温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究

张兆国，余小兰，李汉青，程一启,3，解开婷

（1.昆明理工大学农业与食品学院，昆明 650500；2.云南省高校中药材机械化工程研究中心，昆明 650500；3.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100081）

三七是五加科多年生人参类草本植物，为我国特有名贵中药材之一[1]，三七主要产自云南、四川、广西等省份，云南文山地区年产量最大[2]。关于三七收获机挖掘铲国外研究很少。武占东运用TRIZ理论分析三七收获机系统关键部件[3]；于进川为适应云南文山地区红土丘陵区黏性土收获农艺要求，研制4SD-120型三七收获机[4]；张兆国根据三七收获时特殊农艺要求，设计采用二阶凹面挖掘铲自走式三七收获机[5]。

目前，收获机可满足三七收获条件和收获要求，但三七挖掘铲挖掘阻力较大，机具功耗过高[6-7]。需降低三七挖掘铲挖掘阻力和机具功耗。本文基于三七土壤物理特性，对两种挖掘铲作虚拟仿真试验, 分析两种挖掘铲阻力。通过Design-Expert软件设计试验，完成挖掘铲土槽试验，分析挖掘深度、作业速度、入土角对挖掘阻力影响及壅土情况，确定最优挖掘参数[7]。

1 三七土壤物理特性

土壤环境包括土壤含水率、坚实度等，样本选用文山州三七种植基地土壤，在不同深度和位置选取10 个土壤样本，取其平均值。采用农业环境检测仪测定含水率，采用土壤坚实度测定仪测定坚实度，结果见表1。通过力学参数测定土壤物理特性。本试验采用4 份三七温室大棚土壤试样，运用应变控制式直剪仪测量抗剪强度（见图1）。

表1 三七块根土壤基本参数Table1 Basic parameters of Panax notoginseng root soil

分别在试样上添加不同砝码，施加法向力F，固定剪切面面积S，此时竖直应力N=F/S。继续施加剪切力，样本被剪断，此时剪切力为I0，抗剪强度τ=I0/S，最后根据库仑定律确定力学参数[8-9]。数据见表2。

式中，τ为抗剪强度（kPa）；a 为内聚力（kPa）；N 为竖直应力（kPa）；ϕ为内摩擦角（°）；tanϕ为摩擦系数。

表2 土壤抗剪强度Table 2 Soil shear strength

结合式1，可得到抗剪强度与竖直应力关系：τ=0.277N+15.505。以竖直应力作为横坐标，抗剪强度作为纵坐标绘制曲线见图2，可得到土壤基本力学参数，其中，摩擦系数0.277，内聚力15.505 kPa。

2 挖掘铲模型建立与阻力理论分析

2.1 挖掘铲模型建立

二阶凹面挖掘铲每个铲面排列布置过于紧密，易造成壅土增加，挖掘铲阻力变大，收获机动力增加[10-11]，铲面设计宽度保证将三七挖出土面。总体铲长取1 200 mm，单铲宽度取60 mm，单铲长度取400 mm，仿真模型见图3。

组合式挖掘铲主要由土壤破碎铲及二阶凹面铲共同组成，两种铲型交错排列于铲架，结构见图4。其中，破碎铲将大块土壤破碎，土壤质地更松软[12]。破碎铲铲翼宽为58 mm，翼张角为48°，翻土角为50°[7]。

2.2 挖掘铲牵引阻力理论分析

2.2.1 二阶凹面挖掘铲牵引阻力理论分析

二阶凹面挖掘铲由两个不同角度挖掘铲组成，因此选择虚拟面作二阶凹面铲阻力理论分析，如图5。由几何关系，可得到虚拟面倾角β与一阶倾角β1、二阶倾角β2、一阶铲长对应铲高h和整体铲高H关系[13]。

二阶凹面挖掘铲受力分析如图6所示，二阶凹面挖掘铲所受牵引阻力F为：

其中，N是铲面所受土壤法向压力（N）；f1是土壤法向压力产生阻力（N）；f2是纯切削阻力（N）。

将f1=μN带入上式，可得二阶凹面挖掘铲所受牵引阻力F与法向压力N、一阶倾角β1、二阶倾角β2、一阶铲长对应铲高h和铲高H关系。

2.2.2 组合式挖掘铲牵引阻力理论分析

组合式挖掘铲所受牵引阻力主要由铲面土壤破碎产生阻力和纯切削阻力组成[8]。

①计算铲面土壤破碎产生阻力F1，建立两个坐标系如图7所示，侧挖掘面为坐标系oxyz，坐标系OXYZ是静坐标系，坐标系oxyz转换到坐标系OXYZ转换矩阵为A，如图8所示。

