許星，陳仕國，胡立華

(福建農林大學，福州市，350002)

0 引言

目前我國藥用中藥植物約11 146種，其中人工種植的根莖類中藥已到達250種以上[1]。太子參作為根莖類中藥之一，因其藥食同源具有很高的經濟價值[2]。國內大多數(shù)地區(qū)以人工種植為主，每逢太子參收獲季節(jié)，就會出現(xiàn)勞動力短缺的現(xiàn)象，導致太子參收獲不及時，嚴重影響太子參的質量[3-6]。

對于根莖類收獲機機械的研發(fā)和應用，國外在20世紀就形成一系列標準[7]，主要是針對短根莖類作物收獲機械進行研制，包括馬鈴薯、甜菜、花生、大蒜等機械[8-11]。從70年代開始，西方發(fā)達國家就普及此類大型收獲機械，促進根莖類作物產業(yè)的發(fā)展[12]。日本DCL-130土豆收獲機結構簡單、功率小，適合小面積種植環(huán)境，不但可以解決一些特殊地區(qū)的山地情況機械化收獲問題，還可以帶動當?shù)匾恍┳魑锂a業(yè)的發(fā)展[13-15]。20世紀60年代，我國從西方國家買入根莖類的作物收獲機械，但是對于長根莖的中藥材采摘仍需采用手動方式進行或者在簡易的機械挖掘后人工拾撿[16]。從80年代起我國在國外根莖作物收獲機的基礎上改進創(chuàng)新，使得我國中藥材生產得到產業(yè)化、標準化的發(fā)展[17]。當前我國市場上有大型馬鈴薯收獲機，如4QMS型馬鈴薯收獲機[18]，也有適合于一些多山地丘陵的藥材收獲機，如YS深型藥材收獲機。大大推廣了根莖類收獲機械的應用，推動了我國的根莖類作物產業(yè)的發(fā)展[19]。但是，我國關于太子參收獲機械的相關文獻和報道較少，太子參依然靠人工的方式進行收獲。整個根莖類作物產業(yè)中，機械化是必然的結果[20-22]，所以實現(xiàn)太子參的機械化收獲也是必然選擇。福建省地區(qū)土壤具有含水率高，黏性大等特點，這直接造成了太子參收獲的復雜工況。太子參是石竹科植物，其根部深埋與地下，在挖掘過程中存在挖掘阻力大等特點。而且太子參種植地區(qū)多屬丘陵地帶，難以利用笨重的收獲機械。本文結合太子參收獲工藝，設計并分析一種具有振動功能，適合太子參收獲的挖掘機構并對其進行有限元仿真分析和運動學分析，并進行實地測試。旨在驗證其合理性與可靠性，為太子參收獲機械化奠定基礎。

1 太子參收獲機挖掘機構設計與方法

1.1 太子參收獲機整體結構設計

太子參收獲機挖掘機構包含偏心傳動軸、螺旋桿、齒輪傳動、傳動軸、鏈輪傳動、可調后輪和運篩網(wǎng)鏈。其結構如圖1所示，功能和作用如下：(1)可調節(jié)后輪：通過調節(jié)后輪的高度，實現(xiàn)不同的挖掘深度。(2)挖掘裝置機架：主要用于懸掛和固定各個關鍵部件。(3)支撐臂：為振動挖掘鏟提供一定的振動幅度調節(jié)作用。(4)振動挖掘鏟：挖掘關鍵部件，切削土壤對太子參進行挖掘；(5)后延柵條：太子參傳送過度機構，實現(xiàn)土壤與太子參第一次分離。(6)偏心傳動軸：為挖掘鏟提供振動功能，將動力傳遞到偏心振動機構和鏈輪。(7)齒輪傳動：為偏心振動機構和運篩網(wǎng)鏈提供動力，將發(fā)動機的動力傳遞到整個挖掘裝置。(8)鏈輪傳動：為運篩網(wǎng)鏈提供動力。(9)螺旋桿：通過旋轉螺旋桿來調節(jié)挖掘鏟入土角度以適應不同的工作環(huán)境。(10)運篩網(wǎng)鏈：實現(xiàn)土壤與太子參的二次分離。

圖1 太子參收獲機結構圖Fig. 1 Structure of Radix Pseudostellariae excavator1.可調節(jié)后輪 2.運篩網(wǎng)鏈 3.螺旋桿 4.鏈輪傳動 5.齒輪傳動 6.偏心傳動軸 7.后延柵條 8.振動挖掘鏟 9.支撐臂 10.機架

