張兆國，余小蘭，李漢青，程一啟,3，解開婷

（1.昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，昆明 650500；2.云南省高校中藥材機(jī)械化工程研究中心，昆明 650500；3.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100081）

三七是五加科多年生人參類草本植物，為我國特有名貴中藥材之一[1]，三七主要產(chǎn)自云南、四川、廣西等省份，云南文山地區(qū)年產(chǎn)量最大[2]。關(guān)于三七收獲機(jī)挖掘鏟國外研究很少。武占東運(yùn)用TRIZ理論分析三七收獲機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵部件[3]；于進(jìn)川為適應(yīng)云南文山地區(qū)紅土丘陵區(qū)黏性土收獲農(nóng)藝要求，研制4SD-120型三七收獲機(jī)[4]；張兆國根據(jù)三七收獲時(shí)特殊農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)采用二階凹面挖掘鏟自走式三七收獲機(jī)[5]。

目前，收獲機(jī)可滿足三七收獲條件和收獲要求，但三七挖掘鏟挖掘阻力較大，機(jī)具功耗過高[6-7]。需降低三七挖掘鏟挖掘阻力和機(jī)具功耗。本文基于三七土壤物理特性，對(duì)兩種挖掘鏟作虛擬仿真試驗(yàn), 分析兩種挖掘鏟阻力。通過Design-Expert軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)，完成挖掘鏟土槽試驗(yàn)，分析挖掘深度、作業(yè)速度、入土角對(duì)挖掘阻力影響及壅土情況，確定最優(yōu)挖掘參數(shù)[7]。

1 三七土壤物理特性

土壤環(huán)境包括土壤含水率、堅(jiān)實(shí)度等，樣本選用文山州三七種植基地土壤，在不同深度和位置選取10 個(gè)土壤樣本，取其平均值。采用農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)儀測(cè)定含水率，采用土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定儀測(cè)定堅(jiān)實(shí)度，結(jié)果見表1。通過力學(xué)參數(shù)測(cè)定土壤物理特性。本試驗(yàn)采用4 份三七溫室大棚土壤試樣，運(yùn)用應(yīng)變控制式直剪儀測(cè)量抗剪強(qiáng)度（見圖1）。

表1 三七塊根土壤基本參數(shù)Table1 Basic parameters of Panax notoginseng root soil

分別在試樣上添加不同砝碼，施加法向力F，固定剪切面面積S，此時(shí)豎直應(yīng)力N=F/S。繼續(xù)施加剪切力，樣本被剪斷，此時(shí)剪切力為I0，抗剪強(qiáng)度τ=I0/S，最后根據(jù)庫侖定律確定力學(xué)參數(shù)[8-9]。數(shù)據(jù)見表2。

式中，τ為抗剪強(qiáng)度（kPa）；a 為內(nèi)聚力（kPa）；N 為豎直應(yīng)力（kPa）；?為內(nèi)摩擦角（°）；tan?為摩擦系數(shù)。

表2 土壤抗剪強(qiáng)度Table 2 Soil shear strength

結(jié)合式1，可得到抗剪強(qiáng)度與豎直應(yīng)力關(guān)系：τ=0.277N+15.505。以豎直應(yīng)力作為橫坐標(biāo)，抗剪強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)繪制曲線見圖2，可得到土壤基本力學(xué)參數(shù)，其中，摩擦系數(shù)0.277，內(nèi)聚力15.505 kPa。

2 挖掘鏟模型建立與阻力理論分析

2.1 挖掘鏟模型建立

二階凹面挖掘鏟每個(gè)鏟面排列布置過于緊密，易造成壅土增加，挖掘鏟阻力變大，收獲機(jī)動(dòng)力增加[10-11]，鏟面設(shè)計(jì)寬度保證將三七挖出土面?？傮w鏟長取1 200 mm，單鏟寬度取60 mm，單鏟長度取400 mm，仿真模型見圖3。

