振動式根莖類中藥材收獲機(jī)挖掘裝置設(shè)計

陳 林,祁玉卓,高 波,張亞振,張冰輝

(1.河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司,石家莊 050070;2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071000;3.安國市輝騰農(nóng)機(jī)具制造有限公司,河北 安國 071200)

0 引言

我國中藥材種植歷史悠久,在預(yù)防醫(yī)療、治療疾病和人體保健等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1-3]。目前,我國的中藥材以規(guī)模化種植方式為主,且根莖類中藥材收獲作業(yè)在中藥材全程機(jī)械化作業(yè)中任務(wù)最重,機(jī)械化水平也最高[4-5]。在實(shí)際作業(yè)時,通常采用兩步法完成收獲作業(yè),即先剪除植物地上莖葉部分、再挖取地下根莖部分[6-9]。一般而言,中藥材適宜生長在排水性好的土壤條件下,通常在每年的春秋兩季耕地保持足夠干燥的條件下進(jìn)行作業(yè)。

我國對中藥材收獲機(jī)械的研究起步較晚,隨著研究的開展,先后開發(fā)出不同種類的根莖類中藥材收獲機(jī)型,如4GJ-800型多功能根莖收獲機(jī)、4WZ-140型根莖類中藥材振動挖掘機(jī)、4Y-1200型藥材收獲機(jī)。上述機(jī)型采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動振動鏟進(jìn)行振動挖掘,入土阻力小,深度適應(yīng)性較好,但土壤破碎分離能力較差,挖掘過程中容易造成擁堵現(xiàn)象[10-12],故不適合在土壤含水率較高的地塊工作。這是因?yàn)橥寥篮矢?工作阻力增大,影響工作效率。

華北平原長期處于缺水狀態(tài),在開展中藥材作業(yè)時地塊含水率適中,開展收獲作業(yè)比較順利。2021年夏秋季降雨量遠(yuǎn)高于歷年,很多地塊由于積水造成輪式拖拉機(jī)無法下地開展收獲作業(yè),影響了一些作物的收獲,中藥材收獲也遇到了同樣的問題。除了引入履帶式拖拉機(jī)或加裝履帶裝置等措施外,挖掘鏟部件的設(shè)計及參數(shù)制定也要面臨土壤含水率增大后的耕作阻力加大等新問題。為此,本文設(shè)計了一款振動式根莖類中藥材收獲機(jī)。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

收獲機(jī)主要用于根莖類中藥材的挖掘收獲,由三點(diǎn)懸掛裝置、振動挖掘裝置、藥土分離裝置、變速箱、傳動裝置等組成。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示,樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.挖掘鏟 2.三點(diǎn)懸掛裝置 3.變速箱 4.主傳動軸 5.機(jī)架 6.限深輪調(diào)整裝置 7.后滾裝置 8.限深輪 9.輸送導(dǎo)向軸 10.分離篩圖1 收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of harvester structure

1.2 挖掘裝置組成

振動挖掘裝置主要由變速箱、主傳動軸、皮帶輪(大、小)、前偏心軸、前拉臂、前軸和挖掘鏟等零件組成,如圖2所示。

1.挖掘鏟 2.前軸 3.前偏心軸 4.小皮帶輪 5.大皮帶輪 6.變速箱 7.主傳動軸 8.前拉臂 9.側(cè)板圖2 挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram ofminingdevice

1.3 工作原理

田間作業(yè)時,機(jī)具通過三點(diǎn)懸掛掛接在拖拉機(jī)后方,拖拉機(jī)動力輸出軸輸出的動力經(jīng)變速箱傳遞至主傳動軸,主傳動軸經(jīng)過皮帶傳動帶動前偏心軸轉(zhuǎn)動;然后,動力通過振動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為挖掘鏟的周期性振動,挖掘鏟的周期性振動給土壤施加交變載荷以振松土壤;隨著拖拉機(jī)的前進(jìn),可以實(shí)現(xiàn)藥土的初次分離。

主傳動軸和前偏心軸之間選用皮帶傳動的原因是:收獲機(jī)工作時,挖掘鏟會不斷受到?jīng)_擊載荷,皮帶傳動可以起到緩沖作用;當(dāng)挖掘鏟遇到障礙物時,皮帶傳動也可以通過打滑來防止系統(tǒng)過載,起到保護(hù)系統(tǒng)和零件的作用[13]。

