山药收获机械输送机构与其力学特性试验研究

刘国华,杨发展,张 娜,杨云鹏

(青岛理工大学 机械与汽车工程学院,山东 青岛 266520)

0 引言

目前,山药和牛蒡等深埋类作物种植户普遍具有较高的经济收益[1],种植规模越来越大。然而,由于其特殊的生长环境,块根的收获与种植土壤的深度、疏松程度、地表土层及山药的品种相关性极大,目前大部分地区依旧采用人工收获方式,挖掘深度在0.8～1.2m之间,挖掘收获劳动强度、难度极大,收获中易出现断裂及表皮损伤等现象,严重影响品质和外观。我国的山药收获机械化已进行了初步尝试,但大部分还处于机械开沟的初级阶段,依旧需要大量的人工劳动参与开挖和收获,不能满足家庭农场及专业合作社等经营主体的规模化种植需求。目前,仅有部分集开沟、去土、取山药等功能为一体的山药收获机,由于开挖深度、漏收、损伤率等问题,仅停留在样机研制阶段[2-3]。随着具有单一功能的开沟装置技术越来越成熟,种植户采用侧边开沟、人工辅助挖掘的收获方式也越来越广泛。然而,在侧边收获过程中,由于开沟距离选择得不合适,导致侧边土壤塌方致使山药出现折断的现象较为普遍。

基于上述因素,设计开发了一种输送机构,使山药在从土壤中向上输送时尽可能地降低破损,同时大幅减少劳动力消耗。由于山药在传输过程中受到拉力、压力和弯曲作用,为了探索山药承载外部载荷的方向性,为机械机构的设计提供依据,利用电子万能试验机对山药的根茎进行了拉伸、压缩和弯曲试验;同时,设计并制造了一种用于根茎类材料测试试验所使用的夹具,防止试验时夹碎试样,为后续山药收获机的设计与制造尤其是输送机构的开发提供理论依据[4-6]。

1 山药输送机构设计

山药的正常生长状态及断裂状态如图1所示。

图1 山药的正常生长状态及断裂状态

1.1 结构设计

设计开发的输送机构如图2所示。输送机构为链式传送机构[7],传送带由间隔设置于两传送链条之间的无数条横杆组成,主要部件由马达、一级主链轮、一级传动链、一级从链轮、支撑机构、伸缩杆等组成。一级链传动机构内还设置一张紧机构,包括转动盘和转动轮,转动盘与输送机构的外侧壁转动连接且位于一级传动链内,转动盘上以转动点为圆心开设一条弧形通槽,弧形通槽上设置锁紧件,通过锁紧件将转动盘定位在外侧壁上;转动轮连接于转动盘边缘,且在需要调整张紧力时与一级传动链滑动配合。输送装置的两外侧壁上均设置至少1个支撑机构,从上至下依次设置支撑链轮、支撑杆、楔形滑块、调整螺钉及1个用于容纳支撑杆和楔形滑块的限位槽。支撑链轮固定于支撑杆的上端部且与链式传送机构的传送链条啮合,支撑杆的下端部为斜面,与下方的楔形滑块的斜面相配合,调整螺钉穿过限位槽的侧壁且端部顶住楔形滑块。

1.2 工作原理

马达通过一级链传动机构将动力传送至输送机构,一级链传动机构固定于输送机构的外侧壁上,一级主链轮固定于马达的传动轴上,通过一级传动链带动一级从链轮转动;一级从链轮固定于链式传送机构的转轴上,带动传送带转动。通过马达为输送机构提供动力,被切断的土埂通过传送带进行输送,输送机构通过两连接件与从动轴铰接,且输送机构通过两可调节长度的伸缩杆与支撑架固定连接,调整伸缩杆,改变输送机构与挖深掘进机构之间的夹角,以及输送机构与地面之间的夹角,使被挖深掘进机构切断的土壤能够更好地进入输送机构。在传送过程中,土壤被提升,部分疏松的土壤从横杆间隙间落下,将作物与土壤分离,方便拾取作物。

1.一级从链轮 2.传送带 3.一级传动链 4.马达 5.一级主链轮 6.支撑机构 7.传送链条 8.连接件 9.链刀

2 试验夹具设计

2.1 结构设计

夹具结构如图3所示。夹具主要包括底座、两夹片和两调节杆等,如图3所示。其中,底座包括连接支架和对称分布的两固定块[8],连接支架的两端部分别固定连接一固定块;两夹片设于两固定块的中间且各夹片通过4个导向柱与固定块滑动连接,导向柱垂直固定于固定块上,夹片与固定块一一对应设置;各固定块内均穿设调节杆与固定块螺纹连接,调节杆与夹片垂直设置且调节杆的一端抵住夹片,另一端位于固定块的外部。

1.拉杆 2.锁紧件 3.底座 4.夹片 5.导向柱 6.调节杆

2.2 使用方法

选用两个夹具,上下对称设置,各夹具上拉杆的通孔穿设一插销,通过该插销与万能试验机连接。将被测材料放置于夹具的两夹片之间,调节两调节杆,所述夹片在导向柱上向中间滑动,使两夹片夹住被测材料。通过调节杆调节夹持力度,避免用力过大夹碎被测材料。选用与被测材料外周面形状相匹配的夹片,可以避免被测材料在夹持过程中应力集中。通过上下两夹具分别夹住被测材料的上端部和下端部,然后进行拉伸试验。

