懸掛式山藥收獲機設計與試驗研究

趙國棟，李維華,2，楊發(fā)展*，楊云鵬，卞東超，鄭凱瑞

（1.青島理工大學機械與汽車工程學院，山東 青島266520；2.山東省農業(yè)機械科學研究院，濟南250100）

山藥在我國栽培歷史悠久，種植范圍廣、面積大。山藥作為一種藥食兼用性植物，不僅可入藥，還可作為日常菜肴，藥用和營養(yǎng)價值均較高，是目前具有良好市場前景和產(chǎn)業(yè)開發(fā)潛力的“藥食同源”作物[1-2]。但在我國主要種植區(qū)，山藥收獲以人工挖掘或挖掘機側邊開溝輔助人工收獲的方式為主，兩種收獲方式存在勞動強度大、效率低、成本高且收獲完好率低等問題，大幅降低種植山藥經(jīng)濟效益，嚴重影響農戶種植積極性，制約山藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展[3-4]。山藥收獲機可完成開溝破土、振動碎土，將地下山藥裸露，人工拔取即可完成山藥收獲，省力高效。因山藥扎根較深和莖脆性較大的特點[5-6]，山藥收獲機作業(yè)時仍存在易破損、菜土分離不完全等問題，此為我國山藥機械化生產(chǎn)亟待解決的問題。

目前，我國科研機構針對山藥收獲技術開展系列理論和試驗研究。日本對根莖類收獲機械研究較早，已實現(xiàn)山藥機械化聯(lián)合作業(yè)（主要針對火山灰散碎土質）[3]。濰坊森海與山東農業(yè)大學聯(lián)合研制佐佐木牌4USY—1山藥收獲機[7]，適合我國多種種植模式且田間試驗效果良好，但該機具對土壤要求較高，對土質適應能力較差，未能大面積推廣使用。于萬勝設計振動鏈輸送帶式山藥收獲機雖未進行田間試驗，但為研究收獲機開溝裝置等關鍵結構提供理論基礎[8]。宋帥帥等設計自走式麻山藥收獲機集開溝收獲、土壤回填、平整土地等功能于一體，雙行收獲，并保證收獲完好率，但此機具采用履帶自走式底盤結構及雙排麻山藥收獲，收獲機體型較大、造價成本較高且僅專機專用，無法大規(guī)模推廣和應用[9]。楊發(fā)展設計懸掛式山藥收獲機一代通過對振動碎土裝置優(yōu)化設計，碎土效果良好，田間試驗收獲完好率達89.2%，降低整機成本，但整機布局不夠合理，開溝裝置與振動碎土裝置位于一側，整機不平衡，且關于參數(shù)優(yōu)化對收獲質量影響研究不足[10]。

本文以自行研制懸掛式山藥收獲機為基礎，對其關鍵部件作強度校核，針對山藥收獲完好率和收獲效率低等問題，結合山藥收獲農藝特點和土壤失效破壞準則，通過振動碎土裝置進行運動分析確定試驗參數(shù)，開展山藥收獲質量試驗研究，為明晰關鍵部件工作機理、優(yōu)化其結構及試驗參數(shù)、提高綜合質量提供理論基礎和數(shù)據(jù)支撐。

1 總體結構設計與工作分析

懸掛式山藥收獲機主要參數(shù)如表1所示，整機結構如圖1所示，主要由懸掛裝置、開溝破土裝置、排土回填裝置、振動碎土裝置等組成，可同時實現(xiàn)對山藥收獲過程中破土開溝、提升排土、土壤回填及山藥塊莖與土壤分離等功能。

圖1 懸掛式山藥收獲機整機結構簡圖Fig.1 The whole structure of the hanging yam harvester

表1 總體結構參數(shù)和關鍵部件工作參數(shù)Table 1 Overall structural parameters and working parameters of key components

