果园施肥用便携式电动挖穴机性能试验果园施肥用便携式电动挖穴机性能试验

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第29卷第12期农业工程学报VOL29NO122013年6月TRANSACTIONSOFTHECHINESESOCIETYOFAGRICULTURALENGINEERINGJUN201325果园施肥用便携式电动挖穴机性能试验杨洲1,2,陈朝海1,2,段洁利1,2※,闫国琦1,2,潘学文3,严梁立1,2,刘嘉龙1,2(1华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室,广州510642;2华南农业大学工程学院,广州510642;3广东省农科院果树研究所,广州510640)摘要为满足丘陵山区果园机械挖穴施肥的需要,降低劳动强度,提高作业效率,该文以自行研制的便携式电动挖穴机为对象,以电动挖穴机的工作性能和使用者的劳动强度为试验指标,与手持式汽油挖穴机进行了对比试验。结果表明前者与后者相比,工作效率提高338;满负荷工作时噪声等级和左右手柄处振动加速度方根值分别降低252DB、951和1703M/S2;操作人员作业时的平均心率值降低8次/MIN。对2种挖穴机使用的经济效益进行分析,得出以蓄电池寿命为周期的时间内,电动挖穴机和汽油挖穴机的使用综合成本分别为46456和78889元。研究结果可为现有手持式汽油挖穴机的改进和电动挖穴机的优化设计提供参考。关键词农业机械,振动,试验,电动挖穴机DOI103969/JISSN10026819201312004中图分类号S22421;S776262文献标志码A文章编号10026819201312002507杨洲,陈朝海,段洁利,等果园施肥用便携式电动挖穴机性能试验J农业工程学报,2013,291225-31YANGZHOU,CHENCHAOHAI,DUANJIELI,ETALPERFORMANCETESTOFHANDHELDELECTRICHOLEDIGGERFORFERTILIZATIONINORCHARDJTRANSACTIONSOFTHECHINESESOCIETYOFAGRICULTURALENGINEERINGTRANSACTIONSOFTHECSAE,2013,291225-31INCHINESEWITHENGLISHABSTRACT0引言科学施肥是实现果园高产、稳产的必要条件。然而,传统的人力、畜力开沟施肥劳动强度大、人工成本高,地表撒施肥料利用率低以及滴灌施肥初期投入成本高等因素制约着果园施肥作业的高效进行。挖穴施肥因其具有破土量小、肥料深施利用率高和洞穴能够重复利用等优点,逐渐成为果园施肥的主要方法之一。挖穴施肥需要专门的挖穴工具,目前应用较多的挖穴工具大多为林业上的植树挖穴机。按配套动力和连接方式的不同,大致可以分为悬挂式挖穴机、手提式挖穴机、牵引式挖穴机和自走式挖穴机12。手提式挖穴机又称便携式挖穴机,多用于拖拉机不能通过的山地作业,是山地果园挖穴施肥作业的首选。目前尚未见到便携式电动挖穴机相关研究情况的报道。参考收稿日期20120713修订日期20130417基金项目广东省扶持农业机械化发展专项(粤农计20132号,粤财农2012608号);广东省高等学校高层次人才项目(粤财教2011431号);广东省现代农业产业技术体系建设专项(粤财教2009356号);国家科技支撑计划项目课题(2011BAD20B102)。作者简介杨洲(1972-),男,山西襄汾人,教授,博士。主要从事水果生产机械及产后处理技术研究。广州华南农业大学工程学院,510642。EMAILYANGZHOUSCAUEDUCN※通信作者段洁利(1973-),女,山西襄汾人,副教授。主要从事现代农业装备研究。广州华南农业大学工程学院,510642。EMAILDUANJIELISCAUEDUCN国内外手持式汽油挖穴机的研制方法120,研制出便携式电动挖穴机。