3 山药力学特性试验

3.1 试样准备

3.1.1 试验材料

试验材料取自山东淄博市桓台县宫家细毛山药,选用生长良好、根茎俱全带泥土的细毛山药。试样采集后,用塑料袋密封包装,并置于阴凉处保存。试样要求无任何缺陷及断裂现象。

3.1.2 试验材料制备

1)细毛山药根茎的选择。试样要求新鲜、无断裂,去除泥土和其他杂质。

2)细毛山药试样的制备[9]。将细毛山药用环刀做简单的加工处理,试样的标准距离为100mm。为避免应力集中,试样标准距离段和加持段之间预留20mm的过渡段,标准距离段的直径尽量从细毛山药中选取10～20mm。

3.1.3 试验设备

试验选用ETM系列 B型小台式微机控制电子万能试验机(深圳万测试验设备有限公司),设备的精度为0.5级,最大试验力为10kN,试验力示值相对误差±0.5%/±1%。测量用数显游标卡尺(量程0～150mm,精度0.01mm),选用称量用的电子天平(量程0～1 000g,精度0.01g)及环刀等。

3.2 试验分析

3.2.1 拉伸试验

拉伸试验装置如图4所示。

图4 拉伸试验装置图

3.2.1.1 单因素试验分析

1)直径大小对山药抗拉能力的影响。试验加载速度10mm/min[10],选用直径为5、8、11、14、17mm且同一批含水率相同的山药试样做拉伸试验,结果如图5所示。

图5 直径大小对山药抗拉能力的影响

由图5可知:当直径为5mm时,拉断力为17.25N;直径为11mm时,拉断力为39.74N;直径为17mm时,拉断力达到50.11N。这表明,山药直径越大,所需要的拉断力明显越大。

2)加载速度对山药抗拉能力的影响。选用含水率为81.78%且直径相同的山药试样,拉伸试验的加载速度为10、15、20mm/min,试验结果如图6所示。

图6 加载速度对山药抗拉能力的影响

由图6可以看出:当加载速度为10mm/min时,拉断力为47.12N;当加载速度为15mm/min时,拉断力为45.97N;当加载速度为20mm/min时,拉断力为45.44N。这表明,随着加载速度的增大,拉断所需要的力逐渐减小。

3)含水率对山药抗拉能力的影响。试验加载速度为10mm/min,选用含水率为52.41%、69.08%、78.84%、81.78%、84.51%且直径相同的山药试样做拉伸试验,结果如图7所示。

图7 含水率对山药抗拉能力的影响

由图7可知:当含水率为52.41%时,拉断力为55.23N;当含水率为78.84%时,拉断力为45.02N;当含水率为84.51%时,拉断力为42.35N。这表明,含水率越高,所需要的拉断力越小。

3.2.1.2 正交试验结果分析

对山药的拉伸试验选用L9(34)做3因素3水平的正交试验[11-12],试验因素为直径、含水率、加载速度,评价指标选用拉断力。分析结果如表1所示。

表1 山药拉伸正交试验结果

由表1分析可知:影响山药拉断力的因素次序为直径A>含水率B>加载速度C;拉断力最大的组合为A3B1C3,即直径为15mm、含水率为69.08%、加载速度为20mm/min。原因为:含水率越低,山药脆性越小,越不容易被拉断;加载速度越小,冲击能量越小,越不容易被拉断。

3.2.1.3 抗拉强度

测定试样被拉断时的最大力F,试样的截面积为S,许用应力σ,则[9]

(1)

将试验获得的数据代入公式(1)中,计算得到抗拉强度数值,去掉1个最大值1.022MPa和1个最小值0.251MPa,然后取平均值,抗拉强度为0.415MPa,标准差为0.132MPa。

3.2.2 压缩试验

压缩试验装置如图8所示。

图8 压缩试验装置图

3.2.2.1 单因素试验分析

1)直径大小对山药抗压能力的影响。试验加载速度10mm/min,选用直径为5、8、11、14、17mm,且对同一批含水率相同的山药试样做压缩试验[13],结果如图9所示。

图9 直径大小对山药抗压能力的影响

由图9可知:当直径为5mm时,压断力为70.43N;直径为11mm时,压断力为195.66N;直径为17mm时,压断力达到230.12N。这表明,随着山药直径的增大,压断所需要的力明显增大,尤其在初始阶段增幅明显。

2)加载速度对山药抗压能力的影响。选用含水率为81.78%且直径相同的山药试样,加载速度为10、15、20mm/min做压缩试验,试验结果如图10所示。

图10 加载速度对山药抗压能力的影响

由图10可以明显看出:加载速度为10mm/min时,压断力达到196.35N;加载速度为15mm/min时,压断力为188.57N;加载速度为20mm/min时,压断力为184.24N。这表明,随着加载速度的增大,压断相同的山药所需要的力越小。

