温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究.pdf

JournalofNortheastAgriculturalUniversity 东 北 农 业 大 学 学 报 第51 卷 第9 期 51 9 79 88 2020 年9 月 September2020 温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究 张兆国 1 2 余小兰 1 2 李汉青 1 2 程一启 1 2 3 解开婷 1 2 1 昆明理工大学农业与食品学院 昆明 650500 2 云南省高校中药材机械化工程研究中心 昆明 650500 3 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院 北京 100081 摘 要 为 降 低 三 七 收 获 机 工 作 时 能 耗 和 阻 力 研 制 两 种 收 获 三 七 挖 掘 铲 即 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 和 组 合 式 挖 掘 铲 基 于 三 七 土 壤 物 理 特 性 通 过EDEM 软 件 对 两 种 挖 掘 铲 作 虚 拟 挖 掘 试 验 分 析 挖 掘 铲 所 受 阻 力 仿 真 结 果 表 明 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 挖 掘 阻 力 大 于 组 合 式 挖 掘 铲 以 挖 掘 铲 作 业 速 度 挖 掘 深 度 和 入 土 角 度 为 试 验 因 素 挖 掘 铲 阻 力 为 试 验 指 标 采 用Design Expert 软 件 作 试 验 设 计 完 成 土 槽 挖 掘 试 验 结 果 表 明 组 合 式 挖 掘 铲 受 到 阻 力 较 小 影 响 阻 力 因 素 由 大 到 小 为 挖 掘 深 度 作 业 速 度 入 土 角 最 优 挖 掘 参 数 为 挖 掘 深 度 为30cm 作 业 速 度 为0 6m s 1 入 土 角 为20 组 合 式 挖 掘 铲 符 合 温 室 三 七 收 获 作 业 农 艺 要 求 为 温 室 三 七 收 获 机 挖 掘 铲 设 计 奠 定 基 础 关键词 挖掘铲 三七 土槽试验 离散元仿真 中图分类号 S225 7 文献标志码 A 文章编号 1005 9369 2020 09 0079 10 张 兆 国 余 小 兰 李 汉 青 等 温 室 三 七 收 获 机 挖 掘 铲 铲 型 对 比 研 究 J 东 北 农 业 大 学 学 报 2020 51 9 79 88 DOI 10 19720 ki issn 1005 9369 2020 09 0010 Zhang Zhaoguo YuXiaolan Li Hanqing et al Comparison and selection of excavating shovel type of Panax notoginseng harvester in greenhouse J Journal of Northeast Agricultural University 2020 51 9 79 88 in Chinese with English ab stract DOI 10 19720 ki issn 1005 9369 2020 09 0010 Comparisonandselectionofexcavatingshoveltypeof Panax notogin sengharvesteringreenhouse ZHANG Zhaoguo 1 2 YU Xiaolan 1 2 LI Hanqing 1 2 CHENG Yiqi 1 2 3 XIE Kaiting 1 2 1 School of Agriculture and Food Kunming University of Science and Technology Kunming 650500 China 2 Engineering Research Center of Mechanized Chinese MedicinalMaterialsofYunnanUniversity Kunming650500 China 3 SchoolofMechanicalEngineer ing andApplied ElectronicsTechnology Beijing University ofTechnology Beijing 100081 China Abstract This study reduced the rate of injury reduced the energy consumption of the P a n a x n o t o g i n se n g harvester and the resistance of the soil to the machine during the work Discrete element simulation analysis and soil trough test of second order concave excavation shovel and combined excavation