure 2 Digger blade

圖3 鏟尖與土槽Figure 3 Shovel tip and soil bin

2.1.2 挖掘鏟主要參數(shù)確定

（1）鏟尖夾角β。鏟尖夾角的大小對土壤的滑切程度有較大影響，當(dāng)鏟尖夾角增大時(shí)，鏟刃對土壤的滑切作用降低，入土過程的阻力增大（圖4）。為保證鏟刃有較好的切土能力，鏟尖夾角需要滿足：

式中：v為土壤對鋼的摩擦角；β為鏟尖夾角。

土壤對鋼的摩擦角一般取30°～36°，即鏟尖夾角β＜108°。鏟尖夾角的選擇也不宜過小，鏟尖隨著裝置刃張角的減小，強(qiáng)度和耐磨性會(huì)下降。為保證挖掘裝置的鏟尖有良好的切土能力、強(qiáng)度和耐磨性，綜合考慮取β=50°～90°。

（2）鏟尖傾角α。鏟尖傾角對挖掘裝置的入土能力和作業(yè)阻力都有較大影響。鏟尖上掘起物的受力分析（圖5）。

圖4 鏟尖夾角Figure 4 Shovel point Angle

圖5 掘起物受力分析圖Figure 5 Force analysis diagram of excavated material

根據(jù)受力圖沿鏟尖和垂直鏟尖方向列方程組[9]：

式中：F=fN；N為鏟尖對掘起物的支持力（N）；G為掘起物的重力（N）；P為掘起物在鏟尖上移動(dòng)所需要的力（N）；F為掘起物在鏟尖上運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力（N）；f為掘起物與鏟尖的摩擦系數(shù)。

方程組轉(zhuǎn)換得：

由方程組轉(zhuǎn)換出來的掘起物在鏟尖上移動(dòng)所需要的力和鏟尖傾角關(guān)系式可以得出，掘起物在鏟尖上移動(dòng)所需要的力隨著鏟尖傾角的增大而增大，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，鏟尖傾角α一般小于25°。

（3）挖掘深度H。挖掘深度的設(shè)計(jì)要考慮單壟雙行板藍(lán)根根莖在土壤中的輪廓尺寸。為獲得單壟雙行板藍(lán)根根莖在土壤中的輪廓尺寸，在板藍(lán)根收獲季節(jié)，在田間隨機(jī)選取一根壟，挖掘并測量統(tǒng)計(jì)板藍(lán)根根莖的尺寸，獲得單壟雙行板藍(lán)根根部輪廓高度a與根部輪廓橫向?qū)挾萣的主要分布范圍分別為：250～330mm和250～400mm，單壟雙行板藍(lán)根根莖在土壤中的輪廓尺寸[10]（圖6）。由于土壤耕層的土質(zhì)松軟且養(yǎng)分充足，根莖在0～270mm的深度范圍內(nèi)分布密集且粗壯，深度超過270mm后，根莖較為稀疏且直徑大多不超過3mm。為了降低作業(yè)阻力，提升挖掘裝置的作業(yè)效率，將挖掘裝置的挖掘深度設(shè)計(jì)為330mm。

圖6 單壟雙行板藍(lán)根在土壤中的輪廓圖Figure 6 Outline of single ridge and double row isatidis root in soil

（4）工作幅寬M。挖掘鏟的工作幅寬主要與單壟雙行板藍(lán)根根部輪廓橫向?qū)挾群蜋C(jī)具行走路線偏差e有關(guān)，為了盡可能地減少根莖的漏挖，使得幅寬更加合理，挖掘鏟的工作幅寬應(yīng)大于板藍(lán)根根部輪廓橫向?qū)挾扰c機(jī)具行走路線偏差之和，同時(shí)小于平均單壟寬度。即板藍(lán)根挖掘鏟幅寬的選擇范圍為：

式中：D為平均單壟寬度（mm）；M為挖掘鏟的工作幅寬（mm）；b為板藍(lán)根根莖在土壤中的分布寬度（mm）；e為機(jī)具行走路線偏差（mm）。

經(jīng)測量和計(jì)算平均單壟寬度為600mm，板藍(lán)根根部輪廓橫向的最大寬度為400mm，通過查閱文獻(xiàn)拖拉機(jī)行駛偏差取5～8cm[11]，為了便于挖掘鏟的生產(chǎn)制作，挖掘鏟的工作幅寬取500mm。

