太子參聯合收獲機挖掘鏟的設計與試驗

陳威，曹成茂,2，張遠，秦寬

(1.安徽農業大學工學院，安徽 合肥 230036；2.農業部南方主要農作物生產技術與裝備重點實驗室，安徽 合肥 230036)

太子參(Pseudostellariaheterophylla)又名孩兒參，是一種藥用價值極高的中草藥.目前太子參主要以人工收獲為主，收獲效率低，勞動強度高.太子參根莖生長于土表以下約150 mm處,機械收獲過程中需要將挖掘鏟深入地下將根莖挖出.挖掘鏟是根莖類收獲機重要的部件之一，在工作過程中挖掘鏟與土壤的相互接觸是機器能量消耗與刀具磨損的主要體現，挖掘過程中產生的工作阻力占總工作阻力的一半以上[1-4].因此設計優化入土部件對減小能耗和提高農業生產至關重要.由于土壤空間結構的差異性，以及工作過程的復雜性，想要通過田間試驗研究挖掘鏟的鏟型參數對工作阻力以及能耗的影響，不僅試驗過程繁瑣而且很難得到預期的結果[5-6].

對于根莖類收獲機挖掘鏟設計的研究，相關學者已做了大量研究.李祥等[7]采用牽引阻力測試系統，通過田間試驗得出馬鈴薯收獲機挖掘鏟的入土傾角、鏟刃斜角以及前進速度對工作阻力的關系，但缺少對挖掘鏟工作過程中土壤與挖掘鏟之間的受力情況的分析.何義川等[8]設計的花生收獲機挖掘裝置，魏忠彩等[9]設計的馬鈴薯聯合收獲機挖掘鏟裝置都是組合型挖掘鏟，組合型的挖掘鏟裝置在工作過程中易造成動力的消耗，且增加整機的復雜性，導致工作過程中不可靠性增大[10].因此太子參挖掘鏟的設計應當結構簡單，性能可靠，在工作過程中能減小工作阻力,減小能耗，避免雍堵和雜草纏繞等情況的發生.

為得到在太子參聯合收獲機工作時挖掘鏟的最佳工作參數組合，按照設計要求對挖掘鏟的鏟型進行設計，并結合離散元分析對設計的挖掘鏟的性能進行仿真，通過正交試驗篩選最優參數組合，并通過土槽試驗進行驗證，以期為根莖類中草藥收獲機挖掘鏟的設計提供參考.

1 整機結構與工作原理

通過對市場上常見的根莖收獲機的調研與分析，設計的太子參聯合收獲機集挖掘、脫土、收集為一體，適用于山區丘陵地帶進行收獲作業，具有轉彎半徑小，適合爬坡等特點.整機包括由機架、松土鏟、振動篩部分、輸送部分、圓筒篩部分、液壓系統等組成.其中振動篩部分由液壓馬達輸出動力帶動偏心輪轉動，再由連桿連帶雙搖桿機構進行往復運動，雙搖桿機構下方焊接間距為8 mm鋼條，組成振動網.輸送部分的動力與振動篩的動力來源于同一個液壓馬達，但通過鏈輪變速使得兩個部分速度不同，使用的輸送帶有間隙.圓筒篩是由轉動軸和間隙為10 mm的網組成，由液壓馬達通過鏈輪帶動轉動軸進行工作，在安裝時入口比出口稍高.整個液壓系統包括液壓油箱、柱塞泵、濾清器、散熱器、液壓缸、液壓馬達以及各種控制元件組成.

作業時，柴油機帶動柱塞泵工作，柱塞泵將液壓油從液壓油箱吸出，一路經過比例多路控制閥分別控制左右履帶的液壓馬達和振動篩馬達以及圓筒篩上馬達；另一路經過三位四通手動換向閥控制液壓缸的伸縮.在駕駛室的控制臺上向前推動控制履帶手柄，機器緩慢前行，通過調節三位四通手動換向閥調節松土鏟入土的深度.打開圓筒篩液壓馬達和振動篩液壓馬達，收獲機開始進行篩土作業.此時通過調大柴油機的進油口，保持收獲機能穩定進行鏟土收獲作業.挖出的土壤經過振動篩初步分離，將大塊土壤震碎，隨后參土混合物經過傳送帶到達圓筒篩，在圓筒篩的離心力的作用下使得參土完全分離.太子參在圓筒篩出口處被撥板撥起，通過收集滑板落入收獲箱中.