shovel Based on the physical characteristics of P a n a x n o t o g i n s e n g soil a virtual excavation test was conducted on two excavating shovel through EDEM software to analyze the resistance of the excavating shovel The simulation test results shown that the excavation resistance of the second order concave shovel was greater than that of the combined shovel Taking the operating speed digging depth and soil entry angle of the shovel as the test factors and the shovel resistance as the test index 收稿日期 2020 08 09 基金项目 国家自然科学基金 项目 51865023 云南省科技创新重大专 项 2016ZF001 作者简介 张兆国 1966 男 教授 博士 博士生导师 研究方向为农业机械装备设计制造 E mail zhaoguozhang 东 北 农 业 大 学 学 报 第51 卷 三 七 是 五 加 科 多 年 生 人 参 类 草 本 植 物 为 我 国 特 有 名 贵 中 药 材 之 一 1 三 七 主 要 产 自 云 南 四 川 广 西 等 省 份 云 南 文 山 地 区 年 产 量 最 大 2 关 于 三 七 收 获 机 挖 掘 铲 国 外 研 究 很 少 武 占 东 运 用 TRIZ 理 论 分 析 三 七 收 获 机 系 统 关 键 部 件 3 于 进 川 为 适 应 云 南 文 山 地 区 红 土 丘 陵 区 黏 性 土 收 获 农 艺 要 求 研 制4SD 120 型 三 七 收 获 机 4 张 兆 国 根 据 三 七 收 获 时 特 殊 农 艺 要 求 设 计 采 用 二 阶 凹 面 挖 掘铲自走式三七收获机 5 目 前 收 获 机 可 满 足 三 七 收 获 条 件 和 收 获 要 求 但 三 七 挖 掘 铲 挖 掘 阻 力 较 大 机 具 功 耗 过 高 6 7 需 降 低 三 七 挖 掘 铲 挖 掘 阻 力 和 机 具 功 耗 本 文 基 于 三 七 土 壤 物 理 特 性 对 两 种 挖 掘 铲 作 虚 拟 仿 真 试 验 分 析 两 种 挖 掘 铲 阻 力 通 过Design Expert 软 件 设 计 试 验 完 成 挖 掘 铲 土 槽 试 验 分 析 挖 掘 深 度 作 业 速 度 入 土 角 对 挖 掘 阻 力 影 响 及 壅土情况 确定最优 挖掘参数 7 1 三七土壤物理特性 土 壤 环 境 包 括 土 壤 含 水 率 坚 实 度 等 样 本 选 用 文 山 州 三 七 种 植 基 地 土 壤 在 不 同 深 度 和 位 置 选 取10 个 土 壤 样 本 取 其 平 均 值 采 用 农 业 环 境 检 测 仪 测 定 含 水 率 采 用 土 壤 坚 实 度 测 定 仪 测 定 坚 实 度 结 果 见 表1 通 过 力 学 参 数 测 定 土 壤 物 理 特 性 本 试 验 采 用4 份 三 七 温 室 大 棚 土 壤 试 样 运用应变控制式直剪仪测量抗剪 强度 见 图1 分 别 在 试 样 上 添 加 不 同 砝 码 施 加 法 向 力F 固 定 剪 切 面 面 积S 此 时 竖 直 应 力N F S 继 续 施 加 剪 切 力 样 本 被 剪 断 此 时 剪 切 力 为I0 抗 剪 强 度 I0 S 最 后 根 据 库 仑 定 律 确 定 力 学 参 数 8 9 数 据见表2 a Ntan 1 式 中 为 抗 剪 强 度 kPa a 为 内 聚 力 kPa N 为 竖 直 应 力 kPa 为 内 摩 擦 角 tan 为摩擦系数 结 合 式1 可 得 到 抗 剪 强 度 与 竖 直 应 力 关 系 0 277N 15 505 以 竖 直 应 力 作 为 横 坐 标 抗 剪 强 度 作 为 纵 坐 标 绘 制 曲 线 见 图2 可 得 到 土 壤 基 本 力 学 参 数 其 中 摩 擦 系 数0 277 内 聚 力 15 505kPa the design was designed using D esign Expert software to complete the soil trench excavation test The soil trench test results shown that the combined shovel received less resistance and the factors affecting the resistance were from large to small digging depth working speed and soil entry angle The optimal digging parameters were working speed was 0 6 