牛蒡收获机减阻问题及结构参数优化试验

　　牛蒡作为深根系的代表作物，其表皮脆嫩，根伸入地下，其深度最深达到 1.5m，根茎一旦发生碰伤和断裂则伤口变黑使其品质下降、售价降低。 收获时单靠人工挖掘不仅劳动强度大，而且成本高，效率低，收获不及时会使牛蒡根部产生空心，降低种植户收入。 因此，针对牛蒡收获，提高工作效率、降低能源消耗是近年来机械收获领域亟待解决的问题之一。 有研究表明，在各种减阻节能措施中，振动减阻的效果尤为突出。 吉尔在其着作中阐述了振动挖掘的土壤切削与抬升的减阻原理。 邱立春等在深松机研究中应用机械振动原理和信号测试技术，借助电测仪器对机具系统进行耕深、土壤阻力和牵引阻力测试及分析，提出了减阻节能的技术途径与方法。 李霞等研究表明振动后土壤体积质量减少，振动牵引阻力比不振动牵引阻力降低 6.9%~17%。 王雪艳利用偏心轴产生强迫振动，分析出减少牵引阻力而不增加能耗的振动深松机构。 董向前等分析出松土机构在不同振动频率下的速度特性和轨迹特性，在土槽试验后，提出了松土机的最佳振动频率。 颜兵兵等对中药材挖掘机挖掘机构进行仿真，通过变化设计参数，得到最佳性能，为进一步设计开发提供了技术支持。 文学洙等通过土壤切削试验测定土壤堆积的平均高度，找出最佳参数，并通过收获试验证明马铃薯收获机性能达到国家标准。 郭烜等分析深松机系统振动减阻的复杂内共振机理，土壤强度分维和负载信号特性，可以通过机组固有频率来改善振动减阻性能。 本试验主要针对收获机减阻问题，利用偏心轮式振动试验装置进行松土试验，建立作业阻力和影响因素的数学模型，明确了各因素对作业阻力的影响程度，为进一步优化牛蒡收获机结构参数，提高作业机组的动力性和经济性提供依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 材料
　　试验在沈阳西部大潘镇辽宁省果树良种苗木繁育中心内进行，院内地势平坦，地块上茬种植花生，土壤类型为沙壤土，年降雨量为 750～850mm。 土壤的平均含水率为 18.26％，40cm 深度的土壤平均紧实度为 199 PSI。

　　主要仪器为：BLR-1 拉压力传感器及 YD-28A 型动态电阻应变仪、XL1101 系列应变加速度计、SC-900 型土壤紧实度计、T2S-Ⅱ型土壤水分测量仪、牛蒡收获机 1 台、测力框架、电子拉力仪、电桥盒组、JKU-12 型数据采集卡、笔记本电脑、12V 拖拉机电瓶、电瓶逆变器。 试验用动力为 552 型拖拉机 1 台和 554 型拖拉机 1 台，拖拉机输出轴额定转速分别为 540 r·min-1和 720 r·min-1。

　　1.2 方法
　　牛蒡收获机(图 1)主要由三点悬挂架、扎草清杂刀、偏心轮、机架、振动挖掘铲、动力传输轴等组成。 其外形尺寸为长 1365mm、宽 1250mm、高 1430mm，机具质量为 430kg。 牛蒡收获机采用三点悬挂式作业，先由拖拉机的动力输出轴通过万向传动轴传递给动力输入轴，然后由变速调节链轮调节转速，通过动力传输轴连接到偏心轮，由偏心轮作偏心运动产生振动，带动振动连杆使挖掘铲振动，从而切削抬升土壤，将牛蒡夹持挖掘出土。【图1】

　　在此过程，牛蒡根部的大部分土壤与牛蒡分离，为下一步捡拾提供条件。

　　选择机器前进速度、振动频率、振幅作为主要因素，作业阻力峰值为评价指标。 将地块按试验要求划分测试区，每区长 60m，宽 6m（4 个机具幅宽）。 每 20m 插 1 标杆，前后 20m 作为准备区，中段 20m 长度作为测量区。 测量之前，在测量区内采取 9 点测量法，测定土壤参数。 为了测量拖拉机对收获机的牵引力即收获机受到的土壤阻力，在 554 型拖拉机和收获机之间连接测力框架，测力框架将三点悬挂受力集中到一点，拉压力传感器安装在这个受力点上。 试验时，通过调节档位来改变拖拉机的前进速度，拖拉机动力输出轴输出转速由变速调节链轮降低到试验预设值，通过动力输出轴连接偏心轮，产生机组设定振动频率，更换不同偏心距的偏心轮来改变振幅。 先进行拉压力传感器的标定试验；之后再进行不同前进速度、不同振动频率、不同振幅组合下的阻力测定试验。 当拖拉机启动后打开拉力计的传感器和连接的笔记本电脑，行驶平稳后运行测力程序，开始测量牵引阻力的大小，取试验小区中间行走平稳的 20m 记录瞬时牵引阻力的大小。 所有即时数据通过 JKU-12 数据采集卡和沈阳农业大学研制的动态应变数据采集系统进行数据采集。 测定时，传感器载荷的变化经动态应变仪放大处理之后，由经动态应变数据采集分析系统进行 A/D 转换，采集的结果是在规定的时间间隔内的时域文件。 采集系统如图 2。【图2】

