党参挖掘装置设计与试验.pdf

引用本文格式范 耀 华，崔 清 亮，张 燕 青，等 党 参 挖 掘 装 置 设 计 与 试 验 J 农 业 工 程，2023，13（6）：83-89 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.06.014 FAN Yaohua，CUI Qingliang，ZHANG Yanqing，et alDesign and test of Codonopsis pilosula excavation deviceJAgricultural Engineering，2023，13（6）：83-89党参挖掘装置设计与试验范耀华，崔清亮，张燕青，李光，陆佳新，赵志宏（山西农业大学农业工程学院，山西 晋中 030801）摘要：针对现有党参人工挖掘方式挖掘效率低、挖掘成本高的问题，基于人体仿真学，设计了一种四杆机构党参挖掘装置。通过 Proe 建立三维简化模型，采用离散元仿真软件 EDEM 和多体动力学软件 ADAMS 建立土壤党参挖掘装置简化模型。通过 ADAMS_EDEM 进行仿真挖掘试验，得出阻力较小时的转速和入土角范围。采用 SAS 软件对转速和入土角进行最优平衡随机设计试验，并进行土槽挖掘试验验证。仿真结果表明，较佳入土角 7580，较佳转速 6090 r/min。土槽挖掘试验结果表明，当转速和入土角为 70 r/min 和 75时，挖掘机构党参挖松率最高为 97.94%，损伤率为 4.52%；次之组合为 60 r/min 和 75时，党参的挖松率为 96.62%，损伤率为 5.7%。关键词：党参；挖掘装置；运动仿真；土槽试验中图分类号：S224.22文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）06-0083-07DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.06.014Design and Test of Codonopsis pilosula Excavation DeviceFAN Yaohua，CUI Qingliang，ZHANG Yanqing，LI Guang，LU Jiaxin，ZHAO Zhihong（College of Agricultural Engineering，Shanxi Agricultural University，Jinzhong Shanxi 030801，China）Abstract：In order to solve problems of low efficiency and high cost of Codonopsis pilosula manual excavation，a four-bar mechanismCodonopsis pilosula excavation device was designed based on human simulationSimplified model of soil-Codonopsis pilosula excava-tion device was established by means of Proe，simplified model of soil-Codonopsis pilosula-excavation device was established bymeans of discrete element simulation software EDEM and multi-body dynamics software AdamsThrough ADAMS_ EDEM conductssimulation excavation experiments，range of rotational speed and soil entry angle was determined when resistance was lowSAS soft-ware was used to carry out optimum balance random design test for rotational speed and soil entry angle，and soil trench excavation testwas verifiedSimulation results showed that the better range of earth angle was from 75 to 80The optimum speed range was from 60r/min to 90 r/minExcavation test results showed that when the best combination was 70 r/min and 75 by final analysis，loosing rate ofcodonopsis pilosula was 97.94%，damage rate was 4.52%The next was 60 r/min and 75，loosening rate was 96.62%and damage ratewas 5.7%Keywords：Codonopsis pilosula，excavation device，motion simulation，soil tank tes 0引言党参是多年生草本植物，桔梗科党参属，生长于海拔 1 5603 100 m 的山地林边及灌木丛中1。由于党参具有较高的药用价值，种植成本低，环境适应能力强，近年来种植面积不断增加。现阶段党参收获机按照机械化程度分半机械化和全机械化两类。半机械化党参收获机主要以手扶拖拉机为动力输出，挖掘工具为固定铲和振动铲，通常只能实现挖掘功能，后续还需人工挑拣。