木薯收獲機挖掘鏟挖深控制系統設計

呂凱英，廖宇蘭，益愛麗，陳炎杰，熊 佳

(海南大學 機電工程學院，?？?570228)

木薯收獲機挖掘鏟挖深控制系統設計

呂凱英，廖宇蘭，益愛麗，陳炎杰，熊 佳

(海南大學 機電工程學院，?？?570228)

木薯挖掘過程中，帶有一定入土角的挖掘鏟一直有朝深度方向挖掘的趨勢，導致機具動力消耗過大；挖掘鏟在切土、碎土過程中，對挖掘鏟的入土傾角要求也有所不同。針對上述問題，設計了一種平行四桿機構，使挖掘鏟的運動滿足一定的運動軌跡；為了實現挖掘鏟運動的精確控制，設計出地表檢測機構。工作時，兩種機構結合，利用傳感器測出挖掘過程中的信號，經過運算處理后控制電磁換向閥換向，可以精確控制液壓缸動作，從而調節木薯挖掘鏟挖掘深度，實現木薯挖掘過程中挖掘深度的自動精確控制。

木薯收獲機；挖掘鏟；平行四桿機構；地表檢測機構；液壓控制系統

0 引言

木薯是世界三大薯類作物之一，其機械化收獲是木薯產業的重要環節，有利于提高木薯產業的生產效率，推動我國木薯產業發展進程。然而，我國的木薯收獲機目前尚處于研制和試驗階段，未能推出適應性強、性能可靠的木薯收獲機[1-2]。要研究出適應性強的收獲機的關鍵在挖掘部件的設計，單純地對挖掘部件結構的改變無法從根本上克服挖掘鏟的缺陷。因此，對挖掘鏟在地下的自動控制方面不容忽視，自動化挖掘裝置可以極大地提高挖掘鏟的性能。

目前，在木薯收獲過程中，挖掘的深度要控制適當，以不漏挖為目的。挖掘鏟入土太深，則挖土量增加，分離部件的負荷增大，功率消耗劇增；挖掘鏟入土太淺，薯塊損傷率和漏薯率上升[3]。木薯塊根生長情況的復雜性和土質情況的變化，對木薯挖掘深度的自動控制產生了一定的困難[4]。另外，挖拔式木薯收獲機挖掘鏟存在碎土效果不好、漏土不易、無法限深形成穩定的耕作深度及牽引阻力大等問題，對木薯的收獲造成了不小的阻力[5-6]，因此設計出滿足挖掘鏟深度自動控制的挖掘裝置意義重大。本文結合運動學原理、傳感器應用技術及液壓系統控制等，設計出挖拔式木薯收獲機挖掘限深控制系統。該挖掘限深系統應具有及時判斷挖掘深度是否滿足設定要求的性能。

1 設計原理及機構

1.1 設計原理

該控深系統的設計在借鑒其它薯類作物限深控制方式優點的基礎上，克服了其控深不精確的缺點，結合了平行四桿和仿形地輪的各自仿形特點，并利用電液裝置進行自動控制，克服了傳統機械控制不及時、不準確的缺點。

平行四桿仿形機構是比較常見的仿形機構，特點是可以保證挖掘裝置與工作平面保持恒定的夾角，從而保證挖掘系統平穩工作[7-8]。

薯類挖掘在實踐過程中通常采用的挖掘鏟鏟深的控制方式(見圖1)：利用兩個仿形輪來控制(即兩個仿形輪來控制溝底進行仿形)，普遍認為是最好的，但缺點是已收獲地面的壟溝被覆蓋后對旁邊未收獲地面的仿形產生影響[9]。

1.拖拉機輪 2.牽引裝置 3.挖掘機輪 4.傳動裝置 5.仿形輪圖1 利用兩個仿形輪來控制

本測試系統的實驗基地為海南儋州木薯種植基地。該地木薯的種植特點為平作，與其他薯類作物和其他地區木薯的種植方式(壟作)不同，土壤為磚紅壤。該土壤含水量低于28.5%，易于耕作，下層土壤易被壓實和變形，從而增加挖掘裝置的挖掘阻力[10]。

