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    麻山藥收獲機(jī)振動(dòng)松土裝置的設(shè)計(jì)

    2019-05-24 09:48:20曹少波馮曉靜
    農(nóng)機(jī)化研究 2019年7期
    關(guān)鍵詞:偏心輪角加速度松土

    邢 旭,秦 禎,曹少波,馮曉靜

    (河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071001)

    0 引言

    山藥在我國種植廣泛,主要產(chǎn)于河南、河北、山東、江蘇、湖北、安徽、山西及福建等地[1]。目前,麻山藥收獲仍以人工為主,收獲機(jī)械化水平較低,勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)工費(fèi)時(shí)及生產(chǎn)成本過高使其生產(chǎn)受到很大限制,嚴(yán)重影響了麻山藥的規(guī)?;N植,影響種植者的經(jīng)濟(jì)收入和產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2]。雖然已有部分地區(qū)采用開溝機(jī)收獲麻山藥,但只是用于挖溝,依舊需要人力參與挖掘、撿拾和擺放等作業(yè),機(jī)械化程度相對較低[3]。因此,麻山藥收獲機(jī)械化對于提高工作效率減少勞動(dòng)強(qiáng)度至關(guān)重要。麻山藥收獲機(jī)的振動(dòng)松土作業(yè)是麻山藥收獲機(jī)工作的重要環(huán)節(jié),振動(dòng)松土裝置是麻山藥收獲機(jī)的核心裝置,其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對挖掘阻力、麻山藥根莖損傷、人工出土勞動(dòng)強(qiáng)度有較大影響。為此,設(shè)計(jì)了麻山藥收獲機(jī)振動(dòng)松土裝置,并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。

    1 振動(dòng)松土裝置的結(jié)構(gòu)與原理

    1.1 振動(dòng)松土裝置的結(jié)構(gòu)

    麻山藥收獲機(jī)振動(dòng)松土裝置是該收獲機(jī)的關(guān)鍵部分,直接影響麻山藥收獲機(jī)的損傷率[4]。振動(dòng)松土裝置主要包括機(jī)架、偏心輪、振動(dòng)擺臂、麻山藥撥土輪和振動(dòng)松土鏟,如圖1所示。

    1.機(jī)架 2.從動(dòng)鏈輪 3.動(dòng)力傳輸軸 4.偏心輪 5.振動(dòng)傳遞連桿 6.碎土輪 7.振動(dòng)松土鏟圖1 振動(dòng)松土裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Vibration device structure diagram

    1.2 振動(dòng)松土裝置的工作原理

    麻山藥收獲機(jī)振動(dòng)松土機(jī)構(gòu)的動(dòng)力由液壓泵通過液壓馬達(dá)提供,通過節(jié)流閥加溢流閥來控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。液壓馬達(dá)動(dòng)力輸出軸通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng),偏心輪通過振動(dòng)傳遞連桿使松土鏟上下往復(fù)振動(dòng),實(shí)現(xiàn)振動(dòng)松土裝置對土壤的疏松。通過改變偏心輪的偏心距來調(diào)節(jié)振動(dòng)松土裝置的振幅,改變偏心輪的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)松土裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

    2 振動(dòng)松土裝置的三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真

    2.1 振動(dòng)松土裝置的主要參數(shù)

    影響振動(dòng)松土裝置牽引阻力和功耗及麻山藥的收獲質(zhì)量的影響因素主要有:偏心輪的偏心距e、偏心輪的轉(zhuǎn)速n,以及振動(dòng)松土鏟的尺寸、開溝裝置切削深度和傳輸連接桿的長度等。偏心距過大過小都會(huì)影響工作質(zhì)量,選定偏心距e初始值為30、40、50mm進(jìn)行仿真分析。振動(dòng)松土鏟的尺寸也會(huì)影響振幅,且振動(dòng)松土鏟的長度太大,會(huì)加大阻力和功耗,故振動(dòng)松土鏟長設(shè)定為300mm,寬為250mm。

    麻山藥收獲機(jī)工作時(shí),鏈刀開溝裝置切削深度為1 000mm,而振動(dòng)松土鏟在地下900mm處上下振動(dòng)松土,鏈刀開溝裝置開溝深度要比振動(dòng)松土裝置的工作深度大100mm:如果小于100mm,振動(dòng)松土鏟工作時(shí),可能碰到?jīng)]有疏松的硬土層;如果大于100mm,鏈刀開溝裝置會(huì)增加功耗。因此,振動(dòng)松土鏟的振幅要小于80mm,振幅過大會(huì)將麻山藥擠壓振斷或者使麻山藥破損。

    振動(dòng)松土裝置的動(dòng)力由液壓馬達(dá)經(jīng)過鏈條傳遞到動(dòng)力傳輸軸上,動(dòng)力傳輸軸和偏心輪是通過鍵連接,動(dòng)力再經(jīng)過動(dòng)力傳輸連接桿傳遞到振動(dòng)松土鏟上,動(dòng)力傳遞連桿的長短決定著振動(dòng)松土鏟工作的深度,設(shè)計(jì)動(dòng)力傳輸連接桿的長度為1 530mm。