以挖穴机具的工作性能和使用者的劳动强度为指标,进行电动挖穴机性能测试与试验研究,为现有手持式汽油挖穴机的改进和电动挖穴机的优化设计提供参考。1便携式电动挖穴机的构造与工作原理便携式电动挖穴机采用新型直流无刷电机代替传统的二冲程汽油机。整机由电机、减速器、螺旋钻、手柄和蓄电池等部分组成,其结构简图如图1所示。1直流电机2减速器3手柄4调速旋钮5点触开关6钻头7电源线8电机驱动器9电源开关10蓄电池1DIRECTCURRENTMOTOR2GEARBOX3HANDSHANK4BUTTONOFSPEED5SWITCH6DRILLOFSCREW7POWERWIRE8MOTORDRIVER9SWITCHOFPOWER10BATTERY图1便携式电动挖穴机结构简图FIG1APPARATUSDIAGRAMOFHANDHELDELECTRICHOLEDIGGER工作时,直流电机由蓄电池提供直流电源,打开电源开关9,长按点触式开关5,电源接通。电机高速旋转,经减速器带动螺旋钻进行挖穴作业。农业工程学报2013年262性能试验21试验环境与装置在广东省农科院果树研究所内,选取一块面积约为0133HA2的龙眼园进行挖穴试验。果园中果树行距5M,株距4M,土壤类型为红壤土。试验装置包括自主研发的便携式电动挖穴机和常用汽油挖穴机,主要技术参数如表1所示。其它设备包括POLARRS400心率表(测量范围15~240次/MIN,准确度1次/MIN,北京博浩通科技发展有限责任公司),814数字噪音计(测量范围30~130DB,准确度2DB,深圳市金达通仪器仪表公司),DT2236B型数字式高精度转速表(测量范围25~99999R/MIN,准确度1R/MIN,台湾路昌电子公司),AR63A型测振仪(测量范围01~1999M/S2,准确度2M/S2,香港希玛专业仪表),CENTER310型数位温湿度表(测量范围20℃~60℃(温度);0~100RH(湿度),准确度07℃(温度);25RH(湿度),台湾群特科技股份有限公司),AZ8901风速仪(测量范围0~35M/S,准确度0005M/S,台湾衡欣科技股份有限公司),直尺等。表1电动挖穴机与汽油挖穴机主要技术参数TABLE1KEYTECHNICALPARAMETERSOFELECTRICHOLEDIGGERANDPETROLICHOLEDIGGER参数电动挖穴机汽油挖穴机整机质量/KG150(含蓄电池)113(含汽油)钻速/RMIN10~265(可调)0~200(可调)钻头直径/MM8080钻头长度/MM700700动力550W直流无刷电机19KW两冲程汽油机启动方式点触式开关手拉启动器能否正反转能不能过载保护方式限流过载保护超越式离合器过载保护22试验内容与方法221噪声对比试验参照油锯耳旁噪声测定方法,将噪音计至于操作者头部右侧距太阳穴10010MM处,高度与操作者眼眉齐平,分别测量2种挖穴机在怠速空转、满负荷运转和高速空转时的噪声值(GB539085),同时使用转速表记录3种工况下输出轴的转速值21。222手柄振动试验参照GB/T53952008相关测试方法,使用测振仪和转速计,分别测量2种类型挖穴机在怠速空转、满负荷运转和高速空转时左右手柄上的的加速度值和输出轴的转速值22。223性能测试与劳动强度对比试验1)挖穴位置分布树冠滴水线一般是指树冠枝展的最外沿,此处树木的毛根根系分布较丰富23。在此处挖穴施肥,有利于肥料的吸收。结合果园情况,按照如图2所示位置进行挖穴作业。图2挖穴位置分布图FIG2POSITIONOFDIGGINGHOLES2)分组设置试验分3组依次进行,编号为A、B、C。整个挖穴作业过程包括3个阶段作业前设备调试阶段(5MIN),作业阶段(30MIN),作业后体力恢复阶段(10MIN)。作业过程中,操作者佩戴POLARRS400心率仪,实时记录心率的变化情况,心率仪记录数据频率设定为1S。3组人员分别操作手提式汽油挖穴机和便携式电动挖穴机,按照图2所示的位置完成挖穴作业。同时,进行洞穴直径、深度、数量以及外界环境等数据的测量。