楊發(fā)展 楊云鵬 李維華 趙國(guó)棟 姜芙林 李建東

(1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院， 青島 265200； 2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250100； 3.中機(jī)美諾科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

2015年，全國(guó)山藥種植面積達(dá)到1×105hm2，其中，山東省山藥種植面積達(dá)到11 847 hm2。近年來(lái)，隨著人們對(duì)山藥營(yíng)養(yǎng)價(jià)值認(rèn)識(shí)的不斷加深，山藥的市場(chǎng)需求量逐年增加[1-2]。山藥根莖地下部分的生長(zhǎng)深度較大，鐵棍山藥的生長(zhǎng)深度可達(dá)到1.5 m及以上[3]，市場(chǎng)占有率較大的大白玉山藥的平均生長(zhǎng)深度也在1.2 m左右，導(dǎo)致挖掘收獲勞動(dòng)強(qiáng)度極大。同時(shí)，在收獲時(shí)，山藥塊根組織的抗拉強(qiáng)度和抗彎能力都較低[4-5]，山藥的表皮組織很容易受損，且在受損后容易變?yōu)楹稚秃谏?，誘發(fā)山藥變質(zhì)潰爛，這些均給后續(xù)的存儲(chǔ)和深加工帶來(lái)較大困難。山藥的生長(zhǎng)特征和自身力學(xué)特性致使山藥機(jī)械化作業(yè)水平低，大部分地區(qū)仍然采用人工收獲方式，部分地區(qū)采用機(jī)械化側(cè)邊開(kāi)溝、輔助人工收獲的方式[1, 6-9]。

目前，我國(guó)農(nóng)機(jī)研發(fā)人員對(duì)山藥收獲機(jī)械已進(jìn)行了初步嘗試，如挖掘開(kāi)溝機(jī)、螺旋鉆桿開(kāi)溝機(jī)、排鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)等[1,10]，但大部分還處于機(jī)械輔助開(kāi)溝的初級(jí)階段，因受到地域土質(zhì)、設(shè)備工作方式與作業(yè)成本等多種因素的制約，仍然不能大面積推廣，很多地方仍然需要大量的人工參與才能實(shí)現(xiàn)收獲作業(yè)。濰坊森海公司從日本引進(jìn)的4USY-1型山藥挖掘收獲機(jī)是國(guó)內(nèi)較早的一體式山藥收獲機(jī)，該機(jī)對(duì)國(guó)內(nèi)的土質(zhì)適應(yīng)能力較差，目前未能獲得大面積的推廣應(yīng)用。于萬(wàn)勝[1]設(shè)計(jì)的振動(dòng)鏈?zhǔn)捷斔蛶剿幨斋@機(jī)，采用偏心輪振動(dòng)的鏈?zhǔn)捷斔蛶В哂幸欢ǖ陌稳?、輸送能力，但只進(jìn)行了初步的樣機(jī)試制，并未進(jìn)行田間試驗(yàn)。宋帥帥等[7]設(shè)計(jì)的自走式麻山藥收獲機(jī)是較為成熟的山藥收獲機(jī)，采用履帶式自走底盤(pán)、雙排鏈?zhǔn)介_(kāi)溝和振動(dòng)鏟松土裝置，但針對(duì)采用雙排大小行種植模式的麻山藥，機(jī)具體積過(guò)大，只能專(zhuān)機(jī)專(zhuān)用，而且自走式底盤(pán)成本過(guò)高，未能大面積推廣。楊發(fā)展[11]設(shè)計(jì)的深根莖類(lèi)作物收獲機(jī)采用雙排開(kāi)溝鏈加底部橫切刀的挖掘模式及柵格輸送帶的拔取模式，能夠?qū)崿F(xiàn)深根莖類(lèi)作物的挖采一體，但由于底部橫切刀粘土的作用，使得行走阻力過(guò)大，對(duì)行走機(jī)具功率要求過(guò)高。