这种机具具有机械程度低、人工成本高、效率低下、收获时间长及劳动强度大等缺点2-5。全机械化党参收获机将挖掘装置、传送分离装置和收集装置集于一体，能实现从挖掘到参土分离再到收集的全部作业过程，工作效率高，作为大型农业机具适用于平原大地块作业。山西省长治市平顺县属于太行山脉，党参多种植在山地丘陵地带，目前使用铲式挖掘装置和人工挖掘两种方式。铲式挖掘装置在挖掘过程中能够达到深度要求，但参土 收稿日期：2022-12-05修回日期：2023-02-20作者简介：范耀华，硕士生，主要从事农业机械化工程研究E-mail：崔清亮，通信作者，教授，主要从事旱作农业机械化关键技术与装备研究E-mail：第 13 卷 第 6 期农业工程Vol.13No.62023 年 6 月AGRICULTURAL ENGINEERINGJun.2023分离效果较差、入土阻力较大、雍土现象严重，无法达到理想挖掘效率6。针对上述问题，设计一种模拟人工挖掘党参过程的挖掘装置，为党参挖掘机的设计提供理论依据和技术支撑。1挖掘装置整体结构 1.1结构组成挖掘装置整体结构主要由悬挂、机架、挖掘机构和传动机构等组成，如图 1 所示。1.传动装置2.摇臂架3.机架4.悬挂装置图 1党参挖掘装置结构Fig.1 Codonopsis pilosula excavation test device 采用模拟人工挖掘的方式对党参进行挖掘，挖掘工具由铲式改为叉式，并且使挖掘机具小型化，解决了山地丘陵地区的人工挖掘缺点。叉形结构入土阻力更小，破土能力强，提高了挖掘效率，本装置的伤参率远低于铲式挖掘装置的伤参率。1.2机构运动学分析连杆机构在农业机械和工程机械中得到广泛应用，采用曲柄连杆机构，建立直角坐标系如图 2 所示，各个杆形成闭合矢量方程，此方程可以用式（1）表示7。l1+l2 l3 l4=0（1）将矢量方程改为沿 x 轴和 y 轴的投影方程式，即l1cos1+l2cos2=l4cos4+l3cos3（2）l1sin1+l2sin2=l4sin4+l3sin3（3）sin22+cos22=1（4）bsin1+acos1=c（5）a=2l1(l4cos4+l3cos3)（6）b=2l1(l4sin4+l3sin3)（7）c=l24+l23+l21+2l3l4cos(43)l22（8）tan32=a+a2+b2c2bc（9）计算得出 2和 3的值。确定初始状态 A、B、C、D 的 4 点坐标。杆 BE 长为 l5，与 x 轴的夹角为 5，向量 BC 与 x 轴的夹角为 6，E 点坐标（xe，ye），C 点（l4cos4+l5cos3，l4sin4+l3sin3），则 向 量 BE=（l5cos5，l5sin5），向 量 BC=（l4cos4+l3cos3+l6cos6，l4sin4+l3sin3+l6sin6）得出 E 点的坐标式，即xe=l4cos4+l3cos3+l2cos6+l5cos5（10）ye=l4sin4+l3cos3+l2sin6+l5sin5（11）党参挖掘深度为 2025 cm，达到挖深同时要求结构 质 量 最 小，确 定 各 个 杆 长 度 比为 l1l2l3l4=1.03.51.53.5，各个杆长基本尺寸为 l1=100 mm、l2=350 mm、l3=150 mm 和 l4=350 mm。轨迹如图 3 所示，点的轨迹深度约为 250 m。图 3四杆机构轨迹Fig.3 Trajectory of four-bar mechanism 1.3主要结构采用曲柄连杆机构，结构如图 4 所示，主要由挖掘叉、驱动杆、摇杆摆臂和轴承座等部件组成。其尺寸主要参照党参收获农艺确定，结构尺寸如表 1 所示。图 2四杆机构坐标系Fig.2 Four-bar mechanism coordinate system 84 农业工程设计制造与理论研究 1.曲柄2.连杆3.摇杆4.机架5.驱动杆图 4曲柄连杆党参挖掘机构Fig.4 Codonopsis pilosula excavation device with crank andconnecting rod 表 1党参挖掘机构结构参数Tab.1 Structural parameters of Codonopsis pilosula excavation device项目参数/mm曲柄长度 l1100连杆长度 l2350摇杆长度 l3130180机架长度 l4350叉尖到曲柄和连杆连接处长度 l5310 当切削入土角60时，根据物体的力学模型，对土壤微粒 A 进行力学分析，简化土壤微粒受力模型如图 5 所示。图 5土壤微粒剪切模型Fig.5 Soil particle shear model 在土壤微单元 A 上作用一水平力 F，使 A 沿与水平面倾斜角为（90）的斜面上升，则必须满足tan FGF+G（12）若已知 F、G 和 即可由式（12）求出对应角的最大值。当 取最小值时，取最大值。查阅可知，土壤和钢摩擦系数的最小值为 0.35，则此时 最大为 70.7。实际试验中，当入土角取 60时，土壤受到切削力变成挤压力，增大挖掘阻力，不利于挖掘8。确定最小入土角为 70，在 ADAMS 中建立参数化四杆机构，保持机架、连杆和曲柄长度不变，改变摇杆长度，计算不同入土角时的摇杆长度。入土角为 70、75和 80时，入土深度在最低点为410 mm，如图6 所示，杆长分别为130、155 和180 mm。确定主要杆长参数如表 2 所示。图 6摇杆长为 130 和 180 mm 时E点轨迹Fig.6 Trajectory of point E when joystick length is 130 mm and180 mm respectively 表 2杆长参数Tab.2 Rod length parameter入土角/（）驱动杆/mm机架/mm连杆/mm摇杆/mmBE/mm701003503501303107510035035015531080100350350180310 2离散元模型建立 2.1模型建立成熟党参外形多呈圆柱型，取 8 根成熟党参，分别测量其长度和外径，通过计算取平均值。