臧 金， 石林榕， 楊小平， 田劍鋒， 柏永祥

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

黨參主要產(chǎn)自于我國甘肅、陜西、寧夏等地，是一種傳統(tǒng)的藥食同源植物，具有補(bǔ)中益氣、養(yǎng)血生津、降低血壓等功效[1-3]。甘肅作為我國藥材種植大省，素有“千年藥鄉(xiāng)”之稱，黨參更為其主要種植藥材之一。據(jù)統(tǒng)計，甘肅黨參種植面積就達(dá)70萬畝，并逐年增長。黨參產(chǎn)量占全國的百分之六十，可見種植和收獲工程巨大[4]。由于黨參的種植主要集中在貧困山區(qū)，種植區(qū)地塊相對較小，不適應(yīng)大型農(nóng)機(jī)作業(yè)，所以目前很多地區(qū)的黨參收獲環(huán)節(jié)基本上是人工作業(yè)，又因勞動力短缺存在收獲效率低、勞動成本較高、勞動強(qiáng)度大等問題，使得黨參收獲成本不斷上升[5-7]。

黨參收獲過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是破土起根。由于黨參播種時經(jīng)常會出現(xiàn)種粒分布不均或植株移栽時不成行等問題[8-10]，給收獲帶來一定的困難。為解決上述不可避免的麻煩，本文主要挑選黨參根莖的各項參數(shù)中滾動摩擦因數(shù)進(jìn)行測定，然后利用Solidworks繪制出與試驗相同尺寸的三維模型并導(dǎo)入EDEM中進(jìn)行仿真驗證離散元建模的可行性，為黨參的仿真挖掘的過程提供數(shù)據(jù)參考，以期加快機(jī)械化收獲的研究并提高黨參等深根莖類中藥材的收獲率。

1 黨參基本參數(shù)測定

根據(jù)仿真的需要，黨參的參數(shù)主要包含兩大塊，一是物理參數(shù)，另一個就是接觸力學(xué)參數(shù)。物理參數(shù)包括尺寸形狀、密度、泊松比、彈性模量、含水率；接觸力學(xué)參數(shù)包括黨參與黨參之間，黨參與45#鋼、土壤之間的碰撞恢復(fù)因數(shù)、靜摩擦因數(shù)和滾動摩擦因數(shù)[11-13]。本文主要挑選其中黨參與土壤、45#鋼間的滾動摩擦因數(shù)進(jìn)行測定并對其進(jìn)行驗證。為提高試驗的準(zhǔn)確性，本次采用隨機(jī)取樣的方法對黨參進(jìn)行取樣并測定參數(shù)。取樣地點為定西市渭源縣藥材市場，該地區(qū)為黨參藥材集中收獲批發(fā)地，取樣時間為11月上旬。

1.1 黨參與土壤間滾動摩擦因數(shù)的測定

參考能量守恒定律，故本次試驗采用斜面滾動法來測定黨參與45#鋼及土壤之間的滾動摩擦因數(shù)。試驗時通過數(shù)顯式角度尺(量程0°～360°，精度為0.05°)作為依照來調(diào)節(jié)斜面與水平面的夾角為30°，在塑料板與桌面相接的另一面鋪滿土壤，設(shè)定切斷黨參(長15 mm)在斜面上滾動距離S=100 mm，將黨參從固定位置S以初速度為0沿斜面自由向下滾動，并在水平土壤面上滾動一定距離直到完全靜止為止，測量其在土壤上的滾動距離L[14-15]。黨參與土壤間的滾動摩擦因數(shù)試驗如圖1所示。

圖1 黨參與土壤間的滾動摩擦因數(shù)試驗

1.2 黨參與45#鋼間滾動摩擦因數(shù)的測定

測定黨參與45#鋼之間的滾動摩擦因數(shù)時，只需要將土壤替換為45#鋼，考慮到黨參與45#鋼之間的摩擦因數(shù)太小，在平面上會滾動很長一段距離，此時誤差會變大，故將S改為50 mm即可，斜面與水平面之間的角度還是不變。黨參與45#鋼間的滾動摩擦因數(shù)試驗如圖2所示。

圖2 黨參與45#鋼間的滾動摩擦因數(shù)試驗

如此重復(fù)上述兩組試驗，每組試驗10次，然后根據(jù)公式(1)計算出黨參與兩種材料間的滾動摩擦因數(shù)μ并其平均值。試驗結(jié)果見表1。

(1)

式中：S為黨參在斜面上的滾動距離，mm；β為斜面與水平桌面的夾角0<β<90°；L為黨參在接觸材料上滾動的距離，mm。

表1 黨參滾動摩擦因數(shù)試驗結(jié)果

2 驗證離散元模型

為驗證離散元法建立黨參模型的可行性，以上述試驗作為驗證對象。首先利用Solidworks建立與物理實驗相同尺寸的摩擦面三維模型，將該模型導(dǎo)入到EDEM中，再在斜面上建立黨參離散元模型，滾動摩擦因數(shù)仿真試驗臺如圖3所示。

以滾動摩擦因數(shù)x為試驗因素，在水平面上滾動的距離y為評價指標(biāo)，取黨參與45#鋼之間的滾動摩擦因數(shù)x1范圍0.03～0.04，黨參與土壤之間的滾動摩擦因數(shù)x2范圍0.06～0.07進(jìn)行仿真試驗[16]，重復(fù)10次取平均值。然后將數(shù)值導(dǎo)入到Origin中繪制擬合曲線如圖4所示。其中，y為黨參的滾動摩擦仿真試驗水平滾動距離。

圖3 滾動摩擦因數(shù)仿真試驗臺

圖4 滾動摩擦因數(shù)擬合曲線

Origin中建立的兩個擬合方程的決定因數(shù)分別為R12=0.997 68，R22=0.998 57，其值均接近1，表明擬合方程可靠度高[17]。將45#鋼斜面與土壤斜面試驗的水平滾動距離實測值262.95 mm、90 mm分別帶入式(2)、(3)，得出x1=0.029 6、x2=0.066 4，輸入EDEM中進(jìn)行驗證，試驗重復(fù)10次，計算平均值。仿真試驗測得水平滾動距離仿真值分別為259.3 mm、90.3 mm，與實測值的相對誤差分別為1.39%、0.3%，由此表明標(biāo)定后的仿真結(jié)果與斜面試驗基本一致。

y1=108 258.9x2-15 128.9x1+615.5

(2)

(3)

3 結(jié)論

根據(jù)能量守恒定律選取斜面法對黨參與土壤和45#鋼之間的滾動摩擦因數(shù)進(jìn)行測定。利用Solidworks繪制出與試驗相同尺寸的三維模型并導(dǎo)入EDEM中，用物理試驗所測得的參數(shù)建立黨參根莖模型進(jìn)行斜面仿真，然后將仿真測得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin中建立擬合曲線與擬合方程，其中擬合方程的決定因數(shù)均接近于1，驗證所建立的黨參離散元模型的可靠性較高。本結(jié)論可為進(jìn)一步研究黨參收獲挖掘時其與土壤、挖掘鏟之間的互作關(guān)系提供理論依據(jù)。