目前，很少有集開(kāi)溝、去土、人工取山藥等功能于一體的山藥收獲機(jī)，由于受多種因素制約(如開(kāi)挖深度淺、漏收率、損傷率高)，該類(lèi)收獲機(jī)多數(shù)僅停留在樣機(jī)研制階段，無(wú)法實(shí)際推廣和規(guī)?；褂肹8-10]。本文設(shè)計(jì)適于山藥高效、低損的收獲裝備，該收獲機(jī)采用三點(diǎn)懸掛式整體結(jié)構(gòu)，掛接于88 kW以上拖拉機(jī)上，設(shè)計(jì)挖掘振動(dòng)碎土裝置，以期提高土壤的碎土率和山藥-土壤分離的比例，降低山藥損傷率，提高山藥收獲質(zhì)量和作業(yè)效率。

1 方案設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 方案設(shè)計(jì)

目前山藥較為合理的收獲狀態(tài)如圖1所示，在距離山藥根莖左右兩側(cè)一定的區(qū)域(圖1中AB和CD)松土開(kāi)溝，開(kāi)槽除土，槽深為H，在山藥根莖所處的土坯區(qū)域(圖1中BC)底部進(jìn)行挖掘松土作業(yè)。

采用靜止的挖掘鏟對(duì)圖1中的BC段土坯進(jìn)行挖掘作業(yè)需大量的動(dòng)力[12-14]，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求也很高，同時(shí)挖掘鏟的表面會(huì)粘附大量的土壤[15-17]，最終后續(xù)的挖掘工作無(wú)法開(kāi)展，本文進(jìn)行格柵往復(fù)式振動(dòng)挖掘鏟的設(shè)計(jì)，通過(guò)振動(dòng)挖掘碎土作業(yè)，對(duì)山藥根莖進(jìn)行去土撿拾作業(yè)。設(shè)計(jì)的懸掛式山藥收獲機(jī)主要包括機(jī)架、升降油缸、橫向排土螺旋、鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)構(gòu)、振動(dòng)挖掘擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、挖掘鏟以及變速箱和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

挖掘振動(dòng)松土裝置主要結(jié)構(gòu)包括支撐支架及其輔助機(jī)構(gòu)、挖掘支撐支架、液壓油缸、固定螺栓與支撐側(cè)板壁、轉(zhuǎn)動(dòng)橫梁、傳動(dòng)鏈輪(大、小)、傳動(dòng)鏈條、液壓馬達(dá)、偏心輪、格柵振動(dòng)式挖掘鏟、可調(diào)長(zhǎng)度振動(dòng)連桿等，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 挖掘振動(dòng)松土裝置結(jié)構(gòu)放大圖Fig.3 Enlarged view of part of main structure of mining1.液壓馬達(dá) 2.偏心輪軸 3.挖掘鏟支撐臂 4.振動(dòng)連桿5.格柵振動(dòng)式挖掘鏟 6.挖掘鏟支撐橫梁

1.2 工作原理

工作時(shí)，利用拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)自帶液壓油泵輸出的液壓油帶動(dòng)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)大鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大鏈輪通過(guò)傳動(dòng)鏈條帶動(dòng)傳動(dòng)軸上的小鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪帶動(dòng)可調(diào)長(zhǎng)度振動(dòng)連桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)挖掘鏟圍繞支撐臂架下端的橫梁上下擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘土壤的抖動(dòng)振碎功能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整連桿長(zhǎng)度以實(shí)現(xiàn)工作初始時(shí)挖掘鏟與土壤間夾角的變動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)管路中液壓油液的流量實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到對(duì)挖掘鏟上下運(yùn)動(dòng)頻率的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下對(duì)挖掘土塊的擊打破碎。同時(shí)，挖掘鏟底部與橫梁之間可進(jìn)行前后調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)挖掘振動(dòng)振幅的調(diào)節(jié)，為后續(xù)研究土壤破土效果和碎土效率提供基礎(chǔ)條件。

