山藥收獲機械輸送機構與其力學特性試驗研究

劉國華,楊發展,張 娜,楊云鵬

(青島理工大學 機械與汽車工程學院,山東 青島 266520)

0 引言

目前,山藥和牛蒡等深埋類作物種植戶普遍具有較高的經濟收益[1],種植規模越來越大。然而,由于其特殊的生長環境,塊根的收獲與種植土壤的深度、疏松程度、地表土層及山藥的品種相關性極大,目前大部分地區依舊采用人工收獲方式,挖掘深度在0.8～1.2m之間,挖掘收獲勞動強度、難度極大,收獲中易出現斷裂及表皮損傷等現象,嚴重影響品質和外觀。我國的山藥收獲機械化已進行了初步嘗試,但大部分還處于機械開溝的初級階段,依舊需要大量的人工勞動參與開挖和收獲,不能滿足家庭農場及專業合作社等經營主體的規模化種植需求。目前,僅有部分集開溝、去土、取山藥等功能為一體的山藥收獲機,由于開挖深度、漏收、損傷率等問題,僅停留在樣機研制階段[2-3]。隨著具有單一功能的開溝裝置技術越來越成熟,種植戶采用側邊開溝、人工輔助挖掘的收獲方式也越來越廣泛。然而,在側邊收獲過程中,由于開溝距離選擇得不合適,導致側邊土壤塌方致使山藥出現折斷的現象較為普遍。

基于上述因素,設計開發了一種輸送機構,使山藥在從土壤中向上輸送時盡可能地降低破損,同時大幅減少勞動力消耗。由于山藥在傳輸過程中受到拉力、壓力和彎曲作用,為了探索山藥承載外部載荷的方向性,為機械機構的設計提供依據,利用電子萬能試驗機對山藥的根莖進行了拉伸、壓縮和彎曲試驗;同時,設計并制造了一種用于根莖類材料測試試驗所使用的夾具,防止試驗時夾碎試樣,為后續山藥收獲機的設計與制造尤其是輸送機構的開發提供理論依據[4-6]。

1 山藥輸送機構設計

山藥的正常生長狀態及斷裂狀態如圖1所示。

圖1 山藥的正常生長狀態及斷裂狀態

1.1 結構設計

設計開發的輸送機構如圖2所示。輸送機構為鏈式傳送機構[7],傳送帶由間隔設置于兩傳送鏈條之間的無數條橫桿組成,主要部件由馬達、一級主鏈輪、一級傳動鏈、一級從鏈輪、支撐機構、伸縮桿等組成。一級鏈傳動機構內還設置一張緊機構,包括轉動盤和轉動輪,轉動盤與輸送機構的外側壁轉動連接且位于一級傳動鏈內,轉動盤上以轉動點為圓心開設一條弧形通槽,弧形通槽上設置鎖緊件,通過鎖緊件將轉動盤定位在外側壁上;轉動輪連接于轉動盤邊緣,且在需要調整張緊力時與一級傳動鏈滑動配合。輸送裝置的兩外側壁上均設置至少1個支撐機構,從上至下依次設置支撐鏈輪、支撐桿、楔形滑塊、調整螺釘及1個用于容納支撐桿和楔形滑塊的限位槽。支撐鏈輪固定于支撐桿的上端部且與鏈式傳送機構的傳送鏈條嚙合,支撐桿的下端部為斜面,與下方的楔形滑塊的斜面相配合,調整螺釘穿過限位槽的側壁且端部頂住楔形滑塊。

1.2 工作原理

馬達通過一級鏈傳動機構將動力傳送至輸送機構,一級鏈傳動機構固定于輸送機構的外側壁上,一級主鏈輪固定于馬達的傳動軸上,通過一級傳動鏈帶動一級從鏈輪轉動;一級從鏈輪固定于鏈式傳送機構的轉軸上,帶動傳送帶轉動。通過馬達為輸送機構提供動力,被切斷的土埂通過傳送帶進行輸送,輸送機構通過兩連接件與從動軸鉸接,且輸送機構通過兩可調節長度的伸縮桿與支撐架固定連接,調整伸縮桿,改變輸送機構與挖深掘進機構之間的夾角,以及輸送機構與地面之間的夾角,使被挖深掘進機構切斷的土壤能夠更好地進入輸送機構。在傳送過程中,土壤被提升,部分疏松的土壤從橫桿間隙間落下,將作物與土壤分離,方便拾取作物。