根據(jù)上述的農藝要求可得該收獲機技術參數(shù)如表1所示。本文所設計的太子參收獲機工作過程如下：首先由內燃機將動力通過齒輪傳遞到偏心傳動軸上并產生振動作用，使得挖掘鏟產生振動切削同時抬升土壤，對太子參進行挖掘。鏈輪帶動運篩網(wǎng)鏈工作，土壤在振動挖掘鏟以及運篩網(wǎng)鏈分離裝置的作用下將太子參與土壤進行有效分離。太子參通常要選擇腐殖質層大于等于400 mm深度的土壤中進行種植，播種時深耕深度為150～200 mm，對于大規(guī)模種植需要壟作模式，通常壟寬范圍為800～1 400 mm，壟高約為250 mm，兩邊的壟溝約為300～400 mm，其中一壟通常采用四行的方式進行播種[23]。

表1 太子參收獲機的主要技術參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of Radix Pseudostellariae excavator

1.2 挖掘鏟結構設計與方法

挖掘鏟是整個收獲機機構的一個關鍵性部件，主要工作參數(shù)包括挖掘深度h、挖掘鏟的刃口傾角θ、挖掘鏟入土角β、挖掘鏟的鏟體長度L以及挖掘鏟寬度b。

1) 挖掘深度h。通常太子參耕作深度范圍為120～160 mm，為了確保挖掘深度不低于太子參最大生長深度，本文設計的挖掘深度范圍在180～200 mm，且可由可調節(jié)后輪來調節(jié)大小。

2) 刃口傾角θ。刃口傾角θ影響土壤沿鏟刃口滑動實現(xiàn)自動清理的能力。挖掘鏟刃口傾角θ也會影響切削土壤的力，適當?shù)耐诰蜱P刃口傾角θ能夠有效提高挖掘太子參和土壤混合物。挖掘鏟的刃口的受力圖如圖2所示。

圖2 刀刃傾角受力圖Fig. 2 Blade angle force diagram

在切削太子參的土壤時，挖掘鏟刃口上的下滑力要小于摩擦力，即

(1)

式中：F——挖掘鏟受到的總阻力，N；

F1——土壤對挖掘鏟刃口上的摩擦力，N；

F2——土壤對挖掘鏟刃口的支撐力，N；

γ——土壤對挖掘鏟刃口的摩擦角，(°)。

由圖2的鏟刃傾角受力分析進行分析，由方程組(1)可得

γ≤90°-θ

(2)

當摩擦角γ過大時，不利于清理土壟兩旁的雜草，進而挖掘鏟會形成土壤堵塞；當摩擦角γ過小，挖掘鏟表面又變的太光滑，但是容易導致整個挖掘鏟面磨損太大。通常在實際工程上，摩擦角γ范圍在26.5°～35°，本文選擇摩擦角γ為30°，所以根據(jù)式(2)計算得出挖掘鏟的刃口傾角為θ=60°。

3) 入土角β。挖掘鏟入土角β的大小對挖掘阻力有著很大的影響，并對太子參的果土分離也有著很大影響。入土角β小，則相應的挖掘土壤將增多，導致挖掘阻力增大。如果入土角β大，則挖掘鏟鏟面與土壤接觸面將增大，同樣會導致挖掘阻力增大，并導致土壤容易在運篩網(wǎng)鏈出現(xiàn)沉積甚至發(fā)生回翻現(xiàn)象。挖掘鏟的受力分析如圖3所示。

圖3 挖掘鏟工作受力示意圖Fig. 3 Schematic diagram of excavating shovelwork force

挖掘鏟的入土角β的理論值，可以由受力平衡方程(3)來確定。

(3)

式中：T——挖掘鏟前進方向對土壤所需力，N；

N——挖掘鏟對土壤的反作用力，N；

G——挖掘鏟上的土壤重力，N；

P——挖掘鏟上土壤摩擦力，N，P=μ1×N；

μ1——土壤對于挖掘鏟材料45號鋼的摩擦系數(shù)。

由上述式(3)可知

β=arctan[(T-μ1·G)/(μ1·T+G)]

(4)

