太子參收獲機(jī)挖掘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析*

許星，陳仕國(guó)，胡立華

(福建農(nóng)林大學(xué)，福州市，350002)

0 引言

目前我國(guó)藥用中藥植物約11 146種，其中人工種植的根莖類中藥已到達(dá)250種以上[1]。太子參作為根莖類中藥之一，因其藥食同源具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。國(guó)內(nèi)大多數(shù)地區(qū)以人工種植為主，每逢太子參收獲季節(jié)，就會(huì)出現(xiàn)勞動(dòng)力短缺的現(xiàn)象，導(dǎo)致太子參收獲不及時(shí)，嚴(yán)重影響太子參的質(zhì)量[3-6]。

對(duì)于根莖類收獲機(jī)機(jī)械的研發(fā)和應(yīng)用，國(guó)外在20世紀(jì)就形成一系列標(biāo)準(zhǔn)[7]，主要是針對(duì)短根莖類作物收獲機(jī)械進(jìn)行研制，包括馬鈴薯、甜菜、花生、大蒜等機(jī)械[8-11]。從70年代開(kāi)始，西方發(fā)達(dá)國(guó)家就普及此類大型收獲機(jī)械，促進(jìn)根莖類作物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[12]。日本DCL-130土豆收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率小，適合小面積種植環(huán)境，不但可以解決一些特殊地區(qū)的山地情況機(jī)械化收獲問(wèn)題，還可以帶動(dòng)當(dāng)?shù)匾恍┳魑锂a(chǎn)業(yè)的發(fā)展[13-15]。20世紀(jì)60年代，我國(guó)從西方國(guó)家買(mǎi)入根莖類的作物收獲機(jī)械，但是對(duì)于長(zhǎng)根莖的中藥材采摘仍需采用手動(dòng)方式進(jìn)行或者在簡(jiǎn)易的機(jī)械挖掘后人工拾撿[16]。從80年代起我國(guó)在國(guó)外根莖作物收獲機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)創(chuàng)新，使得我國(guó)中藥材生產(chǎn)得到產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展[17]。當(dāng)前我國(guó)市場(chǎng)上有大型馬鈴薯收獲機(jī)，如4QMS型馬鈴薯收獲機(jī)[18]，也有適合于一些多山地丘陵的藥材收獲機(jī)，如YS深型藥材收獲機(jī)。大大推廣了根莖類收獲機(jī)械的應(yīng)用，推動(dòng)了我國(guó)的根莖類作物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[19]。但是，我國(guó)關(guān)于太子參收獲機(jī)械的相關(guān)文獻(xiàn)和報(bào)道較少，太子參依然靠人工的方式進(jìn)行收獲。整個(gè)根莖類作物產(chǎn)業(yè)中，機(jī)械化是必然的結(jié)果[20-22]，所以實(shí)現(xiàn)太子參的機(jī)械化收獲也是必然選擇。福建省地區(qū)土壤具有含水率高，黏性大等特點(diǎn)，這直接造成了太子參收獲的復(fù)雜工況。太子參是石竹科植物，其根部深埋與地下，在挖掘過(guò)程中存在挖掘阻力大等特點(diǎn)。而且太子參種植地區(qū)多屬丘陵地帶，難以利用笨重的收獲機(jī)械。本文結(jié)合太子參收獲工藝，設(shè)計(jì)并分析一種具有振動(dòng)功能，適合太子參收獲的挖掘機(jī)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行有限元仿真分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。旨在驗(yàn)證其合理性與可靠性，為太子參收獲機(jī)械化奠定基礎(chǔ)。

