侧置式马铃薯联合收获机薯块运动分析与试验

王 婕,杨然兵,翟宇鸣,张 建,田光博

(青岛农业大学 机电工程学院 ,山东 青岛 266109)

0 引言

马铃薯是我国第四大粮食作物,同时作为食品、化工、医药等行业的原料,又是重要的经济作物[1]。我国马铃薯种植面积与总产量居世界首位,而单产量却达不到世界平均水平,要促进马铃薯产业的发展,最重要的就是促进马铃薯机械化的发展[2]。据统计,马铃薯块茎损伤70%来源于机械收获,30%来自运输包装[3]。因此,收获环节是马铃薯损伤最严重环节,机械化收获不当是造成马铃薯损伤的主要原因,且马铃薯损伤对后续储存、加工、食用都会造成不利的影响,应尽可能将马铃薯收获过程的损伤率降至最低[3-5]。

国内外对于输送装置降低马铃薯损失率方面都做了大量研究。吕金庆等对马铃薯进行运动学与能量学分析,得到了损伤机理,并设计了马铃薯机械损伤试验台进行试验以获取最佳参数[6]。魏忠彩等通过研究薯块在筛面上的运动规律,设计了振动与波浪二级分离装置[7]。杨然兵等设计了S型链式分离输送装置来降低破皮率[8]。综上所述,国内学者对马铃薯收获机输送装置的研究大多为小型或中型马铃薯收获机,大部分为二级输送装置,且马铃薯在输送时的方向没有改变,对于大型马铃薯联合收获机的研究较少[9]。

针对上述问题,针对侧置式马铃薯联合收获机的多级输送装置对马铃薯的损伤问题进行了研究,通过对马铃薯在输送装置上的受力及运动特征进行分析,得到了影响伤薯率的因素,并进行仿真分析及田间试验,确定输送装置各部件的最佳参数,以达到最低的伤薯率。

1 整体结构及工作原理

1.1 整体结构

侧置式马铃薯联合收获机主要由牵引臂、限深轮、地轮、动力传动装置、挖掘装置、一级输送装置、二级输送装置、横向传送装置、导向辊组、三级输送装置及集薯箱等组成,如图1所示。

1.2 工作原理

整机在拖拉机的牵引下向前运动,切土圆盘通过与薯垄的摩擦力进行转动,从而完成切土工作,方便挖掘铲破土及对马铃薯的挖掘;同时可切断部分杂草,防止后续输送过程中较多杂草与土壤粘结,影响输送装置作业。挖掘铲对马铃薯进行挖掘,挖起的薯土混合物在多级输送装置的带动下进行输送,杂草通过秧蔓分离输送装置被输送至田间;通过输送装置的抖动和马铃薯与输送装置的摩擦,经过多级输送装置,最终将马铃薯表面的土壤清除,马铃薯通过出料口进行装车收集。

为增如薯块与链筛的接触时间,达到更好的去土效果,马铃薯联合收获机从挖掘到装车的整个输送过程如图2所示。输送时可分为6个阶段:马铃薯经挖掘铲从土中挖掘出后向一级输送装置的输送;一级输送装置向二级输送装置的输送;二级输送装置向横向传送装置的输送;横向传送装置经导向辊组向三级输送装置的输送;三级输送装置向出料口的输送;出料口向运输装备的输送。为缩短整机长度、减小田间作业时转弯半径,在二三级输送装置中设置横向传送装置。在二级输送装置向横向传送装置运动过程中,为防止薯块横向位移过大而从传送带上掉落,造成薯块损失,在传送带侧方设置了挡板;在横向传送装置过程向三级输送装置运动过程中,为使薯块能够顺利进入三级输送装置,在输送带末端设置了导向辊组。

1.牵引臂 2.限深轮 3.地轮 4.动力传动装置 5.挖掘装置 6.一级输送装置 7.二级输送装置 8.横向传送装置 9.导向辊组 10.三级输送装置 11.集薯箱图1 侧置式马铃薯联合收获机结构图Fig.1 Structural diagram of side-mounted potato combine harvester

