馬鈴薯挖掘阻力測試裝置研究

李　祥，王春光，鄧偉剛

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

0　引言

馬鈴薯挖掘裝置是馬鈴薯收獲機械的最關(guān)鍵部分，主要完成對馬鈴薯的挖掘。研究馬鈴薯挖掘裝置的主要內(nèi)容是：在實現(xiàn)挖掘薯壟、撿拾薯塊、破碎土壤、將掘起物輸送到分離裝置的基礎(chǔ)上減小牽引阻力。研究馬鈴薯挖掘裝置牽引阻力對提高馬鈴薯機械化收獲水平和收獲效率、減少作業(yè)成本和降低功耗等都有非常重要的意義[1]。

國外對挖掘裝置的研究較早。Matsupero、Amelicher、Kanafojskj等人對平板型挖掘鏟的幾何參數(shù)及挖掘阻力等進行了研究；Schlesinger研究了從動圓盤鏟的工作阻力；Sorokin對振動式條形鏟的阻力進行了分析。在傾斜耕作部件的研究上，Soehne總結(jié)描述了耕作作用的4個性能方程，并通過試驗進行驗證；Rowe、Barnes等人也對傾斜耕作部件阻力進行了分析[2]。

國內(nèi)對馬鈴薯挖掘裝置也進行了相關(guān)的設(shè)計和研究。賈晶霞、鄧偉剛等人通過計算機輔助分析了牽引阻力與前進速度、鏟面傾角等主要影響因素的模擬試驗[2-3]；石林榕、劉寶、韓杰等人也設(shè)計了不同類型的挖掘裝置，進行了相關(guān)的數(shù)值分析[4-6]；李紫輝、呂金慶、吳海平等人對振動式馬鈴薯挖掘機進行了試驗研究[7-8]。然而，國內(nèi)在固定式馬鈴薯挖掘部件的研究上缺乏針對牽引阻力的試驗驗證，本文以固定式三角平面挖掘鏟作為研究對象，將挖掘鏟工作參數(shù)及設(shè)計、安裝參數(shù)中的前進速度、鏟面傾角、鏟刃斜角作為研究因素，設(shè)計馬鈴薯挖掘阻力測試裝置，利用田間動力學(xué)參數(shù)遙感儀進行牽引阻力測試試驗，通過單因素試驗分析各因素對牽引阻力的影響規(guī)律。同時，進行響應(yīng)面試驗，研究各因素之間的配合對牽引阻力的重要影響，進行參數(shù)優(yōu)化，得到較優(yōu)的馬鈴薯挖掘裝置設(shè)計、安裝參數(shù)和工作參數(shù)的組合，以降低牽引阻力，改善馬鈴薯挖掘裝置的工作性能，提高收獲的質(zhì)量與效率。

1　馬鈴薯挖掘阻力測試裝置

固定式三角平面挖掘鏟在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，因此將固定式三角平面鏟作為本文的研究對象，進行挖掘阻力測試裝置的設(shè)計，研究挖掘鏟鏟面傾角、鏟刃斜角及前進速度對牽引阻力的影響。馬鈴薯挖掘阻力測試裝置可以在不同的參數(shù)水平下完成對牽引阻力的測量。

1.1　結(jié)構(gòu)設(shè)計

對馬鈴薯挖掘阻力測試裝置的結(jié)構(gòu)進行分析、設(shè)計，著重對測試裝置的參數(shù)調(diào)節(jié)機構(gòu)進行設(shè)計。

國內(nèi)外大型的馬鈴薯聯(lián)合收獲機多進行單行收獲，因此本文研究的馬鈴薯挖掘阻力測試裝置主要基于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計的4SW-140型馬鈴薯挖掘機的機架進行挖掘單行的馬鈴薯挖掘裝置的設(shè)計。裝置主要由4SW-140型馬鈴薯挖掘機的機架、參數(shù)調(diào)節(jié)機構(gòu)、挖掘鏟組件、三點懸掛架及升降側(cè)板等部分組成[9]，如圖1所示。裝置的主要性能、結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.三點懸掛裝置　2.升降側(cè)板　3.機架法蘭　4.機架法蘭 5.挖掘鏟鏟片　6.鏟架　7.鏟架法蘭　8.機架