組合式挖掘鏟主要由土壤破碎鏟及二階凹面鏟共同組成，兩種鏟型交錯(cuò)排列于鏟架，結(jié)構(gòu)見圖4。其中，破碎鏟將大塊土壤破碎，土壤質(zhì)地更松軟[12]。破碎鏟鏟翼寬為58 mm，翼張角為48°，翻土角為50°[7]。

2.2 挖掘鏟牽引阻力理論分析

2.2.1 二階凹面挖掘鏟牽引阻力理論分析

二階凹面挖掘鏟由兩個(gè)不同角度挖掘鏟組成，因此選擇虛擬面作二階凹面鏟阻力理論分析，如圖5。由幾何關(guān)系，可得到虛擬面傾角β與一階傾角β1、二階傾角β2、一階鏟長對(duì)應(yīng)鏟高h(yuǎn)和整體鏟高H關(guān)系[13]。

二階凹面挖掘鏟受力分析如圖6所示，二階凹面挖掘鏟所受牽引阻力F為：

其中，N是鏟面所受土壤法向壓力（N）；f1是土壤法向壓力產(chǎn)生阻力（N）；f2是純切削阻力（N）。

將f1=μN(yùn)帶入上式，可得二階凹面挖掘鏟所受牽引阻力F與法向壓力N、一階傾角β1、二階傾角β2、一階鏟長對(duì)應(yīng)鏟高h(yuǎn)和鏟高H關(guān)系。

2.2.2 組合式挖掘鏟牽引阻力理論分析

組合式挖掘鏟所受牽引阻力主要由鏟面土壤破碎產(chǎn)生阻力和純切削阻力組成[8]。

①計(jì)算鏟面土壤破碎產(chǎn)生阻力F1，建立兩個(gè)坐標(biāo)系如圖7所示，側(cè)挖掘面為坐標(biāo)系oxyz，坐標(biāo)系OXYZ是靜坐標(biāo)系，坐標(biāo)系oxyz轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系OXYZ轉(zhuǎn)換矩陣為A，如圖8所示。

其中，α1是翻土角（°）；α2是鏟刃到垂直面傾角（°）；β是溝壁傾角（°）。

鏟面土壤破碎產(chǎn)生阻力F1與土壤所受法向力N1、摩擦力f1有關(guān)。在坐標(biāo)系oxyz中，法向力、摩擦力表達(dá)式如下：

式中，ξ是鏟側(cè)面與鏟刃垂直線夾角，單位°。

在坐標(biāo)系OXYZ中，法向力、摩擦力表達(dá)式如下：

由上可得：

將f1=μN(yùn)帶入上式，此時(shí)鏟面土壤破碎產(chǎn)生阻力F1表達(dá)式如下：

其中：μ是土壤對(duì)鏟摩擦系數(shù)。

②求純切削阻力F2。破碎鏟鏟面傾角α與入土角α3、鏟胸升角α0關(guān)系如圖9所示。

綜上所述土壤破碎鏟總牽引阻力F由下所示：

3 挖掘鏟離散元仿真分析

采用EDEM 軟件對(duì)挖掘鏟作離散元仿真分析，選擇顯式時(shí)間步驟離散單元法模擬求解過程，其中牛頓第二定律是理論基礎(chǔ)。分析粒子間接觸特性、受力方向和粒子運(yùn)動(dòng)軌跡。本文研究土壤-挖掘鏟系統(tǒng)，由于三七種植土壤類型屬于疏松型，采用Hertz-Mindlin 接觸模型。挖掘鏟材料為65 Mn[14]，仿真采用1 m×0.5 m×0.5 m 土槽，挖掘鏟前進(jìn)速度為0.7 m?s-1[15]。由于三七生長在土下150～300 mm，為保證三七完全挖出，選擇挖掘深度為300 mm，入土角20°，仿真參數(shù)見表3。

3.1 二階凹面挖掘鏟

對(duì)二階凹面挖掘鏟建立三維模型，并將建模后挖掘鏟導(dǎo)入土壤力學(xué)模型中，分析二階凹面挖掘鏟工作時(shí)阻力。仿真過程見圖10，土壤顆粒流向見圖11。