綜上所述，利用平行四桿機構運動的穩定性和仿形地輪地表仿形的準確性的特點，通過機、電、液將兩者結合，采用位移傳感器準確測量信號，信號經處理后控制電磁換向閥動作，使液壓缸準確伸長收縮，進而控制四桿機構準確平穩地運動，從而保證挖掘鏟在地下的精準動作。

1.2 總體設計

木薯挖掘限深系統總體結構三維圖如圖2所示。

1.行走輪 2.機架 3.緊固螺栓 4.液壓缸 5.傳感器 6.四桿機構 7.多階挖掘鏟 8.鏟柄 9.仿形輪 10.傳感器Ⅱ、Ⅲ 11.彈簧 12.調節螺母圖2 木薯挖掘限深系統總體結構三維圖

本設計系統結構由12個部件組成，四桿機構與機架采用鉸接方式，使四桿仿形機構的運動可以滿足相應的運動軌跡。地表檢測機構的仿形預緊彈簧可以通過調節螺母來適應不同的地表起伏情況，與之相連的傳感器的另一端與機架固定位置相連，來實現地表位移的準確檢測。

2 平行四桿仿形機構的設計

2.1 四桿機構的設計

2.1.1 上下仿形時受力分析

平行四桿機構在上下仿形時受力分析[11]如圖3所示。圖3中，Qx、Qy為牽引力；G為挖掘鏟負載的重力；R1、R2為挖掘鏟前進過程中所受到的阻力；h1為從鉸鏈到牽引力的距離(mm)；h2為從四桿機構末端到挖掘鏟受力中心的距離(mm)；h3為挖掘鏟負載重力到四桿末端的距離(mm)；α為四桿機構牽引角；β為挖掘鏟鏟面傾角。

圖3 四桿機構xy平面受力圖

挖掘鏟穩定工作時，受力平衡條件為

Qx-R1cosβ-R2sinβ=0

Qy-G-R2cosβ-R1sinβ=0

Qxh1+(R1sinβ-G-R2cosβ)(Lcosα-h3)+

(R1cosβ+R2sinβ)(Lsinα+h2)=0

其中，R1=μR2；μ為土壤與金屬的摩擦因數。

綜合上可得，挖掘鏟的牽引阻力為

從上式可以看出：挖掘過程中土壤對挖掘鏟的牽引阻力R與挖掘鏟負載的重力G、挖掘鏟面傾角β及牽引角α有關。在挖掘鏟負載重力G、鏟面傾角β不變的情況下，牽引角α越大，R值越??；反之，則越大。所以，要使挖掘鏟在四桿機構的牽引下穩定工作，牽引角α值的變化范圍越小越好，并且挖掘鏟牽引阻力R值變化幅度也不能過大。

2.1.2 平行四桿機構尺寸的確定

平行四桿機構結構簡單，設計制造方便，但其性能有較大的局限性。在四桿機構運動過程中，傳動角γ的大小是變化的，傳動角γ愈大，對機構的傳力愈有利。研究表明：當傳動角γmin≥40°～50°時，四桿機構傳力性能良好[12]。

根據本次限深控制系統的設計要求，平行四桿機構的尺寸參數包括各桿桿長L、牽引角α、平行四桿機構的橫向寬度m。為了確保挖掘鏟的挖掘深度可以達到設定要求，必須選定合適的參數。

