大蔥收獲機(jī)挖掘阻力的理論與試驗研究

王 超,楊 勇,寇天鑫,侯 鑠,胡國放

(青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車學(xué)院,山東 青島 266520)

0 引言

目前,大蔥收獲裝備主要分為人工收獲和機(jī)器收獲兩種:人工收獲費時費力,效率低下[1];機(jī)器收獲裝備研究仍處于起步階段,實際的應(yīng)用性還需要再進(jìn)一步驗證。大蔥在整個收獲過程中,挖掘是最重要的部分,大蔥收獲機(jī)挖掘阻力的研究對大蔥收獲機(jī)設(shè)計具有十分重要的作用。挖掘阻力是反映大蔥收獲機(jī)作業(yè)性能的主要參數(shù)之一, 也是進(jìn)行工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度計算的依據(jù)。由于涉及的因素較多, 對挖掘阻力的分析和計算十分復(fù)雜, 傳統(tǒng)的方法是根據(jù)經(jīng)驗選擇適當(dāng)?shù)墓r進(jìn)行分析, 具有很大的主觀性, 不能從理論上確定最危險的工況, 也對大蔥收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整機(jī)的可靠性構(gòu)成了潛在的威脅。因此, 有必要對大蔥收獲機(jī)挖掘阻力進(jìn)行深入研究。

目前,國內(nèi)外對于大蔥收獲機(jī)挖掘阻力的研究還比較少,已有研究主要集中于土壤阻力的檢測及其他農(nóng)作物(如花生馬鈴薯等)的挖掘力檢測方面。Wells L G等人[6]設(shè)計了一種土壤阻力測試設(shè)備,通過連接在拖拉機(jī)后懸掛的測試刀來測試土壤阻力。該測試機(jī)構(gòu)原理簡單可行,但是適用范圍低,僅適用于深松鏟測力,對于挖掘鏟來說不具備可行性。趙占軍等人[7]設(shè)計了一種土壤阻力連續(xù)測試設(shè)備,原理上有一定的可行性,但在力的測試過程中存在轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、誤差積累大等問題,且該機(jī)構(gòu)無法應(yīng)用到農(nóng)作物挖掘鏟的測力中。楊然兵等人[8]研發(fā)了一種專用于花生的土壤挖掘阻力測試系統(tǒng),通過連桿及滑塊將土壤阻力轉(zhuǎn)化后再進(jìn)行測力,但在測力過程中由于連桿和滑塊等中間機(jī)構(gòu)的累加消耗導(dǎo)致測力結(jié)果與實際阻力值有較大的誤差。夏擁軍等人[9]采用在深松鏟鏟面貼電阻應(yīng)變片的方法進(jìn)行土壤測力。該方法相對比較以前的測力方法而言,土壤中直接測力的測試結(jié)果比較準(zhǔn)確,但在復(fù)雜的土壤環(huán)境中采用電阻應(yīng)變片測力,受到石塊土塊作用時,測力結(jié)果不可靠。

針對大蔥收獲機(jī)挖掘阻力難以測試問題,采用理論建模與試驗測試相結(jié)合的方法進(jìn)行了深入研究,以期獲得科學(xué)的大蔥收獲機(jī)挖掘阻力及其規(guī)律曲線,為大蔥收獲機(jī)的設(shè)計及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 挖掘阻力的理論分析

1.1 挖掘阻力數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

挖掘機(jī)理是從作物的角度看待作業(yè)過程,即挖掘鏟切削土壤;當(dāng)挖掘鏟切削土壤時挖掘阻力的一部分來源于切削作用,另一部分來源于挖掘鏟與土壤的相對運動[10]。對挖掘鏟的受力分析,如圖1所示。

圖1 挖掘鏟受力分析

水平方向上的受力為

F0=N0sinα+μN(yùn)0cosα+kbcosα+CaA0cosα

(1)

式中F0—牽引力(N);

μ—土壤與挖掘鏟之間的摩擦因數(shù);

N0—法向載荷(N);

k—單位寬度土壤純切削阻力(N/m);

b—挖掘鏟寬度(m);

Ca—土壤與挖掘鏟之間的附著力因數(shù)(N/m2);

A0—挖掘鏟面積(m2);

α—挖掘鏟入土傾角(°)。

考慮到大蔥的實際種植環(huán)境無較大的土塊與較硬的石塊,不存在刀口變鈍的情況,所以可以將切削阻力忽略。由作用力與反作用力機(jī)理,得到無切削阻力的土壤阻力[11-12]為