表3 離散元法仿真分析參數(shù)Table 3 Discrete element method for simulation analysis

通過離散元接觸力學(xué)模型與相關(guān)參數(shù)選取，二階凹面挖掘鏟所受接觸合力變化區(qū)間為[0,611.49N]。由圖11可知，二階挖掘裝置壅土現(xiàn)象減輕。由于挖掘鏟存在兩個(gè)平面，對(duì)不同平面三七均有挖掘效果。明七率提高，對(duì)三七沖擊力比傳統(tǒng)挖掘鏟小，但無法保證可收獲到未生長在標(biāo)準(zhǔn)位置三七。

3.2 組合式挖掘鏟

對(duì)組合式挖掘鏟三維建模，并將建模后三維圖導(dǎo)入土壤力學(xué)模型，分析組合式挖掘裝置工作時(shí)阻力。仿真過程見圖12，土壤顆粒流向見圖13。

通過離散元接觸力學(xué)模型與圍觀參數(shù)選取，組合式挖掘鏟所受接觸合力變化區(qū)間為[0,419.48N]。由圖13 可知，組合使挖掘鏟入土深度合適，挖掘范圍較前面挖掘鏟更大，壅土情況減輕。由于土壤破碎鏟作用，大塊土壤較少。當(dāng)挖掘鏟向前作業(yè)時(shí)，土壤破碎鏟可有效收獲未生長在標(biāo)準(zhǔn)位置三七。收獲機(jī)在前進(jìn)作業(yè)時(shí)受到來自土壤阻力明顯減小。

3.3 兩種挖掘鏟仿真阻力比較

二階凹面挖掘鏟與組合式挖掘鏟所受阻力對(duì)比見圖14。

由圖14 可知，0.2 s 前，兩種挖掘鏟所受阻力一致，因入土深度對(duì)阻力影響較大，而此時(shí)入土深度處于較小范圍內(nèi)。0.65 s前，二階凹面挖掘鏟所受阻力處于上升階段，0.5 s 前組合式挖掘鏟所受阻力處于上升階段，可見組合式挖掘鏟所受阻力上升速度較快。0.75 s 后二階凹面挖掘鏟在608 N浮動(dòng)，最大值為611.49 N；0.6 s后組合式挖掘鏟在410 N 浮動(dòng)，最大值為419.48 N，可見組合式挖掘鏟所受阻力比二階凹面挖掘鏟小。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)地點(diǎn)為貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械所中小型農(nóng)機(jī)農(nóng)具實(shí)驗(yàn)室，通過土槽試驗(yàn)，測(cè)量兩種挖掘鏟阻力，分析兩組挖掘鏟土壤破碎能力。該土槽試驗(yàn)臺(tái)具有自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、土壤恢復(fù)等功能，土槽尺寸為3 600 cm×250 cm×100 cm（其中土壤深度約60 cm）；臺(tái)車尺寸為290 cm×300 cm×210 cm（不包含土槽高度），如圖15所示。

4.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前測(cè)定土壤堅(jiān)實(shí)度和水分含量，土槽中土壤相關(guān)參數(shù)與所測(cè)量參數(shù)一致。每次試驗(yàn)后，旋耕及壓實(shí)土槽，保證初始條件一致性。影響試驗(yàn)因素選取作業(yè)速度、挖掘深度與入土角，試驗(yàn)指標(biāo)選擇阻力及挖掘裝置破土效果。挖掘鏟作業(yè)速度可通過控制臺(tái)車運(yùn)行速度調(diào)節(jié)，入土深度通過測(cè)量挖掘鏟入土長度確定，入土角由掛接件調(diào)節(jié)[7]。

作業(yè)速度x1分別確定為 0.6、0.7 和 0.8 m·s-1，挖掘鏟挖掘深度x2分別為22、27和32 cm，鏟面入土角x3分別為20°、25°和30°。通過改變以上三個(gè)因素，利用Design-Expert 軟件設(shè)計(jì)三因素三水平正交組合試驗(yàn)，因素水平編碼見表4。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)二階凹面挖掘鏟和組合式挖掘鏟作土槽試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results

