根莖類中藥材收獲機(jī)挖掘裝置設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)*

許淵，張鋒偉，李保良，張方圓，劉禹辰，宋學(xué)鋒

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州市，730070)

0 引言

中藥材的成分天然健康，藥理作用溫和，在慢性疾病的防控和滋補(bǔ)保健方面具有明顯的療效。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中占有重要地位[1]。隨著中藥材的藥用價(jià)值不斷被證實(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)中藥材產(chǎn)品的需求日益增加，促使中藥材產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，根據(jù)市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，2019年甘肅省中藥材種植面積超過266.67 khm2，年產(chǎn)量超過1 000 kt，成為我國(guó)中藥材的主要種植區(qū)，隨著中藥材種植面積不斷增大，對(duì)中草藥收獲機(jī)械的性能要求也進(jìn)一步提高[2-5]。

由于大部分中藥材的根系發(fā)達(dá)，分布于土壤深層，為了保證藥材根莖的完整性，挖掘裝置的挖掘深度須大于藥材最大根深，同時(shí)在挖掘過程中會(huì)產(chǎn)生大量的莖土混合物以及雜草根莖，故要求挖掘鏟不僅具有較大的挖掘深度和良好的入土性能，同時(shí)還需具有一定破碎分離功能，避免大量土垡造成擁堵現(xiàn)象[6-7]。

中草藥的產(chǎn)地主要在中國(guó)，國(guó)外關(guān)于藥材收獲機(jī)械相對(duì)較少，挖掘裝置采用振動(dòng)方式的收獲機(jī)械主要針對(duì)胡蘿卜、馬鈴薯、花生等淺根莖類作物，主要研究有日本Sakai等研發(fā)設(shè)計(jì)的振動(dòng)式馬鈴薯收獲機(jī)，韓國(guó)高山機(jī)械公司研制生產(chǎn)的小型單行和雙行馬鈴薯、地瓜收獲機(jī)。該類收獲機(jī)械采用振動(dòng)式鏵犁進(jìn)行深松挖掘，結(jié)果表明該類機(jī)械進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，挖掘阻力明顯降低，在功率損耗和刀具磨損方面具有一定的改善作用，但由于馬鈴薯與中藥材的種植模式和生長(zhǎng)特性不同，該類機(jī)械無法適用于中藥材的收獲[8]。國(guó)內(nèi)關(guān)于振動(dòng)式中藥材收獲機(jī)的研究主要有黑龍江省水利科學(xué)研究院研發(fā)設(shè)計(jì)的4WZ-140型根莖類中藥材振動(dòng)挖掘機(jī)，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)與甘肅省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站聯(lián)合制造4Y-1200型藥材收獲機(jī)，該類機(jī)械采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)挖掘鏟進(jìn)行挖掘收獲。深度適應(yīng)性好，入土阻力小但破碎分離能力差，在挖掘過程中會(huì)出現(xiàn)大量的土垡，易造成擁堵現(xiàn)象[9-10]。不滿足中藥材的收獲要求。

因此，針對(duì)根莖類中藥材在收獲過程中出現(xiàn)的問題以及充分考慮根莖類中藥材的生長(zhǎng)環(huán)境和生理特性，本研究擬設(shè)計(jì)一種振動(dòng)式挖掘裝置，在保證藥材根莖完整的基礎(chǔ)上，以期減少挖掘阻力，降低能耗，提高碎土效果，為中藥材的機(jī)械化收獲提供參考技術(shù)。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

挖掘裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由挖掘鏟、牽引架、減速器、偏心輪、機(jī)架、挖掘鏟支撐架和擺桿等部件組成。

圖1 挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of mining device1.擺桿 2.機(jī)架 3.偏心輪 4.減速器 5.皮帶輪6.牽引架 7.挖掘鏟支撐架 8.挖掘鏟

1.2 工作原理

該挖掘裝置安裝在整機(jī)的最前端，通過牽引架與拖拉機(jī)鉸接，挖掘鏟與挖掘鏟支撐架剛性連接，擺桿分別與挖掘鏟支撐架和機(jī)架鉸接，在減速器輸出軸上安裝有皮帶輪，并在皮帶輪上安裝偏心輪，偏心輪與挖掘鏟支撐架鉸接。當(dāng)整機(jī)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出的動(dòng)力經(jīng)減速器，帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪上的偏心輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在偏心輪的帶動(dòng)下，挖掘鏟做平面運(yùn)動(dòng)，隨著拖拉機(jī)的前進(jìn)，挖掘鏟對(duì)土壤進(jìn)行切割挖掘。

