側(cè)置式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)

王 婕,楊然兵,翟宇鳴,張 建,田光博

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 ,山東 青島 266109)

0 引言

馬鈴薯是我國第四大糧食作物,同時(shí)作為食品、化工、醫(yī)藥等行業(yè)的原料,又是重要的經(jīng)濟(jì)作物[1]。我國馬鈴薯種植面積與總產(chǎn)量居世界首位,而單產(chǎn)量卻達(dá)不到世界平均水平,要促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,最重要的就是促進(jìn)馬鈴薯機(jī)械化的發(fā)展[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),馬鈴薯塊莖損傷70%來源于機(jī)械收獲,30%來自運(yùn)輸包裝[3]。因此,收獲環(huán)節(jié)是馬鈴薯損傷最嚴(yán)重環(huán)節(jié),機(jī)械化收獲不當(dāng)是造成馬鈴薯損傷的主要原因,且馬鈴薯損傷對(duì)后續(xù)儲(chǔ)存、加工、食用都會(huì)造成不利的影響,應(yīng)盡可能將馬鈴薯收獲過程的損傷率降至最低[3-5]。

國內(nèi)外對(duì)于輸送裝置降低馬鈴薯損失率方面都做了大量研究。呂金慶等對(duì)馬鈴薯進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與能量學(xué)分析,得到了損傷機(jī)理,并設(shè)計(jì)了馬鈴薯機(jī)械損傷試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)以獲取最佳參數(shù)[6]。魏忠彩等通過研究薯塊在篩面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,設(shè)計(jì)了振動(dòng)與波浪二級(jí)分離裝置[7]。楊然兵等設(shè)計(jì)了S型鏈?zhǔn)椒蛛x輸送裝置來降低破皮率[8]。綜上所述,國內(nèi)學(xué)者對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)輸送裝置的研究大多為小型或中型馬鈴薯收獲機(jī),大部分為二級(jí)輸送裝置,且馬鈴薯在輸送時(shí)的方向沒有改變,對(duì)于大型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的研究較少[9]。

針對(duì)上述問題,針對(duì)側(cè)置式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的多級(jí)輸送裝置對(duì)馬鈴薯的損傷問題進(jìn)行了研究,通過對(duì)馬鈴薯在輸送裝置上的受力及運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析,得到了影響傷薯率的因素,并進(jìn)行仿真分析及田間試驗(yàn),確定輸送裝置各部件的最佳參數(shù),以達(dá)到最低的傷薯率。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

側(cè)置式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)主要由牽引臂、限深輪、地輪、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、挖掘裝置、一級(jí)輸送裝置、二級(jí)輸送裝置、橫向傳送裝置、導(dǎo)向輥組、三級(jí)輸送裝置及集薯箱等組成,如圖1所示。

1.2 工作原理

整機(jī)在拖拉機(jī)的牽引下向前運(yùn)動(dòng),切土圓盤通過與薯壟的摩擦力進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),從而完成切土工作,方便挖掘鏟破土及對(duì)馬鈴薯的挖掘;同時(shí)可切斷部分雜草,防止后續(xù)輸送過程中較多雜草與土壤粘結(jié),影響輸送裝置作業(yè)。挖掘鏟對(duì)馬鈴薯進(jìn)行挖掘,挖起的薯土混合物在多級(jí)輸送裝置的帶動(dòng)下進(jìn)行輸送,雜草通過秧蔓分離輸送裝置被輸送至田間;通過輸送裝置的抖動(dòng)和馬鈴薯與輸送裝置的摩擦,經(jīng)過多級(jí)輸送裝置,最終將馬鈴薯表面的土壤清除,馬鈴薯通過出料口進(jìn)行裝車收集。

為增如薯塊與鏈篩的接觸時(shí)間,達(dá)到更好的去土效果,馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)從挖掘到裝車的整個(gè)輸送過程如圖2所示。輸送時(shí)可分為6個(gè)階段:馬鈴薯經(jīng)挖掘鏟從土中挖掘出后向一級(jí)輸送裝置的輸送;一級(jí)輸送裝置向二級(jí)輸送裝置的輸送;二級(jí)輸送裝置向橫向傳送裝置的輸送;橫向傳送裝置經(jīng)導(dǎo)向輥組向三級(jí)輸送裝置的輸送;三級(jí)輸送裝置向出料口的輸送;出料口向運(yùn)輸裝備的輸送。為縮短整機(jī)長度、減小田間作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑,在二三級(jí)輸送裝置中設(shè)置橫向傳送裝置。在二級(jí)輸送裝置向橫向傳送裝置運(yùn)動(dòng)過程中,為防止薯塊橫向位移過大而從傳送帶上掉落,造成薯塊損失,在傳送帶側(cè)方設(shè)置了擋板;在橫向傳送裝置過程向三級(jí)輸送裝置運(yùn)動(dòng)過程中,為使薯塊能夠順利進(jìn)入三級(jí)輸送裝置,在輸送帶末端設(shè)置了導(dǎo)向輥組。