一般在福建省地區(qū)的入土角β取值范圍為19°30″～26°30″[24]。當入土角β超過25°時，挖掘鏟受到的挖掘阻力就會明顯增加，會增加太子參收獲機的功耗。如果入土角β<10°時，相應的挖掘阻力降低，因此入土角β取值范圍在10°～25°。太子參收獲機工作時要盡量減小阻力因素，所以選取入土角β應當盡量小于理論值，而且入土角β偏小也可以減少土壤的堆積，降低后續(xù)的運篩網(wǎng)鏈的分離載荷，有利于挖掘過程中的提升和輸送。綜上考慮，太子參入土角β選取為22°。

4) 鏟體長度L。挖掘鏟鏟體的長度設計是整個挖掘裝置中的非常重要的一個參數(shù)，挖掘鏟體的長度決定了收獲機上土壤堆積情況和受到阻力的大小，從而影響整個收獲機的收獲效率。挖掘鏟鏟體的長度確定如圖4所示。

圖4 挖掘鏟長度結構圖Fig. 4 Structure diagram of excavating shovel length

挖掘鏟鏟體總長為L包含挖掘鏟固定板和后延柵條的長度，如果挖掘鏟鏟體全部入土，則可以得出挖掘鏟鏟體總長。

L=h/sinβ

(5)

根據(jù)入土角β和挖掘深度h可知，挖掘鏟鏟體的長度取值范圍為394.7～526.3 mm，而在實際情況中，挖掘鏟鏟體的總長會比理論計算得出的最小鏟體長度還要小，因為這樣設計不但可以保證太子參被挖掘出來，還可以有效地減小在收獲過程中太子參的漏根率，也可以降低挖掘鏟的挖掘阻力的作用，并為后續(xù)太子參收獲機的加工制作費用減少，故本文選用350 mm。

5) 挖掘鏟寬度b。挖掘鏟的寬度必須保證可以把土壟中的太子參全部挖出來，又不能在鏟上留有多余土壤。通常福建省太子參種植一壟的寬度范圍在700～900 mm，收獲機在兩邊的壟溝行走，要保證挖掘鏟寬度充分覆蓋土壟的上部，綜上考慮則本文的挖掘鏟寬度為800 mm。

1.3 挖掘機構振動功能設計與運動分析

土壤挖掘相關技術，已經有多數(shù)研究學者證明了振動作用能夠有效降低挖掘阻力的結論，并且大量的振動試驗數(shù)據(jù)表明[25-28]：在保持土壤的豎向應力不變且都具有一定壓縮的條件下，快速剪切所得到的土壤內摩擦角的值較小，抗剪強度較小。慢速剪切所測得的土壤內摩擦角和抗剪強度都相對較大。所以根據(jù)摩爾—庫倫強度理論，土壤的切削阻力隨著內摩擦角減小而減小。為了實現(xiàn)挖掘鏟可以左右往復式振動，本文利用偏心機構使得挖掘鏟產生振動，并利用四桿機構運動學原理分析挖掘鏟的運動特征。挖掘機構振動結構簡圖與原理圖如圖5所示。

偏心機構由個偏心距為e的傳動軸組成，當偏心軸旋轉時在連桿的作用下帶動挖掘鏟擺動。振動機構相當于一個標準四連桿機構，其中偏心距e為L1，偏心軸中心到挖掘鏟連桿和支撐臂的連接點為L2，支撐臂為L3，傳動軸至支撐桿回轉中心距離為L4。已知偏心距e，即L1和角速度ω1。根據(jù)圖5(b)所示的四桿機構圖，由于矢量多邊形各矢量之和為0[29]，可得封閉矢量方程。

(6)

將式(6)用復數(shù)形式表示可得式(7)。

(7)

將歐拉公式eiφ=cosφ+isinφ代入式(7)，分離出實部和虛部，經變形得式(8)。

L22=L32+L42+L12-2L3L4cosφ3-

2L1L3cos(φ3-φ1)-2L3L4cosφ1

(8)

令A=2L1L3sinφ1,B=2L3(L1cosφ1-L4)，C=L22-L32-L42-L12+2L3L4cosφ1經整理可得式(9)、式(10)。

(9)

φ2=2arcsin[(2L32sinφ3-A)/(2L3L2)]

(10)

對式(7)進行時間求導并分離虛部與實部，可求解的兩個未知角速度。

(a) 挖掘機構簡圖

(b) 四桿機構原理圖圖5 挖掘鏟子振動結構簡圖與原理圖Fig. 5 Diagram and schematic diagram of shovel vibration structure1.機架 2.偏心機構 3.挖掘鏟連桿 4.支撐臂

