王建蕭，田斌，孫偉，張華，劉小龍，李輝

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的革新，農(nóng)業(yè)機(jī)械在發(fā)展過程中對(duì)土壤屬性的研究日益深入。根據(jù)機(jī)械組成做土壤分類的最早記錄出現(xiàn)在1681 年，此后國(guó)外學(xué)者對(duì)土壤和耕作展開了深入的研究，并提出了豐富的理論。和任何領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)一樣，機(jī)械土壤動(dòng)力學(xué)的發(fā)展也是與生產(chǎn)的需求分不開的[1]。研究土壤-機(jī)器相互作用的目的是要從機(jī)器結(jié)構(gòu)、作業(yè)參數(shù)和土壤條件聯(lián)合對(duì)土壤狀況變化所起影響的普遍性原則出發(fā)，建立定量化的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)機(jī)器作業(yè)性能，為合理設(shè)計(jì)和選用機(jī)器提供指導(dǎo)依據(jù)。目前，研究土壤-機(jī)器相互作用的方法主要有3 種：試驗(yàn)、分析和數(shù)值方法[2]。試驗(yàn)作為最基本的研究方法被廣泛使用于當(dāng)前的科學(xué)研究中，相較分析方法和數(shù)值方法，試驗(yàn)方法更具有真實(shí)性和可靠性。田間試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)可以在實(shí)際條件下進(jìn)行，但常受到各種條件的限制，如時(shí)間、土壤條件和地面平整度等均會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，因此試驗(yàn)土槽成為研究土壤和機(jī)器關(guān)系的主要試驗(yàn)設(shè)備，但其缺點(diǎn)是土壤狀況難恢復(fù)至同一水平且長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)后，土壤耕性逐漸喪失。

土槽試驗(yàn)作為一種重要的試驗(yàn)手段，已被越來越多的研究人員使用。目前國(guó)內(nèi)已有研究中，趙宏波[3]等采用土槽對(duì)不同邊緣曲線的旋耕刀對(duì)扭矩和土壤擾動(dòng)的影響進(jìn)行研究；姚久元[4]使用小型土槽試驗(yàn)臺(tái)對(duì)基于蚯蚓波紋潤(rùn)滑體表的仿生開溝器進(jìn)行優(yōu)化研究。由于土槽試驗(yàn)的試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)用途不同，土槽試驗(yàn)的設(shè)計(jì)形式也不盡相同。本文在深入研究與分析國(guó)內(nèi)外的農(nóng)機(jī)試驗(yàn)土槽設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，主要針對(duì)馬鈴薯等根莖類收獲機(jī)械的挖掘鏟設(shè)計(jì)一種小型試驗(yàn)土槽試驗(yàn)臺(tái)，通過對(duì)挖掘鏟進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，以對(duì)挖掘鏟結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)一步的優(yōu)化與改進(jìn)?？紤]試驗(yàn)場(chǎng)地和試驗(yàn)對(duì)象的情況，土槽結(jié)構(gòu)參數(shù)和測(cè)試機(jī)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)主要參考土壤阻力、動(dòng)力參數(shù)和主要試驗(yàn)對(duì)象來確定。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

小型試驗(yàn)土槽的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由環(huán)形土槽、挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、萬向輪等幾部分組成，其主要尺寸為：環(huán)形土槽內(nèi)徑4 m、外徑5 m、高度0.5 m，土槽內(nèi)土壤高度可根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行填充。工作時(shí)，由電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給蝸輪蝸桿減速機(jī)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過蝸輪蝸桿減速機(jī)進(jìn)行降速，并且增大扭矩后對(duì)動(dòng)力的輸出方向進(jìn)行轉(zhuǎn)換，帶動(dòng)挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)圍繞土槽進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，整個(gè)土槽試驗(yàn)臺(tái)可以安裝6 組挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)試驗(yàn)要求減少挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)的數(shù)量。挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)上安裝有挖掘鏟、整形器、鎮(zhèn)壓輪等，整個(gè)挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速可以利用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)在土槽上平穩(wěn)運(yùn)行且具有足夠動(dòng)力。

圖1 土槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural of test soil bin

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

小型土槽試驗(yàn)臺(tái)是根據(jù)真實(shí)的田間土壤環(huán)境，模擬馬鈴薯等根莖類收獲機(jī)械在收獲過程中挖掘鏟的工作過程，主要用于研究多鏟類根莖收獲機(jī)挖掘鏟的材料、磨損程度、安裝角度以及受力情況等。挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)是整個(gè)環(huán)形土槽的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括支撐架、深度調(diào)節(jié)裝置、角度調(diào)節(jié)裝置、挖掘鏟、整形器、鎮(zhèn)壓輪等。挖掘鏟在對(duì)土壤的作業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生自身的磨損與阻力，在土槽試驗(yàn)臺(tái)中可以根據(jù)不同的作業(yè)要求更換不同挖掘鏟進(jìn)行試驗(yàn)和分析。整形器的作用是在挖掘鏟工作后進(jìn)一步松碎土壤、平整地面，使試驗(yàn)更加接近田間的土壤環(huán)境。鎮(zhèn)壓輪主要用于壓碎土塊、壓緊耕作層使土壤緊密，有利土壤底層水分上升。鎮(zhèn)壓輪和整形器工作之后，土槽內(nèi)的土壤環(huán)境更加接近田間的土壤條件，并且保證每次挖掘測(cè)試時(shí)有基本相同的土壤條件，使試驗(yàn)更加真實(shí)可靠。

