馬鈴薯振動(dòng)挖掘試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

武 濤,黃偉鳳,黃積佰,劉慶庭

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,廣州 510642)

0 引言

馬鈴薯是我國重要的糧食作物之一。農(nóng)業(yè)部在2015年推進(jìn)馬鈴薯的主糧化策略,馬鈴薯正式成為我國第四大主糧作物[1-2],并推進(jìn)南方67萬hm2冬閑田馬鈴薯種植[3]。2016年,我國的馬鈴薯機(jī)收面積到達(dá)140萬hm2,機(jī)收率達(dá)24.7%[4],仍需繼續(xù)推進(jìn)馬鈴薯機(jī)械化收獲。

目前,市場上的馬鈴薯收獲機(jī)主要分為固定式挖掘和振動(dòng)式挖掘兩種[5-7]:前者結(jié)構(gòu)簡單,但在南方黏濕土壤作業(yè)環(huán)境下會(huì)遇到挖掘阻力大和土壤擁堵的問題;振動(dòng)式挖掘采用振動(dòng)原理改變土壤顆粒的加速度和慣性力,加速土體的破壞,可以大大減小挖掘阻力[8-9]。

針對振動(dòng)減阻挖掘技術(shù),國內(nèi)外開展了系列研究。W. S. Kang[10]等設(shè)計(jì)了3種不同的振動(dòng)挖掘鏟,以振動(dòng)幅度、凸輪轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度為因素對比研究振動(dòng)挖掘的土壤分離效果。K.A.J.Al-Jubouri[11]等在前進(jìn)速度為3km/h、挖掘深度200mm、振動(dòng)幅度10～25mm和振動(dòng)頻率7.5～18Hz的條件下進(jìn)行田間試驗(yàn),結(jié)果表明:相比固定式挖掘,振動(dòng)挖掘能夠有效地降低挖掘阻力并提高馬鈴薯的收獲質(zhì)量。王雪艷[12]就振動(dòng)深松技術(shù)以強(qiáng)迫和自激振動(dòng)兩種方式研究激振頻率和激振振幅對牽引阻力的影響效果。樊英生[13]等設(shè)計(jì)并試制了4UD-600型馬鈴薯挖掘機(jī),可實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的振幅和入土角可調(diào)。石林榕[14]借助虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件Adams和非線性有限元軟件Ls-Dyna相結(jié)合法模擬小型馬鈴薯挖掘機(jī)振動(dòng)挖掘鏟挖削土壤過程,并采用回歸方程計(jì)算出最優(yōu)牽引力時(shí)的牽引速率、振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值和入土角。呂金慶[15]等開展基于4U1Z型振動(dòng)式馬鈴薯挖掘機(jī)的作業(yè)速度、振動(dòng)分離篩角和振動(dòng)頻率對馬鈴薯收獲效果的研究。眾多研究表明:合理調(diào)整振動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)是振動(dòng)減阻挖掘的關(guān)鍵所在,但工作部件運(yùn)動(dòng)參數(shù)對于振動(dòng)挖掘阻力的確切影響尚未明確。

針對馬鈴薯收獲過程中挖掘阻力大的問題,設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯振動(dòng)挖掘試驗(yàn)臺(tái),通過試驗(yàn)研究確定了振動(dòng)挖掘的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù),以期為馬鈴薯振動(dòng)挖掘收獲裝備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

