許淵，張鋒偉，李保良，張方圓，劉禹辰，宋學(xué)鋒

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，蘭州市，730070)

0 引言

中藥材的成分天然健康，藥理作用溫和，在慢性疾病的防控和滋補保健方面具有明顯的療效。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中占有重要地位[1]。隨著中藥材的藥用價值不斷被證實，國內(nèi)外對中藥材產(chǎn)品的需求日益增加，促使中藥材產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，根據(jù)市場統(tǒng)計，2019年甘肅省中藥材種植面積超過266.67 khm2，年產(chǎn)量超過1 000 kt，成為我國中藥材的主要種植區(qū)，隨著中藥材種植面積不斷增大，對中草藥收獲機械的性能要求也進一步提高[2-5]。

由于大部分中藥材的根系發(fā)達，分布于土壤深層，為了保證藥材根莖的完整性，挖掘裝置的挖掘深度須大于藥材最大根深，同時在挖掘過程中會產(chǎn)生大量的莖土混合物以及雜草根莖，故要求挖掘鏟不僅具有較大的挖掘深度和良好的入土性能，同時還需具有一定破碎分離功能，避免大量土垡造成擁堵現(xiàn)象[6-7]。

中草藥的產(chǎn)地主要在中國，國外關(guān)于藥材收獲機械相對較少，挖掘裝置采用振動方式的收獲機械主要針對胡蘿卜、馬鈴薯、花生等淺根莖類作物，主要研究有日本Sakai等研發(fā)設(shè)計的振動式馬鈴薯收獲機，韓國高山機械公司研制生產(chǎn)的小型單行和雙行馬鈴薯、地瓜收獲機。該類收獲機械采用振動式鏵犁進行深松挖掘，結(jié)果表明該類機械進行挖掘作業(yè)時，挖掘阻力明顯降低，在功率損耗和刀具磨損方面具有一定的改善作用，但由于馬鈴薯與中藥材的種植模式和生長特性不同，該類機械無法適用于中藥材的收獲[8]。國內(nèi)關(guān)于振動式中藥材收獲機的研究主要有黑龍江省水利科學(xué)研究院研發(fā)設(shè)計的4WZ-140型根莖類中藥材振動挖掘機，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)與甘肅省農(nóng)業(yè)機械鑒定站聯(lián)合制造4Y-1200型藥材收獲機，該類機械采用曲柄搖桿機構(gòu)驅(qū)動挖掘鏟進行挖掘收獲。深度適應(yīng)性好，入土阻力小但破碎分離能力差，在挖掘過程中會出現(xiàn)大量的土垡，易造成擁堵現(xiàn)象[9-10]。不滿足中藥材的收獲要求。

因此，針對根莖類中藥材在收獲過程中出現(xiàn)的問題以及充分考慮根莖類中藥材的生長環(huán)境和生理特性，本研究擬設(shè)計一種振動式挖掘裝置，在保證藥材根莖完整的基礎(chǔ)上，以期減少挖掘阻力，降低能耗，提高碎土效果，為中藥材的機械化收獲提供參考技術(shù)。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

挖掘裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由挖掘鏟、牽引架、減速器、偏心輪、機架、挖掘鏟支撐架和擺桿等部件組成。

圖1 挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of mining device1.擺桿 2.機架 3.偏心輪 4.減速器 5.皮帶輪6.牽引架 7.挖掘鏟支撐架 8.挖掘鏟

1.2 工作原理

該挖掘裝置安裝在整機的最前端，通過牽引架與拖拉機鉸接，挖掘鏟與挖掘鏟支撐架剛性連接，擺桿分別與挖掘鏟支撐架和機架鉸接，在減速器輸出軸上安裝有皮帶輪，并在皮帶輪上安裝偏心輪，偏心輪與挖掘鏟支撐架鉸接。當(dāng)整機開始運動時，拖拉機動力輸出軸輸出的動力經(jīng)減速器，帶動皮帶輪轉(zhuǎn)動，皮帶輪上的偏心輪隨之轉(zhuǎn)動，在偏心輪的帶動下，挖掘鏟做平面運動，隨著拖拉機的前進，挖掘鏟對土壤進行切割挖掘。