挖掘鏟在非工作狀態下離地面應有一定的距離d，初定此距離d=250mm。華南8號木薯收獲時，其塊根最大深度95%的塊根分布于20～30cm范圍；塊根最大分布幅寬97%的集中于45～65cm范圍；木薯塊根最大直徑96%的分布在35～60cm范圍；單株木薯塊根長度90%分布于25～45cm范圍[13]。根據華南8號木薯塊根的分布情況，將挖掘深度S定為350mm，所以四桿機構在豎直方向上的調節量最小為650mm，且為了滿足安裝要求，選定設計調節S0=670mm。

從圖4中可以得到上下仿形的總仿形量S的大小為

S=L[sin(α1+α)+sin(α2-α)]

式中α1—上仿形角(°)；

α2—下仿形角(°)。

從上式可以看出：平行四桿機構上下拉桿的長度越長，牽引角α變化范圍越?。环粗?，則異。從上一節中可知：要使挖掘部件穩定工作，則牽引角α的變化范圍越小越好；但如果上下拉桿取得過長，就會造成整臺機具的機構不緊湊，整體重心后移的情況，對縱向穩定性造成不利。

圖4 平行四桿機構在xy和xz平面上的參數

圖4中：C1D1為平行四桿機構上仿形極限位置，C2D2為下仿形的極限位置；S1為上仿形量(mm)；S2為下仿形量(mm)；α1、α2分別為上下仿形角；m為四桿機構橫向寬度(mm)。

研究表明：相關機器上的牽引角α的范圍為0°～10°，α1的范圍為10°～30°，α2的范圍為6°～22°[14]。

取初始工作角α0=10°，上仿形角α1=15°，下仿形角α2=22°，調節量量S=650mm。

計算得出：L=1 053.4mm；S2=Lsin(α0+α2)-Lsinα0。

取L=1 054mm，得S2=375.5mm，滿足挖掘深度要求。經驗證，該四桿機構也能達到傳動要求。四桿機構的橫向寬度m=240mm時，挖掘機構便能滿足工作性能。

2.2 液壓缸的選擇

液壓缸的作用是通過液壓缸桿件的伸長和縮短來控制四桿機構上下仿形，從而實現對仿形機構的自動控制。

根據平行四桿機構的運動特點，采用耳環安裝的方法，可以用作拉伸和壓縮。使用2015年王濤設計的多階挖掘鏟進行試驗，計算得到的牽引阻力為7 328N。

根據四桿機構的長度及其運動范圍，確定液壓缸的安裝位置，并計算出液壓系統負載，包括工作負載和慣性負載。

根據機械設計手冊，選定合適的液壓缸行程為420mm，活塞桿直徑為45mm，液壓缸內徑為100mm。經計算表明，選擇此規格的液壓缸滿足液壓系統負載要求[15]。

3 地表檢測機構的設計

3.1 仿形輪的設計

仿形輪相對于挖掘鏟的不同位置，可以分為前位仿形、后位仿形和側位仿形。3種仿形方式都有各自的特點，結合木薯的生長狀況在挖掘過程中莖稈的存在，選擇了前位仿形(見圖5)，即兩個仿形輪位于挖掘鏟的前端。前位仿形的特點是仿形準確、挖掘深度一致[16]。

根據海南儋州的木薯種植特點[17](見表1)，來確定仿形輪的安裝尺寸。由表1可以看出，木薯種植的行間距有5種情況。為了同時滿足這5種種植特點，現將兩仿形輪的間距定為600mm，與挖掘鏟的距離為d2=240mm，避免挖掘鏟抬起的土壤高隆造成仿形不精確現象。

1.平行四桿機構 2.液壓缸 3.仿形預緊彈簧 4.仿形輪 5挖掘鏟圖5 前位仿形表1 木薯種植行間距與單株木薯薯種

木薯行間距/m株高/m莖粗/cm平均單株薯數0.8×0.82.304.103.000.8×1.02.104.403.201.0×1.02.354.753.451.0×1.22.244.603.601.2×1.22.304.583.50