ω3=ω1L1sin(φ1-φ2)/[L3sin(φ3-φ2)]

(11)

ω2=-ω1L1sin(φ1-φ3)/[L2sin(φ2-φ3)]

(12)

同時進一步求二次導可以得知兩個未知角加速度α2和α3。

α3=[ω12L1cos(φ1-φ2)+ω22L2-

ω32L3cos(φ3-φ2)]/L3sin(φ3-φ2)

(13)

α2=[-ω12L1cos(φ1-φ3)+ω32L3-

ω22L2cos(φ2-φ3)]/L2sin(φ2-φ3)

(14)

設太子參收獲機的前進速度為v(m/s)勻速前進，在某個時間節(jié)點t(s)時，挖掘鏟上的任意點O的位移方程如式(15)所示。

(15)

其中LDO表示點D到O的距離，φO表示∠CDO的夾角。通過求導可得O點速度與加速方程如式(16)、式(17)所示。

O點的速度方程

(16)

O點的加速度方程

(17)

查看挖掘鏟角位移、角速度和角加速度的參數(shù)曲線如圖6所示。

(a) 角位移曲線

(b) 角速度曲線

(c) 角加速度曲線圖6 挖掘鏟運動參數(shù)曲線圖Fig. 6 Curve of excavating shovel motion parameters

為了準確獲取挖掘鏟的運動學參數(shù)曲線，利用運動學仿真軟件ADAMS對挖掘鏟進行仿真分析，傳動軸的轉速設定為540 r/min，偏心振動軸的驅動參數(shù)為1 629°/s，運動仿真時間設置為5 s，步數(shù)設置為100。

分析圖6可知挖掘鏟的運動像一個正弦波曲線一樣有規(guī)律性、周期性的變動，符合了本設計利用偏心機構產生振動的往復運動要求。

2 太子參挖掘鏟有限元分析

2.1 挖掘鏟負載受力分析

太子參收獲機挖掘阻力受挖掘鏟的入土角、挖掘鏟的長度、挖掘深度，以及土壤的一些物理性質，比如土壤的比重和容重、土壤的孔隙性、土壤的含水率、內摩擦力等影響。挖掘鏟的工作阻力不僅受到土壤與挖掘鏟面的摩擦力影響，還與鏟面與土壤的剪切有關，土壤沿鏟面移動所產生的挖掘阻力

(18)

式中：W1——挖掘阻力，N；

G——土壤重力，G=γ·b·h·L，γ表示濕土容重，取1 400 kg/m3；

C——土壤內聚力因數(shù)，N/m2；

A1——土壤剪切面積，m2；

B——土壤沿鏟面運動的加速力，N；

Ca——土壤附著力因數(shù)，N/m2；

δ——前失效面傾角，(°)；

μ——土壤內摩擦因數(shù)；

A0——挖掘鏟部件面積，m2。

將本文的數(shù)據(jù)參數(shù)代入式(18)，即土壤重力G=42.63 N，土壤剪切面積A1=0.3 m2，土壤沿鏟面運動的加速力B=10.95 N，前失效面傾角δ=34°，入土角β=22°，土壤內摩擦因數(shù)μ=0.49，土壤與金屬摩擦因數(shù)μ1=0.5，挖掘鏟部件面積A0=0.145 m2。福建地區(qū)土壤內聚力因數(shù)C一般取值范圍為5 000～10 000 N/m2，本文選取C=10 000 N/m2，土壤附著力因數(shù)Ca一般取值范圍為13 000～45 000 N/m2，本文選取Ca=15 000 N/m2，綜上可得總阻力W1=1 505.181 N，挖掘鏟面的法向力Fn=N=W×sinδ=563.85 N。

2.2 挖掘鏟有限元靜力學分析及結果

2.2.1 挖掘鏟有限元模型及載荷

太子參挖掘鏟包括鏟體、兩側固定板及后延柵條。鏟體及固定板所使用材料為45號鋼，后延柵條采用Q235結構鋼，相應參數(shù)如表2所示。對有限元模型施加上述計算所得的法向力如圖7所示。

表2 挖掘鏟材料特性參數(shù)Tab. 2 Characteristic parameters of excavating shovel material

(a) 挖掘鏟有限元模型

(b) 載荷模型圖7 挖掘鏟有限元模型及其載荷Fig. 7 Finite element model of excavating shovel and its load