m s 1 digging depth was 30 cm the entry angle was 20 The combined excavating shovel met the agronomic requirements of the greenhouse P a n a x n o t o g i n se n g harvesting operation which laid the foundation for the design of the greenhouse P a n a x n o t o g i n se n g harvesting machine shovel Key words e x c a v a t o r P a n a x n o t o g i n s e n g s o i l t r o u g h e x p e r i m e n t d i s c r e t e e l e m e n t s i m u l a t i o n 竖直应力 kPa Verticalstress 平行位移最大值 mm Maximumparallel 抗剪强度 kPa Shearstrength 100 0 23 43 48 200 0 39 70 56 300 0 51 98 25 400 0 67 126 43 深度 mm Depth 平均土壤含水率 Averagesoilmoisture 平均土壤坚实度 MPa Averagesoilfirmness 50 16 3 0 35 100 17 4 0 49 150 20 1 0 57 200 24 4 0 77 表1 三七块根土壤基本参数 Table1 Basicparametersof Panax notoginsengrootsoil 图1 应变控制式直剪仪 Fig 1 DirectshearapparatusofZJ typestraincontrolled 表2 土壤抗剪强度 Table2 Soilshearstrength 80张兆国等 温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究 第9 期 2 挖掘铲模型建立与阻力理论分析 2 1 挖掘铲模型 建立 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 每 个 铲 面 排 列 布 置 过 于 紧 密 易 造 成 壅 土 增 加 挖 掘 铲 阻 力 变 大 收 获 机 动 力 增 加 10 11 铲 面 设 计 宽 度 保 证 将 三 七 挖 出 土 面 总 体 铲 长 取1200mm 单 铲 宽 度 取60mm 单 铲长度取400mm 仿真模型见图3 组 合 式 挖 掘 铲 主 要 由 土 壤 破 碎 铲 及 二 阶 凹 面 铲 共 同 组 成 两 种 铲 型 交 错 排 列 于 铲 架 结 构 见 图4 其 中 破 碎 铲 将 大 块 土 壤 破 碎 土 壤 质 地 更 松 软 12 破 碎 铲 铲 翼 宽 为58mm 翼 张 角 为48 翻土角为50 7 2 2 挖掘铲牵引阻力理论分析 2 2 1 二阶凹面挖掘铲牵引阻力理论分析 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 由 两 个 不 同 角 度 挖 掘 铲 组 成 因 此 选 择 虚 拟 面 作 二 阶 凹 面 铲 阻 力 理 论 分 析 如 图5 由 几 何 关 系 可 得 到 虚 拟 面 倾 角 与 一 阶 倾 角 1 二 阶 倾 角 2 一 阶 铲 长 对 应 铲 高h 和整体铲高H 关 系 13 arctan H cot 1 h cot 2 H h 2 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 受 力 分 析 如 图6 所 示 二 阶 凹 面挖掘铲所受牵引阻 力F 为 F Nsin f 1 cos f 2 lcos 3 其 中 N 是 铲 面 所 受 土 壤 法 向 压 力 N f1 是 土壤法向压力产生阻 力 N f2 是纯切 削阻力 N 将f 1 N 带 入 上 式 可 得 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 所 受 牵 引 阻 力F 与 法 向 压 力N 一 阶 倾 角 1 二 阶 倾角 2 一阶铲长对应铲高h 和铲高H 关系 图2 竖直应力与抗剪强度关系 Fig 2 Relationshipbetweenvertical stressandshearstrength b 二阶挖掘装置俯视图 b Topviewofthemodularexcavation 图3 二阶凹面挖掘装置模型 Fig 3 Modelofcombineddiggingdevice b 组合 式挖掘装置俯视图 b Topviewofthemodularexcavation 图4 组合式挖掘装置模型 Fig 4 Modelofcombineddiggingdevice a 二阶挖掘装置侧视图 a Sideviewofmodularexcavation y 0 2768x 15 505 a 组合式挖掘装置侧视图 a Sideviewofmodularexcavation F