　　1.3 试验数据采集
　　收集的数据为.dat 格式，用 Excel 打开，将记录加速度传感器的值和拉压力传感器的电压值提取出来做成TXT 文件，再导入到振动信号处理分析程序(Vib’SYS)中。

　　1.4 试验设计
　　根据二次回归正交旋转组合设计的参数表，采用二次正交旋转组合设计，共进行 23 次试验，其中 9次零水平重复试验。 因素水平编码如表 1。【表1】

　　
　　2 结果与分析

　　试验安排及结果如表 2，经 Minitab 软件做回归分析得到以牛蒡收获机阻力峰值为响应指标， 以各影响因素水平编码值为自变量的回归数学模型。【表2】

　　
　　2.1 回归分析
　　试验数据经 Minitab 软件处理,剔除不显着项得到阻力峰值与各因素关系的回归方程为：【1】

　　
　　式中：x1、x2、x3为振动频率、机器前进速度、振幅的编码；y 为阻力峰值。 影响因素主次顺序为：振动频率(-16.68)＞振幅(11.72)＞收获机前进速度(4.58)。

　　为了检验方程的有效性，对作业阻力的数学模型进行方差分析（表 3），作业阻力回归模型（p＜0.001）极显着，回归方差中的 F回归=14.38＞F0.01（14,21）=3.37，F失拟=0.0018＜F0.05(10,11)=2.86，说明回归方程与实际情况具有良好的拟合关系。【表3】

　　
　　2.2 试验结果分析
　　考察收获机振动频率(Hz)和前进速度(m·s-1)对 牵引阻力峰值 F 的 影响时 ，在式(1)中 ，取 x3=0(即 振幅=12mm)，得振动频率 x1与前进速度 x2与牵引阻力之间相关关系式为：【2】

　　
　　由图 3 可知，阻力大的区域集中在振动频率的两个极值(2，-2)与前进速度 0 水平的交汇区域。 阻力小的区域集中在前进速度的两个极值(2，-2)与振动振动频率 0 水平的交汇区域。【图3】

　　考察收获机振动频率(Hz)和振幅（mm）对阻力峰值 F 的影响时，在方程(1)中，取 x2=0(即速度=0.514 m·s-1)，得振动频率 x1与振幅 x3与牵引阻力之间相关关系式为：【3】

　　
　　由图 4 可知，阻力大的区域集中在振动频率的两个极值(2，-2)与振幅的两个极值(2，-2)交汇区域。 阻力小的区域集中在振动频率和振幅的 0 水平的交汇区域。【图4】

　　考察收获机前进速度(m·s-1)和振幅（mm）对牵引阻力 F 的影响时，在式(1)中，取 x1=0(即频率=8Hz)，得前进速度 x2与振幅 x3与阻力峰值之间相关关系式为：【4】

　　
　　由图 5 可知，阻力大的区域集中在振幅的两个极值(2，-2)与前进速度的 0 水平交汇区域。 阻力小的区域集中在振幅的 0 水平与前进速度的两个极值(2，-2)的交汇区域。【图5】

　　2.3 参数优化
　　2.3.1 目 标函数 以收获机阻力峰值 F 最 小为参数优化的目标，得目标函数为：【5】

　　
　　2.3.2 约束条件 根据在编码空间内各参数取值的范围 ，得 xj取值约束条件为：【6-11】

　　
　　2.3.3 优化计算 利用 MATLAB 优化工具箱中的 fmincon 函数求解此优化问题。 从优化计算结果可知，当 x1=0.3496，x2=1.682，x3=-0.7842 时，目标函数达到最小值 f=12.446。

　　根据二次通用旋转组合设计因子与编码变换公式,将 xj的数值带入，得到因子空间参数值即：当收获机振动频率为 9.398Hz，前进速度 0.705 m·s-1，振幅为 8.67mm 时，阻力最小峰值为 12.446kN。根据优化计算得到的结果，调整各个参数进行验证性试验，测得收获机作业的阻力最小峰值 12.6kN。

　　3 结论与讨论

　　根据二次回归正交旋转组合设计方法，建立了牛蒡等深根类作物收获机阻力峰值与机器振动频率、前进速度、振幅关系的数学模型。通过二次回归正交旋转组合设计的多因素分析可知，分析的 3 个因素中，影响因素顺序为：振动频率＞振幅＞收获机前进速度。 利用 MATLAB 软件进行数据分析处理，得出阻力峰值与三因素的 3 个曲面模型；通过规划求解计算，当收获机振动频率为 9.398Hz，前进速度 0.705 m·s-1，振幅为 8.67mm 时，阻力峰值 12.446kN。 554 型拖拉机就能满足其牵引力需求，为降低牛蒡收获机对大动力驱动的依赖和未来机械优化设计提供了依据。

　　本研究的结果与之前对振动挖掘减阻的研究结果相近。 牛蒡收获机的主要减阻方式就是利用振动挖掘铲对土壤进行固定频率的往复切削与抬升，这与应用于强迫式振动式深松机的减阻原理一样。同时本研究得到的最佳振动频率也与先前的研究结果接近。说明强迫振动的振动频率接近土壤固有频率的倍数时，将激发土壤的共振，从而达到对机具工作的节能减阻。挖掘铲的形状、大小等造型设计也会影响其对土壤的扰动性能，同时铲面的涂层也会影响其对土壤的黏连，而这些研究方面是值得牛蒡收获机进一步研究的方向。

　　参考文献：

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