W=N0sinα+μN(yùn)0cosα+CaA0cosα

(2)

1.2 挖掘阻力的動力學(xué)分析

對大蔥收獲機(jī)挖掘鏟所作用的土壤進(jìn)行動力學(xué)分析(見圖2),豎直方向可得

G-N0(cosα-μsinα)-N1(cosα-μ′sinα)+
(CA1+F1)sinβ+CaA0sinα=0

(3)

水平方向為

N0(sinα+μcosα)-N1(sinβ+μ′sinα)+
(CA1+F1)sinβ+CaA0sinα=0

(4)

式中G—土壤重力(N);

N1—前失效面法向載荷(N);

μ—土壤內(nèi)摩擦因數(shù)(μ′=tanφ);

φ—內(nèi)摩擦角(°);

A1—土壤剪切面積(m2);

C—土壤內(nèi)聚力(N/m2);

F1—單位面積土壤慣性力(N)。

由式(3)和式(4)解得N0,代入式(2)得

(5)

令

(6)

則

(7)

式(7)中的土壤重力G和慣性力F1未知,現(xiàn)對其分析,如圖3所示。

圖 2 對挖掘鏟動力學(xué)分析

圖3 對挖掘土壤的幾何分析

由圖3中的幾何關(guān)系可知,梯形面積乘以土塊厚度即土塊體積,則有

(8)

式中l(wèi)—鏟長(m);

ρ—土壤濕容重(kg/m3);

d—耕深(m);

β—前失效面傾角(°)。

由圖2和圖3得到剪切面積為

(9)

由牛頓第二定律和速度三角形求得

(10)

式中v0—大蔥收獲機(jī)前進(jìn)速度(m/s)。

則

(11)

化簡得

(12)

(13)

2 嵌入式挖掘阻力測試技術(shù)與系統(tǒng)

2.1 一種嵌入式土壤阻力測試機(jī)構(gòu)的設(shè)計

為克服傳統(tǒng)根莖類作物挖掘力存在測試構(gòu)件多、力傳遞誤差大等不足,創(chuàng)新設(shè)計了嵌入式連續(xù)土壤阻力測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由機(jī)械部分(挖掘鏟、受力片、固定架子和固定架子薄板)、傳感器部分(紐扣式傳感器、數(shù)字模塊、電源模塊以及穩(wěn)壓模塊)和信號采集與處理軟件(第三方軟件傳感器數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng))組成,如圖4所示。在挖掘鏟的內(nèi)部設(shè)置凹槽,安裝紐扣式傳感器,上面覆蓋受力薄片,紐扣式傳感器的力傳感觸頭與受力薄片接觸;挖掘鏟的四周覆蓋受壓可變形的彈形材料,在整個嵌入式測試挖掘鏟的四周用定位夾子固定,定位夾子的一端貫穿入定位夾子固定薄片中,定位夾子固定薄片安裝在受力薄片上,定位夾子另外一端通過定位夾子緊固螺釘緊固到挖掘鏟背面。這樣就保證了在測試過程中,當(dāng)受力薄片受到土壤阻力時,與受力薄片接觸的彈性材料會發(fā)生壓縮變形,此時傳感器觸頭就受到土壤阻力作用,開始產(chǎn)生力信號,從而實現(xiàn)對土壤阻力的采集工作。

1.受力薄片 2.彈性材料 3.挖掘鏟 4.定位銷 5.定位螺釘 6.定位夾子 7.定位夾子固定薄片

2.2 嵌入式挖掘阻力測試原理

本測試系統(tǒng)在挖掘鏟內(nèi)部設(shè)置了一個直徑32mm、深度為13.5mm的凹槽用來放置紐扣式傳感器,傳感器觸頭部分(約3.5mm)高出挖掘鏟,觸頭與受力片直接接觸。為了保證受力片在測力過程中的平衡性,也為了保證在測力過程中防止由傳感器觸頭帶來的空隙而導(dǎo)致的測力過程中土壤進(jìn)入,在間隙的四周填充可變形的彈性材料,實現(xiàn)了密封性和平衡性的兩個功能要求。測試過程中,由于受到土壤阻力作用,會導(dǎo)致受力薄片沿土壤力作用方向下移,由于定位夾子的一端貫穿入定位夾子固定薄片中,定位夾子不會沿土壤力方向下移,而相對于定位夾子中受壓力可活動的定位夾子固定薄片會下移。定位夾子的另一端通過定位夾子緊固螺釘緊固到挖掘鏟背面,再加上定位螺釘定位銷的作用,避免了嵌入式測試挖掘鏟在測試過程中發(fā)生零件脫落的情況,保證了測力的穩(wěn)定性。

