温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究.pdf

JournalofNortheastAgriculturalUniversity 东北农业大学学报第51 卷第9 期 51 9 79 88 2020 年9 月 September2020 温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究张兆国 1 2 余小兰 1 2 李汉青 1 2 程一启 1 2 3 解开婷 1 2 1 昆明理工大学农业与食品学院昆明 650500 2 云南省高校中药材机械化工程研究中心昆明 650500 3 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京 100081 摘要为降低三七收获机工作时能耗和阻力研制两种收获三七挖掘铲即二阶凹面挖掘铲和组合式挖掘铲基于三七土壤物理特性通过EDEM 软件对两种挖掘铲作虚拟挖掘试验分析挖掘铲所受阻力仿真结果表明二阶凹面挖掘铲挖掘阻力大于组合式挖掘铲以挖掘铲作业速度挖掘深度和入土角度为试验因素挖掘铲阻力为试验指标采用Design Expert 软件作试验设计完成土槽挖掘试验结果表明组合式挖掘铲受到阻力较小影响阻力因素由大到小为挖掘深度作业速度入土角最优挖掘参数为挖掘深度为30cm 作业速度为0 6m s 1 入土角为20 组合式挖掘铲符合温室三七收获作业农艺要求为温室三七收获机挖掘铲设计奠定基础关键词挖掘铲三七土槽试验离散元仿真中图分类号 S225 7 文献标志码 A 文章编号 1005 9369 2020 09 0079 10 张兆国余小兰李汉青等温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究 J 东北农业大学学报 2020 51 9 79 88 DOI 10 19720 ki issn 1005 9369 2020 09 0010 Zhang Zhaoguo YuXiaolan Li Hanqing et al Comparison and selection of excavating shovel type of Panax notoginseng harvester in greenhouse J Journal of Northeast Agricultural University 2020 51 9 79 88 in Chinese with English ab stract DOI 10 19720 ki issn 1005 9369 2020 09 0010 Comparisonandselectionofexcavatingshoveltypeof Panax notogin sengharvesteringreenhouse ZHANG Zhaoguo 1 2 YU Xiaolan 1 2 LI Hanqing 1 2 CHENG Yiqi 1 2 3 XIE Kaiting 1 2 1 School of Agriculture and Food Kunming University of Science and Technology Kunming 650500 China 2 Engineering Research Center of Mechanized Chinese MedicinalMaterialsofYunnanUniversity Kunming650500 China 3 SchoolofMechanicalEngineer ing andApplied ElectronicsTechnology Beijing University ofTechnology Beijing 100081 China Abstract This study reduced the rate of injury reduced the energy consumption of the P a n a x n o t o g i n se n g harvester and the resistance of the soil to the machine during the work Discrete element simulation analysis and soil trough test of second order concave excavation shovel and combined excavation shovel Based on the physical characteristics of P a n a x n o t o g i n s e n g soil a virtual excavation test was conducted on two excavating shovel through EDEM software to analyze the resistance of the excavating shovel The simulation test results