表4 因素水平編碼Table 4 Factor level coding

4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.4.1 二階凹面挖掘鏟試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)中二階凹面挖掘鏟所受阻力結(jié)果作方差分析見表6。結(jié)果表明，因子x1、x2、x3、x12、x22、x32對(duì)y影響顯著，其他因子影響不顯著。各因素對(duì)阻力影響順序依次為x1=x2>x3。去除不顯著項(xiàng)后得到二階凹面挖掘鏟所受阻力y回歸方程為：

式中，y為阻力（N）；x1為作業(yè)速度（m?s-1）；x2為入土深度（cm）；x3為入土角（°）。

由圖16 可知，為確保三七完整挖出，選擇挖掘深度為30 cm，當(dāng)挖掘速度為0.6 m?s-1、入土角為20°時(shí)，挖掘鏟所受阻力最小為2 480 N。

二階凹面挖掘鏟土槽試驗(yàn)結(jié)果見圖17，可見，挖掘鏟壅土情況不嚴(yán)重，但土壤破碎能力差，鏟面有大塊土壤。

表6 二階凹面挖掘鏟所受阻力方差分析Table 6 Variance analysis of resistance on the second-order concave digging shovel

4.4.2 組合式挖掘鏟試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)中組合式挖掘鏟所受阻力結(jié)果作方差分析，見表7。結(jié)果表明，因子x1、x2、x3、x12、x22、x32對(duì)y影響顯著，其他因子影響不顯著。各因素對(duì)阻力影響為x2>x1>x3。去除不顯著項(xiàng)后得到組合式挖掘鏟所受阻力y回歸方程為：

式中，y為阻力（N）；x1為作業(yè)速度（m?s-1）；x2為入土深度（cm）；x3為入土角（°）。

通過對(duì)圖18 組合式挖掘鏟響應(yīng)面分析分析可以得出：為確保三七完整挖出，選擇挖掘深度為30 cm，當(dāng)挖掘速度為0.6 m?s-1、入土角為20°時(shí)，挖掘鏟所受阻力最小2 150 N。

組合式挖掘鏟土槽試驗(yàn)結(jié)果見圖19，可知，組合式挖掘鏟可改善壅土情況，鏟面上無大塊土壤，破碎鏟對(duì)土壤破碎力強(qiáng)，且破碎鏟能挖出未生長在指定位置三七。

表7 組合式挖掘鏟所受阻力方差分析Table 7 Variance analysis of resistance on combined excavating shovel

5 討論與結(jié)論

通過對(duì)兩組挖掘鏟作基于EDEM軟件離散元仿真分析以及土槽驗(yàn)證試驗(yàn)，仿真數(shù)據(jù)相對(duì)土槽試驗(yàn)結(jié)果表明，組合式挖掘鏟所受阻力小于二階凹面挖掘鏟所受阻力。通過三因素三水平土槽試驗(yàn)結(jié)果得出，組合式挖掘鏟受到阻力最小。利用Design-Expert 軟件處理數(shù)據(jù)，各因素對(duì)挖掘鏟阻力的影響程度為：挖掘深度>作業(yè)速度>入土角。通過EDEM軟件分別對(duì)兩組挖掘鏟作離散元仿真分析，并進(jìn)行土槽試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果均得出：組合式挖掘鏟所受阻力小于二階凹面挖掘鏟所受阻力。利用Design-Expert 軟件處理數(shù)據(jù)，各因素對(duì)挖掘鏟阻力的影響程度為：挖掘深度>作業(yè)速度>入土角。通過分析試驗(yàn)過程中土壤破碎情況，得出組合式挖掘鏟土壤破碎能力較二階凹面挖掘鏟好，能夠一定程度上減輕壅土問題，有效挖掘未生長在標(biāo)準(zhǔn)位置上三七，提高明七率。綜合考慮挖掘鏟的實(shí)用性、三七挖出率及土壤破碎能力，組合式挖掘鏟為三七收獲機(jī)理想挖掘裝置，在保證三七全部挖出情況下，最佳挖掘參數(shù)為作業(yè)速度0.6 m?s-1；挖掘深度30 cm；入土角20°