2 挖掘鏟的設(shè)計(jì)

2.1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

挖掘鏟從運(yùn)動(dòng)形式上可分為固定式挖掘鏟和振動(dòng)式挖掘鏟，從形狀上可分為柵條挖掘鏟和平面三角挖掘鏟，一般柵條形挖掘鏟為振動(dòng)式，平面三角形為固定式，振動(dòng)式柵條挖掘鏟具有良好的破碎分離效果，能有效防止擁堵現(xiàn)象，但入土能力較差，挖掘深度達(dá)不到藥材根莖的最大長(zhǎng)度，在工作時(shí)，容易出現(xiàn)挖斷現(xiàn)象。固定式三角挖掘鏟入土能力較好，挖掘深度大于藥材最大根長(zhǎng)，但破碎分離能力較差，鏟面易堆積莖土混合物，容易造成擁堵現(xiàn)象，耗費(fèi)功率[11-16]。本研究根據(jù)根莖類中藥材的生長(zhǎng)特性和收獲要求，結(jié)合不同形式挖掘鏟的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種振動(dòng)式平面鋸齒形挖掘鏟，如圖2所示。

圖2 鋸齒形挖掘鏟結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of sawtooth excavation shovel1.鏟刃 2.鏟體 3.U形導(dǎo)桿

該挖掘鏟由鏟刃、鏟體和尾部U形導(dǎo)桿組成，其鏟刃呈鋸齒形，由多個(gè)小型三角鏟排列固定在鏟體上組成。在鏟體后端等間距分布U形導(dǎo)桿，工作時(shí)，整個(gè)挖掘裝置由四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，呈振動(dòng)式運(yùn)動(dòng)，可減少挖掘阻力，在壓力下能更深的切入土壤，且增大了與土壤的接觸面積，進(jìn)一步提高碎土能力，掘出的大量莖土混合物通過鏟面的振動(dòng)，在U形導(dǎo)桿的作用下，土壤掉落地面，藥材根莖被輸送到分離裝置中，實(shí)現(xiàn)初次分離。

2.2 挖掘鏟主要參數(shù)的確定

1) 鏟刃張角θ。鏟刃張角為挖掘鏟鏟刃的夾角，在收獲藥材時(shí)，為了避免雜草根莖的纏繞造成擁堵，在收獲過程中采用滑切的方式進(jìn)行切割收獲，挖掘鏟在切削過程中鏟上任意一點(diǎn)E的受力示意圖如圖3所示。其中：P0為鏟刃所受挖掘阻力阻力；F0為鏟刃與莖土混合物的摩擦力；R0為莖土混合物對(duì)鏟刃壓力；E為挖掘鏟上任意一點(diǎn)。

圖3 挖掘鏟鏟刃受力分析Fig. 3 Force analysis of the blade

采用滑切方式切割挖掘時(shí)，必須滿足

(1)

由圖3可得

(2)

式中：λ——莖土混合物與鏟面的摩擦角，取值為34°～43°。

(3)

試驗(yàn)表明：若鏟刃夾角的過大則不能切斷雜草根莖，使挖掘鏟堵塞；若鏟刃夾角過小，要使達(dá)到同樣的挖掘?qū)挾?，則必須增加鏟的寬度，增大挖掘鏟的挖掘阻力，根據(jù)式(3)可得θ≤94°。

2) 入土角α。挖掘鏟入土角的大小決定挖掘鏟的入土性能和挖掘深度。為了達(dá)到更好的挖掘效果，減少對(duì)藥材的損傷，挖掘鏟在工作時(shí)入土角度應(yīng)保證能將藥材根莖完整掘出，使掘出物在鏟面上勻速運(yùn)動(dòng)，并能順利輸送到挖掘鏟后端而不掉落，現(xiàn)對(duì)莖土混合物進(jìn)行受力分析，如圖4所示。其中：vm為收獲機(jī)前進(jìn)的速度；F為掘起莖土混合物所需要的力；Ff為挖掘鏟對(duì)莖土混合物的摩擦力；FN為挖掘鏟對(duì)莖土混合物的作用力；G為莖土混合物的重力；L1為挖掘鏟鏟刃及鏟體長(zhǎng)度；L2為U形導(dǎo)桿長(zhǎng)度；H1為莖土混合物到達(dá)鏟體尾部距離地面的高度；H2為莖土混合物到達(dá)U形導(dǎo)桿尾部距離地面的高度；α為挖掘鏟入土角度；α1為U型導(dǎo)桿與鏟面夾角；μ為土壤對(duì)鋼的摩擦系數(shù)。