2 挖掘鏟的設(shè)計

2.1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計

挖掘鏟從運動形式上可分為固定式挖掘鏟和振動式挖掘鏟，從形狀上可分為柵條挖掘鏟和平面三角挖掘鏟，一般柵條形挖掘鏟為振動式，平面三角形為固定式，振動式柵條挖掘鏟具有良好的破碎分離效果，能有效防止擁堵現(xiàn)象，但入土能力較差，挖掘深度達不到藥材根莖的最大長度，在工作時，容易出現(xiàn)挖斷現(xiàn)象。固定式三角挖掘鏟入土能力較好，挖掘深度大于藥材最大根長，但破碎分離能力較差，鏟面易堆積莖土混合物，容易造成擁堵現(xiàn)象，耗費功率[11-16]。本研究根據(jù)根莖類中藥材的生長特性和收獲要求，結(jié)合不同形式挖掘鏟的特點，設(shè)計一種振動式平面鋸齒形挖掘鏟，如圖2所示。

圖2 鋸齒形挖掘鏟結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of sawtooth excavation shovel1.鏟刃 2.鏟體 3.U形導(dǎo)桿

該挖掘鏟由鏟刃、鏟體和尾部U形導(dǎo)桿組成，其鏟刃呈鋸齒形，由多個小型三角鏟排列固定在鏟體上組成。在鏟體后端等間距分布U形導(dǎo)桿，工作時，整個挖掘裝置由四桿機構(gòu)帶動，呈振動式運動，可減少挖掘阻力，在壓力下能更深的切入土壤，且增大了與土壤的接觸面積，進一步提高碎土能力，掘出的大量莖土混合物通過鏟面的振動，在U形導(dǎo)桿的作用下，土壤掉落地面，藥材根莖被輸送到分離裝置中，實現(xiàn)初次分離。

2.2 挖掘鏟主要參數(shù)的確定

1) 鏟刃張角θ。鏟刃張角為挖掘鏟鏟刃的夾角，在收獲藥材時，為了避免雜草根莖的纏繞造成擁堵，在收獲過程中采用滑切的方式進行切割收獲，挖掘鏟在切削過程中鏟上任意一點E的受力示意圖如圖3所示。其中：P0為鏟刃所受挖掘阻力阻力；F0為鏟刃與莖土混合物的摩擦力；R0為莖土混合物對鏟刃壓力；E為挖掘鏟上任意一點。

圖3 挖掘鏟鏟刃受力分析Fig. 3 Force analysis of the blade

采用滑切方式切割挖掘時，必須滿足

(1)

由圖3可得

(2)

式中：λ——莖土混合物與鏟面的摩擦角，取值為34°～43°。

(3)

試驗表明：若鏟刃夾角的過大則不能切斷雜草根莖，使挖掘鏟堵塞；若鏟刃夾角過小，要使達到同樣的挖掘?qū)挾?，則必須增加鏟的寬度，增大挖掘鏟的挖掘阻力，根據(jù)式(3)可得θ≤94°。

2) 入土角α。挖掘鏟入土角的大小決定挖掘鏟的入土性能和挖掘深度。為了達到更好的挖掘效果，減少對藥材的損傷，挖掘鏟在工作時入土角度應(yīng)保證能將藥材根莖完整掘出，使掘出物在鏟面上勻速運動，并能順利輸送到挖掘鏟后端而不掉落，現(xiàn)對莖土混合物進行受力分析，如圖4所示。其中：vm為收獲機前進的速度；F為掘起莖土混合物所需要的力；Ff為挖掘鏟對莖土混合物的摩擦力；FN為挖掘鏟對莖土混合物的作用力；G為莖土混合物的重力；L1為挖掘鏟鏟刃及鏟體長度；L2為U形導(dǎo)桿長度；H1為莖土混合物到達鏟體尾部距離地面的高度；H2為莖土混合物到達U形導(dǎo)桿尾部距離地面的高度；α為挖掘鏟入土角度；α1為U型導(dǎo)桿與鏟面夾角；μ為土壤對鋼的摩擦系數(shù)。

