铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置设计与试验

侯加林，陈彦宇，李玉华,3，李天华,3，李广华，郭洪恩

铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置设计与试验

侯加林1,2，陈彦宇2，李玉华2,3，李天华2,3，李广华4，郭洪恩1※

（1. 山东省农业机械科学研究院，济南 250100；2. 山东农业大学机械与电子工程学院，泰安 271018；3. 山东省农业装备智能化工程实验室，泰安 271018；4. 山东华龙农业装备股份有限公司，青州 262500）

针对大葱联合收获挖掘抖土疏整装置可靠性差、作业阻力大、易壅土的难题，该研究设计研发了一种铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置，该装置主要由挖掘铲、抖土筛、疏土整地装置组成。首先构建了挖掘铲、抖土筛、疏土整地装置力学模型，理论阐述了其作业原理和设计思路。进一步对铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置与原有大葱挖掘抖土疏整装置进行离散元仿真和田间作业对比试验。仿真试验结果表明铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置作业时的土壤挠动效果和土壤颗粒流动情况均优于原有大葱挖掘抖土疏整装置。田间试验结果表明铲筛组合式挖掘抖土疏整装置收获大葱的含杂率为2.94%，平均损伤率为1.66%，壅土概率为10%；较原有大葱挖掘抖土疏整装置收获大葱的平均含杂率降低0.51个百分点，平均损伤率降低0.77个百分点，壅土概率降低40个百分点。该研究可为大葱联合收获挖掘抖土疏整技术与装备研究提供参考。

农业机械；模型；大葱；挖掘；抖土；离散元；田间试验

0 引 言

日本钢葱是国内大葱主要种植品种，收获期地下平均生长长度约270 mm，最深处超过300 mm，达到一般深松作业深度[1-2]，增加了大葱挖掘难度。目前，国内大葱收获以人工挖掘为主，劳动强度大、作业效率低；分段收获仅简单挖掘大葱，无法实现抖土、疏土整地作业；联合收获实现了大葱挖掘、抖土、疏土整地作业，但行进阻力大，可靠性差，易断铲、断筛、缠草、壅土[3]。

近几年针对马铃薯[4-8]、甜菜[9-10]、甘薯[11-12]、胡萝卜[13]等根茎类作物挖掘抖土技术与装备研究较多，大葱挖掘抖土部件研究相对较少。欧美种植的韭葱生长深度浅，对挖掘抖土装置要求较低。日本土质疏松，多为翼铲挖掘、链筛抖土，作业效果好，但作业速度慢，难以满足国内大葱收获要求[14]。王小雪[15]研制的弧形铲铰接偏斜栅条挖掘抖土装置，实现了葱土分离和有序铺放，但该装置仅适合分段收获。刘敬伟[16]研制的双行汇集挖掘抖土装置，挖掘阻力大，汇集空间小，目前无法完成挖掘抖土作业，有待于进一步完善。山东华龙农业装备股份有限公司与青岛农业大学联合研制了组合挖掘装置和链杆清送装置[17]，该装置空间结构复杂，作业阻力大，易壅土。侯加林等[18]研制的定量铺放自走式大葱联合收获机的挖掘抖土疏整装置，作业效果好，但土壤挠动效果差、连续作业易壅土、损伤大葱。以上装置均存在一定的不足，制约了大葱产业发展。

针对大葱挖掘抖土疏整技术与装备存在的问题，基于定量铺放自走式大葱联合收获机，设计一种铲筛组合式挖掘抖土疏整装置，分析挖掘铲、抖土筛、疏土整地装置设计思路，构建收获期葱垄离散元仿真模型，与原有大葱挖掘抖土疏整装置进行仿真和田间对比试验，以确定设计结构的可行性。

1 整体结构与工作原理

日本钢葱收获期植株的总长度约为900～1 200 mm，其中地下部分长度约为240～270 mm，葱白直径约为15～25 mm，葱白长度约为170～270 mm，葱垄垄顶宽度约为260～280 mm，垄低宽度约为380～400 mm，垄距约为900～950 mm。根据日本钢葱农艺制度，研制的定量铺放自走式大葱联合收获机[18]如图1a所示，主要由铲筛组合式挖掘抖土疏整装置、柔性夹持输送装置和收集铺放装置等组成。铲筛组合式挖掘抖土疏整装置如图1b所示，主要由机架、挖掘铲、抖土筛、疏土整地装置和液压马达等组成。