馬鈴薯振動(dòng)挖掘試驗(yàn)臺(tái)主要由土槽框架、絲桿推送機(jī)構(gòu)、牽引電機(jī)、激振電機(jī)、阻力測試傳感器、速度傳感器、位置傳感器及振動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)等組成,如圖1所示。其中,振動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)由激振電機(jī)、平面板、漲套凸輪激振部件、魚眼桿件及挖掘鏟等組成。土槽框架正前面采用有機(jī)玻璃材料,便于對土壤擾動(dòng)情況進(jìn)行觀察;速度傳感器沿著土槽框架外邊線安裝在平面板上,用于測試振動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度;位置傳感器安裝在土槽框架兩端,防止振動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)撞擊到土槽框架,保證作業(yè)安全。試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 馬鈴薯振動(dòng)挖掘試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí),激振電機(jī)通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)漲套凸輪激振部件轉(zhuǎn)動(dòng),漲套凸輪激振部件通過魚眼桿件帶動(dòng)挖掘鏟后端產(chǎn)生振動(dòng);牽引電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn),推動(dòng)整個(gè)振動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)沿兩側(cè)滑軌向前平移;挖掘鏟在振動(dòng)的同時(shí)向前運(yùn)動(dòng),使壟內(nèi)土壤松動(dòng)、破裂,阻力測試傳感器與電腦相連,記錄實(shí)時(shí)牽引阻力;同時(shí),可透過土槽框架的有機(jī)玻璃可觀察作業(yè)過程中土壤的擾動(dòng)情況。

通過變頻器調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速,可改變振動(dòng)挖掘部件的前進(jìn)速度;通過調(diào)整深度調(diào)節(jié)板和魚眼桿件的接入長度,可以調(diào)整挖掘深度;通過改變漲套凸輪的內(nèi)外漲套對齊位置,可以調(diào)整振動(dòng)幅度;通過激振電機(jī)編碼器,可以調(diào)整振動(dòng)頻率。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 挖掘鏟設(shè)計(jì)

2.1.1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)

為減小挖掘阻力、減輕擁堵、適應(yīng)振動(dòng)挖掘,挖掘鏟采用條形鏟結(jié)構(gòu)[16-17],如圖2(a)所示。挖掘鏟以一定傾角鉸接在魚眼桿件和深度調(diào)節(jié)板上,挖掘鏟兩邊折起,后端開安裝孔,前端開可調(diào)孔位。挖掘鏟后端通過魚眼連接桿與漲套凸輪連接,前端通過深度調(diào)節(jié)板與振動(dòng)挖掘部件連接,不同孔位連接,可調(diào)整不同振動(dòng)方式。調(diào)整深度調(diào)節(jié)板和魚眼桿件連接長度,可調(diào)整挖掘鏟的入土深度。

1.牽引電機(jī) 2.絲桿推送機(jī)構(gòu) 3.激振電機(jī) 4.漲套凸輪激振部件 5.速度傳感器 6.阻力測試傳感器 7.平面板 8.位置傳感器 9.土槽框架 10.挖掘鏟 11.魚眼桿件

挖掘鏟的工作原理如圖2(b)所示。工作過程中,激振電機(jī)的傳動(dòng)軸將動(dòng)力經(jīng)漲套凸輪傳遞到魚眼桿件,魚眼桿件帶動(dòng)挖掘鏟后端規(guī)律振動(dòng);挖掘鏟刃從薯土下層切削土壤,將土壤和薯塊崛起并振松土塊,隨著挖掘鏟的的前進(jìn),薯土混合物沿鏟面向后輸送。

圖2 振動(dòng)挖掘鏟示意圖

2.1.2 挖掘鏟參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)早期田間馬鈴薯種植情況調(diào)研發(fā)現(xiàn):南方冬種馬鈴薯(江門臺(tái)山市馬鈴薯種植基地)的種植平均壟寬為350mm,雙行種植,株距300×200mm,平均發(fā)薯深度為150mm。本試驗(yàn)臺(tái)模擬單壟挖掘,即要保證挖掘鏟盡可能崛起所有薯塊,故鏟寬取400mm。挖掘鏟作業(yè)過程中,薯土經(jīng)過挖掘鏟振動(dòng)作用后,向后輸送。若挖掘鏟太長,容易造成挖掘鏟面堆積土壤過多、阻力過大;挖掘鏟太短,則振動(dòng)挖掘后薯土疏松效果不明顯。結(jié)合實(shí)際作業(yè)情況,取鏟長180mm。挖掘鏟兩側(cè)折起寬度需要滿足鉸接件安裝空間需求,故取40mm;可調(diào)孔位長度取80mm,保證與深度調(diào)節(jié)板有3個(gè)位置狀態(tài)的調(diào)節(jié)范圍,可調(diào)整出挖掘鏟前端無擺幅、小擺幅和大擺幅的振動(dòng)狀態(tài)。鑒于冬種馬鈴薯平均挖薯深度,為保證挖掘時(shí)不傷及薯塊,故本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)定馬鈴薯挖掘深度為120～300mm可調(diào)。