項目單位數(shù)值配套形式 三點懸掛機具外觀尺寸(長×寬×高)mm1400×1900×1340挖掘鏟結(jié)構(gòu)尺寸(鏟寬×鏟長)mm600×400結(jié)構(gòu)質(zhì)量kg310挖掘深度mm15～30挖掘行數(shù)1行鏟面傾角(°)16、20、24、28、32鏟刃斜角(°)45、50、55、60、65

其中，三點懸掛架通過牽引阻力測試傳感器與拖拉機的后懸掛裝置進行連接，利用牽引阻力測試傳感器測試挖掘鏟工作時的水平牽引力的大小，而水平牽引力為測得的上拉桿傳感器與兩懸掛銷傳感器3處水平牽引力分力矢量之和。

挖掘鏟組件包括挖掘鏟、鏟架和1組沉頭方頸螺栓。挖掘鏟可拆卸地安裝在鏟架上，通過6個沉頭方頸螺栓進行固定，可更換不同形狀的挖掘鏟進行試驗。本文通過更換鏟片的方式實現(xiàn)對固定式三角平面挖掘鏟鏟刃斜角45°、50°、55°、60°、65°的調(diào)節(jié)，并在三角平面挖掘鏟鏟片兩側(cè)焊接切土擋板，避免土壤滯留，保證含薯土壤的順暢輸送，減小壅土現(xiàn)象的出現(xiàn)。

鏟面傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)主要包括鏟架法蘭和機架法蘭。在鏟架兩端分別焊接鏟架法蘭，在鏟架法蘭上對接機架法蘭。在接觸面上，機架法蘭加工1個凸臺，鏟架法蘭加工1個凹槽，使兩法蘭便于調(diào)節(jié)。鏟架法蘭與機架法蘭通過1對六角螺栓連接組件進行連接固定和調(diào)節(jié)。鏟架法蘭與機架法蘭上分別對稱加工8個圓形通孔，根據(jù)測試需要保證兩圓心角呈一定角度，初始圓與基準(zhǔn)線之間的圓心角按需要保證一定角度。測試時，機架法蘭與機架固定，轉(zhuǎn)動兩側(cè)的鏟架法蘭，使鏟架法蘭與機架法蘭上不同的孔配對連接，可以實現(xiàn)挖掘鏟鏟面傾角16°、20°、24°、28°、32°的調(diào)節(jié)。

1.2　牽引阻力測試系統(tǒng)

測試裝置的牽引阻力由田間動力學(xué)參數(shù)遙感儀進行測量[10]。采集系統(tǒng)主要由傳感器、無線動態(tài)信號采集器、信號接收器、計算機構(gòu)成，如圖2所示。系統(tǒng)主要實現(xiàn)牽引阻力的采集及在線監(jiān)測、顯示、存儲等功能。

圖2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

試驗前，對空載狀態(tài)下的傳感器阻力進行采集，并逐漸加載檢驗傳感器的精度。完成校準(zhǔn)后，將上拉桿、左右懸掛銷連接機架的三點懸掛架與拖拉機的后懸掛裝置，并用相應(yīng)的通信線纜，連接上拉桿、左右懸掛銷與數(shù)據(jù)采集器的對應(yīng)通道接口，完成信號接收器與主機的連接，如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的安裝

2　試驗條件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集

2.1　試驗儀器設(shè)備

馬鈴薯挖掘阻力測試裝置；TYD—2型土壤堅實度測試儀(測量量程0～500N/cm2，測量深度0～450mm)；量程5m的鋼卷尺；量程20m的皮尺；量程0.5m的鋼板尺；鐵鍬；烤箱；樣品袋；精度為0.01g的電子秤。

2.2　試驗依據(jù)