作业时，铲筛组合式挖掘抖土疏整装置通过液压缸、连接螺栓挂接在收获机前端。根据大葱生长状况，调整好装置入土角度，挖掘铲铲面横向破碎土壤，挖掘抬升大葱，铲壁纵向切开葱垄，辅助挖掘大葱；抖土筛抖动大葱根部，完成大葱清杂和土壤细碎作业；疏土整地装置辅助疏导土壤、耕整葱地，避免土壤堆积堵塞。挖掘铲、抖土筛、疏土整地装置三者相互配合，完成大葱挖掘和去土清杂作业。

1.导向装置 2.柔性夹持输送装置 3.操作台 4.液压缸 5.夹持角度调节装置 6.扶持喂入装置 7.铲筛组合式挖掘抖土疏整装置 8.连接螺栓 9.变速箱 10.柴油发动机 11.底盘 12.收集铺放装置

1.Guiding device 2.Flexible holding and conveying device 3.Operating floor 4.Hydraulic cylinder 5.Clamping angle adjusting device 6.Support feeding device 7.Shovel-screen combined green onion digging, shaking, soil tillage device 8.Connecting bolt 9.Gear box 10.Diesel engine 11.Chassis 12.Collecting and laying device

a. 整机结构示意图

a. Structure diagram of the whole machine

1.支撑架 2.轴承 3.抖土筛驱动装置 4.抖土筛悬臂 5.抖土筛筛面 6.挖掘铲 7.疏土整地装置

1.Support frame 2.Bearing 3.Shaking screen driving device 4.Shaking screen cantilever 5.Shaking screen surface 6.Digging shovel 7.Soil tillage device

b. 铲筛组合式挖掘抖土疏整装置结构示意图

b. Structure diagram of shovel-screen combined green onion digging, shaking, soil tillage device

图1 整机与装置结构示意图

Fig.1 Structure diagram of the whole machine and device

2 关键结构设计与分析

2.1 挖掘铲

挖掘铲作为大葱收获作业核心部件，设计目的是以最少的泥土附着量和克服阻力做功破碎葱垄、挖掘大葱，并把挖起的大葱顺利送到抖土筛上。目前，大葱挖掘铲主要有3种结构形式：三角铲、弧形铲、V型铲。根据大葱农艺制度，参考《农业机械设计手册》和国内根茎类作物挖掘铲设计原理[19]，大葱挖掘铲采用平面三角铲设计原理。平面三角铲相比于弧形铲、V型铲具有更佳的入土性能和断草、断根能力，能够适应较为复杂的作业环境[20-21]。焊接在铲面两侧的铲壁纵向切割破碎葱垄，降低挖掘阻力；铲面后部焊接多条松土栅条，用以破碎土壤、抬升大葱，利于大葱抖土和夹持输送作业。挖掘铲结构如图2a、2b所示。为了研究挖掘铲作业情况，对其进行受力分析，一般情况下，机具作业土壤为非粘性土壤，土壤附着力可忽略不计。土壤纯切削阻力很小，只有遇到土壤中的坚硬物质或刃口变钝时，切削阻力才需考虑，如无上述情况，可忽略纯切削阻力[22]。简化后的受力分析如图2c所示。

1.固定板 2.连接板 3.松土栅条 4.挖掘铲铲面 5.挖掘铲铲壁

1.Fixed plate 2.Connecting plate 3.Soil loosing bar 4.Digging shovel surface 5.Digging shovel wall

a. 挖掘铲整体结构示意图

a. Structure diagram of the whole digging shovel

注：为挖掘铲铲宽，mm；L为挖掘铲铲长，mm；L为挖掘铲栅条长度，mm；为挖掘铲铲刃斜角，(°)。

Note:is the width of the digging shovel, mm;Lis the length of the digging shovel, mm;Lis the length of the digging shovel bar, mm;is the inclined angle of the edge of digging shovel, (°).

b. 挖掘铲铲面结构示意图

b. Structure diagram of the digging shovel surface

注：、为以为原点的坐标系横、纵坐标轴；v为挖掘铲水平前进速度，m·s-1；P为挖掘铲一侧铲壁壁刃水平牵引力，N；P为挖掘铲铲面水平牵引力，N；f为挖掘铲一侧铲壁壁刃与土壤之间摩擦力（f=μN，μ为土壤与挖掘铲一侧铲壁壁刃摩擦系数），N；f为挖掘铲铲面与土壤之间摩擦力（f=μN，μ为土壤与挖掘铲铲面摩擦系数），N；N为挖掘铲一侧铲壁壁刃法向载荷，N；N为挖掘铲铲面法向载荷，N；G为挖掘铲一侧铲壁壁刃重力，N；G为挖掘铲铲面重力，N；α为挖掘铲水平倾角，(°)；β为挖掘铲铲壁壁刃与葱垄纵切面夹角，(°)。