2 挖掘鏟設(shè)計

2.1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計

挖掘鏟在形式上可以分為固定式挖掘鏟和振動挖掘鏟。其中,固定式挖掘收獲裝備普遍存在牽引阻力大、耗能高、效率低的問題[14];而振動式土壤切削挖掘是一種重要的降低阻力的途徑。自20世紀(jì)中期以來,國內(nèi)外學(xué)者針對振動式土壤作業(yè)機(jī)具做了大量的理論與試驗(yàn)研究,研究結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用表明:相比傳統(tǒng)土壤作業(yè)方式,振動式切削挖掘能夠起到降低牽引阻力及提高機(jī)械效率的作用[15-17]。本文采用振動條形挖掘鏟,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 挖掘鏟結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure diagram ofdigging shovel

挖掘鏟由鏟刃、鏟體和導(dǎo)桿組成,設(shè)計鏟型為條形鏟,鏟體后端設(shè)置有等間距導(dǎo)桿。振動式條形鏟與土壤接觸面積更大,受力均勻,深度適應(yīng)性好,入土阻力小,適合根莖類中藥材的挖掘。工作過程中,條形鏟在拖拉機(jī)的牽引下切入土壤,對藥土混合物進(jìn)行振動挖掘,最終藥土混合物通過振動在導(dǎo)桿進(jìn)行初步分離,土壤掉落地面,藥材根莖被送至收獲機(jī)的分離裝置進(jìn)行進(jìn)一步的藥土分離。

2.2 挖掘鏟主要參數(shù)確定

挖掘鏟主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括鏟寬B、工作深度H、入土角α和工作長度L,如圖4所示。

圖4 挖掘鏟示意圖Fig.4 Schematic diagram ofdigging shovel

1)鏟寬B。鏟寬與收獲機(jī)工作幅寬相等。根據(jù)文獻(xiàn)資料可得,幅寬主要與藥材在地下的分布情況、長勢、藥材種植的行距和株距、收獲機(jī)的工作路線偏差有關(guān)。本設(shè)計中,鏟寬初步確定為1800mm。

2)工作深度H。根據(jù)根莖類中藥材的生長特性,大部分根莖類中藥材的生長深度為5～43cm,藥材直徑為0.5～6cm[18]。由于藥材根莖分布不均,為保證收獲機(jī)的收獲質(zhì)量,避免因破環(huán)中藥材根莖的完整性導(dǎo)致藥材的藥用價值和經(jīng)濟(jì)價值下降,應(yīng)保證挖掘鏟的挖掘深度大于50cm。

3)入土角α。挖掘鏟入土角的選擇與鏟的挖掘阻力、挖掘深度和挖掘鏟的碎土能力有重要關(guān)系。為得到合適的入土角,對鏟上藥土混合物進(jìn)行受力分析,如圖5所示。

圖5 鏟上藥土混合物受力分析Fig.5 Stressanalysisofstemsoilmixture

根據(jù)圖5建立如下方程,即

Pcosα-T0-Gsinα=0

(1)

N0-Gcosα-Psinα=0

(2)

T0=N0tanφ

(3)

式中T0—挖掘鏟對土壤的摩擦力(N);

N0—挖掘鏟對土壤的支持力(N);

P—沿著挖掘鏟移動掘起物所需要的力(N);

G—鏟上藥土混合物重力(N);

φ—摩擦角(°);

α—入土角(°)。

由式(1)、式(2)可得挖掘鏟入土角α為

(4)

由式(4)可知:入土角α與沿著挖掘鏟移動掘起物所需要的力成正比,即入土角越小,挖掘阻力越小,則挖掘鏟的入土性能較好,但挖掘鏟的碎土能力降低,挖掘深度減小,且更容易產(chǎn)生壅土現(xiàn)象;反之,入土角越大,鏟的挖掘阻力會增大,但挖掘深度和碎土能力會增加。綜上所述,兼顧本次挖掘鏟的設(shè)計目的,選擇挖掘鏟入土角為20°[19]。

