一种基于含水率与粒径耦合调振的土石分离方法及系统

本技术涉及农业土壤处理，尤其是涉及一种基于含水率与粒径耦合调振的土石分离方法及系统。

背景技术：

1、在农田整治、压砂地翻新及含石耕地复垦等农业生产活动中，耕作层土壤中常混有石块、砾石及较大土团，进行有效的土石分离是保障后续播种、施肥及收获作业顺利进行的关键环节。现有的土石分离设备主要采用铲取、输送配合滚筒筛或振动筛的结构形式，其工作流程通常是将挖掘出的土石混合物输送至筛分装置，利用筛网的孔径限制和筛体的振动作用，使细土透过筛孔落下，而将石块及大颗粒物料沿筛面输送至排石端排出。部分现有技术通过采集物料样本检测粒径分布，进而调整筛分速度以优化处理效率；另有技术方案通过加热机构降低土壤含水率以减少粘附，或利用单一的振动频率对混合物进行整体筛分处理。

2、但在现有技术中，面对含水率变化较大且含有大量湿黏土的复杂农田场景时，往往难以兼顾土团破碎、细土透筛与石块净化的多重需求。由于缺乏针对物料粘附特性的分区差异化处理机制，容易导致湿黏土团未被充分破碎而被误当作石块排出造成耕作土流失，或者石块表面包裹的泥土无法彻底剥离导致排石含土率过高，从而影响了土石分离的纯净度与可耕土的保护效果。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于含水率与粒径耦合调振的土石分离方法及系统，以解决上述问题。

2、第一方面，本技术提供一种基于含水率与粒径耦合调振的土石分离方法，所述方法包括：

3、s1、将土石混合物输送至振动筛分装置，所述振动筛分装置沿物料移动方向依次设置有第一筛段、第二筛段和第三筛段；

4、s2、在土石混合物进入所述振动筛分装置之前，获取土石混合物的含水率和粒径分布信息，并根据所述含水率和粒径分布信息分别确定第一筛段、第二筛段和第三筛段对应的振动参数；

5、s3、控制第一筛段按照对应振动参数对土石混合物进行振动松散，使土团发生破碎并使石块表面的附着土松动；控制第二筛段按照对应振动参数进行筛分，使细土通过筛孔下落并使石块继续向第三筛段移动；控制第三筛段按照对应振动参数进行振动脱附，使石块表面残留土壤脱落；

6、s4、获取第三筛段排出物的检测信息，并依据所述检测信息识别排出物中的带土石块和土团物料；

7、s5、当带土石块的占比超过预设范围时，增大第三筛段的振动强度并降低排出速度，以延长带土石块在第三筛段中的脱土时间；

8、s6、当土团物料的占比超过预设范围时，将所述土团物料回送至第一筛段，并同步提高第一筛段相对于第二筛段的振动强度，以增加回送土团在第一筛段中的破碎程度；

9、s7、根据带土石块的占比、土团物料的占比以及筛下土中的残留石块情况，对第一筛段、第二筛段和第三筛段的振动参数进行更新，并用于后续进入振动筛分装置的土石混合物筛分。

10、有益效果：采用上述方案，在进料前依据含水率和粒径分布分别设定三个筛段的振动参数，使第一筛段用于松散土团，第二筛段用于透筛细土，第三筛段用于脱除石块表面附土。排出端识别出带土石块和非石块土团后，分别调整第三筛段的振动频率和排出速度，或将非石块土团回送至第一筛段；同时根据筛下土中的残留石块情况校正第二筛段参数。由此，可减少固定振动参数下出现的土团误排和石块带土，并提高不同含水率及粒径组成条件下的筛分稳定性。

11、可选的，步骤s2中，所述粒径分布信息通过对土石混合物的表面图像或轮廓信息进行采集获得，并按照物料投影等效直径统计细土占比和大块物料占比；

12、其中，细土占比为投影等效直径小于第一粒径阈值的物料区域在采集区域中的占比，大块物料占比为投影等效直径大于第二粒径阈值的物料区域在采集区域中的占比，所述第二粒径阈值大于第一粒径阈值。