Note:andare the horizontal and vertical axes of the coordinate system withas the origin;vis the horizontal advance speed of the digging shovel, m·s-1;Pis the horizontal traction of the wall edge on the one side of the digging shovel wall, N;Pis the horizontal traction of the digging shovel surface, N;fis the friction between the wall edge on the one side of the digging shovel wall and the soil (f=μN,μis the coefficient of friction between the soil and the wall edge on the one side of the digging shovel wall), N;fis the friction between the digging shovel surface and the soil (f=μN,μis the coefficient of friction between the soil and the digging shovel surface), N;Nis the normal load of the wall edge on the one side of the digging shovel wall, N;Nis the normal load of the digging shovel surface, N;Gis the gravity of the wall edge on the one side of the digging shovel wall, N;Gis the gravity of the digging shovel surface, N;αis the horizontal inclination of the digging shovel, (°);βis the angle between the wall edge on the one side of the digging shovel wall and the longitudinal section of the green onion ridge, (°).

c. 挖掘铲受力分析示意图

c. Diagram of force analysis of the digging shovel

图2 挖掘铲及其受力分析示意图

Fig.2 Diagram of the digging shovel and its force analysis

挖掘铲入土作业时，铲壁壁刃作用力关系方程为

铲面存在作用力关系方程

（2）

挖掘铲一侧铲壁壁刃质量很小，重力可忽略不计。

式（1）简化为

（3）

铲壁纵向切割破碎葱垄，壁刃与土壤接触方式为线接触。根据式（3），在牵引力一定时，增大铲壁与葱垄纵切面夹角，铲壁壁刃受到法向载荷减小，降低断铲危险，铲壁更易入土切割葱垄，降低功耗。根据设计手册和预试验调试，初步确定挖掘铲铲壁与葱垄纵切面夹角β为40°。

式（2）简化为

挖掘铲水平倾角α越小，挖掘铲入土性能越好，作业阻力越小，但挖掘深度不足，容易出现铲断大葱和壅土现象；反之，挖掘铲水平倾角α越大，挖掘深度越大，铲断大葱可能性降低，但挖掘铲入土性能变差，作业阻力变大，能耗变大。结合日本钢葱农艺制度，初步确定挖掘铲水平倾角α范围为20°～40°。为了保证挖掘铲低阻高效地挖起大葱，避免壅土，挖掘铲铲宽应不小于葱垄垄顶宽度，结合葱垄垄顶最大宽度和土壤回流情况，初步确定挖掘铲铲宽为320 mm。根据大葱生长情况和葱垄垄型，结合国内已有收获机挖掘铲设计参数[23]，初步确定挖掘铲铲长L为220 mm，铲刃斜角为50°，松土栅条长度L为300 mm。

2.2 抖土筛

目前，国内参考马铃薯收获、大豆清选振动输送筛分原理[24-25]设计研发的大葱链杆清送装置结构复杂，维修调节和动力传动难度大，土下作业功率消耗大，易壅土，推广应用难度大。针对以上问题，本文设计研发了一种偏置式抖土筛，主要由固定轴、悬臂、筛面、抖土栅条焊接而成，如图3所示。

抖土栅条是抖土筛实现大葱高效抖土、低阻拔取关键，如图3所示，针对抖土栅条与附土葱根之间相互作用建立空间坐标系进行分析。为了更好地实现葱土分离，提高大葱抖土清杂效果，在轴方向应满足

在轴方向，设计双抖土栅条，附土葱根受到冲击力为2T，碎土效果好，输送稳定性高。

为了实现大葱有效拔取和稳定输送，在轴方向应满足

抖土筛在液压马达驱动下往复摆动，细碎土壤，一次可完成3株大葱抖土作业。抖土筛的设计要综合考量挖掘铲结构参数和抖土筛作业参数，筛面过小则易漏葱、伤葱，抖土不净；筛面过大，则徒增功耗。为了减小大葱损伤，提高收获效率，根据收获期大葱生长情况，结合挖掘铲宽度320 mm和抖土筛摆动幅度60 mm，初步设计抖土筛面面积为0.075 m2，抖土栅条长度为500 mm，悬臂中心长度为850 mm、宽度为100 mm。