地表起伏情況，通常上仿形量為80～120mm，下仿形量為80～120mm[18]，根據地表情況可以知道d1不應小于240mm。

仿形輪直徑的影響及幾何參數的確定如圖6所示。根據圖6，確定仿形輪的最大直徑φmax[19]為

式中h11—輪底部到高地面頂端的距離(mm)；

h12—水平地面至溝底的垂直距離(mm)；

B—高地面與低地面中心距離(mm)；

b—兩位置中心距離(mm)；

R1、R2—高低地面半徑(mm)。

現取h11=40mm，R1=50mm，R2=100mm，B=240mm，b=30mm，h12=15mm，計算得φmax=558mm，故選仿形輪直徑為φ=200mm。

圖6 仿形輪直徑的影響及幾何參數的確定

3.2 仿形預緊彈簧的選擇

仿形預緊彈簧的作用是為檢測地輪提供彈力。地輪經過高地面時，彈簧壓縮；經過低地面時，彈簧為地輪提供壓力，從而提高了檢測機構的反映速度，且可以通過螺母來調節預緊量來適應不同地表高度。仿形輪中心與機架固定位置的距離d1不應小于240mm，預緊彈簧支撐桿為連接機架固定位置與仿形輪連桿上某一位置的可伸長收縮的桿件，故選預緊彈簧支撐桿長度l=300mm，直徑φ1=30mm，可滿足連接要求。

根據彈簧支撐桿的長度l、直徑φ1的值，來確定彈簧的內徑d≥30mm，外徑D=40mm，自由長度l=210～220mm。

為了保證彈簧能順利可靠工作，其材料除應滿足具有較高的強度極限和屈服極限外，還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性、塑性和良好的熱處理工藝性等。結合土質情況，仿形輪在仿形地表過程中，當彈簧變形量為5.5mm時，所受壓力應為200N；變形量為15mm時，所受壓力為350N。

通過計算選擇Ⅲ類碳素彈簧鋼絲，鋼絲直徑為4mm、彈簧內徑d=32mm、外徑D=40mm、長度為220mm、圈數為12圈時，滿足剛度要求[20]。

4 液壓控制系統設計

木薯挖掘裝置液壓控制系統原理圖[21]如圖7所示。該液壓系統由液壓缸、電磁換向閥、單向閥、液壓泵、電機、過濾器、油箱及溢流閥等8個部分組成。挖掘鏟有非工作和正常工作兩個狀態：在非工作狀態下，挖掘鏟應離地面有一定的距離；正常工作狀態下，挖掘鏟的深度不能保證一致。液壓缸的伸縮可以調節與挖掘鏟固接的四桿仿形機構的上下運動，從而保證挖掘鏟的與地面的距離和深度要求。

1.液壓缸 2.電磁換向閥 3.單向閥 4.液壓泵 5.電機 6.過濾器 7.油箱 8.溢流閥圖7 液壓控制原理圖

挖掘鏟正常工作下的具體液壓系統原理如下：

1)實際挖掘深度小于設定挖掘深度范圍。此時，電磁換向閥處于左位，液壓泵有桿腔進油、無桿腔回油， 液壓缸收縮，挖掘深度增加，從而滿足設定挖掘深度要求。

2)實際挖掘深度滿足設定范圍要求。此時，電磁換向閥處于中位，液壓缸不動作，挖掘鏟滿足深度要求。

3)實際挖掘深度大于設定挖掘深度范圍。此時，電磁換向閥位于右位，液壓缸無桿腔進油、有桿腔回油，液壓缸伸長，挖掘深度減小，從而滿足設定深度要求。

5 各部件及整體性能分析

5.1 平行四桿機構運動規律

為了驗證所設計的平行四桿機構的運動仿形效果，采用Adams進行運動學仿真，如圖8所示。

圖8 四桿機構仿行效果

Adams軟件具有強大的參數化建模功能，可以通過設置一些可變參數來觀察樣機性能變化。根據要求，將本文所設計的四桿機構各參數導入Adams，牽引速度根據實際設定為220mm/s，添加約束進行運動學仿真。其中，地面輪廓采用足夠多的點定義來保證仿真的準確性[22]。

