大蔥夾持力分析與力學(xué)特性試驗(yàn)研究

寇天鑫,楊 勇,王 超,侯 鑠

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

0 引言

大蔥是人們?nèi)粘Ｉ钪幸环N常見(jiàn)的調(diào)味蔬菜及經(jīng)濟(jì)作物,在我國(guó)已經(jīng)有3 000年多的種植歷史,因其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性極強(qiáng),目前在我國(guó)南北各地均有種植。大蔥的種植一般需要經(jīng)過(guò)育苗、移栽定植、田間管理和收獲多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié),而收獲環(huán)節(jié)是最后一個(gè)環(huán)節(jié)也是最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)[1-4]。目前,大蔥主要有人工收獲和機(jī)器收獲兩種收獲方式,相對(duì)于人工收獲,機(jī)器收獲有著收獲效率高、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn),未來(lái)對(duì)大型化、一體化和智能化的大蔥收獲機(jī)的需求將會(huì)迅速增加。夾持輸送機(jī)構(gòu)是大蔥收獲機(jī)的關(guān)鍵組成部分,主要作用是將經(jīng)過(guò)挖掘鏟挖掘的大蔥從土壤中拔起并向后輸送,其工作性能直接影響著整臺(tái)收獲機(jī)的工作效率。設(shè)計(jì)夾持輸送機(jī)構(gòu)最重要的是夾持力大小的控制,夾持力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致大蔥莖稈被夾斷,夾持力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致無(wú)法拔起大蔥或在夾持輸送過(guò)程中大蔥掉落。

為此,設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱式柔性?shī)A持輸送機(jī)構(gòu)[5-7],建立大蔥夾持力力學(xué)模型進(jìn)行受力分析[8-9],并利用數(shù)顯式推拉力計(jì)進(jìn)行大蔥拔起試驗(yàn)驗(yàn)證力學(xué)模型的精度和穩(wěn)定性。然后,以大蔥為研究對(duì)象,利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)和徑向壓縮試驗(yàn)[10-13],采用回歸分析的方法探究了莖稈直徑與拉斷力、壓斷力之間的關(guān)系[14],得到大蔥莖稈拉斷力和壓斷力的范圍,保證大蔥收獲過(guò)程中的拔起力小于拉斷力、夾持力小于壓斷力,避免收獲過(guò)程中對(duì)大蔥造成損傷,旨在為設(shè)計(jì)大蔥收獲機(jī)夾持輸送機(jī)構(gòu)提供可靠的理論依據(jù)。

1 夾持輸送機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持輸送機(jī)構(gòu)主要由液壓馬達(dá)、主動(dòng)帶輪、夾持帶輪、搖桿、彈簧、刮土板、伸縮梁、從動(dòng)帶輪、輸送帶和機(jī)架縱梁等組成,如圖1所示。液壓馬達(dá)固定在機(jī)架縱梁上,通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)主動(dòng)帶輪同步轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)夾持輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn);彈簧的兩端分別連接機(jī)架縱梁和搖桿,夾持帶輪按一定排列安裝在搖桿上,在彈簧的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊功能;刮土板通過(guò)螺栓固連在搖桿側(cè)面,刮凈卷進(jìn)夾持帶輪槽中的雜土;從動(dòng)帶輪通過(guò)伸縮梁安裝在夾持輸送機(jī)構(gòu)的前端,伸縮梁可以伸入機(jī)架縱梁內(nèi)部,手動(dòng)調(diào)節(jié)張緊螺栓可以調(diào)節(jié)伸縮梁的伸縮長(zhǎng)度,進(jìn)而調(diào)整輸送帶的張緊程度。由于大蔥莖稈直徑不同,采用雙帶式夾持,以保證收獲時(shí)提供不同的夾持力;整體結(jié)構(gòu)為對(duì)稱式設(shè)計(jì),可以保證夾持輸送機(jī)構(gòu)中心線與大蔥種植中心線重合。

1.液壓馬達(dá) 2.主動(dòng)帶輪 3.機(jī)架縱梁 4.輸送帶 5.夾持帶輪 6.搖桿 7.彈簧 8.從動(dòng)帶輪 9.張緊螺栓 10.伸縮梁圖1 夾持輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the clamping conveyor mechanism。