試驗按照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 5262-2008農(nóng)業(yè)機械 試驗條件測定方法的一般規(guī)定》進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，按照國家標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 648-2015馬鈴薯收獲機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的試驗方法進行試驗。試驗區(qū)段包括10m穩(wěn)定區(qū)、20m測定區(qū)和停車區(qū)，機器在穩(wěn)定區(qū)和測定區(qū)內(nèi)保持工況不變。

2.3　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集

2016年10月，在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)馬鈴薯種植試驗田進行牽引阻力測試試驗，試驗田長度大于50m，地表平整，土壤為沙壤土。在試驗區(qū)內(nèi)，用五點法確定取樣點位，測量試驗區(qū)內(nèi)土壤的含水率和土壤堅實度。測量的試驗田土壤的含水率如表2所示，土壤堅實度如表3所示。

表2　試驗地不同深度的土壤含水率

表3　試驗地不同深度土壤堅實度

3　單因素試驗

3.1　試驗因素水平的確定

由固定式三角平面挖掘鏟的設(shè)計、安裝參數(shù)及牽引阻力力學(xué)模型分析，選定前進速度、鏟面傾角、鏟刃斜角作為研究因素。根據(jù)實際的工作經(jīng)驗，東風(fēng)—900型拖拉機在牽引馬鈴薯挖掘機時通常選擇慢3擋作為工作擋位，因此本次試驗考察機組在慢2、慢3、中1、慢4、中2速度下的牽引阻力。根據(jù)現(xiàn)有的挖掘鏟的設(shè)計與理論，鏟面傾角在16°～30°、鏟刃斜角在45°～65°時挖掘裝置能夠滿足收獲要求[1]，確定的因素的水平如表4所示。

表 4　試驗因素水平

3.2　單因素試驗設(shè)計

1)分析前進速度對牽引阻力的影響。通過文獻研究可知：馬鈴薯挖掘鏟在鏟刃斜角為55°、鏟面傾角24°時，壅土少、阻力較小、挖掘鏟的挖掘性能較優(yōu)。因此，選取鏟刃斜角為55°、鏟面傾角為24°，分別對5種不同的速度對應(yīng)的牽引阻力進行測試。拖拉機前進20m，重復(fù)3次采集數(shù)據(jù)，采樣間隔為0.2s，試驗后取牽引阻力的平均值，進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2)分析鏟面傾角對牽引阻力的影響。通過對馬鈴薯挖掘機試驗可知：當(dāng)工作速度為0.65m/s時，馬鈴薯挖掘機能夠保證工作性能最優(yōu)。因此，選定拖拉機的工作速度為0.65m/s、鏟刃斜角為55°，測定5種不同的鏟面傾角對應(yīng)的牽引阻力。拖拉機前進20m，重復(fù)3次采集數(shù)據(jù)，采樣間隔為0.2s，試驗后取牽引阻力的平均值，進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

3)分析鏟刃斜角對牽引阻力的影響。選定拖拉機的工作速度為0.65m/s、鏟面傾角為24°時，測量5種不同的鏟刃斜角對應(yīng)的牽引阻力。拖拉機前進20m，重復(fù)3次采集數(shù)據(jù)，采樣間隔為0.2s，試驗后取牽引阻力的平均值，進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。牽引阻力測試試驗如圖4所示。

圖4　牽引阻力測試試驗

3.3　單因素試驗結(jié)果及分析

1)前進速度對牽引阻力的影響如圖5所示。

圖5　前進速度對牽引阻力的影響

2)鏟面傾角對牽引阻力的影響如圖6所示。

圖6　鏟面傾角對牽引阻力的影響

由圖6可知：同一挖掘鏟在前進速度一定且保證農(nóng)藝要求的情況下，牽引阻力隨著鏟面傾角的增加而迅速增大。根據(jù)理論分析可知：隨著鏟面傾角的增大，挖掘鏟后端高度的增加，土垈通過挖掘鏟向后級輸送的難度增加，土壤滯留、壅土現(xiàn)象也隨之出現(xiàn)，使得牽引阻力也逐漸增大。田間試驗發(fā)現(xiàn)：鏟面傾角較小時，土垡沿鏟面向后方滑出流暢；鏟面傾角較大時，少量土壤出現(xiàn)滯留現(xiàn)象；當(dāng)鏟面傾角為32°時，土垡能順利通過挖掘鏟，出現(xiàn)較嚴(yán)重的土壤壅積現(xiàn)象，此時牽引阻力也最大。

