花生分段收獲挖掘鏟力學(xué)模型及試驗分析

王 冰，胡志超，周德歡，彭寶良，陳友慶

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

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花生分段收獲挖掘鏟力學(xué)模型及試驗分析

王 冰，胡志超，周德歡，彭寶良，陳友慶

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

為優(yōu)化花生收獲挖掘鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對花生收獲挖掘鏟進(jìn)行受力分析，并建立工作狀態(tài)的力學(xué)模型，研究各個參數(shù)的變化對受力狀況的影響，找出對工作阻力具有影響的參數(shù)和薄弱部位。通過田間試驗，對力學(xué)模型進(jìn)行驗證，結(jié)果表明：影響工作阻力的參數(shù)有犁面與地面的夾角、犁面的開度角、前失效角的傾角及土壤重力，犁柱截面C為薄弱部位，力學(xué)模型與收獲挖掘鏟的受力狀況基本相符。

花生；分段收獲；挖掘鏟；數(shù)學(xué)模型

0 引言

我國花生種植面積約467萬hm2，在平原、壩區(qū)、丘陵、山地皆有種植，種植土壤為砂土、砂壤土、壤土、粘土等。花生有分段式和聯(lián)合式兩種機(jī)械化收獲方式：分段收獲方式由不同裝備分別完成花生起秧、摘果等作業(yè)，一般先用帶有挖掘鏟的花生收獲機(jī)或挖掘犁起秧，經(jīng)晾曬再用撿拾聯(lián)合收獲機(jī)撿拾摘果或摘果機(jī)場上摘果；聯(lián)合收獲方式是通過花生聯(lián)合收獲機(jī)完成挖掘、清土、摘果、清選及集果等作業(yè)，可一次性完成整個花生收獲機(jī)械化作業(yè)，是集成度最高的花生機(jī)械化收獲技術(shù)[1]。我國大陸花生收獲主要還依靠人工，部分地區(qū)使用挖掘犁收獲機(jī)挖掘花生，同時在花生收獲機(jī)上增加抖土、鋪放等功能，以便于花生秧蔓進(jìn)行晾曬[2-3]，花生聯(lián)合收獲方式也在逐步推廣當(dāng)中。花生收獲挖掘犁可在砂土、壤土、黏重土壤區(qū)作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)簡單、配套動力小、低成本及便于維護(hù)等優(yōu)點；但分段收獲模式下的收獲機(jī)的堵塞、纏繞、損失率高、適應(yīng)性差等問題比較突出[3-8]。

挖掘鏟是花生挖掘收獲機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和受力狀況決定了收獲機(jī)作業(yè)效果及工作性能的好壞。用于花生收獲的挖掘鏟有諸多類型，本文主要針對農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的花生收獲挖掘鏟的結(jié)構(gòu)和受力狀況進(jìn)行分析，建立花生收獲挖掘鏟工作阻力模型，找出薄弱環(huán)節(jié)，通過確定作業(yè)參數(shù)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而為提高花生收獲機(jī)的性能和指標(biāo)提供理論研究基礎(chǔ)。

1 挖掘鏟的結(jié)構(gòu)特點和工作過程

該機(jī)挖掘鏟主要由犁面、犁柱、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、U型連接板等組成，如圖1所示。挖掘鏟收獲作業(yè)時，挖掘鏟犁面將土壤翻起，對土壤進(jìn)行擠壓，實現(xiàn)花生與土壤的分離。其漏挖率低，尤其適合土壤與花生難以分離的粘重土壤區(qū)作業(yè)。

1.犁面 2.犁面 3.犁柱 4.調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 5. U型連接板

挖掘鏟犁面采用“人”字型一體式設(shè)計，犁面后側(cè)彎曲角度大于前側(cè)，土壤沿犁面進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，減少埋果損失；設(shè)計有入土角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)不同地況來調(diào)整入土角。

2 挖掘鏟的受力分析與建模

根據(jù)挖掘鏟的收獲機(jī)理，挖掘鏟的工作阻力F可以看作由挖掘鏟犁面1所受力F1、犁面2所受力F2和立柱的受力F3這3部分構(gòu)成，即F=F1+F2+F3。

2.1 犁面受力分析與建模

通常犁體會以一定角度切入土壤，壟體中作用在犁體上的力主要分為切削阻力、牽引阻力、摩擦阻力及土壤重力形成的法向載荷。對犁體的犁面進(jìn)行受力分析[9-10]，建立平衡方程，通過整理可得

N11=N1sinα2+μN(yùn)1cosα2

(1)

F1=N11sinβ1

=N1sinα1sinβ2+μN(yùn)1cosα1sinβ1+kb1

(2)

其中，N11為作用到犁面1上的力向地面的投影力；N1為作用到犁面1的法向載荷；α1為犁面1與地面的夾角；F1為犁面1所受的水平阻力；β1為犁面1的開度角；μ為犁面與土壤的摩擦系數(shù)；k為單位幅寬土壤的純切削阻力；b1為犁面1寬度。