1：液壓馬達；2：履帶；3：輸送帶；4：液壓缸；5：收獲箱；6：圓筒篩；7：柴油機罩；8：液壓油箱；9：駕駛室；10：限深輪；11：振動篩；12：挖掘鏟.1：Hychraulic motor；2：Track；3：Conveger belt；4：Hydraulic cylinder；5：Harvest bax；6：Cylinder screen；7：Diesel engine cover；8：Hydraulic oil tank；9：Cab；10：Depth roller；11：Vibrating screen；12：Digger blade.圖1 太子參聯合收獲機結構Figure 1 Structure of self-propelled radix pseudostellariae collection machine

2 挖掘鏟的設計

挖掘鏟作為根莖類收獲機最重要的部件，最先與土壤接觸.其工作效果的好壞直接影響著整機的工作效果.三角平面鏟被廣泛應用于根莖類收獲機中，具有入土能力強，能夠有效切斷雜草，還有造型簡單制造方便等特點，在工作過程中能夠防止雜草雍堵現象的發生.由于挖掘鏟的參數多樣，在工作過程中與土壤接觸產生的摩擦力、阻力會各不相同，對于太子參聯合收獲機挖掘鏟的設計影響到整機工作的能耗與工作效率，因此需要對挖掘鏟參數進行設計計算，并通過仿真分析篩選最佳參數組合.

挖掘鏟在工作中的主要作用是將太子參和土壤一并挖起，并將土壤松散送到振動篩.對于挖掘鏟的設計要求，一方面能夠減小工作阻力，另一方面是能夠減小太子參的破損率和工作纏秧情況的發生，保證合適的入土傾角，工作穩定性等[12-15].機具在工作過程中的能量消耗以及磨損多源于機具與土壤的受力過程.考慮到挖掘鏟要深入土壤與石塊等接觸，這對挖掘鏟的硬度有一定的要求，所選的材料應具有一定的硬度和鋒利性.本設計所選擇的挖掘鏟采用45號鋼，并對鏟尖部分進行淬火處理以增加硬度與耐磨性，硬度應在38～45HRC.

除材料外，挖掘鏟鏟型的主要參數有鏟面傾角α、鏟刃張角δ、鏟的長度L[16].對于鏟面傾角的分析，如圖2所示.

圖2 挖掘鏟上土壤受力分析簡圖Figure 2 Diagram analysis of soil force on excavating shovel

對垂直于挖掘鏟與平行于挖掘鏟進行兩個方向上的受力分析，得出挖掘鏟的傾角與力的關系(1)，整理得出傾角大小的計算公式(2).

(1)

整理得

(2)

式中α為挖掘鏟傾角；G為鏟面承受的土壤重力；μ為土壤與鏟面間的摩擦因數；P為土壤對鏟面的阻力；N為挖掘鏟受到土壤的法向力.

查閱挖掘鏟的相關設計理論，鏟面傾角α在 16°～30°[17].

由圖2土壤受力分析可以看出鏟面傾角α的大小會直接影響到挖掘鏟的工作阻力，因此鏟面傾角越小越好.但是鏟面傾角減小，挖掘深度不變會導致挖掘鏟長度的增大，不利于土參混合物順利進入振動篩.挖掘鏟的長度與工作深度和傾角的關系見公式(3)：

(3)

式中：L為挖掘鏟長度；α為挖掘鏟傾角；H為挖掘鏟入土深度.

將最小挖掘深度150 mm,最大傾角30°代入公式，得出挖掘鏟的長度L應大于等于300 mm.

挖掘鏟的鏟型設計成多個三角形并排排列作為鏟尖，鏟尖與鏟面均為45號鋼板加工而成，與組合型挖掘鏟相比結構簡單，便于加工.具有三角形鏟尖的挖掘鏟與魏宏安等[12]設計的4UFD-1400馬鈴薯聯合收獲機“～”形挖掘鏟相比有更好的破土效果，在工作時能夠使太子參根和草根沿著鏟刃滑離，減小工作阻力,這對于降低整機工作阻力和能量消耗至關重要.為使挖掘鏟在工作過程中實現破土和將雜草切斷的效果，將鏟尖及兩側形成倒銳角，鏟尖部分厚度減小，增大作用在土塊和雜草上的壓強，土塊更易破碎，草根能沿著鏟刃滑離，更容易斷開.對于鏟刃張角的分析可結合圖3進行，在工作過程中，雜草會沿著鏟刃邊緣滑動，張角過大時挖掘鏟產生的剪切力會減小，易造成雜草堆積產生雍堵；減小鏟刃張角能增強挖掘鏟的入土能力，但也會導致整個挖掘鏟的長度增加以及對太子參根莖損傷率的增加[9-10].鏟刃張角δ的計算應滿足滑切條件為：

圖3 秸稈運動阻力簡圖Figure 3 Resistance diagram of straw movement

(4)

式中：P0為桿徑滑離阻力，N；F0為工作中的刃口對桿徑的摩擦力，N；δ為挖掘鏟的鏟刃張角.摩擦力F0的計算公式如下：

(5)

式中：N0是鏟刃上的反作用力，N；λ為雜草與挖掘鏟之間的摩擦系數；θ為雜草與挖掘鏟之間的摩擦角.由公式(4)、(5)可得出鏟刃張角的范圍為

δ≤180°-2θ

(6)

一般情況下λ=tanθ≈0.85～0.9，可得出θ在40°～42°，即得出δ≤100°.