Nsin f 1 cos f 2 lcos N sinarctan H cot 1 h cot 2 H h cosarctan H cot 1 h cot 2 H h f 2 lcosarctan H cot 1 h cot 2 H h 竖直应力 Verticalstress 4 100 150 200 250 300 350 400 抗剪强度 kPa Shearstrength 140 120 100 80 60 40 81东 北 农 业 大 学 学 报 第51 卷 2 2 2 组合式挖掘铲牵引阻力理论分析 组 合 式 挖 掘 铲 所 受 牵 引 阻 力 主 要 由 铲 面 土 壤 破碎产生阻力和纯切削阻力组成 8 计 算 铲 面 土 壤 破 碎 产 生 阻 力F 1 建 立 两 个 坐 标 系 如 图7 所 示 侧 挖 掘 面 为 坐 标 系oxyz 坐 标 系OXYZ 是 静 坐 标 系 坐 标 系oxyz 转 换 到 坐 标 系 OXYZ 转换矩阵为A 如图8 所示 其 中 1 是 翻 土 角 2 是 铲 刃 到 垂 直 面 倾角 是沟壁倾 角 铲 面 土 壤 破 碎 产 生 阻 力F 1 与 土 壤 所 受 法 向 力 N 1 摩 擦 力 f 1 有 关 在 坐 标 系oxyz 中 法 向 力 N 1 摩擦力f 1 表达式如下 式中 是铲侧面与铲刃垂直线夹角 单位 在 坐 标 系OXYZ 中 法 向 力N 1 摩 擦 力 f 1 表达式如下 由上可得 N x N 0 sin 1 cos 2 10 f x f 1 sin sin 2 cos cos 1 cos 2 11 将f 1 N 带 入 上 式 此 时 铲 面 土 壤 破 碎 产 生 阻力F 1 表达式如下 其中 是土壤对铲摩擦系数 求 纯 切 削 阻 力F 2 破 碎 铲 铲 面 倾 角 与 入 土角 3 铲胸升角 0 关系如图9 所示 A sin 1 cos 2 sin 2 cos 1 cos 2 cos 1 sin sin 1 sin 2 cos cos 2 cos sin 1 sin cos 1 sin 2 cos cos 1 cos sin 1 sin 2 sin sin cos 2 sin 2 cos cos 1 sin 2 sin 图6 二阶凹面挖掘铲受力分析 Fig 6 Stressanalysis 图5 二阶凹面挖掘铲虚拟铲面 Fig 5 Virtualshovelsurface N 1 AN 1 N 1 sin 1 cos 2 N 1 sin cos 1 sin 1 sin 2 cos N 1 cos 1 cos sin 1 sin 2 sin 图8 侧挖掘面 Fig 8 Sideexcavationsurface 图7 坐标系 Fig 7 Coordinate f 1 0 f 1 sin f 1 cos N 1 N 1 0 0 F 1 N x F x N 1 sin 1 cos 2 sin sin 2 cos cos 1 cos 2 0 3 2 F 2 f 2 lcos f 2 lcos 0 3 2 图9 碎铲虚拟面 Fig 9 Virtualfaceofcrushingshovel 5 7 6 f 1 0 f 1 sin f 1 cos 8 13 14 12 f 1 Af 1 f 1 sin cos 2 cos cos 1 cos 2 f 1 sin cos 2 cos cos sin 1 sin cos cos 1 sin 2 cos f 1 sin cos 2 sin cos sin 1 cos cos cos 1 sin 2 sin 9 82张兆国等 温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究 第9 期 综上所述土壤破碎铲总牵引阻力F 由下所示 3 挖掘铲离散元仿真分析 采 用EDEM 软 件 对 挖 掘 铲 作 离 散 元 仿 真 分 析 选 择 显 式 时 间 步 骤 离 散 单 元 法 模 拟 求 解 过 程 其 中 牛 顿 第 二 定 律 是 理 论 基 础 分 析 粒 子 间 接 触 特 性 受 力 方 向 和 粒 子 运 动 轨 迹 本 文 研 究 土 壤 挖 掘 铲 系 统 由 于 三 七 种 植 土 壤 类 型 属 于 疏 松 型 采 用Hertz Mindlin 接 触 模 型 挖 掘 铲 材 料 为65 Mn 14 仿 真 采 用1m 0 5m 0 5m 土 槽 挖 掘 铲 前 进 速 度 为0 7m s 1 15 由 于 三 七 生 长 在 土 下150 300mm 为 保 证 三 七 完 全 挖 出 选 择 挖 掘 深 度 为 300mm 入土角20 仿真参数见表3 3 1 二阶凹面挖掘铲 对 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 建 立 三 维 模 型 并 将 建 模 后 挖 掘 铲 导 入 土 壤 力 学 模 型 中 分 析 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 工 作 时 阻 力 仿 真 过 程 见 图10 土 壤 颗 粒 流 向见图11 参数 Parameter 土壤数目 个 Soilparticlenumber 土壤半径 m Soilradius 土壤泊松比 