圖4 莖土混合物受力分析圖Fig. 4 Stress analysis of stem soil mixture

入土角α的理論值，可由沿挖掘鏟運動的掘起物作用力的平衡方程確定

(4)

方程變換后得

(5)

試驗表明：入土角α越小，挖掘深度減小，挖掘阻力減小。入土性能增強，但碎土性能差，容易出現(xiàn)壅土現(xiàn)象；入土角α越大，挖掘深度增大，挖掘阻力增大，入土性能降低，但碎土性能較強。通常α取25°[17-18]。

3) 工作深度H。通過人工挖掘后觀察根莖類中藥材的根莖分布可知藥材根莖的分布范圍為200～500 mm，且藥材的根須相互纏繞，因此，在收獲時挖掘深度必須的保證大于藥材根莖的最大深度，避免挖斷主根，破壞根莖的完整性，影響藥用價值，故挖掘鏟的最大入土深度H應(yīng)≥500 mm。

4) 工作長度L。挖掘鏟的長度可以分為兩部分，前端部分為挖掘鏟鏟刃鏟體部分，主要作用為將土壤中的藥材根莖挖掘出來，后端部分為U形導(dǎo)桿，用于承載和運輸莖土混合物，使莖土混合物沿著鏟面向后拋送。后端長度的長度可利用能量守恒定律進行計算。即掘出的莖土混合物所有的動能E全部用向后推送克服重力所做的功和克服與U形導(dǎo)桿摩擦力所做的功，如式(6)所示。

(6)

式中：E——掘出的莖土混合物所有的動能，J；

m——掘出的莖土混合物的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，m/s2。

化簡后得

(7)

選取機器的最低值作為計算的極端條件，故vm取值為2.4 m/s，g取值為9.8 m/s2，計算可得L2=392 mm。

故鏟體和U形導(dǎo)桿的長度L2為392 mm。根據(jù)圖4可知莖土混合物到達U形導(dǎo)桿尾部距離地面的高度與U形導(dǎo)桿的長度關(guān)系

(8)

計算可知H2=339 mm。

根據(jù)圖4可知挖掘鏟鏟刃長度

(9)

計算可得L1為380 mm，則挖掘鏟的總長度L=L1+L2=772 mm。

3 運動機構(gòu)的設(shè)計

3.1 桿長的計算

極位夾角

(10)

式中：k——行程速度變化系數(shù)，取值為2。

計算可得γ為30°，做該機構(gòu)運動狀態(tài)基圓η，η的半徑

(11)

式中：r——基圓半徑，mm；

c——搖桿長度，mm；

φ——擺桿擺角，(°)。

取c=300 mm，φ為120°，則r的取值為520 mm。

根據(jù)基圓半徑，繪制出曲柄連桿機構(gòu)鉸鏈固定中心位置如圖5所示。其中：O為基圓圓心；β為A點在基圓上的位置夾角；a為曲柄AB的長度；d為連桿AD的長度。

圖5 曲柄連桿機構(gòu)鉸鏈固定中心位置示意圖Fig. 5 Location of hinge fixed center ofcrank linkage mechanism

由于偏心輪安裝在減速器輸出軸皮帶輪上，擺桿一端固定在下方機架上，兩點的位置確定，有

(12)

式中：δ——符號系數(shù)，取值為 -1；

LOD——圓心與固定點距離，mm。

計算可得可得連桿AD的長度d為820 mm，曲柄AB的長度(偏心輪偏距)a為70 mm，挖掘鏟支撐架兩節(jié)點的長度b為970 mm[19]。

3.2 挖掘鏟運動分析

挖掘鏟在四桿機構(gòu)的驅(qū)動下做平面運動，其中挖掘鏟固定安裝在挖掘鏟支撐架端點E處，E點的運動軌跡即為挖掘鏟的運動的軌跡。已知該四桿機構(gòu)為曲柄連桿機構(gòu)，將四桿機構(gòu)看作為封閉矢量多邊形，建立坐標系，如圖6所示。

