馬鈴薯振動(dòng)挖掘裝置的性能試驗(yàn)研究

李亮亮,李亞萍,蒙賀偉,坎 雜,戚江濤,劉 瀟,鄧一剛

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000;2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832000)

0 引言

馬鈴薯已經(jīng)成為了全球第四大主糧產(chǎn)物,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,馬鈴薯機(jī)械化收獲技術(shù)也在日新月異。我國馬鈴薯收獲機(jī)主要以中小型的收獲機(jī)為主,而中小型收獲機(jī)目前普遍存在挖掘阻力大,功耗高、效率低等問題,因此國內(nèi)外相關(guān)研究學(xué)者進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。例如,設(shè)計(jì)合理的犁體曲面,仿生地下活動(dòng)的生物進(jìn)行切削土壤。除此之外,振動(dòng)挖掘技術(shù)也是一項(xiàng)降低土壤挖掘阻力的方式,近年來得到了迅速的發(fā)展,有相關(guān)學(xué)者已經(jīng)將超聲波技術(shù)應(yīng)用在振動(dòng)挖掘上面,且降阻明顯。因此,部分小型馬鈴薯挖掘鏟由固定式挖掘鏟轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)式挖掘鏟,可以在一定程度上減少挖掘阻力,實(shí)現(xiàn)減阻降耗。

近年來,國內(nèi)外對(duì)馬鈴薯振動(dòng)挖掘技術(shù)開展了相關(guān)研究,Nidal H．Abu-Hamdeh從改善農(nóng)業(yè)土壤狀況的前提出發(fā),設(shè)計(jì)了具有超聲波振動(dòng)的耕作犁具。該機(jī)具的振動(dòng)由電壓控制的振蕩器產(chǎn)生,振動(dòng)頻率的范圍為20kHz～2GHz,試驗(yàn)得出,當(dāng)振動(dòng)頻率接近土壤固有頻率時(shí),降阻效果明顯[1]。Soeharsono對(duì)自激振動(dòng)下的土壤耕作機(jī)具進(jìn)行了分析研究,建立了一個(gè)基于振動(dòng)角度的單自由度振動(dòng)模型[2],該模型下,只有當(dāng)發(fā)生共振時(shí),才會(huì)實(shí)現(xiàn)阻力減小。石林榕等人設(shè)計(jì)了由偏心輪連接搖臂,搖臂帶動(dòng)擺臂繞中心線來回?cái)[動(dòng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)挖掘,并且進(jìn)行試驗(yàn),獲得了挖掘阻力影響因素[3]。廖敏等人設(shè)計(jì)了垂直于切削方向的馬鈴薯振動(dòng)挖掘,并進(jìn)行了有限元仿真[4]。顏兵兵在對(duì)深根中藥收獲機(jī)振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和振動(dòng)挖掘鏟分析的基礎(chǔ)上,采用設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)化的方法建立了挖掘鏟挖掘機(jī)構(gòu)的仿真模型,并對(duì)此模型進(jìn)行了仿真分析[5]。

目前,關(guān)于振動(dòng)挖掘的研究大多數(shù)為理論設(shè)計(jì)與仿真研究,大多數(shù)研究沒有對(duì)裝置進(jìn)行加工制造,對(duì)于裝置的功耗影響因素及影響趨勢尚不明確,裝置挖掘可靠性不強(qiáng)?；谝陨显?本文設(shè)計(jì)了五桿雙作用振動(dòng)馬鈴薯挖掘裝置,以輸送速度、入土角、振幅及振動(dòng)頻率為試驗(yàn)因素,以機(jī)組功耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn),利用遙測儀對(duì)響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行測量,通過試驗(yàn)對(duì)五桿振動(dòng)挖掘試驗(yàn)測定裝置功耗進(jìn)行研究。

1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 振動(dòng)減阻機(jī)理

振動(dòng)式土壤挖掘裝置具有雙作用切削土壤特點(diǎn)：當(dāng)土壤被切削時(shí),不僅受到裝置前進(jìn)方向上的切削力,還受到垂直于前進(jìn)方向上的作用力;切削完的土壤隨著裝置一起振動(dòng),土壤振動(dòng)時(shí)會(huì)吸收部分振動(dòng)能量使自身內(nèi)應(yīng)力變大,內(nèi)應(yīng)力越大,土壤越容易破碎。振動(dòng)式挖掘作業(yè)過程通常由切削階段和提升階段組成,振動(dòng)產(chǎn)生了有利于挖掘鏟切削和土壤破碎的條件,在此過程中,由于垂直方向上的加速度影響,挖掘鏟上方的土壤會(huì)向上加速運(yùn)動(dòng),創(chuàng)造了使土壤可以與鏟面分離的條件,作用在鏟面的力與運(yùn)動(dòng)方向垂直。因此,振動(dòng)挖掘可以減少挖掘裝置牽引阻力。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)