为简化模型，将党参外形简化为圆柱模型。简化后的党参模型为圆柱型，直径为10 mm，长度为210 mm，如图7 所示。图 7党参测量和离散模型Fig.7 Measurement and discrete models of Codonopsis pilosula 查阅相关文献，将土壤原型颗粒半径设为 4 mm9。根据随机正态分布，生成颗粒半径范围为原型土壤颗粒的 0.71.0 倍10。设置其颗粒之间的算法为 Hertz-Mindin with JKR 型，黏结能量设置为 10 J。土壤模型如图 8 所示。2.2仿真模型参数确定通过试验和查阅相关文献，确定材料参数和物料 范耀华等：党参挖掘装置设计与试验 85 间接触模型参数，如表 3 和表 4 所示11。表 3材料属性Tab.3 Material properties材料泊松比剪切模量/GPa密度/（kgm3）土壤0.351002 550Q235B0.307 0007 800党参0.305.9882 表 4材料间接触参数Tab.4 Contact parameters between materials项目静摩擦因数滚动摩擦因数恢复系数土壤土壤0.540.310.05土壤Q235B0.400.500.05土壤党参0.520.400.05Q235B党参0.620.370.05党参党参0.540.220.05 3仿真分析 3.1耦合仿真模型建立利用 Proe5.0 建立挖掘仿真模型，然后将模型转换成“.step”格式，将模型分别导入到 ADAMS 和 EDEM，建立党参土壤挖掘机构简化模型，如图 9 所示12-17。3.2试验方法采取单因素试验设计，土槽试验台车速为 0.2 m/s，模型前进速度为 0.2 m/s，挖掘过程如图 10 所示。驱动杆转速分别为 60、90、120 和 150 r/min，入土角为 70、75和 80，以挖掘叉的入土阻力为试验指标，一共组成 12 组试验，如表 5 所示。前处理模型生成后，打开 ADAMS 耦合接口，进行挖掘工作模拟仿真。挖掘叉能够将党参挖掘出来，同时将土壤后抛，降低挖掘叉入土后的阻力，起到一定的松土作用，能够保证在挖掘过程中减少土块，其挖掘工作过程如图 9 所示。3.3试验结果分析为了减少计算量，本文研究挖掘叉从开始接触土壤到完全进入土壤时的阻力。挖掘叉开始接触土壤到完全进入土壤后，所受阻力逐渐增大，完全进入土壤后，阻力变化趋于平稳。由表 6 可知，入土角恒定时，转速逐渐增大，阻力逐渐增大，在转速 150 r/min，入土角为 70、75和 图 8土壤模型Fig.8 Soil model 图 9土壤-党参-挖掘机构模型Fig.9 Model of soil-Codonopsis pilosula-excavation device 图 10简化挖掘装置挖掘党参仿真全过程Fig.10 Whole process of digging Codonopsis pilosula with simplified excavation device 86 农业工程设计制造与理论研究 80时，阻力分别为 402、367 和 334 N，阻力达到最大值，所以较佳转速为 6090 r/min。转速为 60 r/min，入土角为 70、75和 80时，入土阻力值分别为 280、254 和 232 N；转速为 90 r/min，入土角为 70、75和 80时，入土阻力分别为 331、313 和 274 N；转速为 120 r/min，入土角为 70、75和80时，入土阻力分别为 383、333 和 312 N；转速为150 r/min，入土角为 70、75和 80时，入土阻力分别为 402、339 和 272 N。阻力随角度的增大而减小。经过单因素试验分析，得出最佳入土角范围 7580，最佳转速范围 6090 r/min。4土槽试验与结果 4.1试验条件通过查阅文献资料得到长治市土壤在自然条件下含水率为 16%18-19。对土壤进行测定，要求土壤的含水率数值接近 16%，同时测量土壤的坚实度，如图 11所示。选取挖松率和损伤率为指标，以入土角和转速为试验因素，设计最优平衡完全随机试验进行验证。党参挖松率、损伤率按式（13）和式（14）计算。W1=M1M100%（13）W2=M2M100%（14）式中 W1挖松率，%M1测区内明放、露出地面根茎和挖掘松动的根茎总质量，kgM测区内所有根茎质量，kgW2挖松率，%M2测区内机具作业导致从挖出的根茎中找到被挖断的、皮破损的党参质量，kg在土槽内开挖 2 个 1.7 m0.6 m0.2 m 的种植坑。在坑内沿土槽试验车前进方向开 45左右的斜坡，将党参沿土槽试验车前进方向依次摆放在斜坡上，株距为30 mm，进行埋土、浇水、压实、晾晒和挖掘工序。挖掘过程如图 12 所示。图 12党参挖掘Fig.12 Codonopsis pilosula excavation 4.2试验方案确定车速为 0.2 m/s 情况下，设计最优平衡完全随机试验，入土角 7580，驱动杆转速 6090 r/min。将转速和入土角设为两个因素，转速 4 个水平，入土角 2个水平，列出水平表 7 和水平观测表 8，运用 SAS 软件进行分析。