小型試驗土槽的設計和研究

王建蕭，田斌，孫偉，張華，劉小龍，李輝

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農業大學 機電工程學院）

0 引言

隨著社會的發展和技術的革新，農業機械在發展過程中對土壤屬性的研究日益深入。根據機械組成做土壤分類的最早記錄出現在1681 年，此后國外學者對土壤和耕作展開了深入的研究，并提出了豐富的理論。和任何領域的科學技術一樣，機械土壤動力學的發展也是與生產的需求分不開的[1]。研究土壤-機器相互作用的目的是要從機器結構、作業參數和土壤條件聯合對土壤狀況變化所起影響的普遍性原則出發，建立定量化的數學模型，預測機器作業性能，為合理設計和選用機器提供指導依據。目前，研究土壤-機器相互作用的方法主要有3 種：試驗、分析和數值方法[2]。試驗作為最基本的研究方法被廣泛使用于當前的科學研究中，相較分析方法和數值方法，試驗方法更具有真實性和可靠性。田間試驗的優點是試驗可以在實際條件下進行，但常受到各種條件的限制，如時間、土壤條件和地面平整度等均會影響試驗結果，因此試驗土槽成為研究土壤和機器關系的主要試驗設備，但其缺點是土壤狀況難恢復至同一水平且長時間試驗后，土壤耕性逐漸喪失。

土槽試驗作為一種重要的試驗手段，已被越來越多的研究人員使用。目前國內已有研究中，趙宏波[3]等采用土槽對不同邊緣曲線的旋耕刀對扭矩和土壤擾動的影響進行研究；姚久元[4]使用小型土槽試驗臺對基于蚯蚓波紋潤滑體表的仿生開溝器進行優化研究。由于土槽試驗的試驗對象和試驗用途不同，土槽試驗的設計形式也不盡相同。本文在深入研究與分析國內外的農機試驗土槽設計的現狀分析的基礎上，主要針對馬鈴薯等根莖類收獲機械的挖掘鏟設計一種小型試驗土槽試驗臺，通過對挖掘鏟進行試驗，并對試驗數據進行整理和分析，以對挖掘鏟結構和材料進一步的優化與改進?？紤]試驗場地和試驗對象的情況，土槽結構參數和測試機構的技術參數主要參考土壤阻力、動力參數和主要試驗對象來確定。

1 整體結構與工作原理

小型試驗土槽的結構如圖1 所示，主要由環形土槽、挖掘測試機構、動力系統、萬向輪等幾部分組成，其主要尺寸為：環形土槽內徑4 m、外徑5 m、高度0.5 m，土槽內土壤高度可根據試驗要求進行填充。工作時，由電動機將動力傳遞給蝸輪蝸桿減速機，電動機輸出轉速經過蝸輪蝸桿減速機進行降速，并且增大扭矩后對動力的輸出方向進行轉換，帶動挖掘測試機構圍繞土槽進行試驗測試，整個土槽試驗臺可以安裝6 組挖掘測試機構，可以根據試驗要求減少挖掘測試機構的數量。挖掘測試機構上安裝有挖掘鏟、整形器、鎮壓輪等，整個挖掘測試機構的轉速可以利用變頻器控制電機轉速進行調節，保證挖掘測試機構在土槽上平穩運行且具有足夠動力。

圖1 土槽結構示意圖Fig.1 Structural of test soil bin

2 關鍵部件設計

小型土槽試驗臺是根據真實的田間土壤環境，模擬馬鈴薯等根莖類收獲機械在收獲過程中挖掘鏟的工作過程，主要用于研究多鏟類根莖收獲機挖掘鏟的材料、磨損程度、安裝角度以及受力情況等。挖掘測試機構是整個環形土槽的核心部件，其結構如圖2 所示，包括支撐架、深度調節裝置、角度調節裝置、挖掘鏟、整形器、鎮壓輪等。挖掘鏟在對土壤的作業過程中會產生自身的磨損與阻力，在土槽試驗臺中可以根據不同的作業要求更換不同挖掘鏟進行試驗和分析。整形器的作用是在挖掘鏟工作后進一步松碎土壤、平整地面，使試驗更加接近田間的土壤環境。鎮壓輪主要用于壓碎土塊、壓緊耕作層使土壤緊密，有利土壤底層水分上升。鎮壓輪和整形器工作之后，土槽內的土壤環境更加接近田間的土壤條件，并且保證每次挖掘測試時有基本相同的土壤條件，使試驗更加真實可靠。