    2.2 振動(dòng)松土裝置的三維建模

    首先利用SolidWorks軟件將麻山藥振動(dòng)松土裝置進(jìn)行三維建模,并進(jìn)行干涉檢查。振動(dòng)松土裝置的三維模型和干涉檢查如圖2所示。

    圖2 振動(dòng)松土裝置的三維模型和干涉檢查Fig.2 The three dimensional modal and interference checking of vibration device

    2.3 模型導(dǎo)入以及分析前處理

    將建立的振動(dòng)松土裝置三維模型轉(zhuǎn)換成Para solid中間格式(X_T),導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。振動(dòng)松土機(jī)構(gòu)仿真模型如圖3所示。

    圖3 振動(dòng)松土機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.3 The simulation model of vibration mechanism

    在ADAMS軟件中,定義麻山藥收獲機(jī)的前進(jìn)速度為3m/min,參考牛蒡收獲機(jī)偏心輪以540r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)[5],將偏心輪的偏心距分別在30、40、50mm情況下進(jìn)行仿真分析。

    2.4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性仿真分析

    對鏟尖和鏟尾的位移、角速度和角加速度進(jìn)行仿真分析。設(shè)置仿真時(shí)間End time=1s,分析步長step=500。偏心輪的偏心距為30mm時(shí),仿真結(jié)果如圖4~圖7所示。

    圖4 鏟尖的振幅變化Fig.4 The amplitude of front changes

    圖5 鏟尾的振幅變化Fig.5 The amplitude of back changes

    由圖4和圖5可知:當(dāng)偏心輪的偏心距為30mm時(shí),鏟尖的振幅為16mm,鏟尾的振幅為36mm,曲線為三角函數(shù)趨勢,符合振動(dòng)松土裝置實(shí)際工作狀態(tài)。

    圖6 鏟尖的角速度Fig.6 The angular velocity of front shovel

    圖7 鏟尖的角加速度Fig.7 The angular acceleration of front shovel

    由圖6可知:當(dāng)偏心輪的偏心距為30mm時(shí),振動(dòng)松土鏟鏟尖的角速度峰值為320rad/s。

    由圖7可知:當(dāng)偏心輪的偏心距為30mm時(shí),鏟尖的角加速度峰值為53 000rad/s2。

    偏心輪的偏心距為40mm時(shí)仿真結(jié)果,如圖8~圖11所示。

    圖8 鏟尖的振幅變化Fig.8 The amplitude of front changes

    圖9 鏟尾的振幅變化Fig.9 The amplitude of back changes

    圖10 鏟尖的角速度Fig.10 The angular velocity of front shovel

    由圖8和圖9可知:當(dāng)偏心輪的偏心距為40mm時(shí),鏟尖的振幅為26.5mm,鏟尾的振幅為44.5mm。曲線為三角函數(shù)趨勢,符合振動(dòng)松土裝置實(shí)際振動(dòng)工作狀態(tài)。

    由圖10可知:當(dāng)偏心輪的偏心距為40mm時(shí),振動(dòng)松土鏟鏟尖的角速度峰值為400rad/s。

    圖11 鏟尖的角加速度Fig.11 The angular acceleration of front shovel

    由圖11可知:當(dāng)偏心輪的偏心距為40mm時(shí),鏟尖的角加速度峰值為24 000rad/s2。

    偏心輪的偏心距為50mm時(shí)仿真結(jié)果如圖12~圖15所示。

    圖12 鏟尖的振幅變化Fig.12 The amplitude of front changes

    圖13 鏟尾的振幅變化Fig.13 The amplitude of back changes

    由圖12和圖13可知:當(dāng)偏心輪的偏心距為50mm時(shí),鏟尖的振幅為35.8mm,鏟尾的振幅大約為53mm,曲線為三角函數(shù)趨勢,符合振動(dòng)松土裝置實(shí)際振動(dòng)工作狀態(tài)。

    由圖14可知:當(dāng)偏心輪的偏心距為50mm時(shí),振動(dòng)松土鏟鏟尖的角速度峰值為490rad/s。

    由圖15可知:當(dāng)偏心輪的偏心距為50mm時(shí),鏟尖的角加速度峰值為30 000rad/s2。

    圖14 鏟尖的角速度Fig.14 The angular velocity of front shovel

    圖15 鏟尖的角加速度Fig.15 The angular acceleration of front shovel

    經(jīng)過仿真模擬后,分別對比偏心輪的偏心距在30、40、50mm情況下振動(dòng)松土裝置的振幅、振動(dòng)松土鏟鏟尖角加速度的曲線,根據(jù)曲線可以得出偏心輪的偏心距、鏟末端的振幅和鏟尖角加速度參數(shù)分析表,如表1所示。

