馬鈴薯收獲機挖掘鏟工作阻力影響因素分析與研究

鄧偉剛，王春光，王洪波

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

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馬鈴薯收獲機挖掘鏟工作阻力影響因素分析與研究

鄧偉剛，王春光，王洪波

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

摘要：針對土壤容積密度、鏟面寬度、挖掘深度、鏟面傾角和機具工作速度5個影響馬鈴薯收獲機牽引阻力的因素，分別采用正交計算法和基于MatLab的單因素分析法進行研究，得出了5個因素與工作阻力均為正向關系的結論。其中，土壤容積密度和鏟面寬度與挖掘鏟工作阻力成近似的線性關系，其余3個因素成非線性關系。鏟面寬度、挖掘深度、鏟面傾角、土壤容積密度和機具工作速度對挖掘鏟工作阻力的影響程度依次降低。研究結果為如何減小馬鈴薯收獲機挖掘阻力提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：挖掘鏟；正交計算；單因素分析

0引言

馬鈴薯收獲機在田間作業(yè)時，受到較大的牽引阻力作用，從而導致動力設備功率消耗過大及挖掘鏟容易損壞等問題。對影響牽引阻力大小的因素進行研究，可為如何減小挖掘阻力提供一定的分析依據(jù)。沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院的于艷等通過研制農(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[1]，但未針對挖掘鏟的受力情況進行力學分析。中機美諾科技股份有限公司的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)[2]，但未針對鏟體結構和機具工作參數(shù)進行研究。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預測[3]。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系，與挖掘深度成非線性關系[4]。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果與試驗分析具有較好的一致性[5]。

1挖掘鏟力學模型分析

挖掘鏟在工作時，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。在正常收獲作業(yè)時，土壤的純切削阻力通常很小，可以忽略不計。此時，機具牽引力的表達式為[6-8]

其中，W為無土壤純切削阻力時機具牽引力(N)；G為鏟面上土壤重力(N)；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；Ca為土壤附著力因數(shù)(N/m2)；μ1為土壤與挖掘鏟摩擦因數(shù)； μ為土壤內(nèi)摩擦因數(shù)；F0為挖掘鏟面積(m2)；δ為鏟面傾角(°)；β為前失效面傾角(°)。

鏟面上土壤重力G、土壤剪切面積F1及土壤沿鏟面運動的加速力B受土壤容積密度γ、挖掘深度d、鏟面幅寬b、鏟面長度L0、挖掘鏟工作速度V0、鏟面傾角δ及前失效面傾角β等參數(shù)的影響[9]。

綜上分析，機具所受的牽引力W受γ、δ、β、μ、μ1、b、d、L0、V0、c和cα等11個參數(shù)的綜合影響。這11個初始參數(shù)可以分為土壤參數(shù)、挖掘鏟結構參數(shù)和機具工作參數(shù)，如表1所示。

2工作阻力計算

以挖掘鏟整體為研究對象，其工作總阻力與機具牽引力平衡。機具總牽引力可通過各個挖掘鏟所受牽引力之和疊加而成。因此挖掘鏟工作總阻力可以由求解出的機具牽引力得到。機具牽引力的計算過程復雜，涉及的初始參數(shù)及中間結果較多。以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機械廠研制的4SW-170型馬鈴薯收獲機參數(shù)和內(nèi)蒙古呼和浩特市武川縣馬鈴薯種植基地的土壤參數(shù)作為初始計算參數(shù)，4SW-170型馬鈴薯收獲機挖掘鏟的結構形狀及尺寸參數(shù)如圖1所示。

表1　初始計算參數(shù)

圖1　4SW-170型馬鈴薯收獲機挖掘鏟結構形狀及尺寸參數(shù)

武川縣馬鈴薯種植基地土壤類型為沙壤性栗鈣土，取土壤內(nèi)摩擦角φ為26°，對應的粘結力C為15kPa，約合2.18磅/英寸2[10]，則可求解出土壤內(nèi)摩擦因數(shù)μ=tanφ=0.49。參考表2[10]并采用線性插值法求得土壤在通用型鏟體上的附著力因數(shù)Ca為2.22磅/英寸2，約合15 306 N/m2。

表2幾種類型鏟體的附著力參數(shù)值

Table 2Several types of adhesion parameter values

磅/英寸2

根據(jù)試驗用馬鈴薯收獲機挖掘鏟的結構參數(shù)、工作參數(shù)及試驗地土壤參數(shù)，確定工作阻力各影響因數(shù)的計算初始值，如表3所示。

表3　各影響因數(shù)計算初始值

參數(shù)符號γcμcaμb初始取值0.340.1510341.56

為了便于求解，采用C#程序開發(fā)語言，在Microsoft Visual Studio 2012平臺上開發(fā)了一款專用的挖掘鏟工作阻力計算軟件。將挖掘鏟工作阻力影響因數(shù)計算初始值輸入到所開發(fā)的工具軟件中，得到單個鏟面工作總阻力約為572.495N。軟件工作界面如圖2所示。

圖2　挖掘鏟工作阻力計算軟件

3正交計算分析

為了研究各因素對工作阻力大小的影響程度及阻力的優(yōu)化問題，借用正交試驗的設計思想，采用正交計算法分析挖掘鏟工作阻力各影響因素的關系。考慮到4SW-170型馬鈴薯收獲機結構參數(shù)、工作參數(shù)的變化范圍，以及不同試驗地內(nèi)土壤條件的差異，本文針對土壤容積密度γ、鏟面寬度b，挖掘深度d、鏟面傾斜角度δ和機具工作速度V05個影響因素進行分析。各因素及水平如表4所示。