圖4 莖土混合物受力分析圖Fig. 4 Stress analysis of stem soil mixture

入土角α的理論值，可由沿挖掘鏟運(yùn)動(dòng)的掘起物作用力的平衡方程確定

(4)

方程變換后得

(5)

試驗(yàn)表明：入土角α越小，挖掘深度減小，挖掘阻力減小。入土性能增強(qiáng)，但碎土性能差，容易出現(xiàn)壅土現(xiàn)象；入土角α越大，挖掘深度增大，挖掘阻力增大，入土性能降低，但碎土性能較強(qiáng)。通常α取25°[17-18]。

3) 工作深度H。通過人工挖掘后觀察根莖類中藥材的根莖分布可知藥材根莖的分布范圍為200～500 mm，且藥材的根須相互纏繞，因此，在收獲時(shí)挖掘深度必須的保證大于藥材根莖的最大深度，避免挖斷主根，破壞根莖的完整性，影響藥用價(jià)值，故挖掘鏟的最大入土深度H應(yīng)≥500 mm。

4) 工作長(zhǎng)度L。挖掘鏟的長(zhǎng)度可以分為兩部分，前端部分為挖掘鏟鏟刃鏟體部分，主要作用為將土壤中的藥材根莖挖掘出來，后端部分為U形導(dǎo)桿，用于承載和運(yùn)輸莖土混合物，使莖土混合物沿著鏟面向后拋送。后端長(zhǎng)度的長(zhǎng)度可利用能量守恒定律進(jìn)行計(jì)算。即掘出的莖土混合物所有的動(dòng)能E全部用向后推送克服重力所做的功和克服與U形導(dǎo)桿摩擦力所做的功，如式(6)所示。

(6)

式中：E——掘出的莖土混合物所有的動(dòng)能，J；

m——掘出的莖土混合物的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，m/s2。

化簡(jiǎn)后得

(7)

選取機(jī)器的最低值作為計(jì)算的極端條件，故vm取值為2.4 m/s，g取值為9.8 m/s2，計(jì)算可得L2=392 mm。

故鏟體和U形導(dǎo)桿的長(zhǎng)度L2為392 mm。根據(jù)圖4可知莖土混合物到達(dá)U形導(dǎo)桿尾部距離地面的高度與U形導(dǎo)桿的長(zhǎng)度關(guān)系

(8)

計(jì)算可知H2=339 mm。

根據(jù)圖4可知挖掘鏟鏟刃長(zhǎng)度

(9)

計(jì)算可得L1為380 mm，則挖掘鏟的總長(zhǎng)度L=L1+L2=772 mm。

3 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 桿長(zhǎng)的計(jì)算

極位夾角

(10)

式中：k——行程速度變化系數(shù)，取值為2。

計(jì)算可得γ為30°，做該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基圓η，η的半徑

(11)

式中：r——基圓半徑，mm；

c——搖桿長(zhǎng)度，mm；

φ——擺桿擺角，(°)。

取c=300 mm，φ為120°，則r的取值為520 mm。

根據(jù)基圓半徑，繪制出曲柄連桿機(jī)構(gòu)鉸鏈固定中心位置如圖5所示。其中：O為基圓圓心；β為A點(diǎn)在基圓上的位置夾角；a為曲柄AB的長(zhǎng)度；d為連桿AD的長(zhǎng)度。

圖5 曲柄連桿機(jī)構(gòu)鉸鏈固定中心位置示意圖Fig. 5 Location of hinge fixed center ofcrank linkage mechanism

由于偏心輪安裝在減速器輸出軸皮帶輪上，擺桿一端固定在下方機(jī)架上，兩點(diǎn)的位置確定，有

(12)

式中：δ——符號(hào)系數(shù)，取值為 -1；

LOD——圓心與固定點(diǎn)距離，mm。

計(jì)算可得可得連桿AD的長(zhǎng)度d為820 mm，曲柄AB的長(zhǎng)度(偏心輪偏距)a為70 mm，挖掘鏟支撐架兩節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度b為970 mm[19]。

