麻山藥收獲機振動松土裝置的設計

邢 旭，秦 禎，曹少波，馮曉靜

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

0 引言

山藥在我國種植廣泛，主要產于河南、河北、山東、江蘇、湖北、安徽、山西及福建等地[1]。目前，麻山藥收獲仍以人工為主，收獲機械化水平較低，勞動強度大、費工費時及生產成本過高使其生產受到很大限制，嚴重影響了麻山藥的規模化種植，影響種植者的經濟收入和產業發展[2]。雖然已有部分地區采用開溝機收獲麻山藥，但只是用于挖溝，依舊需要人力參與挖掘、撿拾和擺放等作業，機械化程度相對較低[3]。因此，麻山藥收獲機械化對于提高工作效率減少勞動強度至關重要。麻山藥收獲機的振動松土作業是麻山藥收獲機工作的重要環節，振動松土裝置是麻山藥收獲機的核心裝置，其結構參數和運動參數對挖掘阻力、麻山藥根莖損傷、人工出土勞動強度有較大影響。為此，設計了麻山藥收獲機振動松土裝置，并進行了參數優化。

1 振動松土裝置的結構與原理

1.1 振動松土裝置的結構

麻山藥收獲機振動松土裝置是該收獲機的關鍵部分，直接影響麻山藥收獲機的損傷率[4]。振動松土裝置主要包括機架、偏心輪、振動擺臂、麻山藥撥土輪和振動松土鏟，如圖1所示。

1.機架 2.從動鏈輪 3.動力傳輸軸 4.偏心輪 5.振動傳遞連桿 6.碎土輪 7.振動松土鏟圖1 振動松土裝置結構示意圖Fig.1 Vibration device structure diagram

1.2 振動松土裝置的工作原理

麻山藥收獲機振動松土機構的動力由液壓泵通過液壓馬達提供，通過節流閥加溢流閥來控制液壓馬達的轉速。液壓馬達動力輸出軸通過鏈傳動帶動偏心輪轉動，偏心輪通過振動傳遞連桿使松土鏟上下往復振動，實現振動松土裝置對土壤的疏松。通過改變偏心輪的偏心距來調節振動松土裝置的振幅，改變偏心輪的轉速來調節轉動振動松土裝置的轉動頻率。

2 振動松土裝置的三維建模及運動仿真

2.1 振動松土裝置的主要參數

影響振動松土裝置牽引阻力和功耗及麻山藥的收獲質量的影響因素主要有：偏心輪的偏心距e、偏心輪的轉速n，以及振動松土鏟的尺寸、開溝裝置切削深度和傳輸連接桿的長度等。偏心距過大過小都會影響工作質量，選定偏心距e初始值為30、40、50mm進行仿真分析。振動松土鏟的尺寸也會影響振幅，且振動松土鏟的長度太大，會加大阻力和功耗，故振動松土鏟長設定為300mm，寬為250mm。

麻山藥收獲機工作時，鏈刀開溝裝置切削深度為1 000mm，而振動松土鏟在地下900mm處上下振動松土，鏈刀開溝裝置開溝深度要比振動松土裝置的工作深度大100mm：如果小于100mm，振動松土鏟工作時，可能碰到沒有疏松的硬土層；如果大于100mm，鏈刀開溝裝置會增加功耗。因此，振動松土鏟的振幅要小于80mm，振幅過大會將麻山藥擠壓振斷或者使麻山藥破損。

振動松土裝置的動力由液壓馬達經過鏈條傳遞到動力傳輸軸上，動力傳輸軸和偏心輪是通過鍵連接，動力再經過動力傳輸連接桿傳遞到振動松土鏟上，動力傳遞連桿的長短決定著振動松土鏟工作的深度，設計動力傳輸連接桿的長度為1 530mm。

2.2 振動松土裝置的三維建模

首先利用SolidWorks軟件將麻山藥振動松土裝置進行三維建模，并進行干涉檢查。振動松土裝置的三維模型和干涉檢查如圖2所示。

圖2 振動松土裝置的三維模型和干涉檢查Fig.2 The three dimensional modal and interference checking of vibration device

2.3 模型導入以及分析前處理

將建立的振動松土裝置三維模型轉換成Para solid中間格式(X_T)，導入ADAMS軟件中進行運動仿真分析。振動松土機構仿真模型如圖3所示。

圖3 振動松土機構仿真模型Fig.3 The simulation model of vibration mechanism

在ADAMS軟件中，定義麻山藥收獲機的前進速度為3m/min，參考牛蒡收獲機偏心輪以540r/min的轉速轉動[5]，將偏心輪的偏心距分別在30、40、50mm情況下進行仿真分析。

2.4 機構運動特性仿真分析

對鏟尖和鏟尾的位移、角速度和角加速度進行仿真分析。設置仿真時間End time=1s，分析步長step=500。偏心輪的偏心距為30mm時，仿真結果如圖4～圖7所示。