shown that the excavation resistance of the second order concave shovel was greater than that of the combined shovel Taking the operating speed digging depth and soil entry angle of the shovel as the test factors and the shovel resistance as the test index 收稿日期 2020 08 09 基金项目国家自然科学基金项目 51865023 云南省科技创新重大专项 2016ZF001 作者简介张兆国 1966 男教授博士博士生导师研究方向为农业机械装备设计制造 E mail zhaoguozhang 东北农业大学学报第51 卷三七是五加科多年生人参类草本植物为我国特有名贵中药材之一 1 三七主要产自云南四川广西等省份云南文山地区年产量最大 2 关于三七收获机挖掘铲国外研究很少武占东运用 TRIZ 理论分析三七收获机系统关键部件 3 于进川为适应云南文山地区红土丘陵区黏性土收获农艺要求研制4SD 120 型三七收获机 4 张兆国根据三七收获时特殊农艺要求设计采用二阶凹面挖掘铲自走式三七收获机 5 目前收获机可满足三七收获条件和收获要求但三七挖掘铲挖掘阻力较大机具功耗过高 6 7 需降低三七挖掘铲挖掘阻力和机具功耗本文基于三七土壤物理特性对两种挖掘铲作虚拟仿真试验分析两种挖掘铲阻力通过Design Expert 软件设计试验完成挖掘铲土槽试验分析挖掘深度作业速度入土角对挖掘阻力影响及壅土情况确定最优挖掘参数 7 1 三七土壤物理特性土壤环境包括土壤含水率坚实度等样本选用文山州三七种植基地土壤在不同深度和位置选取10 个土壤样本取其平均值采用农业环境检测仪测定含水率采用土壤坚实度测定仪测定坚实度结果见表1 通过力学参数测定土壤物理特性本试验采用4 份三七温室大棚土壤试样运用应变控制式直剪仪测量抗剪强度见图1 分别在试样上添加不同砝码施加法向力F 固定剪切面面积S 此时竖直应力N F S 继续施加剪切力样本被剪断此时剪切力为I0 抗剪强度 I0 S 最后根据库仑定律确定力学参数 8 9 数据见表2 a Ntan 1 式中为抗剪强度 kPa a 为内聚力 kPa N 为竖直应力 kPa 为内摩擦角 tan 为摩擦系数结合式1 可得到抗剪强度与竖直应力关系 0 277N 15 505 以竖直应力作为横坐标抗剪强度作为纵坐标绘制曲线见图2 可得到土壤基本力学参数其中摩擦系数0 277 内聚力 15 505kPa the design was designed using D esign Expert software to complete the soil trench excavation test The soil trench test results shown that the combined shovel received less resistance and the factors affecting the resistance were from large to small digging depth working speed and soil entry angle The optimal digging parameters were working speed was 0 6 m s 1 digging depth was 30 cm the entry angle was 20 The combined excavating shovel met the agronomic requirements of the greenhouse P a n a x n o t o g i n se n g harvesting operation which laid the foundation for the design of the greenhouse P a n a x n o t o g i n se n g harvesting machine shovel Key words e x c a v a t o r P a n a x n o t o g i n s e n g s o i l t r o u g h e x p e r i m e n t d i s c r e t e e l e m e n t s i m u l a t i o n 竖直应力 kPa Verticalstress 平行位移最大值 mm Maximumparallel 抗剪强度 kPa Shearstrength 100 0 23 43 48 200 0 39 70 56 300 0 51 98 25 400 0 67 126 43 深度 mm Depth 平均土壤含水率 Averagesoilmoisture 平均土壤坚实度 MPa Averagesoilfirmness 50 16 3 0 35 100 17 4 0 49 150 20 1 0 