大蒜收獲機限深挖掘裝置設計與試驗

申世龍，王東偉，殷元元，何曉寧，尚書旗，趙 壯，鄭效帥

(青島農業大學機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

大蒜是我國重要的經濟作物之一，其種植面積居世界首位。大蒜具有很高的營養價值，可作為多種營養產品的原料，可作為調味劑、化妝品的原料。同時其藥用價值也很高，對高血脂、高膽固醇、糖尿病及心臟病等都有減輕癥狀及治療作用[1]。我國大蒜收獲主要靠人工收獲，費時費力；簡易的大蒜挖掘機具由于機動性差，往往因地面起伏不定而挖傷蒜。大蒜機械化挖掘現已成為了我國機械化發展的短板，成為了制約大蒜產業發展的主要瓶頸[2-7]。因此研制適宜我國大蒜收獲的挖掘裝置勢在必行。

隨著我國農機化的不斷發展，國內學者也紛紛開始對大蒜機械化收獲做了大量研究。馬凱等[8]結合仿生學和理論力學知識，設計一種適用于大蒜全自動聯合收獲機的魚鰭形仿生挖掘鏟。王利遠等[9]采用旋轉刀盤設計了一種旋轉式挖掘機構。孫華等[10]設計了一對斜鏟式的挖掘機構。韓可[11]為了減少挖掘阻力，增加大蒜挖掘時的松土效果，設計一種往復振動式挖掘鏟。吳彥強等[12]設計一種圓盤式大蒜挖掘裝置，并利用解析作圖法對圓盤鏟刀進行了運動學分析。國內大蒜種植主要是平作套種模式，國外大型收獲機械難以進入[13-14]。因此，查閱國內外研究現狀，對于適用大蒜平作種植模式的大蒜限深挖掘方面的研究未見報道。

基于以上背景，本文設計一種適用國內大蒜平作種植模式的限深挖掘裝置，可滿足大蒜主產區挖掘收獲需求。同時建立仿地形限深挖掘數理模型，闡述仿地形限深的條件；以挖掘阻力為指標，進行試驗設計，得到挖掘裝置的最佳結構參數。

1 整機結構及原理

1.1 整機結構

大蒜收獲機限深挖掘裝置由限深輪、挖掘鏟、限深挖掘架和減振器等部件組成，如圖1所示。

1.限深輪 2.減振器 3.限深挖掘架 4.挖掘鏟圖1 限深挖掘裝置結構Fig.1 Structure of deep-limiting excavation device

1.2 工作原理

正常工作狀態，挖掘架與拖拉機固定配套，挖掘鏟深入地下一定深度將大蒜的根系切斷。其中，減振器與挖掘架之間產生相互作用的力。當地面較凹時，隨著深度的增加，限深輪與地面的接觸力逐漸減小，挖掘架失去平衡，其與減振器產生斜向下的力迫使挖掘架圍繞一點向下旋轉。當挖掘架向下轉動一定角度后，其上的限深輪與地面產生的力增加，直至系統達到平衡。當地面較凸時，隨著高度的增加限深輪與地面的接觸力逐漸增加，挖掘架失去平衡，迫使挖掘架圍繞一點向上旋轉，當挖掘架向上轉動一定角度后，減振器與挖掘架之間產生相互作用的力增加，直至系統達到平衡。以上兩種情況，始終保證地輪能緊貼在地面上行走。其原理如圖2所示，其中，h1=h2，F1≤F2。

2 關鍵部件設計

2.1 挖掘鏟

挖掘裝置是大蒜收獲機械重要的組成部分之一，大蒜挖掘裝置主要實現對大蒜植株的松土作用，有利于后續蒜土分離工作的進行。挖掘裝置的設計和選擇主要依據大蒜種植參數和大蒜莖稈的生長特點。需要滿足兩點：一是挖掘后大蒜松土較好，不傷蒜；二是挖掘后大蒜莖稈不倒伏。為此設計了一種適用于大蒜平作種植的挖掘鏟，如圖3所示。此形式的挖掘鏟挖掘大蒜后，保持地面的平整性和大蒜的直立狀態，不影響后續作業的進行。

2.2 仿地形限深挖掘機構

根據地面不平整特性，設計了一種仿地形限深機構。仿地形限深挖掘機構主要有3個優點：一是實現大蒜不對行挖掘，降低大蒜漏挖率；二是保持大蒜挖掘后莖稈的直立性，降低大蒜漏夾率；三是實現挖掘裝置與夾取裝置的分離，適宜大蒜夾取裝置的對行調整。

2.3 仿地形限深條件

以仿地形限深挖掘機構為研究對象，以仿地形限深挖掘機架完成仿地形為目標，建立數學函數關系式，以揭示仿地形限深的工作機理。仿地形限深挖掘機架在地面行走過程中滿足受力平衡，對數學模型進行分析，進而確定挖掘架所受各力之間存在的大小關系。不考慮重力、摩擦力和形變的影響，以便使問題簡化，這樣雖然會產生一定的誤差，但對于該問題的解決影響不大。