1 太子參收獲機(jī)挖掘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與方法

1.1 太子參收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太子參收獲機(jī)挖掘機(jī)構(gòu)包含偏心傳動(dòng)軸、螺旋桿、齒輪傳動(dòng)、傳動(dòng)軸、鏈輪傳動(dòng)、可調(diào)后輪和運(yùn)篩網(wǎng)鏈。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，功能和作用如下：(1)可調(diào)節(jié)后輪：通過(guò)調(diào)節(jié)后輪的高度，實(shí)現(xiàn)不同的挖掘深度。(2)挖掘裝置機(jī)架：主要用于懸掛和固定各個(gè)關(guān)鍵部件。(3)支撐臂：為振動(dòng)挖掘鏟提供一定的振動(dòng)幅度調(diào)節(jié)作用。(4)振動(dòng)挖掘鏟：挖掘關(guān)鍵部件，切削土壤對(duì)太子參進(jìn)行挖掘；(5)后延?xùn)艞l：太子參傳送過(guò)度機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)土壤與太子參第一次分離。(6)偏心傳動(dòng)軸：為挖掘鏟提供振動(dòng)功能，將動(dòng)力傳遞到偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)和鏈輪。(7)齒輪傳動(dòng)：為偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)篩網(wǎng)鏈提供動(dòng)力，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到整個(gè)挖掘裝置。(8)鏈輪傳動(dòng)：為運(yùn)篩網(wǎng)鏈提供動(dòng)力。(9)螺旋桿：通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺旋桿來(lái)調(diào)節(jié)挖掘鏟入土角度以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。(10)運(yùn)篩網(wǎng)鏈：實(shí)現(xiàn)土壤與太子參的二次分離。

圖1 太子參收獲機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of Radix Pseudostellariae excavator1.可調(diào)節(jié)后輪 2.運(yùn)篩網(wǎng)鏈 3.螺旋桿 4.鏈輪傳動(dòng) 5.齒輪傳動(dòng) 6.偏心傳動(dòng)軸 7.后延?xùn)艞l 8.振動(dòng)挖掘鏟 9.支撐臂 10.機(jī)架

根據(jù)上述的農(nóng)藝要求可得該收獲機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。本文所設(shè)計(jì)的太子參收獲機(jī)工作過(guò)程如下：首先由內(nèi)燃機(jī)將動(dòng)力通過(guò)齒輪傳遞到偏心傳動(dòng)軸上并產(chǎn)生振動(dòng)作用，使得挖掘鏟產(chǎn)生振動(dòng)切削同時(shí)抬升土壤，對(duì)太子參進(jìn)行挖掘。鏈輪帶動(dòng)運(yùn)篩網(wǎng)鏈工作，土壤在振動(dòng)挖掘鏟以及運(yùn)篩網(wǎng)鏈分離裝置的作用下將太子參與土壤進(jìn)行有效分離。太子參通常要選擇腐殖質(zhì)層大于等于400 mm深度的土壤中進(jìn)行種植，播種時(shí)深耕深度為150～200 mm，對(duì)于大規(guī)模種植需要壟作模式，通常壟寬范圍為800～1 400 mm，壟高約為250 mm，兩邊的壟溝約為300～400 mm，其中一壟通常采用四行的方式進(jìn)行播種[23]。

表1 太子參收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of Radix Pseudostellariae excavator

1.2 挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與方法

挖掘鏟是整個(gè)收獲機(jī)機(jī)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵性部件，主要工作參數(shù)包括挖掘深度h、挖掘鏟的刃口傾角θ、挖掘鏟入土角β、挖掘鏟的鏟體長(zhǎng)度L以及挖掘鏟寬度b。

1) 挖掘深度h。通常太子參耕作深度范圍為120～160 mm，為了確保挖掘深度不低于太子參最大生長(zhǎng)深度，本文設(shè)計(jì)的挖掘深度范圍在180～200 mm，且可由可調(diào)節(jié)后輪來(lái)調(diào)節(jié)大小。

2) 刃口傾角θ。刃口傾角θ影響土壤沿鏟刃口滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清理的能力。挖掘鏟刃口傾角θ也會(huì)影響切削土壤的力，適當(dāng)?shù)耐诰蜱P刃口傾角θ能夠有效提高挖掘太子參和土壤混合物。挖掘鏟的刃口的受力圖如圖2所示。

圖2 刀刃傾角受力圖Fig. 2 Blade angle force diagram

在切削太子參的土壤時(shí)，挖掘鏟刃口上的下滑力要小于摩擦力，即

(1)

式中：F——挖掘鏟受到的總阻力，N；

F1——土壤對(duì)挖掘鏟刃口上的摩擦力，N；

F2——土壤對(duì)挖掘鏟刃口的支撐力，N；

γ——土壤對(duì)挖掘鏟刃口的摩擦角，(°)。

由圖2的鏟刃傾角受力分析進(jìn)行分析，由方程組(1)可得

γ≤90°-θ

(2)