3.2 挖掘鏟運(yùn)動(dòng)分析

挖掘鏟在四桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下做平面運(yùn)動(dòng)，其中挖掘鏟固定安裝在挖掘鏟支撐架端點(diǎn)E處，E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡即為挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)的軌跡。已知該四桿機(jī)構(gòu)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將四桿機(jī)構(gòu)看作為封閉矢量多邊形，建立坐標(biāo)系，如圖6所示。

圖6 四桿機(jī)構(gòu)封閉矢量多邊形Fig. 6 Closed vector polygon of four-bar mechanism1.偏心輪轉(zhuǎn)矩 2.挖掘鏟支架 3.擺桿 4.機(jī)架

在收獲機(jī)工作時(shí)經(jīng)過時(shí)間t，則挖掘鏟(E點(diǎn))的位移方程

x=lBEcosφ2+vmt

(13)

y=lBEsinφ2

(14)

式中：x——挖掘鏟在x軸方向上的位移，mm；

y——挖掘鏟在y軸方向上的位移，mm；

lBE——挖掘鏟距挖掘鏟支架端點(diǎn)長(zhǎng)度，mm；

φ2——挖掘鏟支架運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角，(°)。

將位移運(yùn)動(dòng)方程對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得挖掘鏟(E點(diǎn))的速度方程

vx=-lBEsinφ2+vm

(15)

vy=-lBEcosφ2

(16)

式中：vx——挖掘鏟在x軸方向上的速度，m/s；

vy——挖掘鏟在y軸方向上的速度，m/s。

將速度方程對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得挖掘鏟(E點(diǎn))的加速度方程

ax=-lBEcosφ2

(17)

ay=lBEsinφ2

(18)

式中：ax——挖掘鏟在x軸方向上的加速度，m/s2；

ay——挖掘鏟在y軸方向上的加速度，m/s2。

由分析可知，挖掘鏟在工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)呈簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，其水平方向運(yùn)動(dòng)類似于余弦函數(shù)曲線，垂直方向?yàn)檎液瘮?shù)曲線，速度與加速度變化類似。說明挖掘鏟四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求，挖掘鏟運(yùn)動(dòng)軌跡滿足工作要求。

4 挖掘裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

4.1 模型與參數(shù)的建立

利用ADAMS軟件對(duì)振動(dòng)式挖掘鏟進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，將建立的三維實(shí)體模型圖1導(dǎo)入軟件中，并建立直角坐標(biāo)系，規(guī)定x軸正方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)正方向。根據(jù)收獲機(jī)在工作時(shí)減速器輸出軸轉(zhuǎn)速，對(duì)驅(qū)動(dòng)挖掘鏟運(yùn)動(dòng)的偏心輪施加等額轉(zhuǎn)速馬達(dá)，轉(zhuǎn)速為300 r/min，方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)，仿真時(shí)間為5 s，所受到的力僅為自身重力，方向?yàn)樨Q直向下，分析該挖掘裝置在垂直于水平方向的位移、速度與加速度變化在x軸與y軸隨時(shí)間的變化情況，驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)特性是否滿足使用要求[20]。

4.2 結(jié)果分析

通過仿真，得到挖掘鏟運(yùn)動(dòng)分析圖，選取挖掘鏟鏟刃上一點(diǎn)，選取該點(diǎn)在靜止位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，導(dǎo)出其分別在x軸方向上的位移—時(shí)間、速度—時(shí)間、加速度—時(shí)間變化曲線如圖7～圖9所示。

由圖7可知，挖掘鏟在x軸的運(yùn)動(dòng)最大幅度為300 mm，呈往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。軌跡曲線平滑，無運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象，由圖8、圖9可知，挖掘鏟在x軸的速度和加速度曲線具有輕微波動(dòng)變化平穩(wěn)，說明挖掘鏟運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)存在急回特性，但急性特性不明顯，結(jié)合位移，速度、加速度曲線特性，分析可知，當(dāng)挖掘鏟開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，鏟尖處于原點(diǎn)位置，此時(shí)挖掘鏟初速度為280 mm/s，加速度為0，挖掘鏟開始向左運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，速度不斷減小，加速度不斷增大，當(dāng)挖掘鏟達(dá)到最左端時(shí)，挖掘鏟的速度降低為0，加速度達(dá)到最大值130 mm/s2，挖掘鏟開始向右運(yùn)動(dòng)，速度不斷增大，加速度開始減小，當(dāng)挖掘鏟回到原點(diǎn)位置時(shí)，此時(shí)挖掘鏟的正向速度達(dá)到最大值280 mm/s，加速度降低為0，挖掘鏟繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，挖掘鏟的速度開始降低，加速度正向增大，當(dāng)挖掘鏟到達(dá)最右端時(shí)，挖掘鏟速度為0，加速度達(dá)到最大值110 mm/s2，此時(shí)挖掘鏟開始向左移動(dòng)，此時(shí)挖掘鏟速度開始反方向增大，加速度開始減小，當(dāng)挖掘鏟回到原點(diǎn)位置時(shí)，速度達(dá)到反向最大值280 mm/s，加速度減小為0，挖掘鏟以相同運(yùn)動(dòng)特向重復(fù)向左運(yùn)動(dòng)。