2 主要參數(shù)確定與動(dòng)力學(xué)分析

2.1 主要參數(shù)確定

振動(dòng)碎土裝置主要尺寸參數(shù)如圖4所示，其結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。挖掘作業(yè)時(shí)，挖掘裝置主要參數(shù)有：液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速n、大小鏈輪齒數(shù)比V、振動(dòng)偏心輪偏心距l(xiāng)1、連桿長(zhǎng)度l2、挖掘鏟支撐中心點(diǎn)至連桿結(jié)合點(diǎn)距離l3、挖掘支撐支架底部連接中心長(zhǎng)度l4、鏈條開(kāi)溝深度l5、挖掘鏟長(zhǎng)度l6。為了使整體結(jié)構(gòu)空間緊湊，初步選定大小鏈輪的齒數(shù)比為2；按照88 kW拖拉機(jī)行走速度設(shè)定為150 m/h，通過(guò)調(diào)整液壓油泵輸出管路流量，使偏心輪軸轉(zhuǎn)速維持在480 r/min左右。大白玉山藥生長(zhǎng)深度不超過(guò)1.2 m，同時(shí)考慮到柵格挖掘鏟的厚度，綜合考慮設(shè)計(jì)開(kāi)溝深度l5為1.25 m左右，挖掘鏟支撐軸至開(kāi)溝底部高度l4設(shè)為0.15 m。

圖4 偏心輪偏心距示意圖Fig.4 Eccentricity diagram of eccentric wheel

圖5 振動(dòng)碎土裝置示意圖Fig.5 Schematic of vibratory soil breaker device1.挖掘鏟 2.機(jī)架 3.連桿 4.曲柄

挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)行程取決于振動(dòng)偏心輪偏心距l(xiāng)1、連桿長(zhǎng)度l2及其與垂直運(yùn)動(dòng)方向間的夾角、挖掘鏟支撐橫梁至連桿結(jié)合點(diǎn)的距離l3、挖掘鏟長(zhǎng)度l6等相關(guān)參數(shù)。大白玉山藥種植株距一般為0.15 m，考慮到山藥收獲機(jī)的收獲效率，在同一時(shí)刻，處于挖掘鏟上方的山藥株數(shù)在2～4株較為合適。因此，選定挖掘鏟長(zhǎng)度l6為500 mm。同時(shí)，為了降低挖掘鏟對(duì)山藥的拉伸與擠壓作用，初步控制振幅在80 mm以?xún)?nèi)[10]。此外，為了降低振動(dòng)裝置中連桿所受的載荷，挖掘鏟在擺動(dòng)時(shí)較為合理的結(jié)構(gòu)為承載能力較高的杠桿結(jié)構(gòu)形式，因此初步選定鏟尖到支撐軸的距離l7為200 mm，l3為270 mm。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的最大擺角計(jì)算式為

φmax=arcsin(80/l7)

(1)

將l7=200 mm代入式(1)中，可獲得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的最大擺角φmax為23.58°。

由于山藥收獲機(jī)的整機(jī)采用三點(diǎn)懸掛式，背負(fù)于拖拉機(jī)后方，考慮到行走過(guò)程中對(duì)整機(jī)通過(guò)性的要求，設(shè)備安裝后的離地間隙應(yīng)大于300 mm，因此，偏心輪軸和挖掘鏟支撐軸的垂直距離H1應(yīng)大于l5+300 mm=1.55 m，初步選取為1.58 m。同時(shí)，為了避免振動(dòng)裝置與開(kāi)溝裝置出現(xiàn)干涉的現(xiàn)象，將挖掘鏟支撐板與水平面間的夾角預(yù)設(shè)為85°。

另外，根據(jù)機(jī)構(gòu)學(xué)設(shè)計(jì)原理，在振動(dòng)松土裝置上的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，要求其在運(yùn)行過(guò)程中，行程速比系數(shù)K盡可能靠近1，因此，設(shè)計(jì)時(shí)K取值為1.01。已知搖桿長(zhǎng)度l3=270 mm，最大擺角φmax=23.58°，K=1.01，利用作圖法設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)的其他參數(shù)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 作圖法設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)結(jié)果示意圖Fig.6 Schematic of result of designing crank rocker mechanism by drawing method