收獲機以三點懸掛方式安裝在拖拉機后懸掛機構上，由拖拉機后輸出軸提供動力輸入。工作前，在山藥壟頭處挖一深坑便于振動碎土裝置下擺入土，收獲機通過拖拉機調整位置，保證兩開溝鏈分別位于山藥兩側并與作業(yè)路線平行。收獲機工作時，兩開溝鏈在拖拉機后輸出軸帶動下運轉工作，開出兩條具有一定寬度溝槽，由開溝鏈挖切提升帶出的土壤通過橫向排土螺旋排出并回填至上一行程產(chǎn)生的溝槽中，山藥根莖則處于兩溝槽間的土坯中，整機在拖拉機帶動下前進，振動鏟將土坯切斷，通過振動將山藥和土壤分離并部分裸露于土層表面，最后由工作人員撿拾山藥完成收獲。

2 傳動系統(tǒng)原理分析

懸掛式山藥收獲機作業(yè)環(huán)境惡劣，其傳動系統(tǒng)的設計應滿足動力分配合理、整機結構緊湊、動力傳遞穩(wěn)定的要求。收獲機作業(yè)過程中動力主要用于整機升降、開溝破土、排土回填、碎土裝置擺動以及振動碎土五個部分，因收獲機體積較大、傳動線路復雜，布局受限，僅通過傳統(tǒng)機械傳動無法全部實現(xiàn)五個部分的動力傳遞。因此，設計中綜合利用液壓傳動的調節(jié)便捷和布局靈活等優(yōu)點，通過多組液壓缸和液壓馬達直接將動力傳遞到工作部件，增強傳遞系統(tǒng)柔性[11-12]。深度結合機械傳動和液壓傳動的優(yōu)勢，有效提高收獲機穩(wěn)定性，簡化機具結構，便于參數(shù)調節(jié)。

該收獲機機械傳動系統(tǒng)由拖拉機通過萬向節(jié)傳動將動力傳遞給動力輸入軸，再通過齒輪傳動和鏈傳動將動力分別傳遞給螺旋排土器軸和開溝鏈軸，實現(xiàn)開溝破土和排土回填功能，機械傳動系統(tǒng)具體配置如圖2所示。液壓傳動系統(tǒng)分為兩部分，一部分由拖拉機自帶液壓泵提供動力，通過兩組液壓缸實現(xiàn)整機升降和振動碎土裝置擺動；另一部分以傳送鏈與動力輸入軸連接的液壓泵提供動力，通過兩個液壓馬達實現(xiàn)振動碎土功能，液壓傳動系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖2 機械傳動系統(tǒng)Fig.2 Mechanical transmission system

圖3 液壓傳動系統(tǒng)原理Fig.3 Schematic diagram of hydraulic transmission system

3 主要工作部件設計

3.1 開溝破土裝置

山藥收獲時可根據(jù)山藥生物學、力學特性和山藥收獲農藝特點獲得最佳開溝深度、溝槽寬度及中間土坯寬度等作業(yè)參數(shù)，以保證山藥塊莖完整性并提高后續(xù)振動碎土、菜土分離質量，因此開溝破土是山藥收獲過程中重要一環(huán)。開溝破土裝置（見圖4）主要由主動鏈輪、從動惰輪、鏈條、支撐架及多種鏈刀等組成。其中鏈刀作為開溝破土裝置中關鍵部分，可通過對鏈刀進行組合設計以提高開溝質量。采用三種形式鏈刀，分別是豎直鏈刀、帶有一定角度鏈刀和圓弧杯形鏈刀，以兩個豎直鏈刀，兩個向內傾斜的鏈刀，兩個向外傾斜的鏈刀，兩個圓弧杯形鏈刀共4對鏈刀為一組，每隔一個鏈節(jié)安裝一個鏈刀，交錯分布，固定安裝于外鏈板上。鏈刀切土分布如圖4所示，a、b、c、d分別表示向內傾斜鏈刀對、豎直鏈刀對、向外傾斜鏈刀對以及圓弧杯形鏈刀對的切土范圍，確保在開溝時鏈刀不漏切，能夠將土壤完整帶到排土裝置中。

圖4 開溝破土裝置及鏈刀切土分布Fig.4 Ditching and soil breaking device and chain cutter cutting soil distribution

