申世龍，王東偉，殷元元，何曉寧，尚書旗，趙 壯，鄭效帥

(青島農業(yè)大學機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

大蒜是我國重要的經濟作物之一，其種植面積居世界首位。大蒜具有很高的營養(yǎng)價值，可作為多種營養(yǎng)產品的原料，可作為調味劑、化妝品的原料。同時其藥用價值也很高，對高血脂、高膽固醇、糖尿病及心臟病等都有減輕癥狀及治療作用[1]。我國大蒜收獲主要靠人工收獲，費時費力；簡易的大蒜挖掘機具由于機動性差，往往因地面起伏不定而挖傷蒜。大蒜機械化挖掘現(xiàn)已成為了我國機械化發(fā)展的短板，成為了制約大蒜產業(yè)發(fā)展的主要瓶頸[2-7]。因此研制適宜我國大蒜收獲的挖掘裝置勢在必行。

隨著我國農機化的不斷發(fā)展，國內學者也紛紛開始對大蒜機械化收獲做了大量研究。馬凱等[8]結合仿生學和理論力學知識，設計一種適用于大蒜全自動聯(lián)合收獲機的魚鰭形仿生挖掘鏟。王利遠等[9]采用旋轉刀盤設計了一種旋轉式挖掘機構。孫華等[10]設計了一對斜鏟式的挖掘機構。韓可[11]為了減少挖掘阻力，增加大蒜挖掘時的松土效果，設計一種往復振動式挖掘鏟。吳彥強等[12]設計一種圓盤式大蒜挖掘裝置，并利用解析作圖法對圓盤鏟刀進行了運動學分析。國內大蒜種植主要是平作套種模式，國外大型收獲機械難以進入[13-14]。因此，查閱國內外研究現(xiàn)狀，對于適用大蒜平作種植模式的大蒜限深挖掘方面的研究未見報道。

基于以上背景，本文設計一種適用國內大蒜平作種植模式的限深挖掘裝置，可滿足大蒜主產區(qū)挖掘收獲需求。同時建立仿地形限深挖掘數(shù)理模型，闡述仿地形限深的條件；以挖掘阻力為指標，進行試驗設計，得到挖掘裝置的最佳結構參數(shù)。

1 整機結構及原理

1.1 整機結構

大蒜收獲機限深挖掘裝置由限深輪、挖掘鏟、限深挖掘架和減振器等部件組成，如圖1所示。

1.限深輪 2.減振器 3.限深挖掘架 4.挖掘鏟圖1 限深挖掘裝置結構Fig.1 Structure of deep-limiting excavation device

1.2 工作原理

正常工作狀態(tài)，挖掘架與拖拉機固定配套，挖掘鏟深入地下一定深度將大蒜的根系切斷。其中，減振器與挖掘架之間產生相互作用的力。當?shù)孛孑^凹時，隨著深度的增加，限深輪與地面的接觸力逐漸減小，挖掘架失去平衡，其與減振器產生斜向下的力迫使挖掘架圍繞一點向下旋轉。當挖掘架向下轉動一定角度后，其上的限深輪與地面產生的力增加，直至系統(tǒng)達到平衡。當?shù)孛孑^凸時，隨著高度的增加限深輪與地面的接觸力逐漸增加，挖掘架失去平衡，迫使挖掘架圍繞一點向上旋轉，當挖掘架向上轉動一定角度后，減振器與挖掘架之間產生相互作用的力增加，直至系統(tǒng)達到平衡。以上兩種情況，始終保證地輪能緊貼在地面上行走。其原理如圖2所示，其中，h1=h2，F(xiàn)1≤F2。

2 關鍵部件設計

2.1 挖掘鏟

挖掘裝置是大蒜收獲機械重要的組成部分之一，大蒜挖掘裝置主要實現(xiàn)對大蒜植株的松土作用，有利于后續(xù)蒜土分離工作的進行。挖掘裝置的設計和選擇主要依據(jù)大蒜種植參數(shù)和大蒜莖稈的生長特點。需要滿足兩點：一是挖掘后大蒜松土較好，不傷蒜；二是挖掘后大蒜莖稈不倒伏。為此設計了一種適用于大蒜平作種植的挖掘鏟，如圖3所示。此形式的挖掘鏟挖掘大蒜后，保持地面的平整性和大蒜的直立狀態(tài)，不影響后續(xù)作業(yè)的進行。

2.2 仿地形限深挖掘機構

根據(jù)地面不平整特性，設計了一種仿地形限深機構。仿地形限深挖掘機構主要有3個優(yōu)點：一是實現(xiàn)大蒜不對行挖掘，降低大蒜漏挖率；二是保持大蒜挖掘后莖稈的直立性，降低大蒜漏夾率；三是實現(xiàn)挖掘裝置與夾取裝置的分離，適宜大蒜夾取裝置的對行調整。

2.3 仿地形限深條件

以仿地形限深挖掘機構為研究對象，以仿地形限深挖掘機架完成仿地形為目標，建立數(shù)學函數(shù)關系式，以揭示仿地形限深的工作機理。仿地形限深挖掘機架在地面行走過程中滿足受力平衡，對數(shù)學模型進行分析，進而確定挖掘架所受各力之間存在的大小關系。不考慮重力、摩擦力和形變的影響，以便使問題簡化，這樣雖然會產生一定的誤差，但對于該問題的解決影響不大。