4)工作長度L。挖掘鏟的工作長度L分為兩部分,包括鏟體長度L1和導(dǎo)桿長度L2。因?yàn)殓P體的主要作用是挖掘藥土混合物,所以鏟體的長度可以通過鏟體入土角和鏟體的平均挖掘深度得出。導(dǎo)桿的作用是使藥土混合物沿導(dǎo)桿向后運(yùn)動,所以在收獲機(jī)工作過程中被挖掘的藥土混合物的全部動能等于其被提升h2高度做功和在導(dǎo)桿上移動L2距離的摩擦力做功之和。因此,導(dǎo)桿長度L2可以根據(jù)能量守恒定律計算,即

(5)

E動=WG+Wf

(6)

(7)

FNμ=mgsinα1·tanφ

(8)

由式(2)～式(4)可得

(9)

式中L1—鏟體長度(m);

h1—挖掘鏟平均挖掘深度(m);

α—挖掘鏟入土角(°);

v0—收獲機(jī)前進(jìn)速度(m/s);

g—重力加速度(m/s2);

h2—導(dǎo)桿的垂直高度(m);

φ—藥土混合物和導(dǎo)桿的摩擦角(°);

L2—導(dǎo)桿長度(m)。

收獲機(jī)工作過程中,機(jī)器前進(jìn)速度v0=1m/s。查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊后,可知重粘土對鋼的摩擦角為31°～42°,選取藥土混合物和導(dǎo)桿的摩擦角為31°。通過以上各式計算可得:L1=190mm,L2=93mm。因此,挖掘鏟總長度L=L1+L2=283mm。

3 偏心振動機(jī)構(gòu)設(shè)計

將振動挖掘鏟簡化為平面運(yùn)動簡圖,如圖6所示。圖6中,AB為鏟體,A為鏟尖,B點(diǎn)為鏟體和機(jī)架的鉸接點(diǎn),BC是與鏟體焊接的立桿,CD為連桿,DE為偏心軸,E為偏心軸旋轉(zhuǎn)中心。BD兩點(diǎn)位置由機(jī)架確定:已知LBD=1065mm,連接BD兩點(diǎn)作為輔助線。根據(jù)整機(jī)尺寸初步確定兩搖桿LBC=830mm,LCD=410mm,設(shè)偏心距為e。根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律,可以得到兩個極限位置如圖6所示。圖6中,AB為挖掘鏟的上極限位置,此時C、D、E三點(diǎn)共線;A1B為挖掘鏟的下極限位置,此時C1、E、D三點(diǎn)共線。

設(shè)計中,為了使得振動鏟通過振動來減小挖掘阻力又不會因?yàn)闇系撞黄蕉冗^大而影響挖掘鏟收獲質(zhì)量,將挖掘鏟鏟尖振幅a設(shè)定為10mm,據(jù)此來確定偏心距e。為了達(dá)到該預(yù)設(shè)值,需要先計算鏟體AB的擺動角度。AB的擺動角度計算公式為

(10)

在挖掘鏟參數(shù)確定的理論計算中已知鏟體長度LAB=190mm,由式(10)可得∠A1BA約為0.0526rad。

在三角形BCE中,有

(11)

在三角形BC1E中,有

(12)

∠CBE-∠C1BE=∠CBC1

(13)

因?yàn)椤螩BC1=∠A1BA,綜合式(10)～式(13)可得:e≈20mm。所以,要使鏟尖振幅為10mm左右,偏心軸偏心距應(yīng)設(shè)置為20mm。

圖6 振動機(jī)構(gòu)簡圖Fig.6 Sketch of vibration mechanism

4 挖掘鏟有限元分析

4.1 受力分析

收獲機(jī)工作時,假設(shè)其滿足以下條件:①挖掘鏟鏟面都參與工作;②鏟上土壤平均分布,密度均勻;③挖掘鏟挖掘深度(50mm)穩(wěn)定。在這些條件下,鏟上藥土混合物受力分析如圖5所示,挖掘鏟鏟體受力如圖7所示。

鏟上土壤重力計算公式為

G=SLρg

(14)

式中S—土壤的沉切面積(m2);

L—挖掘鏟長度(m);

ρ—土壤密度(kg/m3)。

聯(lián)立式(1)、(2)、(3)、(14)可得:鏟上土壤重力G=4021.9N,沿著挖掘鏟移動崛起物所需要的力P=4926.6N,挖掘鏟對土壤的支持力N0=5455.6N,挖掘鏟對土壤的摩擦力T0=3273.4N,通過作用力與反作用力原理可得:挖掘鏟受力N1=5455.6N,T1=3273.4N。

