黨參挖掘裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

范耀華， 崔清亮， 張燕青， 李 光， 陸佳新， 趙志宏

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030801）

0 引言

黨參是多年生草本植物，桔梗科黨參屬，生長(zhǎng)于海拔1 560～3 100 m 的山地林邊及灌木叢中[1]。由于黨參具有較高的藥用價(jià)值，種植成本低，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，近年來(lái)種植面積不斷增加。

現(xiàn)階段黨參收獲機(jī)按照機(jī)械化程度分半機(jī)械化和全機(jī)械化兩類。半機(jī)械化黨參收獲機(jī)主要以手扶拖拉機(jī)為動(dòng)力輸出，挖掘工具為固定鏟和振動(dòng)鏟，通常只能實(shí)現(xiàn)挖掘功能，后續(xù)還需人工挑揀。這種機(jī)具具有機(jī)械程度低、人工成本高、效率低下、收獲時(shí)間長(zhǎng)及勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)[2-5]。全機(jī)械化黨參收獲機(jī)將挖掘裝置、傳送分離裝置和收集裝置集于一體，能實(shí)現(xiàn)從挖掘到參土分離再到收集的全部作業(yè)過(guò)程，工作效率高，作為大型農(nóng)業(yè)機(jī)具適用于平原大地塊作業(yè)。山西省長(zhǎng)治市平順縣屬于太行山脈，黨參多種植在山地丘陵地帶，目前使用鏟式挖掘裝置和人工挖掘兩種方式。鏟式挖掘裝置在挖掘過(guò)程中能夠達(dá)到深度要求，但參土分離效果較差、入土阻力較大、雍土現(xiàn)象嚴(yán)重，無(wú)法達(dá)到理想挖掘效率[6]。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種模擬人工挖掘黨參過(guò)程的挖掘裝置，為黨參挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 挖掘裝置整體結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

挖掘裝置整體結(jié)構(gòu)主要由懸掛、機(jī)架、挖掘機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖1 所示。

圖1 黨參挖掘裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Codonopsis pilosula excavation test device

采用模擬人工挖掘的方式對(duì)黨參進(jìn)行挖掘，挖掘工具由鏟式改為叉式，并且使挖掘機(jī)具小型化，解決了山地丘陵地區(qū)的人工挖掘缺點(diǎn)。叉形結(jié)構(gòu)入土阻力更小，破土能力強(qiáng)，提高了挖掘效率，本裝置的傷參率遠(yuǎn)低于鏟式挖掘裝置的傷參率。

1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

連桿機(jī)構(gòu)在農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，建立直角坐標(biāo)系如圖2 所示，各個(gè)桿形成閉合矢量方程，此方程可以用式（1）表示[7]。

圖2 四桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系Fig.2 Four-bar mechanism coordinate system

計(jì)算得出θ2和θ3的值。確定初始狀態(tài)A、B、C、D的4 點(diǎn)坐標(biāo)。桿BE長(zhǎng)為l5，與x軸的夾角為θ5，向量BC與x軸的夾角為θ6，E點(diǎn)坐標(biāo)（xe，ye），C點(diǎn)（l4cosθ4+l5cosθ3，l4sinθ4+l3sinθ3） ， 則 向 量BE=（l5cosθ5，l5sinθ5） ， 向 量BC=（l4cosθ4+l3cosθ3+l6cosθ6，l4sinθ4+l3sinθ3+l6sinθ6）得出E點(diǎn)的坐標(biāo)式，即

黨參挖掘深度為20～25 cm，達(dá)到挖深同時(shí)要求結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小，確定各個(gè)桿長(zhǎng)度比為l1∶l2∶l3∶l4=1.0∶3.5∶1.5∶3.5，各個(gè)桿長(zhǎng)基本尺寸為l1=100 mm、l2=350 mm、l3=150 mm 和l4=350 mm。軌跡如圖3 所示，點(diǎn)的軌跡深度約為250 m。

1.3 主要結(jié)構(gòu)

采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由挖掘叉、驅(qū)動(dòng)桿、搖桿擺臂和軸承座等部件組成。其尺寸主要參照黨參收獲農(nóng)藝確定，結(jié)構(gòu)尺寸如表1 所示。當(dāng)切削入土角＞60°時(shí)，根據(jù)物體的力學(xué)模型，對(duì)土壤微粒A進(jìn)行力學(xué)分析，簡(jiǎn)化土壤微粒受力模型如圖5 所示。

圖4 曲柄連桿黨參挖掘機(jī)構(gòu)Fig.4 Codonopsis pilosula excavation device with crank and connecting rod

圖5 土壤微粒剪切模型Fig.5 Soil particle shear model

在土壤微單元A上作用一水平力F，使A沿與水平面傾斜角為θ（＜90°）的斜面上升，則必須滿足

若已知F、G和μ即可由式（12）求出對(duì)應(yīng)角的最大值。當(dāng)μ取最小值時(shí)，θ取最大值。查閱可知，土壤和鋼摩擦系數(shù)的最小值為0.35，則此時(shí)θ最大為70.7°。實(shí)際試驗(yàn)中，當(dāng)入土角取60°時(shí)，土壤受到切削力變成擠壓力，增大挖掘阻力，不利于挖掘[8]。確定最小入土角為70°，在ADAMS 中建立參數(shù)化四桿機(jī)構(gòu)，保持機(jī)架、連桿和曲柄長(zhǎng)度不變，改變搖桿長(zhǎng)度，計(jì)算不同入土角時(shí)的搖桿長(zhǎng)度。