開溝破土作業(yè)中鏈刀會受到土壤阻力及沖擊，極易遭受損壞，為保證開溝破土裝置能夠長時間高質量作業(yè)，對多種鏈刀作阻力計算并通過SolidWorks 2018作三維建模及結構靜力學分析，校核鏈刀強度。

3.1.1 鏈刀切削阻力計算

鏈刀切削土壤阻力Ft的計算公式[13]為：

式中，Cs為土壤堅實度計的沖擊次數(shù)，一般取Cs=15；δ為切削厚度，切削厚度與鏈刀的節(jié)距以及開溝破土裝置與地面間夾角大小相關，取δ=8 mm；δc為刀片寬度，其中帶角度的刀片取28 mm，豎直刀片取6 mm，圓弧杯形刀片取40 mm；φ為刀片切削角，圓弧杯形刀片的切削角與其后角相等，取12°，其余兩種刀片取5°；eH為刀片尖角計算系數(shù)，取eH=0.81。經(jīng)計算，豎直刀片的切削阻力Ft1=49.29 N，帶有一定角度刀片切削阻力Ft2=59.52 N，圓弧杯形刀片的切削阻力Ft3=69.89 N。

3.1.2 鏈刀結構靜力學分析

利用軟件Solidworks對三種不同形式鏈刀進行三維建模，對鏈刀受力處進行分割線劃分，通過Solidworks Simulation插件對三種鏈刀分別創(chuàng)建靜力學分析計算，定義鏈刀材料屬性為65 Mn[14]，密度ρ=7 870 kg·m-3，泊松比μ=0.3，楊氏彈性模量E=200 GPa，屈服強度[δs]=430 MPa，其許用應力[δ]=215 MPa。對鏈刀兩孔位置施加固定約束，將鏈刀受到的刀體兩側摩擦力及裝填土壤重力通過切削阻力作等效處理，對鏈刀受到的合力施加動載系數(shù)（k=1.5）[15]，按最危險情況將力均加載到鏈刀載荷加載面上，施加重力，采用默認方法對三種鏈刀作網(wǎng)格劃分，三種鏈刀有限元預處理模型如圖5所示。

圖5 鏈刀有限元預處理模型Fig.5 Chain knife finite element preprocessing model

由圖6鏈刀應力云圖可知，豎直刀片和傾斜刀片應力集中部位位于兩孔位置處，且最大應力值為4.862和8.11 MPa，而杯形圓弧刀片的應力集中部位在刀片外側小弧口與直板折彎處，最大應力為15.56 MPa，遠小于65 Mn許用應力；由圖7鏈刀變形云圖可知，豎直刀片和傾斜刀片的最大變形位于前刀尖處，分別為0.002207和0.00312 mm，圓弧杯形刀片最大變形處位于后刀尖位置，為0.02313 mm。綜上所述，三種鏈刀強度和剛度均滿足設計要求。

圖6 鏈刀應力云圖Fig.6 Stress cloud diagram of chain cutter

圖7 鏈刀變形云圖Fig.7 Deformation cloud map of chain knife

3.2 排土回填裝置

由鏈式開溝裝置開溝破土帶至地表的土壤必須及時清除，因土壤落入溝槽造成堵塞，阻礙機具行走。目前，螺旋輸送機構被認為是輸送效率較高且操作簡便的裝置。因此，設計橫向螺旋排土裝置并將其安裝在由鏈刀帶出的土壤下方，使土壤能落在螺旋輸送槽內，將土壤運離溝槽附近。橫向螺旋排土裝置結構如圖8所示，規(guī)格型號選用200系列，其螺旋直徑R為200 mm、螺距Pd為200 mm。設計時，橫向螺旋排土裝置向右側伸出，將土壤向一側輸送至上一行程產(chǎn)生的溝槽中，實現(xiàn)土壤回填。

圖8 橫向排土螺旋裝置結構簡圖Fig.8 Schematic diagram of the structure of the horizontal discharge screw device