SoilPoisson sratio 土壤剪切模量 Pa Soilshearmodulus 土壤密度 kg m 3 Soildensity 土壤间相关系数 Soilcorrelationcoefficient 土壤间静摩擦系数 Soilstaticfrictioncoefficient 土壤间滚动摩擦系数 Coefficientofsoilrollingfriction 数值 Value 8 10 5 1 10 6 1 10 5 0 4 1 09 10 6 1350 0 2 0 3 0 4 参数 Parameter 土壤与挖掘铲相关系数 Correlationcoefficient 土壤与挖掘铲静摩擦系数 Staticfrictioncoefficient 土壤与挖掘铲滚动动摩擦系数 Rollingfrictioncoefficient 挖掘铲泊松比 ExcavatingshovelPoisson sratio 挖掘铲剪切模量 Pa Excavatingshearmodulus 挖掘铲密度 kg m 3 Diggingshoveldensity 重力加速度 m s 2 Accelerationofgravity 仿真时步 s Simulationtimestep 数值 Value 0 3 0 4 0 5 0 3 1 92 10 6 7800 9 81 1 10 5 表3 离散元法仿真分析参数 Table3 Discreteelementmethodforsimulationanalysis 图10 二阶凹面挖掘铲仿真过程 Fig 10 Second orderconcavediggingshovelsimulationprocess 图11 二阶凹面挖掘铲土壤颗粒流向 Fig 11 Second orderconcavediggingshovelflowofsoilparticles a 接触瞬间 a ContactMoment b 插入后 b Afterinsertion c 向前行走 c Towalkforward 2N 1 sin 1 cos 2 sin sin 2 cos cos 1 cos 2 f 2 lcos 0 3 2 F 2F 1 F 2 15 83东 北 农 业 大 学 学 报 第51 卷 通 过 离 散 元 接 触 力 学 模 型 与 相 关 参 数 选 取 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 所 受 接 触 合 力 变 化 区 间 为 0 611 49N 由 图11 可 知 二 阶 挖 掘 装 置 壅 土 现 象 减 轻 由 于 挖 掘 铲 存 在 两 个 平 面 对 不 同 平 面 三 七 均 有 挖 掘 效 果 明 七 率 提 高 对 三 七 冲 击 力 比 传 统 挖 掘 铲 小 但 无 法 保 证 可 收 获 到 未 生 长 在 标 准 位置三七 3 2 组合式挖掘铲 对 组 合 式 挖 掘 铲 三 维 建 模 并 将 建 模 后 三 维 图 导 入 土 壤 力 学 模 型 分 析 组 合 式 挖 掘 装 置 工 作 时 阻力 仿真过程见图12 土壤颗粒流向见图13 通 过 离 散 元 接 触 力 学 模 型 与 围 观 参 数 选 取 组 合 式 挖 掘 铲 所 受 接 触 合 力 变 化 区 间 为 0 419 48N 由 图13 可 知 组 合 使 挖 掘 铲 入 土 深 度 合 适 挖 掘 范 围 较 前 面 挖 掘 铲 更 大 壅 土 情 况 减 轻 由 于 土 壤 破 碎 铲 作 用 大 块 土 壤 较 少 当 挖 掘 铲 向 前 作 业 时 土 壤 破 碎 铲 可 有 效 收 获 未 生 长 在 标 准 位 置 三 七 收 获 机 在 前 进 作 业 时 受 到 来 自 土 壤 阻 力 明 显减小 3 3 两种挖掘铲仿真阻力比较 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 与 组 合 式 挖 掘 铲 所 受 阻 力 对 比见图14 图12 组合式挖掘铲仿真过程 Fig 12 Combinedexcavatingshovelsimulationprocess 图13 组合式挖掘铲土壤颗粒流向 Fig 13 Combinedexcavatingshovelflowchartofsoilparticles 图14 挖掘铲仿真阻力对比 Fig 14 Comparisondiagramofshovelresistance a 接触瞬间 a ContactMoment b 插入后 b Afterinsertion c 向前行走 c Towalkforward 二阶凹面挖掘铲 组合式挖掘铲 时间 s Time 700 600 500 400 300 200 100 0 阻力 N 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 84张兆国等 温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究 第9 期 由 图14 可 知 0 2s 前 两 种 挖 掘 铲 所 受 阻 力 一 致 因 入 土 深 度 对 阻 力 影 响 较 大 而 此 时 入 土 深 度 处 于 较 小 范 围 内 0 65s 前 