1.固定轴 2.抖土悬臂 3.抖土筛面 4.附土葱根 5.抖土栅条

1.Fixed shaft 2.Shaking screen cantilever 3.Shaking screen surface 4.Green onion root with soil 5.Shaking screen bar注：、为以为原点的空间坐标系坐标轴；N为抖土栅条对附土葱根支持力，N；G为附土葱根重力，N；f为抖土栅条与附土葱根之间摩擦力，N；T为抖土栅条右摆对附土葱根的冲击力，N；W为抖土悬臂宽度，mm；v为大葱运动速度，m·s-1；F为夹持输送装置对大葱的拔取力，N；为抖土栅条面与抖土筛面夹角，(°)。

Note:,andare the coordinate axis of the space coordinate system withas the origin;Nis the supporting force of the shaking screen bar to the green onion root with soil, N;Gis the gravity of the green onion root with soil, N;fis the friction force between the shaking screen bar and green onion root with soil, N;Tis the impact force of the shaking screen bar to the green onion root with soil, N;Wis the width of the shaking screen cantilever, mm;vis the speed of the green onion, m·s-1;Fis the pulling force of holding and conveying device to green onion, N;is the angle between the shaking screen bar surface and the shaking screen surface, (°).

图3 抖土筛分析示意图

Fig.3 Analysis diagram of the shaking screen

2.3 疏土整地装置

疏土整地装置辅助疏导土壤、耕整葱地，为大葱成堆铺放准备条件。根据土壤流动特性和田间试验分析，设计了一种刮板式疏土整地装置，如图4所示。该装置通过侧向推土实现疏土整地作业，依靠整机行走提供作业动力，整体结构简单，耕整后的葱地平整度较好，在一定程度上提高了作业效果。

大葱假茎（葱白）作为主要食用部分，在成堆铺放过程中要保证大葱假茎有平整的铺放区域。试验测试统计100组符合市场要求最大捆大葱成堆铺放情况，确定成堆铺放大葱假茎末端堆积宽度范围为350～450 mm，进而设计疏土板上底长度500 mm，下底长度650 mm。根据成堆铺放大葱假茎末端堆积宽度，初步确定疏土板与机器前进方向夹角η取值范围为44°～57°。疏土板前进角度可调，提高了机具适应性。根据图4理想状态下疏土板受力分析。

在方向满足

在方向满足

（8）

整合式（7）～（8）得

（10）

式中G为常量，μ为0.6，则应有

（11）

微分求得η最大值59°，同时确定了疏土板与机器前进方向的夹角η取值44°～57°可行。

1.支撑架 2.调节板 3.疏土板 4.连接销

1.Support frame 2.Regulating plate 3.Soil thinning plate 4.Connecting pin

注：N为土壤对疏土板的压力，N；f为土壤与疏土板之间摩擦力（f=μN，μ为土壤与疏土板摩擦系数，一般取0.6），N；G为疏土板重力，N；P为疏土板受到的推力，N；η为疏土板与机器前进方向夹角，(°)。

Note:Nis the pressure of the soil to the soil thinning plate, N;fis the friction between the soil and the soil thinning plate (f=μN,μis the friction coefficient between the soil and the soil thinning plate, generally choose 0.6), N;Gis the gravity of the soil thinning plate, N;Pis the thrust received by the soil thinning plate, N;ηis the angle between the soil thinning plate and the direction of the machine, (°).

图4 疏土整地装置及其受力分析示意图

Fig.4 Diagram of soil tillage device and its force analysis

3 仿真分析

大葱是季节性作物，葱垄形成需要经过3～4次培土作业，田间验证不确定性因素多、周期长、装置研发效率低，为了高效快捷地验证铲筛组合式挖掘抖土疏整装置作业性能可行性。参考已有研究[26-30]，利用SolidWorks软件和EDEM软件构建挖掘铲、抖土筛、疏土整地装置仿真模型，在模型中建立尺寸（长×宽×高）为1 500 mm×1 000 mm×800 mm虚拟土槽，在土槽中建立高500 mm葱垄模型，其中垄沟以上3层为大葱主要生长层，每层100 mm；垄沟以下为犁底层200 mm。根据实地情况和已有土壤颗粒仿真研究[31-33]，选择土壤颗粒间相互作用影响较小的Hertz-Mindlin with Bonding模型作为土壤颗粒间接触模型。在外力作用下，该模型颗粒间粘结键发生断裂或者粘结键生成之前，两相互接触颗粒按照标准的Hertz-Mindlin模型发生相互作用[34]。为了保证仿真模拟真实性和时效性，参考已有研究和试验测试[35-36]，确定离散元Hertz-Mindlin with Bonding模型基本参数如表1所示。颗粒工厂动态生成土壤颗粒，颗粒沉降、堆积、粘结形成葱垄，如图5所示。