圖2 限深挖掘裝置原理Fig.2 Schematics of deep-limiting excavation device

圖3 大蒜收獲機挖掘鏟Fig.3 Garlic harvester excavator shovel

建立的仿地形挖掘機構受力結構如圖4所示，在建立平衡方程前規(guī)定：力的方向與坐標軸同向為正，反向為負。在計算時，已知的外力按實際作用的方向取正負號代入，求得的未知力的方向由計算結果的正負號決定。

圖4 仿形挖掘機構受力分析Fig.4 Stress analysis of profiling excavator structure

由圖4可知，只有滿足∑MC≥0，F(xiàn)A≥0，才能保證系統(tǒng)平衡。即

(1)

得

(2)

式中Fy，F(xiàn)x——機架鉸接點位置處存在的支撐力

θ——輔助彈簧對地面的夾角

L——交點與C點的距離

L1——接觸點與C點的距離

FA——地面對仿地形輪的接觸力

FB——輔助彈簧對挖掘架的作用力

因此，根據(jù)力學關系式可以看出，只有滿足式(2)，挖掘鏟才能實現(xiàn)地面仿地形限深挖掘功能。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

為了驗證限深挖掘裝置的挖掘阻力情況，對該裝置進行田間試驗。試驗地點為臨沂市蘭陵縣蘭陵力沃種植農機化服務專業(yè)合作社，試驗面積為6.6 hm2。數(shù)據(jù)采集并記錄如表1所示。

表1 大蒜生長特性Tab.1 Growth characteristics of garlic 單位：cm

3.2 試驗因素

根據(jù)大蒜收獲機限深挖掘裝置的工作原理可知，影響大蒜挖掘阻力的因素(不考慮與研究的機器無關的因素)主要有挖掘入土傾角、挖掘深度。采用試驗設計的方法，探究挖掘入土傾角、挖掘深度兩種因素對挖掘阻力的影響規(guī)律，獲得挖掘阻力最優(yōu)解。

3.3 因素編碼

經查農業(yè)機械設計手冊資料，確定大蒜挖掘鏟的入土傾角范圍19°～30°；根據(jù)大蒜的栽培農藝和大蒜生長特性，確定挖掘深度的范圍10～15 cm。試驗選用二次回歸正交組合設計方法。

由于試驗因素數(shù)m=2，取零水平試驗次數(shù)m0=4，查正交表得，mc=4，mγ=4，γ=1.078，則試驗總數(shù)n=mc+2m+mγ=12。試驗因素水平編碼如表2所示。

表2 因素編碼表Tab.2 Factors and level codes

3.4 試驗分析

采用青島農業(yè)大學土槽試驗室TCT-3試驗臺對挖掘裝置的牽引力進行測定。試驗將土槽動力車的牽引力Y作為響應值，根據(jù)選定的試驗因素并考慮兩因素交互作用對指標的影響。在試驗過程中，滿足試驗設計的3個基本原則(區(qū)組、隨機化處理與重復)。為了降低試驗系統(tǒng)誤差和增加試驗自由度，進行4次零點重復試驗。具體試驗過程與方案如表3所示。

利用Design-expert數(shù)據(jù)處理軟件對試驗數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗和失擬性分析，結果如表4所示。

F檢驗結果呈極顯著(P值<0.000 1)，表明此回歸方程有意義。失擬檢驗結果表明，方程的失擬性不顯著，試驗指標的預測值擬合程度較為理想。剔除不顯著因素，經中心化處理后，可得到挖掘阻力與挖掘傾角和挖掘深度之間的規(guī)律方程響應面分析如圖5所示。在10～14 cm范圍內，隨著挖掘深度的增加，挖掘阻力曲線呈先減小后增加趨勢；在19°～21°范圍內，挖掘阻力曲線是呈先減小后增加趨勢，在21°～27°范圍內，挖掘阻力曲線呈上升勢態(tài)。

表3 試驗方案及結果分析Tab.3 Test scheme and result analysis

表4 方差分析Tab.4 Significance analysis

y=19 434.16-393.66x2-1 913.28x1+79.75x12

(3)

3.5 參數(shù)優(yōu)化

為了進一步優(yōu)化上述試驗參數(shù)，將其作為約束條件，挖掘阻力作為目標函數(shù)，運算后得到

(4)

優(yōu)化后求解可得各因素影響挖掘阻力的最優(yōu)值，挖掘深度為11.99 cm、入土傾角為24.5°時，試驗指標挖掘阻力最小，為3 163.9 N。

3.6 試驗驗證

當挖掘深度為11.99 cm、入土傾角為24.5°時，在相同的試驗條件下進行試驗，結果挖掘阻力穩(wěn)定在3 168.2 N，與優(yōu)化結果的相對誤差為1.4%，結果與理論值十分接近?？紤]到實際生產中存在干擾，可以認可理論值的正確性，故在實際作業(yè)過程中可以應用上述最優(yōu)組合。

4 結論

(1)設計了一種適用大蒜平作種植模式的挖掘鏟，可保持大蒜的直立性，滿足大蒜挖掘收獲要求。

(2)設計一種限深挖掘機構，對仿地形限深挖掘裝置建立數(shù)學模型，得出了仿地形限深挖掘滿足的數(shù)學條件。

(3)在臨沂市蘭陵縣蘭陵力沃種植農機化服務專業(yè)合作社進行了田間試驗，運用二次回歸正交組合設計方法，得出挖掘鏟的挖掘傾角、挖掘深度對挖掘阻力的關系，探明挖掘阻力的變化規(guī)律，為后續(xù)樣機優(yōu)化提供理論依據(jù)。

圖5 響應面分析Fig.5 Response surface analysis