蘇建華，李 磊

(承德石油高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程系，河北 承德 067000)

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計(jì)算機(jī)模擬下的馬鈴薯機(jī)械化挖掘與試驗(yàn)研究

蘇建華，李 磊

(承德石油高等專科學(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程系，河北 承德 067000)

針對(duì)馬鈴薯機(jī)械化挖掘進(jìn)行試驗(yàn)研究，應(yīng)用Pro/E進(jìn)行馬鈴薯機(jī)械化挖掘建模，基于Adams軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真，設(shè)計(jì)中應(yīng)多考慮馬鈴薯機(jī)械化挖掘中鏟面碎土的能力。通過試驗(yàn)研究馬鈴薯機(jī)械化挖掘?qū)︸R鈴薯挖掘的影響，可優(yōu)化提升馬鈴薯機(jī)械化挖掘工作中的適應(yīng)性、降低傷薯率與損失率，對(duì)提升馬鈴薯機(jī)械化挖掘質(zhì)量具有重要意義。

馬鈴薯；機(jī)械化挖掘；計(jì)算機(jī)模擬

0 引言

在我國糧食產(chǎn)業(yè)中，馬鈴薯作為小麥、水稻、玉米之后的第四大作物，具有舉足輕重的作用。實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的機(jī)械化挖掘，不僅能夠適應(yīng)我國當(dāng)前農(nóng)民對(duì)于挖掘馬鈴薯的農(nóng)作需求，也可促使提升馬鈴薯挖掘效率，降低生產(chǎn)成本。為此，利用計(jì)算機(jī)建模結(jié)合機(jī)具試驗(yàn)，對(duì)振動(dòng)式挖掘生產(chǎn)進(jìn)行了研究，旨在為后續(xù)研究提供參考。

1 實(shí)現(xiàn)馬鈴薯機(jī)械化挖掘的意義

當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在馬鈴薯收獲的季節(jié)，對(duì)于面積小的馬鈴薯區(qū)域還在采取手工方式挖掘，不僅挖掘速度慢，還容易導(dǎo)致馬鈴薯破損，影響馬鈴薯的收獲率[1]。雖然我國對(duì)于大面積馬鈴薯挖掘采用機(jī)械化手段，但由于在馬鈴薯機(jī)械化挖掘方面的研究還處于初級(jí)階段，并且將國外的馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)直接應(yīng)用與我國的馬鈴薯挖掘中，也會(huì)受到地區(qū)、國家差異等因素的限制[2]。我國現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化設(shè)備中，馬鈴薯機(jī)械化聯(lián)合挖掘機(jī)，不僅體積大且功耗也高,往往適用進(jìn)行大面積馬鈴薯種植區(qū)域的挖掘作業(yè),且會(huì)由于一些種植區(qū)域的地理?xiàng)l件限制與馬鈴薯的種植模式差異，導(dǎo)致馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)使用優(yōu)勢(shì)大大降低。例如，在一些山地及坡地中，應(yīng)用該機(jī)械化挖掘機(jī)來收獲馬鈴薯,操作難度大。傳統(tǒng)的馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)并不適合進(jìn)行小地塊的馬鈴薯挖掘作業(yè),使得在我國不能大面積推廣應(yīng)用馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)收獲[3-5]。同時(shí)，我國在研制開發(fā)馬鈴薯挖掘機(jī)方面缺乏精準(zhǔn)的理論指導(dǎo)，在設(shè)計(jì)研制及應(yīng)用方面與國外一些發(fā)達(dá)國家比還有明顯的技術(shù)差距[6]。

2 計(jì)算機(jī)模擬下設(shè)計(jì)馬鈴薯機(jī)械化挖掘

2.1 馬鈴薯機(jī)械化挖掘的設(shè)計(jì)思想

在本研究中，為能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于我國馬鈴薯挖掘機(jī)械化目標(biāo)，可以高效、優(yōu)質(zhì)地進(jìn)行機(jī)械化馬鈴薯挖掘，應(yīng)該確保設(shè)計(jì)的馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)，能夠向著機(jī)械作業(yè)低功耗、挖掘馬鈴薯低損失及節(jié)約能源的方向來開展設(shè)計(jì)。本研究中，將會(huì)結(jié)合實(shí)際的需要，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，優(yōu)化研制設(shè)計(jì)出可以與地面能夠保持較少接觸(規(guī)避機(jī)械化挖掘作業(yè)堵塞弊端)、降低地面地形的干擾(杜絕地理因素差異弊端)及提升明薯率的設(shè)備。