1.2 工作原理

夾持輸送機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓缸和活動(dòng)支架安裝在大蔥收獲機(jī)的底盤上,在液壓缸的伸縮作用下可以調(diào)節(jié)其傾斜角度和離地高度。實(shí)際收獲過(guò)程中,首先挖掘鏟將大蔥根部土壤疏松,并將其抬升至一定高度,在導(dǎo)向裝置的作用下強(qiáng)制將其喂入兩條輸送帶之間,夾持帶輪在大蔥的推動(dòng)下發(fā)生偏移,兩條輸送帶間距變大,搖桿與機(jī)架縱梁分離,彈簧被進(jìn)一步拉伸,夾持力增大,兩輸送帶夾住大蔥將其拔起并往后輸送。夾持帶輪在彈簧的作用下會(huì)根據(jù)大蔥莖稈的直徑自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送帶之間的間距,提供合適的夾持力,保證可以穩(wěn)定地拔起大蔥并在輸送過(guò)程中不會(huì)發(fā)生夾斷掉落現(xiàn)象。

2 夾持力分析

2.1 力學(xué)模型的建立

設(shè)計(jì)夾持輸送機(jī)構(gòu)最重要的是夾持力大小的控制,夾持力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致大蔥莖稈被夾斷,夾持力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致無(wú)法拔起大蔥或在夾持輸送過(guò)程中大蔥掉落。在大蔥實(shí)際收獲過(guò)程中,夾持力的分析可以分為兩個(gè)階段:第1階段是經(jīng)過(guò)挖掘鏟松土后將大蔥從土壤中拔起時(shí)的夾持力,這一階段受力比較復(fù)雜,大蔥受到夾持輸送機(jī)構(gòu)的夾持力、拔起過(guò)程中的慣性力、大蔥本身的重力和土壤阻力,根據(jù)拔起過(guò)程中大蔥的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)建立力學(xué)模型如圖2所示;第2階段是大蔥完全脫離土壤并在夾持輸送機(jī)構(gòu)中輸送時(shí)的夾持力,這一階段受力比較簡(jiǎn)單,大蔥僅受到夾持輸送機(jī)構(gòu)的夾持力和大蔥本身的重力,且此時(shí)的夾持力小于第1階段的夾持力。如果第1階段的夾持力滿足工作需求,則此夾持力肯定滿足第2階段的工作需求,因此只研究第1階段的夾持力。

1.大蔥 2.土壤圖2 夾持力力學(xué)模型Fig.2 Clamping force mechanics model。

通過(guò)力學(xué)模型進(jìn)行受力分析可得

F2=Fa+G+F3

(1)

F2=fF1

(2)

式中F1—夾持力(N);

F2—拔起力(N);

F3—土壤總阻力(N);

Fa—拔起過(guò)程中的慣性力(N);

G—大蔥重力(N);

f—大蔥莖稈與輸送帶之間的摩擦因數(shù)。

其中,由于拔起過(guò)程緩慢且大蔥質(zhì)量較小,故忽略拔起過(guò)程中的慣性力;大蔥莖稈與輸送帶之間無(wú)潤(rùn)滑,取摩擦因數(shù)f=0.8;土壤的總阻力包括土壤剪切力豎直方向的分力、土壤與大蔥莖稈之間的摩擦力、須根阻力及粘附在大蔥莖稈表面土壤的重力。在大蔥拔起之前,首先要通過(guò)挖掘鏟將大蔥根部土壤疏松,故可以忽略須根阻力。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)觀察,大蔥被拔出后,莖稈表面平順粘附有微量土壤,形成壟中通道,莖稈周圍的土壤未形成拱起現(xiàn)象,故可以不用考慮粘附在莖稈表面土壤的重力和土壤剪切力豎直方向的分力。綜上所述,土壤總阻力為土壤與大蔥莖稈之間的摩擦力。

大蔥拔起時(shí)土壤與莖稈之間的動(dòng)摩擦力計(jì)算比較復(fù)雜,因此取土壤與莖稈之間的最大靜摩擦力作為土壤與莖稈之間的摩擦力。在距離壟頂h處取一半徑為r的微圓盤,則摩擦力(即土壤總阻力)為

(3)

式中r—大蔥莖稈直徑(m);

μ—土壤與莖稈之間的最大靜摩擦因數(shù);

γ—土的重度(N/m3) ;

K—側(cè)向土壓力系數(shù);

h—微圓盤距壟頂?shù)木嚯x(m) ;

