邢 旭，秦 禎，曹少波，馮曉靜

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

0 引言

山藥在我國種植廣泛，主要產(chǎn)于河南、河北、山東、江蘇、湖北、安徽、山西及福建等地[1]。目前，麻山藥收獲仍以人工為主，收獲機(jī)械化水平較低，勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)工費(fèi)時(shí)及生產(chǎn)成本過高使其生產(chǎn)受到很大限制，嚴(yán)重影響了麻山藥的規(guī)?；N植，影響種植者的經(jīng)濟(jì)收入和產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2]。雖然已有部分地區(qū)采用開溝機(jī)收獲麻山藥，但只是用于挖溝，依舊需要人力參與挖掘、撿拾和擺放等作業(yè)，機(jī)械化程度相對(duì)較低[3]。因此，麻山藥收獲機(jī)械化對(duì)于提高工作效率減少勞動(dòng)強(qiáng)度至關(guān)重要。麻山藥收獲機(jī)的振動(dòng)松土作業(yè)是麻山藥收獲機(jī)工作的重要環(huán)節(jié)，振動(dòng)松土裝置是麻山藥收獲機(jī)的核心裝置，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)挖掘阻力、麻山藥根莖損傷、人工出土勞動(dòng)強(qiáng)度有較大影響。為此，設(shè)計(jì)了麻山藥收獲機(jī)振動(dòng)松土裝置，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。

1 振動(dòng)松土裝置的結(jié)構(gòu)與原理

1.1 振動(dòng)松土裝置的結(jié)構(gòu)

麻山藥收獲機(jī)振動(dòng)松土裝置是該收獲機(jī)的關(guān)鍵部分，直接影響麻山藥收獲機(jī)的損傷率[4]。振動(dòng)松土裝置主要包括機(jī)架、偏心輪、振動(dòng)擺臂、麻山藥撥土輪和振動(dòng)松土鏟，如圖1所示。

1.機(jī)架 2.從動(dòng)鏈輪 3.動(dòng)力傳輸軸 4.偏心輪 5.振動(dòng)傳遞連桿 6.碎土輪 7.振動(dòng)松土鏟圖1 振動(dòng)松土裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Vibration device structure diagram

1.2 振動(dòng)松土裝置的工作原理

麻山藥收獲機(jī)振動(dòng)松土機(jī)構(gòu)的動(dòng)力由液壓泵通過液壓馬達(dá)提供，通過節(jié)流閥加溢流閥來控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。液壓馬達(dá)動(dòng)力輸出軸通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪通過振動(dòng)傳遞連桿使松土鏟上下往復(fù)振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)松土裝置對(duì)土壤的疏松。通過改變偏心輪的偏心距來調(diào)節(jié)振動(dòng)松土裝置的振幅，改變偏心輪的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)松土裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

2 振動(dòng)松土裝置的三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 振動(dòng)松土裝置的主要參數(shù)

影響振動(dòng)松土裝置牽引阻力和功耗及麻山藥的收獲質(zhì)量的影響因素主要有：偏心輪的偏心距e、偏心輪的轉(zhuǎn)速n，以及振動(dòng)松土鏟的尺寸、開溝裝置切削深度和傳輸連接桿的長(zhǎng)度等。偏心距過大過小都會(huì)影響工作質(zhì)量，選定偏心距e初始值為30、40、50mm進(jìn)行仿真分析。振動(dòng)松土鏟的尺寸也會(huì)影響振幅，且振動(dòng)松土鏟的長(zhǎng)度太大，會(huì)加大阻力和功耗，故振動(dòng)松土鏟長(zhǎng)設(shè)定為300mm，寬為250mm。

麻山藥收獲機(jī)工作時(shí)，鏈刀開溝裝置切削深度為1 000mm，而振動(dòng)松土鏟在地下900mm處上下振動(dòng)松土，鏈刀開溝裝置開溝深度要比振動(dòng)松土裝置的工作深度大100mm：如果小于100mm，振動(dòng)松土鏟工作時(shí)，可能碰到?jīng)]有疏松的硬土層；如果大于100mm，鏈刀開溝裝置會(huì)增加功耗。因此，振動(dòng)松土鏟的振幅要小于80mm，振幅過大會(huì)將麻山藥擠壓振斷或者使麻山藥破損。

振動(dòng)松土裝置的動(dòng)力由液壓馬達(dá)經(jīng)過鏈條傳遞到動(dòng)力傳輸軸上，動(dòng)力傳輸軸和偏心輪是通過鍵連接，動(dòng)力再經(jīng)過動(dòng)力傳輸連接桿傳遞到振動(dòng)松土鏟上，動(dòng)力傳遞連桿的長(zhǎng)短決定著振動(dòng)松土鏟工作的深度，設(shè)計(jì)動(dòng)力傳輸連接桿的長(zhǎng)度為1 530mm。