2.2 馬鈴薯機(jī)械化挖掘設(shè)計(jì)依據(jù)

在我國馬鈴薯農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于馬鈴薯的種植，一般采取壟作種植的模式，對(duì)于不同的種植行間距，單株的馬鈴薯質(zhì)量及產(chǎn)量方面也會(huì)存在一定差異(見表 1)。本次計(jì)算機(jī)模擬馬鈴薯機(jī)械化挖掘過程中，已將這些差異考慮在內(nèi)。

由表1可知：不同的行間距也會(huì)對(duì)單株的馬鈴薯質(zhì)量、產(chǎn)量產(chǎn)生影響。因此，在計(jì)算機(jī)模擬下的馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)馬鈴薯的塊莖物理機(jī)械性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)設(shè)備[7]。具體就是在設(shè)計(jì)中，根據(jù)馬鈴薯的大小，優(yōu)化設(shè)計(jì)馬鈴薯機(jī)械化挖掘過程中的挖掘深度與寬度，確保能夠在馬鈴薯壟作的切土、松土及碎土的過程之中將馬鈴薯與土壤共同挖起[8-10]。同時(shí)，在設(shè)計(jì)馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)時(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真，還需考慮鏟面在工作時(shí)會(huì)被草纏住的因素，有效增強(qiáng)鏟面破碎能力，提升馬鈴薯機(jī)械化挖掘鏟碎土的性能，確保馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)能夠在實(shí)踐中推廣應(yīng)用。

表1 差異數(shù)據(jù)

2.3 影響挖掘阻力的主要參數(shù)分析

本研究中，重要解決不同地區(qū)土壤特性差異性大，以及馬鈴薯挖掘機(jī)工作時(shí)適應(yīng)性差、碎土能力低、明薯率低、傷薯率和損失率高等問題?；赑ro/E軟件進(jìn)行了強(qiáng)適應(yīng)性小型馬鈴薯收獲機(jī)建模，使用Adams軟件進(jìn)行了仿真研究，建立了工作阻力模型。通過測(cè)試挖掘機(jī)工作時(shí)挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)過程，入土角度調(diào)節(jié)模塊如圖 1所示 。

圖1 挖掘鏟的入土角度調(diào)節(jié)模塊

由圖1可以看出：挖掘鏟能夠?qū)⑶岸瞬糠种苯雍婉R鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)的偏心輪軸進(jìn)行聯(lián)接,在后端可以同挖掘鏟的側(cè)板連接軸進(jìn)行聯(lián)接 ,且在前后部分可以通過螺桿進(jìn)行聯(lián)接。挖掘鏟設(shè)計(jì)中的幾何關(guān)系如圖2所示。

圖2 挖掘鏟設(shè)計(jì)

電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步使得挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)得到了先進(jìn)技術(shù)的支持，促使液壓挖掘機(jī)的研究重點(diǎn)正逐步向智能化控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移。最大挖掘力為挖掘鏟油缸設(shè)計(jì)的依據(jù)，挖掘鏟油缸作用力為

(1)

式中l(wèi)1—挖掘鏟油缸作用力對(duì)搖臂點(diǎn)的力臂(此位置為搖臂長度)；

lc—F1max對(duì)挖掘鏟與連桿點(diǎn)C的力臂。

(2)

F2=0.2×F1max=27kN

(3)

2.4 馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)設(shè)計(jì)