表1 Hertz-Mindlin with Bonding模型基本参数

3.1 挖掘铲仿真试验

根据构建的仿真模型，对铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置与原有大葱挖掘抖土疏整装置的挖掘铲分别进行离散元仿真对比试验。新挖掘铲相比于原挖掘铲在铲刃斜角、抖土栅条、铲壁、铲面等方面进行了结构设计。根据原定量铺放自走式大葱联合收获机最优作业参数[18]，以0.70 m/s作为挖掘铲行进速度，挖掘铲铲面水平倾角取20°、25°、30°、35°、40°，铲尖入土位置根据大葱生长情况确定为垄顶正中以下300 mm，对挖掘铲进行单因素仿真试验，研究挖掘铲葱垄土壤颗粒挠动和流动情况。选取耕作方向上同一时刻葱垄模型中部纵剖面土壤颗粒挠动和流动情况进行研究，如图6、图7所示。

由图6分析可知，对于挖掘铲作业时和作业后的葱垄土壤，原挖掘铲以不同水平倾角作业的葱垄各层土壤抬升效果差，破碎程度弱，未呈现较好的挠动破碎效果；新挖掘铲在不同水平倾角的葱垄各层土壤抬升效果好，破碎程度高，呈现较好的断裂破碎效果。对于同一挖掘铲，随着挖掘铲水平倾角增大，葱垄土壤挠动程度和松散程度增强。新挖掘铲在水平倾角25°时土壤挠动程度和松散程度明显优于原挖掘铲在水平倾角40°时作业效果，低水平倾角下即可到达优良的作业效果。

由图7分析可知，对于挖掘铲作业时的葱垄土壤，原挖掘铲以不同水平倾角作业的土壤颗粒流动速度慢、流动范围小，易积聚，影响后续作业；新挖掘铲在不同水平倾角土壤颗粒流动速度快、流动范围大，降低了壅土概率，利于后续作业。对于同一挖掘铲，随着挖掘铲水平倾角增加，葱垄土壤抬升高度增加，土壤颗粒流动速度和流动范围增大。新挖掘铲在水平倾角25°时土壤流动效果明显优于原挖掘铲在水平倾角40°土壤流动效果。

综合图6、图7分析，新挖掘铲土壤挠动程度、土壤松散程度和土壤颗粒流动效果明显优于原挖掘铲，利于大葱低阻低损挖掘，降低后续抖土、疏土整地作业阻力，提高作业性能。

3.2 抖土筛仿真试验

根据构建的仿真模型，对铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置与原有大葱挖掘抖土疏整装置的抖土筛分别进行离散元仿真对比试验。新抖土筛相比于原抖土筛在筛面结构、抖土栅条等方面进行了结构设计。根据原定量铺放自走式大葱联合收获机最优作业参数[18]，以0.70 m/s作为抖土筛行进速度，以4.30 Hz作为抖土频率，抖土筛筛面水平倾角取20°、25°、30°、35°、40°，抖土筛前部端面入土位置为垄顶以下300 mm，对挖掘铲作业后的葱垄土壤进行单因素仿真试验，研究抖土筛葱垄土壤颗粒挠动和流动情况。选取耕作方向上同一时刻葱垄模型中部纵剖面土壤颗粒挠动和流动情况进行研究，如图8、图9所示。

由图8分析可知，对于抖土筛作业时和作业后的葱垄土壤，原抖土筛以不同水平倾角作业的葱垄各层土壤挠动破碎效果差，大部分向后流动堆积，疏土整地装置作业时易壅土，影响作业质量；新抖土筛以不同水平倾角作业的葱垄各层土壤基本被细化破碎，双抖土栅条增强了抖土筛筛分破碎效果，葱垄土壤大部分被细化破碎、分向两侧，降低了疏土整地装置疏导土壤、耕整葱地的作业阻力。对于同一抖土筛下，随着抖土筛水平倾角增大，葱垄土壤挠动程度和松散程度增强。新抖土筛在水平倾角25°时土壤挠动程度和松散程度明显优于原抖土筛在水平倾角40°时作业效果，低水平倾角下即可获得优良的作业质量。