3)鏟刃斜角對牽引阻力的影響如圖7所示。

圖7　鏟刃斜角對牽引阻力的影響

在挖掘鏟的鏟面傾角、前進速度一定的情況下，通過更換挖掘鏟鏟片的方式測量鏟刃斜角為45°、50°、55°、60°、65°時的牽引阻力，結(jié)果表明：鏟刃斜角為50°和55°時，牽引阻力相對較小；隨著鏟刃斜角增大到60°、65°或者減小到45°時，牽引阻力增大。根據(jù)相關(guān)的理論研究可知：隨著鏟刃斜角的增大，滑切能力減弱且挖掘鏟上土壤的質(zhì)量增加，使?fàn)恳枇υ龃螅浑S著鏟刃斜角的減小，鏟刃長度的增加，失效面面積增加，摩擦阻力增加，使?fàn)恳枇υ龃骩11]。田間試驗發(fā)現(xiàn)：鏟刃斜角為45°、60°和65°時，鏟面上的土壤高度明顯大于鏟刃斜角為50°和55°時鏟面上的土壤高度。

4　參數(shù)優(yōu)化

4.1　響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

通過單因素試驗可知：拖拉機的前進速度、挖掘鏟的鏟面傾角及鏟刃斜角對挖掘裝置的牽引力均有較大影響。因此，根據(jù)Box-Behnken組合設(shè)計原理，以牽引阻力作為試驗指標(biāo)，利用Design-Expert軟件設(shè)計3因素3水平的響應(yīng)面試驗。其中，12組為析因點，5組為0點，以估計誤差。因素水平編碼如表5所示，試驗方案與結(jié)果如表6所示。

表5　因素水平編碼表

表6　試驗方案與結(jié)果

續(xù)表6

4.2　響應(yīng)面試驗結(jié)果分析

4.2.1方差分析

經(jīng)軟件處理后，得出關(guān)于牽引阻力的方差分析結(jié)果，如表7所示。該模型的F值為369.53，P<0.000 1，說明該模型極顯著；而失擬項的P值檢驗結(jié)果不顯著(P=0.1202>0.05)，說明方程在選擇的參數(shù)范圍內(nèi)擬合程度較好。對表7的數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，將不顯著項剔除后得到牽引力對編碼自變量的二次多元回歸方程為

y=3998.60+495.63A+508.13B+

204.25C+107.25AB+1027.07B2

由表7方差分析結(jié)果可知：因子A、B、C、AB和B2為影響顯著項，因子A、B、C、B2為非常顯著項。單因素和因素間的交互作用對牽引阻力的影響顯著性排序為：B2、B、A、C、AB。

表7　牽引阻力的方差分析

續(xù)表7

4.2.2各因素交互作用響應(yīng)面分析

運用響應(yīng)面法研究各因素對牽引阻力的影響，將3因素中的1個因素固定為零水平，分析其他2個因素對牽引阻力的影響。

1)鏟面傾角和鏟刃斜角對牽引力的影響(見圖8)。固定前進速度為0.65m/s，得到鏟刃斜角和鏟面傾角與牽引力的回歸方程為

y=3998.60+495.63A+508.13B+

107.25AB+1027.07B2

圖8　鏟刃斜角和鏟面傾角對牽引力影響的響應(yīng)曲面

inclination angle of the shovel on traction

在鏟面傾角的同一水平下，鏟刃斜角為50°～55°時，牽引阻力較小；隨鏟刃斜角的增加或減小，挖掘阻力都將增加。由表7可知：鏟面傾角對挖掘阻力的F值為736.053 8，鏟刃斜角對挖掘阻力的F值為773.649 5。因此，鏟面傾角對挖掘阻力的影響小于鏟刃斜角對挖掘阻力的影響，且鏟面傾角和前進速度對牽引力的影響有交互作用。