入土角為70°、75°和80°時(shí)，入土深度在最低點(diǎn)為-410 mm，如圖6 所示，桿長(zhǎng)分別為130、155 和180 mm。確定主要桿長(zhǎng)參數(shù)如表2 所示。

表2 桿長(zhǎng)參數(shù)Tab.2 Rod length parameter

圖6 搖桿長(zhǎng)為130 和180 mm 時(shí)E 點(diǎn)軌跡Fig.6 Trajectory of point E when joystick length is 130 mm and 180 mm respectively

2 離散元模型建立

2.1 模型建立

成熟黨參外形多呈圓柱型，取8 根成熟黨參，分別測(cè)量其長(zhǎng)度和外徑，通過(guò)計(jì)算取平均值。為簡(jiǎn)化模型，將黨參外形簡(jiǎn)化為圓柱模型。簡(jiǎn)化后的黨參模型為圓柱型，直徑為10 mm，長(zhǎng)度為210 mm，如圖7 所示。

圖7 黨參測(cè)量和離散模型Fig.7 Measurement and discrete models of Codonopsis pilosula

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，將土壤原型顆粒半徑設(shè)為4 mm[9]。根據(jù)隨機(jī)正態(tài)分布，生成顆粒半徑范圍為原型土壤顆粒的0.7～1.0 倍[10]。設(shè)置其顆粒之間的算法為 Hertz-Mindin with JKR 型，黏結(jié)能量設(shè)置為10 J。土壤模型如圖8 所示。

圖8 土壤模型Fig.8 Soil model

2.2 仿真模型參數(shù)確定

通過(guò)試驗(yàn)和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定材料參數(shù)和物料間接觸模型參數(shù)，如表3 和表4 所示[11]。

表3 材料屬性Tab.3 Material properties

表4 材料間接觸參數(shù)Tab.4 Contact parameters between materials

3 仿真分析

3.1 耦合仿真模型建立

利用Proe5.0 建立挖掘仿真模型，然后將模型轉(zhuǎn)換成“.step”格式，將模型分別導(dǎo)入到ADAMS 和EDEM，建立黨參-土壤-挖掘機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，如圖9 所示[12-17]。

圖9 土壤-黨參-挖掘機(jī)構(gòu)模型Fig.9 Model of soil- Codonopsis pilosula - excavation device

3.2 試驗(yàn)方法

采取單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，土槽試驗(yàn)臺(tái)車速為0.2 m/s，模型前進(jìn)速度為0.2 m/s，挖掘過(guò)程如圖10 所示。驅(qū)動(dòng)桿轉(zhuǎn)速分別為60、90、120 和150 r/min，入土角為70°、75°和80°，以挖掘叉的入土阻力為試驗(yàn)指標(biāo)，一共組成12 組試驗(yàn)，如表5 所示。

表5 試驗(yàn)條件Tab.5 Experimental condition

圖10 簡(jiǎn)化挖掘裝置挖掘黨參仿真全過(guò)程Fig.10 Whole process of digging Codonopsis pilosula with simplified excavation device

前處理模型生成后，打開(kāi)ADAMS 耦合接口，進(jìn)行挖掘工作模擬仿真。挖掘叉能夠?qū)Ⅻh參挖掘出來(lái)，同時(shí)將土壤后拋，降低挖掘叉入土后的阻力，起到一定的松土作用，能夠保證在挖掘過(guò)程中減少土塊，其挖掘工作過(guò)程如圖9 所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了減少計(jì)算量，本文研究挖掘叉從開(kāi)始接觸土壤到完全進(jìn)入土壤時(shí)的阻力。挖掘叉開(kāi)始接觸土壤到完全進(jìn)入土壤后，所受阻力逐漸增大，完全進(jìn)入土壤后，阻力變化趨于平穩(wěn)。

由表6 可知，入土角恒定時(shí)，轉(zhuǎn)速逐漸增大，阻力逐漸增大，在轉(zhuǎn)速150 r/min，入土角為70°、75°和80°時(shí)，阻力分別為402、367 和334 N，阻力達(dá)到最大值，所以較佳轉(zhuǎn)速為60～90 r/min。

表6 轉(zhuǎn)速不同時(shí)入土阻力Tab.6 Resistance to soil penetration at different rotational speeds