由图9分析可知，对于抖土筛作业时的葱垄土壤，原抖土筛以不同水平倾角作业的土壤颗粒流动速度慢、流动范围小，土壤颗粒积聚，不利于后续作业；新抖土筛以不同水平倾角作业的土壤颗粒流动速度快、流动范围大，土壤颗粒分散，利于后续作业。对于同一抖土筛，随着抖土筛水平倾角增加，葱垄土壤颗粒流动速度加快，葱垄土壤抬升高度和筛分细碎程度增加，土壤颗粒更好地筛分到葱垄两侧，抖土筛后部土壤颗粒积聚量逐渐减少。原抖土筛筛面结构复杂、栅条结构单一，作业后各层土壤破碎效果差，大部分土壤颗粒积聚在抖土筛后部，增加了后续作业阻力；新抖土筛筛面结构简单、双栅条抖土破坏了土壤颗粒间粘结作用，土壤颗粒流动效果明显增强，抖土筛后部土壤积聚量少，降低了后续作业阻力。新抖土筛在水平倾角25°时土壤流动效果、筛后土壤积聚量明显优于原抖土筛在水平倾角40°土壤流动效果、筛后土壤积聚量。

综合图8、图9分析，新抖土筛土壤挠动程度、土壤松散程度、筛后土壤积聚量和土壤颗粒流动效果明显优于原抖土筛，降低后续疏土整地作业阻力。

3.3 疏土整地装置仿真试验

根据构建的仿真模型，对铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置与原有大葱挖掘抖土疏整装置的疏土整地装置分别进行离散元仿真对比试验。新疏土整地装置相比于原疏土整地装置去除了液压绞龙等功耗大、结构复杂的装置，新设计了疏土板、调节板等结构简单的装置。根据原定量铺放自走式大葱联合收获机最优作业参数[18]，以0.70 m/s作为疏土整地装置行进速度，保持疏土整地装置水平运动。疏土板与机器前进方向夹角η取土壤与疏土板接触面积最大角度44°，此时疏土板受到的阻力最大，疏土板上平面水平夹角取20°、25°、30°、35°、40°。通过预试验设定绞龙辊不壅土的最佳转速5 r/s，绞龙辊罩上平面水平夹角取20°、25°、30°、35°、40°。疏土整地装置作业下边线位置根据抖土筛作业后土壤回流情况确定为垄顶以下200 mm，对抖土筛作业后的葱垄土壤进行单因素仿真试验，研究疏土整地装置葱垄土壤颗粒挠动和流动情况。选取耕作方向上同一时刻葱垄模型等轴侧视图土壤颗粒挠动和俯视图土壤颗粒流动情况进行研究，如图 10、图11所示。

由图10分析可知，对于疏土整地装置以不同水平倾角作业后的葱垄土壤，原疏土整地装置绞龙辊处的葱垄土壤挠动混合效果较好，但挂接绞龙辊和液压马达的连接架两侧葱垄挠动混合效果较差，葱垄土壤整体平整度较差，不利于大葱成堆铺放；新疏土整地装置作业后葱垄土壤分向两侧，葱垄中部出现了平整度较好的土层，葱垄土壤整体挠动混合效果较好，利于大葱成堆铺放。

由图11分析可知，对于疏土整地装置作业时的葱垄土壤，原疏土整地装置以不同水平倾角作业的土壤颗粒流动较为杂乱，绞龙辊处土壤颗粒向后疏导流动，挂接绞龙辊和液压马达的连接架两侧土壤颗粒堆积严重，增加功耗的同时土壤颗粒易堵塞轴承和液压马达，影响作业质量。新疏土整地装置以不同水平倾角作业的土壤颗粒流动较为规整，土壤颗粒向前堆积的同时沿着疏土板两侧向后疏导流动，土壤颗粒流动速度较快，且随着葱垄土壤破碎效果增强，疏土板土壤颗粒堆积量减少。

综合图10、图11分析，新疏土整地装置土壤挠动程度、土壤平整程度、土壤松散程度和土壤颗粒流动效果明显优于原疏土整地装置，利于大葱成堆铺放。

本节利用SolidWorks软件和EDEM软件构建了挖掘铲、抖土筛、疏土整地装置和收获期葱垄仿真模型，对铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置和原有大葱挖掘抖土疏整装置的挖掘铲、抖土筛和疏土整地装置分别进行了离散元仿真分析，确定了铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置土壤挠动效果和土壤颗粒流动情况均优于原装置，初步验证了铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置作业性能可行性，节省了研发周期和成本。