3)含水率对山药抗压能力的影响。试验加载速度设定10mm/min,选用含水率为52.41%、69.08%、78.84%、81.78%和84.51%且直径相同的山药试样做压缩试验,结果如图11所示。

图11 含水率对山药抗压能力的影响

由图11可以明显看出:当含水率为52.41%时,压断力为229.61N;当含水率为78.84%时,压断力为197.75N;当含水率为84.51%时,压断力为170.45N。这表明,含水率越高,压断相同的山药所耗费的压断力越小。

3.2.2.2 正交试验结果分析

对山药的压缩试验选用L9(34)做3因素3水平的正交试验,试验的因素选为直径、含水率和加载速度,指标选用压断力,结果如表2所示。

表2 山药压缩正交试验结果

由表2可知:影响山药压断力的因素次序为直径A>含水率B>加载速度C;压断力最大的组合为A3B1C3,即直径为15mm、含水率为69.08%、加载速度为20mm/min。原因为:含水率越低,山药脆性越小,越不容易被压断;加载速度越小,冲击能量越小,越不容易被压断。

3.2.2.3 抗压强度

测定试样被拉断时的最大力为Fmax,试样的截面积为S,许用应力σb,则[9]

(2)

把得到的试验数据代入公式(2)中,计算得到抗压强度数值,去掉1个最大值3.678MPa和1个最小值1.104MPa,然后取平均值,抗压强度为2.328MPa,标准差为0.774MPa。

3.2.3 弯曲试验

弯曲试验装置如图12所示。

图12 弯曲试验装置图

3.2.3.1 单因素试验分析

1)直径大小对山药抗弯能力的影响。试验加载速度10mm/min,选用直径为5、8、11、14、17mm且同一批含水率相同的山药试样做弯曲试验[14],试验结果如图13所示。由图13可以看出:当直径为5mm时,折断力为2.73N;直径为11mm时,折断力为18.67N;直径为17mm时,折断力达到29.67N。这表明,山药直径越大,所需要的折断力越大。

图13 直径大小对山药抗弯能力的影响

2)加载速度对山药抗弯能力的影响。选用含水率为81.78%且直径相同的山药试样,加载速度为10、15、20mm/min做弯曲试验,结果如图14所示。由图14可知:当加载速度为10mm/min时,折断力达到25.34N;当加载速度为15mm/min时,折断力为21.15N;当加载速度为20mm/min时,折断力为18.62N。这表明,随着加载速度的增大,折断所耗费的力越小。

图14 加载速度对山药抗弯能力的影响

3)含水率对山药抗弯能力的影响。试验加载速度设定为10mm/min,选用含水率为52.41%、69.08%、78.84%、81.78%和84.51%且直径相同的山药试样做弯曲试验,结果如图15所示。由图15可知:当含水率为52.41%时,折断力达到33.64N;当含水率为78.84%时,折断力为26.23N;当含水率为84.51%时,折断力为20.12N。这表明,随着含水率的增加,所需要的折断力变小。

图15 含水率对山药抗弯能力的影响

3.2.3.2 正交试验结果分析

对山药的弯曲试验选用L9(34)做3因素3水平的正交试验,试验因素为直径、含水率、加载速度,指标选用折断力,结果如表3所示。

由表3可知:影响山药折断力的因素次序为直径A>含水率B>加载速度C;折断力最大的组合为A3B1C3,即直径为15mm、含水率为69.08%、加载速度为20mm/min。

表3 山药弯曲正交试验结果

3.2.3.3 抗弯强度

抗弯强度计算公式为

(3)

其中,σmax为抗弯强度;Mmax为最大弯矩;Wz为抗弯截面系数[9]。

把试验数据代入公式(3)中,计算获得抗弯强度数值。去掉1个最大值9.713MPa和1个最小值2.915MPa,然后取平均值,抗弯强度为4.723MPa,标准差为1.172MPa。

4 结论

1)整个试验用的细毛山药抗拉强度平均值为0.415MPa,标准差为0.132MPa;抗压强度平均值为2.328MPa,标准差为0.774MPa;抗弯强度平均值为4.723MPa,标准差为1.172MPa。

2)单因素试验结果表明:山药自身承受的拉断力、压断力、折断力随着加载速度的增大而减小,说明收获中随着土壤垮塌速度越快、冲击的加速度越大,山药承受外部载荷的能力越小;山药承受的拉断力、压断力、折断力随其自身含水率的增大而明显减小,说明当收获季土壤较湿润时,山药在含水率较高情况下其受到外部载荷抗断裂能力大幅降低。因此,山药收获在选择土壤湿度较小的时间点可大幅减少山药出现断裂的可能。

3)正交试验结果表明:山药的直径、含水率和施加外部载荷的加载速度的不同对其承受的拉断力、压断力、折断力均有明显影响,影响因素的显著程度依次为:直径>含水率>加载速度。

4)综合比较山药的抗拉、抗压、抗弯强度的平均值,抗弯强度>抗压强度>抗拉强度,说明山药根茎的抗拉性能较差,在设计山药收获机时应尽可能减少其受到轴向拉力的作用,以减少山药出现断裂的可能。