3)操作人员基本信息与外界环境状况3组操作人员的基本信息和试验过程中外界环境的情况分别如表2和表3所示。表2操作人员基本信息TABLE2INFORMATIONOFOPERATOR组别体质量/KG身高/CM年龄/岁A5016324B5316524C6516827平均值5616525表3作业过程中外界环境情况表TABLE3EXTERNALENVIRONMENTALCONDITIONOFOPERATING平均气温/℃平均湿度/外界风速/MS1汽油挖穴机296756090电动挖穴机307717062差值1139028从表2可以看出,操作者的平均体质量56KG、身高165CM、年龄25岁,属于青壮年劳动者。试第12期杨洲等果园施肥用便携式电动挖穴机性能试验27验主要考察同一操作人员使用不同设备时的劳动强度对比,因此同一操作人员的身体状况对劳动强度对比试验结果影响不大,仅会造成工作效率上的差异。外界环境能间接影响操作人员的心率变化。本试验考察的是同一操作者在不同时间使用不同设备时的心率变化情况,时间的不同,存在外界环境的差异。为消除时间因素的影响,必须保证外界环境的相似性。从表3中可以看出,汽油挖穴机与电动挖穴机作业时,外界平均气温差11℃,湿度差39,风速差028M/S。外界环境对试验结果影响不大。3结果与分析31噪声电动挖穴机和汽油挖穴机耳旁噪音测量结果如表4所示。表4电动挖穴机与汽油挖穴机噪声情况TABLE4NOISEOFELECTRICHOLEDIGGERANDGASOLINEHOLEDIGGER噪声等级/DB试验设备工况钻头转速/RMIN1平均值标准值怠速1006128054满负荷运转2657545078电动挖穴机高速运转2657460051怠速08185076满负荷运转17010065052汽油挖穴机高速运转2009903085研究表明工作者如果长期处于高达100DB的噪声环境下,会严重影响人的听力甚至引中看出起神经衰弱、头疼、血压升高等疾病24。从表4可知,汽油挖穴机作业时随着转速的加快,噪声分贝等级上升明显。满负荷运转和高速空转时噪声等级相差不大,为100DB左右。汽油挖穴机满负荷作业时的噪声等级明显高于电动挖穴机的噪声等级,原因是汽油挖穴机采用两冲程汽油机为动力,噪音较大。而电动挖穴机满负荷工作时噪声等级是7545DB,不会影响操作人员的正常工作。32手柄振动电动挖穴机和汽油挖穴机耳旁噪音测量结果如表5所示。表5电动挖穴机与汽油挖穴机手柄振动情况TABLE5VIBRATIONOFELECTRICHOLEDIGGERANDGASOLINEHOLEDIGGER加速度方根值/MS2变异系数试验设备工况钻头转速/RMIN1左手柄右手柄左手柄右手柄怠速1007683370254满负荷265343418398232电动挖穴机高速空转265173168155436怠速0973662895616满负荷1701294210617061361汽油挖穴机高速空转200189024716291513相关研究表明,汽油挖穴机强烈的振动,使其操作性极差,作业人员无法连续工作超过1H。同时,白指病、关节炎等职业疾病的发生都与振动有密切的关系25。从表5中可以看出,汽油挖穴机在怠速和高速空转时手柄处振动加速度方根值小于满负荷时的测量值,原因是在作业过程中土壤起到一定减振作用。汽油挖穴机满负荷工作时左右手柄处的振动加速度方根值比电动挖穴机高951和1688M/S2,同时,3种工况下汽油挖穴机手柄处振动加速度值的变异系数较大,振动较剧烈。33劳动强度试验中3组操作人员作业时的心率指数以及B组操作人员进行挖穴作业时的心率曲线分别如表6和图3所示。