1.牽引臂 2.限深輪 3.地輪 4.動(dòng)力傳動(dòng)裝置 5.挖掘裝置 6.一級(jí)輸送裝置 7.二級(jí)輸送裝置 8.橫向傳送裝置 9.導(dǎo)向輥組 10.三級(jí)輸送裝置 11.集薯箱圖1 側(cè)置式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of side-mounted potato combine harvester

圖2 薯塊輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of potato nugget conveying device

2 馬鈴薯運(yùn)動(dòng)特征及受力分析

馬鈴薯從挖掘鏟到輸送裝置的運(yùn)動(dòng)和一級(jí)輸送裝置到二級(jí)輸送裝置的運(yùn)動(dòng)過程已有學(xué)者進(jìn)行了大量的分析,研究多針對(duì)小型或中型馬鈴薯收獲機(jī)。馬鈴薯經(jīng)輸送裝置后鋪放于地面,后續(xù)再經(jīng)撿拾費(fèi)時(shí)費(fèi)力,為減小整機(jī)長度,方便田間工作,大部分聯(lián)合收獲機(jī)都選擇側(cè)置輸送,除薯塊與輸送鏈桿的碰撞導(dǎo)致薯塊損傷外,輸送裝置換向時(shí)薯塊與機(jī)身部件因碰撞摩擦也是造成薯塊損傷的重要原因。在此,主要針對(duì)橫向傳送裝置上馬鈴薯的運(yùn)動(dòng)特征和受力情況進(jìn)行分析,以獲得薯塊損傷率最低的最優(yōu)工作參數(shù)。

2.1 橫向傳送裝置末端能量分析

薯塊隨橫向傳送裝置運(yùn)動(dòng),當(dāng)薯塊運(yùn)動(dòng)到拐角處時(shí),需改變運(yùn)動(dòng)方向,進(jìn)入三級(jí)輸送裝置;因此,在此處設(shè)置了導(dǎo)向輥組,改變薯塊運(yùn)動(dòng)方向。同時(shí),由于三級(jí)輸送裝置有一定傾角,為保證薯塊能順利進(jìn)入三級(jí)輸送裝置,隨之向上傳動(dòng),導(dǎo)向輥組可提供給薯塊一定動(dòng)力。

由于薯塊與傳送帶之間的摩擦力較大,且傳送帶上的橡膠指可對(duì)薯塊起一定的固定作用,為便于分析,假設(shè)薯塊與輸送帶相對(duì)靜止,薯塊的速度與橫向傳送裝置線速度相同。所以,薯塊隨傳送裝置運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)向輥組附近時(shí),薯塊會(huì)與導(dǎo)向輥組產(chǎn)生碰撞現(xiàn)象。為減小薯塊與導(dǎo)向輥碰撞時(shí)表皮的損傷,導(dǎo)向輥表面材質(zhì)選擇橡膠材質(zhì),碰撞瞬間可以起到緩沖作用;薯塊與導(dǎo)向輥表面都會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形,薯塊與導(dǎo)向輥的碰撞屬于非完全彈性碰撞,薯塊的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為薯塊與導(dǎo)向輥的內(nèi)能。由于薯塊會(huì)產(chǎn)生一定形變,故需要對(duì)薯塊與導(dǎo)向輥碰撞時(shí)的能量變化進(jìn)行分析,如圖3所示。

圖3 馬鈴薯與導(dǎo)向輥碰撞速度示意圖Fig.3 Schematic diagram of collision speed between potato and guide roller

薯塊與導(dǎo)向輥接觸的瞬間,以傳送帶表面為勢能零點(diǎn),則薯塊動(dòng)能為

(1)

式中m—單顆薯塊的質(zhì)量(kg);

vh—橫向傳送裝置的線速度(m/s);