圖6 四桿機構(gòu)封閉矢量多邊形Fig. 6 Closed vector polygon of four-bar mechanism1.偏心輪轉(zhuǎn)矩 2.挖掘鏟支架 3.擺桿 4.機架

在收獲機工作時經(jīng)過時間t，則挖掘鏟(E點)的位移方程

x=lBEcosφ2+vmt

(13)

y=lBEsinφ2

(14)

式中：x——挖掘鏟在x軸方向上的位移，mm；

y——挖掘鏟在y軸方向上的位移，mm；

lBE——挖掘鏟距挖掘鏟支架端點長度，mm；

φ2——挖掘鏟支架運動轉(zhuǎn)角，(°)。

將位移運動方程對時間求導(dǎo)，可得挖掘鏟(E點)的速度方程

vx=-lBEsinφ2+vm

(15)

vy=-lBEcosφ2

(16)

式中：vx——挖掘鏟在x軸方向上的速度，m/s；

vy——挖掘鏟在y軸方向上的速度，m/s。

將速度方程對時間t求導(dǎo)，可得挖掘鏟(E點)的加速度方程

ax=-lBEcosφ2

(17)

ay=lBEsinφ2

(18)

式中：ax——挖掘鏟在x軸方向上的加速度，m/s2；

ay——挖掘鏟在y軸方向上的加速度，m/s2。

由分析可知，挖掘鏟在工作時的運動呈簡諧運動，其水平方向運動類似于余弦函數(shù)曲線，垂直方向為正弦函數(shù)曲線，速度與加速度變化類似。說明挖掘鏟四桿機構(gòu)的設(shè)計符合設(shè)計要求，挖掘鏟運動軌跡滿足工作要求。

4 挖掘裝置運動學(xué)仿真

4.1 模型與參數(shù)的建立

利用ADAMS軟件對振動式挖掘鏟進行運動仿真，將建立的三維實體模型圖1導(dǎo)入軟件中，并建立直角坐標系，規(guī)定x軸正方向為運動正方向。根據(jù)收獲機在工作時減速器輸出軸轉(zhuǎn)速，對驅(qū)動挖掘鏟運動的偏心輪施加等額轉(zhuǎn)速馬達，轉(zhuǎn)速為300 r/min，方向為順時針旋轉(zhuǎn)，仿真時間為5 s，所受到的力僅為自身重力，方向為豎直向下，分析該挖掘裝置在垂直于水平方向的位移、速度與加速度變化在x軸與y軸隨時間的變化情況，驗證其運動特性是否滿足使用要求[20]。

4.2 結(jié)果分析

通過仿真，得到挖掘鏟運動分析圖，選取挖掘鏟鏟刃上一點，選取該點在靜止位置為坐標原點，導(dǎo)出其分別在x軸方向上的位移—時間、速度—時間、加速度—時間變化曲線如圖7～圖9所示。

由圖7可知，挖掘鏟在x軸的運動最大幅度為300 mm，呈往復(fù)式運動。軌跡曲線平滑，無運動干涉現(xiàn)象，由圖8、圖9可知，挖掘鏟在x軸的速度和加速度曲線具有輕微波動變化平穩(wěn)，說明挖掘鏟運動機構(gòu)存在急回特性，但急性特性不明顯，結(jié)合位移，速度、加速度曲線特性，分析可知，當(dāng)挖掘鏟開始運動時，鏟尖處于原點位置，此時挖掘鏟初速度為280 mm/s，加速度為0，挖掘鏟開始向左運動，在運動過程中，速度不斷減小，加速度不斷增大，當(dāng)挖掘鏟達到最左端時，挖掘鏟的速度降低為0，加速度達到最大值130 mm/s2，挖掘鏟開始向右運動，速度不斷增大，加速度開始減小，當(dāng)挖掘鏟回到原點位置時，此時挖掘鏟的正向速度達到最大值280 mm/s，加速度降低為0，挖掘鏟繼續(xù)向右運動，挖掘鏟的速度開始降低，加速度正向增大，當(dāng)挖掘鏟到達最右端時，挖掘鏟速度為0，加速度達到最大值110 mm/s2，此時挖掘鏟開始向左移動，此時挖掘鏟速度開始反方向增大，加速度開始減小，當(dāng)挖掘鏟回到原點位置時，速度達到反向最大值280 mm/s，加速度減小為0，挖掘鏟以相同運動特向重復(fù)向左運動。