（5）挖掘鏟長度。挖掘鏟為了能夠?qū)逅{(lán)根向后輸送到清選篩上，挖掘鏟的總體長度需要大于等于挖出根莖的長度。一般板藍(lán)根的根莖被挖出的長度不超過400mm。所以將挖掘鏟的長度設(shè)計(jì)為L=400mm。挖掘鏟的長度等于鏟尖長度l1與柵條長度l2之和，為了保證挖掘鏟的整體強(qiáng)度，將鏟尖長度l1設(shè)計(jì)為210mm，柵條長度l2設(shè)計(jì)為190mm（圖7）。

圖7 挖掘鏟側(cè)視圖Figure 7 Side view of digger blade

（6）V形輸送柵條傾角和間距。在柵條的輸送過程中，鏟尖對土壤的破碎程度較低，柵條的傾角大于鏟尖傾角，增大了對土壤的破碎能力，并且柵條的外形為V形，隨著柵條傾角的減小，V形的柵條對土壤擠壓力的分散作用逐漸增大。通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，輸送柵條的傾角一般大于鏟傾角且小于40°。

柵條在輸送過程中，為保證根莖不從柵條間距中落下去，柵條間距必須小于等于單壟雙行板藍(lán)根根部輪廓橫向?qū)挾鹊囊话?，使得隨機(jī)分布的根莖在柵條上至少有兩個(gè)以上的柵條做支撐，單壟雙行板藍(lán)根根部輪廓橫向?qū)挾热〗y(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的最小值250mm，所以柵條間距需要小于等于125mm。同時(shí)考慮柵條間距越大，漏土能力越強(qiáng)，可降低挖掘阻力，本文將柵條間距設(shè)計(jì)為125mm。

式中：q為柵條間距(mm)；j為單壟雙行板藍(lán)根根部輪廓橫向?qū)挾冉y(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的最小值(mm)。

2.2 立刀的設(shè)計(jì)

挖掘裝置的鏟尖只能在要求的深度切出一個(gè)橫向斷面，隨著挖掘裝置的前進(jìn)，兩側(cè)土壤在挖掘鏟不斷抬升的作用下發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致挖掘裝置的作業(yè)阻力較大。立刀可以在挖掘裝置前進(jìn)的過程中，切出兩個(gè)縱向斷面，降低挖掘裝置兩側(cè)的阻力（圖8）。刀刃的長度t為330mm,與挖掘深度保持一致。立刀的長度s應(yīng)大于等于拖拉機(jī)下懸掛點(diǎn)最低高度與刀刃長度之和，該挖掘裝置選用Ⅰ類懸掛，拖拉機(jī)下懸掛點(diǎn)最低高度為200mm,為了便于挖掘深度的控制，立刀長度設(shè)計(jì)為530mm。

圖8 立刀Figure 8 Vertical blade

3 仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 土壤顆粒模型的建立

根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[12-16]，沙土土壤顆粒是一種不規(guī)則的顆粒，主要分為球形顆粒、核形顆粒、片形顆粒、桿形顆粒，粒徑約1mm，根據(jù)建模經(jīng)驗(yàn)，顆粒模型尺寸可以不與真實(shí)顆粒保持一致，關(guān)鍵是顆粒的接觸參數(shù)，如果直接按照真實(shí)粒徑大小建模，計(jì)算機(jī)的計(jì)算量將成倍增加，仿真效率大幅度下降。為了提高計(jì)算機(jī)的仿真效率，本次試驗(yàn)將顆粒外形進(jìn)行簡化，選取標(biāo)準(zhǔn)球形拼出四種顆粒的形狀，并將尺寸放大3倍，組成土壤顆粒的標(biāo)準(zhǔn)球半徑設(shè)置為3mm。顆粒模型圖如圖9。

圖9 土壤顆粒模型Figure 9 Soil particle model

3.2 根莖模型的建立

板藍(lán)根根莖的形狀具有不規(guī)則性，為了建立與實(shí)際更加貼合且具有一定的代表性的板藍(lán)根根莖模型，首先對根莖進(jìn)行簡化處理，將直徑小于3mm的側(cè)根忽略不計(jì)，通過對根莖尺寸的測量獲得根莖生長節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[17]，用417個(gè)小球拼出根莖的形狀，通過調(diào)整每個(gè)小球的坐標(biāo)和直徑，實(shí)現(xiàn)對根莖中每個(gè)根莖的方向和直徑的控制。建立板藍(lán)根根莖模型如圖10。

