范耀華， 崔清亮， 張燕青， 李 光， 陸佳新， 趙志宏

（山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院，山西 晉中 030801）

0 引言

黨參是多年生草本植物，桔?？泣h參屬，生長于海拔1 560～3 100 m 的山地林邊及灌木叢中[1]。由于黨參具有較高的藥用價值，種植成本低，環(huán)境適應(yīng)能力強，近年來種植面積不斷增加。

現(xiàn)階段黨參收獲機按照機械化程度分半機械化和全機械化兩類。半機械化黨參收獲機主要以手扶拖拉機為動力輸出，挖掘工具為固定鏟和振動鏟，通常只能實現(xiàn)挖掘功能，后續(xù)還需人工挑揀。這種機具具有機械程度低、人工成本高、效率低下、收獲時間長及勞動強度大等缺點[2-5]。全機械化黨參收獲機將挖掘裝置、傳送分離裝置和收集裝置集于一體，能實現(xiàn)從挖掘到參土分離再到收集的全部作業(yè)過程，工作效率高，作為大型農(nóng)業(yè)機具適用于平原大地塊作業(yè)。山西省長治市平順縣屬于太行山脈，黨參多種植在山地丘陵地帶，目前使用鏟式挖掘裝置和人工挖掘兩種方式。鏟式挖掘裝置在挖掘過程中能夠達到深度要求，但參土分離效果較差、入土阻力較大、雍土現(xiàn)象嚴重，無法達到理想挖掘效率[6]。

針對上述問題，設(shè)計一種模擬人工挖掘黨參過程的挖掘裝置，為黨參挖掘機的設(shè)計提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 挖掘裝置整體結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

挖掘裝置整體結(jié)構(gòu)主要由懸掛、機架、挖掘機構(gòu)和傳動機構(gòu)等組成，如圖1 所示。

圖1 黨參挖掘裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Codonopsis pilosula excavation test device

采用模擬人工挖掘的方式對黨參進行挖掘，挖掘工具由鏟式改為叉式，并且使挖掘機具小型化，解決了山地丘陵地區(qū)的人工挖掘缺點。叉形結(jié)構(gòu)入土阻力更小，破土能力強，提高了挖掘效率，本裝置的傷參率遠低于鏟式挖掘裝置的傷參率。

1.2 機構(gòu)運動學分析

連桿機構(gòu)在農(nóng)業(yè)機械和工程機械中得到廣泛應(yīng)用，采用曲柄連桿機構(gòu)，建立直角坐標系如圖2 所示，各個桿形成閉合矢量方程，此方程可以用式（1）表示[7]。

圖2 四桿機構(gòu)坐標系Fig.2 Four-bar mechanism coordinate system

計算得出θ2和θ3的值。確定初始狀態(tài)A、B、C、D的4 點坐標。桿BE長為l5，與x軸的夾角為θ5，向量BC與x軸的夾角為θ6，E點坐標（xe，ye），C點（l4cosθ4+l5cosθ3，l4sinθ4+l3sinθ3） ， 則 向 量BE=（l5cosθ5，l5sinθ5） ， 向 量BC=（l4cosθ4+l3cosθ3+l6cosθ6，l4sinθ4+l3sinθ3+l6sinθ6）得出E點的坐標式，即

黨參挖掘深度為20～25 cm，達到挖深同時要求結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小，確定各個桿長度比為l1∶l2∶l3∶l4=1.0∶3.5∶1.5∶3.5，各個桿長基本尺寸為l1=100 mm、l2=350 mm、l3=150 mm 和l4=350 mm。軌跡如圖3 所示，點的軌跡深度約為250 m。

1.3 主要結(jié)構(gòu)

采用曲柄連桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由挖掘叉、驅(qū)動桿、搖桿擺臂和軸承座等部件組成。其尺寸主要參照黨參收獲農(nóng)藝確定，結(jié)構(gòu)尺寸如表1 所示。當切削入土角＞60°時，根據(jù)物體的力學模型，對土壤微粒A進行力學分析，簡化土壤微粒受力模型如圖5 所示。

圖4 曲柄連桿黨參挖掘機構(gòu)Fig.4 Codonopsis pilosula excavation device with crank and connecting rod