57 200 24 4 0 77 表1 三七块根土壤基本参数 Table1 Basicparametersof Panax notoginsengrootsoil 图1 应变控制式直剪仪 Fig 1 DirectshearapparatusofZJ typestraincontrolled 表2 土壤抗剪强度 Table2 Soilshearstrength 80张兆国等温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究第9 期 2 挖掘铲模型建立与阻力理论分析 2 1 挖掘铲模型建立二阶凹面挖掘铲每个铲面排列布置过于紧密易造成壅土增加挖掘铲阻力变大收获机动力增加 10 11 铲面设计宽度保证将三七挖出土面总体铲长取1200mm 单铲宽度取60mm 单铲长度取400mm 仿真模型见图3 组合式挖掘铲主要由土壤破碎铲及二阶凹面铲共同组成两种铲型交错排列于铲架结构见图4 其中破碎铲将大块土壤破碎土壤质地更松软 12 破碎铲铲翼宽为58mm 翼张角为48 翻土角为50 7 2 2 挖掘铲牵引阻力理论分析 2 2 1 二阶凹面挖掘铲牵引阻力理论分析二阶凹面挖掘铲由两个不同角度挖掘铲组成因此选择虚拟面作二阶凹面铲阻力理论分析如图5 由几何关系可得到虚拟面倾角与一阶倾角 1 二阶倾角 2 一阶铲长对应铲高h 和整体铲高H 关系 13 arctan H cot 1 h cot 2 H h 2 二阶凹面挖掘铲受力分析如图6 所示二阶凹面挖掘铲所受牵引阻力F 为 F Nsin f 1 cos f 2 lcos 3 其中 N 是铲面所受土壤法向压力 N f1 是土壤法向压力产生阻力 N f2 是纯切削阻力 N 将f 1 N 带入上式可得二阶凹面挖掘铲所受牵引阻力F 与法向压力N 一阶倾角 1 二阶倾角 2 一阶铲长对应铲高h 和铲高H 关系图2 竖直应力与抗剪强度关系 Fig 2 Relationshipbetweenvertical stressandshearstrength b 二阶挖掘装置俯视图 b Topviewofthemodularexcavation 图3 二阶凹面挖掘装置模型 Fig 3 Modelofcombineddiggingdevice b 组合式挖掘装置俯视图 b Topviewofthemodularexcavation 图4 组合式挖掘装置模型 Fig 4 Modelofcombineddiggingdevice a 二阶挖掘装置侧视图 a Sideviewofmodularexcavation y 0 2768x 15 505 a 组合式挖掘装置侧视图 a Sideviewofmodularexcavation F Nsin f 1 cos f 2 lcos N sinarctan H cot 1 h cot 2 H h cosarctan H cot 1 h cot 2 H h f 2 lcosarctan H cot 1 h cot 2 H h 竖直应力 Verticalstress 4 100 150 200 250 300 350 400 抗剪强度 kPa Shearstrength 140 120 100 80 60 40 81东北农业大学学报第51 卷 2 2 2 组合式挖掘铲牵引阻力理论分析组合式挖掘铲所受牵引阻力主要由铲面土壤破碎产生阻力和纯切削阻力组成 8 计算铲面土壤破碎产生阻力F 1 建立两个坐标系如图7 所示侧挖掘面为坐标系oxyz 坐标系OXYZ 是静坐标系坐标系oxyz 转换到坐标系 OXYZ 转换矩阵为A 如图8 所示其中 1 是翻土角 2 是铲刃到垂直面倾角是沟壁倾角铲面土壤破碎产生阻力F 1 与土壤所受法向力 N 1 摩擦力 f 1 有关在坐标系oxyz 中法向力 N 1 摩擦力f 1 表达式如下式中是铲侧面与铲刃垂直线夹角单位在坐标系OXYZ 中法向力N 1 摩擦力 f 1 表达式如下由上可得 N x N 0 sin 1 cos 2 10 f x f 1 sin sin 2 cos cos 1 cos 2 11 将f 1 N 带入上式此时铲面土壤破碎产生阻力F 1 表达式如下其中是土壤对铲摩擦系数求纯切削阻力F 2 破碎铲铲面倾角与入土角 3 铲胸升角 0 关系如图9 所示 A sin 1 cos 2 sin 2 cos 1 cos 2 cos 1 sin sin 1 sin 2 cos cos 2 cos sin 1 sin cos 1 sin 2 cos cos 1 cos sin 1 sin 2 sin sin cos 2 sin 2 cos cos 1 sin 2 sin 图6 二阶凹面挖掘铲受力分析 Fig 6 Stressanalysis 图5 二阶凹面挖掘铲虚拟铲面 Fig 5 Virtualshovelsurface N 1 AN 1 N 1 sin 1 cos 2 N 1 sin cos 1 sin 1 sin 2 cos N 1 cos 1 cos sin 1 sin 2 sin 图8 侧挖掘面 Fig 8 Sideexcavationsurface 图7 坐标系 Fig 7 