2.1 挖掘鏟結構設計

根據我國西北地區特有的種植模式，根莖類收獲機械大多采用固定式挖掘部件。本文采用的固定式挖掘部件為平面多鏟，這類挖掘鏟的鏟面為平面形狀，結構簡單，制造容易，常用于升運鏈式挖掘機的挖掘裝置，適用于壟作、平作及含石地塊等收獲作業。根據挖掘機的設計要求，保證挖掘鏟具有良好的入土性能和自動清潔功能，結合本次小型試驗土槽的具體試驗要求，設計了一款平面三角鏟作為挖掘部件作為試驗對象。

挖掘鏟的主要參數有：鏟刃傾角γ、鏟的傾角α、鏟的長度L、鏟的寬度B 和鏟的后端高度h 等，如圖3 所示。

圖3 挖掘鏟參數及受力情況Fig.3 Parameters and force condition of digging blade

為了保證鏟刃的自動清潔作用，鏟刃傾角γ一般取40～50°，根莖類挖掘機械其入土角α一般為15～25°之間[5-7]，因此α的可調范圍為15～25°。入土角越小，切入阻力也將越小，在不影響挖掘及分離的情況下，機組作業時應將角度調整到最小，以減小挖掘阻力，降低油耗。機具工作時，土壤受挖掘鏟作用以及土壤相互影響，發生塑性流動、崩裂等行為，并且進入分離篩進行分離作用。一般情況下，根莖和土壤混合物及地表雜草容易在鏟的正上方發生壅堵，其原因之一就是挖掘鏟長度l 過長，鏟面的土壤到達分離篩的距離過長，無法及時分離導致壅堵。挖掘鏟長度的設計主要由挖掘鏟末端至水平地面的垂直高h 和挖掘鏟傾角α決定。對于挖掘鏟傾角α，通過分析工作時的阻力，如圖3（b）所示，建立方程（1）[5-7]：

式中：P——挖掘鏟挖起混合物所承受的力，N；f——摩擦力，N；G——挖掘鏟上的土壤重力，N；N——挖掘鏟對土壤混合物的反作用力，N；α——挖掘鏟楔角，°；ε——混合物對挖掘鏟的摩擦因數。

最后得到挖掘鏟傾角α為

最終挖掘鏟傾角α設計為15～25°之間，有效避免挖掘鏟過長壅塞，保證足夠的挖掘鏟后端垂直高度h。經計算分析，取l=200 mm，鏟的寬度B=140 mm，鏟刃傾角γ一般取40～50°。

2.2 土槽結構設計

整個土槽為環形結構，由于設計成了一個整體，不易擺放和安裝搬運，故將土槽分為4 段，各段通過螺栓連接在一起，這樣既便于安裝搬運，又便于拆裝。相較于直線形土槽，環形土槽可以保證測試機構運動的連續性，并且占地面積更小,在土槽下方安裝萬向輪，便于移動。整個土槽深度為0.5 m，可以根據測試需求填充土壤，滿足對不同作業深度的挖掘測試機構的測試需求。

2.3 傳動系統設計

由于挖掘測試裝置在旋轉測試過程中要克服較大的土壤阻力，所以需要較大扭矩并且保證整個挖掘測試機構平穩勻速運行。綜合考慮后，選用三相異步電動機作為試驗土槽的動力源，該系列的電動機適合用于要求啟動轉矩較大的驅動裝置，電機轉速通過變頻器控制，可以保證輸出轉速，可以根據測試需求進行調整。采用蝸輪蝸桿減速機進行降速，增大輸出扭矩并且對電機的動力輸出方向進行轉換，整個傳動系統的設計如下：