    表1 偏心距、振幅、鏟尖角加速度分析表Table 1 Eccentricity,amplitude,angular acceleration analysisTable

    當(dāng)偏心輪的偏心距為30、40、50mm時(shí),3個(gè)振幅都能滿足振幅小于80mm的要求。從振幅的角度考慮,可以看出當(dāng)偏心距為50mm時(shí)的振幅最大,為53mm,振幅最優(yōu);其次是振幅為44.5mm,最后是振幅為36mm。從振動(dòng)松土鏟鏟尖的角加速度峰值考慮,當(dāng)偏心距為30mm時(shí),鏟尖角加速度為18 700rad/s2;當(dāng)偏心距為40mm時(shí),鏟尖角加速度為24 000rad/s2;當(dāng)偏心距為50mm時(shí),鏟尖角加速度為30 000rad/s2。從振動(dòng)松土鏟的振幅和鏟尖角加速度兩個(gè)方面綜合考慮,選擇偏心輪的偏心距為50mm最佳。當(dāng)偏心距為50mm時(shí),振動(dòng)松土鏟的振幅為53mm,角加速度為30 000rad/s2。

    當(dāng)偏心輪的偏心距為50mm時(shí),鏟末端在振動(dòng)傳遞連桿方向上的加速度曲線如圖16所示。由圖16可知:振動(dòng)松土鏟末端在上下擺動(dòng)過程中,最大加速度為1.75E+005mm/s2。

    圖16 鏟末端在振動(dòng)傳遞連桿方向的加速度Fig.16 The acceleration of the shovel tip in the direction of the vibration transmission link

    3 振動(dòng)松土裝置的田間試驗(yàn)

    3.1 試驗(yàn)條件

    試驗(yàn)地址選在河北省保定市蠡縣孫莊的麻山藥種植區(qū),在試驗(yàn)田內(nèi)選擇一塊地勢較為平坦的地作為試驗(yàn)的試驗(yàn)區(qū),按照機(jī)組試驗(yàn)方案要求,在試驗(yàn)前對實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行規(guī)劃[6]。該試驗(yàn)區(qū)長度300m,寬度20m,土壤為壤土,試驗(yàn)對象為麻山藥中的“紫藥”品種,預(yù)設(shè)麻山藥收獲機(jī)的開溝深度為1 000mm。

    試驗(yàn)現(xiàn)場麻山藥收獲機(jī)的作業(yè)效果如圖17所示。機(jī)器作業(yè)后,土壤疏松,人工拔出麻山藥輕松省力。

    圖17 麻山藥收獲機(jī)作業(yè)效果Fig.17 The operation effect of yam harvester

    3.2 作業(yè)性能指標(biāo)測定

    通過麻山藥收獲機(jī)田間試驗(yàn),測試麻山藥收獲機(jī)振動(dòng)松土裝置的作業(yè)效果,檢測損傷率、折斷率和破損率。

    機(jī)器作業(yè)后,按每30m選一個(gè)點(diǎn)測算,總共選取10個(gè)測點(diǎn),在每個(gè)測試點(diǎn)隨機(jī)選取20棵麻山藥根莖進(jìn)行檢測。采用人工輔助提拉撿拾的方式,收集試驗(yàn)的麻山藥,檢測點(diǎn)的位置應(yīng)避開地邊和地頭;計(jì)算每點(diǎn)收獲的麻山藥總數(shù),從中挑出折斷的和破損的麻山藥,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。有

    (1)

    (2)

    式中TZ—折斷率(%);

    TP—破損率(%);

    W—收獲的麻山藥的總棵數(shù);

    WZ—收獲的麻山藥中折斷的麻山藥的棵數(shù);

    WP—收獲的麻山藥中破損的麻山藥的棵數(shù)。

    表2 根莖折斷率調(diào)查表Table 2 The breaking rate of root survey Table

    根據(jù)表2的數(shù)據(jù),分別按照式(1)、式(2)計(jì)算折斷率和破損率,可以計(jì)算出根莖折斷率為1%、根莖破損率為2.5%、根莖的損傷率為3.5%,滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總損傷率低于5%的要求。

    4 結(jié)論

    1)運(yùn)用ADAMS軟件對機(jī)組前進(jìn)速度、偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度和偏心距進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,結(jié)果表明:機(jī)組前進(jìn)速度為3m/min、偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度為540r/min、偏心距為50mm時(shí)性能最優(yōu)。

    2)試驗(yàn)表明:機(jī)器作業(yè)后,土壤疏松,人工拔出麻山藥輕松省力,大大提高了作業(yè)效率,降低了輔助勞動(dòng)強(qiáng)度。

    3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明:人工拔出根莖輕松省力,根莖的損傷率為3.5%,滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q /JL001-2016麻山藥收獲機(jī)》[7]相關(guān)要求。

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