2.2.2 有限元靜力學分析結果

通過有限元軟件可以計算出挖掘鏟在工作時變形量和應力，結果如圖8所示。結果顯示綜合最大位移量集中在鏟尖，位移量為1.518 mm，應力最大位置發(fā)生在鏟體與連接板連接位置。最大應力為141.87 MPa，小于45號鋼的屈服極限355 MPa。

(a) 挖掘鏟位移云圖

(b) 挖掘鏟應力云圖圖8 有限元計算結果Fig. 8 Results of finite element calculation

3 試驗驗證

3.1 試驗材料與方法

為了進一步驗證挖掘機構的可行性，并初步獲取前進速度，振動幅度，轉動軸速度與挖掘阻力的關系數(shù)據(jù)。

試驗于2019年5月在福建農林大學進行。試驗材料為ZH195型柴油拖拉機，太子參收獲機，SG04應力分析儀，?，?AR926非接觸式轉速儀。

試驗采用單因素試驗法，具體方法如下：(1)為了保證每次的入土角度保持一致，保持螺旋調節(jié)桿在一定的位置減少其他影響因素對于振動挖掘試驗的影響作用，試驗入土角為22°。(2)試驗時只變換一個因素參數(shù)，此次單因素試驗選用表3中試驗號2號的因素參數(shù)為基準。即在前進速度試驗時，振動幅度為9.2 mm，傳動軸轉速為630 r/min。在振動幅度試驗時，前進速度為0.32 m/s，傳動軸轉速為630 r/min。做傳動軸轉速試驗時，前進速度為0.32 m/s，振動幅度為9.2 mm。設計方案如表3所示。(3)試驗行走距離為10 m，記錄各工況下平均阻力。

表3 單因素試驗參數(shù)設計方案Tab. 3 Single factor test parameter design scheme

其中振動幅度是指挖掘機構所產生的偏心振動幅度。傳動軸轉速為振動頻率參數(shù)，由于轉速與頻率存在60倍的關系，所以直接利用轉速數(shù)值替代振動頻率。前進速度指收獲機前進的平均速度。

3.2 試驗結果與分析

在不同工況下監(jiān)測挖掘阻力，可得其與各因素之間關系曲線如圖9所示。

由圖9(b)可知在振幅為0，即不振動情況挖掘阻力為1 604 N。圖9中3個因素關系圖顯示振動狀態(tài)下最大挖掘阻力1 583 N，小于無振動時的挖掘阻力，說明振動挖掘具有減小挖掘阻力的作用。圖9(a)顯示在合適的挖掘參數(shù)下挖掘阻力可以降低至1 320 N，說明特定的挖掘參數(shù)組合對降低挖掘阻力具有顯著效果。以上各工況平均挖掘阻力為1 458 N，接近理論計算所得的靜態(tài)總阻力1 505.181 N，說明上述理論計算與有限元分析結果符合實際情況。

(a) 前進速度與挖掘阻力關系

(b) 振幅與挖掘阻力關系

(c) 轉速與挖掘阻力關系圖9 挖掘阻力于各因素關系圖Fig. 9 Relationship between mining resistance and various factors

4 結論

本文基于太子參收獲農藝，分析了太子參收獲挖掘時土壤對挖掘鏟的受力情況，利用振動減阻的研究結果，設計了具有振動功能的太子參挖掘機構，同時對挖掘鏟做了有限元靜力學分析和動力學分析，并對挖掘機構做實地測試進一步驗證理論計算合理性。

1) 靜力學結果顯示挖掘鏟最大應力部位發(fā)生在鏟體與連接板的連接處，最大應力為141.87 MPa，小于45號鋼的屈服極限355 MPa，理論計算符合強度要求。動力學分析結果表明挖掘鏟可以實現(xiàn)有規(guī)律往復振動，并計算出了各運動參數(shù)數(shù)學模型。

2) 下地試驗驗證結果表明挖掘阻力會隨著不同工況發(fā)生變化，挖掘阻力都小于1 604 N(無振動)，說明振動作用可以減小挖掘阻力。振動挖掘下最大挖掘阻力為1 583 N，最小挖掘阻力為1 320 N，巨大的挖掘阻力變化反映了不同挖掘參數(shù)組合對挖掘阻力有顯著效果。實際平均挖掘阻力為1 458 N接近理論計算的1 505.181 N，進一步驗證了理論分析的合理性。