為保證開溝裝置挖掘土壤及時運走，對排土機構排土能力作校核：

開溝裝置理論土壤掘出率為：

式中，H為開溝深度，取最大值H=1.3 m；lAB為開溝寬度，lAB=0.13 m；vc為機具行進速度，取作業(yè)速度最大值vc=180 m·h-1。

在實際中，開溝得到的土壤呈松散狀，因此開溝裝置實際土壤掘出率為：

式中，KP為土壤散開系數(shù)[16]，取KP=1.5；λ為與鏈條運動速度有關的散開系數(shù)，鑒于排土螺旋外緣速度在1.5~2 m·s-1之間，取λ=0.75。

左右螺旋輸送機構的土壤輸送率為：

式中，R為螺旋葉片外徑，R=200 mm；r為螺旋葉片內徑，r=80 mm；Pd為螺距，Pd=200 mm；n為排土機構轉速，n=180 r·min-1。

可看出，開溝裝置土壤掘出率小于排土機構土壤輸送率，排土機構及時運走開溝裝置挖掘的土壤，滿足排土要求。

3.3 振動碎土裝置

在山藥收獲機作業(yè)過程中，振動碎土裝置將包含有山藥塊莖的土坯振動破碎，使山藥與土壤分離并裸露。因此，裝置設計的合理性直接影響后續(xù)挖掘收獲效率、動力消耗和收獲質量等，所以要對該部件進行功能和結構的精準設計[10]。振動碎土裝置（見圖1）主要結構包括機架、液壓馬達a、液壓馬達b、曲柄軸、格柵式振動鏟、支撐梁、偏心輪、撥土連桿、撥土格柵和振動連桿等。

振動碎土裝置以兩套曲柄搖桿機構為基礎完成設計，其中一套是由液壓馬達b帶動的曲柄軸為主動構件，通過曲柄軸旋轉帶動振動連桿運動，帶動作為搖桿的格柵式振動鏟上下擺動，實現(xiàn)對中間土坯的切斷和振動碎土功能。一套由液壓馬達a帶動偏心輪轉動，以偏心輪為主動構件帶動撥土連桿運動，帶動作為搖桿的撥土格柵左右擺動，能夠去除表層土壤，實現(xiàn)山藥塊莖與土壤分離。其中，可通過調節(jié)振動連桿長度改變格柵式振動鏟與水平地面間夾角，改變振動鏟傾角；調節(jié)液壓馬達轉速可改變格柵式振動鏟頻率和撥土格柵擺動頻率，為后續(xù)性能試驗提供條件。

根據(jù)常被用來計算土壤破壞的莫爾-庫倫強度理論可知[17]，土壤中某一處的應力狀態(tài)達到極限平衡條件時會進入屈服狀態(tài)瀕于破壞。因此，振動碎土裝置振動包含山藥塊莖的中間土坯，中間土坯受到振動及自身重力帶來的沖擊載荷，引起形變，發(fā)生相對移動使土壤間產(chǎn)生剪切力，當剪切力達到土壤失效力時，土壤破碎，山藥塊莖與土壤分離。

振動碎土裝置工作時，格柵式振動鏟產(chǎn)生的速度和加速度不斷變化，中間土坯受力也不斷變化，因中間土坯破碎位置不確定性，導致其運動軌跡不規(guī)則，加重土壤破碎程度。因此，可通過格柵式振動鏟的運動分析，確定影響土壤受力的工作參數(shù)，控制山藥塊莖和土壤分離效果。

對格柵式振動鏟的運動分析可通過解析法[18-19]完成。構建機構位置方程，對時間求導，即可求得機構速度和加速度方程。為便于表示格柵式振動鏟位移、速度和加速度大小及方向，以曲柄軸軸心點A為原點，支撐梁軸心點D與A點連線及其垂線分別為x軸與y軸建立坐標系，如圖9所示?？刂聘駯攀秸駝隅P振動的機構本質是簡單的四桿機構，已知各桿件長度和曲柄軸角速度（ω1），將構件用矢量表示，在坐標系中作出機構的封閉矢量多邊形ABCDA和機構在拖拉機帶動下的行進速度（v）方向，其中E表示格柵式振動鏟的鏟尖。機構各矢量和為零，即機構的封閉矢量方程為：