2.1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)我國(guó)西北地區(qū)特有的種植模式，根莖類收獲機(jī)械大多采用固定式挖掘部件。本文采用的固定式挖掘部件為平面多鏟，這類挖掘鏟的鏟面為平面形狀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，常用于升運(yùn)鏈?zhǔn)酵诰驒C(jī)的挖掘裝置，適用于壟作、平作及含石地塊等收獲作業(yè)。根據(jù)挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)要求，保證挖掘鏟具有良好的入土性能和自動(dòng)清潔功能，結(jié)合本次小型試驗(yàn)土槽的具體試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了一款平面三角鏟作為挖掘部件作為試驗(yàn)對(duì)象。

挖掘鏟的主要參數(shù)有：鏟刃傾角γ、鏟的傾角α、鏟的長(zhǎng)度L、鏟的寬度B 和鏟的后端高度h 等，如圖3 所示。

圖3 挖掘鏟參數(shù)及受力情況Fig.3 Parameters and force condition of digging blade

為了保證鏟刃的自動(dòng)清潔作用，鏟刃傾角γ一般取40～50°，根莖類挖掘機(jī)械其入土角α一般為15～25°之間[5-7]，因此α的可調(diào)范圍為15～25°。入土角越小，切入阻力也將越小，在不影響挖掘及分離的情況下，機(jī)組作業(yè)時(shí)應(yīng)將角度調(diào)整到最小，以減小挖掘阻力，降低油耗。機(jī)具工作時(shí)，土壤受挖掘鏟作用以及土壤相互影響，發(fā)生塑性流動(dòng)、崩裂等行為，并且進(jìn)入分離篩進(jìn)行分離作用。一般情況下，根莖和土壤混合物及地表雜草容易在鏟的正上方發(fā)生壅堵，其原因之一就是挖掘鏟長(zhǎng)度l 過長(zhǎng)，鏟面的土壤到達(dá)分離篩的距離過長(zhǎng)，無法及時(shí)分離導(dǎo)致壅堵。挖掘鏟長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)主要由挖掘鏟末端至水平地面的垂直高h(yuǎn) 和挖掘鏟傾角α決定。對(duì)于挖掘鏟傾角α，通過分析工作時(shí)的阻力，如圖3（b）所示，建立方程（1）[5-7]：

式中：P——挖掘鏟挖起混合物所承受的力，N；f——摩擦力，N；G——挖掘鏟上的土壤重力，N；N——挖掘鏟對(duì)土壤混合物的反作用力，N；α——挖掘鏟楔角，°；ε——混合物對(duì)挖掘鏟的摩擦因數(shù)。

最后得到挖掘鏟傾角α為

最終挖掘鏟傾角α設(shè)計(jì)為15～25°之間，有效避免挖掘鏟過長(zhǎng)壅塞，保證足夠的挖掘鏟后端垂直高度h。經(jīng)計(jì)算分析，取l=200 mm，鏟的寬度B=140 mm，鏟刃傾角γ一般取40～50°。

2.2 土槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)土槽為環(huán)形結(jié)構(gòu)，由于設(shè)計(jì)成了一個(gè)整體，不易擺放和安裝搬運(yùn)，故將土槽分為4 段，各段通過螺栓連接在一起，這樣既便于安裝搬運(yùn)，又便于拆裝。相較于直線形土槽，環(huán)形土槽可以保證測(cè)試機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，并且占地面積更小,在土槽下方安裝萬向輪，便于移動(dòng)。整個(gè)土槽深度為0.5 m，可以根據(jù)測(cè)試需求填充土壤，滿足對(duì)不同作業(yè)深度的挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)的測(cè)試需求。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于挖掘測(cè)試裝置在旋轉(zhuǎn)測(cè)試過程中要克服較大的土壤阻力，所以需要較大扭矩并且保證整個(gè)挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)平穩(wěn)勻速運(yùn)行。綜合考慮后，選用三相異步電動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)土槽的動(dòng)力源，該系列的電動(dòng)機(jī)適合用于要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的驅(qū)動(dòng)裝置，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過變頻器控制，可以保證輸出轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)測(cè)試需求進(jìn)行調(diào)整。采用蝸輪蝸桿減速機(jī)進(jìn)行降速，增大輸出扭矩并且對(duì)電機(jī)的動(dòng)力輸出方向進(jìn)行轉(zhuǎn)換，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如下：