挖掘鏟的傾角需要結(jié)合挖掘過程中土壤的受力情況進(jìn)行分析,如圖2(c)所示。根據(jù)土壤靜力學(xué)分析可得

(1)

式中F—土壤對鏟面的阻力;

G—鏟面土壤重力;

N—鏟面土壤所受正向力;

Ff—土壤與挖掘鏟之間的摩擦力;

μ—土壤與鏟面摩擦因數(shù);

α—鏟面傾角。

因此,鏟面傾角α可表示為

(2)

挖掘鏟實(shí)際傾角α1<α<φ(土壤對鏟體的摩擦角)時(shí),不會(huì)發(fā)生壅土現(xiàn)象,φ∈(22°,45°)[18]。南方冬種馬鈴薯收獲時(shí)恰逢雨季,土壤濕潤粘重,故α設(shè)定為0°～30°可調(diào)。

2.2 漲套凸輪激振部件

2.2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

漲套凸輪激振部件由內(nèi)漲套凸輪、外漲套凸輪、張緊套、調(diào)節(jié)螺母、魚眼桿件等組成,由轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng),分別連接挖掘鏟后端兩側(cè),結(jié)構(gòu)如圖3所示。凸輪機(jī)構(gòu)由內(nèi)外漲套凸輪嵌合而成,內(nèi)外凸輪均為內(nèi)偏心輪,其偏心圓最薄位置開有裂縫,采用漲套原理可在一定范圍內(nèi)擴(kuò)大和壓縮。在漲套凸輪外圈均勻雕上刻度,調(diào)整不同的刻度對齊便可形成不同的振動(dòng)幅度。內(nèi)外漲套凸輪可在360°方向旋轉(zhuǎn)組合,在0～20mm的振幅范圍內(nèi)無極調(diào)整。

需要做調(diào)整時(shí),調(diào)整張緊套,使其外圈直徑變小,按照振幅需求調(diào)整內(nèi)漲套凸輪位置,再調(diào)整張緊套,使其外圈直徑變大,壓緊固定現(xiàn)有漲套凸輪組合,經(jīng)過傳動(dòng)軸帶動(dòng)便可按設(shè)定振幅振動(dòng)。

1.魚眼軸承 2.調(diào)節(jié)螺母 3.魚眼桿件 4.端蓋 5.固定軸承 6.張緊套 7.內(nèi)漲套凸輪 8.外漲套凸輪

2.2.2 關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定

前進(jìn)速度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度是振動(dòng)裝置的關(guān)鍵參數(shù),前進(jìn)速度影響單位土壤在挖掘鏟上保留的時(shí)間,振動(dòng)頻率直接影響單位時(shí)間內(nèi)松動(dòng)的土壤量,振動(dòng)幅度直接影響土壤刨起的高度,三者都會(huì)影響單位時(shí)間挖掘鏟上土壤的堆積量,從而影響牽引阻力。

