大蒜收获机限深挖掘装置设计与试验

2022-06-21申世龙王东伟殷元元何晓宁尚书旗郑效帅

农业工程 2022年3期

申世龙，王东伟，殷元元，何晓宁，尚书旗，赵壮，郑效帅

(青岛农业大学机电工程学院，山东青岛 266109)

0 引言

大蒜是我国重要的经济作物之一，其种植面积居世界首位。大蒜具有很高的营养价值，可作为多种营养产品的原料，可作为调味剂、化妆品的原料。同时其药用价值也很高，对高血脂、高胆固醇、糖尿病及心脏病等都有减轻症状及治疗作用[1]。我国大蒜收获主要靠人工收获，费时费力；简易的大蒜挖掘机具由于机动性差，往往因地面起伏不定而挖伤蒜。大蒜机械化挖掘现已成为了我国机械化发展的短板，成为了制约大蒜产业发展的主要瓶颈[2-7]。因此研制适宜我国大蒜收获的挖掘装置势在必行。

随着我国农机化的不断发展，国内学者也纷纷开始对大蒜机械化收获做了大量研究。马凯等[8]结合仿生学和理论力学知识，设计一种适用于大蒜全自动联合收获机的鱼鳍形仿生挖掘铲。王利远等[9]采用旋转刀盘设计了一种旋转式挖掘机构。孙华等[10]设计了一对斜铲式的挖掘机构。韩可[11]为了减少挖掘阻力，增加大蒜挖掘时的松土效果，设计一种往复振动式挖掘铲。吴彦强等[12]设计一种圆盘式大蒜挖掘装置，并利用解析作图法对圆盘铲刀进行了运动学分析。国内大蒜种植主要是平作套种模式，国外大型收获机械难以进入[13-14]。因此，查阅国内外研究现状，对于适用大蒜平作种植模式的大蒜限深挖掘方面的研究未见报道。

基于以上背景，本文设计一种适用国内大蒜平作种植模式的限深挖掘装置，可满足大蒜主产区挖掘收获需求。同时建立仿地形限深挖掘数理模型，阐述仿地形限深的条件；以挖掘阻力为指标，进行试验设计，得到挖掘装置的最佳结构参数。

1 整机结构及原理

1.1 整机结构

大蒜收获机限深挖掘装置由限深轮、挖掘铲、限深挖掘架和减振器等部件组成，如图1所示。

1.限深轮 2.减振器 3.限深挖掘架 4.挖掘铲图1 限深挖掘装置结构Fig.1 Structure of deep-limiting excavation device

1.2 工作原理

正常工作状态，挖掘架与拖拉机固定配套，挖掘铲深入地下一定深度将大蒜的根系切断。其中，减振器与挖掘架之间产生相互作用的力。当地面较凹时，随着深度的增加，限深轮与地面的接触力逐渐减小，挖掘架失去平衡，其与减振器产生斜向下的力迫使挖掘架围绕一点向下旋转。当挖掘架向下转动一定角度后，其上的限深轮与地面产生的力增加，直至系统达到平衡。当地面较凸时，随着高度的增加限深轮与地面的接触力逐渐增加，挖掘架失去平衡，迫使挖掘架围绕一点向上旋转，当挖掘架向上转动一定角度后，减振器与挖掘架之间产生相互作用的力增加，直至系统达到平衡。以上两种情况，始终保证地轮能紧贴在地面上行走。其原理如图2所示，其中，h1=h2，F1≤F2。

2 关键部件设计

2.1 挖掘铲

挖掘装置是大蒜收获机械重要的组成部分之一，大蒜挖掘装置主要实现对大蒜植株的松土作用，有利于后续蒜土分离工作的进行。挖掘装置的设计和选择主要依据大蒜种植参数和大蒜茎秆的生长特点。需要满足两点：一是挖掘后大蒜松土较好，不伤蒜；二是挖掘后大蒜茎秆不倒伏。为此设计了一种适用于大蒜平作种植的挖掘铲，如图3所示。此形式的挖掘铲挖掘大蒜后，保持地面的平整性和大蒜的直立状态，不影响后续作业的进行。

