马铃薯收获机挖掘铲工作阻力影响因素分析与研究

邓伟刚，王春光，王洪波

(内蒙古农业大学 机电工程学院， 呼和浩特　010018)



马铃薯收获机挖掘铲工作阻力影响因素分析与研究

邓伟刚，王春光，王洪波

(内蒙古农业大学 机电工程学院， 呼和浩特010018)

摘要：针对土壤容积密度、铲面宽度、挖掘深度、铲面倾角和机具工作速度5个影响马铃薯收获机牵引阻力的因素，分别采用正交计算法和基于MatLab的单因素分析法进行研究，得出了5个因素与工作阻力均为正向关系的结论。其中，土壤容积密度和铲面宽度与挖掘铲工作阻力成近似的线性关系，其余3个因素成非线性关系。铲面宽度、挖掘深度、铲面倾角、土壤容积密度和机具工作速度对挖掘铲工作阻力的影响程度依次降低。研究结果为如何减小马铃薯收获机挖掘阻力提供了参考依据。

关键词：挖掘铲；正交计算；单因素分析

0引言

马铃薯收获机在田间作业时，受到较大的牵引阻力作用，从而导致动力设备功率消耗过大及挖掘铲容易损坏等问题。对影响牵引阻力大小的因素进行研究，可为如何减小挖掘阻力提供一定的分析依据。沈阳农业大学工程学院的于艳等通过研制农机土槽动力学参数测试系统，实现了对挖掘铲前进阻力的实时测试[1]，但未针对挖掘铲的受力情况进行力学分析。中机美诺科技股份有限公司的李雷霞等通过编制计算机软件模拟研究挖掘铲作业时的土壤环境，得出了挖掘过程中土壤的理想环境参数[2]，但未针对铲体结构和机具工作参数进行研究。McKyes, E. 对窄形铲体的土壤切削力进行了分析，对切削过程中不同形状的铲体和土壤变形过程的三维失效模型进行了预测[3]。M. Spektor对土壤切削过程中的前进阻力进行了试验研究，得出切削阻力与挖掘铲体宽度成线性关系，与挖掘深度成非线性关系[4]。I. Shmulevich对4种不同形状的铲体在砂土箱中的挖掘过程进行了离散元仿真分析和试验研究，验证了离散元法仿真结果与试验分析具有较好的一致性[5]。

1挖掘铲力学模型分析

挖掘铲在工作时，主要受机具牵引力、铲面上土壤作用的法向载荷、土壤对挖掘铲作用的摩擦力，因土壤粘性而产生的铲面附着力，以及土壤纯切削阻力的作用。在正常收获作业时，土壤的纯切削阻力通常很小，可以忽略不计。此时，机具牵引力的表达式为[6-8]

其中，W为无土壤纯切削阻力时机具牵引力(N)；G为铲面上土壤重力(N)；C为土壤内聚力因数(N/m2)；F1为土壤剪切面积(m2)；B为土壤沿铲面运动的加速力；Ca为土壤附着力因数(N/m2)；μ1为土壤与挖掘铲摩擦因数； μ为土壤内摩擦因数；F0为挖掘铲面积(m2)；δ为铲面倾角(°)；β为前失效面倾角(°)。

铲面上土壤重力G、土壤剪切面积F1及土壤沿铲面运动的加速力B受土壤容积密度γ、挖掘深度d、铲面幅宽b、铲面长度L0、挖掘铲工作速度V0、铲面倾角δ及前失效面倾角β等参数的影响[9]。

综上分析，机具所受的牵引力W受γ、δ、β、μ、μ1、b、d、L0、V0、c和cα等11个参数的综合影响。这11个初始参数可以分为土壤参数、挖掘铲结构参数和机具工作参数，如表1所示。

2工作阻力计算

以挖掘铲整体为研究对象，其工作总阻力与机具牵引力平衡。机具总牵引力可通过各个挖掘铲所受牵引力之和叠加而成。因此挖掘铲工作总阻力可以由求解出的机具牵引力得到。机具牵引力的计算过程复杂，涉及的初始参数及中间结果较多。以内蒙古农业大学机械厂研制的4SW-170型马铃薯收获机参数和内蒙古呼和浩特市武川县马铃薯种植基地的土壤参数作为初始计算参数，4SW-170型马铃薯收获机挖掘铲的结构形状及尺寸参数如图1所示。

