馬鈴薯振動挖掘裝置的性能試驗研究

李亮亮,李亞萍,蒙賀偉,坎 雜,戚江濤,劉 瀟,鄧一剛

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000;2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,新疆 石河子 832000)

0 引言

馬鈴薯已經(jīng)成為了全球第四大主糧產(chǎn)物,隨著科學技術(shù)的不斷進步,馬鈴薯機械化收獲技術(shù)也在日新月異。我國馬鈴薯收獲機主要以中小型的收獲機為主,而中小型收獲機目前普遍存在挖掘阻力大,功耗高、效率低等問題,因此國內(nèi)外相關研究學者進行了大量的相關研究。例如,設計合理的犁體曲面,仿生地下活動的生物進行切削土壤。除此之外,振動挖掘技術(shù)也是一項降低土壤挖掘阻力的方式,近年來得到了迅速的發(fā)展,有相關學者已經(jīng)將超聲波技術(shù)應用在振動挖掘上面,且降阻明顯。因此,部分小型馬鈴薯挖掘鏟由固定式挖掘鏟轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝邮酵诰蜱P,可以在一定程度上減少挖掘阻力,實現(xiàn)減阻降耗。

近年來,國內(nèi)外對馬鈴薯振動挖掘技術(shù)開展了相關研究,Nidal H．Abu-Hamdeh從改善農(nóng)業(yè)土壤狀況的前提出發(fā),設計了具有超聲波振動的耕作犁具。該機具的振動由電壓控制的振蕩器產(chǎn)生,振動頻率的范圍為20kHz～2GHz,試驗得出,當振動頻率接近土壤固有頻率時,降阻效果明顯[1]。Soeharsono對自激振動下的土壤耕作機具進行了分析研究,建立了一個基于振動角度的單自由度振動模型[2],該模型下,只有當發(fā)生共振時,才會實現(xiàn)阻力減小。石林榕等人設計了由偏心輪連接搖臂,搖臂帶動擺臂繞中心線來回擺動實現(xiàn)振動挖掘,并且進行試驗,獲得了挖掘阻力影響因素[3]。廖敏等人設計了垂直于切削方向的馬鈴薯振動挖掘,并進行了有限元仿真[4]。顏兵兵在對深根中藥收獲機振幅調(diào)節(jié)機構(gòu)和振動挖掘鏟分析的基礎上,采用設計點參數(shù)化的方法建立了挖掘鏟挖掘機構(gòu)的仿真模型,并對此模型進行了仿真分析[5]。

目前,關于振動挖掘的研究大多數(shù)為理論設計與仿真研究,大多數(shù)研究沒有對裝置進行加工制造,對于裝置的功耗影響因素及影響趨勢尚不明確,裝置挖掘可靠性不強。基于以上原因,本文設計了五桿雙作用振動馬鈴薯挖掘裝置,以輸送速度、入土角、振幅及振動頻率為試驗因素,以機組功耗為評價指標進行試驗,利用遙測儀對響應指標進行測量,通過試驗對五桿振動挖掘試驗測定裝置功耗進行研究。

1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 振動減阻機理

振動式土壤挖掘裝置具有雙作用切削土壤特點：當土壤被切削時,不僅受到裝置前進方向上的切削力,還受到垂直于前進方向上的作用力;切削完的土壤隨著裝置一起振動,土壤振動時會吸收部分振動能量使自身內(nèi)應力變大,內(nèi)應力越大,土壤越容易破碎。振動式挖掘作業(yè)過程通常由切削階段和提升階段組成,振動產(chǎn)生了有利于挖掘鏟切削和土壤破碎的條件,在此過程中,由于垂直方向上的加速度影響,挖掘鏟上方的土壤會向上加速運動,創(chuàng)造了使土壤可以與鏟面分離的條件,作用在鏟面的力與運動方向垂直。因此,振動挖掘可以減少挖掘裝置牽引阻力。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)

五桿雙作用振動挖掘裝置,主要包括機架、偏心輪、連桿、長搖桿、擋土板、短搖桿、滑切刀、三角挖掘鏟、篩條、掛接裝置及變速箱等,如圖1所示。其主要參數(shù)如表1所示。

