馬鈴薯收獲機挖掘鏟牽引阻力分析與測試

鄧偉剛,王春光

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,呼和浩特 010018)

0 引言

馬鈴薯收獲機在田間作業(yè)時,其牽引阻力絕大部分來自于收獲過程中挖掘鏟受到的切削阻力,對挖掘鏟切削阻力的影響因素進行研究,從而降低牽引阻力、減少功耗,對于馬鈴薯機械化收獲具有重要意義。

李祥[1-2]通過靜力學分析及優(yōu)化設計方法,對馬鈴薯挖掘機懸掛架的結(jié)構(gòu)及尺寸進行了優(yōu)化設計,并通過響應面法對牽引阻力的影響因素進行優(yōu)化分析,得出了最佳的工作參數(shù)組合。賈晶霞[3]通過開發(fā)計算機軟件,對馬鈴薯收獲機牽引力進行了計算和分析。于艷等通過研制農(nóng)機土槽動力學參數(shù)測試系統(tǒng),實現(xiàn)了對挖掘鏟前進阻力的實時測試[4]。李雷霞等通過編制計算機軟件模擬研究挖掘鏟作業(yè)時的土壤環(huán)境,得出了挖掘過程中土壤的理想環(huán)境參數(shù)[5]。McKyes, E.對窄形鏟體的土壤切削力進行了分析,對切削過程中不同形狀的鏟體和土壤變形過程的三維失效模型進行了近似預測[6]。M. Spektor對土壤切削過程中的前進阻力進行了試驗研究,得出切削阻力與挖掘鏟體寬度成線性關(guān)系,與挖掘深度成非線性關(guān)系[7]。I. Shmulevich 對4種不同形狀的鏟體在砂土箱中的挖掘過程進行了離散元仿真分析和試驗研究,驗證了離散元法仿真結(jié)果與試驗分析具有較好的一致性[8]。筆者[9-11]也曾先后對馬鈴薯挖掘鏟的力學模型進行推導,并對影響牽引力的部分關(guān)鍵因素進行仿真分析。雖然國內(nèi)外諸多學者對馬鈴薯收獲機挖掘鏟工作阻力進行了較多研究,但基本都以挖掘鏟正切為研究對象,未分析滑切對工作阻力的影響。為此,通過理論推導、仿真分析和試驗測試,對挖掘過程中鏟面傾斜角度、機具工作速度及滑切角對工作阻力的影響進行了研究,具有一定的理論及實踐意義。

1 挖掘鏟力學模型分析

挖掘鏟工作時可以分為正切和滑切兩種情況,如圖1所示。

(a) 正切

(b) 滑切

正切時,ABEF為矩形工作鏟面,切削刃AB的法線方向與挖掘鏟前進方向平行,鏟面上土壤的移動方向與AF平行。滑切時,切削刃AB的法線方向與挖掘鏟前進方向的夾角為γ,即為滑切角。On為鏟面ABEF的法矢,其與鏟面的交點為N點。ANM為土跡線的方向,土壤沿AM方向在鏟面上移動[12]。根據(jù)圖1幾何關(guān)系易知

sinα=sinδ·cosγ

(1)

其中,α為滑切時的鏟面傾斜角度,δ為正切時的鏟面傾斜角度,γ為滑切角。

因為0

即滑切比正切省力,且切割阻力隨滑切角的增大而減小[13-14]。當滑切角γ為0時,α=δ,滑切變?yōu)檎?即正切是滑切的特殊情形。

挖掘鏟工作時,主要受機具牽引力、鏟面上土壤作用的法向載荷、土壤對挖掘鏟作用的摩擦力、因土壤粘性而產(chǎn)生的鏟面附著力,以及土壤純切削阻力的作用。通常情況下土壤的純切削阻力很小,可以忽略不計。挖掘鏟的受力分析如圖2所示。