轉(zhuǎn)速為60 r/min，入土角為70°、75°和80°時(shí)，入土阻力值分別為280、254 和232 N；轉(zhuǎn)速為90 r/min，入土角為70°、75°和80°時(shí)，入土阻力分別為331、313 和274 N；轉(zhuǎn)速為120 r/min，入土角為70°、75°和80°時(shí)，入土阻力分別為383、333 和312 N；轉(zhuǎn)速為150 r/min，入土角為70°、75°和80°時(shí)，入土阻力分別為402、339 和272 N。阻力隨角度的增大而減小。經(jīng)過(guò)單因素試驗(yàn)分析，得出最佳入土角范圍75°～80°，最佳轉(zhuǎn)速范圍60～90 r/min。

4 土槽試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)條件

通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料得到長(zhǎng)治市土壤在自然條件下含水率為16%[18-19]。對(duì)土壤進(jìn)行測(cè)定，要求土壤的含水率數(shù)值接近16%，同時(shí)測(cè)量土壤的堅(jiān)實(shí)度，如圖11所示。

圖11 濕度測(cè)量?jī)x和堅(jiān)實(shí)度測(cè)量?jī)xFig.11 Humidity measuring instrument and firmness measuring instrument

選取挖松率和損傷率為指標(biāo)，以入土角和轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)最優(yōu)平衡完全隨機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。黨參挖松率、損傷率按式（13）和式（14）計(jì)算。

式中W1——挖松率，%

M1——測(cè)區(qū)內(nèi)明放、露出地面根莖和挖掘松動(dòng)的根莖總質(zhì)量， kg

M——測(cè)區(qū)內(nèi)所有根莖質(zhì)量，kg

W2——挖松率，%

M2——測(cè)區(qū)內(nèi)機(jī)具作業(yè)導(dǎo)致從挖出的根莖中找到被挖斷的、皮破損的黨參質(zhì)量，kg

在土槽內(nèi)開(kāi)挖2 個(gè)1.7 m×0.6 m×0.2 m 的種植坑。在坑內(nèi)沿土槽試驗(yàn)車前進(jìn)方向開(kāi)45°左右的斜坡，將黨參沿土槽試驗(yàn)車前進(jìn)方向依次擺放在斜坡上，株距為30 mm，進(jìn)行埋土、澆水、壓實(shí)、晾曬和挖掘工序。挖掘過(guò)程如圖12 所示。

圖12 黨參挖掘Fig.12 Codonopsis pilosula excavation

4.2 試驗(yàn)方案確定

車速為0.2 m/s 情況下，設(shè)計(jì)最優(yōu)平衡完全隨機(jī)試驗(yàn)，入土角75°～80°，驅(qū)動(dòng)桿轉(zhuǎn)速60～90 r/min。將轉(zhuǎn)速和入土角設(shè)為兩個(gè)因素，轉(zhuǎn)速4 個(gè)水平，入土角2個(gè)水平，列出水平表7 和水平觀測(cè)表8，運(yùn)用SAS 軟件進(jìn)行分析。

表7 挖掘試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和入土角因素水平Tab.7 Factors of rotation speed and angle of penetration in excavation test

表8 SAS 試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀測(cè)樣本Tab.8 SAS test data observation sample

4.3 試驗(yàn)分析

4.3.1 轉(zhuǎn)速和入土角對(duì)挖掘試驗(yàn)的影響

由表9 可知，轉(zhuǎn)速為70 r/min 時(shí)，挖松率最高，為97.1%；損傷率最低，為5.6%。轉(zhuǎn)速60 r/min 時(shí)的損傷率低于轉(zhuǎn)速80 和90 r/min。綜上所述最佳的轉(zhuǎn)速為70 r/min，次之轉(zhuǎn)速為60 r/min。

表9 不同轉(zhuǎn)速時(shí)挖松率和損傷率對(duì)比Tab.9 Comparison of loosing rate and damage rate at different speeds

由表10 可知，入土角為75°時(shí)，挖松率最高，為91.8%；損傷率較高，為8.5%。所以最佳入土角為80°。

表10 不同入土角時(shí)挖松率和損傷率對(duì)比Tab.10 Comparison of loosening rate and damage rate at different penetration angles

4.3.2 挖掘試驗(yàn)組合效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)的影響

由表11 可知，轉(zhuǎn)速和入土角組合是70 r/min×75°時(shí)，黨參的挖松率極顯著地高于其他組合，黨參的損傷率極顯著地低于其他組合。當(dāng)轉(zhuǎn)速和入土角組合為60 r/min×75°時(shí)，損傷率也極顯著地低于60 r/min×80°、80 r/min×75°、80 r/min×80°、90 r/min×75°和90 r/min×80°；而其挖松率顯著高于70 r/min×75°。分析得出，最佳組合為70 r/min×75°，次之組合為60 r/min×75°和70 r/min×80° 。

表11 試驗(yàn)組合效應(yīng)對(duì)挖松率均值多重性比較Tab.11 Multiplicity comparison of combined effect of excavation test on mean value of excavation rate

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）黨參挖掘裝置采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可減輕裝置質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)山地丘陵黨參挖掘機(jī)械作業(yè)。

（2）轉(zhuǎn)速對(duì)挖松率和損傷率影響最高，入土角次之。轉(zhuǎn)速和入土角最優(yōu)組合為70 r/min×75°，次之組合為60 r/min×75°和70 r/min×80° 。