1.機架 2.偏心輪 3.連桿 4.長搖桿 5.擋土板 6.短連桿 7.擋板滑切刀 8.三角形挖掘鏟 9.篩條。圖1 振動挖掘機構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of vibration mining mechanism

表1 裝置參數(shù)表Fig 1 Device parameter table

1.3 工作原理

工作時,整個機構(gòu)由拖拉機牽引前進,動力由拖拉機輸入變速箱,通過鏈輪傳遞給偏心輪,偏心輪帶動連桿以機架4個鉸接點為轉(zhuǎn)動中心,使篩條式振動挖掘鏟沿前進方向前后擺動;同時,篩條式振動挖掘鏟還以長連桿低端為轉(zhuǎn)動中心,垂直于前進方向上下擺動,從而實現(xiàn)馬鈴薯收獲過程中的雙作用振動挖掘土壤。

2 田間試驗

2.1 試驗儀器

試驗地點選在新疆維吾爾自治區(qū)石河子市五宮村,配套裝置鐵牛600拖拉機,試驗用地面積為1hm2,地勢平坦,土壤為灰漠土,其含水率為16.5%～19.2%,如圖2所示。

圖2 田間試驗Fig. 2 Field experiment

試驗儀器：LZ-30型轉(zhuǎn)速表,上海轉(zhuǎn)速表廠生產(chǎn),測量范圍為30～12 00r/min;NJTY3型遙測儀農(nóng)機通用動態(tài)遙測系統(tǒng),黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院研制;平板電腦(蘋果公司生產(chǎn));8219型皮尺,萬里集團生產(chǎn),測量范圍0～50.00m。

2.2 試驗方法

在挖掘鏟工作過程中,總功耗為拖拉機輸出軸轉(zhuǎn)動扭矩產(chǎn)生的功耗及整個裝置前進阻力產(chǎn)生功耗之和,計算公式為

式中P—作業(yè)功耗(kW);

M—拖拉機后輸出軸扭矩(N·m);

F—機組前進阻力(N)。

2.3 評價指標

功耗由牽引力和拖拉機后輸出軸扭矩表征,牽引力和扭矩通過遙測儀三點懸掛架牽引阻力測試傳感器進行測量。試驗測定裝置工作時的功耗為上拉桿傳感器與兩懸掛銷功耗分力矢量之和,后輸出軸扭矩反映輸送及分離等所消耗的動力,由遙測儀扭矩傳感器進行測量,利用平板電腦顯示并記錄數(shù)據(jù)。

2.4 試驗設計與結(jié)果

以輸送速度、入土角、振幅及振動頻率為試驗因素,以機組功耗為評價指標進行試驗,利用遙測儀對響應指標進行測量,通過試驗對五桿振動挖掘試驗測定裝置功耗進行研究[6-7]。采用Box-Behnken設計模型[8-9],設計四因素三水平試驗,共進行29次試驗[10],試驗因素與水平如表2所示,試驗安排及結(jié)果如表3 所示。

表2 試驗因素與水平Table 2 Test factors and levels

表3 試驗方案與結(jié)果Table 3 Quadratic rotation orthogonal combination design test plan

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 回歸方程

建立牽引速度、振幅、入土角、振動頻率與功耗之間的數(shù)學模型為

Y=20.18+3.52X1+3.03X2+3.44X3-2.71X4-

0.68X1X2+0.025X1X3-1.9X1X4-2.95X2X3-0.93X2X4+

2.45X3X4-0.67X12+1.93X22+5.15X32-0.66X42

3.2 各影響因素與功耗的關系

因素模型功耗方差分析如表4所示,進一步分析各因素對功耗的交互作用響應如圖3所示。由表4可知：各因素對功耗的影響次序為牽引速度>入土角>振幅>振動頻率。

表4 因素模型功耗方差分析Table 4 Factor model power consumption variance analysis

當入土角為20°、振動頻率為10Hz時,隨著牽引速度的增加,功耗呈現(xiàn)上升狀態(tài),主要由于作業(yè)速度增加時,振動能量需求增加,從而導致作業(yè)功耗增大,如圖3(a)所示。