圖中BB1⊥B1E，垂足為點(diǎn)B1；lAB=lAB1=l3；lBC=lB1C1=l2；lCD=lC1D=l1；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)急回運(yùn)動(dòng)角α計(jì)算式為

α=180°(K-1)/(K+1)

(2)

參照文獻(xiàn)[10]，并考慮到在一次收獲一行的作業(yè)工況下，山藥收獲機(jī)的開(kāi)溝總寬度較小，故偏心輪的偏心距應(yīng)取較小值，設(shè)置為35 mm。測(cè)量獲得：lBD=1 747.56 mm。

可以算得l2=lBC=lBD-lCD=1 747.56-35=1 712.56 mm，圓整為1 720 mm。

綜上，振動(dòng)裝置的主要參數(shù)初步設(shè)置為：l1=35 mm，l2=1 720 mm，l3=270 mm，l6=500 mm，l7=200 mm。

2.2 碎土能力評(píng)價(jià)及挖掘鏟參數(shù)優(yōu)化

破碎失效能是評(píng)價(jià)收獲機(jī)具作業(yè)性能和碎土能力的重要指標(biāo)，是收獲機(jī)具在作業(yè)過(guò)程中沖擊土塊出現(xiàn)一定程度破壞所消耗的能量[18]。挖掘鏟振動(dòng)沖擊破碎過(guò)程中總的沖擊能量，即土壤破碎失效能計(jì)算式為

(3)

式中m——挖掘鏟質(zhì)量

hi——第i次沖擊的行程距離

從式(3)可以看出，挖掘鏟對(duì)土塊的沖擊能量取決于挖掘鏟自身質(zhì)量和往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程，由于設(shè)計(jì)挖掘部件為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，屬于定距往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此單位時(shí)間內(nèi)對(duì)土壤的沖擊能量為恒定值。

為了更好地評(píng)價(jià)裝置對(duì)土壤的破碎能力，引入比沖擊破碎能e，計(jì)算式為

e=E/M

(4)

式中M——待破碎土體質(zhì)量，kg

在收獲作業(yè)過(guò)程中(圖7)，山藥收獲機(jī)開(kāi)溝鏈條間開(kāi)溝后預(yù)留土坯的理論寬度為350 mm，挖掘鏟自身的長(zhǎng)度為500 mm，土壤容重ρ取1.2 g/cm3[18-20]。單位時(shí)間內(nèi)待破碎土體質(zhì)量為

M=ρlbh/1 000=ρvtbh/1 000

(5)

式中l(wèi)——單位時(shí)間內(nèi)待破碎土體長(zhǎng)度，cm

b——待破碎土坯寬度，cm

h——待破碎土坯高度，cm

v——拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)行走速度，cm/s

t——單位時(shí)間，取1 s

將拖拉機(jī)行走速度設(shè)定為150 m/h，即4.1 cm/s，b=35 cm，h=l5-l4=110 cm；將計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)代入式(5)可計(jì)算獲得單位時(shí)間內(nèi)待破碎土體質(zhì)量M為18.9 kg。

圖7 山藥收獲機(jī)工作時(shí)挖掘土體示意圖Fig.7 Soil excavation diagram of yam harvester at work

含水率在15%時(shí)粘土試樣的比沖擊破碎能e0為112 J/kg[18]。由于該比沖擊破碎能為通過(guò)人工制備的粘土試樣進(jìn)行測(cè)試獲得，而在粘土試樣制備中，粘土需經(jīng)過(guò)加水粘結(jié)、人工搓揉等過(guò)程，其抗破碎能力遠(yuǎn)比自然耕地中土壤的破碎能力大，因此需對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)取50%進(jìn)行修正，修正后運(yùn)動(dòng)作業(yè)的比沖擊破碎能為e=0.5e0=56 J/kg。