圖7 x軸方向時間—位移變化曲線Fig. 7 Time-displacement change curve in the x-axis direction

圖8 x軸方向時間—速度變化曲線Fig. 8 Time-velocity change curve in the x-axis direction

圖9 x軸方向時間—加速度變化曲線Fig. 9 Time-acceleration curve along the x-axis

同理，選取挖掘鏟鏟面一點靜止位置為坐標原點，導(dǎo)出其在與y軸方向上的位移—時間、速度—時間、加速度—時間變化曲線如圖10～圖12所示。

由圖10可知，挖掘鏟在y軸運動的最大幅度為160 mm，軌跡曲線平滑，無運動干涉現(xiàn)象，由圖11和圖12可知，挖掘鏟在y軸運動的速度和加速度曲線平滑對稱，說明挖掘鏟運動平穩(wěn)，無急回特性出現(xiàn)。結(jié)合位移，速度、加速度變化特性，分析可知，當(dāng)挖掘鏟開始運動時，挖掘鏟處于原點位置，此時挖掘鏟的初速度為正向最大值180 mm/s，加速度為最大值280 mm/s2，挖掘鏟開始向上運動，在運動過程中，速度與加速度均減小，當(dāng)挖掘鏟運動到最上端時，速度與加速度均降低為0，挖掘鏟開始向下運動，此時挖掘鏟的速度與加速度均反向增大，當(dāng)挖掘鏟再次回到原點時，速度與加速度均達到反向最大值，速度為180 mm/s，加速度為為最大值280 mm/s2，挖掘鏟繼續(xù)向下運動，速度與加速度開始減小，當(dāng)挖掘鏟運動到最下端時，速度與加速度降低為0，挖掘鏟開始向上運動，速度與加速度開始正向增大，當(dāng)挖掘鏟在此回到原點時，速度與加速度再次達到正向最大值，速度為180 mm/s，加速度為為最大值280 mm/s2。挖掘鏟以相同的運動特性在往復(fù)式運動。

圖10 y軸方向時間—位移變化曲線Fig. 10 Time-displacement change curve in y-axis direction

圖11 y軸方向時間—速度變化曲線Fig. 11 Time-velocity change curve along y-axis

圖12 y軸方向時間—加速度變化曲線Fig. 12 Time-acceleration change curve along y-axis

根據(jù)對挖掘鏟水平垂直方向的運動分析可知挖掘鏟在工作時做簡諧運動，運動特性符合預(yù)期要求，行程變化滿足設(shè)計要求。

5 挖掘鏟的優(yōu)化模擬試驗

5.1 模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)挖掘鏟在x軸y軸方向位移曲線特性，采用LS-Dyna非線性有限元仿真模擬挖掘鏟在工作時挖掘土壤的具體過程，首先使用LS-PREPOST讀取模型并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，挖掘鏟材料選取Q235鋼，材料參數(shù)為：密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa；泊松比μ=0.3。土壤模型也在LS-PREPOST中建立，根據(jù)藥材種植環(huán)境與模式選取相關(guān)參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

根據(jù)收獲藥材的工作幅寬和挖掘深度，土壤模型的高度為400 mm，寬度為1 800 mm，為了保證挖掘鏟在試驗過程中能完成一次完整運動，土壤模型的長度為2 000 mm，挖掘鏟距離土壤模型1 mm[21]。