圖5 土壤微粒剪切模型Fig.5 Soil particle shear model

在土壤微單元A上作用一水平力F，使A沿與水平面傾斜角為θ（＜90°）的斜面上升，則必須滿足

若已知F、G和μ即可由式（12）求出對應(yīng)角的最大值。當μ取最小值時，θ取最大值。查閱可知，土壤和鋼摩擦系數(shù)的最小值為0.35，則此時θ最大為70.7°。實際試驗中，當入土角取60°時，土壤受到切削力變成擠壓力，增大挖掘阻力，不利于挖掘[8]。確定最小入土角為70°，在ADAMS 中建立參數(shù)化四桿機構(gòu)，保持機架、連桿和曲柄長度不變，改變搖桿長度，計算不同入土角時的搖桿長度。

入土角為70°、75°和80°時，入土深度在最低點為-410 mm，如圖6 所示，桿長分別為130、155 和180 mm。確定主要桿長參數(shù)如表2 所示。

表2 桿長參數(shù)Tab.2 Rod length parameter

圖6 搖桿長為130 和180 mm 時E 點軌跡Fig.6 Trajectory of point E when joystick length is 130 mm and 180 mm respectively

2 離散元模型建立

2.1 模型建立

成熟黨參外形多呈圓柱型，取8 根成熟黨參，分別測量其長度和外徑，通過計算取平均值。為簡化模型，將黨參外形簡化為圓柱模型。簡化后的黨參模型為圓柱型，直徑為10 mm，長度為210 mm，如圖7 所示。

圖7 黨參測量和離散模型Fig.7 Measurement and discrete models of Codonopsis pilosula

查閱相關(guān)文獻，將土壤原型顆粒半徑設(shè)為4 mm[9]。根據(jù)隨機正態(tài)分布，生成顆粒半徑范圍為原型土壤顆粒的0.7～1.0 倍[10]。設(shè)置其顆粒之間的算法為 Hertz-Mindin with JKR 型，黏結(jié)能量設(shè)置為10 J。土壤模型如圖8 所示。

圖8 土壤模型Fig.8 Soil model

2.2 仿真模型參數(shù)確定

通過試驗和查閱相關(guān)文獻，確定材料參數(shù)和物料間接觸模型參數(shù)，如表3 和表4 所示[11]。

表3 材料屬性Tab.3 Material properties

表4 材料間接觸參數(shù)Tab.4 Contact parameters between materials

3 仿真分析

3.1 耦合仿真模型建立

利用Proe5.0 建立挖掘仿真模型，然后將模型轉(zhuǎn)換成“.step”格式，將模型分別導入到ADAMS 和EDEM，建立黨參-土壤-挖掘機構(gòu)簡化模型，如圖9 所示[12-17]。

圖9 土壤-黨參-挖掘機構(gòu)模型Fig.9 Model of soil- Codonopsis pilosula - excavation device

3.2 試驗方法

采取單因素試驗設(shè)計，土槽試驗臺車速為0.2 m/s，模型前進速度為0.2 m/s，挖掘過程如圖10 所示。驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速分別為60、90、120 和150 r/min，入土角為70°、75°和80°，以挖掘叉的入土阻力為試驗指標，一共組成12 組試驗，如表5 所示。

表5 試驗條件Tab.5 Experimental condition

圖10 簡化挖掘裝置挖掘黨參仿真全過程Fig.10 Whole process of digging Codonopsis pilosula with simplified excavation device

前處理模型生成后，打開ADAMS 耦合接口，進行挖掘工作模擬仿真。挖掘叉能夠?qū)Ⅻh參挖掘出來，同時將土壤后拋，降低挖掘叉入土后的阻力，起到一定的松土作用，能夠保證在挖掘過程中減少土塊，其挖掘工作過程如圖9 所示。

3.3 試驗結(jié)果分析

為了減少計算量，本文研究挖掘叉從開始接觸土壤到完全進入土壤時的阻力。挖掘叉開始接觸土壤到完全進入土壤后，所受阻力逐漸增大，完全進入土壤后，阻力變化趨于平穩(wěn)。

由表6 可知，入土角恒定時，轉(zhuǎn)速逐漸增大，阻力逐漸增大，在轉(zhuǎn)速150 r/min，入土角為70°、75°和80°時，阻力分別為402、367 和334 N，阻力達到最大值，所以較佳轉(zhuǎn)速為60～90 r/min。

表6 轉(zhuǎn)速不同時入土阻力Tab.6 Resistance to soil penetration at different rotational speeds

轉(zhuǎn)速為60 r/min，入土角為70°、75°和80°時，入土阻力值分別為280、254 和232 N；轉(zhuǎn)速為90 r/min，入土角為70°、75°和80°時，入土阻力分別為331、313 和274 N；轉(zhuǎn)速為120 r/min，入土角為70°、75°和80°時，入土阻力分別為383、333 和312 N；轉(zhuǎn)速為150 r/min，入土角為70°、75°和80°時，入土阻力分別為402、339 和272 N。阻力隨角度的增大而減小。經(jīng)過單因素試驗分析，得出最佳入土角范圍75°～80°，最佳轉(zhuǎn)速范圍60～90 r/min。