2)鏟面傾角和前進速度對牽引阻力的影響(見圖9)。調(diào)整鏟刃斜角為55°，得到鏟面傾角和前進速度與牽引力的回歸方程為

y=3998.60+495.63A+204.25C

在鏟面傾角的同一水平下，牽引阻力隨著前進速度的增加而增大，增加趨勢相對緩慢；在前進速度的同一水平下，牽引阻力隨著鏟面傾角的增加而迅速增大，且上升趨勢基本穩(wěn)定。由表7和圖9可知：鏟面傾角對牽引阻力的影響大于前進速度對牽引阻力的影響，鏟面傾角和前進速度對牽引阻力的影響無交互作用。

圖9　鏟面傾角和前進速度對牽引力影響的響應(yīng)曲面

3)鏟刃斜角和前進速度對牽引阻力的影響(見圖10)。調(diào)整鏟面傾角為24°，得到鏟刃斜角和前進速度與牽引阻力的回歸方程為

y=3998.60+508.13B+204.25C+1027.07B2

圖10　鏟刃斜角和前進速度對牽引力影響的響應(yīng)曲面

在前進速度的同一水平下，鏟刃斜角在零水平附近時，牽引阻力相對較小；隨著鏟刃斜角角度的增大或減小，牽引阻力都將增加；在鏟刃斜角的同一水平下，牽引阻力隨著前進速度的增加而增大，且上升趨勢基本穩(wěn)定。根據(jù)表7可知：前進速度對挖掘阻力的F值為125.005，鏟刃斜角對挖掘阻力的F值為773.649 5。因此，鏟刃斜角對牽引阻力的影響大于前進速度對牽引阻力的影響，鏟刃斜角和前進速度對牽引力影響的交互作用不明顯。

4.3　參數(shù)優(yōu)化

以滿足挖掘深度的情況下盡可能減小挖掘阻力、提高工作效率作優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)田間試驗選擇鏟刃斜角的最佳范圍為50°～55°。利用Design-expert軟件中的響應(yīng)面分析法，對得到的二次多項式回歸方程進行優(yōu)化[13]，得到的優(yōu)化方案與試驗驗證結(jié)果如表8所示。

根據(jù)最佳的優(yōu)化方案，并考慮實際情況，在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田進行試驗。選擇鏟面傾角20°、鏟刃斜角55°、前進速度0.8m/s，重復(fù)10次采集數(shù)據(jù)，得到牽引阻力的平均值為3 852N，相對誤差為6.97%。這些數(shù)值驗證了回歸模型的準(zhǔn)確性，表明了優(yōu)化結(jié)果的正確性。

表8　優(yōu)化方案及試驗驗證

5　結(jié)論

1)試驗研究了前進速度、挖掘鏟鏟面傾角、鏟刃斜角對馬鈴薯挖掘部件牽引阻力的影響，結(jié)果表明：牽引阻力隨著前進速度的增大而逐漸增大，增長趨勢穩(wěn)定且緩慢；挖掘鏟鏟面傾角為16°～32°時，牽引阻力隨著鏟面傾角的逐漸增加而迅速增大；鏟刃斜角為50°～55°時牽引阻力較小。

2)設(shè)計并進行關(guān)于牽引阻力的響應(yīng)面試驗，通過方差分析發(fā)現(xiàn)：各因素對牽引阻力的影響顯著性順序依次為鏟刃斜角、鏟面傾角及前進速度。各因素交互作用的響應(yīng)面分析結(jié)果表明：鏟面傾角和前進速度對牽引力的影響具有交互作用；鏟面傾角和前進速度對牽引阻力的影響無交互作用；鏟面傾角和前進速度對牽引阻力影響的交互作用不明顯。

3)通過優(yōu)化，并根據(jù)實際情況得到牽引阻力的最佳的工作參數(shù)組合為：鏟面傾角20°，鏟刃斜角55°，前進速度0.8m/s。在上述工作參數(shù)的下進行驗證試驗，得到的牽引阻力為3 852N。