小型试验土槽的设计和研究

2022-10-30王建萧田斌孙伟张华刘小龙李辉

农业装备与车辆工程 2022年2期

王建萧，田斌，孙伟，张华，刘小龙，李辉

（730070 甘肃省兰州市甘肃农业大学机电工程学院）

0 引言

随着社会的发展和技术的革新，农业机械在发展过程中对土壤属性的研究日益深入。根据机械组成做土壤分类的最早记录出现在1681 年，此后国外学者对土壤和耕作展开了深入的研究，并提出了丰富的理论。和任何领域的科学技术一样，机械土壤动力学的发展也是与生产的需求分不开的[1]。研究土壤-机器相互作用的目的是要从机器结构、作业参数和土壤条件联合对土壤状况变化所起影响的普遍性原则出发，建立定量化的数学模型，预测机器作业性能，为合理设计和选用机器提供指导依据。目前，研究土壤-机器相互作用的方法主要有3 种：试验、分析和数值方法[2]。试验作为最基本的研究方法被广泛使用于当前的科学研究中，相较分析方法和数值方法，试验方法更具有真实性和可靠性。田间试验的优点是试验可以在实际条件下进行，但常受到各种条件的限制，如时间、土壤条件和地面平整度等均会影响试验结果，因此试验土槽成为研究土壤和机器关系的主要试验设备，但其缺点是土壤状况难恢复至同一水平且长时间试验后，土壤耕性逐渐丧失。

土槽试验作为一种重要的试验手段，已被越来越多的研究人员使用。目前国内已有研究中，赵宏波[3]等采用土槽对不同边缘曲线的旋耕刀对扭矩和土壤扰动的影响进行研究；姚久元[4]使用小型土槽试验台对基于蚯蚓波纹润滑体表的仿生开沟器进行优化研究。由于土槽试验的试验对象和试验用途不同，土槽试验的设计形式也不尽相同。本文在深入研究与分析国内外的农机试验土槽设计的现状分析的基础上，主要针对马铃薯等根茎类收获机械的挖掘铲设计一种小型试验土槽试验台，通过对挖掘铲进行试验，并对试验数据进行整理和分析，以对挖掘铲结构和材料进一步的优化与改进。考虑试验场地和试验对象的情况，土槽结构参数和测试机构的技术参数主要参考土壤阻力、动力参数和主要试验对象来确定。

1 整体结构与工作原理

小型试验土槽的结构如图1 所示，主要由环形土槽、挖掘测试机构、动力系统、万向轮等几部分组成，其主要尺寸为：环形土槽内径4 m、外径5 m、高度0.5 m，土槽内土壤高度可根据试验要求进行填充。工作时，由电动机将动力传递给蜗轮蜗杆减速机，电动机输出转速经过蜗轮蜗杆减速机进行降速，并且增大扭矩后对动力的输出方向进行转换，带动挖掘测试机构围绕土槽进行试验测试，整个土槽试验台可以安装6 组挖掘测试机构，可以根据试验要求减少挖掘测试机构的数量。挖掘测试机构上安装有挖掘铲、整形器、镇压轮等，整个挖掘测试机构的转速可以利用变频器控制电机转速进行调节，保证挖掘测试机构在土槽上平稳运行且具有足够动力。

图1 土槽结构示意图Fig.1 Structural of test soil bin

2 关键部件设计

小型土槽试验台是根据真实的田间土壤环境，模拟马铃薯等根茎类收获机械在收获过程中挖掘铲的工作过程，主要用于研究多铲类根茎收获机挖掘铲的材料、磨损程度、安装角度以及受力情况等。挖掘测试机构是整个环形土槽的核心部件，其结构如图2 所示，包括支撑架、深度调节装置、角度调节装置、挖掘铲、整形器、镇压轮等。挖掘铲在对土壤的作业过程中会产生自身的磨损与阻力，在土槽试验台中可以根据不同的作业要求更换不同挖掘铲进行试验和分析。整形器的作用是在挖掘铲工作后进一步松碎土壤、平整地面，使试验更加接近田间的土壤环境。镇压轮主要用于压碎土块、压紧耕作层使土壤紧密，有利土壤底层水分上升。镇压轮和整形器工作之后，土槽内的土壤环境更加接近田间的土壤条件，并且保证每次挖掘测试时有基本相同的土壤条件，使试验更加真实可靠。

2.1 挖掘铲结构设计

根据我国西北地区特有的种植模式，根茎类收获机械大多采用固定式挖掘部件。本文采用的固定式挖掘部件为平面多铲，这类挖掘铲的铲面为平面形状，结构简单，制造容易，常用于升运链式挖掘机的挖掘装置，适用于垄作、平作及含石地块等收获作业。根据挖掘机的设计要求，保证挖掘铲具有良好的入土性能和自动清洁功能，结合本次小型试验土槽的具体试验要求，设计了一款平面三角铲作为挖掘部件作为试验对象。