圖2所示為犁面1受力分析，圖3所示為犁面2受力分析。

圖2 犁面1受力分析

圖3 犁面2受力分析

建立平衡方程并整理可得

N21=N2sinα2+μN(yùn)2cosα2

(3)

F2=N21sinβ2

=N2sinα2sinβ2+μN(yùn)2cosα2sinβ2+kb2

(4)

其中，N21為作用到犁面2上的力向地面的投影力；N2為作用到犁面2的法向載荷；α2為犁面2與地面的夾角；F2為犁面2所受的水平阻力；β2為犁面2的開度角；μ為犁面與土壤的摩擦系數(shù)；k為單位幅寬土壤的純切削阻力；b2為犁壁2寬度。

一般情況下，花生種植地土壤粘度適中，無大的石塊，犁體切削土壤所受的純切削阻力很小，可忽略不計，因此可得犁體犁面的受力F1和F2分別為

F1=N1sinα1sinβ1+μN(yùn)1cosα1sinβ1

(5)

F2=N2sinα2sinβ2+μN(yùn)2cosα2sinβ2

(6)

式(5)和(6)兩項內(nèi)容分別包括法向力N1和N2，挖掘鏟犁體主要受到土壤的反作用力。圖4和圖5是工作時土塊被犁面鏟起的受力分析[11-12]，分別在垂直和水平方向上建立力平衡方程。為了更容易理解，進(jìn)一步簡化，記t1=C1S1+B1，t2=C2S2+B2，方向分別與μ1N3和μ2N4相同，則

G1-N1(cosα1-μsinα1)-

N3(cosδ1-μ1sinδ1)+t1sinδ1=0

(7)

N1(sinα1+μcosα1)-N3(sinδ2+

μ1cosδ1)-t1cosδ1=0

(8)

其中，G1為作用于犁面1的土壤塊重力；μ1為土壤之間摩擦因數(shù)；N3為作用于前側(cè)的垂直載荷；δ1為前失效角的傾角；S1為前剪切失效面的面積；C1為土壤自身性能決定的土壤內(nèi)聚力；B1為土壤加速力。

記t=CS+B，指剪切過程中內(nèi)聚力和加速力對土壤綜合作用力，B=mdv/dt。其中，m為加速土壤的質(zhì)量，t為加速時間。則

G2-N2(cosα2-μsinα2)-

N4(cosδ2-μ2sinδ2)+t2sinδ2=0

(9)

N2(sinα2+μcosα2)-N4(sinδ2+μ2cosδ2)-

t2cosδ2=0

(10)

其中，G2為作用于犁面2的土壤塊重力；μ2為土壤之間的摩擦因數(shù)；N4為作用于前側(cè)的垂直載荷；δ2為前失效角的傾角；S2為前剪切失效面的面積；C2為土壤自身性能決定的土壤內(nèi)聚力；B2為土壤加速力。

將方程聯(lián)立，分別消去N1、N3和N2、N4，經(jīng)過整理可得

(11)

(12)

2.2 犁柱受力分析與建模

犁柱的上端用固定座緊固于機(jī)架上，使挖掘鏟對機(jī)架既不能有相對移動，也不能有相對轉(zhuǎn)動，可將此固定座簡化為固定端支座，即固定端；作用在鏟柄上的力主要分布在下端，來自于犁體的阻力，其分布范圍遠(yuǎn)小于鏟柄的長度，可簡化為集中力。因此，可將鏟柄簡化為矩形截面懸臂梁，其受力如圖6所示。懸臂梁的固定端受垂直反力FRA和反作用力偶MA作用。由平衡方程∑Fy=0,∑MA=0，求得FRA=F1+F2，MA=(F1+F2)L,選取坐標(biāo)系如圖6所示。在距原點為x的橫截面左側(cè)，有支反力FA、MA，而在截面的右側(cè)，載荷均布；所以用截面右側(cè)的外力來計算剪力和彎矩較為合理。計算F3和M為：F3=F1+F2，M(x)=(F1+F2)×(L-x)，繪出剪力、彎矩圖如圖6所示。

由圖6可看出：最大彎矩在截面C上，且Mmax=(F1+F2)L。由分析可知，犁柱截面C處為薄弱環(huán)節(jié)。

圖6 犁柱的剪力和彎矩

3 試驗驗證與結(jié)果分析

3.1 試驗?zāi)康?/p>

理論上，挖掘鏟的相關(guān)數(shù)據(jù)計算值是通過測定挖掘鏟實際作業(yè)過程中參數(shù)并結(jié)合建立的數(shù)學(xué)模型得到的；另外，還需測定挖掘鏟田間作業(yè)時的實際受力狀況試驗值；最后，通過比較和分析理論數(shù)據(jù)和試驗測到的實際受力數(shù)據(jù)，檢驗剛建立數(shù)學(xué)模型是否能夠反應(yīng)挖掘鏟的實際受力狀況。