五桿雙作用振動(dòng)挖掘裝置,主要包括機(jī)架、偏心輪、連桿、長搖桿、擋土板、短搖桿、滑切刀、三角挖掘鏟、篩條、掛接裝置及變速箱等,如圖1所示。其主要參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)架 2.偏心輪 3.連桿 4.長搖桿 5.擋土板 6.短連桿 7.擋板滑切刀 8.三角形挖掘鏟 9.篩條。圖1 振動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of vibration mining mechanism

表1 裝置參數(shù)表Fig 1 Device parameter table

1.3 工作原理

工作時(shí),整個(gè)機(jī)構(gòu)由拖拉機(jī)牽引前進(jìn),動(dòng)力由拖拉機(jī)輸入變速箱,通過鏈輪傳遞給偏心輪,偏心輪帶動(dòng)連桿以機(jī)架4個(gè)鉸接點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心,使篩條式振動(dòng)挖掘鏟沿前進(jìn)方向前后擺動(dòng);同時(shí),篩條式振動(dòng)挖掘鏟還以長連桿低端為轉(zhuǎn)動(dòng)中心,垂直于前進(jìn)方向上下擺動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)馬鈴薯收獲過程中的雙作用振動(dòng)挖掘土壤。

2 田間試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)地點(diǎn)選在新疆維吾爾自治區(qū)石河子市五宮村,配套裝置鐵牛600拖拉機(jī),試驗(yàn)用地面積為1hm2,地勢平坦,土壤為灰漠土,其含水率為16.5%～19.2%,如圖2所示。

圖2 田間試驗(yàn)Fig. 2 Field experiment

試驗(yàn)儀器：LZ-30型轉(zhuǎn)速表,上海轉(zhuǎn)速表廠生產(chǎn),測量范圍為30～12 00r/min;NJTY3型遙測儀農(nóng)機(jī)通用動(dòng)態(tài)遙測系統(tǒng),黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制;平板電腦(蘋果公司生產(chǎn));8219型皮尺,萬里集團(tuán)生產(chǎn),測量范圍0～50.00m。

2.2 試驗(yàn)方法

在挖掘鏟工作過程中,總功耗為拖拉機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩產(chǎn)生的功耗及整個(gè)裝置前進(jìn)阻力產(chǎn)生功耗之和,計(jì)算公式為

式中P—作業(yè)功耗(kW);

M—拖拉機(jī)后輸出軸扭矩(N·m);

F—機(jī)組前進(jìn)阻力(N)。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

功耗由牽引力和拖拉機(jī)后輸出軸扭矩表征,牽引力和扭矩通過遙測儀三點(diǎn)懸掛架牽引阻力測試傳感器進(jìn)行測量。試驗(yàn)測定裝置工作時(shí)的功耗為上拉桿傳感器與兩懸掛銷功耗分力矢量之和,后輸出軸扭矩反映輸送及分離等所消耗的動(dòng)力,由遙測儀扭矩傳感器進(jìn)行測量,利用平板電腦顯示并記錄數(shù)據(jù)。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

以輸送速度、入土角、振幅及振動(dòng)頻率為試驗(yàn)因素,以機(jī)組功耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn),利用遙測儀對(duì)響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行測量,通過試驗(yàn)對(duì)五桿振動(dòng)挖掘試驗(yàn)測定裝置功耗進(jìn)行研究[6-7]。采用Box-Behnken設(shè)計(jì)模型[8-9],設(shè)計(jì)四因素三水平試驗(yàn),共進(jìn)行29次試驗(yàn)[10],試驗(yàn)因素與水平如表2所示,試驗(yàn)安排及結(jié)果如表3 所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Test factors and levels

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Quadratic rotation orthogonal combination design test plan

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 回歸方程

建立牽引速度、振幅、入土角、振動(dòng)頻率與功耗之間的數(shù)學(xué)模型為

Y=20.18+3.52X1+3.03X2+3.44X3-2.71X4-

0.68X1X2+0.025X1X3-1.9X1X4-2.95X2X3-0.93X2X4+

2.45X3X4-0.67X12+1.93X22+5.15X32-0.66X42

3.2 各影響因素與功耗的關(guān)系

因素模型功耗方差分析如表4所示,進(jìn)一步分析各因素對(duì)功耗的交互作用響應(yīng)如圖3所示。由表4可知：各因素對(duì)功耗的影響次序?yàn)闋恳俣?入土角>振幅>振動(dòng)頻率。

表4 因素模型功耗方差分析Table 4 Factor model power consumption variance analysis

當(dāng)入土角為20°、振動(dòng)頻率為10Hz時(shí),隨著牽引速度的增加,功耗呈現(xiàn)上升狀態(tài),主要由于作業(yè)速度增加時(shí),振動(dòng)能量需求增加,從而導(dǎo)致作業(yè)功耗增大,如圖3(a)所示。