2.2 仿地形限深挖掘机构

根据地面不平整特性，设计了一种仿地形限深机构。仿地形限深挖掘机构主要有3个优点：一是实现大蒜不对行挖掘，降低大蒜漏挖率；二是保持大蒜挖掘后茎秆的直立性，降低大蒜漏夹率；三是实现挖掘装置与夹取装置的分离，适宜大蒜夹取装置的对行调整。

2.3 仿地形限深条件

以仿地形限深挖掘机构为研究对象，以仿地形限深挖掘机架完成仿地形为目标，建立数学函数关系式，以揭示仿地形限深的工作机理。仿地形限深挖掘机架在地面行走过程中满足受力平衡，对数学模型进行分析，进而确定挖掘架所受各力之间存在的大小关系。不考虑重力、摩擦力和形变的影响，以便使问题简化，这样虽然会产生一定的误差，但对于该问题的解决影响不大。

图2 限深挖掘装置原理Fig.2 Schematics of deep-limiting excavation device

图3 大蒜收获机挖掘铲Fig.3 Garlic harvester excavator shovel

建立的仿地形挖掘机构受力结构如图4所示，在建立平衡方程前规定：力的方向与坐标轴同向为正，反向为负。在计算时，已知的外力按实际作用的方向取正负号代入，求得的未知力的方向由计算结果的正负号决定。

图4 仿形挖掘机构受力分析Fig.4 Stress analysis of profiling excavator structure

由图4可知，只有满足∑MC≥0，FA≥0，才能保证系统平衡。即

(1)

得

(2)

式中Fy，Fx——机架铰接点位置处存在的支撑力

θ——辅助弹簧对地面的夹角

L——交点与C点的距离

L1——接触点与C点的距离

FA——地面对仿地形轮的接触力

FB——辅助弹簧对挖掘架的作用力

因此，根据力学关系式可以看出，只有满足式(2)，挖掘铲才能实现地面仿地形限深挖掘功能。

3 田间试验与结果

3.1 试验基本条件

为了验证限深挖掘装置的挖掘阻力情况，对该装置进行田间试验。试验地点为临沂市兰陵县兰陵力沃种植农机化服务专业合作社，试验面积为6.6 hm2。数据采集并记录如表1所示。

表1 大蒜生长特性Tab.1 Growth characteristics of garlic 单位：cm

3.2 试验因素

根据大蒜收获机限深挖掘装置的工作原理可知，影响大蒜挖掘阻力的因素(不考虑与研究的机器无关的因素)主要有挖掘入土倾角、挖掘深度。采用试验设计的方法，探究挖掘入土倾角、挖掘深度两种因素对挖掘阻力的影响规律，获得挖掘阻力最优解。

3.3 因素编码

经查农业机械设计手册资料，确定大蒜挖掘铲的入土倾角范围19°～30°；根据大蒜的栽培农艺和大蒜生长特性，确定挖掘深度的范围10～15 cm。试验选用二次回归正交组合设计方法。

由于试验因素数m=2，取零水平试验次数m0=4，查正交表得，mc=4，mγ=4，γ=1.078，则试验总数n=mc+2m+mγ=12。试验因素水平编码如表2所示。

表2 因素编码表Tab.2 Factors and level codes

3.4 试验分析

采用青岛农业大学土槽试验室TCT-3试验台对挖掘装置的牵引力进行测定。试验将土槽动力车的牵引力Y作为响应值，根据选定的试验因素并考虑两因素交互作用对指标的影响。在试验过程中，满足试验设计的3个基本原则(区组、随机化处理与重复)。为了降低试验系统误差和增加试验自由度，进行4次零点重复试验。具体试验过程与方案如表3所示。

利用Design-expert数据处理软件对试验数据进行显著性检验和失拟性分析，结果如表4所示。

F检验结果呈极显著(P值<0.000 1)，表明此回归方程有意义。失拟检验结果表明，方程的失拟性不显著，试验指标的预测值拟合程度较为理想。剔除不显著因素，经中心化处理后，可得到挖掘阻力与挖掘倾角和挖掘深度之间的规律方程响应面分析如图5所示。在10～14 cm范围内，随着挖掘深度的增加，挖掘阻力曲线呈先减小后增加趋势；在19°～21°范围内，挖掘阻力曲线是呈先减小后增加趋势，在21°～27°范围内，挖掘阻力曲线呈上升势态。