將單位時(shí)間內(nèi)待破碎土體質(zhì)量和比沖擊破碎能代入式(4)，可得單位時(shí)間內(nèi)所需的破碎失效能E為1 058 J。

由于拖拉機(jī)前進(jìn)速度較低，挖掘振動(dòng)裝置在工作時(shí)，可以認(rèn)為振動(dòng)鏟上方的土體在挖掘鏟的帶動(dòng)下，一同繞挖掘鏟支撐中心橫梁做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將土體簡(jiǎn)化為均質(zhì)的整體，利用三維建模軟件計(jì)算挖掘振動(dòng)鏟和土體組成的整體繞挖掘鏟支撐橫梁的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I為97.34 kg·m2，計(jì)算整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如圖8所示。

圖8 計(jì)算整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Fig.8 Calculation of global moment of inertia

利用三維建模軟件SolidWorks的Motion插件，對(duì)振動(dòng)挖掘破碎裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[21-24]。對(duì)裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，以偏心輪軸為驅(qū)動(dòng)部件，轉(zhuǎn)速為480 r/min，將挖掘鏟的支撐臂設(shè)為固定梁，并對(duì)其進(jìn)行裝配約束和計(jì)算，以挖掘鏟的支撐橫梁為結(jié)果輸出對(duì)象，輸出其角位移，結(jié)果如圖9所示。從圖9可看出，挖掘鏟及鏟上方土體角位移最大為20°。

圖9 挖掘鏟支撐軸角位移曲線(xiàn)Fig.9 Angular displacement curve of shovel support shaft

對(duì)于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，搖桿往復(fù)一次循環(huán)，即搖桿擺動(dòng)角為2θ，因此搖桿平均角速度為

(6)

式中φ——搖桿轉(zhuǎn)過(guò)角度，rad

t1——曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周耗費(fèi)時(shí)間，s

n——曲柄轉(zhuǎn)速，r/s

將θ=20°和n=8 r/s代入式(6)，求解得挖掘鏟平均角速度為5.59 rad/s。

由于挖掘鏟在兩處極限位置的角速度為0，在不考慮土體內(nèi)部摩擦及機(jī)構(gòu)自身摩擦作用的基礎(chǔ)上，可以近似認(rèn)為挖掘鏟上方土體組成的整體在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能全部沖擊到機(jī)構(gòu)自身和土體。因此，為使機(jī)構(gòu)能夠較好地破碎土體，挖掘鏟及其上方土體組成的整體在單位時(shí)間內(nèi)的平均動(dòng)能E0應(yīng)大于單位時(shí)間內(nèi)土體破碎所需破碎失效能E。

挖掘鏟振動(dòng)沖擊產(chǎn)生的平均動(dòng)能計(jì)算式為

E0=Iω2/2

(7)

將I=97.34 kg·m2，ω=5.59 rad/s代入式(7)，可得單位時(shí)間內(nèi)的平均動(dòng)能E0為1 521 J。

計(jì)算獲得挖掘鏟輸出的破碎動(dòng)能為所需破碎能的1.44倍，遠(yuǎn)大于單位時(shí)間內(nèi)土體破碎所需的破碎失效能。

挖掘鏟尾部運(yùn)動(dòng)振幅為

A=l3sinθ

(8)

計(jì)算獲得挖掘鏟尾部的振幅A=92 mm，超出了振幅所允許的合理范圍[10]，因此需對(duì)初選的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。將支撐臂與挖掘鏟的支撐橫梁間的距離進(jìn)行微調(diào)，l3由原來(lái)的270 mm減小為250 mm，l7由原來(lái)的200 mm增加為220 mm，并重新進(jìn)行計(jì)算和仿真運(yùn)算。計(jì)算獲得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量結(jié)果如圖10所示，運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖11所示。計(jì)算獲得的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為97.4 kg·m2，角位移最大值為18°。

圖10 修改參數(shù)后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算值Fig.10 Calculated value of moment of inertia after modifying parameters