表1 試驗土壤的相關(guān)參數(shù)Tab. 1 Relevant parameters of the test soil

5.2 試驗方案及結(jié)果

采用LS-Dyna非線性有限元仿真模擬挖掘鏟在工作時挖掘土壤的具體過程，以收獲機前進速率A、挖掘鏟的入土角B和偏心輪轉(zhuǎn)速C作為試驗因素，以挖掘阻力Y作為指標。

通過調(diào)節(jié)不同的因素水平，獲取在不同水平下指標的數(shù)值變化，試驗因素水平分布如表2所示，試驗結(jié)果如表3所示。

表2 試驗因素水平表Tab. 2 Experimental factors level table

表3 試驗方案及結(jié)果分析表Tab. 3 Test plan and result analysis table

5.3 結(jié)果分析

根據(jù)試表3可知，三個因素中因素A(前進速率)水平改變時對試驗指標的影響最大，主要因素。其次是因素B(入土角)，最后是因素C(轉(zhuǎn)速)，因素A(前進速率)的三個水平所對應(yīng)的挖掘阻力的平均值k1為1 573，k2為1 463，k3為1 498。由于該試驗以挖掘阻力為試驗指標，其值越小表示挖掘裝置入土性能越好，故最小平均值對應(yīng)的水平即為因素的最佳水平。即因素A(前進速率)的第二水平為最佳水平，同理由表3可得因素B和因素C的最佳水平分別為第一水平和第三水平。

從以上分析可知：各因素對試驗指標的影響按大小排序為A(前進速率)>B(入土角)>因素C(轉(zhuǎn)速)，最佳方案為A2B1C3。即前進速度為2.4 m/s，入土角為25°，轉(zhuǎn)速為280 r/min時挖掘鏟的挖掘阻力最小。由試驗結(jié)果表中可以看出，最佳方案為第5次試驗，從結(jié)果可知第5次試驗中的挖掘阻力為1 415 N，為9次試驗中最小值，故最佳方案符合實際。

6 結(jié)論

針對根莖類中藥材收獲機采用固定式挖掘鏟收獲時，存在挖掘深度不足，入土阻力大，功率損耗嚴重，碎土效果差，鏟尖磨損較大等問題，本研究設(shè)計了一種振動式挖掘鏟，該裝置采用曲柄連桿機構(gòu)，在偏心輪驅(qū)動下做平面運動，在挖掘過程中大大減少挖掘阻力。主要結(jié)論如下。

1) 對挖掘裝置的整體結(jié)構(gòu)，挖掘鏟參數(shù)和運動機構(gòu)進行設(shè)計分析。根據(jù)挖掘裝置的工作原理確定該裝置采用四桿機構(gòu)驅(qū)動，挖掘鏟結(jié)構(gòu)采用鋸齒形平面鏟，鏟刃張角θ小于94°，入土角α為25°，工作深度H為500 mm、鏟面長度L為772 mm。根據(jù)四桿機構(gòu)的運動特點確定各個桿件的位置和長度，并對挖掘鏟進行運動分析，求得挖掘鏟的位移，速度和加速度運動方程。

2) 對挖掘鏟進行運動學(xué)仿真，提取挖掘鏟鏟尖在水平方向和垂直方向上的位移—時間、速度—時間、加速度—時間運動曲線，分別對曲線進行分析可知，挖掘鏟在工作時做簡諧運動，運動特性符合設(shè)計要求。

3) 對挖掘裝置進行優(yōu)化模擬試驗，采用LS-Dyna非線性有限元仿真模擬挖掘鏟在工作時挖掘土壤的具體過程，以收獲機前進速率A、挖掘鏟的入土角B和偏心輪轉(zhuǎn)速C作為試驗因素，以挖掘阻力Y作為指標。進行三因素三水平正交試驗，通過分析試驗結(jié)果，當(dāng)挖掘裝置的參數(shù)為前進速度為2.4 m/s，入土角為25°，轉(zhuǎn)速為280 r/min時，挖掘阻力最小，即該組合為挖掘裝置的最佳參數(shù)組合。