13、有益效果：采用表面图像或轮廓信息计算物料的投影等效直径，并分别统计小于第一粒径阈值和大于第二粒径阈值的物料区域占比，可将细土含量和大块物料含量转换为用于振动控制的量化参数。第一粒径阈值与第二粒径阈值之间保留中间粒径区间，可减少不规则物料直接二分造成的分类偏差，并为各筛段初始振动参数的确定提供依据。

14、可选的，步骤s2中获取的含水率、细土占比和大块物料占比分别与对应阈值进行比较后，用于生成第一筛段、第二筛段和第三筛段的初始振动参数；

15、其中，当含水率不低于第一含水率阈值且大块物料占比不低于第一大块占比阈值时，使第一筛段的振幅大于第二筛段的振幅；

16、当细土占比不低于第一细土占比阈值时，使第二筛段沿筛面方向的振动位移分量大于第一筛段沿筛面方向的振动位移分量。

17、有益效果：将含水率、细土占比和大块物料占比与对应阈值比较后，分别确定第一筛段、第二筛段的振幅关系及沿筛面方向的位移分量关系。含水率和大块物料占比较高时，第一筛段采用较大的振幅，以增加对土团的松散作用；细土占比较高时，第二筛段采用较大的沿筛面方向位移分量，以促进物料铺展和细土透筛。该参数设置使破团与透筛分别在相应筛段进行，减少两种作业要求之间的相互影响。

18、可选的，在第一筛段进行筛分时，控制第一筛段形成包含竖向振动阶段和间歇冲击阶段的振动过程，使进入第一筛段的土团发生抛起、落回和裂开；

19、当含水率不低于第一含水率阈值时，第一筛段在调整后的竖向振幅大于调整前的竖向振幅。

20、有益效果：第一筛段形成竖向振动和间歇冲击相结合的振动过程，使土团经历抛起、落回和碰撞；当含水率达到第一含水率阈值时，再提高第一筛段的竖向振幅，以增加对湿黏土团的松散作用。由于振动强度的提高集中在第一筛段，可在不同时提高各筛段振动强度的情况下，降低大土团进入后续筛段或堵塞筛孔的可能性。

21、可选的，在第二筛段和第三筛段进行筛分时，使第二筛段的振动轨迹中沿筛面方向的位移分量大于第三筛段沿筛面方向的位移分量，使第三筛段的振动轨迹中垂直筛面方向的加速度分量大于第二筛段垂直筛面方向的加速度分量，从而使细土主要在第二筛段通过筛孔下落，并使石块主要在第三筛段翻转脱土。

22、有益效果：第二筛段沿筛面方向的位移分量较大，有利于已松散物料沿筛面铺展并使细土接近筛孔；第三筛段垂直筛面方向的加速度分量较大，有利于石块翻转并使表面附着土脱落。通过分别设置第二筛段和第三筛段的振动轨迹，可使细土透筛和石块脱土在不同区段进行，减少单一振动轨迹对两种作业目标的相互制约。

23、可选的，步骤s4中，将排出物的图像信息用于获得土壤覆盖面积占比，将排出物的撞击声音信息用于获得撞击声音主频；

24、当土壤覆盖面积占比小于第一覆盖阈值且撞击声音主频不低于第一声音阈值时，将排出物识别为石块；

25、当土壤覆盖面积占比不小于第一覆盖阈值且撞击声音主频不低于第一声音阈值时，将排出物识别为带土石块；

26、当土壤覆盖面积占比不小于第二覆盖阈值且撞击声音主频低于第一声音阈值时，将排出物识别为非石块土团，其中，第二覆盖阈值大于第一覆盖阈值。

27、有益效果：土壤覆盖面积占比用于反映排出物表面的附土情况，撞击声音主频用于反映排出物是否具有硬质内核。将两项检测结果共同用于判定，可区分表面附土较少的石块、带土石块和非石块土团，并使后续的第三筛段参数调节或土团回送具有明确的触发条件。与仅依据外观或撞击声音进行判断相比，可减少带土石块与湿黏土团之间的混淆。