Z—大蔥莖稈長(zhǎng)度(m)。

一般大蔥的整個(gè)莖稈直徑粗細(xì)均勻并且表面光滑,取壟中莖稈的直徑作為整個(gè)莖稈直徑;土的重度指的是土的天然重度,由土總質(zhì)量與土總體積的比值決定,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得土的重度γ=14 528N/m3;由斜面摩擦試驗(yàn)測(cè)得土壤與莖稈之間最大靜摩擦因數(shù)μ=0.75、側(cè)向土壓力系數(shù)近似按K=1-sinψ計(jì)算,取土體內(nèi)摩擦角ψ=30°。

由式(1)～式(3)聯(lián)立得

2.2 力學(xué)模型的驗(yàn)證

首先用自制挖掘鏟將大蔥根部的土壤疏松,然后將繩子通過(guò)數(shù)顯式推拉力計(jì)系在大蔥蔥白上,向上緩慢拉動(dòng)數(shù)顯式推拉力計(jì)拔出大蔥,讀取并記錄最大拉力,利用公式(2)求出夾持力。具體試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 大蔥拔起試驗(yàn)Fig.3 Green onion pull-up test。

根據(jù)公式計(jì)算得到理論拔起力和理論夾持力,根據(jù)大蔥拔起試驗(yàn)得到試驗(yàn)拔起力,并計(jì)算出試驗(yàn)夾持力。將理論夾持力和試驗(yàn)夾持力的絕對(duì)值除以試驗(yàn)夾持力作為偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如表1所示。

表1 夾持力理論與試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Theory of clamping force and test results。

續(xù)表1。

由表1可以看出:理論值相對(duì)于試驗(yàn)值的偏差最小為3.28%,最大為27.53%,表明力學(xué)模型的穩(wěn)定性較差;但總體來(lái)看大部分偏差小于20%,力學(xué)模型的精度良好。

3 大蔥力學(xué)特性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1.1 試樣的制備

對(duì)收集后的大蔥進(jìn)行處理,用水果刀將其根部和蔥葉去除,并將莖稈外表面擦拭干凈,在此過(guò)程中盡量避免對(duì)莖稈造成機(jī)械損傷。選取整體通直無(wú)缺陷及外表皮無(wú)破損的大蔥莖稈進(jìn)行試樣的制備,利用游標(biāo)卡尺標(biāo)定拉伸試樣長(zhǎng)度為100mm,壓縮試樣長(zhǎng)度為50mm。由于大蔥莖稈本身的脆斷性及外表皮光滑不易夾持的特點(diǎn),無(wú)法制成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣,且不能直接被夾在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)夾具上,故在拉伸試樣的兩端分別纏上一層海綿雙面膠。雙面膠內(nèi)側(cè)與莖稈外表面相粘貼,外側(cè)粘貼1層砂紙以增大與夾具之間的摩擦力,既可以提供足夠大的夾持力避免拉伸過(guò)程中莖稈從夾具中脫落,又能有效地防止大蔥莖稈被夾斷。拉伸試樣和壓縮試樣如圖4所示。

圖4 拉伸和壓縮試樣Fig.4 Tensile and compression specimens。

3.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

WDW-100D微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司),數(shù)顯游標(biāo)卡尺(量程0～150mm,精度0.01mm),卷尺(量程0～500cm,精度0.1cm),水果刀,HP-500數(shù)顯式推拉力計(jì)(量程0～500N,精度0.01N),HZ-C10002電子天平(量程0～1000g,精度0.01g)。

3.2 拉伸試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法

利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)大蔥莖稈進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn),將制備完成的拉伸試樣放入試驗(yàn)機(jī)上下兩個(gè)夾具之間,夾具通過(guò)與砂紙接觸夾緊海綿雙面膠,從而夾住大蔥莖稈;調(diào)整夾具至最佳夾緊狀態(tài),上端夾具以一定的加載速度向上做勻速運(yùn)動(dòng),如圖5所示。由于大蔥莖稈本身材質(zhì)的特殊性,在拉伸過(guò)程中不可能完全斷裂,故當(dāng)莖稈外表皮出現(xiàn)斷裂時(shí)即為拉伸試驗(yàn)成功。設(shè)定電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以一定的加載速度加載,計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并生成拉伸載荷與位移曲線,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出大蔥莖稈拉斷力與抗拉強(qiáng)度。大蔥莖稈的抗拉強(qiáng)度由拉斷力與莖稈直徑的比值表示,即