當振幅為15mm、振動頻率為10Hz、牽引速度固定在某一值、入土角從10°增大到30°時,振動挖掘鏟功耗先緩慢減小再迅速增大。此時,由于挖掘鏟鏟刃角度隨入土角的增大而增大,當入土角為17°時,功耗最小;當入土角固定在某一值時,拖拉機前進速度增加,振動能量需求增加,導致作業(yè)功耗增大,如圖3(b)所示。

當入土角為20°、振幅為15mm時,振動頻率從5Hz增加到12Hz過程中,當牽引速度為某一定值時,功耗呈先增大、后減小的趨勢,牽引速度對功耗的影響為持續(xù)上升的趨勢,如圖3(c)所示。

當牽引速度為1m/s、振動頻率為10Hz時,振幅和入土角的交互作用對于牽引阻力沒有明顯的影響;隨著入土角由10°增大到30°,振幅由10mm增加到20mm過程中,入土角和振幅影響較大,如圖3(d)所示。

當牽引速度為1m/s、入土角為20°時,隨著振動頻率從8Hz增加到12Hz、振幅從10mm增加到20mm過程中,振幅對功耗的影響較振動頻率大;當振幅為某一定值時,隨著振動頻率的增加,功耗呈先增大后減小的趨勢,振動頻率在一定的范圍內(nèi)可以影響碎土,使土質(zhì)疏松,進而減少挖掘阻力,使功耗降低,如圖3(e)所示。

當牽引速度為1m/s、振幅為15mm時,振動頻率和入土角的交互作用對于功耗的影響不太顯著;當入土角為某一定值時,振動頻率增大,功耗也隨之上升,振動頻率增大,需求的振動能量增加, 功耗上升; 當振動頻率固定在某一定值時,入土角從10°增大到30°過程中,功耗呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢;當入土角為20°時,功耗最小,隨著入土角的增大,挖掘鏟阻力減小,但當入土角增大的一定程度,阻力值開始變大,將如圖3(f)所示。

(a)

3.3 試驗優(yōu)化及驗證

為得到最佳的試驗因素水平,對試驗因素進行優(yōu)化,建立前進速度、振動頻率、振幅、入土角之間的參數(shù)優(yōu)化數(shù)學模型。結(jié)合試驗因素邊界條件,對回歸模型進行分析,得到數(shù)學優(yōu)化模型為

在農(nóng)業(yè)機械作業(yè)低能耗高效率的要求下,利用Design-Expert軟件所提供的Optimization功能[11],以盡可能達到收獲作業(yè)指標深度且作業(yè)功耗較小為需求目標,獲得最佳影響因素參數(shù)組合：當牽引速度為0.53m/s、振幅為12.63mm、入土角為10.14°、振動頻率為11.73Hz時,作業(yè)功耗為12.22kW。基于功耗最佳組合方案,對輸送速度、入土角、振幅及振動頻率進行參數(shù)調(diào)整并試驗,重復5次,試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5可得：試驗功耗均值為12.536kW,相對誤差為2.6,試驗值較理論值大,其原因為田間不可控因素造成。對比試驗值與理論值可知,其相對誤差小于5%。因此,參數(shù)模型優(yōu)化可靠。

表5 試驗驗證結(jié)果Table 5 Test verification results

4 結(jié)論

以輸送速度、入土角、振幅及振動頻率為因素,功耗為響應值,進行田間試驗,結(jié)果顯示：各影響因素對功耗的影響次序為牽引速度>入土角>振幅>振動頻率。將建立的數(shù)學模型進行優(yōu)化,可以得到基于功耗最小組合方案是牽引速度為0.53m/s、振幅為12.63mm、入土角為10.14°、振動頻率為11.73Hz,此時功耗為12.22kW。通過五組驗證試驗得出功耗為12.536kW,該值與理論值之間的的誤差為2.6%<5%,說明回歸數(shù)學模型能較好地反映功耗與實驗因素之間的關系,裝置滿足設計要求。