Coordinate f 1 0 f 1 sin f 1 cos N 1 N 1 0 0 F 1 N x F x N 1 sin 1 cos 2 sin sin 2 cos cos 1 cos 2 0 3 2 F 2 f 2 lcos f 2 lcos 0 3 2 图9 碎铲虚拟面 Fig 9 Virtualfaceofcrushingshovel 5 7 6 f 1 0 f 1 sin f 1 cos 8 13 14 12 f 1 Af 1 f 1 sin cos 2 cos cos 1 cos 2 f 1 sin cos 2 cos cos sin 1 sin cos cos 1 sin 2 cos f 1 sin cos 2 sin cos sin 1 cos cos cos 1 sin 2 sin 9 82张兆国等温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究第9 期综上所述土壤破碎铲总牵引阻力F 由下所示 3 挖掘铲离散元仿真分析采用EDEM 软件对挖掘铲作离散元仿真分析选择显式时间步骤离散单元法模拟求解过程其中牛顿第二定律是理论基础分析粒子间接触特性受力方向和粒子运动轨迹本文研究土壤挖掘铲系统由于三七种植土壤类型属于疏松型采用Hertz Mindlin 接触模型挖掘铲材料为65 Mn 14 仿真采用1m 0 5m 0 5m 土槽挖掘铲前进速度为0 7m s 1 15 由于三七生长在土下150 300mm 为保证三七完全挖出选择挖掘深度为 300mm 入土角20 仿真参数见表3 3 1 二阶凹面挖掘铲对二阶凹面挖掘铲建立三维模型并将建模后挖掘铲导入土壤力学模型中分析二阶凹面挖掘铲工作时阻力仿真过程见图10 土壤颗粒流向见图11 参数 Parameter 土壤数目个 Soilparticlenumber 土壤半径 m Soilradius 土壤泊松比 SoilPoisson sratio 土壤剪切模量 Pa Soilshearmodulus 土壤密度 kg m 3 Soildensity 土壤间相关系数 Soilcorrelationcoefficient 土壤间静摩擦系数 Soilstaticfrictioncoefficient 土壤间滚动摩擦系数 Coefficientofsoilrollingfriction 数值 Value 8 10 5 1 10 6 1 10 5 0 4 1 09 10 6 1350 0 2 0 3 0 4 参数 Parameter 土壤与挖掘铲相关系数 Correlationcoefficient 土壤与挖掘铲静摩擦系数 Staticfrictioncoefficient 土壤与挖掘铲滚动动摩擦系数 Rollingfrictioncoefficient 挖掘铲泊松比 ExcavatingshovelPoisson sratio 挖掘铲剪切模量 Pa Excavatingshearmodulus 挖掘铲密度 kg m 3 Diggingshoveldensity 重力加速度 m s 2 Accelerationofgravity 仿真时步 s Simulationtimestep 数值 Value 0 3 0 4 0 5 0 3 1 92 10 6 7800 9 81 1 10 5 表3 离散元法仿真分析参数 Table3 Discreteelementmethodforsimulationanalysis 图10 二阶凹面挖掘铲仿真过程 Fig 10 Second orderconcavediggingshovelsimulationprocess 图11 二阶凹面挖掘铲土壤颗粒流向 Fig 11 Second orderconcavediggingshovelflowofsoilparticles a 接触瞬间 a ContactMoment b 插入后 b Afterinsertion c 向前行走 c Towalkforward 2N 1 sin 1 cos 2 sin sin 2 cos cos 1 cos 2 f 2 lcos 0 3 2 F 2F 1 F 2 15 83东北农业大学学报第51 卷通过离散元接触力学模型与相关参数选取二阶凹面挖掘铲所受接触合力变化区间为 0 611 49N 由图11 可知二阶挖掘装置壅土现象减轻由于挖掘铲存在两个平面对不同平面三七均有挖掘效果明七率提高对三七冲击力比传统挖掘铲小但无法保证可收获到未生长在标准位置三七 3 2 组合式挖掘铲对组合式挖掘铲三维建模并将建模后三维图导入土壤力学模型分析组合式挖掘装置工作时阻力仿真过程见图12 土壤颗粒流向见图13 通过离散元接触力学模型与围观参数选取组合式挖掘铲所受接触合力变化区间为 0 419 48N 由图13 可知组合使挖掘铲入土深度合适挖掘范围较前面挖掘铲更大壅土情况减轻由于土壤破碎铲作用大块土壤较少当挖掘铲向前作业时土壤破碎铲可有效收获未生长在标准位置三七收获机在前进作业时受到来自土壤阻力明显减小 3 3 两种挖掘铲仿真阻力比较二阶凹面挖掘铲与组合式挖掘铲所受阻力对比见图14 图12 组合式挖掘铲仿真过程 Fig 12 