表6操作人员工作时的心率指数表TABLE6HEARTRATEINDEXOFOPERATOR操作人员组别N/次HRMAX/次MIN1HRW/次MIN1HRM/次MIN1HRR/次MIN1HRREL/RATIO50LEVEL/次MIN1HRW50LEVELA27261961211606841178132092B27391961381847552184136102汽油挖穴机C27251931211698139149137088A27061961181576839174132089B27501961221657539163136090电动挖穴机C26901931151438130142137084注N为心率记录表记录数据的总次数;HRMAX为操作者理论上能达到的最大心率值,HRMAX220-操作者年龄;HRW为操作者工作时的平均心率值;HRM为操作者工作时最大心率值;HRR为操作者休息时的平均心率值;HRREL为操作者工作时的相对心率值,等于HRW与HRR之差和HRMAX与HRR之差的比值的百分数;RATIO表示工作时的平均心率与休息时的平均心率的比值;50LEVEL为操作者付出50劳动强度状态下的心率水平,等于HRMAX与HRR差值的1/2和休息状态下平均心率值HRR的和;HRW50LEVEL为工作时平均心率值与50LEVEL值的比值。由于本试验没有测量操作者的氧气消耗值,不能有效估算操作者作业时的新陈代谢速率和能量消耗情况。因此,采用以下参数和指标来评价操作者的劳动强度。农业工程学报2013年28图3B组操作人员操作电动挖穴机与汽油挖穴机作业时心率曲线图FIG3HEARTRATECURVEOFGROUPBOPERATINGELECTRICHOLEDIGGERANDGASOLINEHOLEDIGGERHRMAX为操作者理论上能达到的最大心率值,它与操作者的年龄有关,能比较客观的反应出不同操作人员能承受的最大劳动强度,计算公式如下2627HRMAX220操作者年龄(1)HRW为操作者工作时的平均心率,次/MIN,它的大小直接反应了某项工作的劳动强度。从表6中能看出,A、B、C三组操作人员使用汽油挖穴机时的平均心率值比使用电动挖穴机时的平均心率值分别高出了3、16和6次/MIN,操作汽油挖穴机的劳动强度明显高于电动挖穴机。图3为B组操作人员使用电动挖穴机和汽油挖穴机作业时的心率曲线变化图钻头转速(R/MIN),从图3中可以看出,0~5MIN内,为操作人员设备调试阶段;5~35MIN内,心率曲线缓慢上升后,趋于稳定,为操作人员作业阶段;35~45MIN内,心率缓慢下降,为操作者作业后休息恢复阶段。整个过程中,操作者在使用汽油挖穴机时的平均心率值为138次/MIN,明显高于操作电动挖穴机时的心率值(122次/MIN)。HRREL为作业时相对心率值,计算公式如下28MAX100WRRELRHRHRHRHRHR−−(2)式中,HRR表示操作者休息时的平均心率值,次/MIN。当HRREL值处于30~40之间时,是有氧运动的过程。40是重要的临界点,HRREL处于40以下表示能持续工作8H不会感到疲劳29。从表6中可以得出,使用汽油挖穴机时的相对心率值平均水平是44,大于临界点。电动挖穴机的相对心率值为36,处于30~40之间。RATIO为工作时与休息时平均心率的比值,它能消除操作人员因身体素质不同而引起的差异,更准确的反映出2种操作之间劳动强度的差异30。RATIO值越大,表示此项操作所消耗体力越大,更容易使得操作人员心跳加快。从表6可得,操作者使用汽油挖穴机时的平均RATIO值约为17,大于使用电动挖穴机时的平均值(约16)。50LEVEL表示操作者付出50劳动强度状态下的心率水平,它由个人最大心率值HRMAX和休息状态下的平均心率值HRR决定,计算公式如下17MAX502RRHRHRLEVELHR−(3)HRW50LEVEL值由LAMMERT首次提出,HRW50LEVEL等于工作时平均心率值与50LEVEL值的比值,他指出如果计算所得的HRW50LEVEL值等于或大于1,则表示此项工作为剧烈劳动强度工作31。从表6中可得,操作人员使用汽油挖穴机和电动挖穴机作业时的平均HRW50LEVEL值分别为094和088。其中B组人员使用汽油挖穴机工作时的最大HRW50LEVEL值为102,大于1,试验过程中也发现B组操作人员处于极度疲劳状态。