圖5 大蔥莖稈軸向拉伸試驗(yàn)Fig.5 Axial tensile test of green onion stalk。

其中,Pi為第i個(gè)樣本大蔥莖稈直徑的抗拉強(qiáng)度(MPa);Fi為第i個(gè)樣本大蔥莖稈的拉斷力(N);Di為第i個(gè)樣本大蔥莖稈的直徑(mm)。

3.2.2 結(jié)果分析

隨機(jī)選取15組拉伸試樣進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn),待其被電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上下夾具夾緊后,以10mm/min的加載速度進(jìn)行拉伸;隨著載荷的逐漸增大,大蔥莖稈外表皮開始出現(xiàn)裂紋,直至外表皮完全斷裂,拉伸試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)得出大蔥蔥白的直徑、拉斷力及抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表2所示,拉伸載荷與位移典型曲線如圖6所示。

圖6 大蔥莖稈軸向拉伸載荷與位移曲線Fig.6 Tensile load and displacement curve。

表2 大蔥莖稈軸向拉伸試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Green onion stretch test statistics。

通過(guò)觀察拉伸完成后的試樣發(fā)現(xiàn),大蔥蔥白外表皮斷裂多發(fā)生在距離夾具10～20mm處。這是因?yàn)樵囼?yàn)開始之前夾具與大蔥發(fā)生接觸,并對(duì)接觸部分造成一定程度的擠壓,再對(duì)其進(jìn)行加載,靠近夾具部分首先出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致夾具附近易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。由圖6可以看出:隨著位移的增加,載荷逐漸上升,達(dá)到峰值后開始下降,大蔥莖稈外表皮斷裂,拉伸試樣被破壞,其過(guò)程中有輕微的波動(dòng)。這是由于在拉伸過(guò)程中夾具與大蔥莖稈之間出現(xiàn)輕微的滑動(dòng)現(xiàn)象,不會(huì)影響曲線的整體趨勢(shì)和峰值。由表2可以看出:大蔥莖稈拉斷力最大為180.22N,最小為102.38N,平均值為141.13N,標(biāo)準(zhǔn)差為22.89N;抗拉強(qiáng)度最大為0.32MPa,最小為0.15MPa,平均值為0.22MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為0.05MPa。

選取莖稈直徑作為研究對(duì)象分析拉斷力的變化規(guī)律,對(duì)其進(jìn)行一元線性回歸分析,如表3和圖7所示。由關(guān)系曲線圖可以看出:大蔥莖稈直徑與拉斷力的線性函數(shù)具有良好的擬合優(yōu)度,其決定系數(shù)R2為0.93,線性擬合回歸方程為Y=4.0635X+22.3042,擬合曲線表明兩者具有顯著的線性相關(guān)性,并且可以得出拉斷力隨著直徑增大而增大的變化規(guī)律。由方差分析表可以看出:其計(jì)算值F=191.98,查表知F0.1(1,13)=3.14,顯然F>>F0.1(1,13),說(shuō)明線性回歸分析具有較高的可信度。

表3 大蔥莖稈拉斷力與直徑方差分析表Table 3 Pulling forceand diameter variance analysis table。

圖7 大蔥莖稈拉斷力與直徑關(guān)系曲線Fig.7 Pulling forceand diameter curve。

通過(guò)拉伸試驗(yàn)可知:無(wú)論是理論計(jì)算得到的理論拔起力,還是通過(guò)大蔥拔起試驗(yàn)測(cè)得的試驗(yàn)拔起力,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大蔥最小拉斷力,因此在大蔥實(shí)際收獲過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)大蔥莖稈被拉斷的現(xiàn)象。

3.3 壓縮試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方法

利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)大蔥莖稈進(jìn)行徑向壓縮試驗(yàn),將制備完成的壓縮式樣放入試驗(yàn)機(jī)上下兩個(gè)圓形平面壓盤之間,上壓盤以一定的加載速度向下做勻速運(yùn)動(dòng),計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并生成壓縮載荷與位移曲線,如圖8所示。大蔥莖稈的抗壓強(qiáng)度由壓斷力與橫截面積的比值表示,即

圖8 大蔥莖稈徑向壓縮試驗(yàn)Fig.8 Radial compression test of green onion stalk。

其中,σi為第i個(gè)樣本大蔥莖稈的抗壓強(qiáng)度(MPa),Fmax為第i個(gè)樣本大蔥莖稈的壓斷力(kN);Li為第i個(gè)樣本大蔥莖稈的標(biāo)定長(zhǎng)度(mm);Di為第i個(gè)樣本大蔥莖稈的直徑(mm)。