圖7 鏟體受力分析Fig.7 Stressanalysisofdigging shovel

4.2 模型創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分

根據(jù)上文得到的挖掘鏟工作過程中受力的最大值,對挖掘鏟進(jìn)行靜力學(xué)分析。在SolidWorks軟件中建立挖掘鏟鏟體的三維模型,保存成*.x_t格式后導(dǎo)入ANSYS Workbench中。選取挖掘鏟鏟體的材料為普通碳素鋼(Q235),該材料屈服強(qiáng)度為235MPa。

對挖掘鏟鏟體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)置六面體網(wǎng)格單元尺寸為5mm,劃分后的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為65 700、309 048,如圖8所示。

圖8 鏟體網(wǎng)格劃分Fig.8 Mesh division of digging shovel

4.3 施加約束與載荷

根據(jù)挖掘鏟實(shí)際工作情況,對鏟體與兩側(cè)立桿及后端前刀軸連接處添加固定約束,并對鏟面施加垂直鏟面的力N1=5455.6N和平行于鏟面的力T1=3273.4N。

4.4 運(yùn)行結(jié)果分析

運(yùn)行仿真計算后,結(jié)果如圖9～圖11所示。由圖9可知:挖掘鏟工作時應(yīng)力主要集中在鏟體與前刀軸連接處,故最大應(yīng)力與最大應(yīng)變都發(fā)生在鏟體與前刀軸連接處,最大應(yīng)力值為3.07MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度,滿足材料的強(qiáng)度要求。由圖10可知:最大應(yīng)變?yōu)?.54×10-5,滿足材料使用要求。由圖11可知:鏟體工作時最大變形發(fā)生在鏟尖處,最大變形為1.26×10-5m,與鏟體尺寸相比該變形量很小,可以忽略不記。綜上所述,鏟體工作時的應(yīng)力、應(yīng)變與總變形量滿足使用要求,能夠完成作業(yè)任務(wù),滿足設(shè)計要求。

圖9 鏟體應(yīng)力分布云圖Fig.9 Stress distribution graph of digging shovel

圖10 鏟體應(yīng)變分布云圖Fig.10 Strain distribution graph of digging shovel

圖11 鏟體總變形云圖Fig.11 Distortion distribution graph ofdigging shovel

5 仿真分析

5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為分析該振動挖掘鏟工作情況下鏟尖的運(yùn)動規(guī)律,利用ADAMS軟件對其進(jìn)行仿真分析,在SolidWorks軟件中建立其三維模型(見圖12),保存成*.x_t格式導(dǎo)入ADAMS軟件中。

5.2 添加約束與驅(qū)動

在軟件中對模型進(jìn)行材料添加、運(yùn)動副設(shè)置、約束設(shè)置和驅(qū)動添加后進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析,設(shè)置機(jī)器前進(jìn)速度為1m/s,方向?yàn)閤軸的反方向;偏心軸轉(zhuǎn)速為300r/min,方向?yàn)槟鏁r針旋轉(zhuǎn),在重力場中進(jìn)行仿真,仿真持續(xù)時間2s,步數(shù)200,標(biāo)記鏟尖一點(diǎn)為分析點(diǎn),選取鏟尖運(yùn)動到最低點(diǎn)時為位移的0點(diǎn),由此得出振動鏟鏟尖的運(yùn)動情況。

5.3 仿真結(jié)果分析

仿真得到的鏟尖一點(diǎn)在Y軸方向上位移、速度、加速度曲線如圖13～圖15所示。

圖12 仿真模型Fig.12 Simulation model

圖13 Y軸方向上時間—位移變化曲線Fig.13 Time-displacement change curve in y-axis direction

圖14 Y軸方向上時間—速度變化曲線Fig.14 Time-velocity change curve in y-axis direction

圖15 Y軸方向上時間—加速度變化曲線Fig.15 Time-acceleration change curve in y-axis direction

由圖13～圖15可知:振動鏟鏟尖的振動幅度約為10.4mm,滿足振幅不低于10mm的設(shè)計要求,挖掘鏟鏟尖速度最大值為0.16m/s,加速度最大值為5.06m/s2;鏟尖位移和速度在Y軸方向上隨時間變化平穩(wěn),沒有明顯波動;鏟尖工作時的運(yùn)動規(guī)律符合簡諧運(yùn)動,運(yùn)動特性符合設(shè)計要求。