表 5试验条件Tab.5 Experimental condition试验组挖掘装置运动参数转速 n/（rmin1）初始角度 a/（）160702607536080490705907569080712070812075912080101507011150751215080 表 6转速不同时入土阻力Tab.6 Resistance to soil penetration at different rotational speeds初始角度 a/（）转速 n/（rmin1）入土阻力 F/N706028090331120383150402756025490313120340150367806023290274120312150334 图 11湿度测量仪和坚实度测量仪Fig.11 Humidity measuring instrument and firmness measuringinstrument 范耀华等：党参挖掘装置设计与试验 87 表 7挖掘试验转速和入土角因素水平Tab.7 Factors of rotation speed and angle of penetration inexcavation test试验水平试验因素转速 C/（rmin1）入土角 D/（）1C1（60）D1（75）2C2（70）D2（80）3C3（80）4C4（90）表 8SAS 试验数据观测样本Tab.8 SAS test data observation sample试验号CD组合挖松率/%损伤率/%1C1D1C1D195.16.32C1D1C1D194.47.83C1D2C1D285.77.34C1D2C1D273.48.35C2D1C2D197.85.16C2D1C2D197.35.87C2D2C2D296.611.18C2D2C2D295.410.39C3D1C3D185.111.410C3D1C3D182.312.311C3D2C3D277.415.712C3D2C3D278.617.313C4D1C4D177.814.914C4D1C4D179.613.215C4D2C4D276.725.216C4D2A4D279.824.6 4.3试验分析 4.3.1转速和入土角对挖掘试验的影响由表 9 可知，转速为 70 r/min 时，挖松率最高，为 97.1%；损伤率最低，为 5.6%。转速 60 r/min 时的损伤率低于转速 80 和 90 r/min。综上所述最佳的转速为 70 r/min，次之转速为 60 r/min。表 9不同转速时挖松率和损伤率对比Tab.9 Comparison of loosing rate and damage rate at different speeds因素水平转速/（rmin1）挖松率/%损伤率/%C27097.100aA5.565 0cBC16095.992 5aA6.022 5bcBC38087.105 0bB9.010 0bBC49083.150 0cC10.847 5aA注：数据后面标有同一小写字母表示处理区间在=0.05 水平上不显著；标有同一大写字母的处理区间在=0.01 水平差异不显著，下同。由表 10 可知，入土角为 75时，挖松率最高，为91.8%；损伤率较高，为 8.5%。所以最佳入土角为 80。4.3.2挖掘试验组合效应对试验的影响由表 11 可知，转速和入土角组合是 70 r/min75时，党参的挖松率极显著地高于其他组合，党参的损伤率极显著地低于其他组合。当转速和入土角组合为 60 r/min75时，损伤率也极显著地低于 60 r/min80、80 r/min75、80 r/min80、90 r/min75和90 r/min80；而其挖松率显著高于 70 r/min75。分析得出，最佳组合为 70 r/min75，次之组合为 60 r/min75和70 r/min80。表 11试验组合效应对挖松率均值多重性比较Tab.11 Multiplicity comparison of combined effect of excavationtest on mean value of excavation rate试验组合转速和角度组合CD/（rmin1）（）挖松率/%损伤率/%C2D1707597.940aA4.520 dEC2D2708096.505baBA6.610cbdDC1D1607596.260BaBA5.700cdDC1D2608095.480bBC6.345bCC3D1807592.760cBC8.085dEC3D2808085.450dDC9.935bBC4D1907584.180 dED10.480cbC 5结束语（1）党参挖掘装置采用曲柄连杆机构，装置结构设计简单，可减轻装置质量，实现山地丘陵党参挖掘机械作业。（2）转速对挖松率和损伤率影响最高，入土角次之。转速和入土角最优组合为 70 r/min75，次之组合为 60 r/min75和 70 r/min80。参考文献 王来秀定西地区党参蜜源变化介绍J中国蜂业，2010（4）：341 吕华突破瓶颈实现岷县中药材机械化收获J农机科技推广，2015（11）：40-412 周振华机械化收获长根茎类中药材的经济效益及推广前景分析J中国农机化，2006（3）：17-18ZHOU ZhenhuaAnalyses of the economic and social benefits of har-vesting rootstalk chinese traditional medicinal materials by machineryJChinese Agricultural Mechanization，2006（3）：17-183 朱林秀，周振华长根茎类中药材收获机的研制推广J农机推广与安全，2006（9）：334 刘晓峰，张禹中药材机械化作业技术J农业机械化与电气化，2006（5）：47-485 陈堂基于微耕机的太子参振动挖掘机的研制D福州：福建农林大学，2017CHEN Tang Based on the mini-tiller for the development of hetero-6 表 10不同入土角时挖松率和损伤率对比Tab.10 