3.2 試驗條件和裝置

試驗選取南京有代表性的丘陵薄地，地點是南京六合花生種植區(qū)域，土質(zhì)為粘土。作業(yè)機(jī)的驅(qū)動動力使用了黃海金馬254A拖拉機(jī)，挖掘鏟部件為本文所設(shè)計的雙翼式挖掘鏟，其他測試設(shè)備包括阻力傳感器、卷尺、直尺及秒表等。

3.3 試驗方法

取長140m、寬60m的平坦地面作為試驗用地，并規(guī)定前20m為入土非穩(wěn)定區(qū)，后20m為出土非穩(wěn)定區(qū)，以保證試驗的穩(wěn)定性和可靠性，中間100m為試驗測試區(qū)。設(shè)計兩種挖掘深度(0.1m和0.2m)和兩種作業(yè)速度(1.5km/h和3km/h)，通過進(jìn)行交叉試驗，得到4個測量值，用來驗證上文建立的數(shù)學(xué)模型。

為了保證試驗的準(zhǔn)確性，消除可能的干擾因素產(chǎn)生的不利影響，反復(fù)進(jìn)行多次試驗，分別改變作業(yè)速度和挖掘深度，對結(jié)果進(jìn)行分析處理，最終得到試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果

表1顯示：當(dāng)挖掘深度0.1m、作業(yè)速度1.5km/h時，實際測試阻力為1 820N，理論計算阻力為1 736N，兩者相差4.8%；當(dāng)挖掘深度0.1m、作業(yè)速度3km/h時，實際測試阻力為1 966N，理論計算阻力為1 846N，兩者相差6.5%；當(dāng)挖掘深度0.2m、作業(yè)速度3km/h時，實際測試阻力為2 347N，理論計算阻力為2 183N，兩者相差7.5%。由此可以看出：誤差在速度和深度相應(yīng)增加時有所增大，且增大比例正相關(guān)。由于田間試驗實際條件不易控制，并且土壤各參數(shù)的測定也存在一定誤差，可以確定建立的數(shù)學(xué)模型基本能夠反映實際工作過程的受力狀況。

從建立模型的影響參數(shù)分析，影響參數(shù)為鏟面與地面的夾角α、鏟面的開度角β、前失效角的傾角δ、土壤重力G及截面C的結(jié)構(gòu)尺寸。通過設(shè)計調(diào)整可以改變鏟面與地面的夾角α、鏟面的開度角β及截面C的結(jié)構(gòu)尺寸，可以借助模擬分析優(yōu)化其設(shè)計參數(shù)，得到挖掘鏟作業(yè)性能最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。綜合分析表明，試驗結(jié)果對挖掘鏟生產(chǎn)作業(yè)設(shè)定參數(shù)的調(diào)整有較好的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

1)通過對挖掘鏟進(jìn)行受力分析，建立了挖掘鏟受力數(shù)學(xué)模型：挖掘鏟犁面1的受力模型為方程(11)，挖掘鏟犁面2的受力模型為方程(12)；犁柱所受的剪力為Fs=F1+F2，犁柱所受彎矩為M(x)=(F1+F2)×(L-x)。

2)對比數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果和田間試驗測定結(jié)果，驗證了計算值與挖掘鏟田間工作過程的受力狀況基本一致，但誤差隨挖掘鏟的工作速度和挖掘深度增加而增大。這說明，該數(shù)學(xué)模型還要進(jìn)一步完善和改進(jìn)，以得出設(shè)計挖掘深度和機(jī)器前進(jìn)速度的模型的準(zhǔn)確參數(shù)。

3)對該數(shù)學(xué)模型各參數(shù)間關(guān)系進(jìn)行分析表明，挖掘深度d、鏟面與地面的夾角α、鏟面的開度角β、前失效角的傾角δ、土壤重力G及鏟柄截面C的結(jié)構(gòu)尺寸對阻力均有影響。

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Mechanical Model and Experimental Research of Peanut Harvest Digger Blade

Wang Bing， Hu Zhichao， Zhou Dehuan， Peng Baoliang， Chen Youqing

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

For optimizingstructure parameters of peanut harvest digger blade，force analysis of peanut harvest digger blade was conducted，and mechanical model at working condition was established，influences of various parameters changes on force condition were studied, the influencing parameters and the weak parts of share shaft on working resistance were found out. In order to ensure the accuracy of the mathematical model and the reliability of the simulated results，the real field experiments were also carried out to confirm the established force mathematical model. The results proved that the parameters which affect the effective resistance were included angle between plough wall and ground，plough wall opening angle，the dip of front failure angle，soil gravity，share shaft section C is the weak position.The mathematical model could reflect the harvest digger blade’s real force conditions.

peanut; havest; digger blade； mathematical model

2016-08-26

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程(2013-2015，2016-2020)；國家花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-14)

王 冰(1963-)，男，山東德州人，助理研究員，博士研究生，(E-mail)supbing@163.com。

胡志超(1963-)，男，陜西藍(lán)田人，研究員，博士生導(dǎo)師，(E-mail)zchu369@163.com。

S225.7+3

A

1003-188X(2017)10-0058-05