2.2 振動(dòng)松土裝置的三維建模

首先利用SolidWorks軟件將麻山藥振動(dòng)松土裝置進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行干涉檢查。振動(dòng)松土裝置的三維模型和干涉檢查如圖2所示。

圖2 振動(dòng)松土裝置的三維模型和干涉檢查Fig.2 The three dimensional modal and interference checking of vibration device

2.3 模型導(dǎo)入以及分析前處理

將建立的振動(dòng)松土裝置三維模型轉(zhuǎn)換成Para solid中間格式(X_T)，導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。振動(dòng)松土機(jī)構(gòu)仿真模型如圖3所示。

圖3 振動(dòng)松土機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.3 The simulation model of vibration mechanism

在ADAMS軟件中，定義麻山藥收獲機(jī)的前進(jìn)速度為3m/min，參考牛蒡收獲機(jī)偏心輪以540r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)[5]，將偏心輪的偏心距分別在30、40、50mm情況下進(jìn)行仿真分析。

2.4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性仿真分析

對(duì)鏟尖和鏟尾的位移、角速度和角加速度進(jìn)行仿真分析。設(shè)置仿真時(shí)間End time=1s，分析步長(zhǎng)step=500。偏心輪的偏心距為30mm時(shí)，仿真結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 鏟尖的振幅變化Fig.4 The amplitude of front changes

圖5 鏟尾的振幅變化Fig.5 The amplitude of back changes

由圖4和圖5可知：當(dāng)偏心輪的偏心距為30mm時(shí)，鏟尖的振幅為16mm，鏟尾的振幅為36mm，曲線為三角函數(shù)趨勢(shì)，符合振動(dòng)松土裝置實(shí)際工作狀態(tài)。

圖6 鏟尖的角速度Fig.6 The angular velocity of front shovel

圖7 鏟尖的角加速度Fig.7 The angular acceleration of front shovel

由圖6可知：當(dāng)偏心輪的偏心距為30mm時(shí)，振動(dòng)松土鏟鏟尖的角速度峰值為320rad/s。

由圖7可知：當(dāng)偏心輪的偏心距為30mm時(shí)，鏟尖的角加速度峰值為53 000rad/s2。

偏心輪的偏心距為40mm時(shí)仿真結(jié)果，如圖8～圖11所示。

圖8 鏟尖的振幅變化Fig.8 The amplitude of front changes

圖9 鏟尾的振幅變化Fig.9 The amplitude of back changes

圖10 鏟尖的角速度Fig.10 The angular velocity of front shovel

由圖8和圖9可知：當(dāng)偏心輪的偏心距為40mm時(shí)，鏟尖的振幅為26.5mm，鏟尾的振幅為44.5mm。曲線為三角函數(shù)趨勢(shì)，符合振動(dòng)松土裝置實(shí)際振動(dòng)工作狀態(tài)。

由圖10可知：當(dāng)偏心輪的偏心距為40mm時(shí)，振動(dòng)松土鏟鏟尖的角速度峰值為400rad/s。

圖11 鏟尖的角加速度Fig.11 The angular acceleration of front shovel

由圖11可知：當(dāng)偏心輪的偏心距為40mm時(shí)，鏟尖的角加速度峰值為24 000rad/s2。

偏心輪的偏心距為50mm時(shí)仿真結(jié)果如圖12～圖15所示。

圖12 鏟尖的振幅變化Fig.12 The amplitude of front changes

圖13 鏟尾的振幅變化Fig.13 The amplitude of back changes

由圖12和圖13可知：當(dāng)偏心輪的偏心距為50mm時(shí)，鏟尖的振幅為35.8mm，鏟尾的振幅大約為53mm，曲線為三角函數(shù)趨勢(shì)，符合振動(dòng)松土裝置實(shí)際振動(dòng)工作狀態(tài)。

由圖14可知：當(dāng)偏心輪的偏心距為50mm時(shí)，振動(dòng)松土鏟鏟尖的角速度峰值為490rad/s。

由圖15可知：當(dāng)偏心輪的偏心距為50mm時(shí)，鏟尖的角加速度峰值為30 000rad/s2。

圖14 鏟尖的角速度Fig.14 The angular velocity of front shovel

圖15 鏟尖的角加速度Fig.15 The angular acceleration of front shovel

經(jīng)過仿真模擬后，分別對(duì)比偏心輪的偏心距在30、40、50mm情況下振動(dòng)松土裝置的振幅、振動(dòng)松土鏟鏟尖角加速度的曲線，根據(jù)曲線可以得出偏心輪的偏心距、鏟末端的振幅和鏟尖角加速度參數(shù)分析表，如表1所示。