6 收獲機(jī)工作阻力試驗(yàn)

通過理論計算得出中藥材收獲機(jī)為固定鏟時的工作阻力,實(shí)際振動鏟的工作阻力由試驗(yàn)測得,將兩力大小進(jìn)行對比,即可得到振動鏟的減阻效果。

查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊,可得固定鏟式挖掘機(jī)械與拖拉機(jī)聯(lián)接裝置的牽引力公式為

Rc=SLρgtan(α+φ)+KS+KpG2

(15)

P=Gtan(α+φ)=SLρg(α+φ)

(16)

式中Rc—拖拉機(jī)聯(lián)接裝置牽引力(N);

K—犁溝土壤比阻(N/m2);

Kp—機(jī)器沿壟驅(qū)動的阻力系數(shù);

G2—機(jī)器和鏟上土壤的重力(N)。

試驗(yàn)土壤的含水率比較大,犁溝土壤比阻K=30 000N/m2,機(jī)器沿壟驅(qū)動的阻力系數(shù)Kp=0.17,機(jī)器質(zhì)量1.7t。經(jīng)計算,Rc=35 442.51N。即在此試驗(yàn)環(huán)境下,拖拉機(jī)牽引搭載固定式挖掘鏟的同一型號的中藥材收獲機(jī)理論上需要35 442.51N的牽引力。

田間試驗(yàn)于2021年11月19日在河北元氏縣蘇村閑置耕地進(jìn)行,采用東方紅1504型拖拉機(jī)提供動力,如圖16所示。測得土壤平均含水率35.5%,平均土壤硬度92.4N,平均挖掘深度48.5mm。作業(yè)現(xiàn)場機(jī)組工作順暢,未有明顯的動力不足或壅土現(xiàn)象。

圖16 田間試驗(yàn)Fig.16 Fieldtest

在拖拉機(jī)與收獲機(jī)三點(diǎn)懸掛裝置聯(lián)接處連接3個拉力傳感器,拖拉機(jī)牽引收獲機(jī)工作時記錄傳感器數(shù)據(jù)。通過求1000組數(shù)據(jù)的平均值來計算拖拉機(jī)對該振動鏟收獲機(jī)的牽引力大小,計算得到拉力F1的平均值為1097.6N,拉力F2的平均值為29527.4N,拉力F3的平均值為1078N,合力F合為31 703N。

試驗(yàn)證明:振動鏟收獲機(jī)的工作阻力小于固定式挖掘鏟,振動式挖掘鏟減阻效果明顯,設(shè)計可行。

7 結(jié)論

1)針對中藥材收獲機(jī)入土阻力大、挖掘深度較淺、碎土能力差等問題,設(shè)計了一種深根莖中藥材振動挖掘裝置。采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動挖掘鏟進(jìn)行振動挖掘,挖掘鏟鏟形采用條形鏟,工作幅寬B=1800mm,工作深度H=500mm,入土角α=20°,挖掘鏟總長L=283mm。根據(jù)整機(jī)尺寸確定各桿尺寸,按10mm的振動幅度計算得偏心軸的偏心距為20mm。

2)根據(jù)挖掘鏟工作受力對其進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析,得到該挖掘鏟的應(yīng)力、應(yīng)變及總變形云圖。結(jié)果顯示:最大應(yīng)力發(fā)生在鏟體與前刀軸連接處,且最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的的屈服強(qiáng)度;最大變形發(fā)生在鏟尖處,形變較小,滿足材料的使用要求。

3)使用ADAMS軟件對該挖掘鏟進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真,得到鏟尖在Y軸方向上的位移-時間、速度-時間、加速度-時間曲線。分析曲線可知:挖掘鏟工作時鏟尖的運(yùn)動為簡諧運(yùn)動,其運(yùn)動特性符合設(shè)計要求。

4)通過試驗(yàn)測得拖拉機(jī)對振動式挖掘鏟收獲機(jī)的牽引力,并將其與理論計算得到的固定式挖掘鏟收獲機(jī)所需牽引力進(jìn)行對比,結(jié)果表明:振動式挖掘鏟減阻效果明顯。