當(dāng)摩擦角γ過(guò)大時(shí)，不利于清理土壟兩旁的雜草，進(jìn)而挖掘鏟會(huì)形成土壤堵塞；當(dāng)摩擦角γ過(guò)小，挖掘鏟表面又變的太光滑，但是容易導(dǎo)致整個(gè)挖掘鏟面磨損太大。通常在實(shí)際工程上，摩擦角γ范圍在26.5°～35°，本文選擇摩擦角γ為30°，所以根據(jù)式(2)計(jì)算得出挖掘鏟的刃口傾角為θ=60°。

3) 入土角β。挖掘鏟入土角β的大小對(duì)挖掘阻力有著很大的影響，并對(duì)太子參的果土分離也有著很大影響。入土角β小，則相應(yīng)的挖掘土壤將增多，導(dǎo)致挖掘阻力增大。如果入土角β大，則挖掘鏟鏟面與土壤接觸面將增大，同樣會(huì)導(dǎo)致挖掘阻力增大，并導(dǎo)致土壤容易在運(yùn)篩網(wǎng)鏈出現(xiàn)沉積甚至發(fā)生回翻現(xiàn)象。挖掘鏟的受力分析如圖3所示。

圖3 挖掘鏟工作受力示意圖Fig. 3 Schematic diagram of excavating shovelwork force

挖掘鏟的入土角β的理論值，可以由受力平衡方程(3)來(lái)確定。

(3)

式中：T——挖掘鏟前進(jìn)方向?qū)ν寥浪枇?，N；

N——挖掘鏟對(duì)土壤的反作用力，N；

G——挖掘鏟上的土壤重力，N；

P——挖掘鏟上土壤摩擦力，N，P=μ1×N；

μ1——土壤對(duì)于挖掘鏟材料45號(hào)鋼的摩擦系數(shù)。

由上述式(3)可知

β=arctan[(T-μ1·G)/(μ1·T+G)]

(4)

一般在福建省地區(qū)的入土角β取值范圍為19°30″～26°30″[24]。當(dāng)入土角β超過(guò)25°時(shí)，挖掘鏟受到的挖掘阻力就會(huì)明顯增加，會(huì)增加太子參收獲機(jī)的功耗。如果入土角β<10°時(shí)，相應(yīng)的挖掘阻力降低，因此入土角β取值范圍在10°～25°。太子參收獲機(jī)工作時(shí)要盡量減小阻力因素，所以選取入土角β應(yīng)當(dāng)盡量小于理論值，而且入土角β偏小也可以減少土壤的堆積，降低后續(xù)的運(yùn)篩網(wǎng)鏈的分離載荷，有利于挖掘過(guò)程中的提升和輸送。綜上考慮，太子參入土角β選取為22°。

4) 鏟體長(zhǎng)度L。挖掘鏟鏟體的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)是整個(gè)挖掘裝置中的非常重要的一個(gè)參數(shù)，挖掘鏟體的長(zhǎng)度決定了收獲機(jī)上土壤堆積情況和受到阻力的大小，從而影響整個(gè)收獲機(jī)的收獲效率。挖掘鏟鏟體的長(zhǎng)度確定如圖4所示。

圖4 挖掘鏟長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Structure diagram of excavating shovel length

挖掘鏟鏟體總長(zhǎng)為L(zhǎng)包含挖掘鏟固定板和后延?xùn)艞l的長(zhǎng)度，如果挖掘鏟鏟體全部入土，則可以得出挖掘鏟鏟體總長(zhǎng)。

L=h/sinβ

(5)

根據(jù)入土角β和挖掘深度h可知，挖掘鏟鏟體的長(zhǎng)度取值范圍為394.7～526.3 mm，而在實(shí)際情況中，挖掘鏟鏟體的總長(zhǎng)會(huì)比理論計(jì)算得出的最小鏟體長(zhǎng)度還要小，因?yàn)檫@樣設(shè)計(jì)不但可以保證太子參被挖掘出來(lái)，還可以有效地減小在收獲過(guò)程中太子參的漏根率，也可以降低挖掘鏟的挖掘阻力的作用，并為后續(xù)太子參收獲機(jī)的加工制作費(fèi)用減少，故本文選用350 mm。

5) 挖掘鏟寬度b。挖掘鏟的寬度必須保證可以把土壟中的太子參全部挖出來(lái)，又不能在鏟上留有多余土壤。通常福建省太子參種植一壟的寬度范圍在700～900 mm，收獲機(jī)在兩邊的壟溝行走，要保證挖掘鏟寬度充分覆蓋土壟的上部，綜上考慮則本文的挖掘鏟寬度為800 mm。