表1 偏心距、振幅、鏟尖角加速度分析表Table 1 Eccentricity，amplitude，angular acceleration analysisTable

當(dāng)偏心輪的偏心距為30、40、50mm時(shí)，3個(gè)振幅都能滿足振幅小于80mm的要求。從振幅的角度考慮，可以看出當(dāng)偏心距為50mm時(shí)的振幅最大，為53mm，振幅最優(yōu)；其次是振幅為44.5mm，最后是振幅為36mm。從振動(dòng)松土鏟鏟尖的角加速度峰值考慮，當(dāng)偏心距為30mm時(shí)，鏟尖角加速度為18 700rad/s2；當(dāng)偏心距為40mm時(shí)，鏟尖角加速度為24 000rad/s2；當(dāng)偏心距為50mm時(shí)，鏟尖角加速度為30 000rad/s2。從振動(dòng)松土鏟的振幅和鏟尖角加速度兩個(gè)方面綜合考慮，選擇偏心輪的偏心距為50mm最佳。當(dāng)偏心距為50mm時(shí)，振動(dòng)松土鏟的振幅為53mm，角加速度為30 000rad/s2。

當(dāng)偏心輪的偏心距為50mm時(shí)，鏟末端在振動(dòng)傳遞連桿方向上的加速度曲線如圖16所示。由圖16可知：振動(dòng)松土鏟末端在上下擺動(dòng)過程中，最大加速度為1.75E+005mm/s2。

圖16 鏟末端在振動(dòng)傳遞連桿方向的加速度Fig.16 The acceleration of the shovel tip in the direction of the vibration transmission link

3 振動(dòng)松土裝置的田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地址選在河北省保定市蠡縣孫莊的麻山藥種植區(qū)，在試驗(yàn)田內(nèi)選擇一塊地勢(shì)較為平坦的地作為試驗(yàn)的試驗(yàn)區(qū)，按照機(jī)組試驗(yàn)方案要求，在試驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行規(guī)劃[6]。該試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度300m，寬度20m，土壤為壤土，試驗(yàn)對(duì)象為麻山藥中的“紫藥”品種，預(yù)設(shè)麻山藥收獲機(jī)的開溝深度為1 000mm。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)麻山藥收獲機(jī)的作業(yè)效果如圖17所示。機(jī)器作業(yè)后，土壤疏松，人工拔出麻山藥輕松省力。

圖17 麻山藥收獲機(jī)作業(yè)效果Fig.17 The operation effect of yam harvester

3.2 作業(yè)性能指標(biāo)測(cè)定

通過麻山藥收獲機(jī)田間試驗(yàn)，測(cè)試麻山藥收獲機(jī)振動(dòng)松土裝置的作業(yè)效果，檢測(cè)損傷率、折斷率和破損率。

機(jī)器作業(yè)后，按每30m選一個(gè)點(diǎn)測(cè)算，總共選取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)隨機(jī)選取20棵麻山藥根莖進(jìn)行檢測(cè)。采用人工輔助提拉撿拾的方式，收集試驗(yàn)的麻山藥，檢測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)避開地邊和地頭；計(jì)算每點(diǎn)收獲的麻山藥總數(shù)，從中挑出折斷的和破損的麻山藥，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。有

(1)

(2)

式中TZ—折斷率(%)；

TP—破損率(%)；

W—收獲的麻山藥的總棵數(shù)；

WZ—收獲的麻山藥中折斷的麻山藥的棵數(shù)；

WP—收獲的麻山藥中破損的麻山藥的棵數(shù)。

表2 根莖折斷率調(diào)查表Table 2 The breaking rate of root survey Table

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，分別按照式(1)、式(2)計(jì)算折斷率和破損率，可以計(jì)算出根莖折斷率為1%、根莖破損率為2.5%、根莖的損傷率為3.5%，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總損傷率低于5%的要求。

4 結(jié)論

1)運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)機(jī)組前進(jìn)速度、偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度和偏心距進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，結(jié)果表明：機(jī)組前進(jìn)速度為3m/min、偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度為540r/min、偏心距為50mm時(shí)性能最優(yōu)。

2)試驗(yàn)表明：機(jī)器作業(yè)后，土壤疏松，人工拔出麻山藥輕松省力，大大提高了作業(yè)效率，降低了輔助勞動(dòng)強(qiáng)度。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：人工拔出根莖輕松省力，根莖的損傷率為3.5%，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q /JL001-2016麻山藥收獲機(jī)》[7]相關(guān)要求。