圖7 x軸方向時(shí)間—位移變化曲線Fig. 7 Time-displacement change curve in the x-axis direction

圖8 x軸方向時(shí)間—速度變化曲線Fig. 8 Time-velocity change curve in the x-axis direction

圖9 x軸方向時(shí)間—加速度變化曲線Fig. 9 Time-acceleration curve along the x-axis

同理，選取挖掘鏟鏟面一點(diǎn)靜止位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，導(dǎo)出其在與y軸方向上的位移—時(shí)間、速度—時(shí)間、加速度—時(shí)間變化曲線如圖10～圖12所示。

由圖10可知，挖掘鏟在y軸運(yùn)動(dòng)的最大幅度為160 mm，軌跡曲線平滑，無運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象，由圖11和圖12可知，挖掘鏟在y軸運(yùn)動(dòng)的速度和加速度曲線平滑對(duì)稱，說明挖掘鏟運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無急回特性出現(xiàn)。結(jié)合位移，速度、加速度變化特性，分析可知，當(dāng)挖掘鏟開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，挖掘鏟處于原點(diǎn)位置，此時(shí)挖掘鏟的初速度為正向最大值180 mm/s，加速度為最大值280 mm/s2，挖掘鏟開始向上運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，速度與加速度均減小，當(dāng)挖掘鏟運(yùn)動(dòng)到最上端時(shí)，速度與加速度均降低為0，挖掘鏟開始向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)挖掘鏟的速度與加速度均反向增大，當(dāng)挖掘鏟再次回到原點(diǎn)時(shí)，速度與加速度均達(dá)到反向最大值，速度為180 mm/s，加速度為為最大值280 mm/s2，挖掘鏟繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，速度與加速度開始減小，當(dāng)挖掘鏟運(yùn)動(dòng)到最下端時(shí)，速度與加速度降低為0，挖掘鏟開始向上運(yùn)動(dòng)，速度與加速度開始正向增大，當(dāng)挖掘鏟在此回到原點(diǎn)時(shí)，速度與加速度再次達(dá)到正向最大值，速度為180 mm/s，加速度為為最大值280 mm/s2。挖掘鏟以相同的運(yùn)動(dòng)特性在往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。

圖10 y軸方向時(shí)間—位移變化曲線Fig. 10 Time-displacement change curve in y-axis direction

圖11 y軸方向時(shí)間—速度變化曲線Fig. 11 Time-velocity change curve along y-axis

圖12 y軸方向時(shí)間—加速度變化曲線Fig. 12 Time-acceleration change curve along y-axis

根據(jù)對(duì)挖掘鏟水平垂直方向的運(yùn)動(dòng)分析可知挖掘鏟在工作時(shí)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)特性符合預(yù)期要求，行程變化滿足設(shè)計(jì)要求。

5 挖掘鏟的優(yōu)化模擬試驗(yàn)

5.1 模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)挖掘鏟在x軸y軸方向位移曲線特性，采用LS-Dyna非線性有限元仿真模擬挖掘鏟在工作時(shí)挖掘土壤的具體過程，首先使用LS-PREPOST讀取模型并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，挖掘鏟材料選取Q235鋼，材料參數(shù)為：密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa；泊松比μ=0.3。土壤模型也在LS-PREPOST中建立，根據(jù)藥材種植環(huán)境與模式選取相關(guān)參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

根據(jù)收獲藥材的工作幅寬和挖掘深度，土壤模型的高度為400 mm，寬度為1 800 mm，為了保證挖掘鏟在試驗(yàn)過程中能完成一次完整運(yùn)動(dòng)，土壤模型的長(zhǎng)度為2 000 mm，挖掘鏟距離土壤模型1 mm[21]。