2.3 嵌入式土壤阻力測試系統(tǒng)信號采集

本裝置設(shè)計出了一種借助紐扣式傳感器進(jìn)行連續(xù)土壤阻力的測量系統(tǒng),并在挖掘鏟的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn),用精簡的機(jī)架連接,操作簡單。測力信號流程如圖5所示。在挖掘鏟的內(nèi)部設(shè)置凹槽,紐扣式傳感器置于凹槽中,傳感器觸頭高于挖掘鏟平面,上面覆蓋有受力薄片,四周用固定夾子固定;另外,在紐扣式傳感器的后端連接有數(shù)字模塊,對土壤力的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化,作用是保證輸出的電壓在12～24V之間,輸出電流不大于1A,從而保證對數(shù)字模塊不會造成損壞。本裝置采用的是紐扣式傳感器,尺寸為32mm(最大直徑)×13.5mm(最大厚度),傳感器采集的信號經(jīng)過RS485轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線與電腦端連接,即實現(xiàn)了整個信號的采集過程。電腦端安裝有土壤阻力信號的采集軟件,并以EXCEL表格的形式進(jìn)行保存,方便以后對試驗數(shù)據(jù)的讀取。

1.電源模塊 2.穩(wěn)壓器 3.傳感器 4.數(shù)字模塊 5.數(shù)據(jù)線 6.電腦

2.4 試驗條件和裝置

如圖6所示:借助于翻耕農(nóng)機(jī)具,將測試挖掘鏟通過一塊固定連接板用螺栓連接到鏟托上,且通過調(diào)節(jié)鏟柄上的深度螺栓調(diào)節(jié)挖掘入土深度;通過調(diào)節(jié)挖掘鏟行駛角度螺栓,保證挖掘鏟在測試過程中平穩(wěn)入土;通過調(diào)節(jié)固定連接板的厚度及螺栓角度保證測試入土角度為20°。

圖6 測力機(jī)構(gòu)的安裝

試驗地點土質(zhì)為沙土,使用的動力輸出設(shè)備是農(nóng)用手扶拖拉機(jī)。將嵌入式挖掘測力機(jī)構(gòu)通過螺栓連接的方式連接到土壤耕作部件上,其他的測試設(shè)備包括卷尺、鋼尺、環(huán)刀、鋁盒和秒表等。

3 挖掘阻力試驗研究

3.1 測試地土壤物理屬性的檢測

對挖掘阻力的測量,土壤的物理屬性是尤為關(guān)鍵的因素,選取特定試驗田對土壤物理參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)測試,測力過程如圖7所示。試驗地點在青島市黃島區(qū)張家樓鎮(zhèn)的西南田地,土地類型為沙瓤土,為空閑農(nóng)田,土質(zhì)較為疏松,適合測試,如圖8所示。

圖7 測力過程

圖8 測試農(nóng)田

考慮到測試農(nóng)田的面積尺寸大小,在農(nóng)田的中間地帶,選取一塊測試地,并插入地標(biāo)旗標(biāo)識。在對農(nóng)作物與土壤之間的力學(xué)關(guān)系研究中,土壤含水率、土壤容重、土壤硬度尤為重要,所以對以上3個土壤特性參數(shù)的測定作為影響土壤物理特性的重要指標(biāo)。

分別從測試農(nóng)田的四角及中間5個點進(jìn)行多次重復(fù)取樣測試,利用手持式土壤硬度儀測量其土壤硬度,用干燥法測試其含水率,用環(huán)刀法測試其土壤容重。測量結(jié)果如表1所示。

表1 土壤物理參數(shù)

由表1可知:由于手持式土壤硬度測試儀選取測試點的隨機(jī)性,偏差相對較大,而土壤含水率和土壤容重偏差相對較小。

針對試驗地土壤物理參數(shù)的檢測,經(jīng)過相關(guān)的計算及對相關(guān)文獻(xiàn)的查詢,確定有關(guān)挖掘阻力公式的相關(guān)參數(shù),計算求得挖掘阻力的理論數(shù)值。

在試驗過程中,對挖掘深度0.15、0.25、0.35m和3種挖掘速度分別為0.35、0.6、1.14m/s進(jìn)行交叉試驗,通過實際測得的土壤挖掘阻力與理論數(shù)值進(jìn)行比較,以驗證此力學(xué)模型的準(zhǔn)確度。