已知拖拉機前進速度vm=0.5～1.5 m/s，所以土槽挖掘測試機構的最大速度為v=1.5 m/s，并且挖掘測試機構的半徑r=2.25 m。

所以挖掘測試機構的轉速為

根據農業機械設計手冊查得合理的傳動比范圍，設計V 帶的傳動比i1=2～4，蝸桿傳動比i2=10～40，則總傳動比合理的范圍是：i=i1i2=20～160，故電動機轉速的可選范圍為

土槽試驗需要較大功率，最終選擇電機為Y160M-4 型11kW，額定轉速1 440 r/min，V 帶傳動比i1=2，蝸輪蝸桿減速機傳動比選擇i2=40，電機通過變頻器控制啟停，并可按照試驗要求調整轉速，防止啟動時阻力過大導致電機損壞。

3 挖掘鏟靜力學分析

挖掘鏟在工作時，隨著深度的增加，作業阻力逐漸增加。為避免挖掘鏟損壞，因此對該挖掘裝置進行優化分析，提高挖掘裝置的結構強度和可靠性。對上述挖掘鏟的參數通過Pro/E 5.0 建立三維模型，將模型導入到ANSYS Workbench 進行有限元結構分析。挖掘鏟材料參數如表1 所示。

表1 挖掘鏟材料屬性表Tab.1 Material properties of dig blade

使用ANSYS 17.0 Workbench 默認的自由網格劃分，網格類型為四面體，挖掘鏟網格尺寸為5 mm，其余結構為默認尺寸，網格劃分完成后節點總數為39 932，單元總數為23 221，如圖4所示。

圖4 網格劃分示意圖Fig.4 Schematic drawing of meshing

在鏟架上添加固定約束。挖掘鏟在工作過程中受到拖拉機牽引力和土壤與根莖混合物作用，鏟面為主要受力位置[8-9]。在Workbench 中將作用力添加至鏟面進行運算，在結構分析-總體形變分析中，最大變形發生在挖掘鏟鏟尖位置（如圖5 所示），因此可將所有挖掘鏟尖部加強，以提高挖掘鏟的強度。在結構分析-應力形變和結構分析-彈性形變分析中，最大形變均發生在挖掘鏟中部兩個安裝孔位置，如圖6 和圖7 所示。因此挖掘鏟材料使用65Mn，強度比較高，具有一定柔韌性和可塑性，對挖掘鏟刃口需要熱處理，提高其強度及耐磨性，并進行發黑處理以防銹。

圖5 結構分析-總體形變Fig.5 Structural analysis -Overall deformation

圖6 結構分析-應力形變Fig.6 Structural analysis -Equivalent stress

圖7 結構分析-彈性形變Fig.7 Structural analysis -Equivalent elastic strain

4 結論

根據我國西北地區的地域特色和試驗環境，設計了一種小型簡易環形土槽試驗臺。根據田間土壤環境，模擬馬鈴薯等根莖類收獲機械在收獲過程中挖掘鏟的工作過程，對挖掘鏟的材料、磨損程度、安裝角度等進行研究分析。

（1）小型土槽試驗的設計為多鏟類根莖收獲機械挖掘鏟的研究提供工具，通過模擬挖掘鏟在土壤中運動，對挖掘鏟在土壤中的磨損以及受力情況進行分析，便于對其結構進行改進優化。

（2）相較于田間試驗而言，試驗土槽可以不受時間、土壤條件和地面平整度等條件的限制，并且土壤條件更加容易控制，可以保證試驗結果更加具有對比性和可靠性。

（3）通過靜力學分析，發現挖掘鏟在挖掘過程中最大變形發生在挖掘鏟鏟尖位置，在應力形變和彈性形變分析中，最大形變均發生在挖掘鏟中部兩個安裝孔位置，因此挖掘鏟材料選擇65Mn，強度比較高，具有一定的柔韌性和可塑性，并且對鏟尖進行熱處理，提高其強度。