1.3 挖掘機(jī)構(gòu)振動(dòng)功能設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析

土壤挖掘相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)有多數(shù)研究學(xué)者證明了振動(dòng)作用能夠有效降低挖掘阻力的結(jié)論，并且大量的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[25-28]：在保持土壤的豎向應(yīng)力不變且都具有一定壓縮的條件下，快速剪切所得到的土壤內(nèi)摩擦角的值較小，抗剪強(qiáng)度較小。慢速剪切所測(cè)得的土壤內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度都相對(duì)較大。所以根據(jù)摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度理論，土壤的切削阻力隨著內(nèi)摩擦角減小而減小。為了實(shí)現(xiàn)挖掘鏟可以左右往復(fù)式振動(dòng)，本文利用偏心機(jī)構(gòu)使得挖掘鏟產(chǎn)生振動(dòng)，并利用四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理分析挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)特征。挖掘機(jī)構(gòu)振動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與原理圖如圖5所示。

偏心機(jī)構(gòu)由個(gè)偏心距為e的傳動(dòng)軸組成，當(dāng)偏心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)在連桿的作用下帶動(dòng)挖掘鏟擺動(dòng)。振動(dòng)機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)四連桿機(jī)構(gòu)，其中偏心距e為L(zhǎng)1，偏心軸中心到挖掘鏟連桿和支撐臂的連接點(diǎn)為L(zhǎng)2，支撐臂為L(zhǎng)3，傳動(dòng)軸至支撐桿回轉(zhuǎn)中心距離為L(zhǎng)4。已知偏心距e，即L1和角速度ω1。根據(jù)圖5(b)所示的四桿機(jī)構(gòu)圖，由于矢量多邊形各矢量之和為0[29]，可得封閉矢量方程。

(6)

將式(6)用復(fù)數(shù)形式表示可得式(7)。

(7)

將歐拉公式eiφ=cosφ+isinφ代入式(7)，分離出實(shí)部和虛部，經(jīng)變形得式(8)。

L22=L32+L42+L12-2L3L4cosφ3-

2L1L3cos(φ3-φ1)-2L3L4cosφ1

(8)

令A(yù)=2L1L3sinφ1,B=2L3(L1cosφ1-L4)，C=L22-L32-L42-L12+2L3L4cosφ1經(jīng)整理可得式(9)、式(10)。

(9)

φ2=2arcsin[(2L32sinφ3-A)/(2L3L2)]

(10)

對(duì)式(7)進(jìn)行時(shí)間求導(dǎo)并分離虛部與實(shí)部，可求解的兩個(gè)未知角速度。

(a) 挖掘機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(b) 四桿機(jī)構(gòu)原理圖圖5 挖掘鏟子振動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與原理圖Fig. 5 Diagram and schematic diagram of shovel vibration structure1.機(jī)架 2.偏心機(jī)構(gòu) 3.挖掘鏟連桿 4.支撐臂

ω3=ω1L1sin(φ1-φ2)/[L3sin(φ3-φ2)]

(11)

ω2=-ω1L1sin(φ1-φ3)/[L2sin(φ2-φ3)]

(12)

同時(shí)進(jìn)一步求二次導(dǎo)可以得知兩個(gè)未知角加速度α2和α3。

α3=[ω12L1cos(φ1-φ2)+ω22L2-

ω32L3cos(φ3-φ2)]/L3sin(φ3-φ2)

(13)

α2=[-ω12L1cos(φ1-φ3)+ω32L3-

ω22L2cos(φ2-φ3)]/L2sin(φ2-φ3)

(14)

設(shè)太子參收獲機(jī)的前進(jìn)速度為v(m/s)勻速前進(jìn)，在某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)t(s)時(shí)，挖掘鏟上的任意點(diǎn)O的位移方程如式(15)所示。

(15)

其中LDO表示點(diǎn)D到O的距離，φO表示∠CDO的夾角。通過(guò)求導(dǎo)可得O點(diǎn)速度與加速方程如式(16)、式(17)所示。

O點(diǎn)的速度方程

(16)

O點(diǎn)的加速度方程

(17)

查看挖掘鏟角位移、角速度和角加速度的參數(shù)曲線如圖6所示。

(a) 角位移曲線

(b) 角速度曲線

(c) 角加速度曲線圖6 挖掘鏟運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線圖Fig. 6 Curve of excavating shovel motion parameters

