山地魚腥草聯合收獲機挖掘機構設計及試驗

殷彥強，尹 健，2，羅雨戈，張 勇

(1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州陽光大地農業機械研發有限公司，貴州 貴陽 550008；3.貴陽市烏當區農業局，貴州 貴陽 550018)

1 引言

魚腥草在江蘇、浙江、云南、貴州、四川等地大面積人工種植，而收獲主要依靠傳統的人工方式完成。

魚腥草聯合收獲機挖掘機構的性能，決定了機器工作的質量。不少學者對根莖類收獲機的挖掘機構有較多研究。針對貴州土壤普遍黏重的情況，文獻[1]利用曲柄搖桿機構的運動軌跡設計了一種魚腥草收獲機的振動式挖掘鏟，并確定了適當的曲柄半徑、鏟入土角、振動方向角等參數；為解決折耳根收獲機在工作過程中存在大量土壤不能及時向后輸送的情況，文獻[2]設計一種挖掘推送系統，刨土機構產生推力將鏟崛起的混合物及時推送到輸送機構上，緩解入料口處壅土現象；為減少深根莖中藥材的挖掘阻力，文獻[3]提出犁刀和挖掘鏟雙重振動的挖掘機構，并通過Pro/E對犁刀、挖掘鏟的工作狀態動態仿真分析了刀尖和鏟尖運動參數曲線；為實現挖掘鏟入土深淺的控制，文獻[4]設計木薯收獲機的挖掘限深控制系統，該系統中的位移傳感器測量的信號控制電磁換向閥動作使液壓缸伸縮，系統中的平行四桿機構就會帶動挖掘鏟做平穩運動；文獻[5]設計的牽引式馬鈴薯收獲機的挖掘鏟與調節螺桿通過鏟托連接，通過調節螺桿上螺母使鏟托帶動鏟轉動完成鏟面傾角的調整，與鏟托連接的支承板增大了挖掘時的穩定性。

以上研究中，鏟的入土角始終不變，這對以四輪拖拉機牽引的挖掘機不會構成根本問題。但作為山地機，在動力、附著力均有限的情況下，減少挖掘阻力和行駛阻力才是更為重要的問題。設計了基于鉸鏈四桿機構的挖掘鏟升降機構，并進行了相關分析，田間試驗表明能確保良好的入土性能及作業性能。

2 總體結構及工作原理

2.1 總體結構及工作原理

魚腥草聯合收獲機的總體結構如圖1所示。

作業時，挖掘鏟下沉并將土垡掘起，土莖混合物沿鏟面向后滑移，并經過一系列分離，最后落入料箱。

田間試驗表明，作業過程中不時出現打滑，從而導致作業過程中斷，極大影響作業效果和效率。

圖1 魚腥草聯合收獲機結構示意圖Fig.1 Overall Structure of Houttuynia Cordata Combine Harvester

2.2 驅動輪打滑原因分析

驅動輪打滑是驅動輪附著力不足或挖掘阻力太大所致。增加附著力和減少挖掘阻力是努力方向。

2.2.1 輪胎附著力分析

驅動輪的受力情況，如圖2所示。當出現打滑時：

式中：Md—發動機傳遞到輪子上的驅動力距(N·m)；Rt—輪子與土壤接觸面上所產生的摩擦力(N)；R—輪子滾動阻力(N)；N—輪子與地面在接觸點a處產生的支反力與摩擦力鉛垂分力之和(N)；Mn—軸承的摩擦力距(N·m)；T—牽引阻力(N)；h—接觸點a到輪心的鉛垂距離(m)；d—接觸點a到輪心的水平距離(m)。

圖2 驅動輪受力情況Fig.2 Force Applied to Wheel

式(1)雖滿足輪子轉動，式(2)輪子附著力不能克服了輪子阻力，故輪子在原地滑轉。若使輪子前進，必須增大輪子附著力。由文獻[6]可知土壤推進力表達式：

式中：A—接地面積(m2)；C—粘聚系數(N/m2)；φ—土壤間的內摩擦角(°)。

由式(3)可知附著力的大小與輪子幾何尺寸、土壤性質以及垂直載荷有關。試驗中增加配重、改為雙驅動輪，可改善但不能徹底改變打滑問題。

2.2.2 鏟土阻力分析

機器收獲時首先要完成鏟的入土，故應有足夠的入土角。若入土完成后鏟的角度始終不變，如圖3所示。此時挖掘鏟在水平方向上的受力平衡方程為：

式中：Wb—機器對挖掘鏟牽引力(N)；Ff—鏟面受土壤摩擦力(N)；Fa—土壤對鏟面附著力(N)；Nc—土壤在垂直鏟面上的載荷(N)；Fk—土壤的純切削阻力(N)；γ—鏟面傾角(°)。