圖11 修改后的挖掘鏟支撐軸角位移曲線(xiàn)Fig.11 Modified angular displacement curve of supporting shaft of excavation shovel

此時(shí)挖掘鏟及其上方土壤的平均動(dòng)能E0為1 232 J，為E的1.16倍，大于單位時(shí)間內(nèi)土壤破碎所需要的失效能1 058 J。此時(shí)挖掘鏟鏟尖的振幅為78.5 mm，滿(mǎn)足理論要求的鏟尖振幅不大于80 mm的要求。此時(shí)，振動(dòng)挖掘裝置參數(shù)設(shè)定為：l1=35 mm，l2=1 720 mm，l3=250 mm，l6=500 mm，l7=220 mm。

2.3 動(dòng)力學(xué)分析

假設(shè)在挖掘作業(yè)中，被振動(dòng)挖掘土坯的兩側(cè)各有5 cm(兩側(cè)總計(jì)10 cm)的坍塌，即經(jīng)過(guò)振動(dòng)后，留在挖掘鏟上方的土壤質(zhì)量M0為

M0=ρl6(b-10)h/1 000

(9)

將l6=50 cm代入，折算到挖掘鏟上正上方土壤重力為165 kg×9.8 N/kg=1 617 N。挖掘鏟每根柵格上承受的重力為323.4 N。

以振動(dòng)挖掘鏟作為分析對(duì)象，在Motion插件中對(duì)其添加均布載荷。對(duì)挖掘鏟中的一根柵格添加均布力，力的分布面為柵格的上表面，方向垂直柵格上表面垂直向下，均布載荷添加過(guò)程如圖12所示，圖中藍(lán)色箭頭表示力的方向。重復(fù)操作為5根柵格均添加323.4 N的均布力。然后進(jìn)行Motion動(dòng)力學(xué)計(jì)算，計(jì)算完成后測(cè)量偏心輪軸上的力矩，力矩曲線(xiàn)如圖13所示。從圖13可以看到，偏心輪最大力矩幅值為51.9 N·m，出現(xiàn)扭矩幅值的一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)在從初始的水平位置后運(yùn)動(dòng)至0.175 s，如圖中0～0.20 s之間標(biāo)識(shí)的紅線(xiàn)位置。

圖12 對(duì)單獨(dú)一根柵格添加均布力Fig.12 Adding uniform force to single grid

圖13 偏心輪軸力矩曲線(xiàn)Fig.13 Curve of eccentric shaft torque

選擇挖掘鏟作為分析對(duì)象，由于偏心輪軸的力矩取決于挖掘鏟的負(fù)載，選擇時(shí)間節(jié)點(diǎn)為0.175 s處，設(shè)置如圖14所示，設(shè)置完成后進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖15所示。

圖14 Simulation時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)置Fig.14 Simulation time node settings

由圖15可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在挖掘鏟支撐橫梁與柵格的接觸位置處，最大應(yīng)力為14.92 MPa，挖掘鏟受到的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于挖掘鏟使用的Q235A鋼自身的屈服強(qiáng)度235 MPa。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與損傷判定依據(jù)

山藥田間收獲試驗(yàn)選擇在青島平度市白埠鎮(zhèn)政府北側(cè)1 800 m路面，該地塊山藥生長(zhǎng)的土質(zhì)為黃淮海區(qū)域常見(jiàn)沙姜黑土(該地塊靠近水渠溝邊)，在收獲時(shí)地表土壤含水率為14%，在地表以下30 cm處土壤含水率為23%左右，在60 cm處土壤含水率為23%。設(shè)計(jì)山藥收獲試驗(yàn)田間作業(yè)長(zhǎng)度為300 m、作業(yè)寬度為6 m(5行)[25]，選定山藥品種為“大白玉”，地塊內(nèi)山藥行距為1.2 m左右，株距為14.3～16.6 cm。田間試驗(yàn)作業(yè)時(shí)，保持開(kāi)溝深度為1.25 m，收獲方式為單行收獲，收獲機(jī)行走速度設(shè)定為150 m/h，山藥收獲機(jī)試驗(yàn)總作業(yè)測(cè)試長(zhǎng)度為300 m。機(jī)械收獲的山藥質(zhì)量評(píng)價(jià)原則為：收獲中出現(xiàn)斷裂、表皮被機(jī)械損傷、打爛成碎塊等情形為非完好作物，歸為廢品；其他完好以及撿拾搬運(yùn)中出現(xiàn)的人為作業(yè)導(dǎo)致的斷裂、表皮破損等歸為完好收獲作物，機(jī)械收獲完好率C計(jì)算式為