根據要求，設計的太子參聯合收獲機工作效率為0.067～0.134 hm2/h，根據公式(7)可計算出挖掘鏟的工作速度.

W=μBV

(7)

式中：μ為根莖類收獲機田間工作系數，一般在0.6～0.8，取0.6；B為工作幅寬，取0.8 m；W為工作效率，取0.100 5 hm2/h.將參數代入公式(7)得出工作速度V>0.58 m/s.在本設計中，考慮到實際工況，齒形鏟刃張角選取為60°，工作時的鏟面傾角在16°～30°，根據太子參的種植的農藝要求，挖掘鏟的工作寬幅設置為800 mm.

3 仿真分析

3.1 離散元仿真設計

使用三維繪圖軟件UG9.0對3種挖掘鏟進行建模，將建好的模型轉成.stp格式導入EDEM 2.7進行離散元仿真.在仿真過程中，為了使DEM仿真結果更加精確，確定DEM參數是重要的一個環節[18].本離散元仿真選用EDEM2.7版本默認的Hertz-Mindlin(no slip)模型[19-20].45號鋼的泊松比、剪切模量、密度分別0.269、7.9×104MPa、7 890 kg/m3.

貴州省施秉縣土壤屬沙壤土，肥沃疏松適于太子參生長，是太子參重要種植地之一.通過查閱文獻得到沙壤土的泊松比、剪切模量、密度分別為0.3、100 MPa、2 650 kg/m3，沙土之間的恢復系數、靜摩擦系數、滾動摩擦系數分別為0.6、0.5、0.5[21]，EDEM中土槽的長寬高為1 500 mm×1 000 mm×400 mm，生成滿足仿真的顆粒數200 000個.由于顆粒半徑過小會增加仿真的時間和存儲空間，受實際條件限制，顆粒半徑設置為6 mm.仿真過程中重力加速度設置為9.8 m/s2，仿真過程每隔0.01 s保存一次，整個仿真過程時間設置為7 s.在仿真過程中將土壤顆粒完成落料后的數據進行保存，在仿真過程中只改變挖掘鏟的工作速度、挖掘深度以及入土角度，其余各參數保持不變.

圖4 仿真過程Figure 4 Simulation process

3.2 正交試驗

在收獲過程中對能耗和工作阻力影響最大的三個因素是工作速度、入土深度以及入土傾角[4、11].為進一步得到太子參聯合收獲機挖掘鏟的最佳參數組合，設計三因素三水平正交試驗，通過極差分析各個試驗因素對挖掘鏟工作阻力和土壤壓縮力的影響，選出最佳的參數組合.試驗因素水平如表1.

表1 試驗因素水平

當收獲機達到最大工作效率時對應的工作速度為0.77 m/s，因此挖掘鏟的速度范圍在0.58～0.77 m/s，選擇等差速度0.6、0.7、0.8 m/s進行試驗.由公式(2)可看出挖掘鏟入土角度與工作的阻力密切相關，角度過大不利于太子參順利進入振動篩，過小則需要增加挖掘鏟的寬度，影響整機的布局.按照入土角的取值范圍等差選取20°、25°、30°進行仿真試驗.根據太子參的生長實際，設計的太子參聯合收獲機挖掘鏟的工作深度可根據太子參生長的深度，進行挖掘深度調節，太子參根莖一般生長在150 mm左右,少數生長于200 mm以下,因此對入土深度選擇150、200、250 mm，分析挖掘深度對工作阻力的影響，為實際工作提供參考.

試驗按照 L9(34)進行正交試驗，試驗共9組，待挖掘鏟運動穩定后6～7 s內取挖掘鏟最大阻力、土壤最大壓縮力數據進行導出，為減小偶然誤差，數據除去最大值與最小值.試驗結果見表2.