表1 試驗(yàn)土壤的相關(guān)參數(shù)Tab. 1 Relevant parameters of the test soil

5.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

采用LS-Dyna非線性有限元仿真模擬挖掘鏟在工作時(shí)挖掘土壤的具體過程，以收獲機(jī)前進(jìn)速率A、挖掘鏟的入土角B和偏心輪轉(zhuǎn)速C作為試驗(yàn)因素，以挖掘阻力Y作為指標(biāo)。

通過調(diào)節(jié)不同的因素水平，獲取在不同水平下指標(biāo)的數(shù)值變化，試驗(yàn)因素水平分布如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素水平表Tab. 2 Experimental factors level table

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析表Tab. 3 Test plan and result analysis table

5.3 結(jié)果分析

根據(jù)試表3可知，三個(gè)因素中因素A(前進(jìn)速率)水平改變時(shí)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響最大，主要因素。其次是因素B(入土角)，最后是因素C(轉(zhuǎn)速)，因素A(前進(jìn)速率)的三個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的挖掘阻力的平均值k1為1 573，k2為1 463，k3為1 498。由于該試驗(yàn)以挖掘阻力為試驗(yàn)指標(biāo)，其值越小表示挖掘裝置入土性能越好，故最小平均值對(duì)應(yīng)的水平即為因素的最佳水平。即因素A(前進(jìn)速率)的第二水平為最佳水平，同理由表3可得因素B和因素C的最佳水平分別為第一水平和第三水平。

從以上分析可知：各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響按大小排序?yàn)锳(前進(jìn)速率)>B(入土角)>因素C(轉(zhuǎn)速)，最佳方案為A2B1C3。即前進(jìn)速度為2.4 m/s，入土角為25°，轉(zhuǎn)速為280 r/min時(shí)挖掘鏟的挖掘阻力最小。由試驗(yàn)結(jié)果表中可以看出，最佳方案為第5次試驗(yàn)，從結(jié)果可知第5次試驗(yàn)中的挖掘阻力為1 415 N，為9次試驗(yàn)中最小值，故最佳方案符合實(shí)際。

6 結(jié)論

針對(duì)根莖類中藥材收獲機(jī)采用固定式挖掘鏟收獲時(shí)，存在挖掘深度不足，入土阻力大，功率損耗嚴(yán)重，碎土效果差，鏟尖磨損較大等問題，本研究設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)式挖掘鏟，該裝置采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，在偏心輪驅(qū)動(dòng)下做平面運(yùn)動(dòng)，在挖掘過程中大大減少挖掘阻力。主要結(jié)論如下。

1) 對(duì)挖掘裝置的整體結(jié)構(gòu)，挖掘鏟參數(shù)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。根據(jù)挖掘裝置的工作原理確定該裝置采用四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，挖掘鏟結(jié)構(gòu)采用鋸齒形平面鏟，鏟刃張角θ小于94°，入土角α為25°，工作深度H為500 mm、鏟面長(zhǎng)度L為772 mm。根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)確定各個(gè)桿件的位置和長(zhǎng)度，并對(duì)挖掘鏟進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，求得挖掘鏟的位移，速度和加速度運(yùn)動(dòng)方程。

2) 對(duì)挖掘鏟進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，提取挖掘鏟鏟尖在水平方向和垂直方向上的位移—時(shí)間、速度—時(shí)間、加速度—時(shí)間運(yùn)動(dòng)曲線，分別對(duì)曲線進(jìn)行分析可知，挖掘鏟在工作時(shí)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)特性符合設(shè)計(jì)要求。

3) 對(duì)挖掘裝置進(jìn)行優(yōu)化模擬試驗(yàn)，采用LS-Dyna非線性有限元仿真模擬挖掘鏟在工作時(shí)挖掘土壤的具體過程，以收獲機(jī)前進(jìn)速率A、挖掘鏟的入土角B和偏心輪轉(zhuǎn)速C作為試驗(yàn)因素，以挖掘阻力Y作為指標(biāo)。進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)挖掘裝置的參數(shù)為前進(jìn)速度為2.4 m/s，入土角為25°，轉(zhuǎn)速為280 r/min時(shí)，挖掘阻力最小，即該組合為挖掘裝置的最佳參數(shù)組合。