Combinedexcavatingshovelsimulationprocess 图13 组合式挖掘铲土壤颗粒流向 Fig 13 Combinedexcavatingshovelflowchartofsoilparticles 图14 挖掘铲仿真阻力对比 Fig 14 Comparisondiagramofshovelresistance a 接触瞬间 a ContactMoment b 插入后 b Afterinsertion c 向前行走 c Towalkforward 二阶凹面挖掘铲组合式挖掘铲时间 s Time 700 600 500 400 300 200 100 0 阻力 N 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 84张兆国等温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究第9 期由图14 可知 0 2s 前两种挖掘铲所受阻力一致因入土深度对阻力影响较大而此时入土深度处于较小范围内 0 65s 前二阶凹面挖掘铲所受阻力处于上升阶段 0 5s 前组合式挖掘铲所受阻力处于上升阶段可见组合式挖掘铲所受阻力上升速度较快 0 75s 后二阶凹面挖掘铲在608 N 浮动最大值为611 49N 0 6s 后组合式挖掘铲在410N 浮动最大值为419 48N 可见组合式挖掘铲所受阻力比二阶凹面挖掘铲小 4 试验与分析 4 1 试验准备试验地点为贵州省山地农业机械所中小型农机农具实验室通过土槽试验测量两种挖掘铲阻力分析两组挖掘铲土壤破碎能力该土槽试验台具有自动控制数据处理土壤恢复等功能土槽尺寸为3600cm 250cm 100cm 其中土壤深度约60cm 台车尺寸为290cm 300cm 210cm 不包含土槽高度如图15 所示 4 2 试验方案试验前测定土壤坚实度和水分含量土槽中土壤相关参数与所测量参数一致每次试验后旋耕及压实土槽保证初始条件一致性影响试验因素选取作业速度挖掘深度与入土角试验指标选择阻力及挖掘装置破土效果挖掘铲作业速度可通过控制台车运行速度调节入土深度通过测量挖掘铲入土长度确定入土角由挂接件调节 7 作业速度x1 分别确定为0 6 0 7 和0 8m s 1 挖掘铲挖掘深度x2 分别为22 27 和32cm 铲面入土角x3 分别为20 25 和30 通过改变以上三个因素利用Design Expert 软件设计三因素三水平正交组合试验因素水平编码见表4 4 3 试验结果对二阶凹面挖掘铲和组合式挖掘铲作土槽试验结果见表5 4 4 试验结果分析 4 4 1 二阶凹面挖掘铲试验结果分析对试验中二阶凹面挖掘铲所受阻力结果作方差分析见表6 结果表明因子x1 x2 x3 x1 2 x2 2 x3 2 对y 影响显著其他因子影响不显著各因素对阻力影响顺序依次为x1 x2 x3 去除不显著项后得到二阶凹面挖掘铲所受阻力y 回归方程为 y 1379 54 2308 4x1 18 65x2 11 76x3 9 58x1x2 4 54x1x3 0 064x2x3 1373 44x1 2 0 25x2 2 0 22x3 2 式中 y 为阻力 N x1 为作业速度 m s 1 x2 为入土深度 cm x 3 为入土角序号 No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 试验因素 Testfactors 作业速度 Speed 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 挖掘深度 Depth 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 入土角 Angle 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 试验结果 Testresults 二阶凹面挖掘铲阻力 N Resistance 2513 4 2526 1 2499 5 2569 0 2515 6 2432 6 2525 3 2489 2 2522 1 2566 0 2570 0 2570 0 2498 9 2584 0 2509 8 2465 2 2575 0 组合式挖掘铲阻力 N Resistance 2218 3 2212 0 2258 5 2279 1 2263 5 2104 2 2205 0 2168 3 2231 7 2261 6 2279 1 2279 1 2167 8 2279 1 2240 9 2117 1 2279 1 水平 Level 1 0 1 作业速度x1 m s 1 Speed 0 6 0 7 0 8 挖掘深度x2 cm Depth 22 27 32 入土角x3 Angle 20 25 30 图15 土槽试验台 Fig 15 Soiltroughtestplatform 表4 因素水平编码 Table4 Factorlevelcoding 表5 试验结果 Table5 Testresults 85东北农业大学学报第51 卷由图16 可知为确保三七完整挖出选择挖掘深度为30cm 