圖2 限深挖掘裝置原理Fig.2 Schematics of deep-limiting excavation device

圖3 大蒜收獲機挖掘鏟Fig.3 Garlic harvester excavator shovel

建立的仿地形挖掘機構受力結構如圖4所示，在建立平衡方程前規定：力的方向與坐標軸同向為正，反向為負。在計算時，已知的外力按實際作用的方向取正負號代入，求得的未知力的方向由計算結果的正負號決定。

圖4 仿形挖掘機構受力分析Fig.4 Stress analysis of profiling excavator structure

由圖4可知，只有滿足∑MC≥0，FA≥0，才能保證系統平衡。即

(1)

得

(2)

式中Fy，Fx——機架鉸接點位置處存在的支撐力

θ——輔助彈簧對地面的夾角

L——交點與C點的距離

L1——接觸點與C點的距離

FA——地面對仿地形輪的接觸力

FB——輔助彈簧對挖掘架的作用力

因此，根據力學關系式可以看出，只有滿足式(2)，挖掘鏟才能實現地面仿地形限深挖掘功能。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

為了驗證限深挖掘裝置的挖掘阻力情況，對該裝置進行田間試驗。試驗地點為臨沂市蘭陵縣蘭陵力沃種植農機化服務專業合作社，試驗面積為6.6 hm2。數據采集并記錄如表1所示。

表1 大蒜生長特性Tab.1 Growth characteristics of garlic 單位：cm

3.2 試驗因素

根據大蒜收獲機限深挖掘裝置的工作原理可知，影響大蒜挖掘阻力的因素(不考慮與研究的機器無關的因素)主要有挖掘入土傾角、挖掘深度。采用試驗設計的方法，探究挖掘入土傾角、挖掘深度兩種因素對挖掘阻力的影響規律，獲得挖掘阻力最優解。

3.3 因素編碼

經查農業機械設計手冊資料，確定大蒜挖掘鏟的入土傾角范圍19°～30°；根據大蒜的栽培農藝和大蒜生長特性，確定挖掘深度的范圍10～15 cm。試驗選用二次回歸正交組合設計方法。

由于試驗因素數m=2，取零水平試驗次數m0=4，查正交表得，mc=4，mγ=4，γ=1.078，則試驗總數n=mc+2m+mγ=12。試驗因素水平編碼如表2所示。

表2 因素編碼表Tab.2 Factors and level codes

3.4 試驗分析

采用青島農業大學土槽試驗室TCT-3試驗臺對挖掘裝置的牽引力進行測定。試驗將土槽動力車的牽引力Y作為響應值，根據選定的試驗因素并考慮兩因素交互作用對指標的影響。在試驗過程中，滿足試驗設計的3個基本原則(區組、隨機化處理與重復)。為了降低試驗系統誤差和增加試驗自由度，進行4次零點重復試驗。具體試驗過程與方案如表3所示。

利用Design-expert數據處理軟件對試驗數據進行顯著性檢驗和失擬性分析，結果如表4所示。

F檢驗結果呈極顯著(P值<0.000 1)，表明此回歸方程有意義。失擬檢驗結果表明，方程的失擬性不顯著，試驗指標的預測值擬合程度較為理想。剔除不顯著因素，經中心化處理后，可得到挖掘阻力與挖掘傾角和挖掘深度之間的規律方程響應面分析如圖5所示。在10～14 cm范圍內，隨著挖掘深度的增加，挖掘阻力曲線呈先減小后增加趨勢；在19°～21°范圍內，挖掘阻力曲線是呈先減小后增加趨勢，在21°～27°范圍內，挖掘阻力曲線呈上升勢態。

表3 試驗方案及結果分析Tab.3 Test scheme and result analysis

表4 方差分析Tab.4 Significance analysis

y=19 434.16-393.66x2-1 913.28x1+79.75x12

(3)

3.5 參數優化

為了進一步優化上述試驗參數，將其作為約束條件，挖掘阻力作為目標函數，運算后得到

(4)

優化后求解可得各因素影響挖掘阻力的最優值，挖掘深度為11.99 cm、入土傾角為24.5°時，試驗指標挖掘阻力最小，為3 163.9 N。

3.6 試驗驗證

當挖掘深度為11.99 cm、入土傾角為24.5°時，在相同的試驗條件下進行試驗，結果挖掘阻力穩定在3 168.2 N，與優化結果的相對誤差為1.4%，結果與理論值十分接近。考慮到實際生產中存在干擾，可以認可理論值的正確性，故在實際作業過程中可以應用上述最優組合。

4 結論

(1)設計了一種適用大蒜平作種植模式的挖掘鏟，可保持大蒜的直立性，滿足大蒜挖掘收獲要求。

(2)設計一種限深挖掘機構，對仿地形限深挖掘裝置建立數學模型，得出了仿地形限深挖掘滿足的數學條件。

(3)在臨沂市蘭陵縣蘭陵力沃種植農機化服務專業合作社進行了田間試驗，運用二次回歸正交組合設計方法，得出挖掘鏟的挖掘傾角、挖掘深度對挖掘阻力的關系，探明挖掘阻力的變化規律，為后續樣機優化提供理論依據。

圖5 響應面分析Fig.5 Response surface analysis