28、可选的，在一个采样周期内，当带土石块数量与排出物总数量的比值不低于第一排石比例阈值时，将第三筛段调整后的振动频率设定为大于调整前的振动频率，并将第三筛段调整后的排出速度设定为小于调整前的排出速度，使带土石块在第三筛段中的停留时间增加。

29、有益效果：当带土石块占比达到第一排石比例阈值时，提高第三筛段的振动频率并降低排出速度，可增加单位停留时间内的振动次数，并延长物料在第三筛段内的处理时间。该调整直接针对排石端的带土情况，无需同步改变第一筛段和第二筛段的运行参数，有利于减少石块表面残土随排出物带出。

30、可选的，在一个采样周期内，当非石块土团数量与排出物总数量的比值不低于第二排石比例阈值时，将所述非石块土团回送至第一筛段，并使第一筛段调整后的振幅大于调整前的振幅，且大于第二筛段当前振幅，使回送后的非石块土团在进入第二筛段前被重新松散。

31、有益效果：当非石块土团占比达到第二排石比例阈值时，将其回送至第一筛段，并使第一筛段调整后的振幅大于调整前的振幅及第二筛段当前振幅，可使回送土团重新经历较强的抛掷和碰撞。经松散后的细土再进入第二筛段透筛，从而减少完整土团连续从排石端排出，并保留其中能够透筛的土壤。

32、可选的，在连续筛分过程中，若连续不少于两个采样周期内带土石块数量与排出物总数量的比值均不低于第一排石比例阈值，则更新第三筛段的振动频率和排出速度；

33、若连续不少于两个采样周期内非石块土团数量与排出物总数量的比值均不低于第二排石比例阈值，则更新第一筛段的振幅和间歇冲击次数；

34、若筛下土中残留石块数量与筛下检测物料总数量的比值不低于第三比例阈值，则更新第二筛段的振动方向或垂直筛面方向的振幅。

35、有益效果：采用连续不少于两个采样周期的判断条件，可避免单次物料波动或检测误差立即引起参数切换。根据带土石块、非石块土团和筛下残留石块三类检测结果，分别修正第三筛段、第一筛段和第二筛段的对应参数，使参数调整与异常出现的筛分环节相对应，减少频繁且无针对性的调节，并保持连续筛分过程的稳定性。

36、第二方面，本技术提供一种基于含水率与粒径耦合调振的土石分离系统，所述系统包括：

37、输送模块，用于将土石混合物输送至振动筛分装置，所述振动筛分装置沿物料移动方向依次设置有第一筛段、第二筛段和第三筛段；

38、参数设置模块，用于在土石混合物进入所述振动筛分装置之前，获取土石混合物的含水率和粒径分布信息，并根据所述含水率和粒径分布信息分别确定第一筛段、第二筛段和第三筛段对应的振动参数；

39、分段振筛模块，用于控制第一筛段按照对应振动参数对土石混合物进行振动松散，使土团发生破碎并使石块表面的附着土松动；控制第二筛段按照对应振动参数进行筛分，使细土通过筛孔下落并使石块继续向第三筛段移动；控制第三筛段按照对应振动参数进行振动脱附，使石块表面残留土壤脱落；

40、排出物识别模块，用于获取第三筛段排出物的检测信息，并依据所述检测信息识别排出物中的带土石块和土团物料；

41、脱土控制模块，用于当带土石块的占比超过预设范围时，增大第三筛段的振动强度并降低排出速度，以延长带土石块在第三筛段中的脱土时间；

42、回送模块，用于当土团物料的占比超过预设范围时，将所述土团物料回送至第一筛段，并同步提高第一筛段相对于第二筛段的振动强度，以增加回送土团在第一筛段中的破碎程度；

43、参数更新模块，用于根据带土石块的占比、土团物料的占比以及筛下土中的残留石块情况，对第一筛段、第二筛段和第三筛段的振动参数进行更新，并用于后续进入振动筛分装置的土石混合物筛分。