為了更好地掌握合適的運(yùn)動(dòng)參數(shù)范圍,進(jìn)行了關(guān)于前進(jìn)速度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度的預(yù)試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):牽引電機(jī)調(diào)頻器的頻率f與振動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度v之間存在v=0.012f的關(guān)系,f可在0～50Hz之間可調(diào),即v在0～0.6m/s可調(diào)。當(dāng)前進(jìn)速度低于0.4m/s時(shí),土壤容易積壓在挖掘鏟上,導(dǎo)致?lián)矶?當(dāng)前進(jìn)速度高于0.6m/s時(shí),挖掘鏟前進(jìn)快速而迅猛,容易導(dǎo)致土壤振動(dòng)疏松不充分。因此,前進(jìn)速度擬選用0.4、0.5、0.6m/s進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究。當(dāng)振動(dòng)頻率低于8Hz時(shí),挖掘鏟振動(dòng)周期長,挖掘過程中顯得無力,阻力大,容易導(dǎo)致土壤埇堵,難以繼續(xù)前進(jìn)作業(yè);當(dāng)頻率高于16Hz時(shí),挖掘鏟振動(dòng)周期短,振動(dòng)劇烈,整個(gè)振動(dòng)裝置極易處于不穩(wěn)定狀態(tài),挖掘過程中容易導(dǎo)致土壤顆粒四濺,不利于作業(yè)。因此,振動(dòng)頻率擬選用8、12、16Hz進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。當(dāng)振動(dòng)幅度低于5mm時(shí),挖掘鏟振動(dòng)效果不明顯,高于15mm時(shí),土壤被提升的高度大,擾動(dòng)情況劇烈,不利于穩(wěn)定作業(yè)。因此,振動(dòng)幅度擬選用5、10、15mm進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

2.3 牽引阻力測試裝置

測試裝置的牽引阻力由阻力測試傳感器進(jìn)行測量。測試裝置包括阻力測試傳感器、安裝組件及計(jì)算機(jī)等,如圖4所示。

1.平面板時(shí)性 2.絲桿 3.T形塊 4.安裝滑軌 5.阻力測試傳感器 6.擋板

安裝組件由安裝滑軌、T形塊和擋板組成,連接絲桿牽引機(jī)構(gòu)和平面板,測試裝置主要實(shí)現(xiàn)牽引阻力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)等功能。

試驗(yàn)前,對空載下的阻力傳感器進(jìn)行初始化設(shè)置,逐漸加載,設(shè)置傳感器的量程,并校核精度。完成校核后,將阻力測試傳感器安裝在安裝組件上,起到連接絲桿牽引機(jī)構(gòu)與振動(dòng)挖掘部件的中間媒介作用,用以測試絲桿牽引機(jī)構(gòu)帶動(dòng)振動(dòng)挖掘部件前進(jìn)的牽引阻力。阻力測試傳感器的接收器與計(jì)算機(jī)對接,完成信號的接收和通訊。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 材料與試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2018年3月15日在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。土壤質(zhì)地為沙壤土,含水率為23%,土槽中土壤的高度為400mm。

主要儀器為SG-HF數(shù)顯式推拉力計(jì)(測試量程0～20kN,校核后使用量程3kN,測量精度0.01N)。土槽試驗(yàn)如圖5所示。

圖5 土槽試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)方法

前期單因素試驗(yàn)觀察和理論分析表明,影響牽引阻力的主要因素有前進(jìn)速度A、振動(dòng)頻率B、振動(dòng)幅度C。為明確上述3個(gè)因素對馬鈴薯挖掘作業(yè)時(shí)牽引阻力的影響,本試驗(yàn)以牽引阻力F作為衡量標(biāo)準(zhǔn),采用L9(33)正交試驗(yàn)表進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)因素和水平如表2所示,正交試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

根據(jù)馬鈴薯振動(dòng)挖掘試驗(yàn)臺(tái)單壟作業(yè)牽引阻力測試的實(shí)際情況,試驗(yàn)時(shí)壓實(shí)土壟,調(diào)整挖掘鏟的入土深度為180mm;調(diào)整振動(dòng)幅度,在電子屏幕輸入所需振動(dòng)頻率,在調(diào)頻器上調(diào)到所需速度對應(yīng)的頻率;在計(jì)算機(jī)同步測力軟件中新建牽引阻力實(shí)時(shí)測試項(xiàng)目,然后啟動(dòng)激振電機(jī),穩(wěn)定后啟動(dòng)牽引電機(jī),實(shí)時(shí)記錄振動(dòng)挖掘過程中的牽引阻力值。每個(gè)因素組合方案進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),分別測試每次試驗(yàn)牽引阻力F,并取平均值。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