已知拖拉機(jī)前進(jìn)速度vm=0.5～1.5 m/s，所以土槽挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)的最大速度為v=1.5 m/s，并且挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)的半徑r=2.25 m。

所以挖掘測(cè)試機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得合理的傳動(dòng)比范圍，設(shè)計(jì)V 帶的傳動(dòng)比i1=2～4，蝸桿傳動(dòng)比i2=10～40，則總傳動(dòng)比合理的范圍是：i=i1i2=20～160，故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍為

土槽試驗(yàn)需要較大功率，最終選擇電機(jī)為Y160M-4 型11kW，額定轉(zhuǎn)速1 440 r/min，V 帶傳動(dòng)比i1=2，蝸輪蝸桿減速機(jī)傳動(dòng)比選擇i2=40，電機(jī)通過變頻器控制啟停，并可按照試驗(yàn)要求調(diào)整轉(zhuǎn)速，防止啟動(dòng)時(shí)阻力過大導(dǎo)致電機(jī)損壞。

3 挖掘鏟靜力學(xué)分析

挖掘鏟在工作時(shí)，隨著深度的增加，作業(yè)阻力逐漸增加。為避免挖掘鏟損壞，因此對(duì)該挖掘裝置進(jìn)行優(yōu)化分析，提高挖掘裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性。對(duì)上述挖掘鏟的參數(shù)通過Pro/E 5.0 建立三維模型，將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。挖掘鏟材料參數(shù)如表1 所示。

表1 挖掘鏟材料屬性表Tab.1 Material properties of dig blade

使用ANSYS 17.0 Workbench 默認(rèn)的自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體，挖掘鏟網(wǎng)格尺寸為5 mm，其余結(jié)構(gòu)為默認(rèn)尺寸，網(wǎng)格劃分完成后節(jié)點(diǎn)總數(shù)為39 932，單元總數(shù)為23 221，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Schematic drawing of meshing

在鏟架上添加固定約束。挖掘鏟在工作過程中受到拖拉機(jī)牽引力和土壤與根莖混合物作用，鏟面為主要受力位置[8-9]。在Workbench 中將作用力添加至鏟面進(jìn)行運(yùn)算，在結(jié)構(gòu)分析-總體形變分析中，最大變形發(fā)生在挖掘鏟鏟尖位置（如圖5 所示），因此可將所有挖掘鏟尖部加強(qiáng)，以提高挖掘鏟的強(qiáng)度。在結(jié)構(gòu)分析-應(yīng)力形變和結(jié)構(gòu)分析-彈性形變分析中，最大形變均發(fā)生在挖掘鏟中部?jī)蓚€(gè)安裝孔位置，如圖6 和圖7 所示。因此挖掘鏟材料使用65Mn，強(qiáng)度比較高，具有一定柔韌性和可塑性，對(duì)挖掘鏟刃口需要熱處理，提高其強(qiáng)度及耐磨性，并進(jìn)行發(fā)黑處理以防銹。

圖5 結(jié)構(gòu)分析-總體形變Fig.5 Structural analysis -Overall deformation

圖6 結(jié)構(gòu)分析-應(yīng)力形變Fig.6 Structural analysis -Equivalent stress

圖7 結(jié)構(gòu)分析-彈性形變Fig.7 Structural analysis -Equivalent elastic strain

4 結(jié)論

根據(jù)我國(guó)西北地區(qū)的地域特色和試驗(yàn)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種小型簡(jiǎn)易環(huán)形土槽試驗(yàn)臺(tái)。根據(jù)田間土壤環(huán)境，模擬馬鈴薯等根莖類收獲機(jī)械在收獲過程中挖掘鏟的工作過程，對(duì)挖掘鏟的材料、磨損程度、安裝角度等進(jìn)行研究分析。

（1）小型土槽試驗(yàn)的設(shè)計(jì)為多鏟類根莖收獲機(jī)械挖掘鏟的研究提供工具，通過模擬挖掘鏟在土壤中運(yùn)動(dòng)，對(duì)挖掘鏟在土壤中的磨損以及受力情況進(jìn)行分析，便于對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

（2）相較于田間試驗(yàn)而言，試驗(yàn)土槽可以不受時(shí)間、土壤條件和地面平整度等條件的限制，并且土壤條件更加容易控制，可以保證試驗(yàn)結(jié)果更加具有對(duì)比性和可靠性。

（3）通過靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)挖掘鏟在挖掘過程中最大變形發(fā)生在挖掘鏟鏟尖位置，在應(yīng)力形變和彈性形變分析中，最大形變均發(fā)生在挖掘鏟中部?jī)蓚€(gè)安裝孔位置，因此挖掘鏟材料選擇65Mn，強(qiáng)度比較高，具有一定的柔韌性和可塑性，并且對(duì)鏟尖進(jìn)行熱處理，提高其強(qiáng)度。