圖9 封閉矢量多邊形Fig.9 Closed vector polygon

將機構的封閉矢量方程（5）改寫為復數(shù)矢量形式，為：

利用歐拉公式將矢量方程的實部和虛部分離再聯(lián)立求解，可以求得：

式 中，A=2l1l3sinθ1；B=2l3（l1cosθ1-l4）；C=l22-l12-l32-l42+2l1l4cosθ1。

當作為原動件的曲柄軸旋轉一圈，機構在拖拉機帶動下行進距離S（mm）為：

式中，v為機具行進速度（m·h-1）；ω1為曲柄軸轉速（rad·s-1）。

則格柵式振動鏟鏟尖E在曲柄軸旋轉一周的位移為：

式中，DE為機構中點D、E間距離（mm）；θ0為曲柄軸初始狀態(tài)夾角（°）。

將封閉矢量方程的復數(shù)矢量形式（6）對時間t進行求導，可得：

將其進行實部和虛部分離獲得兩分式后再聯(lián)立求解，可得到構件2、3的角速度為：

格柵式振動鏟繞點D擺動，則鏟尖E的速度（mm·s-1）為：

因格柵式振動鏟作擺動，當ω3為順時針時，式中90°前為“+”，反之取“-”。

將式（12）對時間t進行求導，進行實部和虛部分離獲得兩分式后再聯(lián)立求解，可得構件3的角加速度為：

則格柵式振動鏟鏟尖的加速度（mm·s-2）為：

其中：

當α3為順時針時，式中90°前為“+”，反之取“-”。

通過分析格柵式振動鏟尤其是振動鏟尖位移、速度和加速度，機構的四個桿件（l1、l2、l3、l4）、曲柄軸轉速（ω1）及機具行進速度（v）直接影響格柵式振動鏟軌跡并間接影響其速度與加速度。因此，可通過改變拖拉機行進速度改變機具行進速度v，調節(jié)振動連桿長度即格柵式振動鏟傾角改變θ3，調節(jié)液壓馬達轉速改變曲柄軸轉速ω1大小，影響格柵式振動鏟軌跡、速度及加速度，改變土壤受力，因此可通過試驗確定最大土壤破碎效率且山藥收獲完好率最高的最優(yōu)參數(shù)組合。

4 田間性能試驗測試

4.1 試驗條件與方法

試驗于2020年12月2~4日在青島平度市張舍鎮(zhèn)潘家洼村進行。試驗山藥品種為白玉山藥，單壟單行種植模式，壟距1 200 mm，株距250~400 mm，深為900~1 200 mm。試驗地面積1 000 m2（200 m×5 m），共種植4壟山藥，土壤類型為壤土。

從試驗地塊中隨機選取30個測試區(qū)，每個測試區(qū)內有單壟山藥，測試區(qū)長10 m，30次試驗，收獲機懸掛于拖拉機上，保持拖拉機勻速行駛，開溝深度保持恒定，實驗員跟隨駕駛人員在田間進行收獲試驗，測試儀器包括米尺、電子秤、轉速傳感器、位移傳感器等。

4.2 性能試驗

選取曲柄軸轉速X1、機具行進速度X2、振動鏟傾角X33項對山藥收獲質量影響較大的工作參數(shù)作為試驗因素（見表2）。開溝深度（1 300 mm）、作業(yè)幅寬（550 mm）等其他試驗參數(shù)保持不變。試驗以山藥收獲完好率Y1、山藥收獲生產(chǎn)率Y2作為指標，進行三因素三水平響應面試驗（見表3）[20-21]。

圖10 田間試驗現(xiàn)場Fig.10 Field trial site

表2 響應面試驗因素水平Table 2 Response surface test factor level

表3 響應面試驗設計方案與結果Table 3 Response surface test design scheme and results

4.3 回歸模型建立與顯著性檢驗

通過Design-Expert軟件[22-23]對三因素三水平中數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合分析，建立Y1、Y2對X1、X2、X3的響應面回歸模型：