T0—薯塊與導(dǎo)向輥表面開始接觸臨界狀態(tài)時(shí)所具有的動(dòng)能(J)。

當(dāng)導(dǎo)向輥處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),由于碰撞方式為斜碰撞,速度在與導(dǎo)向輥平行的方向的分力為恒定值,未發(fā)生變化,故碰撞過程中薯塊在切線方向動(dòng)量守恒,則

vhcosφ=vpcosγ

(2)

式中vp—薯塊剛離開導(dǎo)向輥時(shí)的速度(m/s);

φ—導(dǎo)向輥與豎直方向的夾角(°);

γ—vp與導(dǎo)向輥的夾角(°)。

速度在垂直于導(dǎo)向輥方向的碰撞按照正碰撞來分析,故薯塊與導(dǎo)向輥碰撞完成后離開的瞬間,與碰撞前的速度關(guān)系為

evhsinφ=vpsinγ

(3)

式中e—薯塊與導(dǎo)向輥間的碰撞恢復(fù)系數(shù),取e=0.71。

由式(2)、式(3)聯(lián)立,得薯塊與導(dǎo)向輥碰撞后離開瞬時(shí)的速度為

(4)

此時(shí),用點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)理論來分析薯塊的運(yùn)動(dòng),vp為薯塊相對(duì)于橫向傳送裝置的相對(duì)速度,橫向傳送裝置的線速度vh為牽連速度。因此,薯塊的絕對(duì)速度va為

va=vp+vh

(5)

此時(shí),動(dòng)能為

(6)

因此,碰撞過程損失的機(jī)械能為

(7)

由上述分析得:薯塊與導(dǎo)向輥碰撞所損失的機(jī)械能決定了薯塊的損傷程度,與橫向傳送裝置轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向輥與橫向傳送裝置間的夾角φ及薯塊質(zhì)量有關(guān),損失的機(jī)械能與橫向傳送裝置線速度成正比。根據(jù)二級(jí)輸送裝置線速度,為防止馬鈴薯堆積,橫向傳送裝置線速度應(yīng)大于1.5m/s;同時(shí),在保證輸送速度的前提下,降低薯塊與導(dǎo)向輥的碰撞力,最終橫向傳送裝置線速度取值范圍選定為1.5～2.0m/s。對(duì)式(7)求導(dǎo),得出ΔT與φ成負(fù)相關(guān),當(dāng)φ在0°～90°范圍內(nèi)時(shí),隨著φ的增大,損失的機(jī)械能隨之減小。

2.2 橫向傳送裝置末端變形量分析

根據(jù)農(nóng)業(yè)物料學(xué)中流變特性分析知,馬鈴薯為非線性粘彈性體,導(dǎo)向輥屬于剛性體,故薯塊與導(dǎo)向輥的碰撞屬于粘彈性體與剛性體之間的碰撞,經(jīng)歷了彈性、黏彈塑性變形過程。根據(jù)壓縮力學(xué)特性判斷馬鈴薯的彈塑性特征屬于三元件麥克斯韋模型,由兩個(gè)彈性元件和一個(gè)粘性元件構(gòu)成。由Hertz接觸理論,將薯塊與導(dǎo)向輥的碰撞簡化為粘彈性橢球體與剛性圓柱體的碰撞,碰撞接觸面為橢圓形,最大接觸應(yīng)力q0位于橢圓圓心O處,如圖4所示。

圖4 馬鈴薯與導(dǎo)向輥碰撞變形示意圖Fig.4 Schematic diagram of collision and deformation of potato and guide roller

圖4中,長軸半徑a、短軸半徑b的長度分別為

(8)

b=β·a

(9)

式中P—導(dǎo)向輥與薯塊的作用力(N);

r1—薯塊與導(dǎo)向輥接觸點(diǎn)的曲率半徑;

r2—導(dǎo)向輥半徑;

E1—薯塊彈性模量;

E2—導(dǎo)向輥彈性模量;

μ1—薯塊泊松比;

μ2—導(dǎo)向輥泊松比;

α、β—系數(shù)。

根據(jù)r1/r2查表可得最大應(yīng)力q0為

(10)

薯塊的應(yīng)變?chǔ)臑?/p>

(11)