為了準(zhǔn)確獲取挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)曲線，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)挖掘鏟進(jìn)行仿真分析，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速設(shè)定為540 r/min，偏心振動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)參數(shù)為1 629°/s，運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)間設(shè)置為5 s，步數(shù)設(shè)置為100。

分析圖6可知挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)像一個(gè)正弦波曲線一樣有規(guī)律性、周期性的變動(dòng)，符合了本設(shè)計(jì)利用偏心機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)要求。

2 太子參挖掘鏟有限元分析

2.1 挖掘鏟負(fù)載受力分析

太子參收獲機(jī)挖掘阻力受挖掘鏟的入土角、挖掘鏟的長(zhǎng)度、挖掘深度，以及土壤的一些物理性質(zhì)，比如土壤的比重和容重、土壤的孔隙性、土壤的含水率、內(nèi)摩擦力等影響。挖掘鏟的工作阻力不僅受到土壤與挖掘鏟面的摩擦力影響，還與鏟面與土壤的剪切有關(guān)，土壤沿鏟面移動(dòng)所產(chǎn)生的挖掘阻力

(18)

式中：W1——挖掘阻力，N；

G——土壤重力，G=γ·b·h·L，γ表示濕土容重，取1 400 kg/m3；

C——土壤內(nèi)聚力因數(shù)，N/m2；

A1——土壤剪切面積，m2；

B——土壤沿鏟面運(yùn)動(dòng)的加速力，N；

Ca——土壤附著力因數(shù)，N/m2；

δ——前失效面傾角，(°)；

μ——土壤內(nèi)摩擦因數(shù)；

A0——挖掘鏟部件面積，m2。

將本文的數(shù)據(jù)參數(shù)代入式(18)，即土壤重力G=42.63 N，土壤剪切面積A1=0.3 m2，土壤沿鏟面運(yùn)動(dòng)的加速力B=10.95 N，前失效面傾角δ=34°，入土角β=22°，土壤內(nèi)摩擦因數(shù)μ=0.49，土壤與金屬摩擦因數(shù)μ1=0.5，挖掘鏟部件面積A0=0.145 m2。福建地區(qū)土壤內(nèi)聚力因數(shù)C一般取值范圍為5 000～10 000 N/m2，本文選取C=10 000 N/m2，土壤附著力因數(shù)Ca一般取值范圍為13 000～45 000 N/m2，本文選取Ca=15 000 N/m2，綜上可得總阻力W1=1 505.181 N，挖掘鏟面的法向力Fn=N=W×sinδ=563.85 N。

2.2 挖掘鏟有限元靜力學(xué)分析及結(jié)果

2.2.1 挖掘鏟有限元模型及載荷

太子參挖掘鏟包括鏟體、兩側(cè)固定板及后延?xùn)艞l。鏟體及固定板所使用材料為45號(hào)鋼，后延?xùn)艞l采用Q235結(jié)構(gòu)鋼，相應(yīng)參數(shù)如表2所示。對(duì)有限元模型施加上述計(jì)算所得的法向力如圖7所示。

表2 挖掘鏟材料特性參數(shù)Tab. 2 Characteristic parameters of excavating shovel material

(a) 挖掘鏟有限元模型

(b) 載荷模型圖7 挖掘鏟有限元模型及其載荷Fig. 7 Finite element model of excavating shovel and its load

2.2.2 有限元靜力學(xué)分析結(jié)果

通過(guò)有限元軟件可以計(jì)算出挖掘鏟在工作時(shí)變形量和應(yīng)力，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果顯示綜合最大位移量集中在鏟尖，位移量為1.518 mm，應(yīng)力最大位置發(fā)生在鏟體與連接板連接位置。最大應(yīng)力為141.87 MPa，小于45號(hào)鋼的屈服極限355 MPa。

(a) 挖掘鏟位移云圖

(b) 挖掘鏟應(yīng)力云圖圖8 有限元計(jì)算結(jié)果Fig. 8 Results of finite element calculation

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)材料與方法

為了進(jìn)一步驗(yàn)證挖掘機(jī)構(gòu)的可行性，并初步獲取前進(jìn)速度，振動(dòng)幅度，轉(zhuǎn)動(dòng)軸速度與挖掘阻力的關(guān)系數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)于2019年5月在福建農(nóng)林大學(xué)進(jìn)行。試驗(yàn)材料為ZH195型柴油拖拉機(jī)，太子參收獲機(jī)，SG04應(yīng)力分析儀，?，?AR926非接觸式轉(zhuǎn)速儀。