回歸方程方差分析如表4所示，完好率Y1和生產(chǎn)率Y2的P值分別<0.0001和0.0002，均小于0.05，且失擬項的P值為0.4919和0.3814，均大于0.05，表明這兩個模型影響極顯著且擬合程度較高，擬合方程決定系數(shù)R2分別為0.9835和0.9704，說明回歸方程可解釋97%以上的評價指標。因此，可通過這兩個回歸方程優(yōu)化收獲機工作參數(shù)。

表4 回歸方程方差分析Table 4 Analysis of variance of regression equation

4.4 交互因素對性能影響規(guī)律分析

探究曲柄軸轉速、機具行進速度及振動鏟傾角交互作用對山藥收獲完好率及生產(chǎn)率的影響，利用Design-Expert軟件繪制響應面。交互因素對山藥收獲完好率及生產(chǎn)率影響響應面曲線如圖11、12所示。

圖11（a）表明減小機具行進速度，適當增加曲柄軸轉速可提高收獲完好率，而曲柄軸轉速過大減小收獲完好率；圖11（b）表明適當減小振動鏟傾角并增加曲柄軸轉速有助于提高收獲完好率，振動鏟傾角和曲柄軸轉速過小降低收獲完好率；圖11（c）表明減小機具行進速度，適當減小振動鏟傾角有助于提高收獲完好率。圖12（a）表明增加機具行進速度有助于提高生產(chǎn)率；圖12（b）表明曲柄軸轉速和振動鏟傾角對生產(chǎn)率影響不大；圖12（c）表明增大機具行進速度可提高生產(chǎn)率。

圖11 交互因素對收獲完好率影響的響應面圖Fig.11 Response surface diagram of the influence of interaction factors on the harvest intact rate

圖12 交互因素對生產(chǎn)率影響的響應面圖Fig.12 Response surface diagram of the impact of interactive factors on productivity

4.5 試驗優(yōu)化與驗證

山藥在機械化收獲過程中，其完好率是最重要指標，利用Design-Expert軟件優(yōu)化求解模塊可以求得約束條件下最大收獲完好率的最優(yōu)參數(shù)組合。最優(yōu)參數(shù)組合為：曲柄軸轉速306.18 r·min-1、機具行進速度137.85 m·h-1及振動鏟傾角-6.18°，對應收獲完好率為90.984%。試驗于2020年12月18日在相同地點開展驗證試驗，山藥收獲完好率為90.855%。與第一次試驗收獲完好率平均值對比，增加2.435%，性能明顯改善。

5 結論

a.研究設計一種懸掛式山藥收獲機，可同時實現(xiàn)對山藥收獲過程中破土開溝、排土、土壤回填及山藥與土壤分離等功能，收獲完好率及生產(chǎn)率高，有效降低人工成本，提高經(jīng)濟效益。

b.在對山藥收獲機整機工作原理分析基礎上，研究整機關鍵部件結構設計和參數(shù)確定。利用Solidworks軟件對鏈刀作結構靜力學分析，鏈刀最大應力為15.56 MPa、最大位移為0.02313 mm，滿足強度及剛度要求，可確保長時間高質量開溝作業(yè)；通過土壤失效破碎理論及格柵式振動鏟運動分析，確定可通過調節(jié)曲柄軸轉速、機具行進速度及振動鏟傾角改變土壤破碎效果，為后續(xù)提高果土分離質量試驗提供理論支撐。

c.借助Design-Expert軟件，選取曲柄軸轉速、機具行進速度及振動鏟傾角3個因素為影響因子，開展三因素三水平試驗，分析各因素對收獲完好率及生產(chǎn)率的影響并優(yōu)化。結果表明，最大收獲完好率最優(yōu)參數(shù)組合為曲柄軸轉速306.18 r·min-1、機具行進速度137.85 m·h-1和振動鏟傾角-6.18°，較第一次收獲完好率增加2.435%，性能改善。