图2 薯块输送装置结构图Fig.2 Structural diagram of potato nugget conveying device

2 马铃薯运动特征及受力分析

马铃薯从挖掘铲到输送装置的运动和一级输送装置到二级输送装置的运动过程已有学者进行了大量的分析,研究多针对小型或中型马铃薯收获机。马铃薯经输送装置后铺放于地面,后续再经捡拾费时费力,为减小整机长度,方便田间工作,大部分联合收获机都选择侧置输送,除薯块与输送链杆的碰撞导致薯块损伤外,输送装置换向时薯块与机身部件因碰撞摩擦也是造成薯块损伤的重要原因。在此,主要针对横向传送装置上马铃薯的运动特征和受力情况进行分析,以获得薯块损伤率最低的最优工作参数。

2.1 横向传送装置末端能量分析

薯块随横向传送装置运动,当薯块运动到拐角处时,需改变运动方向,进入三级输送装置;因此,在此处设置了导向辊组,改变薯块运动方向。同时,由于三级输送装置有一定倾角,为保证薯块能顺利进入三级输送装置,随之向上传动,导向辊组可提供给薯块一定动力。

由于薯块与传送带之间的摩擦力较大,且传送带上的橡胶指可对薯块起一定的固定作用,为便于分析,假设薯块与输送带相对静止,薯块的速度与横向传送装置线速度相同。所以,薯块随传送装置运动至导向辊组附近时,薯块会与导向辊组产生碰撞现象。为减小薯块与导向辊碰撞时表皮的损伤,导向辊表面材质选择橡胶材质,碰撞瞬间可以起到缓冲作用;薯块与导向辊表面都会产生一定的塑性变形,薯块与导向辊的碰撞属于非完全弹性碰撞,薯块的一部分动能转化为薯块与导向辊的内能。由于薯块会产生一定形变,故需要对薯块与导向辊碰撞时的能量变化进行分析,如图3所示。

图3 马铃薯与导向辊碰撞速度示意图Fig.3 Schematic diagram of collision speed between potato and guide roller

薯块与导向辊接触的瞬间,以传送带表面为势能零点,则薯块动能为

(1)

式中m—单颗薯块的质量(kg);

vh—横向传送装置的线速度(m/s);

T0—薯块与导向辊表面开始接触临界状态时所具有的动能(J)。

当导向辊处于静止状态时,由于碰撞方式为斜碰撞,速度在与导向辊平行的方向的分力为恒定值,未发生变化,故碰撞过程中薯块在切线方向动量守恒,则

vhcosφ=vpcosγ

(2)

式中vp—薯块刚离开导向辊时的速度(m/s);

φ—导向辊与竖直方向的夹角(°);

γ—vp与导向辊的夹角(°)。

速度在垂直于导向辊方向的碰撞按照正碰撞来分析,故薯块与导向辊碰撞完成后离开的瞬间,与碰撞前的速度关系为

evhsinφ=vpsinγ

(3)

式中e—薯块与导向辊间的碰撞恢复系数,取e=0.71。

由式(2)、式(3)联立,得薯块与导向辊碰撞后离开瞬时的速度为

(4)

此时,用点的合成运动理论来分析薯块的运动,vp为薯块相对于横向传送装置的相对速度,横向传送装置的线速度vh为牵连速度。因此,薯块的绝对速度va为

va=vp+vh

(5)

此时,动能为

(6)

因此,碰撞过程损失的机械能为

(7)

由上述分析得:薯块与导向辊碰撞所损失的机械能决定了薯块的损伤程度,与横向传送装置转速、导向辊与横向传送装置间的夹角φ及薯块质量有关,损失的机械能与横向传送装置线速度成正比。根据二级输送装置线速度,为防止马铃薯堆积,横向传送装置线速度应大于1.5m/s;同时,在保证输送速度的前提下,降低薯块与导向辊的碰撞力,最终横向传送装置线速度取值范围选定为1.5～2.0m/s。对式(7)求导,得出ΔT与φ成负相关,当φ在0°～90°范围内时,随着φ的增大,损失的机械能随之减小。