試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)法，具體方法如下：(1)為了保證每次的入土角度保持一致，保持螺旋調(diào)節(jié)桿在一定的位置減少其他影響因素對(duì)于振動(dòng)挖掘試驗(yàn)的影響作用，試驗(yàn)入土角為22°。(2)試驗(yàn)時(shí)只變換一個(gè)因素參數(shù)，此次單因素試驗(yàn)選用表3中試驗(yàn)號(hào)2號(hào)的因素參數(shù)為基準(zhǔn)。即在前進(jìn)速度試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)幅度為9.2 mm，傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為630 r/min。在振動(dòng)幅度試驗(yàn)時(shí)，前進(jìn)速度為0.32 m/s，傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為630 r/min。做傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)時(shí)，前進(jìn)速度為0.32 m/s，振動(dòng)幅度為9.2 mm。設(shè)計(jì)方案如表3所示。(3)試驗(yàn)行走距離為10 m，記錄各工況下平均阻力。

表3 單因素試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)方案Tab. 3 Single factor test parameter design scheme

其中振動(dòng)幅度是指挖掘機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的偏心振動(dòng)幅度。傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為振動(dòng)頻率參數(shù)，由于轉(zhuǎn)速與頻率存在60倍的關(guān)系，所以直接利用轉(zhuǎn)速數(shù)值替代振動(dòng)頻率。前進(jìn)速度指收獲機(jī)前進(jìn)的平均速度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在不同工況下監(jiān)測(cè)挖掘阻力，可得其與各因素之間關(guān)系曲線如圖9所示。

由圖9(b)可知在振幅為0，即不振動(dòng)情況挖掘阻力為1 604 N。圖9中3個(gè)因素關(guān)系圖顯示振動(dòng)狀態(tài)下最大挖掘阻力1 583 N，小于無(wú)振動(dòng)時(shí)的挖掘阻力，說(shuō)明振動(dòng)挖掘具有減小挖掘阻力的作用。圖9(a)顯示在合適的挖掘參數(shù)下挖掘阻力可以降低至1 320 N，說(shuō)明特定的挖掘參數(shù)組合對(duì)降低挖掘阻力具有顯著效果。以上各工況平均挖掘阻力為1 458 N，接近理論計(jì)算所得的靜態(tài)總阻力1 505.181 N，說(shuō)明上述理論計(jì)算與有限元分析結(jié)果符合實(shí)際情況。

(a) 前進(jìn)速度與挖掘阻力關(guān)系

(b) 振幅與挖掘阻力關(guān)系

(c) 轉(zhuǎn)速與挖掘阻力關(guān)系圖9 挖掘阻力于各因素關(guān)系圖Fig. 9 Relationship between mining resistance and various factors

4 結(jié)論

本文基于太子參收獲農(nóng)藝，分析了太子參收獲挖掘時(shí)土壤對(duì)挖掘鏟的受力情況，利用振動(dòng)減阻的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)了具有振動(dòng)功能的太子參挖掘機(jī)構(gòu)，同時(shí)對(duì)挖掘鏟做了有限元靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，并對(duì)挖掘機(jī)構(gòu)做實(shí)地測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證理論計(jì)算合理性。

1) 靜力學(xué)結(jié)果顯示挖掘鏟最大應(yīng)力部位發(fā)生在鏟體與連接板的連接處，最大應(yīng)力為141.87 MPa，小于45號(hào)鋼的屈服極限355 MPa，理論計(jì)算符合強(qiáng)度要求。動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明挖掘鏟可以實(shí)現(xiàn)有規(guī)律往復(fù)振動(dòng)，并計(jì)算出了各運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)學(xué)模型。

2) 下地試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明挖掘阻力會(huì)隨著不同工況發(fā)生變化，挖掘阻力都小于1 604 N(無(wú)振動(dòng))，說(shuō)明振動(dòng)作用可以減小挖掘阻力。振動(dòng)挖掘下最大挖掘阻力為1 583 N，最小挖掘阻力為1 320 N，巨大的挖掘阻力變化反映了不同挖掘參數(shù)組合對(duì)挖掘阻力有顯著效果。實(shí)際平均挖掘阻力為1 458 N接近理論計(jì)算的1 505.181 N，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的合理性。