表1　初始计算参数

图1　4SW-170型马铃薯收获机挖掘铲结构形状及尺寸参数

武川县马铃薯种植基地土壤类型为沙壤性栗钙土，取土壤内摩擦角φ为26°，对应的粘结力C为15kPa，约合2.18磅/英寸2[10]，则可求解出土壤内摩擦因数μ=tanφ=0.49。参考表2[10]并采用线性插值法求得土壤在通用型铲体上的附着力因数Ca为2.22磅/英寸2，约合15 306 N/m2。

表2几种类型铲体的附着力参数值

Table 2Several types of adhesion parameter values

磅/英寸2

根据试验用马铃薯收获机挖掘铲的结构参数、工作参数及试验地土壤参数，确定工作阻力各影响因数的计算初始值，如表3所示。

表3　各影响因数计算初始值

参数符号γcμcaμb初始取值0.340.1510341.56

为了便于求解，采用C#程序开发语言，在Microsoft Visual Studio 2012平台上开发了一款专用的挖掘铲工作阻力计算软件。将挖掘铲工作阻力影响因数计算初始值输入到所开发的工具软件中，得到单个铲面工作总阻力约为572.495N。软件工作界面如图2所示。

图2　挖掘铲工作阻力计算软件

3正交计算分析

为了研究各因素对工作阻力大小的影响程度及阻力的优化问题，借用正交试验的设计思想，采用正交计算法分析挖掘铲工作阻力各影响因素的关系。考虑到4SW-170型马铃薯收获机结构参数、工作参数的变化范围，以及不同试验地内土壤条件的差异，本文针对土壤容积密度γ、铲面宽度b，挖掘深度d、铲面倾斜角度δ和机具工作速度V05个影响因素进行分析。各因素及水平如表4所示。

表4　正交计算因素及水平

考虑到不同的土壤类型对土壤参数及挖掘阻力均有影响，在正交计算时，取硬砂壤土与硬壤土做比较分析。除去5个正交计算因素外，其余参数的取值作为常量给出，如表5所示。

根据考察的因素及水平，借用L16(45)的正交试验表来安排正交计算。两种土壤类型下挖掘铲工作总阻力计算结果如表6所示。通过极差分析[11-13]，可进一步得出各因素对W影响的主次顺序。极差分析结果如表7所示。从表7的分析结果可知：

①铲面宽度b、挖掘深度d、铲面倾角δ、土壤容积密度γ和机具工作速度V0对挖掘铲工作阻力的影响程度依次降低。减小铲面宽度b对降低挖掘铲工作阻力的效果最明显。②在硬砂壤土和硬壤土中，5个因素对挖掘铲工作阻力的影响关系是一致的。

表5　两种土壤类型下部分参数的计算初始值

4MatLab单因素分析

为了分析b、d、δ、γ、V0单个因素变化对工作阻力W的影响，根据马铃薯实际收获情况，给定某个因素的变化范围，同时使其他4个因素保持不变，计算出W的对应值并绘制变化曲线图。各因素的变化范围及其他因素的固定值如表8所示。假定土壤为硬砂壤土，其余6个参数的值如表5所示。

表6　挖掘铲工作总阻力正交计算方案及结果

表7　正交计算结果极差分析

表8单因素分析方案与初始数据

Table 8He solution and initial values of single factor analysis

序号土壤容积密度γ/kg·m-3铲面宽度b/m挖掘深度d/m铲面倾角δ/(°)机具工作速度V0/m·s-1分析目标11200~18000.080.18251.11W与γ的变化关系214000.08~0.500.18251.11W与b的变化关系314000.080.1~0.4251.11W与d的变化关系414000.080.1815~401.11W与δ的变化关系514000.080.18251~3W与V0的变化关系

根据表8中的数据，在Matlab中编制了计算和绘图程序。为了使绘图曲线更加精确，在每个因素的变化范围内给定了300个中间变化值，从而计算出相应的300个工作阻力值。各因素分别对工作阻力的影响曲线及拟合的曲线方程如图3～图7所示。从图中易知，5个因素与工作阻力均成正向关系。其中，土壤容积密度γ和铲面宽度b与挖掘铲工作阻力成近似的线性关系；挖掘深度d、铲面倾角δ和机具工作速度V0与挖掘铲工作阻力成非线性关系。