1.一級從鏈輪 2.傳送帶 3.一級傳動鏈 4.馬達 5.一級主鏈輪 6.支撐機構 7.傳送鏈條 8.連接件 9.鏈刀

2 試驗夾具設計

2.1 結構設計

夾具結構如圖3所示。夾具主要包括底座、兩夾片和兩調節桿等,如圖3所示。其中,底座包括連接支架和對稱分布的兩固定塊[8],連接支架的兩端部分別固定連接一固定塊;兩夾片設于兩固定塊的中間且各夾片通過4個導向柱與固定塊滑動連接,導向柱垂直固定于固定塊上,夾片與固定塊一一對應設置;各固定塊內均穿設調節桿與固定塊螺紋連接,調節桿與夾片垂直設置且調節桿的一端抵住夾片,另一端位于固定塊的外部。

1.拉桿 2.鎖緊件 3.底座 4.夾片 5.導向柱 6.調節桿

2.2 使用方法

選用兩個夾具,上下對稱設置,各夾具上拉桿的通孔穿設一插銷,通過該插銷與萬能試驗機連接。將被測材料放置于夾具的兩夾片之間,調節兩調節桿,所述夾片在導向柱上向中間滑動,使兩夾片夾住被測材料。通過調節桿調節夾持力度,避免用力過大夾碎被測材料。選用與被測材料外周面形狀相匹配的夾片,可以避免被測材料在夾持過程中應力集中。通過上下兩夾具分別夾住被測材料的上端部和下端部,然后進行拉伸試驗。

3 山藥力學特性試驗

3.1 試樣準備

3.1.1 試驗材料

試驗材料取自山東淄博市桓臺縣宮家細毛山藥,選用生長良好、根莖俱全帶泥土的細毛山藥。試樣采集后,用塑料袋密封包裝,并置于陰涼處保存。試樣要求無任何缺陷及斷裂現象。

3.1.2 試驗材料制備

1)細毛山藥根莖的選擇。試樣要求新鮮、無斷裂,去除泥土和其他雜質。

2)細毛山藥試樣的制備[9]。將細毛山藥用環刀做簡單的加工處理,試樣的標準距離為100mm。為避免應力集中,試樣標準距離段和加持段之間預留20mm的過渡段,標準距離段的直徑盡量從細毛山藥中選取10～20mm。

3.1.3 試驗設備

試驗選用ETM系列 B型小臺式微機控制電子萬能試驗機(深圳萬測試驗設備有限公司),設備的精度為0.5級,最大試驗力為10kN,試驗力示值相對誤差±0.5%/±1%。測量用數顯游標卡尺(量程0～150mm,精度0.01mm),選用稱量用的電子天平(量程0～1 000g,精度0.01g)及環刀等。

3.2 試驗分析

3.2.1 拉伸試驗

拉伸試驗裝置如圖4所示。

圖4 拉伸試驗裝置圖

3.2.1.1 單因素試驗分析

1)直徑大小對山藥抗拉能力的影響。試驗加載速度10mm/min[10],選用直徑為5、8、11、14、17mm且同一批含水率相同的山藥試樣做拉伸試驗,結果如圖5所示。

圖5 直徑大小對山藥抗拉能力的影響

由圖5可知:當直徑為5mm時,拉斷力為17.25N;直徑為11mm時,拉斷力為39.74N;直徑為17mm時,拉斷力達到50.11N。這表明,山藥直徑越大,所需要的拉斷力明顯越大。

2)加載速度對山藥抗拉能力的影響。選用含水率為81.78%且直徑相同的山藥試樣,拉伸試驗的加載速度為10、15、20mm/min,試驗結果如圖6所示。

圖6 加載速度對山藥抗拉能力的影響

由圖6可以看出:當加載速度為10mm/min時,拉斷力為47.12N;當加載速度為15mm/min時,拉斷力為45.97N;當加載速度為20mm/min時,拉斷力為45.44N。這表明,隨著加載速度的增大,拉斷所需要的力逐漸減小。