當(dāng)振幅為15mm、振動(dòng)頻率為10Hz、牽引速度固定在某一值、入土角從10°增大到30°時(shí),振動(dòng)挖掘鏟功耗先緩慢減小再迅速增大。此時(shí),由于挖掘鏟鏟刃角度隨入土角的增大而增大,當(dāng)入土角為17°時(shí),功耗最小;當(dāng)入土角固定在某一值時(shí),拖拉機(jī)前進(jìn)速度增加,振動(dòng)能量需求增加,導(dǎo)致作業(yè)功耗增大,如圖3(b)所示。

當(dāng)入土角為20°、振幅為15mm時(shí),振動(dòng)頻率從5Hz增加到12Hz過程中,當(dāng)牽引速度為某一定值時(shí),功耗呈先增大、后減小的趨勢,牽引速度對(duì)功耗的影響為持續(xù)上升的趨勢,如圖3(c)所示。

當(dāng)牽引速度為1m/s、振動(dòng)頻率為10Hz時(shí),振幅和入土角的交互作用對(duì)于牽引阻力沒有明顯的影響;隨著入土角由10°增大到30°,振幅由10mm增加到20mm過程中,入土角和振幅影響較大,如圖3(d)所示。

當(dāng)牽引速度為1m/s、入土角為20°時(shí),隨著振動(dòng)頻率從8Hz增加到12Hz、振幅從10mm增加到20mm過程中,振幅對(duì)功耗的影響較振動(dòng)頻率大;當(dāng)振幅為某一定值時(shí),隨著振動(dòng)頻率的增加,功耗呈先增大后減小的趨勢,振動(dòng)頻率在一定的范圍內(nèi)可以影響碎土,使土質(zhì)疏松,進(jìn)而減少挖掘阻力,使功耗降低,如圖3(e)所示。

當(dāng)牽引速度為1m/s、振幅為15mm時(shí),振動(dòng)頻率和入土角的交互作用對(duì)于功耗的影響不太顯著;當(dāng)入土角為某一定值時(shí),振動(dòng)頻率增大,功耗也隨之上升,振動(dòng)頻率增大,需求的振動(dòng)能量增加, 功耗上升; 當(dāng)振動(dòng)頻率固定在某一定值時(shí),入土角從10°增大到30°過程中,功耗呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢;當(dāng)入土角為20°時(shí),功耗最小,隨著入土角的增大,挖掘鏟阻力減小,但當(dāng)入土角增大的一定程度,阻力值開始變大,將如圖3(f)所示。

(a)

3.3 試驗(yàn)優(yōu)化及驗(yàn)證

為得到最佳的試驗(yàn)因素水平,對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化,建立前進(jìn)速度、振動(dòng)頻率、振幅、入土角之間的參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。結(jié)合試驗(yàn)因素邊界條件,對(duì)回歸模型進(jìn)行分析,得到數(shù)學(xué)優(yōu)化模型為

在農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)低能耗高效率的要求下,利用Design-Expert軟件所提供的Optimization功能[11],以盡可能達(dá)到收獲作業(yè)指標(biāo)深度且作業(yè)功耗較小為需求目標(biāo),獲得最佳影響因素參數(shù)組合：當(dāng)牽引速度為0.53m/s、振幅為12.63mm、入土角為10.14°、振動(dòng)頻率為11.73Hz時(shí),作業(yè)功耗為12.22kW?；诠淖罴呀M合方案,對(duì)輸送速度、入土角、振幅及振動(dòng)頻率進(jìn)行參數(shù)調(diào)整并試驗(yàn),重復(fù)5次,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5可得：試驗(yàn)功耗均值為12.536kW,相對(duì)誤差為2.6,試驗(yàn)值較理論值大,其原因?yàn)樘镩g不可控因素造成。對(duì)比試驗(yàn)值與理論值可知,其相對(duì)誤差小于5%。因此,參數(shù)模型優(yōu)化可靠。

表5 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Table 5 Test verification results

4 結(jié)論

以輸送速度、入土角、振幅及振動(dòng)頻率為因素,功耗為響應(yīng)值,進(jìn)行田間試驗(yàn),結(jié)果顯示：各影響因素對(duì)功耗的影響次序?yàn)闋恳俣?入土角>振幅>振動(dòng)頻率。將建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化,可以得到基于功耗最小組合方案是牽引速度為0.53m/s、振幅為12.63mm、入土角為10.14°、振動(dòng)頻率為11.73Hz,此時(shí)功耗為12.22kW。通過五組驗(yàn)證試驗(yàn)得出功耗為12.536kW,該值與理論值之間的的誤差為2.6%<5%,說明回歸數(shù)學(xué)模型能較好地反映功耗與實(shí)驗(yàn)因素之間的關(guān)系,裝置滿足設(shè)計(jì)要求。