3.3.2 結(jié)果分析

隨機(jī)選取18組壓縮試樣進(jìn)行徑向壓縮試驗(yàn),待其放入電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上下兩圓形壓盤之間后,上壓盤以10mm/min的加載速度進(jìn)行壓縮,直至大蔥莖稈破裂,壓縮試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)得出大蔥莖稈的直徑、壓斷力及抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表4所示,壓縮載荷與位移典型曲線如圖9所示。

表4 大蔥莖稈徑向壓縮試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Green onion compression test statistics。

圖9 大蔥莖稈徑向壓縮載荷與位移曲線Fig.9 Compressive load and displacement curve。

由圖9可以看出:隨著位移的增加,載荷首先是緩慢上升,然后急劇上升,達(dá)到峰值后迅速下降,壓縮過(guò)程中莖稈內(nèi)部組織首先被破壞,逐漸外表皮被壓破裂,最后壓縮試樣被壓斷。由表4可以看出:大蔥莖稈壓斷力最大為880.53N,最小為361.28N,平均值為555.66N,標(biāo)準(zhǔn)差為130.77N;抗壓強(qiáng)度最大為0.54MPa,最小為0.32MPa,平均值為0.41MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為0.07 MPa。

選取莖稈直徑作為研究對(duì)象分析壓斷力的變化規(guī)律,對(duì)其進(jìn)行一元線性回歸分析,如表5和圖10所示。由關(guān)系曲線圖可以看出:大蔥莖稈直徑與壓斷力擬合效果不佳,其決定系數(shù)R2=0.44,線性擬合回歸方程為Y=19.3798X+31.6935,擬合曲線表明線性相關(guān)性較差,可能大蔥莖稈壓縮性能與莖稈內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有關(guān),但總體趨勢(shì)是壓斷力隨著直徑的增大而增大。由方差分析表可以看出:計(jì)算值F=14.69,查表知F0.1(1,16)=3.05,通過(guò)比較F值可以得出線性回歸分析是合理的。

表5 大蔥莖稈壓斷力與直徑方差分析表Table 5 Breaking force and diameter variance analysis table。

圖10 大蔥莖稈壓斷力與直徑關(guān)系曲線Fig.10 Breaking forceversus diameter curve。

通過(guò)壓縮試驗(yàn)可知:無(wú)論是理論計(jì)算得到的理論夾持力,還是通過(guò)大蔥拔起試驗(yàn)測(cè)得的試驗(yàn)夾持力,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大蔥最小壓斷力,因此在大蔥實(shí)際收獲過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)大蔥莖稈被夾斷的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1)夾持輸送機(jī)構(gòu)是大蔥收獲機(jī)的關(guān)鍵組成部分,設(shè)計(jì)夾持輸送機(jī)構(gòu)最重要的是夾持力大小的控制。通過(guò)建立夾持力力學(xué)模型求出理論夾持力,并利用數(shù)顯式推拉力計(jì)進(jìn)行大蔥拔起試驗(yàn)驗(yàn)證力學(xué)模型,結(jié)果顯示:理論值相對(duì)于試驗(yàn)值的偏差最小為3.28%,最大為27.53%,表明力學(xué)模型的穩(wěn)定性較差;但總體來(lái)看大部分偏差小于20%,力學(xué)模型的精度良好。

2)利用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)大蔥進(jìn)行莖稈力學(xué)特性試驗(yàn)研究,測(cè)得大蔥莖稈的拉斷力為[102.38,180.22]N,抗拉強(qiáng)度為[0.15,0.32] MPa,得出拉斷力隨著莖稈直徑的增大而增大;測(cè)得大蔥莖稈壓斷力為[361.28,880.53]N,抗壓強(qiáng)度為[0.32,0.58] MPa,得出壓斷力隨著莖稈直徑的增大而增大。

3)力學(xué)特性試驗(yàn)表明:大蔥收獲所需要拔起力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大蔥莖稈的拉斷力,所需要的夾持力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大蔥莖稈的壓斷力,故在收獲過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)大蔥被拉斷或被夾斷的現(xiàn)象。該研究結(jié)論能夠?yàn)榇笫[收獲機(jī)夾持輸送機(jī)構(gòu)的研制提供理論依據(jù)。