從圖8中挖掘鏟的仿形軌跡可以看出：四桿機構本身可以根據地表的起伏，進行自動仿形，仿形范圍滿足設定要求，形狀接近實際地面的形狀；但挖掘鏟在實際挖掘過程中遇到的阻力過大，將會造成機構的滯后性，并影響穩定性。

液壓缸的伸長和縮短可為四桿機構提供穩定的壓力，使四桿機構無論遇到多大的阻力都可以穩定作用在同一深度，彌補了四桿機構的仿形缺陷。液壓缸通過作用四桿機構還可以保證挖掘鏟在地下的不同角度，來解決切土、碎土難的問題。

5.2 地表檢測機構性能

地表檢測機構工作穩定,仿形預緊彈簧可為仿形輪提供適當的壓力,仿形輪貼合地面前進，具有很好的仿形性能。彈簧還可減少機器工作的震動，使機器更平穩工作，傳感器檢測的位移信號更加準確。

5.3 機具整體性能

整個挖深控制系統，結構緊湊，穩定性強。根據海南儋州的土壤狀況，選用的動力為上海504拖拉機，平均移動速度為220mm/s，對仿形機構進行參數化仿真。整體可達到控制挖掘鏟深度一致、減少機具動力消耗和提高挖掘鏟性能的效果，為以后研究挖掘鏟自動控制方面提供參考。

6 結論與展望

1)以往木薯收獲機在挖掘木薯過程中的效果，僅從視覺上來觀察效果的好壞，沒有數據的印證，通過設計控制測試系統，可以測量數據，為以后挖掘部件的優化提供可靠的依據。

2)木薯收獲機現階段挖掘部件的研究上僅是從仿生學、土壤動力學對挖掘鏟的結構進行改變，設計出適應不同地區土壤的挖掘部件；但是，由于不同地區土壤特性的不同，要設計出適應性強的挖掘部件十分困難，而挖掘部件的自動控制系統會增強挖掘部件的適應性，是不可或缺的。

3) 本文所設計的測試系統后期還可以在機架和四桿機構的連接上加裝一些測力傳感器，用來測量挖掘過程中力的變化，對后期機架的優化及收獲機其它部件的研究都有很大的幫助。

4) 本文所設計的四桿機構和地表檢測機構，可以通過位移傳感器檢測信號和PLC處理信號將信號輸出，控制液壓缸動作，精確地控制挖掘鏟的深度。

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Design of Automatic Depth-control System for Digging Blade of Cassava Harvester

Lv Kaiying, Liao Yulan, Yi Aili, Chen Yanjie, Xiong Jia

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

During the process of harvesting cassava，the digging blade with a certain earth entry angle shows a tendency towards the deeper direction of earth when it’s working ,which bring about the problems that machine power consumption is too large. Besides，different lug angles are needed when digging blade is cutting and breaking soil. To deal with the two issues, we have developed a parallel four-bar mechanism, which makes the shovel satisfy a certain trajectory. In order to realize the precise depth-control function of digging blade, we developed the farmland detection device, using sensors to measure signal in the digging process and the signal outputs to the control system .After processing of calculation, the

signal makes electromagnetic directional valve switch which enable the hydraulic cylinder action, so as to realize the automatic control of digging depth.

cassava harvester; digging blade; parallel four-bar mechanism; farmland detection device; hydraulic control system

2016-12-05

國家自然科學基金項目(51365011)

呂凱英(1991-),女，河南新鄉人，碩士研究生，(E-mail) 826516642@qq.com。

廖宇蘭(1968-)，女，廣東興寧人，教授，碩士生導師，(E-mail)liaoyulan@sina.com。

S225.7+1

A

1003-188X(2018)02-0100-06