振动减阻式姜收获机挖掘机构优化设计与试验研究

《Smart Agricultural Technology》：Design, Operational Parameter Optimization, and Experiment of a Drag-Reduction Vibratory Digging Mechanism for Ginger Combine Harvester

针对现有姜收获机挖掘阻力大、漏拔率高、含土率高等问题，本研究设计了一种高效减阻振动式挖掘机构，通过EDEM-RecurDyn耦合仿真与正交试验优化，确定最佳参数组合为前进速度0.36 m/s、振动频率5 Hz、入土角20°。田间试验表明，该机构挖掘清洁率达92.52%，损伤率仅2.304%，作业阻力降低至1789.37 N，为姜高效低损收获提供了技术支撑。

　　

姜作为全球重要的调味品和药用作物，在中国种植面积达25.65万公顷，年产量达580万吨，位居世界第二。然而，目前国内姜收获仍以人工作业或半机械化为主，劳动强度大、效率低、成本高，难以满足规模化、集约化生产需求。随着农业机械化与智能化水平提升，姜联合收获机逐渐成为实现高效、低损、全程机械化收获的关键装备。但传统收获机挖掘机构存在工作阻力大、土壤黏附严重、漏拔率高、姜土分离效果差等技术瓶颈，制约整机性能提升。

为突破技术瓶颈，研究团队设计了一种高效减阻振动式挖掘机构。该机构由前置挖掘铲、后置振动栅、液压提升油缸等组成，通过振动降低土壤黏附性与挖掘阻力，提升姜土分离效率。基于离散元法（EDEM）建立姜-土耦合仿真模型，结合RecurDyn多体动力学软件进行EDEM-RecurDyn联合仿真，明确各因素对挖掘阻力与土流的影响规律。通过正交试验与响应面分析，获得最佳作业参数组合：前进速度0.36 m/s、振动频率5 Hz、挖掘铲入土角20°。田间验证试验表明，该机构挖掘清洁率达92.52%，损伤率仅2.304%，姜块含土率5.8%，挖掘前进阻力1789.37 N，较传统挖掘方式阻力显著降低，作业顺畅无堵塞，满足姜高效低损收获要求。

关键技术方法

研究采用EDEM离散元法构建姜-土相互作用模型，结合RecurDyn多体动力学软件进行耦合仿真，通过Box-Behnken响应面设计优化参数；田间试验以山东济南章丘试验基地黏壤土为对象，采用应变传感器测量挖掘阻力，并通过筛分效率定量评价土壤分离效果。

研究结果

3.1 挖掘铲结构参数优化

通过力学分析确定入土角α、刃角γ等关键参数。理论计算表明，入土角20°时挖掘阻力最小，刃角需满足γ < 90°-φ（φ为土壤摩擦角），最终确定刃角为33.69°。前置铲宽度经公式S₁=B+L+3σ+2e计算为630.19 mm，长度S₂=h/sinα=133.96 mm，适应280 mm挖掘深度。

3.2 液压马达偏心运动设计

偏心轮机构将液压马达旋转运动转化为竖直振动，振幅A=20 mm，角速度ω=20 rad/s。通过运动学分析得到偏心轴中点坐标方程x=rcosωt+v₀t, y=rsinωt，速度方程v_x=v₀-rωsinωt, v_y=rωcosωt，显著降低土壤切入阻力。

3.3 离散元模型建立

构建姜块与土壤（黏壤土与松散砂壤土）的四粒子组合模型，采用Hertz-Mindlin with JKR粘结模型模拟姜-土与土-土间黏附作用，参数包括法向刚度（3.15-9.12 MN/m）、JKR表面能（4.97-13.42 J/m2）等。姜块三维模型通过激光扫描逆向工程构建，平均尺寸317.73 mm×158.62 mm×101.25 mm。

3.4 仿真与试验验证

EDEM-RecurDyn耦合仿真显示，振动加速土壤破碎，土壤粒子流速峰值达21.55 m/s。田间试验中，应变传感器测得挖掘阻力平均值为1789.37 N，筛分效率（FSE）定量表明土壤分离效果显著提升。

结论与讨论

本研究通过振动减阻设计与参数优化，有效解决了姜收获中的高阻力、高损伤问题。耦合仿真与田间试验验证了机构可靠性，为高效低损姜收获装备研发提供了理论依据。未来可进一步研究不同土壤质地下的参数自适应调节机制，拓展机型适用性。