4 土槽試驗與結(jié)果

4.1 試驗條件

通過查閱文獻資料得到長治市土壤在自然條件下含水率為16%[18-19]。對土壤進行測定，要求土壤的含水率數(shù)值接近16%，同時測量土壤的堅實度，如圖11所示。

圖11 濕度測量儀和堅實度測量儀Fig.11 Humidity measuring instrument and firmness measuring instrument

選取挖松率和損傷率為指標，以入土角和轉(zhuǎn)速為試驗因素，設(shè)計最優(yōu)平衡完全隨機試驗進行驗證。黨參挖松率、損傷率按式（13）和式（14）計算。

式中W1——挖松率，%

M1——測區(qū)內(nèi)明放、露出地面根莖和挖掘松動的根莖總質(zhì)量， kg

M——測區(qū)內(nèi)所有根莖質(zhì)量，kg

W2——挖松率，%

M2——測區(qū)內(nèi)機具作業(yè)導致從挖出的根莖中找到被挖斷的、皮破損的黨參質(zhì)量，kg

在土槽內(nèi)開挖2 個1.7 m×0.6 m×0.2 m 的種植坑。在坑內(nèi)沿土槽試驗車前進方向開45°左右的斜坡，將黨參沿土槽試驗車前進方向依次擺放在斜坡上，株距為30 mm，進行埋土、澆水、壓實、晾曬和挖掘工序。挖掘過程如圖12 所示。

圖12 黨參挖掘Fig.12 Codonopsis pilosula excavation

4.2 試驗方案確定

車速為0.2 m/s 情況下，設(shè)計最優(yōu)平衡完全隨機試驗，入土角75°～80°，驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速60～90 r/min。將轉(zhuǎn)速和入土角設(shè)為兩個因素，轉(zhuǎn)速4 個水平，入土角2個水平，列出水平表7 和水平觀測表8，運用SAS 軟件進行分析。

表7 挖掘試驗轉(zhuǎn)速和入土角因素水平Tab.7 Factors of rotation speed and angle of penetration in excavation test

表8 SAS 試驗數(shù)據(jù)觀測樣本Tab.8 SAS test data observation sample

4.3 試驗分析

4.3.1 轉(zhuǎn)速和入土角對挖掘試驗的影響

由表9 可知，轉(zhuǎn)速為70 r/min 時，挖松率最高，為97.1%；損傷率最低，為5.6%。轉(zhuǎn)速60 r/min 時的損傷率低于轉(zhuǎn)速80 和90 r/min。綜上所述最佳的轉(zhuǎn)速為70 r/min，次之轉(zhuǎn)速為60 r/min。

表9 不同轉(zhuǎn)速時挖松率和損傷率對比Tab.9 Comparison of loosing rate and damage rate at different speeds

由表10 可知，入土角為75°時，挖松率最高，為91.8%；損傷率較高，為8.5%。所以最佳入土角為80°。

表10 不同入土角時挖松率和損傷率對比Tab.10 Comparison of loosening rate and damage rate at different penetration angles

4.3.2 挖掘試驗組合效應(yīng)對試驗的影響

由表11 可知，轉(zhuǎn)速和入土角組合是70 r/min×75°時，黨參的挖松率極顯著地高于其他組合，黨參的損傷率極顯著地低于其他組合。當轉(zhuǎn)速和入土角組合為60 r/min×75°時，損傷率也極顯著地低于60 r/min×80°、80 r/min×75°、80 r/min×80°、90 r/min×75°和90 r/min×80°；而其挖松率顯著高于70 r/min×75°。分析得出，最佳組合為70 r/min×75°，次之組合為60 r/min×75°和70 r/min×80° 。

表11 試驗組合效應(yīng)對挖松率均值多重性比較Tab.11 Multiplicity comparison of combined effect of excavation test on mean value of excavation rate

5 結(jié)束語

（1）黨參挖掘裝置采用曲柄連桿機構(gòu)，裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，可減輕裝置質(zhì)量，實現(xiàn)山地丘陵黨參挖掘機械作業(yè)。

（2）轉(zhuǎn)速對挖松率和損傷率影響最高，入土角次之。轉(zhuǎn)速和入土角最優(yōu)組合為70 r/min×75°，次之組合為60 r/min×75°和70 r/min×80° 。