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 所 受 阻 力 处 于 上 升 阶 段 0 5s 前 组 合 式 挖 掘 铲 所 受 阻 力 处 于 上 升 阶 段 可 见 组 合 式 挖 掘 铲 所 受 阻 力 上 升 速 度 较 快 0 75s 后 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 在608 N 浮 动 最 大 值 为611 49N 0 6s 后 组 合 式 挖 掘 铲 在410N 浮 动 最 大 值 为419 48N 可 见 组 合 式 挖 掘铲所受阻力比二阶凹面挖 掘铲小 4 试验与分析 4 1 试验 准备 试 验 地 点 为 贵 州 省 山 地 农 业 机 械 所 中 小 型 农 机 农 具 实 验 室 通 过 土 槽 试 验 测 量 两 种 挖 掘 铲 阻 力 分 析 两 组 挖 掘 铲 土 壤 破 碎 能 力 该 土 槽 试 验 台 具 有 自 动 控 制 数 据 处 理 土 壤 恢 复 等 功 能 土 槽 尺 寸 为3600cm 250cm 100cm 其 中 土 壤 深 度 约60cm 台 车 尺 寸 为290cm 300cm 210cm 不包含土槽高度 如图15 所示 4 2 试验方案 试 验 前 测 定 土 壤 坚 实 度 和 水 分 含 量 土 槽 中 土 壤 相 关 参 数 与 所 测 量 参 数 一 致 每 次 试 验 后 旋 耕 及 压 实 土 槽 保 证 初 始 条 件 一 致 性 影 响 试 验 因 素 选 取 作 业 速 度 挖 掘 深 度 与 入 土 角 试 验 指 标 选 择 阻 力 及 挖 掘 装 置 破 土 效 果 挖 掘 铲 作 业 速 度 可 通 过 控 制 台 车 运 行 速 度 调 节 入 土 深 度 通 过 测 量 挖 掘 铲 入 土 长 度 确 定 入 土 角 由 挂 接 件 调 节 7 作 业 速 度x1 分 别 确 定 为0 6 0 7 和0 8m s 1 挖 掘 铲 挖 掘 深 度x2 分 别 为22 27 和32cm 铲 面 入 土 角x3 分 别 为20 25 和30 通 过 改 变 以 上 三 个 因 素 利 用Design Expert 软 件 设 计 三 因 素 三 水 平 正交组合试验 因素水平编码见表4 4 3 试验结果 对 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 和 组 合 式 挖 掘 铲 作 土 槽 试 验 结果见表5 4 4 试验结果分析 4 4 1 二阶凹面挖掘铲试验结果分析 对 试 验 中 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 所 受 阻 力 结 果 作 方 差 分 析 见 表6 结 果 表 明 因 子x1 x2 x3 x1 2 x2 2 x3 2 对y 影 响 显 著 其 他 因 子 影 响 不 显 著 各 因 素 对 阻 力 影 响 顺 序 依 次 为x1 x2 x3 去 除 不 显 著 项 后得到二阶凹面挖掘铲所受阻力y 回归方程为 y 1379 54 2308 4x1 18 65x2 11 76x3 9 58x1x2 4 54x1x3 0 064x2x3 1373 44x1 2 0 25x2 2 0 22x3 2 式 中 y 为 阻 力 N x1 为 作 业 速 度 m s 1 x2 为入土深 度 cm x 3 为入土角 序号 No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 试验因素 Testfactors 作业速度 Speed 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 挖掘深度 Depth 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 入土角 Angle 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 试验结果 Testresults 二阶凹面挖掘 铲阻力 N Resistance 2513 4 2526 1 2499 5 2569 0 2515 6 2432 6 2525 3 2489 2 2522 1 2566 0 2570 0 2570 0 2498 9 2584 0 2509 8 2465 2 2575 0 组合式挖掘 铲阻力 N Resistance 2218 3 2212 0 2258 5 2279 1 2263 5 2104 2 2205 0 2168 3 2231 7 2261 6 2279 1 2279 1 2167 8 2279 1 2240 9 2117 1 2279 1 水平 Level 1 0 1 作业速度x1 m s 1 Speed 0 6 0 7 0 8 挖掘深度x2 cm Depth 22 27 32 入土角x3 Angle 20 25 30 图15 土槽试验台 Fig 15 Soiltroughtestplatform 表4 因素水平编码 Table4 Factorlevelcoding 表5 试验结果 Table5 Testresults 85东 