挖掘铲的主要参数有：铲刃倾角γ、铲的倾角α、铲的长度L、铲的宽度B 和铲的后端高度h 等，如图3 所示。

图3 挖掘铲参数及受力情况Fig.3 Parameters and force condition of digging blade

为了保证铲刃的自动清洁作用，铲刃倾角γ一般取40～50°，根茎类挖掘机械其入土角α一般为15～25°之间[5-7]，因此α的可调范围为15～25°。入土角越小，切入阻力也将越小，在不影响挖掘及分离的情况下，机组作业时应将角度调整到最小，以减小挖掘阻力，降低油耗。机具工作时，土壤受挖掘铲作用以及土壤相互影响，发生塑性流动、崩裂等行为，并且进入分离筛进行分离作用。一般情况下，根茎和土壤混合物及地表杂草容易在铲的正上方发生壅堵，其原因之一就是挖掘铲长度l 过长，铲面的土壤到达分离筛的距离过长，无法及时分离导致壅堵。挖掘铲长度的设计主要由挖掘铲末端至水平地面的垂直高h 和挖掘铲倾角α决定。对于挖掘铲倾角α，通过分析工作时的阻力，如图3（b）所示，建立方程（1）[5-7]：

式中：P——挖掘铲挖起混合物所承受的力，N；f——摩擦力，N；G——挖掘铲上的土壤重力，N；N——挖掘铲对土壤混合物的反作用力，N；α——挖掘铲楔角，°；ε——混合物对挖掘铲的摩擦因数。

最后得到挖掘铲倾角α为

最终挖掘铲倾角α设计为15～25°之间，有效避免挖掘铲过长壅塞，保证足够的挖掘铲后端垂直高度h。经计算分析，取l=200 mm，铲的宽度B=140 mm，铲刃倾角γ一般取40～50°。

2.2 土槽结构设计

整个土槽为环形结构，由于设计成了一个整体，不易摆放和安装搬运，故将土槽分为4 段，各段通过螺栓连接在一起，这样既便于安装搬运，又便于拆装。相较于直线形土槽，环形土槽可以保证测试机构运动的连续性，并且占地面积更小,在土槽下方安装万向轮，便于移动。整个土槽深度为0.5 m，可以根据测试需求填充土壤，满足对不同作业深度的挖掘测试机构的测试需求。

2.3 传动系统设计

由于挖掘测试装置在旋转测试过程中要克服较大的土壤阻力，所以需要较大扭矩并且保证整个挖掘测试机构平稳匀速运行。综合考虑后，选用三相异步电动机作为试验土槽的动力源，该系列的电动机适合用于要求启动转矩较大的驱动装置，电机转速通过变频器控制，可以保证输出转速，可以根据测试需求进行调整。采用蜗轮蜗杆减速机进行降速，增大输出扭矩并且对电机的动力输出方向进行转换，整个传动系统的设计如下：

已知拖拉机前进速度vm=0.5～1.5 m/s，所以土槽挖掘测试机构的最大速度为v=1.5 m/s，并且挖掘测试机构的半径r=2.25 m。

所以挖掘测试机构的转速为

根据农业机械设计手册查得合理的传动比范围，设计V 带的传动比i1=2～4，蜗杆传动比i2=10～40，则总传动比合理的范围是：i=i1i2=20～160，故电动机转速的可选范围为

土槽试验需要较大功率，最终选择电机为Y160M-4 型11kW，额定转速1 440 r/min，V 带传动比i1=2，蜗轮蜗杆减速机传动比选择i2=40，电机通过变频器控制启停，并可按照试验要求调整转速，防止启动时阻力过大导致电机损坏。

3 挖掘铲静力学分析

挖掘铲在工作时，随着深度的增加，作业阻力逐渐增加。为避免挖掘铲损坏，因此对该挖掘装置进行优化分析，提高挖掘装置的结构强度和可靠性。对上述挖掘铲的参数通过Pro/E 5.0 建立三维模型，将模型导入到ANSYS Workbench 进行有限元结构分析。挖掘铲材料参数如表1 所示。

表1 挖掘铲材料属性表Tab.1 Material properties of dig blade

使用ANSYS 17.0 Workbench 默认的自由网格划分，网格类型为四面体，挖掘铲网格尺寸为5 mm，其余结构为默认尺寸，网格划分完成后节点总数为39 932，单元总数为23 221，如图4所示。

图4 网格划分示意图Fig.4 Schematic drawing of meshing

在铲架上添加固定约束。挖掘铲在工作过程中受到拖拉机牵引力和土壤与根茎混合物作用，铲面为主要受力位置[8-9]。在Workbench 中将作用力添加至铲面进行运算，在结构分析-总体形变分析中，最大变形发生在挖掘铲铲尖位置（如图5 所示），因此可将所有挖掘铲尖部加强，以提高挖掘铲的强度。在结构分析-应力形变和结构分析-弹性形变分析中，最大形变均发生在挖掘铲中部两个安装孔位置，如图6 和图7 所示。因此挖掘铲材料使用65Mn，强度比较高，具有一定柔韧性和可塑性，对挖掘铲刃口需要热处理，提高其强度及耐磨性，并进行发黑处理以防锈。