以上所有心率指标均明显反映出本试验中2种设备的劳动强度大小。操作汽油挖穴机的劳动强度要大于电动挖穴机,电动挖穴机的设计更符合人机工程学原理。34作业效果挖穴作业过程中,A、B、C三组的作业效果评价表如表7所示。表7作业效果表TABLE7OPERATINGPERFORMANCE组别工作时间/MIN打洞数量/个打洞效率/个H1洞孔平均直径/MM洞孔平均深度/MM土壤回填率/A3032648743497B30234692439116汽油挖穴机C30316298439132A3039787941899B3035707941664电动挖穴机C3041828543469从表7可以看出,3组操作人员使用汽油挖穴机和电动挖穴机作业时的平均工作效率分别为573和766个/H,电动挖穴机比汽油挖穴机工作效率提高了338。电动挖穴机工作效率的提高得益于它具有质量轻(手持部分89KG)、噪声低(746DB)、运转平稳等优良特性。试验用螺旋钻头的直径为80MM,汽油挖穴机挖穴的洞孔平均直径为923MM,明显大于钻头本身直径。二冲程汽油机运转的不平稳性以及它强烈的轴向振动所引起的纵向偏摆是造成扩孔明显的主要原因。而电动挖穴机的洞孔平均直径为81MM,与钻头本身尺寸相差不大,作业质量良好。洞孔的平均深度,是人为控制的一项可变参数,从表7中可以看出,汽油挖穴机平均挖穴深度为4373MM,电动挖穴机为4227MM。第12期杨洲等果园施肥用便携式电动挖穴机性能试验29土壤回填率是评价挖穴质量好坏的重要参数,其计算公式如下100实际深度回填后深度土壤回填率实际深度(4)回填率越低,挖穴质量越好。表7可以得出,汽油挖穴机工作时平均土壤回填率为115,明显高于电动挖穴机的77。钻头工作时的转速与土壤出土时的抛土半径密切相关。转速越高,抛土半径越大,离洞穴越远,土壤回填率越低,反之越大。一般钻头理想工作转速可由以下公式求得1030ΠRGNFR(5)式中,FR为螺旋钻头的一个无因次相似准数,一般取25~45范围之内;G为重力加速度取98M/S2;R0为钻头半径,M。按设计要求取FR为25,R0004M。计算得到N273R/MIN。从表1可知,电动挖穴机转速是0~265R/MIN可调,最大转速与理想工作转速相近,所以抛土半径大,土壤回填率低。汽油挖穴机的理论转速是0~200R/MIN可调,调节方式为控制油门大小。但在操作过程中发现,随着油门的加大。油门加至最大时,汽油挖穴机手柄振动剧烈与噪音达到1004DB,可操作性差。通过实际操作发现,当汽油挖穴机转速低于170R/MIN时,操作人能顺利完成作业。汽油挖穴机实际作业转速远低于理想工作转速,造成土壤回填率较高,挖穴质量差。35经济效益对比分析机器设备的经济效益取决于它寿命周期内综合成本的高低,综合成本包括购买成本和使用成本。购买成本即买入商品时的价格,使用成本是指机器设备使用过程中产生的能耗费用与维修费用等。电动挖穴机的能量源蓄电池,存在使用寿命周期,以蓄电池有效寿命周期内能完成的工作量为不变基准来计算电动挖穴设备的使用成本。电动挖穴机的使用成本是指蓄电池充电过程中产生的耗电费用和电池耗材费用,计算公式如下1000CU耗电费用电池寿命用电价格电池价格(6)式中,C为电池容量,取C24AH;V为电池电压,取U48V;用电价格为06元/;电池寿命为500次充放电32。计算得到耗电费用为16456元。汽油挖穴机的使用成本是指完成与电动挖穴机相同工作量的情况下所产生的能耗费用,计算公式如下1000CUΗ电耗油费用电池寿命单穴耗油量汽油价格电机功率(7)式中,Η电为电动挖穴机的工作效率,取Η电766个/H;电机功率为550W;单穴耗油量指汽油挖穴机完成一个挖穴过程所需消耗的汽油量,汽油挖穴机作业过程中,挖穴总数为86个,耗油量约为0935L,得到单穴耗油量为1087ML/个;汽油价格为79元/L。计算得到耗油费用为68889元。在不考虑维修成本的情况下电动挖穴机与汽油挖穴机的各项成本指数如表8所示。