圖10 板藍(lán)根根莖模型Figure 10 Rhizome model of isatidis root

3.3 土壤模型的建立

為了使仿真試驗(yàn)與田間條件更為接近，在土壤模型中添加根莖模型，根莖模型生成過程如圖11，生成的土壤模型如圖12，尺寸為2000mm×700mm×450mm。為了使生成根莖的位置與播種方式接近，將根莖的顆粒工廠設(shè)置在土壤模型中間，生成方式為動(dòng)態(tài)，最終生成了19棵根莖。為了保證最終生成的根莖在土壤中的相對位置不發(fā)生變化，在根莖生成瞬間，用土壤顆粒靜態(tài)生成的方式填充根莖底部，在每次土壤顆粒堆積穩(wěn)定后，將土壤顆粒工廠向上移動(dòng)，重新生成土壤顆粒，直至根莖全部被土壤顆粒覆蓋。

圖11 根莖模型生成過程Figure 11 Rhizome model generation process

圖12 土壤模型Figure 12 Soil model

3.4 模型參數(shù)標(biāo)定

3.4.1 模型參數(shù)標(biāo)定參照試驗(yàn) 試驗(yàn)地點(diǎn)為大慶市大同區(qū)板藍(lán)根種植基地，以挖掘裝置的田間作業(yè)阻力為指標(biāo)，進(jìn)行模型參數(shù)標(biāo)定的參照試驗(yàn)。試驗(yàn)中鏟尖傾角、鏟尖夾角、柵條傾角分別暫取12°、60°、30°。前進(jìn)速度為5km·h-1，挖掘裝置作業(yè)阻力采用拖拽法測量，為了盡可能地保證拖拽方向與前進(jìn)方向保持一致，選用型號一致的兩臺(tái)拖拉機(jī)，試驗(yàn)時(shí)兩臺(tái)拖拉機(jī)行駛在同一壟溝中，兩段捆綁帶分別連接在兩拖拉機(jī)的前方配重托架上和后方牽引架上，盡可能地使綁帶與前進(jìn)方向沒有夾角，中間連接圓S型拉壓力傳感器，試驗(yàn)首先測得后方拖拉機(jī)空載阻力，后期試驗(yàn)阻力減去空載阻力，得到挖掘裝置作業(yè)阻力。試驗(yàn)設(shè)備主要由兩臺(tái)寧波354拖拉機(jī)、圓S型拉壓力傳感器、力值顯示控制儀、逆變器、蓄電池等部分組成。田間設(shè)備調(diào)試和阻力測試如圖13和圖14。試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值。

圖13 設(shè)備調(diào)試Figure 13 Testing of equipment

圖14 阻力測試Figure 14 Working resistance test

式中：FZ為作業(yè)阻力(kN)；FH為試驗(yàn)阻力(kN)；FK為空載阻力(kN)。最終測得挖掘裝置阻力為5.254kN。

3.4.2 本征參數(shù) 本征參數(shù)是材料的固有屬性，參考文獻(xiàn)豐富，測量方法也較為成熟，其中挖掘裝置與土壤的參數(shù)參考黃玉祥等[12]的研究。土壤密度利用環(huán)刀法測得為1341kg·m-3，根莖的密度通過排水法測得為1049.58kg·m-3。根莖的泊松比和剪切模量利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)截取長度12mm的圓柱形根莖試樣，壓縮速度為5mm·min-1，加載位移為5mm，通過試驗(yàn)前后根莖試樣長度和直徑的變化，計(jì)算出根莖泊松比和剪切模量分別為0.42和1.67×106Pa

3.4.3 接觸參數(shù)范圍土壤顆粒之間和土壤顆粒與根莖之間均使用HertzMindlin with Bonding接觸模型，參考相關(guān)土壤與根莖類的仿真研究成果[17-21]，綜合分析后，確定接觸參數(shù)的取值范圍（表2）。