表3給出的是挖掘鏟最大阻力極差分析結果，挖掘鏟工作阻力與收獲機工作的能耗有密切的聯系，降低挖掘鏟工作的阻力對于節能有著重要的意義.通過極差分析入土深度對挖掘鏟工作阻力的影響最大，其次是入土角度，最后是工作速度，因此通過挖掘鏟最大阻力極差分析得出最優方案為A1B1C1.表4為土壤受到最大壓縮力時的極差分析結果，土壤受到壓縮力的大小代表在工作中過程中土壤被切碎可能性的大小，土壤受到的壓縮力越大挖掘鏟切碎土壤的可能性越大.通過表4的極差分析得出挖掘鏟的入土深度對土壤受最大壓縮力的影響最大，其次是工作速度，影響最小的是入土角度，因此通過極差分析得出的最優方案為A3B3C2.

表2 正交實驗結果

表3 挖掘鏟最大阻力極差分析結果

表4 土壤最大壓縮力極差分析

通過設計的正交數據分析可知，太子參聯合收獲機的挖掘鏟工作深度對挖掘鏟工作阻力和土壤最大壓縮力都有很大的影響，因此，在進行參數設定時應考慮在滿足收獲工藝的前提下盡可能減小工作深度.挖掘鏟的入土角度對挖掘鏟工作阻力影響較大，對土壤壓縮力影響較小；挖掘鏟的工作速度對挖掘阻力的極差小于對壓縮力的極差，說明速度對挖掘阻力的影響小于土壤壓縮力的影響.根據聯合收獲機的設計實際以及太子參種植的農藝，選擇A3B2C1，即工作速度為0.8 m/s，入土深度為200 mm,入土角度為20°.

4 土槽對比驗證試驗

結合EDEM2.7仿真分析可以得出，挖掘鏟的工作速度為0.8 m/s，入土深度為200 mm,入土角度為20°時為最佳參數組合.為進一步驗證仿真的合理性，對挖掘鏟進行室內土槽試驗.室內土槽試驗在安徽農業大學工程樓試驗室進行，土槽試驗臺具有人機界面可設置挖掘鏟工作的參數，挖掘鏟在運動過程中產生的工作阻力會通過傳感器實時顯示在界面上.驗證試驗中選用土壤為沙壤土質，取自安徽農業大學郭河產學研基地，土壤濕度3次測量的平均值為10.32%，經烘干稱質量計算得出土壤的平均容重為1.37 g/cm3.在人機界面上設置挖掘鏟工作速度為0.8 m/s，入土深度為200 mm,入土角度為20°.在試驗過程中為了更接近真實環境，在制備好的土壤中隨機插入單株麥冬草，根深入土壤50 mm～70 mm左右，共15株.

圖5 土槽試驗過程Figure 5 The test process of the trough

圖6 結果對比Figure 6 Comparison of results

挖掘鏟在運動過程中受到的工作阻力會通過傳感器實時傳送到人機界面，將采集到的數據導出，并將挖掘鏟穩定工作部分的數據與EDEM中仿真的數據進行對比，兩組數據經Origin擬合處理，對比曲線如圖6.通過兩條曲線的對比可發現，驗證試驗與仿真具有相同的變化趨勢，驗證結果略大于仿真結果，相差約16.8%，這與土槽中土壤制備的方法和土壤結構的復雜性有關，與熊平原等[2]的旋耕刀三向工作阻力仿真研究的結果相似.仿真的結果與土槽驗證試驗的結果在誤差允許的范圍內具有一致性，說明EDEM仿真的可行性以及結論的正確性.在挖掘鏟運動過程中，冬麥草和土壤被崛起并移動到挖掘鏟的上表面，隨著挖掘鏟的向前移動，整個過程有12株的冬麥草順利經過挖掘鏟表面落入鏟后，3株草從挖掘鏟的側面滑出，在鏟尖處無雜草纏繞的情況出現.在實際工作中只有小部分雜草的根莖較長能與挖掘鏟的鏟尖相接觸，大部分的雜草會和太子參一起被挖掘出，進入下一工序.

5 結論

本試驗設計的太子參聯合收獲機挖掘鏟，有較小的工作阻力，能減小壅土.經理論計算設計了挖掘鏟的鏟型.通過EDEM軟件對挖掘鏟9組運動參數組合進行仿真分析，對仿真得到的結果經三因素三水平正交分析，得出工作深度對挖掘鏟工作阻力與土壤壓縮力的影響均最大，且呈正比.挖掘鏟的工作速度對工作阻力影響較大，入土角度對土壤的壓縮力影響較大.通過數據分析與實際結合得出最優參數組合為：工作速度0.8 m/s，入土深度200 mm,入土角度20°.

在該參數組合下采用挖掘鏟的離散元仿真得到的工作阻力與在土槽試驗中得到的工作阻力進行對比，由于土壤結構的復雜性工作阻力相差在16.8%以內，在誤差允許的范圍內具有一定的一致性.