表8挖穴机综合成本分析TABLE8COMPREHENSIVECOSTANALYSISOFHOLEDIGGER生产成本/元使用成本/元综合成本/元电动挖穴机30001645646456汽油挖穴机10006888978889从表8中可得,电动挖穴机的购买价格高于汽油挖穴机,但在一块蓄电池寿命周期内的综合成本仅为46456元,低于汽油挖穴机的78889元。4结论1)电动挖穴机满负荷工作时的噪声等级为7545DB,汽油挖穴机为10065DB。电动挖穴机噪声等级较低,更符合人机工程学的设计。2)电动挖穴机满负荷工作时左右手柄处的振动加速度方根值比汽油挖穴机低951和1688M/S2,电动挖穴机的可操作性更好。3)A、B、C3组人员操作汽油挖穴机作业时的工作平均心率值(121、138和121次/MIN)大于操作电动挖穴机时的作业平均心率值(118、122和115次/MIN),操作电动挖穴机作业时劳动强度相对较小。4)操作电动挖穴机与汽油挖穴机作业时工作效率分别为573和766个/H,相比提高338;土壤回填率分别为77和115,相比降低38。电动挖穴机工作性能的提升得益于它具有操作轻便、噪声低和运转平稳等优良特性且设计的工作转速更接近理论转速值。5)一块蓄电池寿命周期内,电动挖穴机和汽油挖穴机使用综合成本分别为46456和78889元,电动挖穴机的经济效益更好。参考文献1中国农业机械化科学研究院M北京中国农业科学技术出版社,2007156-1652于建国,屈锦卫国内外挖坑机的研究现状及发展趋势J农机化研究,20061238-41农业工程学报2013年30YUJIANGUO,QUJINWEICURRENTRESEARCHSITUATIONANDDEVELOPMENTTRENDOFEARTHAUGERINHOMEANDABROADJJOURNALOFAGRICULTURALMECHANIZATIONRESEARCH,20061238-41INCHINESEWITHENGLISHABSTRACT3马岩植树挖坑机坑形控制与挖坑阻力计算方法研究J动力学与控制学报,2007,53267-270MAYANSTUDYONPITSHAPINGCONTROLOFTREEPLANTINGMACHINERYANDCOMPUTIONALMETHODOFPITDIGGINGRESISTANCEJJOURNALOFDYNAMICSANDCONTROL,2007,53267-270INCHINESEWITHENGLISHABSTRACT4宋相坤螺旋钻采煤机钻头的优化设计J煤矿机电,2012134-35,395罗春雷,丁吉,宋长春,等基于随机过程理论短螺旋钻头载荷的数学模型J中南大学学报,2012,43124701-4706LUOCHUNLEI,DINGJI,SONGCHANGCHUN,ETALMATHEMATICALMODELOFLOADSFORSHORTHELIXBITBASEDONRANDOMPROCESSTHEORYJJOURNALOFCENTRALSOUTHUNIVERSITY,2012,43124701-4706INCHINESEWITHENGLISHABSTRACT6杨有刚,刘迎春,吕新民挖坑机扭转振动特征对的动力学分析J农业机械学报,2005,39953-55,67YANGYOUGANG,LIUYINGCHUN,LXINMINDYNAMICANALYSISOFTORSIONALVIBRATIONFORAHOLEDIGGERJTRANSACTIONSOFTHECHINESESOCIETYFORAGRICULTURALMACHINERY,2005,39953-55,67INCHINESEWITHENGLISHABSTRACT7JOHNGARDNERVEHICLEMOUNTEDPOSTHOLEDIGGERPUNITEDSTATESPATENT6155359,200012058丁乔,张国安,申建英螺旋挖沟机中变导
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