其中，α1是翻土角（°）；α2是铲刃到垂直面倾角（°）；β是沟壁倾角（°）。

铲面土壤破碎产生阻力F1与土壤所受法向力N1、摩擦力f1有关。在坐标系oxyz中，法向力、摩擦力表达式如下：

式中，ξ是铲侧面与铲刃垂直线夹角，单位°。

在坐标系OXYZ中，法向力、摩擦力表达式如下：

由上可得：

将f1=μN带入上式，此时铲面土壤破碎产生阻力F1表达式如下：

其中：μ是土壤对铲摩擦系数。

②求纯切削阻力F2。破碎铲铲面倾角α与入土角α3、铲胸升角α0关系如图9所示。

综上所述土壤破碎铲总牵引阻力F由下所示：

3 挖掘铲离散元仿真分析

采用EDEM 软件对挖掘铲作离散元仿真分析，选择显式时间步骤离散单元法模拟求解过程，其中牛顿第二定律是理论基础。分析粒子间接触特性、受力方向和粒子运动轨迹。本文研究土壤-挖掘铲系统，由于三七种植土壤类型属于疏松型，采用Hertz-Mindlin 接触模型。挖掘铲材料为65 Mn[14]，仿真采用1 m×0.5 m×0.5 m 土槽，挖掘铲前进速度为0.7 m∙s-1[15]。由于三七生长在土下150～300 mm，为保证三七完全挖出，选择挖掘深度为300 mm，入土角20°，仿真参数见表3。

3.1 二阶凹面挖掘铲

对二阶凹面挖掘铲建立三维模型，并将建模后挖掘铲导入土壤力学模型中，分析二阶凹面挖掘铲工作时阻力。仿真过程见图10，土壤颗粒流向见图11。

表3 离散元法仿真分析参数Table 3 Discrete element method for simulation analysis

通过离散元接触力学模型与相关参数选取，二阶凹面挖掘铲所受接触合力变化区间为[0,611.49N]。由图11可知，二阶挖掘装置壅土现象减轻。由于挖掘铲存在两个平面，对不同平面三七均有挖掘效果。明七率提高，对三七冲击力比传统挖掘铲小，但无法保证可收获到未生长在标准位置三七。

3.2 组合式挖掘铲

对组合式挖掘铲三维建模，并将建模后三维图导入土壤力学模型，分析组合式挖掘装置工作时阻力。仿真过程见图12，土壤颗粒流向见图13。

通过离散元接触力学模型与围观参数选取，组合式挖掘铲所受接触合力变化区间为[0,419.48N]。由图13 可知，组合使挖掘铲入土深度合适，挖掘范围较前面挖掘铲更大，壅土情况减轻。由于土壤破碎铲作用，大块土壤较少。当挖掘铲向前作业时，土壤破碎铲可有效收获未生长在标准位置三七。收获机在前进作业时受到来自土壤阻力明显减小。

3.3 两种挖掘铲仿真阻力比较

二阶凹面挖掘铲与组合式挖掘铲所受阻力对比见图14。

由图14 可知，0.2 s 前，两种挖掘铲所受阻力一致，因入土深度对阻力影响较大，而此时入土深度处于较小范围内。0.65 s前，二阶凹面挖掘铲所受阻力处于上升阶段，0.5 s 前组合式挖掘铲所受阻力处于上升阶段，可见组合式挖掘铲所受阻力上升速度较快。0.75 s 后二阶凹面挖掘铲在608 N浮动，最大值为611.49 N；0.6 s后组合式挖掘铲在410 N 浮动，最大值为419.48 N，可见组合式挖掘铲所受阻力比二阶凹面挖掘铲小。

4 试验与分析

4.1 试验准备

试验地点为贵州省山地农业机械所中小型农机农具实验室，通过土槽试验，测量两种挖掘铲阻力，分析两组挖掘铲土壤破碎能力。该土槽试验台具有自动控制、数据处理、土壤恢复等功能，土槽尺寸为3 600 cm×250 cm×100 cm（其中土壤深度约60 cm）；台车尺寸为290 cm×300 cm×210 cm（不包含土槽高度），如图15所示。