(a)　γ—W的影响关系曲线　　　　　　　　　　 (b)　γ—W的拟合函数曲线

(a)　b—W的影响关系曲线　　　　　　　　　　 (b)　b—W的拟合函数曲线

(a)　d—W的影响关系曲线　　　　　　　　　　 (b)　d—W的拟合函数曲线

(a)　δ—W的影响关系曲线　　　　　　　　　　 (b)　δ—W的拟合函数曲线

5结论

1) 马铃薯挖掘铲力学模型是一个多因素相互作用的复杂模型，其影响因素一共有11个，可以分成土壤参数、挖掘铲结构参数和机具工作参数3类。

2)从多因素正交计算分析结果来看：铲面宽度、挖掘深度、铲面倾角、土壤容积密度和机具工作速度对挖掘铲工作阻力的影响程度依次降低。在土壤条件一定时，通过减小铲面宽度和挖掘深度能有效降低挖掘铲的工作阻力。

3)从单因素分析结果来看：5个影响因素与挖掘铲工作阻力均成正向关系。其中，土壤容积密度γ和铲面宽度b与挖掘铲工作阻力成近似的线性关系；挖掘深度d、铲面倾角δ和机具工作速度V0与挖掘铲工作阻力成非线性关系。在机具结构和收获条件允许的情况下，应选择较小的挖掘深度，减小铲面倾角和降低机具工作速度。

参考文献：

[1]于艳，龚丽农，尚书旗.农机土槽试验动力学参数测试系统的研制[J].农业工程学报，2011,27(S1):323-328.

[2]李雷霞，贾晶霞，李建东，等.土壤参数与马铃薯收获机牵引阻力的研究[J].农机化研究，2013，35(10):125-128.

[3]McKyes E, Ali O S.The Cutting of Soil by Narrow Blades [J].Journal of Terramechanics,1977，14(2):43-58.

[4]M Spektor, M Katz.Experimental study of frontal resistance force in soil cutting [J]. Journal of Terramechanics, 1985，22(3):127-133.

[5]I.Shmulevich, Z Asaf, D Rubinstein.Interaction between soil and a wide cutting blade using the discrete element method[J].Soil and Tillage Research, 2007，97(1):37-50.

[6]邓伟刚，王春光，孙宏，等.马铃薯挖掘机挖掘铲力学模型构建[J].农机化研究，2014(1):84-86.

[7]邓伟刚，孙宏，王春光.马铃薯挖掘铲工作阻力计算与分析[J].农机化研究，2014(10):71-74.

[8]吉尔WR，范德伯奇GE.耕作和牵引土壤动力学 [M].北京：中国农业出版社, 1983: 102-160.

[9]Ito M, Sakai K, Hata S, et al. Damage to the surface of potatoes from collision[J].Transactions of the ASAE, 1994,37(5):1431-1437.

[10]贾晶霞.马铃薯挖掘铲参数优化与性能分析[D].保定：河北农业大学，2003.

[11]陈魁.试验设计与分析[M].北京：清华大学出版社，1996：399.

[12]吴贵生.试验设计与数据处理[M].北京：冶金工艺出版社，1997：234.

[13]孙步功，龚俊，辛舟，等.滴灌用黄河水泥沙分离试验研究[J].农业工程学报，2008，24(8)：51-53.

Analysis and Research on Influence Factors of Potato Harvester Digger Shovel Working Resistance

Deng Weigang, Wang Chunguang, Wang Hongbo

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018,China)

Abstract： :In order to analyze the influence of potato harvester traction resistance, five factors of soil bulk density, shovel width, digging depth, shovel plane inclined angle and equipment working speed were choosed, the orthogonal calculation and single factor analysis method based on Matlab were used.Results showed that all the five factors and working resistance were positive relationship.And the soil bulk density γ and shovel width b were approximate linear relationship with the working resistance.While the other three factors were nonlinear relationships. The impact to the working resistance gradually decreased in the order of shovel width,digging depth, shovel plane inclined angle, soil bulk density and equipment working speed.The research work provides the referenced basis for the further research of reducing the traction resistance.

Key words：digger shovel; orthogonal calculation; single factor analysis

中图分类号：S225.7+1

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0053-06

作者简介：邓伟刚( 1984-) ,男,湖北汉川人,讲师,硕士，(E-mail)i407@163.com。通讯作者：王春光( 1959-),男,内蒙古鄂尔多斯人,教授，博士，(E-mail)wcgjdy@yahoo.com.cn。

基金项目：内蒙古自治区科技创新引导奖励资金项目(GB2A400049);内蒙古自治区自然科学基金项目(2014MS0541)

收稿日期：2015-08-24