表4　正交計算因素及水平

考慮到不同的土壤類型對土壤參數(shù)及挖掘阻力均有影響，在正交計算時，取硬砂壤土與硬壤土做比較分析。除去5個正交計算因素外，其余參數(shù)的取值作為常量給出，如表5所示。

根據(jù)考察的因素及水平，借用L16(45)的正交試驗表來安排正交計算。兩種土壤類型下挖掘鏟工作總阻力計算結果如表6所示。通過極差分析[11-13]，可進一步得出各因素對W影響的主次順序。極差分析結果如表7所示。從表7的分析結果可知：

①鏟面寬度b、挖掘深度d、鏟面傾角δ、土壤容積密度γ和機具工作速度V0對挖掘鏟工作阻力的影響程度依次降低。減小鏟面寬度b對降低挖掘鏟工作阻力的效果最明顯。②在硬砂壤土和硬壤土中，5個因素對挖掘鏟工作阻力的影響關系是一致的。

表5　兩種土壤類型下部分參數(shù)的計算初始值

4MatLab單因素分析

為了分析b、d、δ、γ、V0單個因素變化對工作阻力W的影響，根據(jù)馬鈴薯實際收獲情況，給定某個因素的變化范圍，同時使其他4個因素保持不變，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其他因素的固定值如表8所示。假定土壤為硬砂壤土，其余6個參數(shù)的值如表5所示。

表6　挖掘鏟工作總阻力正交計算方案及結果

表7　正交計算結果極差分析

表8單因素分析方案與初始數(shù)據(jù)

Table 8He solution and initial values of single factor analysis

序號土壤容積密度γ/kg·m-3鏟面寬度b/m挖掘深度d/m鏟面傾角δ/(°)機具工作速度V0/m·s-1分析目標11200~18000.080.18251.11W與γ的變化關系214000.08~0.500.18251.11W與b的變化關系314000.080.1~0.4251.11W與d的變化關系414000.080.1815~401.11W與δ的變化關系514000.080.18251~3W與V0的變化關系

根據(jù)表8中的數(shù)據(jù)，在Matlab中編制了計算和繪圖程序。為了使繪圖曲線更加精確，在每個因素的變化范圍內(nèi)給定了300個中間變化值，從而計算出相應的300個工作阻力值。各因素分別對工作阻力的影響曲線及擬合的曲線方程如圖3～圖7所示。從圖中易知，5個因素與工作阻力均成正向關系。其中，土壤容積密度γ和鏟面寬度b與挖掘鏟工作阻力成近似的線性關系；挖掘深度d、鏟面傾角δ和機具工作速度V0與挖掘鏟工作阻力成非線性關系。

(a)　γ—W的影響關系曲線　　　　　　　　　　 (b)　γ—W的擬合函數(shù)曲線

(a)　b—W的影響關系曲線　　　　　　　　　　 (b)　b—W的擬合函數(shù)曲線

(a)　d—W的影響關系曲線　　　　　　　　　　 (b)　d—W的擬合函數(shù)曲線

(a)　δ—W的影響關系曲線　　　　　　　　　　 (b)　δ—W的擬合函數(shù)曲線

5結論

1) 馬鈴薯挖掘鏟力學模型是一個多因素相互作用的復雜模型，其影響因素一共有11個，可以分成土壤參數(shù)、挖掘鏟結構參數(shù)和機具工作參數(shù)3類。

2)從多因素正交計算分析結果來看：鏟面寬度、挖掘深度、鏟面傾角、土壤容積密度和機具工作速度對挖掘鏟工作阻力的影響程度依次降低。在土壤條件一定時，通過減小鏟面寬度和挖掘深度能有效降低挖掘鏟的工作阻力。

3)從單因素分析結果來看：5個影響因素與挖掘鏟工作阻力均成正向關系。其中，土壤容積密度γ和鏟面寬度b與挖掘鏟工作阻力成近似的線性關系；挖掘深度d、鏟面傾角δ和機具工作速度V0與挖掘鏟工作阻力成非線性關系。在機具結構和收獲條件允許的情況下，應選擇較小的挖掘深度，減小鏟面傾角和降低機具工作速度。

參考文獻：

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Analysis and Research on Influence Factors of Potato Harvester Digger Shovel Working Resistance

Deng Weigang, Wang Chunguang, Wang Hongbo

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018,China)

Abstract： :In order to analyze the influence of potato harvester traction resistance, five factors of soil bulk density, shovel width, digging depth, shovel plane inclined angle and equipment working speed were choosed, the orthogonal calculation and single factor analysis method based on Matlab were used.Results showed that all the five factors and working resistance were positive relationship.And the soil bulk density γ and shovel width b were approximate linear relationship with the working resistance.While the other three factors were nonlinear relationships. The impact to the working resistance gradually decreased in the order of shovel width,digging depth, shovel plane inclined angle, soil bulk density and equipment working speed.The research work provides the referenced basis for the further research of reducing the traction resistance.

Key words：digger shovel; orthogonal calculation; single factor analysis

中圖分類號：S225.7+1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0053-06

作者簡介：鄧偉剛( 1984-) ,男,湖北漢川人,講師,碩士，(E-mail)i407@163.com。通訊作者：王春光( 1959-),男,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,教授，博士，(E-mail)wcgjdy@yahoo.com.cn。

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導獎勵資金項目(GB2A400049);內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目(2014MS0541)

收稿日期：2015-08-24