基于計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)挖掘鏟進(jìn)行柵格化，并進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。改善馬鈴薯機(jī)械化挖掘部件的工作質(zhì)量,能夠確保在進(jìn)行馬鈴薯機(jī)械化挖掘工作時(shí)減小挖掘機(jī)的工作阻力，避免挖掘鏟在受到土壤阻力作用產(chǎn)生應(yīng)力變形[11-13]。在馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)的挖掘鏟兩側(cè)，安裝上切土的圓盤,可以防止掘起馬鈴薯過程中漏著；并且在切土圓盤入土的部分，設(shè)置300°刃角,可以輕松切開馬鈴薯壟。本馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知：馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)中，可改變挖掘鏟入土角，但不能始終固定入土。該機(jī)安裝了可調(diào)節(jié)的后輪，對(duì)挖掘機(jī)整個(gè)機(jī)架高度都有調(diào)節(jié)作用，對(duì)不同壟高種植的馬鈴薯都有很好的適應(yīng)性；調(diào)節(jié)絲桿可調(diào)節(jié)擺動(dòng)篩底面與地面的角度，使做往復(fù)運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)的篩子更容易將土粒抖落，不易在篩網(wǎng)面形成土粒的堆積，減小了牽引阻力。

1.導(dǎo)向 2.曲軸 3.手柄 4.固定裝置 5.連桿 6.前輪 7.凸緣 8.刀片 9.支架

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)條件

本次馬鈴薯機(jī)械化挖掘的試驗(yàn)中，地點(diǎn)選擇在A地的某陽光農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，時(shí)間期限是 2015 年 11 月 10 日-12 月12日，試驗(yàn)期間的溫度保持在( 17 ±2.3)℃，試驗(yàn)區(qū)域的土壤類型是紅壤土；選擇的試驗(yàn)地面積0.24hm2，馬鈴薯壟高20cm，株距18cm，壟寬50cm，馬鈴薯的結(jié)薯深度 10～20cm。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中，結(jié)合馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)特點(diǎn)及性能，根據(jù) GB5262標(biāo)準(zhǔn)中農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的規(guī)定，進(jìn)行馬鈴薯機(jī)械化挖掘試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定

在基于計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)試驗(yàn)研究中，可以測(cè)定馬鈴薯的明薯率、傷薯率、挖凈率及埋薯率指標(biāo)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過本試驗(yàn)，得出馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)的結(jié)果，如表3所示。

表3 馬鈴薯機(jī)械化挖掘性能結(jié)果

4 結(jié)論

利用Pro/E軟件對(duì)強(qiáng)適應(yīng)性馬鈴薯機(jī)械化挖掘機(jī)建模，在Adams軟件中進(jìn)行仿真研究，分析了動(dòng)鏟對(duì)馬鈴薯挖掘性能的影響，得知振動(dòng)式挖掘鏟具有減阻、防堵、適應(yīng)性強(qiáng)及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，在計(jì)算機(jī)模擬下優(yōu)化設(shè)計(jì)馬鈴薯挖掘機(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)該馬鈴薯挖掘機(jī)在計(jì)算機(jī)模擬下能夠勝任挖掘馬鈴薯的工作，不僅能夠解決傳統(tǒng)馬鈴薯挖掘機(jī)工作時(shí)適應(yīng)性差、碎土能力低、明薯率低、傷薯率和損失率高等問題，也可以提升馬鈴薯的挖掘效率。

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Potato Mechanization Mining and Experimental Research on Computer Simulation

Su Jianhua , Li Lei

(Chengde Petroleum College Department of Computer & Information Engineering，Chengde 067000， China)

According to the mining mechanization of potato were studied, using Pro/E software of potato machinery mining modeling.Based on ADAMS software for computer simulation, in the design of multi consider shovel surface soil crushing capacity, by introducing the soil compression and damage theory, the establishment of measure broken soil properties of the mathematical model, through test and study of potato mechanization mining for potato digging effect, so as to optimize the promotion of potato mechanized mining work adaptability, reduce the rate of tuber damage and loss rate, enhance potato mechanization mining quality, play a positive impact.

potato; mechanized mining; computer simulation

2016-03-30

承德市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(201422104)

蘇建華(1979-)，男，陜西漢中人，講師，碩士,(E-mail)sujianhua079830@163.com。

李 磊(1978-)，男，河北承德人，講師，碩士。

S225.7+1

A

1003-188X(2017)02-0167-04