其中,λ為彈性系數(shù),根據(jù)r1/r2查表可得。

由上述分析知:薯塊在與導(dǎo)向輥碰撞時(shí)所受最大應(yīng)力同薯塊的變形量與薯塊大小、導(dǎo)向輥半徑及導(dǎo)向輥的材質(zhì)有關(guān)。由式(11)知,應(yīng)變?chǔ)碾S導(dǎo)向輥半徑的增大而減小,考慮到馬鈴薯塊莖的大小及整機(jī)尺寸,選取導(dǎo)向輥直徑范圍為0～120mm。

3 性能試驗(yàn)

3.1 馬鈴薯薯塊碰撞仿真分析

在ANSYS Workbench19.1軟件中,根據(jù)常見的馬鈴薯三軸尺寸[10],將馬鈴薯簡化為三軸直徑為60mm×40mm×30mm的橢球形模型,如圖5所示。同時(shí),根據(jù)馬鈴薯機(jī)械損傷的升運(yùn)系統(tǒng),建立馬鈴薯與導(dǎo)向輥相碰撞的模型,查閱相關(guān)資料得馬鈴薯薯塊與導(dǎo)向輥的材料參數(shù)。

圖5 馬鈴薯運(yùn)動(dòng)仿真示意圖Fig.5 Schematic diagram of potato motion simulation

馬鈴薯模型與鏈桿模型都通過SolidWorks進(jìn)行建立,根據(jù)試驗(yàn)方案,分別改變導(dǎo)向輥的直徑、角度及薯塊的運(yùn)動(dòng)速度,進(jìn)行仿真試驗(yàn)。為提高仿真速度,將橫向傳送裝置模型簡化為板狀,導(dǎo)向輥簡化為圓柱,馬鈴薯薯塊簡化為橢球體,將薯塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,仿真試驗(yàn)時(shí),賦予馬鈴薯薯塊如箭頭所指方向的速度,速度大小與橫向傳送裝置線速度大小一致。

試驗(yàn)的仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:導(dǎo)向輥直徑為11.9mm,與橫向傳送裝置的夾角為48°,薯塊運(yùn)動(dòng)速度為1.9m/s,仿真數(shù)據(jù)包含薯塊的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變等。

圖6 馬鈴薯等效應(yīng)變、應(yīng)力示意圖Fig.6 Schematic diagram of equivalent strain and stress of potato

3.2 田間試驗(yàn)

對(duì)收獲時(shí)的馬鈴薯傷薯率進(jìn)行驗(yàn)證,試驗(yàn)在山東省青島市膠州市膠萊鎮(zhèn)大趙家村青島洪珠農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司馬鈴薯種植基地進(jìn)行,如圖7所示。試驗(yàn)日期是2021年6月。種植模式為壟作,壟形參數(shù)為:壟高 240mm,壟寬 400mm,壟周長 900mm,壟底寬 700mm、壟間距900mm。試驗(yàn)田種植品種為山東地區(qū)薯農(nóng)廣泛種植的荷蘭15號(hào),收獲前的殺秧時(shí)間對(duì)收獲品質(zhì)有一定的影響,試驗(yàn)地塊均在收獲前1周進(jìn)行機(jī)械化殺秧。

圖7 田間試驗(yàn)圖Fig.7 Field test map

基于馬鈴薯種植農(nóng)藝及前期仿真試驗(yàn),樣機(jī)田間測試時(shí)選取導(dǎo)向輥直徑111mm、導(dǎo)向輥與橫向傳送裝置的夾角43.4°、橫向輸送裝置轉(zhuǎn)速作為自變量,傷薯率作為因變量,結(jié)果表明:當(dāng)橫向傳送裝置線速度為1.52m/s時(shí),傷薯率達(dá)到最低,符合馬鈴薯收獲作業(yè)要求[11]。

4 結(jié)論與討論

1)針對(duì)我國側(cè)置式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)收獲過程中破損率大,收獲效率低等問題,對(duì)薯塊在多級(jí)輸送裝置上的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了分析,得出了影響薯塊受損的影響因素。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明:側(cè)置式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)輸送裝置的導(dǎo)向輥直徑為111mm、導(dǎo)向輥與橫向傳送裝置的夾角為43.4°、橫向傳送裝置線速度為1.52m/s時(shí),導(dǎo)向輥造成薯塊的等效應(yīng)變最小,傷薯率為1.2%,明顯低于未經(jīng)參數(shù)優(yōu)化的側(cè)置式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)械損傷情況,符合馬鈴薯收獲作業(yè)要求。