3.2 試驗方法

試驗田為長100m、寬100m的耕種土地,考慮到從挖掘鏟入土到平穩(wěn)運行需要一定的時間,所以規(guī)定前20m為入土非穩(wěn)定區(qū);考慮到挖掘鏟的出土過程也需要一定時間,所以規(guī)定后20m為出土穩(wěn)定區(qū)。為了保證試驗的可靠性及試驗的可信度,采取了以挖掘深度和作業(yè)速度為試驗變量的交叉試驗,并對同一挖掘深度及挖掘速度進(jìn)行多次試驗,驗證力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。圖9為典型的測試曲線,圖10為誤差波動曲線。

圖9 試驗過程中的阻力曲線圖

圖10 誤差波動

表2是9組根據(jù)不同挖掘速度及不同挖掘深度設(shè)計的交叉試驗結(jié)果。考慮到由于紐扣式傳感器采集信號頻率過快(可達(dá)到80～100次/min)及在測試階段中由于破土區(qū)域和出土區(qū)域的信號不穩(wěn)定情況,在此對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化處理;首先,由于信號采集頻率過快,所以在等時間區(qū)域內(nèi)選取有代表性的土壤阻力數(shù)值來進(jìn)行計算及繪圖;其次,由于入土區(qū)域和破土區(qū)域的存在,僅對中間的穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行平均值計算,以此代表該測試深度和挖掘測試速度下的土壤阻力實際值。

表2 試驗結(jié)果

從表2數(shù)據(jù)及圖10可以看出:用該嵌入式土壤挖掘阻力測試機(jī)構(gòu)對土壤力模型進(jìn)行驗證時,存在較小的誤差。存在的原因可能是因為田間試驗環(huán)境的復(fù)雜性及土壤的關(guān)鍵物理參數(shù)(如土壤硬度等)測量時的不穩(wěn)定性和某些測試的不可控因素導(dǎo)致;該土壤阻力測試裝置由于定位夾子固定薄片及定位夾子會承受一部分的土壤阻力,而該部分的土壤阻力沒有直接作用到受力薄片上,所以導(dǎo)致實際測試阻力值略小于理論的計算值。整體上來說,該嵌入式連續(xù)性土壤阻力測試機(jī)構(gòu)還是較為準(zhǔn)確地測試出土壤阻力的數(shù)值,也對此力學(xué)模型進(jìn)行了相對準(zhǔn)確的驗證。

3.3 挖掘力分析

圖11為最大挖掘深度和最大挖掘速度下的土壤阻力關(guān)系,由圖11可以看出:土壤阻力隨著挖掘深度和挖掘速度的增加而逐漸增大,且挖掘深度對挖掘阻力的影響比挖掘速度對挖掘阻力的影響大得多。

(a)

4 結(jié)論

1)采用理論建模和嵌入式測試技術(shù)對大蔥收獲機(jī)挖掘阻力進(jìn)行了研究。通過對大蔥挖掘鏟的受力分析及對挖掘土壤的動力學(xué)分析,研究了土壤附著力對挖掘過程的影響并建立了挖掘阻力數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行了不同挖掘速度和挖掘深度下的挖掘阻力測試試驗,并將挖掘阻力理論結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較分析,二者趨于一致,表明對挖掘阻力的研究是正確的。

2)創(chuàng)新設(shè)計了嵌入式連續(xù)挖掘阻力測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)與其他土壤阻力測試裝置有明顯不同,在土壤中直接測力使得測試數(shù)值更加準(zhǔn)確,更具可信度。

3)研究表明:挖掘深度對挖掘阻力的影響程度比挖掘速度對挖掘阻力的影響程度大得多。該結(jié)論對大蔥收獲機(jī)挖掘部件的優(yōu)化分析起到非常重要的作用,對提高大蔥收獲機(jī)的收獲效率和合理的優(yōu)化挖掘鏟結(jié)構(gòu)及挖掘入土深度均有指導(dǎo)作用。

4)由于挖掘阻力測試機(jī)構(gòu)的定位夾子固定薄片與定位夾子之間的摩擦作用,以及定位夾子和定位銷也會承受一部分的土壤阻力,從而導(dǎo)致實際測得的土壤挖掘阻力數(shù)值與計算得到的理論數(shù)值存在偏差,后續(xù)還需對該嵌入式土壤阻力測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。