4 田间试验

4.1 试验条件

为了验证铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置的可靠性，2019年8月在潍坊市法廷蔬菜种植试验基地进行田间试验，试验基地土壤类型为沙壤土，土壤含水率24.78%，大葱品种为日本钢葱，大葱植株总长度约1 000～1 200 mm，葱白直径约15～22 mm，葱白长度约200～280 mm，株距48 mm，垄高370 mm，垄距900 mm，垄顶宽度270 mm，垄底宽度380 mm，发动机配套动力42 kW。

试验仪器与设备包括自走式大葱联合收获机、铲筛组合式挖掘抖土疏整装置、原有挖掘抖土疏整装置、电子秤、水分测定仪、卷尺、游标卡尺、钢尺、相机等，田间试验如图12所示。

4.2 评价指标

目前，中国还没有针对大葱收获装备制定详细的国家技术标准，依据中国农业机械学会发布的《自走式大葱收获机》标准和相关农业机械试验方法，以收获大葱含杂率、损伤率以及葱垄壅土概率作为评价指标，根据原定量铺放自走式大葱联合收获机最优作业参数[18]，以整机前进速度0.70 m/s、抖土频率4.30 Hz、挖掘铲水平倾角35.00°、每堆大葱铺放质量5.00 kg，分别对新装置和原装置进行田间性能对比试验。试验前，选择平整度好、无杂草的葱地，进行田间预试验，调整好各试验参数。试验时，调整好各试验参数并严格保持，尽量避免人为因素影响，同时保证机器平稳运行。机器每次行走距离为80 m（准备区15 m，测试区50 m，调整区15 m），每组试验10次，对测试区内收获大葱含杂率、损伤率、葱垄是否壅土以及葱垄壅土概率进行统计分析。

1）大葱杂质是指大葱收获后含有的泥土、死皮及石粒等，将测试区内收获的大葱收集，测得大葱总质量为（kg），去除杂质测得干净的大葱质量为W（kg），大葱含杂率T（%）计算公式为

2）大葱损伤是指大葱收获作业过程中，葱根铲断、葱叶破损、葱白揉搓等损伤，将测试区内损伤大葱收集，测得损伤大葱总质量为W（kg），大葱损伤率T（%）计算公式为

3）大葱收获机壅土是指大葱收获机作业过程中由于挖掘铲、抖土筛、疏土整地装置作业性能导致的土壤聚集，造成葱土壅堵作业装置、大葱严重损伤，妨碍收获机正常行进作业的现象。为了初步确定挖掘抖土疏整装置作业性能，作业过程中严格控制其他变量因素，分别进行田间性能试验，记录试验总次数n（次），试验过程葱垄壅土次数n（次），葱垄壅土概率（%）计算公式为

4.3 试验结果与分析

根据制定的试验方法及标准，测定原有挖掘抖土疏整装置和铲筛组合式挖掘抖土疏整装置作业后大葱含杂率、损伤率、葱垄壅土情况如表2所示。

田间性能对比试验结果表明，在相同土壤条件和作业参数下，铲筛组合式挖掘抖土疏整装置空间结构简单、功耗小、各部件工作性能良好，收获作业时土壤挠动效果好、流动速度快，试验壅土概率约10%，不易壅土。试验收获大葱的最小含杂率为2.61%，最大含杂率为3.47%，平均含杂率约2.94%；试验收获大葱的最小损伤率1.41%，最大损伤率1.82%，平均损伤率约1.66%。原有挖掘抖土疏整装置空间结构复杂、功耗大、易壅土，壅土概率约50%。试验收获大葱的最小含杂率3.19%，最大含杂率3.75%，平均含杂率约3.45%；试验收获大葱最小损伤率1.89%，最大损伤率2.84%，平均损伤率约2.43%，均高于铲筛组合式挖掘抖土疏整装置收获大葱的含杂率和损伤率。铲筛组合式挖掘抖土疏整装置较原有大葱挖掘抖土疏整装置收获大葱的平均含杂率降低0.51个百分点，平均损伤率降低0.77个百分点，壅土概率降低40个百分点，在一定程度上提高了收获机作业质量和作业效率。

综上所述，铲筛组合式挖掘抖土疏整装置空间结构合理、不易壅土，收获大葱的含杂率和损伤率低，作业效果好，各项指标均满足大葱收获要求。原有挖掘抖土疏整装置空间结构复杂，易壅土，收获大葱的含杂率和损伤率高，作业质量相对较低，不利于提高效益。