北 农 业 大 学 学 报 第51 卷 由 图16 可 知 为 确 保 三 七 完 整 挖 出 选 择 挖 掘 深 度 为30cm 当 挖 掘 速 度 为0 6m s 1 入 土 角 为20 时 挖掘铲所受阻力最小为2480N 二 阶 凹 面 挖 掘 铲 土 槽 试 验 结 果 见 图17 可 见 挖 掘 铲 壅 土 情 况 不 严 重 但 土 壤 破 碎 能 力 差 铲面有大块土壤 表6 二阶凹面挖掘铲所受阻力方差分析 Table6 Varianceanalysisofresistanceonthesecond orderconcavediggingshovel 注 表示极显 著 P 0 01 表示 显著 P 0 05 下表同 Note indicuteextremelysignificant P 0 01 indicutesignificant P 0 05 Thesameasbelow 图16 二阶凹面挖掘铲响应面分析 Fig 16 Responsesurfaceanalysisofsecond orderconcavediggingshovel 作业速度Workingspeed 方差 Variance 模型Model x 1 x 2 x 3 x 1 x 2 x 1 x 3 x 2 x 3 x 2 1 x 2 2 x 2 3 残差Residual 失拟项Lackoffit 误差Error 总和Sum 平方和 Sumofsquares 52949 06 11250 00 11696 85 2734 30 4 41 441 00 0 20 15596 82 5287 65 3477 24 2180 28 2180 28 0 00 55129 34 自由度 Freedom 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 3 4 16 均方 Meansquare 5883 23 11250 00 11696 85 2734 30 4 41 441 00 0 20 15596 82 5287 65 3477 24 311 47 726 76 0 00 F 值 Fvalue 18 89 36 12 37 55 8 78 0 014 1 42 6 501 10 4 50 08 16 98 11 16 7 57 P 值 Pvalue 0 0004 0 0005 0 0005 0 0210 0 9086 0 2729 0 9804 0 0002 0 0045 0 0124 0 1148 显著性 Saliency b 试验后 b Afterthetest 图17 土槽试验结果 Fig 17 Soiltanktestresults a 试验前 a Beforethetest 阻力Resistance 30 00 25 00 20 00 15 00 10 00 入土角 Penetrationangle 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 50 0 60 0 90 0 80 0 70 10 00 15 00 20 00 25 00 30 00 2580 2560 2540 2520 2500 2480 2460 阻力Resistance 入土角 Penetrationangle 作业速度 Workingspeed 86张兆国等 温室三七收获机挖掘铲铲型对比研究 第9 期 表7 组合式挖掘铲所受阻力方差分析 Table7 Varianceanalysisofresistanceoncombinedexcavatingshovel 图18 组合式挖掘铲响应面分析 Fig 18 Responsesurfaceanalysisofcombinedexcavatingshovel 方差 Variance 模型Model x 1 x 2 x 3 x 1 x 2 x 1 x 3 x 2 x 3 x 2 1 x 2 2 x 2 3 残差Residual 失拟项Lackoffit 误差Error 总和Sum 平方和 Sumofsquares 27677 60 2268 01 3329 28 1046 53 1466 89 329 42 161 29 12707 91 2719 14 2054 14 1158 33 1001 13 157 20 28835 93 自由度 Freedom 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 3 4 16 均方 Meansquare 3075 29 2268 01 3329 28 1046 52 1466 89 329 42 161 29 12707 91 2719 14 2054 14 165 48 333 71 39 30 F 值 Fvalue 18 58 13 71 20 12 6 32 8 86 1 99 0 97 76 80 16 43 12 41 8 49 P 值 Pvalue 0 0004 0 0076 0 0028 0 0401 0 0206 0 2011 0 3564 x1 x3 去 除 不 显 著 项 后 得 到 组 合式挖掘铲所受阻力y 回归方程为 y 928 32 2411 14x1 19 09x2 17 07x3 0 53x1x2 5 25x1x3 0 00225x2x