C=M1/M2×100%

(10)

式中M1——收獲完好山藥總質(zhì)量，kg

M2——收獲山藥總質(zhì)量，kg

3.2 試驗(yàn)效果

懸掛式山藥收獲機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和收獲效果如圖16所示。從圖16b可以看出，包含山藥的中央土坯基本被收獲機(jī)的振動(dòng)挖掘鏟所破碎，山藥與土坯能夠基本分開(kāi)，便于后續(xù)人工拔取與撿拾山藥(圖16c)。收獲后的山藥大部分為完好(圖16d)。

圖16 山藥收獲現(xiàn)場(chǎng)與作業(yè)效果Fig.16 Yam harvest site and operation effect

為了便于裝袋測(cè)試和稱(chēng)量，從收獲試驗(yàn)作業(yè)長(zhǎng)度300 m中隨機(jī)測(cè)量取出50 m的作業(yè)長(zhǎng)度，并將該長(zhǎng)度內(nèi)收獲的山藥進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。將機(jī)械收獲折斷、機(jī)械破皮以及打爛的歸為一類(lèi)并單獨(dú)進(jìn)行稱(chēng)量，剩余的山藥進(jìn)行稱(chēng)量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)測(cè)量[24]得，機(jī)械損傷質(zhì)量為30.8 kg，完好及人工搬運(yùn)折斷等完好山藥的質(zhì)量M1為254.7 kg。因此，50 m長(zhǎng)度內(nèi)山藥的收獲總量M2為285.5 kg。

該山藥收獲機(jī)的機(jī)械收獲完好率C為89.2%，超過(guò)了85%的要求，整機(jī)性能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的功能目標(biāo)，基本滿(mǎn)足農(nóng)戶(hù)的收獲要求。

4 結(jié)論

(1)基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了山藥收獲機(jī)的關(guān)鍵部件——格柵振動(dòng)式挖掘鏟及其附屬機(jī)構(gòu)，綜合運(yùn)用SolidWorks的Motion與Simulation插件，對(duì)振動(dòng)碎土裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析與計(jì)算，結(jié)果表明：當(dāng)裝置結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)l1=35 mm、l2=1 720 mm、l3=250 mm、l6=500 mm、l7=220 mm時(shí)，振動(dòng)裝置的性能能夠滿(mǎn)足破碎土塊所需的失效能量和振動(dòng)幅值的作業(yè)要求，且該裝置主要工作部件的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能均滿(mǎn)足收獲作業(yè)環(huán)境所需的力學(xué)性能要求。

(2)設(shè)計(jì)的懸掛式山藥收獲機(jī)的挖掘振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)合理、作業(yè)效率較高，能夠使包裹山藥的土體破碎，且整體碎土效果較好，在作業(yè)過(guò)程中對(duì)山藥根莖的擾動(dòng)較小，有利于保護(hù)土壤中的山藥免于受損、折斷。

(3)整機(jī)采用全液壓懸掛式結(jié)構(gòu)，采用左右兩側(cè)鏈?zhǔn)介_(kāi)溝的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可快速開(kāi)挖土壤，并將其運(yùn)輸至溝槽的兩側(cè)，各部分功能能夠有機(jī)銜接，整機(jī)布局與功能設(shè)計(jì)合理。機(jī)械收獲完好率達(dá)到89.2%，基本滿(mǎn)足農(nóng)戶(hù)的要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。