Comparison of loosening rate and damage rate at differentpenetration angles因素水平入土角 D/（）挖松率/%损伤率/%D17591.846 3aA8.526 3aAD28089.827 5bA7.193 6bB 88 农业工程设计制造与理论研究 phylla vibration excavatorD Fuzhou：Fujian Agriculture andForestry University，2017王保民，郑东辉，刘金成4U-2 型牵引式马铃薯收获机的改进意见J农机维修，2000（2）：327汪志杰基于挖掘阻力的土壤等级辨识与最佳入土角的研究D长沙：湖南农业大学，2015WANG ZhijieStudy on the identification of soil grades and best penet-rating angle based on digging resistanceDChangsha：Hunan Agri-cultural University，20158黄玉祥，杭程光，苑梦婵，等深松土壤扰动行为的离散元仿真与试验J农业机械学报，2016，47（7）：80-88HUANG Yuxiang，HANG Chengguang，YUAN Mengchan，et alDiscrete element simulation and experiment on disturbance behavior ofsubsoilingJTransactions of the Chinese Society for Agricultural Ma-chinery，2016（7）：80-889王宪良，胡红，王庆杰，等基于离散元的土壤模型参数标定方法J农业机械学报，2017，48（12）：78-85WANG Xianliang，HU Hong，WANG Qingjie，et al Calibrationmethod of soil contact characteristic parameters based on DEM theoryJ Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2017，48（12）：78-8510吴俊基于 EDEM 的宝塔菜收获机的设计及仿真分析D银川：宁夏大学，2018WU JunDesign and simulation analysis of artichok combine harvesterbased on EDEMDYinchuan：Ningxia University，201811李楠基于 ADAMS 的典型平面六连杆机构的运动学分析及优化设计J机电产品开发与创新，2017，30（1）：62-63，110LI Na Kinematics analysis and optimization design of planar six-linkmechanism Based on ADAMSJDevelopment&Innovation of Ma-chinery&Electrical Products，2017（1）：62-63，11012于贺宪平面四杆机构的工作特性及设计J黑龙江科技信息，2009（8）：3013陈烨基于 ADAMS 的四轮转向车辆仿真研究D南京：南京林业大学，2009CHEN Ye The research of four wheel steering vehicle based onADAMS simulationD Nanjing：Nanjing Forestry University，200914李伟ADAMS 在虚拟样机仿真分析中的应用J机电产品开发与创新，2010，23（3）：96-97LI WeiNew box-type dryer design based on ADAMSJDevelop-ment&Innovation of Machinery&Electrical Products，2010，23（3）：96-9715汪惠群，郑建荣在 ADAMS 软件中虚拟样机的参数化建模与分析J机械制造，2004，42（10）：41-43WANG Huiqun，ZHENG JianrongParameterized modeling and ana-lysis of virtual prototype with ADAMS softwareJMechanical Manu-facturing，2004，42（10）：41-4316魏宝东基于 ADAMS 软件的封闭式组合机构的运动特性分析及参数优化D北京：北京化工大学，2005WEI BaodongKinematics analysis and optimization of enclosed com-bination mechanism based on the ADAMSDBeijing：Beijing Uni-versity of Chemical Technology，200517郭佩，米美霞，郭昕懿，等长治市城区道路绿地表层土壤理化性质研究J山西农业科学，2019，47（4）：635-640GUO Pei，MI Meixia，GUO Xinyi，et alStudy on soil physical andchemical properties of road green space in urban area of ChangzhiCityJJournal of Shanxi Agricultural Sciences，2019，47（4）：635-64018牛二伟长治市土壤含水率旱情评定标准分析J山西水利，2011，27（11）：30-3119范耀华等：党参挖掘装置设计与试验 89