圖2 挖掘鏟受力分析

挖掘鏟水平方向受力平衡方程式為

W1=N0·sinα+μ1N0·cosα+CαF0·cosα

(2)

其中,W1為機具牽引力,N0為土壤作用于鏟面的法向載荷,μ1為土壤與挖掘鏟摩擦因數(shù),Cα為土壤附著力因數(shù)(N/m2),F0為挖掘鏟面積(m2)。

土壤作用于鏟面的法向載荷N0與鏟面上土壤的受力和運動情況有關(guān),國內(nèi)外諸多學者對此已有研究[15-17]。據(jù)此將式(2)變形,得到機具牽引力的表達式,即

(3)

其中,G為鏟面上土壤重力,C為土壤內(nèi)聚力因數(shù)(N/m2),F1為土壤剪切面積(m2),B為土壤沿鏟面運動的加速力,β為前失效面傾角(°),μ為土壤內(nèi)摩擦因數(shù)。

其中

F0=bL0

其中,ρ為土壤容積密度(kg/m3),b為鏟面寬度(m),d為挖掘深度(m),g為重力加速度(N/m2),L0為鏟面長度(m),V0為挖掘鏟工作速度。

綜上分析可得,機具所受的牽引力受γ、δ、β、μ、μ1、b、d、L0、V0、c、cα、ρ等12個參數(shù)的綜合影響。這12個參數(shù)可以分為土壤參數(shù)、挖掘鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)和機具工作參數(shù),如表1所示。

表1 初始計算參數(shù)

續(xù)表1

2 牽引力影響因素分析

2.1 分析方案

考慮到馬鈴薯收獲的實際情況,選取滑切角γ、鏟面傾角δ、機具工作速度V03個因素,在MatLab中分析單個因素變化對牽引力W的影響。以內(nèi)蒙古呼和浩特市武川縣馬鈴薯種植基地的土壤參數(shù)作為基本分析數(shù)據(jù),土壤參數(shù)、挖掘鏟尺寸參數(shù)及挖掘深度值如表2所示。

表2 初始分析參數(shù)值

在仿真分析時,給定某個因素的變化范圍,同時使其他兩個因素不變,計算出W的對應值并繪制變化曲線圖。各因素的變化范圍及取值如表3所示。

表3 單因素分析方案與初始數(shù)據(jù)

2.2 分析結(jié)果

根據(jù)表2、表3中的數(shù)據(jù),在MatLab中編制了計算和繪圖程序。牽引力W與滑切角γ、鏟面傾角δ、機具工作速度V03個因素間的關(guān)系曲線如圖3～圖5所示。

從圖中易知:滑切角γ、鏟面傾角δ和機具工作速度V0與牽引力W均成非線性關(guān)系。圖3(a)表明:γ與W為負向相關(guān)關(guān)系,當V0=0.5 m/s時,δ的較小變化值會引起W的較大變化。圖3(b)表明:當δ=22°時,V0的變化對W的影響較小。圖4和圖5表明:δ和V0與W均為正向相關(guān)關(guān)系。對比分析可以看出:δ、γ和V0對W的影響程度依次降低。

(a) V0=0.5m/s時,對比δ=27°和δ=22° (b) δ=22°時,對比V0=0.5m/s和V0=0.33m/s

(a) V0=0.5m/s時,對比γ=0°、γ=15°和γ=30° (b) γ=8°時,對比V0=0.5m/s和V0=0.33m/s

(a) δ=22° 時,對比γ=0°、γ=15°和γ=30° (b) γ=8°時,對比δ=27°和δ=22°

3 試驗測試

3.1 測試裝置

課題組設計了測定挖掘鏟牽引阻力的試驗裝置,如圖6所示。田間試驗時,測試裝置通過三點懸掛與拖拉機連接。挖掘鏟部件兩端各焊接一方軸,松開緊固螺栓后,方軸可在帶孔矩形板中前后側(cè)向移動,實現(xiàn)滑切角的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍為0°～8°。