2.2 横向传送装置末端变形量分析

根据农业物料学中流变特性分析知,马铃薯为非线性粘弹性体,导向辊属于刚性体,故薯块与导向辊的碰撞属于粘弹性体与刚性体之间的碰撞,经历了弹性、黏弹塑性变形过程。根据压缩力学特性判断马铃薯的弹塑性特征属于三元件麦克斯韦模型,由两个弹性元件和一个粘性元件构成。由Hertz接触理论,将薯块与导向辊的碰撞简化为粘弹性椭球体与刚性圆柱体的碰撞,碰撞接触面为椭圆形,最大接触应力q0位于椭圆圆心O处,如图4所示。

图4 马铃薯与导向辊碰撞变形示意图Fig.4 Schematic diagram of collision and deformation of potato and guide roller

图4中,长轴半径a、短轴半径b的长度分别为

(8)

b=β·a

(9)

式中P—导向辊与薯块的作用力(N);

r1—薯块与导向辊接触点的曲率半径;

r2—导向辊半径;

E1—薯块弹性模量;

E2—导向辊弹性模量;

μ1—薯块泊松比;

μ2—导向辊泊松比;

α、β—系数。

根据r1/r2查表可得最大应力q0为

(10)

薯块的应变δ为

(11)

其中,λ为弹性系数,根据r1/r2查表可得。

由上述分析知:薯块在与导向辊碰撞时所受最大应力同薯块的变形量与薯块大小、导向辊半径及导向辊的材质有关。由式(11)知,应变δ随导向辊半径的增大而减小,考虑到马铃薯块茎的大小及整机尺寸,选取导向辊直径范围为0～120mm。

3 性能试验

3.1 马铃薯薯块碰撞仿真分析

在ANSYS Workbench19.1软件中,根据常见的马铃薯三轴尺寸[10],将马铃薯简化为三轴直径为60mm×40mm×30mm的椭球形模型,如图5所示。同时,根据马铃薯机械损伤的升运系统,建立马铃薯与导向辊相碰撞的模型,查阅相关资料得马铃薯薯块与导向辊的材料参数。

图5 马铃薯运动仿真示意图Fig.5 Schematic diagram of potato motion simulation

马铃薯模型与链杆模型都通过SolidWorks进行建立,根据试验方案,分别改变导向辊的直径、角度及薯块的运动速度,进行仿真试验。为提高仿真速度,将横向传送装置模型简化为板状,导向辊简化为圆柱,马铃薯薯块简化为椭球体,将薯块进行网格划分,仿真试验时,赋予马铃薯薯块如箭头所指方向的速度,速度大小与横向传送装置线速度大小一致。

试验的仿真结果如图6所示。由图6可知:导向辊直径为11.9mm,与横向传送装置的夹角为48°,薯块运动速度为1.9m/s,仿真数据包含薯块的等效应力、等效应变等。

图6 马铃薯等效应变、应力示意图Fig.6 Schematic diagram of equivalent strain and stress of potato

3.2 田间试验

对收获时的马铃薯伤薯率进行验证,试验在山东省青岛市胶州市胶莱镇大赵家村青岛洪珠农业机械有限公司马铃薯种植基地进行,如图7所示。试验日期是2021年6月。种植模式为垄作,垄形参数为:垄高 240mm,垄宽 400mm,垄周长 900mm,垄底宽 700mm、垄间距900mm。试验田种植品种为山东地区薯农广泛种植的荷兰15号,收获前的杀秧时间对收获品质有一定的影响,试验地块均在收获前1周进行机械化杀秧。

图7 田间试验图Fig.7 Field test map

基于马铃薯种植农艺及前期仿真试验,样机田间测试时选取导向辊直径111mm、导向辊与横向传送装置的夹角43.4°、横向输送装置转速作为自变量,伤薯率作为因变量,结果表明:当横向传送装置线速度为1.52m/s时,伤薯率达到最低,符合马铃薯收获作业要求[11]。

4 结论与讨论

1)针对我国侧置式马铃薯联合收获机收获过程中破损率大,收获效率低等问题,对薯块在多级输送装置上的运动情况进行了分析,得出了影响薯块受损的影响因素。

2)试验结果表明:侧置式马铃薯联合收获机输送装置的导向辊直径为111mm、导向辊与横向传送装置的夹角为43.4°、横向传送装置线速度为1.52m/s时,导向辊造成薯块的等效应变最小,伤薯率为1.2%,明显低于未经参数优化的侧置式马铃薯联合收获机机械损伤情况,符合马铃薯收获作业要求。