装置是否壅土对联合收获机作业性能影响较大。装置若壅土，不仅增加功耗，而且会挤压损伤大葱，无法保证收获质量。铲筛组合式挖掘抖土疏整装置作业可靠性好，收获大葱含杂率和损伤率低，在一定程度上提高了大葱联合收获机作业性能和机具适应性，为大葱联合收获机挖掘抖土疏整装置进一步提升优化提供了参考。

表2 主要性能指标

5 结 论

1）针对大葱联合收获挖掘抖土疏整装置可靠性差、作业阻力大的难题，基于定量铺放自走式大葱联合收获机，设计研发了一种铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置。

2）构建了收获期葱垄仿真模型，设置了仿真基本参数，为需培土作业农作物仿真垄型构建和参数设置提供了参考依据。对新装置和原装置的挖掘铲、抖土筛和疏土整地装置分别进行了仿真分析，确定了新装置土壤挠动效果和土壤颗粒流动情况均优于原装置，初步验证了铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置作业性能可行性，节省了研发周期和成本。

3）以原装置最优作业参数，对新装置和原装置进行了田间对比试验。试验结果表明，原装置收获大葱含杂率约3.45%，损伤率约2.43%，葱垄壅土概率约50%，易出现壅土现象；新装置收获大葱平均含杂率2.94%，平均损伤率1.66%，葱垄壅土概率约10%，壅土现象明显减少。新装置较原装置收获大葱的含杂率降低0.51个百分点，损伤率降低0.77个百分点，壅土概率降低40个百分点，在一定程度上了弥补了原有装置的不足，进一步提高了大葱联合收获机作业性能。

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Design and experiment of shovel-screen combined green onion digging, shaking, and soil tillage device

Hou Jialin1,2, Chen Yanyu2, Li Yuhua2,3, Li Tianhua2,3, Li Guanghua4, Guo Hong’en1※

(1.,250100,;2.,,271018,; 3.,271018,; 4..,.,262500,)

Green onion has widely been one of the most important cash crops in recent years. Its planting area is ever-increasing year by year. However, the mechanized harvest level is less than 20% in China, which seriously restricts the green onion industry. In this research, a combined shovel-screen device was designed for green onion digging, shaking, and soil tillage, in order to significantly improve the reliability and working efficiency during harvesting. Three parts were mainly composed of the digging shovel, the shaking screen, and the soil tillage mechanism. A mechanical model was also constructed to theoretically clarify the working principle and design idea. Then, the discrete element simulation was conducted for the green onion ridge in the harvest period. A field test was also carried out to verify the performance of the developed device and the original one. The simulation results showed that the soil disturbance and the flow condition of soil particles were better in the combined shovel-screen device than before. The field test results showed that the average impurity and damage rates of green onion were 2.94%, and 1.66%, respectively, while the soil accumulation was less than 10%. Furthermore, the green onion ridge soil was almost free from accumulation and blocking, when the combined shovel-screen device was digging, shaking, and soil tillage in the test. Correspondingly, there were decreases of 0.51 percentage points, 0.77 percentage points, and 40 percentage points in the average impurity and damage rates of green onion, as well as the soil accumulation in the test, respectively, compared with the original. The finding can also provide a strong reference for the research on the technology and equipment of digging, shaking, and soil tillage during harvesting, further promoting the rapid development of the onion industry.

agricultural machinery; model; green onion; digging; shaking; EDEM; field experiment

侯加林，陈彦宇，李玉华，等. 铲筛组合式大葱挖掘抖土疏整装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2021，37(18)：29-39.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.004 http://www.tcsae.org

Hou Jialin, Chen Yanyu, Li Yuhua, et al. Design and experiment of shovel-screen combined green onion digging, shaking, and soil tillage device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(18): 29-39. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.004 http://www.tcsae.org

2021-06-15

2021-09-08

国家现代农业产业技术体系资助（CARS-24-D-01）；山东省重点研发计划（重大科技创新工程）项目（2019JZZY010733）；山东省农机装备研发创新计划项目（2018YF001）；山东省现代农业产业技术体系蔬菜产业创新团队项目（SDAIT-05-11）

侯加林，教授，博士生导师，研究方向为智能农机装备。Email：jlhou@sdau.edu.cn。

郭洪恩，博士，研究员，研究方向为智能农机装备。Email：guohongen163@163.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.004

S225.92

A

1002-6819(2021)-18-0029-11