表2 待標(biāo)定接觸參數(shù)取值范圍Table 2 Range of contact parameters to be calibrated

3.4.4 接觸參數(shù)標(biāo)定方法及結(jié)果離散元參數(shù)標(biāo)定常用Plackett-Burman試驗(yàn)提取顯著參數(shù)，然后通過最陡爬坡試驗(yàn)與真實(shí)試驗(yàn)相結(jié)合的方法完成參數(shù)標(biāo)定，但通過祝英豪等[22]研究發(fā)現(xiàn)，為了提高標(biāo)定參數(shù)的可靠性可將Plackett-Burman試驗(yàn)可進(jìn)行省略，直接進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn)，該試驗(yàn)方法可減少工作量，保證標(biāo)定試驗(yàn)的可靠性。本研究引用該方法，將接觸參數(shù)范圍分成步階總數(shù)x為5的最陡爬坡試驗(yàn)，令各步階次序的接觸參數(shù)組（X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13）為Ax，步長為A，則各步階次序接觸參數(shù)組的取值符合式(8)，獲得的仿真標(biāo)定試驗(yàn)方案如表3。試驗(yàn)時(shí)用solidworks軟件對參照試驗(yàn)中的挖掘裝置建模，并導(dǎo)入EDEM軟件中，仿真作業(yè)條件與參照試驗(yàn)保持一致，試驗(yàn)結(jié)果如表4，對作業(yè)阻力YF進(jìn)行擬合，得到式（9），式（9）中決定系數(shù)R2為0.982，將參照試驗(yàn)作業(yè)阻力值帶入擬合方程得到步階次序x為2.975，將步階次序2.975帶入式（8），最終獲得接觸參數(shù)組A2.975如表5。將標(biāo)表5中的接觸參數(shù)輸入EDEM軟件中進(jìn)行仿真模型驗(yàn)證，得到作業(yè)阻力為5.144kN，仿真模型驗(yàn)證試驗(yàn)與實(shí)際田間參照試驗(yàn)作業(yè)阻力誤差2.09%，誤差較小，表明參數(shù)組A2.975，可用于挖掘裝置仿真試驗(yàn)。

3.5 多因素仿真試驗(yàn)

3.5.1 試驗(yàn)方案參數(shù)設(shè)計(jì)分析無法確定鏟尖傾角、鏟尖夾角和柵條傾角的具體數(shù)值，為了進(jìn)一步研究鏟尖傾角、鏟尖夾角和柵條傾角對挖掘裝置作業(yè)阻力的影響，確定三個(gè)參數(shù)的最佳幾何參數(shù)組合，對鏟尖傾角、鏟尖夾角和柵條傾角采用三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，因素水平編碼表如表6。

表3 仿真標(biāo)定試驗(yàn)方案Table 3 Result of simulation calibration test

表5 接觸參數(shù)標(biāo)定結(jié)果Table 5 Calibration results of contact parameters

3.5.2 結(jié)果與分析仿真試驗(yàn)方案與仿真試驗(yàn)結(jié)果如表7，各因素在選取的試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，通過多因素仿真試驗(yàn)得到挖掘裝置作業(yè)阻力的變化范圍為4.988～6.525kN。

（1）作業(yè)阻力回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)方差分析結(jié)果可知(表8)，挖掘裝置作業(yè)阻力的回歸模型極顯著（p＜0.01），擬合效果較好。為了獲得簡化的回歸預(yù)測模型，剔除方差分析表中的不顯著項(xiàng)，得到試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)因素的回歸方程為：

表6 因素水平編碼Table 6 Coding of factors and levels

擬合后的回歸方程決定系數(shù)R2=0.9483,說明試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)之間存在二次關(guān)系。

（2）優(yōu)化求解與仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。為獲得挖掘鏟最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用Design Expert 11軟件對仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化求解。約束條件為：

通過優(yōu)化求解，當(dāng)鏟尖傾角為10.77°鏟尖夾角為63.92°柵條傾角為23.33°時(shí)，挖掘裝置阻力為4.968kN，作業(yè)阻力最小。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，為了方便后期挖掘裝置的加工制造，將優(yōu)化的參數(shù)結(jié)果進(jìn)行圓整，最終鏟尖傾角取11°、鏟尖夾角取64°、柵條傾角取23°，試驗(yàn)重復(fù)5次并取平均值，挖掘裝置作業(yè)阻力為4.935kN,理論優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果基本一致，優(yōu)化結(jié)果可行。

表7 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Table 7 Quadratic regression orthogonal rotation combination design scheme and results

表8 作業(yè)阻力回歸模型方差分析Table 8 Variance analysis of working resistance regression model