鏟面傾角的調(diào)節(jié)裝置如圖7所示。調(diào)節(jié)法蘭A和B上各分布有8個孔,每4孔為1組,兩組孔成中心對稱分布。調(diào)節(jié)法蘭A上每組4孔之間等間隔25°分布,調(diào)節(jié)法蘭B上每組4孔之間等間隔30°分布。松開緊固螺栓,轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)法蘭A,使其與調(diào)節(jié)法蘭B上不同的4對孔分別對齊時,可以實現(xiàn)鏟面傾角每間隔5°大小的調(diào)節(jié),角度調(diào)節(jié)幅度分別為5°、10°、15°和20°。

1. 機架 2.三點懸掛裝置 3.連接板 4. 緊固螺栓

3.2 測試原理

試驗用傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置為黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院研制的田間機械動力學參數(shù)遙測儀,測試原理如圖8所示。

圖8 測試原理

拖拉機通過上拉桿和左右下懸掛裝置與牽引阻力測試裝置相連接。上拉桿和左右下懸掛裝置分別內(nèi)置拉壓力傳感器和角度傳感器。水平分力可以通過傳感器測得的拉力值和與水平方向的傾斜角度值計算得到。測試裝置水平牽引力為上拉桿傳感器與左右下懸掛傳感器三處牽引力水平分力矢量和,可通過數(shù)據(jù)采集軟件直接獲取。傳感器連接如圖9所示。

1.左右下懸掛傳感器 2.上拉桿傳感器

3.3 田間試驗方案

田間試驗地點在呼和浩特市武川縣馬鈴薯種植基地,土壤參數(shù)、挖掘鏟尺寸參數(shù)及挖掘深度值如表2所示。

田間試驗采取分組方式進行,每組測試區(qū)間為10m,重復兩次,試驗分組如表4所示。

表4 田間試驗分組方案

為便于挖掘鏟入土,試驗時將測試裝置兩后輪卸下,試驗實測初始鏟面傾角為22°,機具前進速度由GPS測速儀獲取。

3.4 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗組1測試牽引力平均值如表5所示,測試牽引力變化曲線如圖10所示。

表5 試驗組1水平牽引力測試平均值

測試裝置自重約318kg,與地面摩擦因數(shù)為0.6,即由測試裝置本身引入的摩擦力約為1 908N,故挖掘鏟牽引力應為試驗測得的水平牽引力減去摩擦阻力。各試驗組挖掘鏟牽引力計算值與試驗測試值如表6所示。

根據(jù)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出:當其他條件一定時,滑切角越大,牽引力越小;機具前進速度越大,牽引力越大;鏟面傾角越大,牽引力越大。理論計算值與試驗測試值之間存在一定偏差,但在允許的范圍之內(nèi),說明引入滑切角后建立的挖掘鏟力學模型是可行的。

(a) 上拉桿水平牽引力變化曲線

(b) 左下懸掛水平牽引力變化曲線

續(xù)表6

4 結(jié)論

1) 根據(jù)正切時馬鈴薯挖掘鏟的力學模型,引入滑切角的作用,分析推導了同時適用于正切和滑切的挖掘鏟力學模型。

2) 從MatLab分析和試驗測試可知:滑切角γ、鏟面傾角δ和機具工作速度V0與牽引力W均成非線性關(guān)系,且γ與W為負向相關(guān)關(guān)系,δ及V0與W為正向相關(guān)關(guān)系。δ、γ及V0對W的影響程度依次降低。因此,在機具結(jié)構(gòu)和收獲條件允許的情況下,應適當增大挖掘鏟滑切角,減小鏟面傾角和降低機具工作速度。

3) 挖掘鏟牽引力理論值與試驗值存在一定偏差。從對比結(jié)果來看:偏差值在允許的范圍之內(nèi),說明考慮滑切角后建立的挖掘鏟力學模型是可行的。