圖4 鏟尖的振幅變化Fig.4 The amplitude of front changes

圖5 鏟尾的振幅變化Fig.5 The amplitude of back changes

由圖4和圖5可知：當偏心輪的偏心距為30mm時，鏟尖的振幅為16mm，鏟尾的振幅為36mm，曲線為三角函數趨勢，符合振動松土裝置實際工作狀態。

圖6 鏟尖的角速度Fig.6 The angular velocity of front shovel

圖7 鏟尖的角加速度Fig.7 The angular acceleration of front shovel

由圖6可知：當偏心輪的偏心距為30mm時，振動松土鏟鏟尖的角速度峰值為320rad/s。

由圖7可知：當偏心輪的偏心距為30mm時，鏟尖的角加速度峰值為53 000rad/s2。

偏心輪的偏心距為40mm時仿真結果，如圖8～圖11所示。

圖8 鏟尖的振幅變化Fig.8 The amplitude of front changes

圖9 鏟尾的振幅變化Fig.9 The amplitude of back changes

圖10 鏟尖的角速度Fig.10 The angular velocity of front shovel

由圖8和圖9可知：當偏心輪的偏心距為40mm時，鏟尖的振幅為26.5mm，鏟尾的振幅為44.5mm。曲線為三角函數趨勢，符合振動松土裝置實際振動工作狀態。

由圖10可知：當偏心輪的偏心距為40mm時，振動松土鏟鏟尖的角速度峰值為400rad/s。

圖11 鏟尖的角加速度Fig.11 The angular acceleration of front shovel

由圖11可知：當偏心輪的偏心距為40mm時，鏟尖的角加速度峰值為24 000rad/s2。

偏心輪的偏心距為50mm時仿真結果如圖12～圖15所示。

圖12 鏟尖的振幅變化Fig.12 The amplitude of front changes

圖13 鏟尾的振幅變化Fig.13 The amplitude of back changes

由圖12和圖13可知：當偏心輪的偏心距為50mm時，鏟尖的振幅為35.8mm，鏟尾的振幅大約為53mm，曲線為三角函數趨勢，符合振動松土裝置實際振動工作狀態。

由圖14可知：當偏心輪的偏心距為50mm時，振動松土鏟鏟尖的角速度峰值為490rad/s。

由圖15可知：當偏心輪的偏心距為50mm時，鏟尖的角加速度峰值為30 000rad/s2。

圖14 鏟尖的角速度Fig.14 The angular velocity of front shovel

圖15 鏟尖的角加速度Fig.15 The angular acceleration of front shovel

經過仿真模擬后，分別對比偏心輪的偏心距在30、40、50mm情況下振動松土裝置的振幅、振動松土鏟鏟尖角加速度的曲線，根據曲線可以得出偏心輪的偏心距、鏟末端的振幅和鏟尖角加速度參數分析表，如表1所示。

表1 偏心距、振幅、鏟尖角加速度分析表Table 1 Eccentricity，amplitude，angular acceleration analysisTable

當偏心輪的偏心距為30、40、50mm時，3個振幅都能滿足振幅小于80mm的要求。從振幅的角度考慮，可以看出當偏心距為50mm時的振幅最大，為53mm，振幅最優；其次是振幅為44.5mm，最后是振幅為36mm。從振動松土鏟鏟尖的角加速度峰值考慮，當偏心距為30mm時，鏟尖角加速度為18 700rad/s2；當偏心距為40mm時，鏟尖角加速度為24 000rad/s2；當偏心距為50mm時，鏟尖角加速度為30 000rad/s2。從振動松土鏟的振幅和鏟尖角加速度兩個方面綜合考慮，選擇偏心輪的偏心距為50mm最佳。當偏心距為50mm時，振動松土鏟的振幅為53mm，角加速度為30 000rad/s2。

當偏心輪的偏心距為50mm時，鏟末端在振動傳遞連桿方向上的加速度曲線如圖16所示。由圖16可知：振動松土鏟末端在上下擺動過程中，最大加速度為1.75E+005mm/s2。

圖16 鏟末端在振動傳遞連桿方向的加速度Fig.16 The acceleration of the shovel tip in the direction of the vibration transmission link

3 振動松土裝置的田間試驗

3.1 試驗條件

試驗地址選在河北省保定市蠡縣孫莊的麻山藥種植區，在試驗田內選擇一塊地勢較為平坦的地作為試驗的試驗區，按照機組試驗方案要求，在試驗前對實驗區進行規劃[6]。該試驗區長度300m，寬度20m，土壤為壤土，試驗對象為麻山藥中的“紫藥”品種，預設麻山藥收獲機的開溝深度為1 000mm。

試驗現場麻山藥收獲機的作業效果如圖17所示。機器作業后，土壤疏松，人工拔出麻山藥輕松省力。

圖17 麻山藥收獲機作業效果Fig.17 The operation effect of yam harvester

3.2 作業性能指標測定

通過麻山藥收獲機田間試驗，測試麻山藥收獲機振動松土裝置的作業效果，檢測損傷率、折斷率和破損率。

機器作業后，按每30m選一個點測算，總共選取10個測點，在每個測試點隨機選取20棵麻山藥根莖進行檢測。采用人工輔助提拉撿拾的方式，收集試驗的麻山藥，檢測點的位置應避開地邊和地頭；計算每點收獲的麻山藥總數，從中挑出折斷的和破損的麻山藥，試驗結果如表2所示。有

(1)

(2)

式中TZ—折斷率(%)；

TP—破損率(%)；

W—收獲的麻山藥的總棵數；

WZ—收獲的麻山藥中折斷的麻山藥的棵數；

WP—收獲的麻山藥中破損的麻山藥的棵數。

表2 根莖折斷率調查表Table 2 The breaking rate of root survey Table

根據表2的數據，分別按照式(1)、式(2)計算折斷率和破損率，可以計算出根莖折斷率為1%、根莖破損率為2.5%、根莖的損傷率為3.5%，滿足企業標準總損傷率低于5%的要求。

4 結論

1)運用ADAMS軟件對機組前進速度、偏心輪轉動速度和偏心距進行運動仿真分析，結果表明：機組前進速度為3m/min、偏心輪轉動速度為540r/min、偏心距為50mm時性能最優。

2)試驗表明：機器作業后，土壤疏松，人工拔出麻山藥輕松省力，大大提高了作業效率，降低了輔助勞動強度。

3)田間試驗結果表明：人工拔出根莖輕松省力，根莖的損傷率為3.5%，滿足企業標準《Q /JL001-2016麻山藥收獲機》[7]相關要求。