4.2 试验方案

试验前测定土壤坚实度和水分含量，土槽中土壤相关参数与所测量参数一致。每次试验后，旋耕及压实土槽，保证初始条件一致性。影响试验因素选取作业速度、挖掘深度与入土角，试验指标选择阻力及挖掘装置破土效果。挖掘铲作业速度可通过控制台车运行速度调节，入土深度通过测量挖掘铲入土长度确定，入土角由挂接件调节[7]。

作业速度x1分别确定为 0.6、0.7 和 0.8 m·s-1，挖掘铲挖掘深度x2分别为22、27和32 cm，铲面入土角x3分别为20°、25°和30°。通过改变以上三个因素，利用Design-Expert 软件设计三因素三水平正交组合试验，因素水平编码见表4。

4.3 试验结果

对二阶凹面挖掘铲和组合式挖掘铲作土槽试验，结果见表5。

表5 试验结果Table 5 Test results

表4 因素水平编码Table 4 Factor level coding

4.4 试验结果分析

4.4.1 二阶凹面挖掘铲试验结果分析

对试验中二阶凹面挖掘铲所受阻力结果作方差分析见表6。结果表明，因子x1、x2、x3、x12、x22、x32对y影响显著，其他因子影响不显著。各因素对阻力影响顺序依次为x1=x2>x3。去除不显著项后得到二阶凹面挖掘铲所受阻力y回归方程为：

式中，y为阻力（N）；x1为作业速度（m∙s-1）；x2为入土深度（cm）；x3为入土角（°）。

由图16 可知，为确保三七完整挖出，选择挖掘深度为30 cm，当挖掘速度为0.6 m∙s-1、入土角为20°时，挖掘铲所受阻力最小为2 480 N。

二阶凹面挖掘铲土槽试验结果见图17，可见，挖掘铲壅土情况不严重，但土壤破碎能力差，铲面有大块土壤。

表6 二阶凹面挖掘铲所受阻力方差分析Table 6 Variance analysis of resistance on the second-order concave digging shovel

4.4.2 组合式挖掘铲试验结果分析

对试验中组合式挖掘铲所受阻力结果作方差分析，见表7。结果表明，因子x1、x2、x3、x12、x22、x32对y影响显著，其他因子影响不显著。各因素对阻力影响为x2>x1>x3。去除不显著项后得到组合式挖掘铲所受阻力y回归方程为：

式中，y为阻力（N）；x1为作业速度（m∙s-1）；x2为入土深度（cm）；x3为入土角（°）。

通过对图18 组合式挖掘铲响应面分析分析可以得出：为确保三七完整挖出，选择挖掘深度为30 cm，当挖掘速度为0.6 m∙s-1、入土角为20°时，挖掘铲所受阻力最小2 150 N。

组合式挖掘铲土槽试验结果见图19，可知，组合式挖掘铲可改善壅土情况，铲面上无大块土壤，破碎铲对土壤破碎力强，且破碎铲能挖出未生长在指定位置三七。

表7 组合式挖掘铲所受阻力方差分析Table 7 Variance analysis of resistance on combined excavating shovel

5 讨论与结论

通过对两组挖掘铲作基于EDEM软件离散元仿真分析以及土槽验证试验，仿真数据相对土槽试验结果表明，组合式挖掘铲所受阻力小于二阶凹面挖掘铲所受阻力。通过三因素三水平土槽试验结果得出，组合式挖掘铲受到阻力最小。利用Design-Expert 软件处理数据，各因素对挖掘铲阻力的影响程度为：挖掘深度>作业速度>入土角。通过EDEM软件分别对两组挖掘铲作离散元仿真分析，并进行土槽试验验证，结果均得出：组合式挖掘铲所受阻力小于二阶凹面挖掘铲所受阻力。利用Design-Expert 软件处理数据，各因素对挖掘铲阻力的影响程度为：挖掘深度>作业速度>入土角。通过分析试验过程中土壤破碎情况，得出组合式挖掘铲土壤破碎能力较二阶凹面挖掘铲好，能够一定程度上减轻壅土问题，有效挖掘未生长在标准位置上三七，提高明七率。综合考虑挖掘铲的实用性、三七挖出率及土壤破碎能力，组合式挖掘铲为三七收获机理想挖掘装置，在保证三七全部挖出情况下，最佳挖掘参数为作业速度0.6 m∙s-1；挖掘深度30 cm；入土角20°