当挖掘速度为0 6m s 1 入土角为20 时挖掘铲所受阻力最小为2480N 二阶凹面挖掘铲土槽试验结果见图17 可见挖掘铲壅土情况不严重但土壤破碎能力差铲面有大块土壤表6 二阶凹面挖掘铲所受阻力方差分析 Table6 Varianceanalysisofresistanceonthesecond orderconcavediggingshovel 注表示极显著 P 0 01 表示显著 P 0 05 下表同 Note indicuteextremelysignificant P 0 01 indicutesignificant P 0 05 Thesameasbelow 图16 二阶凹面挖掘铲响应面分析 Fig 16 Responsesurfaceanalysisofsecond orderconcavediggingshovel 作业速度Workingspeed 方差 Variance 模型Model x 1 x 2 x 3 x 1 x 2 x 1 x 3 x 2 x 3 x 2 1 x 2 2 x 2 3 残差Residual 失拟项Lackoffit 误差Error 总和Sum 平方和 Sumofsquares 52949 06 11250 00 11696 85 2734 30 4 41 441 00 0 20 15596 82 5287 65 3477 24 2180 28 2180 28 0 00 55129 34 自由度 Freedom 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 3 4 16 均方 Meansquare 5883 23 11250 00 11696 85 2734 30 4 41 441 00 0 20 15596 82 5287 65 3477 24 311 47 726 76 0 00 F 值 Fvalue 18 89 36 12 37 55 8 78 0 014 1 42 6 501 10 4 50 08 16 98 11 16 7 57 P 值 Pvalue 0 0004 0 0005 0 0005 0 0210 0 9086 0 2729 0 9804 0 0002 0 0045 0 0124 0 1148 显著性 Saliency b 试验后 b Afterthetest 图17 土槽试验结果 Fig 17 Soiltanktestresults a 试验前 a Beforethetest 阻力Resistance 30 00 25 00 20 00 15 00 10 00 入土角 Penetrationangle 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 50 0 60 0 90 0 80 0 70 10 00 15 00 20 00 25 00 30 00 2580 2560 2540 2520 2500 2480 2460 阻力Resistance 入土角 Penetrationangle 作业速度 Workingspeed 86张兆国等温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究第9 期表7 组合式挖掘铲所受阻力方差分析 Table7 Varianceanalysisofresistanceoncombinedexcavatingshovel 图18 组合式挖掘铲响应面分析 Fig 18 Responsesurfaceanalysisofcombinedexcavatingshovel 方差 Variance 模型Model x 1 x 2 x 3 x 1 x 2 x 1 x 3 x 2 x 3 x 2 1 x 2 2 x 2 3 残差Residual 失拟项Lackoffit 误差Error 总和Sum 平方和 Sumofsquares 27677 60 2268 01 3329 28 1046 53 1466 89 329 42 161 29 12707 91 2719 14 2054 14 1158 33 1001 13 157 20 28835 93 自由度 Freedom 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 3 4 16 均方 Meansquare 3075 29 2268 01 3329 28 1046 52 1466 89 329 42 161 29 12707 91 2719 14 2054 14 165 48 333 71 39 30 F 值 Fvalue 18 58 13 71 20 12 6 32 8 86 1 99 0 97 76 80 16 43 12 41 8 49 P 值 Pvalue 0 0004 0 0076 0 0028 0 0401 0 0206 0 2011 0 3564 x1 x3 去除不显著项后得到组合式挖掘铲所受阻力y 回归方程为 y 928 32 2411 14x1 19 09x2 17 07x3 0 53x1x2 5 25x1x3 0 00225x2x