3)含水率對山藥抗拉能力的影響。試驗加載速度為10mm/min,選用含水率為52.41%、69.08%、78.84%、81.78%、84.51%且直徑相同的山藥試樣做拉伸試驗,結果如圖7所示。

圖7 含水率對山藥抗拉能力的影響

由圖7可知:當含水率為52.41%時,拉斷力為55.23N;當含水率為78.84%時,拉斷力為45.02N;當含水率為84.51%時,拉斷力為42.35N。這表明,含水率越高,所需要的拉斷力越小。

3.2.1.2 正交試驗結果分析

對山藥的拉伸試驗選用L9(34)做3因素3水平的正交試驗[11-12],試驗因素為直徑、含水率、加載速度,評價指標選用拉斷力。分析結果如表1所示。

表1 山藥拉伸正交試驗結果

由表1分析可知:影響山藥拉斷力的因素次序為直徑A>含水率B>加載速度C;拉斷力最大的組合為A3B1C3,即直徑為15mm、含水率為69.08%、加載速度為20mm/min。原因為:含水率越低,山藥脆性越小,越不容易被拉斷;加載速度越小,沖擊能量越小,越不容易被拉斷。

3.2.1.3 抗拉強度

測定試樣被拉斷時的最大力F,試樣的截面積為S,許用應力σ,則[9]

(1)

將試驗獲得的數據代入公式(1)中,計算得到抗拉強度數值,去掉1個最大值1.022MPa和1個最小值0.251MPa,然后取平均值,抗拉強度為0.415MPa,標準差為0.132MPa。

3.2.2 壓縮試驗

壓縮試驗裝置如圖8所示。

圖8 壓縮試驗裝置圖

3.2.2.1 單因素試驗分析

1)直徑大小對山藥抗壓能力的影響。試驗加載速度10mm/min,選用直徑為5、8、11、14、17mm,且對同一批含水率相同的山藥試樣做壓縮試驗[13],結果如圖9所示。

圖9 直徑大小對山藥抗壓能力的影響

由圖9可知:當直徑為5mm時,壓斷力為70.43N;直徑為11mm時,壓斷力為195.66N;直徑為17mm時,壓斷力達到230.12N。這表明,隨著山藥直徑的增大,壓斷所需要的力明顯增大,尤其在初始階段增幅明顯。

2)加載速度對山藥抗壓能力的影響。選用含水率為81.78%且直徑相同的山藥試樣,加載速度為10、15、20mm/min做壓縮試驗,試驗結果如圖10所示。

圖10 加載速度對山藥抗壓能力的影響

由圖10可以明顯看出:加載速度為10mm/min時,壓斷力達到196.35N;加載速度為15mm/min時,壓斷力為188.57N;加載速度為20mm/min時,壓斷力為184.24N。這表明,隨著加載速度的增大,壓斷相同的山藥所需要的力越小。

3)含水率對山藥抗壓能力的影響。試驗加載速度設定10mm/min,選用含水率為52.41%、69.08%、78.84%、81.78%和84.51%且直徑相同的山藥試樣做壓縮試驗,結果如圖11所示。

圖11 含水率對山藥抗壓能力的影響

由圖11可以明顯看出:當含水率為52.41%時,壓斷力為229.61N;當含水率為78.84%時,壓斷力為197.75N;當含水率為84.51%時,壓斷力為170.45N。這表明,含水率越高,壓斷相同的山藥所耗費的壓斷力越小。

3.2.2.2 正交試驗結果分析

對山藥的壓縮試驗選用L9(34)做3因素3水平的正交試驗,試驗的因素選為直徑、含水率和加載速度,指標選用壓斷力,結果如表2所示。

表2 山藥壓縮正交試驗結果

由表2可知:影響山藥壓斷力的因素次序為直徑A>含水率B>加載速度C;壓斷力最大的組合為A3B1C3,即直徑為15mm、含水率為69.08%、加載速度為20mm/min。原因為:含水率越低,山藥脆性越小,越不容易被壓斷;加載速度越小,沖擊能量越小,越不容易被壓斷。

3.2.2.3 抗壓強度

測定試樣被拉斷時的最大力為Fmax,試樣的截面積為S,許用應力σb,則[9]

(2)