K1、K2、K3代表各因素列對應(yīng)水平(1,2,3)的數(shù)據(jù)之和,k1、k2、k3代表各水平數(shù)據(jù)的綜合平均值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)采用IBM SPSS Statistics 19 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析[19]。

極差分析表明:各因素對牽引阻力影響的主次作用順序?yàn)檎駝?dòng)幅度>振動(dòng)頻率>前進(jìn)速度;較優(yōu)參數(shù)組合方案為C3B2A2,即振動(dòng)幅度15mm、振動(dòng)頻率12Hz、前進(jìn)速度0.5m/s。根據(jù)3個(gè)水平的k值作因素水平效應(yīng)圖,如圖6所示。其中,橫坐標(biāo)表示各因素的水平,縱坐標(biāo)表示各水平的牽引阻力平均值。

圖6 因素水平效應(yīng)圖

表4 正交試驗(yàn)方差分析

由表4可知,3個(gè)因素對牽引阻力的影響程度不同。在95%的置信度下,對于牽引阻力指標(biāo),振動(dòng)幅度影響顯著,振動(dòng)頻率影響較為顯著,前進(jìn)速度影響不顯著。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于正交試驗(yàn)方案未包含較優(yōu)參數(shù)組合方案,為確保試驗(yàn)分析結(jié)果可靠性,選取上述較優(yōu)參數(shù)組合C3B2A2進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。為消除隨機(jī)誤差,進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),取平均值為試驗(yàn)驗(yàn)證值,試驗(yàn)結(jié)果為594N。通過對比分析可知,優(yōu)選后的牽引阻力小于其他參數(shù)下的阻力值。因此,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)推薦采用較優(yōu)組合參數(shù),即振動(dòng)幅度15mm、振動(dòng)頻率12Hz、前進(jìn)速度0.5m/s。

為驗(yàn)證振動(dòng)挖掘牽引阻力與平動(dòng)挖掘的效果區(qū)別,設(shè)置了對比試驗(yàn)。采用較優(yōu)組合參數(shù)C3B2A2做平動(dòng)試驗(yàn),即選取前進(jìn)速度以0.5m/s,振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度均為0進(jìn)行試驗(yàn),求取3次試驗(yàn)平均值,試驗(yàn)結(jié)果為736N。綜上所述,最佳振動(dòng)參數(shù)下牽引阻力比平動(dòng)下牽引阻力減小19%。

4 結(jié)論

1)針對馬鈴薯收獲過程中牽引阻力大的問題,設(shè)計(jì)了可調(diào)式馬鈴薯振動(dòng)挖掘試驗(yàn)臺(tái),主要包括土槽框架、絲桿推送機(jī)構(gòu)、振動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)及阻力測試裝置等。同時(shí),設(shè)計(jì)了振動(dòng)挖掘鏟和漲套凸輪激振部件,可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)速度、振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率、挖掘深度和入土角度的參數(shù)調(diào)整,從而為馬鈴薯挖掘設(shè)備設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2)漲套凸輪激振部件采用兩個(gè)雕刻有刻度的漲套凸輪嵌合,并搭配張緊套連接,可360°轉(zhuǎn)動(dòng)配合,在0～20mm振動(dòng)幅度范圍內(nèi)無級調(diào)整,提高了馬鈴薯振動(dòng)挖掘部件振動(dòng)幅度調(diào)整精度。

3)正交試驗(yàn)結(jié)果表明:影響振動(dòng)挖掘牽引阻力的主次作用因素依次為振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率、前進(jìn)速度。當(dāng)振動(dòng)幅度為15mm、振動(dòng)頻率為12Hz、前進(jìn)速度為0.5m/s時(shí),振動(dòng)牽引阻力達(dá)到最小值594N,比0.5m/s時(shí)平動(dòng)挖掘牽引阻力減少19%。