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件及方法

為檢驗(yàn)挖掘裝置的作業(yè)性能，于2021年10月在大慶市大同區(qū)板藍(lán)根種植基地進(jìn)行田間試驗(yàn)證試驗(yàn)和對比試驗(yàn)，田間驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)條件與仿真試驗(yàn)保持一致。由于鈍角三角形鏟尖挖掘裝置作業(yè)幅寬多為雙壟，銳角三角形鏟尖挖掘裝置作業(yè)幅寬多為單壟，所以對比試驗(yàn)選用銳角三角形鏟尖挖掘裝置作為對比試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)田的土質(zhì)為沙壤黑土，運(yùn)用環(huán)刀測試法測得表層、耕層和犁底層的土壤容重分別為1.242，1.341，1.788g·cm-3。試驗(yàn)設(shè)備主要由兩臺(tái)寧波354拖拉機(jī)、圓S型拉壓力傳感器、力值顯示控制儀、逆變器、蓄電池等部分組成。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)以作業(yè)阻力和根莖損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，田間作業(yè)阻力與根莖損失率測量如圖15和圖16。作業(yè)阻力和根莖損失率是評價(jià)挖掘裝置作業(yè)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，作業(yè)阻力小可降低挖掘裝置作業(yè)時(shí)的功耗，作業(yè)阻力的測量方法與模型參數(shù)標(biāo)定參照試驗(yàn)一致。降低根莖損失率可保證板藍(lán)根的產(chǎn)量，在試驗(yàn)后，先撿拾整棵的板藍(lán)根，剪去葉子，測量整顆的根莖質(zhì)量，然后挖出收獲深度范圍內(nèi)損失的根莖，并測量損失根莖的質(zhì)量，試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值。

式中：GN為根莖損失率(%)；GZ為收獲深度范圍內(nèi)損失根莖的質(zhì)量(kg)；GS為整顆的根莖質(zhì)量(kg)。

4.3 田間試驗(yàn)結(jié)果分析

通過田間驗(yàn)證試驗(yàn)得到，在與仿真試驗(yàn)條件一致時(shí)，該挖掘裝置的平均作業(yè)阻力為4.693kN,平均根莖損失率為1.12%，田間作業(yè)阻力與仿真作業(yè)阻力誤差為5.157%，驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)結(jié)果的可靠，在對比試驗(yàn)中銳角三角形鏟尖挖掘裝置的作業(yè)阻力為5.125kN,根莖損失率為2.16%，兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)均明顯大于鋸齒形鏟尖挖掘鏟。

5 討論與結(jié)論

由于目前板藍(lán)根收獲過程中大多使用通用性根莖類藥材挖掘裝置，或者使用改裝薯類挖掘裝置而來的挖掘裝置，導(dǎo)致板藍(lán)根的收獲過程存在作業(yè)阻力大和根莖損失率高的問題。主要因?yàn)檫@兩類挖掘裝置對板藍(lán)根的收獲存在適應(yīng)性差異。因此本研究根據(jù)板藍(lán)根的種植方式、根莖在土壤中的輪廓尺寸以及仿真試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種板藍(lán)根挖掘裝置，降低了板藍(lán)根的挖掘阻力和根莖損失率。

圖15 作業(yè)阻力測量Figure 15 Working resistance measurement

圖16 根莖損失率測量Figure 16 Measurement of root loss rate

模型參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)表明，當(dāng)接觸參數(shù)組為A2.975時(shí)，得到仿真作業(yè)阻力為5.144kN，該結(jié)果與實(shí)際田間參照試驗(yàn)作業(yè)阻力較為接近，表明參數(shù)組A2.975，可使土壤模型較好的模擬田間土壤，在仿真試驗(yàn)過程中，參數(shù)的設(shè)置較為方便，且參與到最陡爬坡試驗(yàn)中的參數(shù)越多，越不容易漏掉對作業(yè)阻力有影響的參數(shù)，通過對Plackett-Burman試驗(yàn)的省略，可減少了模型參數(shù)標(biāo)定的工作量，提高模型參數(shù)標(biāo)定效率。

通過正交旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)得到挖掘鏟的最佳參數(shù)組合，當(dāng)鏟尖傾角取11°、鏟尖夾角取64°、柵條傾角取23°時(shí)，挖掘裝置作業(yè)阻力最小，并通過田間驗(yàn)證試驗(yàn)和對比試驗(yàn)證明了該挖掘裝置的作業(yè)阻力小和根莖損失率低的優(yōu)點(diǎn)。但通過仿真試驗(yàn)結(jié)果和田間試驗(yàn)結(jié)果對比可得，仿真試驗(yàn)工作阻力略大于田間試驗(yàn)工作阻力，原因分析：仿真試驗(yàn)是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，很難模擬出田間真實(shí)的作業(yè)的條件，且Hertz-Mindlin with bonding接觸模型無法做到仿真模型與真實(shí)模型完全一致。