圖3 挖掘鏟受力情況Fig.3 Force Applied to Shovel

在其他條件不變的情況下，由式(4)可知鏟面傾角γ是影響挖掘阻力的主要因素，但γ太小則入土困難。

3 改進的挖掘升降機構及性能分析

良好的入土性能需要較大的入土角，較小的挖掘阻力需要較小的入土角。協調兩者之間的矛盾，采用了基于鉸鏈四桿機構的升降機構實現從大入土角到小入土角的運動規律。

3.1 基于鉸鏈四桿機構的升降機構

根據鏟尖的始末入土角及高度，利用作圖法[7]可確定四桿機構的幾何尺寸。機構，如圖4所示。

圖4 入土機構的兩種位置Fig.4 Two Locations of Excavation Mechanism

3.2 入土性能分析

挖掘鏟入土性能的好壞通常以入土行程S作為判斷依據[8]，定義為從鏟尖接觸地面至到規定深度時的水平前進距離。S越小越好，取決于入土隙角和入土力矩。

3.2.1 入土隙角

入土隙角γ指鏟尖鏟開始入土時鏟面與水平面之間形成的前傾角[8]。γ直接影響入土行程S：

式中：H—挖掘深度(mm)；γ—入土隙角(°)；γ0—入土完成時隙角(°)。

代入數據H=200mm，γ=22°，γ0=0°，解之得S=1028mm，若入土時機器速度ν=0.4m/s，則入土時間t=S/v=2.57s。這個數值比較理想。

3.2.2 入土力矩

π1是升降機構運動的瞬心，如圖5所示。要能順利入土，相對瞬心的入土力矩應大于反入土力矩：

式中：M1—入土力矩(N·m)；M2—反入土力矩(N·m)。

式中：Q—土壤對鏟面的摩擦力(N)；RXZ—土壤對鏟面的法向載荷(N)；P—鏟入土時所需的力(N)；G—為鏟重(N)；FN—土壤對鏟底面的支反力(N)；μ—為土壤對鏟面的摩擦系數，對西南地區土壤普遍黏重，可取μ=0.8[6]；α—受力點切線與地面夾角(°)；m1—G距π1的垂直距離(m)；n1—Rz距π1的垂直距離(m)；g1—FN距π1的垂直距離(m)；h1—P、Rx距π1的垂直距離(m)；e1—Q距π1的垂直距離(m)；其中，RX=RXZsinα，RZ=RXZcosα。

圖5 鏟的入土受力分析Fig.5 Force Analysis of Shovel Into Soil

由式(6)可知，鏟剛開始入土時ΔM較大易于入土；達到挖深時，ΔM較小，鏟受力矩平衡不再入土，進入穩定的工作狀態。這說明本機構入土容易。

3.3 挖深穩定性分析

圖6 鏟的挖深穩定性分析Fig.6 Digging Depth Stability Analysis of Shovel

鏟入土完成后進入正常的挖掘階段，如圖6所示。仍以瞬心π1為矩心，可得到下列等式：

式中：M1—正常挖深時的正力矩(N·m)；M2—正常挖深時的反力矩(N·m)；T—土壤對限深輪的支反力(N)；f1—T距π1的垂直距離(m)。

鏟深穩定性較為滿意的限深輪壓力T一般為(1500～2500)N[8]，使正力矩M1大于反力矩M2，這樣保證在工作過程中鏟沒有上翻的趨勢，有利于鏟的穩定性，本機構T=1760N，滿足要求。

4 運動仿真及分析

上述入土和穩定性分析僅僅針對鏟尖入土始末，運動仿真可了解整個入土過程的參數變化。利用Solidworks motion進行仿真分析，在motion中施加的線性驅動馬達，行程從(0～250)mm，對應挖深為(0～200)mm。設置運行時間為5s，對模型施加載荷，且Z軸為負方向，以鏟如圖4(a)狀態開始進行motion仿真。

挖掘鏟Z分量上速度隨時間變化曲線，如圖7所示。在入土前半階段，挖掘鏟Z分量上的速度逐漸增大，t=2.25s時，速度達到最大值，在此之后速度逐漸減小，t=5s時，Z分量上的速度為0，挖掘鏟不再向下運動，完成入土過程。入土隙角隨時間變化曲線，剛開始入土隙角為22°，隨后一直衰減，直到入土結束時角度為0，如圖8所示。

圖7 挖掘鏟Z分量速度隨時間變化曲線Fig.7 Changed Speed Curve on Z-Axis Direction of Shovel

圖8 入土隙角隨時間變化曲線Fig.8 Changed Curve of Shovel Angle

通過仿真，可知鏟在整個入土過程中豎直方向上速度變化情況、鏟面傾角的變化情況。經分析可知下沉速度在完成挖深后為0，即不再向下運動，入土隙角也從入土開始大角度逐漸衰減，一直到完成入土后的0角度，妥善解決了入土時需要大入土角而正常工作時的0角度之間的矛盾。

5 田間試驗

圖9 田間試驗Fig.9 Field Test

基于上述的設計與分析完成了樣機的制作與試驗，其田間試驗，如圖9所示。

5.1 試驗方案

試驗選擇兩種土壤、兩種作業速度進行。作業速度分別為0.3m/s、0.5m/s。每次試驗的設置為10m穩定區、20m測試區及停車區[9]，機器的工況在穩定區和測試區相同，鏟的入土性能在穩定區內觀測，挖深及其穩定性在測試區進行。

5.2 試驗結果與分析

試驗表明挖掘鏟能夠實現入土，到達挖掘深度時鏟角也由初始值22°趨于0°，收獲機運行穩定，無打滑現象。針對同一土壤不同速度作業對比，鏟尖入土軌跡的衰減曲線有所差異，而對作業穩定性影響甚微；針對不同土壤同一速度對比，鏟在黃棕土壤環境中最先完成入土，也最先到達停車區，其主要原因：兩種土質不同，鏟在紅粘土壤中所受的挖掘阻力較大所致。對于挖深穩定性是在機器在測定區隨機量取的挖深數據作為依據，之后可代入以下公式：

式中：N—測量總數量；n—在規定鏟深±15mm范圍內出現的次數[10]。對數據整理后如表1可知η≥80%，機器作業穩定性表現良好。

表1 挖深穩定性測試結果Tab.1 Drilling Depth Stability Test Results

6 結論

針對原有挖掘機構出現的問題，提出了基于鉸鏈四桿機構的改進升降系統，實現了變入土角從而實現協調入土阻力和作業阻力的矛盾，改進機構進行了相關性能分析，理論分析表明主要性能指標達到要求，田間試驗驗證了機構設計的有效性和正確性。