把得到的試驗數據代入公式(2)中,計算得到抗壓強度數值,去掉1個最大值3.678MPa和1個最小值1.104MPa,然后取平均值,抗壓強度為2.328MPa,標準差為0.774MPa。

3.2.3 彎曲試驗

彎曲試驗裝置如圖12所示。

圖12 彎曲試驗裝置圖

3.2.3.1 單因素試驗分析

1)直徑大小對山藥抗彎能力的影響。試驗加載速度10mm/min,選用直徑為5、8、11、14、17mm且同一批含水率相同的山藥試樣做彎曲試驗[14],試驗結果如圖13所示。由圖13可以看出:當直徑為5mm時,折斷力為2.73N;直徑為11mm時,折斷力為18.67N;直徑為17mm時,折斷力達到29.67N。這表明,山藥直徑越大,所需要的折斷力越大。

圖13 直徑大小對山藥抗彎能力的影響

2)加載速度對山藥抗彎能力的影響。選用含水率為81.78%且直徑相同的山藥試樣,加載速度為10、15、20mm/min做彎曲試驗,結果如圖14所示。由圖14可知:當加載速度為10mm/min時,折斷力達到25.34N;當加載速度為15mm/min時,折斷力為21.15N;當加載速度為20mm/min時,折斷力為18.62N。這表明,隨著加載速度的增大,折斷所耗費的力越小。

圖14 加載速度對山藥抗彎能力的影響

3)含水率對山藥抗彎能力的影響。試驗加載速度設定為10mm/min,選用含水率為52.41%、69.08%、78.84%、81.78%和84.51%且直徑相同的山藥試樣做彎曲試驗,結果如圖15所示。由圖15可知:當含水率為52.41%時,折斷力達到33.64N;當含水率為78.84%時,折斷力為26.23N;當含水率為84.51%時,折斷力為20.12N。這表明,隨著含水率的增加,所需要的折斷力變小。

圖15 含水率對山藥抗彎能力的影響

3.2.3.2 正交試驗結果分析

對山藥的彎曲試驗選用L9(34)做3因素3水平的正交試驗,試驗因素為直徑、含水率、加載速度,指標選用折斷力,結果如表3所示。

由表3可知:影響山藥折斷力的因素次序為直徑A>含水率B>加載速度C;折斷力最大的組合為A3B1C3,即直徑為15mm、含水率為69.08%、加載速度為20mm/min。

表3 山藥彎曲正交試驗結果

3.2.3.3 抗彎強度

抗彎強度計算公式為

(3)

其中,σmax為抗彎強度;Mmax為最大彎矩;Wz為抗彎截面系數[9]。

把試驗數據代入公式(3)中,計算獲得抗彎強度數值。去掉1個最大值9.713MPa和1個最小值2.915MPa,然后取平均值,抗彎強度為4.723MPa,標準差為1.172MPa。

4 結論

1)整個試驗用的細毛山藥抗拉強度平均值為0.415MPa,標準差為0.132MPa;抗壓強度平均值為2.328MPa,標準差為0.774MPa;抗彎強度平均值為4.723MPa,標準差為1.172MPa。

2)單因素試驗結果表明:山藥自身承受的拉斷力、壓斷力、折斷力隨著加載速度的增大而減小,說明收獲中隨著土壤垮塌速度越快、沖擊的加速度越大,山藥承受外部載荷的能力越小;山藥承受的拉斷力、壓斷力、折斷力隨其自身含水率的增大而明顯減小,說明當收獲季土壤較濕潤時,山藥在含水率較高情況下其受到外部載荷抗斷裂能力大幅降低。因此,山藥收獲在選擇土壤濕度較小的時間點可大幅減少山藥出現斷裂的可能。

3)正交試驗結果表明:山藥的直徑、含水率和施加外部載荷的加載速度的不同對其承受的拉斷力、壓斷力、折斷力均有明顯影響,影響因素的顯著程度依次為:直徑>含水率>加載速度。

4)綜合比較山藥的抗拉、抗壓、抗彎強度的平均值,抗彎強度>抗壓強度>抗拉強度,說明山藥根莖的抗拉性能較差,在設計山藥收獲機時應盡可能減少其受到軸向拉力的作用,以減少山藥出現斷裂的可能。